Edu_7_p3 by Международный Научный Институт "Educatio"

ISSN 34567-1769 Международный Научный Институт "Educatio" Ежемесячный научный журнал № 7 / 2014

ЧАСТЬ 3 Главный редактор: Вершинин Б.М., профессор, руководитель Института Психологии Новосибирского университета Ответственный секретарь: д. ф-м.н., Егоров Федор Тихонович (РФ, Санкт-Петербург) Редакционная коллегия: Геращенко Илья Анатолиевич - канд. филос. наук, доц. Гиркин Денис Владимирович - д-р геогр. наук. Данченко Кристина Валентиновна - канд. с.-х. наук. Донец Ирина Федоровна - д-р психол. наук, канд. мед. наук, проф. Евстахий Андрей Денисович - канд. техн. наук, доцент. Убезков Игорь Николаевич - канд. экон. наук Зеленский Константин Егорович - канд. физ.-мат. наук, доц. Иванов Иван Петрович - канд. пед. наук, доц. Карпенко Виктор Инокентиевич - канд. филос. наук, доц. Карпенко Татьяна Михайловна - канд. филос. наук, ст. преподаватель Козлов Семен Борисович - д-р хим. наук, проф. Левой Артем Александрович - канд. искусствоведения, проф. Лычак Мария Ивановна - канд. ист. наук, доц. кафедры естественно-гуманитарных дисциплин Смоленского филиала Российского государственного торгово-экономического университета. Мезенцева Алена Владимировна - д-р культурологии, проф. Прошин Денис Владимирович - канд. ист. наук, доц. Сероян Арсен Гиевич - канд. ист. наук, доц. Фукина Екатерина Петровна - канд. с.-х. наук, доц. Якунев Денис Алексеевич Светлана Дмитриевна - канд. пед. наук, доц. Ответственный редактор д.п.н., профессор Вершинин Б.М.

Международные индексы:

Главный редактор: Вершинин Б.М., профессор, руководитель Института Психологии Новосибирского университета

Ответственный секретарь: д. ф-м.н., Егоров Федор Тихонович (РФ, Санкт-Петербург) Редакционная коллегия: Геращенко Илья Анатолиевич - канд. филос. наук, доц. Гиркин Денис Владимирович - д-р геогр. наук. Данченко Кристина Валентиновна - канд. с.-х. наук. Донец Ирина Федоровна - д-р психол. наук, канд. мед. наук, проф. Евстахий Андрей Денисович - канд. техн. наук, доцент. Убезков Игорь Николаевич - канд. экон. наук Зеленский Константин Егорович - канд. физ.-мат. наук, доц. Иванов Иван Петрович - канд. пед. наук, доц. Карпенко Виктор Инокентиевич - канд. филос. наук, доц. Карпенко Татьяна Михайловна - канд. филос. наук, ст. преподаватель Козлов Семен Борисович - д-р хим. наук, проф. Левой Артем Александрович - канд. искусствоведения, проф. Лычак Мария Ивановна - канд. ист. наук, доц. кафедры естественно-гуманитарных дисциплин Смоленского филиала Российского государственного торгово-экономического университета. Мезенцева Алена Владимировна - д-р культурологии, проф. Прошин Денис Владимирович - канд. ист. наук, доц. Сероян Арсен Гиевич - канд. ист. наук, доц. Фукина Екатерина Петровна - канд. с.-х. наук, доц. Якунев Денис Алексеевич Светлана Дмитриевна - канд. пед. наук, доц.

Художник: Холмогоров Арсений Якович Верстка: Залевская Тамара Аркадиевна

Статьи, поступающие в редакцию, рецензируются. За достоверность сведений, изложенных в статьях, ответственность несут авторы. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов материалов. При перепечатке ссылка на журнал обязательна. Материалы публикуются в авторской редакции. Адрес редакции: Россия, г.Новосибирск , Комсомольский пр-кт, 1а, этаж 3, каб. 49 Сайт: http://edu-science.ru/ Е-mail: info@edu-science.ru Учредитель и издатель Международный Научный Институт "Educatio" (International Scientific Institute "Educatio") Тираж 1000 экз.

Отпечатано в типографии Россия, г. Новосибирск, Комсомольский пр-кт, 1а, этаж 3, каб. 49 Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций.

СОДЕРЖАНИЕ Технические науки Alimbayev A.E., Duisenov M.M. VITAL METHODS OF USING AND IMPROVING SNOW SCREWING MACHINES ON AUTOMOBILE ROADS ................................... 6

Иванов В.И., Нестеренко Т.Н., Мосейко Ю.В. НОМОГРАММНЫЙ МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ И МАССЫ В ОГНЕУПОРАХ ПРИ ИХ ОБЖИГЕ ........ 45

Болтвина Е.К. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДОВОЛЬСТВЕНОЙ ПРОДУКЦИИ В ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЕ РЕГИОНА .............................................................8

Карелин Н.И., Шаров М.И. К ВОПРОСУ ОРГАНИЗАЦИИ ПЕШЕХОДНОЙ И ВЕЛОСИПЕДНОЙ МОБИЛЬНОСТИ В ВЕЛИКОБРИТАНИИ ............................ 47

Борисов Р.С., Ефименко А.А. ПОСТРОЕНИЕ МНОГОФАКТОРНЫХ МОДЕЛЕЙ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ .................................................... 10 Банул А.В., Соловьев Л.Ю., Борисовская Н.Е. НОВЫЕ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ БЕТОНЫ В ДОРОЖНОМ И ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ............................... 13 Чернов Н.С. МАТЕМАТИЧЕСКИОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ..................................................................... 22 Чесноков А.С. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА КАМЕННЫХ КЛАДОК ЗДАНИЙ ИСТОРИЧЕСКОЙ ЗАСТРОЙКИ ................ 25 Пономарева О.А., Дубовкин М.С. ПРИМЕНЕНИЕ OLAP-ТЕХНОЛОГИЙ АНАЛИЗА МЕЖДУНАРОДНОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ................................... 28 Ермолаева А.Б., Преображенский Н.Б., Щенников А.Н. ТРЕБОВАНИЯ К АРХИТЕКТУРЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ............. 31 ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ................................................................... 34 Кельрих М.Б., Фомин А.В. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкина И.А. СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА СТАРТЕРНОГО ТИПА ............................................. 36 Холопов Ю.А., Преображенский Н.Б. ЦИКЛИЧЕСКОЕ ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ........................ 39 Иванов С.В., Пляскин К.В., Полях Т.С. АЛГОРИТМ ТЕРМИНАЛЬНО-ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ С ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ ............................................................... 42

Лапаев Д.М. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАБЛЮДАТЕЛЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ .............................. 50 Медведицков С.И., Маршин И.В. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИН ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ ШИНЫ В ПЯТНЕ КОНТАКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ПРОГРАММИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, ПОСТРОЕННОЙ ПО МОДУЛЬНОМУ ПРИНЦИПУ ................................................................ 52 Пичкуров Ю.В. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛАТФОРМ АРОЧНОГО ТИПА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ В ОСОБЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ ................................................................. 55 Пичкурова Н.С. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОМ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ........................... 57 Половинчук Н.Я., Иванов С.В., Руденко Н.В. СИНТЕЗ ТЕРМИНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОНТУРА НАВЕДЕНИЯ МАНЕВРИРУЮЩЕГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ................................................................. 61 Самойчук К.О., Полудненко О.В., Бездитный А.А. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОТИВОТОЧНОСТРУЙНОГО СМЕСИТЕЛЯ ЖИДКОСТЕЙ ............................ 65 Преображенский Н.Б., Чан Ван Хань, Ле Ба Чунг, Дам Чонг Нам СЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ............... 68 Преображенский Н.Б., Холопов Ю.А. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕРМИНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ В СЕТЯХ 1-WIRE ...................................................................... 71 Рудкин Ф.В., Шутов В.В., Меньшиков В.И. МЕТОДИКА СРАВНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ПРОМЫСЛОВОЙ ОПЕРАЦИИ ПРИ «НЕ РАБОТАЮЩИХ РЕШЕНИЯХ» ............................. 74

Шаталова А.С., Шаталов И.С., Шлейкин А.Г. ВЛИЯНИЕ ГИДРОГЕЛЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ВИТАМИНА С В ЯГОДАХ ПРИ ХРАНЕНИИ ......................................... 77 Донченко А.В., Сулим А.А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ НАКОПИТЕЛЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНА ........................ 79 Суржик В.В. ПРОЕКТИРОВАНИЕ САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИХСЯ ЭКРАНОПЛАНОВ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ «УТКА» ......... 84 Суторихин В.А. РАДАР ДОПЛЕРА ОПРЕДЕЛЯЕТ ДЕФЕКТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ................................................................. 88

Жарков Р.Р., Ляхова В.В., Свиридов Е.В., Овечкин С.Л. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КУРСОВОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ДВИЖЕНИИ НА ПОВОРОТЕ .................................... 91 Ваганов К.А. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ ПОРОХОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГАЗО- И НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ ................................................................... 94 Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е., Галушкина И.А. ТЕПЛОВОЙ РАЗГОН В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ С МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ............ 96

Физико-математические науки Абдыкаримова А.Т. ОРГАНИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ...................................... 100 Антипов О.И. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО ПОВЫШАЮЩЕГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ БИФУРКАЦИОННЫХ ДИАГРАММ ............... 102 Антипов О.И. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА БЛИЖАЙШИХ ЛОЖНЫХ СОСЕДЕЙ К АНАЛИЗУ ЭЭГ-СИГНАЛА НА ПРЕДМЕТ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗАСЫПАНИЯ ....................... 105 Попов Н.Н., Игнатьев В.Ю. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА С ПОМОЩЬЮ НЕКЛАССИЧЕСКИХ МАРКОВСКИХ ПРОЦЕССОВ........ 107

Иванов В.Я. ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. ВЫЗОВЫ XXI ВЕКА .......... 114 Кирпичников А.П., Фадхкал З., Титовцев А.С. ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОТКРЫТОГО ТИПА ...................................................................... 123 Татьяна Г.К., Лариса Ф.М. СОЗДАНИЕ ФЕРРИТОВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ................ 125 Савкина Н. В., Фарапонов В. В., Бондарь Е. А. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХ ЗВУКОВОГО И ГИПЕРЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ЦИЛИНДРА С ВЫРЕЗОМ........... 128 Усольцев В.Л. ОБ ЭНДОМОРФНО ПРОСТЫХ АЛГЕБРАХ С ОПЕРАТОРАМИ . 131

Иванов С.А., Орлов В.Н. О ПРИБЛИЖЕННОМ РЕШЕНИИ ОДНОГО НЕЛИНЕЙНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА В ОБЛАСТИ АНАЛИТИЧНОСТИ ..................................... 112

Химические науки Аббасова Т.А.Г., Ибрагимова Ф.С., Пашаева Ф.К., Рустамова А.И. СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЦИКЛОПЕНТАДИЕНИЛ КАРБОНИЛЬНЫМИ ЛИГАНДАМИ КОМПЛЕКСОВ ДВУХВАЛЕНТНОГО СЕМИКООРДИНАЦИОННОГО РЕНИЯ .............. 134

Земнухова Л.А., Холомейдик А.Н., Федорищева Г.А., Арефьева О.Д. ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМА ОТ ПРИРОДЫ КИСЛОТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ПРОЦЕССЕ ГИДРОЛИЗА РИСОВОЙ ШЕЛУХИ .................................................... 139

Гусейнова Л.В., Расулов С.Р., Келбалиев Г.И., Сулейманов Г.З. ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ К ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРРОЦЕНСОДЕРЖАЩИХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ РАСТВОРОВ ......................... 136

Авдеев С.П., Милешко Л.П., Гусев Е.Ю., Махаринец А.В. ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИЙ ОБРАЗОВАНИЯ СИЛИКАТОВ МЕТАЛЛОВ НА ПРОЦЕСС СТЕКЛОВАНИЯ ПЛЕНОК ЛЕГИРОВАННОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ ................................................................ 141

Сабирзянова Р.Н., Красина И.В. ИСПЫТАНИЕ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОГНЕИ ТЕРМОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА................................... 144 Сардарлы А.М., Висловский В.П., Сулейманов Г.З. ПРОМОТИРУЮЩИЙ ЭФФЕКТ СУРЬМЫ НА ОКИСЛИТЕЛЬНОВОСТАНОВИТЕЛЬНЫЕ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВA ВАНАДИЙСУРЬМЯНЫХ ОКСИДОВ В ОКИСЛИТЕЛЬНОМ ДЕГИДРИРОВАНИИ ИЗОБУТАНА .................................. 147

Жирнова Ю.В., Нурмуханбетова Н.Н., Габбасова Р.Р. ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОДОЕМОВ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ КАРБОНИЗОВАННЫМИ СОСНОВЫМИ ОПИЛКАМИ ...................................................................... 149

Исторические науки Летунова Л.С. ТРАДИЦИОННАЯ РУССКАЯ КУЛЬТУРА И СОВРЕМЕННОСТЬ В ВОПРОСЕ ВЫБОРА ДАТЫ ЗАКЛЮЧЕНИЯ БРАКА В ХМАО-ЮГРЕ ........................................................... 154

Присяжная И.М. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЖЕНСКОГО КИТАЙСКОГО КОСТЮМА СЕВЕРО-ВОСТОКА КИТАЯ ЭПОХИ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ ...................................................... 160

Малахова Л.П. ОРГАНИЗАЦИЯ ЧИТАТЕЛЬСКИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ У НАРОДОВ ХАНТЫ И МАНСИ В 1920 – 30-Е ГОДЫ .......................... 157

Военные Науки Melikov A.V. SIMULATION MODEL OF EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF GROUND ARTILLERY FIRING ..................................... 163

Архитектура Николаенко Е.А., Старостина Г.А., Игнатенкова В.А., Соколова А.Д., ФОРМИРОВАНИЕ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫВ УСЛОВИЯХ СЕЙСМИКИ И СУРОВОГО КЛИМАТА............................... 166

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Технические науки VITAL METHODS OF USING AND IMPROVING SNOW SCREWING MACHINES ON AUTOMOBILE ROADS Alimbayev A.E., Duisenov M.M. Candidates for a Master’s Degree L.N. Gumilyov Eurasian National University, Kazakhstan АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНИКИ ДЛЯ ОЧИСТКИ СНЕГА НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ Алимбаев А.Е., Дуйсенов М.М., Магистранты 2 курса ЕНУ им Л.Н. Гумилева г. Астана, Казахстан АBSTRACT This article deals with the logistical base of the maintenance stations that are able to repair snow screwing machines in short time limits during the winter. Besides, it investigated the time necessary for the maintenance works of snow screwing machines. АННОТАЦИЯ Актуальные проблемы эксплуатации и улучшения техники для очистки снега на автомобильных дорогах Данная статья рассматривает материально-техническую базу ремонтных пунктов, которые в кратчайшие сроки могут отремонтировать снегоочистительную технику в зимнее время. Кроме того, в статье было исследовано время необходимое на ремонт снегоочистительной техники с практической точки зрения. Key words: autotransport, technics, transport and communications, screwer. Ключевые слова: автотранспорт, техника, транспорт и коммуникации, шнек и ротор. Nowadays, the importance of automobile roads is very large for our country to have the opportunity to rebut the global economic challenges. Sources of natural resources and major economic centers are located far from each other, for this reason, the amount of freight transportation is big, so we are more than other countries dependent on non-stop operation of traffic systems. Automobile roads are one of the most important components of transport-communication systems of Kazakhstan, their profitable work and stable development are an important factor in increasing and improving the level of household condition of the population. Density of railways and waterways in Kazakhstan is comparatively lower than the density of automobile roads, by which goods, construction and agro-industrial goods and products are delivered to many areas and also passengers carried. At the present time in our country, the length of automobile roads is 97,000 kilometers. That's enough to wrap the globe two and a half times [1]. However, the automobile roads maintenance works during the winter time is one of the actual problems nowadays. For instance, the winter of 2012-2013 years was severe. Because of the non-stop snowing and hard snow-storm all the roads were closed. During that time it was obvious that we have old snow screwing machines and the amount of them is not enough for our roads. In order to solve this problem, on 11th November 2013 was held a council at the Ministry of Transport and Communication approaching the question of the automobile roads maintenance works during the winter time. On this council were discussed issues such as how to provide good quality traffic in the winter and schedule of duty shift during bad weather. Also was reported the preparation of the snow screwing machines when there is icy surface on the roads. The report includes: - the preparation of maintenance machines during the winter time is 86%;

the material preparation is 80%; 42000 m³ of sand, 5300 m³ of salt, 143000 l of gasoline, 431 tons of diesel fuel were prepared[2]. Despite all these facts, it is obvious that nowadays the technical characteristics of maintenance points which can repair machines during snow storms are weak. This is the reason why the snow screwing machines are being repaired slowly for a very long time. Consequently, the roads are closed and the traffic is stopped. For instance, let us have a look at the snowscrewer (picture 1a) in the process of its work and its advantages: - it’s an irreplaceable machine for saving people and cars left under the snow coverage; - it’s able to work in -45ºC; - it can clean the roads even with a thick snow coverage. Now let us move on to its disadvantages: - screwer gets damaged when there is icy snow, stone or some metal; - flexible screwer isn’t able to work normally; - because of the vibration bearing and chain drive may get damaged, too. The main function of the screwer is to pass thick snow to the rotor to throw away. In case the rotor vane (picture 1b) bends and breaks during the work, snowscrewer stops its work automatically [3]. The frequency of snowscrewer breaking down and its maintenance works were also practically investigated. This process took place in area №87 of Alakol maintenance point. The results of the investigation are shown in the diagram below. (1-diagram shows break down frequency). Refurbishment of snowscrewer parts is very difficult, that’s why everything is done in factories. Alakol maintenance point is located far from the city centers (Makinsk 196km ↔ 144 km Alakol ↔ 108km Akkol), so the refurbishment works take long time. The amount of time spent on maintenance works is shown in 2-diagram.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

b) sideview c) upside view Picture-1. a-snowsrewer view, b,c-operating organ view (1-operating organ, 2,5-screwer, 3,6-rotor, 4-snow coverage, 7-chain drive) 1-diagram 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

Desember №

3 1

1 2 2

January

February

March

Item name

December

January

February

March

Screwer

2 times

4 times

2imes

Rotor

2 times

3 times

4 times

3 times

2-diagram 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

Screwer

Rotor

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

№ 1 2

Item name Screwer Rotor

Take off / fix on time 2 hours 3 hours

In conclusion, nowadays all the maintenance works are done in factories but a lot of time is spent on them. As the result, the roads are closed and different accidents take place. That is why, it is necessary to do refurbishment directly at maintenance points and to improve their technical provision. Only in this case it is possible to reduce the off-work time and provide non-stop traffic. In my opinion, it is definitely one of the most important tasks nowadays that needs solution.

Технические науки

8 Take from / to the city time 3 hours 3 hours

Maintenance works time 4 hours 4 hours

REFERENCE 1. M.S. Iztleuova. Kolik zhuielerinin logistikalyk infrakurylymy, Almaty: Dauir, 2006, p.29 2. Electronic resourse (www.mtc.gov. Kolik zhane kommunikasia ministrliginde zholdardy kys kezinde kutip ustau zhonindegi kenesinde.-12.11.13) 3. G. L. Karaban, V. I. Balovnev, I.A. Zasov, B. A. Lifshits "Cars for municipal economy" Moscow "Mechanical engineering", 1988, pp-75-76

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДОВОЛЬСТВЕНОЙ ПРОДУКЦИИ В ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЕ РЕГИОНА

Болтвина Екатерина Константиновна Аспирантка, Иркутский государственный аграрный университет, г. Иркутск

INFORMATION SUPPORT OF FOOD PRODUCTION MODELS IN THE FOREST-STEPPE ZONE OF THE REGION Boltvina Ekaterina, Postgraduate student, Irkutsk State Agrarian University, Irkutsk АННОТАЦИЯ В статье рассмотрены особенности свойств информации о таежных ресурсах. Показано, что параметры можно рассматривать как интервальные, случайные, в виде функциональных зависимостей и постоянных величин. Предложены модели оптимизации получения продовольственной продукции как сочетания сельскохозяйственного производства и заготовки лесных ресурсов, параметры которых являются интервальными и вероятностными величинами. ABSTRACT This article examines the specialties of properties of characteristics on taiga resources. It is shown that the parameters can be considered as interval, stochastic, in the form of functional dependencies and constants. The optimization models of getting the food production as a combination of agricultural production and harvesting of forest resources are offered. Their parameters are the interval and the probabilistic values. Ключевые слова: информация; модель оптимизации; сельскохозяйственное производство; лесные ресурсы; регион. Keywords: information; optimization model; agricultural production; forest resources; region. Одним из направлений развития агропромышленного комплекса региона является создание кластеров по сочетанию производства сельскохозяйственной продукции и заготовке лесных продовольственных продуктов. Сельское хозяйство региона можно разделить на зоны с разным уровнем развития сельского хозяйства. Согласно анализу различных источников [5] высокая эффективность аграрного производства имеет место в Ангарском и Усольском районах. Традиционно основным производителем сельскохозяйственной продукции является Иркутский район. Большим потенциалом по производству продовольственной продукции обладает Усть-Ордынский Бурятский округ. Вместе с тем на периферийных зонах

Иркутской области и территориях, удаленных от железных дорог, сельское хозяйство развито слабо, поэтому необходимо решать задачу развития этих территорий, богатых лесными продовольственными ресурсами. В работе [9] на основании стоимостных показателей производства по всем категориям хозяйств выделены однородные территории по эффективности использования сельскохозяйственных угодий. Исходя из этого регион условно разделен на зоны, из которых к неблагоприятным относятся: несельскохозяйственная, низкая, наименее низкая. В таблице 1 выделенные зоны дополнены численностью населения [10] и параметром, характеризующим лесистость [4].

Таблица 1 Муниципальные районы, объединенные по критерию однородности территории по стоимостным параметрам производства Численность сельского населения Оценка эффективно(человек) сти по стоимостным Муниципаль-ный Процент Процент лесипараметрам сельхорайон Годы убыли, % стости, % зугодий 2008 2009 2010 2011 Бодайбинский 2358 2303 2241 1631 30,8 84,8 Катангский 4257 4230 4172 3765 11,6 89,8 НесельскохоМамско-Чуйский 599 569 537 351 41,4 89,1 зяйственная Ольхонский 8527 8604 8690 8220 3,6 34,4 Слюдянский 4394 4386 4361 4209 4,2 58,3

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Оценка эффективности по стоимостным параметрам сельхозугодий Низкая

Наименее низкая

Муниципаль-ный район Боханский Нижнеилимский Нижнеудинский Тайшетский Усть-Илимский Балаганский Баяндаевский Жигаловский Осинский Усть-Кутский Усть-Удинский Шелеховский

Технические науки

Численность сельского населения (человек) Годы 2008 2009 2010 2011 27353 27485 27721 25412 11068 10989 10753 9448 23282 23190 23069 19320 24412 24398 24367 20037 13214 13194 13178 11521 5353 5361 5363 5079 12704 12654 12664 11472 4822 4811 4785 3948 21381 21457 21736 20403 6187 6104 6031 5670 10664 10634 10582 9162 8193 8305 8439 9462

Согласно таблице 1 в большинстве выделенных районов происходит уменьшение населения, исключением является только Шелеховский район. Другой особенностью территорий является значительная их олесенность и наличие богатой продовольственной продукции: растительной (смолы, грибы, ягоды, кедровый орех, лекарственные растения), животной (мясо диких животных, меха, ценные лекарственные препараты - панты, бобровая и кабарожья струя, медвежья желчь и т.п.) [1]. Очевидно, что биопродуктивность лесных ресурсов отличается от урожайности сельскохозяйственных культур, как и заготовка мяса диких и сельскохозяйственных животных. Другими словами, основными факторами богатства животного и растительного мира лесных массивов являются природно-климатические условия. Влияние человека на процессы биопродуктивности таежных растений и популяцию диких животных незначительно по сравнению с производством сельскохозяйственной продукции. Систематизация информации о потенциальных ресурсах ягод, грибов, орехов показывает, что их урожайность колеблется от года к году в значительных пределах. В частности, в Жигаловском районе по данным за многолетний период, систематизированным Н.А. Кружковым, объем собранных орехов колебался от 25,3 ц до 506,2

Процент убыли, %

Процент лесистости, %

7,1 14,6 17,01 17,9 12,8 5,12 9,7 18,1 4,6 8,4 14,09 -15,5

51,2 90 [8] 76,5 88,9 88,9 80,9 59,1 94,9 69,9 95,9 88,3 82

т. Валовые хозяйственные ресурсы съедобных грибов, выявленные на территории Нижнеудинского района, изменяются от 21 до 260 т [7]. Если изменчивость ягод и грибов характеризуется непредсказуемыми изменениями, которые невозможно оценить с помощью вероятности, то эти параметры можно рассматривать как интервальные. Что касается многолетних изменений заготовки кедровых орехов [3], то в отличие от интервальных параметров этот параметр подчиняется закону распределения вероятности. Для Иркутской области для описания заготовки кедровых орехов нами предложено гамма-распределение со статистическими параметрами: среднее - 801,6 т, коэффициент вариации ( cv ) - 1,28. Помимо оценки свойств параметров, характеризующих получение объемов дикорастущей продукции, научно-практическое значение имеет изучение изменчивости численности диких животных для заготовки мяса. По данным Иркутской области за 2000-2011 гг. проанализирована динамика послепромысловой численности диких животных, отнесенных к объектам охоты [4]. В таблице 2 приведены результаты моделирования рядов послепромысловой численности диких животных, отнесенных к объектам охоты.

Таблица 2 Тренды многолетних рядов послепромысловой численности диких животных, отнесенных к объектам охоты Вид животного Уравнение тренда Прогноз с упреПрогноз с F -критерий FТ ждением упреждеФишера 1 год нием 2 года Лось 20,5 19,4 42,7 45,0 y  0, 246t 2  4,3t  57 Дикий северy  0,76t  13, 4 15 1,0 23,3 24,0 ный олень y  0, 233t  1,94 Кабан 33,5 1,0 5,0 5,2 Кабарга

y  0,39t 2  4, 2t  32

23,6

Согласно критерию Фишера линейные и нелинейные тренды численности лося, дикого северного оленя, кабана и кабарги являются значимыми, что позволяет прогнозировать их численность с упреждением 1-2 года. Следует отметить положительную тенденцию изменчивости количества особей, что особенно заметно для кабана, кабарги и дикого северного оленя. Замедлилось падение численности лосей. В таблице 2 приведены прогнозы количества особей перечисленных видов диких животных с упреждением 1 год и 2 года.

19,4

43,3

49,6

Ретроспективный прогноз показывает, что наиболее приемлемыми являются прогнозы на один год. С увеличением периода заблаговременности точность их уменьшается. Не во всех случаях численность диких животных можно описать с помощью трендов. В частности, многолетний ряд количества поголовья косули является слабосвязной выборкой с первым коэффициентом автокорре-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

ляции r1  0,32 . При этом вариация ряда является незначительной - cv  0,066 . Кроме того, случайной является выборка численности благородного оленя, рассеяние которой составило cv  0,14 . Эти два параметра могут быть описаны с помощью нормального закона распределения [2, 6]. Таким образом, информация о таежных ресурсах имеет различные свойства. Одни параметры можно рассматривать как интервальные или случайные, а другие в виде функциональных зависимостей или постоянных величин. Исходя из свойств параметров, можно построить различные модели, описывающие получение таежной продукции, включая: ягоды, грибы, орехи, мясо диких животных, рыбы и птиц. В зависимости от природно-экономических особенностей территорий Иркутской области предлагается создание следующих моделей оптимизации получения продовольственной продукции. В первую группу могут быть включены модели, позволяющие оптимизировать производство продовольственной продукции в таежной зоне. Во втором случае возможна оптимизация получения продовольственной продукции благодаря сочетанию таежной продукции с сельскохозяйственной. При этом объемы заготовки таежной продукции преобладают над объемами сельскохозяйственного производства. Третья группа моделей, как и вторая, описывает сочетание получения продовольственной продукции как сельскохозяйственной, так и таежной. Однако в этом случае объемы аграрного производства преобладают. Очевидно, что в перечисленных группах моделей параметры не являются детерминированными. В целевую функцию (получения максимума прибыли) и ограничения входят неопределенные параметры, поэтому решением подобных задач является не одно, а множество оптимальных решений, которое связано либо с вероятностями, либо с верхними и нижними оценками параметров. Неопределенность некоторых величин позволяет использовать имитационное моделирование для получения множества оптимальных решений, учитывающих обычные и экстремальные природно-климатические условия. При решении подобных задач широко используется метод Монте-Карло [6]. Таким образом, на основе анализа демографических и природных особенностей муниципальных районов региона, большинство из которых обладает значительными богатствами дикорастущих растений, промысловыми видами животных и птиц, рыбными ресурсами, предлагается оптимизировать получение продовольственной продукции как сочетание сельскохозяйственного производства и заготовки лесных ресурсов. В зависимости от развития сельскохозяйственного производства и запасов таежных ресурсов для тех или

Технические науки

иных территорий можно использовать три группы моделей: оптимизация заготовки лесной продукции, оптимизация сочетания получения продовольственной продукции с преобладанием таежных или сельскохозяйственных ресурсов. Исследование различных параметров, которые входят в модель, показывает, что они могут быть неопределенными и детерминированными. Такое сочетание параметров предполагает не одно, а множество оптимальных решений. Поэтому при решении задач оптимизации получения продовольственной продукции необходимо использовать модели с интервальными и вероятностными параметрами с учетом их динамики. Список литературы: 1. Атлас биологического разнообразия лесов Европейской России иmсопредельных территорий. - М.: ПАИМС, 1996. - 144 с. 2. Бородич, С.А. Вводный курс эконометрики: учеб. пособие / С.А. Бородич. - Мн.: БГУ, 2000. - 354 с. 3. Ващук, Л.Н. Леса и лесное хозяйство Иркутской области / Л.Н. Ващук, Л.В. Попов, Н.М. Красный и др. - Иркутск, 1997. - 288 с. 4. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области за 2011 год. - Иркутск: Изд-во ООО «Форвард», 2012. - 400 с. 5. Иваньо, Я.М. Модели оптимизации использования земель сельскохозяйственного назначения на различных уровнях агрегирования / Я.М. Иваньо, Е.С. Труфанова // Вестник ИрГСХА. - 2010. - №40. - С.133-141. 6. Иваньо, Я.М. Оптимизация размещения посевов сельскохозяйственных культур с использованием имитационного моделирования / Я.М. Иваньо, М.Н. Астафьева // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2011. - № 1. - С. 59-67. 7. Музыка, С.М. Грибы северного Присаянья (состав, экологические особенности и ресурсы) / С.М. Музыка. - Иркутск: ИрГСХА, 2002. - 154 с. 8. Схема развития и размещения производительных сил Иркутской области до 2005 г. Утверждена распоряжением губернатора от 28.01.04 № 15-рг. - Иркутск, 2003. – 314 с. 9. Чернигова, Д.Р. Оценка экономической эффективности использования сельскохозяйственных угодий в муниципальных образованиях региона / Я.М. Иваньо, Д.Р. Чернигова // Природа и сельскохозяйственная деятельность человека: cб. материалов международной научно-практической конференции, Иркутск, 23-27 мая 2011 г. Часть II. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2011. - С. 272-277. 10. Численность населения по городам и районам: стат. бюллетень. - Иркутск: Иркутскстат, 2000-2012.

ПОСТРОЕНИЕ МНОГОФАКТОРНЫХ МОДЕЛЕЙ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Борисов Роман Сергеевич кандидат технических наук, доцент Российского Государственного Университета Туризма и Сервиса Ефименко Алексей Анатольевич кандидат технических наук, доцент Российского Государственного Университета Правосудия

CREATION OF MULTIPLE-FACTOR MODELS OF DATA TRANSMISSION NETWORKS Borisov Roman, Efimenko Alexey, Candidate of Science, associate professor of Russian State University of Justice, Moscow

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

АННОТАЦИЯ Для оптимизации структуры гетерогенных сетей использована аппаратно-ориентированная модель, включающая канальную подсистему, подсистему маршрутизации и коммутации, абонентскую подсистему и систему управления сетью. Использование модели позволяет решать оптимизационные задачи формирования состава и структуры сетей передачи данных. ABSTRACT For optimization of structure of heterogeneous networks the hardware focused model including a channel subsystem, a subsystem of routing and switching, a subscriber subsystem and a control system of a network is used. Use of model allows to solve optimizing problems of structure of networks of data transmission. Ключевые слова: сетевые технологии, сетевые элементы, аппаратно-ориентированная модель. Keywords: network technologies, network elements the hardware focused model Существующие системы управления сетями, такие как SDN (программно-конфигурируемые сети) вносят развитые логико-информационные возможности к взаимодействию между сетевыми службами и сетевой инфраструктурой, чтобы динамически приспособить сеть к потребностям центров обработки данных [2]. Использование таких систем управления требует построения адекватных моделей, основанных на характеристиках сети в реальном времени. При необходимости получения характеристик сети с одновременным учетом ряда особенностей ее функционирования приходится строить усложненные многофакторные модели [3]. Построение таких моделей основывается на детализированных моделях сетевых элементов. Для того, что бы детализация моделей сетевых элементов не приводила к значительному усложнению модели и возрастанию затрат на моделирование, предлагается использовать аппаратно ориентированную модель сети, в которой все аппаратно-программные средства сгруппированы на основе родства выполняемых функций, что в свою очередь, позволяет описать эти группы стандартным набором параметров, величины которых вводятся затем в модель. Для реализации этого предлагается

новый концептуальный подход к классификации аппаратных и программных элементов сетей передачи данных, основанный на дополнении эталонной модели OSI аппаратно-ориентированной моделью реализации сетевых технологий [1]. Такой подход подразумевает привязку разрабатываемых протоколов к одной или нескольким подсистемам: канальной подсистеме, подсистеме маршрутизации и коммутации, абонентской подсистеме, подсистеме управления сетью или подсистеме безопасности. Обобщённый вид аппаратно-ориентированной модели взаимодействия представлен на рис. 1. В соответствии с предложенной структурой, обобщённую модель сети можно представить кортежем: =<, , , , >,

(1)

где ={} – множество элементов канальной подсистемы; ={}- множество элементов подсистемы маршрутизации и коммутации; ={} –множество элементов абонентской подсистемы; ={} – множество управляющих воздействий подсистемы управления сетью; ={} – множество элементов подсистемы безопасности;

Подсистема управления сетью

Подсистема коммутации и маршрутизации

Канальная подсистема

Абонентская подсистема

Подсистема безопасности Рисунок 1. Аппаратно-ориентированная модель взаимодействия открытых систем Таким образом, в состав модели входят пять ключевых элементов. Проведём их детализацию на примере канальной подсистемы. Для обеспечения функциональной полноты канальной подсистемы в рамках рассматриваемого подхода, ее можно представить как следующий кортеж элементов: К=<Θ, Ι, Δ, Σ, , Ν>

(2)

где Θ={} – множество параметров оконечного оборудования канала;

Ι ={}- множество параметров физических сред передачи данных; Δ ={}- множество элементов промежуточной аппаратуры, улучшающей качество сигнала (повторители, концентраторы, усилители и регенераторы); Σ ={}- Множество параметров средств агрегирования каналов; ={} – множество параметров мультиплексирования и демультиплексирования. Ν ={} множество канальных протоколов

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Подобный выбор компонентов позволяет в рамках единой функциональной подсистемы объединить три группы оборудования, ранее как единое целое не рассматривавшихся. Это элементы работающие на физическом уровне эталонной модели OSI, средства первичных сетей для организации канала связи и средства агрегирования каналов вторичных сетей. Для этой группы оборудования можно формировать единый набор параметров и сформулировать критерии для построения перспективной сети.

Технические науки

Обобщенная схема канальной подсистемы представлена на рис. 2. Дальнейшее уточнение модели проводиться до необходимой степени детализации. В качестве соотношений для построения матриц следования пакетов в сети между каждой парой узлов могут быть использована модель равновесного распределения потока пакетов в сети.

Промежуточная аппаратура для улучшения качества сигнала Модель среды передачи

Средства агрегирования каналов

Мультиплексоры и демультиплексоры Рисунок 2. Структура канальной подсистемы

где I – множество узлов сети; А – множество каналов связи; Ai - множество входящих каналов в узел i;

Ai - множество исходящих каналов из узла i; ua – суммарный поток по каналу; u a1a2 - суммарный поток при переходе из канала а1 в канал а2;

u apq - поток пакетов из узла p в узел q, проходящий по каналу а;

u apq1a2 поток пакетов из узла p в узел q, проходящий по переходу из канала а1 в канал а2; Трафик от узла назначения к узлу прибытия может быть определён:

Ценовая функция суммарного потока:

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Тогда требуемый глобальный критерий строится как сумма интегральных ценовых функций всех каналов и переходов. Таким образом, в принятых обозначениях модель равновесного распределения потоков может быть сформулирована в виде задачи оптимизации:

Аналогичным образом строятся модели остальных подсистем гетерогенной сети в рамках описанного подхода. Таким образом, предложенный подход к построению моделей сложных гетерогенных сетей на основе аппаратно-ориентированной модели позволяет строить адекватные многофакторные модели без излишней детализации моделей сетевых элементов и позволяет учесть

Технические науки

основные тенденции перспективного развития сетей передачи данных. Список литературы 1. Борисов Р. С. Аппаратно-ориентированная модель взаимодействия открытых систем. //«Электротехнические и информационные комплексы и системы» №1, т7, М.:РГУТиС, 2011. 2. Ефименко А.А., Федосеев С. В. Организация инфраструктуры облачных вычислений на основе SDN сети // «Экономика, статистика, информатика. Вестник УМО» науч. практ. жур., № 5 М. МЭСИ, 2013. - с. 185-187. 3. Ловцов Д. А. Информационная теория эргасистем: Тезаурус. – М.: Наука. 2005.

НОВЫЕ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ БЕТОНЫ В ДОРОЖНОМ И ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Банул Алена Викторовна старший преподаватель Сибирского Государственного Университета Путей Сообщения Соловьев Леонид Юрьевич канд. техн. наук, доцент Сибирского Государственного Университета Путей Сообщения Борисовская Надежда Евгеньевна аспирант-стажер Сибирского Государственного Университета Путей Сообщения

THE NEW SLAG-ALKALINE CONCRETES IN ROAD AND TRANSPORT CONSTRUCTION Banul Alena, senior teacher of the Siberian State Univercity of Railway Engeneering, Novosibirsk Leonid Solovyov, Candidate of Science, associate professor of the Siberian State Univercity of Railway Engeneering, Novosibirsk Borisovskaya Nadezhda, graduate student of the Siberian State Univercity of Railway Engeneering, Novosibirsk АННОТАЦИЯ Целью исследования стала разработка принципов использования отходов перерабатывающих и горнодобывающих предприятий при производстве вяжущих, и разработка бетонов на основе этих вяжущих. Исследования проводились новыми методами изучения техногенного сырья – рентгеновской порошковой дифрактометрии и энергодисперсионной спектроскопии. Установлено, что такие вяжущие по химическому составу подобны портландцементному клинкеру. Преимуществами материала являются низкая себестоимость, низкий расход вяжущего, низкие энергозатраты производства, высокие классы бетонов при использовании обычных заполнителей. Ключевые слова: Шлакощелочное вяжущее, высокопрочные шлакощелочные бетоны. ABSTRACT The aim of the study was the development of principles for the use of waste processing and mining enterprises in the production of binders, as well as the development of structure of concrete with enhanced durability and economic efficiency on the basis of these binders. The studies were carried out new methods of study of technogenic raw materials by x-ray powder diffraction and method of energy dispersive spectroscopy. The results suggest that the binding is similar to Portland cement clinker. The advantages of the material are reduced flow of the binder in the composition backlinking concrete, low energy production, the possibility of obtaining high grade concrete using conventional fillers. Keywords: slag binder, high strength slag-alkaline concretes Бетоны на основе шлакощелочных вяжущих имеют ряд несомненных преимуществ перед традиционными бетонами на основе портландцемента. В частности – это существенно более высокие прочностные характеристики материала, меньшая стоимость, возможность использования отходов местного металлургического производства. Нормами проектирования мостов предусмотрено использование традиционных бетонов не более класса В60 по прочности. Связано такое ограничение не в последнюю очередь с пределом экономической целесообразности применения этого материала. Это ограничивает длины пролетов железобетонных мостов, при которых они могут эффективно конкурировать с металлическими конструкциями. В практике проектирования уже редко используются бетоны классов выше В40. Применение ШЩВ позволяет изготавливать бетоны классов В90, прочность которых в 1,5 раза выше применяемых в мостостроении при более низких затратах на их производство.

Одним из сдерживающих факторов широкого применения ШЩБ остается сложность обеспечения гарантированных параметров материала при его изготовлении. Однако уже сегодня есть примеры эффективного использования таких бетонов в транспортном строительстве. В частности за рубежом это мост Luas в городе Dundrum (Ирландия), в России – обделка тоннелей Казанского метрополитена. Безусловно, перспективным является применение ШЩБ для изготовления покрытий автомобильных дорог, особенно в регионах, где расположены объекты металлургии. Это расширяет базу местных материалов, что также ведет к снижению стоимости строительства. Создание высокоэффективных бетонов с применением шлакощелочных вяжущих из молотых гранулированных доменных шлаков позволит обеспечить дорожное и транспортное строительство качественным строитель-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

ным материалом, удешевить производство бетона и решить экологическую проблему за счет использования техногенных продуктов. Предметом настоящего исследования является изучение составов и свойств отходов перерабатывающих и горнодобывающих предприятий, применяемых в качестве компонентов для приготовления вяжущих. Целью работы стала разработка принципов использования отходов перерабатывающих и горнодобывающих предприятий при производстве вяжущих, а также разработка состава бетона, обладающего повышенной прочностью и экономической эффективностью на основе этих вяжущих. За основу для изучения были приняты отходы ОАО Западно-Сибирский металлургический комбинат (ЗСМК) г. Новокузнецка. В рамках работы рассматривается шлакощелочное вяжущее, при изготовлении которого применялись следующие техногенные продукты – гранулированный доменный шлак и отходы углеобогащения. В задачи исследования входили: изучение технологических и эксплуатационных свойств вяжущего, фиксация закономерностей влияния химического состава, количества техногенных продуктов на физико-механические свойства вяжущего. Также разработка оптимального состава и режима получения шлакощелочного бетона с применением вяжущих на основе техногенных продуктов промышленных предприятий.

Технические науки

Научная новизна состоит в уникальности разработанного состава шлакощелочного вяжущего, при изготовлении которого применялась ранее неиспользуемая в его производстве комбинация отходов промышленных предприятий, гранулированного доменного шлака и отходов углеобогащения. Исследования проводились на базе лаборатории ИНХ СО РАН новыми методами изучения техногенного сырья – методом рентгеновской порошковой дифрактометрии и методом энергодисперсионной спектроскопии. Порошковые дифрактограммы регистрировались на автоматическом дифрактометре фирмы Philips PW 1830/1820/1710 с “Automatic Divergence Slits” (переменной апертуры детектора, зависящей от дифракционного угла); с использованием медного монохромного излучения Cu-Kα (λ = 1,5418 Å, 40 кВ, 30 мА). За основу для сравнительного анализа, в качестве эталонных, были взяты порошковые дифрактограммы техногенных продуктов [10]. Поэлементный состав определялся на энергодисперсионном дифрактометре фирмы Hitachi TM3000 TableTop SEM. Были записаны дифрактограммы молотого доменного гранулированного шлака производства 2008 и 2014 годов, рисунок 1. Данные дифрактограммы были проанализированы, сравнены с порошкограммами из литературных источников (рисунок 2) в соответствии с рекомендациями [8].

Рисунок 1. Порошковые дифрактограммы образцов отходов ОАО Западно-Сибирский металлургический комбинат г. Новокузнецка производства 2014 и 2008 годов соответственно На дифрактограммах, записанных для образцов отходов углеобогащения (рисунок 3), видны изменения

между образцами, обработанными при различной температуре, что объясняется разрушением некоторых веществ под воздействием высоких температур (рисунок 4).

Рисунок 2. Порошковая дифрактограмма молотого гранулированного доменного шлака

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 3. Порошковые дифрактограммы образцов отходов углеобогащения, при различной температуре обработки

Рисунок 4. Порошковая дифрактограмма отхода углеобогащения В результате исследований была определена минеральная часть, выявлены редкоземельные металлы, а также выявлено, что в образцах шлака преобладает рентгеноаморфное вещество. В соответствии с этим определено, что данные техногенные продукты являются минеральными отходами. В связи с преобладанием аморфных компонентов сделан вывод, что данные шлаки относятся

к активным. Сравнив граншлак ЗСМК производства 2008 года и 2014 годов, можно проследить понижение активности шлака. На основании исследования энергодисперсионной спектроскопии были сделаны нижеследующие выводы. Результаты исследования представлены на рисунках 5-16 и в таблицах 1-4.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 5. Исследуемая область образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 1500 С cps/eV

0.8

0.7

0.6

0.5

Ti Fe Zn Mg K O Na Al Si Ca

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0 0

keV

Рисунок 6. Анализ поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 1500 С Таблица 1 Результаты поэлементного анализа химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 1500 С, величина ошибок при определении процентного содержания элемента в исследуемой области Spectrum: Point Element AN Series Net unn. C norm. C Atom. C Error [wt.%] [wt.%] [at.%] [%] -------------------------------------------------------Oxygen 8 K-series 26038 42.56 46.87 62.98 4.8 Silicon 14 K-series 49606 24.05 26.49 20.28 1.0 Aluminium 13 K-series 18250 8.89 9.79 7.80 0.4 Iron 26 K-series 4308 5.96 6.56 2.53 0.2 Calcium 20 K-series 5688 3.55 3.91 2.10 0.1 Potassium 19 K-series 3780 2.07 2.28 1.25 0.1 Magnesium 12 K-series 2373 1.38 1.52 1.34 0.1 Sodium 11 K-series 1486 1.24 1.37 1.28 0.1 Zinc 30 K-series 211 0.74 0.82 0.27 0.0 Titanium 22 K-series 450 0.35 0.39 0.17 0.0 -------------------------------------------------------Total: 90.80 100.00 100.00

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 7. Гистограмма поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 1500 С

Рисунок 8. Исследуемая область образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 6000 С cps/eV 1.6

1.4

1.2

1.0 TiO Mg Si K Fe Na Al Ca

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0 0

keV

Рисунок 9. Анализ поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 6000 С

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Таблица 2 Результаты поэлементного анализа химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 6000 С, величина ошибок при определении процентного содержания элемента в исследуемой области Spectrum: Point Element AN Series Net unn. C norm. C Atom. C Error [wt.%] [wt.%] [at.%] [%] --------------------------------------------------------Oxygen 8 K-series 45863 43.87 47.89 62.47 4.8 Silicon 14 K-series 115281 30.52 33.33 24.76 1.3 Aluminium 13 K-series 37317 9.60 10.48 8.11 0.5 Potassium 19 K-series 8022 2.65 2.90 1.55 0.1 Iron 26 K-series 2378 2.18 2.38 0.89 0.1 Sodium 11 K-series 2496 1.09 1.19 1.08 0.1 Magnesium 12 K-series 2286 0.69 0.76 0.65 0.1 Titanium 22 K-series 1310 0.69 0.75 0.33 0.04 Calcium 20 K-series 798 0.29 0.32 0.17 0.03 --------------------------------------------------------Total: 91.59 100.00 100.00

Рисунок 10. Гистограмма поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 6000 С

Рисунок 11. Исследуемая область образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 8000 С

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

cps/eV 1.6

1.4

1.2

1.0

Cr TiO Mg Si K Fe Na Al Ca

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0 0

keV

Рисунок 12. Анализ поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 8000 С Таблица 3 Результаты поэлементного анализа химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 8000 С, величина ошибок при определении процентного содержания элемента в исследуемой области Spectrum: Point Element AN Series Net unn. C norm. C Atom. C Error [wt.%] [wt.%] [at.%] [%] -------------------------------------------------------Oxygen 8 K-series 40200 40.10 45.16 61.74 4.4 Silicon 14 K-series 84490 24.05 27.08 21.09 1.0 Aluminium 13 K-series 29047 8.35 9.40 7.62 0.4 Iron 26 K-series 8532 7.70 8.67 3.40 0.2 Calcium 20 K-series 9259 3.78 4.25 2.32 0.1 Potassium 19 K-series 5328 1.86 2.09 1.17 0.1 Magnesium 12 K-series 3483 1.20 1.35 1.21 0.1 Sodium 11 K-series 1946 0.98 1.10 1.05 0.1 Chromium 24 K-series 695 0.44 0.49 0.21 0.04 Titanium 22 K-series 679 0.37 0.41 0.19 0.04 -------------------------------------------------------Total: 88.81 100.00 100.00

Рисунок 13. Гистограмма поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 8000 С

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 14. Исследуемая область образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 9500 С cps/eV 1.4

1.2

1.0

Ti Fe Zn Mg K O Na Al Si Ca

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0 0

keV

Рисунок 15. Анализ поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 9500 С Таблица 4 Результаты поэлементного анализа химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 9500 С, величина ошибок при определении процентного содержания элемента в исследуемой области Spectrum: Point Element AN Series Net unn. C norm. C Atom. C Error [wt.%] [wt.%] [at.%] [%] --------------------------------------------------------Oxygen 8 K-series 66065 46.21 47.70 62.23 5.0 Silicon 14 K-series 163963 31.84 32.87 24.43 1.3 Aluminium 13 K-series 57463 10.78 11.13 8.61 0.5 Potassium 19 K-series 11604 2.80 2.89 1.55 0.1 Iron 26 K-series 2148 1.50 1.54 0.58 0.1 Sodium 11 K-series 3756 1.18 1.22 1.10 0.1 Magnesium 12 K-series 3973 0.88 0.91 0.78 0.1 Zinc 30 K-series 336 0.60 0.62 0.20 0.0 Calcium 20 K-series 1906 0.54 0.56 0.29 0.0 Titanium 22 K-series 1428 0.54 0.56 0.24 0.0 --------------------------------------------------------Total: 96.86 100.00 100.00

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 16. Гистограмма поэлементного химического состава образца отхода углеобогащения, обработанного при температуре 9500 С Наиболее благоприятный химический состав находится в пределах содержания основных оксидов (CaO; MgO) от 42 до 52% и кислых стеклообразующих (SiO2; Al2O3) от 45 до 55%. Классифицируя по ГОСТ 3476-74 шлаки ЗСМК, как сырье для производства вяжущих, находится между I и II сортами, то есть они требуют активации. На основании исследований определены показатели качества. Скорость твердения, а, следовательно, и прочность, характеризуются гидравлической активностью, выражающейся модулем основности и модулем активности. По результатам исследования шлаки ЗСМК относятся к группе кислых, ближе к нейтральным. Модуль основности находится в пределах 0,87-1,1, модуль активности – 0,25-0,4, модуль кислотности – 0,91-1,15, силикатный модуль – 2,40-3,54. При значениях модуля основности больше единицы наблюдается повышение активности шлаков. Анализ показал, что доменные шлаки удовлетворяют требованиям по содержанию оксидов, а именно: содержание закиси марганца (MnO) не превышает 4 %, сульфитной серы (SO3) – 5%, закиси магния (MgO) – 1,8%. Удельная эффективная активность радионуклидов шлака ЗСМК составляет Аэфф = 168 Бк/кг. Вяжущее на его основе может быть использовано для производства материалов и изделий, применяемых в строительстве жилых и общественных зданий. В лаборатории строительных материалов СГУПС была проведена серия опытов готового продукта. Эксперименты проводились на образцах балочек размером 4х4х16 см из раствора 1:3; 3 части – песок граншлаковый; 1 часть – вяжущее, составленное из шлака и отхода углеобогащения. В качестве тонкодисперсной добавки использована газоочистная пыль новокузнецкого ферросплавного завода ФСП, особенностью этого отхода является то, что он состоит более чем на 90% из активной формы кремнезема. Кремнеземсодержащая газоочистная пыль (ФСП) 5…10% повышает водостойкость за счет дополнительного связывания свободной извести и позволяет формировать плотную структуру. Вещество работает как твердый пластификатор, значительно увеличивая подвижность и пластичность растворной смеси. Также в лаборатории строительных материалов СГУПС в результате экспериментов с образцами бетонных кубиков с ребром 15 см установлено, что прочность на сжатие образцов, содержащих тонкомолотый порошок из отходов углеобогащения, на шлаке молотом до удельной поверхности 330 м2/кг, составляет 78-81 МПа, что на

25% превышает прочность образцов не содержащих порошок из отходов углеобогащения с удельной поверхностью шлака 530 м2/кг 58- 61МПа. Выводы В результате исследований, проведенных на базе лаборатории ИНХ СО РАН методами энергодисперсионной спектроскопии, а также рентгеновской дифрактометрии, выявлено, что в образцах шлака преобладает рентгеноаморфное вещество. Установлено, что в состав доменного шлака входят, главным образом, четыре оксида: CaO, SiO2, Al2O3, MgO, суммарное содержание которых обычно превышает 90%. Результаты дают основание полагать, что вяжущие полученные с использованием шлака ЗСМК и отхода углеобогащения по химическому составу подобны портландцементному клинкеру, но отличаются от него соотношением некоторых компонентов, что дает основание говорить о том, что шлакощелочное вяжущее является перспективной альтернативой цементу за счет экономической эффективности и ресурсосбережения. Введение в состав массы для получения шлакощелочных бетонов отходов углеобогащения позволяет повысить прочность бетонов и сократить время помола гранулированного шлака за счет взаимодействия компонентов оксидов отходов угледобывающей промышленности с щелочными составляющими смеси и тонкомолотым доменным шлаком. Исследования показали, что доменный шлак можно рекомендовать использовать не только, как заполнитель, но и как бесклинкерное вяжущее. Установлено, что химико-минералогический состав существенно влияет на активность вяжущего. Опытные данные показывают возможность получения оптимального состава вяжущего активностью свыше 60 МПа в условиях пропаривания и активностью 40 МПа при твердении в нормальных условиях. В ходе исследований, проведенных в лаборатории строительных материалов СГУПС, был получен высокопрочный бетон на основе вяжущих из молотых гранулированных доменных шлаков и щелочных компонентов. Изготовленный на основе вяжущего бетон обладает повышенной прочностью, морозостойкостью, влагостойкостью, высокой стойкостью в агрессивных средах. Установлено, что комплекс высоких физико-технических свойств искусственного камня на основе шлакощелочного вяжущего расширяет потенциальные области применения бетона на его основе. Проведенные исследования показали возможность получения бесклинкерных шлаковых вяжущих в широком

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

диапазоне марок, пригодных для изготовления высокопрочных бетонов. Подтверждено, что использование оптимальных составов полученных шлакощелочных бетонов позволяет:  получать бетоны с повышенными прочностными и эксплуатационными характеристиками;  повысить экономическую эффективность производства бетона за счет использования техногенных продуктов;  расширить сырьевую базу производства строительных материалов;  усовершенствовать технологию в аспектах ресурсосбережения и защиты окружающей среды. Шлакощелочное вяжущее имеет большие перспективы на рынке строительных материалов. Оно может быть использовано в качестве замены цемента марки М500. Использование в производстве бетона шлакощелочного вяжущего дает возможность получения бесклинкерного материала с высокими прочностными показателями. Основным преимуществом такого продукта является низкая себестоимость. Преимуществами материала являются уменьшение расхода вяжущего в составе бесклинкерного бетона, низкие энергозатраты производства, возможность получения бетонов высоких классов при использовании обычных заполнителей. Главными перспективами проекта является возможность внедрения технологии и привлечения инвестиций, также создание производства с использованием известной технологии, на основе доступного сырья, на стандартном оборудовании. Список литературы: 1. Caijun Shi, Jueshi Qian: High performance cementing materials from industrial slags — a review, Resources, Conservation and Recycling 29, 2000 2. Eva Vejmelková, Milena Pavlíková, Zbyněk Keršner, Robert Černý: High performance concrete containing lower slag amount: A complex view of mechanical and

Технические науки

durability properties, Construction and Building Materials 23, 2009 3. J. Setién, D. Hernández, J.J. González: Characterization of ladle furnace basic slag for use as a construction material, Construction and Building Materials 23, 2009 4. Hui-sheng Shi, Bi-wan Xu,, Xiao-chen Zhou: Influence of mineral admixtures on compressive strength, gas permeability and carbonation of high performance concrete, Construction and Building Materials 23, 2009 5. M. Katsioti, P.E. Tsakiridis, P. Giannatos: Characterization of various cement grinding aids and their impact on grindability and cement performance, Construction and Building Materials 23, 2009 6. ГОСТ 3476-74 Шлаки доменные и электротермофосфорные. 1974. 7. Долгорев А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов: Физикохимический анализ: Справ. пособие / А.В. Долгорев – М.: Стройиздат, 1990 – 456 с. 8. Зевин Л.С. Рентгеновские методы исследования строительных материалов / Л.С. Зевин, Д.М. Хейкер. – М.:Стройиздат,1965. – 294 с. 9. Зятькова Л.Р. Исследование комплексного влияния химического состава доменных шлаков и технологических параметров процесса на качество изделий/ Л.Р. Зятькова, И.Я. Ченявский, С.Н. Миллер // Сб. научных трудов. Промышленные отходы и применение их в строительных материалах и изделиях. – Челябинск, 1986. – С. 4-10. 10. Панова В.Ф. Строительные материалы на основе отходов промышленных предприятий Кузбасса: Учебное пособие/ В.Ф.Панова. Новокузнецк: СибГИУ,2005.-182 с. 11. Перспективы применения шлакощелочных вяжущих и бетонов в тоннельном строительстве / Ю.А. Шепляков, О.Н. Олейник, П.Г. Лавринёв. – Строительство и техногенная безопасность. Выпуск 9, 2004 г. – с. 95-99.

МАТЕМАТИЧЕСКИОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Чернов Николай Степанович канд. техн. наук, доцент кафедры Химии и инженерной защиты окружающей среды Тольяттинского государственного университета.

Повышение эффективности теплообмена является одним из основных способов улучшения теплотехнических характеристик теплообменных аппаратов (ТА). Процессы теплообмена имеют большое значение в общем машиностроении, а также энергетической, металлургической, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Технико-экономические показатели эффективности теплообменных аппаратов в общем машиностроении в решающей степени обуславливаются конструктивными особенностями и теплотехническими параметрами конвективных поверхностей теплообмена при передаче теплоты от среды с высокой температурой к среде более низкой. Поэтому теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято раз-

делять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для змеевиковых теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции. Зависимость коэффициента теплоотдачи от характера и скорости движения рабочих сред, их физических свойств, размеров и формы поверхности теплообмена и других факторов весьма сложна и на современном уровне науки еще не установлена теоретически. Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи прибегают к экспериментальным исследованиям с последующей обработкой и обобщением опытных данных путем составления и анализа статической или динамической модели теп-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

лообменника. При этом возникает необходимость исследования режимов работы теплообменника, в частности устанавливаются (стационарный режим работы; переходный процесс(динамические характеристики) и время выхода аппарата на стационарный режим; оптимальные условия работы в зависимости от выбранного критерия оптимальности и др. Эти задачи можно решить путем математического описания процесса теплообмена, которое принято называть математической моделью и представляется в виде аналитического выражения, характеризующего изменение температуры в потоке теплоносителя во времени. Модели теплообменников, в которых передача тепла осуществляется через стенку между первичным и вторичным теплоносителями, движение потоков теплоносителя характеризуется простейшими гидродинамическими моделями «идеального перемешивания» и «идеального вытеснения» [1, 188; 2, 45]. Математическое описание (модель) потоков теплоносителей может быть представлено следующими уравнениями: для потока "идеального перемешивания"

d (Vc p t ) d

 c p t в х  c p t  Vq ;

(1)

для потока "идеального вытеснения"

Sв

d (c p t ) d



d (c p t ) dl

 Sв q ;

(2)

где: V - объем рабочей среды (теплоносителя) в м3;  - расход теплоносителя в м3/с;  - время в ч;

c p - удельная теплоемкость теплоносителя в ккал/м3°С; t и t в х - температура теплоносителя в любой точке и на

выходе в°С; S в - площадь сечения потока вытеснения в м2;

 2 c p2

dt 2 F  K (t1  t 2 )  0 ; dl L

(5) (6)

и t1  t1 в соответствии с определением модели "идеального вытеснения". Решением математической модели (5), (6) можно

F  SL , S - площадь сечения в м2; L - длина в м; К коэффициент теплопередачи в ккал/м2ч°С; t  t1  t 2

- разность температур первичного и вторичного теплоносителей (движущая сила теплообменника) в°С. В правой части уравнений (1) и (2) последние слагаемые имеют плюс, если теплоноситель нагревается (воспринимает тепло), и минус если теплоноситель охлаждается. В реальных теплообменниках зоны теплообмена имеют постоянный объем V, расходы теплоносителей на входе и выходе из зоны одинаковые, теплоемкость практически не изменяется в пределах рабочего диапазона температур. Поэтому уравнения (1) и (2) после преобразований принимают вид:

dt  c p (t в х  t )  FKt ; d

(3)

dt dt F  c p  Kt ; d d L

(4)

Sв c p

1c p1 (t1'  t1" )  FK (t1  t 2 )  0 ;

t1'  t в х

Vq  FKt

По характеру гидродинамического режима потоков теплоносителей возможны три типа теплообменных аппаратов: - "перемешивание - перемешивание"; -" перемешивание - вытеснение"; -" вытеснение - вытеснение". В указанных типах аппаратов движение потоков первичного и вторичного теплоносителей характеризуется моделями "идеального перемешивания" (3) и "идеального вытеснения" (4). Соответствующая комбинация этих уравнений является математической моделью одного из указанных типов теплообменников. Эти модели следует выбирать для математического описания процесса в реальных теплообменных аппаратах, если структура потоков теплоносителей в них приближается к структуре "идеального перемешивания" либо "идеального вытеснения". Например, для кожухотрубчатых, змеевиковых, спиральных и пластинчатых теплообменников применима модель " вытеснение - вытеснение", для погружных теплообменников - модель " перемешивание - вытеснение". Указанные модели следует использовать для исследования переходных процессов (нестационарных режимов). При этом строятся динамические характеристики теплообменников, анализом работы которых можно определить время выхода аппарата на стационарный режим. Статистические модели, характеризующие стационарные режимы работы теплообменников, можно получить, если принять, что производные по времени равны нулю (условие установившихся режимов). Например, для теплообменника типа " перемешивание - вытеснение" статистическая математическая модель имеет вид следующей системы уравнений:

где:

l - длина (пространственная координата) в м; Vq - интенсивность теплообмена в рабочем объеме:

Vc p

Технические науки

получить расчетные формулы t1 , t 2 и S. В частности, для площади поверхности теплообмена в этом случае имеем:

F

2 c p2 K

ln (1 

где:

t1"  t 2'  ' " t1  t1

1 1c p1 );  2 c p2

(7)

;

(8)

Полученное из математической модели выражение для площади поверхности F теплообмена используется для оценки эффективности теплообменника заданной конструкции решением задачи оптимизации. В качестве примера рассмотрим задачу оптимизации типа " перемешивание - вытеснение". Такой теплообменник может быть представлен конструкцией реального теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена в виде змеевика из оребренных труб, (рис.1) в котором происходит охлаждение.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

3 2 4 Рисунок 1. Схема змеевикового теплообменника из оребренных труб типа " перемешиваний- вытеснение". 1 – вход первичного теплоносителя; 2 – его выход; 3 – вход вторичного теплоносителя; 4 – его выход; 5 – змеевик; 6 – кожух. Среди многих характеристик, влияющих на эффективность теплообменника, важнейшими являются площадь поверхности теплообмена F и расход теплоносителя  (в данном случае вторичного) при заданной тепловой нагрузке Q. Поэтому для оценки эффективности теплообменника необходимо использовать критерий оптимальности R, аналитически выражаемый как сумма затрат: (9) R  ST 2  S F F , где: ST - стоимость единицы объема вторичного теплоносителя в руб/м3; ST2 - затраты на теплоноситель;

- стоимость единицы поверхности теплообмена с учетом амортизации в руб/м3ч; S F F - затраты на поверхность теплообмена. Критерий оптимальности R может быть и более сложной функцией. Принятый вид R удобен при рассмотрении постановки и общего подхода к решению задачи оптимизации и в то же время является количественной мерой эффективности теплообменника. Задача сводится к определению наилучших (оптимальных) значений параметров F и 2 , при которых затраты минимальны (минимум критерия оптимальности R). Необходимую связь между параметрами F и 2 дает математическое описание конкретного типа теплообменника. В рассматриваемом случае такая связь получена в виде формулы (7), из которой видно, что

F  f (2 )

Для определения минимума критерия оптимальности следует продифференцировать R по 2 , и приравнять производную

dR d 2

нулю, т.е.

dR dF  ST  S F  0, d2 d2

(10)

если ввести



1 2 c p2

1c p1

] 1

(11)

2 c p2 1c p1

(12)

то уравнение (11) примет вид

лучаем:

cp dF 1 1 , (13)   2 [ln(1  )  ] d2 K y y 1 Подстановкой значения dF в уравнение (10) поd2

ST K 1 1 .  ln(1  )  S F c p2 y y 1

(14)

Левая часть последнего выражения - безразмерный комплекс, который характеризуется стоимостными показателями ST, SF, а также параметрами К и Ср2. Величина этого выражения обычно известна в исходной постановке задачи оптимизации и может быть рассмотрена как функция переменной ''y''. Для указанного безразмерного выражения вводим обозначение:

z тогда

ST K S F c p2

(15)

1 1 , z  f ( y )  ln(1  )  y y 1

(16)

Для определения оптимального расхода вторичного теплоносителя 2 opt достаточно по уравнению оптимальности (16) найти величину ''yz'', соответствующую заданному (выбранному) значению комплекса Z, и подставить ее в выражение (12). При этом формулы 2 opt и

Fopt для вычисления и имеют вид: 1c p1 2opt  yz c p2 и

F2opt  

отсюда следует, что

dF c p2 1 1c p1  [ln(1  ) d2 K  2 c p2

y

1c p1 K

ln(1 

1 ) yz ; yz

(17)

(18)

Для определения yz удобно пользоваться графиком f ( y )  y (Рис.2), построенным по уравнению оптимальности (16).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

График f ( y )  y формулы (17) и (18) позволяют дать оценку эффективности теплообменника типа "перемешивание-вытеснение".

Рисунок 2. Зависимость

z  f ( y)

Технические науки

Исходя из выше изложенного, аналогичные задачи могут быть решены для других типов змеевиковых теплообменных аппаратов с использованием соответствующих математических моделей.

Рисунок 3. Теплообменник со змеевиком из оребренной трубы, используемый в технологических машинах

Список литературы: 1. Машины и аппараты химических производств / под. Ред. И.И. Чернобыльского – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: – Машиностроение, 1975. – 416с.

2. Зибров П.Ф. Физическое и математическое моделирование теплообменных процессов в механических системах / П.Ф. Зибров, А.В. Васильев, Н.С. Чернов // Монография. – Тольятти: ТГУ, - 2013. – 164с.

ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА КАМЕННЫХ КЛАДОК ЗДАНИЙ ИСТОРИЧЕСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Чесноков Аркадий Сергеевич аспирант Иркутского государственного технического университета

STRENGTH AND DEFORMATION PROPERTIES OF STONE MASONRY OF BUILDINGS AVAILABLE HISTORICAL BUILDINGS Arkady Chesnokov, graduate student of Irkutsk State Technical University, Irkutsk АННОТАЦИЯ Статья посвящена исследованию прочностных и деформативных свойств каменных кладок зданий исторической застройки. Приведены данные статистического анализа результатов комплексных испытаний бутовой и кирпичной кладок старинных каменных зданий. Установлена достаточная сходимость экспериментальных и нормативно регламентируемых значений. ABSTRACT The article investigates the strength and deformation properties of masonry of buildings of historic buildings. Presents data of the statistical analysis of the results of complex trials of the rubble and masonry old stone buildings. Was installed sufficient the convergence of experimental and regulatory and regulated the values. Ключевые слова: бут; кирпич; каменная кладка; прочность; деформативность. Key words: rubble, brick, stone masonry, strength, deformability. Актуальность и постановка вопроса. Федеральный закон №73-ФЗ «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» от 25 июня 2002 г. определяет объекты культурного наследия как непреходящую ценность – примеры цивилизации, культурных предпочтений, умения и опыта предшествующих поколений. В соответствии с ним, установлен (статья 15, гл. IV) единый государственный реестр объектов культурного наследия, находящихся под государственной охраной, включая и здания-памятники.

Число последних на территории Восточной Сибири (Иркутская область и Республика Бурятия) превышает пять тысяч наименований. При этом около 2 объектов недви-

жимости (58,5%) являются образцами каменного зодчества. Более чем столетний период их сохраняемости в сложных природно-климатических (низкие температуры, высокая влажность, сейсмика) и технических (обводненность территорий и т.п.) условиях являются наглядным

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

примером грамотных и эффективных технических решений. И это несмотря на то, что объемно-планировочные и строительно-конструктивные решения подавляющего большинства зданий исторического наследия не соответствуют [6] современным представлениям и нормативным требованиям [5] сейсмостойкого строительства. Существенные конструктивные отличия от современной застройки затрудняют использование общепринятых методов и расчетных моделей таких объектов при оценке их долговечности и сейсмоуязвимости. Возникает необходимость инженерной оценки эксплуатационной пригодности зданий. Надежность такого подхода достигается при использовании фактических показателей прочностных и деформативных свойств материалов несущих элементов (каменная кладка фундаментов и стен). Цель исследования. Определение физических свойств и статистических закономерностей прочности и деформативности материалов бутовых и кирпичных кладок составляет основную цель настоящего исследования. Объект исследования. Исследуемыми объектами являются каменные здания исторической застройки Восточной Сибири (Иркутская область и Республика Бурятия). Подземная часть зданий представлена в виде бутовой кладки (камни песчаника), выполненной «враспор» («под залив») из камней неправильной формы и различных размеров с высотой отдельных рядов 150÷300 мм на карбонатом (известковом, известково-песчаном) растворе. Цокольные участки стен выполнены, преимущественно, «под лопатку» из камней постелистой («правильной») формы с высотой ряда 150÷700 мм. Толщина вертикальных растворных швов составляет 5÷25 мм, горизонтальных 5÷40 мм. Кладочный раствор зачастую деструктирован и на глубину 100÷120 мм представляет собой сыпучую и увлажненную массу, свободно извлекаемую из швов. Глубина заложения фундаментов существенно отличается и колеблется от 60 до 470 см. Несущие наружные и внутренние стены выполнены из каменной кладки. Материалом кладки является полнотелый глиняный кирпич пластического формования на известковом (известково-песчаном) растворе. При этом наиболее часто (78%) применены цепная (двухрядная) и римская (многорядная) системы перевязки швов, размер кирпича 260×130×80 мм, толщина швов 3÷10 мм, а общая толщина стен – 420÷1500 мм. Кирпичная кладка стен характеризуется устройством многочисленных внутренних каналов различного назначения. Устойчивость стен высотой более 3 м повышена устройством контрфорсов и пилястр. Каменные кладки рассматриваемых объектов характеризуются наличием существенных дефектов и повреждений в виде трещин, сколов, расслоений и др. Для цокольной и карнизной части зданий – зон вероятного повышенного увлажнения это объяснимо воздействием знакопеременных температур (морозная деструкция кладки). Повреждения в наружных и внутренних стенах являются результатом физического износа, вызванного, преимущественно, сейсмическими воздействиями. По данным [6] за анализируемый период эксплуатации зданий вероятность землетрясений интенсивностью 5÷6 баллов превышает 30%. Методика проведения испытаний. По результатам технического мониторинга более 110 объектов каменных зданий исторической застройки была отобрана представительная (по количеству, типу объемно-планировочных и строительно-конструктивных решений) группа для

Технические науки

сопоставительной оценки ресурса сейсмостойкости экспериментальными и расчетно-аналитическими методами. При их обследовании были подготовлены образцы материалов кладок несущих конструкций, комплексные испытания которых выполнены с использованием нормативно регламентированных методик [2, 4]. Прочностные характеристики бута (песчаника) в естественном и водонасыщенном состоянии определялись путем испытаний на сжатие кубических образцов с размером грани 40÷50 мм. Нагружение осуществлялось непрерывно со скоростью 0,3÷0,5 МПа/с. Прочность карбонатного раствора определена путем испытаний на сжатие кубиков с ребрами 2÷4 см, изготовленных из пластинок, взятых из кладки фундаментов и стен. Выравнивание их поверхностей и склеивание осуществлялось гипсовым тестом с последующим твердением. Нагружение образцов производилось непрерывно со скоростью 0,6÷0,4 МПа/с. Полученные результаты корректировались умножением опытных показателей на коэффициенты, регламентированные ГОСТ 5802-86 [4]. Отбор образцов кирпича осуществлялся, как правило, из внутренних рядов кладок под оконными проемами и чердачных участков стеновых ограждений. Предел прочности кирпича при сжатии определяли на образцах, полученных путем склеивания цементным раствором двух половинок, образованных после его испытания на изгиб. Подготовка образцов к испытанию производилась согласно ГОСТ 8462-85 [2]. Основные результаты механических испытаний. На основании вышеизложенного считаем, что каменная кладка является комплексным материалом, прочностные и деформативные свойства которого определяются многими факторами. Их прямая экспериментальная проверка для зданий исторического наследия практически исключена. Это предопределяет необходимость косвенной оценки конструктивных свойств различных типов каменных кладок. Используемые при этом аппроксимирующие аналитические зависимости содержат средние значения показателей прочности, определяемые экспериментальным путем в соответствии с упомянутыми методиками. Необходимо отметить, что при экспериментальноаналитических расчетах безопасности и сейсмоуязвимости зданий-памятников требуются более точные оценки конструктивных свойств материалов каменных кладок. Это возможно при наличии данных статистического обобщения результатов выборочных испытаний в предположении их нормального распределения. При этом значения рассматриваемого параметра x с вероятной обеспеченностью не менее 95% будут находиться в диапазоне ( x  2 ), где x – его средняя величина, а  – среднеквадратическое отклонение



( xi  x )2 n 1

Выборка опытных величин прочности каменной кладки сформирована с использованием аналитической модели Л.И. Онищика и частных экспериментальных значений прочности камней и растворов кладки:

Ri  AR1  ( 1  A( бут ) 

100  R1 250  8R1

a )  , b  R2 / 2 R1 100  R1 A( кирпич )  , 125  3R1

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Выборка значений начального модуля деформаций 0,020R 0,030R,03 252R,25 ,02 R21 ,752R ,75 1  2 R2 1 R2 1 , 2 R2 ( кирпич ( кирпич , ,была получена по нормативной зависимости [1] )  )  0,080R 22 R2 0,040R,04 22 R2 ,08 R21 R 1  1 R2 1R

( бут () бут ) 

где значения a, b принимаются в соответствии с предложением [3].

Нормируемый параметр

Обозначение

Прочность камня Прочность раствора Прочность кладки Модуль деформаций * – выборка из 457 измерений.

R1 R2 R E0

E0    Ri .

Результаты статистической обработки экспериментально-аналитических данных представлены в таблицах 1 и 2. Таблица 1 Бутовая кладка* Значения статистик распределения Доверительный интерКоэффициент вал значений 95%-ой Дисперсия, Среднее, МПа изменчивости, обеспеченности, МПа МПа2 % max min 8,05 2,330 19 11,1 5,0 0,23 0,008 39 0,4 0,05 0,47 0,014 26 0,71 0,23 280 13862 42 515 44,5

Таблица 2 Каменная кирпичная кладка** Значения статистик распределения Доверительный интервал Нормируемый Коэффициент Обозначение значений 95%-ой обеспеДисперсия, параметр Среднее, МПа изменчивости, ченности, МПа МПа2 % max min Прочность кирпича R1 5,88 1,440 20 8,28 3,48 Прочность раствора R2 1,10 0,250 45 2,09 0,11 Прочность кладки R 2,07 0,108 16 2,73 1,41 Модуль деформаций E0 1488 192610 29 2366 610 ** – выборка из 378 измерений. Представительная выборка анализируемых экспериментальных данных позволяет считать полученные статистические данные вполне достоверными показателями конструктивных свойств испытываемых материалов. При этом, прочность камней и кладок с их использованием характеризуется приемлемой изменчивостью, то есть хорошей плотностью распределения. Существенно больший разброс наблюдается в показателях прочности растворов и деформативности кладок. На наш взгляд, это объяснимо

Вид кладки Бутовая Кирпичная

спецификой стандартной методики их контроля, содержащей сложные процедуры по отбору из кладок и изготовлению опытных образцов раствора. В совокупности они влияют на сохранение структуры, однородности испытуемого материала и его тождественности реальным условиям работы. Используя общепринятые [1] преобразования, были определены экспериментальные значения расчетных параметров прочности кладок на сжатие и начальные модули деформаций (таблица 3). Таблица 3 Прочность и деформативность кладок Расчетные значения, МПа экспериментальные по СП 14.13330.2014 R E0 R E0 0,258 235 0,398 398 1,138 1552 0,847 1270

Здесь же представлены расчетные величины этих показателей, принятые по СП для средних значений прочности раствора и камней. Из их сопоставления следует, что расчетные параметры бутовой кладки существенно ниже нормируемых величин и даже превышают уровни минимальных значений 95% обеспеченности (порога достоверности). Что касается кирпичной кладки, то её прочность и модуль деформации выше нормативно ожидаемых значений и порога 95% обеспеченности.

Основные выводы. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1) аналитическую оценку ресурса сейсмостойкости каменных зданий исторической застройки целесообразно производить на моделях, учитывающих фактические показатели прочности и деформативности кладок; 2) существует необходимость принятия ускоренных мер по усилению и защите бутовых фундаментов и цокольной части зданий от их деградации и разрушения.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Список литературы: 1. Каменные и армокаменные конструкции [Текст]: СП 15.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП II-22-81*. – М.: Минрегионразвития РФ, 2012. – 73с. 2. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе [Текст]: ГОСТ 8462-85. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 90 с. 3. Онищик Л.И. Каменные конструкции промышленных и гражданских зданий [Текст]: учебник / Л.И. Онищик. – М.; Л.: Гос. изд-во строит. лит., 1939. – 398 с.

Технические науки

4. Растворы строительные. Методы испытаний [Текст]: ГОСТ 5802-86. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 17 с. 5. Строительство в сейсмических районах [Текст]: СП 14.13330.2011. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. – M.: Минрегионразвития РФ, 2011. – 29 с. 6. Чесноков А.С. К вопросу обеспечения сейсмостойкости каменных зданий культурного наследия [Текст] / А.С. Чесноков, Б.И. Пинус // Вестник ИрГТУ, 2011. – №12 – с.152-155.

ПРИМЕНЕНИЕ OLAP-ТЕХНОЛОГИЙ АНАЛИЗА МЕЖДУНАРОДНОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Пономарева Ольга Алексеевна ст.преподаватель Уральского Федерального Университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина Дубовкин Максим Сергеевич студент Уральского Федерального Университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

THE USE OF OLAP-TECHNOLOGY ANALYSIS OF THE INTERNATIONAL LOGISTICS SYSTEM Ponomareva Olga, senior lecturer Ural Federal University Dubovkin Maxim, student Ural Federal University АННОТАЦИЯ В данной статье рассмотрено применение OLAP-технологии международной логистической системе на основе данных компании. Рассчитаны статистические данные услуг грузоперевозчика и определены зависимости показателей деятельности компании. ABSTRACT This article discusses the use of OLAP-technology international logistics system based on company data. Calculated statistical data service cargo carrier and determined according to the activities of the company. Ключевые слова: OLAP-технологии, логистика, ИТ в отрасли. Keyword: OLAP-technology, logistics, IT in the industry. Процесс движения груза по миру существует с древних времен и по нынешний день остается актуальным – этот процесс называют международной логистикой, который включает в себя множество компонентов (технологии, персонал, информация, транспорт, финансовые потоки и др.) и можно рассматривать его как сложную систему. По определению[1], система - упорядоченная совокупность элементов, между которыми существуют или могут быть созданы определенные связи и отношения. В статье рассматривается логистическая система и опираемся на определение, что “логистическая система – это сложная организационно завершенная (структурированная) экономическая система, состоящая из элементов – звеньев, взаимосвязанных в едином процессе управления материальными и сопутствующими им потоками. ”[2]. Из определений систем следует, что это сложная система, состоящая из множества элементов, которые взаимосвязаны и действуют как единое целое. Данные предприятия, которые анализируются в статье, отражают услуги по международным перевозкам и деятельность по организации, контролю и управлению движением потоков, пересекающие национальные границы и континенты. Грузы идут из России в Канаду, Европу, Азию и др. Основные подсистемы логистической системы закупка; склады (складское хозяйство); запасы; транспорт; производство; распределение; сбыт; информация; кадры. Один из связующих элементов логистической системы является информация. Обработка информации производиться с помощью специализированных информационных систем для управления логистическими потоками и интегрируемая на международном уровне.

Логистическая информационная система (ЛИС)[3] определяется как «система, взаимно увязывающая работу электронно-вычислительной техники с действиями менеджеров по логистике и обеспечивающая получение ими доступной правильной информации, позволяющей организовать и осуществить процессы планирования и исполнения логистических операций». С функциональной точки зрения ЛИС представляет собой четырехуровневую иерархическую систему, где:  на первом уровне с помощью ЛИС решаются вопросы операций: поступление заказов, отгрузка продукции, учет продукции, подготовка груза к отправке, принятие поступающего сырья, складские операции и т. д.;  на втором уровне, решаются вопросы учета и контроля: управление запасами, учет наличия складских площадей, контроль процесса транспортировки продукции, бухгалтерские операции по счетам, вопросы движения средств на счетах и т. д.;  на третьем уровне, решаются вопросы аналитического характера: использование логистики для поддержки маркетинговых операций (содействие продажам), прогноз поступления заказов и возможностей их исполнения, финансовое планирование (в том числе расходов, связанных с логистикой);  на четвертом уровне, решаются стратегические проблемы на уровне предприятия – планирование операций на уровне компании, изменения в структуре, определение приоритетных направлений в логистической работе на перспективу.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рис.1. Модель логистической системы. Применение методов системного анализа сложных логистических систем позволяют выявлять тенденции и определять устойчивые связи грузопотоков и определять факторы, влияющие на деятельность компании. Существует множество методов и технологий, позволяющих проводить анализ систем. В нашем исследование, применяем OLAP-технологию как один из подходов системного анализа. OLAP-технология базируется на измерениях, которые аналитик выбирает из цели и задач анализа. Данная технология дает возможность аналитику работать с многомерными данными и находить их зависимости. Применение OLAP-технология получила развитие в финансовопромышленной сфере, которая позволяет работать с большим объемом многомерных данных, формировать структурированные данные, осуществлять статистической обработку данных и представлять в графическом виде результатов анализа. В статье отражены обработанные данные логистической фирмы за короткой промежуток времени, которые включают информация: о персонале, о видах перевозок, заказчиках, способах оплаты, местах разгрузки и погрузки, виды груза, счёта фактуры и дополнительные параметры. Анализ деятельности предприятия направлен на выявление «критических точек» в управление компании, поэтому были определены следующие измерения:

1) «Заказчик», которое позволит определить категорию заказчика и выстроить работу с клиентом согласно полученной градации для получения финансовой выгоды и долгосрочных и перспективных контрактов. 2) Анализ деятельности «Персонала», возможно оценить по процентному соотношению каждого отдельного сотрудника в совокупном объеме деятельности предприятия 3) Измерение «Места загрузки – разгрузки» выявляет перспективные направления грузопотока и определяет узел грузовых перевозок для налаживания долгосрочных связей. На основании заданных измерений и дополнительной обработки данных были построены графики отражающие тенденции деятельности компании и соотнесены со средними расчетными значениями. На рис.2 по горизонтальной оси расположены пункты отправки груза, а по вертикальной определены условные единицы за километр. Самый дорогостоящий груз был отправлен из Новосибирска. Основной процент стоимости перевозок находиться в пределах от 1 до 3 условных единиц за километр. На рис.3 по горизонтальной оси расположены пункты отправки груза и менеджеры, а по вертикальной определено количество сделок. Самый высокий товарооборот проходит через пункт погрузки «Vostochnyi».

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

12 10 8 6 4 2 0

Рисунок 2.Средние значения оплаты за километр для каждого менеджера и доход за километр из пункта отправки

300 250 200

150 100 50 0

Рисунок 3 Количество сделок для каждого менеджера и количество сделок из каждого пункта отправления На рис. 4 наиболее выгодные работы с клиентами под номерами 3, 14, 17, 22 и 30, которые принесли высокий доход для логистической компании. 25000

20000

15000

10000

5000

-5000

Рисунок 4. Доход по клиентам

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

На рис.5 по горизонтальной оси расположены типы перевозок, а вертикальной оси количество сделок. Наибольшее количество сделок было перевезено типом Фрахт + Ж/Д перевозка. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 менеджер 1

Фрахт + ТЭО

менеджер 2

менеджер 1

Фрахт + Ж/Д перевозка

менеджер 1

менеджер 4

Фрахт + Автоперевозка

менеджер 2

Фрахт

менеджер 1

Ж/Д Перевозка

менеджер 6

менеджер 5

менеджер 4

менеджер 2

менеджер 1

Автоперевозка

менеджер 4

менеджер 3

Авиаперевозка

Рисунок 5. Количество сделок по типу перевозке и по каждому менеджеру. Таким образом, анализ логистической деятельности компании является востребованной, определены основные направления грузоперевозок - азиатские страны, а также отмечаем, что компания работает с разными категориями клиентов по оказанию услуг международных и региональных грузоперевозок.

Список литературы: 1. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учебное пособие. - СПб.: "Изд. дом "Бизнесспресса", 2000 г. - 326 с. 2. Сергеев В.И. Логистика в бизнесе: Учебник.- М.: ИНФРА-М, 2001. - 608 с. - (Серия «Высшее образование»). 3. Т.В.Алесинская Основы логистики. Функциональные области логистического управления Часть 3. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. 116 с.

ТРЕБОВАНИЯ К АРХИТЕКТУРЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ

Ермолаева Алла Борисовна Кандидат технических наук, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва Преображенский Николай Борисович Кандидат технических наук, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва Щенников Алексей Николаевич Начальник отдела, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва

REQUIREMENTS TO ARCHITECTURE OF THE COMPUTING SYSTEM FOR PROCESSING OF INFORMATION STREAMS. Ermolaeva Alla, Candidate of Science, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow Preobrazhenskiy Nikolay, Candidate of Science, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow Shennikov Aleksey, Head of department, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow АННОТАЦИЯ Рассматривается проблема поиска архитектурного решения, для обработки высокоскоростных потоков информации. Приведены классификация потоков данных и технология использования современных средств анализа информационных сред, правила формирования пакетов.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ABSTRACT The problem of search of architectural concept, for processing of high-speed flows of information is considered. Classification of data flows and technology of use of modern means of the analysis of information environments, and rules of formation of packages are given. Ключевые слова: реконфигурируемая система; неоднородный информационный поток; преобразование в режиме реального времени. Keywords: reconfigurable system; non-uniform information stream; transformation in real time. Причиной определенных неудач в разработке эффективных аппаратных средств обработки информационных потоков, являются использование для этих целей вычислительных систем (ВС) классической архитектуры, очевидно недостаточно пригодных для сопровождения, обработки и защиты высокоскоростного информационного потока. Постоянное развитие и усложнение задач обработки и информационной защиты высокоскоростных потоков данных (ВПД) связано с нарастанием проблем и возникновением уязвимостей в современной неоднородной сетевой среде, в телекоммуникационных сетях:  объем обрабатываемой информации постоянно увеличивается;  возрастает скорость передачи информации;  отсутствует платформенный систематизированный подход к построению компонент обработки и защиты информации - в современных вычислительных системах часто используются разрозненные аппаратные и программно-технические средства, различные по своей архитектуре, функциональным возможностям, и различного целевого назначения;  доступ к ресурсам вычислительных систем получает все большее число пользователей в связи с применением Internet-технологий;  за счет использования новых, не прошедших длительную апробацию и сертификацию в различных структурах технологий увеличивается вероятность возникновения новых классов уязвимостей, зачастую обнаруживаемых постфактум или создаваемых преднамеренно;  низкий уровень компьютерной грамотности массовых пользователей, недостаточная квалификация системных администраторов;  широкое применение средств открытого доступа с использованием Wi-Fi сетей, что значительно упрощает злоумышленникам процесс несанкционированного доступа к информации. Отмечая необходимость поиска базовых аппаратных решений ориентированных на сопровождения ВПД, следует сосредоточить внимание на обобщении целевых характеристик ВС такой объектно-ориентированной архитектуры [1]. В списке необходимых преобразований ВПД можно выделить следующие основные группы действий:  сбор, упорядоченье и хранение данных — накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты (размерности или достаточного объема) для, обработки и принятия решений;  транспортировка данных — прием и передача (обмен) данных между удаленными участниками информационного процесса с обеспечением контроля достоверности;  преобразование данных — перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую;  сортировка данных — упорядочение данных по заданному признаку или маске, комплексу признаков с целью удобства использования; повышения информативности;  формализация и масштабирование данных —

приведение данных, поступающих из разных источников, к единой или систематизированной форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой, то есть повысить их уровень доступности, восприятия или обработки в едином масштабе;  фильтрация данных — очистка потока данных, отсеивание ошибочных, «лишних» избыточных данных, в которых нет необходимости для принятия решений; при этом должен уменьшаться уровень «шума», а достоверность и адекватность данных должны возрастать;  архивация данных — организация хранения, обработки и передачи данных в сжатом виде в удобной и легкодоступной форме;  защита данных — комплекс мер, направленных на предотвращение потери, дублирования и несанкционированной модификации, целостности данных, достоверного установления адресной принадлежности данных. Наиболее типичные, по нашему мнению, виды обработки и преобразований потоков данных включают в себя: сканирование и анализ данных по маскам и ключам и формирование словарей, сигнатур, протоколов, библиотек, справок и структурных моделей; перегруппировку, фильтрацию, склейку и компоновку данных; преобразование данных на основе заранее сформированных или создаваемых в процессе обработки правил; преобразование данных на основе их системных, адресных или иных обобщающих характеристик; шифрование и дешифрование данных, инкапсуляцию и компрессионные преобразования; преобразование входного потока данных в выходной путем выполнения последовательности простых операций, в том числе различные преобразования на основе согласуемых протоколов передачи данных; обнаружение или формирование интегральных признаков и вычисление агрегативных (объединяющих, композиционных, суммарных) характеристик и величин. Ряд из перечисленных преобразований выходит за привычные рамки коммуникационной обработки данных. Поиск сбалансированных схемотехнических и архитектурных решений для этих задач возможен только при глубоком анализе специализации разрабатываемых устройств. Существенными аспектами, влияющими на формируемое схемотехническое решение являются:  представление проектируемой системы в виде многосвязной модульной структуры;  максимальная настройка ВС, как модульной структуры, состоящей из системы структурно связанных между собой обработчиков на характеристики обрабатываемых данных;  структурные решения внутренних связей узлов каждого обработчика и организация в них высокоскоростного приема и выдачи данных;  сложность и меняющийся алгоритмический характер обработки. Глобальной целью обработки информационных потоков, включая их защиту, является решение задач преобразования, анализа, управления и оптимизации. Наиболь-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

шую вычислительную сложность несет выполнение аналитических задач: 1. Целевая обработка потоков данных по известным алгоритмам с фиксированием особых ситуаций; 2. Фиксация нетипичных потоков данных или их фрагментов с ранее неизвестными параметрами, но выделяемых по известным критериям; 3. Поиски закономерностей в новых потоках данных; 4. Обнаружение повторяющихся и/или учащающихся в повторении компонент потока; 5. Поиски межпотоковой и внутрипотоковой корреляции; 6. Формирование новых знаний о системе, охваченной наблюдаемыми потоками; 7. Коррекция системных управляющих структур, алгоритмов и средств обработки потока с учётом новых знаний; 8. Коррекция критериев выделения нетипичных потоков. Во всех перечисленных случаях прослеживается необходимость оперировать широким набором инструментальных решений, которые должны динамически компоноваться из заранее сформированных оперативно пополняемых и модифицируемых библиотек модулей-обработчиков. Возможность применения технологий настраиваемой обработки потоковых данных обеспечивается технологической готовностью разрабатываемых аппаратных средств, к перестройке алгоритмов их работы в рамках их архитектурных решений. Несмотря на кажущуюся непрерывность передачи, любая передача цифровой информации в современных сетях осуществляется дискретно - пакетами. Размеры и оформление процесса передачи каждого пакета диктуется особенностями используемой модели сети. Правила формирования пакетов образуют перечень действий над пакетами и входят в набор системных операций при обработке потоков информации. Схемотехнически эти задачи обычно решаются в системе с помощью спецпроцессоров реализуемых либо на микропроцессорной основе, либо в виде системы на кристалле (СнК), либо на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Анализ предшествующих архитектурных решений показывает, что использование ВС с ограниченным числом процессоров не обеспечивает необходимой производительности. Классическими приемами повышения производительности процессорных модулей являются приемы сокращения временных задержек в цепочке действий над обрабатываемыми данными. Чтобы достичь низкого уровня задержек, система должна быть в состоянии выполнять обработку сообщений, не прибегая к дорогостоящим операциям с памятью. Операции с памятью существенно увеличивают задержки процесса обработки, поэтому в цепочке коммутируемых аппаратных модулей обработчиков необходимо исключить обмены с памятью разного уровня и минимизировать кэширование. На уровне аналитической обработки также необходимо сократить обмены с внешней памятью (например, для фиксации записи в базе данных требуется запись на диск записи журнала). Суммарно задержки обработки состоят из времени приема-передачи данных и времени их преобразования и вычислений. Поиск схемотехнического решения на базе одного центрального вычислительного ресурса или ограниченного числа процессорных узлов, очевидно, приводит к схеме конвейеризации, которая мало эффективна для случая произвольного потока. Существуют приемы модификации управления процессом конвейеризации, которые позволяют оптимизировать потери [2], но и в этом

Технические науки

случае конвейер не является единственным возможным решением. Предварительное изоморфное преобразование данных, ориентированное на эффективные аппаратные приемы обработки также может быть средством повышения производительности вычислений [3], однако использование такого рода приемов для решения данной задачи, повидимому, ограничено и требует дополнительных исследований. Очевидно, что в данном случае, также как и для классических архитектур супервычислителей, наиболее проблемными моментами построения машины, обеспечивающей значительное распараллеливание при преобразовании большого объема данных, поступающих потоком, является:  организация подачи этого потока на вычислительные ресурсы;  организация высокоскоростной распределяемой памяти, позволяющей поддержать производительность вычислительных компонент системы;  обеспечение эффективной коммутации и гибкой настройки вычислительных компонент системы. Анализируя научные публикации, технические решения, тематики конференций в области суперЭВМ за последние 5-7 лет можно отметить, что более половины сообщений, публикаций и диссертационных работ в этой области в той или иной мере затрагивает вопросы повышения или обеспечения необходимой производительности вычислительных систем за счет использования методик адаптивного оперативного реконфигурирования, как на базе коммутационных решений и макроузлов систем, так и на основе реконфигурируемых «микро» решений, реализуемых на базе ПЛИС и СнК [1,4,5]. В заключении отметим, что имеется широкий класс существующих и возникающих приложений, для которых требуется сложная обработка объемных потоков данных в реальном времени. Таким образом, поиск базового архитектурного решения, специально для обработки высокоскоростных потоков информации является насущной задачей развития ВС, которые будут использоваться для поддержки приложений потоковой обработки над большими объемами данных с низким уровнем задержек. Список литературы 1. Салибекян С.М. Разработка и анализ объектно-атрибутной архитектуры распределенной вычислительной системы с управлением потоком данных. Дисс. канд.техн.наук; МИЭМ, М., 2012 2. Холопов Ю.А. Метод совмещенной конвейеризации управляющих сигналов для вычислительных устройств. //Международный научный институт «Educatio». Ежемесячный научный журнал. Технические науки. №3, 2014. 3. Д.А.Зорин Синтез архитектур вычислительных систем реального времени с учетом ограничений на время выполнения и требований надежности. Дисс.канд.техн.наук. МГУ, М., 2014. 4. А.А. Жданов, Адаптивные машины - неизбежное направление развития техники. Задачи и проблемы. XII Всероссийская научно-техническая конференция "Нейроинформатика -2010": М.: НИЯУ МИФИ, 2010. с.162-211. 5. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А., Шмойлов В.И. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные структуры /Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под общ. ред. И.А. Каляева. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. 344 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Кельрих Михаил Борисович доктор техн. наук, проф., зав. каф. «Вагоны и вагонное хозяйство» Государственного экономико-технологического университета транспорта, г.Киев, Украина Фомин Алексей Викторович канд. техн. наук, доцент каф. «Вагоны и вагонное хозяйство» Государственного экономико-технологического университета транспорта, г.Киев, Украина

FEATURES OF LEADTHROUGH VALUE ANALYSIS FOR BEARINGS SYSTEMS OF FREIGHT CARRIAGES Kelrykh Mihail, Doctor of Technical Sciences, professor of department the "Car and Carriages' Economy" of the State University of transport economy and technologies, Kyiv, Ukraine Fomin Aleksey, Candidate of Engineering Sciences, associate professor of department the "Car and Carriages' Economy" of the State University of transport economy and technologies, Kyiv, Ukraine АННОТАЦИЯ В статье представлены особенности предложенной процедуры проведения функционально-стоимостного анализа для несущих систем грузовых вагонов. Приведены ключевые аспекты предложенного метода оценивания избыточных конструкционных запасов прочности для несущих элементов вагонов. В качестве примера применения представленной процедуры функционально-стоимостного анализа ее реализовано при соответствующем исследовании одного из базовых нынешних выполнений каркаса стен торцевых наиболее массового типа современного подвижного состава – универсальных полувагонов. ANNOTATION In the article the presented features of the offered procedure leadthrough functional-cost analysis are for the bearings systems of freight carriages. The key aspects of the offered method evaluation surplus construction margins of safety are resulted for the bearings elements carriages. As an example applications of the presented procedure functional-cost analysis it is realized at the proper research of one base present implementations of framework sthenes butt-end, most mass type of modern mobile composition, – universal freight gondolas. Ключевые слова: грузовые вагоны, функционально-стоимостной анализ. Keywords: freight car, value analysis. Постановка проблемы и анализ результатов последних исследований. В рыночных условиях ведения хозяйственной деятельности, конкуренции со сторон других видов транспорта, перед железными дорогами остро стоит проблема по внедрению и эксплуатации высокоэффективного подвижного состава. При этом подавляющее большинство нынешнего подвижного состава составляет грузовой вагонный парк, который постоянно нужно обновлять новыми конкурентоспособными моделями. Особая роль в повышении эффективности эксплуатации грузового парка вагонов отводится оперативной разработке и использованию их новых конструкций, которые бы обеспечивали существенно лучшие технико-экономические и эксплуатационные показатели работы, – созданию и использованию грузовых вагонов нового поколения. Практические действия в этом направлении усложняются тем, что грузовые вагоны характеризуются высокой степенью сложности, так как объединяют в качестве функциональных элементов низшие по конструкционной иерархии технические средства [2], которые соответствующим образом размещены и связаны между собой в пространстве и функционируют в реальном времени. Важной компонентой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию грузовых вагонов нового поколения является экономически направленное проектирование их несущих конструкций и составляющих. На сегодняшний день при исследованиях конструкций грузовых вагонов направленных на снижение их себестоимости применяют традиционный предметный подход, при котором ищут пути снижения расходов на конкретное их исполнение. Однако передовой мировой опыт проектирования технических систем засвидетельствовал целесообразность применения в подобных случаях функционального подхода, на котором базируется функционально-стоимостный анализ [1, 3].

Цель статьи и изложение основного материала. В статье представлены особенности предложенной процедуры проведения функционально-стоимостного анализа для несущих систем грузовых вагонов. Приведены ключевые аспекты предложенного метода оценивания избыточных конструкционных запасов прочности для несущих элементов вагонов. В качестве примера применения представленной процедуры функционально-стоимостного анализа ее реализовано при соответствующем исследовании одного из базовых нынешних выполнений каркаса стен торцевых наиболее массового типа современного подвижного состава – универсальных полувагонов. Функционально-стоимостной анализ основывается на утверждении – функции перевоплощают ресурс в продукт. То есть для грузовых вагонов незадействованные части их конструкций – это постоянно перевозимый ресурс (лишний балласт), а не полезный элемент. Концепция функционально-стоимостного анализа позволяет охарактеризовать совершенство выполнения несущих элементов грузовых вагонов в финансовом виде (в денежном эквиваленте). Отмеченное происходит за счет физического отображения функций отдельных составляющих конструкции, уровня использования ресурсов функциями, а также исследование причин по которым эти ресурсы используются. Результаты функционально-стоимостного анализа являются обстоятельными основаниями для принятия решений относительно модернизаций (как структурных так и функциональных) несущих систем грузовых вагонов. Информация из функционально-стоимостного анализа показывает как возможно перераспределить ресурсы с максимальной стратегической пользой, позволяет обнаружить возможности ключевых факторов (показатели прочности и эксплуатационной надежности), а также определить наилучшие варианты ресурсовложений. Основными преимуществами функционально-стоимостного анализа

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

грузовых вагонов по сравнению с предметным анализом является: его системность, то есть: применение системного подхода при выявлении по возможности всех избыточных расходов (трудоемкость, расходы материалов, энергии и так далее) в существующих или проектируемых их моделях; системное использование методов инженерного творчества при поиске новых технических решений со сниженными расходами, четким представлением о процессах восприятия нагрузок и их влиянии на себестоимость, а не на основе прямых расходов или учета полного объема выпускаемой продукции. Обобщенно в процедуре проведения функционально-стоимостного анализа несущих систем грузовых вагонов можно выделить следующие основные стадии: 1) составление технического задания исследования; 2) выявление и определение функций элементов объекта; 3) выделение «избыточных» (ненужных) функций и функций с избыточными расходами на реализацию, за счет оценивания стоимости выполнения каждой функции (чаще всего в виде денежных расходов, также возможно в виде расходов материала, энергии, и так далее); 4) исключение элементов с ненужными функциями и выбор наиболее рациональных технических решений элементов с избыточными расходами; 5) реализация на практике результатов функционально-стоимостного анализа. Выше представленный рабочий план включает пять взаимосвязанных стадий, каждая из которых состоит из нескольких отдельных этапов. При этом последовательность, заданная рабочим планом, носит обязательный характер. Более расширенно рабочий план проведения функционально стоимостного анализа для несущих конструкций грузовых вагонов и их составляющих можно охарактеризовать следующими особенностями: 1) подготовительная стадия, на которой избираются объект исследования (общая несущая конструкция или ее отдельная составляющая) и его цели, составляется техническое задание; 2) информационно-аналитическая стадия, на которой собирается информация по проектно-конструкторским решениям, расходам, условиям эксплуатации и недостаткам объекта. Дальше определяются функции составляющих и их условия выполнения. Следующим важным этапом является построение структурно-функциональной модели объекта [2, 5], которая чаще всего представляется в виде соответствующей схемы. Решение представленного сложного научно-технического задания обусловливает необходимость решения ряда задач, среди которых можно выделить: создание структурного описания и определение функций модулей/составных/узлов/базовых элементов конструкции, соответствующих особенных условий и ограничений, при которых будут выполняться функции. В работе [2] представлен новый подход к формализации структурного описания конструкций грузовых вагонов, разработанный на основе использования принципов иерархичности и декомпозиции (блочности). Использование принципа иерархичности предусматривает структуризацию описания конструкции грузовых вагонов по степени детальности с выделением отдельных иерархических уровней. Применение принципа декомпозиции обеспечивает разделение описаний конструкции грузовых вагонов на каждом иерархическом уровне на ряд соответствующих блоков (конструкционных модулей) с возможностями их раздельного проектирования и исследования. Вышеупомянутые принципы в полной мере отражаются в

Технические науки

блочно-иерархической модели грузовых вагонов, на основе которой с помощью аспектов описанных в работе [2, 4, 5] формируется структурно-функциональная модель; 3) этапы третьей стадии посвящены анализу и классификации определенных и формализированных в структурно-функциональной модели функций. Обнаруженные и описанные функции элементов могут быть разделены [2, 5] на четыре группы: главные, основные, вспомогательные и ненужные. Главные функции имеют главные элементы. Основные функции относятся к элементам, которые непосредственно обеспечивают работу главных элементов; при исключении основной функции главные функции в принципе не могут быть реализованы. Вспомогательные функции относятся к элементам, которые делают реализацию главной или основной функции эффективнее, более приемлемой или привлекательной для потребителя и т.п.; при исключении вспомогательной функции работоспособность объекта остается, однако ухудшаются некоторые показатели качества. Ненужные функции относятся к элементам, которые не играют существенную (или никакой) роль в обеспечении работоспособности объекта или повышении его качества. Таким образом, при исключении ненужной функции и сопутствующих элементов показатели качества не ухудшаются, а некоторые могут даже улучшаться. Далее определяются и сравниваются стоимости функций. Существует два основных метода определения стоимости функций, это: более точный прямой расчет и приближенный метод экспертный сравнений. Первый метод основывается на определении стоимости функций как расчет оценивания производственной себестоимости (включает расходы на основные и вспомогательные материалы, трудозатраты, энергозатраты, накладные расходы). А второй метод базируется на относительном субъективном оценивании, где формируются таблицы данных для оцениваемых элементов и им начисляются баллы, подсчет которых позволяет делать выводы относительно полезности и относительной стоимости элементов. Предлагается определение производственной себестоимости функций элементов на основе структурнофункционального описания исследуемого объекта (грузового вагона или его составляющей). Следующие работы можно охарактеризовать как специфические для несущих систем грузовых вагонов, потому что они посвящены определению и оцениванию избыточных запасов прочности. Так на основе данных теоретических и экспериментальных исследований, с использованием процедуры описанной в [4], избранной модели вагонов определяются избыточные запасы прочности. В общем виде процедура определения избыточных запасов прочности включает следующие действия. Сначала определяются (теоретически и экспериментально) максимальные величины напряжений в элементах в соответствии с 1-м, 2-м, 3-м расчетными режимами, а также в режиме соударения в соответствии с Нормами проектирования грузовых вагонов. После этого устанавливаются минимальные начальные запасы прочности в соответствии с каждым расчетным режимом на основе сравнения полученных значений с допустимыми, и избираются наименьшие из них. Дальше определяются минимально допустимые значения основных прочностных характеристик – моментов сопротивления сечений. Следующим шагом является установление значений моментов сопротивления сечений исследуемых профилей в конце назначенного срока службы (например для полувагонов через 22 года), что выполняется с использованием разработанных математических зависимостей, путем моделирования геометрических

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

параметров сечений с учетом скорости коррозии. И после этого путем сопоставления допустимых значений моментов сопротивлений сечний с их характеристиками в конце назначенного срока службы определяется избыточные запасы прочности. После определения стоимостей функциональных элементов определяются функциональные зоны наибольшего сосредоточения расходов объекта. Ставится задача по поиску более рациональных и оптимальных конструкторско-технологических решений; 4) поисково-исследовательский этап. В рамках выполнения работ на этом этапе выполняются: поиск лучших технических решений, их математическое моделирование, поиск оптимальных показателей и параметров технических решений, экспериментальные исследования; 5) разработка и внедрение результатов функционально-стоимостного анализа. В результате функционально-стоимостного анализа каркаса одного из базовых выполнений стен торцевых (с тремя горизонтальными поясами, промежуточными и нижними вертикальными стойками) современных полувагонов выяснено, что их структурно-функциональная схема не содержит лишних элементов. Также определенно, что функциональной зоной наибольшего сосредоточения расходов объекта являются горизонтальные пояса (верхний, средний и нижний) а также обвязка верхняя, которые на сегодня изготовляются из прокатных профилей. При этом в результате стоимостных сравнений существующих и перспективных (изготовляются из стальных листов гибкой) выполнений определенно существенные экономические резервы по снижению себестоимости полувагонов. Экономический потенциал развития такого направления проектирования полувагонов является достаточно существенным если учесть массовость их парка. Так например снижение себестоимости полувагона лишь только на 100 у.е. позволит достичь существенного сокращения производственных расходов при плане их изготовления даже в 100 единиц за месяц. Выводы и рекомендации относительно последующего использования. Приведенный в статье функционально-стоимостной подход к экономически направленным проектировочным работам по усовершенствованию существующих или разработке новых конструкций грузовых вагонов является эффективным и работоспособным. О сказанном засвидетельствовали результаты использова-

Технические науки

ния предложенной процедуры функционально-стоимостного анализа при усовершенствовании каркасов стен торцевых полувагонов. Практическая реализация полученных результатов позволит существенно (почти на 200 у.е.) снизить производственную себестоимость полувагонов избранных для исследования. В качестве последующего развития предложенного направления исследований несущих систем грузовых вагонов можно выделить работы направленные на разработку объектно-направленных каталогов или банков/баз данных, где бы исследователь/конструктор смог быстро находить готовые оценки расходов на реализацию необходимой функции и соответствующие технические решения. Приведенную процедуру функционально стоимостного анализа целесообразно использовать при осуществлении проектировочных и стоимостно-оценочных работ и для других средств железнодорожного транспорта. Список литературы: 1. Kelrykh, М. Value Analysis Of Carrying Structure Of Gondolas (Функціонально-вартісний аналіз несучих конструкцій вантажних вагонів) [Текст]/ М. Kelrykh, O. Fomin // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту Міністерства освіти і науки України: Серія «Транспортні системи і технології». – Київ: ДЕТУТ, 2014. – Вип.24. – С.123-133 2. Кельріх, М.Б. Структурно-функціональне описання конструкції модуля кузова сучасних універсальних напіввагонів [Текст]/ М.Б. Кельріх, В.І.Мороз, О.В Фомін // Науковий журнал – Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – Луганськ: СНУ ім. В.Даля, 2014. – № 2(210). – С. 94-103. 3. Половинкин, А.И. Основы инженерного творчества [Текст]/ А.И. Половинкин. – М.: Машиностроение, 1988. – 368с. 4. Фомін, О.В. Дослідження дефектів та пошкоджень несучих систем залізничних напіввагонів: монографія/ О. В. Фомін. – Київ: ДЕТУТ, 2014. – 299 с. 5. Фомін, О.В. Оптимізаційне проектування елементів кузовів залізничних напіввагонів та організація їх виробництва: монографія/ О.В.Фомін. – Донецьк: ДонІЗТ УкрДАЗТ, 2013. – 251с.

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА СТАРТЕРНОГО ТИПА

Галушкин Николай Ефимович док. т. наук, профессор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) Донского государственного технического университета Язвинская Наталья Николаевна канд. т. наук, доцент Донского государственного технического университета, Галушкин Дмитрий Николаевич док. т. наук, профессор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) Донского государственного технического университета, Ростовского филиала Российской таможенной академии Галушкина Инна Александровна канд. т. наук, доцент Новошахтинского филиала Южного федерального университета

STRUCTURAL MODELS OF NICKEL-CADMIUM BATTERIES OF TRACTION TYPE Galushkin Nikolay, Doctor of Engineering, professor of Institute Sphere of Service and Business (branch) Don State Technical University, Shakhty Yazvinskaya Nataliya, Candidate of Engineering, assistance professor of Don State Technical University, Rostov-on-Don Galushkin Dmitry, Doctor of Engineering, professor of Institute Sphere of Service and Business (branch) Don State Technical University, Shakhty, Rostov Branch of Russian Customs Academy, Rostov-on-Don

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Galushkina Inna, Candidate of Engineering, assistance professor, Novoshakhtinsk Branch of Southern Federal University, Novoshakhtinsk АННТОТАЦИЯ Показано, что структурная модель никель-кадмиевого аккумулятора стартерного типа хорошо описывает процесс релаксации напряжения после заряда исследуемого аккумулятора. ABSTRACT It was shown that the structural model of nickel-cadmium accumulator of traction type is good to describe the process of tense relaxation after the charging the accumulator under study. Ключевые слова: аккумуляторы; никель-кадмиевый; стартерный. Keywords: batteries; nickel-cadmium; traction type. Введение Разряд аккумуляторов стартерного типа описывается уравнением Хаскиной-Даниленко [15]

 q    u  E  Ri  K  Q  q

  q  A exp  B   1 , Q   

(1)

где E – ЭДС аккумулятора; R- внутреннее сопротивление аккумулятора; Q – емкость аккумулятора, которую он способен отдать при разряде (полная емкость аккумулятора); i – ток разряда; K, A, B – экспериментальные константы; q – количество электричества, отданное аккумулятором на момент измерения напряжения u. Выполним анализ этого уравнения с точки зрения структурного моделирования. Данная работа продолжает цикл работ по структурному моделированию работы щелочных аккумуляторов [1-14] Анализ эмпирических зависимостей В работе [14] экспериментально доказано, что в общем случае уравнение, описывающее разрядные характеристики химических источников тока, должно иметь вид

u  E0  Ri  Kf 2 (i, q)  Af3 (q) .

(2)

Эмпирическая зависимость (1) удовлетворяют этому требованию. Таким образом, в общем случае данная зависимость представляют собой сумму четырех слагаемых (2). Следовательно, на основании данной зависимости аккумулятор можно представлять в виде последовательно соединенных четырех элементов. Первый элемент представляет собой идеальный источник постоянной ЭДС. Второй элемент описывает активационно-омическую часть в работе аккумулятора. Третий элемент обращается в нуль при q = 0 и растет по абсолютной величине, по мере разряда аккумулятора, то есть данный элемент описывает изменение напряжения, связанное со степенью разряженности аккумулятора. Поэтому условно назовем данное изменение напряжения поляризацией разряда аккумулятора. Последний элемент описывает переходные процессы, возникающие в аккумуляторе при его включении на разряд. Изменение напряжения, соответствующее этому элементу, условно назовем релаксационной поляризацией. Проанализируем аналитические соотношения для каждого из этих элементов. Первый элемент представляет собой идеальный источник постоянной ЭДС. Он описывается константой. В правильности данного описания и необходимости первого элемента нет сомнения. Начнем подробный анализ с третьего элемента, как наиболее сложного. Поляризация разряда Поляризация разряда уравнения Хаскиной-Даниленко (1) описывается слагаемым

uP  K

q , Qq

(3)

В работе [15] была использована интересная методика для проверки адекватности аналитических соотношений экспериментальным данным. По данной методике находились постоянные коэффициенты в исследуемом соотношении так, чтобы данное соотношение наиболее точно соответствовало экспериментальным точкам, т.е. находились оптимальные коэффициенты и соответствующие им оптимальные кривые. При этом могут возникнуть три ситуации. Во-первых, если для серии режимов разряда (при различных токах) дисперсия экспериментальных точек на всей серии найденных оптимальных кривых большая, то данная аналитическая зависимость не соответствует природе исследуемого объекта. Во-вторых, если дисперсия для всей серии режимов разряда мала, но оптимальные коэффициенты имеют различные значения для различных режимов разряда, то данные коэффициенты являются вовсе не постоянными, а функциями от режимов разряда и должны быть заменены на функциональные зависимости, то есть в этом случае аналитическое соотношение в целом или отдельные слагаемые требуют усовершенствования. В-третьих, если оптимальные коэффициенты в целом в соотношении или в некотором слагаемом не меняются в зависимости от режимов разряда, то данное соотношение в целом или соответствующее слагаемое не требует усовершенствования и правильно описывает исследуемый объект. По данной методике в работе [15] исследован аккумулятор НКГ-8К. Было показано, что оптимальный коэффициент K, в уравнении Хаскиной-Даниленко (1), в широком интервале токов разряда от i1 = 0,1Qн до i2 = Qн (остающихся как постоянными в процессе разряда, так и ступенчато изменяющимися) не изменяется. Данные выводы были экспериментально проверены и нами для аккумуляторов НКГ-8К и НКГ-10Д. Для аккумулятора НКГ -10Д исследованы следующие режимы разряда:  режим 1 - разряд током 10 А на 2,5 A  ч, затем током 2 А до 0,5 В;  режим 2 - разряд током 10 А на 5 A  ч, затем током 2 А до 0,5 В;  режим 3 - разряд током 10 А на 1,66 A  ч, затем током 5 А на 6 A  ч, затем током 2 А до 0,5 В;  режим 4 - разряд током 2 А до 0,5 В;  режим 5 - разряд током 10 А до 0,5 В;  режим 6 - разряд током 2 А на 5 A  ч, затем током 10 А до 0,5 В. Оптимальные параметры для соотношения Хаскиной-Даниленко (1), соответствующие указанным экспериментальным режимам разряда, были найдены с использованием процедуры оптимизации Левенберга-Маркардта в рамках пакета MathCad и представлены в таблице 1.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

В таблице 1 D - дисперсия экспериментальных точек; N - число экспериментальных точек; E, R, K, A, B, Q – параметры соотношения (1). Как видно из таблицы 1 для уравнения Хаскиной-Даниленко слагаемое K не сильно изменяется при переходе от одного режима разряда к другому (относительная ошибка не более 12 %). То есть, для данных аккумуляторов в широком интервале токов разряда, для поляризации разряда справедливо соотношение (3).

Технические науки

Соотношение (3) можно представить как разряд некоторого псевдоконденсатора

uP  

 Q q q где , C  C0 1  , C0  . K C  Q

С – емкость псевдоконденсатора, которая уменьшается по мере разряда аккумулятора.

Оптимальные параметры для разрядных кривых аккумулятора НКГ-10Д режимы E A B R102 K103 разряда i. Соотношение Хаскиной-Даниленко 1 1,373 0,915 5,123 0,211 3,98 2 1,396 1,11 5,849 0,242 3,751 3 1,347 0,813 6,770 0,191 4,285 4 1,363 1,720 5,052 0,199 3,454 5 1,358 0,720 5,110 0,236 3,699 6 1,372 0,786 5,687 0,266 3,055

Действительно, несмотря на то, что электрохимические и физические процессы, происходящие при разряде аккумулятора и конденсатора, принципиально различные, но с электротехнической точки зрения эти системы подобны. При разряде НК аккумулятора на положительном электроде происходит реакция, которая приводит к понижению степени окисленности гидроксидов никеля и, как следствие, к понижению равновесного потенциала положительного электрода. На отрицательном электроде реакция приводит к повышению степени окисленности гидроксидов кадмия и, как следствие, к повышению равновесного потенциала кадмиевого электрода. С другой стороны, при разряде конденсатора на положительной обкладке уменьшается положительный заряд (за счет поступления электронов), что приводит к понижению потенциала положительной обкладки. На отрицательной обкладке конденсатора уменьшается отрицательный заряд (за счет ухода электронов), что приводит к повышению потенциала отрицательной обкладки. Следовательно, если нас интересуют зависимости только между электротехническими характеристиками аккумулятора (током, напряжением на клеммах, количеством прошедшего электричества, временем и т.д.), то результат разряда аккумулятора и конденсатора одинаков, а именно, уменьшение разности потенциалов между клеммами. Поэтому является естественным, что эти различные объекты описываются одинаковыми аналитическими соотношениями, описывающими одинаковые электротехнические процессы. Выражение в знаменателе поляризации разряда (3) описывает ресурс основной токообразующей реакции для НК аккумулятора

1 1 Cd  NiOOH  H 2 O  Cd (OH ) 2  Ni (OH ) 2 . (5) 2 2

Так как, при qQ поляризация разряда резко возрастает по абсолютной величине, а напряжение на клеммах аккумулятора резко падает, то это говорит об исчерпании ресурса реакции (5). Итак, из интерпретации поляризации разряда (3) в виде разряда псевдоконденсатора (4) следует еще один

(4)

Таблица 1 Q

DN103

14,433 14,250 14,127 14,431 14,131 13,805

2,243 0,976 0,888 0,811 0,906 0,522

очень важный вывод, а именно: ресурс токообразующей реакции для НК аккумуляторов, с математической точки зрения, может быть корректно описан уменьшением емкости C псевдоконденсатора (4) по мере разряда аккумулятора. Данный факт интуитивно был не очевиден (в отличие от возможности описания разряда аккумуляторов в виде разряда псевдоконденсаторов). Это очень важное следствие для моделирования работы аккумуляторов. В современных моделях аккумуляторов ресурс реакции или не учитывается, или учитывается введением ограничивающих неравенств на изменение q [4], что является грубым приближением к действительности. Так как в этом случае переход от состояния, где действует реакция (5), к состоянию, где она уже исчерпана, был бы мгновенным. В природе все переходы подобного рода происходят по плавно изменяющимся кривым, даже если речь идет о небольших локальных объемах активного вещества. Вид кривой перехода должен определяться конкретной электрохимической системой. В данном случае, согласно эмпирической зависимости (3), изменение ресурса реакции (5) описывается функцией (4). Вывод Таким образом при структурном моделировании работы никель-кадмиевого аккумулятора стартерного типа он может быть описан нелинейным конденсатором (4) без учета релаксационного слагаемого. 1.

3. 4.

Список литературы Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Nonlinear Structural Model of the Battery // International Journal of Electrochemical Science.  2014. 9. 6305  6327. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Generalized Model for Self-Discharge Processes in Alkaline Batteries // J. Electrochem. Soc.  2012. 159 (8).  A1315A1317. Нуman Е.А. // U.S. Department of Energy.  1977.  P. 65. Simonsson D. // Rapp. Ingenjorsvetenskapsakad. 1984. P. 4468.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкина И.А. Нелинейная структурная модель аккумулятора, исследование процессов релаксации после заряда // Электрохимическая энергетика.  2014.  Т.14.  №1. С.4550. 6. Галушкин Н.Е. Моделирование работы ХИТ Шахты: Изд-во ДГАС, 1998.  224 с. 7. Галушкин Н.Е., Галушкина Н.Н. Анализ эмпирических зависимостей, описывающих разряд щелочных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика.  2005. Т. 5. № 1. С. 4349. 8. Галушкин Н.Е. Моделирование работы щелочных аккумуляторов в стационарных и нестационарных режимах: дис.... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 1998. 465 с. 9. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Кукоз Ф.И., Галушкин Д.Н. Структурное моделирование работы электрохимических аккумуляторов Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. 192 с. 10. Галушкин Н.Е., Кукоз Ф.И., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Моделирование работы аккумуляторов Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. 199 с. 11. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Структурная модель щелочного аккумулятора //Из-

Технические науки

12.

13.

14.

15.

вестия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2014. № 5 (180). С. 6972. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Моделирование зависимости ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторов от тока разряда // Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 12. № 3. С. 147154. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Анализ использования эмпирических соотношений для оценки емкости никель-кадмиевых аккумуляторов фирмы SAFT длительного режима разряда // Фундаментальные исследования. 2012. № 11(5). С. 11801185. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Компьютерное моделирование зависимости емкости никель-кадмиевых аккумуляторов фирмы SAFT среднего режима разряда от токов разряда // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2012.  № 6. С. 123126. Хаскина С.М., Даниленко И.Ф. // Сб. работ по ХИТ. Л.: Энергия, 1981. С. 3438.

ЦИКЛИЧЕСКОЕ ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Холопов Юрий Алексеевич. Ведущий инженер, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва Преображенский Николай Борисович Кандидат технических наук, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва

CYCLIC DIGITAL CONTROL. Kholopov Yury, Leading engineer, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow Preobrazhenskiy Nikolay, Candidate of Science, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow АННОТАЦИЯ Рассматриваются особенности цифрового циклического регулирования на основе широтно-импульсного формирования управляющих воздействий. Показаны возможности оптимизации основных фаз регулирования, позволяющие более эффективно использовать вычислительные ресурсы системы управления. ABSTRACT Features of digital cyclic regulation on the basis of pulse-width formation of the operating influences are considered. The possibilities of optimization of the main phases of regulation allowing to use more effectively computing resources of a control system are shown. Ключевые слова: цифровой регулятор; широтно-импульсная модуляция; оптимизация цикла регулирования. Keywords: digital regulator; pulse-width modulation; optimization of a cycle of regulation. В современных цифровых системах управления, большинство исполнительных механизмов – актуаторов имеют электрический привод. Методом передачи исполняемой величины (движения, усилия) на электрические исполнительные механизмы, в том числе на вентильные, коллекторные двигатели, пневмо и гидро клапаны, - является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). На исполнительное устройство подается сигнал неизменной амплитуды, а величина исполняемого действия определяется интегралом - длиной импульса в интервале выдачи уставки. Весь диапазон от минимального до максимального значения исполняемого действия укладывается в период ШИМ сигнала. Из-за предельной простоты формирования временных интервалов средствами дискретной логики, ШИМ, как способ передачи уставок

на актуаторы, особенно активно стали использовать после перехода на цифровую реализацию трактов систем управления. Функции вычислителя в цифровом регуляторе с ШИМ выходом. Процесс цифрового регулирования, как функция замкнутой системы управления имеет циклический характер. Каждый цикл регулирования обязательно включает в себя фазы: измерения, вычисления и исполнения:  фаза измерения - это процесс, при выполнении которого мы получаем вектор состояния – все необходимые для реализации управления характеристики объекта управления и его окружения.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

 фаза вычислений – это процесс преобразования вектора состояния в вектор управления в цифровой форме.  фаза исполнения – это процесс отработки вектора управления. В аналоговых системах управления (регулирования), перечисленные фазы проявляются как задержки в соответствующих сечениях тракта обработки, а сумма задержек определяет время реакции СУ на изменения состояния объекта управления (ОУ). Выдача уставок на актуаторы происходит непрерывно, без скачков. Изменения состояния ОУ непрерывно отслеживаются и компенсируются в соответствии с задачей управления, характер вычислительного процесса в регуляторе напоминает конвейерную или поточную обработку. Соотношение между мощностью исполнительных механизмов и инерцией объекта управления определяют скорость реакции ОУ на компенсирующее воздействие. Время реакции СУ, в аналоговой реализации, должно быть соизмеримо с реакцией объекта управления на воздействие актуатора, в противном случае, система управления теряет устойчивость. Последнее требование порождено природой аналоговых трактов обработки, в которых сложно реализовать торможение обработки данных, из-за чего приходится растягивать фазы

Технические науки

обработки на весь цикл регулирования - страдает быстродействие СУ и точность отслеживания уставок. В цифровых системах управления-регулирования характер вычислений в цикле регулирования существенно отличается от описанной картины. С точки зрения качества управления совершенно необходимо, чтобы фиксация характеристик объекта управления происходила одномоментно, а измерение не растягивалось во времени и успевало как раз к моменту начала вычислений. То же самое хочется сказать и о процессе вычислений, однако они не могут происходить без затрат времени. Оба предположения являются трудновыполнимыми, однако задержки можно попытаться оптимизировать. С точки зрения организации ШИМ регулирования, обязательным является только требование стабильности фазы переполнения его опорного счётчика. Эту временную метку можно считать опорной для управления всеми фазами цикла регулирования, организовав их запуск и окончание согласованно с формированием ШИМ - уставок. Очевидно, что измерение и вычисление на i-ом шаге регулирования предшествует исполнению, сама фаза исполнения занимает весь следующий цикл. (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Фазы циклов регулирования. Как было отмечено выше, мы не можем сократить время исполнения и длительность самого цикла регулирования, так как эти величины заданы параметрами объекта управления. Если представить одномоментное мгновенное выполнение измерений и вычислений, то в идеале длительность цикла регулирования равна максимальной продолжительности ШИМ интервала. В реальной жизни преобразовать цикл до такой степени не удается, но можно оптимизировать его, уменьшив длительность интервала вычислений, а также максимально приблизив момент получения результатов измерений к началу вычислений. Оптимизация расчёта ШИМ - уставок в цифровом регуляторе. В цифровой логике, на ПЛИС, легко реализуется практически неограниченное количество функций задержки данных. Это позволяет отложить обработку состояния ОУ на конец цикла регулирования, когда реакция ОУ на предыдущие воздействия окружения и актуатора уже проявилась в максимальной степени. Быстрый анализ состояния ОУ, расчёт компенсирующего воздействия и выдача новой уставки на актуатор позволяют решать задачу управления точнее, т.к. фазовая задержка, между измеренным состоянием ОУ и выдачей на него компенсирующего воздействия – минимальна. Актуаторы в цифровых СУ работают в дискретно – непрерывном режиме: уставка фиксируется после вычисления, в конце расчетной фазы, и остаётся неизменной на весь период цикла регулирования. Механизм передачи

уставки на актуатор через ШИМ-сигнал, в цифровых СУ имеет несколько характеристик, существенных для предлагаемого способа оптимизации расчётов. (см. рисунок 2). Первая из них состоит в том, что новая уставка воспринимается формирователем ШИМ - сигнала только после отработки предыдущей, т.е. в конце периода его формирования. В пределах одного цикла регулирования, как правило, формируется несколько сотен ШИМ - уставок, поэтому вторая особенность цифровой реализации трактов СУ состоит в отсчёте временных меток внутри цикла регулирования как дискретов, заданных генератором ШИМ – сигнала. Метки используются, например, в регуляторе, как задатчики периода интегрирования. Обратим внимание на ещё одно полезное свойство приведённого способа формирования временных меток и ШИМ - сигнала, а именно – высокую стабильность во времени фаз всех генерируемых сигналов. СУ объекта управления, с независимыми степенями механической свободы, можно рассматривать как совокупность согласованно работающих регуляторов. Для такой системы, согласованность актуальна не только при отработке функций задач управления, но и в дисциплине потребления общих ресурсов, основным из которых является энергетический ресурс. Стабильность фаз ШИМ сигналов актуаторов, в цифровой реализации СУ, позволяет управлять моментами пикового энергопотребления каждого актуатора, и снизить, таким образом, требования по допустимой пиковой нагрузке системы силового питания.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 2. Формирователь ШИМ - сигнала и временных меток. Рассмотрим процесс измерений. В системах управления используются разнообразные измерительные устройства, обладающие инерцией выполнения. Отличаются используемые ими физические процессы, кроме того, измеренные аналоговым способом величины должны быть преобразованы в цифровую форму, что также требует времени. Заметим, что некоторые характеристики объекта управления не могут быть измерены непосредственно, но являются собирательными, вычисляемыми, на что также требуется время. По-видимому, оптимизировать интервал измерений можно, прежде всего тем, что все измеренные и вычисленные характеристики объекта управления «появятся» на входе вычислительного устройства в нужное время, непосредственно перед началом вычислений вектора управления. Учитывая ранее отмеченное разнообразие физических процессов измерения и их длительностей, представляется целесообразным активизировать процесс измерений для каждой из величин по собственному расписанию с индивидуальными фазовыми смещениями относительно их окончания. Чтобы результат измерения - вектор состояния был получен для всех характеристик в нужной для обработки последовательности, необходимо для каждой характеристики начать процесс формирования измеряемой величины в ее индивидуальное время. Наверное, для выполнения этого условия, моменты запуска процесса измерений для некоторых характеристик объекта придутся на предыдущий интервал регулирования, что в общем случае противоречит идее процесса регулирования, так как мы начинаем формировать величину, раньше, чем закончится предыдущий цикл регулирования. Поэтому, такого решения следует избегать. Однако, для некоторых «медленных» измерений время получения измеряемой величины может составлять интервал, превышающий цикл регулирования. Это исключение, но не противоречие. Как правило, такие характеристики измеряются по какому-то кратному циклу, либо подключаются к процессу вычислений только в момент их актуализации – событийно. Теперь обратимся к процессу вычислений. Для современных цифровых систем регулирования свойственен отказ от точных вычислений и переход к вычислениям приращений, смещений, для которых базовые значения

подготовлены заранее, таблично и хранятся в памяти вычислителя. Подобный подход уже сам собой является ускорением процесса вычислений. Разделение процесса вычислений на две фазы позволяет выполнить предварительные вычисления не в напряженном режиме цикла управления. Кроме так называемых точных вычислений, последние годы значительными успехами пользуются различные эвристические и адаптивные пошаговые методики, назначение которых состоит в дополнении к основному процессу регулирования [1]. Это позволяет сформировать корректирующий контекст управления, который может потребовать значительного времени для адаптивного анализа и формирования таблиц эвристики, или корректировки базовых таблиц основного вычислительного процесса, прежде чем вычисленные коррекции можно будет использовать в процессе регулирования. В общем случае, для таких расчетов могут потребоваться дополнительные вычислительные мощности. Однако, в связи с тем, что названные коррективы не имеют прямого отношения к процессу регулирования, нет необходимости укладывать эти вычисления по времени непосредственно в основной интервал вычислений. Эти вычисления могут выполняться не только на дополнительном вычислительном ресурсе, но и во время отработки ранее рассчитанных значений уставки, непосредственно на основном вычислительном ресурсе, который в интервале отработки фактически свободен. Заметим, что дополнительные вычисления будут вестись по самостоятельной программе, не пересекающейся непосредственно с вычислениями основного процесса регулирования. Настройка процесса адаптивного сопровождения реализуемого дополнительной программой может занять несколько сотен-тысяч циклов обычного регулирования, прежде чем будет вычислен алгоритм коррекции и новая таблица базовых значений будет включена в основной цикл регулирования. Список литературы 1. Жданов А.А. Адаптивные машины - неизбежное направление развития техники. Задачи и проблемы. XII Всероссийская научно-техническая конференция "Нейроинформатика - 2010": Лекции по нейроинформатике. - М.: НИЯУ МИФИ, 2010. с.162-211.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

АЛГОРИТМ ТЕРМИНАЛЬНО-ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ С ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ

Иванов Станислав Валерьевич канд.т.наук, доцент, Донской Государственный Технический Университет Пляскин Кирилл Валерьевич студент группы УУ-51 Донской Государственный Технический Университет Полях Татьяна Сергеевна ассист. кафедры «автоматизация Производственных процессов», Донской Государственный Технический Университет ALGORITHM OF TERMINAL OPTIMUM CONTROL WITH PREDICTION BY THE UNMANNED AERIAL VEHICLE Ivanov Stanislav, candidate of Science, associate professor оf Don State Technical University Plyaskin Kirill, Student UU-51 Don State Technical University Polyh Tatyana, аssistant depart- automation of production processes, Don State Technical University АННОТАЦИЯ Рассматривается алгоритм терминально-оптимального управления с прогнозированием, отличающий от известных тем, что в алгоритме экстраполяции используется идентифицируемая по набору измерений модель функционирования объекта. Такой подход позволяет скомпенсировать ограниченность количества итераций при заданных вычислительных ресурсах БЦВМ и времени управления и повысить точность выведения объекта в заданную терминальную область. Приведены результаты численных исследований. ABSTRACT The algorithm of terminal optimum control with prediction distinguishing from known for that in algorithm of extrapolation the model of functioning of object identified on a set of measurements is used is considered. Such approach allows to compensate limitation of number of iterations in case of the given computing resources of BTsVM and time of control and to increase the accuracy of deduction of object in the given terminal area. Results of numerical researches are given. Введение Одним из направлений совершенствования систем управления высокоманевренными ЛА является повышение эффективности их функционирования за счет формирования управления на конечном участке траектории [1]. Однако точность алгоритмов управления, используемых для управления такими аппаратами, снижается вследствие влияния возмущений большого уровня [2]. Снижение точности объясняется неадекватностью моделей, используемых в контуре прогнозирования, их структурной [3-6] неопределенностью и ограниченностью вычислительных ресурсов бортовых ЭВМ (БЦВМ). Неадекватность моделей функционирования ЛА обуславливает погрешности прогноза, ухудшает точность управления и предопределяет отклонения по трассе от опорных траекторий. Поэтому для повышения точности управления в алгоритмах прогнозирования целесообразно использовать максимально адекватные модели функционирования ЛА. Синтез структуры системы управления ЛА. В условиях неопределенности, обусловленной действием различных факторов, система управления (СУ) должна обеспечивать, во-первых, устойчивое оптимальное по точности движение ЛА вдоль заданной траектории маневра и, во-вторых, достижение конечных условий с заданной точностью. Для выполнения этих целей предлагается следующая структура СУ [2,7], представленная на рис.1. Функционирование блоков представленной на рисунке схемы отличается по скорости обработки информации. За один такт работы "медленного" контура "быстрый" контур осуществляет несколько тактов: - "быстрый" контур выполняется с тактом Т0; - "медленный" – с тактом Т1 = kмT0, где kм>1 – коэффициент, определяемый согласно вычислительной трудоемкости задач "медленного" контура и производительности БЦВМ. В навигационном блоке вычисляются значения текущих кинематических и динамических переменных, задающих пространственное положение УБЭ. Вектор

управления uб(X(t),t) (где X(t) – вектор состояния ЛА, dim(X)=n, dim(uб)=m, m  n, t – текущее время полета, t  t 0 , t k ) определяется по результатам решения навигационной задачи из условия обеспечения минимума отклонения текущего движения УБЭ от заданного и из дополнительного требования к минимуму энергетических затрат. Вектор коррекции управления a(T1) – в ходе прогноза, выполняемого путем ускоренного интегрирования модели УБЭ, идентифицируемой с использованием всего объема накопленной измерительной информации z(t) за интервал полета T  NT1  t 0 (N – количество выполненных на данный момент времени полета t полных тактов T1). Таким образом, достоинством рассматриваемой структуры СУ является то, что нет необходимости разрешения сложнейшей проблемы дуальности задач оптимального оценивания-идентификации и управления, так как эти задачи решаются в данном случае в разных временных континуумах. Синтез алгоритма терминально-оптимального управления ЛА. Задачу синтеза вектора оптимального управления движением ЛА uб(X(t),t) сформулируем следующим образом. Функционирование ЛА будем описывать системой детерминированных дифференциальных уравнений





dXt   F Xt  , u б t  , t , t  t 0 , t k , Xt 0   X 0 , (1) dt





где F() – известная вектор-функция (размерности n×1), переводящей ЛА из фиксированного начального состояния X0 в заданное конечное, определяемое соотношением

Qt k   0 , dim( Q)  p , p  n .

(2)

Критерий качества Jб сформируем из учета требований к минимуму отклонения текущих фазовых переменных Xi(t) ( i

 1, n X , nX<n), определяющих траекторию

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

(например, компоненты радиус-вектора центра масс ЛА), от заданных Xi*(t), а также исходя из требования минимизации "энергетических" затрат на управление:

Jб 

t1  1  t k T T б б   Xt  M X Xt  dt   u t  Bu t  dt  , 2  t 0  t0

(3) где MX, B  диагональные матрицы весовых коэффициентов (за счет матрицы MX (размерности nn) учитываются только те элементы вектора состояния, которые определяют форму траектории);

Xt   Xt   X * t .

 

~ dt   0. dt t  t k

Силовая схема ЛА и требования устойчивости накладывают на вектор-функцию управления ограничения вида

u б t  U ,

(5) где U – заданное множество ограниченных кусочно-непрерывных функций. С математической точки зрения названная задача может быть отнесена к классу экстремально-краевых. Для ее решения целесообразно воспользоваться методом синтеза оптимального терминального управления [3,4]. Расширенный функционал Лагранжа при этом имеет вид: tk

где

~ t  

(6)

 функциональный множитель Лагранжа для дифференциальной связи (1) (сопряженная ~   n ); вектор-функция, dim 

а  а 1 ,  , а p   вектор-строка 1p коэффициентов

~ 

вает высокую точность синтезируемого управления и позволяет ликвидировать невязки фазовых переменных конечного состояния. Обоснование алгоритма идентификации. Неопределенность противодействия средств противника определяет стохастический характер процесса функционирования ЛА. Поэтому идентифицируемую модель применения аппарата представим векторным стохастическим нелинейным дифференциальным уравнением со структурной неопределенностью [5]:

d x   f x,   f 0 x,  , d

  t 0 , NT1 , xt 0   x 0 ,

Второе слагаемое критерия (3) определено как величина, пропорциональная квадрату нормы вектор-функции управления в метрике гильбертова пространства L 2 . Минимизация этой составляющей позволяет оставить наибольший интегральный запас управляемости ЛА на парирование возмущений. Момент tk приведения ЛА в конечную точку не фиксирован и задан условием ~ (4)  tk  0, в предположении, что

~~ ~ F  X   dt  aQ    L  Jб    ,

Технические науки

коррекции управления, постоянных в такте "медленного" контура;

 скалярный множитель Лагранжа для связи (4). Вектор корректирующего управления a(T1), являющийся векторным множителем Лагранжа для терминальных условий (2), определяется по результатам прогноза в "медленном" контуре и обеспечивает совмещение прогнозируемых конечных фазовых переменных ЛА с расчетными. Таким образом. осуществляется последовательное оптимальное приближение реального движения аппарата к расчетному. Причем в каждом такте формирования управляющего воздействия ("на каждой j-й итерации") учитываются терминальные ограничения, что обеспечи-

(7)

где x() – вектор (dim(x)=nм) модели функционирования БЛА; f() – идентифицируемая вектор-функция со структурной неопределенностью (размерности nм×1); f0() – известная функция-матрица размерности nмnш; () – случайный процесс (dim()=nш) типа белого гауссовского шума с нулевым математическим ожиданием и известной матрицей интенсивностей D() размерности nшnш. При решении задачи идентификации целесообразно использовать наиболее полные модели функционирования ЛА. Вектор-функции управления uб, формировавшиеся в течение полета T  NT1  t 0 , при решении задачи идентификации известны и являются функциями времени. Движение ЛА характеризуется резким снижением скорости, выполнением маневров как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, большими пределами изменений поперечных и продольных перегрузок. Поэтому ошибки измерителей носят случайный характер [6] и наблюдение параметров собственного движения ЛА описывается нелинейным алгебраическим стохастическим уравнением

zt   h x, t   t  ,

(8)

где z(t) – вектор выходных сигналов измерителей параметров движения УБЭ (dim(z)=q); h() – известная нелинейная вектор-функция указанных аргументов; (t) – q-мерный гауссовский случайный процесс типа белого шума с известной матрицей интенсивностей D (t) (размерности qq) помехи измерений. Применение метода структурно-параметрической идентификации, позволяет сформировать в текущем времени в явной форме приближенную оценку искомой функции правой части дифференциальной системы уравнений. Таким образом, для решения сформулированной задачи целесообразно использовать алгоритм идентификации (7)-(8) в реальном масштабе времени. Синтез алгоритма коррекции вектора управления по результатам прогнозирования. Вектор коррекции управления а(T1), обеспечивающий совмещение прогнозируемых конечных фазовых переменных ЛА с расчетными, определяется в блоке коррекции. Тогда, следуя идеологии алгоритмов терминального оптимального управления и учитывая краевые условия (2), а также уравнение

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Qt k  j   K u t  j u t  tk

где

Qt k  j

 dt  0 , j

44 (9)

 вектор невязок краевых условий, соответствующих некоторой jй итерации построения функции оптимального управ-

u

t 



ления

u t  ; б

j  поправка на данной итерации к

u t  б

;

K u t  j  градиент в момент t для jй итерации, получим систему линейных алгебраических уравнений для определения компонент вектора a(T1):

Wt 0 j a j T  BQt k  j , (10) где Wt 0  j - матрица эффективности корректирующего вектора. С целью обоснования реализуемости и оценки вычислительной эффективности представленного подхода было выполнено численное моделирование следующего практического примера. Пример. Рассматривался гипотетический беспилотный летательный аппарат, технические характеристики и компоновочная схема которого приведены в работе [6]. Предполагалось, что ЛА должен осуществить в

Список литературы: 1. Половинчук Н.Я, Ардашов А.А. Проектирование систем управления ракет-носителей и межконтинентальных баллистических ракет. – РВИ РВ, 2011. - 316 с. 2. Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф., Сихарулидзе Ю.Г. Алгоритмы управления космическими аппаратами при входе в атмосферу. - М.: Наука, 1985. - 400с. 3. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. - М.: Наука, 1987. - 232 с.

Технические науки

процессе спуска боковой маневр – уход из плоскости полета на 600м и выведение в заданную область пространства. С целью моделирования неопределенности на первом этапе исследований в "реальную" модель функционирования ЛА вводились атмосферные возмущения: шумы аэродинамических коэффициентов и моментов, шумы плотности атмосферы Земли и ветра. На втором этапе дополнительно задавалась "неизвестная" структурная неопределенность за счет введения "неопределенной" добавки Cy(М) аэродинамического коэффициента Cy(,М) ( – угол атаки, М – число Маха): Cy(,М) = exp(-M). (11) В качестве модели навигационного комплекса беспилотного ЛА использовалась модель бесплатформенной инерциальной навигационной системы, включающей три акселерометра и три датчика угловой скорости. Модели погрешностей измерителей представлялись белым гауссовским шумом с известными характеристиками. Численные исследования разработанного модифицированного алгоритма терминального управления с прогнозированием идентифицируемой по набору измерений модели функционирования ЛА в то же время показали следующее. Ошибки приведения в заданную терминальную область и погрешности обеспечения заданных параметров движения центра масс ЛА для расчетной траектории на втором этапе были примерно на 45%-40% меньше в сравнении с ошибками традиционного метода.

4. Ваньков А.И. Использование прогнозирующего математического моделирования для управления ориентацией космического аппарата в условиях неопределенности его параметров // Матем. моделирование. 1989. - Т.1, № 9. - с. 121. 5. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А. Красовского. - М.: Наука, 1987. - 712 с. 6. Половинчук Н.Я. Терминальное наведение баллистических летательных аппаратов.- РВИ РВ 2001.- 246 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

НОМОГРАММНЫЙ МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ И МАССЫ В ОГНЕУПОРАХ ПРИ ИХ ОБЖИГЕ

Иванов Виктор Ильич ст. научн. сотрдник, Запорожская государственнная инженерная академия Нестеренко Татьяна Николаевна кандидат техн. наук, доцент, Запорожская государственнная инженерная академия Мосейко Юрий Викторович канд. пед. наук, доцент, Запорожская государственнная инженерная академия

NOMOGRAM METHOD OF PROGNOSTICATION HEAT- AND MASSTRANSFER IN REFRACTORIES AT THEIR BURNING Ivanov Victor, Senior research worker, Zaporozhe State Engineering Academy Nesterenko Таtyana, сandidate of Science, associate professor, Zaporozhe State Engineering Academy Moseyko Yuri, сandidate of Science, associate professor, Zaporozhe State Engineering Academy АННОТАЦИЯ Предложен номограммный метод представления процессов переноса энергии и массы вещества при обжиге огнеупоров путем объединения температурных и массоконцентрационных диаграмм данного процесса, а также диаграмм целевых функций, в единый комплекс, синхронно отображающий сложные процессы переноса с учетом превращений, происходящих в огнеупорных системах. Такие номограммы характеризуют развитие реальных технологических процессов во времени и их можно применять при разработке компьютерных моделей для управления режимами обжига при совершенствовании технологии производства огнеупоров. Ключевые слова: обжиг огнеупоров, перенос теплоты и массы, температурные и массоконцентрационные диаграммы, диаграммы целевых функций, номограмма. ABSTRACT It is offered the nomogram method of the notation of energy and mass transfer for substance at burning refractories. The method provides joining of temperature and mass concentration diagrams of this process and also diagram of objective functions in single complex, synchronously reporting the difficult transfer processes taking into account transformations, processing in refractory’s systems. Such nomograms define development of the real technological processes in a time and can be used at working out computer models for the control of regimes for burning perfecting technologies of refractory materials production. Keywords: burning of refractories, energy and mass transfer, temperature- and mass concentration diagrams, diagrams of objective functions, nomogram Для совершенствования технологии производства огнеупоров необходимо иметь надежные методы прогнозирования конечных результатов, которые должны устанавливать зависимости между изменением полей температуры по сечению полуфабриката и изменением концентрации различных компонентов при его обжиге в туннельных печах. Процессы обжига полуфабриката характеризуются наличием действия потоков теплоты и массы и их взаимным влиянием, а также возникновением источников и движущихся сил перераспределения теплоты и массы минералов. В этой связи аналитическое решение задачи о распределении полей концентрации массы при обжиге полуфабриката огнеупоров не представляется возможным, и практический интерес представляет применение инженерных методов расчета. В процессе обжига молекулярный перенос огнеупорной массы происходит под действием градиентов химического потенциала  и температуры T . О сложности указанных процессов свидетельствует рассмотрение задачи диффузии k -го компонента многокомпонентной системы. В случае стационарного процесса переноса уравнение для диффузионного потока k -го компонента многокомпонентной системы имеет вид: Під час випалення напівфабрикату вогнетривів молекулярне перенесення маси у ньому відбувається за дією градієнтів хімічного потенціалу  та температури T . Про складність зазначених процесів свідчить розгляд за-

дачі дифузії k -го компонента багатокомпонентної системи. У разі стаціонарного процесу перенесення маси рівняння для дифузійного потоку k -го компонента багатокомпонентної системи має вигляд:

K K   J k  Dk    k 0  T  T  P  P  , (1) T P   K K   J k  Dk    k 0  T  T  P  P  , (1) T P   где

J k , Dk – диффузный поток и коэффициент диффузии массы k -го компонента многокомпонентной системы соответственно;

k 0 , T , P

– градиенты

безразмерной концентрации, температуры и давления соответственно; K Ò , K P – термо- и бародиффузионный коэффициенты соответственно; K 1 , K 2 – постоянные коэффициенты; Ò , Ð – температура и давление процесса переноса соответственно. Процесс переноса теплоты

J  в k -м компоненте

многокомпонентной системы описывается уравнением

J    k  T  Q  Dk    k 0   hk J k , (2)

Q – изотермическая теплота переноса;  k , h k – теплопроводность и удельная энтальпия k -го компонента где

многокомпонентной системы соответственно.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Для нестационарного процесса переноса теплоты и массы при формировании огнеупоров можно записать систему уравнений:

k 0

 

 div J k  I k 0 ;

процесса нагрева металла на базе построения его температурных и тепловых диаграмм [1,3]. Диаграммы могут быть разработаны как на основе зависимостей

T  f  x, y, z,   , полученных экспериментальным пу-

(3)

  (4)  div J   I  ,  где k / , / – локальные скорости изменения 0

тем, так и на базе решения дифференциальных уравнений теплопроводности при различных начальных и граничных условиях процесса. При использовании известной методики [3] и выполнении анализа процесса переноса массы при обжиге

 

k  f  x, y, z,   , то есть процесса формирования мине-

безразмерной концентрации k -го компонента многокомпонентной системы и концентрации теплоты соответственно; I k , I  – движущая сила изменения концентра-

ралогического состава огнеупоров, можно расширить ее задачи. Процессы переноса теплоты и массы при формировании огнеупоров в садке на печной вагонетке, моделируемой в виде пластины бесконечной длины, можно представить в виде комплекса температурных массоконцентрационных диаграмм. В качестве примера на рисунке рассматривали задачу переноса теплоты и массы в процессе формирования «массивной огнеупорной пластины» при граничных условиях третьего рода Tï å÷  const .

ции массы k -го компонента многокомпонентной системы за счет химических реакций взаимодействия отдельных компонентов огнеупора и теплоты в локальной области за счет протекания эндо- или экзотермических реакций соответственно;

J  , J k – потоки теплоты и массы

для k -го компонента многокомпонентной системы соответственно. В теории нагрева для решения задач производственного характера известна графоаналитическая модель

Технические науки

Т, К

Тпеч=const

Т, К

1800

1600

1400

1200

16  , с 





C k , кг/м

k

Тепло-массоконцентрационная номограмма процесса обжига огнеупоров В секторе A номограммы представлена массокон-

 

центрационная диаграмма k  f T 0

образования k -

го минерала многокомпонентной системы, которая служит одной из целевых функций процесса его формирования (например, концентрация муллита, корунда или шпинели). В качестве целевых функций также могут быть

представлены любые другие технические параметры огнеупорных изделий в безразмерном виде [2]. В секторе Â расположена температурная диаграмма процесса нагрева «массивной огнеупорной пластины» бесконечной длины при симметричном переносе теплоты для режима Tï å÷  const . Зависимости вида

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Tï  1    и Tî  2    характеризуют изменение температуры на поверхности и оси пластины во времени. В секторе D номограммы представлено распределение температуры по сечению «массивной пластины»

T  f  x  при вышеуказанных граничных условиях Tï å÷  const .

Заключение. С позиции термодинамики необратимых процессов и процессов тепло- и массопереноса предложен подход, основанный на применении номограммы для представления в пространственно-временных координатах процессов, происходящих при обжиге полуфабриката огнеупоров.

Технические науки

Список литературы: 1. Гольдфарб, Э. М. Теплотехника металлургических процессов [Текст] / Э. М. Гольдфарб. – М.: Металлургия, 1967. – 239 с. – Библиогр.: с. 236-238. 2. Іванов, В. І. Графоаналітика перенесення теплоти та маси під час випалення вогнетривів [Текст] / В. І. Іванов, Т. М. Нестеренко // Эффективные инструменты современных наук-2014: материалы XIX междунар. научн.-практ. конф. 27.04-05.05.2014 г. – Днепропетровск: Наука и образование, 2014. – Т. 32. – С. 48-50. 3. Семикин, И. Д. Теоретические основы расчета нагревательных печей и колодцев [Текст] / И. Д. Семикин // Сталь. – 1937. – № 12. – С. 29-42.

К ВОПРОСУ ОРГАНИЗАЦИИ ПЕШЕХОДНОЙ И ВЕЛОСИПЕДНОЙ МОБИЛЬНОСТИ В ВЕЛИКОБРИТАНИИ

Карелин Николай Игоревич бакалавр 2 курса кафедры Менеджмента и Логистики на транспорте Иркутского Государственного технического университета Шаров Максим Игоревич доцент кафедры Менеджмента и Логистики на транспорте Иркутского Государственного технического университета

ON THE QUESTION OF THE ORGANIZATION OF WALKING AND CYCLING MOBILITY IN THE UK Karelin Nikolay, 2nd year Bachelor of Department of Management and Logistics Transportation, Irkutsk State Technical University Sharov Maxim, Associate Professor of Management and Logistics Transportation, Irkutsk State Technical University АННОТАЦИЯ В статье рассмотрены вопросы управления транспортным спросом, а также опыт Великобритании в области организации сбора статистики пешеходной и велосипедной мобильности. ABSTRACT The Article showed questions about transport demand management, and also experience of Great Britain in the field of the organization of gathering of statistics of foot and bicycle mobility are considered Ключевые слова: Транспортный спрос, сбор данных, мобильность Keywords: Transport demand, data collection, mobility Крупные города и агломерации в РФ нуждаются в инновационных и эффективных решениях транспортных проблем. Экономические и социальные изменения вызвали стремительный рост уровня автомобилизации крупнейших городов Российской Федерации, что обострило в них транспортные проблемы. Решение этих проблем возможно не только с помощью улучшения условий работы общественного пассажирского транспорта и создания лучших условий для транспортных и пешеходных потоков, что требует строительства дорогостоящей инфраструктуры, но так же с проведением мероприятий для формирования рационального использования индивидуального автомобильного парка. Последнее получило название управление транспортным спросом (УТС), что включает использование различных средств, влияющих на транспортное поведение населения городов. Управление транспортным спросом решает задачи повышения эффективности использования городской транспортной системы с уменьшением использования личных транспортных средств и с продвижением, более экологичных, и экономичных видов обслуживания населения, таких как общественный пассажирский транспорт и немоторезированные передвижений. В табл. 1 приведены различные положительные эффекты или выгоды (от английского – «benefits») применения УТС. Проведение традиционного транспортного планирования без эффективного управления транспортным

спросом приводит к отсутствию таких выгод. Например, в некоторых городах в рамках УТС муниципальное руководство стремится организовать удобства паркирования, забывая о повышение потоков автомобилей и вредных выбросах в атмосферу и т.д. Нужно отметить, что при проведении всестороннего изучения методов УТС, можно добиться оптимальной стоимости таких мероприятий, что очень важно в условиях бюджетных ограничений. Одним из важнейших направлений управления транспортным спросом является перераспределение поездок между различными видами транспорта, включая велосипед и иные современные средства передвижения, такие как Segway [3]. В европейских странах уже давно и массово применяется велосипедный транспорт как инструмент, обеспечивающий передвижение не только по культурно-бытовым целям, но и для осуществления ежедневных трудовых корреспонденций. В Российской Федерации данный вид передвижения только лишь начинает приобретать массовый характер. Одной из основных проблем организации как велосипедного, так и пешеходного движения в городах России является отсутствие данных о спросе на использование таких видов передвижения, что не позволяет оптимально планировать развитие инфраструктуры, а также обеспечивать необходимый уровень безопасности ее пользователей.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Основные выгоды УТС Выгоды (benefits) Уменьшение транспортных заторов Экономия затрат на дорожную инфраструктуру Организация паркирования Изменение характера подвижности Дорожная безопасность Сокращение расхода топлива Снижение уровня загрязнения окружающей среды Эффективное землепользование Здоровье

Таблица 1

Следствие Уменьшение пробок для автовладельцев, пассажиров и пешеходов Уменьшение стоимости строительства, поддержки и эксплуатации автомобильных дорог Снижение проблем паркирования в городах Улучшение условий передвижения без индивидуального транспорта Уменьшения рисков дорожных аварий Уменьшение затрат на горюче-смазочные материалы Уменьшение вредных выбросов в атмосферу Увеличение физической активности населения

В европейских странах постоянно ведется учет статистики о передвижениях с использованием велосипедного транспорта, что позволяет рассчитывать матрицу корреспонденции и корректировать инфраструктуру в случае необходимости. В частности, в Великобритании ежегодно публикуются отчеты о велосипедных и пеших передвижениях в городах [1,2].

Эта статистическая информация представлена для публикации местными властями, властями региона по велосипедным и пешим прогулкам среди взрослого населения (от 16 и старше) в Англии по данным, полученным к середине октября 2013 г. Статистика в этой публикации основана на результатах Active People Survey (APS 7), ежегодного телефонного опроса взрослого населения администрацией Sport England.

Рисунок 1. Распределение передвижений пешком и на велосипеде в 2012-2013 гг. Представим результаты обработки статистики Министерства транспорта Великобритании за 2012-2013 гг., 87% взрослого населения передвигается пешком или на велосипеде раз в месяц. Из них совершается 15% велопоездок и 86% пеших прогулок. Распространение ежемесячных велопоездок в Англии к октябрю 2013 года снизилось

с 15,3% до 14,7% в сравнении с предыдущим годом. Несмотря на то, что изменение небольшое и находится в пределах размера среднего значения, можно отметить, что это уменьшение наблюдается для всего населения Англии.

Рисунок 2. Города Великобритании, жители которых используют велосипед раз в неделю Раз в месяц 10% людей ездят на велосипеде для развлечения (ради удовольствия) и 7% ездят по культурнобытовым целям.

Один раз в неделю совершается 43% десятиминутных прогулок для развлечений и 47% полезных поездок на велосипеде.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Уровни пеших прогулок значительно выше, чем уровни велопоездок. Также выше пропорция людей, использующих велосипед в качестве развлечений, чем совершающих поездки по полезным целям, тогда как примерно та же пропорция людей ходят пешком для развлекательных и деловых целей. Если сложить пропорции тех, кто использует велосипед для развлечений и пропорцию тех, кто использует велосипед для различных целей, то результат будет выше у тех, кто использует велосипед для всех целей, потому что некоторые люди ездят на велосипеде по обоим целям. Но несмотря на это, значительно выше пропорция ходящих пешком по обоим целям, чем велопоездок по обоим целям. Города с высочайшей долей взрослого населения, пользующегося велосипедом: Кембридж (58%), Оксфорд (43%), Силли (35%), Ричмонд-на-Темзе (34%), Йорк (27%), Южный Кембриджшир (27%), Нью-Форест (26%), Норвич (24%). В целом относительно высокие уровни поездок на велосипеде на востоке, в Восточном Мидленде и части юго-востока, и относительно ниже уровни на северо-востоке Великобритании. Для большинства местностей было незначимое изменение в течение прошлого года. Значимый прирост уровней велопоездок в Восточном Суссексе, во двух районах Лондона и в десяти других территориях. Значимое падение было в шести графствах, в четырех районах Лондона и в 29 других территориях. Также важно замечать, что во многих территориях уровни поездок на велосипеде низкие, т.к. сложно, даже в анкете этого масштаба, говорить, которое из двух изменений отражает все население или верные разницы в этом параметре. Было крайне большое падение в использовании велосипедов в Силли и в Лондоне, но эти две территории имеют маленькие выборки, масштаб итогов не определен. Сейчас имеются противоречивые данные поездок на велосипеде за три года, мы можем начать рассматривать которое из двух там будет какое-нибудь указание направления велопоездок. Для 2/3 территорий образец исследования за три года смешан – увеличивается в одном интервале и уменьшается в другом. За три года в 13% территорий повышен уровень велопоездок, в пяти территориях (20%) падает. Есть некоторые указания, что те территории с повышенными уровнями велопоездок также имели прирост велопоездок в прошлом году. Для велосипедистов было отдельное сравнение по полу: женщин-велосипедистов ниже, чем мужчин. Для пешеходов, наоборот, доли мужчин и женщин похожи, но немного ниже доля женщин-пешеходов моложе 55 лет. Для мужчин и женщин высокое значение для велосипедистов, когда они в возрасте 16-24 лет, затем понижение в 25-34 лет; уровни велосипедистов изменяются с возрастом (для мужчин высокая точка пользования велосипедом в возрасте 16-24 лет; для женщин – 35-44 лет). Из числа случайных велосипедистов (те, кто ездит только раз в месяц) женщины составляют около половины, но, если частота велопоездок возрастает, доля женщин быстро остается в меньшинстве. Среди национального меньшинства жители Азии, составляющие меньшую долю велосипедистов. Регионы с самыми высокими долями развлекательных велопоездок – юго-восток и юго-запад Англии, с самыми низкими – Уэст Мидлендс, Лондон и северо-восток Англии.

Технические науки

Более детально ряд местностей с более высокими долями людей, кто пользуется велосипедом в практичных целях близко подходит районам с высокими уровнями пользования велосипедом во всех целях и включает в себя густонаселенные районы такие как Хакни. Наоборот, за исключением Ричмонда-на-Темзе (который совместно с Силли относится к двум группам), местности с высокими долями развлекательных велопоездок относятся к маленьким или к деревням. В марте 2014 г. Национальная статистическая служба Великобритании опубликовала два доклада, анализирующих изменения в перемещении на работу в 20012011 гг.: один называется «Cycling to Work», другой – «Distance Travelled to Work». Данная информация дает ценную картину изменения в течение длительного периода времени более детально, чем Active People Survey. Пользователи данных также замечают, что эти доклады охватывают Англию и Уэльс, тогда как Active People Survey охватывает только Англию. Среднее число жителей Англии и Уэльса в 2011 г. тех, кто ездит на велосипеде на работу было 2,8%, и 9,8% жителей, которые добираются до места работы пешком. Доклад Национальной статистической службы показывает, что есть различие отрасли промышленности в том, как работники добираются до работы – пешком или на велосипеде. Мануфактура имеет самый высокий уровень поездок на работу на велосипеде и самый высокий процент добирающихся до работы пешком, тогда как строительство имеет самый низкий процент по обоим параметрам. Отчет Национальной статистической службы подчеркивает региональные различия. В Лондоне доля людей, добирающихся до работы за рулем автомобиля или в качестве пассажира значительно снизилась, тогда как доля добирающихся на работу на поезде, автобусе или на велосипеде увеличилась. Например, на северо-востоке Великобритании наблюдается рост среди людей, которые ездят на работу за рулем автомобиля и снижение добирающихся до работы в качестве пассажира автомобиля или автобуса; тогда как доля добирающихся до работы пешком или на велосипеде очень схожа с периодом 2001 – 2011 гг. Из того факта, что люди вероятнее добираются до работы пешком или на велосипеде на короткие расстояния следует то, что путь, который люди преодолевают до работы будет влиять на их выбор лучшего средства передвижения. Равномерно распределены вокруг страны различные отрасли промышленности с короткими корреспонденциями, работники которых могут выбирать место жительства, а некоторые места работы находятся в специфических районах (например, горное дело), которые не представляют возможности жить вблизи, и поэтому расстояние до работы может быть значительно длиннее. В Лондоне очень маленькая доля рабочих всех сфер деятельности, имеющих длинное расстояние до работы (20 км и более), чем в остальной Англии и в Уэльсе. Это объясняет низкие уровни велосипедных передвижений за пределами Лондона. Рассмотрим время, потраченное на пешие прогулки и велопоездки. Мы не имеем данных о продолжительности времени, которое люди обычно тратят на прогулки или велопоездки по полезным целям. Значительно выше доля населения, которое ходит пешком по развлекательным целям, чем ездит на велосипеде.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Список литературы: 1. Карелин Н. И., Шаров М. И. К вопросу организации пешеходной и велосипедной мобильности в крупных городах. Наука и образование XXI века: сборник статей Международной научно-практической конференции (15 ноября 2014 г., Уфа). В 2 ч. ч. 1/ Уфа: Аэтерна, 2014. – 266 стр. С. 68 – 72 2. https://www.gov.uk/government/statistics/local-areawalking-and-cycling-in-england-2012-to-2013 3. К вопросу об оценке качества транспортного обслуживания в городах / Левашев А.Г., Михайлов А.Ю., Шаров М.И. / Современные проблемы транспортного комплекса России. 2013. № 3. С. 16-23.

Из числа тех, кто ходит пешком или ездит на велосипеде более часа, значительное большинство делает это только в развлекательных целях. Среди велосипедистов отчасти выше доля населения, которое ездит для развлечений более, чем час по времени, чем делают это менее часа, тогда как доли населения, гуляющего в развлекательных целях достаточно разделить между теми, кто делает это менее, чем час и теми, кто делает это длиннее. Те местности, которые имеют повышенный уровень пеших прогулок могут иметь повышенный уровень велопоездок. Если использовать редкие измерения, то качество данных будет выше, чем при использовании частых измерений [2].

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАБЛЮДАТЕЛЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Лапаев Денис Михайлович Аспирант Тольяттинского государственного университета

MATHEMATICAL MODEL OF THE OBSERVER FOR DIAGNOSTICS OF THE INDUCTION MOTOR Lapaev Denis, Postgraduate student of Togliatti State University, Togliatti АННОТАЦИЯ Разработана математическая модель наблюдателя с учетом насыщения магнитной цепи по пути потоков рассеяния обмотки статора асинхронного двигателя. Проведен анализ годографа вектора главного потокосцепления при холостом пуске неисправного асинхронного двигателя. ABSTRACT The mathematical model of the observer taking into account a saturation of a magnetic circuit on the way of flows of dispersion of a stator winding of the induction motor is developed. The analysis of hodograph of a vector of the main flux linkage at the only start of the faulty induction motor is made. Ключевые слова: модель наблюдателя, диагностика асинхронного двигателя. Keywords: observer's model, preliminary treatment of the induction motor. На сегодняшний день актуальным является разработка новых способов диагностики состояния асинхронных двигателей. Они позволяют определить неисправности, улучшить систему управления двигателя и оптимизировать настройку релейной защиты. Определение области и вида неисправности понижает вероятность аварий, ведет к увеличению ресурса работы двигателя. Одним из повреждений асинхронного двигателя являются внутренние обрывы в обмотке ротора. При возникновении обрыва в фазе ротора становиться невозможным протекание индуцированного тока и взаимодействие с электромагнитным полем статора. Обрыв приводит к понижению угловой скорости вращения ротора в различных режимах работы двигателя. Разнообразие методов диагностики асинхронного двигателя включает комплексное обследование в ремонтной мастерской с разборкой двигателя, дальнейшим визуальным осмотром и его тестированием. Для выявления неисправностей создается математическая модель, основанная на анализе трехмерного электромагнитного поля ротора, которая позволяет определить различные комбинации повреждения ротора (обрыв стержней, внутренние трещины, каверны в стержне, дефекты короткозамкнутых колец) [2]. Параметры асинхронного двигателя можно определять с помощью наблюдателей, которые широко используются в системах частотно - векторного управления электроприводами. Наблюдатель работает в режиме реального времени и вычисляет значения магнитного потокосцепления, частоту вращения ротора с учетом изменения активных сопротивлений и насыщение магнитной цепи [1]. Определение дефектов различных частей двигателя возможно в результате применения наблюдателей,

используемых как отдельное устройство, так и входящее в схему электропривода, путем оценки снимаемых показаний в рабочем режиме и в режиме холостого хода. Целью данной работы является создание математической модели наблюдателя для бездатчиковой идентификации параметров асинхронного двигателя с помощью анализа магнитного поля в воздушном зазоре. Применение математической модели для идентификации параметров двигателя делает возможным установление закономерности в полученных данных, что дает основания для обоснованной диагностики двигателя. При математическом описании асинхронного двигателя использована обобщенная модель в координатной системе (α,jβ) [3]. Векторное уравнение равновесия напряжений для статора асинхронного двигателя в относительных единицах имеет вид [4,5]: , где

(1)

напряжение на обмотке статора,

ное сопротивление обмотки статора,

активток статора,

потокосцепление статора. Уравнение главного потокосцепления

: (2)

где тора.

– индуктивность рассеяния обмотки ста-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Произведем дифференцирование уравнения (2) (3) Подставим уравнение (1) в уравнение (3) и полученный результат запишем в операторной форме: (4) Принимая,

что ;

Технические науки

; , для не-

подвижной системы координат (α,jβ), получим систему уравнений:

Насыщение магнитной цепи по пути потоков рассеяния статорной обмотки учитываем с помощью функциональной зависимости: ,

индуктивность рассеяния статорной обгде мотки с учетом насыщения. Функциональная зависимость (6) вносятся в модель таблично. Параметры определяются из данных полученных с помощью опыта короткого замыкания. Полученные уравнения позволяют создать модель наблюдателя для регистрации изменений потокосцепления в зоне воздушного зазора двигателя. В качестве объекта исследований использован асинхронный двигатель 4А180S4, со следующими параметрами: мощность ,

(5)

(6)

частота

об/мин, фазное напряжение

вращения В, фазный ток

А.

Рис. 1. Годограф вектора главного потокосцепления при холостом пуске асинхронного неисправного двигателя В процессе диагностики неисправного двигателя получена картина годографа (рис.1) вектора магнитного потокосцепления в воздушном зазоре двигателя. Она содержит несколько концентрических окружностей. При этом следует отметить неравномерный рост магнитного потока, что соответствует увеличенному значению активного сопротивления обмотки ротора, когда происходит обрыв стержня ротора. При анализе годографа видно, что процесс пуска неисправного двигателя на холостом ходу затянут, имеет место увеличении токов, увеличиваются амплитуды гармоник токов статора, повышаются значения радиальной и осевой составляющих вибрации. Выводы 1. Получена математическая модель наблюдателя для бездатчикового определения параметров асинхронного двигателя в режиме реального времени. 2. Анализ годографа вектора главного потокосцепления в процессе пуска неисправного асинхронного двигателя на холостом ходу позволяет определить вид неисправности.

Список литературы: 1. Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математическая модель асинхронного двигателя в обобщенной ортогональной системе координат // Электричество, 2002, 8, С. 33 –39. 2. Васьковский Ю.Н., Коваленко М.А. Диагностика комбинированных дефектов ротора асинхронного двигателя индукционным методом // Электротехника и электромеханика, 2013, 3, С. 21-24 3. Денисов В.А., Бочкачев А.В. Управление линейным электроприводом малых перемещений // Электротехника, 2011, №2, С. 16-19. 4. Денисов В.А., Жуков А.В. Математическое моделирование работы шагового двигателя в составе мехатронного модуля компенсации износа режущего инструмента // Известия Самарского научного центра РАН, 2012, том 14,№6, С. 54-58. 5. Денисов, В.А. Электроприводы переменного тока с частотным управлением: учеб. пособие / В.А. Денисов. – Старый Оскол: ТНТ, 2012. – 164 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИН ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ ШИНЫ В ПЯТНЕ КОНТАКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ПРОГРАММИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, ПОСТРОЕННОЙ ПО МОДУЛЬНОМУ ПРИНЦИПУ

Медведицков Сергей Иванович канд. техн. наук, Бобруйского филиала Белорусского государственного экономического университета Маршин Игорь Владимирович Главный метролог ОАО «Белшина»

THE WAY OF DETERMINING THE SLIP TIRE CONTACT PATCH USING PERSONAL COMPUTER AND PROGRAMMABLE SYSTEM OF CONTROLLING THAT WAS BUILT ACCORDING TO THE MODULE DESIGN Medveditskov Sergei Ivanovich, The candidate of technical sciences, Bobruisk filial of Belarusian State Economic University Marshin Igor Vladimirovich, A chief metrologist of JSC “Belshina” АННОТАЦИЯ Приведено описание регистрирующего устройства для определения величин проскальзывания шины в пятне контакта с использованием программного обеспечения. Представлена экспериментальная зависимость изменений величин проскальзывания легковых шин по мере износа рисунка протектора. ABSTRACT A description of recording device is given for determining the amount of the tire slip in the contact patch with the use of the software. An experimental dependence of changing the amount of slip of passenger tires on the level of tread pattern wear is introduced. Ключевые слова: шина; стендовые испытания; проскальзывание; программное обеспечение; модульные системы; модуль; блок. Keywords: tyre; wheel tests; slipping; software; modular system; module; block. Как известно на шину при движении в ведущем режиме действуют нормальная нагрузка и крутящий момент, изменение крутящего момента вызывает изменение окружной деформации шины. Под действием крутящего момента шина получает деформацию, как в области контакта, так и вне её. Опыты показывают, что по мере увеличения крутящего момента на выходе шины из пятна контакта превышается предел сцепления с опорной поверхностью, из-за чего происходит проскальзывание. В передней и особенно в задней частях контакта шины с дорожной поверхностью создаются благоприятные условия для проскальзывания элементов рисунка протектора в направлении, противоположном движению колеса [1, с. 71]. Изучению проскальзывания протектора шины относительно опорной поверхности в стендовых условиях представлено достаточно много работ [3,5,6]. В этих работах отмечены результаты исследований устройств различных конструкций по определению скольжения относительно опорной поверхности. Так в работе [3, с. 26] устройство для измерения проскальзывания протектора шины относительно опорной поверхности содержит подвижный измерительный элемент, выполненный в виде диска, контактирующий с наружной поверхностью протектора шины. Другой диск, закрепленный на этой же оси, контактирует с датчиками, определяющими поперечное и продольное проскальзывание. Величины этих проскальзываний через датчики вырабатывают сигналы, пропорциональные перемещению диска. В другой работе[5, с. 43] для измерения проскальзывания выступов протектора шины и контактных напряжений в ней использовалось игольчатое устройство, закрепленное на опорной плите. В этой же работе описан другой метод, основанный на использовании киносъемки площади контакта шины через стеклянную опору, размеченную масштабной сеткой, а выступы рисунка протектора размечались гуашью. По результатам киносъемки проводилось определение проскальзывания путем покадрового измерения расстояния до точки, отмеченной гуашью на выступе протектора, от линий сетки на стекле[5, с. 47]. Аналогичное устройство для регистрации проскальзывания протектора пневмати-

ческой шины по опорной поверхности приведено в работе[6], но конструктивно выполнено иначе. Многие математические модели основаны на некоторых допущениях, что приводит к отклонению экспериментальных данных от результатов математического моделирования. Поэтому при создании математических моделей автомобиля необходимо учитывать проскальзывание в пятне контакта пневматической шины с опорной поверхностью. Это способствует повышению точности результатов математического моделирования в сравнении с экспериментальными данными. Проскальзывание в зоне контакта, относительно опорной поверхности, зависит от многих факторов, таких как: рисунок и рецептура протектора шины, степени ее изношенности, конструкции брекера, вида и состояния опорной поверхности, поэтому изучение проскальзывания шины в пятне контакта с дорожной поверхностью является актуальным и по настоящее время. Исходя из этого, авторами данной работы проведены экспериментальные исследования по определению величин проскальзывания легковых шин в пятне контакта с дорожной поверхностью, приближенные к реальным условиям эксплуатации. Исследования проводились на модернизированном стенде ИМШ-3М ОАО «Белшина», у которого на беговой барабан закреплены армированные металлические сектора наполненные бетоном с последующей проточкой наружного диаметра. Состав бетонного покрытия на стенде аналогичен составу бетона магистральных дорог. В ходе стендовых испытаний, для определения величин проскальзывания легковых шин в пятне контакта с дорожной поверхностью, регистрировались величины кинематического и динамического радиусов качения колеса, скорость качения его. Измерение окружной скорости радиуса качения колеса и барабана производилось инкрементальными фотоэлектрическими датчиками модели ВЕ178А5. Датчики ФД 1 и ФД 2 идентичные установлены на валах приводов барабана и колеса. Скорость движения и пройденного пути шиной определялись с помощью высокоточного оптико – электронного инкрементального датчика. Принципиальная схема измерителя окружной скорости барабана и радиуса качения колеса, построенная по модульному принципу, приведена на рисунке 1.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

 АРМО

RS 485 интерфейс

Технические науки

Система управления стендом Блок динамического радиуса

БП

Модуль Блок реле управления схода

Модуль управления нагрузкой

ДДР1 ДН1 ФД2

Модуль управления скоростью

Модуль управления нагрузкой

Гидро- станция 1 Ш1

ФД1

ДН2

Ш2

Блок динамичеЛиния связи ДДР2 ского радиуса м/д АРМО и Гидро- станСУ до 1000 ция 2 м Рисунок 1- Принципиальная схема измерителя окружной скорости барабана и радиуса качения колеса ДДР1, 2 – датчик динамического радиуса шины; ФД 1 и ФД 2 - инкрементальные фотоэлектрические датчики скорости; АРМО – автоматизированное рабочее место оператора; RS-485- сетевой интерфейс. Соединение с компьютером предусмотрено через USB и через COM- порты. В системе управления стендом использовались электронные компоненты модулей и блоков ведущих фирм производителей, таких как, АТМЕL, АNАLОG DЕVАСЕS, DАLLАS SЕМIСОNDUСТОRS и др.. На основе стандарта RS485, модули соединены в локальную промышленную сеть с помощью сетевого интерфейса. Микроконтроллер, на основе стандартных интерфейсов, осуществляет считывание информации от датчиков ФД 1 и ФД 2 ее обработку, в соответствии с заложенной в него программой, производит запись информации в память. В качестве оптических прерывателей использованы алюминиевые диски диаметром 240 мм, и имеющие по 120 равномерно расположенных прорезей на периферии, которые установлены на валах приводов барабана и колеса. Окружная скорость барабана радиусом 𝑟𝑏 пропорциональна частоте импульсов датчика ФД 1. Измеритель скорости барабана представляет собой модуль управления скоростью (МУС). Время подсчета импульсов, в котором формируется таким образом, чтобы показания точно соответствовали, выраженной скорости в км/час. МУС является микропроцессорным устройством, который в соответствии с внутренней программой обрабатывает значения датчиков. Вращение бегового барабана осуществляется шиной, работающей в ведущем режиме посредством карданного вала от коробки перемены передач. Вырабатываемые датчиками угловых перемещений ФД1 и ФД2 импульсы поступают непосредственно на вход микроконтроллера модуля управления скоростью, который рассчитывает значение линейной скорости. Для определения величин проскальзывания шины в пятне контакта с дорожной поверхностью, необходимо рассмотреть понятия кинематического и динамического радиусов колеса. С этой целью рассмотрим определения различных радиусов колеса и обратимся к высказываниям автора работы [1, с. 76]. В этой работе радиусом качения, принято называть радиус такого фиктивного жесткого колеса, которое при отсутствии пробуксовывания и проскальзывания, имея одинаковую, с ним, с действительным колесом скорость вращения, одновременно с этим имеет и одинаковую с ним скорость качения. В теоретической механике этот ра-

диус качения принято называть кинематическим радиусом, который характеризует, путь пройденный колесом за один оборот. Физическое определение rк выражается расчетной кинематической зависимостью между скоростью движения качения v и угловой скоростью вращения колеса 𝜔к [2, с. 68]:

rк = v /𝜔к ,

Поэтому пути, проходимые фиктивным жестким колесом и барабаном одинаковы, и можно представить в виде выражения:

2𝜋𝑟𝑘 ∙ 𝑛𝑘 /120 = 2𝜋𝑟𝑏 ∙ 𝑛𝑏 /120, где 𝑟𝑘 , 𝑟𝑏 – радиусы качения колеса и барабана, 𝑛к ,𝑛𝑏 – числа импульсов ФД 1 и ФД 2, тогда

𝑟𝑘 = 𝑟𝑏 ∙ 𝑛𝑏 / 𝑛𝑘 . Кинематический радиус измеряется подсчетом числа импульсов от фотодатчика ФД 2. Так как автомобильное колесо не является абсолютно жестким объектом, то при его качении по дорожному покрытию под действием силовых факторов происходит тангенциальная деформация шины, при которой действительное расстояние от оси вращения колеса до опорной поверхности уменьшается. Расстояние от оси движущегося колеса до плоскости опоры принято называть динамическим радиусом 𝑟𝑑 [1, с. 76]. Динамический радиус шины измеряется отдельным каналом, предназначенным для измерения динамического радиуса шин (блок динамического радиуса). Известно, что динамический радиус зависит от скорости движения[1, с.76; 4, с. 8], поэтому сравнительные испытания проводились при постоянных режимах испытаний: радиальная нагрузка для шины составляла 3,97кН при внутреннем давлении воздуха 200 кПа, скорость качения – 70 км/ч, крутящий момент – 150 Нм, угол увода составлял 𝛿 = +/-1.0 Система управления обеспечивает следующие метрологические параметры:

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014



предел допускаемого значения абсолютной погрешности составляют ± 0,5 км/ч измерения линейной скорости вращения поверхности бегового барабана от заданного в диапазоне от 10 км/ч до 250 км/ч; предел допускаемого значения абсолютной погрешности измерения динамического радиуса шины в диапазоне от 200 мм до 700 мм не более ± 1 мм;

Технические науки

54 

предел допускаемого значения абсолютной погрешности измерения кинематического радиуса шины в диапазоне от 200 мм до 700 мм не более ± 1 мм; По результатам абсолютных величин значений проскальзываний в пятне контакта шин с поверхностью барабана построена зависимость проскальзывания (S) различных вариантов шин от степени износа (И) при угле увода 𝛿 = +/-10, которая представлена на рисунке 2.

15 14 13 12 11

10 9

8 7

6 5 4 0

100

1 - 175/70R13 модели Бел -100 ОАО «Белшина» (срок хранения 1 год); 2 – 175/70SR13 модели ZXфирмы «Michelin»; 3 - 175/70R13 модели Бел-100 ОАО «Белшина» (новая). Рисунок 2 – Зависимость величин значений проскальзываний в пятне контакта шин с дорожной поверхностью барабана при угле увода 𝛿 = +/-10 В заключение можно отметить, что экспериментальные исследования, проведенные в условиях стендовых испытаний, позволили получить величины проскальзываний в пятне контакта шин с дорожной поверхностью максимально приближенными к условиям реальной эксплуатации. Система автоматического управления стендом осуществляла сбор, обработку, передачу, хранение и отображение информации с выдачей протокола испытаний в режиме реального времени. Рекомендуется при создании новых математических моделей качения колеса, учитывать полученные выше зависимости, что позволит с большей точностью прогнозировать показатели устойчивости и управляемости автомобиля. Список литературы: 1. Кнороз, В.И. Работа автомобильной шины / В.И. Кнороз. – М.: Транспорт, 1976. – 338с. 2. Мирошниченко, А.Н. Основы теории автомобиля и трактора: учебное пособие / А.Н. Мирошниченко. –

Томск: Изд-во Том. гос. архит. – строит. ун-та, 2014. – 490 с. Определение проскальзывания пневматического колеса относительно опорной поверхности при качении с уводом / А.С. Павлюк [ и др.] // Ползуновский вестник. – 2003. - № 1 - 2. – С.24 – 30. Проведение экспериментальных работ по замеру динамического радиуса колеса при различных режимах вращения стенда [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://publ.naukovedenie.ru. – Дата доступа: 23.11.2014. Третьяков, О.Б. Трение и износ шин / О.Б.Третьяков, В.А.Гудков, В.Н.Тарновский. – М.: Химия, 1992. – 176 с. Устройство для регистрации проскальзывания пневматической шины относительно опорной поверхности: а.с. 1029029 СССР, кл. G 01 М. 17/02 /Г.А.Аржаев, Е.И. Никаноров; - № 3836041 / 27 - 11; заявл. 03.01.85: опубл. 23.03.86 // Открытия. Изобрет. – 1986. – №11. – С. 3.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛАТФОРМ АРОЧНОГО ТИПА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ В ОСОБЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ

Пичкуров Юрий Викторович Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), город Новосибирск

APPLICATION OF SPATIAL FOUNDATION PLATFORM ARCH TYPE FOR CONSTRUCTION OF RESIDENTIAL AND PUBLIC BUILDINGS IN SPECIAL GROUND CONDITIONS Pichkurov Yuri, Novosibirsk State University of Civil Engineering АННОТАЦИЯ Применение в особых грунтовых условиях пространственных фундаментных платформ с арочными модулями способствует расширению функциональных возможностей фундаментов, повышению их надежности и долговечности, а также увеличению пространственной жесткости конструкций при малом собственном весе. ABSTRACT Use in specific soil conditions of spatial foundation platforms with arched modules enhances the functionality of the bases, improve their reliability and durability, as well as an increase in the spatial structural rigidity with low weight. Ключевые слова: фундамент «плавающего» типа; тонкостенные конструкции; пространственная фундаментная платформа; арочный фундамент. Keywords: foundation of the "floating" type; thin-walled structures; spatial foundation platform; arched foundation. Большую часть территории России (около 85%) занимают структурно-неустойчивые грунты, т.е. грунты набухающие, просадочные, насыпные, засоленные, вечномерзлые, лессовые, слабые пылевато-глинистые, водонасыщенные и пр. Поэтому так важно знать наиболее надежные и экономичные способы строительства в данных условиях. В сложных грунтовых условиях, когда несущая способность недостаточна и ожидаемые осадки велики, рекомендуется использовать фундаменты «плавающего» типа. В них нагрузка воспринимается за счет подъемной силы воды и небольшой структурной прочности грунта. Чаще всего фундамент «плавающего» типа представляет собой коробчатую железобетонную предварительно напряженную конструкцию, которая за счет герметичности внутренней полости, разделенной продольными и поперечными ребрами на отдельные отсеки, позволяет использовать значительную подъемную силу грунтовых вод. В 2006 году в КрасГАСА был предложен новый конструктивный вариант фундамента «плавающего» типа

в виде пространственной фундаментной платформы, которая представляет собой верхний и нижний железобетонные пояса и связывающую их пространственную решетку [1]. Таким образом, при сравнительно небольшом весе пространственная платформа обладает повышенной жесткостью и многосвязностью. Решения данного фундамента рассмотрены в сборном, монолитном, сборно-монолитном варианте (рис. 1). В развитии темы применения пространственных платформ для строительства зданий в особых грунтовых условиях на кафедре железобетонных конструкций НГАСУ (Сибстрин) был предложение арочный фундамент, представляющий собой пространственную фундаментную платформу, образованную из вертикальных перекрестных балок, соединенных между собой арочными плитами [2]. Пространственная фундаментная платформа может быть установлена на выровненное основание как с заглублением в грунт, так и без него, а пролетная часть ее может быть выполнена в виде технического этажа. Такой фундамент обладает большей жесткостью, чем обычный в связи с пространственным характером деформирования под нагрузкой.

а)

б)

в)

г)

Рисунок. 1. Пространственная фундаментная платформа а) – в сборном варианте (патент № 38789); б), в) – в монолитном варианте (патенты № 45410, 55388); г) – в сборно-монолитном варианте (патент № 220665).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Монолитный вариант арочной пространственной платформы был реализован при строительстве многоэтажного здания по ул. Д. Давыдова,16 в г. Новосибирске и по ул. Нахимова,13 в г. Томске (рис. 2). Использование тонкостенных конструкций в возведении фундамента в сложных грунтовых условиях является эффективным и рациональным решением, однако изготовление арматурных каркасов на строительной площадке связано с некоторым увеличением трудозатрат. Поэтому наиболее актуальным является использование в строительстве сборных пространственных фундаментных платформ из унифицированных строительных элементов, что позволяет снизить трудоемкость возведения фундамента и одновременно повысить сейсмостойкость зданий и сооружений.

Возведение пространственной фундаментной платформы с арочным модулем может быть осуществлено следующим образом. На предварительно подготовленный путем заливки бетоном толщиной не менее 100 мм грунт, по обусловленному проектом контуру пространственной фундаментной платформы монтируют вертикальные элементы опалубки. Затем последовательно устанавливают внутреннюю грань вертикальной опалубки и вертикальные каркасы ребер, после чего изготавливают элементы съемной криволинейной опалубки и бетонируют конструкцию. Формование конструкции осуществляют через вертикальные ребра. Через 2,5-3 часа съемную опалубку вынимают.

а)

б)

в)

Рисунок 2. Пространственная фундаментная платформа арочного типа а) – конструкция фундамента; б) – армирование, в) – забетонированная платформа На кафедре железобетонных конструкций НГАСУ (Сибстрин) были разработаны два унифицированных элемента [3]:  опорный крестообразный элемент, выполненный в виде 2-х полуарок, которые объединены перекреа)

щивающимися балками-ребрами и снабжены отверстиями для напрягаемой арматуры в двух направлениях (рис. 3, а);  линейный элемент, выполненный в виде 2-х полуарок и снабженный шпонками и отверстиями для напрягаемой арматуры (рис. 3, б). б)

Рисунок 3. Унифицированные элементы сборной фундаментной платформы арочного типа а) – опорный крестообразный элемент; б) – линейный элемент

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Эти элементы просты в изготовлении, удобны при транспортировании и монтаже. Их использование приводит к снижению расхода материалов. Унифицированные элементы можно монтировать в любое время года и составлять фундаменты различного назначения в зависимости от конструкции верхней части зданий и сооружений, от нагрузок, от грунтовых условий. Таким образом, внедрение в практику строительства сборных железобетонных фундаментов из арочных блоков позволяет удовлетворить следующие требования:  минимальный вес сборного элемента;  малый расход материала;  выполнение фундамента большой площади из однотипных сборных блоков;  возможность использования предварительного натяжения арматуры.

Технические науки

Список литературы: 1. Сиделев В.А. Разработка новых конструктивных решений и опыт экспериментального малоэтажного строительства в сложных грунтовых условиях: диссертация... канд. техн. наук (05.23.01, 05.23.02) /Сиделев Владимир Алексеевич.- Красноярск: КрасГАСА, 2006.- 170 с. 2. Пат. 64222 Россия, МПК: Е02D27/35, Е02D27/34. Пространственная фундаментная платформа / В.М. Митасов, Н.Н. Пантелеев, В.В. Адищев, Н.С. Михайлова (Россия). – 2007105795/22; Заявлено 15.02.2007; Опубл. 27.06.2007 Бюл. № 30. 3. Пат. 83519 Россия, МПК E02D27/00, E02D27/01. Сборный железобетонный фундамент/ В.М. Митасов, Н.Н. Пантелеев, Н.С. Михайлова (Россия). – 2008151956/22; Заявлено 26.12.2008; Опубл. 10.06.2009. Бюл. № 16.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОМ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Пичкурова Наталья Сергеевна канд. техн. наук, доцент Сибирского государственного университета путей сообщения, город Новосибирск

REGULATION OF THE PROCESS OF CRACKING IN REINFORCED CONCREATE STRUCTURES Pichkurova Natalia, Candidate of Science, associate professor of Siberian State University of Railway Transport, Novosibirsk АННОТАЦИЯ С целью получения реальных картин образования трещин и попытки регулирования этим процессом проведен физический эксперимент по испытанию железобетонных балок и балок из пьезооптического оргстекла на чистых изгиб без и с заранее организованными трещинами. Полученные результаты показали целесообразность организации трещин, поскольку появляются возможности для регулирования полей напряжений, что ведет к плавному деформированию конструкций без значительных динамических колебаний. ABSTRACT In order to get the real picture of the formation of cracks and attempts to regulate this process is carried out physical experiment for testing of reinforced concrete beams and beams from piezooptical plexiglas on pure bending with and without pre-organized cracks. The received results showed the feasibility of establishing crack as there are opportunities for regulation the tension field, which leads to smooth deformation without significant structural dynamic vibration. Ключевые слова: регулирование процессом трещинообразования; организованные трещины; напряженно-деформированное состояние конструкций. Keywords: regulation by process of cracking; pre-organized cracks; stress-strain condition of structures. При изучении сопротивления железобетона, помимо расчета прочности и жесткости, необходимо рассматривать особую задачу, присущую только этому композитному материалу – образование трещин в растянутой зоне. Ясное знание процесса появления и раскрытия трещин в железобетоне имеет исключительное значение. С появлением трещин, вследствие частичного или полного выключения из деформирования растянутой зоны бетона, в сечении и элементе возникают количественные и качественные изменения. Практика показывает, что появление трещин в растянутой зоне неизбежно. Однако это не является признаком опасного состояния конструкции, т.к. раскрытие трещин обычно ограничено допустимой величиной, не вызывающей снижения прочности и долговечности, а также нарушения нормальной эксплуатации. В теории железобетона наиболее распространена модель, основанная на понятии расчетного сечения. Как правило, рассматривается состояние сечения до и после образования трещины. При этом широко используется эмпирический и полуэмпирический подходы при решении расчетных задач в железобетоне из-за простоты решения

при учете основных свойств железобетона. Однако отсутствие единообразия в определении прочности, жесткости и деформировании конструкций с трещинами, обилие эмпирических коэффициентов, детерминированный подход к использованию нормированных величин, отсутствие научно обоснованного прогноза поведения конструкции при изменении свойств исходных материалов – все это становится препятствием дальнейшего развития железобетона. Управление же местом и временем образования трещин делает возможным переход к более простым решениям уравнений жесткости и трещиностойкости и получению более надежного прогноза дальнейшего развития деформаций в железобетонных конструкциях. Для подтверждения данной гипотезы был проведен ряд исследований по испытанию кратковременной нагрузкой железобетонных балок без предварительного напряжения с заранее организованными трещинами [2,3]. Параллельно с этими работами были проведены исследования поляризационно-оптическим методом моделей балок без армирования, изготовленных из пьезооптического оргстекла [1]. Целью этих экспериментальных работ было

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

выявление особенностей деформирования балок сплошного сечения и с организованными трещинами. При исследовании особенностей деформирования железобетонных балок были изготовлены шесть серий экспериментальных образцов с кубами, призмами, восьмерками. Размеры образцов: железобетонные балки 70×140×1100 мм, кубы с ребром 100 мм, восьмерки сечением 50×50 мм, призмы – 100×100×400 мм. Все образцы изготовлены из мелкозернистого бетона с прочностью, соответствующей классу В20. Фактический класс бетона определен на момент испытаний. Состав бетонной смеси подобран экспериментально для каждого вида цемента, исходя из его марки и активности.

Технические науки

Армирование железобетонных балок выполнено одиночной арматурой класса А400 диаметром 8 мм с защитным слоем 10 мм. Армирование железобетонных балок серии № 6 выполнено пятью стержнями арматуры класса А400 диаметром 8 мм с защитным слоем 10 мм (μ = 3%). Организованная трещина имитирована установкой стальной оцинкованной пластины толщиной 0,5 мм и высотой 20 мм на арматуру в зоне максимального момента. В данной статье показаны схемы постановки организованных трещин, измерительных приборов и результаты исследований для железобетонных балок, испытанных двумя сосредоточенными силами (на чистый изгиб). Схемы постановки организованных трещин и приложения нагрузки показаны на рис.1.

Рисунок 1. Схемы армирования железобетонных балок при испытании двумя сосредоточенными силами а) – серия № 2; б) – серия № 4; в) – серия № 5; г) – серия № 6; 1 – организованная трещина Статическая нагрузка приложена с помощью гидродомкрата ДГ – 10 ступенями по 100 кгс и 200 кгс. Для регистрации прогибов балок использованы прогибомеры Аистова с ценой деления 0,01мм. Осадки опор измерены при помощи индикаторов часового типа ИЧ с ценой деления 0,01мм. Относительные деформации зафиксированы тензорезисторами 2 ПКБ – 20 – 200А с базой 20 мм с помощью тензометрической станции «СИИТ-3» и индикаторами многооборотными часового типа с ценой деления 0,001мм и базой 260 мм. Нулевые отсчеты по приборам сняты непосредственно перед началом нагружения, последующие (рядовые) отсчеты – после.

Схема расстановки механических приборов и расклейки тензорезисторов представлена на рис. 2. При проведении исследований измерены деформации в сжатой и растянутой зонах железобетонных балок. Для каждого этапа нагрузки в каждой балке построены эпюры деформаций. На рис. 3 показано распределение деформаций по высоте сечения на примере балки серии № 4. В результате обработки экспериментальных данных построены графики прогибов для железобетонных балок-образцов (рис. 4). В табл.1 представлены значения прогибов при действии двух сил в интервале от 1200 до 1600 кгс, что соответствует эксплуатационному уровню загружения (т.е. 2

от разрушающей нагрузки).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 2. Схема расположения измерительных приборов

Рисунок 3. Эпюры деформаций по высоте сечения на примере балки серии № 4 балка № 1 серия № 2 (без организованных трещ ин)

Нагрузка, кгс

балка № 2 серия № 2 (без организованных трещ ин)

3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 0,000

балка № 3 серия № 2 (без организованных трещ ин) балка № 1 серия № 4 (две организованные трещ ины) балка № 2 серия № 4 (две организованные трещ ины) балка № 3 серия № 4 (две организованные трещ ины) балка № 1 серия № 5 (три организованные трещ ины)

1,000

2,000

Прогиб,мм

3,000 балка № 3 серия № 6 (переармированное сечение)

Рисунок 4. Зависимость прогиба от нагрузки для балок серий, испытанных на действие двух сосредоточенных сил

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

В ходе эксперимента для балок, испытанных на действие двух приложенных сил, получили следующие результаты: 1. В балках серии № 2 (без организованных трещин) образовалось 9 трещин; разрушающая нагрузка составила в среднем 2300 кгс. В зоне эксплуатационных нагрузок максимальные трещины в сечениях под приложенными

Технические науки

силами в среднем составляли 21,39 мм при 1200 кгс и 64,76 мм при 1600 кгс. Высота остальных трещин менялась в пределах от 27,30 мм до 69,10 мм, таким образом, видно, что максимальные по высоте трещины образовались в сечениях не под приложенными силами, а между ними. Шаг трещин в среднем был равен: в балке № 1 – 84 мм; в балке № 2 – 65 мм; в балке № 3 – 60 мм.

Таблица 1 Усредненные значения прогибов для балок серий, испытанных на действие двух сосредоточенных сил в эксплуатационном интервале от 1200 до 1600 кгс Нагрузка, кгс *Прогиб, мм Отношение Нагрузка, кгс *Прогиб, мм Отношение f fi i fi , f j fi , f j

Серия № 2 1200 1,27 1600 2,23 Серия № 4 1200 1,06 1,21 1600 1,53 1,45 Серия № 5 1200 0,95 1,34 1600 1,43 1,56 (балка № 1) Примечание: * f i – прогиб для балок сплошного сечения (серия № 2); f j – прогиб для балок с организованными трещинами (серии № 4, 5 (балка № 1) 2. В балках серии № 4 (с двумя организованными трещинами) образовалось (помимо замоделированных) в среднем 9 трещин; разрушающая нагрузка составила в среднем 2000 кгс. В зоне эксплуатационных нагрузок максимальные трещины в сечениях под приложенными силами в среднем составляли 62,0 мм при 1200 кгс и 102,0 мм при 1600 кгс. Высота остальных трещин менялась в пределах от 7,88 мм до 96,80 мм, таким образом, видно, что максимальные по высоте трещины развивались в сечениях с организованными трещинами под приложенными силами. Шаг трещин в среднем был равен: в балке № 1 – 50 мм; в балке № 2 – 63 мм; в балке № 3 – 60 мм. 3. В балке № 1 серии № 5 (с тремя организованными трещинами) образовалось (помимо замоделированных) 5 трещин; разрушающая нагрузка составила 1700 кгс. В зоне эксплуатационных нагрузок максимальные трещины

в сечениях под приложенными силами в среднем составляли 60,15 мм при 1200 кгс и 62,01 мм при 1600 кгс. Высота остальных трещин менялась в пределах от 55,00 мм до 106,00 мм, таким образом, видно, что максимальные по высоте трещины образовались в сечениях не под приложенными силами, а между ними. Шаг трещин в среднем был равен 60 мм. В исследовании поляризационно-оптическим методом было изготовлено девять моделей балок из пьезооптического оргстекла Э2 сечением 30х5 мм с расстоянием между опорами 180 мм. Трещины имитированы тонкими разрезами с радиусом закругления у вершины 0,35 мм. Одна балка-образец трещин не имела, в остальных выполнено от одной до семи трещин двух типов с разной глубиной: 0,1h = 3мм и 0,2h = 6 мм (h – высота сечения балок) [1, С. 120]. Схемы балок-образцов с указанием мест расположения трещин и их размеров показаны на рис. 5.

Рисунок 5. Схема нагружения и модели балок

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

При анализе результатов исследований оказалось, что в балках с организованными трещинами гипотеза плоских сечений не выполняется. При этом происходит значительное снижение наибольшего растягивающего напряжения в сравнении с модулем сжимающего в верхней точке этого же сечения. Одновременно со снижением происходит увеличение численного значения напряжения по абсолютной величине в сжатой зоне (до 20%) вследствие общего ослабления балки разрезами. В результате исследований деформирования балок с организованными трещинами сделаны следующие выводы: 1. Предварительная организация трещин в процессе изготовления конструкции дает возможности регулирования полей напряжений, что препятствует бесконтрольному динамическому развитию стохастических трещин. 2. Проведенные исследования подтвердили гипотезу о том, что в балках с организованными трещинами создается более «мягкий характер деформирования», т.е. отсутствуют (либо незначительны) динамические колебания. 3. Результаты испытаний железобетонных балок показали, что балки с организованными трещинами

Технические науки

обладают меньшим прогибом и кривизной в отличие от балок со стохастически образующимися трещинами. Организация трещин в процессе изготовления железобетонных конструкций может иметь экономический эффект.

Список литературы: 1. Албаут Г.Н. Модельное исследование влияния организованных трещин на напряженное состояние балок / Г. Н. Албаут; Митасов, В. М.; Пичкурова, Н. С.; Табанюхова, М. В.// Известия вузов. Строительство. – 2009. – № 6. – С. 119-127. 2. Митасов В.М. Напряженно-деформированное состояние железобетонных балок с организованными трещинами /В.М. Митасов, В.В. Адищев, Н.С. Пичкурова//Вест. РААСН. – 2008.– Т. 1, №13, С. 222227 3. Михайлова Н.С. Экспериментальные исследования железобетонных балок без трещин и с заранее намеченной трещиной / Н.С. Михайлова // Изв. вузов. Строительство. – 2007. – № 4. – С. 117 – 120.

СИНТЕЗ ТЕРМИНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОНТУРА НАВЕДЕНИЯ МАНЕВРИРУЮЩЕГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Половинчук Николай Яковлевич канд.т.наук, профессор Московского государственного технического университета гражданской авиации Ростовский филиал Иванов Станислав Валерьевич канд.т.наук, ст. преподаватель Московского государственного технического университета гражданской авиации Ростовский филиал Руденко Николай Валерьевич канд.т.наук, доцент, Московского государственного технического университета гражданской авиации Ростовский филиал SYNTHESIS OF TERMINAL CONTROL FOR THE CIRCUIT OF INDUCTION OF THE MANEUVERING AIRCRAFT Polovinchuk Nikolay, Candidate of Science, professor of Moscow State Technical University of Civil Aviation Ivanov Stanislav, Candidate of Science, senior lecturer of Moscow State Technical University of Civil Aviation Rudenko Nykolay, Candidate of Science, associate professor of Moscow State Technical University of Civil Aviation АННОТАЦИЯ Решается задача синтеза алгоритма для автопилота с контуром терминального управления летательным аппаратом, совершающим полет в заданный пункт назначения с реализацией маневров уклонения от маневрирующего объекта. Допускается, что уклоняющийся летательный аппарат имеет информацию только о начальном моменте функционирования маневрирующего объекта, который может иметь возможность наблюдать в реальном времени и корректировать свое управление. Приведен пример, свидетельствующий о вычислительных возможностях и эффективности контура терминального управления. ABSTRACT The problem of synthesis of algorithm for the autopilot is solved with a circuit of terminal control of the aircraft making flight in the given destination point with implementation of maneuvres of deviation from the maneuvering object. opportunities and efficiency of a circuit of terminal control. It is assumed that the evading aircraft has information only on the initial moment of functioning of the maneuvering object which can have opportunity to watch in real time and to adjust the control. The example testifying to computing opportunities and efficiency of a circuit of terminal control is given. Ключевые слова: Синтез алгоритмов управления, летательный аппарат. Keyword: Synthesis of control algorithms, aircraft. Введение Решение задач синтеза алгоритмов управления маневрирующими летательными аппаратами в конфликтных ситуациях с применением классических методов теории игр, требуют для своей реализации достаточно мощных бортовых вычислительных средств [1]. Построение алгоритмов решения таких задач с возможностью их реализа-

ции в реальном масштабе времени современными бортовыми вычислителями остается важной для практики управления ЛА научной задачей [1]. 1. Постановка задачи Математическая формализация рассматриваемой конфликтной задачи может быть задана следующим образом. Пусть при управлении ЛА заданы: интервал времени

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

t0 , tk  T

– ограниченное ( tk  T ) время функционирования летательных аппаратов; Y – n-мерное, Z – m-мерное, U – r-мерное, W – p-мерное евклидовы пространства с элементами y, z, u, w соответственно; f y (y,t), gu(u,y,z,t) и f z (z,t), gw(w,z,y,t) – соответственно n-мерные и m-мерные непрерывные нелинейные функции. Текущие состояния уклоняющегося ЛА описываются фазовым вектором y(t), а состояния маневрирующего объекта(противника) – вектором z(t), и в фазовом пространстве задаются системой нелинейных дифференциальных уравнений [1,2]:

dy (1)  f y ( y, t ) g u (u, y, z, t ) , y(t0 )  y0 ; dt dz (2)  f z ( z, t ) g w ( w, z, y, t ) , z(t 0 )  z 0 , dt p r где u, w – управляющие функции ЛА ( u  R , w R ); t  t 0 , t k  – ограниченное время решения задачи, t0 – начальный момент времени. Заданы значения i-х ( i  1, n1 , n1  n ) компонент вектора состояния уклоняющегося ЛА в конечный момент времени: y i t k   ~ yi , где ~ yi – краевые значения, определяющие терминальную область пространства пункта назначения

y i t k   ~ y i   i  y, t k   0

Технические науки

(3)

(Фi – вектор-функция размерности n1×1). Органы управления уклоняющегося ЛА формируют ограниченные управляющие воздействия:

u j (t )  uˆ j , j  1, r.

(4)

Уклоняющийся ЛА y имеет возможность совершать полет к некоторому заданному состоянию (3), а маневрирующий объект z – воспрепятствовать этому движению, что определяется условием совпадения субвекторов размерности l ( l  n, l  m ) фазовых векторов y(tk) и z(tk) (t0 tk T), после чего уклоняющийся ЛА y прекращает свой полет. Поэтому векторы управлений u, w должны одновременно обеспечивать оптимумы (максимум и минимум) некоторого заданного функционала J, характеризующего расстояние между ЛА:

J  Qyt k , z(t k ), t 0  t k  T  ,

(5)

где Q – известная скалярная функция. Тогда, учитывая ограниченность расходуемых на управление ресурсов – интенсивностей управления tk

 u

t 0 i 1

2 i

(t ) dt и

w

t 0 j 1

2 j

(t ) dt ,

поиск оптимальных допустимых стратегий управления u0(t) и w0(t) в сформулированной задаче необходимо осуществлять из условия минимакса:

t   1k T   J u , w z, y, t   min max Q y (t k ), z (t k ), t k    [ w (t ) S1 w(t )  u T (t ) S 2 u (t )]dt  , j  1, r , (6) w u j ( t ) uˆ j 2 t0    





где S1(t), S2(t) – симметричные положительно определенные функции-матрицы соответствующих размерностей. 2. Решение задачи При синтезе алгоритма воспользуемся подходом, изложенным в работах [3,5], позволяющем свести сформулированную игровую задачу к задаче гарантированного управления уклоняющимся ЛА. В этом случае нахождение оптимальной стратегии управления u0(t) осуществляется здесь из более узкого, в сравнении с (6), условия:





J u 0 ; w z, y, t   max

J u, w z, y, t  ,



где xt   y(t ) стояния (т

w ( x, , t )  K 1

j  1, r , T

z (t ) –

1



(8)

T T

– объединенный вектор сознак транспонирования);

g w w

 ; (t) – (n+m)-мерная

j  1, r ,

вектор-функция, удовлетворяющая вместе с тройкой [x0, u0(t), w t ] системе:

(7) где w z, y, t  – допустимая функция управления маневрирующего объекта. Предполагается, что управление маневрирующим объектом реализуется по принципу обратной связи на основе собственных наблюдений и допускает столкновение с уклоняющимся ЛА. Вектор оптимального управления уклоняющегося ЛА находится при этом из условия максимума гамильтониана: H ( x(t ), u 0 (t ), w(t), (t ), t )  max H ( x(t ), u(t ), w(t), (t ), t )

dx  f xt , u 0 t , w t , t , t  f xt , t , t ; (9) dt H d    xt , u 0 t , w t , t , t  xt , t , t  dt x

u j ( t ) uˆ j











где f xt , (t ), t 

f z xt , t   g w x(t ), (t ), t 

с граничными условиями:

xi (t 0 )  x0i , i  1, n  m ; x j (t k )  Ф j ( x, t k )  0, j  1, n1 ;  l t k    Приближенные алгоритмы решение двухточечной краевой задачи (9-11) могут строится на основе применения различных методов, например, метода градиентного спуска. Однако все они содержат итерационные процедуры в каждом такте решения, что затрудняет их реализацию в реальном масштабе времени при управлении уклоняющимся ЛА.

f y xt , t   g u x(t ), (t ), t 

, (10)

Q x l

, l  n, l  m.

(11)

t t k

Наиболее рациональное решение свободное от указанных недостатков может быть найдено при сведения двухточечной краевой задачи к одноточечной задаче для системы обыкновенных дифференциальных уравнений, рассмотренном в работе [6]. В этой методике вместо прямого решения (9-11) интегрируется в прямом времени система дифференциальных уравнений

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

d 0 d~ x ~  M1  f (~ x (t ), Q( ~ x (t )), t ) , xi (t 0 )  x0i , i  1, n  m ; (12) dt dt ~ ~ dM 1 f ( ~ x (t )), Q(t ), t ) f ( ~ x (t )), Q(t ), t )  M1  M 2 ; (13) dt x  ~ ~ dM 2 ( ~ x (t )), Q(t ), t ) ( ~ x (t )), Q(t ), t )  M1  M 2 , (14) dt x  где

1 ~ ~   Q ( ~  d 0  Q ( ~ x (t ) x (t )) ~ ~ ~  M 1  M 2    f ( x (t )), Q (t ), t )  ( ~ x (t ), Q ( ~ x (t )), t ) . dt x  x   

Начальные условия для матриц чувствительности

x( 0 (t ), t ) ( 0 (t ), t ) и M2  имеют вид:  0  0 M1  0 ; M 2  E , (15) где Е – единичная матрица размера n  m  n  m. M1 

В результате интегрирования системы дифференциальных уравнений (12-15) получаем расчетную близкую к оптимальной траекторию уклоняющегося ЛА

~ x (t )  ~ y (t ) T

~ z (t ) T

, реализующего уклонение от

маневрирующего объекта и продолжение полета в пункт назначения, заданный конечной областью (3). Траектория получена исходя из представления о наиболее вероятных действиях маневрирующего объекта, затрудняющих движение уклоняющегося ЛА и с учетом ограниченности его энергетики в общей задаче полета в пункт назначения (3). Известно, что реализация расчетной траектории ~ x (t ) на всем интервале t k  t 0  , рассчитанной однократно для граничных условий (11,15), не позволяет учитывать текущую навигационную информацию и реальные условия полета, что на значительных временных интервалах управления приводит к большим методическим погрешностям [1,2,6]. Решение задачи может быть обеспечено путем построения автопилота, который включает два контура: длиннопериодический контур - контур наведения, построенный на основе реализации многошагового алгоритма, и короткопериодический контур - контур стабилизации движения уклоняющегося ЛА на каждом шаге реализации алгоритма наведения. Реализация многошагового алгоритма наведения с пересчетом траектории уклоняющегося ЛА на каждом такте для обновляемых навигационных параметров и условий и целей полета эквивалентно замыканию на каждом такте наведения обратной связи по параметрам относительного движения ЛА. При уменьшении такта в контуре наведения управление уклоняющимся ЛА приближается к управлению в форме закона управления.

Алгоритм управления ЛА имеет вид, представленный на рис. 1. Сущность его заключается в следующем. По текущей навигационной информации определяются начальные условия x(t 0j )  x 0j ( j  0, 1, 2,... – номер итерации в длиннопериодическом контуре - контуре наведения) и решения задачи в контуре наведения прогноx j (t ) на последузируется субоптимальная траектория ~



ющий интервал движения уклоняющегося ЛА t  t 0 , T j



( t  t 0 , t  t 0 ). В короткопериодическом контуре – контуре стабилизации решается задача стабилизации движения ЛА относительно субоптимальной траектории ~ x (t ) . В течение одного такта контура наведения по текуj щей навигационной информации y t 0 определяется расчетная траектория, в короткопериодическом контуре выполняется несколько тактов стабилизации. Соответственно, такт решения задачи в контуре стабилизации определяется динамическими характеристиками уклоняющегося ЛА (устойчивостью, управляемостью и т.п.), а такт контура наведения – вычислительными возможностями бортовых вычислительных средств. При уменьшении временного интервала решения задачи в медленном контуре формируемое таким образом многошаговое управление все более стремится к управлению в замкнутой форме. 3. Пример Для обоснования реализуемости и оценки вычислительной эффективности контура автопилота было выполнено численное моделирование процесса управления для следующего практического примера. В качестве уклоняющегося ЛА использовалась модель гипотетического высокоскоростного ЛА. В качестве маневрирующего обьекта использовалась модель симметричного ЛА. Пространственное движение обоих ЛА задавалось в единой скоростной системе координат (СК) [8]: 0 0

j 0

 

Конечные условия полета уклоняющегося ЛА задавались следующими терминальными ограничениями – координатами пункта назначения в инерциальной СК: x(T )  xц (T ); z (T )  z ц (T ); y(T )  0 . (16) Неотрицательная скалярная функция, характеризующая расстояние между ЛА

Q yt k , z (t k ) 

x  x   y  y   z  z  пр 2

пр 2

Компоненты вектора управления w (t ) маневрирующего ЛА задавались уравнениями:

w1   7

cos(  3  ) sin (  3  ) (  cos   1sin)  8  9 2 ; m m m

(17)

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

w2   7

x 72  x82  x92

1 c y S 0 e 0 x11 2

w3   9

Технические науки

x8   8

1 c y S 0 e 0x11 2

1 c y S 0 e 0 x11 2 x 72  x82  x 92

x 72  x82  x92 m

x7 ;

(18)

а вектора управления u 0 (t ) ЛА – уравнениями:

1 1 sign(H 2 (u1 ) ; u 20  sign(H 3 (u 2 )) , 4 5   0 x 5 2 2 2  c y 0e x 1  x 2  x3  c y  0 e  x5 x 12  x 22  x32 где H 2 (u1 )  Sx 2 u1 ; H 3 (u 2 )  Su 2 . 2m 2m u10 

Ввиду громоздкости соотношения (12-14) не приводятся. При моделировании реальное "неизвестное" для уклоняющегося ЛА управление маневрирующим обьектом синтезировалось по принципу оптимального управления Беллмана. Предполагалось упрощающее допущение, что его управление реализуется без запаздывания. Размерность интегрируемой в прямом времени системы дифференциальных уравнений при этом была равна 240, а количество коротких операций при реализацию одной итерации контура наведения разработанного алгоритма управления ЛА  0.48  10 КОп, что при шаге интегрирования h=0.2 с требуемое быстродействие борто-

1. 2. 3. 4. 5.

вого вычислителя составляет  2,4  10 КОп/с, что соответствует современному уровню развития отечественных бортовых вычислительных средств. Полученные результаты позволяют сделать вывод об эффективности рассмотренной методики синтеза контура автопилота ЛА, совершающими полет в заданную терминальную область пространства с реализацией маневров уклонения от противодействующих ЛА.

7. 8.

(19)

Список литературы: Пантелеев А.В., Бортаковский А.С. Теория управления в примерах и задачах. М.: Высш. шк., 2003. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А. А.Красовского. М.: Наука, 1987. Красовский А.А., Буков В.Н., Шендрик В.С. Универсальные алгоритмы управления непрерывными процессами. Т.2. М.: Наука, 1977. Петров Б.Н. Управление авиационными и космическими аппаратами. М.: Наука, 1983. Половинчук Н.Я., Щербань И.В. Методы и алгоритмы терминального управления движением летательных аппаратов. МО РФ. 2004. Барков В.В., Кочетков Ю.А. Краевая задача оптимального управления нелинейными детерминированными системами // Изв. РАН. ТиСУ. 1995. №6. С.184-193. 7.Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. М.: Наука, 1987. Половинчук Н.Я., Иванов С.В., Руденко Н.В. Алгоритм терминального управления для автопилота летательного аппарата. Технические и технологические системы. Сборник материалов шестой международной научной конференции ТТС14. – Краснодар: ФВУНЦ ВВС ВВА, 2014 г. – с. 261-269.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОТИВОТОЧНО-СТРУЙНОГО СМЕСИТЕЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

Самойчук Кирилл Олегович канд. т. наук, доцент Таврического государственного агротехнологического университета, Украина, г. Мелитополь Полудненко Ольга Владимировна аспірант Таврического государственного агротехнологического университета, Украина, г. Мелитополь Бездитный Андрей Александрович канд. т. наук, доцент Мелитопольского Государственного Педагогического Университета им. Б. Хмельницкого. Украина, г. Мелитополь ANALYTICAL RESEARCHES OF OPPOSITE-STREAM MIXER OF LIQUIDS Samojchuk Kirill, Candidate of Science, associate professor of the Tavria state agrotechnological university, Ukraine, Melitopol Poludnenko Olga, graduate student of the of Tavria state agrotechnological university, Ukraine, Melitopol Bezditniy Andrey, Candidate of Science, associate professor of the Melitopol State Pedagogical University the name of Bohdan Khmelnytsky. Ukraine, Melitopol АННОТАЦИЯ Работа посвящена повышению эффективности процесса смешивания безалкогольных напитков с использованием противоточно-струйного смесителя. Моделированием процесса смешивания в программном комплексе ANSYS исследовано влияние диаметра сопла и расстояния между форсунками на распределение скорости потоков жидкости в зоне их столкновения, изменение давления, распределение кинетической энергии турбулентности и её диссипации. Определена зависимость между диаметром сопла форсунки и расстоянием между форсунками для получения наивысшей степени смешивания и максимальной производительности смесителя. ABSTRACT The work is aimed to increase the efficiency of process of mixing nonalcoholic beverages with the use of opposite-stream mixer. The influence of diameter of nozzle and distance between sprayers on distribution of speed of liquid streams in the area of their collision, change of pressure, distribution of kinetic energy of turbulence and its dissipation is investigated in a programmatic complex ANSYS with process modeling of mixing. Dependence between the diameter of nozzle of sprayer and distance between sprayers is determined to receive the greatest degree of mixing and maximum performance of the mixer. Ключевые слова: смешивание жидкостей, противоточно-струйный смеситель, моделирование, расстояние между форсунками. Keywords: mixing of liquids, opposite-stream mixer, modeling, distance between sprayers. Процесс перемешивания жидких компонентов – широко распространённый технологический процесс в различных отраслях производства и переработки продукции агропромышленного комплекса (приготовление маточных растворов, используемых в растениеводстве и животноводстве, производство напитков на основе натуральных соков и т.д.) [3, с. 226–233]. В частности, при изготовлении безалкогольных напитков одним из основных процессов является перемешивание жидких компонентов. Учитывая возрастающие объёмы производства безалкогольных напитков актуальными являются разработка и внедрение в производство смешивающих аппаратов, которые обеспечат качественное перемешивание жидких компонентов при минимальных затратах энергии и времени. В зависимости от метода подвода энергии в перемешиваемые среды перемешивание может быть пневматическим, инерционным в потоке жидкости, циркуляционным, механическим или струйным. Проанализировав различные способы перемешивания жидких компонентов, струйное смешивание было выделено как наиболее перспективное, так как позволяет равномерно распределять энергию в зоне непосредственного контакта жидкостей, позволяет подводить энергию к небольшому объёму среды, что приводит к снижению энергозатрат и повышению качества смешивания. В струйных аппаратах нет подвижных механизмов, что говорит об их надёжности. Лёгкость включения таких аппаратов в различные технологические схемы, непрерывный принцип их работы наряду с простотой их конструкции обеспечили широкую область использования струйных смесителей [4, с. 205–211]. Не смотря на очевидные преимущества струйных смесителей, на сегодняшний день они являются практически неисследованными. Основной целью исследования таких аппаратов является определение их конструктивных, технологических, энергетических и качественных показа-

телей работы. При определении конструктивных параметров противоточно-струйного смесителя одной из основных задач является определение оптимального расстояния между форсунками. В результате проведённого анализа существующих струйных смесителей, разработана конструкция, схема которой представлена на рис.1 [2]. Он состоит из двух идентичных форсунок 5, установленных соосно, патрубков подвода подмешиваемой жидкости 1 патрубков подачи основной жидкости 2 и эжекторов 3. Смешивание происходит в центральной части камеры смешивания 4. В результате проникновения частиц одной струи во встречную достигается высокая равномерность распределения компонентов [5, c. 86–92]. Процесс перемешивания подготовленной воды с купажным сиропом при противоточно-струйном смешивании происходит в два этапа. На первом из них перемешивание воды с сиропом происходит в смешивающем канале (сопле) форсунки. Фактически, процесс перемешивания воды с сиропом на этом этапе можно представить как отдельный случай перемешивания в струйном аппарате но основной процесс смешивания будет происходить при столкновении струй. Жидкость при выходе из сопла форсунки двигается со скоростью υ1 (рис. 2). После столкновения поток жидкости изменяет направление движения на 900 и двигается со скоростью υ2, которая уменьшается при увеличении расстояния от оси форсунок. С увеличением скорости струи растёт число Рейнольдса, а значит, растёт турбулентность потока. Таким образом, для увеличения степени перемешивания купажного сиропа с подготовленной водой необходимо увеличивать скорость струй жидкости в момент столкновения υ1. Понятно, что при увеличении расстояния между соплом и линией раздела струй скорость потока уменьшается, из-за чего будет уменьшаться и степень перемешивания.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

4 3

2 1 Рисунок 1. Противоточно-струйный смеситель. 1 – патрубки подвода подмешиваемой жидкости; 2 – патрубки подачи основной жидкости; 3 – сопло эжектора; 4 – камера смешивания; 5 – форсунка.

Сопла форсунок

υ1

υ2

υ1 υ2 а Рисунок 2. Схема определения расстояния между соплами форсунок противоточно-струйного смесителя. В работе [6] получены зависимости для определения производительности противоточно-струйного аппарата Q в зависимости от расстояния между форсунками: При

a  dc / 2 , Q  

а при , (2)

 d с2 2



  p , (1)

a  dc / 2 Q   dc a 2  м  p

где a – расстояние между соплами форсунок, м; µ – коэффициент расхода (зависит от конструкции форсунки); dc – диаметр сопел форсунок, м; ρ – плотность жидкости, кг/м3; Δр – перепад давления внутри и снаружи форсунки, Па. Таким образом, расстояние между соплами форсунок a противоточно-струйного смесителя из условия получения максимальной производительности должно быть больше половины диаметра сопла форсунки, т.е. d a  d / 2 . В то же время, для получения высокой степени перемешивания жидкостей скорость в момент столкновения должна бать максимальной, что выполняется при а=dс. Основными критериями, определяющими гидродинамику встречных струй применительно к процессу перемешивания, являются число Рейнольдса, турбулентность,

кинетическая энергия турбулентности и величина её диссипации по площади взаимодействия потоков.[1, c. 69– 109]. Для определения данных характеристик решено применить моделирование с помощью современных вычислительных комплексов. Наиболее распространённым из них является ANSYS Workbench. По заданным параметрам были построены 3D-модели в компьютерной программе SolidWorks с дальнейшей симуляцией процесса смешивания в программном комплексе ANSYS. Выбор исходных данных процесса (температура, плотность жидкостей, пропорции смешивания, давление на входе в аппарат) обусловлен технологическими инструкциями производства безалкогольных напитков. В результате моделирования процесса смешивания в программном комплексе ANSYS были созданы поля кинетической энергии турбулентности, её диссипации, скоростей и давления, в камере смешивания. При увеличении расстояния между форсунками зона максимальных значений кинетической энергии турбулентности (рис. 3) смещается от торцов форсунок (при а=0,5dс) к центру между форсунками (при а=2dс), что согласуется с полученными зависимостями (1, 2). Максимальная кинетическая энергия турбулентности и по величине и по площади охвата достигается при а=2dс. Для получения высокого качества смешивания необходимо добиться высокой равномерности распределения энергии по площади встречи струй. Такую характеристику можно получить, рассматривая диссипацию кинетической энергии турбулентности (рис. 4).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

а) б) в) Рисунок 3. Поле кинетической энергии турбулентности. а) при расстоянии между форсунками а=0,5dс; б) при расстоянии между форсунками а=dс; в) при расстоянии между форсунками а=2dс.

а) б) в) Рисунок 4. Поле диссипации кинетической энергии турбулентности. а) при расстоянии между форсунками а=0,5dс; б) при расстоянии между форсунками а=dс; в) при расстоянии между форсунками а=2dс. Максимальная площадь зон высокой диссипации кинетической энергии турбулентности наблюдается при а=0,5dс и при увеличении расстояния эта зона смещается в центр между форсунками. Увеличение значения диссипации кинетической энергии турбулентности происходит при увеличении а, но размеры этих зон становятся микроскопическими и не охватывают всю площадь смешиваемых жидкостей.

С увеличением расстояния появляется и увеличивается торообразный участок с низким давлением (рис.5), величина которого снижается. В этом участке могло бы осуществляться довольно эффективное смешивание, однако зона расположена не симметрично, и лишь часть жидкости проходит через эту зону, поэтому её влиянием на процесс смешивания можно пренебречь.

а) б) в) Рисунок 5. Поле давлений а) при расстоянии между форсунками а=0,5dс; б) при расстоянии между форсунками а=dс; в) при расстоянии между форсунками а=2dс. Зона максимального давления ожидаемо находится в центре между форсунками, причём максимальное значение 3·105 Па достигается при а=dс. Эта величина в 1,5 раза превосходит давление на входе в форсунки. При увеличении расстояния а более чем диаметр сопла происходит уменьшение размера зоны высокого давления между форсунками, что свидетельствует об уменьшении турбулентности потока в зоне встречи струй. При расстоянии между форсунками а=0,5dс наибольшую скорость поток жидкости имеет после столкновения струй (рис.6), которая в 1,3…1,5 раза больше скорости при выходе жидкости из форсунки. Максимальная

скорость в данном случае достигает значения 10 м/с. При расстоянии между форсунками а=dс максимальная скорость одинакова в зоне выхода жидкости из форсунки и в зоне между торцевыми поверхностями форсунок и достигает значения 14 м/с. При расстоянии между форсунками а=2dс максимальную скорость поток жидкости имеет в зоне выхода из форсунки. Скорость потока в зоне между торцевыми поверхностями форсунок а 1,7…1,9 раза меньше скорости при выходе жидкости из форсунки и достигает значения 9,5м/с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

а) б) в) Рисунок 6. Поле скоростей: а) при расстоянии между форсунками а=0,5dс; б) при расстоянии между форсунками а=dс; в) при расстоянии между форсунками а=2dс. Таким образом, с увеличением расстояния между форсунками, вследствие возрастания скорости струй в момент столкновения, возрастает кинетическая энергия турбулентности, но её диссипация достигает максимального значения при расстоянии между форсунками а=dс. Диссипация мощности применительно к струйному смешиванию характеризует интенсивность взаимодействия потоков жидкости, приводящего к распространению молекул одного вещества между молекулами другого. Из условия получения высокой степени смешивания жидких компонентов, кроме высокой турбулентности потоков, необходима равномерность распределения кинетической энергии, полный охват смешиваемого потока жидкости встречным потоком, исключение вторичных завихрений, лишь частично охватывающих поток. Исходя из этих условий максимальное качество смешивания достигается при а=dс, что подтверждает предположение, выдвинутое на основании анализа математических зависимостей, о том, что исходя из условий получения наивысшей степени смешивания и максимальной производительности оптимальное расстояние между соплами форсунок должно быть равно диаметру сопла форсунки. В дальнейшем планируется проверить результаты теоретических исследований экспериментальными исследованиями. Список литературы: 1. Мелешко В.В. Смешивание вязких жидкостей/ В.В.Мелешко, Т.С. Краснопольская// Нелинейная динамика. – 2005. – Т.1. 2. Пат. 91740, Україна, МКИ5 A01J 11/00. Пристрій

для струминного змішування рідких компонентів /Самойчук К.О., Полудненко О.В.; заявник і патентовласник Таврійський державний агротехнологічний університет. – № u201402154; заявл. 03.03.2014; опубл. 10.07.2014. Бюл. № 13. Самойчук К.О., Полудненко О.В. «Короткий аналіз обладнання для перемішування рідких компонентів»// Праці Таврійського державного агротехнологічного університету: наук. фах. видання/ ТДАТУ; Мелітополь, 2011 – Вип.11 т.6 Самойчук К.О., Полудненко О.В. «Результати аналізу конструкцій струминних змішувачів рідких компонентів»// Праці Таврійського державного агротехнологічного університету: наук. фах. видання/ ТДАТУ; Мелітополь, 2013 – Вип.13 т.1 Самойчук К.О., Полудненко О.В. «Обоснование конструкции смесителя жидких компонентов с помощью компьютерного моделирования»// Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сборник научных статей. – Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. Аграрного у-та, 2013 – 140c. Самойчук К.О. Обгрунтування параметрів та режимів роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора молока [Текст]: автореферат канд. техн. наук, спец.: 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв/К.О.Самойчук.–Донецьк: МОН Укр. Донецький нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського, 2008. — 20 с.

СЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

Преображенский Николай Борисович Кандидат технических наук, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва Чан Ван Хань Аспирант, Московский физико-технический институт (Государственный университет), Москва Ле Ба Чунг, Дам Чонг Нам Cтуденты,Московский физико-технический институт (Государственный университет), Москва NETWORK DECISIONS IN CONTROL SYSTEMS Preobrazhenskiy Nikolay, Candidate of Science, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow Tran van Khanh, Postgraduate student, Moscow Institute of Physics and Technology (State University) Le Ba Chung, Dam Trong Nam, Students, Moscow Institute of Physics and Technology (State University) АННОТАЦИЯ Рассматриваются возможности аппаратной поддержки сетевых решений удобных для цифровых систем управления. Отмечены проблемы и особенности использования сетевой среды для данного круга задач. Показаны преимущества предлагаемых приемов модернизации сетей.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ABSTRACT Possibilities of hardware support of network decisions convenient for digital control systems are considered. Problems and features of use of the network environment for this circle of tasks are noted. Advantages of the offered methods of modernization of networks are shown. Ключевые слова: цикл регулирования; контроллер; пропускная способность сети; пакетная передача данных в системе управления. Keywords: regulation cycle; controller; network capacity; a packet transmission of data in a control system. Современные тенденции построения цифровых систем управления (СУ) ориентированы на программную обработку алгоритмов управления и процедур ввода-вывода информации. При этом предполагается, что измеряемые характеристики объекта управления (ОУ) поступают в регистры, ячейки памяти последовательно, последовательно обрабатываются, а результаты последовательно

передаются на исполнительные устройства. В данной работе рассматриваются СУ с аппаратной поддержкой процедуры ввода-вывода путем формирования векторов состояния и векторов управления. Общая схема такой системы управления приведена на рисунке 1. Программноуправляемый вычислитель обрабатывает текущий вектор состояния и превращает его в соответствующий ему вектор управления.

Рисунок 1. Общая схема системы управления Измерение характеристик объекта управления с помощью датчиков (Д), а так же выдача управляющих воздействия на объект с помощью исполнительных устройств (Исп.У) происходят в аналоговой форме. Система управления, построена на основе цифровых методов обработки, что предполагает обмен информацией с объектом в цифровой форме. Причем преобладают решения, основанные на последовательной пакетной передаче информации. Отсюда – один шаг до сетевых интерфейсов. Как и в телекоммуникационных задачах, при проектировании современных систем управления и робототехнической аппаратуры, чаще всего используют классические сетевые интерфейсы. Эта тенденция приводит к ряду проблем, порождаемых особенностями конкретных сетевых протоколов, которые не вполне пригодны для решения поставленных инженерных задач. 1. Отметим характер информационных процессов в системе управления.  Работа в режиме реального времени, с заданным временем реакции на совокупность входных событий.

 Очевидна цикличность информационных процессов. Она позволяет организовать обработку взаимодействий сенсоров с окружением по расписанию. Вектор состояния должен быть сформирован целиком к началу фазы расчёта цикла регулирования.  Характерна статичность набора переменных. Следовательно, при сетевой организации СУ, возможна реализация упорядоченного (по расписанию) опроса сетевых компонент и подсетей, и нет необходимости в произвольной адресации. Поскольку размерность набора переменных достаточно чётко известна, размеры вектора состояния и вектора управления тоже известны, отсюда предсказуема размерность передаваемых информационных и командных пакетов. Циклы работы СУ показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Циклы регулирования системы управления

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

При проектировании стремятся уменьшить время передачи данных о состоянии объекта управления и время выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства, оставляя достаточное время на выполнение расчетов. Это особенно актуально при построении СУ с высокой частотой обработки данных (коротким циклом регулирования). 2. Выделим характеристики универсальной сети, критичные для СУ  случайная активность абонентов;  случайное время реакции на запрос, следовательно, заметная задержка передачи данных между абонентами сети;  переменный состав абонентов;  избыточность длины поля данных для большинства сенсоров и исполнительных устройств;  избыточность управляющей информации в пакете данных, рассчитанная на произвольный характер работы сети. В отличие от универсальной сети, для сетевой информационной среды системы управления основным требованием является минимальное и регламентированное время передачи информации. Кроме этого, для промышленных сетей управления предъявляются дополнительные

Технические науки

требования по надёжности, такие как: помехоустойчивость, возможности контроля, диагностики и локализации ошибок передачи. Названные выше недостатки существующих стандартных сетевых решений порождают попытки модификации существующих сетевых протоколов, таких как CAN, Profibus, Modbus, Ethernet. Выделим ряд аппаратных решений, благодаря которым можно оптимизировать работу сети в системе управления, не нарушая стандарт сети. 3. Примеры схемных решений с конкретными сетевыми интерфейсами 3.1. Контроллер периферии с CAN-интерфейсом[1]. Сети CAN активно используется в автомобилях и автоматизации технологических процессов. Все CANузлы работают в полудуплексном режиме, т.е. процесс передачи и процесс приема не могут выполняться одновременно. Эту проблему удается решить, реализовав специализированный контроллер. На рисунке 3 показана блоксхема разработанного контроллера. Для упрощения структуры, контроллер разбит на два слабосвязанных блока: CAN-передатчик и CAN-приемник.

Рисунок 3. Блок-схема контроллера периферии с CAN-интерфейсом Независимо от типов интерфейсов в сети нужно организовать бесконфликтный механизм передачи данных, поскольку только в этом случае прогнозируется и достигается минимальное время передачи данных. В контроллере реализованы локальные часы, позволяющие организовать опрос абонентов по расписанию, путем синхронизации с внешними абонентами. Система не тратит время на разрешение конфликтов доступа к сети. При формировании вектора состояния, благодаря цикличности СУ, можно заранее запустить измерения всех параметров объекта управления, с тем, чтобы они были зафиксированы в векторе состояний одновременно, без фазовых искажений относительно друг друга. При такой организации работ, данные от источников информации всегда готовы для передачи в центральный вычислитель. Разработанный контроллер периферии позволяет организовать в сети CAN бесконфликтный механизм работы, не изменяя структуру CAN-пакета и логику CANузла.

Особенности применения Ethernet в информационной среде СУ[2] Сеть Ethernet кажется предпочтительной, для реализации информационной среды систем управления, среди стандартных сетевых протоколов, благодаря широкому спектру аппаратных решений разнотипных компонентов сети и поддержке различных физических сред передачи данных. Но в системах управления такое применение может быть далеко не всегда эффективным, в связи с избыточностью стандартного сетевого протокола. Рассмотрим специализированный коммутатор, который обменивается данными с несколькими узлами через стандартный протокол Fast Ethernet, а так же использует сокращённый протокол Fast Ethernet для группы специализированных узлов нижнего уровня системы управления. Кроме традиционной функции передачи данных, коммутатор переформатирует пакеты, обеспечивая связь между этими двумя уровнями сети. В качестве узлов могут выступать контроллеры периферии (КП) или ведущие компоненты системы верхнего уровня (см. рисунок 4). 3.2.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 4. Схема соединения коммутатора с узлами К контроллерам периферии могут быть подключены разные устройства с разными интерфейсами. На уровне связи между коммутатором и контроллерами, пакет обмена сокращён, путём удаления некоторых избыточностей стандартного пакета, что сокращает время обменов. Задержка уменьшается благодаря аппаратному преобразованию пакетов СУ верхнего уровня в несколько пакетов для нижестоящих узлов, с адресацией последних по подключению. Обратное преобразование пакетов, также производится в коммутаторе аппаратно, с минимальной задержкой. Рассмотренные особенности аппаратной коммутации оборудования и сетевых компонент, применимы для комплексирования и улучшения характеристик различных протоколов сетей. На основе двух типов сетевых интерфейсов показана возможность их адаптации к требованиям сетевой информационной среды СУ:  контроллер подключения периферийных модулей обеспечивает режим бесконфликтного доступа к сетевой среде;  коммутатор позволяет сократить число обменов в основной части сети и получить максимальную скорость связи с периферией СУ. Подобные аппаратные оптимизационные решения рассматривались так же для сетей Modbus и PROFIBUS, имеющих широкое распространение в промышленных системах управления [3].

На практике отмечается повышение пропускной способности сети, исключение лишних арбитражных процедур, значительное упрощение процедур обмена за счет типизации пакетной структуры передаваемой информации. Подобные аппаратные решения и алгоритмы повышают контролируемость сетевого оборудования, используемого для реализации процесса управления. Список литературы 1. Ч.Б.Ле Контроллер периферии с CAN-интерфейсом. // Труды 56-й научной конференции МФТИ. Радиотехника и кибернетика. - М.: МФТИ, 2013.с.59-60. 2. Чан Ван Хань, Дам Чонг Нам, Ле Ба Чунг, Преображенский Н.Б. Некоторые особенности реализации сетевых решений в системах управления. // В материалах Международной конференции «Инжиниринг & Телекоммуникации – En&T 2014». - М.: МФТИ, 2014 3. Ч.Дам, Ю.А.Холопов Контроллер периферии с PROFIBUS-интерфейсом. // Труды 56-й научной конференции МФТИ. Радиотехника и кибернетика. - М.: МФТИ, 2013.-с.62-64.

ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕРМИНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ В СЕТЯХ 1-WIRE

Преображенский Николай Борисович Кандидат технических наук, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва Холопов Юрий Алексеевич. Ведущий инженер, Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А. Лебедева Российской академии наук, Москва

1-WIRE NETWORKS TERMINAL ORGANIZATION Preobrazhenskiy Nikolay, Candidate of Science, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow Kholopov Yury, Leading engineer, Lebedev Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering, Russian Academy of Sciences, Moscow

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

АННОТАЦИЯ Рассматривается реализация алгоритмов оперативного контроля в однопроводных сетях 1-Wire с использованием их интерфейсных возможностей. Показаны преимущества данного подхода при наладке и модернизации сетей. ABSTRACT Realization of algorithms of an operating control in single-wire networks 1-Wire with use of their interface opportunities is considered. Advantages of this approach at adjustment and modernization of networks are shown. Ключевые слова: интерфейс однопроводной сети; ведомое устройство; циклический порядок опроса. Keywords: interface of a single-wire network; slave device; cyclic order. Построенные на основе интерфейса 1-Wire [1] сети, получили широкое распространение [2]. Возможности этого интерфейса хорошо согласуются с масштабом реального времени большинства «медленных» процессов, требующих контроля температуры, давления, задымления, влажности и других подобных характеристик, измеряемых в десятках точек объекта. Рассмотрим систему контроля некоего температурного поля, но предлагаемое решение может быть распространено на широкий спектр устройств, использующих интерфейс 1-Wire, не только термодатчиков. Сеть 1-Wire состоит из ведущего устройства – управляющего компьютера или микроконтроллера и сети датчиков (ведомых устройств) имеющих в своем составе интегрированные с ними электронные модули, обеспечивающие интерфейс 1-Wire. Управление опросом датчиков, обработка и последующее отображение информации, как правило, производится через единый узел – управляющий компьютер. Системы подобного типа используются, например, для оперативного наблюдения и управления системой отопления в промышленных зданиях. Сеть 1-Wire используется в них только для подключения термодатчиков, отображение текущей и консолидированной информации о состоянии контролируемого объекта осуществляется на экране управляющего компьютера. В тех случаях, когда возникает необходимость организовать несколько постов наблюдения, устанавливаются дополнительные терминальные устройства, связанные с управляющим компьютером. Эта связь обеспечивается другими типами интерфейсов, например Ethernet, что значительно увеличивает расходы на систему контроля и усложняет ее наладку и эксплуатацию. Рассмотрим функционирование системы контроля, в которой, кроме управляющего компьютера, возникла потребность реализовать один или несколько постов наблюдения температурного поля, используя для этих целей только сеть 1- Wire. Пример постановки задачи подобного типа - это задача визуального контроля температуры в разных точках ремонтной зоны объекта человеком (обходчиком). Терминал обходчика вообще не является необходимым для нормального функционирования такой системы, и может быть перемещён в любую точку сети. При этом, в идеале, подключение терминала никак не должно влиять на работу сети. Можно предложить использовать в качестве терминального устройства мобильное ведущее устройство, однако, в подавляющем большинстве случаев, ведущее устройство (управляющий сетью компьютер) не обладает достаточной мобильностью, и надо рассматривать варианты, когда используется самостоятельное мобильное терминальное устройство, подключаемое к интерфейсу «однопроводной» сети. Рассмотрим требования к функциональным возможностям такого мобильного терминального устройства:  работа в 1-Wire сети из: ведущего устройства, несколько ведомых устройств - датчиков и одного или нескольких терминалов;



терминалы не являются обязательными устройствами сети, более того, они никак не должны влиять на работу сети;  необходимо организовать работу сети таким образом, чтобы, не нарушая основную функцию сети, можно было иметь доступ с (любого) терминала к информации, передаваемой от любого набора датчиков (от одного датчика, от всех датчиков или от произвольной группы интересующих нас датчиков). Ситуация осложняется особенностью функционирования сети 1-Wire, которая состоит в том, что ведущее устройство опрашивает датчики по их уникальным 64-битным (физическим) адресам. Фирма – изготовитель 1-Wire датчиков гарантирует уникальность собственного 64-битного адреса для каждого такого абонента сети. Опрос по физическим адресам порождает необходимость хранить не только в ведущем устройстве, но и во всех терминалах справочные таблицы 64-битных адресов, что довольно обременительно, особенно при наладочных и ремонтных работах, когда физические адреса датчиков могут меняться. Любое изменение в списке ведомых устройств будет приводить к коррекции таблицы адресов во всех устройствах отображения, как в ведущем устройстве, так и в терминалах. Изменение в таблице адресов ведущего устройства неизбежно, оно, кстати, может выполняться автоматизировано специальной командой опроса, но выполнять подобные корректировки для терминалов обременительно. Мы ищем решение для информационного согласования работы терминалов с ведущим устройством, не связанное с доработкой протокола сети; не слишком целесообразно, а иногда и невозможно периодическое прямое подключение терминалов к ведущему устройству, используя последовательный, параллельный порт или USB для согласования таблицы 64-битных адресов. Нецелесообразно и чрезмерное усложнение терминала при его подключении к сети. Желательно обеспечить режим работы, не требующий наличия полного 64-битного адреса опрашиваемого датчика в терминале. Это упростит доступ терминальным устройствам к информации, сделает их более независимыми от конкретной конфигурации сети, а так же позволит обеспечить простую замену вышедших из строя датчиков, без глобальной перезаписи (перерегистрации) их адресов во всех устройствах отображения. Проблемы в организации наладки и контроля сети, содержащей несколько терминальных устройств можно сформулировать следующим образом:  значительная длина адреса любого опрашиваемого в сети устройства (датчика) и, как правило, значительное количество этих адресов в таблице опроса;  необходимость хранения в памяти всех терминалов адресов датчиков, информация с которых будет воспроизводиться на этих терминалах;  трудоемкость процедуры актуализации новых адресов при смене вышедших из строя или установке дополнительных датчиков;

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

 необходимость минимального вмешательства в организацию работы сети со стороны терминалов и процедур наладки и контроля. Предметом нашего дальнейшего обсуждения является анализ возможностей использования только протокола сети 1-Wire для решения дополнительных задач подключения терминалов для обеспечения наладки и контроля сети в произвольных ее точках. Не будем подробно останавливаться на рассмотрении аппаратной реализации терминальных устройств - после обсуждения предлагаемого алгоритма функционирования терминалов, их реализация представляет собой, в каждом конкретном случае, достаточно простую и понятную инженерную задачу. Так как предлагаемое ниже решение задачи основано на использовании несколько нетипичной последовательности стандартных событий протокола 1- Wire, необходимо вкратце остановится на их сути. Сеть 1-Wire в предлагаемой реализации состоит из ведущего устройства, одного или нескольких терминалов и многих ведомых устройств. Ведущий сети опрашивает ведомые устройства в циклическом режиме. Предположим, что терминалы в данном случае не являются ни ведущими, ни ведомыми, они только наблюдают за обменом информацией и могут выхватывать (подсматривать) и воспроизводить из потока информацию, передаваемую от интересующих нас датчиков к ведущему устройству. Всеми событиями на общей линии данных – единственном сигнальном проводе, управляет единственное ведущее устройство. Ведомые устройства, синхронно с ведущим, отслеживают события в сети, и начинают участвовать в обмене информацией с ведущим, если в адресной части запроса конкретное ведомое устройство опознало свой физический адрес. Информация в сети 1-Wire передаётся широтномодулированными импульсами (ШИМ). В сети различаются импульсы трех длительностей:  480-960 мкс – импульс общего сброса (Reset);  15-60 мкс – импульс нуля (0);  1-6 мкс – импульс единицы (1). Таким образом, с точки зрения управления, все ведомые устройства сети являются цифровыми автоматами, которые умеют принимать и распознавать управляющие команды, а также отвечать на команды, адресованные непосредственно им. Ответ любого ведомого устройства представляет собой цифровую последовательность определенной длины. Импульс общего сброса носит широковещательный характер и используется для выравнивания машин состояний всех устройств сети (все ведомые устройства по этому сигналу сбрасываются в начальное ждущее состояние). Импульс общего сброса выдается в сеть ведущим устройством перед началом каждого очередного обмена. Следующие далее импульсы нулевой и единичной длительности, определяют адрес ведомого устройства и тип операции, которую надлежит выполнить. Каждое новое взаимодействие ведущего с любым ведомым устройством начинается с выдачи в сеть импульса общего сброса и, следовательно, каждая команда, подаваемая ведущим, начинается с перевода всех ведомых устройств в начальное ждущее состояние. Импульс общего сброса является безусловной командой и формально может быть подан в сеть в любой момент, он может прервать как передачу команды, так и ответ любого опрашиваемого устройства. Предположим, что терминал является достаточно простым устройством отображения информации, поэтому на его экране осуществляется отображение информации с

Технические науки

одного или нескольких необходимых нам датчиков. Терминал не отображает консолидированной информации и воспроизводит только текущую информацию с выбранных датчиков, что вполне отвечает решаемым с его помощью задачам наладки и текущего контроля. Зафиксируем порядок опроса датчиков ведущим сети, привязав адрес конкретного датчика, например, к месту его установки на объекте. Теперь, терминал будет выбирать датчик не по длинному 64-битному адресу, а по короткому логическому (порядковому) номеру датчика в сети. Назначение логических номеров датчиков, работа которых будет отображаться на данном терминале, может осуществляться как при подготовке терминала к работе, так и непосредственно в режиме подключения терминала к сети, например, со специальной цифровой клавиатуры. Таким образом, отображение информации от любого датчика сети в выбранном терминале, без использования терминалом длинных, 64-битных адресов, можно осуществить, организовав с ведущего устройства в сети циклический опрос всех датчиков, установив неизменный порядок их опроса, который и определяет следование логических номеров. Для терминала, адресация происходит по положению (порядку следования ответов) информации от датчика в цикле сетевых битовых обменов. Ведущее устройство, в определенном порядке, по установленному расписанию, выдает в сеть запросы и называет фактические длинные номера опрашиваемых датчиков, а терминал отсчитывает логические номера по известному ему порядку опроса, фиксирует и отображает один или несколько пакетов данных, отстоящих от общего начала цикла опроса на заданное количество команд (заданное количество команд опроса). Система работает циклически, список полных адресов датчиков требуется лишь в одном устройстве сети – ведущем, а терминалы оперируют с логическими адресами – порядковыми номерами в цикле опроса. Терминалы являются для сети чуждыми элементами хотя бы потому, что в протоколе не предусмотрено специальных команд управления терминалами, а между тем, для корректного функционирования терминалов необходимо обеспечить их синхронизацию с началом цикла опроса, в противном случае затруднительно обеспечить воспроизведение на терминалах информации с интересующих нас датчиков. Характер подключения и дальнейшего использования терминалов не позволяет в явном виде передать им команду начала цикла опроса датчиков, такой команды в «однопроводном» интерфейсе для них не предусмотрено. Введение новых (дополнительных) команд в существующий стандарт интерфейса, как уже отмечалось, крайне нежелательно по ряду причин: во-первых, в этом случае мы выходим за рамки стандарта и порождаем новую (расширенную) версию интерфейса; во-вторых, существует вероятность «попасть» на незадокументированные разработчиками возможности интерфейса. Информация о начале цикла опроса датчиков ведущим устройством может быть закодирована множеством способов, самым простым из которых представляется выдача смежной пары импульсов общего сброса (повторный сброс). Действительно, повторный сброс не нарушает работу ведомых устройств (они просто повторно приводятся в начальное состояние), но может быть использован для синхронизации терминалов, которые воспринимают сдвоенный сброс, как команду начала циклического опроса датчиков. Такой способ синхронизации терминалов и ведущего не требует распознавания какихто уникальных кодовых последовательностей, и сводится

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

к фиксации на терминальных устройствах события из двух подряд идущих импульсов, с необходимо распознаваемой длительностью «импульса общего сброса». Предлагаемое решение согласования работы терминалов и организации доступа к датчикам в сети может иметь несколько различных алгоритмических продолжений, каждое из которых имеет свои преимущества. 1. Рассмотрен алгоритм с единым ведущий и одним или несколькими терминалами, настроенными на выбранные группы датчиков в сети. 2. Для больших сетей может быть предложено решение с несколькими взаимодействующими ведущими. Каждое ведущее устройство управляет своей подсетью и осуществляет свою часть полного цикла управления сетью. Подобное разделение функций может быть удобно при объединении больших сетей. Остаётся определить механизм запуска общего цикла опроса.  Можно представить решение, когда перезапуск системы осуществляется не ведущим компьюте-

Технические науки

ром, а специальным спусковым устройством, после чего активизируется цикл работы ведущего в сети. Это позволяет упростить наладку сети.  Спусковое устройство при наладке сети может использоваться в «ручном» режиме; спусковое устройство, работающее в ручном режиме, может быть конструктивно совмещено с терминальным устройством наладчика. Все предложенные решения фактически реализуются путем изменения алгоритма опроса сети и несколько усложняют функционал ведущего устройства (ведущих), но не требуют изменения интерфейса ведомых. Список литературы 1. Елисеев Н. Интерфейс 1-Wire: устройство и применение. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2007. - N8. - с. 94-99. - ISSN 1992-4178 2. http://www.elin.ru/1-Wire/?topic=links

МЕТОДИКА СРАВНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ПРОМЫСЛОВОЙ ОПЕРАЦИИ ПРИ «НЕ РАБОТАЮЩИХ РЕШЕНИЯХ»

Рудкин Фёдор Владимирович Аспирант Мурманского Государственного Технического Университета Шутов Валентин Васильевич кандидат технических наук Мурманского Государственного Технического Университета Меньшиков Вячеслав Иванович доктор технических наук, профессор Мурманского Государственного Технического Университета

THE TECHNIQUE OF COMPARING THE EFFICIENCY OF MANAGEMENT PROCESSES OF STATE FISHING OPERATION IN VIEW OF "NOT WORKING SOLUTIONS" Rudkin Fedor, Post-graduate student of Murmansk State Technical University, Murmansk Shutov Valentin, Candidate of Technical Science of Murmansk State Technical University, Murmansk Menshikov Viacheslav, Doctor of Technical Science, professor of Murmansk State Technical University, Murmansk АННОТАЦИЯ Повышение эффективности и постоянное совершенствование любого вида промысловой деятельности, в том числе и совершенствования системы управления судном на промысле, можно связать с разработкой стереотипов управленческого поведения. Предложенная безусловная минимальная функция может быть использована в качестве меры при сравнительной оценке эффективности стереотипов и выбору одного более перспективного для обеспечения управления состоянием промысловой операции. Выбор одного перспективного стереотипа из множества альтернатив позволит снизить не производительные затраты и повысить эффективность процессов управления промысловыми операциями при наличии «не работающих решений». ABSTRACT The increasing of efficiency and constant improvement of any kind of fishing activity, including improvement of the management system of vessel in the fishery can be associated with the development of stereotypes of managerial behavior. Proposed absolute minimum function can be used as a measure when comparative assessment of the effectiveness of stereotypes and choice of one more perspective for providing of the state management of fishing operations. The choice of one perspective stereotype of many alternatives will allow to reduce the non-productive costs and to increase the efficiency of management processes by fishing operations in the presence of "not working solutions." Ключевые слова: управление, промысел, минимизация, «не работающие» решения. Key words: management, fishing, minimization, not working solution Эффективность промыслового флота, занимающего важное место в промышленности Российской Федерации, во многом зависит как от качества процесса судовождения, так и от качества выполнения промысловых операций. Одна промысловая (производственная) авария может принести достаточно ощутимый экономический

урон рыболовной компании, а отдельные аварии способны привести вообще к трудно оцениваемому социальному и экономическому ущербу. Постоянный рост потерь при навигационных и производственных авариях заставляет, сформулировать возможный вектор технического и организационного развития.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

В соответствии с этим вектором перспективными признаны следующие направления. Первое - предусматривает конструктивные мероприятия по улучшению управляемости судна с орудием лова и представление подробной информации для капитана о маневренных качествах такой промысловой системы. Второе должно быть ориентировано на повсеместное оборудование промысловых судов современными экспертными системами. Третье связано с разработкой и созданием специализированных технических средств подготовки промысловиков-судоводителей, учитывающих весь спектр действия внешней среды на судно и прогнозирующих как траекторию судна с орудием лова, так и их положение на предсказанной траектории. Четвертое предусматривает дополнительные организационные мероприятия, связанные с разработкой наставлений и рекомендаций по безопасному маневрированию судна с орудием лова в сложной обстановке и откорректированные с учетом практического опыта наиболее квалифицированных судоводителей [1, с. 175]. Однако в состав выделенных направлений не включено еще одно возможное направление - повышение эффективности промысла путем снижения количества «не работающих решений», возникающих в процессе ведения промысла и принимаемых при управлении состоянием промысловой операции. В общем случае последовательность принятых судоводителем-промысловиком решений, включающих как работающие, так и «не работающие» решения формируется в условиях, когда ограниченно временное резервирование и ощущается недостаток навигационной и промысловой информации. Эти условия требуют от судоводителя промысловика быстрой реакции, способности практически мгновенно находить решение в сложной промысловой обстановке, выбирая из множества альтернатив наиболее эффективную альтернативу. Однако принятие решений в условиях ограниченного временного резервирования и отсутствия полной информированности судоводителя промысловика всегда происходит с ошибками в части идентификации причинно-следственных связей. Такие ошибки в первую очередь обусловлены психофизическим состоянием лица, принимающего решение – судоводителя-промысловика. Для уменьшения вероятности появления «не работающих решений» в процессе управления состоянием

промысловой операции судоводитель-промысловик должен обладать целым рядом необходимых психофизических качеств. К таким качествам в первую очередь следует отнести:  устойчивость внимания при одновременном умении распределять его на несколько объектов;  уменье быстро переключать внимание с одного объекта на другой и концентрировать внимание на основном из них;  пространственное мышление;  устойчивость психики и умение сохранять ранее приобретенные навыки в экстремальных промысловых ситуациях;  способность осмысливать и оценивать альтернативы в сложных условиях промысла;  самокритичность и понимание ограниченности своих возможностей. К настоящему времени не существует каких-либо рекомендаций, связанных с повышением эффективности промысловых операций при минимизации количества «не работающих решений» кроме общих требований к психофизическому состоянию судоводителя промысловика и их использовании при разработке и внедрении его стереотипов производственного поведения. Однако предлагаемые стереотипы производственного поведения, как правило, носят описательный характер, не позволяя осуществлять физически реализуемый выбор наиболее эффективного из них. Для ликвидации такого пробела составим общую структуру промысловой операции, привлекая для этого направленный граф Γ(W,V), обладающий циклической топологией (геометрией) (Рис.1).. В этом графе вершинами W являются такие элементы как объект лова, субъект (промысловик) и система лова (судно – орудие лова). Ребра графа V фиксируют информационные и силовые связи между отдельными элементами. Из приведенного графа можно выделить отдельный процесс, который включает прием и обработку промысловиком информации I от объекта лова и системы лова с преобразованием ее в решения и последующие управления U. Необходимо отметить, что в графе предусмотрена возможность изменения состояния объекта лова за счет воздействий ξ на него системы лова.

I Объект лова

I Промысловик

Система лова U

Рис.1. общая структура промысловой операции Известно, что субъективный механизм выбора решений у промысловика и соответственно используемые им управления (далее просто решения) способен генерировать как работающие, так и «не работающие решения» [2, с. 75-78]. Подобное явление можно объяснить в первую очередь свойством двойственности у состояния принимаемого решения (работающие и не работающие). Такое

свойство обусловлено особенностями, присущими структуре предпочтений у судоводителя промысловика [3, с. 247-250]. Свойство двойственности принимаемых решений обладает случайным характером и позволяет оценивать вероятность появления «не работающего» решения,

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

например, с помощью функции готовности судового специалиста к принятию как «не работающих», так и работающих решений. Вполне очевидно, что для повышения эффективности промысловой операции необходимо судоводителю промысловику использовать такой стереотип поведения, при котором поток управлений, соответствовал бы минимальному количеству принятых и «не работающих» решений. Поэтому далее будем рассматривать влияние «не работающих решений» на эффективность процесса управления состоянием промысловой операции. Пусть при управлении промысловой операцией задана последовательность возможных потерь y = {yi}, от принятых (j = 1, n) «не работающих решений», которые были использованы судоводителем промысловиком. Кроме того, пусть в соответствии со свойством двойственности принимаемых решений известна выгода от каждого использованного работающего решения z ={zj}, (j = 1, n). Тогда в качестве показателя эффективности процесса управления состоянием промысловой операции для i-го количества двойственных решений принятых судоводителем промысловиком при условии его «наилучших намерений», можно использовать следующую функцию:

η = max | ci ( zi - yi)|

(1)

где ci – весовые коэффициенты. В общей постановке решение задачи по оценки эффективности процесса управления состоянием промысловой операции при выбранной выше функции η далеко неоднозначно. Поэтому, чтобы устранить неоднозначность оценки (1) перейдем от функции η к минимальной оценочной функции, которую математически можно представить так: ηm = min max | ci ( zi - yi) (2) i

при ограничениях вида:

yi  0.

(3)

В тоже время, принимая во внимание возможные потери y = {yi} от принятых «не работающих решений», общая задача (2) и (3) свести к безусловной минимальной задаче с заданной функцией вида: n

η λ(x)= min max | (zi - yi )| + Σ λ yi δi(y),

Технические науки

(4)

i=1

где второй член в правой части выражения (4) является общей величиной не производительных затрат, за все принятые «не работающие решения», а функция δk(x) будет определяться следующим образом: 0, если yi  0, δi(y)= (5) 1, если yi  0, а λ – достаточно большой множитель не производительных затрат. Рекомендуемая для оценки качества процесса управления промысловой операцией функция η λ(x), как правило, является негладкой и поэтому для минимизации выражения (4) следует применять обобщенные градиентные методы. Однако и в этом случае процесс минимизации функции (4) связан с большими трудностями, обусловленными в первую очередь ее физической природой. Так функция η

может обладать не только не гладкостью, но и являться еще овражной. Подобные свойства функции η λ(x) объясняются тем, что стоимостная величина zi для работающих решений должна формироваться при достаточном большом количестве ограничений накладываемых на субъективный механизм выбора решений вообще. Основным источником ограничений в данном случае следует считать требования, свойственные принципу «наилучших намерений», а так же требования, связанные с субъективными представлениями, касающимися механизма выбора. Для количественной оценки качества управления состоянием промысловой операции, при наличии «не работающих решений» в рамках выражений (4) и (5), следует использовать специально разработанные обобщённые градиентные методы, причем соответствующие алгоритмы подробно описаны в работе [4, с. 57-64] (применительно к задачам минимизации гладких функций) и в работе [5, с. 43-54] (применительно к решению минимальных задач). В тоже время простейший качественный анализ выражения (4) показывает, что общая величина не производительных затрат явно зависит от двух параметров: достаточно большого множителя λ и величин yi, а функция δi(y) формирует количество принятых судоводителем промысловиком не работающих решений. Следовательно, общие не производительные затраты, определяющие эффективность процесса управления промысловой операцией при наличии «не работающих решений», практически пропорциональны количеству таких решений. Таким образом, безусловная минимальная функция вида (4) с учетом функции (5) может быть использована в качестве меры при сравнительной оценке стереотипов и выбору одного, более перспективного из них, для обеспечения эффективного управления состоянием промысловой операции. Выбор перспективного стереотипа из множества альтернатив позволит снизить не производительные затраты и повысить эффективность процесса управления промысловыми операциями при наличии в нем «не работающих решений». Литература 1. Эксплуатация добывающего судна в навигационно-промысловых структурах / А. Н. Анисимов, В. И. Меньшиков, В. Я. Сарлаев; под общ. ред. В. И. Меньшикова. – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2009. 175 с. 2. Никитцев, К. В Непрерывность причинно-следственных связей и ее влияние на характер выбранного решения / К. В. Никитцев, В. В. Шутов, В. И. Меньшиков // Рыбное хозяйство-2012.-№ 6.C.75-78. 3. Ключко Д.В. Доминируемые и недоминируемые риски при разрешении проблемной навигационной ситуации / Д. В. Ключко, А. А. Сиротюк, В. И. Меньшиков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. - № 1, С. 247 – 250. 4. Шор Н. З Метод минимизации, использующий операцию растяжения пространства в направлении разности двух последовательных градиентов / Н. З. Шор Н. З, Н. Г. Журбенко // Кибернетика. 1971. - № 3, С. 57 – 64. 5. Шор Н. З., Шабашова Л. П. О решении минимаксных задач методом обобщенного градиентного спуска с растяжением пространства / Н. З. Шор, Л. П. Шабашова // Кибернетика. 1972. - № 1, С 43 – 54. λ(x)

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ВЛИЯНИЕ ГИДРОГЕЛЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ВИТАМИНА С В ЯГОДАХ ПРИ ХРАНЕНИИ

Шаталова Александрина Сергеевна студент, Университет ИТМО, г. Санкт – Петербург Шаталов Иван Сергеевич аспирант, Университет ИТМО, г. Санкт – Петербург Шлейкин Александр Герасимович доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой химии и молекулярной биологии Университет ИТМО, г. Санкт – Петербург

INFLUENCE OF HYDROGEL ON VITAMIN C CONTENT IN BERRIES DURING STORAGE Alexandrina Shatalova Student ITMO University Ivan Shatalov, Candidate of Science ITMO University Aleksander Shleikin, Candidate of Science, Head of the Department of Chemistry and Molecular Biology ITMO University АННОТАЦИЯ. В настоящее время актуальной научно-технической и народно-хозяйственной задачей является разработка cпособов консервирования, обеспечивающих равномерное обеспечение населения плодовощной продукцией в течение всего года. В данной работе разрабатывался способ консервирования, основанный на желирующей способности пектина и желатина. Данный метод консервирования позволит увеличить сроки хранения ягод, сохранить их витаминную активность, органолептические и структурные свойства. ABSTRACT. At present, the topical scientific, technical and economic problem is to develop a process for preservation to provide the population with fruits and vegetables during the year. In this paper preservation method based on gelling ability of pectin and gelatin was developed. This method of preservation will increase the shelf life of fruits and save their vitamin activity, organoleptic and structural properties. Ключевые слова: консервирование ягод, пектин, желатин Keywords: berries preservation, pectin, gelatin В настоящее время состояния пищевой и перерабатывающей промышленности РФ не отвечает современным требованиям, так как обеспеченность населения РФ плодоовощной продукцией собственного производства не превышает 50-60 %, а фруктами – 20-25 % от потребности в течение года. Одна из причин низкой эффективности пищевой отрасли – высокие потери продукции на пути от производителя до потребителя, достигающие 35-40 % общего объёма сельскохозяйственного производства, как в результате усушки плодов и овощей, так и в результате микробиологической порчи [1, с.8]. Кроме этого нерешёнными задачами современности являются проблемы утилизации вторичных ресурсов и отходов пищевых производств, богатых биополимерами (малоценными белками, полисахаридами и пр.), а также снижение экологической нагрузки на окружающую среду. Таким образом, актуальной научно-технической и народно-хозяйственной задачей является разработка cпособов консервирования, обеспечивающих равномерное обеспечение населения плодовощной продукцией в течение всего года. Настоящая работа посвящена разработке способа консервирования ягод на основе пектиновых и желатиновых гидрогелей. В качестве плодово-ягодной культуры была выбрана смородина, так как она пользуется большим спросом у населения, однако является сезонным продуктом. Известно, что отходами соковой продукции являются пектиновые вещества. Они, в отличие от других полисахаридов второго порядка, построены из остатков галактуроновой кислоты, являющейся продуктом окисления глюкозы.в основе структуры пектиновых веществ лежит цепь из остатков D- галактуроновой кислоты, соединенных между собой 1, 4 – гликозидными связями. Пектин является сложным эфиром метилового спирта и пектиновой кислоты. Он относится к веществам, которые усваиваются в организм, так как под действием фермента пектиназы подвергаются гидролизу до простейших компонентовсахара и тетрагалактуроновой кислоты. Пектин

способствует снижению уровня холестерина в организме человека[2, c. 16] К тому же известно еще одно свойство пектинов, которое привлекает особое внимание – способность образовывать нерастворимые комплексные соединения с такими поливалентными металлами, как стронций, кобальт, ртуть, кадмий, хром, цинк. Пектины способны выводить из организма стронций[3, c. 81]. Учитывая важное пищевое, биологическое и физиологическое значение пектиновых веществ, рекомедуется их использование в рационе питания взрослого человека в количесвте не менее 25 г в сутки. Гелеобразующие свойства пектина позволяют использовать его в качестве желирующего компонента. Его пролонгирующие свойства позволяют его использовать в пищевом, фармацевтическом производстве. В промышленности выпускается цитрусовый, яблочный и свекловичный пектин[4, с. 441]. Помимо пектина в состав также входит желатин и лимонная кислота, которая служит загустителем для пектина и является консервантом. В работе использован состав гидрогеля на основе пектина и желатина. На предварительных этапах было апробировано несколько вариантов сочетаний компонентов, из которых в конечном итоге был выбран один, обеспечивающий наиболее приемлемые потребительские характеристики гидрогеля. Материалы и методы В экспериментах использовался желатин свиной (ООО Нордена), яблочный пектин (ООО Старвел Интернешнл), сахар (ООО РТ Бакалея), лимонная кислота (ООО Цикория С.А.). Приготовление гидрогелей В работе использована рецептура гидрогеля представленного в таблице 1, в качетве контрольного образца были взяты ягоды смородины.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Таблица 1

Рецептура гидрогеля(в %) Компонент Пектин Желатин Сахар Лимонная кислота Вода Желатин тщательно растворяли в воде при температуре 55 - 60 оС, пектин - 60-70 оС. Далее вносили сахар. Смесь тщательно перемешивалась, после чего добавлялась лимонная кислота. Далее смесь внось тщательно перемешивается, после чего охлаждается до температуры 25 о С. Ягоды тщательно промывались, просушивались, распределялись в формы. После этого полученная смесь распределялась по формам так, чтобы ягоды были полностью погружены в гидрогель. Влияние исследуемого материала на изменение витамина С при хранении. Витамин С рассматривается как один из самых необходимых компонентов для жизнедеятельности организма человека. Его недостаток в питании оказывает существенное влияние на реактивность организма, его за-

Опыт 6 4 6,1 0,22 остальное щитные механизмы, сопротивляемость инфекционным заболеваниям и устойчивость к тем или иным неблагоприятным факторам внешней среды. Однако, витамин С очень лабилен и легко разрушается в результате окисления, воздействия температуры, сушке на свету. Образцы в гидрогелях (опытные) и контрольные образцы хранятся в холодильной камере при температуре от 0 до -6 оС и относительной влажности 60–65 % в течение месяца. Витамин С определяется титрованием краской Тильманса через 3, 14, 30 дней после закладки на хранение. Далее вычисляется количество витамина С. Обсуждение результатов и заключение В ходе экспериментов были получены данные о содержании витамина С в образцах, хранящихся в гидрогелях и в контрольных образцах. Результаты изменения витамина С представлены в таблице 2.

Изменение витамина С в процессе хранения, мг/100г Количество прошедших дней после закладки Образец на хранение 0 35 3 34 14 33,5 30 33

Таблица 2 Контроль 35 20 15 13

Более наглядно полученные данные представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Изменение витамина С при хранении Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что данный способ консервирования позволяет сохранить витаминную активность ягод. Список литературы 1. Сизенко Е.И. Неотложные задачи пищевой и перерабатывающей промышленности // Хранение и переработка сельхозсырья, 2009, № 6, С. 8-10. 2. Филиппов В.И., Кременевская М.И., Куцакова В.Е. Технологические основы холодильной технологии

пищевых продуктов: учебник для вузов – СПб.: ГИОРД, 2014. – 576 с. 3. Нестеренко В.Б. Радиационный мониторинг жителей и их продуктов питания в Чернобыльской зоне Беларуси. Серия: “Чернобыльская катастрофа”. Информационный бюллетень No 21. - Мн., 2001. – 135 с. 4. Донченко Л.В., Надыкта В.Д. Безопасность пищевой продукции: Учебник. 2-е издание, перераб. и доп. – М.: ДеЛи принт. – 2005. – 539 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ НАКОПИТЕЛЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНА

Донченко Анатолий Владимирович Канд. техн. наук, ст. н. с., директор Государственного предприятия «Украинский научно-исследовательский институт вагоностроения» (ГП «УкрНИИВ»), г. Кременчуг, Украина Сулим Андрей Александрович Мл. научный сотр. ГП «УкрНИИВ», г. Кременчуг, Украина

DETERMINATION OF THE STORAGE DEVICE CAPACITY AT EMERGENCY CONDITIONS IN THE METRO SUPPLY SYSTEM Donchenko Anatoly, Ph.D. in Engineering Sciences, senior researcher associate, director of State Enterprise «Ukrainian Research Car Building-Institute», Kremenchug, Ukraine Sulim Andrey, junior researcher associate of State Enterprise «Ukrainian Research, Car Building-Institute», Kremenchug, Ukraine АННОТАЦИЯ Установка емкостного накопителя энергии на поезде метрополитена позволяет решить проблему его вывода из туннеля при аварийном отключении напряжения в контактной сети. Актуальным вопросом при этом является расчет энергоемкости накопителя. Целью данной статьи является проверка достоверности ранее разработанной методики по определению энергоемкости накопителя. В статье выполнены теоретические и экспериментальные исследования по определению необходимой энергоемкости накопителя на заданном участке пути. По результатам сравнительного анализа исследований подтверждена достоверность разработанной методики. ABSTRACT Installation of the capacitive storage on the metro train helps to solve a problem concerning leading it out the tunnel at power supply disconnection in the contact line. However an important issue is a calculation of the storage capacity. The purpose of this article is to check the validity of earlier developed method for the storage capacity determination. Theoretical and experimental researches for storage capacity determination on the specified track section were made in the article. The developed method validity was confirmed according to the comparative analysis of research works. Ключевые слова: емкостной накопитель электроэнергии, поезд метрополитена, энергоемкость, аварийный режим. Key words: capacitive storage of electricity, subway trains, power consumption, emergency mode. Метрополитен является наиболее экономичным, скоростным, экологическим и, как следствие, перспективным видом городского транспорта в городах-мегаполисах на весьма длительный период [1, с. 5]. В настоящее время происходит постоянное развитие и расширения сети метрополитена. Кроме того, метрополитен имеет наибольшие перевозные возможности по сравнению с другими видами городского транспорта [1, с. 5]. К примеру, пассажиропоток на КП «Киевский метрополитен» за 2013 год составил 536,2 млн. пассажиров, что составляет около 50 % от общего количества перевозимых пассажиров в городе. Исходя из чего, к метрополитену предъявляются особые требования с точки зрения безопасности движения и энергоснабжения [4, с. 29]. Однако, как показывает практика, несмотря на то, что метрополитен является потребителем первой категории, в его системе тягового энергообеспечения (СТЭ) все же происходят аварийные ситуации. Зачастую при возникновении аварийных ситуаций в СТЭ проходится эвакуировать пассажиров из поезда метрополитена, находящегося в туннеле, что не является комфортным и безопасным для пассажиров. На сегодняшний день проектируемые и вновь создаваемые вагоны метрополитена предусматривают наличие мест для инвалидов. Таким образом, эвакуация пассажиров значительно усложнится при наличии инвалидов в салонах вагонов метрополитена. В настоящее время вагоны метрополитена оборудованы резервным источником питания для собственных нужд – аккумуляторной батареей, которая не обеспечивает вывод поезда из туннеля к ближайшей станции при аварийном отключении напряжения в контактной сети. Проблема вывода поезда из туннеля при аварийном от-

ключении напряжения в контактной сети является актуальной с точки зрения безопасной и комфортной эвакуации пассажиров. Решить вышеуказанную проблему можно установкой емкостного накопителя электроэнергии (ЕНЭ) на борту поезда метрополитена [1, с. 8; 4, с. 29; 5, с. 99]. Одним из важных и актуальных вопросов при возникновении аварийного снятия напряжения контактной сети является расчет энергоемкости накопителя с учетом реальных условий эксплуатации поезда [3, с. 219]. Анализ данного вопроса позволил установить, что к наиболее значимым условиям, которые влияют на необходимую энергоемкость ЕНЭ, можно отнести следующие: профиль пути, загрузка электропоезда, режим ведения поезда (ограничение максимальной и поддержание заданной скорости движения). В работе [3, с. 224] разработана методика, позволяющая выполнять расчеты необходимой энергоемкости накопителя с учетом вышеуказанных условий. Суть методики расчета состоит в проверке условия обеспечения движения поезда по наибольшему уклону с минимальным ускорением, а также определения энергоемкости ЕНЭ при заданном профиле пути и режиме движения поезда. Исходным условием перед проведением расчетов считается, что накопитель заряжен до определенного уровня. Входными параметрами для расчета энергоемкости ЕНЭ при возникновении аварийного отключения питания в СТЭ метрополитена являются данные режима ведения поезда в виде массивов; данные значений, характеризующие параметры поезда и ЕНЭ; параметры профиля пути. В виде массива: значения коэффициента задания силы тяги (торможения) (kтяги (kторм)), скорости движения поезда (V) и коэффициент полезного действия (КПД) тягового двигателя (ηТД).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Параметры поезда и ЕНЭ в виде значений: масса поезда (m), КПД тяговой передачи – инвертора и редуктора (ηинв., ηред.), среднее напряжение на ЕНЭ (Uен), минимальное ускорение на наибольшем подъеме (amin), коэффициенты для расчета основного сопротивления движению (a, b, c), максимальное значение силы тяги (торможения) (Fmax (Bmax)), коэффициент инерции вращающихся масс (1+γ). Параметры профиля пути: общая длина перегона (s), количество участков (N), длина каждого участка (l1…N), уклон каждого участка (і1…N), наличие кривых на каждом из участков (да/нет), в случае наличия кривых на участке указывается их количество (k), для каждой из кривой – длина (sкр1…k) и радиус (Rкр1…k), ограничение скорости движения на участках (Vmax), наибольший подъем на перегоне (i), допустимое отклонение от длины спрямленных участков пути (± Δl). Основными расчетными параметрами данной методики являются: пройденный путь при изменении скорости (Δs1…N), текущий пройденный путь (Δsi), время движения поезда при изменении скорости (Δt1…N), текущее время движения (Δti), средние значения мощности на ободах колес при изменении скорости (Рcp1…N), средние значения токов потребления и рекуперации в накопитель (ΔIcp1…N), расход электроэнергии (А1…N), общий пройденный путь (s) и общее время движения по перегону (t), общие значения тока в режимах тяги и рекуперации (Icp тяги(рек)), общий расход электроэнергии в режимах тяги и рекуперации (А тяги(рек)), необходимая энергоемкость накопителя (А). Расчет пройденного пути при изменении скорости, а также текущего пройденного пути выполняется по выражениям [3, с. 220]:

Δs1...N 

m(1  γ)(Vi211...N  Vi21...N ) 25,92(F(B)cp1...N  Wосн.1...N  Wі1...К)

;

s і  s і - 1  Δs i ,

где FВ cp1...N 

(1) (2)

(k i Fmax (Bmax )  k i1Fmax (Bmax )) ; 2

(Vi  Vi1 ) ; 2 2 Wосн.1...N  (aVср1...N  bVср1...N  c); Wі1...К  9,81 m  i1...К ,

Vcp1...N 

K ‒ количество участков после спрямления пути. Расчет времени движения при изменении скорости, а также текущего времени движения выполняется по выражениям [3, с. 222]:

Δt1...N 

m(1  γ)(Vi11...N  Vi1...N ) ; 3,6(F(B)ср1...N  Wср1...N  Wi1...K )

(3)

t і  t і-1  Δt i .

(4) Средние значения мощности на ободах колес при изменении скорости вычисляются по выражению [3, с. 222]::

Pcp1...N 

F(B) cp1...N  Vcp1...N 3,6

Технические науки

(5)

Расчет средних значений токов потребления и рекуперации в накопитель осуществляется по выражениям [3, с. 222]:

ΔІ cp1...N 

1000Pcp1...N U ен ηинв. ηТД1...Nη ред.

; (6)

ΔІ cp1...N 

1000Pcp1...Nηинв. ηТД1...Nη ред. U ен

(7)

Расчет расхода электроэнергии выполняется по выражению [3, с. 222]:

А1...N 

ΔІ cp1...NU ен Δt1...N 3,6 10 6

(8)

Расчеты общих значений пройденного пути, времени движения, среднего потребляемого тока и электроэнергии в режимах тяги и рекуперации выполняется по выражениям [3, с. 223]: (9) S  s1  s 2  ...  s N ;

t  t1  t 2  ...  t N ;

1 N І ср.тяги рек     ΔI срi  t i ; t i1 А тяги(рек)  A1  A 2  ...  A N .

(10) (11) (12)

Выбор необходимой энергоемкости ЕНЭ при аварийном движении поезда по заданному профилю пути осуществляется по условию: (13) A  А тяги(рек) . Актуальным вопросом при этом является проверка достоверности результатов расчетов, выполняемых с помощью разработанной методики. Таким образом, определение необходимой энергоемкости ЕНЭ в реальных условиях эксплуатации поезда метрополитена имеет практический интерес. Цель статьи – экспериментальное определение необходимой энергоемкости ЕНЭ для обеспечения вывода поезда из туннеля к ближайшей станции при аварийном отключении напряжения в контактной сети. Экспериментальные исследования проведены с использованием испытательного комплекса, в состав которого входит опытный образец и измерительная система, установленная на его борту. Блок-схема испытательного комплекса изображена на рис. 1. Опытный образец представляет собой пятивагонный модернизируемый поезд с асинхронным тяговым приводом производства ПАО «КВСЗ», в котором головные вагоны – безмоторные, промежуточные – моторные (комплектация 3М + 2П). Головные вагоны укомплектованы блоками собственных нужд (БСН), которые соединены с токоприемниками (ТК) через автоматические выключатели (АВ). Установленные БСН обеспечивают питанием нетяговое электрооборудование поезда. Основными функциями АВ являются подключение цепи питания нетягового электрооборудования к контактной сети и ее защита при возникновении аварийных ситуаций. Установленные на головных вагонах ТК обеспечивают контакт электрооборудования собственных нужд поезда с контактной сетью. Промежуточные вагоны укомплектованы асинхронными тяговыми двигателями (АТД) типа MB-5149-A на каждой оси колесной пары со следующими номинальными параметрами: Рн = 150 кВт; Uн = 610 В; Iн = 185 А; fн = 65 Гц, ηн = 0,91; nн = 1900 об/мин; sн = 2,4 %.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 1. Блок-схема испытательного комплекса Асинхронные ТД получают питание от автономных тяговых инверторов (АТИ), имеющих блочно-модульную конструкцию. Тяговые инверторы обеспечивают плавное регулирование частоты вращения асинхронных ТД. Один АТИ обеспечивает управление четырьмя АТД. Конструкция инвертора также предусматривает рекуперативное торможение при наличии потребителя в сети и электродинамическое торможение с помощью блоков резисторов (БР) при отсутствии потребителей на линии. Инверторы соединены с ТК через быстродействующий выключатель (БВ) и главный выключатель (ГВ). Выключатели (БВ, ГВ) установлены на каждом промежуточном вагоне с целью подключения силового электрооборудования (АТИ, АТД) к контактной сети и его защиты при возникновении аварийных ситуаций в силовой цепи. Установленные на промежуточных вагонах ТК, обеспечивают обмен электроэнергии между сетью и вагонами в режимах потребления и рекуперации. Измерительная система разработана ведущими специалистами ГП «УкрНИИВ» для исследования энергообменных процессов между контактной сетью и поездом в реальных условиях его эксплуатации. В состав измерительной системы входят: персональный компьютер (ПК), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок коммутации (БК), блок согласования (БС), измерительные датчики и блок питания (БП). В качестве измерительных датчиков используются: одиннадцать датчиков тока (ДТ1-ДТ11), два датчика напряжения (ДН1-ДН2) и датчик скорости (ДС). Контроль потребляемого тока на собственные нужды осуществляется ДТ1 и ДТ5, контроль общего тока потребления на

тягу и рекуперацию выполняется ДТ2-ДТ4, контроль тока при электродинамическом торможении соответственно ДТ6-ДТ11. Контроль напряжения контактной сети осуществляется с помощью ДН1 и ДН2. Измерение скорости электропоезда осуществляется с помощью ДС. Питание датчиков обеспечивает блок питания (БП) постоянного тока напряжением ± 15 В. Для согласования типа и уровня выходного сигнала ДС с входным каналом АЦП используется БС. Сигналы с выходов измерительных датчиков через БК поступают на входные каналы АЦП, который выполняет функцию преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму для дальнейшей обработки и анализа на ПК. Обработка данных на ПК осуществляется с помощью аттестованного программного обеспечения разработанного специалистами ГП «УкрНИИВ» [2]. Измерительная система предусматривает получение, отображение и сохранение данных, полученных от измерительных датчиков, которые установлены на опытном поезде. Данная система универсальна, поскольку применима для исследований практически на всех типах электроподвижного состава. Теоретические и экспериментальные исследования по определению необходимой энергоемкости ЕНЭ выполнены при движении поезда в аварийном режиме на участке пути Святошинско-Броварской линии КП «Киевский метрополитен». С использованием разработанной методики выполнены расчеты необходимой энергоемкости ЕНЭ при следующих входных данных: m=262 т; (1+γ)=1,06; F(В)max=320 кН; Uен=400 В; ηинв.=0,96; ηред=0,98; і=5 ‰;

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

ляет 1199 метров. Участок состоит из трех элементов: первый – длиной 127 метров (подъем 3 ‰) без наличия кривых; второй – длиной 323 метра (спуск 3 ‰) без наличия кривых и третий – длиной 754 метра (подъем 5 ‰) без наличия кривых.

аmin=0,08 м/с2; Δl=±20 м; а=0,00189; b=0,03942; c=2,22. Аналогичные входные данные использованы при экспериментальных исследованиях. Рассматриваемый профиль пути представлен на рис. 2. Общая длина участка до выезда из туннеля состав-

3‰

121

323

Технические науки

5‰ 754 1198

Рисунок 2. Профиль пути, который необходимо преодолеть поезду метрополитена для выезда из туннеля кости ЕНЭ для 3 режимов ведения поезда. Результаты теоретических расчетов общего пройденного пути, общего времени движения, общих значений токов и расхода электроэнергии в режимах тяги и рекуперации приведены в табл. 2. Экспериментальные исследования проведены с применением испытательного комплекса (рис. 1). Осциллограммы напряжения контактной сети и тока поезда для одного из режимов ведения на исследуемом участке приведены на рис. 3.

При движении по исследуемому участку реализовано несколько записей с различными заданными режимами ведения поезда. Всего реализовано 3 записи: 1 запись для поддержания скорости движения поезда 20 км/час; 1 запись – для поддержания скорости 30 км/час; 1 запись – для поддержания скорости 40 км/час. Режимы ведения поезда по заданому участку приведены в табл. 1. На основании приведенных данных по разработанной методике выполнены расчеты необходимой энергоем-

Uкс, В I Ʃ, А Ток поезда

5000

Напр. конт. сети

4000 IƩ(t)

3000 2000

Uкс(t) 1000 0 0

100 110 120 t, c

-1000 -2000

Рисунок 3. Осциллограммы напряжения контактной сети и тока поезда Таблица 1

Режимы ведения поезда метрополитена на исследуемом участке № записи 1

Заданный режим ведения поезда метрополитена kтяги

0,32

0,22

-0,53

V, км/час

0-21

21-23-15

15-20

20-15

15-22

22-15

0,69

0,823

0,827

15-19 0,823

kтяги

0,8

0,5

-0,08

-0,42

20-15 -

19-0

ηТД

15-20 0,823 -

V, км/час

0-32

32-33-25

25-36

36-25

25-0

ηТД

0,802

0,875

0,767

kтяги

0,83

0,62

-0,45

-0,6

V, км/час

0-44

44-33

33-45

45-40

40-30

30-0

ηТД

0,833

0,906

0,755

0,69

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Для каждой реализованной записи определены следующие параметры: средний потребляемый ток в режиме тяги ( I ср.тяги ); средний ток в режиме торможения (

Для каждой записи определены значения количества потребляемой и рекуперируемой электроэнергии по выражениям:

A тяги 

I ср.рек ); среднее напряжение контактной сети в режиме тяги ( U кстяги ); среднее напряжение контактной сети в режиме торможения ( U ксрек ); длительность движения поезда в режиме тяги ( t тяги ); длительность движения в режиме торможения ( t торм ).

A рек 

I тяги  U кстяги  t тяги ; 3600 1000 I торм  U ксторм  t торм

3600  1000

Исследование

;

(15)

Сравнительный анализ результатов, полученных на основании теоретических и экспериментальных исследований, приведен в табл. 2.

Сравнительный анализ результатов Выходные и рассчитанные данные № записи

(14)

Таблица 2

S, м

t, с

Iср.тяги, А

Aтяги, кВт∙час

Aрек, кВт∙час

Теоретическое

1191

236,1

94,9

5,45

-0,73

Экспериментальное

1198

241,5

95,6

5,7

-0,7

Процентное отношение, %

0,6

2,2

0,7

4,4

4,1

Теоретическое

1183,8

153,5

187,9

6,83

-1,44

Экспериментальное

1198

153,5

194,6

6,99

-1,38

Процентное отношение, %

1,2

3,4

2,3

2,8

Теоретическое

1157

116,9

403,6

10,8

-3,75

Экспериментальное

1198

120,0

399,8

10,97

-3,64

Процентное отношение, %

3,4

2,6

0,9

1,5

2,9

Анализ результатов исследований (табл. 2) позволил установить, что для заданных режимов движения электропоезда метрополитена и заданного профиля пути необходимая величина энергоемкости накопителя должна составлять не менее чем 5,7; 6,99; 10,97 кВт·час соответственно при поддержании скоростей следования 20 км/час; 30 км/час; 40 км/час. Выводы. Разработанный испытательный комплекс позволил определить необходимую энергоемкость ЕНЭ для вывода поезда из туннеля при различных режимах его ведения по заданному участку пути. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отличаются не более чем на 4,4 %. Разность, полученная по результатам теоретических и экспериментальных исследований, является незначительной, что свидетельствует о достоверности выполнения расчетов разработанной методикой. В дальнейшем необходимо определить оптимальный режим ведения поезда метрополитена, при котором будет обеспечиваться заданное время вывода поезда из туннеля до ближайшей станции и минимальное потребление электроэнергии из ЕНЭ. Список литературы: 1 Донченко А.В. До питання витрат електроенергії на тягу вагонів метрополітену КП «Київський метро-

політен» / А.В. Донченко, А.О. Сулим // Збірник наукових праць ДЕТУТ: «Транспортні системи і технології». – К.: ДЕТУТ, 2013. – Вип. № 22. – С. 5–8. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 16669. Програмний комплекс для збору, відображення, запису та подальшої математичної обробки даних з аналого-цифрових перетворювачів у комп’ютеризованих вимірювальних комплексах («ЕЛЕКТРО») / Автор Сичов С.Д., авторські майнові права належать Сичов С.Д., ДП «УкрНДІВ», дата реєстрації 19.05.2006. Сулим А.А. Расчет энергоемкости накопителя при возникновении аварийных режимов в системе энергообеспечения метрополитена / А.А. Сулим, А.И. Ломонос // Вісник Східноукраїнського національного університету імені В. Даля. – Луганськ, 2013. – Вип. 16 (205) 2013. Частина 2. – С. 219–225. Шевлюгин М.В. Система накопления энергии на вагоне метро для аварийного вывода поезда из туннеля / М.В. Шевлюгин, К.С. Желтов // Журнал «Наука и техника транспорта». – Москва, 2006. – Вып. № 3. – С. 29–32. Щуров Н.И. Применение накопителей энергии в системах электрической тяги / Н.И. Щуров, К.В Щеглов, А.А. Штанг // Сборник научных трудов НГТУ. – Новосибирск, 2008. – Вып. № 1 (51). – С. 99–104.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ПРОЕКТИРОВАНИЕ САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИХСЯ ЭКРАНОПЛАНОВ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ «УТКА»

Суржик Виталий Витальевич доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения ИрГТУ, Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск

АННОТАЦИЯ Приведены результаты комплексного подхода к проектированию экранопланов с оптимизацией по максимальным несущим свойствам крыльев при движении над экраном, по максимальному аэродинамическому качеству экраноплана и определению положения центра тяжести для устойчивой схемы в соответствии с патентом. Ключевые слова: экранопланы; самостабилизация; транспортная система. При проектировании любого движущегося объекта необходимо создавать его формализованное представление в виде системы, служащей для описания и понимания законов функционирования и изменения его структуры, в целях получения в результате исследований такого объекта, который способен решать проблему наилучшим образом в соответствии с заданными критериальными оценками. Причем адекватность создаваемой математической модели предусматривает ее способность отражать заданные свойства объекта с погрешностью, не выше заданной. Кроме того, создаваемая математическая модель должна обладать свойством целостности, связности и эмерджентности. На процесс создания технической системы огромное влияние оказывают факторы конструктивного, информационного, структурного, функционального, энергетического, технологического и организационно-экономического характера. Такое обилие требований к созданию объектов техники предопределило появление и развитие системного анализа (СА). При этом большую систему необходимо рассматривать как интегрированные элементы со связями в пространстве и во времени, объединенные с целью достижения максимальной эффективности всей системы и при гармоничном сочетании, возможно, и противоречивых целей ее составных частей. Система изучается, как извне, так и изнутри, причем изучение извне означает рассмотрение взаимодействия системы с внешней средой, а изнутри непосредственно связано с изучением ее структуры и делится на задачи анализа и задачи синтеза. При проектировании объекта выделяется набор параметров, описывающих его функционирование и структурно-параметрический набор проектных параметров. Такое разделение параметров единой модели объекта на две части довольно условно, но оно полезно при разработке соответствующего программного обеспечения при разработке САПР (систем автоматизированного проектирования). Задачей математического моделирования процесса проектирования является описание процессов постановки и решение задач проектирования на основе иерархии математических моделей объекта. Необходимо разрабатывать алгоритм управления проектированием системы методом последовательной оптимизации с учетом частных критериев оптимальности. Для вычисления критериев эффективности в сложных задачах проектирования объектов новой техники современное состояние методов вычислительной техники имеет ограниченные возможности. Поэтому целесообразно переходить от глобальных критериев к иерархическим структурам взаимосвязанных частных критериев, реализация которых сводилась бы к решению значительно более простых задач. Поэтому необходима декомпозиция задачи

проектирования на ряд целевых задач различного уровня с «нижними этажами» критериев внутреннего проектирования, оценивающих качество системы проектирования, и ее подсистем различного уровня по их техническим характеристикам, то есть вести последовательную оптимизацию на каждом иерархическом уровне системы. В настоящее время с особой остротой стоит вопрос развития перевозок в регионах где есть большие и малые реки и где они пересекаются с железнодорожными и автомобильными магистралями. Логическим развитием судов на подводных крыльях являются суда на динамической воздушной подушке или экранопланы, которые будут особенно перспективными для организации круглогодичных скоростных грузопассажирских перевозок по рекам, имеющим малые глубины фарватерного хода и перекаты. Для экранопланов характерным режимом движения является полет на заданной высоте с жесткими ограничениями на параметры движения (  ( ) - угол тангажа и  ( h) - высоты задней крыла над экраном). Реализация движения экранопланов без «заброса» этих параметров возможна или путем оснащения их системами автоматической стабилизации или путем создания экранопланов самостабилизирующихся компоновочных схем (под забросом параметров понимается дальнейшее увеличение параметров после прекращения действия возмущения). По пути создания систем автоматической стабилизации для экранолетов «самолетной» схемы «Орленок» и «Лунь» пошли на фирме Р.Е. Алексеева (ЦКБ по СПК). Разработкой и созданием экранопланов самостабилизирующихся компоновочных схем занимаются ученые и инженеры Иркутской научной школы. Под самостабилизацией понимается способность экраноплана сохранять балансировочные режимы и устойчивость движения во всем диапазоне полетных скоростей при действии широкого спектра эксплуатационных возмущений без вмешательства органов управления. Самостабилизирующиеся экранопланы являются уникальными аппаратами, не имеющими аналогов в мире. Ни одна из других компоновочных схем экранопланов, строящихся и испытываемых в различных странах, не обладают свойством самостабилизации по углу тангажа, то есть способностью к самобалансировке с сохранением устойчивости движения. Использование для этих экранопланов в качестве взлетно - посадочных устройств статической воздушной подушки позволит им перемещать грузы на любых скоростях а также взлетать и садиться на относительно ровные не подготовленные поверхности. Экранопланы компоновочной схемы “Утка” могут двигаться в экранном режиме и отходить от экранирую-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

щей поверхности в каких-либо особых случаях для преодоления препятствий или для перелёта с одной акватории на другую. Эти экранопланы – высокоэффективное транспортное средство, они позволяют довести перевозимую платную нагрузку до 50% от взлётной массы со стоимостью перевозки в 3 – 4 раза ниже стоимости перевозки одного тонно-километра груза по сравнению с транспортными самолётами. Для проектирования оптимальных экранопланов, обладающих минимальным сопротивлением, максимальными характеристиками устойчивости и максимальными несущими свойствами, создано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение на базе авторских разработок. В результате использования этого комплекса могут создаваться эскизные проекты самостабилизирующихся экранопланов любого типоразмера в соответствии с заданием заказчика. Динамические характеристики

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Технические науки

экранопланов компоновочной схемы “Утка” обладают свойством автомодельности. 1. Алгоритм проектирования Экраноплан компоновочной схемы «Утка» имеет два крыла, кормовое и носовое, установленные под положительными углами атаки и на одинаковых расстояниях от экранирующей поверхности. Из графика определения зон устойчивости экраноплана схемы «Утка» в зависимости от геометрических параметров (Рис. 1.) из патента [2] выбираем их значения для устойчивого экраноплана на всех высотах над экранирующей поверхностью вплоть до полета вдали от экрана = 0,35; =4. Условно считаем, что тяга движителей (винтов или реактивная тяга) экраноплана лежит в горизонтальной плоскости с центром масс экраноплана.

S2 Зона устойчивости

2 Зона неустойчивости

L2 0

0,7

Рис. 1.

Рис. 2.

Из уравнений балансировки экраноплана [1]: ; L1 = Cу2 * L2

;

определяем площадь кормового крыла при Cу1 = 0,7 и Cу2 = 0,8 (согласно Рис. 2.). = м2. Площадь носового

S1 =

Определяем отстояния от экрана до задней кромки носового крыла в зависимости от отстояния кормового крыла при удлинениях крылье равном 2:

Определяем отстояния от экрана до задней кромки носового крыла в зависимости от отстояния кормового крыла при удлинениях крылье равном 3: =

крыла: S2 = S1 * Определяем хорды крыльев при удлинении равном 2 (двум): В1 =

= м; В2 =

Определяем потребные значения Су2 в зависимости от Су1. Значения Су1 берем из продувочных значений крыльев Рис. 2.: Су2потр. =

= м.

Определяем хорды крыльев при удлинении равном 3 (трем): В1 =

1.1.

Определение ширины фюзеляжа.

Для расчета ширины салона экраноплана использована методика расчетов салона самолета II класса.

= м.

Рис. 3. Основные размеры пассажирских сидений II класса

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Таблица 1

Ширина подлокотника, b

Длина подушки сидения до спинки, L

Ширина подушки сидения, B1

Высота сидения над полом, h

Ширина спинки, B2

Длина спинки от подушки сидения, L1

Угол отклонения спинки от вертикали, β

Высота сидения, ≈H

470

450

300

450

700

1000

Ширина прохода между блоками сидений для II класса составляет 450 мм. Расчет ширины фюзеляжа производится по следующей формуле:

B3 1080

B4 1590

H – кол-во проходов между блоками сидений; B – расстояние между подлокотниками (ширина сидения) в м; b – ширина подлокотника в м; 0.45 – ширина прохода между блоками сидений в м; 0.06 – величина зазора между подлокотником и внутренней поверхностью фюзеляжа в м; 0.12 – толщина стенки фюзеляжа в м.

; где:

Ширина блока сидений

Расстояние между подлокотниками, В

II Класс пассакласс жирского сидения

Основные размеры пассажирских сидений

N – кол-во пассажирских мест в одном ряду; K – кол-во подлокотников;

1.2. Определение длины фюзеляжа

Рисунок 4. Основные размеры пассажирских сидений II класса Длина пассажирской кабины для N пассажиров, сидящих по K человек в одном ряду, C = (N/K – 1); – количество промежутков между рядами кресел где: 1.25 – расстояние от передней перегородки до верха спинок первого ряда пассажирских сидений в м; 0.9 – расстояние (шаг) между рядами сидений в м; 1.25 – расстояние между креслами в ряду с запасными выходами; 0.25 – расстояние от задней перегородки до верха спинок последнего ряда пассажирских сидений в мм. Определяем удельный объем воздуха, приходящийся на одного пассажира. Этот объём можно упрощенно рассчитать как объём цилиндра с диамет-ром основания и высотой

1.3.

Длина кабины экипажа

Принимаем её равной 2.5 м. 1.4. Багажное отделение Багажные помещения размещаются рядом с пассажирским салоном.

Необходимый объем багажных помещений находим по формуле: Длину багажного отсека находим по формуле:

1.5. Кухня Определяем необходимый объем кухонного отсека: Определяем

длину

кухонного

отсека:

. 1.6. Туалеты Площадь пола одного туалета обычно составляет 1,6 м2. Так как ширина не должна быть менее 1 м, то можно принять длину туалетной комнаты равной 1,2 м (с учетом того, что ширина туалетной комнаты больше длины). В данном экраноплане положено иметь n туалетов, следовательно общая длина находится по ., где n – количество туалетов. 1.7. Тамбуры По ГОСТу размер одного тамбура должен составлять 1.5 м,

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

.; где р – количество тамбуров.

– площадь основного крыла, м; - удлинение крыльев. Определяем значения скоростей экраноплана при различных отстояниях экраноплана от экранирующей поверхности.

1.8. Общая длина фюзеляжа Определяем общую длину фюзеляжа

Определяем расстояние между центрами давления крыльев экраноплана:

. Примеры расчетов

– расстояние от центра давления основного крыла где до центра масс экраноплана, м; - расстояние от центра давления носового крыла до центра масс экраноплана, м; - длина фюзеляжа, м; –площадь носового крыла, м;

I. Экраноплан Gвзл = 2000 кг на 6 пассажиров Проектные данные: Gвзл. = 2000 кг. – Взлетный вес экраноплана; Gпасс. = 600 кг. – Вес пассажиров с ручной кладью (шесть пасса-жиров); V взл. = 100 км/час (27,78 м/сек.) – Взлетная скорость; V крейс. = 140 км/час (38,72 м/сек.) – Крейсерская скорость. Кормовое крыло: S1 = 47,39 м2; B1 = 4,86 м; L1 = 1,21 м. Носовое крыло: S2 = 16,6 м2; B2 = 2,88 м; L2 = 4,84 м. Фюзеляж: Lбазы = 6,05 м; Bф = 1,91 м.

Результаты расчетов приведены в таблице: Vпол. (км/час) . (потребн.) 0,2 0,5 0,8

0,7 0,42 0,36

0,336 0,84 1,34

0,5 0,36 0,257

II. Экраноплан Gвзл = 3000 кг на 12 пассажиров Проектные данные: Gвзл. = 3000 кг. – Взлетный вес экраноплана; Gпасс. = 1200 кг. – Вес пассажиров с ручной кладью (двенадцать пассажиров);

100 129,1 139,43

0,7 0,42 0,36

0,338 0,845 1,352

0,5 0,3 0,257

III. Экраноплан Gвзл = 1 000 т, (1 000 000 кг) Проектные данные: Gвзл. = 1 000 000 кг. – Взлетный вес экраноплана; Gгруз.. = 500 000 кг. – Вес перевозимого груза V взл. = 160 км/час (44,44 м/сек.) – Взлетная скорость;

110 142 153,4

0,7 0,42 0,36

0,338 0,845 1,352

0,8 0,3 0,257

Литература 1. Суржик, В.В. Структурно-параметрический синтез математических моделей экранопланов / Иркутск, 2012. 184 с. 2. Пат. № 2362693 Российская Федерация, МПК В 60V 1/08. Самостабилизирующийся экраноплан /

(метров)

0,972 2,43 3,9

Vпол. (м/сек)

Hцен.тяж (метров)

30,6 39,44 42,6

1,1 2,71 4,34

V крейс. = 220.4 км/час (61.11м/сек.) – Крейсерская скорость. Кормовое крыло: S1 = 8265 м2; B1 = 64,3 м; L1 = 15 м. Носовое крыло: S2 = 2892,8 м2; B2 = 38 м; L2 = 60 м. Фюзеляж: Lбазы = 75 м; Bф = 7,52 м.

Результаты расчетов приведены в таблице: Vпол. (км/час) . (потребн.) 0,2 0,5 0,8

27,78 35,86 38,72

Hцен.тяж

V взл. = 110 км/час (30.6м/сек.) – Взлетная скорость; V крейс. = 140 км/час (41.7м/сек.) – Крейсерская скорость. Кормовое крыло: S1 = 58.6 м2; B1 = 5.41 м; L1 = 1,12 м. Носовое крыло: S2 = 20.51 м2; B2 = 3.2 м; L2 = 4,48 м. Фюзеляж: Lбазы = 5,6 м; Bф = 3,05 м.

Результаты расчетов приведены в таблице: Vпол. (км/час) . (потребн.) 0,2 0,5 0,8

Vпол. (м/сек)

160 220,4 238

Vпол. (м/сек)

Hцен.тяж (метров)

44,44 61,21 66,11

12,86 32,15 51,4

Суржик В.В., Мухопад Ю.Ф., Ремизов С.М.; заявитель и патентообладатель Иркутск. ООО «Байкальский научно-инженерный центр». – № 2007111299; заявл. 27.03.2007; опубл. 27.07.2009, Бюл. № 21. – 2 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

РАДАР ДОПЛЕРА ОПРЕДЕЛЯЕТ ДЕФЕКТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Суторихин В.А. инженер, гл. специалист ООО «Дистанционные Индикаторы Активных Дефектов»

DOPLER RADAR DEFINES DEFECTS METALLIC OBJECT Sutorikhin Vladimir, main specialist of Remote Indicator of Active Defects Ltd. Co., Tomsk АННОТАЦИЯ Российскими специалистами открыто необычное явление. Радар Доплера позволяет обнаруживать металлические объекты, имеющие опасные дефекты. Разница сигналов от металлов без дефектов и металла с дефектами составляет 6-30 дБ. Результаты исследований включают эксперименты для стали, алюминия. ABSTRACT The Russian specialist discovery unusual phenomena. The Dopler radar allows to find the metallic objects, having dangerous defects. The difference signal from defectless metal and metal with defect forms 6-30 db. The results of the studies include the experiments for steels, aluminum. Ключевые слова: радар Доплера, акустическая эмиссия, активные дефекты, волны проводимости. Keywords: Dopler radar, the acoustic emission, active defects, waves to conductivities. Введение Много работ известных специалистов посвящено поиску дефектов металлов СВЧ полем [6,с.2,8,с.22,10,с.4,16, с.2]. Описаны эксперименты по изучению локальных поверхностных неоднородностей, которые фиксируются СВЧ сенсорами. Открытые волноводы, располагаемые недалеко от металлической поверхности (четверть длины волны), излучают падающие и принимают отраженные волны. Полупроводниковый детектор реагирует на сумму падающих и отраженных волн, регистрируя изменение коэффициента отражения при попадании в зону поверхности, отличающуюся по проводимости от предыдущих. Методом сканирования удается найти эти необычные зоны. При дальнейших исследованиях определяют степень опасности необычных зон (поверхностных трещин, окалины, расслоений). Известен другой, более надежный метод определения дефектов. Он основан на явлении Акустической Эмиссии кристаллической структурой металла, при механическом нагружении [1, с.1, 7, с.62,9, с.36,11, с.23,]. До недавнего времени полагали, что Акустическая Эмиссия проявляется только в виде кратковременных серий коротких акустических сигналов, рожденных нарушением электрических связей, образованием микротрещин, появлением колебаний плотности, распространяющихся в металле со скоростью звука. Регистрируя эти механические колебания несколькими пьезоэлектрическими сенсорами контактного типа, исследователи могут определить место возникновения колебаний, степень опасности появившегося дефекта. Многочисленные экспериментальные исследования авторов работы [3,с.654,4,с.552,5,с.1,18, с.8,19, с.8] доказывают, что вместе с появлением акустических сигналов, сопровождающих начало разрушения, возникает неизвестный ранее эффект, названный нами «эффект Горбунова». Суть эффекта заключается в том, что при появлении источников акустической эмиссии, относящихся к классу «активных» (скорость счета нарастает пропорционально первой степени роста нагрузки), происходит необычное изменение области металла вокруг источников эмиссии. Даже после прекращения механического нагружения эта область сохраняет свои необычные свойства. Если воздействовать на эту область (зону бывшей «активности») упругими колебаниями (волнами ультразвука малой мощности, до 5-10Вт/см2) можно наблюдать синхронное изменение поверхностной проводимости в спектре частот отраженного СВЧ поля, радаром Доплера (спектральную составляющую частоты ультразвука на 10-25 дБ

выше шумов). При отсутствии зон «активности» амплитуда механических колебаний поверхности от источника ультразвука указанной мощности слишком мала [19,с.10]. СВЧ сенсор частоты 33 ГГц не в состоянии обнаружить эти колебания без использования специальных узкополосных, охлаждаемых приемников. Этот эффект, впервые обнаруженный весной 1995 года, находится в противоречии с известными теориями разрушения металлических объектов [12,с.1,13,с.23,15,с.387, 20, с.160], теорией чрезвычайно короткого времени существования «заряда» внутри металла. Отличительной особенностью «эффекта Горбунова» является его время существования (регистрации). Так, если время действия «активных» источников акустической эмиссии продолжается доли секунды, то для «эффекта Горбунова» характерно время обнаружения от нескольких секунд до десятка часов. Возможности нового метода диагностики пока полностью не описаны. Нет строгой теории наблюдаемого явления. Тем не менее, разработанный авторами прибор ДИАД-1, использующий радар Доплера в качестве СВЧ сенсора, уже сейчас позволяет проводить исследования опасных дефектов металлов, может использоваться для контроля прочности движущихся деталей и узлов, значительно расширяет область применения методов неразрушающего контроля. Радар Доплера – сенсор виртуальных колебаний поверхности. Не случайно заголовок статьи содержит информацию о радаре Доплера. Специалистам известно, что используемые для дефектоскопии СВЧ сенсоры поверхностной проводимости работают на другом принципе, не относящемся к эффекту Доплера. Выходной сигнал такого сенсора не анализирует спектральный состав принимаемых волн. Происходит лишь статическая регистрация изменений коэффициента отражения при сканировании. Для «эффекта Горбунова» характерно иное. Поскольку СВЧ сенсор в этом случае неподвижен, регистрирует быстро протекающий процесс изменения поверхностной проводимости синхронно с периодическим изменением упругих колебаний, следует отнести его к радару, принимающему спектр сигналов, отличающемуся от спектра излученных. Этим свойством, как известно, отличается радар Доплера [17,с.1]. Кажется необычным, что неподвижная поверхность металла может изменять спектр отраженного СВЧ сигнала во времени. Но именно это, вновь обнаруженное явление составляет основу эффекта «Горбунова».

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Чувствительность метода. Амплитуду колебаний поверхности металла можно измерить, используя пьезоэлектрический сенсор известной чувствительности, например МА40Е9 (25-30 КВ/мм) [14, с.1]. Измеренная нами амплитуда электрического сигнала от металлической поверхности, возбуждаемой ультразвуком (50 КГц, 60В) составляет 45-50 мВ, что соответствует механическим колебаниям 16,5-18 ангстрем. Для СВЧ поля частоты 33 ГГц (   с / f  9,09 мм ), где  - длина волны мм, с- скорость света -3 1011 мм/с, сдвиг фазы на длине 18 ангстрем составит 7,9 10-7 раза относительно фазового сдвига  / 2 радиан(  / 4  с / 4 f  2,272 мм ), что соответствует минус 122 дБ (1,8*10-9/2,27*10-3=7,89 10-7=-122дБ). Измеренная амплитуда детектированной составляющей UR напряжения (RL сопротивление нагрузки 360 Ом) стоячей волны на смесительном диоде (3А121) в рабочем режиме составляет 55-60 мВ. Область поверхности возбуждаемая стоячей водной ультразвука частоты 50 КГц составляет половину длины волны (50-60 мм), что достаточно для зоны отражения (синфазного) частоты 33 ГГц (   с / f  9,09 мм ) согласно уравнению синфазного возбуждения поверхности E ( x)  sin( x) / x , где E (x) нормированная амплитуда сигнала, x - координата поверхности. Для нормальной работы радара часть излученной мощности подается на смесительный диод. Другая часть сигнала поступает на этот диод после отражения от поверхности. Максимальная амплитуда возникает при нулевом значении разности фаз падающей и отраженной волны. Относительно этого напряжения амплитуда гармоники суммарно-разностной частоты (сдвигающей фазу СВЧ) меньше на 122 дБ. Экспериментально измеренная максимальная амплитуда сигнала на нагрузке при сдвиге фаз  / 2 соответствует половине напряжения в рабочей точке (27-30 мВ). Следовательно, максимальная мощность полезного сигнала не превышает (30*10-3)2/(2х360) 1,25*10-3 мВт (38 dBm).Здесь принято условие, уровень высокочастотных составляющих сигнала амплитуды 30 мВ не превышает минус 20 дБ, что соответствует практическим данным (сигнал синусоидальный). Тогда, мощность полезного сигнала от колебаний 18 ангстрем составит величину меньшую на 122 дБ, или минус (122+38)=160 dBm (мощность сигнала относительно милливатта). Сигнал выделяется на резисторе нагрузки в виде низкочастотной составляющей равной частоте модуляции, частоте механических колебания отражающей поверхности амплитудой 16-18 ангстем. В первом приближении можно считать, что механические колебания поверхности приводят к пропорциональным колебаниям поверхностной проводимости. Во всяком случае, их амплитуда не превышает амплитуды колебаний плотности металла, плотности электронов проводимости близких к поверхности. Рассчитаем возможность регистрации этих колебаний поверхности существующей аппаратурой, в условиях нормальной окружающей температуры. Согласно правилу определения шумовой спектральной мощности как функции полосы частот и температуры [2,с.1]определим шумовую спектральную плотность мощности (мВт) на том же резисторе нагрузки в полосе частот 1килогерц, температуре 290о Кельвина. Мощность шума любого резистора при температуре 290о Кельвина в полосе частот 1 Гц составляет минус 174 дБ/Вт С учетом рабочего коэффициента шума диода и

Технические науки

последующих усилителей (минус 3-6 дБ), шумовая мощность становится больше (168-171 dBm /Hz). Для полосы 1000Гц (+30 dBm) увеличивается до минус 138-141dBm. Следовательно, для наблюдения сигнала над шумами (+3дБ), мощность сигнала должна составить минус135138 dBm. Но согласно измерениям и расчету, мощность сигнала от действия ультразвуковой волны составляет лишь минус 160 dBm, поэтому для реальных уровней шумовых параметров известной аппаратуры, сигнал окажется меньше уровня шумов на (160-138)=22 dB (меньше в 160 раз). Очевидно, наблюдение колебаний поверхности от источника ультразвука небольшой мощности (амплитудой 18 ангстрем) возможно только для сверх узкой полосы регистрации (1000/160=6,25 Гц), или снижении температуры до 1,8 градуса Кельвина. Поскольку в эксперименте авторы использовали преобразователи, усилители имеющие общий коэффициент шума по входу не менее 10 dB, следует считать, что регистрировать сигнал сдвига фаз СВЧ сенсором частоты 33 ГГц на уровне 18 ангстрем (минус 122 dB) относительно  / 2 в полосе 1КГц, без использования охлаждаемых приемных устройств (температурой 2-3 градуса Кельвина) или существенного сокращения рабочей полосы частот, практически невозможно. Именно это и происходит при попытке выявить сигнал от поверхности металла не имеющего особых зон «активности». Зон утративших «активность» из за длительного промежутка времени. Авторы получили в эксперименте с металлом, имеющим «активные» дефекты полезный сигнал на 30 дБ выше уровня шумов при обычной температуре (290 градусов Кельвина) для аппаратуры с коэффициентом шума не менее 10 дБ, в полосе частот 1 КГц. Общая мощность шума в этом случае составляет не менее минус 134 dBm, а сигнал (минус 104 dBm), превышает шум на 30 дБ, в то время как сигнал от механических колебаний поверхности (минус 160 dBm)меньше на 56 дБ. Не сложно сосчитать, какой величины ультразвуковая волна должна быть, чтобы амплитуда полезного сигнала была выше шумов на 30 дБ. По расчету, она должна составлять амплитуду колебаний на 56 дБ больше чем 18 ангстрем, что составляет 1,135 микрона (1,8* 103 *630,9=1,135 микрона). Но при такой амплитуде колебаний металл должен разрушаться. Чего не наблюдается в эксперименте. Парадокс можно объяснить привлекая понятие поверхностной проводимости и гипотезу российских теоретиков [21, с.374]. Становится очевидным, что обнаруженное явление соответствует иному типу колебаний поверхности, не механическому. Теоретически возможно появление электрического поля E =(Кn/Ke)F A. Где Е- напряженность поля В, (Кn/Ke)- отношение коэффициентов упругого сжатия электронного газа и ионной решетки, F сила сжатия некоторой области электронного газа (Ньютон), А - коэффициент пропорциональности, включающий число ионов и свободных электронов. Авторы гипотезы утверждают, что это электрическое поле, возникшее внутри электронного газа, будет распространяться до границы металла, где изменит знак и скомпенсирует внутреннее поле. Следуя этой логике можно предположить, что произойдет изменение плотности зарядов на поверхности, изменится поверхностная проводимость. Если же изменять силу сжатия во времени за счет упругих волн ультразвука, должно происходить соответствующее изменение плотности поверхностных

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

зарядов – колебания поверхностной проводимости с частотой ультразвуковых волн. Авторы статьи считают эту гипотезу наиболее точной теорией, объясняющей наблюдаемый эффект. Ультразвуковые колебания вызывают изменение поверхностной проводимости. Область индикации явления занимает всю поверхность металла. Экспериментально установлено, что чувствительность метода индикации зависит от рабочей частоты радара как корень квадратный. Для рабочей частоты 10 ГГц уровень полезного сигнала снижался на 5-6 дБ по сравнению с полезным сигналом на частоте 33 ГГц. Заключение. Комплект аппаратуры ДИАД-1, рабочей частотой 33 ГГц позволил авторам провести показательные испытания (2014г.) с образцами металлов на кафедре «Физических методов и приборов контроля качества (ФМПК)» томского политехнического университета. Результаты испытаний доказали полную работоспособность комплекта при испытаниях с образцами из алюминия и стали различных марок. Уровень сигнала величиной 2-3 дБ над шумами (-51дБ) был принят за уровень помехи (неидеальность аппаратуры измерения). Сигналы выше 6дБ (7-12 дБ) учитывались как рабочие, указывающие на «активность» обнаруженных дефектов. В результате испытаний было принято решение специалистов, что по совокупности наблюдаемых эффектов следует считать это новым, неизвестным ранее физическим явлением ОТКРЫТИЕМ. Наблюдаемый эффект аномального увеличения коэффициента преобразования (связи) ультразвука с особыми зонами металлов (электронным газом вблизи трещин) ранее был неизвестен. Характеризуется:  высоким значением амплитуды спектральных составляющих переменной поверхностной проводимости больше 6-12 дБ над шумом,  значительным временем сохранения эффекта после появления дефекта (более часа).  Место установки СВЧ сенсора не влияет на величину полезного сигнала, что характеризует явление связанное с волнами поверхностной проводимости  Эффект наблюдается для металлов независимо от магнитных свойств. Полезный сигнал амплитудой 8-12 дБ над уровнем шума для дефектных образцов и слабый сигнал (0-3 дБ) для образцов без дефектов является одним из критериев оценки. Авторы приносят свою благодарность сотрудникам института дефектоскопии томского политехнического университета: профессору Борису Ивановичу Капранову, доценту Владимиру Петровичу Шияну, доценту Сергею Анатольевичу Бричкову, профессору томской академии радиоэлектроники Николаю Даниловичу Хатькову за полезное обсуждение результатов работы на протяжении нескольких лет. 1.

2. 3.

Список литературы: Ant V.V., Ant M.V., Beher A. Study of the structure signal to acoustic emission for the reason increasing of accuracy to localizations defect. SPB 2002 Works russian scientific conferences "Nerazrushayuschiy checking and diagnostics". http://www.imst.de/itg9_1/vortraege/oktober2001/koe nigsmann_folien.pdf defined cascade, Friis formula (174 decibel/W to Hz, at 290K) Gorbunov V.I., Sutorikhin V.A USE OF A REMOTESENSING SUPERHIGH-FREQUENCY ACOUSTIC

Технические науки

7. 8.

9. 10.

11.

12. 13. 14. 15.

16.

17. 18. 19.

20.

21.

EMISSION TRANSDUCER IN THE INSPECTION OF WELDS Industrial Laboratory. 1999. Т. 65. № 10.. С. 654-656 Gorbunov V.I., Sutorikhin V.A. THE POSSIBILITIES OF MONITORING THE LIMIT OF ELASTIC DEFORMATIONS BY A MICROWAVE METHOD Russian Journal of Nondestructive Testing. 1999. Т. 35. № 7.. С. 552-556 Gorbunov V.I., Sutorihin V.A.. Possibility defectоscope of the metal details of the microwave oven a field. Electronic magazine "Technical acoustics", http://ejta.org, 2010 Ghodgaonkar DK, Hj Hamzah. Microwave nondestructive testing of coatings and paints using freespace microwave measurement system, Browse Conference Publications > Telecommunication Technology, Published in: Telecommunication Technology. 2003;71. Ivanov V.I., Oxen SP., Ripples A.N. About criteria of the estimation degree to dangers of the defect on parameter of the acoustic emission, 1985, 2, s. 62 65 Kerouedan J, Queffelec P. Detection of micro-cracks on metal surfaces using nearfield microwave dualbehavior resonator filters. Measurement Science andTechnology. 2008;19(10):54. Kostoglotov A.M., Prist A.V., Acoustics-emission method of modeling of the processes of the destruction material. Defektoskopiya, 2002,p 36 Kim Y, Jofre L, DFF, FMQ. "Microwave sub-surface imaging technology for damage detection of concrete structures," Journal of Engineering Mechanics, SCE 130; 2004 Kuzimin V.R., Prohorov V.A., Borisov A.Z. Fatigue toughness metal and longevity element design under irregular loading high level. M.: Machine building, 1998.p. 256 Kosevich, A. M. (1972). Fundamentals of Crystalline lattice mechanics: Мoscow. Khonikomb, R. (1972). Plastic deformation of metals. Мoscow: Publishing House Mir. 1972, рр. 23-30 МА40Е9-1,to receive additional informationon Murata Products, call 1-800-831-9172 Misra A., & Kumar A.(2004). Some basic aspects of electormagnetic radiation during crack propagation in metals. Intern. J. Fracture, V. 127, No. 4. P. 387-401. http://dx.doi.org/10.1023/B:FRAC.0000037676.32062 .cb NDE of Closed Fatigue Crack on the Metal Surface by Microwaves Ed. Ju Y, M. Saka, D. Luo Department of Mechanical Engineering, Tohoku University, Aoba 01, Aramaki, Aoba-ku, Sendai Japan. 2000;980-8579:2-4. Radar Doppler, http://ebookbrowsee.net/radardopplerpdf-d429387559 Sutorikhin.V.A. Sophisticated Microwave Nondestructive Testing Method for Metals. Applied Physics Research. Vol. 4, No 4, 2012, pp.8-17 Sutorikhin V.A. (2012). Sophisticated Microwave Nondestructive Testing Method for Metals Physics Applied Research, 4(4), 8-17. http://dx.doi.org/ 10.5539/apr.v4n4p8 Tripalin A. With Buylo C. The Acoustic emission Fizikomehanicheskie aspects. Izd. Rostovskogo university 1996. P 160. Теорема вириала и некоторые свойства электронного газа в металлах /Васильев Б.В., Любошиц В.Л.,/Успехи Физических Наук, 4(164),с 367-374, 1994 г.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КУРСОВОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ДВИЖЕНИИ НА ПОВОРОТЕ

Жарков Радмир Радикович Пермский военный институт внутренних войск МВД России, г. Пермь Ляхова Виктория Владимировна Пермский военный институт внутренних войск МВД России, г. Пермь Свиридов Евгений Викторович доцент, кандидат техн. наук, Пермский военный институт внутренних войск МВД России, г. Пермь Овечкин Сергей Леонидович Пермский военный институт внутренних войск МВД России, г. Пермь

AUTOMATED SYSTEM MAINTENANCE COURSE And transverse stability of the vehicle when cornering Zharkov Radmir, Perm military institute of Russian Interior Ministry troops, Perm Liakhova Victoria, Perm military institute of Russian Interior Ministry troops, Perm Sviridov Eugenie, Candidate of Science, assistant professor of Perm military institute of Russian Interior Ministry troops, Perm Ovechkin Sergei, Perm military institute of Russian Interior Ministry troops, Perm АННОТАЦИЯ Предлагается конструкция системы контроля и ограничения скорости транспортного средства по параметрам курсовой и поперечной устойчивости на повороте на основе определения сцепных качеств опорной поверхности, радиуса поворота. Система способствует снижению аварийности за счет идентификации скорости движения автомобиля и сравнения ее значения с критическими по заносу и опрокидыванию ABSTRACT The article about system of control and limit of vehicles speed for the parameters of exchange rate and lateral cornering stability on the basis of determining coupling as a reference surface, turning radius. The system helps reduce accidents by identifying the vehicle speed and comparing it with the critical values for skidding and rollover Ключевые слова: устойчивость; критическая скорость по заносу; критическая скорость по опрокидыванию Keywords: sustainability; critical speed for drift; critical speed for rollover Устранение причин аварийности на транспорте выступает сегодня одним из главных государственных приоритетов в защите человека, его здоровья и имущественных интересов. В настоящее время наряду с вопросами исключения «человеческого фактора» реализуются мероприятия по оборудованию проезжей части и прилегающей территории различными элементами повышения безопасности дорожного движения. Особое внимание обращено на повышение уровня технического состояния транспортных средств, их активной и пассивной безопасности. Одним из очевидных путей повышения подвижности и безопасности движения автомобильной техники является ее оснащение бортовыми автоматизированными системами управления движением вообще и, в частности, системами контроля скоростью движения, системами курсовой устойчивости. Анализ большинства подобного рода систем указывает на наличие ряда недостатков, заключающихся в идентификации скорости движения транспортного средства расчетным методом по частоте вращения вторичного вала коробки передач; невозможности определения сцепных качеств опорной поверхности; критической скорости по опрокидыванию транспортного средства в том случае, если по условиям сцепления колес с опорной поверхностью существует вероятность опрокидывания, предшествующего заносу. При этом некоторые системы начинают работать в том случае, когда занос уже начался. С целью повышения степени точности определения скорости движения транспортного средства, определения сцепных качеств опорной поверхности и идентификацию критической скорости движения по заносу и опрокидыванию в зависимости от сцепных качеств опорной поверх-

ности и радиуса поворота машины предлагается устройство контроля и ограничения скорости транспортного средства, схема которого показана на рисунке 1. Система содержит электронное устройство 1 (рис. 1) определения критической скорости транспортного средства, рассогласователь 2, который разрывает связь между датчиком 3 положения педали подачи топлива и электронным блоком 4 управления впрыском при достижении действительной скорости транспортного средства, равной критической, датчики 5, фиксирующие усредненную полезную нагрузку, датчик 6, установленный на валу рулевого механизма, фиксирующий угол поворота руля, датчик 7, установленный на кузове транспортного средства, фиксирующий поперечный наклон дорожного профиля, устройство 8 светозвуковой сигнализации, расположенное на панели приборов, заблаговременно предупреждающее водителя о приближении действительной скорости к критической, устройство 9 ввода параметров технической характеристики транспортного средства, датчик 10 угловой скорости одного из ведущих колес, радар 11, установленный над ведущим колесом, на котором установлен датчик 10 угловой скорости и определяющий абсолютную линейную скорость этого колеса, при этом датчики 5, фиксирующие усредненную полезную нагрузку определяют вертикальную координату центра масс. На рис. 2 представлен алгоритм работы электронного устройства определения критической скорости транспортного средства. Работа системы осуществляется следующим образом. Посредством устройства 9 ввода в систему вводятся значения параметров технической характеристики транспортного средства: база, колея, высота центра масс, передаточное число рулевого управления, радиус колеса.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 1. Структурная схема системы контроля и ограничения скорости транспортного средства В случае загрузки транспортного средства в устройство 1 определения критической скорости со стороны датчика 5 поступает измененное значение высоты центра масс. В устройстве 1 происходит определение коэффициента поперечной устойчивости автомобиля [1]:

η=

В , 2h

(1)

где В – ширина колеи, м; h – высота центра масс при снаряженной массе транспортного средства, м;

Рисунок 2. Алгоритм работы электронного устройства определения критической скорости транспортного средства

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Со стороны датчика 7, установленного на кузове транспортного средства, в устройство 1 поступает сигнал о значении угла поперечного наклона дорожного профиля, со стороны датчика 10 угловой скорости ведущего колеса – сигнал о значении угловой скорости его вращения, со стороны датчика 6 – сигнал о значении угла поворота рулевого колеса, со стороны радара 11, установленного над ведущим колесом, – значение абсолютной (реальной) линейной скорости этого колеса. При этом в устройстве 1 происходит определение среднего угла поворота управляемых колес и радиуса поворота транспортного средства [1]:

θрк ; Uру L R= , tgΩупр Ωупр =

(2) (3)

где θрк – угол поворота рулевого колеса, град; Uру – передаточное число рулевого управления; L – длина базы автомобиля, м. Одновременно с этим в устройстве 1 выполняется определение теоретической линейной скорости автомобиля по линейной скорости колеса:

vт = rк·ω,

(4)

где rк – радиус колеса, м; ω – угловая скорость вращения колеса, рад/с. После чего определяется коэффициент скольжения колеса [2]:

s = (vа – vт)/ vа,

(5)

где vа – реальная линейная скорость автомобиля, определяемая радаром, м/с. Далее по функциональной зависимости определяется значение коэффициента сцепления колеса с опорной поверхностью φ = f(s) [2]. Затем происходит сравнение коэффициента сцепления с коэффициентом поперечной устойчивости транспортного средства. В том случае, если φ < η, тогда при повороте существует вероятность нарушения курсовой устойчивости, проявляющегося в виде заноса. Если φ > η, то при повороте существует вероятность нарушения поперечной устойчивости, проявляющегося в виде опрокидывания транспортного средства. Если при повороте транспортного средства может наступить занос, то в устройстве 1 происходит определение критической скорости по заносу [2]: (φ + tgβ)g·R vкр зан =√ , 1 - tgβ

Технические науки

(6)

где β – угол поперечного наклона дорожного профиля, град; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2. Если при повороте транспортного средства может наступить опрокидывание, то в устройстве 1 происходит определение критической скорости по опрокидыванию [2]:

vкр опр =√

(tgβ + 0,5·B)g·R . h - 0,5·B·tgβ

(7)

Далее в устройстве 1 происходит сравнение реальной скорости транспортного средства по линейной скорости колеса vа с критической vкр. В том случае, если реальная скорость транспортного средства достигает значения vа = 0,85vкр, устройство 8 выдает звуковой и световой сигнал водителю о приближении значения скорости движения транспортного средства к значению критической скорости. Если скорость транспортного средства продолжает расти и становится равной 0,9vкр, то устройство 1 подает сигнал на рассогласователь 2. Рассогласователь 2 разрывает связь между датчиком 3 положения педали подачи топлива и электронным блоком 4 управления впрыском и выдает эквивалентный сигнал сигналу датчика 3 положения педали подачи топлива. Кроме того, на рассогласователь 2 поступают: сигнал с радара 11 о мгновенной скорости движения транспортного средства; сигнал с датчика 3 о скорости нажатия на педаль подачи топлива. Если значение мгновенной скорости транспортного средства vа соответствует значению 0,9vкр, то рассогласователь 2 выдает сигнал, соответствующий малому перемещению педали подачи топлива. Электронный блок 4 управления впрыском топлива, получая такой сигнал, полностью прекращает выдачу командных импульсов на топливную форсунку, которая при этом прекращает подачу топлива в цилиндры двигателя, обеспечивая тем самым процесс торможения транспортного средства. В случае необходимости (совершение маневра) при резком нажатии на педаль подачи топлива, что фиксирует датчик 3 скорости нажатия педали подачи топлива, рассогласователь 2 передает прямой сигнал с датчика 3 положения педали подачи топлива, то есть система ограничения максимальной скорости отключается и топливо подается по обычной схеме. Устройство ограничения скорости включается вновь в работу через 30 секунд, то есть за время, необходимое для завершения маневра. В результате достигается повышение степени точности определения скорости движения транспортного средства, определение сцепных качеств опорной поверхности и идентификация критической скорости движения по заносу и опрокидыванию в зависимости от сцепных качеств опорной поверхности и радиуса поворота. Список литературы: 1. Васильченков В.Ф. и др. Военная автомобильная техника. Книга вторая. Военные автомобили и гусеничные машины. Теория эксплуатационных свойств: учебник для курсантов высш. воен.-учеб. заведений. – Рязань: ООО ПК «Тигель», 2004. – 432 с. 2. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов. – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ ПОРОХОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГАЗО- И НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ

Ваганов Константин Александрович аспирант Пермского национального исследовательского политехнического университета PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF GUNPOWDER PRESSURE GENERATOR FOR OIL AND GAS INDUSTRY. Vaganov Konstantin Aleksandrovich, Graduate of Perm National Research Polytechnic University АННОТАЦИЯ В работе показан комплексный подход к разработке порохового генератора давления нового типа, генерирующего акустические волны, предназначенного для добычи углеводородов в нефтегазовой отрасли. Методика проектирования генератора нового типа базируется на использовании модельных описаний, пакете разработанных программ расчета газодинамических и акустических процессов и определения облика генератора и результатов его применения для конкретной скважины. В результате проведенных работ разработаны: интеллектуальная экспертная программа для предварительного выбора конструкции генератора и программа расчёта воздействия генератора на призабойную зону пласта. ABSTRACT The article shows a comprehensive approach to the development of gunpowder generator pressure of a new type, generating an acoustic wave, intended for the production of hydrocarbons in the oil and gas industry. Methodology design of the generator of a new type based on the use of model descriptions, the service developed the programs of the calculation of gas-dynamic and acoustic processes and definition of the image generator and the results of its application to specific wells. As a result of the work developed: intellectual expert program for pre-selecting the design of the generator and the program that calculates the impact of the generator on the bottomhole formation zone. Ключевые слова: пороховой генератор давления акустический, увеличение нефтеотдачи, добыча углеводородов, программа расчета воздействия порохового генератора на ПЗП Keywords: the powder pressure generator acoustic, enhanced oil recovery, production of hydrocarbons, the program that calculates the impact of gunpowder generator on the bottomhole formation zone Введение Пороховые генераторы давления (далее по тексту ПГД) предназначены для интенсификации добычи нефти и газа из прискважинной зоны пласта, закольматированной за период эксплуатации скважины асфальтосмолопарафиновыми отложениями. ПГД применяют для реанимации старых скважин так и для увеличения производительности новых скважин. Пороховые генераторы применяются в нефтяной отрасли более 40 лет[1], в настоящее время к ним вновь проявляется интерес, так как применение данной технологии позволяет эффективно решать такие задачи как увеличение газо- и нефтеотдачи, утилизация порохов и зарядов из них с истекшим гарантийным сроком хранения, а так же позволяет решить еще одну актуальную в настоящее время задачу- импорт замещение, т.к. основной технологией по интенсификации на данный момент является гидравлический разрыв пласта, выполняемый в основном зарубежными компаниями по зарубежным технологиям. Кроме нефтяной отрасли пороховые генераторы давления можно использовать для дегазации и добычи метана из угольных пластов[2,3]. Цель работы. Разработка наукоемкой технологии интенсификации добычи нефти и газа с применением порохового генератора давления нового типа, предназначенная для обработки нефтегазовых скважин и угольных пластов с температурой пласта до 110°С. Основные задачи исследований 1. Разработка интеллектуальной статистической программы позволяющей до проведения обработки скважин выбрать комплектацию генератора путем подбора оптимального количества обработок и количества зарядов для каждой обработки. 2. Разработка трехмерной модели газодинамического воздействия на ПЗП как совокупности взаимозависимых физических процессов, протекающих в сква-

жине и продуктивном пласте, позволяющей рассчитать изменение давления в скважине и размеры образующихся трещин в зависимости от геолого-технических условий скважины и характеристик твердотопливных зарядов. 3. Разработка и отработка конструкции, и оценка эффективности разработанного устройства и его элементов в расчетах и стендовых условиях. Результаты В результате патентных и литературных исследований, анализ известных конструктивных схем существующих пороховых генераторов давления был выбран вариант небронированных зарядов собирающихся на устье скважины с помощью устройства для сборки. Внизу и вверху гирлянды устанавливают воспламенительные заряды. Крепятся и центрируются заряды при помощи сгорающих втулок. От существующих ПГДА отличаются меньшей длиной зарядов и материалом поддона и втулок. Для данного генератора автором в партнерстве с классическим университетом г. Пермь была разработана интеллектуальная статистическая программа в основу которой легли данные компаний Удмуртнефть, Белкамнефть, Лукойл-Пермь и Самаранефтегаз по 90-а скважинам обработанным с помощью ПГДА с 2000 по 2008 гг[46]. Программа работает в двух режимах обучение и экспертиза. В режиме обучения можно увеличивать и улучшать базу данных, а в режиме экспертиза производится обработка скважины-кандидата. Исходные данные: тип коллектора, средняя пористость, проницаемость, пластовое давление, пластовая температура, плотность нефти, вязкость нефти, толщина

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

продуктивного пласта, глубина залегания пласта, дебит нефти до ТГХВ, дебит жидкости до ТГХВ, обводнённость до ТГХВ. На рисунке 1 в левой части приведен скан программы – ввод исходных данных. В результате обработки данных мы получаем следующие рекомендуемые параметры технологии (смотри рисунок 1 правая часть):

Технические науки

 прогноз количества обработок и зарядов,  прогноз дебита нефти после ТГХВ,  прогноз дебита жидкости. На рисунке 2 приведен скан программы – результаты интерполяции экспертизы скважины-кандидата.

Рисунок 1. Исходные данные для экспертизы скважины-кандидата и результат экспертизы.

Рисунок 2. Результаты интерполяции экспертизы скважины-кандидата

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Компьютерная программа 3д моделирования процесса обработки – это уникальная возможность увидеть процесс обработки и ее результат наглядно. На первом этапе была разработана физико-математическая модель газодинамического воздействия на ПЗП как элемента комплексной технологии и совокупности взаимозависимых физических процессов, протекающих в скважине и продуктивном пласте. Далее в полученную программную оболочку вносятся данные полученные при использовании интеллектуальной статистической программы. В результате расчета мы получаем предварительные данные по времени горения зарядов, давлению в зоне обработки, и размерам образуемых трещин. Выводы В результате проведенной работы разработан новый подход к разработке технологии и оборудования для интенсификации газа и нефти, с применением разработанных автором компьютерных программ, позволяющий:  выбирать конструкцию твердотопливного генератора;  вычислять оптимальное количество обработок скважины и количество зарядов для каждой обработки.  получать 3Д модель развития процессов газодинамики процесса работы порохового генератора давления и трещинообразования в продуктивном пласте.

Технические науки

Список литературы: 1. Чазов Г.А., Азаматов В.И. и др. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины. – М.: Недра, 1986. – 153 с. 2. Белин В.А., Грибанов Н.И., Шилов А.А., Пелых Н.М. Методы разрушения пласта-коллектора энергией горения энергетических конденсированных систем/ Учебное пособие. — Москва.: изд. МГГУ, 2011. — 213 с. - ил. 3. Ваганов К.А., Ярешко А.А., Шитиков В.В., Пелых Н.М. Применение пороховых генераторов давления и добычи для удаления и добычи метана из угольных пластов/ Газовая промышленность, 2013, №7 4. Ваганов К.А. Результаты применения пороховых генераторов давления акустических для интенсификации добычи нефти/ Экспозиция Нефть Газ, 2014, №1 5. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. – М.: Финансы и статистика, 1983. 6. Ким Дж.-О., Мьюллер Ч.У., Клекка У.Р. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. – М.: Финансы и статистика, 1989.

ТЕПЛОВОЙ РАЗГОН В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ С МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Язвинская Наталья Николаевна канд. т. наук, доцент Донского государственного технического университета, Галушкин Дмитрий Николаевич док. т. наук, профессор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) Донского государственного технического университета, Ростовского филиала Российской таможенной академии Галушкин Николай Ефимович док. т. наук, профессор Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) Донского государственного технического университета Галушкина Инна Александровна канд. т. наук, доцент Новошахтинского филиала Южного федерального университета THERMAL RUNAWAY IN NICKEL-CADMIUM BATTERIES WITH SINTERED ELECTRODES Yazvinskaya Nataliya, Candidate of Engineering, assistance professor of Don State Technical University, Rostov-on-Don Galushkin Dmitry, Doctor of Engineering, professor of Institute Sphere of Service and Business (branch) Don State Technical University, Shakhty, Rostov Branch of Russian Customs Academy, Rostov-on-Don Galushkin Nikolay, Doctor of Engineering, professor of Institute Sphere of Service and Business (branch) Don State Technical University, Shakhty Galushkina Inna, Candidate of Engineering, assistance professor, Novoshakhtinsk Branch of Southern Federal University, Novoshakhtinsk АННТОТАЦИЯ Экспериментально показано, что вероятность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с металлокерамическими оксидно-никелевыми электродами (ОНЭ) выше, чем в аккумуляторах с прессованными и намазными ОНЭ. Кроме того, показано, что вероятность теплового разгона уменьшается с уменьшением емкости аккумуляторов. ABSTRACT It is shown by experiments that probability of thermal runway in nickel–cadmium batteries with sintered oxide-nickel electrodes is higher, than in the batteries with extruded and pasted electrodes. Besides, it is shown that the probability of thermal runaway decreases with decrease of battery capacitance. Ключевые слова: тепловой разгон; аккумуляторы; никель-кадмиевый; металлокерамический электрод. Keywords: thermal runaway; batteries; nickel-cadmium; sintered electrode.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Введение Тепловой разгон может возникнуть в аккумуляторах в случае их заряда при постоянном напряжении или при их работе в буферном режиме [5]. При этом ток заряда резко возрастает, электролит вскипает, возможно, возгорание и взрыв аккумулятора. Тепловой разгон встречается в аккумуляторах практически всех электрохимических систем [5]. В данной работе исследуем возможность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах 2НКБ32, 2НКБ-15. Эти исследования являются продолжением начатых в работах [1-16]. Экспериментальная часть Прежде всего, была исследована вероятность возникновения теплового разгона в аккумуляторах 2НКБ-32, 2НКБ-15. С этой целью аккумуляторы циклировались, заряжаясь последовательно при напряжениях 1,45; 1,67; 1,87; 2,2 В в течение 10 часов. Зарядное устройство подключалось к блоку параллельно соединенных, десяти ак-

Технические науки

кумуляторов в жесткой металлической стяжке. Параллельное соединение аккумуляторов осуществлялось с помощью двух мощных металлических шин, к которым отдельно прикручивались положительные и отрицательные клеммы аккумуляторов. Параллельное соединение аккумуляторов позволяло одновременно циклировать десять аккумуляторов, что резко сокращало время проведения необходимых экспериментов. То есть параллельное соединение позволяло получить больший объем статистического материала за меньший промежуток времени. Для того чтобы тепловой разгон, возникший в одном аккумуляторе, не влиял на возможность возникновения теплового разгона в соседних аккумуляторах (за счет их дополнительного разогрева) между аккумуляторами в металлической стяжке вставлялись теплоизолирующие деревянные прокладки толщиной два сантиметра. Результаты циклирования аккумуляторов представлены в сводной таблице 1. Таблица 1

Результаты циклирования никель-кадмиевых аккумуляторов Характеристики Количество используемых аккумуляторов Количество зарядно-разрядных циклов Количество тепловых разгонов Гарантийный срок службы, лет (циклы) Срок службы аккумулятора с тепловым разгоном, лет Напряжение заряда при тепловом разгоне, В В процессе теплового разгона измерялись следующие параметры аккумуляторов: напряжение на клеммах аккумуляторов, ток заряда, температура положительной клеммы аккумуляторов, объем выделившегося газа. Ток заряда измерялся с помощью последовательно подключенного калиброванного шунта сопротивлением 0,001 Ом и предельным током 500 А.

Тип аккумулятора НКБ-32 НКБ-15 10 10 640 640 1 1 3 (400) 3 (400) 6,5 7 2,20 2,20 Для сбора, выделяющегося в результате теплового разгона газа, полый штуцер с резиновой трубкой вкручивался в стандартное отверстие для отвода газа. Другой конец через змеевиковый охладитель подключался к эластичной емкости объемом 1060 л. Результаты измерения данных параметров аккумуляторов в процессе теплового разгона для аккумулятора НКБ-32 представлены на рисунках1-2.

Рисунок 1. Изменения параметров аккумулятора НКБ-32 при тепловом разгоне (напряжение заряда 2,2 В): I- ток заряда аккумулятора; Ua-напряжение на клеммах аккумулятора; Т-температура положительной клеммы аккумулятора

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Технические науки

Рисунок 2. Динамика выделения газа и изменения зарядного тока во время теплового разгона аккумулятора НКБ-32 Состав газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона, представлен в таблице 2. Таблица 2 Состав газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона Тип аккумулятора Характеристики НКБ-32 НКБ-15 Номер аккумулятора 1 1 Общее количество газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона, л 410 205 Количество выделившегося пара, л 70 31 Оставшийся газ, л 340 174 Точность измерения объемов не ниже 5 %. Общее количество паро-газовой смеси определялось по первоначальному объему выделившегося газа. Затем накопитель газовой смеси охлаждался до комнатной температуры и пар переходил в воду. Далее производилось повторное определение объема выделившегося газа. Разность этих объемов давала объем выделившегося пара.

Анализ оставшегося газа выполнен с помощью объемно-оптического газоанализатора ООГ-2М. Результаты анализа газовых смесей, полученных из различных аккумуляторов после теплового разгона, представлены в таблице 3.

Состав газовой смеси после теплового разгона Характеристики Номер аккумулятора Концентрация водорода, % Концентрация кислорода, % Концентрация прочих газов, % Абсолютная ошибка процентной концентрации газов в таблице 3 составляет 0,3-0,5 %. Выводы Из 640 выполненных зарядно-разрядных циклов для каждого типа аккумуляторов в жестких условиях заряда т.е. при больших зарядных напряжениях, тепловой разгон наблюдался только по одному разу для аккумуляторов 2НКБ-32 и 2НКБ-15. Однако из этих экспериментальных результатов нельзя делать определенного заключения о вероятности теплового разгона. Тепловой разгон довольно редкое явление. Во всех случаях теплового разгона аккумуляторы имели сроки эксплуатации больше шести лет при гарантийном сроке службы в три года. Во всех случаях наблюдения теплового разгона заряд аккумуляторов выполнялся при напряжении 2,2 В, что значительно превышает обычное напряжение заряда (1,67 В) в случае заряда аккумуляторов при постоянном напряжении. Таким образом, можно сделать вывод, что вероятность теплового разгона повышается с ростом напряжения заряда аккумуляторов.

Таблица 3 Тип аккумулятора НКБ-32 НКБ-15 1 1 94,5 93 4,8 6,3 0,8 0,7

Список литературы: Galushkin D.N., Yazvinskaya N.N., Galushkin N.E. Investigation of the process of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators // Journal of Power Sources. 2008.  Vol. 177.  № 2.  P. 610616. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Ni-Cd batteries as hydrogen storage units of highcapacity // ECS Electrochemistry Letters. 2013. Vol. 2. № 1. P. A1A2. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries // International Journal of Electrochemical Science. 2014. Vol. 9. P. 3022 3028. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes Analysis of Thermal Runaway in Nickel–Cadmium Accumulators // Journal of The Electrochemical Society. 2014. 161 (9) A1360A1363.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Guo Y., SAFETY | Thermal Runaway, Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. Amsterdam, Elsivier. 2009. P. 241. 6. Галушкин Д.Н., Румянцев К. Е., Галушкин Н.Е Исследование нестационарных процессов в щелочных аккумуляторах. Шахты: ЮРГУЭС.  2001. 112с. 7. Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах // Фундаментальные исследования.  2012.  № 11(1).  С. 116119. 8. Галушкин Н.Е., Кукоз В.Ф., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в химических источниках тока. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС. 2010.  210 с. 9. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах большой емкости с ламельными электродами // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки.  2012.  № 3.  С. 8992. 10. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в цилиндрических и дисковых никель-кадмиевых аккумуляторах // Химическая промышленность сегодня.  2012.  № 7.  С. 5456. 11. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах с металлокерамическими и прессованными

Технические науки

12.

13.

14.

15.

16.

электродами // Электрохимическая энергетика.  2012. Т. 12. № 1.  С. 4245. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013. № 2 (171).  С. 7578. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Исследование причин теплового разгона в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах // Электрохимическая энергетика. 2012.  Т. 12. № 4.  С. 208211. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Тепловой разгон в щелочных аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013. № 6 (175). С. 6265. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах фирмы SAFT // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки.  2014. № 3 (178). С. 8790. Галушкина Н.Н., Галушкин Н.Е., Галушкин Д.Н. Исследование процесса теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5.  № 1.  С. 4042.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

100

Физико-математические науки

Физико-математические науки ОРГАНИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Абдыкаримова Алия Тлеулиевна ст. преподаватель кафедры Информационных технологий Жетысуского государственного университета им. И. Жансугурова, г. Талдыкорган, Республика Казахстан

ORGANIZATION OF INFORMATION SYSTEM DEVELOPMENT USING THE TECHNOLOGY DESIGN INFORMATION SYSTEM Abdykarimova Aliya Tleuliyevna, the senior lecturer of chair of Information technologies of Zhetysusky state university of I. Zhansugurov, Taldykorgan, Republic of Kazakhstan АННОТАЦИЯ В статье рассматриваются три технологии проектирования информационных систем, это – каноническая, типовая и автоматизированная технологии. ABSTRACT This article discusses three technologies for designing information systems, it is - canonical, types, and automated technology. Ключевые слова: информационная система, проектирование, технологии, техническое задание, эскизный проект, CASE-технологии Keywords: information system, design, technology, specification task, preliminary design, CASE-technology Организация разработки информационной системы с использованием канонической технологии проектирования информационных систем. Организация канонического проектирования информационной системы основана на каскадной модели жизненного цикла информационной системы. Стадии и этапы проектирования имеет различную сложность трудоемкости, это зависит от степени сложности объекта автоматизации и задач, которые требуют решения при создании информационной системы. Можно допустить объединение последовательных этапов или исключение некоторых из них на разных стадиях проекта, можно начать выполнение работы следующей стадии до завершения предыдущей [1]. В договорах на выполнение работ и технических заданиях прописывают все стадии и этапы создания информационной системы, которые должны быть выполнены организациями-участниками. Это стадии: 1. Формирование требований к информационной системе. На данной стадии проектирования осуществляется обследование объекта, а также обоснование в необходимости создания информационной системы. Далее формируются требования пользователей к информационной системе, оформляется отчет о проделанной работе и тактико-техническое задание на разработку. 2. Разработка концепции информационной системы. Здесь изучается объект автоматизации, проводятся необходимые научно-исследовательские работы. Далее разрабатываются варианты концепции информационной системы, которые будут удовлетворять требованиям пользователей. Заканчивается оформлением отчета и утверждением концепции. 3. Разработка технического задания. На данной стадии проектирования разрабатывается и утверждается техническое задание на создание информационной системы. 4. Создание эскизного проекта.

На данной стадии создаются предварительные проектные решения по системе и ее частям. Далее разрабатываются эскизные документации на информационную систему и ее части. 5. Разработка технического проекта. Создаются проектные решения по системе и ее частям. Здесь же разрабатываются: документации на информационную систему и ее части; задания на проектирование в смежных частях проекта. 6. Создание рабочей документации. Данная стадия предполагает разработку рабочей документации на информационную систему, а также разработку и адаптацию программ. 7. Ввод в действие информационной системы. На данной стадии готовится объект автоматизации, идет подготовка персонала. Проводятся предварительные испытания, опытные эксплуатации и приемочные испытания. 8. Сопровождение информационной системы. Выполняются работы в соответствии с гарантийными обязательствами и послегарантийное обслуживание [2]. Прежде чем переходить к стадиям проектирования информационной системы необходимо провести обследование, которое заключается в изучение и диагностическом анализе структуры предприятия, его деятельности и, конечно же, анализе уже функционирующей системы обработки информации. Материалы, которые были получены при обследовании, используются в дальнейшем, для того чтобы обосновать разработку и поэтапное внедрение системы; составить техническое задание на разработку системы; разработать технический и рабочий проекты системы. С помощью результатов обследования уже представляется объективная основа, для того чтобы смело можно начать формировать техническое задание на информационную систему. Техническое задание же представляет собой документ, который определяет цели, требования и исходные

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

101

данные, необходимые при разработке автоматизированной системы управления. Разработка предварительных проектных решений предусматривается эскизным проектом. Технический проект системы, который разрабатывается, основываясь на техническом задании и эскизном проекте, представляет собой техническую документацию, содержащие проектные решения, алгоритмы решения задач, оценку эффективности автоматизированной системы управления, а также перечень мероприятий для подготовки объекта к внедрению. Для того чтобы определить, соответствует ли система техническому заданию, оценить качество опытной эксплуатации и решить вопрос о возможности приема системы в эксплуатацию проводят приемочные испытания. Для любых проектов привлекают тестировщиков и лучше на ранних этапах разработки информационной системы, т.к. чем раньше выявлены ошибки в системе, тем ниже обходится стоимость сопровождения системы, потому что исправление ошибок в информационной системе обходится дорого. Время, затраченное на тестирование системы, а также на исправление выявленных ошибок необходимо предусмотреть на этапах разработки и проектирования. Организация разработки информационной системы с использованием типовой технологии проектирования информационных систем. При типовом проектировании предполагается создание информационных систем с помощью готовых типовых элементов. Чтобы применить методы типового проектирования обязательным основным требованием является возможность проектируемой информационной системы на декомпозицию, т.е. деление на составляющие компоненты (подсистем, программных модулей, комплексов задач и т.д.). Для реализации компонентов выбирают типовые проектные решения, которые уже имеются на рынке и их настраивают на особенности определенного предприятия [1]. Типовое проектное решение - это проектное решение, которое пригодно к многократному использованию. Для реализации типовой технологии проектирования применяют два подхода это:  параметрически-ориентированное;  модельно-ориентированное проектирование. Параметрически-ориентированное проектирование в свою очередь включает в себя следующие этапы:  этап, на котором определяются критерий оценки пригодности пакетов прикладных программ, решающие поставленные задачи;  этап, на котором анализируются и оцениваются по определенным критериям доступные пакеты прикладных программ;  этап, на котором выбирается наиболее подходящий пакет, а также настраиваются параметры закупленного прикладного программного обеспечения. Модельно-ориентированное проектирование включает в себя адаптацию компонентов и характеристик типовой информационной системы в соответствии с объектом автоматизации, а точнее с его моделью. В данном случае технология проектирования обеспечивает едиными средствами для работы с моделью типовой информационной системы и с моделью определенного предприятия. Модельно-ориентированное проектирование информационных систем предполагает использование специального программного инструментария для построения модели объекта автоматизации.

Физико-математические науки

Организация разработки информационной системы с использованием автоматизированной технологии проектирования информационных систем. Постоянное развитие современных информационных технологий ведут не только к возрастанию сложности информационных систем, целей проекта, но и к росту средств их реализации. Теперь уже трудно обойтись силами отдельных специалистов, а требуется работа целой команды. Ещё недавно проектирование информационных систем выполнялось в основном на интуитивном уровне, на методах, которые основывались на практическом опыте, экспертных оценках и экспериментальных проверках. Но, естественно, потребности пользователей во время разработки и функционирования информационных систем могут изменяться, что еще более усложняет разработку и сопровождение. И эти сложности дали толчок к появлению специализированных программно-технологических средств для разработки проектов. Ими стали CASE-средства, реализующие CASE-технологию (Computer Aided System/ Software Engineering) создания и сопровождения информационных систем. CASE-индустрия представляется компаниями трех типов:  разработчиками средств анализа и проектирования информационных систем;  разработчиками специализированных средств, которые ориентированы на узкие предметные области;  фирмы, которые занимаются обучением, информированием и консалтингом и оказывают необходимые услуги при эксплуатации CASE-пакетов. Компании, которые предоставляют выше перечисленные услуги, называются системными интеграторами. CASE-технология включает в себя методы анализов, проектирования, разработки, а также сопровождения информационной системы с большей автоматизацией всех процессов разработки и функционирования системы в целом. CASE-технологии проектирования информационной системы ориентированы на архитектуру уже существующих программных продуктов, т.к. им необходимо:  быстрее создать и внедрить информационную систему и при этом нести минимум затрат;  обеспечить единый и простой в использовании интерфейс;  сократить время и затраты на обслуживание готовых приложений при их адаптации к изменениям в программной и технической среде [1]. CASE-технология определяет требования к информационной системе и созданию проекта на таком уровне, чтобы он отвечал требованиям заданными экономическими и технологическими ограничениями. CASE-технология включает в себя средства поддержки основных этапов проектирования информационной системы и ее внедрения. С помощью CASE-технологии обеспечивается последовательная декомпозиция сложной задачи на составные компоненты, уменьшается время и стоимость создания системы в сравнении с неавтоматизированными технологиями, контролируются взаимосвязи и полнота представления составных компонент проекта, возможность одновременного внесения нескольких изменений в проект. К основным чертам CASE-технологии можно отнести:  полная автоматизация проектирования как простых, так и более сложных информационных систем;  охват всех стадии жизненного цикла информационных систем;

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

102

 технология не создает новых методологий, а за счет автоматизации, повышает эффективность использования уже существующих. Использование CASE-технологии в индустриальном проектировании информационных систем:  улучшает качество разрабатываемой информационной системы, т.к. присутствует автоматический контроль и генерация элементов;  позволяет повторно использовать компоненты разработки информационной системы;  повышает уровень адаптивности и качество сопровождения информационной системы;  использует методологии прототипного проектирования информационных систем;  идет коллективная разработка информационной системы в реальном времени. CASE-технологии содержат:  методологии, которые определяют пошаговую реализацию проекта и правила используемые при разработке методов;  методы, которые включают в себя процедуры или технику генерации описания компонентов информационной системы;  модель – это совокупность различных символов (вербальных, графических, математических и т.п.). Модель адекватно описывает свойства моделируемого объекта, а также отношения между ними.  нотаций, т.е. система условных обозначений, которая принята в определенной модели;

Физико-математические науки

 инструментальные средства или CASE-средства [2]. Но всё же, CASE-средства позволяют получить описание работы будущей системы раньше, чем её построили. Далее с их помощью можно проводить анализ работу системы и оптимизировать подготавливаемые решения. То есть необходимо описать процесс "как есть", смоделировать, и предложить новый улучшенный вариант, "как должно быть". Это и есть – основная задача CASEсредств. Таким образом, результатом применения CASEсредств является оптимизация систем, повышение эффективности, снижение расходов, снижение вероятности ошибок. Но не стоит забывать, что использование CASEсредств еще не дает гарантий качества проектирования. Ведь главенствующую роль, как всегда, занимает человек. С помощью CASE-средств расширяются возможности аналитиков. Профессионалы в своем деле с помощью CASE-средств на начальном этапе внедрения информационной системы разрабатывают информационную модель и на ее основе концепцию автоматизации предприятия. Список литературы: 1. Вендров А. М., Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем: Учебник, М.: Финансы и статистика, 2002 г. 2. В. И. Грекул, Г. Н. Денишенко, Н. Л. Коровкина, М.: Интернет-Ун-т Информ технологий, 2005, 304 с.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО ПОВЫШАЮЩЕГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ БИФУРКАЦИОННЫХ ДИАГРАММ

Антипов Олег Игоревич доктор физ.-мат. наук, профессор Поволжского Государственного Университета Телекоммуникация и Информатики MATHEMATICAL MODEL OF A BOOST CONVERTER TO GET THE TIME OF BIFURCATION DIAGRAMS Antipov Oleg Igorevich, doctor of Physico-mathematical Sciences, professor of Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics, Samara АННОТАЦИЯ В данной работе представлена математическая модель реального импульсного стабилизатора напряжения, которая при определенных параметрах системы путем имитации некоторых паразитных явлений позволяет получить бифуркационную диаграмму, где в качестве параметра бифуркации выступает время. Полученная модель позволит исследовать явление детерминированного хаоса в неравновесных динамических системах с точки зрения временных бифуркационных диаграмм, являющихся следствием искусственно введенного в них явления перемежаемости. ANNOTATION This paper presents a mathematical model of a real boost converter, which, under certain parameters of the system and simulating some parasitic phenomena provides a bifurcation diagram, where the bifurcation parameter its time. The resulting model allows to study the phenomenon of deterministic chaos in nonequilibrium dynamical systems with regard to the time of bifurcation diagrams resulting from artificially introduced in them the phenomenon of intermittency. Ключевые слова: детерминированный хаос, математическая модель, неравновесные системы, повышающий стабилизатор, перемежаемость. Keywords: deterministic chaos, mathematical model, nonequilibrium systems, boost converter, intermittency. Основное внимание в литературе по детерминированному хаосу уделялось тому, что можно было бы назвать «стационарными» хаотическими колебаниями [7]. Двумя другими формами непредсказуемых, нерегулярных движений являются перемежаемость и переходный хаос. В случае перемежаемости всплески хаотического движения, или шума, чередуются с периодами регулярного движения. Такое поведение наблюдал еще Рейнольдс в своих экспериментах по изучению предтурбулентного режима в трубах (1883 г.) (см. работу Сринивасана [8]). Переходный хаос наблюдается также в некоторых системах как предвестник стационарного хаоса. При определенных начальных условиях система может вести себя квазислучайным

образом, т. е. ее траектории могут двигаться в фазовом пространстве, как если бы они находились на странном аттракторе, но через некоторое время движение выходит на регулярный аттрактор, как в случае периодических колебаний. Иногда для экспериментального определения критического параметра для перемежаемости и переходного хаоса используются свойства подобия нелинейного движения. В случае перемежаемости, когда поведение системы близко к периодическому движению, но время от времени претерпевает короткие всплески переходного хаоса, объяснение такого поведения в терминах одномерных отображений, или разностных уравнений, была дано Манневилем и Помо [11]. Для непрерывных систем жесткий

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

переход к хаосу организовать сложно, поскольку аттрактор претерпевает множество метафор перед выходом на единый хаотический аттрактор [6]. В данной работе решалась задача искусственного получения временных бифуркационных диаграмм (БД), где в качестве параметра бифуркации выступает время, с помощью явления перемежаемости. Идея практической реализации нерегулярного хаоса была взята из [10]. В этой работе нерегулярный хаос был получен для импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) понижающего типа с обратной связью по выходному напряжению при искусственном введении в модель системы пульсаций малой величины. В данной работе рассмотрена система повышающего ИСН имеющего одну обратную связь по максимальному току дросселя и одну обратную связь по напряжению выхода [9]. Функциональная схема данной системы представлена на рис. 1, а математическое описание её работы данной системы было дано в [5]. Уравнения состояния повышающего ИСН для замкнутого силового ключа имеют следующий вид:

 i1 (t )    x1  A1x1  BU 1 1 , где x1  u1 (t ) ,   ucf 1 (t )     0 0  1 A1  0  RC  0  1  CÎ Ñ R1

 1 0 ,   L 0  B1   0   0 0  

U  U1    . U î ï 

 0 ,  0  1 1   COC R1 COC R2 

Физико-математические науки

103 Здесь

i1 (t )

ние конденсатора

u1 (t ) – ток дросселя L и напряжеC при замкнутом ключе, ucf 1 (t ) -

напряжение на корректирующем конденсаторе обратной связи CÎ Ñ , R - сопротивление нагрузки, R1 и R2 – сопротивления резисторов делителя напряжения. Уравнения состояния повышающего ИСН для разомкнутого силового ключа имеют следующий вид:

x0  A0 x0  B0U 0 ,  0  1 A0   C  0 

1 L 1  RC 1  CÎ Ñ R1 

1  0 ,  L  B0   0  0   0  0 

где

 i0 (t )    x0   u0 (t )  ucf 0 (t )   

 ,  U .  U0    0 U î ï   1 1   COC R1 COC R2  0

Здесь i1 (t ) и u1 (t ) – ток дросселя L и напряжение конденсатора C при замкнутом ключе, ucf 0 (t ) напряжение на корректирующем конденсаторе обратной связи CÎ Ñ . Решение обеих систем уравнений, а также принципы построения на основе решений математической модели приведены в работе автора [5]. Решение удалось получить в аналитическом виде, поскольку не был произведен учет активных потерь в реактивных элементах системы [4].

Рисунок 1. Функциональная схема повышающего ИСН с обратными связями по напряжению выхода и максимальному току дросселя. Здесь УПТ – усилитель постоянного тока, Комп. – компаратор, ЗГ – задающий генератор.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

104

Применительно к системе, рассматриваемой в данной работе искусственное введение перемежаемости выглядело следующим образом. К напряжению опорного источника U î ï были добавлены пульсации с частотой

0  2 f0 . Значение частоты f 0 должно отличатся от частоты задающего генератора f на некоторую величину f , значение которой напрямую влияет на длительность межхаотичного устойчивого режима работы. Сначала система без добавления пульсаций была промоделирована вплоть до полностью устойчивого режима, чтобы исключить всякие влияния переходного процесса. Далее значения переменных состояния являлись начальными условиями для последующего моделирования. После этого в систему вводились пульсации заменой постоянного значения опорного напряжения U î ï функцией времени

U î ï (t )  (1   sin(0t ))U î ï , где  –амплитуда вводимых пульсаций. Чтобы система периодически выходила в хаотический режим величину U î ï следует выбирать из устойчивого участка бифуркационной диаграммы при значениях достаточно близких к границе устойчивости. Для получения более точного значения границы устойчивости ИСН с дополнительной связью по напряжению система была промоделирована для случая, когда напряжение компенсации присутствует еще раз, но только более подробно в районе границы устойчивости. На основании этой диаграммы и путем практиче-

i(t ), A

ского подбора было выбрано значение опорного напряжения U î ï  2.7 В. Сами же бифуркационные диаграммы были получены путем фиксирования значений тока дросселя i (nT ) и напряжения конденсатора u (nT ) в начале каждого периода. Для наглядности бифуркационных диаграмм было выбрано значение f  10 Гц, и соответственно отсюда f 0  25010 Гц. Благодаря несложным вычислениям можно определить, что этих значениях f и f периодичность появления хаотических всплесков составит T0  0.1 сек, поэтому длительность фиксации бифуркационных диаграмм составила 0.2 сек. после выхода системы в установившееся состояние. На рис. 2а представлена временная бифуркационная диаграмма для тока дросселя при   0.1, т.е. когда величина пульсаций составляет 0.1% от величины напряжения опорного источника U î ï , что примерно соответствует 2.7мВ. Бифуркационная диаграмма для напряжения конденсатора, т.е. выходного напряжения при тех же значениях величины  представлена на рис.2б. Хотелось бы отметить, что пульсации такой величины вполне могут быть вызваны электромагнитными помехами. Из этих диаграмм видно, что система переходит из устойчивого состояния в каскад бифуркаций удвоения периода и возвращается обратно. Подобные математические модели удобны для апробации различных фрактальных методов детерминированного хаоса с последующим их применением в различных областях науки, например, в медицине [1,2] и экономике [3].

u(t ), B

t, c

а) б) Рисунок 2. Периодические временные бифуркационные диаграммы повышающего ИСН для тока дросселя (а) и напряжения выхода (б) В результате получена работоспособная модель, позволяющая получать бифуркационные диаграммы для конкретной дискренто-нелинейной неравновесной системы – повышающего ИСН с обратными связями по напряжению выхода и максимальному току дросселя, где в качестве параметра бифуркации выступает время. Последующий анализ подобных моделей уже позволил автору применить некоторую методологию фрактального анализа в область решения конкретных задач для биологических и экономических систем. Список литературы: 1. Антипов О.И., Захаров А.В., Антипова Т.А., Мачихин В.А. Применение кросскорреляционной функции к локализации источника ЭЭГ-паттерна // В

сборнике: Клиническая и профилактическая медицина: опыт и новые открытия. Сборник материалов международной научной конференции. под ред. проф. Т.Н. Зариповой. Киров, 2014. С. 175-177. 2. Антипов О.И., Захаров В.А., Пятин В.Ф., Антипова Т.А. Повышение эффективности обнаружения иррадиационных воздействий от сетчатки глаза путем обработки электроэнцефалограммы методами нелинейной динамики / Сборник материалов международной научной конференции «Клиническая и профилактическая медицина: опыт и новые открытия», г. Москва, 20-22 декабря 2013 г. – Киров: МЦНИП, 2013. –355 с., С.177-180.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

105

3. Антипов О.И., Ивахник В.В., Неганова Е.В., Неганов В.А. Фрактальный анализ динамики цен на драгоценные металлы // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2011. Т. 14. № 2. С. 110116. 4. Антипов О.И., Неганов В.А. Влияние учета активных потерь на детерминированный хаос в импульсном стабилизаторе напряжения инвертирующего типа // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2007. Т. 10. № 4. С. 48-55. 5. Антипов О.И., Неганов В.А. Детерминированный хаос в импульсном стабилизаторе напряжения повышающего типа в режиме управления по току с дополнительной обратной связью по напряжению // Электромагнитные волны и электронные системы. 2005. Т. 10. № 9. С. 73-79. 6. Антипов О.И., Неганов В.А., Панферова Т.А. Нелинейная динамика и хаотические явления в немати-

Физико-математические науки

ческом жидком кристалле // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2006. Т. 9. № 4. С. 76-87. 7. Мун Ф. Хаотические колебания: Вводный курс для научных сотрудников и аспирантов: Пер. с англ. — М.: Мир, — 1990. — 312 с. 8. Шустер. Детерминированный хаос: Введение. — М.: Мир, — 1998. — 240 с. 9. C.-C. Fang, E. H. Abed. Sampled-Data Modeling and Analysis of Closed-Loop PWM DC-DC Converters.— 1998 ISR, TR98-24, pp.24-27. 10. Chi K. Tse, Yufei Zhouy, Francis C. M. Lau, ShuiSheng Qiu. “Intermittent” Chaos And Subharmonics In Switching Power Supplies, —2003, Proceedings of IEEE, —v. III, pp.332–335. 11. Manneville P., Pomeau Y. Different Ways to Turbulence in Dissipative Dynamical Systems, — 1980, Physica, —v. 1D, pp.219-226.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА БЛИЖАЙШИХ ЛОЖНЫХ СОСЕДЕЙ К АНАЛИЗУ ЭЭГ-СИГНАЛА НА ПРЕДМЕТ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗАСЫПАНИЯ

Антипов Олег Игоревич доктор физ.-мат. наук, профессор Поволжского Государственного Университета Телекоммуникация и Информатики

RESULTS OF APPLICATION NEAREST FALSE NEIGHBORS METHOD TO THE ANALYSIS OF EEG SIGNAL FOR IDENTIFY FALLING ASLEEP Antipov Oleg Igorevich, doctor of Physico-mathematical Sciences, professor of Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics, Samara АННОТАЦИЯ Целью данной работы является выбор и адаптирование конкретного фрактального метода детерминированного хаоса к задаче выявления засыпания путем обработки электроэнцефалограммы (ЭЭГ). В работе использовалась собственная модификация и алгоритм применения метода ближайших ложных соседей. Разработана программа, позволяющая выявить момент засыпания. Подобное решение позволило создать принципиально новый подход к обеспечению безопасности движения – определению момента засыпания путем анализа ЭЭГ водителя. ANNOTATION The aim of this work is to select and adapt a particular deterministic chaos fractal method to identify the problem by treating the sleep electroencephalogram (EEG). In this paper we use the property modification and the algorithm of the method of false nearest neighbors. A program that allows you to identify the moment of falling asleep. Such a decision has created a fundamentally new approach to traffic safety - the definition of the moment of falling asleep by analyzing EEG driver. Ключевые слова: метод ближайших ложных соседей, ЭЭГ, засыпание. Keywords: nearest false neighbors method, EEG, falling asleep. В данной работе решалась задача быстрого выявления момента перехода человека, с которого снимается ЭЭГ в состояние засыпания. Для этого к анализу снимаемой с засыпающего добровольца ЭЭГ автором было применено множество фрактальных методов, уже применяемых им ранее в других его работах, где уже использовались: метод основанный на расчете показателя Хёрста [12], метод Грассбергера-Прокаччиа [11], метод ближайших ложных соседей [5,11], метод расчета аппроксимационной энтропии [7,10] и др. методы фрактального анализа [2,9] и их применение [6,13,14]. Однако, не углубляясь в детали можно констатировать, что наименьшее количество ложных срабатываний дал метод ложных ближайших соседей. В работе представлены некоторые результаты применения собственного алгоритма метода ближайших ложных соседей к автоматизированному выявлению перехода сон/бодрствование по компьютерным ЭЭГ. Данный метод является наиболее сложным с точки зрения применения к распознанию стадий сна. Именно поэтому он в чистом виде не нашел применения у зарубежных специалистов [15-19]. При попытке напрямую использовать вычисление

метода к обсчету участков ЭЭГ были получены совершенно невразумительные результаты. Ответ был найден в работах у Анищенко, где он исследовал численный эксперимент [1]. Он утверждал, что усредненная спектрограмма мощности для сигнала, разделенного на участки наиболее приближена на разных участках друг к другу. Поскольку, автором предполагалась связь между количеством ближайших ложных соседей, показателем Хёрста и степенным показателем, то применив данные результаты можно говорить об усреднении спектрограммы. Автор делает предположение, что количество ближайших ложных соседей при переходе из двумерного в трехмерное пространство – интегральная спектральная характеристика, наподобие показателя Хёрста [12]. Это предположение позволило разработать свой алгоритм применения метода к задаче выявления засыпания путем анализа ЭЭГ. Нахождение границы бодрствования/сон находилась путем решения обратной задачи: автору была передана ЭЭГ добровольца, которого будили в фиксированные моменты времени, когда он засыпал. На основании разработанной методики была создана программа в среде

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

106

Borland C++ Builder которая обсчитывала любой их выбранных каналов ЭЭГ на всей длине. При этом варьировалась длина обсчитываемого ряда, величина временного лага, через который производилась выборка обсчитываемого ряда и можно менять предполагаемую границу сон/бодрствование. При этом, параллельно ЭЭГ отображалась получаемая с помощью предложенного метода безразмерная величина в виде гистограммы относительно предполагаемой границы разделения сон/бодрствование (все что ниже границы соответствует сну, все, что выше –

бодрствованию). На рис. 1 представлен результат работы программы с указанием одного из множества моментов перехода границы из сна в виде зеленого вертикального маркера. По представленной в соответствующий момент времени гистограмме фрактальной величины можно видеть, что граница бодрствования/сон подобрана правильно, поскольку между моментом просыпания и маркером проходило не более 4х секунд. Полученная программа была зарегистрирована в гос. реестре с авторством принимавших в ее разработке и апробации коллег [8].

Рисунок 1. Представление перехода из состояния сна в состояние бодрствования добровольца в момент времени 23:58:56 в программе разработанной по предлагаемому методу Наиболее оптимальной длиной разово рассчитываемого ряда, как показали результаты многочисленных математических экспериментов с подобными ЭЭГ, была выбрана длина в 800 отсчетов. При частоте выборки сигналов в 200 Гц, длительность участка для расчета составляет, т.о. 4 секунды. Это будет максимальным временем задержки реакции метода на изменения функционального состояния головного мозга. Увеличение частоты выборки сигналов к уменьшению этого времени задержки не приведет, поскольку информативность частотного диапазона ЭЭГ-сигнала лежит в пределах частоты максимум в 70Гц. Поэтому, частота выборки ЭЭГ-сигнала 200 раз в секунду является наиболее оптимальной, так как она соответствует верхней границе частотного диапазона ЭЭГ-синала в 100Гц. Это достаточный запас по информативности, и увеличение частоты выборки приведет исключительно к зашумленности ЭЭГ-сигнала [3]. Временной лаг, в данном случае, это количество отсчетов, через которое будет производится последующая выборка ЭЭГ-сигнала. Как показали эксперименты, минимальная величина временного лага, составляет 10 отсчетов, что соответствует, 0.05 секундной задержке реального времени. Дальнейшее уменьшение величины лага понизит скорость расчетов до такой величины, что станет невозможным расчет в режиме реального времени. В результате, предложена модификация метода ближайших ложных соседей для автоматизированного разделения границы сон/бодрствование путем математической обработки компьютерных ЭЭГ. Предложенный метод нашел активное применение в работах с участием автора, где были разработаны способ и устройство для выявления сна водителя [4] и соответствующая программа [8].

Список литературы: Анищенко В.С. Сложные колебания в простых системах. М.: Наука, 1990. 312 с.

6. 7.

Антипов О.И., Захаров А.В., Антипова Т.А., Мачихин В.А. Применение кросскорреляционной функции к локализации источника ЭЭГ-паттерна // В сборнике: Клиническая и профилактическая медицина: опыт и новые открытия. Сборник материалов международной научной конференции. под ред. проф. Т.Н. Зариповой. Киров, 2014. С. 175-177. Антипов О.И., Захаров В.А., Неганов В.А. Особенности применения фрактальных мер детерминированного хаоса к автоматизированному распознанию стадий сна при полисомнографии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, – 2012. – Т. 15 – № 3 – С. 101-109. Антипов О.И., Захаров А.В., Неганов В.А., Повереннова И.Е. Способ контроля за состоянием бодрствования водителя транспортного средства или диспетчера и устройство для предупреждения его засыпания. Патент на изобретение № 2499692 от 27.11.2013. Бюл. №33. Антипов О.И., Захаров А.В., Неганов В.А. Сравнение скорости и точности фрактальных методов детерминированного хаоса применительно к распознанию стадий сна // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра СО РАМН. 2013. № 2-1. С. 9-14. Антипов О.И., Захаров А.В., Неганов В.А. Устройство для выявления стадий сна при полисомнографии. Патент № 122271 от 27 ноября 2012г. Антипов О.И., Захаров В.А., Повереннова И.Е., Неганов В.А., Ерофеев А.Е. Возможности различных методов автоматического распознавания стадий сна // Саратовский научно-медицинский журнал. 2012. Т.8, №2. приложение (нервные болезни) С.374-379. Антипов О.И., Захаров А.В., Повереннова И.Е. Программа анализа ЭЭГ-сигнала с помощью фрактальных методов детерминированного хаоса на

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

10.

11.

12.

13.

Физико-математические науки

107

предмет разделения бодрствования и сна. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615071, 27 мая 2013г. Антипов О.И., Захаров В.А., Пятин В.Ф., Антипова Т.А. Повышение эффективности обнаружения иррадиационных воздействий от сетчатки глаза путем обработки электроэнцефалограммы методами нелинейной динамики / Сборник материалов международной научной конференции «Клиническая и профилактическая медицина: опыт и новые открытия», г. Москва, 20-22 декабря 2013 г. – Киров: МЦНИП, 2013. –355 с., С.177-180. Антипов О.И., Захаров А.В., Пятин В.Ф. Сравнение возможностей фрактальных методов обработки ЭЭГ для обнаружения изменения в активности головного мозга человека при разной внешней освещенности // Инфокоммуникационные технологии. – 2014. – №2 (12). – С. 57-63. Антипов О.И., Ивахник В.В., Неганова Е.В., Неганов В.А. Фрактальный анализ динамики цен на драгоценные металлы // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, – 2011. – Т. 14 – № 2 – С. 110-116. Антипов, О.И., Нагорная М.Ю. Фрактальный анализ электрогастро-энтерографического сигнала // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2010. – №10. – С. 40-44. Антипов О.И., Неганов В.А. Влияние учета активных потерь на детерминированный хаос в импульсном стабилизаторе напряжения инвертирующего типа // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2007. – Т. 10. – № 4 – С. 48-55.

14. Захаров А.В., Власов Я.В., Повереннова И.Е., Хивинцева Е.В., Антипов О.И. Особенности постуральных нарушений у больных рассеянным склерозом // Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2014. Т. 114. № 2-2. С. 55-58. 15. Analysis of the human sleep electroencephalogram by the correlation dimension. / Kobayashi T, Madokoro S, Ota T, Ihara H, Umezawa Y, Murayama J, Kosaka H, Misaki K, Nakagawa H. // Psychiatry Clin Neurosci. 2000 Jun;54(3): PP.278-279. 16. Approximate Entropy in the Electroencephalogram During Wake and Sleep / Naoto Burioka, Masanori Miyata, Germaine Cornélissen, Franz Halberg, Takao Takeshima, Daniel T. Kaplan, Hisashi Suyama, Masanori Endo, Yoshihiro Maegaki, Takashi Nomura, Yutaka Tomita, Kenji Nakashima and Eiji Shimizu // Journal of Clinical EEG & Neuroscience, January 2005.36(1). –PP.21-24. 17. Non-linear analysis of EEG signals at various sleep stages /Acharya U R, Faust O, Kannathal N, Chua T, Laxminarayan S. // Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2005 Oct;80(1): P. 37-45. 18. Röschke J, Aldenhoff J. The dimensionality of human's electroencephalogram during sleep.//Biol Cybern. 1991;64(4): PP.307-313. 19. Srinath Vukkadala, Vijayalakshmi.S, and Vijayapriya.S, Automated Detection Of Epileptic EEG Using Approximate Entropy In Elman Networks // International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol 1, No. 1, May 2009 PP.307-312.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА С ПОМОЩЬЮ НЕКЛАССИЧЕСКИХ МАРКОВСКИХ ПРОЦЕССОВ

Попов Николай Николаевич канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник ВЦ РАН им. А.А. Дродницына Игнатьев Владимир Юрьевич аспирант 3-его года Московского физико-технического института государственного университета

АННОТАЦИЯ В работе описываются квантовые случайные процессы со счетным множеством элементарных ортогональных событий, управляющие работой квантового компьютера. Выписываются выражения для апостериорных квантовых вероятностей для случая чистых состояний. Исследуются свойства переходных квантовых вероятностей для стационарных и нестационарных квантовых случайных процессов со счетным множеством состояний. Дается метод нахождения апостериорных квантовых вероятностей. Представлен аналог уравнения Колмогорова для квантовых случайных процессов. ABSTACT In this paper we describe the quantum random processes with a countable set of orthogonal elementary events, that control the operation of a quantum computer. The expressions for posterior probabilities in the case of pure quantum states are written. We study the properties of quantum transition probabilities for stationary and non-stationary quantum random processes with countable set of states. A method of finding a posteriori quantum probabilities is given. An analogue of Kolmogorov equation for quantum stochastic processes is represented. Ключевые слова: квантовые компьютеры, марковские процессы, квантовая вероятность. Keywords: quantum computers, Markov processes, quantum probability. Введение Фейнман в 1982 г. [1]показал, как квантовый компьютер может быть использован в исследовании сложных квантовомеханических процессов. Позднее в 1985 г. Дьют, развивая идеи Фейнмана, установил, что любой процесс, в принципе, может быть смоделирован квантовым компьютером. Сама работа квантового компьютера

описывается некоторым стохастическим квантовым процессом. В частности, в работе [2] было показано, что работа N -кубитного квантового регистра может быть описана квантовым марковским случайным процессом с коN

нечным 2 числом квантовых состояний, то есть процессом с отсутствием последействия.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

В предлагаемой работе полученные результаты получают дальнейшее развитие и распространяются на общий класс квантовых марковских процессов с не более чем счетным множеством квантовых состояний и непрерывным временем. Для переходных квантовых вероятностей выводится основное дифференциальное уравнение аналогичное уравнению Колмогорова в теории классических марковских процессов со счетным множеством состояний. Изучаются их свойства, и дается эффективный алгоритм вычисления переходных вероятностей, сводящийся к решению конечной системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами в случае стационарных квантовых марковских процессов с конечным числом состояний. 1. Квантовые процессы со счетным множеством ортогональных событий Прежде чем приступить к исследованию квантовых случайных процессов введем несколько математических объектов, без которых невозможно дальнейшее описание.

Y  1,2,... - счетное множество элементарных событий, Z - линейное упорядоченное множество, Z n - n -ная степень множества Z , тогда  - множеПусть

ство всех конечных упорядоченных наборов элементов из -  -алгебра, порождаемая всевозможными наборами элементарных событий пространства Y .

Zn, B

Процедура измерения

характеризуется некото-

E , которое является ортогональной проекторнозначной мерой на Y ,B  , действующей в гильбертовом пространстве состояний H . Математичерым отображением

ски процедура измерения осуществляется за счет действия некоторого самосопряженного оператора E ( A), AB , соответствующего физической наблюдаемой, на некоторый нормированный вектор  . Каж-

дый нормированный вектор  из H порождает некоторое квантовое состояние ρ , которое представляет собой линейный положительный функционал, заданный на множестве ортогональных проекторнозначных операторов. После применения процедуры измерения квантовый регистр переходит в новое состояние. Наряду с квантовым состоянием ρ , используется квантовая вероятность

 A , которая определяется следующим образом pρ(E)  A   ρ , E ( A) ρ , где , - скалярное про(E) ρ

изведение в гильбертовом пространстве

 Et1 ,...,tn 

pρ

где

- вероятность

, если в моменты времени n

Y ,B , E,ρ  .

Два

непересекающихся

события

A, B B , такие что A  B B , называются взаимно ортогональными в состоянии ρ , или ρ -ортогональными в условиях применения квантовой процедуры если имеет место равенство

SE ,

pρ(E)  A  B   pρ(E)  A  pρ(E)  B  .

Если равенство не выполняется, то события называются взаимно интерферирующими в состоянии ρ . В случае ортогональных квантовых событий квантовый случайный процесс, который представляет собой некоторую стохастическую функцию  (t ) , определяется семейством согласованных квантовых вероятностей вида

 Et 

pρ

t, i  

k 1

ρ ,  Etk (ik ) Etn k 1 (ink 1 )ρ , (1.1)

t   t1,..., tn  - моменты времени при проведении измерений, i   i1 ,..., in  - набор элементарных событий, которые наблюдаемых в моменты времени t1 ,..., tn ,  t , i   t1, i1,..., tn , in  , Etk (ik ) - самосопряженный оператор, соответствующий элементарному событию ik в момент времени t k , вектор  ρ задает векторное состоягде

t, i 

интерпретируется

как вероятность регистрации событий

ние

ρ  ρ ρ .

Величина

pρ

Et 

t   t1,..., tn  S E в состоянии ρ .

моменты времени рения

i   i1 ,..., in 

при проведении изме-

Именно с представлением квантового случайного процесса в виде всевозможных наборов квантовых вероятностей вида (1.1) будем работать в дальнейшем. 2. Апостериорные квантовые вероятности для чистых состояний В силу того, что E является ортогональной проекторнозначной мерой, действующей в гильбертовом про-

странстве H , можно ввести апостериорные квантовые вероятности по формуле

регистрации значения in в момент времени t n квантовой случайной функции  (t ) в условиях проведения проце-

S Et

О п р е д е л е н и е 1. Пусть задано поле

E  pρ t1 ,...,tn  t1 , i1 ,..., tn , in  ,  tn , in | t1, i1,..., tn1, in1    Et1 ,...,tn1  pρ  t1, i1,..., tn1, in1 

E  pρ t1 ,...,tn  tn , in | t1, i1,..., tn1, in1 

дуры измерения

Физико-математические науки

108

t1  ...  tn1

при проведении последовательно проце-

дур измерений

S Et ,..., S Et 1

n 1

были зафиксированы соот-

ветственно значения i1 ,..., in1 , и система в начальный

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

109

 0 находилась в состоянии ρ . Момент времени t0  0 соответствует началу эволюции случайного квантового процесса, а момент t1 - проведения первого момент t0

по каждому из аргументов i1 ,..., in1 , в отличие от аргу-

измерения.

мента in , по которому аддитивность квантовой вероятности следует из формулы (1.1). 3. Метод нахождения апостериорных квантовых вероятностей в случае конечного множества сильно ортогональных событий Рассмотрим задачу о нахождении переходной кван-

Если состояние

E (i)ρ  ρ

для некоторого

i Y ,

то

ρ , соответствующее вектору  ρ , будет назы-

ваться чистым. Т е о р е м а 1. Если

- чистое состояние, то апо-

стериорная квантовая вероятность

E  pρ t1 ,...,tn  tn , in | t1, i1,..., tn1, in1  не зависит от состояния ρ , от результатов измерений в моменты t1 ,..., tn2 и определяется соотношением E  pρ t1 ,...,tn  tn , in | t1, i1,..., tn1, in1   Tr Etn (in ) Etn1 (in1 )



где



Tr Etn (in ) Etn1 (in1 )

рицы



товой вероятности

онарных квантовых процессов с конечным числом квантовых состояний. Если квантовый процесс стационарен и состояние ρ чистое, то E E pρ  ,t   t , k |  ,r   Tr  Et  (k )ρ(r )   pρ 0,t    t   , k 

. В силу теоремы Стоуна существует самосопряженный оператор

Hˆ

такой, что ˆ

Et  eitH EeitH ,

(2.1)

 - след операторной мат-

E pρ  ,t   t , r |  , k  для случая стаци-

где

в показателе экспоненты – мнимая единица.

 r  - ортонормированный базис в конечномер-

Etn (in ) Etn1 (in1 ) .

Пусть

Подробное доказательство теоремы 1 представлено

ρ , построенный из ном гильбертовом пространстве собственных векторов семейства ортогональных проек-

в [3]. С л е д с т в и е 1. Из результата теоремы 1 непосредственно следует, что

 Et1 ,...,tn 

pρ

 Etn1 ,tn 

tn , in | t1, i1,..., tn1, in1   pρ

tn , in | tn1, in1 

. Из теоремы 1 в качестве следствия получаем следующий вариант теоремы умножения [2] апостериорных квантовых вероятностей для случая чистых состояний.

 Et 

pρ

 Etk 1 ,tk 

 t , i    pρ k 1

при этом

 tk , ik | tk 1, ik 1  ,

ρ в момент времени t0  0 при измерении остается в состоянии ρ .

Из формулы (2.2) следует, что квантовый процесс, задаваемый квантовой случайной функцией в широком смысле, в случае чистых состояний полностью определяется семейством квантовых переходных вероятностей





E  r  , и Hˆ

областью определения

- самосопряженный оператор с

  . Положим

D Hˆ

H rk   r , Hˆ k , r , k Y . В общем случае H rk не определено, если  r , k Т е о р е м а 2. Пусть

находясь в чистом состоянии



торов

(2.2)

Et0 (i0 )   , t0  0 , то есть в процесс,

E pρ  ,t   t , r |  , k  , r , k Y , , t 

Отметим, что из результата теоремы 1 следует также, что условные квантовые вероятности на счетном множестве ортогональных событий обладают свойством отсутствия последействия. Однако определяемые ими квантовые процессы не являются марковскими в классическом вероятностном смысле [4] в силу неаддитивности квантовой вероятности

 .

 D Hˆ

E pρ  ,t   t , r |  , k  - переход-

ная квантовая вероятность стационарного квантового процесса со счетным множеством ортогональных элементарных событий. Если ρ - чистое состояние и

  для любого r Y , то

 r  D Hˆ

2 E pρ  ,t   t , r |  , k   yrk  t    ,

где

yrk  t 

- непрерывно дифференцируемая функция по 

параметру t  для любых r , k  Y , удовлетворяющая одновременно двум конечным системам линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

E  pρ t1 ,...,tn  t1 , i1 ,..., tn , in 

 rk

i 1

d yrk  t    H rj y jk  t , dt jY

i 1

d yrk  t    yrj  t  H jk , dt jY

yrk  0    rk , r , k  Y , - символ Кронекера.

(3.1)

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

110

Д о к а з а т е л ь с т в о. В силу определения квантовой переходной вероятности и чистоты состояния ρ имеем

E pρ  ,t   t , k |  , r   Tr  Et  (k )ρ(r )    r , Et  (k ) r

Будем предполагать, что

любых

,   H 

,

d U ( , t )   ,U ( , t )iHˆ (t ) , dt

,

d U ( , t )   , iHˆ ( )U ( , t ) , d

 E ,t 

p

t, k |  , r  

, тогда

 r ,  k (t   )  k (t   ),  r  yrk  t   

  для лю-

yrk  0    rk . Так как  r ,  k  D Hˆ

бых

r , k Y , то функция yrk  t 

где

t

непрерывно дифференцируема по параметру

d yrk  t   i  r , Hˆ  k  t  dt

ˆ ˆ itHˆ , Hˆ t  eitH He

получаем вторую систему линейных дифференциальных уравнений. Теорема доказана. В качестве примера рассмотрим однокубитный квантовый регистр, который может находиться в одном из двух ортогональных состояний {0}, {1}. Тогда, решая систему дифференциальных уравнений

d yrk  t   H kk yrk  t   H rk yrr  t  , dt d i 1 yrr  t   H rr yrr  t   H kr yrk  t  , dt где r , k  0,1, r  k с помощью преобразования

i 1

Лапласа, получаем следующие формулы: p  ,t   t , k |  , r   E

4 H rk H kr t   sin  ( H kk  H rr ) 2  4 H rk H kr ( H kk  H rr ) 2  4 H rk H kr 2 

 , 

E E p  ,t   t , r |  , r   1  p  ,t   t , k |  , r  .

Рассмотрим теперь более общую задачу о нахожде-

p  ,t   t , k |  , r  E

для случая нестационарных квантовых процессов. Пусть, как и выше,

 r 

- ортонормированный

базис в сепарабельном гильбертовом пространстве H  , и пусть

r (t )  U (t ,0)r , где U (t , ), t , 

мейство унитарных операторов.



. Таким образом, все

H .

самосопряжены на

Положим

H rk (t )   для любых r , k Y . Более того, из ˆ (t ) (t )   для любого r Y слеусловия H r

jY

нии переходной квантовой вероятности

Hˆ (t )

t

то

Получаем первую систему линейных дифференциальных уравнений.



при любом

H rk (t )   r (t ), Hˆ (t ) k (t ) . Так как r (t ),  k (t )  H  ,

 r , Hˆ  k  t    Hˆ  r ,  j  j ,  k  t    H rj y jk  t 

Аналогично, учитывая, что

H

операторы

Учитывая, что jY

Hˆ (t ) - самосопряженный оператор с областью опре-

деления

- комплексная

- слабо диффе-

ренцируем по параметрам  ,t на множестве H  , т.е. для

Пусть

yrk  t    r ,  k  t    r , eitH  k

U ( , t )



 - се-

дует, что

H kY

 E ,t 

p

rk (t )   .

 t , k |  , r   Tr  Et (k ) (r ) 

Пусть

- переходная

вероятность квантового процесса со счетным множеством сильно ортогональных элементарных событий,  - чистое состояние. Если U ( ,0) слабо дифференцируем по

параметру  на множестве D , инвариантном относительно семейства унитарных преобразований

U ( ,0),   , то 

p  ,t   t , k |  , r   yrk  , t  E

где

yrk  , t 

- комплексная дифференцируемая функ-

ция по каждому из аргументов  ,t для любых r , k  Y , удовлетворяющая одновременно двум системам линейных дифференциальных уравнений

d yrk  , t    H rj   y jk  , t , d jY d i 1 yrk  , t    yrj  , t  H jk  t , dt jY i 1

yrk  ,    rk , r , k Y для любого  

(3.2)

(3.3) 

Доказательство теоремы 3 аналогично доказательству из теоремы 2. 4. Дифференциальные уравнения для квантовых вероятностей В предыдущем разделе было показано, что квантовая переходная вероятность в случае квантовых измерений, порождаемых проекторнозначными мерами, пред-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

ставляется в виде квадрата модуля некоторой комплексной функции

Физико-математические науки

111

yrk  , t  , удовлетворяющей системам ли-

d  E ,t  E p  t , k |  , r    g  t , k , m, , r  p  ,t   t , m  k |  , r . dt mY \ k (4.1) Доказательство теоремы приведено в работе [3]. З а м е ч а н и е 1. Положим

нейных дифференциальных уравнений (3.2) и (3.3) или в частном случае стационарных квантовых процессов системе (3.1). Эти линейные дифференциальные уравнения есть не что иное, как конкретные реализации уравнения типа Шредингера

i 1

d  t  ˆ  H (t )  t . dt «  -функция» непосредственно

Так как сама не имеет никакой вероятностной интерпретации, то естественно возникает вопрос, нельзя ли найти такое дифференциальное уравнение, замкнутое относительно квантовой вероятности. Другими словами, дифференциальное уравнение, в котором производная квантовой вероятности по параметру t выражалась бы как некоторая функция самих квантовых вероятностей. Перейдем к выводу дифференциального уравнения для апостериорных квантовых вероятностей, определенных на счетном множестве элементарных событий. Т е о р е м а 4. Пусть

p  ,t   t , k |  , r   E

 , E  r  Et  k  E  r    , E  r  

апостериорная квантовая вероятность случайного процесса со счетным числом элементарных событий Y , где



- чистое состояние,

Et ( )

- проекторнозначная мера

t , Et  k   U  t ,0  E  k U  0, t  , где U  t ,0  - слабо непрерывно дифференцируемый по параметру t унитарный оператор dU  t ,0   iHˆ  t U  t ,0  , dt Hˆ  t  - в существенном самосопряженный оператор на множестве D , являющемся существенной областью определения всего семейства операторов Hˆ  t  , t    на

для любого

и инвариантном относительно любых унитарных преобразований

U ( , t ), , t   ,  

Тогда

p  ,t   t , k |  , r  E



D.

- непрерывно дифферен-

цируемая функция по параметру t , и существуют непрерывные по t функции g  t , k , m, , r  , k , m Y , такие что

g  t , k , m, , r    g  t , m, k , , r  , g  , k , m, , r   0

, для всех

k , m Y ,

ряд

 g  t, k , m, , r  схо-

mY \ k

дится абсолютно для любых

t  ,   , k , r Y ,

g  t , k , , r  

 g t, k , m, , r  ,

mY \ k

тогда уравнение (4.1) можно представить в виде

d  E ,t  E p  t , k |  , r   g  t , k , , r  p  ,t   t , k |  , r   dt 

 g  t , k , m, , r  p   t , m |  , r .

mY \ k

E ,t 

(4.2) Полученное уравнение по своему виду напоминает первое уравнение Колмогорова, однако свойства коэффициентов в уравнении (4.2) существенно отличаются от свойств аналогичных коэффициентов в уравнении Колмогорова. В частности, каждый коэффициент может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Заключение Анализ результатов, полученных в теоремах 2, 3, 4, показывает, что переходные квантовые вероятности, описывающие стохастические квантовые процессы, управляющие работой квантовых компьютеров, с увеличением числа кубитов в квантовом регистре начинают очень сильно осциллировать, что приводит к возрастанию неустойчивости квантовых состояний регистра. Это приводит к уменьшению точности и достоверности получаемых результатов. Так вероятность совпадения между теоретическими и экспериментальными квантовыми состояниями двухкубитного регистра оказывается достаточно низкой, в то время как приемлемая вероятность совпадения должна быть не менее 0.99 . Использование десяти и более кубитных квантовых регистров приводит к еще более значительному снижению устойчивости квантовых состояний. Заметим, что эта проблема ничего общего не имеет с уже известной технической проблемой декогерентности, т.е. явления обусловленного неконтролируемым взаимодействием квантовой системы с окружающей средой. Вопрос о том, какими методами можно решить проблему нарастания неустойчивости квантовых состояний с увеличением размерности квантовых регистров предполагается обсудить в дальнейших публикациях. Список литературы: 1. Feynman R.P. Simulating physics with computers // International Journal of Theoretical Physics. 1982. V. 21. № 6. Pp. 467-488 2. N. N. Popov, V. I. Tsurkov Computations on Quantum Computers Based on NonClassic Probability Theory // J. Computer and Systems Sciences International. 2014. V.53. N.6. P.839-853. 3. Попов Н.Н. Элементы теории квантовых вероятностей. М.: Изд-во ВЦ РАН, 1996. 4. Боровков А.А. Теория вероятностей. М.: «НАУКА» Главная редакция физико-математической литературы, 1986.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

112

О ПРИБЛИЖЕННОМ РЕШЕНИИ ОДНОГО НЕЛИНЕЙНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА В ОБЛАСТИ АНАЛИТИЧНОСТИ

Иванов Сергей Анатольевич аспирант кафедры алгебры и геометрии Чувашского государственного педагогического университета, г. Чебоксары Орлов Виктор Николаевич доктор физико-математических наук заведующий кафедрой алгебры и геометрии Чувашского государственного педагогического университета, г. Чебоксары

APPROXIMATE SOLUTION OF THE SECOND-ORDER NONLINEAR DIFFERENTIAL EQUATION IN ANALYTICITY REGION Sergey Ivanov, Postgraduate Student, Chuvash State Pedagogical University, Cheboksary Victor Orlov, Dr. of Phys. & Math. Sci., Chuvash State Pedagogical University, Cheboksary АННОТАЦИЯ В работе дана теорема существования решения одного нелинейного дифференциального уравнения второго порядка. Доказательство основано на методе мажорант, применяемого к решению рассматриваемого уравнения, а не к правой части дифференциального уравнения, как это предлагается в классической литературе (теорема Коши). Полученные результаты сопровождаются расчетами. ABSTRACT The theorem of solving the second-order nonlinear differential equation is provided in the article. The proof of the theorem is based on the majorant method, which applied to the whole solution of differential equation, but not to the right side of differential equation (Cauchy theorem). The results are provided with calculations. Ключевые слова: нелинейное дифференциальное уравнение; подвижная особая точка; аналитическое приближенное решение; априорная, апостериорная погрешности. Keywords: nonlinear differential equation; moving singular point; analytical approximate solution; priori error; posteriori error. Введение. Многие задачи из разных областей приводят к решению нелинейных дифференциальных уравнений, в частности к дифференциальному уравнению Риккати приводят задача построения оптимальных фильтров Кальмана-Бьюси [1, 2]. В последнее время решение задач в экономике приводит не только к скалярным [3], но и матричным дифференциальным уравнениям Риккати [4]. Ряд задач теории эволюционных процессов [5-7] приводят к уравнениям Пенлеве, задача нелинейной оптики для описания сверхизлучательной лавины [8] приводит к уравнению Абеля. Перечисленные виды нелинейных дифференциальных уравнений относятся к категории неразрешимых в общем случае в квадратурах, так как обладают подвижными особыми точками. Следует отметить частные случаи разрешимости в квадратурах таких уравнений, развиваемые Белорусской школой аналитической теории дифференциальных уравнений [9-14]. В работах [15-23] предлагается приближенный аналитический метод для решения такой категории дифференциальных уравнений. В данной работе дается доказательство теоремы существования и предлагается структура приближенного решения для нелинейного дифференциального уравнения второго порядка с полиномиальной структурой правой части четвертой степени. Выбор рассматриваемого нелинейного дифференциального уравнения связан с тем, что оно является одной из основ для более сложных нелинейных дифференциальных уравнений. Имея возможность приближенно решать рассматриваемое уравнение, мы получим возможность решать более сложные нелинейные дифференциальные уравнения.

Дифференциальное уравнение

y  a0 ( x) y 4  a1 ( x) y 3  a2 ( x) y 2  a3 ( x) y  a4 ( x) С помощью некоторой замены переменной, при условии



приводится к нормальному виду [21]

y   y 4 ( x)  r ( x) Рассмотрим задачу Коши:

y   y 4 ( x)  r ( x)  y ( x0 )  y 0 ,   y ( x0 )  y1

 

 2  min  1 ,  

(2)

r ( x)  C  в области x  x0  1 , где 1  const 𝑟 (𝑛) (𝑥0 )

| ≤ 𝑀1 , где M1 =const, n=0,1,2, … Тогда решение задачи Коши является аналитической функцией

2)|

𝑛!



y ( x)   Cn ( x  x0 ) n 0

x  x0   2 ,

  r ( n) ( x0 )      , M max y , y , sup  0 1  , n=0,1,2, …  n 3 n !   (2M )  1     1

(1)

Теорема. Пусть

в области:

где

3a a1 2a  2  3 4a 0 3a1 2a 2

(3)

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

113

Пример. Рассмотрим задачу Коши

Доказательство теоремы основано на известных фактах и методах аналитической теории дифференциальных уравнений, математического анализа и вычислительной математики. Доказанная теорема позволяет получить структуру приближенного решения в области аналитичности. Теорема 2. Для приближенного решения

   4  y  y ( x),  2  y ( 0)  , 5  3  2  y ( 0 )     . 5 

y N ( x)   C n ( x  x0 ) n 0

задачи Коши (1) - (2) в области

Точным

функция 2 125 5(6 x  25) . В данном примере M  ,  y ( x)  5 189 3(6 x  25) 2

x  x0 

(2M ) 3  1

справедлива оценка погрешности 3

y N 

M ((2M ) +1)

N 2  

x  x0

. Выберем

N ( N  1)(1  (2M ) +1)( x  x0 ) ) 3

Доказательство Теоремы 2 следует из оценки остатка ряда (3) с учетом оценок для коэффициентов 𝐶𝑛 , полученных в теореме 1.

125 378

решением

является

x1  x0 

 2



125 , которое находится в 378

области представления решения в виде ряда (3). Расчеты приведены в таблице 1.

Таблица 1

y(x1)

y7(x1)

y 7

y

1 y

0,4283420664232419425

0,428342052

0,00008

1,4  10 8

1  10 6

y(x1) – точное решение, y7(x1) – приближенное решение, y 7 – априорная погрешность, y – абсолютная по-

1 y – апостериорная погрешность. Апостериорная погрешность  1 y предполагает в

грешность,

структуре приближенного решения 13 слагаемых. Однако, слагаемые в структуре приближенного решения с 8 6 по 13, в сумме, не превышает 10 . Следовательно, приближенное решение y7(x1) имеет погрешность 10

6

Список литературы: 1. Kalman R. New results in linear filtering and predication theory / К. Kalman, R. Bucy // J. Basic Engr. (ASME Trans.). — 1961. — V. 83D. — P. 95– 108. 2. Bucy R.S. Optimal Filtering for correlated Noise / R.S. Busy // J. of Mat. Analysis and Applications. — 1967. — V. 20, N 1. — P. 1–8. 3. Shi M. On the solution of a one-dimensional Riccati equation related to risk-sencitive portfolio optimization problem / M. Shi // Repts Fac. Sci. and Eng. Soga Univ. Math. — 2005. — 34, N 1. — С. 17–24. 4. Lystad L.P. The Riccati equation — an economic fundamental equation which deseribes marginal movement in time / L.P. Lystad, P.-O. Nyman, R. Heibakk // Model., Identif. and Contr. — 2006. — 27, N 1. — С. 31–41. 5. Ablowitz M. Nonlinear evolutions and ordinary differential equations of Painleve type / M. Ablowitz, A. Romani, H. Segur // Lett. al Nuowo Cim. — 1978. — V. 23, N 9. — P. 333 – 338. 6. Сулейманов Б. И. Второе уравнение Пенлеве в одной задаче о нелинейных эффектах вблизи каустик / Б. И. Сулейманов // Зап. науч. семинара ЛОМИ. — 1991. — 187. — С. 110 – 128.

7. Ockendon J. R. Numerical and analytical solutions of moving boundary problems / J. R. Ockendon // Proc. Symp. Moving Boundary Problems / ed. D. G. Wilson, A. D. Solomon and P. T. Boggs. New York, 1978. P. 129 – 145. 8. Чудновский В. М. Теория сверхизлучательных лавин радиоволнового диапазона / В. М. Чудновский, Е. Д. Холодкевич // Физика твердого тела. — 1982. — Т. 24, № 4. — С. 1118 – 1123. 9. Синявский М.Т. Про один численный метод визначення особливых точок интегралов систем нелинейных дифференциальных рiвнянь / М.Т. Синявский // Докл. АН УССР, сер. А. – 1969. – № 7. – С. 597–599. 10. Callier F.M. Report on a convergence criterion of the solution of the Riccati differential equation / F.M. Callier, J.L. Willems // Circuit Theory and Design: Proc. Eur. Conf., The Hague, 25–28 Aug. 1981. — Amsterdam a.o. — 1981. — P. 526–530. 11. Еругин Н. П. К теории первого уравнения Пенлеве / Н. П. Еругин // Докл. АН БССР. — 1958. — Т. 2, № 1. — С. 3 – 6. 12. Еругин Н. П. Теория подвижных особых точек уравнений второго порядка / Н. П. Еругин //Дифференц. уравнения. — 1976. — Т. 12, № 3. — С. 387 – 416. 13. Яблонский А. И. К вопросу о числе полюсов решения второго уравнения Пенлеве / А. И. Яблонский //Докл. АН БССР. — 1959. — Т. 3, № 6. — С. 237 – 238. 14. Чичурин, А. В. Уравнение Шази и линейные уравнения класса Фукса: Монография. 2-е изд., доп. и перераб. / А. В. Чичурин – М.: Изд-во РУДН, 2003. – 163 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

114

15. Орлов В.Н. Об одном методе приближенного решения матричных дифференциальных уравнений Риккати / В.Н. Орлов // Вестник МАИ. — Москва, 2008. Т.15, № 5.– С.128-135. 16. Орлов В. Н. Исследование приближенного решения второго уравнения Пенлеве / В. Н. Орлов, Н. А. Лукашевич // Дифференц. уравнения. — Т. 25, № 10. — 1989. — С. 1829 – 1832. 17. Орлов В. Н. Об одном конструктивном методе построения первой и второй мероморфных трансцендентных Пенлеве / В. Н. Орлов, В. П. Фильчакова // Симетрiйнi та аналiтичнi методи в математичнiй фiзицi. — Т. 19. — IM НАН Украiни, Киев. — 1998. — С. 155 – 165. 18. Орлов В. Н. Построение приближенного решения в окрестности под-вижной особой точки для второго уравнения Пенлеве / В. Н. Орлов, Н. А. Лукашевич, А. А. Самодуров // Вестник БГУ. Сер. 1 Физика, математика, информатика. — Минск, 2002. — С. 79 – 85. 19. Орлов В. Н. Критерии существования подвижных особых точек решений второго уравнения Пенлеве /

В. Н. Орлов // Известия Тул. ГУ. Сер. Дифф. уравнения и прикладные задачи. — Вып. 1. — Тула: Изд-во Тул. ГУ, 2006. — С. 26 – 29. 20. Орлов В. Н. О приближенном решении первого уравнения Пенлеве / В. Н. Орлов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. — 2008. — № 2. — С. 42 –46. 21. Орлов В. Н. Исследование приближенного решения дифференциального уравнения Абеля в окрестности подвижной особой точки / В. Н. Орлов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. — № 4 (35). — 2009.– С.23 - 32. 22. Орлов В. Н. Точные границы для приближенного решения дифференциального уравнения Абеля в окрестности приближенного значения подвижной особой точки в комплексной области / В. Н. Орлов // Вестник ЧГПУ им. И. Н. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния.–2010. – №2(8). – С. 399 - 405. 23. Орлов В. Н. Математическое моделирование решения дифференциального уравнения Абеля в окрестности подвижной особой точки / В. Н. Орлов, С. А. Редкозубов / /Известия института инженерной физики.–2010. – №4(18). – С.2 - 6.

ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. ВЫЗОВЫ XXI ВЕКА

Иванов Валентин Яковлевич Д.ф.-м.н., в.н.с., Институт вычислительных технологий, Новосибирск

PHYSICAL ELECTRONICS. CHALLENGES OF XXI CENTURY Ivanov Valentin, Ph.D., Leader Sci. Researcher, Institute of Computational Technol., Novosibirsk АННОТАЦИЯ На примерах наиболее сложных задач физической электроники (задачи микроэлектроники, ускорительной физики и физики плазмы) продемонстрированы наиболее эффективные алгоритмы декомпозиции и распараллеливания, позволяющие автоматизировать проектирование прецизионных приборов в широком диапазоне геометрических (от наномеров до десятков километров) и физических параметров (от миркоампер до мегаампер, тераватт и мегагаусс). Представлены результаты конкретных расчетов указанных приборов и установок и сопоставления расчетных параметров с экспериментальными данными. ABSTRACT The most efficient algorithms of decomposition and paralleling are presented for the most complex problems of physical electronics (microelectronics, accelerator physics and plasma physics). Those methods help to provide the computer aided design for precision instruments at wide range of geometry (from nanometers to miles) and physical parameters (from microamps to mega-amps, terawatts and mega-gauss). The results of specific design for mentioned above devices are presented with comparison between the numerical and experimental data. Ключевые слова: микроканальные усилители, ускорители заряженных частиц, физика плазмы, декомпозиция, распараллеливание. Keywords: microchannel amplifiers, charge particle accelerators, plasma physics, decomposition, parallelization. 1. Введение В связи с бурным ростом параметров вычислительных систем растет и вычислительная сложность задач моделирования приборов и установок физической электроники, в которых основным «инструментом» преобразования энергии или изображений объектов являются потоки заряженных частиц. Вопросы автоматизации проектирования приборов электроники затрагивались автором в монографии [1]. С тех пор сложность моделируемых приборов и физических процессов возросла на многие порядки, и для решения подобных задач ныне привлекаются существенно более мощные вычислительные ресурсы, а также гораздо более совершенные методы численного моделирования. В данном обзоре мы отметим лишь наиболее важные и интересные из них.

Моделирование современных ускорительных структур Современный ускоритель заряженных частиц на диапазон энергий порядка нескольких тера-электронвольт имеет определяющий размер (длину для линейного ускорителя иди диаметр для кольцевого) порядка 20 миль. Этот размер определяется предельным темпом ускорения, который лежит в диапазоне 30 – 60 МВ/м. Так, для ускорителя NLC было принято проектное значение 56 МВ/м, которое означает среднюю напряженность электрического поля в канале, в то время как максимальные значения этого поля на стенках ускоряющей структуры оказывается большим примерно в два раза. Поскольку поверхность любого материала на миркоскопических масштабах является шероховатой, при столь высоких напряженно2.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

115

стях средних полей локальные поля в окрестностях микроострий достигают нескольких гигавольт на метр. Эти микроострия начинают эмиттировать токи автоэмиссии. Так как эмиттированные частицы не находятся в синхронизме с ускоряющим высокочастотным полем, они попадают на стенки ускоряющей структуры, порождая каскады вторичных электронов. Такие потоки первичных и вторичных частиц называются «темновыми токами», они перегревают металлические стенки структуры, что достаточно быстро способно привести к разрушению структуры.

Физико-математические науки

В связи с тем, что ускоряющие структуры находятся под высоким вакуумом, и любые датчики, установленные внутри структуры будут разрушены высокими мощностями, циркулирующими в них, единственным инструментом, позволяющим детально исследовать физические процессы в таких структурах, является численное моделирование. На Рис.1. показана секция ускорителя, состоящая из 65 резонаторов и каплеров для ввода и вывода мощности порядка 100 МВт. Внутренность структуры представлена на Рис.2.

Рисунок 1. Секция ускорителя Next Linear Collider на бегущей волне.

Рисунок 2. Внутренность структуры H60VG4 с окнами связи между резонаторами. При численном моделировании использовался модуль Tau3p для решения системы уравнений Максвелла на основе метода конечных элементов и модуль Track3p для расчета эмиссии и динамики частиц в ускоряющей струк-

туре. Полное число степеней свободы при расчете поля составляло 107-108, поэтому задача решалась с помощью глубокого распараллеливания. На Рис. 3 показана вычислительная модель, в которой разным цветом показаны фрагменты, распределенные разным процессорам.

Рисунок 3. Декомпозиция области при распараллеливании задачи. Следующий Рис. 4. Показывает динамику первичных частиц автоэмиссии и вторичных электронов внутри ускоряющей структуры. Полное число моделируемых частиц составляло несколько миллионов.

Рисунок 4. Расчет динамики частиц: первичные показаны красным цветом, вторичные - зеленым. На Рис. 5 показаны расчетные данные для формы импульса «темнового тока» и экспериментальные данные для трех значений времени нарастания импульса мощности питания структуры – 10, 15 и 20 наносекунд. Как видно из рисунка, оба набора данных находятся в хорошем соответствии друг с другом [2-7]. Примером другой весьма сложной задачи из области физики ускорителей является создание системы динамической настройки, позволяющая предотвратить потери частиц на стенках структуры из-за влияние вибраций почвы и промышленных шумов и, тем самым, увеличить главный параметр ускорителя – его светимость [7-11].

Характерный размер современного ускорителя диапазона энергий тераэлектронвольт составляет порядка 30 километров. Для направления и удержания релятивистских сгустков заряженных частиц вдоль проектной траектории канал ускорителя окружен тысячами поворотных магнитов, фокусирующих квадрупольных, корректирующих секступольных и других магнитов, точность юстировки которых порядка нескольких микрон. При проведении предпроектных работ выбор места постройки ускорителя определяется требованиями минимального воздействия колебаний почвы, как от воздействия естественного сейсмического фона, так и от техногенных факторов:

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

116

транспортных потоков и вибраций промышленных машин и установок. С учетом этих требований, даже в относительно спокойных местах амплитуда колебаний почвы составляет микроны, в то время как поперечный размер сгустков в точке встречи – десятки наномеров. Таким образом, мы пытаемся выстрелить из ружья, вибрирующего с амплитудой в несколько микрон, на расстояние 30 километров, пытаясь попасть в «яблочко» диаметром, скажем, в 50 наномеров. Совершенно очевидно, что без корректировки траектории «пуля» никогда не попадет в мишень. Схема корректировки представлена на Рис. 7. Вдоль канала транспортировки располагаются группы датчиков положения пучка (ДПП), фокусирующих квадруполей и корректируюшие орбиты сгустков в горизонтальном и вертикальном направлениях пары дипольных магнитов.

Физико-математические науки

Датчики измеряют поперечные координаты пролетающих сгустков и через электронику управления вырабатывают сигналы коррекции параметров орбиты, подаваемые на дипольные магниты. Сложность схемы коррекции состоит в том, что параметры орбиты измеряются с погрешностью порядка десятых долей микрона, а элементы коррекции обладают инерцией, вырабатывая воздействие на частицы сгустков с запаздыванием. Свое запаздывание есть и у электронных цепей обработки сигналов. Главная же сложность состоит в том, что общее число распределенных элементов управления составляет десятки – сотни тысяч, поэтому необходимы алгоритмы и программы, способные решать нелинейные задачи автоматического управления огромной размерности достаточно быстро, чтобы управление пучками происходило в реальном времени.

Рисунок 6. Расчетные значения импульса «темнового тока» (слева) и экспериментальные данные (справа) для трех значений времени нарастания импульса мощности питания структуры.

Рисунок 7. Схема расположения измерительных и корректирующих элементов. Такие алгоритмы на основе фильтра Калмана были реализованы автором в программе LFSC (Linac Feedback System Code), и проведены массовые расчеты режимов

управления ускорительным проектом ILC [7-12]. Математическая модель системы обратной связи показана на Рис. 8.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

117

Физико-математические науки

Рисунок 8. Модель управления. U – вектор управления, X – вектор состояния сгустков в разных точках орбиты, Z – вектор измерений. Алгоритм фильтра Калмана состоит из двух этапов: предсказания и коррекции. На первом этапе вычисляется

T T 1 предсказание вектора состоянияKX и P ковариация ошибки k k H ( HPk H  R) , ~ предсказания P по формулам

~ X k  AX k 1  Bu k ,

~ Pk  APk 1 AT  Q,

а на втором этапе вычисляются сигнал фильтра Калмана К, скорректированный вектор состояния Х и ковариация ошибки управления Р

~ K k  Pk H T ( HPk H T  R) 1 , X k  X k  K k (Z k  ~ ~ ~ X k  X k  K k (Z k  HX k ), Pk  ( I  K k H ) Pk .

Здесь матрицы А, В, Н и вектор Q определяются параметрами конструкции элементов измерения и коррекции. Рис. 9 демонстрирует эффективность системы управления.

Рисунок 9. Рост вертикальной компоненты эмиттанса пучка при выключенной обратной связи (зеленая кривая) и при включенной (синяя кривая) за 10 часов работы ускорителя ILC. Компьютерный дизайн перспективных мощных клистронов Клистрон является главным элементом системы питания ускорителя высокочастотной энергией. Он состоит из электронной пушки, формирующей импульс тока длительностью несколько микросекунд, модулятора, который «нарезает» из этого импульса множество коротких сгустков частиц, выходного резонатора, снимаюшего мощное электромагнитное поле из кинетической энергии сгустков, и коллекторм в котором рассеивается остаточная мощность заторможенных выходным резонатором сгустков. В современном ускорителе вдоль канала ускорения установлены сотни клистронов мощностью десятки мегаватт каждый. Все клистроны должны быть синхронизованы с высокой точностью. Нестабильность синхронизации резко снижает эффективность ускорения, поэтому желательно иметь как можно меньше клистронов с как можно большей мощностью каждого из них. Типовой клистрон имеет мощность порядка 75 МВ (Рис.10). Дальнейшее повышение мощности ограничено ростом влияния 3.

объемного заряда, который препятствует формированию сгустков короткой протяженности и малых поперечных размеров. Существуют два перспективных направления повышения мощности клистронов: формирование множества разнесенных в пространстве малых пучков в диодном зазоре пушки клистрона и формирование плоского пучка на выходе из пушки. В обоих случаях значительно снижается расталкивающее действие объемного заряда пучка, но оптика пучка сильно усложняется, поскольку задача из осесимметричной становится существенно трехмерной. Сквозной расчет клистрона от катода до коллектора в трехмерном приближении представляет собой сложнейшую задачу. Оба этих направления успешно развивались в отделе клистронов СЛАК [13-18]. Здесь мы отметим лишь второе направление, в рамках которого впервые в мире был построен надежно работающий клистрон с плоским пучком.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

118

Физико-математические науки

Рисунок 10. 75-МВ клистрон. Электронная пушка клистрона имеет катод цилиндрической формы (Рис.11), фокусирующие электроды катодного узла обеспечивают высокую компрессию пучка в одном из поперечных направлений, сохраняя поперечный размер пучка в другом направлении. Таким образом, на входе в анодное отверстие пучок имеет поперечное сечение прямоугольника с отношением сторон 1:20, и влияние объемного заряда в направлении компрессии становится

ничтожно малым. Главная сложность теперь состоит в том, что заряженный лист неустойчив к малым возмущениям, что на достаточно больших продольных расстояниях приводит к распадению пучка на отдельные струи – эффект филаментации. Этот эффект можно подавить вводом пучка в стабилизирующее внешнее магнитное поле. Нами рассматривались два варианта конструкции пушки – диодный и триодный.

Рисунок 11. Диодная пушка (слева. 1-катод, 2 – фокусирующий электрод, 3 – анод) и триодная пушка мощного клистрона с плоским пучком. Численные расчеты клистрона проводились с помощью разработанного автором пакета программ “POISSON-3” на основе метода граничных элементов с аналитическим интегрированием по поверхностным и

объемным элементам. Результаты расчета представлены на Рис.12, а конструкция прототипа клистрона, изготовленного в СЛАК с привлечением фирмы “Calabasas Creek Inc.” показана на Рис.13.

Рисунок 12. Оптика электронного пучка (красные линии) в диодной пушке. Эмиттер показан зеленым цветом, катодный узел – синим, анод – голубым. Слева показано продольное сечение пучка, справа – поперечное.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

119

Рисунок 13. Конструкция пушки (слева) и клистрона (справа). Быстрые фотодетекторы на микроканальных пластинах (МКП) Микроканальные усилители в качестве усилителей сверхслабых сигналов имеют обширные области применений в медицине, астрофизике и в качестве детекторов для ускорителей заряженных частиц. Принципиальная схема такого усилителя приведена на Рис. 14. Попадающие на полупрозрачное окно частицы или излучение, выбивают из нанесённого на окно фотокатода первичные электроны, которые ускоряются напряжением, приложенным к зазору «фотокатод-МКП», и попадают на пластину из стекла или керамики с микроканалами диаметром 1-30 микрон. Торцы пластины металлизированы, а на внутреннюю поверхность каналов нанесена пленка из окислов с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Если приложить к торцам пластины толщиной 5 мм напряжение 1-2 кВ, то каждый попавший в канал фотоэлектрон порождает каскады вторичных электронов, так что ток вдоль канала возрастает по экспоненте, и на одной пластине можно получить коэффициент усиления сигнала до 106, а если за первой пластиной разместить вторую, этот коэффициент уве4.

личится до 108 и более. При столь высоких коэффициентах усилитель позволяет регистрировать каждую отдельную частицу или группу из небольшого числа фотонов, однако для очень слабых сигналов коэффициент усиления зависит от положения точки первого удара фотоэлектрона о стенку канала. Чтобы снизить эту зависимость, каналы располагают не перпендикулярно торцам пластины, а под углов 7-15 градусов. При шевронном включении каналы второй пластины имеют наклон в противоположную каналам первой пластины сторону. Это приводит к тому, что рожденные в канале из-за соударения вторичных электронов с молекулами остаточного газа ионы не распространяются вдоль канала, а гибнут на стенках, что предотвращает деградацию фотокатода от ионной бомбардировки. На выходе из МКП электронный поток испытывает дополнительное ускорение и попадает на анодный блок, который представлен двумя наборами перпендикулярно расположенных по отношению друг к другу тонких проволочек, попадая на которые поток наводит выходной сигнал, обрабатываемый быстродействующей электроникой. Такие усилители имеют субмикронное пространственное и пикосекундное временнόе разрешения.

Рисунок 14. Схема усилителя. Сложности моделирования таких задач заключаются в следующем:  Из-за высоких коэффициентов усиления и статистического характера размножения электронов приходится для накопления статистики решать сотни тысяч трехмерных задач, в каждой из которых моделируется взаимодействие многих миллионов частиц с электромагнитным полем и стенками каналов. Это возможно только при высокой степени распараллеливания задачи;  Угловые и энергетические характеристики фото- и вторичной электронной эмиссии для используемых при напылении материалов невозможно найти в



справочной литературе, поскольку они существенно зависят от толщины пленок, поэтому для их получения нужно использовать предварительный этап статистического микро-моделирования динамики столкновений методами Монте Карло; Поскольку входным сигналом являются очень короткие импульсы, то при высоких коэффициентах усиления имеет место сильно нелинейный эффект насыщения, проявляющийся в том, что на выходе из канала вырывается плотный сгусток электронов, а изза конечной проводимости материалов канала ток цепи питания не успевает быстро скомпенсировать наведенный положительный заряд, и канал на время

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014



120

релаксации заряда теряет усилительные свойства. Для уменьшения эффекта насыщения приходится делать многослойные покрытия, когда на стенку канала сначала наносится материал с высокой проводимостью, а поверх него – материал с высокими эмиссионными свойствами. При моделировании таких эффектов сложность задачи возрастает на порядок; Высокие концентрации поверхностных зарядов приводят к влиянию физических процессов в канале на такие же процессы в соседних каналах, что не позволяет ограничиваться моделированием каскадов частиц лишь в одном канале.

Физико-математические науки

Мы перечислили здесь лишь самые важные особенности физических процессов в микроканальных усилителях, которые учитывались при моделировании данного класса приборов разработанного автором для этой цели пакета программ MCS3 (“Monte Carlo Simulator”) [19-34]. На Рис.15 показаны угловые и энергетические распределения характеристик вторичной эмиссии для пленок Al2O3, а Рис. 16 демонстрирует влияние краевых эффектов между пластинами и влияние полей соседних каналов. Фотография действующего усилителя большой площади представлена на Рис.17.

Рисунок 15. Угловое и энергитическое распределение вторичной эмиссии.

Рисунок 16. Краевые поля между пластинами (слева), поле и плотности заряда в соседних каналах (справа).

Рисунок 17. Прототип микроканального усилителя большой площади.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

121

5. Взаимодействие пучков с плазмой Нагрев плазмы мощными электронными и ионными пучками является одним из перспективных направлений в установках управляемого термоядерного синтеза. В ИЯФ

СО РАН такие эксперименты ведутся на установке ГОЛ-3 (Гофрированная открытая ловушка), покащанной на Рис.18.

Generator U-2 Solenoid Output Plasma unit

Ribbon diode

B, T 10сложность Основная

Рисунок 18. Схема установки ГОЛ-3 для исследования плазмы.

моделирования задач такого ботанной автором совместно с В.Т.Астрелиным прокласса состоит в том, что в мультиапертурном диоде рож- граммы POISSON-2 [35]. Основные результаты представCorrugated magnetic даются распространяемые навстречу друг другу электронлены вfield работах [36-37]. ный и ионный пучки, вытягиваемые со свободных границ На Рис. 19 приведен результат моделирования одкатодной и анодной плазмы. Форма границы плазмы опре- ной ячейки мультиапертурного диода во внешнем магнитделяется в процессе расчета из условий равновесия внеш- ном поле 500 Гс с катодной и анодной плазмой,. Паранего электрического поля электродов и поля объёмного метры модели: напряжение 100 кВ, диодный зазор 12 мм, 5 заряда самих пучков. В настоящее время известны лишь диаметры апертур – Dкат = 3 мм, Dан = 4.4 мм. Плотности две программы, способные решать подобные сильно нели- токов и температуры компонент: je ~ 60 А/см2, Ti = 5 эВ нейные задачи самосогласованного поля со свободной для катодной и ji ~ 1 А/см2, Е0 = 7 кэВ, Te = 1 кэВ для анодграницей – PB-GUN и POISSON-2, но первая из них до- ной плазмы. Видно, как деформирована поверхность капускает существование только одной свободной границы. тодной плазмы объемным зарядом ионов. Тем не менее, Численное моделирование проводилось на основе разра- достигнута угловая расходимость скоростей электронов 0 пучка меньше 0.07 рад.

-4

-2

Distance from input mirror, m

Рисунок 19. Траектории электронов и ионов в диодной ячейке. Катод слева, анод справа. 6. Заключение В приведенном обзоре даны наиболее характерные постановки сложных задач физической электроники в трехмерной постановке, требующих привлечения значительных вычислительных ресурсов для их решения. Описаны математические модели и приведены результаты сопоставления численного моделирования с экспериментальными данными. Некоторые из приведенных задач были успешно решены впервые. Разработаны высокоэффективные пакеты прикладных программ, прошедшие

успешную апробацию при проектировании приборов электроники в течение многих десятилетий. 1. 2.

Список литературы: Иванов В.Я. Методы автоматизированного проектирования приборов электроники. В 2-х частях.-Новосибирск: Изд-во ин-та математики, 1986. V. Ivanov et al. Proc. of Particle Accelerator Conference, Portland, Oregon, 12-16 May 2003, pp. 2664-2666.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

3. 4.

5. 6. 7. 8.

10.

11.

12.

13.

14.

15. 16. 17.

18. 19.

20.

21.

122

Z. Li, N.Folwell, L.Ge, A.Guetz, V.Ivanov et al. Proc. 9th European Particle Accelerator Conference, Lucerne, Switzerland, 5-9 Jul 2004. K.Ko, N.Folwell, L.Ge, A.Guetz, V.Ivanov et al., Impact of SciDAC on accelerator projects across the office of science through electromagnetic modeling. J. Phys. Conf. Ser.16 (2005) 195-204. Z.H. Li, N. Folwell, L. Ge, A. Guetz, V.Ivanov et al. NIM A 558:168-174, 2006. C.K. Ng, N. Folwell, A. Guetz, V. Ivanov et al. NIM A 558:192-195, 2006. V.Ivanov. Dynamic Alignment in Presence of Ground Motion & Technical Noise, Preprint FERMILABCONF-06-500-CD. K.Ranjan, N.Solyak, V.Ivanov. Adaptive Alignment and Ground Motion. European Linear Collider Workshop, Daresbury Lab., Jan. 8-11, 2007, Daresbury, Great Britain. K.Ranjan, N.Solyak, V.Ivanov. Dynamic simulations of Ground Motion & Adaptive Alignment. May.13 – June 3, Hamburg, 2007 Int. Linear Collider Workshop, Hamburg, Germany. K.Ranjan, N.Solyak, V.Ivanov, S.Mishra. Study of Adaptive Alignment as Beam Based Alignment in ILC Main Linac in the Presence of Ground Motion, June 2528, Albuquerque, PAC-2007, USA. N.Solyak, V.Ivanov, S.Mishra, K.Ranjan, Studies of Emittance Bumps and Adaptive Alignment method for ILC Main Linac, June 25-28, Albuquerque, PAC-2007, USA. V.Ivanov. Beam Based Feedback System for ILC, XV Int. Workshop “Beam Dynamics & Optimization”, 1013 July, 2008, St.. Petersburg, Florida, USA. Int. J. of Modern Physics A, Vol.24, No.5 (2009) 857-868. V. Ivanov, K. Ko, A. Krasnykh, L. Ives, G. Miram. 3D method for the design of multi or sheet beam RF sources. Proc. of IEEE Particle Accelerator Conference, Chicago, Illinois, 18-22 Jun 2001, pp 1213-1215. M.E. Read, G. Miram, R.L. Ives, A. Krasnykh, V. Ivanov. An Electron gun for a sheet beam klystron. Proc. of 29th IEEE International Conference on Plasma Science, Banff, Alberta, Canada, 26-30 May 2002. V. Ivanov, A. Krasnykh, M. E. Read, G. Miram, R.L. Ives, Proc. of Particle Accelerator Conference, Portland, Oregon, 12-16 May 2003. R.L.Ives, G. Miram, A.Krasnykh, V. Ivanov et al. Proc. AIP Conf. 691:90-99, 2004. V. Ivanov, A. Krasnykh, G. Scheitrum, D. Sprehn, L. Ives, G. Miram. Proc. of Particle Accelerator Conference (PAC 03), Portland, Oregon, 12-16 May 2003, pp. 3312-3314. V. Ivanov et al. Proc. of Particle Accelerator Conference (PAC 03), Portland, Oregon, 12-16 May 2003, pp. 2664-2666. V.Ivanov, Z.Insepov, MCP Simulations: State of the Art, Pico-Second Workshop VII, The Development of Large-Area Pico-second Photo-Devices, February 2628, 2009; Argonne National Lab. V.Ivanov, T.J.Roberts, R.Abrams, H.Frisch, Large Area Photo-detectors with millimeter and picosecond Resolution: Simulations, PAC’09, 4-8 May, Vancouver, Canada. V.Ivanov, R.Abrams, T.Roberts et al., Review: The Developments of Large Area Fast Photo-Detectors, 2729 May, 2009, Moscow, IX Seminar on Theoretical & Applied Electron & Ion Optics.

Физико-математические науки

22. V.Ivanov, Computational models for MCP Simulations, Aug.30 – Sept.4, 2009, San Francisco, X Int. Computational Accelerator Physics Conf. ICAP’09. 23. Z.Insepov, V.Ivanov, Comparison of Candidate Secondary Electron Emission Materials, May 3-7, 2010, 7th Int. Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors, Cassis, Provence, France. 24. V.Ivanov, Gain and Time Resolution Simulations in Saturated MCP Pores, 7th Int. Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors, Cassis, Provence, France,2010. 25. V.Ivanov, Numerical Models in Simulation of Largearea Fast Photo Detectors, XVI Int. Workshop: Beam Dynamics & Optimization, June 28-30, 2010, St. Petersburg, Russia. 26. Z.Insepov, V.Ivanov, H.Frisch, Comparison of Candidate Secondary Electron Emission Materials, NIM B, 268(2010) 3315-3320. 27. V.Ivanov, Z.Insepov, S.Antipov, Gain and Time Resolution Simulations in Saturated MCP Pores, NIM A, 52549 (2010) 02291-6. 28. Z. Insepov, V. Ivanov, S. J. Jokela, I. Veryovkin, A. Zinovev, H. Frisch, Comparison of Secondary Electron Emission Simulation to Experiment, NIM A, 52549 (2010). 29. Z. Insepov, V. Ivanov, J. Elam, B. Adams, H. Frisch, Charge Relaxation and Gain Depletion for Candidate Secondary Electron Emission Materials, Nuclear Science Simposium, Oct.30-Nov. 6, Knoxville, Tennessee, 2010. 30. Иванов В.Я., Численное моделирование быстрых фотодетекторов большой площади, Вестник СпбГУ, №4, Сер.10, Прикладная математика, 2011, с.14-31. 31. Z. Insepov, V. Ivanov, S.Jokela, M.Wetstein, Comparison of back-scattering properties of electron emission materials, PAC’11, March 28- April 1, 2011, New York, USA. 32. M.Wetstein, B.Adams, M.Chollet, V.Ivanov, Z.Insepov, S.Jokela, Integration-Level Testing of SubNanosecond Microchannel Plate Detector for Use in Time-of-Flight HEP Aplications, 2nd Int. Conf. on Technology and Instrumentation in Particle Physics, 914 June 2011, Chicago, IL, USA. 33. B. Adams, Z. Insepov, V.Ivanov, J. Norem, Simulations of Fast X-Ray Detectors Based on Multichannel Plates. Proc. IPAC’12, 20-25 May, 2012, New Orleans, USA.p.939-941. 34. Иванов В.Я. Успехи машинного проектирования в создании прототипа быстрого фотодетектора большой площади на микроканальных пластинах. Успехи прикладной физики, 2013, том 1, №5.с.585-591. 35. Астрелин В.Т., Иванов В.Я. Пакет программ для расчета характеристик интенсивных пучков релятивистских заряженных частиц. Автометрия, т.3, 1980, с.92-99. 36. V.T. Astrelin, A.V. Burdakov, G.E. Derevyankin, V.Ya. Ivanov et al. Zababakhin Scientific Talks of the IX International Conference, Snezhinsk, September 1014, 2007, p.115-116. 37. Астрелин В.Т., Бурдаков А.В и др. В кн.: «Вычислительные методы, алгоритмы и аппаратурно-програмный инструментарий параллельного моделирования природных процессов», Новосибирск: издво СО РАН, 2012.-с.97-125.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

123

ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОТКРЫТОГО ТИПА

Кирпичников Александр Петрович Заф.кафедра Интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами" ( ИСУИР ) Казанский национальный исследовательский технологический университет Г.казань Фадхкал Зайнаб Аспирант, Интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами" ( ИСУИР ) Казанский национальный исследовательский технологический университет Г.казань Титовцев Антон Сергеевч Кандидат технических наук, Интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами" ( ИСУИР ) Казанский национальный исследовательский технологический университет Г.казань

АННОТАЦИЯ В работе рассмотрено поведение коэффициента вариации, связывающего первые и вторые моменты основных величин, характеризующих поведение систем массового обслуживания различных типов. Показано, что изучение этой характеристики позволяет сделать ряд нетривиальных выводов о режимах функционирования этих систем. Ключевые слова: система массового обслуживания, коэффициент вариации, поток требований, очередь, обслуживающее устройство. В математической статистике при изучении зависимостей случайных процессов принято вводить коэффициент вариации

  t  E (t ) ,

(1) который в данном случае равен отношению среднеквадратического (стандартного) отклонения числа заявок, поступающих в систему за единицу времени

этом случае имеем [2]

m   , 2m    2 ,

где

t  , к матема-     - приведённая интенсивность потока заявок, и

E (t )

тическому ожиданию этой величины. При этом в теории массового обслуживания коэффициентом вариации иногда называют несколько другую величину [1]

~   D(t ) E (t )

(2)

D(t )  2 t 

где , которая также характеризует степень нерегулярности соответствующего потока заявок. Для простейшего потока заявок этот коэффициент равен единице, для регулярного или детерминированного потока, то есть потока, в котором промежутки времени между двумя последовательными заявками являются по-

стоянными величинами, коэффициент вариации  равен нулю, для большинства же других законов распределения

0 ~  1. Ясно, что в этом случае ~    2 E t .

Коэффициенты вариации вида (1) и (2) будем для определённости называть коэффициентами вариации соответственно первого и второго рода. Введём теперь по аналогии с соотношениями (1) и (2) в рассмотрение величины, составленные из первых и вторых моментов основных числовых характеристик установившегося режима систем массового обслуживания. Определим коэффициенты вариации числа заявок (требований), находящихся в обслуживающем устройстве, как

для одноканальных СМО первая из этих величин является просто средней долей занятости обслуживающего устройства. Для модели классической одноканальной СМО в

m  2m m ,  m  m m , ~

где

- среднее число занятых каналов в многоканальном обслуживающем устройстве или, что то же самое, среднее число требований (заявок), одновременно находящихся

2 под обслуживанием, а  m - среднеквадратическое отклонение соответствующей величины, то есть числа занятых каналов в многоканальном устройстве. Заметим, что

тогда

1  m

  2 1  ; ~ 1   2 m  1  .    

(3) Предположим теперь, что изучаемая система масобслуживающих каналов сового обслуживания имеет с одинаковой интенсивностью обслуживания  при общем простейшем входящем потоке заявок с интенсивностью  . Как известно, такая система называется многоканальным устройством и имеет условное обозначение М/М/m. В этом случае, согласно [3, 4], имеем и

m 

2m     pожид ,

где

p ожид

- вероятность

ожидания, то есть вероятность того, что поступающее требование найдет все каналы занятыми, задаваемая формулой

m p0 , pожид  m  1!m  

 m  1  p0  em    m!m    

которой

1 - вероятность

простоя системы, то есть вероятность того, что в системе нет ни одной заявки. В этом соотношении

 2 m em  1    ...  1! 2! m!

– неполная экс-

поненциальная функция (неполная экспонента). При этом

e0   1,

а при

m0

полагаем

em   0 .

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Ясно, что имеем

em   e

при

m   . В результате

   pожид 1 pожид    2      pожид 1 p ~ m ожид . 

m2  

Физико-математические науки

124

происходит по закону Пуассона, времена их обслуживания распределены экспоненциально со средней интенсивностью обслуживания  заявок в единицу времени. При этом в систему допускаются только те требования, которые застают в ней строго меньше заявок, чем

;

Ясно, что для (4)

Перейдём к моделям систем массового обслуживания с отказами (модели А. Эрланга). Пусть на вход mканальной системы массового обслуживания поступает простейший поток заявок с интенсивностью  . Поток обслуживаний каждого канала также простейший с интенсивностью  . Потребуем еще выполнения следующего

ведливы

m   1 pотк ;

соотношения

2m  m   m  m  pотк , m pотк  pm  p0 m!

которых

- вероятность отказа (фор-

мула потерь А. Эрланга). Напомним, что заявка получает отказ, если приходит в момент, когда все каналов за-

няты, вероятность чего равна

pотк . В данном случае

1  . Отсюда в свою очередь имеем p0  em m   m  m  p отк , m3  m 3  m   m  m  p отк  ~ m m  m  m  p отк 1  . m

E 

m   1  pотк  ;

имеем

2m  m    pожид  m  m  pотк , где pотк  pm  E 

m  E m!m

p0 ,



m p0 pожид  1  m E m  1!m  



Отсюда в свою очередь следует

m    pожид  m  m  pотк  ; m 4   m    pожид  m  m  pотк   ~ m m p  m  m  p отк (6) 1   ожид . m

m4  

Проанализируем, прежде всего, поведение коэффициентов вариации первого рода при изменении параметра приведённой интенсивности потока заявок  . Исходя из соотношений (3), (4), (5) и (6), имеем

0  m1   , 0  m2    , 0   m3   , 0   4    . m

откуда следует, что коэффициенты вариации первого рода при изменении параметра  могут колебаться в весьма значительных пределах, что очевидно. Здесь и ниже в двойных неравенствах левые части неравенств соответствуют максимально возможным для каждой модели значениям параметру приведённой интенсивности  , то есть

(5)

Наконец, обратимся к наиболее общей по отношению к трём рассмотренным выше моделям – модели системы массового обслуживания с очередью конечной длины (или - с конечным объёмом накопителя). Рассмотрим многоканальную систему массового обслуживания, для которой фиксировано максимальное число требований, ожидающих обслуживания; для чего предположим, что в очереди одновременно могут находиться не более заявок и что любое поступившее сверх этого числа требование получает отказ и немедленно покидает систему без обслуживания. Поступление новых требований

такая система сводится к СМО с

отказами (модель М/М/m/0), а при - к обычной многоканальной системе массового обслуживания с неограниченной очередью. В этом случае, согласно [3,4],

каналов занятыми, условия: если заявка застанет все то она получает отказ, то есть покидает систему без обслуживания. Это, в свою очередь, означает, что очереди в такой СМО отсутствуют. Если же заявка застанет свободным хотя бы один канал, то она принимается к обслуживанию любым из свободных каналов. Классическим примером такого ряда СМО является автоматизированная телефонная станция в любом населенном пункте (исторически именно с этих моделей СМО и началось построение общей теории массового обслуживания в 1910-е гг.). Для систем массового обслуживания такого типа [3-5] спра-

E 0

m E .

числу каналов для моделей систем с ожиданием (первых двух моделей) или бесконечности для моделей систем с отказами (последних двух). Правые неравенства при этом соответствуют нулевому значению параметра  . Интересно отметить, что для каждой модели существует некоторое критическое значение приведённой интенсивности потока заявок, при которой среднеквадратическое отклонение числа требований под обслуживанием совпадает с математическим ожиданием этой величины:



кр li   1



. В частности, для модели класси-

ческой СМО это значение, как легко видеть составляет величину

1) (кр 1 2

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Проанализируем поведение коэффициентов вариации второго рода при этих же условиях. Как мы увидим ниже, для коэффициентов вариации второго рода в данном случае этого явления не наблюдается. Прежде всего, следует отметить то обстоятельство, что все без исключения коэффициенты вариации второго рода числа требований, находящихся под обслуживанием, строго меньше единицы:

1  1, 0  ~ 2  1, 0  ~ 3 1, m m 0 ~ m 0 ~  4  1. m

Равенство этих величин единицы достигается, как легко

0

видеть, только лишь в тривиальном случае . Отсюда с учётом соотношений (1) и (2) сразу же следует

m1 , m2  ,  m3 , m4  

1 m

Физико-математические науки

125

Таким образом, отношение среднеквадратического отклонения числа требований, одновременно находящихся в обслуживающем устройстве, к их среднему значению (математическому ожиданию) всегда строго меньше корня квадратного из обратной значения этой величины, то есть ограничено сверху. В реальных условиях,

которые нас главным образом будут интересовать, как правило, всегда имеют дело с многоканальными обслужи-

m 1

вающими устройствами, когда , и тогда полученный результат можно сформулировать следующим образом. Чем больше загружено требованиями многоканальное обслуживающее устройство, тем меньше коэффициент загрузки отклоняется от своих средних значений (качественно - достаточно понятный и прогнозируемый результат с точки зрения физики процесса). В заключение укажем, что результаты расчётов, полученные в настоящей работе, могут быть полезны при проектировании и эксплуатации достаточно широкого класса объектов и систем, работающих по принципу систем и сетей массового обслуживания. Литература 1. С.А. Майоров (ред.), Основы теории вычислительных систем. Высшая школа, Москва, 1978. 408 с. 2. Дж. Риордан, Вероятностные системы обслуживания. Москва, Связь, 1966 184 с.. 3. А.П. Кирпичников, Методы прикладной теории массового обслуживания. Казань, Изд-во Казанского университета, 2011. 200 с. 4. А.П. Кирпичников, З. Фадхкал, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 19, C. 383-388 (2014).

СОЗДАНИЕ ФЕРРИТОВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ

Татьяна Георгиевна Кузьмичева, канд.физ.-мат.наук, доцент, Белгородский Государственный Национально Исследовательский Университет, Лариса Федоровна Маслакова, старший преподаватель, Белгородский Государственный Национально Исследовательский Университет THE CREATION OF A FERRITE SINGLE CRYSTALS Tatiana G. Kuzmicheva, Kida.Phys.-Mat.Sciences, associate Professor, Belgorod State National Research University, Larisa Feodorovna Maslakova, senior lecturer, Belgorod State National Research University, АННОТАЦИЯ Предложена методика формирования модифицирующих поверхностных слоев микрокристаллов гексагональных ферритов, основанная на использовании элементов криохимической технологии. Созданы новые композитные ферритовые материалы, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к высокоплотной магнитной записи и подмагничивающим системам с высокой локальной однородностью создаваемого магнитного поля. ABSTRACT The technique of forming the modifying of the surface layers of micro-crystals of hexagonal ferrites based on the use of elements of cryochemical technology. Created new composite ferrite materials which meet the requirements for high-density magnetic recording and magnetizing systems with high local homogeneity of the generated magnetic field. Ключевые слова: высокодисперсные ферритовые материалы, криохимическая технология, криопропитка, магнитные характеристики. Keywords: fine ferrite materials, cryochemical technology, cryptophyta, magnetic characteristics. В настоящее время достигнуты значительные успехи при создании функциональных ферритовых материалов типа BaFe12O19. Однако сегодня практически исчерпаны возможности расширения диапазона их свойств с помощью метода замещений ионов Ba2+(Sr2+) и Fe3+ диа- и парамагнитными ионами. Также важным моментом является проблема разрешения противоречивых требований к ферритовому материалу, возникающих даже в рамках одной технической задачи. Так, например, высокодисперсные ферритовые порошки для высокоплотной магнитной записи (ВМЗ) имеют оптимальное значение коэрцитивной силы (Нс  1000 Э) и относительно низкую намагниченность насыщения (s  45-55 Гссм3г-1) 1, 2. Эффект понижения намагниченности тем сильнее, чем меньше и

тоньше микрокристаллы. То есть требование ВМЗ, связанное с уменьшением и утонением кристаллов с целью повышения плотности записи и уменьшения уровня шума, вступает в противоречие с требованием повышения уровня выходного сигнала, а значит, увеличения намагниченности насыщения. Принципиально новые возможности расширения диапазона свойств и, соответственно, технических применений ферритов открывает идея создания многослойных композитных структур, опирающаяся на появившиеся в последнее время оригинальные методики синтеза ультрадисперсных ферритовых порошков.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

126

В имеющихся работах по созданию композитных ферритовых порошков, в частности для МЗ, использовалась технология покрытия частиц, основанная на химическом методе гомогенизации исходных компонентов. Такой является технология соосаждения из раствора 3, а в работе 4 сообщается об успешном использовании криохимического метода 5 для покрытия игольчатых частиц -Fe2O3 кобальтом. В данной работе при использовании элементов криохимической технологии была предпринята попытка создания многослойных ферритовых микрокристаллов. Для этого в рамках данной технологии использовался двухстадийный процесс: сначала формируется базовый кристалл (ядро частицы), а затем – его оболочка.

Физико-математические науки

В работе применяли два метода получения базовых микрокристаллов. Первый – частицы высокоанизотропного феррита BaFe12O19, предназначенные для создания подмагничивающей среды, синтезировались криохимическим методом с последующей термообработкой 6; второй – частицы BaFe10,4Co0,8Ti0,8O19 (аналог носителя высокоплотной магнитной записи) получены оптимизированным методом соосаждения из расплава, описанным в патенте 7. В обоих случаях полученные микрокристаллы имели пластинчатую форму в виде шестигранника и отличались высоким качеством поверхности (рис.1а).

Рис.1. Электронно-микроскопические снимки микрокристаллов базового феррита

BaFe10, 4 Co0,8Ti0,8O19 (а) и многослойных микрокристаллов, покрытых кобальтовой шпинелью (б, в): а – ув. 10000, б – ув. 40000 ( CoFe 2 O4 - 10%, мас.), в – ув. 10000 (стрелкой указана выпавшая шпинельная фаза при исходной концентрации 20%, мас.).

Методика формирования поверхностного слоя микрокристаллов состояла в следующем. Нанесение модифицирующих поверхностных слоев микрокристаллов проводили в двух направлениях. Эксперимент 1: частицы BaFe12O19 покрывались тонким (порядка 1%, мас.) слоем оксида редкоземельных элементов (лантана и гольмия). Целью такого покрытия было предотвращение увеличения размера частиц за счет повторной рекристаллизации. Эксперимент 2: на поверхности кристаллов BaFe10,4Co0,8Ti0,8O19 формировался слой близкого по кристаллической структуре (S – блок структуры гексаферрита) и элементному составу феррита шпинели CoFe2O4. Цель такого покрытия – повышение значе-

ния намагниченности насыщения s композитного материала (для BaFe10,4Co0,8Ti0,8O19 s (200 С)=55 Гссм3г-1, а для CoFe2O4 – 80 Гссм3г-1). Технологический принцип покрытия в обоих случаях был одинаков. А именно, базовый ферритовый порошок тщательно перемешивался до образования однородной суспензии в растворе солей, например, La(CH3COO)3 (эксперимент 1) или, в эксперименте 2 – в смеси растворов Co(NO3)2 и Fe(NO3)3, согласно стехиометрии Co-шпинели. Для сохранения достигнутого при смешении однородного состояния пастообразная суспензия (в тонком слое) охлаждалась жидким азотом (криопропитка) с последующим сублимационным обезвоживанием. Оборудование, кото-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

127

рое при этом использовалось, и режимы его работы описаны в патенте 8. После чего кристаллы, покрытые химически однородным солевым каркасом, подвергались термообработке при температуре 600 – 8000С в течение 30 – 60 мин (допускалось предварительное прокаливание). В

Физико-математические науки

случае эксперимента 2 дополнительно проводилась термообработка при оптимальной температуре ферритизации шпинельной фазы в течение 5 –30 мин (в зависимости от концентрации). В работе были проведены исследования фазового состава рентгеновским и магнитным методами (рис.2).

Рис. 2. Температурная зависимость начальной восприимчивости композитного высокодисперсного порошка для ВМЗ: базовый кристалл, Тс=350 оС; покрытие, Тс=550 оС: 1 – 10%, мас.; 2 – 20%, мас. Результаты исследования позволяют утверждать, что ферритовые порошки представляют собой двухфазную систему с заданным соотношением базовый феррит – покрытие. Частицы обоих типов порошков представляют собой кристаллы, близкие к шестигранной форме. Следовательно, криохимическая технология обеспечила покрытие кристаллов гексагональных ферритов шпинельной фазой примерно до 10%, мас. Однако, при более высокой концентрации покрытия (до 20%, мас.) среди шестигранных частиц композитного материала встречаются сравнительно мелкие частицы в виде ромба или квадрата. Так выглядит проекция кристалла феррита шпинели, имеющего, как известно, форму октаэдра. То есть только при относительно невысоких концентрациях шпинельной фазы используемая в работе методика покрытия гексаферритовых частиц позволила получить желаемый результат. Таким образом, полученный композитный материал предназначен для создания носителя ВМЗ, обладает свойствами, присущими базовому составу: частицы близки к шестигранной форме, коэрцитивная сила Нс 

85050 Э, как показали данные электронной микроскопии и магнитные измерения. А за счет покрытия частицы имеют более высокие значения намагниченности насыщения. Достигнутый наилучший эффект увеличения s по сравнению с аналогом (s = 55 Гссм3г-1) составляет 20%. Кроме того, как показали проведенные исследования, криопропитка высокодисперсного порошка феррита бария солями редкоземельных элементов с последующей термообработкой заметно повлияла на свойства керамики. А нам известно, что при использовании материала в качестве подмагничивающей среды важны два основных параметра: остаточная индукция Br, которая определяет потенциальную мощность магнита, и коэрцитивная сила Нс, обеспечивающая стабильность работы магнита в магнитной цепи. Эти оба параметра тесно связаны с микроструктурой керамики: Br зависит от плотности спеченного материала, степени текстуры, Нс – в основном от размера кристаллов.

Рис.3. Микроструктура лабораторных образцов керамики, изготовленных из базового (а) и модифицированного оксидами редкоземельных элементов порошка феррита бария (б), ув. 3000.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

128

В нашем случае, фотография микроструктуры, приведенная на рис. 3б, свидетельствует о наличии существенного замедления процессов рекристаллизации при высоких температурах спекания керамики из порошка феррита бария (Т  12500 С). Средний размер зерна композитной керамики составляет 1,5 мкм (вместо 3,5 мкм у базового), при явном улучшении однородности зерен по размерам. С этими факторами, как известно, непосредственно связаны величина Нс и топография магнитного поля, создаваемого подмагничивающей системой. Значение коэрцитивной силы базовой керамики увеличилось в результате модификации от 3600 до 4000 Э. В связи с этим, керамика из такого композитного материала может быть использована в запоминающих устройствах и других системах, где требуются высокие значения коэрцитивной силы и однородность подмагничивающего поля. Таким образом, в данной работе показана новая возможность целенаправленного согласования свойств гексагональных ферритовых материалов за счет создания многослойных микроструктур на базе криохимической технологии.

Физико-математические науки

Список литературы: 1. S. Kurisu, T. Ido, H. Yokoyama, IEEE Trans. Magn. MAG. 25, 5, 3137 (1987). 2. А.С. Камзин, Т.Г. Кузьмичева, Л.П. Ольховик, ЖТФ 20, 1, 32 (1994). 3. В. заявка 63-139017 Япония Н. Аоки и др. Приор. 1.12.86. 4. Г.И. Музуров. Тез. Докл.III респ. Научно-техн. Конф. «Перспективы развития техники магнитной записи и технологии производства магнитных носителей». 113 (1987). 5. Ю.Д. Третьяков, Н.Н. Олейников, А.Т. Можаев, Основы криохимической технологии. Высшая школа, Москва (1987). 6. N.M. Borisova, Z.V. Golubenko, T.G. Kuz’micheva, L.P. Ol’khovik, V.P. Shabatin, JMMM 114, 317 (1992). 7. Пат. 2022716 Украина И.И. Борисов (Россия), Н.М. Борисова, Л.П. Ольховик, М.И. Руденко (Россия), С.С. Церевитинов (Россия). Приор. 18.03.91. 8. Пат. 1724584 Россия. Т.Г. Кузьмичева (Украина), Л.П. Ольховик (Украина), В.П. Шабатин. Приор. 28.06.1990.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХ ЗВУКОВОГО И ГИПЕРЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ЦИЛИНДРА С ВЫРЕЗОМ*

Н. В. Савкина1, 2,a, В. В. Фарапонов1, Е. А. Бондарь3 Национальный исследовательский Томский государственный университет, 2 Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, РАНХиГС, 3 Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (НГУ), 1

NUMERICAL SIMULATION OF SUPER SONIC AND HYPERSONIC FLOW PAST A CYLINDER WITH CUT N. V. Savkina1, 2,a, V. V. Faraponov1, Е. А. Bondar3 1 National Research Tomsk State University, address 2 Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration (Tomsk branch), address 3 Novosibirsk State University, 630090, Novosibirsk-90, 2 Pirogova Str. АННОТАЦИЯ При движении тел в газовой среде или при течении газа в различных технических устройствах реализуется сложная структура поля течения. При этом в большинстве случаев течение сплошной среды сопровождается отрывом и присоединением потока, которые оказывают огромное влияние на аэродинамические характеристики движущегося тела или технического устройства. Явления отрыва и присоединения потока имеют сложную природу, зависят от множества факторов, и изучение закономерностей их развития представляет собой одну из важнейших фундаментальных проблем современной аэрогидродинамики/ Ключевые слова: сверхзвуковое обтекание, гиперзвуковое обтекание, турбулентный поток, сжимаемая вязкая жидкость, коэффициенты лобового сопротивления. ABSTRACT When the motion of bodies in a gaseous environment or when the flow of gas in a variety of technical devices is implemented complex structure of the flow field. In most cases, for a continuous medium is accompanied by separation and addition of stream that have a huge influence on the aerodynamic characteristics of a moving body or a technical device. The phenomenon of separation and connection of flow are complex, depend on many factors, and the study of the regularities of their development represents one of the most fundamental problems of Aerohydrodynamics Keywords: supersonic flow, hypersonic flow, turbulent flow, compressible viscous fluid, the coefficients of drag * Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 14-38-50494-мол_рф_нр) Введение Развитие современной техники, наряду с возрастающими требованиями надежности ракетно-артиллерийского вооружения, изделий космической и других отраслей, ставит задачи моделирования и экспериментального исследования физических процессов, связанных с их использованием и разработкой. Одной из таких проблем является увеличение скоростей полёта объектов, что показывает необходимость точного моделирования при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях обтекания.

Корректное моделирование физических и динамических процессов, сопровождающих сверхзвуковой и гиперзвуковое движение тела в пространстве является фундаментальной задачей аэродинамики. Некоторые данные экспериментов, полученные по данной тематике, обсуждались в [1]. Основная характерность проблем аэродинамики больших скоростей заключается в сложности их экспериментального моделирования. В связи с этим, числен-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

129

ные исследования значительно обходят экспериментальные достижения. Основные принципы теории гиперзвуковых течений представлены в [2]. Развитие вычислительных методов решения задач аэродинамики и продуктивность современных компьютеров дают возможность корректно производить численное моделирование поле течения, теплофизические и аэробаллистические процессы во всей возмущенной области вокруг исследуемого объекта: от фронта головной ударной волны до дальнего следа. К наиболее актуальным проблемам компьютерной аэротермодинамики можно отнести тестирование универсальных программных комплексов. Стремительное развитие вычислительной техники в последнее десятилетие позволяет эффективно реализовать численные методы решения практических задач и внедрять их в практику экспериментальных исследований. Наиболее полной среди численных моделей является модель, описываемая уравнениями Навье–Стокса, позволяющая учесть эффекты сжимаемости, вязкости и теплопроводности газа. При движении тел в газовой среде или при течении газа в различных технических устройствах реализуется сложная структура поля течения. При этом в большинстве случаев течение сплошной среды сопровождается отрывом и присоединением потока, которые оказывают огромное влияние на аэродинамические характеристики движу-

щегося тела или технического устройства. Явления отрыва и присоединения потока имеют сложную природу, зависят от множества факторов, и изучение закономерностей их развития представляет собой одну из важнейших фундаментальных проблем современной аэрогидродинамики. При обтекании цилиндра с продольным отверстием решается сразу две сложные задачи: 1. обтекание цилиндра сверхзвуковым и гиперзвуковым потоком; 2. движение воздуха (газа) через продольное отверстие разной формы и геометрии. Последнюю часть можно свести к задаче движения в канале при аналогичных скоростях. Постановка и метод решения задачи Расчетная схема и исходная система уравнений Для численного моделирования процесса обтекания усеченного цилиндра с продольным вырезом использовалась цилиндрическая расчетная область, охватывающая поле течений в невозмущенном потока, после ударной волны и в следе за обтекаемой моделью. В расчетной области располагается исследуемая модель, ось которой направлена параллельно оси х. Размеры области выбраны большими, чтобы границы её не повлияли на поля течений, а также на параметры при обтекании. Расчет динамики вязкого сжимаемого газа проводился в трехмерной постановке с использованием усредненных уравнений Навье–Стокса, совместно с уравнением неразрывности и уравнением сохранения энергии.

    ( U )  0. t 2 ( U )      ( U U )  p     , где     U  (U )T     U  , 3 t      htot  p 1     Uhtot      T     U   , htot  h  U 2 , h  C pT , t t 2









(1) (2) (3)

Система уравнений (1-3) рассчитывается совместно с уравнением состояния идеального совершенного газа. В качестве модели турбулентности были использованы k–ε модель (4-6) и SST-модель (7-9).

t  k   k U j k           Pk   t x j x j   k  x j  t      U j            C 1 Pk  C 2    t x j x j     x j  k k2 t  C  , C  0.09, C 1  1.44, C 2  1.92,  k  1.0,    1.3  t  k   k U j k           Pk   C k  t x j x j   k 3  x j  t     U j   1 k       3  Pk  3 2      1  F1  2   t x j x j  k   3  x j    2 x j x j C  0.09, 1  5 / 9,  2  0.44, 1  0.075, 2  0.0828,  k1  2,  k 2  1,  1  2,   2  1/ 0.856. t  

1  U i U j a1k  , S  2Sij S ji , Sij   2  x j xi max(a1 , S F2 )

  

(4)

(5) (6) (7)

(8)

(9)

SST модель хорошо зарекомендовала себя в расчётах отрывных течений с небольшой зоной отрыва. Физическая модель и граничные условия Граничные условия взяты для невозмущенного набегающего потока. На входной границе расчетной области задавалась скорость в числах Маха М∞ = 3.5÷5.5, температура Т∞ = 373 К, давление р∞ = 101325 Па, Re∞ = 6373*105÷3824*106.

В качестве исследуемого воздуха выбран был газ, который предполагается вязким и теплопроводным, а также считается совершенным с показателем адиабаты γ=1.4. Стационарное решение задачи находилось при помощь метода установления (рис. 2).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

130

Рис. 1. Расчетная область задачи обтекания модели сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками воздуха.

Рис. 2. Итерационная сходимость коэффициента лобового сопротивления Сx.

Расчетная сетка Для расчета при помощи программного кода CFX в трехмерной расчетной области были построены 3 сетки с гексагональными элементами. Сетка сгущена вблизи поверхности модели (рис. 3 а и б)

а б Рис. 3. Расчетная сетка в близи тела и в центральном осевом сечении. Результаты численного моделирования Точность проведенных расчетов аэродинамических характеристик оценивалась сравнением их с экспериментальными данными, полученными на аэродинамической трубе ФТФ ТГУ. На рис. 4 представлены результаты численного моделирования обтекания цилиндра с продольны вырезом в гиперзвуковым потоком при M∞ =5. При обтекании головной части нашей модели высокоскоростным потоком газа перед телом возникает голов-

ная ударная волна, скачок уплотнения с резким изменением параметров (давления, температуры, плотности) газовой среды на его фронте. При этом ширина фронта ударной волны очень мала. По расчетным данным, представленным на рис. 4, а можно увидеть изменение полей чисел Маха и конфигурации поля течения в центральном осевом сечении, а б–г дают представление о том, как изменяются поля температур и давлений (Па) при нулевом угле атаки в центральном осевом сечении (M∞ =5).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

131

Физико-математические науки

в г Рис. 4. Поле скоростей в чилах Маха (а), температуры (в), давления (г) и плотности (б) при обтекании в центральном осевом сечении.

Рис. 5. Зависимости коэффициента сопротивления Cx(М) при углах атаки =0. На рис. 5 представлено сопостовление результатов вычислительного и физического эксперимента в виде зависимости АДХ: Сх от чисел Маха при углах атаки =0при решения ус учетом 2 моделей турбулентности. Зелеными квадратиками выделены данные полученные при моделировании с учетом SST-модели турбулентности, а розовыми кругляшками – данные полученные при моделировании с учетом k- модели турбулентности. Относительное рассогласование расчетных результатов с данными продувок во всем исследованном диапозоне скоростей при нулевом углов атаки не превышает 5% для Сх с учетом SST-модели турбулентности и 8-10% с учетом k модели турбулентности. Заключение Численные расчеты по изложенным в данной статье моделям позволяют получить приемлемые с инженерной точки зрения результаты. Полученные результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными как для расчета интегральных характеристик – сил и моментов, так и при расчете локальных тепловых нагрузок. Исследуемые физические процессы, характеризующиеся большим количеством нестабильностей и резонансных явлений, математически описываются сложными системами

нелинейных уравнений. Однозначное предсказание поведения их решений априори невозможно. Поэтому компьютерное моделирование остается главным средством изучения сложных природных явлений, а вычислительный инструментарий этого моделирования (теоретические методы, алгоритмы и программы) должен соответствовать современной парадигме генерации новых научных знаний. Список литературы 1. Герасимов С.И., Кикеев В.А., Лысенков В.Е., Осеева С.И., Тотышев К.В., Фомкин А.П. Воздействие гиперзвуковых потоков на шары из различных материалов в свободном полете // ВАНТ. Серия: Теоретическая и прикладная физика.– 2012. – № 1. – С. 52-63. 2. Хейз У.Д., Пробстин Р.Ф. Теория гиперзвуковых течений. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. – 607 с. 3. Волков В. А., Гаврилюк В. Н., Гидаспов В. Ю., Хохлов А. В. Численное моделирование гиперзвукового обтекания тел воздухом с учетом равновесной диссоциации, Матем. моделирование, 2007, том 19, номер 12, 70–80

ОБ ЭНДОМОРФНО ПРОСТЫХ АЛГЕБРАХ С ОПЕРАТОРАМИ

Усольцев Вадим Леонидович Канд. ф.-м. наук, доцент Волгоградского государственного социально-педагогического университета, г. Волгоград ON ENDOMORPHICALLY SIMPLE ALGEBRAS WITH OPERATORS Usol’tsev Vadim, PhD, associate professor of Volgograd State Social-pedagogical University, Volgograd

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Физико-математические науки

132

АННОТАЦИЯ В работе получены необходимое условие эндоморфной простоты и достаточное условие конгруэнц-эндоморфной устойчивости для произвольных универсальных алгебр с операторами. Показано, что полученное необходимое условие эндоморфной простоты не является достаточным. Описаны эндоморфно простые алгебры в одном классе унаров с мальцевской операцией. ABSTRACT In this work is given necessary condition of endomorphic simplicity and sufficient condition of congruence endomorphic stability for arbitrary universal algebras with operators. It is shown that the obtained necessary condition of endomorphic simplicity is not sufficient. It is described endomorphically simple algebras in one class of unars with Mal'tsev operation. Ключевые слова: алгебра с операторами, эндоморфно простая алгебра, конгруэнц-эндоморфно устойчивая алгебра, унар с мальцевской операцией. Keywords: algebra with operators, endomorphically simple algebra, congruence endomorphically stable algebra, unar with Mal'tsev operation. При исследовании конгруэнц-свойств универсальных алгебр одной из задач является изучение вполне инвариантных конгруэнций. Внимание к ним обусловлено во многом тем, что теория вполне инвариантных конгруэнций имеет глубокие связи с теорией многообразий и квазимногообразий алгебр. В частности, любая квазивербальная конгруэнция произвольной алгебры является вполне инвариантной, а решетка вполне инвариантных конгруэнций свободной алгебры счетного ранга любого многообразия антиизоморфна решетке подмногообразий данного многообразия. Конгруэнция θ универсальной алгебры A называется вполне инвариантной (см., напр., [4, с. 321]), если для любых x,y  A и любого эндоморфизма φ алгебры A из условия xθy следует, что φ(x)θφ(y), то есть, конгруэнция θ устойчива относительно эндоморфизма φ. Из определения следует, что тривиальные конгруэнции  и ∆ (единичная и нулевая) любой алгебры всегда являются вполне инвариантными, а также то, что пересечение любой совокупности вполне инвариантных конгруэнций снова является вполне инвариантной конгруэнцией. Таким образом, совокупность всех вполне инвариантных конгруэнций любой универсальной алгебры A образует полную решетку ConFI A относительно включения. Это позволяет ставить для ConFI A задачи, аналогичные тем, которые возникают при изучении решетки Con A обычных конгруэнций алгебры. К задачам такого рода относится описание алгебр из заданного класса, решетка вполне инвариантных конгруэнций которых является двухэлементной цепью. Будем называть такие алгебры эндоморфно простыми. Другими словами, алгебра A эндоморфно проста, если она имеет только тривиальные вполне инвариантные конгруэнции. Понятие эндоморфной простоты для универсальных алгебр является естественным обобщением соответствующего понятия для групп (см. [1, с. 60]). Эндоморфно простыми будут, например, дистрибутивные решетки и булевы алгебры (см. [10]). При изучении решеток вполне инвариантных конгруэнций алгебр возникают также вопросы, не имеющие прямых аналогов среди задач исследования решеток обычных конгруэнций. Одним из таких вопросов является задача описания алгебр A из заданного класса, для которых решетки Con A и ConFI A совпадают. Назовем такие алгебры (то есть, те, для которых любая конгруэнция является вполне инвариантной) конгруэнц-эндоморфно устойчивыми. В работе [10] обе указанные выше задачи решались для унаров – алгебр с одной унарной операцией. В монографии [3] А.Г. Курош обращает внимание на важность изучения другого класса универсальных алгебр, естественным образом связанных с унарами, а именно – алгебр с операторами.

Алгеброй с операторами называется универсальная алгебра ‹ A, Ω › сигнатуры Ω = Ω1Ω2, где Ω1 произвольна, а Ω2 состоит из унарных операций, перестановочных с любой операцией из Ω1, то есть, действующих как эндоморфизмы относительно операций из Ω1. Унарные операции из Ω2 называются операторами, а операции из Ω1 – основными операциями алгебры ‹ A, Ω ›. К настоящему времени теория унаров хорошо развита (см., напр., [8] – [11]), что позволяет использовать ее аппарат для изучения алгебр с операторами. Если f – унарная операция из сигнатуры Ω, то унарным редуктом алгебры ‹ A, Ω › называется унар ‹ A, f ›. В настоящей работе алгебры с операторами изучаются в терминах их унарных редуктов. Алгебра с операторами называется тернарной [6], если она имеет единственную основную операцию, и эта операция является тернарной. В современной универсальной алгебре важную роль играют мальцевские операции. Мальцевской называется операция d(x,y,z), удовлетворяющая тождествам Мальцева d(x,y,y) = d(y,y,x) = x. Алгебра называется мальцевской, если ее сигнатура содержит мальцевскую операцию. Унаром с мальцевской операцией [2] называется алгебра ‹ A, d, f › с унарной операцией f и тернарной операцией d, на которой истинны тождества Мальцева и тождество f(d(x, y, z)) = d(f(x), f(y), f(z)). Таким образом, унар с мальцевской операцией является тернарной мальцевской алгеброй с одним оператором. В [2] показано, что на любом унаре ‹ A, f › можно так задать тернарную операцию p(x,y,z), что алгебра ‹ A, p, f › становится унаром с мальцевской операцией. Эта операция определяется следующим образом. Пусть ‹ A, f › – произвольный унар и x, y  A. Через f n(x) обозначается результат n-кратного применения операции f к элементу x; f 0(x) = x. Положим Mx,y = {n  N  {0} | f n(x) = f n(y)}, а также k(x, y) = min Mx,y, если Mx,y ≠ Ø и k(x, y) = ∞, если Mx,y = Ø. Положим далее

 z, если k ( x, y)  k ( y, z )

p( x, y, z)  

 x, если k ( x, y)  k ( y, z )

(1)

В [5] дано полное описание простых и псевдопростых алгебр из этого класса. В [6] полностью описаны строго простые алгебры, а в работе [7] – гамильтоновы алгебры из указанного класса. В настоящей работе получены необходимое условие эндоморфной простоты и достаточное условие конгруэнц-эндоморфной устойчивости для алгебр с операторами, имеющих произвольную основную сигнатуру, а также полностью описаны эндоморфно простые алгебры в классе унаров с мальцевской операцией p(x,y,z), определенной по правилу (1).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

133

Основные определения и обозначения, связанные с унарами, см. в [5]. m Для любых n > 0, m ≥ 0 через C обозначается n m n+m унар ‹ a | f (a)=f (a) ›. Унар ‹ A, f › называется связным, если для любых x,yA выполняется условие f n(x)=f m(y) для некоторых n, m ≥ 0. Через θx,y обозначается конгруэнция, порожденная парой элементов (x,y). Пусть n  N. Определим на унаре ‹ A, f › бинарное отношение σn по правилу [5]: условие xσny для x, y  A выполнено тогда и только тогда, когда f n(x) = f n(y). Положим σ0=∆. Определим также на унаре ‹ A, f › бинарное отношение σ по правилу [5]: xσy для x,y  A выполнено тогда и только тогда, когда f n(x) = f n(y) для некоторого n >0. В [5] показано, что отношения σ и σn при любом n ≥ 0 являются вполне инвариантными конгруэнциями любой алгебры ‹ A, Ω › с оператором f  Ω. Предложение 1. Пусть ‹ A, Ω › – произвольная неодноэлементная универсальная алгебра с оператором f  Ω. Если алгебра ‹ A, Ω › является эндоморфно простой, то либо операция f инъективна, либо унар ‹ A, f › содержит такой элемент a, что f(x)=a для любого x A. Доказательство. По предложению 1 [5], отношение σ1 является вполне инвариантной конгруэнцией алгебры ‹ A, Ω ›. Так как, по условию, алгебра ‹ A, Ω › является эндоморфно простой, то либо σ1 = ∆, либо σ1= . В первом случае, из определения отношения σ1 вытекает инъективность операции f. Во втором случае, из леммы 1 [5] следует, что унар ‹ A, f › является связным унаром, содержащим такой элемент a A, что f(x)=a для любого x A. □ Предложение 2. Необходимое условие эндоморфной простоты алгебры ‹ A, Ω › с оператором f  Ω, указанное в предложении 1, не является достаточным. Доказательство. Рассмотрим унар с мальцевской операцией ‹ A, d, f ›, заданный следующим образом: A={a,b,c}, f(a)=b, f(b)=a, f(c)=c, d(a,b,c)=c, d(a,c,b)=a, d(b,a,c)=c, d(b,c,a)=b, d(c,a,b)=c, d(c,b,a)=c и d(x,y,y)=d(y,y,x)= d(x,y,x)=x для всех x,yA. Из задания операции f следует, что она инъективна на A. Очевидно, что конгруэнция θa,b алгебры ‹ A, d, f › нетривиальна. Прямая проверка показывает, что для любого эндоморфизма φ алгебры ‹ A, d, f › и любых x,yA из условия x θa,b y вытекает φ (x) θa,b φ (y). Таким образом, конгруэнция θa,b вполне инвариантна, и алгебра ‹ A, d, f › не является эндоморфно простой. Рассмотрим теперь унар с мальцевской операцией ‹ A, d, f ›, заданный следующим образом: A={a,b,c}, f(a)=a, f(b)=a, f(c)=a, d(a,b,c)=a, d(a,c,b)=b, d(b,a,c)=b, d(b,c,a)=b, d(c,a,b)=b, d(c,b,a)=a и d(x,y,y)=d(y,y,x)= d(x,y,x)=x для всех x,yA. Из задания операции f следует, что f(x)=a для любого x A. Очевидно, что конгруэнция θa,c алгебры ‹ A, d, f › нетривиальна. Как и выше, прямая проверка показывает, что для любого эндоморфизма φ алгебры ‹ A, d, f › и любых x,yA из условия x θa,c y вытекает φ (x) θa,c φ (y), то есть, конгруэнция θa,c вполне инвариантна. Отсюда, алгебра ‹ A, d, f › не является эндоморфно простой. □ Предложение 3. Пусть ‹ A, Ω › – произвольная неодноэлементная универсальная алгебра с оператором t f  Ω. Если унар ‹ A, f › изоморфен унару C , 1

Физико-математические науки

t N  {0} {∞}, то алгебра ‹ A, Ω › является конгруэнцэндоморфно устойчивой. Доказательство. Пусть унар ‹ A, f › изоморфен t унару C , для некоторого t N  {0} {∞}. Тогда, по 1 предложению 3 [5], любая его конгруэнция является конгруэнцией алгебры ‹ A, Ω › с оператором f  Ω. Из лемм 3 [5] и 4 [5] следует, что любая конгруэнция унара ‹ A, f › имеет вид σ или σn для некоторого n ≥ 0, а по предложению 1 [5], конгруэнции σ и σn алгебры ‹ A, Ω › при любом n ≥ 0 являются вполне инвариантными. Таким образом, любая конгруэнция алгебры ‹ A, Ω › вполне инвариантна, то есть, алгебра ‹ A, Ω › является конгруэнц-эндоморфно устойчивой. □ Теорема 1. Пусть ‹ A, p, f › – неодноэлементный унар с мальцевской операцией p(x, y, z), определенной по правилу (1). Алгебра ‹ A, p, f › является эндоморфно простой тогда и только тогда, когда либо операция f инъективна, либо унар ‹ A, f › содержит такой элемент a, что f(x)=a для любого x A. Доказательство. Необходимость вытекает из предложения 1, в силу того, что ‹ A, p, f › является алгеброй с оператором. Докажем достаточность утверждения. Пусть операция f инъективна на A, либо унар ‹ A, f › содержит такой элемент a, что f(x)=a для любого x A. Тогда, и в том, и в другом случае, по теореме 2 [5], алгебра ‹ A, p, f › является простой, то есть, имеет только тривиальные конгруэнции. Поскольку они вполне инвариантны, то алгебра ‹ A, p, f › эндоморфно проста. Список литературы 1. Каргаполов М.И., Мерзляков Ю.И. Основы теории групп. М.: Наука, 1977. 240 с. 2. Карташов В.К. Об унарах с мальцевской операцией // Межд. семинар "Универсальная алгебра и ее приложения": Тез. сооб. Волгоград: Перемена, 1999. С. 31–32. 3. Курош А.Г. Общая алгебра. Лекции 1969–1970 учебного года. М.: Наука, 1974. 160 с. 4. Общая алгебра. Т. 2 / В.А. Артамонов, В.Н. Салий, Л.А. Скорняков и др. Под общей ред. Л.А. Скорнякова. М.: Наука, 1991. 480~с. 5. Усольцев В.Л. Простые и псевдопростые алгебры с операторами // Фунд. и прикл. математика. 2008. Т. 14. Вып. 7. С. 189–207. 6. Усольцев В.Л. О строго простых алгебрах с операторами // Чебышевский сб. 2013. Т. 14. Вып. 4(48). С. 196–204. 7. Усольцев В.Л. О гамильтоновых алгебрах с операторами // Чебышевский сб. 2014. Т. 15. Вып. 3(51). С. 100–113. 8. Kilp M., Knauer U., Mikhalev A.V. Monoids, Acts and Categories. Berlin: Walter de Gruyter, 2000. 529 p. 9. Skornyakov L.A. Unars // Colloq. Math. Soc. J. Bolyai. 1982. V.29. Universal Algebra (Esztergom 1977). P. 735–743. 10. Varlet J.C. Endomorphisms and fully invariant congruences in unary algebras ‹ A; f › // Bulletin de la Soc. Royale des Sciences de Liege. 1970. V.39. N 1112. P. 575-589. 11. Wenzel G.H. Subdirect irreducibility and equational compactness in unary algebras ‹ A; f › // Arch. Math. (Basel) 21. 1970. P. 256–264.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Химические науки

134

Химические науки СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЦИКЛОПЕНТАДИЕНИЛ КАРБОНИЛЬНЫМИ ЛИГАНДАМИ КОМПЛЕКСОВ ДВУХВАЛЕНТНОГО СЕМИКООРДИНАЦИОННОГО РЕНИЯ

Аббасова Тамилла Ага Гасан кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева Ибрагимова Фидан Самир младший научный сотрудник института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева Пашаева Фируза Керим кандидат химических наук, старший научный сотрудник института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева Рустамова Айгюнь Илдырым кандидат химических наук, доцент института катализ неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева

SYNTHESIS AND EXPLORATION OF CONSTRUCTION AND CHANGING ABILITY OF COMPLEX WITH ORGANIC LEGENDS OF BIVALENT SEVEN COORDINATING RHENIUM Abbasova Tamilla Aga Hasan, Candidate of Chemical Sciences, Principal research scientist, Institute of catalysis and inorganic chemistry named after academicianM.F Naghiev. Ibrahimova Fidan Samir, Junior research scientist, Institute of catalysis and inorganic chemistry named after academician M.F Naghiev. Pashayeva Firuza Kerim, Candidate of Chemical Sciences, Senior research scientist, Institute of catalysis and inorganic chemistry named after academicianM.F. Naghiev Rustamova Aygun Ildırım, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Institute of catalysis and inorganic chemistry named after academician M.F. Naghiev, Azerbaijan National Academy of Sciences АННОТАЦИЯ В статье обсуждаются резудьтаты синтеза, строения и превращающая способность с циклопентадиенильными лигандами комплексов двухвалентного семикоординационного рения. ABSTRACT Results of synthesis, structure and changing ability with cyclopenthadienyl ligands complex of bivalent seven coordinating rhenium are discussed in the article. Ключевые слова:автоклавный метод; металлокомплексы Re(II); семикоординационный металлокомплекс; рений. Keywords: autoclave method; metalcomplex Re(II); seven coordinating metalcomplex; rhenium. Работа посвящена синтезу многоядерных комплексов рения с различными степенями окисления. Проведен синтез и исследование смешаннолигандного семикоординационного циклопентадиенилкарбонильного комплекса рения, имеющего две степени окисления. Синтез был проведен в условиях автоклава гидратного типа (1). Согласно уравнению, реакция протекает

CO 2(OC)5ReCl + 2C5H6

THF,

между пентакарбонилхлоридом рения (I) (OC)5ReCl и моноциклопентадиеном в растворителе ТГФ в течении нескольких часов в температурном интервале 120-130ºС, при интенсивном смешивании в течении 2-3 часов. В результате, получается комплекс циклопентадиенил дихлориддикарбонил рения с выходом продукта равным 5662%.

C5H5(OC)2Re = Re(CO)2C5H5

–6CO

(1)

Cl CO C5H5Re(CO)2Cl2 + [C5H5Re(CO)2]2 I

Одновременно наблюдается образование, в малом количестве, промежуточного продукта ̶ дикарбонила рения. Результаты исследования показали, что во время протекания реакции (1) в условиях автоклава, циклопентадиен, как лиганд с тремя координациями, заменяет три терминальные группы СО, соединенные с рением. Выделенная в это время СО группа, в свою очередь действует на образованный в ходе реакции комплекс [A], образую

семикоординационный двухвалентный рений, комплексы I и II типа. I комплекс термически стабилен ( Трасп > 138ºС ), II гидрид комплекс, легко распадается дегидрогенизируясь в атмосфере воздуха. При изучении элементного состава I комплекса было установленно, что C7H5ReCl2O2 соответствует брутто-формуле и имеющиеся в составе комплекса СО группы относятся к терминальным группам, т.к ИК спектры этих групп соответствуют длиннам

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Химические науки

135

возможность образования III дигидрид комплекса [C5H5Re(CO)2H]2 (2). По результатам спектрального метода полоса поглощения, соответствующая 186, 189 см-1 доказывает наличие в молекуле Re = Re связи.

волн, равным νсо 1998, 2028 см-1. В ходе изучения свойств I комплекса, было выяснено, что при взаимодействии его с Mg образуется соединение Гриньярного типа C5H5(Cl)Re(CO)2MgCl, а в растворе изопропанола iC3H7OH его молекулярный H2 гидроген (H2) активизируясь до полосы соответствующей νRe-H 2425см-1 проявляет

(2) Имея высокую стабильность димер (III) легко растворяется в ряде полярных растворителей, не диссоциирует в них. При изучении реакционных способностей I и II рениевого комплекса было установлено, что например I комплекс активно реагируя с металлическим Mg или в растворе ТГФ при комнатной температуре преобразуется

в соответствующий реагент Гриньярного типа. Было установленно, что эти реагенты (3) в ходе реакции, вступая в реакцию с некоторыми кетонами и альдегидами с C5H5(Cl)Re(CO)2MgCl переходили в “B” тип металл-карбонилы, а с C5H5(Cl)Re(CO)2YbCl деоксилируясь переходили в карбенного типа рениевые комплексы (IV).

ClReMgCl R ClRe  COH R OC CO

OC CO + RCOR R=CH3, C4H9; R=CH3,H.

ClReYbCl

(3)

OC CO

ClRe= C OC CO

R

IV продукта равным 42-43%. В ходе реакции типа, с выходом (3), в результате взаимодействия C5H5(Cl)Re-MgCl c HgCl, в зависимости от соотношения реагентов, по уравнению реакции (4) были полученны несимметричные и симметричные комплексы со связями, 2 из которых метал-метал, и 3 с центральным металл атомом.

Важно отметить, что при получении карбенного типа комплексов большую роль играет температурный фактор. Так, при проведении реакции даже при комнатной температуре наблюдается полный распад комплекса. В то время, как при проведении реакции при температуре выше -10ºС и в дальнейшем при гидролизе реакционной смеси холодной водой можно получить рений производные “С”

THF, 200C – MgCl2 ClReMgCl + HgCl2

ClReHgCl

OC CO

OC CO V

C5H5(Cl)Re(CO)2MgCl – MgCl2

ClRe OC CO VI

Hg 2

(4)

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Химические науки

136

Выделив из реакционной смеси V и VI металлокомплексы, полученные согласно уравнению реакции (4), был изучен их состав. Строение же, было изученно с помощью ИК и масспектрального метода. Полученные результаты показывают, что имеющиеся в составе комплекса терминальные СО группы, соединенные с атомом Re, будучи ни в какой молекулярной координации, имеют полосы поглощения равные νсо 2058, 2085 см-1. Два циклопентадиенильных кольца, находясь по сравнению с Hg в транс положении, имеют σ C5H5 5.18 млн.ч. Было выявлено, что VI комплекс в растворителе ТГФ, вступая в реакцию с частицами

иттербия (5), в зависимости от количества Yb взятого для реакции, приводит к образованию II или III валентных Yb комплексов. Однако полученные результаты показали, что взятие Yb в 5 раз больше стехиометрического состава приводит к тому, что наряду с реакцией транс металлирования протекает и реакция дехлорирования V соединения, и при изучении строения полученного в результате двухвалентного семикоординационного комплекса рения было выясненно, что он имеет карбонильную структуру “D” типа.

(5)

ClRe CO– Yb(4THF) ClRe Hg OC CO

VII

ClReCO  Yb(THF)5 OC Проведение реакции (5) стехиометрически показывает, что с помощью применяемых в работе физико-химических методов можно доказать, что связь Re-Yb в молекуле является металлической. Соответственно по этой причине, взятый для реакции лишний Yb повел себя как восстановитель. При изучении строения VII и VIII металлических комплексов, полученных на основе уравнения реакции было доказанно наличие в них непосредственно Yb-Re металлической связи, и что атом Yb соединен с атомом Re через CO. По результатам ИК спектров, находящиеся в области 1850-1865 см-1 СО группы подтверждают наличие в молекуле СО мостиковых групп. Таким образом было установленно, что при синтезе промежуточного [C5H5Re(CO)2Cl(μCO)]2 комплекса, имеющего в составе рениевый комплекс, в условиях автоклава, под давлением

VIII

РСО, в температурном интервале 120-130ºС в течении 2-3 часов, была выявлена высокая реакционная способность полученного комплекса, сопровождающаяся превращением молекулярного водорода в гидрид металла. Список литературы. 1. Abbasova T.A., H.Ə.Cavadova, A.İ.Rüstəmova, Paşayeva F.K.//Akad.M.F.Nağıyevin 105 illiyinə həsr olunmuş elmi konfransın materialları. I cild.Bakı.2013.S.131. 2. Əbdüləzimov Y.Ə., Əliyev D.Ə., Paşayeva F.K., Abbasova T.A.// Azərb.kim.jurn.2009.№2.C.178. 3. Гинзбург А.Г. Итоги науки и техники. Серия Координационная химия. ВНИИТИ.М.1991.№2.C.9.

ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ К ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРРОЦЕНСОДЕРЖАЩИХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ РАСТВОРОВ

Гусейнова Лала Вагиф Кандидат химических наук, доцент Государственной нефтяной академии Расулов Сакит Рауф Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой в Государственной нефтяной академии Келбалиев Гудрат Исфандияр Член-корреспондент НАН Азербайджана, доктор технических наук, профессор, института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева Сулейманов Гюльмамед Зияддин Доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева PREPARATION TECHNOLOGY FOR PROCESSING OIL SLUDGE USING FERROCENE-CONTAINING NANOCOMPOSITE SOLUTIONS Huseynova Lala Vaqif, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, State oil academy. Rasulov Sakit Rauf, Doctor of technical sciences, professor, State oil academy. Kelbaliyev Gudrat Isfandiyar, Professor, Corresponding member Azerbaijan National academy of sciences Suleymanov Gyulmamed Ziyatdin, Head of laboratory, Institute of catalysis and inorganic chemistry, Azerbaijan National Academy of Sciences

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

137

Химические науки

АННОТАЦИЯ Рассмотрен вопрос технологии подготовки нефтяных шламов резервуарного типа с использованием ферроцена (и его производных), содержащих нанокомпозиционные растворы. Изученны факторы, влияющие на фракционный состав продуктов переработки. ABSTRACT The problem of the preparation technology of oil sludge tank type using ferrocene (and its derivatives) containing nanocomposite solutions. The study of factors affecting the fractional composition of processed products. Ключевые слова: утилизация нефтешламов; переработка; разделение фаз. Keywords: disposal of sludge; processing; phase separation. Как известно, в результате деятельности при добыче, транспортировке и переработке нефти образуются достаточно в большом объеме нефтешламы, которые постоянно накапливаются. При всем многообразии характеристик различных нефтяных отходов (шламов) в самом общем виде все нефтешламы могут быть разделены на три основные группы в соответствии с условиями их образования: грунтовые, придонные и резервуарного типа. Первые, образуются в результате проливов при добыче нефтепродуктов на почву, в результате производственных операций, либо при аварийных ситуациях. Придонные шламы образуются при оседании нефтеразливов на дне водоемов, а нефтешламы резервуарного типа при переработке нефти, хранениии или при транспортировке сырой нефти и нефтепродуктов.[1,2] Поэтому проблема утилизации нефтешламов является острой актуальной проблемой не только глобальной экологической, но и важной экономической проблемой так как они служат как дополнительный ресурс в переработке термического крекинга. Поэтому целью данной работы явилась разработка технологии подготовки к переработки нефтяных шламов с использованием ферроценсодержащих нанокомпозитных растворов. Если учесть то, что в настоящее время в нефтяных амбарах нефтеперерабатывающих предприятий накоплены сотни тысячи тонн токсичных нефтешламов, по существу, эта острейшая проблема создает экологический и технологический кризис по развитию нефтяной отрасли по всему миру.[3] В связи с отсутствием современной эффективной технологии утилизации нефтешламов уже возникла реальная угроза токсичного экологического загрязнения почв, подземных вод, рек и морей в зонах их складирования. Поиск и строительство же новых амбаров для хранения нефтешламов не решает эту проблему по существу.[4] Проведем краткий анализ существующих технологий утилизации и переработки нефтешламов и их недостатков, препятствующих более эффективному решению этой задачи. Их вкратце можно разделить на биотехнологии, химиотехнологии, акустические, термические и чисто огневые технологии, а также комбинированные технологии. Каждая из этих известных технологий имеет свои преимущества и недостатки. Тем не менее, уже сейчас реально из нефтешламов получают много полезных продуктов, в частности товарную нефть, топливо для кательных установок, некоторые строительные материалы. Общим недостатком всех известных технологий утилизации и переработки нефтешламов является их низкая производительность и высокие материальные, энергетические и финансовые затраты на их реализацию. Кроме того, они не позволяют осуществить полную и интенсивную переработку и утилизацию нефтешламов, тем более с предельной экологической безопасностью для окружающей среды.[4]

Именно эти недостатки не позволяют эффективно решить проблему полной и интенсивной утилизации различных видов нефтешламов. Дело в том, что химический состав нефтешламов предельно сложен и далеко не все их фракции легко сжечь или переработать. В них присутствуют и нефть, и вода и нефтяные эмульсии, и асфальтены, гидроны и ионы металлов, и различные механические примеси, а иногда даже радиоактивные элементы. Причем нефтешламы зачастую существенно различают по своему составу и свойствам в зависимости от качества и состава исходной сырой нефти. В наиболее упрощенном виде нефтешламы представляют собой многокомпонентные устойчивые агрегативные физико-химические системы, состоящие главным образом, из нефтепродуктов, воды и твердых добавок (песок, глина, окислы металлов и т.д.). Главной причиной образования резервуарных нефтешламов является физикохимическое взаимодействие нефтепродуктов в объеме конкретного нефтеприемного устройства с влагой, кислородом воздуха и механическими примесями, а также материалом стенок резервуара. В результате таких процессов происходит частичное окисление исходных нефтепродуктов с образованием смолоподобных соединений и ржавление стенок резервуара. Попутно, попадание в объем нефтепродукта влаги и механических загрязнений приводит к образованию водно-масляных эмульсий и минеральных дисперсий. Поскольку любой шлам образуется в результате взаимодействия с конкретной по своим условиям окружающей средой и в течении определенного промежутка времени, одинаковых по составу и физико-химическим характеристикам шламов в природе не бывает. По результатам многих исследований в нефтешламах резервуарного типа соотношение нефтепродуктов, воды и механических примесей (частицы песка, глины, ржавчины и т.д.) колеблется в очень широких пределах: углеводороды составляют 5-90%, вода 1-52%, твердые примеси 0.8-65%. Как следствие, при столь значительных изменениях составов нефтешламов, диапазон изменения их физико-химических характеристик тоже очень широк. Плотность нефтешламов колеблется в пределах 830-1700 кг/м3, температура застывания от -25ºС до +80 ºС. Температура вспышки лежит в диапазоне от 35 до 120 ºС. Однако, среди нефтешламов особый интерес предствляют шламы резервуарного типа, которые при хранении, попадании воды в объем нефтепродуктов приводит к образованию устойчивых эмульсий типа вода-масло, стабилизация которых обуславливается содержащимися в нефтепродуктах природными стабилизаторами из разряда асфальтенов, смол и парафинов. Устойчивость эмульсий типа вода-масло объясняется главным образом наличием на поверхности капелек эмульсии структурно-механического барьера, представляющего собой двойной электрический слой на межфазной поверхности. В состав таких защитных пленок могут входить соли поливалентных металлов органических кислот и других полярных компонентов нефтепродукта, которые

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

138

дополнительно адсорбируется на асфальто-смолистых агрегатах и переводят их в коллоидное состояние. В коллоидном же состоянии асфальтены обладают наибольшей эмульгирующей способностью. Многочисленные исследования указывают на существование прямой связи между устойчивостью эмульсии и концентрацией природных стабилизаторов на границе раздела фаз. Естественно, что концентрация таких веществ с переходом к тяжелым фракциям нефти возрастает в объеме нефтепродуктов по мере увеличения их молекулярного веса. Помимо образования эмульсий в среде нефтепродуктов в процессе перевозки и хранения происходит образование полидисперсных систем при взаимодействии жидких углеводородов и твердых частиц механических примесей. Верхний слой представляет собой обводненный нефтепродукт с содержанием до 5% тонкодисперсных механических примесей и относится к классу эмульсий “вода в масле”. В состав этого слоя входят 70-80% масел, 6-25% асфальтенов, 7-20% смол, 1-4% парафинов. Содержание воды не превышает 5-8%. Довольно часто органическая часть свежеобразованного верхнего слоя нефтешлама по составу и свойствам близка к хранящейся в резервуарах исходному нефтепродукту. Средний, сравнительно небольшой по объему слой представляет собой эмульсию типа “масло в воде”. Этот слой содержит 70-80% воды и 1.5-15% механических примесей. Следующий слой целиком состоит из отстоящейся минерализованной воды с плотностью 1.01-1.19 г/см3. Наконец, придонный слой или донный ил обычно представляет собой твердую фазу, включающую до 45% органики, 52-88% твердых механических примесей, включая окисы железа. Поскольку донный ил представляет собой гидратированную массу, то содержание воды в нем может доходить до 25%. Из приведенных данных по составу и свойствам разных типов нефтешламов резервуарного происхождения следует, что в процессе зачистки и переработки шламов могут быть применены различные технологические приемы в зависимости от их физико-механических характеристик. В большинстве случаев основная часть резервуарных нефтешламов состоит из жидковязких продуктов с высоким содержанием органики и воды и небольшими добавками механических примесей. Такие штамы легко эвакуируются из резервуаров и отстойников в сборные емкости с помощью разнообразных насосов. Гелеобразные системы, как правило, образуются по стенкам емкостей. Естественно, что наиболее легко образуются нефтешламы, когда внутренние покрытия резервуаров не обладает топливо и коррозионной защитой. Тщательный анализ современных технологий по зачистке резервуарных нефтешламов позволяет сделать однозначный вывод в пользу применения методов, основанных на принципах использования замкнутых, рециркуляционных процессов, включающих в себя и одновременную антикоррозионную защиту отмываемых поверхностей. Традиционно собранные в процессе предварительной подготовки нефти для атмосферной перегонки и зачистки резервуаров, нефтешламы жидко-вязкой консистенции подвергаются разделению на нефтепродукт, воду и твердые механические примеси. Эта фаза переработки имеет своей целью извлечение из шламов нефтепродуктов с исходными свойствами и их использование по прямому назначению. Существуют два основных способа фазового разделения жидковязких нефтешламов- механический и

Химические науки

химический. Для более глубокой очистки нефтепродуктов иногда прибегают к комплексной технологии. Несмотря на большое разнообразие технологических приемов механического и химического разделения фаз обратных эмульсий, широкое практическое их применение экономически необоснованно по следующим соображениям. 1. Технология разделения фаз жидковязких нефтешламов сложна и экономически не выгодна, поскольку затраты на регенерацию нефтепродуктов несопоставимы с планируемым эффектом использования жидких горючих (бензина, масла и т.д.) 2. Использование во многих технологических установках водяного пара или горячей воды для дополнительной очистки нефтепродуктов предполагает обязательную последующую очистку и обезвреживание сточных вод от деэмульгаторов и флокулянтов. 3. Разделение жидковязных нефтешламов с выделением легких углеводородных фракций нефти связано с пожароопасностью и, следовательно, требует обеспечения дополнительных мер по безопасности производства. 4. При самой тщательной очистке твердого остатка нефтешламов в нем остается до 10-15% органики, и полное обезвреживание его достигает лишь термической обработкой. В связи с вышеизложенным, целью была разработка нового высокопроизводительного и экономически выгодного способа полной очистки нефтешламов на технологических установках с использованием ферроценсодержащих нано композиционных растворов, которое позволяет решить проблему подготовки нефтяных шламов для термимического крекинга с эффективной переработкой их нефтяных и водо-нефте-эмульсионных составляющих. Процессам термического крекинга, протекающим в жидкой фазе, соответствует тяжелое сырье- нефтяные остатки, тяжелые дистиляты. Если предусмотрено неглубокое разложение сырья (например, для снижения вязкости остатка в процессе висбрекинга), конечный продукт содержит небольшое количество легких фракций (газ, бензин), которые находятся в газовой фазе. Основная масса продукта, как и исходное сырье, остается в жидкости. Так как после предварительного разделения жидковязких нефтешламов от механических примесей в шведской установке “Альфа-лаваль”, жидкую фазу целесообразно перерабатывать на термических установках. В этом случае операция жидковязкого разделения нефтешламов выгодна, поскольку нефтешламы подобного типа можно отнести к разряду вторичных ресурсов. Одновременно, применение этого метода способствует в целом решить переработку нефтешламов и экологическую проблему, связанную с нефтешламами. Список литературы 1. Мазлова Е.А., Мещеряков С.В//Химия и технология топлив и масел. 1991,№1, с.40. 2. Смолянов В.М.//Нефтепереработка и нефтехимия. 2002, №8, с.29. 3. Шпербер Е.Р., Боковикова Т.Н., Шпербер Д.Р.//Химия и технология топлив и масел, 2011, №2, с.53. 4. Филиппова О.П., Яманина Н.С., Макаров В.М.//Химия и химическая технология, 2002, том 45, вып.7, с.52.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

139

Химические науки

ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМА ОТ ПРИРОДЫ КИСЛОТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ПРОЦЕССЕ ГИДРОЛИЗА РИСОВОЙ ШЕЛУХИ

Земнухова Людмила Алексеевна доктор х. наук, заведующая лабораторией, Институт химии ДВО РАН профессор Дальневосточного федерального университета Холомейдик Анна Николаевна младший научный сотрудник, Институт химии ДВО РАН Федорищева Галина Алексеевна ведущий инженер-технолог, Институт химии ДВО РАН Арефьева Ольга Дмитриевна канд. пед. наук, доцент Дальневосточного федерального университета

DEPENDENCE OF PROPERTIES OF AMORPHOUS SILICA ON THE NATURE OF ACID USED FOR RICE HULL HYDROLYSIS Zemnukhova Ludmila, Doctor of Science, Head of laboratory, Institute of Chemistry FEB RAS, Professor of Far Eastern Federal University, Vladivostok Kholomeydik Anna, Junior researcher, Institute of Chemistry FEB RAS, Vladivostok Fedorishcheva Galina, Lead process-engineer, Institute of Chemistry FEB RAS , Vladivostok Arefeva Olga, Candidate of Science, associate professor of Far Eastern Federal University, Vladivostok АННОТАЦИЯ Получены образцы аморфного кремнезема из шелухи риса с использованием кислотного гидролиза сырья. Изучен состав и содержание ионов металлов, присутствующих в образцах в виде примесей. Определены значения удельной поверхности и интервал распределения пор по размерам. Исследована сорбционная способность выделенных образцов кремнезема по отношению к ионам меди. Показано влияние природы кислоты, используемой для обработки шелухи риса, на физико-химические свойства конечного продукта. Ключевые слова: рисовая шелуха; аморфный кремнезем; сорбция; кислотный гидролиз. ABSTRACT Amorphous silica samples were prepared from rice hull by acid hydrolysis of the raw materials. Their composition and contents of the metal ions contained as impurities were studied. The specific surface values and the range of pore size distribution were determined. Sorbability of the samples to copper ions was investigated. Influence of the nature of an acid used for rice hull the processing on the physico-chemical properties of the final product was shown. Keywords: rice hull; amorphous silica; sorption; acid hydrolysis. Аморфный диоксид кремния является одним из важных химических соединений и находит широкое применение в различных областях промышленности. Традиционно аморфный диоксид кремния получают из минерального сырья, запасов которого в нашей стране и мире много. Известен большой ряд кристаллических модификаций диоксида кремния, однако получение аморфных форм кремнезема из кристаллических связанно с большими затратами на подготовку сырья и последующую его очистку от сопутствующих примесей. Перспективным источником кремнезема является биогенное сырье, в частности, плодовые оболочки риса, образующиеся в огромных количествах на предприятиях по очистке зерна. Зола, полученная путем сжигании плодовых оболочек риса при 700 оС, содержит 92 – 97 % аморфного диоксида кремния, некоторое количество углерода и оксидов металлов, которые можно удалить предварительным выщелачиванием сырья кислотой [1, 3, 4]. Цель работы – изучить влияние минеральных кислот на состав и свойства аморфного кремнезема из плодовых оболочек риса, полученного термическим методом с предварительной кислотной обработкой сырья. Исходным материалом служила рисовая шелуха, отобранная в Приморском крае (с. Воздвиженка), с размером частиц не менее 2 мм, которая была предварительно промыта водой и высушена при 105 оС. Образцы аморфного кремнезема получали по следующей схеме: навеску (60 г) сырья подвергали кислотному выщелачиванию 0,1 н раствором минеральной кислоты (HCl, H2SO4, HNO3, CH3COOH, H3PO4, H2C2O4·H2O, HClO4) при 90oC в течение 1 ч, после чего остаток шелухи отфильтровали, промывали водой, сушили на воздухе и подвергали

двухстадийному обжигу при ~400 и 700 оС до постоянной массы. Содержание кремния и примесей металлов в исследуемых образцах определяли аналогично [1]. В табл. 1 представлены результаты исследований, показывающие выход SiO2 (ƞ), потери при прокаливании (п.п.п) при 1000оС в течении 1 часа, содержание основного вещества и ионов примесных металлов. Выход вещества (ƞ) составляет 13-15% относительно массы исходного сырья. Содержание диоксида кремния варьируется в диапазоне ~97.0-99.9%. Наименьшее количество суммы примесей ионов металлов обнаружено в образцах, обработанных азотной и хлорной кислотами. Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли на рентгеновском дифрактометре ДРОН – 2.0 в Cu Kα-излучении. Согласно данным РФА, все полученные образцы диоксида кремния находятся в аморфном состоянии, о чем свидетельствует размытый пик на рентгенограмме в области 2θ = 18о-30о, как и в [1]. ИК-спектры поглощения образцов регистрировали в вазелиновом масле в области 400-4000 см−1 с использованием Фурье-спектрометра Shimadzu FTIR Prestige-21 (Япония) при комнатной температуре. На рис 1. представлен типичный ИК-спектр образцов аморфного кремнезема, полученных в данной работе, который содержит полосы поглощения в области 467, 800 и 1095 см-1, отвечающие деформационным и валентным колебаниям силоксановых связей Si−O−Si. Слабый перегиб в области 978 см-1свидетельствует о незначительном содержании силанольных связей Si−OH. Полосы в области 1632, 3453 и 3644 см-1 принадлежат деформационным и валентным колебаниям ОН-групп молекул воды.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

№ образца 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

140

Химические науки

Характеристики образцов аморфного кремнезема из рисовой шелухи Кислота Выход SiO2 П.п.п.,% Содержание, % (ƞ), % SiO2 Ca Mg Al Fe H2O 14.0 1.18 96.74 0.620 0.085 0.046 0.051 HCl 13.3 1.16 99.91 0.224 0.266 0.040 0.047 HNO3 14.4 1.63 99.52 0.067 0.110 0.012 0.047 HClO4 15.0 − 99.42 нет 0.014 нет 0.015 CH3COOH 14.0 1.89 97.38 0.58 0.210 0.043 0.045 H2SO4 14.8 1.78 98.51 0.100 0.124 0.048 0.047 H2C2O4·H2O 14.3 1.34 98.34 0.790 0.348 0.034 0.063 H3PO4 13.7 1.28 98.95 0.086 0.133 0.056 0.036

Таблица 1 Mn 0.026 0.023 0.010 0.009 0.051 0.011 0.088 0.011

Рис.1 ИК-спектр образцов аморфного кремнезема, полученного из плодовых оболочек риса (* - полосы вазелина) Удельную поверхность образцов (Sуд.) и распределение пор по размерам определяли по адсорбции азота на анализаторе ASAP 2020 (Micromeritics Instrument Corporation). Значения Sуд. рассчитано методом БЭТ (Брунауера, Эммета, Теллера) на основе изотерм адсорбции азота, а распределение пор по размерам – метод БДХ (Баррет, Джойнер, Халенд). Результаты приведены в табл. 2. Значение удельной поверхности образцов SiO2 изменяется в диапазоне ~ 43-191 м2/г в зависимости от кислоты, использованной для предварительной обработки рисовой шелухи. Наибольшей удельной поверхностью характеризуются образцы 3, 4 и 7, наименьшей — образцы

№ образца 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

1, 2, 5 (таб. 2). Возможно, такой разброс в значениях Sуд. связан, согласно [5], с природой примесных ионов в образцах диоксида кремния, которые в процессе обжига могут образовывать разные по количеству и составу силикаты. Средний диаметр пор в исследованных образцах диоксида кремния и распределение пор по размерам представлены в табл. 2. Анализ результатов показывает, что образцы аморфного кремнезема неоднородны и имеют в своем составе поры разного диаметра, от ~4.6 до 155 нм.

Таблица 2 Сорбционные характеристики образцов аморфного кремнезема из рисовой шелухи Данные по адсорбции азота (метод БЭТ) аmax, мг/г Sуд., м2/г d, нм 46.17 43.63 140.19 190.74 58.08 119.87 130.03 118.11

17.84; 39.58 20.87; 83.79;155.29 7.11; 17.83 7.10; 15.24 11.52; 22.71 6.21;15.58 6.05;14.59 4.59

11.31 16.45 6.63 8.84

8.61

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

141

На величину удельной поверхности и диаметр пор, влияет не только кислота, выбранная для предварительной обработки сырья, но сорт и регион произрастания растения, из шелухи которого получен диоксид кремния. Так, сопоставление наших данных (образец 2 по табл. 2) с результатами авторов [5], показывает, что диоксид кремния, полученный в близких условиях имеет разные поверхностные характеристики. Известно, что аморфный диоксид кремния широко применяется в качестве сорбента для широкого спектра загрязнителей. Поэтому представляло интерес изучение сорбционных свойств кремнеземов, исследуемых в данной работе, по отношению к ионам меди. В качестве сорбентов использовались образцы кремнезема 1, 2, 3, 5 и 8 (табл.2). Для определения параметров, характеризующих сорбционные свойства диоксида, использовалась методика, описанная в [2]. Экспериментальные данные описаны уравнением изотермы сорбции Ленгмюра. Найденные значения максимальной сорбционной емкости (аmax) образцов SiO2 по отношению к ионам меди даны в табл. 2. Полученные изотермы сорбции ионов Cu(II) представлены на рис. 3. Их анализ показывает, что

Химические науки

сорбционные свойства исследованных образцов диоксида кремния по отношению к ионам меди разные и определяются они, в первую очередь, не величиной удельной поверхности, а пористостью образца. Так, образец 2, имеющий наименьшее значение удельной поверхности, обладает более высокой сорбционной емкостью по сравнению с остальными образцами, удельная поверхность которых выше (табл.2). В то же время образец 2 имеет наиболее разветвленную сеть пор. Статистический анализ результатов исследования, проведенный с использованием программы StatSoft Statistica 10.0, также указывает на существование обратной взаимосвязи между параметрами, характеризующими удельную поверхность и сорбцию. Таким образом, поверхностные характеристики и сорбционные свойства относительно ионов меди образцов аморфного кремнезема, полученных из плодовых оболочек риса путем обжига с предварительным выщелачиванием различными кислотами (HCl, H2SO4, HNO3, CH3COOH, H3PO4, H2C2O4·H2O, HClO4), зависят от природы кислоты. Значения удельной поверхности изменяются в интервале 43 -190 м2/г, а диаметр пор − от 4,6 до 155 нм.

Рис. 3. Изотермы сорбции ионов меди, образцами аморфного кремнезема (нумерация образцов согласно табл. 1) Список литературы 1. Земнухова Л.А., Егоров А.Г., Федорищева Г.А., Баринов Н.Н., Сокольницкая Т.А., Боцул А.И. Свойства аморфного кремнезема, полученного из отходов переработки риса и овса // Неорганические материалы. 2006. Т. 42. № 1. С. 27 − 32. 2. Шевелева И.В., Холомейдик А.Н., Войт А.В., Моргун Н.П., Земнухова Л.А. Извлечение ионов металлов сорбентами на основе рисовой шелухи // Журнал прикладной химии. 2009. Т.82. № 10. С. 1688 – 1692.

3. Della V.P., Kuhn I., Hotza D. Rice husk ash as an alternate source for active silica production // Materials Letters. 2002. V. 57. No 4. P. 818 − 821. 4. Liou T.H., Chang F.W., Lo J.J. Pyrolysis kinetics of acid-leached rice husk // Industrial and enginering chemistry research. 1997. V. 36. No 36. P. 568 − 573. 5. Real C., Alcala M.D., Griado J.M. Preparation of silica from rice husks // Journal of the American Chemical Society. 1996. V. 79. No 8. P. 2012 − 2016.

ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИЙ ОБРАЗОВАНИЯ СИЛИКАТОВ МЕТАЛЛОВ НА ПРОЦЕСС СТЕКЛОВАНИЯ ПЛЕНОК ЛЕГИРОВАННОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ

Авдеев Сергей Петрович к.т.н, доцент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Инженерно-технологической академии ЮФУ Милешко Леонид Петрович д.т.н, профессор Института управления в экономических, экологических и социальных системах Инженерно-технологической академии ЮФУ Гусев Евгений Юрьевич к.т.н., доцент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Инженерно-технологической академии ЮФУ Махаринец Александр Владимирович аспирант Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Инженерно-технологической академии ЮФУ

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

142

Химические науки

METAL SILICATE FORMATION INFLUENCE ON DOPED SILICA FILMS, FORMED BY SOL-GEL METHOD, VERIFICATION PROCESS Avdeev Sergey, Candidate of Science, associate professor of Institute of Nanotechnology, Electronics and Instrumentation, Engineering and Technology Academy of Southern Federal University. Taganrog. Mileshko Leonid, Doctor of Science, professor of Institute of Management in economic, ecological and social systems Engineering and Technology Academy of Southern Federal University. Taganrog. Gusev Eugeniy, Candidate of Science, associate professor of Institute of Nanotechnology, Electronics and Instrumentation, Engineering and Technology Academy of Southern Federal University. Taganrog. Makharinets Alexander, Postgraduate student of Institute of Management in economic, ecological and social systems Engineering and Technology Academy of Southern Federal University. Taganrog. АННОТАЦИЯ Дано физико-химическое трактование процессов, протекающих при электронно-лучевой обработке легированных золь-гельных пленок SiO2. Предполагается, что за счет явления локального саморазогрева теплотой, выделяющейся при образовании силикатов металлов, снижается температура стеклования легированного диоксида кремния. Во время электронно-лучевой обработки за счет высокотемпературного разогрева и электронной стимуляции процесса происходит окончательное формирование стекловидного покрытия, а реакции возникновения силикатов металлов могут способствовать проявлению эффекта снижения температуры стеклования. Целью данной работы являлось определение роли локального саморазогрева теплотой в процессе стеклования золь-гельных пленок во время обработки электронно-лучевыми методами. Задачей данного исследования было поэтапное рассмотрение процессов, происходящих при электронно-лучевой обработке пленок диоксида кремния, полученных золь-гель методом. Было установлено и теоретически обосновано снижение температуры стеклования легированного диоксида кремния при использовании данного метода обработки, произведен анализ процессов, происходящих во время электронно-лучевой обработки. ABSTRACT Physical and chemical interpretation of the processes proceeding at electron beam processing of doped sol-gel films of SiO2 is given. It is supposed that at the expense of the phenomenon of a local self-warming up the warmth which is allocating at formation of silicates of metals, the temperature of a vitrification doped silica decreases. During the electron beam processing by high heating and electronic stimulation, the final formation of the vitreous coating occurs, and the reaction of metal silicate can promote effect of reducing the glass transition temperature. The aim of this study was to determine the role of local self-heating warmth in gel-sol glass films vitrification, during electron beam processing techniques. The objective of this study was phased review of the facts that occurs in electron beam processing of silicon dioxide films obtained by the sol-gel method. It has been established and justified theoretically, that the glass transition temperature of doped silica using this method of processing decreases, facts that occurs during electron beam processing were analyzed. Ключевые слова: диоксид кремния, золь-гель метод, силикаты металлов, электронно-лучевая обработка, стеклование. Keywords: silicon dioxide, sol-gel method, silicates of metals, electron beam processing, vitrification. Введение Рой Р. [1] впервые синтезировал силикатные и алюмосиликатные стекла из гелей, содержащих оксиды Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, MgO, CaO, SrO, BaO, PbO, Ga2O3, Fe2O3, Ln2O3, TiO2, ZrO2, ThO2 и тройных или четверных составов, содержащих по 2 из этих оксидов. Переход геля в стекло был объяснен им тем, что высушенный гель (ксерогель) обычно имеет более высокую свободную энергию по сравнению со стеклом и его можно трансформировать в стекло при температуре ниже температуры образования стеклообразующего расплава в случае получения стекла из шихты. Выражение состава стекла в определенных химических соединениях (например, в виде силикатов) открывает новые возможности интерпретации, расчета и прогноза свойств [2]. Ранее тепловые эффекты реакций образования силикатов определялись в [3]. Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) является перспективным методом модификации золь-гельных пленок (ЗГП) легированного диоксида кремния [4]. Образование силикатов сурьмы и цинка в ЗГП впервые рассматривалось в работах [5,6]. В связи с этим представляет интерес выяснение возможности образования силикатов при стекловании золь-

гельных покрытий, в том числе, при электронно-лучевой обработке их в вакууме. Целью настоящей работы является уточнение физико-химической природы влияния реакций образования силикатов на процесс стеклования пленок легированного диоксида кремния. Результаты и обсуждение Поскольку образование силикатов является теоретически возможным на всех стадиях формирования ЗГП, то представляется целесообразным их рассмотреть и кратко охарактеризовать. Технология нанесения стекловидных покрытий на ситалловые и поликоровые подложки золь-гель методом включает следующие этапы: приготовление плёнкообразующего раствора на основе этилового эфира ортокремниевой кислоты Si(OC2H5)4 и его созревание; нанесение пленки путем центрифугирования; сушка в термошкафу при температуре 120 C в течение 20 минут; отжиг в вакууме при температуре 500–600 C в течение 20–30 минут и последующая обработка плёнки ленточным электронным пучком в режиме тока луча 80–100 мА, ускоряющего напряжения 2,5–3 кВ и скорости обработки 2–5 см/с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Нами была использована экспериментальная установка ЭЛО, в ней отсутствуют устройства для осуществления калориметрических и/или спектральных измерений, что не позволяет установить механизм стеклования в классическом виде. Однако, качественная характеристика высказывалась нами в [7] «electron-thermal activation mechanism», т.е. процесс стеклования при ЭЛО протекает по механизму электронно-термической активации. При этом имеет место также локальный саморазогрев «hot spot» [7]. После того, как была проведена низкотемпературная термообработка, происходит частичное удаление остатков пленкообразующего раствора и физически адсорбированной воды. Во время отжига в вакууме удаляется физически и химически адсорбированная вода. При температуре 750 C имеет место собственно переход гель(ксерогель)-стекло, а удаление гидроксильных групп продолжается вплоть до 1100 C [8,9]. В результате термоактивации происходит ускорение процесса образования стеклообразного покрытия за счет увеличения скорости полимеризации силоксановых связей. С позиций коллоидной химии, сформированные таким путем пленки представляют собой по существу слои уплотненного силикагеля, а при наличии легирующих добавок - модифицированного силикагеля, а с точки зрения

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Тепловой эффект H Уравнение реакции

0 298

Химические науки

143

химии полимеров они являются полимерами или сополимерами на основе диоксида кремния [10]. В работах [11,12] приведены результаты расчета термодинамических характеристик реакций взаимодействия оксидов металлов с диоксидом кремния по данным [13]. Из таблицы 1, в которой приведены теплоты образования силикатов

При обработке ЗГП электронным лучом происходит зарядка их поверхности. В результате возможны торцевой пробой, локальное вскипание и разрушение, дефокусировка первичного электронного пучка, что ведет к срыву ЭЛО. Поэтому используется вторичная электронная эмиссия для осуществления токоотбора от зоны облучения. Для этого в устройство вводится заземленный коллектор вторичных электронов, располагаемый на минимальном расстоянии (10 - 20 мм) от изделия [10]. Во время ЭЛО за счет высокотемпературного разогрева и электронной стимуляции процесса происходит окончательное формирование стекловидного покрытия.

и значения свободной энергии

Гиббса G соответствующих реакций видно, что все реакции экзотермические, а это может способствовать снижению температуры стеклования за счет локального саморазогрева теплотой, выделяющейся при этих реакциях в областях возникновения силикатов. Кроме того, реакции в таблице 1 расположены в порядке убывания изменения энергии Гиббса так, что протекание вышестоящих реакций более вероятно. При этом тепловой эффект реакций снижается в ряду силикатов: Ba2SiO4 (1), Sr2SiO4 (2), Ba2SiO3 (3), SrSiO3 (4), Mn2SiO4 (7), Ca2SiO4 (5), Ca2SiO3 (6), Fe2SiO4 (15), Co2SiO4 (10), Ni2SiO4 (13), Mg2SiO4 (20), Cd2SiO4 (8), MgSiO3 (9), MnSiO3 (12), FeSiO3 (18), NiSiO3 (17), CdSiO3 (14), Al2SiO5 (19), PbSiO3 (16), Pb2SiO4 (11). В скобках указан номер реакции. 0 298

Таблица 1

и изменения энергии Гиббса

2BaO+SiO2 = Ba2SiO4 2SrO+SiO2 = Sr2SiO4 BaO+SiO2 = BaSiO3 SrO+SiO2 = SrSiO3 2CaO+SiO2 = Ca2SiO4 CaO+SiO2 = CaSiO3 2MnO+SiO2 = Mn2SiO4 2CdO+SiO2 = Cd2SiO4 MgO+SiO2 = MgSiO3 2CoO+SiO2 = Co2SiO4 2PbO+SiO2 = Pb2SiO4 MnO+SiO2 = MnSiO3 2NiO+SiO2 = Ni2SiO4 CdO+SiO2 = CdSiO3 2FeO+SiO2 = Fe2SiO4 PbO+SiO2 = PbSiO3 NiO+SiO2 = NiSiO3 FeO+SiO2 = FeSiO3 Al2O3+SiO2 = Al2SiO5 2MgO+SiO2 = Mg2SiO4

H 0298

G

0 298

реакций образования силикатов [11,12]

 H 0298 , кДж/моль 246,0 237,4 157,7 135,4 130,0 72,2 134,4 41,2 39,3 51,2 1,1 31,1 44,6 23,2 51,4 1,3 24,6 28,4 2,2 44,4

0  G298 ,

кДж/моль 279,2 223,2 149,3 131,5 121,6 89,2 67,5 49,2 39,0 36,3 30,9 29,9 24,9 22,3 21,5 13,7 10,5 9,0 3,8 1,5

При этом электронный перенос в оксидах во время ЭЛО, вероятно, происходит вследствие протекания в них окислительно-восстановительных реакций [14]. На наш взгляд, реакции возникновения силикатов металлов в процессах образования ЗГП, которые являются экзотермическими, могут способствовать проявлению эффекта снижения температуры стеклования – перехода гель(ксерогель)-стекло, за счет явления локального саморазогрева теплотой, выделяющейся при этих реакциях. С этой точки зрения, наименьший локальный саморазогрев имеют реакции: Al2O3+SiO2 = Al2SiO5, PbO+SiO2 = PbSiO3, 2PbO+SiO2 = Pb2SiO4.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

144

Следовательно, температура стеклования ЗГП диоксида кремния, содержащего оксиды алюминия или свинца должна быть выше, чем в случае ЗГП на основе SiO2, в состав которых входят оксиды бария, стронция, марганца, кальция, железа, кобальта, никеля, магния, кадмия или цинка. Таким образом, дано физико-химическое трактование процессов, протекающих при электронно-лучевой обработке ЗГП легированного SiO2, сопровождающихся эффектом понижения температуры перехода гель-(ксерогель)-стекло (стеклования). Выводы 1. Рассмотрена физико-химическая природа процессов, которые протекают при электронно-лучевой обработке полученных золь-гель методом пленок диоксида кремния легированного оксидами металлов. 2. Охарактеризована роль явления локального саморазогрева теплотой, выделяющейся при образовании силикатов металлов, в процессе стеклования ЗГП во время электронно-лучевой обработки их в вакууме, заключающаяся в эффекте снижения температуры стеклования (перехода ксерогельстекло). Список литературы: 1. Roy R. Gel route to homogeneous glass preparation. // J. Amer. Ceram. Soc., V. 52, 1969, №, p. 344. 2. Лисененков А.А. Представление состава стекла в определенных химических соединениях // Физ. и хим. стекла, 1978, т. 4, №4, с. 395-404. 3. Элькин Г.Б. Тепловые эффекты реакций образования силикатов // Неорганические материалы, 1991, т.27, №8, с. 1173-1174. 4. Авдеев С.П., Милешко Л.П., Музыков П.Г., ЧередниченкоД.И. Перспективы применения электронно-лучевой обработки для модификации зольгельных пленок легированного диоксида кремния // ФХОМ, 1998, №2, с. 77-83. 5. Борисенко В.Е., Гапоненко Н.В., Милешко Л.П., Синило М.Ф. ИК спектроскопическое исследование сурьмы в эмульсионных оксидных пленках кремния при термообработке. // Ж. прикладной спектроскопии, 1991, т.54, №1, с. 156-159. 6. Gaponenko N.V., Borisenko V.E., Mileshko L.P., Gnaser H., Vasiliev V.V. Spin-on silicon dioxide films

Химические науки

on indium antimony. // Thin Sol. Films, 1993, v. 223, p. 122-128. 7. Avdeev S.P., Cherednichenko D.I., Korolev A.N., Mileshko L.P. Electron-beem vitrifcation of sol-gel silicate films. Тезисы докладов Международной конференции «Стекла и твердые электролиты» (Санкт-Петербургский государственный университет, 17-19 Мая 1999 года), СПб, 1999, с. 33. 8. Демская Э.Л., Соколова А.П., Хотимченко В.С. Исследование физико-химических свойств гель-стекол на основе тетраэтоксида кремния. // Физ. и хим. стекла, 1991, т. 17, №1, с. 109-113. 9. Сметанина Г.Ф., Кузнецов А.М., Шалумов Б.З. Гель-стекло метод в получении синтетических силикатных стекломатериалов. Обзорная информация НИИТЭХИМ. М., 1985, c. 33. 10. Авдеев С.П., Милешко Л.П., Гапоненко Н.В. Руководство к лабораторной работе «Эллипсометрическое исследование электронно-лучевой модификации золь-гельных пленок диоксида кремния» по курсу «Физико-химические основы конструирования и технологии электронных средств». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001, c. 24. 11. Милешко Л.П. Термодинамический анализ реакций образования силикатов // Материалы IV Международной научно-технической конференции «Современные средства связи» (20-24 сентября 1999 года, Нарочь. Беларусь). Специальный выпуск журнала Известия Белорусской инженерной академии, 1999, №1(7)/2, с. 20-21. 12. Авдеев С.П., Милешко Л.П. Механизм электронно-лучевого стеклования золь-гельных пленок легированного диоксида кремния // Труды седьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, Россия, 17-22 сентября 2000), Таганрог: ТРТУ, 2000, Ч.1, с. 33-34. 13. Алдабергенов М.К., Балакаева Г.Т., Чекимбаев А.Ф., Оспанова А.С. Расчет стандартных термодинамических функций силикатов методом инкрементов // Журнал физической химии, 1998, т. 72, №8, с. 1363-1366. 14. Попов В.П. Термохимическая оценка электронного переноса в оксидах металлов // Журнал прикладной химии, 1992, вып. 5, с. 1113-1116.

ИСПЫТАНИЕ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОГНЕ- И ТЕРМОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА

Сабирзянова Рамиза Наиловна аспирант, Казанский национальный исследовательский технологический университет Красина Ирина Владимировна д.т.н., профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, заведующий кафедры

TESTING OF TEXTILE MATERIALS WITH FIRE - AND HEAT-PROOFING PROPERTIES Sabirzyanova Ramiza Nailovna, graduate student, Kazan national research technological University Krasina Irina Vladimirovna, doctor of technical Sciences, Professor, Kazan national research technological University, head of Department АННОТАЦИЯ Целью данной работы было придание огнестойкости текстильным материалам, применением новой технологий, применением вспучивающего антипирена. Проводились испытания образцов на открытом пламени и в тепловом потоке. Результаты показали, что вспучивающий антипирен придает огнеупорные свойства текстильным материалам. ABSTRACT The aim of this work was giving fire resistance of textile materials, application of new technologies, the use of intumescent flame retardant. Testing of samples in an open flame and heat flux. The results showed that the intumescent flame retardant gives refractory properties of textile materials.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

145

Химические науки

Ключевые слова: огнестойкость, текстильные материалы, вспучивающий антипирен, методы испытания, открытое пламя, тепловое излучение Keywords: the fire resistance of textile materials, intumescent flame retardant, test methods, open flames, heat radiation Текстильная промышленность в целом потенциально является весьма рентабельной отраслью с высокой оборачиваемостью финансовых ресурсов, имеет относительно большую потребность в оборотных средствах и может обеспечить высокую уровень поступления средств в федеральный и местный бюджеты. Сохранение и развитие производственного потенциала отрасли- основа социальной стабильности общества и экономической безопасности страны [1]. Для снижения пожарной опасности текстильных материалов используются замедлители горения различного состава. Антипирены – вещества, затрудняющие воспламенение и горение материалов. На практике используются неорганические и органические антипирены, среди которых популярны фосфорсодержащие соединения. Применяются до сих пор и галогенсодержащие антипирены, хотя известно, что они ухудшают физико-механические свойства модифицируемого ими материала. Кроме того, при горении полимеров, модифицированных галогенсодержащими антипиренами, увеличивается дымообразование и количество токсичных продуктов [2]. Существует много видов антипирена. В последнее время ассортимент огнезащитных компонентов растет с каждым днем. В настоящее время среди огнезащитных материалов наиболее перспективны покрытия вспучивающегося (интумесцентного) типа. Интумесцентная технология защиты изделий от горения является сравнительно новой и заключается во вспучивании и превращении в кокс поверхностного слоя материала, подверженного воздействию пламени. Образующийся при этом вспененный коксовый слой предохраняет в течение определенного времени защищаемую поверхность (или нижележащие слои) от воздействия пламени и высоких температур [3]. Целесообразность использования огнезащитных вспучивающихся покрытий обусловлена прежде всего тем, что они тонкослойны, при нагревании не выделяют токсичных веществ, обладают высокой огнезащитной эффективностью и могут быть нанесены на защищаемую поверхность различными механизированными методами. В обычных условиях эксплуатации эти покрытия похожи по внешнему виду на традиционные покрытия.

Литературные источники показали, что применение вспучивающих антипиренов приводит к надежной защите конструкций из дерева и металла от воздействия высоких температур и пламени. Применение вспучивающих композитов в текстильной отрасли еще не изучено. Попытки придания огнестойкости текстильным материалам с помощью вспучивающего антипирена были неудачны [4]. Целью работы стало исследование возможности применения вспучивающего антипирена для придания огнестойкости текстильным материалам. И испытание полученных образцов на огне- и термозащитные свойства. Объектами исследования выбраны ткани хлопкополиэфирные: «Карелия» (состав 80% ВХ, 20% ПЭ) и «Галактика- Комфорт» (состав 53% ВХ, 47% ПЭ). В качестве замедлителя горения мы использовали раствор вспучивающего антипирена. В состав вспучивающего антипирена входят: аммоний фосфорнокислый, пентаэритрит и карбамид в соответствующих пропорциях. Испытания на огнестойкость проводилось по ГОСТу 30402-96 и ГОСТу Р 12.4.200-99, результаты которых приведены в таблицах 1 и 2. По ГОСТу Р12.4.200-99 вырезается и маркируется шесть элементарных проб длиной (80±1) мм и шириной (80±1) мм: три пробы по длине и три по ширине материала. На пробы с помощью шаблона наносятся метки расположения штифтов держателя. Испытуемая элементарная проба устанавливается на штифты держателя так, чтобы штифты проходили через точки, отмеченные с помощью шаблона, и проба находилась на расстоянии (20±1) мм от прямоугольной металлической рамы держателя. Затем держатель закрепляется с пробой на установочную раму. Горелка устанавливается перпендикулярно к поверхности испытуемой пробы так, чтобы ось горелки была на 20 мм выше линии нижних штифтов и была направлена к вертикальной центральной линии лицевой стороны испытуемой пробы согласно рисунку 1. Кончик горелки должен быть на расстоянии (17±1) мм от поверхности пробы.

Рисунок 1 Схема расположения горелки при регулировании пламени 1 - горелка; 2 - пламя; 3 - рама держателя; 4 - элементарная проба; 5 – штифт [6]. После подготовительного процесса, горелка передвигается в рабочее положение, продолжительность воздействия пламени - 10 с [4].

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

146

Химические науки

Таблица 1 Испытание текстильных материалов на открытом пламене по ГОСТу Р 12.4.200-99 Образец Пропитка Результат Ткань хлопкополиэфирная «КареЗагорелся на 4 сек., Без пропитки лия-2» не капает, не искрится, горит быстро, сгорел весь, пламя сильное 80% ВХ 20% ПЭ Вспучивающий антипирен Не воспламенился, не тлеет, почернел на 4 сек., не капает, не искрится, дым 3сек., вспуПривес 40 % Концентрация р-ра 14% чивается, форму сохранил Ткань хлопкополиэфирная "ГалакЗагорелся на 2 сек., капает, искрится, горит Без пропитки тика-Комфорт", быстро, сгорел весь, черный сильный дым Не воспламенился, не тлеет, почернел на 2 Вспучивающий антипирен 53%ВХ 47%ПЭ сек., не капает, искрится, дым 3сек, вспучивается, полиэфирные нити расплавились, Концентрация р-ра 14% Привес 35% форму не сохранила. Огнестойкость текстильных материалов главным образом зависит от химического состава волокон. И как видно из таблицы, применением вспучивающего состава можно добиться огнестойкости текстильных материалов. Однако, надо уделить внимание привесу образцов. У ткани, в составе которой больше натуральных волокон, привес больше и соответственно она более устойчива к открытому огню. Ткань «Галактика-Комфорт» не воспламенилась, но полиэфирные волокна расплавились и она не сохранила форму. Для придания огнезащитных свойств текстильным материалам надо учитывать все возможные условия. Исследования показали, что при придании огнестойких характеристик, большую роль играет химический состав, привес образцов, концентрация раствора. Зависимость времени воспламенения от плотности теплового потока проводилось по ГОСТу 30402-96. Для испытаний изготавливаются образцы, имеющих форму квадрата, со стороной 70 мм±5. При каждой

величине поверхностной плотности теплового потока, испытания проводят на трех образцах. Испытания проводятся на установке, схема которой приведена на рисунке 2. Образец для испытания поместили в держатель, установили его на подвижную платформу и произвели регулировку противовеса. После этого держатель с образцом для испытания заменяются держателем с образцомимитатором. Устанавливая подвижную горелку в исходное положение, регулируется расход газа (19 - 20 мл/мин) и воздуха (160 - 180мл/мин), подаваемых в подвижную горелку. Для вспомогательной горелки длина факела пламени составляет примерно 15 мм. Затем, включается электропитание и по регулирующему термоэлектрическому преобразователю задается установленная при калибровке величина термо ЭДС, соответствующая поверхностной плотности теплового потока20 кВт/м2.

Рисунок 2.Схема оборудования для измерения огнестойкости в тепловом потоке 1 - радиационная панель с нагревательным элементом; 2 - подвижная горелка; 3 - вспомогательная стационарная горелка; 4 - силовой кабель нагревательного элемента; 5 - кулачок с ограничителем хода для ручного управления подвижной горелкой; 6 - кулачок для автоматического управления подвижной горелкой; 7 - приводной ремень; 8 - втулка для подсоединения подвижной горелки к системе подачи топлива;

9 - монтажная плита для системы зажигания и системы перемещения подвижной горелки; 10 - защитная плита; 11 - вертикальная опора; 12 - вертикальная направляющая; 13 - подвижная платформа для образца; 14 - основание опорной станины; 15 - ручное управление; 16 - рычаг с противовесом; 17 - привод к электродвигателю[5].

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

147

Экранирующая пластина помещается на защитную плиту, образец-имитатор заменяется на образец для испытания, включается механизм подвижной горелки, экранирующая пластина удаляется и включается регистратор времени. При воспламенении образца испытание прекращается. Для этого экранирующая пластина помещается на защитную плиту, останавливается регистратор времени и механизм подвижной горелки, удаляется держатель с образцом и помещается на подвижную платформу образецимитатор, экранирующую пластину убираем. И так повторяется эксперимент от 20 кВт/м2до 50 кВт/м2. В таблице 2 описаны результаты испытания образцов в тепловом потоке. Результаты показывают, что образцы пропитанные антипиреном способны противостоять огню - не воспламеняются и хорошо вспучиваются.

№ 1 2 3 4

Химические науки

Вспучивающие антипирены поглощают тепло в результате разложения, выделяют ингибиторные газы, высвобождают воду, ускоряют образование коксового слоя на поверхности материала. Этот антипирен при нагревании увеличивает толщину слоя в 1,5-2 раз. Образование этого слоя происходит за счет выделяющихся при нагревании газо- и парообразных веществ. Коксовый слой обладает высокими теплоизоляционными качествами [6]. В системе стандартов безопасности труда пожароопасность материалов определяется показателями, выбор которых зависит от условий их применения. В данной работе выбраны показатели, которые характеризует пожарную опасность текстильных материалов. К ним относятся: образование дыма, время и температура воспламенения.

Таблица 2 Испытания текстильных материалов в тепловом потоке по ГОСТу 30402-96 Образцы пропитка 30 кВт/м2 50 кВт/м2 Дым 5 сек., почернел 10 Дым 2 сек., почернело 4 Ткань хлопкополиБез пропитки сек, воспламенился 14сек сек., обуглилась 5 сек., эфирная «Карелия-2» воспламенился 6 сек. 80%ВХ 20%ПЭ Вспучивающий Дым 1 сек, почернел 8 Дым 1 сек., почернел 2 антипирен сек., вспучивается, сек., вспучивается, не восПривес 40% Концентрация р-ра 14% не воспламенился пламенился Дым 4 сек., Дым 2 сек., п/э нити расТкань хлопкополиБез пропитки п/э нить расплавилась 15 плавились 6 сек., восплаэфирная «Галактикасек., воспламенился 12сек менился 9 сек Комфорт» 53%ВХ 47%ПЭ Дым 2 сек., почернел 4 Дым 1 сек., п/э нити расВспучивающий сек., вспучивается, нити плавились 2 сек., вспучиантипирен Привес 35% п/э расплавились, не восвается, Концентрация р-ра 14% пламенился не воспламенился

Проведенные испытания показали, что придание огнестойкости текстильных материалов, применением вспучивающего антипирена возможно. А использование единых нормативных показателей по пожарной безопасности текстильных материалов позволяет достоверно сравнивать и оценивать огне- и термозащитные свойства текстильных материалов, получаемые в различных лабораториях. Список литература: 1. Лавреньева, Е.П. Сравнительный анализ свойств огнезащитных тканей различных способов производства / Е.П. Лавреньева // Швейная промышленность.-2012.-№3.- С. 40-42 2. Сабирзянова Р.Н., Красина И.В. Исследование влияния вспучивающих антипиренов на повышение огнестойкости текстильных материалов / Р.Н. Сабирзянова, И.В. Красина // Вестник Казанского технологического университета. №3. - 2014. – С.53-54.

3. Сабирзянова Р.Н., Красина И.В. Модификация текстильных материалов низкотемпературной плазмой пониженного давления / Р.Н. Сабирзянова, И.В. Красина // Вестник Казанского технологического университета. №17. - 2012. – С.56. 4. Фомин, Б.М. Перспективы выпуска огнезащитных тканей в России / Б.М. Фомин, С.Д. Николаев, Н.В. Егоров // Текстильная промышленность.2011.№4.- С. 64-66 5. ГОСТ Р 12.4.200-99 «Одежда специальная для защиты от тепла и огня. Методы испытаний при ограниченном распространении пламени». 6. ГОСТ Р ИСО 9151-2007 «Одежда для защиты от тепла и пламени. Метод определения теплопередачи при воздействии пламени».

ПРОМОТИРУЮЩИЙ ЭФФЕКТ СУРЬМЫ НА ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОСТАНОВИТЕЛЬНЫЕ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВA ВАНАДИЙСУРЬМЯНЫХ ОКСИДОВ В ОКИСЛИТЕЛЬНОМ ДЕГИДРИРОВАНИИ ИЗОБУТАНА

Сардарлы Афет Мадат кызы научный сотрудник института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева Висловский Владислав Петрович Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева Сулейманов Гюльмамед Зияддин оглы Доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией института катализа и неорганической химии НАН Азербайджана им.М.Ф.Нагиева

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

148

Химические науки

PROMOTION EFFECT OF ANTIMONY ON REDOX AND CATALYTIC PROPERTIES OF ALUMINA SUPPORTED VANADIUM-ANTIMONY OXIDES IN OXİDATİVE DEHYDROGENATİON OF İSOBUTANE Sardarly Afet Madat, Research scientist, Institute of catalysis and inorganic chemistry named after academician M.F Naghiev, Azerbaijan National Academy of Sciences Vislovskiy Vladislav Petrovich, Doctor of chemical sciences, Principal research scientist, Institute of catalysis and inorganic chemistry named after academician M.F Naghiev, Azerbaijan National Academy of Sciences Suleymanov Gyulmamed Ziyatdin, Professor, Doctor of chemical sciences, Head of laboratory, Institute of catalysis and inorganic chemistry, Azerbaijan National Academy of Sciences АННОТАЦИЯ Окислительное дегидрирование изобутана - промышленно-перспективный процесс получения ценного полупродукта изобутилена – исследован в присутствии нанесенных на алюмоксидный носитель ванадиевой (V/Al) и ванадийсурьмяной (VSb/Al) оксидных систем. Их каталитическое действие при 550оС сопоставлено с результатами изучения характеристик объёма и поверхности образцов методами рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, температурно-программированного восстановления водородом и ряда других. Модифицирование нанесённого на Al2O3 ванадийоксидного катализатора оксидом сурьмы увеличивает количество реакционноспособного мобильного кислорода, что способствует более эффективному протеканию оксидно-восстановительного цикла и более стабильной работе катализатора. ABSTRACT Dehydrogenation of isobutane in the presence of oxygen – industrially prospective process for production of valuable isobutene – has been studied over alumina supported vanadium (V/Al) and vanadium-antimony (VSb/Al) oxide catalysts. Their catalytic behavior at 550oC was compared with the sample characterization data obtained by specific surface area, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, hydrogen temperature-programmed reduction methods. VSb/Al catalyst exhibited enhanced catalytic activity and especially on-stream stability compared to V/Al oxide. In the presence of modifier, antimony oxide, the amount of active oxygen species and their reactivity in redox transformations is improved. As a result, VSb/Al oxide displays a higher catalytic activity, a lower coking activity and higher on-stream stability. Ключевые слова: изобутан; окислительное дегидрирование; изобутилен; оксид ванадия; катализатор; оксид алюминия. Keywords: isobutane; oxidative dehydrogenation; isobutene; vanadium oxide catalyst; alumina support. Окислительное дегидрирование (ОД) изобутана – перспективный процесс получения изобутилена, одного из ключевых многотоннажных химических полупродуктов. Проблема селективности по целевому продукту из-за заметного протекания побочных процессов полного окисления, обусловленного присутствием сильного окислителя – кислорода, до настоящего времени не решена удовлетворительно, но найдено несколько типов катализаторов, довольно селективных в ОД изобутана. В их числе несколько оксидных ванадийсодержащих катализаторов [14]. Сложные V-Sb оксиды, как массивные, так и нанесённые на носители, известные как высокоэффективные катализаторы для перспективного промышленного процесса окислительного аммонолиза пропана в акрилонитрил, парциального окисления толуола и сероводорода, а также селективного восстановления NO аммиаком, весьма эффективно проявили себя и в целевой реакции ОД изобутана и ряда других С2-С4-парафинов [ 2 ]. Вместе с тем имеющаяся информация о факторах, управляющих поведением катализаторов в реакции ОД изобутана, явно недостаточна. В частности, дискуссионным является вопрос о промотирующей роли оксидносурьмяного со-компонента V-Sb-Ox/Al2О3 (VSb/Al) катализатора, обсуждаемoй в настоящей работе. Катализаторы готовили с использованием метаванадата аммония и хлорида сурьмы (III) в качестве исходных солей. Каталитическая активность в ОД изобутана измерялась при 550оС в кварцевом U-образном реакторе проточной установки. Состав исходной реакционной смеси составлял: изо-С4Н10: О2: N2 = 20: 10: 70 (об.). Характеристики объёма и поверхности катализаторов определяли рядом физико-химических методов: удельная площадь поверхности - методом БЭТ, фазовый состав - методом рентгеновской дифракции, ряд свойств поверхности - методом РФЭС, способность катализаторов к восстановлению - методом температурно-программированного восстановления водородом, спектрофотометрически регистрировались также спектры in situ DRIFTS (diffuse reflectance

infrared Fourier transform spectroscopy) в интервале температур 20-5500С. V/Al катализатор проявляет хорошую начальную активность в ОД изобутана: конверсия изобутана после 1 часа работы составляла 39.5%. Она, однако, снижалась до 29.5% после 2.5-часового пробега. Начальная селективность по изобутилену (~64%) сохранялась почти той же. Практически такую же каталитическую начальную активность (39.6%) демонстрируют и модифицированные сурьмой бинарные VSb/Al нанесённые оксидные системы, стабильность работы которых существенно улучшена. Выход изобутилена после 4 часов работы VSb/Al катализатора (~26%) остался почти неизменным в противоположность непромотированному V/Al образцу. Эти результаты свидетельствуют о том, что их каталитические свойства определяются почти исключительно оксиднованадиевым компонентом, тогда как оксид сурьмы ответственен за стабилизацию каталитической активности. Kлючевой причиной снижения каталитической активности изученных систем в ходе прогона является образование кокса. Методом рентгеновской дифракции изучены фазовые составы носителя и катализаторов V/Al и VSb/Al. Оксид алюминия почти полностью рентгеноаморфен. В свежем V/Al образце обнаруживается отчётливые рефлексы V2O5-фазы. В ходе каталитического теста она трансформируется в V2O3-фазу, карелианит. С другой стороны, свежий VSb/Al катализатор не содержит фаз типа V2O5, а на дифрактограмме этого образца проявляется смешанная ванадий-сурьмяная оксидная фаза, идентифицированная как V1.1Sb0.9О4. Эта фаза сохраняется в использованном катализаторе. Согласно результатам РФЭС, ион ванадия на поверхности свежих V/Al и VSb/Al катализаторов соответствует степени окисления V5+. Эта степень окисления сохраняется прежней после реакции на VSb/Al катализаторе, тогда как на V/Al катализаторе поверхностные частицы ванадия cущественно (до V3+) восстанавливаются после работы.

H2 Consumption (a.u.)

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Химические науки

149

(a) (b) 100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Temperature (oC) В Н2-TPR профиле (а) V/Al катализатора преобладают два высокотемпературных пика, тогда как в Н2-TPR профиле (b) VSb/Al катализатора высокотемпературные пики почти полностью исчезают, и низкотемпературный пик становится доминирующим. Уширение этого пика указывает на более высокую гетерогенность и восстанавливаемость ванадиевых частиц. Эти данные Н2-TPR отчётливо свидетельствуют о том, что введение сурьмы в V/Al катализатор увеличивает его способность к восстановлению поверхностных ванадийоксидных частиц и приводит к росту количества мобильных форм кислорода. Meтодом in situ DRIFTS оценена степень восстановления ванадия в ходе восстановления катализаторов изобутаном при 450оС. Промотированный VSb/Al катализатор демонстрирует более высокую скорость как восстановления ванадия так и его реокисления, чем непромотированный образец V/Al. Исследование методом DRIFTS состава продуктов низкотемпературной адсорбции изобутана выявило формирование неких адсорбированных веществ, температурно-программированная десорбция которых протекала с образованием только оксидов углерода без каких-либо следов изобутилена. После взаимодействия изобутана с катализаторами при 250оС никаких υ(СН) полос не было обнаружено, но проявлялись полосы 1560 и 1460 см-1. Подобные продукты адсорбции изобутана, атрибутированные как “карбоксилаты”, могут быть интермедиатами только в побочных реакциях полного

окисления парафина и/или коксообразования, но не окислительного дегидрирования изобутана. Модифицирование V/Al катализатора сурьмой вдвое снижает образование предшественников кокса. На основании вышеописанных результатов исследований можно сделать следующий вывод. Процесс протекает по стадийному окислительно-восстановительному механизму. Показано, что модифицирование компонента добавками сурьмы увеличивает количество реакционноспособного кислорода. При этом возрастают скорости окислительно-восстановительных превращений и одновременно снижается коксообразование. Список литературы. 1. Albonetti S., F. Cavani F., Trifiro F., Key aspects of catalyst design for the selective oxidation of paraffins, Catal. Rev.-Sci.Eng. 38 (1996) 413-438, and references therein. 2. Вhasin М.М., McCain J.H., Vora B.V., Imai T., Pujado P.R., Dehydrogenation and oxidehydrogenation of paraffins to olefins, Appl. Catal. A 221 (2001) 397-419, and references therein. 3. Kung H.H., Oxidative dehydrogenation of light (C2-C4) alkanes, Adv. Catal. 40 (1994) 1-38, and references therein.. 4. Mamedov E.A., V.Cortes Corberan V., Oxidative dehydrogenation of lower alkanes, Appl. Catal. A 127 (1995) 1-40, and references therein.

ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОДОЕМОВ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ КАРБОНИЗОВАННЫМИ СОСНОВЫМИ ОПИЛКАМИ

Жирнова Юлия Валерьевна студентка Кокшетауского Государственного Университета Нурмуханбетова Нургуль Нуркеновна канд. х.наук, и. о. доцент Кокшетауского Государственного Университета Габбасова Риза Рамазановна студентка Кокшетауского Государственного Университета

DECONTAMINATIONOF FOUL RESERVOIRS FROM IONS OF THE HEAVY METALS WITH CARBONIZED PINE SAWDUST Zhirnova Yuliya, student of Kokshetau State University, Nurmuhanbetova Nurgul candidate of Chemistry Science, associate professor of Kokshetau State University Gabbasova Riza, student of Kokshetau State University

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

150

Химические науки

АННОТАЦИЯ Цель исследования – получение сорбентов на основе карбонизованных материалов с повышенной сорбционной емкостью в отношении ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cо2+ и Pb2+) для использования их в очистке промышленных стоков и изучение их физико-химических свойств. Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач: - получить сорбенты со специфической сорбционной активностью на карбонизованных сосновых опилках; - установить сорбционную активность карбонизованных сорбентов в отношении ионов тяжелых металлов; - определить удельную поверхность сорбентов, полученных на основе карбонизованного материала. Методы: С помощью физико-химических методов проводились следующие исследования: изучение физико-химических характеристик карбонизованных сорбентов методами электронной микроскопии, атомно-адсорбционной спектроскопии и элементного анализа, измерение удельной поверхности, определение сорбционных характеристик карбонизированных сорбентов в отношении ионов тяжелых металлов. Электронная микроскопия — это метод исследования структур, находящихся вне пределов видимости светового микроскопа и имеющих размеры менее одного микрона (от 1мк до 1-5А). Действие электронного микроскопа основано на использовании направленного потока электронов, который выполняет роль светового луча в световом микроскопе, а роль линз играют магниты. Атомно- адсорбционная спектроскопия основана на измерении величины поглощения луча света определенной (резонансной) длины волны от источника, проходящего через атомный пар исследуемой пробы. В качестве источника света используется различные узкополосные источники света. Предназначена для определения содержания металлов в растворах их солей: в природных и сточных водах, в растворах-минерализатах консистентных продуктов, технологических и прочих растворах. Элементный анализ — качественное обнаружение и количественное определение содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов. Это могут быть жидкости, твёрдые материалы, газы и воздух. Сжигание навески карбонизованного образца в токе очищенного от примесей кислорода- Для сжигания использовалась установка, представляющая собой горизонтальную трубчатую печь с регулируемым нагревом. Кислород проходил над образцом в избыточном количестве. Диоксид углерода, образовавшийся при сгорании содержащегося в образце углерода, уносился потоком кислорода и поглощался раствором Ba(OH)2. Процентное содержание углерода рассчитывалось по навеске получившегося карбоната бария. Газовой хроматографии - разновидность хроматографии, метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Результат: Свойства получаемого КС зависят от характеристик соответствующего сырья, метода активирования и изменения его условий. Так, если в процессе химического активирования некарбонизованного исходного материала получают уголь с высокой активностью и относительно широкими микропорами, но загрязненный неорганическими добавками, которые используются в процессе изготовления, то тот, же исходный материал, сначала подвергнутый пиролизу, а затем активированный водяным паром, дает продукт без посторонних примесей, содержащий, в основном поры. Изучено изменение массы СО в процессе карбонизации, проводившейся во вращающемся стальном реакторе (2 об/мин) в токе аргона. Нами был проведен элементный анализ СО, карбонизованных при различных температурах. Таким образом, методом элементного анализа установлено, что с повышением температуры карбонизации содержание углерода увеличивается. Вывод: Способность пористого углеродного материала к адсорбции различных молекул определяется строением его поверхности, природой и концентрацией поверхностных реакционноспособных групп. Впервые получены биосорбенты на основе карбонизованных сосновых опилках и иммобилизованных на них клеток микроорганизмов с высокой сорбционной активностью в отношении ионов тяжелых металлов. Все результаты, полученные в ходе исследований, были обработаны и проанализированы с помощью компьютерных программ, а для их анализа использовались литературные источники из отечественной и зарубежной периодики. ABSTRACT Object research – receiving sorbents on a basis of the carbonaceous materials with the increased sorption capacity concerning ions of heavy metals (Cu2 +, Co2 + and Pb2 +) for their usage in cleaning of industrial drains and studying of their physical and chemical properties. To achieve the aim in the solution following tasks are provided: - to receive sorbents with specific sorption activity on the carbonized pine swarf; - to establish sorption activity the carbonized sorbents concerning in ions of heavy metals; - to define a specific surface of the sorbents received on the basis of carbonized material. Methods: By means of physical and chemical methods the following researches were conducted: studying of physical and chemical characteristics of cerbonized sorbents by methods of electronic microscopy, nuclear and adsorptive spectroscopy and the element analysis, measurement of specific surface, definition of sorption characteristics of carbonized sorbents concerning ions of heavy metals. The electronic microscopy — is a method of research of the structures which are out of visibility limits of a light microscope and having the sizes less than one micron (from 1 мк to 1-5 A). Action of an electronic microscope is based on use of the directed stream electrons which carries out a role of light beam in a light microscope, and the role of lenses is played by magnets (magnetic lenses).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

151

Химические науки

The nuclear adsorptive spectroscopy is based on measurement of size of absorption in a ray of light in a certain (resonant) wavelength from the source passing through nuclear steam of the studied test. As a light source is used various narrow-band light sources. It is intended for definition of the content of metals in solutions of their salts: in natural and sewage, in solutions - the mineralizer of freased products, technological and other solutions. The element analysis — high-quality detection and quantitative definition of the maintenance elements and element structure of substances, materials and various objects. It can be liquids, solid materials, gases and air. The element analysis allows to answer a question — what atoms consists the analyzed substance (elements). Burning hinge plate of a carbonized sample in cleared impurity of current oxygen. For burning the installationwas used representing the horizontal tubular furnace with adjustable heating. Oxygen passed over a sample in excess quantity. The carbon dioxide formed at combustion of the carbon containing in a sample was carried away by a stream of oxygen and absorbed by Ba (OH) 2. Percentage of carbon paid off on a hinge plate of the turned-out barium carbonate. Gas chromatography - a kind of a chromatography, a method of division of flying components at which as a mobile phase inert gas (gas carrier) proceeding through a motionless phase with a big surface serves. As a mobile phase use hydrogen, helium, nitrogen, argon, carbon dioxide. Gas carrier doesn't react with a motionless phase and the shared substances. Result: The properties of the resulting COP depends on the characteristics of the relevant raw materials, the method of activation and changes in its environment. Thus, if in the course of chemical activation nekarbonizovannogo starting material is prepared with a high carbon activity and a relatively broad micropores but contaminated with inorganic additives, which are used in the manufacturing process, the one starting material is first pyrolyzed and then activated with steam, produces a product without impurities, consisting essentially of pores. The change in mass during the carbonization CO, held in a rotating stainless steel reactor (2 rev / min) under argon. We carried out an elemental analysis of CO, carbonized at different temperatures. Thus, by elemental analysis that the carbonization temperature increases the carbon content increases. Conclusion: The ability of the porous carbon material to adsorb different molecules is determined by the surface structure, the nature and concentration of reactive surface groups. Biosorbents first obtained on the basis of carbonized pine sawdust and immobilized microbial cells have high sorption activity with respect to heavy metal ions. All the results obtained during the research were processed and analyzed using computer software, and used for analysis of the literature of domestic and foreign periodicals. Ключевые слова: карбонизованные материалы, опилки, электронная микроскопия, атомно- адсорбционная спектроскопия, элементный анализ, газовая хроматография. Keywords: carbonized materials, sawdust, the electronic microscopy, the nuclear adsorptive spectroscopy, the element analysis, gas chromatography. Работа посвящена исследованию сорбентов на основе углеродного носителя – карбонизованных сосновых опилок, перспективных для очистки загрязненных водоемов от ионов тяжелых металлов. Несмотря на повышение требований к степени очистки сточных вод и большие капиталовложения в очистные сооружения, степень загрязненности водоемов в Казахстане ежегодно увеличивается на 4-5. Сброс производственных отходов в водоемы окружающей среды приводит к серьезным нарушениям экологического равновесия. Для сохранения природы путем нивелирования последствий загрязнения ионами тяжелых металлов, необходимо совершенствовать существующие методы обезвреживания производственных отходов и разрабатывать новые способы очистки сточных вод. Большие перспективы в качестве носителя-сорбента имеют новые материалы, полученные карбонизацией вторичного растительного сырья. В последние годы показаны большие преимущества клеток микроорганизмов, прикрепленных к твердым носителям. Выявлено, что их сорбционная активность в этом состоянии значительно повышается, длительность функционирования увеличивается, т.е., используя биосорбент нового поколения на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов, можно увеличить эффективность процесса извлечения тяжелых металлов из различных водоемов. [1]. Данные литературы свидетельствуют о том, что иммобилизованные микроорганизмы во многих случаях менее чувствительны к токсичным субстратам, способны длительное время сохранять свою биохимическую активность и они более устойчивы к агрессивной среде. Экспериментально установлено, что полученные таким образом частицы имеют наноразмеры, а их развитая поверхность является неровной, усеянной складками, порами и т.д., что позволяет предполагать наличие достаточно большого ко-

личества сайтов связывания для микробных клеток – фактора, в значительной мере определяющего перспективность этих наночастиц для прикрепления специфических клеток. На сегодняшний день к тяжелым относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. Практически все элементы, относящиеся к группе тяжелых металлов, являются биологически активными. Такие металлы, как Mn, Ni, Сu, Сr, Со, V и Zn, Fe, Co и Мо, входят в состав ферментов или их активаторов, а значит необходимы для жизнедеятельности организмов. Однако эти металлы необходимы в весьма незначительных количествах и при более высоких концентрациях являются токсичными и канцерогенными. Актуальным вопросом охраны окружающей среды является проблема, связанная с очисткой и обезвреживанием промышленных отходов и стоков, зачастую более токсичных, чем традиционные бытовые стоки, и содержащих металлы, концентрации которых очень часто приближаются к экологически экстремальным. Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей. Сорбенты делятся на пять типов: тонкодисперсные порошки, пористые угли, ионообменные гели, пористые смолы, молекулярные сита. Адсорбционные свойства адсорбентов зависят от химического состава и физического состояния поверхности, характера пористости и удельной поверхности (поверхности, приходящейся на 1г вещества). Непористые

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

152

адсорбенты (молотые кристаллы, мелкокристаллические осадки, частицы дымов, сажи) имеют удельные поверхности от 1 м2/г до 500 м2/г. [5]. Для начала рассмотрим механизм сорбции. Вещества сначала диффундируют к внешней поверхности гранулы сорбента. Потом с помощью внутренней диффузии через мембрану, если гранула инкапсулирована, адсорбат поступает по макропорам в мезопоры, где и происходит процесс адсорбции путем объемного заполнения. Поглотительная способность сорбентов обусловлена их пористой структурой. Линейные размеры пор должны совпадать с диаметром молекулы веществ, которые адсорбируются. Между поверхностью сорбента и стенками клеток разных видов патогенных бактерий происходит неспецифическое взаимодействие, которое не приводит к деструкции микробных клеток. Это взаимодействие проходит в две стадии: сначала главную роль играют дальнодействующие, а потом — близкодействующие электростатические силы и взаимосвязи, которые возникают между структурами клеток и функциональными группами поверхности сорбента. Наибольшую степень адгезии обеспечивает соответствие размеров сорбента и микроорганизмов. В настоящее время основными направлениями использования углеродных биосорбентов являются технологические процессы адсорбционной очистки. Непрерывный рост цен на ископаемое топливо и продукты его переработки, в частности, на активированный уголь, а также обострение экологических проблем стимулируют поиски альтернативных субстратов для создания эффективных сорбционных материалов. В частности, одним из видов нетрадиционного сырья, которое ещё не нашло широкого применения в промышленности, могут быть косточки различных плодовых деревьев (абрикоса, персика, вишни, винограда), опилки, шелуха зерновых и скорлупа различных орехов, которые являются отходами производства. Практический интерес к углеродным адсорбентам из нетрадиционного сырья связан с тем, что эти материалы существенно дешевле, чем традиционно использующиеся для получения активированных углей (АУ). Однако по-

Химические науки

прежнему остается актуальным вопрос о путях увеличения выхода готового продукта и улучшения структурносорбционных характеристик АУ из косточкового сырья и, в частности, из сосновых опилок и скорлупы грецких орехов [3]. Органические материалы, на основе которых можно получать активированные угли, делятся на три группы: 1) растительное и животное сырье: древесина различных пород, опилки, отходы бумажного производства, косточки плодов, скорлупа орехов; 2) минеральное сырье, торф, бурый и каменный уголь, антрацит, каменноугольный пек, смола, кокс, продукты перегонки нефти и т.п.; 3) синтетические смолы и полимеры. Изготовление активного угля состоит из двух этапов: карбонизация сырья и активация полупродукта. Первичная стадия получения активированных углей – карбонизация, это процесс термической обработки исходного сырья без доступа воздуха при температурах 400-600°С. Получаемый в результате карбонизации уголь-сырец не проявляет заметной сорбционной активности, поскольку его поры либо слабо развиты, либо блокированы высокомолекулярными продуктами пиролиза (смолами). [4]. Активация - наиболее сложная и ответственная стадия получения АУ. Активирующими агентами могут быть кислород, водяной пар, углекислый и серный газы, а также неорганические соединения. По окончании активации неорганические активирующие добавки вымывают из продукта. Основной принцип активирования состоит в том, что углеродсодержащий материал подвергается селективной термической обработке в соответствующих условиях, в результате которой образуются многочисленные поры, щели и трещины и увеличивается площадь удельной поверхности. В технике используются химические и парогазовые способы активирования [1]. ii. Процесс карбонизации образцов проводился в изотермических условиях. Модифицирование образцов проводилось во вращающемся реакторе в инертной среде при температуре 100-750°С.

Рисунок 1. Схема установки для карбонизации растительного и минерального сырья Содержание углерода на поверхности исследуемых образцов определялось методом, основанном на сжигании навески карбонизованного образца в токе очищенного от примесей кислорода. Для сжигания использовалась установка, представляющая собой горизонтальную трубчатую

печь с регулируемым нагревом. Кислород проходил над образцом в избыточном количестве. Диоксид углерода, образовавшийся при сгорании содержащегося в образце углерода, уносился потоком кислорода и поглощался рас-

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Химические науки

153

твором Ba(OH)2. Процентное содержание углерода рассчитывалось по навеске получившегося карбоната бария. Погрешность метода 2-4 %. Для исследования поглощения ионов тяжелых металлов карбонизованными образцами и иммобилизованными клетками был проведен анализ проб воды, пропущенной через них, атомно-адсорбционным методом. Анализ проведен на атомно-абсорбционном спектрометре AAS - IN. В качестве горючего - окислителя выступала система пропан – воздух. Для исследования сорбции ионов металлов в статических условиях было взято 0,5 г полученного образца помещались в стакан, в который наливалось 50 мл приготовленного раствора соли металла с концентрацией 20 и 10 мкг/мл, рН=7. По истечении определенного времени по

разнице исходной концентрации и пропущенной через образец растворов металлов определялось количество сорбировавшегося металла. Опыты по определению динамической емкости сорбентов и биосорбентов проводились следующим образом. В колонку диаметром 1,5 см емкостью 75 см3 помещался вначале тампон из стеклоткани, затем насыпалось 40 г биосорбента, и сверху слоя сорбента опять помещался тампон из стекловолокна. Через биосорбент пропускался раствор ионов тяжелых металлов со скоростью 20 мл/мин. Прошедший через биосорбент раствор металла собирался порциями по 25 мл и далее анализировался на атомно-адсорбционном спектрометре. [2].

Таблица 1 Определение удельной поверхности карбонизованных образцов методом газовой хроматографии Измеряемая величина Размерность Диапазон ΔХ % Расход аргона 48 – 50 мл/мин 100-3000 2,0 Температура реактора 350 ºС 100-900 2,5

Степень превращения исходного сырья Время процесса

94, 2% 50 мин

Таким образом, методом элементного анализа установлено, что с повышением температуры карбонизации содержание углерода увеличивается. Изучение физикохимических свойств карбонизованных биосорбентов, полученных карбонизацией сосновых опилок, для очистки сточных вод и извлечения тяжелых металлов из разбавленных растворов имеет большое научное и практическое значение, т.к. дает путь для решения важнейшей проблемы - очистки объектов окружающей среды от загрязнений ионами тяжелых металлов. Очистка сточных вод промышленных предприятий адсорбционным методом позволяет полностью обеспечить не только удаление вредных примесей, но и утилизацию наиболее ценных компонентов. Эффективность адсорбционного метода, прежде всего, определяется свойствами используемого в нем адсорбента, в том числе его пористой структурой, характеристиками поверхности и механической прочностью, которые дают возможность достичь высокой степени очистки и многократного использования адсорбента. Немаловажное значение при этом имеет его себестоимость. Анализ литературных данных показывает, что, модифицируя или изменяя активные центры карбонизацией,

2-90 60

2,5 0,25

можно, тем самым, целенаправленно модифицировать поверхность гидрофильных адсорбентов углеродом, придавая им гидрофильно-гидрофобные и гидрофильные свойства и сохраняя пористую структуру исходного сырья. Список литературы: 1. Гринберг И.В., Стрельковская А.Г., Панькова Т.В., Фильц Д.И., М. Опубл. 11.03.80. СССР. Способ очистки сточных вод, с. 23-24; 2. Даванков В.А. // в кн. Прикладная хроматография / Под ред. К.И. Сако-дынского. М, Наука, 1984, с. 24–32; 3. Lin Wei, Scott Weber A. Aerobic biological activated carbon (ВАС) treatment of a phenolic wastewater //Environ. Progr.1992., 1,2, p.145-154; 4. Махорин, К.Е. Физико-химические характеристики углеродных сорбентов / К.Е. Махорин,И.Я. Пищай // Деминерализация воды. — 1996. — № 2. — С. 74 — 83; 5. Сартбаев M.K. Природные глинистые адсорбенты и экологическое оздоровление водной среды от загрязнений. //Матер. Респ. научно-техн.конф. с. 4042.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

154

Исторические науки

Исторические науки ТРАДИЦИОННАЯ РУССКАЯ КУЛЬТУРА И СОВРЕМЕННОСТЬ В ВОПРОСЕ ВЫБОРА ДАТЫ ЗАКЛЮЧЕНИЯ БРАКА В ХМАО-ЮГРЕ

Летунова Лидия Сулеймановна магистр по направлению «История» Югорского Государственного Университета

THE TRADITIONAL RUSSIAN CULTURE AND ACTUALITY IN A DECISION OF WEDDING DATE CHOOSING MATTER IN KhMAO-YUGRA Letunova Lidiya Suleymanovna, Master of History Yugra State University АННОТАЦИЯ Статья посвящена вопросу выбора даты заключения браков в традиционной русской культуре и современной России на примере ХМАО-Югры. На основе статистических данных раскрываются причины и особенности времени заключения браков в ХМАО-Югре, сравниваются с традициями дореволюционной России. Автор приходит к выводу, что в вопросе выбора даты заключения браков произошли существенные изменения. Традиционная русская культура хотя и сохранила влияние на выбор времени заключения брака, но уже не имеет определяющего значения для основной части молодожёнов. ABSTRACT This article is about the issue of a wedding date choosing decision in the traditional Russian culture and modern Russia in the context of KhMAO-Yugra. According to a statistic data reasons and peculiarities of wedding dates in KhMAO-Yugra are revealed. They are compared to the traditions of pre-revolutionary Russia. The author comes to the conclusion that significant changes have occurred in the matter of a wedding date choosing decision. Though the traditional Russian culture has preserved its influence but not as significant is it used to be for major newly married couples. Ключевые слова: брак, традиционная русская культура, счастливые даты. Key words: marriage, the traditional Russian culture, happy date На протяжении многих веков меняется общество. Меняются идеологии, мировоззрения, культура, религии. Переосмыслению подвергаются фундаментальные основы общества. И хотя вне зависимости от прогресса главным в жизни каждого человека остается семья, но и здесь мы видим изменения (появления гражданских, однополых браков и т.д.) Понятие «семья» многогранно. Оно включает в себя фундамент общества, неотъемлемую часть государства, будущее всего мира. Началом семейной жизни считается брак. В древнерусской лексике слово «брачити» означало отбирать что-либо (выбирать хорошее или отклонять плохое). Брак являлся границей между беззаботной юношеской жизнью и взрослой семейной жизнью. К браку во все времена относились очень ответственно. И конечно, особое значение придавалось времени заключения брака. Несмотря на современную свободу нравов в России, люди продолжают жениться и выходить замуж. И также особое внимание придают выбору времени бракосочетания. Поэтому тема данной работы всегда актуальна, и, пожалуй, не потеряет актуальности пока живо человечество. Цель исследования: изучение показателей заключения браков в ХМАО-Югре. В основу работы была положена гипотеза: в начале ХХI в. выбор даты бракосочетания для многих молодожёнов обусловлен влиянием нетрадиционных для России взглядов о счастливых датах (тройные повторения: 01.01.01 ….12.12.12) Для достижения цели исследования и подтверждения гипотезы были поставлены следующие задачи: 1) определить временные особенности заключения браков в ХМАО-Югре;

2) определить, совпадает ли выбор времени заключения браков в современной России с традиционной русской культурой. Организация исследования: проанализировать показатели заключения браков за 2007-2012 гг. в ХМАОЮгре, сравнить с показателями в Российской Федерации и г. Москве. В качестве исследования мною взяты статистические данные по ХМАО-Югре за 2007-2012 гг., что связано с доступностью только этой информации (данных за 20012006 гг. нет в прямом доступе). Для построении графика был высчитан абсолютный показатель количества браков на душу населения (трудоспособного: мужчины 16-59 лет, женщины 16-54 лет) На основе полученного графика можно сделать вывод, что наибольшее количество браков в ХМАО-Югре приходится на летние месяцы и сентябрь (выше показателя 0,0015). Самый высокий показатель приходится на август 2008 г. Значительное повышение браков относительно предыдущих месяцев наблюдается в апреле, с рекордным для этого месяца числом браков в 2010 г. А также относительно резкое повышение количества браков в 2007, 2011 гг. в ноябре и декабре, относительно других годов данного периода. Крайний нижний показатель графика во всех годах одинаков и приходится на май. Вторым по низкому количеству браков после мая выступает январь. Чтобы показать, отражает ли данная информация общую тенденцию современного российского общества или характерна только для ХМАО-ЮГРЫ, приведу графики по г. Москве и Российской Федерации.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

155

Исторические науки

График 1. Количественные показатели заключения браков на душу населения в ХМАО-Югре.

График 2. Количественные показатели заключения браков на душу населения г. Москве. На данном графике прослеживается сходная ситуация с ХМАО-Югрой. Наибольшее количество браков выпадает на летние месяцы и сентябрь (выше показателя 0,0012). Самый высокий показатель приходится на август 2012 г. Значительное повышение браков относительно предыдущих месяцев наблюдается в апреле, с аналогичным рекордным для этого месяца числом браков в 2010 г.

Крайний нижний показатель графика во всех годах одинаков и тоже приходится на май. Также прослеживается резкий спад количества браков в октябре с постепенным уменьшением в зимние месяцы. Незначительное увеличение приходится на ноябрь 2007, 2011 гг, и декабрь 2007,2011,2011 г.

График 3. Количественные показатели заключения браков на душу населения в Российской Федерации. На данном графике мы видим сходные показатели с ХМАО-Югрой и Москвой: 1) самое большое количество браков в летние месяцы и сентябрь; 2) самый высокий показатель – август 2008 г.;

3) значительное повышение браков относительно других месяцев в апреле с рекордным показателем в 2010 г.; 4) резкое падение количества браков в мае. Для большей наглядности все показатели графиков 1,2,3 были переведены в среднее значение и сведены в один график (график 4).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

156

Исторические науки

График 4. Среднее значение количества браков на душу населения за 2007-20012 гг. Полученные данные позволяют сделать вывод, что показатели ХМАО-Югры отражают общую тенденцию в вопросе выбора времени заключения браков во всей России. Самыми популярными месяцами являются июнь, июль, август, сентябрь. Самое низкое количество браков в мае. Кроме того, график 4 показывает, что в ХМАО-Югре на душу населения приходится большее количества браков, чем в Москве и в целом по России. Для подтверждения или опровержения положенной в основу исследования гипотезы были проанализированы показатели количества заключенных браков в ХМАО-Югре, г. Москве и Российской Федерации за 20072012 гг. Совпадение тройной даты и максимального значения количества браков выпало только на август 2008 г. Эти данные подтверждаются графиками. С чем это связано? Вероятно со «свадебным бумом» охватившем весь мир в августе 2008 г. Начавшись с трех единиц в 2001 и закончившись тремя дюжинами в 2012, завершился период красивых дат. Но из всех тройных повторений, благодаря китайской моде и выпадению на пятницу, самой популярной среди молодоженов датой стало 8 августа 2008 – день трех восьмерок или «трех бесконечностей». При анализе же других тройных дат, не было выявлено закономерности увеличения браков именно в этот месяц. Поэтому, положенная в основу исследования гипотеза подтвердилась частично. Для решения второй поставленной задачи, необходимо кратко показать, что определяло время заключения браков в истории нашей страны на протяжении почти тысячелетней истории. В дореволюционной России браки заключались в определенную пору года. Связано это было с народным и церковным календарём. С одной стороны, основная часть населения страны были крестьяне, жизнь которых была связана с землей и трудом на ней. Земля поила, кормила и одевала. Именно поэтому на Руси предпочитали играть свадьбы по окончанию сельскохозяйственных работ, начиная с Покрова. С другой стороны, русский человек не мыслил себя вне традиции и веры в Бога. Православная вера затрагивала все стороны жизни, начиная от рождения до смерти. Поэтому и выбор времени для заключения брака строго регламентировался. Свадьбы не справлялись во время 4 многодневных постов, в постные дни (среду и пятницу), в великие праздники. Самыми популярными для свадеб были осенние и зимние мясоеды. Осенний начинался с Успения (28 августа), продолжался до Рождественского поста (28 ноября) и длился около тринадцати недель. В крестьянской среде этот срок укорачивался на полтора месяца, и свадьбы справляли с Покрова (14 октября).

Зимний мясоед начинался с Рождества (7 января) и продолжался до Масленицы, а т. к. Масленица – праздник, изменяющийся по срокам, зависящий оттого, когда празднуется Пасха, то зимний мясоед мог длиться от 5 до 8 недель. В весенне-летнюю пору свадьбы начинали справлять с Красной горки (первого воскресенья после Пасхи) и до Троицы. Принято было справлять свадьбы и в мясоед, начинавшийся с Петрова дня (12 июля) и длившийся до начала Успенского поста (14 августа). Неблагоприятным полагался и май. В народе существует с давних пор поверие «жениться в мае – всю жизнь маяться». Возможно, эта примета возникла в то время, когда этот месяц был особенно важен для наших предков-земледельцев. Ведь именно на этот период приходилось время посадки, посева и других работ на земле. И отвлекать на свадьбу и средства, и рабочие руки именно в этот момент было очень затруднительно. Таким образом, можно выявить в дореволюционной России свадебные месяцы, к которым относились октябрь, ноябрь, февраль, апрель, в меньшей степени июнь, июль, август, сентябрь (на них выпадало 2 поста и сельскохозяйственные работы). Революция 1917 г. сломала все устои и традиции русского человека. Православная культура, которая передавалась с молоком матери, целенаправленно уничтожалась. После развала Советского Союза людям была дана возможность свободы вероисповедания. Но в то же время демократизация общества и падение «железного занавеса» принесли много инородного, не свойственного русской культуре. Сохранилось ли в народе «память предков»? Насколько сильно влияние традиционной русской культуры на выбор современной молодёжью даты заключения брака? В настоящее время самыми свадебными месяцами являются июнь, июль, август, сентябрь. В дореволюционной России, данные месяца не были популярными для свадеб. У крестьян, которые являлись основной частью населения, в данные месяцы была страда. И только после уборки урожая, в октябре, начинались праздноваться свадьбы. Изменение тенденции в современной России мне, прежде всего, видится в изменении занятости населения, т.к. 74 % населения приходится на город, и только 26 % проживает на селе. К тому же нельзя забывать о роли интернета. Появление интернета в последние 15 лет существенно расширило границы познания. Сделав пару кликов, человек находит ответы на все интересующие его вопросы, не выходя из помещения. А обилие свадебных сайтов пестрят народными приметами и рекомендациями, в какое время

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

157

лучше играть свадьбу. Преимущество отдаётся именно летней свадьбы. Другой популярный месяц для свадеб – апрель. Здесь мы видим значительное повышение количества браков по сравнению с предыдущими месяцами. В апреле с окончанием Великого Поста издревле на Руси начинались справляться свадьбы. Так Красная горка считалась самым популярным днём для заключения брака. Старинная русская пословица говорила: «Кто на Красной горке женится, тот вовек не разведётся».Поэтому можно предположить, что и здесь сохранилось влияние православных традиций. На май приходится самое низкое количества браков. Вероятно, поверие, что «жениться в мае – всю жизнь маяться» прочно укоренилось в сознании нашего народа и сохранилось до сих пор. По церковному календарю на декабрь и март выпадают многодневные Посты и в данные месяца браки не заключались. Современные показатели заключения браков показывают, что хотя эти месяцы менее популярны, но всё же на их время проходится значительно число браков, особенно в ХМАО-Югре. Полученные в результате исследования графики позволили наглядно увидеть, что от выбора месяца зависит количество браков. При этом ситуация в динамике сохраняется на протяжении всего исследуемого периода. Самыми популярными месяцами для заключения браков являются июнь, июль, август, сентябрь. Самым непопулярным является май. Положенная в основу исследования гипотеза о влиянии «счастливых дат» на количества заключённых браков подтвердилась частично. Данное положение было выявлено только в 2008 г. Также полученные данные позволяют сделать вывод о изменении времени заключения браков в Российской Федерации по сравнению с дореволюционной Россией. Церковный и народный календарь в настоящее время не имеют основополагающего значения при выборе времени. Хотя, это не означает, что они не влияют на этот выбор. Нельзя забывать, что основная часть населения России относит себя к Православной церкви, а, следовательно, есть определённая прослойка населения, которая придерживается установлений Церкви в вопросах бракосочетания. К тому же некоторые народные традиции сохранились в народной памяти, неся в себе рекомендательный, а не законодательный характер. Таким образом, можно подвести итог, что современные молодые люди в выборе месяца для заключения

Исторические науки

брака чаще выбирают время исходя из личных пожеланий и конкретной жизненной ситуации, опираясь, в том числе, на народные и религиозные традиции. Для молодожёнов дореволюционной Росси решающее значение имели нормы церковного календаря и народные традиции. Меняется время – меняются взгляды, но неизменным остаётся желание молодых прожить долгую и счастливую жизнь. Выбирая дату бракосочетания, они руководствуются разными причинами, но главным остаётся вера и надежда, что этот выбор будет правильным и поможет создать крепкий союз на основе любви и понимания. Список литературы: 1. В какое время года лучше играть свадьбу? (электронный ресурс). / Режим доступа: www. banketmsk.ru/index.php/the-best-time-for-wedding. 2. Единая межведомственная информационно-статистическая система (Электронный ресурс). / Число зарегистрированных браков (оперативные данные). – Режим доступа: www.fedstat.ru/indicator/data.do ?id=33553&referrerType=0&referrerId=1292843. 3. Котович, О., Крук, Я. Золотые правила народной культуры. — 6-е изд., перераб. — Минск: Адукацыя і выхаванне, 2011. — 592 с. 4. Народные приметы: когда лучше жениться? (электронный ресурс). / Режим доступа: www.premiumwedding.ru/info/11/195/ 5. Снегирёв И. Русские простонародные праздники и суеверные обряды. (Выпуск 4). — М.: Университетская типография, 1839. — 40 с. 6. Территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по городу Москве (Электронный ресурс) / Распределение постоянного населения по возрасту и полу. – Режим доступа: www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_ts/moscow/ru/s tatistics/population/ 7. Территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по Ханты-Мансийскому АО - Югра (Электронный ресурс) / Распределение населения по возрастным группам. – Режим доступа: www. khmstat.gks.ru/wps/wcm/connect/ rosstat_ts/khmstat/ru/statistics/population. 8. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. / Распределение населения по возрастным группам. – Режим доступа: www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru /statistics/population/demography/#.

ОРГАНИЗАЦИЯ ЧИТАТЕЛЬСКИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ У НАРОДОВ ХАНТЫ И МАНСИ В 1920 – 30-Е ГОДЫ

Малахова Людмила Петровна к.и.н., старший преподаватель ГОУ ВПО «Сургутский государственный педагогический университет», г. Сургут

ORGANIZATION READERS' REQUIREMENTS AT KHANTY AND MANSI PEOPLES IN 1920 - 30 YEARS. Malakhova Ludmila P., Candidate of Historical Sciences, teacher of Surgut State Pedagogical University, Surgut АННОТАЦИЯ Статья посвящена вопросам привлечения народов ханты и манси к массовой советской культуре через печатные издания. Автор раскрывает формы и методы организации этой работы на территории проживания северных народов. В статье уделено внимание разработке письменности ханты и манси.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

158

Исторические науки

ABSTRACT The article is devoted to attracting Khanty and Mansi peoples to Soviet mass culture through publications. The author reveals the forms and methods of organization of this work in the territory of residence of the northern peoples. In this article attention is paid to the development of written language Khanty and Mansi. Ключевые слова: печатные издания, культпросвет работа, ликвидация неграмотности, хантыйская и мансийская письменность. Keywords: print, enlightenment, literacy training, Khanty and Mansi writing. Важным достижением советского периода в истории книжной культуры является ускоренное развитие национальной литературы и книгоиздания на языках нерусских народов, живших на территории Западной Сибири. К таким народам относились ханты и манси. Важно было найти такие формы и методы работы, которые более лояльно вписывались бы в специфические условия жизни местного населения. При Народном Комиссариате по делам национальностей в марте 1922 г. был организован подотдел по управлению и охране первобытных племен Севера России. В числе поставленных перед подотделом задач была и организация культурно-просветительной работы и приобщение коренного населения Сибири к новой социалистической культуре Советской России. Реализовать эту цель предполагалось путем чтения советских произведений печати, заключающих в себе идеологическую информацию. Организацией просвещения ханты и манси в Тюменской области занимались национальный отдел при Тюменском губисполкоме и комитеты Севера при Уральском областном исполнительном комитете и Тобольском окружном исполнительном комитете 6, с. 26. В их ведении находилась организация работы культурно-просветительнх учреждений, посредством работы которых местному населению предстояло ознакомиться с новой формой обучения и проведения досуга – чтением печатных изданий. Советская власть столкнулась с проблемой почти полной неграмотности местных жителей и сразу взялась за ее устранение. Появление первых национальных школ (в 1924 г. – хантыйской и в 1925 г. – мансийской) связано было со стремлением Советской власти усилить влияние и авторитет коммунистической партии среди местного населения и проложить пути к освоению природных богатств северного края. На территорию, занимаемую ханты и манси, большевики смотрели как на ресурсную базу для достижения поставленных целей. В 1929 г. в Угут привезли большой двухэтажный особняк, в котором разместили школу-интернат. Но школы посещали без особого энтузиазма. В некоторых хантыйских поселках родители не отпускали детей в школу, т.к. не видели практической пользы от подобных занятий 1, с. 118. При Комитете Севера имелась специальная «Научно-исследовательская и культурно-просветительная комиссия», которая занималась изучением и организацией культурно-массовой работы среди коренных жителей. Находились и внедрялись в практику новые формы и методы работы с местным населением. Периодические издания на национальных языках имели большое значение в проведении культурной политики Советской власти среди ханты и манси, потому что

центральные и краевые газеты поступали к местным жителям не часто по причинам отдаленности от советских культурных центров и сложности природных и социальных условий. Первый номер окружной газеты «ХантыМанчи Шоп (Шой)» или «Остяко-Вогульская правда» был отпечатан в Самаровской типографии Уралполиграфа 7 июля 1931 г. 3, с. 4. На первой полосе первого номера газета призывала читателей к успешному осуществлению задач культурной революции, к борьбе за индустриализацию Севера. Но первые публикации в газете на хантыйском языке в газете появились лишь 4 января 1934 г. 7, с. 100. Таким образом, через национальную газету ханты и манси стали активно привлекаться к возведению нового социалистического образа жизни и выполнению хозяйственно-политических задач. Местная печать играла еще одну важную функцию – социальную. Фактом своего появления она способствовала консолидации этноса и утверждению национального самосознания. Партия хотела видеть в народностях Севера не пассивных потребителей культурных ценностей, предлагаемых цивилизацией, а активных участников социалистического процесса, в котором участвовало все население страны. Отдельную задачу кутьтпросветработников составляло формирование книжного фонда для туземцев. Книги подбирались популярные по содержанию и доступные по форме изложения. Это были буквари, массовая общественно-политическая литература, детские книги. Печатные произведения отбирали с красочным оформлением, что имело целью привлечь внимание потенциальных читателей. К 1930-м гг. изба-читальня и красный чум становятся основными культурно-просветительными учреждением на Севере, через которые ханты и манси приобщались к чтению разного рода печатных изданий. Не смотря на форсированное строительство культурно-просветительных учреждений в округе, их было явно недостаточно. Так, в 1930-1931 гг. на территории Остяко-Вогульского автономного округа насчитывалось 30 изб-читален, 3 библиотеки, 1 дом туземца, 1 красный чум, а к 1933 г. их количество несколько увеличилось: 47 изб-читален, 6 библиотек, 5 домов туземца, 5 красных чумов и, кроме того, появились новые формы организации досуга – 1 клуб, 1 культбаза, 3 дома народов и 73 красных уголка 2, с. 147. Эти заведения являлись компетентными проводниками культурной политики советской власти среди местного населения, в которых ханты и манси впервые сталкивались с печатными изданиями. Трудность охвата населения составлял и тот факт, что место проживания ханты и манси представляло собой огромные бездорожные территории и чтобы попасть в библиотеку или избу-читальню, местное население

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

159

должно было проделать немалый путь, а при отсутствии у большинства мотивов к чтению, приобщить их к книге оказывалось невозможно. Поэтому возникает идея создания передвижек, которые с определенным книжным запасом переезжают от одного поселения до другого, неся с собой качественно новые формы досуга. Поселения ханты и манси были немноголюдные и располагались на большом расстоянии друг от друга, что тормозило процесс привлечения местного населения к образовательно-просветительной деятельности. Привлечение ханты и манси к печатному слову нашло выражение в таких формах работы как красные чумы, красные лодки и плавучие культбазы, охватившие своим влиянием труднодоступные поселения. Плодотворно проводили просветительную работу среди местного населения культлодки с библиотеками на борту. Благодаря своей маневренности по рекам округа, они охватывали своей деятельностью широкие массы ханты и манси. Одновременно с просвещением библиотекари и культпросветработники несли людям понятия об элементарной личной гигиене и медико-санитарной помощи. Газеты, журналы и книги, содержащиеся в культурно-просветительных учреждениях, постепенно прививали местному населению интерес к печатному слову. Во второй половине 1930-х гг. наблюдается развертывание библиотечного строительства. В 1937 г. на территории Остяко-Вогульского национального округа функционировало 13 государственных массовых библиотек 5, с.55. Назрела необходимость создания собственно национальной письменности. Хантыйская и мансийская письменности были разработаны на основе латинской графики, а в 1938 г. письменный язык был переведен в кириллицу. Создание письменности привело к появлению учебников на национальных языках. В 1930 г. учителем П.Е. Хатанзеевым был разработан и издан первый хантыйский букварь «Ханты-книга», составленный на обдорском говоре северной диалектической группы 2, с. 29. В январе 1932 г. Первая Всероссийская конференция по развитию языков и письменности народов Севера утвердила проект создания письменности на 14 северных языках, в том числе и языках ханты и манси 7, с. 185. До этого времени ведущее место в передачи и хранении информации у ханты и манси принадлежало фольклору, хотя факт разработки хантыйского алфавита присутствовал еще в XIX в., но о нем умалчивалось в исследованиях советского периода. Так, в 1879 г. Н. Григоровским был издан букварь на одном из диалектов хантыйского языка, а в Москве был отпечатан «Букварь для вогулов приуральских, составленный епископом Никанором» 7, с. 22. Это были результаты работы православных миссионеров, целью которых являлось удовлетворение потребностей церкви и приобщение к христианской вере местного населения ханты и манси. Быть может из-за узкой постановки задачи письменность не получила широкого распространения.

Исторические науки

В 1934 г. на всероссийском совещании по ликвидации неграмотности и малограмотности среди национальных меньшинств отмечалось, что в районах Крайнего Севера работа по ликвидации неграмотности и пропаганда книги «по существу началась только с тех пор, как создалась письменность и стала издаваться литература на местных языках» 4, с. 99. Местное население не торопилось принимать Советскую власть с ее культурой и образом мышления. Привыкшие жить в тяжелых природных условиях, люди больше заботились о повседневных делах. Но под воздействием регулярной пропаганды со стороны советской власти определилось место ханты и манси в новой социальнокультурной среде, где сам процесс чтения выступает как культурообразующий фактор. В результате государственной политики Советской власти в области просвещения и приучения к чтению литературы северных народов, зарождается своя национальная литература. Так, в 1935 г. появляются первые работы поэта хантыйского народа Григория Лазарева. А в конце 1930-х гг. развивается деятельность писателя и поэта мансийского народа Матрены Вахрушевой-Баландиной и прозаика Михаила Казанцева 1, с. 125 - 126. 1920-30-е гг. были периодом поиска приемлемых форм работы с местным населением в течение которого осуществлялось изучение специфических культурных особенностей народов ханты и манси и привлечение их к плодам цивилизации посредством чтения книг и газет. С введением в обиход национальной письменности, печатное слово в жизни народностей Севера приобрело иной смысл. Повышение потребности в печатных изданиях у ханты и манси было обусловлено осознанием практической значимости чтения книг. Повышение уровня грамотности и образованности среди местного населения помогло советской власти укрепить свое влияние на территории округа, что способствовало успешному хозяйственному освоению Северных окраин. Cписок литературы 1. Белобородов А.С. Столица северного края. Очерки Самарова - Остяко-Вогульска - Ханты-Мансийска. М., 1996. – 158 с. 2. Из истории культурного строительства в Тюменской области: сб. док-тов. 1918-1975 гг. Свердловск, 1980. – 392 с. 3. Патрикеев Н.Б. История Югры газетной строкой. Ханты-Мансийск. 1996. 4. Советский Север. 1934. №4. – 156 с. 5. Тарасенков Г. Остяко-Вогульский национальный округ./Советская Арктика. 1938. №9. 6. Югория. Энциклопедия Ханты-Мансийского автономного округа. Т.1. Ханты-Мансийск, 2000. – 400 с. 7. Якимов О.Д. Печать национальных регионов Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск, 2000. – 192 с.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

160

Исторические науки

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЖЕНСКОГО КИТАЙСКОГО КОСТЮМА СЕВЕРО-ВОСТОКА КИТАЯ ЭПОХИ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ

Присяжная Ирина Михайловна Канд. техн. наук, доцент Амурского государственного университета

STUDYING OF FEATURES OF THE WOMEN'S CHINESE SUIT OF THE NORTHEAST OF CHINA OF THE MIDDLE AGES ERA Prisyazhnaya Irina, Candidate technical of Science, associate professor of the Amur State University, Blagoveshchensk АННОТАЦИЯ Изучение эволюции развития особенностей и элементов, составляющих женский китайский костюм Северовостока Китая, позволит более полно проанализировать и изучить культуру китайского костюма, также и взаимовлияние на современный костюм как элемент материальной культуры и дизайна. ABSTRACT Studying of evolution of development of the features and elements making a women's Chinese suit of the Northeast of China will allow to analyses and study more fully culture of the Chinese suit, as well interference on a modern suit as an element of material culture and design. Ключевые слова: Территория Приамурья; Приморский край; халаты; юбки; древние тюркские кочевые племена (север Китая). Keywords: Territory of Priamurye, Primorski Krai; dressing gowns; skirts; ancient Turkic nomad tribes (the north of China). На протяжении всей истории китайской цивилизации одежда народа претерпевала постоянные изменения. Взаимовлияние разнообразных национальных культур в пределах китайского государства, общение с соседними странами, вторжение иноземных завоевателей, отражалось в истории китайского костюма. Крой и силуэт костюма со временем непрестанно менялись, не нарушая общей схемы, типичной для всего периода развития цивилизации в целом. В Китае в эпоху средневековья существовало пять основных типов одежды, отличавшихся особенностями кроя: «ишан» – одеяние, состоявшее из кофты и юбки. «Шэньи» (буквально «одежда, глубоко прячущая тело») – отрезной по талии халат, нечто вроде сшитых вместе кофты и юбки. «Цзяолинпао» – цельнокроеный однобортный халат, запахивающийся направо. «Юаньлинпао» – глубокий двубортный халат с круглым воротником и застёжкой на правом плече у шеи; и ансамбль из короткой кофты и штанов. В разное время все перечисленные типы китайского костюма в той или иной обстановке носили и мужчины, и женщины. Тем не менее, халат обычно служил повседневной мужской одеждой, тогда как в женском костюме на каждый день во многие эпохи преобладал ансамбль из кофты и юбки. Короткую, с узкими рукавами «хускую одежду» китайцы ещё в древности заимствовали у соседних кочевых монгольских народов – «ху», проводивших свою жизнь в седле. В таком наряде, состоявшем из облегающей тело кофты и штанов, китайские императоры выезжали на охоту. Вообще же короткая кофта и узкие штаны во все времена бытовали в среде простолюдинов и воинов, поскольку в такой одежде удобнее двигаться, а длинный и просторный костюм больше соответствовал неге и роскоши дворцовой жизни [2, с. 37]. Женский костюм включал аналогичную одежду, что и мужской, опирающийся на плечевой пояс. Покрывающие всю фигуру до щиколотки или до земли - одежды, назывались халатом. И более короткую запашную кофту с длинной или короткой юбкой – плахтой или штанами. Все китайские халаты и кофты распашные. По фасону они делятся на однобортные и двубортные, с явным преобладанием последних. Однобортные халаты обычно

имели впереди одну завязку или позже в период эпохи Цин застегивались на ряд сплетенных из шнура пуговиц. Двубортные халаты имели завязку (или пуговицу) сбоку. Особое значение имеет то обстоятельство, что левая пола при запахах всегда покрывает правую полу. Кроме того, двубортные халаты с запахом направо подразделяются: открытые и закрытые. Первые – это халаты, у которых края бортов перекрещиваются на груди. Вторые – это закрытые халаты с круглым вырезом горловины и завязкой (застежкой) на правом плече у шеи, а также с глубокими разрезами по бокам низа халата. Родиной таких халатов является кочевой Север Китая. Халаты и кофты различались ещё и по ширине рукава, которые были широкими и узкими. С древности даже крестьяне носили одежду с широкими рукавами, а чтобы они не мешали во время работы, их подвязывали специальной лентой, перекрещенной на груди. Ширина рукавов постоянно менялась согласно моде или в зависимости от занимаемого положения (рис.1). Еще женщины чаще всего носили безрукавки. Что же касается мужчин, то хотя постановлением императора безрукавки не были предусмотрены, все же их носили мужчины и по длине они были более короткими, чем у женщин [4, с. 71]. Костюм китайских женщин мало отличался от мужского. У женщин основной поясной одеждой являлись сшитая и не сшитая запашная юбка, часто плиссированная. Юбка шилась из нескольких полотнищ, собранных на узком поясе. Юбка, сшитая в разных районах Китая, имела разную ширину, преимущественно обычно очень узкую, и длину от колен до земли. Если юбка была широка, то она запахивалась со складкой спереди и подпоясывалась узким цветным поясом [4, с. 35]. В результате анализа произведений китайского искусства, традиционно женщины в средневековый период носили одношовные юбки, причем в верхней части по бокам, эти юбки имели треугольные вырезы, в которых виднелась ткань, заправленной внутрь кофты. Простые женщины, чаще ходили в коротких юбках, из-под которых виднелась большая часть штанов. Женщины высших и средних слоев общества обычно поддевали своего рода плахту, с гладкими, чаще всего декорированными прямоугольными вставками спереди и

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

161

сзади и с заложенными складками по бокам. Ткани, используемые для юбок, были разнообразны: с тканым рисунком или с многоцветными полосками, встречалась также ткань, украшенная орнаментом в технике батика. Декор женского повседневного костюма был пышным и

Исторические науки

отличался ярким цветом, в отличие от мужского костюма. Мужчины обычно носили одноцветные халаты, и если у мужчин на халатах встречались узоры, то они были того же цвета, что и фон халата и создавались лишь различным направлением нитей (так называемая камчатная ткань).

Рисунок 1. Схема трансформации конструкций китайских халатов. В традиционной китайской одежде, сложившейся очень давно, прослеживается наследие разных исторических эпох, можно выявить сложную этническую историю китайцев и проследить связи и этапы их взаимодействия с другими народами Восточной Азии, хотя покрой этой одежды маньчжурского происхождения. Так, крой широких глухих штанов, удобных для верховой езды, связан, очевидно, с традициями древних тюркских кочевых племен, обитавших на территории Северного Китая, частично ассимилированных китайцами. Этот покрой, удобный также для сидения со скрещенными ногами на кане и на корточках на земле во время отдыха или за едой перед низким столиком, сохраняется у китайцев и в наши дни [3, с. 84]. Издавна среди китайских женщин широко распространены штаны, которые являлись непременным предметом верхней одежды, базирующейся на поясе. Вообще штаны являлись предметом одежды, необходимой всаднику. Они типичны для кочевых народов Китая, причем их носили как мужчины, так и женщины. Покрой штанов оставался в основе неизменным на протяжении многих веков. Это широкие, глухие, без прорехи штаны, с широкими, расходящимися вразлёт, образующими угол, иногда превышающий девяносто градусов, штанинами, с очень

низким шагом. Верхняя часть штанины называется «кутуй», нижняя – «куцзло». На верхнюю часть штанов нашивалась добавочная, широкая полоса ткани «куяо», часто другого, более светлого или белого цвета, а к ней в прошлом иногда пришивались четыре петли «баньдай», сквозь которые продергивался пояс. Однако значительно более типичен случай, когда штаны держатся при помощи кушака «кудай» или «ханьцзинь», без всяких петель. Так как штаны в талии очень широки, при подпоясывании впереди образуется характерная запахивающаяся направо складка. Низ штанин иногда собирали в сборки и пришивали по низу ленты [4, с. 32]. Конструкция покроя китайских женских штанов за последние триста лет практически не изменились (рис.2). На схеме 2.а обозначены штаны императора Ваньли, а на 2.б – женские штаны начала ХХ века н.э., (ГМИНВ). На рисунках 2.а и 2.б покрой приведен без поясной полосы. Разница в покрое мужских и женских штанах в среднем шве. Он направлен под углом к линии талии передней половины брюк, а в мужских штанах – под девяносто градусов к линии талии (рис.2). Черным цветом на рисунках слева выделена передняя часть штанов, а на схеме раскроя указаны межлекальные выпада [4, с. 31].

Рисунок 2. Конструкция покроя китайских штанов.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Исторические науки

162

Материалом для изготовления штанов, как и других предметов одежды, были в Китае пеньковые или шелковые ткани. Позже к ним присоединились хлопчатобумажные ткани. В холодное время в северных районах Китая носили одежду из меха, войлока, теплую одежду, подбитую пухом птиц, а также носили стёганные на вате штаны, в основном навыпуск, иногда подвязывая их под коленом, что особенно характерно для периода династии Суй и Тан (III – IХ в.в. н.э.), а также их стягивали гамашами или обмотками по низу изделия. Штанины заправляли за голенище сапог или за стёганные сапожкообразные чулки [5, с. 72]. Женский халат, кофта, безрукавка, штаны и плахта имели разные съемные и несъемные дополнения и отделку: шарфы, воротники, отвороты низа рукавов и брюк. Низ штанов, подол, отвороты и подкладка широких рукавов кофты, халатов до локтя декорировались каймой, орнаментом, аппликацией, вышивкой шелком [5, с. 74]. Украшали свой костюм женщины разнообразно: носили пояса, инкрустированные бронзой и костью; прокалывали уши и носили как простые серьги, так и комбинированные (проволочное кольцо с нефритовым диском); шею оборачивали бусами из различных природных материалов (камень, металл и стекло) и разных форм и конфигураций (круглые, бочонковидные, эллипсовидные, цилиндрические и сегментовидной формы). Запястья рук украшали наборными браслетами [4, с. 13]. В оценке художественного произведения очень важную роль играет целостность этого произведения. Что касается одежды, то с художественной точки зрения ее красота и законченность зависят от сочетаемости с другими деталями образа, и украшения являются неотъемлемой его частью. Культурное наследие древности дает нам достаточно богатый материал, доказывающий, что древние украшения были величайшими творениями и законченными, красивейшими произведениями искусства. Что касается одежды, покрывая тело, она является основой в формировании образа. Но для придания ему законченности необходимо учитывать и его окружение. Связь основы с украшением головы, ног, подвесными украшениями, лентами является подчинительной. Однако они чрезвычайно важны.

Красивая прическа и роскошные украшения, аксессуары подчеркивали женскую красоту, добавляли беспредельное очарование широкому халату с большими рукавами. С этой точки зрения прическа и украшения обладают собственной красотой. Роскошные украшения и сверкающие как звезды подвески на волосах цвета «воронового крыла» завораживали своим сиянием [6, с. 227]. С древности голова женщин украшалась пестро как парча, привлекая взгляд своей красотой. Создание головных украшений считалось очень важным, большинство из них нельзя назвать обычными. Влияние иных национальностей и племен вызывало изменения формы и орнамента украшений. Особенно после того, как прическа стала основным отличием во внешнем виде от мужчин, женщины всех эпох стали уделять еще большее внимание украшению головы. Следует также отметить, что при любой династии независимо от того, какие изменения претерпевала прическа, она всегда была выдержана в одном стиле с костюмом, придавая образу законченность и гармоничность. Китайцы – нация, тонко чувствует красоту, и умеет создавать красоту. Изысканными украшениями, искусными прическами, роскошными, степенными, завораживающими образами китайцы внесли вклад в мировое, культурное наследие.

1. 2. 3.

Список литературы: Дьякова О.В. Мохэские памятники Приморья – Владивосток, 1998. – 318с. Современная энциклопедия Аванта+. Мода и стиль. М., 2002. – 480 с. Стариков В.С. Материальная культура китайцев Северо-восточных провинций КНР. - М.: «Наука», 1967. – 225 с. Сычев Л.П., Сычев В.Л. Китайский костюм. Символика. История. Трактовка в литературе и искусстве. – М.: «Наука», 1975. – 170 с., ил. Плаксина Э.Б., Михайловская Л.А., Попов В.П. История костюма, стили и направления – М., 2003. – 224 с. Юань Цзеин. ARTICLES OF CLOTHING IN CHINA”S HISTORY. – История китайского костюма и украшений» ( на кит. яз.). – Пекин, 1994. – 334 с.

Đ&#x153;ĐľĐśĐ´Ń&#x192;Đ˝Đ°Ń&#x20AC;ĐžĐ´Đ˝Ń&#x2039;Đš Đ?Đ°Ń&#x192;Ń&#x2021;Đ˝Ń&#x2039;Đš Đ&#x2DC;Đ˝Ń Ń&#x201A;Đ¸Ń&#x201A;Ń&#x192;Ń&#x201A; "Educatio" VII, 2014

163

Đ&#x2019;ĐžĐľĐ˝Đ˝Ń&#x2039;Đľ Đ?Đ°Ń&#x192;ĐşĐ¸

SIMULATION MODEL OF EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF GROUND ARTILLERY FIRING

Melikov Aleksej Vladimirovich Candidate of Technical Sciences, Department of Automated control systems and software, Penza Artillery Engineering Institute of the Russian Federation Ministry of Defense

ABSTRACT Target setting research is to develop a software evaluation of the effectiveness of fire multiple launch rocket systems (MLRS) on the basis of statistical tests. A simulation model of evaluating the effectiveness of firing MLRS allows to evaluate the effectiveness of shooting at a group heterogeneous targets in its composition having sheltered and unsheltered manpower and armor, and to identify the main factors affecting the sustainability of the MLRS indicator for the intended purpose, preparation and characterization of the error dispersion (error shot). Keywords: ground artillery, multiple rocket launcher, evaluation of the effectiveness of fire, Monte Carlo method, method of numerical integration, Kolmogorov method. Introduction For applications of conventional weapons most of the tasks destruction by enemy fire encharge on the Strategic Missile Forces and Artillery, which include units of MLRS. However, "we make some plans and carry them along with the enemy." In fact, in the military solutions, mostly made under conditions of uncertainty. Therefore, for the purpose of correct and successful implementation of management decisions necessary to carry out [1]: ď&#x20AC; predictive assessment of performance of individual fire missions in the defeat of individual and group goals, ď&#x20AC; comprehensive evaluation of destruction by fire, ď&#x20AC; forecasting losses. Thus, the simulation execution of fire missions MLRS units enable command, based on the results of the forecast, to talk about the best military-management decision with a high degree of confidence, in this case correctly providing time for its implementation, which is so important for the survivability personnel and military equipment in the conditions of modern warfare. Model estimates the effectiveness of fire Currently, the development and evaluation of practical recommendations on various elements of a decision is based on experimental and theoretical or experimental and theoretical methods. In this paper, to calculate the index of the effectiveness of fire are encouraged to use experimental and theoretical research method, as separate numeric characteristics used in the theoretical method, based on experience. Therefore, we use such basic methods for evaluating the effectiveness of fire, such as: ď&#x20AC; Monte Carlo method; ď&#x20AC; method of numerical integration; ď&#x20AC; approximate methods for the ideal, or at a more advantageous method of real fire goals. As a result, statistical modeling research system S is a series of private values of the unknown variables or functions, the processing of which will provide information about the behavior of a real object. Therefore, in view of the theory of

probability, the task of assessing the effectiveness of combat employment of MLRS is reduced to multiple modeling random firing conditions and the measurement of the effectiveness of fire, which assess a sufficiently large number of tests taken for the desired numerical characteristics [2, 3]. In this case, it is applied a step function approximation of law defeat: đ?&#x;?, đ??˘đ??&#x; (đ??ą, đ??ł) â&#x2C6;&#x2C6; đ??&#x2019;đ??Ťđ??Ľđ??&#x161; đ??&#x2020;(đ??ą, đ??ł) = { , (1) đ?&#x;&#x17D;, đ??˘đ??&#x; (đ??ą, đ??ł) â&#x2C6;&#x2030; đ??&#x2019;đ??Ťđ??Ľđ??&#x161; where (đ?&#x2018;Ľ, đ?&#x2018;§) â&#x20AC;&#x201C; coordinates elementary goals, Srla â&#x20AC;&#x201C; reduced lesion area. Changes in the degree of enemy personnel shelters after firing MLRS units is accounted for a decrease in the reduced area affected projectile exponentially: đ??&#x2019;đ??Ťđ??Ľđ??&#x161; (đ??) = (đ?&#x203A;&#x2018;(đ??&#x2039;đ??¨đ??§ (đ?? đ?&#x;&#x17D; )đ??&#x2039;đ??Žđ??§ )đ??&#x17E;(đ?&#x;&#x17D;.đ?&#x;&#x2014;+đ??) + đ??&#x2039;đ??Žđ??§ ) ((đ??&#x2039;đ??¨đ??? (đ?? đ?&#x;&#x17D; )đ??&#x2039;đ??Žđ??? )đ??&#x17E;(đ?&#x;&#x17D;.đ?&#x;&#x2014;+đ??) + đ??&#x2039;đ??Žđ??? ), (2) where Srla (t) â&#x20AC;&#x201C; reduced the affected area of the projectile on unsheltered force, expressed in this case an ellipse with semiaxes Lon (t), Lod (t); Lun , Lud â&#x20AC;&#x201C; axis of the ellipse of reduced lesion area nestled personnel; t â&#x20AC;&#x201C; from the first time to divide the current gap [4, 5, 6]. In this paper, it is believed that 10 seconds after the start of fire attack entire personnel become sheltered. Based on the foregoing, when developing the algorithm for calculating performance indicator shooting following assumptions were taken: 1. Purpose affected jet division as part of k-batteries, j-combat vehicles in each battery and i-expenditure for each combat vehicle. 2. Division leads to firing batteries numbered settings (rules of shooting and fire control in 2011) [7]. 3. Settings for shooting to kill are defined way full training. Random variables and dispersion preparation errors obey a normal distribution law. 4. Shooting can be carried out in the scheme of up to 4 groups of errors. 5. Individual targets are evenly distributed within the area and have the same vulnerability for its class (to defeat each of them requires at least one hit).

6. The damaging effect of ammunition is characterized reduced lesion area at each of the classes of elementary targets. Method of calculating the index of the effectiveness of fire In this paper, it is developed the method of calculation efficiency index of fire, consisting of three steps. The first step. Proceeding from the harmful effect of ammunition, the model for calculating performance firing at defeat the purposes of MLRS is described by the following relation: đ??&#x152;[đ??&#x201D;] = đ??&#x2026;đ?&#x;? (đ?&#x203A;&#x20AC;đ?? đ??¨đ??&#x161;đ??Ľ , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??&#x;đ??˘đ??Ťđ??˘đ??§đ?? , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??Śđ??Žđ??§đ??˘đ??đ??˘đ??¨đ??§ , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??Źđ??Ąđ??&#x17E;đ??Ľđ??Ľđ??˘đ??§đ?? ), đ?&#x203A;&#x201D;[đ??&#x201D;] = đ??&#x2026;đ?&#x;? (đ?&#x203A;&#x20AC;đ?? đ??¨đ??&#x161;đ??Ľ , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??&#x;đ??˘đ??Ťđ??˘đ??§đ?? , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??Śđ??Žđ??§đ??˘đ??đ??˘đ??¨đ??§ , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??Źđ??Ąđ??&#x17E;đ??Ľđ??Ľđ??˘đ??§đ?? ), (3) đ??&#x2018; đ??ą = đ??&#x2026;đ?&#x;&#x2018; (đ?&#x203A;&#x20AC;đ?? đ??¨đ??&#x161;đ??Ľ , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??&#x;đ??˘đ??Ťđ??˘đ??§đ?? , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??Śđ??Žđ??§đ??˘đ??đ??˘đ??¨đ??§ , đ?&#x203A;&#x20AC;đ??Źđ??Ąđ??&#x17E;đ??Ľđ??Ľđ??˘đ??§đ?? ), where M[U], Ď&#x192;[U], R x â&#x20AC;&#x201C; output characteristics of the model; ÎŠgoal â&#x20AC;&#x201C; target characteristics, including front and depth of the target, the number of armored vehicles and manpower; ÎŠfiring â&#x20AC;&#x201C; parameters characterizing the median error of input data preparation when shooting: divisional (EŃ&#x2026;d , Ezd ), battery (EŃ&#x2026;Đ˛ , EzĐ˛ ) and gun (EŃ&#x2026;Đž , EzĐž ) errors, dispersion characteristics (Đ&#x2019;Đ´, Đ&#x2019;Đą). Random variables and dispersion preparation errors obey a normal distribution law. In this paper, shooting can be conducted in the scheme up to 4 groups of errors; ÎŠmunition â&#x20AC;&#x201C; parameters characterizing the damaging effect of the munition: reduced lesion area at the vehicles, open personnel and nestled personnel; ÎŠshelling â&#x20AC;&#x201C; parameters characterizing the target shelling method (the number of installations of the sight and protractor, distribution of ammunition for combat vehicles) and runtime fire mission (required level of damage to be inflict). Model number of runs (n) required for determining the output parameters is defined by the formulas [8]: đ?&#x203A;&#x152;đ??Š

đ??&#x152;[đ??&#x201D;]: đ??§ â&#x2030;Ľ đ??&#x2019;đ??ąđ?&#x;? ( )

đ?&#x;?

đ?&#x161;Ťđ??Š

to evaluate

đ?&#x203A;&#x152;đ??Š

(4)

đ?&#x;?

Đ&#x2019;ĐžĐľĐ˝Đ˝Ń&#x2039;Đľ Đ?Đ°Ń&#x192;ĐşĐ¸

164

đ?&#x203A;&#x201D;[đ??&#x201D;]: đ??§ â&#x2030;Ľ đ??&#x2019;đ??ąđ?&#x;? ( ) + đ?&#x;?, đ?&#x161;Ťđ??Š

where Sx2 â&#x20AC;&#x201C; variance estimate by [60. . . 100] realizations, Îťp â&#x20AC;&#x201C; quantile of the normal distribution, Î&#x201D;p â&#x20AC;&#x201C; half of the confidence interval, p â&#x20AC;&#x201C; the true value of the probability. The second step. There are the selected target, personnel and armored vehicles, and each class has its own purpose color on the monitor (sequentially output to the screen) [9]. With the help of a random number generator it is

played center coordinates divisional dispersion, the center of each scatterer fighting machine. Next action is to defeat goal by displaying the above affected areas of the projectile. The coordinates of points of each discontinuity are calculated and stored. The distribution of sheltered manpower and armor are produced by a uniform law. At the end point is read sequentially different colors of which was the goal, and analyze the state of the goal after a defeat. The third step. Expectation, standard deviation and probability are used in calculating the required statistical estimates of random variables, where the relative frequency obtained by increasing the number of runs is close to the desired probability. đ??§ đ?&#x;? đ??&#x152;[đ?&#x161;Ťđ??¨ ] = â&#x2C6;&#x2018; đ?&#x161;Ťđ??¨đ??˘ , đ??&#x2030; đ??˘=đ?&#x;? đ?&#x;? â&#x2C6;&#x2018;đ??§ đ??˘=đ?&#x;?(đ?&#x161;Ťđ??¨đ??˘ â&#x2C6;&#x2019;đ??&#x152;[đ?&#x161;Ťđ??¨ ])

đ?&#x203A;&#x201D;[đ?&#x161;Ťđ??¨ ] = â&#x2C6;&#x161;

đ??&#x2030;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;?

(5)

đ??&#x2018; đ??ą (đ?&#x;?â&#x2C6;&#x2019;đ??&#x2018; đ??ą )

|đ??&#x2018; đ??ą â&#x2C6;&#x2019; đ??Š| â&#x2030;¤ đ?&#x203A;&#x201A;â&#x2C6;&#x161;

đ??§

where Îą â&#x20AC;&#x201C; tabular value, the number of standard deviations. To calculate the probability of the guarantee it is given by the required level of the amount of damage UŃ&#x201A;Ń&#x20AC; . In this case, the entire set of possible values of a random variable X of execution fire mission is split into two intervals: [0â&#x20AC;ŚUŃ&#x201A;Ń&#x20AC; ] and [UŃ&#x201A;Ń&#x20AC; â&#x20AC;Ś100 %]. The quantity X takes the values [10]: đ?&#x;?, đ??˘đ??&#x; đ??&#x201D; â&#x2030;Ľ đ??&#x201D;Ń&#x201A;Ń&#x20AC; â&#x2C6;&#x2019; đ??đ??Ąđ??&#x17E; đ??đ??&#x161;đ??Źđ??¤ đ??˘đ??Ź đ??&#x153;đ??¨đ??Śđ??Šđ??Ľđ??&#x17E;đ??đ??&#x17E;đ???, đ??&#x2014;đ??˘ = { đ?&#x;&#x17D;, đ??˘đ??&#x; đ??&#x201D; < đ??&#x201D;Ń&#x201A;Ń&#x20AC; â&#x2C6;&#x2019; đ??đ??Ąđ??&#x17E; đ??đ??&#x161;đ??Źđ??¤ đ??˘đ??Źđ??§â&#x20AC;˛ đ?? đ??&#x153;đ??¨đ??Śđ??Šđ??Ľđ??&#x17E;đ??đ??&#x17E;đ???.

(6)

The results of calculations (1-6) of performance indicators ground artillery fire on a group heterogeneous targets in its composition having sheltered and unsheltered manpower and armor, have shown that the time of one implementation, depending on the target size on-screen display is 6-40 seconds and almost does not depend on the amount of attracting to perform artillery fire mission (group schemes errors) [11]. Adequacy of the developed model Comparative analysis of the calculation results obtained using the developed model and the method of numerical integration is showed that the error in determining the performance indicator shooting individual goal is within 1 â&#x2C6;&#x2019; 2.5 % (Table 1) [12, 13]. Table 1

Error in determining the probability of hitting a single target

â&#x201E;&#x2013;

Quantity of ammunition

Error training

Dispersion characteristics

Reduced lesion area

Probability of defeat

Error

đ???

đ??&#x201E;Ń&#x2026;Đż , đ??Ś

đ??&#x201E;đ??łĐż , đ??Ś

Đ&#x2019;Đ´, đ??Ś

Đ&#x2019;Đą, đ??Ś

đ??&#x2019;đ??Ťđ??Ľđ??&#x161; , đ??Śđ?&#x;?

Method of numerical integration

Developed model

đ?&#x161;Ť, %

0,0243

0,0248

2,5

121

0,53

0,54

1,8

105

441

0,083

Results of calculation of performance indicator shooting a modified method of Kolmogorov and simulation method for multiple target is given the divergence of 3 â&#x2C6;&#x2019; 4 % (Table 2).

Đ&#x2019;ĐžĐľĐ˝Đ˝Ń&#x2039;Đľ Đ?Đ°Ń&#x192;ĐşĐ¸

165

Table 2 The error of the expectation

â&#x201E;&#x2013;

Quantity of ammunition

Error training

Dispersion characteristics

Reduced lesion area

Kolmogorov method

Developed model

Target area

Error

đ???

đ??&#x201E;Ń&#x2026;Đż , đ??Ś

đ??&#x201E;đ??łĐż , đ??Ś

Đ&#x2019;Đ´, đ??Ś

Đ&#x2019;Đą, đ??Ś

đ??&#x2019;đ??Ťđ??Ľđ??&#x161; , đ??Śđ?&#x;?

đ??&#x152;[đ??&#x201D;], %

đ??&#x2019;đ?? , đ??Ąđ??&#x161;

đ?&#x161;Ť, %

194

180

168

199

3500

27,8

28,2

0,14

154

130

135

114

4880

7,3

7,2

1,3

122

2,42

2,38

1,6

106

2,64

2,7

2,0

Conclusion The developed simulation model allows to evaluate the effectiveness of fire on a group heterogeneous targets in its composition having sheltered and unsheltered manpower and armor, with a high degree of certainty, which is 93 â&#x2C6;&#x2019; 95 %. It is proved that the value on the shot depends on the error of the second moment, calculated relative to the point location or the center of a separate target group target over which the data preparation for firing. It is identified as the main factors influencing the assessment of the effectiveness of fire indicator MLRS, the expectation M[U] = F1 (EĐż , Đ&#x2019;, Srla , Sg , N) and standard deviation Ď&#x192;[U] = F2 (EĐż , Đ&#x2019;, Srla , Sg , N). The methodology and results of experimental studies are implemented in developmental work of public corporation â&#x20AC;&#x153;Radiozavodâ&#x20AC;? (Penza, Russia). References 1. Đ&#x2018;Đ°Ń&#x20AC;ĐşĐžĐ˛Ń ĐşĐ¸Đš, Đ?.Đ¤. Đ˘ĐľĐžŃ&#x20AC;ĐľŃ&#x201A;Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐ¸Đľ ĐžŃ Đ˝ĐžĐ˛Ń&#x2039; Ń&#x192;ĐżŃ&#x20AC;Đ°Đ˛ĐťĐľĐ˝Đ¸Ń? Ń&#x192;Đ´Đ°Ń&#x20AC;Đ°ĐźĐ¸ Đ¸ ĐžĐłĐ˝ĐľĐź Đ Đ°ĐşĐľŃ&#x201A;Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Đ˛ĐžĐšŃ Đş Đ¸ Đ°Ń&#x20AC;Ń&#x201A;Đ¸ĐťĐťĐľŃ&#x20AC;Đ¸Đ¸ / Đ?.Đ¤. Đ&#x2018;Đ°Ń&#x20AC;ĐşĐžĐ˛Ń ĐşĐ¸Đš. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x153;.: Đ&#x2019;ĐžĐľĐ˝Đ˝Ń&#x2039;Đš Đ°Ń&#x20AC;Ń&#x201A;Đ¸ĐťĐťĐľŃ&#x20AC;Đ¸ĐšŃ ĐşĐ¸Đš Ń&#x192;Đ˝Đ¸Đ˛ĐľŃ&#x20AC;Ń Đ¸Ń&#x201A;ĐľŃ&#x201A;, 2004. â&#x20AC;&#x201C; 561 Ń . 2. Đ&#x;Đ°Ń&#x20AC;Ń&#x2C6;Đ¸Đ˝, Đ&#x2013;.Đ&#x;. Đ˘ĐľĐžŃ&#x20AC;Đ¸Ń? ĐąĐžĐľĐ˛ĐžĐš Ń?Ń&#x201E;Ń&#x201E;ĐľĐşŃ&#x201A;Đ¸Đ˛Đ˝ĐžŃ Ń&#x201A;Đ¸ Đ˛ĐžĐžŃ&#x20AC;Ń&#x192;ĐśĐľĐ˝Đ¸Ń?. Đ§. 1 / Đ&#x2013;.Đ&#x;. Đ&#x;Đ°Ń&#x20AC;Ń&#x2C6;Đ¸Đ˝. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x153;.: Đ&#x2DC;ĐˇĐ´-Đ˛Đž Đ&#x153;Đ&#x17E; Đ Đ¤, 1994. â&#x20AC;&#x201C; 353 Ń . 3. Đ&#x17E;Ń Đ˝ĐžĐ˛Ń&#x2039; Ń Ń&#x201A;Đ°Ń&#x201A;Đ¸Ń Ń&#x201A;Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐžĐłĐž ĐźĐžĐ´ĐľĐťĐ¸Ń&#x20AC;ĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Ń?. Đ§. Đ&#x2DC;Đ&#x2019;. Đ&#x2DC;Ń ĐżĐžĐťŃ&#x152;ĐˇĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Đľ ĐźĐľŃ&#x201A;ĐžĐ´Đ° Ń Ń&#x201A;Đ°Ń&#x201A;Đ¸Ń Ń&#x201A;Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐ¸Ń&#x2026; Đ¸Ń ĐżŃ&#x2039;Ń&#x201A;Đ°Đ˝Đ¸Đš Đ´ĐťŃ? Đ¸Ń Ń ĐťĐľĐ´ĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Ń? Ń ĐťĐžĐśĐ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Đ˛ĐžĐľĐ˝Đ˝Đž-Ń&#x201A;ĐľŃ&#x2026;Đ˝Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐ¸Ń&#x2026; Ń Đ¸Ń Ń&#x201A;ĐľĐź / ĐżĐžĐ´ ĐžĐąŃ&#x2030;. Ń&#x20AC;ĐľĐ´. Đ&#x2019;.Đ?. Đ&#x201C;Ń&#x20AC;ĐžĐźĐžĐ˛Đ° â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x;ĐľĐ˝ĐˇĐ°: Đ?Đ&#x2DC;Đ&#x2DC;, 2002. 4. Melikov, A.V. Data organization of the relational database with the usage of set theory / A.V. Melikov // ĐĄĐąĐžŃ&#x20AC;Đ˝Đ¸Đş ĐşĐžĐ˝Ń&#x201E;ĐľŃ&#x20AC;ĐľĐ˝Ń&#x2020;Đ¸Đš Đ?Đ&#x2DC;ĐŚ ÂŤĐĄĐžŃ&#x2020;Đ¸Đž-Ń Ń&#x201E;ĐľŃ&#x20AC;Đ°Âť. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x;ĐľĐ˝ĐˇĐ°-ĐŁĐťĐ°Đ˝-ĐŁĐ´Ń?-Đ&#x2022;Ń&#x20AC;ĐľĐ˛Đ°Đ˝: Đ&#x17E;Đ&#x17E;Đ&#x17E; Đ?Đ&#x2DC;ĐŚ ÂŤĐĄĐžŃ&#x2020;Đ¸ĐžŃ Ń&#x201E;ĐľŃ&#x20AC;Đ°Âť, 2011. â&#x20AC;&#x201C; â&#x201E;&#x2013; 27. â&#x20AC;&#x201C; ĐĄ. 42-47. 5. Melikov, A.V. The possibility and the way of hierarchic construction of informational questionnaire

system in the system of operational data analysis / A.V. Melikov // ĐĄĐąĐžŃ&#x20AC;Đ˝Đ¸Đş Đ˝Đ°Ń&#x192;Ń&#x2021;Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Ń&#x201A;Ń&#x20AC;Ń&#x192;Đ´ĐžĐ˛ ÂŤ Sworld Âť. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x17E;Đ´ĐľŃ Ń Đ°: Sworld, 2011. â&#x20AC;&#x201C; T. 2. â&#x20AC;&#x201C; â&#x201E;&#x2013; 2. â&#x20AC;&#x201C; ĐĄ. 13-18. 6. Đ&#x161;Ń&#x192;ĐťŃ&#x152;Ń&#x201A;Đ¸Đ˝, Đ?. Đ&#x2018;. Đ&#x17E;Ń Đ˝ĐžĐ˛Ń&#x2039; ĐżŃ&#x20AC;ĐžĐłŃ&#x20AC;Đ°ĐźĐźĐ¸Ń&#x20AC;ĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Ń? Đ˛ Delphi 10 / Đ?.Đ&#x2018;. Đ&#x161;Ń&#x192;ĐťŃ&#x152;Ń&#x201A;Đ¸Đ˝. â&#x20AC;&#x201C; ĐĄĐ&#x;Đą.: Đ&#x2018;ĐĽĐ&#x2019; â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x;ĐľŃ&#x201A;ĐľŃ&#x20AC;ĐąŃ&#x192;Ń&#x20AC;Đł, 2010. â&#x20AC;&#x201C; 448 Ń . 7. Đ&#x;Ń&#x20AC;Đ°Đ˛Đ¸ĐťĐ° Ń Ń&#x201A;Ń&#x20AC;ĐľĐťŃ&#x152;ĐąŃ&#x2039; Đ¸ Ń&#x192;ĐżŃ&#x20AC;Đ°Đ˛ĐťĐľĐ˝Đ¸Ń? ĐžĐłĐ˝ĐľĐź Đ°Ń&#x20AC;Ń&#x201A;Đ¸ĐťĐťĐľŃ&#x20AC;Đ¸Đ¸. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x153;.: Đ&#x2019;ĐžĐľĐ˝Đ¸ĐˇĐ´Đ°Ń&#x201A;, 2011. 8. Đ&#x161;Đ°ĐźĐ°ĐľĐ˛, Đ&#x2019;.Đ?. Đ?Đ˝Đ°ĐťĐ¸Đˇ Đ°Đ˝ĐşĐľŃ&#x201A;Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Đ´Đ°Đ˝Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Đ¸ ĐžŃ&#x2020;ĐľĐ˝ĐşĐ¸ ĐżŃ&#x20AC;ĐžĐłĐ˝ĐžĐˇĐ˝ĐžĐłĐž Ń&#x20AC;ĐľŃ&#x2C6;ĐľĐ˝Đ¸Ń? Đ˝Đ° Đ¸Ń&#x2026; ĐžŃ Đ˝ĐžĐ˛Đľ Đş ĐˇĐ°Đ´Đ°Ń&#x2021;Đľ Ń&#x192;ĐżŃ&#x20AC;Đ°Đ˛ĐťĐľĐ˝Đ¸Ń? / Đ&#x2019;.Đ?. Đ&#x161;Đ°ĐźĐ°ĐľĐ˛, Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛ // Đ&#x2DC;ĐˇĐ˛ĐľŃ Ń&#x201A;Đ¸Ń? Đ&#x2019;ĐžĐťĐłĐžĐłŃ&#x20AC;Đ°Đ´Ń ĐşĐžĐłĐž ĐłĐžŃ Ń&#x192;Đ´Đ°Ń&#x20AC;Ń Ń&#x201A;Đ˛ĐľĐ˝Đ˝ĐžĐłĐž Ń&#x201A;ĐľŃ&#x2026;Đ˝Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐžĐłĐž Ń&#x192;Đ˝Đ¸Đ˛ĐľŃ&#x20AC;Ń Đ¸Ń&#x201A;ĐľŃ&#x201A;Đ°. â&#x20AC;&#x201C; 2012. â&#x20AC;&#x201C; â&#x201E;&#x2013; 15 (102). â&#x20AC;&#x201C; ĐĄ. 90-96. 9. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛, Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x;Ń&#x20AC;Đ¸ĐźĐľĐ˝ĐľĐ˝Đ¸Đľ Ń&#x201A;ĐľĐžŃ&#x20AC;Đ¸Đ¸ ĐźĐ˝ĐžĐśĐľŃ Ń&#x201A;Đ˛ Đ´ĐťŃ? ĐžŃ&#x20AC;ĐłĐ°Đ˝Đ¸ĐˇĐ°Ń&#x2020;Đ¸Đ¸ Đ´Đ°Đ˝Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Đ¸Ń Ń&#x2026;ĐžĐ´Đ˝ĐžĐš Ń&#x20AC;ĐľĐťŃ?Ń&#x2020;Đ¸ĐžĐ˝Đ˝ĐžĐš ĐąĐ°ĐˇŃ&#x2039; Đ´Đ°Đ˝Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; / Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛ // Đ&#x;Ń&#x20AC;Đ¸ĐşĐ°Ń ĐżĐ¸ĐšŃ ĐşĐ¸Đš ĐśŃ&#x192;Ń&#x20AC;Đ˝Đ°Đť: Ń&#x192;ĐżŃ&#x20AC;Đ°Đ˛ĐťĐľĐ˝Đ¸Đľ Đ¸ Đ˛Ń&#x2039;Ń ĐžĐşĐ¸Đľ Ń&#x201A;ĐľŃ&#x2026;Đ˝ĐžĐťĐžĐłĐ¸Đ¸. â&#x20AC;&#x201C; 2011. â&#x20AC;&#x201C;â&#x201E;&#x2013; 4 (16). â&#x20AC;&#x201C; ĐĄ. 16-22. 10. Đ¨ĐźĐľĐťŃ&#x152;ĐşĐžĐ˛, Đ&#x2019;.Đ&#x2018;. Đ&#x17E;Ń Đ˝ĐžĐ˛Ń&#x2039; Ń Ń&#x201A;Đ°Ń&#x201A;Đ¸Ń Ń&#x201A;Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐžĐłĐž ĐźĐžĐ´ĐľĐťĐ¸Ń&#x20AC;ĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Ń?. Đ§. 1. Đ&#x2DC;ĐźĐ¸Ń&#x201A;Đ°Ń&#x2020;Đ¸ĐžĐ˝Đ˝ĐžĐľ ĐźĐžĐ´ĐľĐťĐ¸Ń&#x20AC;ĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Đľ Ń ĐťĐžĐśĐ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; Ń Đ¸Ń Ń&#x201A;ĐľĐź: ĐŁŃ&#x2021;ĐľĐąĐ˝ĐžĐľ ĐżĐžŃ ĐžĐąĐ¸Đľ Đ´ĐťŃ? ĐşŃ&#x192;Ń&#x20AC;Ń Đ°Đ˝Ń&#x201A;ĐžĐ˛, Đ°Đ´Ń&#x160;Ń&#x17D;Đ˝ĐşŃ&#x201A;ĐžĐ˛ Đ¸ ĐżŃ&#x20AC;ĐľĐżĐžĐ´Đ°Đ˛Đ°Ń&#x201A;ĐľĐťĐľĐš Ń&#x192;Ń&#x2021;Đ¸ĐťĐ¸Ń&#x2030;Đ° / Đ&#x2019;.Đ&#x2018;. Đ¨ĐźĐľĐťŃ&#x152;ĐşĐžĐ˛, Đ&#x2019;.Đ¤. Đ&#x203A;ĐľĐ˛Đ°Ń&#x2C6;ĐžĐ˛. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x;ĐľĐ˝ĐˇĐ°: Đ&#x2019;Đ?Đ&#x2DC;ĐŁ, 2010. â&#x20AC;&#x201C; 132 Ń . 11. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛, Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x;ĐžŃ Ń&#x201A;Ń&#x20AC;ĐžĐľĐ˝Đ¸Đľ Đ¸ĐľŃ&#x20AC;Đ°Ń&#x20AC;Ń&#x2026;Đ¸Đš Đ˛ Ń Đ¸Ń Ń&#x201A;ĐľĐźĐľ ĐžĐżĐľŃ&#x20AC;Đ°Ń&#x201A;Đ¸Đ˛Đ˝ĐžĐłĐž Đ°Đ˝Đ°ĐťĐ¸ĐˇĐ° Đ´Đ°Đ˝Đ˝Ń&#x2039;Ń&#x2026; / Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛ // Đ&#x2019;ĐľŃ Ń&#x201A;Đ˝Đ¸Đş Đ&#x2019;ĐžŃ&#x20AC;ĐžĐ˝ĐľĐśŃ ĐşĐžĐłĐž ĐłĐžŃ Ń&#x192;Đ´Đ°Ń&#x20AC;Ń Ń&#x201A;Đ˛ĐľĐ˝Đ˝ĐžĐłĐž Ń&#x192;Đ˝Đ¸Đ˛ĐľŃ&#x20AC;Ń Đ¸Ń&#x201A;ĐľŃ&#x201A;Đ°. ĐĄĐľŃ&#x20AC;Đ¸Ń?: ĐĄĐ¸Ń Ń&#x201A;ĐľĐźĐ˝Ń&#x2039;Đš Đ°Đ˝Đ°ĐťĐ¸Đˇ Đ¸ Đ¸Đ˝Ń&#x201E;ĐžŃ&#x20AC;ĐźĐ°Ń&#x2020;Đ¸ĐžĐ˝Đ˝Ń&#x2039;Đľ Ń&#x201A;ĐľŃ&#x2026;Đ˝ĐžĐťĐžĐłĐ¸Đ¸. â&#x20AC;&#x201C; 2012. â&#x20AC;&#x201C; â&#x201E;&#x2013; 1. â&#x20AC;&#x201C; ĐĄ. 130-133. 12. Đ&#x201C;ĐźŃ&#x192;Ń&#x20AC;ĐźĐ°Đ˝, Đ&#x2019;.Đ&#x2022;. Đ Ń&#x192;ĐşĐžĐ˛ĐžĐ´Ń Ń&#x201A;Đ˛Đž Đş Ń&#x20AC;ĐľŃ&#x2C6;ĐľĐ˝Đ¸Ń&#x17D; ĐˇĐ°Đ´Đ°Ń&#x2021; ĐżĐž Ń&#x201A;ĐľĐžŃ&#x20AC;Đ¸Đ¸ Đ˛ĐľŃ&#x20AC;ĐžŃ?Ń&#x201A;Đ˝ĐžŃ Ń&#x201A;ĐľĐš Đ¸ ĐźĐ°Ń&#x201A;ĐľĐźĐ°Ń&#x201A;Đ¸Ń&#x2021;ĐľŃ ĐşĐžĐš Ń Ń&#x201A;Đ°Ń&#x201A;Đ¸Ń Ń&#x201A;Đ¸ĐşĐľ / Đ&#x2019;.Đ&#x2022;. Đ&#x201C;ĐźŃ&#x192;Ń&#x20AC;ĐźĐ°Đ˝. â&#x20AC;&#x201C; 3-Đľ Đ¸ĐˇĐ´., ĐżĐľŃ&#x20AC;ĐľŃ&#x20AC;Đ°Đą. Đ¸ Đ´ĐžĐż. â&#x20AC;&#x201C; Đ&#x153;: Đ&#x2019;Ń&#x2039;Ń Ń&#x2C6;Đ°Ń? Ń&#x2C6;ĐşĐžĐťĐ°, 2004. â&#x20AC;&#x201C; 479 Ń . 13. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛, Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x2DC;ĐźĐ¸Ń&#x201A;Đ°Ń&#x2020;Đ¸ĐžĐ˝Đ˝Đ°Ń? ĐźĐžĐ´ĐľĐťŃ&#x152; ĐžŃ&#x2020;ĐľĐ˝ĐşĐ¸ Ń?Ń&#x201E;Ń&#x201E;ĐľĐşŃ&#x201A;Đ¸Đ˛Đ˝ĐžŃ Ń&#x201A;Đ¸ Ń Ń&#x201A;Ń&#x20AC;ĐľĐťŃ&#x152;ĐąŃ&#x2039; ĐżĐžĐ´Ń&#x20AC;Đ°ĐˇĐ´ĐľĐťĐľĐ˝Đ¸Đš Đ ĐĄĐ&#x2014;Đ&#x17E; / Đ?.Đ&#x2019;. Đ&#x153;ĐľĐťĐ¸ĐşĐžĐ˛ // NB: Đ&#x161;Đ¸ĐąĐľŃ&#x20AC;Đ˝ĐľŃ&#x201A;Đ¸ĐşĐ° Đ¸ ĐżŃ&#x20AC;ĐžĐłŃ&#x20AC;Đ°ĐźĐźĐ¸Ń&#x20AC;ĐžĐ˛Đ°Đ˝Đ¸Đľ. â&#x20AC;&#x201C; 2014. â&#x20AC;&#x201C; â&#x201E;&#x2013; 3. â&#x20AC;&#x201C; ĐĄ.91-102.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

166

Архитектура

Архитектура ФОРМИРОВАНИЕ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫВ УСЛОВИЯХ СЕЙСМИКИ И СУРОВОГО КЛИМАТА

Николаенко Елена Аркадьевна, канд. техн. наук, доцент Иркутского государственного технического университета Старостина Галина Алексеевна, Игнатенкова Вера Артемовна, Соколова Алена Дмитриевна, Студенты специальности «Дизайн архитектурной среды» Иркутского государственного технического университета

FORMATION OF URBAN ENVIRONMENT IN THE seismic and severe climate Nikolaenko Elena, cand. tehn. sciences, Associate Professor of Irkutsk State Technical University, Irkutsk Starostina Galina, Ignatenkova Vera, Sokolova Alena, Students of "Design of architectural environment" Irkutsk State Technical University АННОТАЦИЯ Статья посвящена проектированию городской среды в условиях плотной застройки, основная идея которого заключается в объединении рабочей и жилой зон с помощью новых конструктивных форм для создания комфорта для проживающих в ней людей. Созданный студентами городской альянс в виде арт-объекта кранхаузных зданий показывает контраст конструктивных форм, архитектурную пластику и цветовой ансамбль искусственного освещения парковых зон и дорожных полотен. Все это является неотъемлемыми атрибутами в решении городских образований, как наиболее значимые для достижения архитектурно-художественной и идейно-эстетической целостности образа городской среды. Ключевые слова: городская среда, конструктивная форма, кранхаузы, сейсмические условия. ABSTRACT Article is devoted to the design of the urban environment in a dense housing, the basic idea of which is to unite the working and residential zones with the help of new structural forms to create comfort for the people living in it. Created by students of urban alliance as an art object kranhauz buildings shows the contrast of constructive forms, architectural plastic and color ensemble of artificial lighting parks and road paintings. All this is an inherent part in the decision of municipalities, as the most important to achieve the architectural and artistic and ideological and aesthetic integrity of the image of the urban environment. Keywords: urban environment, constructive form, kranhauzes, seismic conditions. Введение. В XXI веке жителям нашей планеты попрежнему хочется быть особенными, непохожими на весь остальной мир, и в то же время создать вокруг себя благоприятную атмосферу, которая позволила бы отдыхать от каждодневной суеты. Градостроительная и жилищная политика в городах Российской Федерации диктует научный подход к трансформированию роли городов и функции городской среды для обеспечения экологически безопасного развития урбанизированных территорий, гарантируя комфортные условия проживания и жизнедеятельности городского населения. Поэтому и придается особое значение строительству зданий и сооружений необычных конструктивных форм, которые должны отвечать современным критериям и требованиям. Основная идея проектирования городской среды заключается в разработке целого комплекса зданий и сооружений и объединении в нем рабочей и жилой зон с помощью новых конструктивных форм для создания комфорта для проживающих в ней людей. Больше не придется трястись в транспорте, чтобы добраться до работы, тратить время в утомительных пробках, так как рабочее место находится в пяти минутах ходьбы, а окружающая парковая атмосфера позволяет спокойно отдохнуть после рабочего дня и во время него. Актуальность и постановка вопроса. Актуальность данной работы не вызывает сомнения, так как в соответствии с данным подходом, представляется возможным определять термин «городская среда» как совокупность конкретных основополагающих условий, созданных человеком и природой в границах населенного

пункта, которые оказывают влияние на процессы развития и реализации человеческого потенциала. Созданный авторами городской альянс в виде арт-объекта кранхаузных зданий показывает контраст конструктивных форм, архитектурную пластику и цветовой ансамбль искусственного освещения парковых зон и дорожных полотен. Все это является неотъемлемыми атрибутами в решении городских образований, как наиболее значимые для достижения архитектурно-художественной и идейно-эстетической целостности образа городской среды. Современный город формируется по контрасту пешеходных районов (общественных или торговых) и многоэтажной жилой застройки, которая всегда считалась фоновой [1]. Как известно, архитектурная композиция городов, будучи сложной развивающейся системой, создается с помощью формообразующих возможностей пространственной формы, ансамблевой застройкой и транспортными коммуникациями. Если для исторически сложившихся городов важнейшим композиционным приемом был и остается ансамблевый принцип застройки, то для новых городов и районов большее значение приобретают коммуникационные пространства с обслуживающими учреждениями и жилые комплексы с их замкнутой системой учреждений первичного обслуживания [2]. Объект исследования. Объектом исследования явились уникальные кранхаузные здания и сооружения новых конструктивных форм, которые могут быть созданы в условиях сейсмики и сурового климата. Авторами проведена серьезная работа по нахождению новых приемов и

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

167

подходов к решению городских образований, таких как: правильное расположение основных градостроительных узлов, взаимоувязанных между собой и динамически дополняющих и обогащающих друг друга; разнообразие композиционных приемов организации городского пространства; правильное взаиморазмещение зданий и сооружений согласно их объему. Элементы живой природы (вода, зелень) воплощены в оригинальной форме фонтанных установок и оранжерей. В разработанном арт-объекте полностью воплощено гармоническое единство архитектурного стиля модернизма, в основе которого лежит контрапунктурная система движения самостоятельно звучащих направлений архитектуры, то есть противопоставление нескольких сюжетных линий. Некоторые архитектурные детали арт-объекта также имеют место, такие как фонтанные и фонарные установки. Фонтаны представляют собой зависшие кубы, из которых стекают струи воды, орошая, таким образом, пространство, как в воздухе, так и на земле. Фонари имеют форму птиц, раскинувших свои крылья, таким образом, создавая искусственное освещение на большие расстояния. Литературный обзор и методика исследования. Крупнейшие представители модернизма в архитектуре, такие как Вальтер Гропиус, Мис ван дер Роэ, Ле Корбюзье, Фрэнк Ллойд Райт, Рихард Нойтра, Филип Джонсон, Оскар Нимейер, являлись не только практиками, но и тео-

Архитектура

ретиками архитектуры. Сформулированные ими принципы (дом на столбах, плоская крыша, горизонтальные окна, свободный план и свободная планировка фасада) повлияли на европейскую архитектуру в целом. Наиболее яркие примеры модернизма в архитектуре 1920-30-х гг. — здание Баухауза, высшей архитектурной школы в немецком Дессау (1926-1929 гг., архитектор В. Гропиус), вилла Савой в Пуасси близ Парижа (1929-1931 гг., архитектор Ле Корбюзье), выставочный павильон Германии в Барселоне (1929 г., архитектор Мис Ван дер Роэ), отличающиеся аскетизмом и строгой геометрией форм [3]. Новый расцвет модернизма пришелся на период после второй мировой войны, когда требовалось восстанавливать многие европейские города. Модернизм лег в основу массового жилищного строительства, развернувшегося в послевоенной Европе. Его простота, рациональность, использование новейших приемов строительной техники позволили в короткие сроки возвести целые районы. Архитекторами-модернистами был застроен район Ганза в Берлине, перепланированы районы Гавра, Роттердама и других городов, пострадавших от бомбардировок. В этот период пластическое решение зданий стало более разнообразным – стали использоваться криволинейные формы, появились выступы и углубления участков зданий (рисунок 1). В последние годы, благодаря усовершенствованию строительной техники и появлению новых материалов, началось возвращение модернизма в архитектуру [4-5].

Рисунок 1 Типы зданий в стиле современного модернизма Рассматривая возможные варианты этого стиля в архитектуре, при разработке арт-объекта авторы натолкнулись на оригинальное предложение, реализованное известными гамбургскими архитекторами-модернистами в городе Кельне, которые сохранили облик Кельна реализацией современными средствами характерных образов прошлых лет. Уже с дальних точек в панораме города выделяются три огромных корпуса Г-образной формы, которые напоминают о поднимавшихся здесь ранее грузовых кранах. И в официальной документации они проходили именно под этим именем – «Кранхаузы». В комплекс входят только три здания - два офисных и одно жилое: «Кранхауз-Юг-1» и «Кранхауз-Юг-2» - 17-этажные офисные центры, с площадью 16 200 и 16 000 метров соответственно, «Кранхауз-Север-3» - жилое, на его 18 этажах расположились 133 апартаментов, общей площадью в 15

000 метров. Построен комплекс совсем недавно в 2011 году (рисунок 2). Если говорить о внешнем облике комплекса, то стоит уделить особое внимание переходным конструкциям (рисунок 3). К примеру, советский архитектор Владимир Шухов, создатель сетчатых оболочек, произвел фурор в 1896 году, и стал родоначальником стиля модернизма, который в последнее время получил мощнейший импульс. В последние два десятилетия, самые фантастические проекты реализуются практически только на основе сетчатых оболочек. Такие оболочки вдохновили авторов на создание переходов между кранхаузами, которые дополнили образ комплекса. Представляя произведение искусства, они не только придают законченность зданиям, но и выполняют функцию объединения всех составляющих в них частей в единый комплекс.

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

168

Архитектура

Рисунок 2 Примеры кранхаузов в городе Кельне

Рисунок 3 Переходные стеклянные конструкции в виде сетчатых оболочек Таким образом, авторы разработали уникальный комплекс зданий и сооружений, решающий сразу несколько конструктивных задач, стоящие перед архитекторами мирового сообщества, благодаря чему наглядно показаны все положительные аспекты целостного арт-объекта. Каждый его элемент выполняет свою функцию и при этом дополняет всю картину в целом, что исключает отсутствие одной части здания без другой. Так, например, переходные конструкции, дополнили образ комплекса. Представляя произведение искусства, они не только придают законченность зданиям, но и выполняют функцию объединения всех составляющих элементов в единый комплекс, а также дают прекрасную возможность использовать свободное пространство в воздухе, что является актуальной задачей на данный момент в условиях плотной городской застройки. Учитывая условия проектирования в сейсмических районах и сурового климата, удалось разработать такие конструктивные формы кранхаузов, при которых они представляют собой уникальную устойчивую бескаркасную конструктивную систему с продольными и поперечными несущими стенами из монолитного предварительно-напряженного железобетона. Ядром жесткости в таких зданиях являются монолитные внутренние и наружные столбы квадратного, прямоугольного и круглого се-

чений, что для сейсмики имеет большое практическое значение. Такие здания выполнены в стиле модернизма, который включает новизну конструктивных и планировочных идей, использование современных строительных материалов, простоту и рациональность внутреннего пространства и внешнего облика. То есть предполагается такое объемно-планировочное решение зданий, при котором комплекс будет состоять из нескольких кранхаузов офисного и жилого типа, включающих магазины, бизнес, развлекательные центры, соединенные между собой переходами в парковые зоны и детские площадки. Основным несущим остовом всего комплекса будет являться офисное здание, состоящее из монолитного железобетона и опирающееся на стальные колонны трубчатого сечения с поясными вкладками, позволяющие уменьшить величину крутящего момента, возникающего в условиях сейсмики и сурового климата. Переходы между зданиями, расположенные поперек основной дороги, могут быть выполнены из вантовых мостовых сооружений, состоящие из двух понтонов разной высоты и стальных тросов. Фонарные установки могут быть выполнены из квадратных или прямоугольных гнутых профилей с коррозионным покрытием, а фонтаны - из металлических листов и крестовых связей в виде кубической и Y-образной формы (рисунок 4).

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

169

Архитектура

Рисунок 4 Пример фонтанного сооружения Материалы для арт-объекта. В процессе сборки арт-объекта использовались следующие материалы: пенокартон для детального оформления окон и стен зданий, стальная проволока для переходов и освещения, пластмассовая пленка для основы пьедестала, картонная бумага

для фонарей и фонтанов, в качестве струи воды - полиэтиленовые пленки, обработанные резаком. Подсветкой всего комплекса послужила светодиодная лента, протянутая по Т – образной форме. Эти материалы позволили передать с большой точностью внешний облик комплекса и раскрыть градостроительную сущность арт-объекта (фото 1-4).

Фото 1 Комплекс-макет кранхаузных зданий при ночном освещении

Фото 2 Комплекс-макет кранхаузных зданий при дневном освещении

Международный Научный Институт "Educatio" VII, 2014

Архитектура

170

Фото 3 Макет фонарных и фонтанных сооружений

Фото 4 Вид сверху (1 вариант) Результаты исследования и их анализ Что авторы имели в виду под объединением рабочей и жилой зон? Огромный комплекс, внутри которого есть все – и офисы, и магазины, и парковки, и даже парки. Фактически, этот проект будет представлять собой гибрид между ультрасовременными строительными технологиями и природой. Именно таким видится комплекс: многофункциональным и удобным, с точки зрения архитектурного подхода достаточно эстетичным. Парки располагаются не только вокруг кранхаузов, но и на крышах, а также внутри зданий. Эти парковые зоны составляют значительную часть, что позволяет назвать его «зеленым комплексом».

Фото 4 Вид сверху (2 вариант) Список литературы: 1. Нефёдов В.А. Городской ландшафтный дизайн/ Нефёдов В.А.: Учеб. пособие. – СПб.: «Любавич», 2012.- 320 с. 2. Смолицкая Т.А., Король Т.О., Голубева Е.И. Городской культурный ландшафт: Традиции и современные тенденции развития / Под ред. Т.А. Смолицкой. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012. – 272 с. 3. Журнал «Капитель», ООО Архстудия - Дом, СПб, 2012 г. 4. Гейл Ян. Города для людей. / пер. с англ./ М. Альпина Паблишер, 2012. 5. Скульмовская Л.Г. Городская среда как субстрат культуры города. / Город в пространстве культуры региона: общее и особенное: моногр. / Л.Г. Скульмовская. - СПб.: ИНФО-ДА, 2004. — С. 72—83.

Международный Научный Институт "Educatio" Ежемесячный научный журнал № 7 / 2014 Главный редактор: Вершинин Б.М., профессор, руководитель Института Психологии Новосибирского университета Ответственный секретарь: д. ф-м.н., Егоров Федор Тихонович (РФ, Санкт-Петербург) Редакционная коллегия: Геращенко Илья Анатолиевич - канд. филос. наук, доц. Гиркин Денис Владимирович - д-р геогр. наук. Данченко Кристина Валентиновна - канд. с.-х. наук. Донец Ирина Федоровна - д-р психол. наук, канд. мед. наук, проф. Евстахий Андрей Денисович - канд. техн. наук, доцент. Убезков Игорь Николаевич - канд. экон. наук Зеленский Константин Егорович - канд. физ.-мат. наук, доц. Иванов Иван Петрович - канд. пед. наук, доц. Карпенко Виктор Инокентиевич - канд. филос. наук, доц. Карпенко Татьяна Михайловна - канд. филос. наук, ст. преподаватель Козлов Семен Борисович - д-р хим. наук, проф. Левой Артем Александрович - канд. искусствоведения, проф. Лычак Мария Ивановна - канд. ист. наук, доц. кафедры естественно-гуманитарных дисциплин Смоленского филиала Российского государственного торгово-экономического университета. Мезенцева Алена Владимировна - д-р культурологии, проф. Прошин Денис Владимирович - канд. ист. наук, доц. Сероян Арсен Гиевич - канд. ист. наук, доц. Фукина Екатерина Петровна - канд. с.-х. наук, доц. Якунев Денис Алексеевич Светлана Дмитриевна - канд. пед. наук, доц. Ответственный редактор д.п.н., Вершинин Б.М. Художник: Холмогоров Арсений Якович Верстка: Залевская Тамара Аркадиевна Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Статьи, поступающие в редакцию, рецензируются. За достоверность сведений, изложенных в статьях, ответственность несут авторы. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов материалов. При перепечатке ссылка на журнал обязательна. Материалы публикуются в авторской редакции. Адрес редакции: Россия, г.Новосибирск, Комсомольский пр-кт, 1а, этаж 3, каб. 49 Сайт: http://edu-science.ru/ Е-mail: info@edu-science.ru Учредитель и издатель Международный Научный Институт "Educatio" (International Scientific Institute "Educatio") Тираж 1000 экз. Отпечатано в типографии Россия, г. Новосибирск, Комсомольский пр-кт, 1а, этаж 3, каб. 49