Вісник №57 PDF (Size: 8699 МБ) - Науково-Ñ‚ÐµÑ Ð½Ñ–Ñ‡Ð½Ð° бібліотека ...

ВЕСТНИК ISSN 2079-5459
НАЦИОНАЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА "ХПИ"
Сборник научных трудов
Тематический выпуск "Новые решения в
современных технологиях "
57'2010
Издание основано Национальным техническим университетом «ХПИ» в 2001 году
Госиздание
Свидетельство Госкомитета по информационной политике
Украины KB №5256 от 02.07.2001 г
КООРДИНАЦИОННЫЙ СОВЕТ
Председатель
Л Л.Товажнянский, д-р техн.наук, проф.
Секретарь
К.А. Горбунов, канд..техн.нук, доц.
Координационный совет
А.П. Марченко, д-р техн .наук, проф.
Е.И. Сокол, д-р техн. наук, проф.
Е.Е. Александров, д-р техн. наук, проф.
Л.М. Бесов, д-р техн. наук, проф.
Б.Т. Бойко, д-р техн. наук, проф.
Ф. Ф. Гладкий, д-р техн. наук, проф.
М.Д. Годлевский, д-р техн. наук, проф.
А.И. Грабченко, д-р техн. наук, проф.
В. Г. Данько, д-р техн. наук, проф.
В.Д. Дмитриенко, д-р техн. наук, проф.
И.Ф. Домнин, д-р техн. наук, проф.
Ю.И. Зайцев, канд. техн. наук, проф.
В.В. Епифанов, канд. техн. наук, проф.
О.П. Качанов, д-р техн наук, проф.
В.Б. Клепиков, д-р техн. наук, проф.
С. И. Кондрашов, д-р техн. наук, проф.
В.М. Кошельник, д-р техн. наук, проф.
В.И. Кравченко, д-р техн. наук, проф.
Г.В. Лисачук, д-р техн. наук, проф.
В.С. Лупиков, д-р техн. наук, проф.
О.К. Морачковский, д-р техн наук, проф.
В.И. Николаенко, канд. ист. наук, проф.
П.Г. Перерва, д-р энон. наук. проф.
В.А. Пуляев, д-р техн наук, проф.
М.И. Рыщенко, д-р техн. наук, проф.
В.Б. Самородов, д-р техн. наук, проф.
Г.М. Сучков, д-р техн. наук, проф.
Ю.В. Тимофеев, д-р техн. наук, проф.
Н.А. Ткачук, д-р техн. наук, проф.
В.И. Кравченко, д-р техн. наук, проф.
О.К.Морачковский, д-р техн наук, проф.
1
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Ответственный редактор
Е.И. Сокол, д-р техн .наук, проф.
Ответственный секретарь
А.В. Ивахненко, канд. экон. наук, ст.преп.
Г.И. Львов, д-р техн.наук, проф.
А.С. Куценко, д-р техн. наук, проф.
И.В. Кононенко, д-р техн. наук, проф.
Л.Г. Раскин, д-р техн. наук, проф.
В.Я. Заруба, д-р техн. наук, проф.
В.Я. Терзиян, д-р техн. наук, проф.
М.Д. Узунян, д-р техн. наук, проф.
Л.Л. Брагина, д-р техн. наук, проф.
В.И. Шустиков, д-р техн. наук, проф.
В.И. Тошинский, д-р техн. наук, проф.
Р.Д. Сытник, д-р техн. наук, проф.
В.Г. Данько, д-р техн. наук, проф.
В.Б. Клепиков, д-р техн. наук, проф.
Б.В. Клименко, д-р техн. наук, проф.
Г.Г. Жемеров, д-р техн. наук, проф.
В.Т. Долбня, д-р техн. наук, проф.
Н.Н. Александров, д-р техн. наук, проф.
П.Г. Перерва, д-р энон. наук, проф.
Н.И. Погорелов, канд. энон. наук, проф.
АДРЕС РЕДКОЛЛЕГИИ
61002, Харьков, ул. Фрунзе. 21 НТУ
«ХПИ», СМУС Тел. (057) 707-60-40

Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових
праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях.- Харків: НТУ
„ХПІ-2010. - №57. - 288с.
В сборнике представлены теоретические и практические результаты научных
исследований и разработок, которые выполнены преподавателями высшей школы,
аспирантами, научными сотрудниками, специалистами различных организаций и
предприятий
Для научных работников, преподавателей, аспирантов, специалистов
У збірнику представлені теоретичні та практичні результати наукових
досліджень та розробок, що виконані викладачами вищої школи, аспірантами,
науковими співробітниками, спеціалістами різних організацій та підприємств Для
наукових співробітників, викладачів, аспірантів, спеціалістів
Друкується за рішенням Вченої ради НТУ „ХПІ", Протокол № 11 від 28.12.2010
Національний технічний університет „ХПІ" 2010
2

УДК 66.074.48:621.928.9
ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКИХ И
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И
ЭКОЛОГИЯ
С.В. ПЛАШИХИН, асп., Національний технічний університет України
«КПІ», м. Київ
Д.А. СЕРЕБРЯНСЬКИЙ, канд. техн. наук, науковий співробітник,
Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ
Ю.А. БЕЗНОСИК канд. техн. наук, доцент, Національний технічний
університет України «КПІ», м. Київ
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЦИКЛОФІЛЬТРА
В ПРОЦЕСІ ВЛОВЛЮВАННЯ ЦЕМЕНТНОГО ПИЛУ
У статті представлені результати експериментального дослідження процесу вловлювання
цементного пилу в циклофільтрі, який призначений для комплексної очистки газів, що
відходять
Ключові слова: цементний пил, циклофільтр, комплексне очищення
В статье представлены результаты экспериментального исследования процесса улавливания
цементной пыли в циклофильтре, который предназначен для комплексной очистки
отходящих газов
Ключевые слова: цементная пыль, циклофильтр, комплексная очистка
In this paper presents the results of experimental investigation of capture cement dust in the
cyclone, which is designed for comprehensive cleaning of flue gases
Keywords: cement dust, cyclone, integrated cleaning
1. Вступ
Виробництво цементу пов'язане з випалом клінкеру в обертових
цементних печах. Розпечений клінкер після печі охолоджують повітряним
потоком в колосникових холодильниках. Разом з потоком охолоджуючого
повітря з холодильника викидається клінкерний пил, по суті, що є готовим
продуктом - цементом. Для зниження викидання пилу на підприємствах
України застосовують переважно батарейні циклони. Викидання клінкерного
пилу з них становить зазвичай 10 - 15%, при аеродинамічному опорі приблизно
1,2 кПа. Батарейні циклони розроблені в середині минулого століття і не
відповідають сучасним санітарним вимогам , що застосовуються до умов
аспірації холодильників клінкеру цементних заводів [1]. Досягти санітарні
норми на викиди пилу в атмосферу можливо при застосуванні апарату нової
конструкції - циклофільтра.
2. Циклофільтр – апарат для вловлювання пилу
Запропонований нами новий апарат циклофільтр об'єднує в собі два
принципи очищення: відцентрова сепарація і фільтрація. Циклофільтр
3

представляє собою циклон з подвійним корпусом, в якому відбувається
попередня очистка висококонцентрованого запиленого потоку, а тонке
очищення відбувається в гофрованому фільтр-елементі розташованого у
внутрішній частині ціклофільтру.
Для експериментально - дослідного випробування циклофільтру ЦкФ-01
на ділянці за холодильником клінкеру на Рибницькому цементному комбінаті
був змонтований експериментальний стенд. Стенд складався з циклофільтру
ЦкФ-01, відцентрового вентилятору ВЦ 6-28-3,15, газоходів, вимірювального
обладнання. Загальний вид стенду показано на рис. 1.
Рис. 1. Експериментальна установка аспірації холодильника клінкера
В якості фільтруючого елемента була використана фільтрувальна тканина
з поліефіру з наступними технічними характеристиками: поверхнева щільність
311 г/м 3 , повітропроникність 161 дм 3 /м 2 , коефіцієнт заповнення поверхневий
1,1.
3. Експериментальне дослідження
Експериментальні дослідження проводились по стандартній методиці
МВВ-081/12- 0161-05. Зважування фільтроматеріала (базальтове волокно) для
патронів, трубок внутрішньої фільтрації і імпакторів проводилося на
аналітичних вагах з точністю до 4 знаку. Температурне поле визначали в точці
виміру потоку по перетину газоходу [3]. Вимір температури проводився
електронним міні термометром фірми «TESTO» з діапазоном вимірюваної
температури від -10 до +250 0 С і похибкою виміру ±0,1%.
Виміри тиску проводилися за допомогою диференційного
мікроманометра «TESTO 506» [3]. Діапазон виміру тиску від 0 до 10/200 гПа.
Роздільна здатність приладу - 1Па. Похибка виміру складала ±1%.
Дисперсний склад пилу визначався за допомогою 14-и ступінчастого імпактора
НДІОГазу, що дозволяє здійснити забір запиленого газу безпосередньо в
газоході [2] (рис.2).
Для проведення вимірів дисперсного складу пилу за допомогою
імпактора збирається переносна установка, в яку входять імпактор, скляна
посудина (холодильник) на 1/5 наповнена водою з двома трубками для входу
гарячого газу і виходу охолодженого газу, аспіратор М-822 та з’єднувальних
шлангів.
4

Рис. 2. Імпактор НДІОГазу
1– диски імпактора (14 шт.), 2 – сопло
в диску імпактора, 3 – виїмка, що
заповнюється базальтовим волокном,
4 – фільтр, 5 – корпус імпактора, 6 –
забірний носик, 7 – відсосна трубка, 8
– накидна гайка, 9 – фіксуючі болти,
10 – вхідна трубка
Приймаючи за 100% сумарну
вагу на всіх рівнях приладу,
визначають долю часток, що осіли на
кожних двох рівнях. Після цього
розраховують відповідне значення
d' 50 :
µ
г 10 1350
d ′
50
= d50
− 6 , мкм.,
1,8 ⋅ 10 v ρ
де ν
ε - витрати відібраної проби газу
за умовами потоку, л/хв; ρ
п - густина
пилу, кг/м 3 ; µ
г - в’язкість газу, кг·с/м 2 .
При визначенні дисперсного складу
досліджуваного пилу по вазі
приросту в різних рівнях приладу
приймається, що в кожному рівні
осідають всі частки з діаметром, що
перевищує значення d' 50 для даного
рівня.
Результати випробувань наведені в таблиці 1.
Таблиця 1.
Розрахункова таблиця та кінцеві данні по дисперсійному складу
№ ступеню Приріст ваги, г d 50 , мкм частка, % % d 50 роб, мкм
1,1-1,2 0,0029 7 25,22 25,22 15,63
2,1-2,2 0,0026 5 22,61 47,83 11,16
3,1-3,2 0,0014 3,2 12,17 60,00 7,14
4,1-4,2 0,0005 2,6 4,35 64,35 5,80
5,1-5,2 0,0004 2,2 3,48 67,83 4,91
6,1-6,2 0,0015 1,2 13,04 80,87 2,68
7,1-7,2 0,0021 0,76 18,26 99,13 1,70
фільтр 0,0001 0,87 100,00
ВСЬОГО 0,0115
Медіанний діаметр пилу на виході з циклофільтру склав d 50 =8 мкм. Слід
відмітити, що пил на вході характеризувалась медіанним діаметром d 50 =20…25
мкм.
4. Висновки
В результаті аеродинамічних і дисперсійних випробувань циклофільтру
ЦкФ-01 на ділянці за холодильником клінкеру на Рибницькому цементному
комбінаті були отримані наступні результати: запилений газ відбирався з
газоходу холодильника клінкеру в об'ємі приблизно 0,00077% за допомогою
вентилятора ВЦ 6-28-3,15, при цьому витрата газів через циклофільтр ЦкФ-01
під час випробувань склала – 97 м 3 /год при температурі 90 0 С. Аеродинамічний
опір циклофільтру ЦкФ-01 в період випробувань склав 480 Па. Концентрація на
5
г
п

вході у циклофільтр ЦкФ-01 – 2,3 г/м 3 , на виході з циклофільтру ЦкФ-01 –
0,077 г/м 3 , при цьому коефіцієнт вловлювання склав 96,6%.
Досягти більш високих показників ефективності очистки в циклофільтрі
можна при використанні більш щільної тканини з поверхневою щільністю
більше 450 г/м 3 .
Список літератури: 1. Петров, Б.А. Обеспыливание технологических газов цементного
производства [Текст] / Б.А. Петров, П.В. Сидяков - Л.: Стройиздат, 1965. – 89 с. 2. Коузов,
П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных
материалов [Текст] / П.А. Коузов - Л.: Химия, 1987. - 264 с. 3. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана
природы. Атмосфера. Методы определения давления и температуры газопылевых потоков,
отходящих от стационарных источников загрязнения [Текст] – Введ. 1991-01-01. – М.: Издво
стандартов, 2000. – 14 с.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 0.83.72:541.64:541.427
Е.В. ПОЛУНКИН, канд. хим. наук, ст.. науч. сотр., Институт
биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, г. Киев
В.В. ЕФИМЕНКО, канд. техн. наук, доцент, НАУ, г. Киев
Т.Н. КАМЕНЕВА, канд. хим. наук, ст. науч. сотр., Институт
биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, г. Киев
А.В.ЕФИМЕНКО, аспирант, НАУ, г. Киев
К.А. КИРПАЧ, магистр, НАУ, г. Киев
ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ
КОМПЛЕКСА ФУЛЛЕРЕНА
С60 С П-ТРЕТ-БУТИЛКАЛИКСАРЕНОМ
Рассмотрена возможность использования нанокластера фуллерена с п-третбутилкаликс[8]ареном
как антиоксидантом органических веществ. Исследованы
антиокислительные свойства данного комплекса в растворе бензилового спирта.
Ключевые слова: фуллерен, присадка, антиокислительные свойства.
Розглянуто можливість використання нанокластеру фулерену з п-трет-бутилкалікс[8]ареном
як антиоксиданту органічних речовин. Досліджено антиокиснювальні властивості данного
комплексу у розчині бензилового спирту.
Ключові слова: фулерен, присадка, антиокисні властивості.
The use of fullerene nanoclaster with p-tret-butypotassiuml[8]arene as of an antioxidant of organic
substances was studied. Antioxidizing properties of the given complex in solution of benzilic
alcohol were explored.
Keywords: fullerene, additive, antioxidizing properties.
Введение
Фуллерен был открыт в 1985 году [1], но исследование его химических
свойств началось после выделения его в макроскопических количествах. Хотя
ковалентная химия фуллерена начала быстро развиваться, супрамолекулярная
химия не была изучена в тех же масштабах. Ранние усилия в
6

супрамолекулярной химии фуллеренов были направлены на молекулярное
комплексообразование чистой углеродной сферы в твердом состоянии и в
растворе, тогда как построение новых супрамолекулярных архитектур с
исследованием природы их образования и стабильности были развиты позже,
поскольку, для этого нужно было прежде всего хорошо изучить ковалентную
химию фуллеренов.
Обнаружено, что различные макроциклические молекулы "хозяева",
такие как каликсарены или аналоги каликсаренов (циклодекстрины,
циклотривератрилены и азакраун эфиры) формируют комплексы включения
вместе с фуллеренами. Такие комплексы, полученные с различными
каликсаренами нашли применение для очистки фуллеренов с углеродной сажи.
Кроме того, такие системы «хозяин-гость» были использованы для включения
фуллеренов в хорошо упорядоченных системах, таких как Лэнгмюровские
пленки или самоорганизующиеся монослои. В свете их уникальных
электронных свойств, производные фуллерена также подходят как
строительные блоки для восстановления молекулярных устройств отображения
фотоиндуцированной энергии и процесса переноса электронов [2].
Анализ исследований
Каликс[n]арены – это полифенольные молекулы с гидрофильными
полостями, склонны к комплексообразованию с фуллеренами. Так как
фуллерены имеют глобулярную структуру с внешней π-электронной
поверхностью, а каликсарены имеют полостную структуру с внутренней π-
электронной поверхностью, то сочетание их комплексообразования типа
«гость-хозяин», например через π-π взаимодействие, есть очевидно возможным
[3]. Толчком к активному исследованию образования соединений включения
фуллерена с каликсаренами было открытие, что водорастворимая производная
каликс[8]арена может извлекать фуллерен С60 из органической в водную фазу.
В 1994 году было открыто, что
п-третбутилкаликс[8]арен (1) реагирует с С60 в толуэне с образованием
коричнево-желтого осадка со стехиометрией 1:1 (1/С60) (Рис. 1).
1 C60
толуэн
нагрев
1•C60
Рис. 1. Схематическое изображение
реакции п-третбутилкаликс[8]арена
(1) с С60
Поскольку этот комплекс плохо
растворим во многих органических
растворителях, то это есть очень
простым и эффективным методом для
очистки С60.
Несмотря на некоторые
противоречивые результаты, много
внимания было уделено исследованию
структурной и супрамолекулярной
природы комплекса (1)∙С60. Анализ ИК и УФ спектров, а также ЯМР не только
указывает на супрамолекулярное взаимодействие между (1) и С60, но также и
на конформационные изменения в самом каликсарене.
То, что п-каликс[8]арен и о-метилкаликс[8]арен не образуют комплекс с
С60 как осадок из толуэна, указывает на важность п-трет-бутильних групп для
7

СН-π взаимодействий с С60 и важность ОН групп в сдерживании каликсарена в
жесткой структуре через внутренне- молекулярные водородные связи.
Наноструктура «мяч и корзина» (Рис. 2), в
которой С60 связан верхним (трет-бутильним)
краем каликсарена была сначала предложена и
согласовывалась с результатами изучения
Ленгмюровских пленок.
Позже, на основе совместных
спектроскопических исследований и изучения
рентгеновской дифракции была предложена
мицеллоподобная структура (рис. 3) с
трехмерным агрегатом фуллеренов
окруженных тремя молекулами хозяина,
каждая из которых представлена в виде
конформации двойного конуса.
а) б)
Рис.2. Схематическое
представление структуры
комплекса фуллеренкаликсарен:
а) «мяч и корзина»
б) «капсулообразная»
Рис.3.Схематическое представление мицеллоподобных структур (1) 3 •(С60) 3
и (1) 3 •С70•(С60) 2
После интенсивной проверки каликсаренов на образование комплексов с
фуллереном пришли к выводам, что первым необходимым условием для
включения С60 является то, что ОН группы на нижнем ободке незамещенные,
поэтому они могут принимать конформацию конуса. Вторым необходимым
условием является подходящий размер кольца для взаимодействия, что
наблюдалось для немодифицированных каликс[5]аренов, каликс[6]аренов и
гомооксокаликс[3]аренов, но не для каликс[4]аренов. Эти результаты дают
возможность сделать вывод, что движущей силой для включения С60 является
π-π взаимодействие или сольватационный эффект. Для полного использования
этого эффекта каликсарены должны быть организованы в конформацию конуса
через внутримолекулярные водородные связи между ОН группами.
Были исследованы антиокислительные свойства каликсаренов [3]. В
частности, отмечена стабилизирующая роль каликсаренов в фотоокислении
полиолефинов, эффективное влияние п-трет-бутилкаликс[4]арена на
окислительный радиолиз полипропилена. Изучались основные кинетические
особенности радиолиза пропилена в присутствии каликсаренов, а также
стабилизационный эффект п-трет-бутилкаликс[n]арена (n = 4,6) на термическое
разложение полипропилена. Исследован вклад п-трет-бутилкаликс[n]аренов (n
= 4,6,8) в термическую стабильность различных сортов полиэтилена низкой
плотности. Каликсарены в этих исследованиях не уступают, а даже превосходят
такой классический антиоксидант, как «ионол» или 4-метил-2 ,6-ди-трет-бутилфенол.
Это, вероятно, потому что каликсарены формируют относительно
8

стабильные радикалы, которые препятствуют распространению радикальных
цепных реакций.
Известно, что молекула нанокластера C60 в химических превращениях
выступает как электронно-дефицитный суперполиолефин. Поэтому фуллерены
C60, C70, C82 способны ингибировать радикально-цепное окисление
органических (первичных и вторичных спиртов, алкилбензолов, стирола,
простых липидов и т.д.) и технических продуктов на их основе (смазочных
материалов, растительных масел, биотоплив) в реакциях окисления [4].
Предпосылкой для исследования антиокислительных свойств комплекса
включения С60-каликсарены является то, что каликсарены и фуллерены могут
выступать в роли антиоксидантов радикально-цепного окисления органических
веществ.
Постановка задачи – исследовать возможность использования
комплекса фуллерен-каликсарен как антиоксиданта углеводородных растворов.
Цель работы – исследование антиокислительных свойств комплекса
фуллерен-каликсарен.
Экспериментальная часть
В работе использованы образцы фуллерена, которые имели степень
чистоты более 99,6% (масс.) и обеспечивали воспроизведение кинетических
результатов окисления исследуемых органических соединений.
Образец п-трет-бутилкаликс[8]арена очищали перекристаллизацией с
хлороформа. Хлороформ и толуол очищали от возможных примесей
органических веществ и воды высушиванием и перегонкой при атмосферном
давлении. Антиокислительные свойства комплекса фуллерена исследовали
методом инициированного окисления при 50 °С. Органические субстраты
марки "ч" (бензиловый спирт) и растворитель хлоробензол марки "хч" очищали
от возможных ингибиторных примесей путем однократного пропускания их
через колонку с активированными оксидом алюминия и углем с последующей
дистилляцией в атмосфере аргона. Как инициатор цепей окисления
использовали 2,2-азо-бис-изобутиронитрил марки "ч", который был очищен
перекристаллизацией с этанола.
Синтез комплекса включения фуллерена С60 и п-третбутилкаликс[8]арена
проводился по известной методике [4] путем осаждения из
толуола с последующим высушиванием под вакуумом при 50 °С. Данный
супрамолекулярный комплекс представляет собой порошок желто-коричневого
цвета. Состав С60 • п-трет-бутилкаликс[8]арен со стехиометрическим
соотношением 1:1 подтверждается данными элементного анализа С – 88,20 %,
Н – 5,73 % (рассчитано: С – 88,10 %, Н – 5,56 %).
Антиокислительные свойства комплекса проверялись путем окисления
бензилового спирта в растворе хлорбензола при температуре 50 °С.
Инициатором окисления выступал 2,2-азо-бис-изобутиронитрил (АИБН).
Определенных исследований по растворимости и стабильности С60 • п-
третбутилкаликс[8]арена в бензиловом спирте или хлорбензоле нет, но
растворимость комплекса в бензиловом спирте и хлорбензоле невысока,
9

поэтому часть его, представляющая собой непрозрачную жидкость желтого
цвета, находится во взвешенном состоянии в растворе.
На рис.4 приведен график зависимости поглощения кислорода от
времени окисления. Из графика видно, что с увеличением концентрации
комплекса уменьшается количество кислорода, который поглощается
бензиловым спиртом, т.е. снижается скорость окисления бензилового спирта.
Результаты исследований представлены на графике (рис. 5).
14
12
10
8
6
4
2
[О2]·10 4 ,
моль/л
0 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
t, мин.
Рис. 4. Кинетика поглощения
кислорода бензиловым спиртом (4,82
моль/л в хлорбензоле) при 50 °С при
различных концентрациях
исследуемого комплекса:
1 – при С = 0 моль/л; 2 – при С =
1,29·10 -4 моль/л; 3 – при С = 1,98·10 -4
моль/л; 4 – при С = 2,98·10 -4 моль/л.
1
2
3
4
2,5
2
1,5
1
0,5
0
W·10 6 , моль/(л·с)
0,5 1 1,5 2 2,5 3
C·10 4 , моль/л
Рис.5. Зависимость скорости
окисления W бензилового спирта от
начальной концентрации комплекса
фуллерен-каликсарен.
Следует также отметить изменение цвета комплекса в процессе
окисления. Так, в ходе окисления цвет раствора изменяется с желтого на
фиолетовый, который далее уменьшает свою интенсивность окраски. Причем, с
увеличением концентрации комплекса изменение цвета в процессе окисления
проявляется в меньшей степени.
Такие изменения в окраске, вероятно, можно объяснить распадом
комплекса в ходе исследования, поскольку появление фиолетового цвета
свидетельствует о свободном растворенном фуллерена в хлорбензоле.
Выводы
Комплекс С60•п-третбутилкаликс[8]арен проявляет антиокисли-тельные
свойства в растворе бензилового спирта. Скорость окисления обратно
пропорциональна содержанию комплекса в бензиловом спирте.
В ходе исследования антиокислительных свойств комплекса установлено,
что он может разрушаться с высвобождением растворимого фуллерена.
Эффективное использование этого комплекса может быть только при высокой
его стабильности и растворимости в различных растворах. Однако эти
параметры до настоящего времени недостаточно исследованы.
Список литературы: 1. Фуллерены: учеб. пособие / Л. Н. Сидоров, М. А. Юровская, А. Я.
Борщевский и др. – М.: Экзамен, 2005. – 688 с. 2. Катализ. Механизмы гомогенного и
гетерогенного катализа, кластерные подходы // В. В. Гончарук, Г. М. Камалов, Г. А. Ковтун и
10

др. – К.: Наукова думка. – 2002. – 542 с. 3. Ковтун Г. О. Кластери, нанокластери та нанозолі у
каталізі диспропорціонування вільних радикалів: механізми, аспекти хіммотології // Вісник
НАУ. – 2009. – № 1. – С. 187 – 188. 4. Ковтун Г. А., Плужников В. А. Химия ингибиторов
окисления органических соединений. – К.: Наукова думка, 1995. – 76 с.
Поступила в редколлегию 24.11.2010
УДК 661.21
З.О. ЗНАК, докт. техн. наук, профессор, Національний університет «Львівська
політехніка»
В.Т. ЯВОРСЬКИЙ, докт. техн. наук, профессор, Національний університет
«Львівська політехніка»
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ УТВОРЕННЯ ПОЛІМЕРНОЇ СІРКИ
ВНАСЛІДОК ПРЯМОГО ОХОЛОДЖЕННЯ ПРОДУКТІВ
ПЛАЗМОЛІЗУ СІРКОВОДНЮ ВОДНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ
Наведено області застосування полімерної сірки. Проаналізовано експериментальні дані з її
утворення в конденсаторі змішування під час охолодження продуктів плазмолізу
сірководню. Сформульовані висновки підтверджено даними інструментальних методів
аналізу.
Ключові слова: полімерна сірка, сірководень, плазмоліз.
Приведены области применения полимерной серы. Проанализированы экспериментальные
данные по ее образованию в конденсаторе смешивания при охлаждении продуктов
плазмолиза сероводорода.
Ключевые слова: полимерная сера; сероводород, плазмолиз.
The fields of application of polymeric sulphur are given. Experimental data on its formation in the
capacitor of mixing during cooling of the products of the plasmolysis of hydrogen sulphide are
analyzed. The keywords: polymeric sulphur; hydrogen sulphide, plasmolysis.
1. Вступ
Завдяки своїм унікальним властивостям полімерна сірка все ширше
використовується не тільки у традиційній галузі застосування – шинній
промисловості, але й будівельній сфері, технологіях захисту від іонізуючого
випромінювання та очищення стічних вод від іонів важких металів. Широке
застосування полімерної сірки сприяє прогресу у відповідних галузяхспоживачах
цього продукту. Саме тому ринкова вартість полімерної сірки на
світовому ринку неухильно зростає, відтак актуальним є розроблення
ефективного методу одержання полімерної сірки, зокрема, на основі
комплексного перероблення відходів.
2. Постановка проблеми
Серед традиційних методів одержання полімерної сірки одним з
найефективніших, який забезпечує найбільший вихід продукту, є одержання
полімеру з парів сірки [1], зокрема, за температур (понад 2150 К), коли сірка
перебуває в атомарному стані. У цьому випадку високий (понад 90 %) вихід
полімеру забезпечується найбільшим, порівняно з іншими методами одержання
полімерної сірки, значенням ексергії. Однак головною перепоною для
11

широкомасштабного впровадження у виробництво цього процесу є високі
енерговитрати на отримання парів сірки та їх дуже висока корозійна активність.
Тому цікавим в аспекті одержання полімерної сірки є метод перероблення
плазмохімічного сірководню – відходу технологій перероблення та
кондиціювання горючих копалин, який дає змогу отримати сірку та водень –
цінне екологічно чисте паливо. При цьому температура плазмового розряду не
перевищує 1500…1700 К, а корозії реактора завдяки газодинамічній стабілізації
плазми не відбувається.
3. Аналіз останніх досліджень і публікацій
Дослідження процесу плазмохімічного перероблення сірководню до
недавнього часу здійснювали з метою підтвердження енергетичної
ефективності [2]. Нами вперше було показано можливість одержання
полімерної сірки за умов контрольованого охолодження продуктів плазмолізу
сірководню в поверхневому конденсаторі [3]. Але було виявлено, що
сконденсований продукт характеризується анізотропністю властивостей, що
зв’язано з нерівномірністю теплообміну в різних областях теплообмінника, а
відтак різними швидкостями охолодження продуктів плазмолізу сірководню,
що впливає на утворення полімерної сірки. Передбачали, що забезпечити
рівномірність теплообміну, а відтак й ізотропію властивостей полімерної сірки
можна за рахунок безпосереднього контакту парогазової суміші з теплоносієм,
тобто здійснюючи процес у теплообміннику–конденсаторі змішування.
4. Мета роботи полягала в дослідження процесу утворення полімерної
сірки внаслідок безпосереднього охолодження продуктів плазмохімічного
розкладу сірководню водним середовищем.
5. Експериментальна частина
Дослідження виконували на плазмохімічній установці з номінальною
потужністю 2 кВт (частота випромінювання 2,45 ГГц) [4]. Охолодження
продуктів плазмолізу здійснювали дистильованою водою в ізотермічному
режимі із швидкістю 80±5 К/с. Отриманий продукт аналізували на вміст
полімерної модифікації сірки, а також досліджували методами
рентгенофазового (РФА) та диференційно-термічного (ДТА) аналізів та
електронного парамагнітного резонансу (ЕПР).
6. Результати та їх обговорення
Установлено, що із збільшенням швидкості охолодження продуктів
плазмолізу сірководню в конденсаторі змішування вміст полімерної складової в
одержаному продукті зростав (рис. 1, крива 1), що загалом підтверджувало
раніше виявлені закономірності. Одночасно зростала дисперсність отриманого
продукту. Так, частка фракції 0,1±0,25 мм збільшувалась від 17…20 до 60..65
%. Це можна пояснити інтенсивнішим «загартуванням» продуктів плазмолізу,
зокрема сірки, яке полягає в структуруванні макромолекул полімерної сірки.
Цей висновок підтверджується даними РФА, згідно з якими ступінь
кристалічності продуктів (рис. 1. крива 2), розрахований за методом Метьюза,
зростав із збільшенням швидкості охолодження. При цьому рефлекси
полімерної сірки, отриманої за швидкостей охолодження близько 25 К/с,
практично завуальовані дуже інтенсивними піками ромбічної сірки (рис. 2).
12

Вміст полімерної сірки, %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
,
0 20 40 60 80 100 120
Швидкість охолодження, К/с
Рис. 1. Залежність вмісту полімерної сірки у
продукті та ступінь його кристалічності від
швидкості охолодження продуктів плазмолізу
сірководню в конденсаторі змішування водою
90
80
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Ступінь кристалічності, %
3,84
Однак за наявними
рефлексами можна зробити
висновок про те, що
полімерна сірка належить до
µ-модифікації, яка є
нестабільною в часі й з часом
реверсує до ромбічної
модифікації.
Утворення нестабільної
модифікації та значна частка
(близько 80 %)
грубодисперсних часток
продукту (понад 0,25 мм аж
до 2…3 мм) корелюють між
собою.
70
60
50
40
30
20
10
2,57
2,73
2,84
3,048
3,12
3,22
3,34
3,76
4,27
0
36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14
Рис. 2. Дифрактограма продукту, отриманого в конденсаторі змішування за
середньої швидкості охолодження 25 К/с
3,95
50
Процес
4,15
2,98
перекристалізації
40
продукту відбувається
30
як екзотермічний. Із
збільшенням розмірів
20
частинок продукту
3,23
10
3,63
2,25
4,50 тепловіддача від
0
частинки, передусім
42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16
його внутрішніх
Рис. 3. Дифрактограма продукту, отриманого в областей, до
конденсаторі змішування за середньої швидкості охолоджувального
охолодження 96 К/с
середовища
погіршується.
Відтак теплота перекристалізації витрачається на руйнування зв’язків у
макромолекулі полімерної сірки – відбувається її реверсія до ромбічної
модифікації.
Дифрактограма продукту, отриманого за середньої швидкості
охолодження 96 К/с відповідає полімерній сірці ω-модифікації (рис. 3), що
належить до стабільних алотропів сірки. Стабільність цієї модифікації
13

зумовлена більшою кристалічністю – близько 70 %, тобто високою
упорядкованістю структури.
На підставі отриманих результатів зробили висновок, що стабільніша
полімерна сірка характеризується меншою мольною масою (прямих методів
визначення молекулярної маси полімерної сірки не існує), тобто вона є
термодинамічно стабільнішою. Ці висновки підтверджено методами ДТА та
термомеханічного аналізу. Наприклад, у продуктів, отриманих за більших
швидкостей охолодження продуктів плазмолізу сірководню, точки екстремуму
(мінімуму), що відповідають дефрагментації макромолекул, зміщені в область
вищих температур (рис. 4, крива 1).
0 50 100 150 200 t,C
Рис. 4. Криві ДТА продуктів,
отриманих за різних швидкостей
охолодження продуктів плазмолізу
сірководню: швидкість охолодження,
К/с: 1 – 96; 2 - 25
2
1
Це означає, що їх стабільність є
вищою. Окрім того, ширина області,
де проявляється ендоефект, у випадку
продуктів, отриманих за вищих
швидкостей охолодження, є дещо
меншою. Це свідчить про вужчий
молекулярно-масовий розподіл у
цьому продукті, що узгоджується із
даними рентгенофазового та ситового
аналізу.
Методом ЕПР встановлено (рис. 5), що
продуктам конденсації парогазової
суміші, що утворюється при
плазмолізі сірководню, притаманні парамагнітні властивості, тобто до їх складу
входять вільні радикали.
Форма спектру ЕПР свідчить про відносну локалізацію неспарених
електронів у макромолекулах, а відтак і переважно радикальний механізм
полімеризації сірки.
Рис. 5. Спектр ЕПР продукту
конденсації парогазової фази у
водному середовищі
Однак, усі отримані зразки полімерної сірки
характеризуються відносно незначною
стабільністю в часі, хоча стабільність
продуктів із вищою кристалічністю є
більшою. Так, швидкість реверсії продуктів,
отриманих за швидкостей охолодження 25 і
96 К/с, дорівнює відповідно близько 7 і 3 %
за тиждень. Це можна пояснити відсутністю
в системі речовин, які можуть відігравати
роль стабілізаторів полімерної сірки.
7. Висновки
Комплексом виконаних досліджень установлено, що внаслідок
безпосереднього охолодження парогазової суміші, що утворюється під час
плазмолізу сірководню, за швидкості охолодження понад 80 К/с утворюється
продукт, що містить понад 70 % полімерної сірки, що належить до відносно
стабільної ω-модифікації. Установлено, що процес формування макромолекул
полімерної сірки відбувається переважно за радикальним механізмом.
14

Подальші дослідження будуть спрямовані на пошук ефективних
стабілізаторів полімерної сірки, які входитимуть до складу охолоджувального
середовища в конденсаторах змішування.
Список літератури: 1. Яворський, В.Т. Технологія сірки і сульфатної кислоти [Текст]:
підручник / В.Т. Яворський. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська
політехніка», 2010. – 404 с. 2. Знак, З.О. Масштабування процесу плазмохімічного
перероблення сірководню на установках різної потужності [Текст] / З.О. Знак, В.Т.
Яворський // Восточно-европейский журнал передовых технологий. -2006. -№ 4/3 (22). - С.
76-79. 3. Знак, З.О. Одержання полімерної сірки при охолодженні продуктів плазмохімічного
розкладу сірководню в поверхневому конденсаторі [Текст] / З.О. Знак, В.Т. Яворський, Р.Р.
Оленич // Вопросы химии и химической технологи. -2005. -№3. -С. 66-69. 4. Знак, З.О.
Моделювання процесу одержання полімерної сірки внаслідок плазмохімічного перероблення
сірковмісних сполук [Текст] / З.О. Знак // Экотехнологии и ресурсосбережение. -2006. -№ 5. -
С.44-48.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 66.021+66.048
Е. В. МАНОЙЛО, канд. техн. наук, доцент, НТУ «ХПИ», г. Харьков
В. Ф. МОИСЕЕВ, канд. техн. наук, профессор, НТУ «ХПИ», г. Харьков
УНОС ЖИДКОЙ ФАЗЫ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ АППАРАТЕ
Виявлено основні закономірності, що впливають на віднесення рідкої фази у відцентровому
тепло- масообмінному апараті. Проведено якісний аналіз основних джерел віднесення рідкої
фази. Експериментально вивчений вплив робочих параметрів – щільності зрошення,
швидкості газу, числа оборотів ротора на величину сумарного віднесення рідкої фази. Також
розглянута зміна величини сумарного віднесення рідкої фази при використанні різних
контактних пристроїв і сепаратора-відбійника в газоході, через який відводять газову фазу.
Ключевые слова: центробежный тепло-массообменный аппарат, брызгоунос, гидродинамика
Выявлены основные закономерности, влияющие на унос жидкой фазы в центробежном
тепло- массообменном аппарате. Проведен качественный анализ основных источников уноса
жидкой фазы. Экспериментально изучено влияние рабочих параметров – плотности
орошения, скорости газа, числа оборотов ротора на величину суммарного уноса жидкой
фазы. Также рассмотрено изменение величины суммарного уноса жидкой фазы при
использовании различных контактных устройств и сепаратора-отбойника в отводящем
газоходе.
Ключевые слова: центробежный тепло-массообменный аппарат, брызгоунос, гидродинамика
Basic conformities to law, influencing on taking away of liquid phase in centrifugal masstransfer
vehicle, are exposed. The analysis of basic sources of taking away of liquid phase is conducted.
Influence of operating parameters - closenesses of irrigation, gas speed, number of turns of rotor on
the size of the total taking away of liquid phase is experimentally studied. The change of size of the
total taking away of liquid phase is also considered at the use of different contact devices and
separation device in gas output.
Keywords: centrifugal masstransfer vehicle, taking away of liquid phase, hydrodynamics
Известно, что увеличение скорости движения фаз в массообменных
устройствах приводит к резкому возрастанию коэффициента массоопередачи.
15

но одновременно сопровождается ростом потерь продукта за счет уноса. Мало
изученность данного вопроса не позволяет достаточно широко и эффективно
использовать центробежный эффект в массообменных аппаратах. Очевидные
преимущества принудительной закрутки потоков, такие как снижение
габаритов массообменных аппаратов, при росте производительности, снижение
уноса и увеличение эффективности массообмена делают решение данной
задачи актуальным.
Анализ данных по гидродинамике распыленной жидкости и
гидродинамике удара капель о преграду позволил выделить следующие
основные источники уноса жидкой фазы на контактном элементе:
- мелкодисперсные капли, унесенные потоком газа (пара) из факела
распыленной жидкости;
- мелкодисперсные капли, образовавшиеся при взаимодействии капель
факела между собой;
- вторичные капли, образовавшиеся при ударе капель факела о пластинки
контактного устройства.
- мелкодисперсные капли, образовавшиеся при взаимодействии капель
факела и вторичных капель между собой.
Исследование отдельных источников уноса жидкой фазы позволит
установить вклад каждого из них в суммарную величину уноса жидкости и
обоснованно подойти к описанию явления, определив основные направления
снижения уноса на контактном элементе центробежного тепломассообменного
аппарата.
На первом этапе представляется целесообразным провести аналитическое исследование всех
перечисленных выше источников уноса [1].
Величина уноса жидкой фазы за счет первого источника может быть
определена следующим образом
k
k
k
e
1
= ∑ e
1i
=
ж
i = 11
i= 1 i=
1
dmax
∑ Q
i P
i
= ρ
ж ∑ Q
i ∫
i
ρ fdd
(1)
Учитывая нормальное распределение капель по размерам в факеле
распыленной жидкости, получено экспериментальное уравнение для
определения величины уноса жидкой фазы
k
2
c dmax
1 ⎡ ( d − d )
max 1
⎤
e = ∑ ∫ exp
Q dd
1 o
c i
i=
S
⎢
2
S
⎥
(2)
1 2π
⎣ 2 ⎦
где e
1 - унос жидкой фазы за счет первого источника, кг/с; f - функция
распределения размеров капель в факеле; d
max - максимальный диаметр капли,
уносимой с контактного элемента из факела, образованного одним рядом
отверстий, м; Q - производительность одного ряда отверстий распылителя,
м 3 /с; Q
c - производительность части распылителя высотой H ; м 3 /с; H - высота
сепарирующей части факела, м; S - среднеквадратичное отклонение;
Производительность распылителя определяли по данным работы [2],
средний размер диспергированных капель - по данным [3]; капли в факеле
распыленной жидкости отвечают нормальному закону распределения со
среднеквадратическим отклонением S = 0,6 [3]. Для описания движения
16
o
i

капель в факеле на контактном элементе воспользуемся математической
моделью движения одиночной сферической капли в прямоугольной системе
координат, жестко связанной с контактным элементом. Движение такой капли
определяется центробежной силой тяжести и силой сопротивления газовой
(паровой) фазы. Сила Архимеда мала, ею пренебрегаем.
Математическая модель движения капли на оси координат согласно
второму закону Ньютона будет иметь вид
2
dU
x
( U
x
− U
ãõ)
m = = − ζ F
ρ
ã
dτ
2
2
dU
ó
( U
ó
− U
ãó)
m = = − ζ F
ρ
ã
(3)
dτ
2
2
dU ( U − U )
z
z ãÿ
m = = − ζ F
ρ
ã
dτ
2
Проекции скорости газового потока на оси X, Y, и Z зависят от
расположения капли относительно стенок контактного устройства и угла γ
установки направляющих лопаток.
U
U
U
гx
гy
гz
= U
= U
= U
гxy
гxy
г
sin θ ,
cos θ ,
sin γ .
Здесь U
ãx
= U ã
cos γ - горизонтальная составляющая скорости газа.
Подставив (4) в (3), получим систему простых дифференциальных
уравнений, описывающих положение и скорость капли в свободном объеме
контактного элемента:
2
dX dU
=
x
( U
x
− U
ã
cosγ
sinθ
)
U x
= − ζ F
pã
dτ
dτ
2m
2
dY dU
=
у
( U
у
− U
г
cos γ cosθ
)
U у
= − ζ F
pг
(5)
dτ
dτ
2m
2
dZ dU
=
z
( U
z
− U
г
sin γ )
U z
= − ζ F
pг
dτ
dτ
2m
где U - скорость капли, м/с; U
ã - скорость газа, м/с; X , Y,
Z - оси координат,
м; γ - угол установки направляющих лопаток в контактном устройстве, град;
θ - угол между радиусом до капли и осью X , град; ζ - коэффициент
сопротивления среды; F - площадь сечения капли, м 2 ; ρ
r ,
ρ
ж - плотность газа и
жидкости, кг/м 3 ; m - масса капли, кг;
Полученную систему дифференциальных уравнений решали методом
Рунге-Кутта. Начальные условия выбирали так, чтобы в момент распада струи
капля вылетала параллельно оси X . При этом скорость капли определяли по
формулам, предложенным в [3].
При определении коэффициента сопротивления среды движению капли
учитывали объемную концентрацию капель в факеле [4]
ζ = C( 1 − β )
4,7
где C - коэффициент сопротивления одиночной капли; β - объемная
концентрация капель в факеле;
(4)
17

В области развитой турбулентности капля принимает форму, близкую к
эллипсоиду с соотношением полуосей 4x6; для таких капель C = 0,6 [5].
Вероятность соударения капель в факеле из-за изменения траектории
мелкодисперсных капель (второй источник уноса) оценивали с использованием
вероятностного метода [6]. Суть метода заключается в определении
вероятности (без столкновений) пробега каплей одного потока некоторого
расстояния в среде капель другого потока. Размер мелкодисперсных капель,
долетевших из предыдущего единичного факела до последующего по
направлению движения воздуха, и скорость капель в момент встречи
определяли с использованием системы дифференциальных уравнений (5).
Мишенями мелкодисперсным каплям из предыдущего факела служили капли
размером больше 0,2 мм, которые остаются в объеме единичных факелов.
Анализ полученных результатов показал, что вероятность столкновений
капель в факеле составляет 40 - 60% и увеличивается по мере снижения
скорости газа. Однако при этом количество и размер мелкодисперсных капель,
долетевших из предыдущего единичного факела в последующий, уменьшается.
Оценка дисперсного состава по числу Вебера показывает, что происходящие
столкновения не могут привести к его заметному изменению, поскольку доля
мелкодисперсных капель в факеле распыленной жидкости не превышает 0,5 %
от их общего числа. Это позволяет сделать вывод, что столкновения капель в
факеле не оказывают существенного влияния на унос жидкой фазы в
центробежном тепло- массообменном аппарате.
Для снижения количества вторичных капель, образовавшихся при ударе
капель факела о пластинки контактного устройства (третий источник). Из
данных [7] следует, что в условиях такого удара на поверхности сепарируется
до 95% ударяющейся в виде капель жидкости. При этом диаметр выбитых с
поверхности капель увеличивается в 1,5-2,5 раза, что существенно снижает
вероятность их уноса газом.
Вероятность столкновения капель факела и вторичных капель (четвертый
источник уноса жидкой фазы) оценивали аналогично второму источнику уноса
с использованием вероятностного метода. Анализ полученных данных показал,
что вероятность столкновения капель факела и вторичных капель достаточно
высокая: 65 - 99%. Оценка результатов столкновений по числу Вебера [7]
показывает, что происходит частичное разбиение вторичных капель с
образованием осколков, которые уносятся потоком газа на сепаратор-отбойник.
Таким образом, унос жидкой фазы за счет первого источника можно
определить аналитически. Оценить остальные источники можно лишь
качественно; при том четвертый источник оказывает более существенное
влияние на суммарное значение уноса жидкости по сравнению со вторым и
третьим. Из этого следует, что строго аналитически определить суммарную
величину уноса жидкости на контактном устройстве центробежного тепломассообменного
аппарата с противоточным газо-жидкостным потоком не
представляется возможным.
Цель экспериментальных исследований настоящей работы - определить
суммарное значение уноса жидкой фазы и выявить доли источников. Эта
18

информация необходима при разработке обоснованной методики расчета уноса
жидкой фазы на контактном элементе центробежного тепло- массообменного
аппарата с противоточным газожидкостным потоком. Это позволит создавать и
совершенствовать подобные аппараты.
Количество унесенной с контактного элемента жидкости определяли
сепарационным методом, который основан на улавливании уносимых капель
жидкости в вынесенном сепараторе-каплетбойнике. Это позволяет отделять не
менее 99,3% уносимой из аппарата жидкости при максимальных скоростях
воздуха, а с уменьшением скорости эффективность сепарации возрастает до
99,8%.
Экспериментальные исследования уноса жидкой фазы проводились на
установке, показанной на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для
изучения уноса жидкой фазы
1 – емкость, 2 – ротаметры, 3 – насосы, 4 –
электродвигатель, 5 - аппарат, 6, 7 – центробежный и
объемный сепараторы, 8 – газодувка, 9 – задвижка, 10 –
диафрагма, 11 – дифманометр, 12 – микроманометр, 13
– термометр, 14 –мерный стакан
При этом изучались
различные
конструкции
контактных устройств.
Наружный диаметр
контактного
устройства был 200 мм,
внутренний диаметр
контактного
устройства – 60 мм.
Высота насадочного
слоя 50 мм.
Изучалось влияние на
унос жидкости
основных рабочих
параметров в пределах
их изменения:
плотность орошения
0,5-15 м 3 /м 2 ч, скорость
газа 0,5-3,5 м/с, число оборотов ротора 1000-10000 об/мин.
В качестве жидкой фазы использовалась вода, газообразной фазой был
воздух. Величина относительного уноса жидкой фазы определялась по формуле
L0
e = 100%
L
где L
0 - объем уносимой жидкости, м 3 /ч, L - объем поступающей в
аппарат жидкости, м 3 /ч.
На рис.2 изображены величины относительного уноса жидкой фазы от
скорости газа в аппарате для различных чисел оборотов и на рис. 3 зависимости
уноса жидкой фазы от плотности орошения.Как следует из рис.2 величина
уноса растет с увеличением скорости газа и числа оборотов ротора, что
объясняется увеличением силы гидродинамического воздействия на капли со
стороны газового потока и уменьшением размеров капель при повышении
частоты вращения ротора.
19

e, %
1,2
e, %
5
1,0
4
0,8
0,6
3
0,4
2
0,2
0,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Wг, м/с
1
2
3
4
5
1
0
0,5 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Q
Рис. 2. Зависимость величины
L , м 2 /м 2 ч
относительного уноса жидкой фазы Рис. 3. Зависимость величины
от скорости газа в аппарате. Q = 6 относительного уноса жидкой фазы от
м 3 /м 2 ч, пластинчатый контактный плотности орошения. W
G = 2 м/с,
элемент. 1 - n = 1000 об/мин, 2 – пластинчатый контактный элемент. n ,
3000 об/мин, 3 – 5000 об/мин, 4 – об/мин: 1 – 1000; 2 – 3000; 3 – 5000; 4 –
7000 об/мин, 5 – 9000 об/мин
7000; 5 – 9000
Согласно рис. 3 при увеличении плотности орошения величина
относительного уноса жидкости заметно снижается. Это можно объяснить тем,
что с увеличением плотности орошения увеличиваются толщины жидкостной
пленки на внутренних поверхностях контактного устройства аппарата. Это
приводит к снижению количества брызг, образующихся при ударе летящих с
большой скоростью капель о поверхности пленок. Как показали расчеты,
снижение уноса жидкой фазы происходит до достижения жидкостной пленкой
толщины порядка 3 мм. При дальнейшем увеличении ее толщины (плотности
орошения) такого явления не наблюдается, унос жидкости остается
постоянным.
Для определения влияния конструктивных характеристик контактных
устройств на величину суммарного уноса жидкой фазы было проведено
исследование трех различных конструкций. Были исследованы радиальный,
сетчатый и пластинчатый типы контактных устройств.
Эксперименты показали, что наименьший унос жидкой фазы обеспечивает
пластинчатый контактный элемент. Дальнейшие исследования по уносу
жидкости проводили с его использованием. Дополнительно было изучено
влияние наличия сепаратора-каплеотбойника из сетки в виде регулярного блока
высотой 50 мм в газоотводящем патрубке на величину суммарного уноса
жидкости.
Наличие сепаратора-каплеотбойника снижает унос жидкой фазы в
среднем на 90 %, а при низких скоростях газа позволяет практически
исключить его. В результате сравнительных испытаний используемая
конструкция сепаратора подтвердила свою высокую эффективность отделения
жидкой фазы от выходящего газового потока.
1
2
3
4
5
20

е, %
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
е, %
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,1
0,5
0,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Wг, м/с
Рис. 4. Зависимость величины
относительного уноса жидкой фазы от
скорости газа в аппарате для
различных контактных устройств.
Q = 6 м 3 /м 2 ч, n = 3000 об/мин. 1 –
пластинчатый; 2 – радиальный; 3 -
1
2
3
0,0
0,5 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Q L, м 3 /м 2 ч
Рис. 5. Зависимость величины
относительного уноса жидкой фазы от
плотности орошения для различных
контактных устройств. W
G = 2 м/с,
n = 3000 об/мин. 1 – пластинчатый; 2 –
радиальный; 3 - сетчатый
сетчатый
Результаты эксперимента обобщены в виде эмпирической зависимости,
связывающей величину относительного уноса жидкой фазы с указанными
параметрами
e, %
Рис. 6. Зависимость величины относительного
уноса жидкой фазы от скорости газа в аппарате
при наличии и отсутствии сепаратора
каплеотбойника для пластинчатого контактного
устройства. Q = 6 м 3 /м 2 ч, n = 3000 об/мин. 1 –
без каплеотбойника ; 2 – с каплеотбойником
e
− 5 2,54 − 1,48 1,4
= 2,3
⋅10
Wã
QL
n
(6)
Среднее относительное отклонение рассчитанных по (6) и опытных
значений не превышает 15 %.
0,6
При проведении химикотехнологических
процессов в
0,5
0,4
системах газ-жидкость
возникает необходимость
0,3
расчета допустимой скорости
0,2
газа в аппарате, исходя из
величины допустимого
0,1
относительного уноса жидкой
0,0
Wг, м/с
1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2
фазы. Для центробежных
аппаратов получена расчетная
зависимость вида
W
0,36 0,53 − 0,65
= 160 ⋅ e Q n
ã L (7)
В центробежном тепломассообменном
аппарате
наиболее "опасной" зоной для
уноса жидкости является
кольцевое пространство между распределителем жидкости и внутренней
поверхностью контактного устройства.
Скорость газа здесь максимальная, а капли жидкости еще не достигли
насадки, где им сообщается дополнительное вращательное движение и тем
1
2
3
21

самым увеличивается действующая на них центробежная сила,
препятствующая уносу жидкости из аппарата газовым потоком.
Было установлено, что помимо влияния скорости газа и плотности
орошения на появление уноса жидкости существенным образом влияет поле
центробежных сил. Также можно предположить, что физические свойства
системы будут оказывать существенное влияние на возникновение критических
явлений и как результата уноса жидкости. С увеличением вязкости и
поверхностного натяжения происходит, смещение области критических
явлений в сторону больших значений плотности орошения.
Список литературы: 1. Сорокопуд А.Ф., Исследование брузгоуноса в роторном
распылительном аппарате [Текст] / А.Ф. Сорокопуд, Е. А. Федоров // ТОХТ – 2001. – т. 35, №
3. С. 321–326. 2. Трошкин О.А. Расчет пропускной способности вращающегося цилиндра с
отверстиями в боковой стенке [Текст] /О.А.Трошкин, Ю.И.Макаров, А.А. Плановский.//
Химическое и нефтяное машиностроение. – 1972. – №4. – С.640-645. 3. Трошкин О.А. Распад
струи, вытекающей из отверстия в стенке вращающегося цилиндра [Текст] / О.А.Трошкин,
А.А. Плановский, Ю.И.Макаров // ТОХТ. – 1972. – т. 6, № 4. – с. 640-648. 4. Пажи Д.Г..
Основы техники распыливания жидкостей [Текст] / Д.Г.Пажи, В.С. Галустов – М. : Химия,
1984 – 315 с. 5. Волынский М.С. Деформация и дробление капель в потоке газа [Текст] / М.С.
Волынский, А.С. Липатов // Инженерно-физический журнал – 1970. – т.18, № 5. – С. 838-847.
6. Зайцев А.И. Ударные процессы в дисперсно-пленочных системах [Текст]/ А.И. Зайцев,
О.Д. Бытев – М. : Химия, 1994 – 421 с. 7. Взаимодействие капель с поверхностью пластины
[Текст] / Сб. научных работ Московского энергетического института / Теплоэнергетика и
энергомашиностроение. – М., 1976. – с. 263
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 631.3:636.085.55
В.І. ПІСКУН, зав. лабораторії механізації, Інститут тваринництва НААН
України, м. Харків
Ю.В. ЯЦЕНКО, аспірант, Інститут тваринництва НААН України, м.
Харків
АПРОБАЦІЯ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
ВИРОБНИЦТВА КОМБІКОРМІВ ТА БВМД В УМОВАХ
ГОСПОДАРСТВА
Наведено результати апробації технології. Продуктивність - по 1 тонні лівої та правої
частини лінії, модуль помелу комбікормів склав 2,3 - 2,4 мм., точність дозування вагового
дозатора з тензодатчиком - 0,1 кг, якість змішування - 95,0 %. Використання запропонованої
технології виробництва комбікормів та БВМД дає змогу знизити питомі капітальні
вкладення на 41,8 %, та питомі виробничі витрати на 32,3 % .
Ключові слова: технологія, продуктивність, точність дозування, якість змішування, питомі
витрати.
Приведено результаты апробации технологии. Продуктивность – по 1тонне левой и правой
части линии, модуль помола - 2,3 - 2,4 мм, точность дозирования весового дозатора с
тензодатчиком – 0,1 кг., качество смешивания – 95%. Использование предложенной
технологии производства комбикормов и БВМД позволяет снизить удельные
капиталовложения на 41,8%, а удельные производственные затраты на 32,3%.
22

Ключевые слова: технологии, производительность, точность дозирования, качество
смешивания, удельные затраты.
This article presents the test data on resource-saving technology approbation for mixed feed and
protein-vitamin-mineral supplement manufacture under
operation conditions. Productivity constitutes 1 ton in both left and right-hand side of the line.
Grinding module forms 2,3-2,4mm. Dosage rate precision equals 0,1kg by feed distributor
application. Feed distributor is supplied with strain sensor. Mix quality amounts 95%. The proposed
combined feed and protein-vitamin-mineral supplement manufacture technology application secures
specific capital investment reduction per 41,8%. Simultaneously specific
working expenses are abated by 32,3%.
Key words: technologies, productivity, dosage rate precision, mix quality, specific expenses.
Постановка проблеми. В структурі витрати на виробництво продукції
тваринництва затрати енергії на виробництво і приготування кормів складають
найбільшу частину тому зниження ресурсовитрат на їх виробництво дасть
вагомі результати в ресурсозбереженні та оптимізації собівартості продукції.
Оптимізація витрат ресурсів особливо актуальна зараз оскільки більшість видів
продукції сільськогосподарських підприємств України
неконкурентоспроможна, в зв’язку з тим, що ресурсомісткість її у 2 - 3, а то й
більше, рази вища, ніж у розвинених країнах Заходу [1 - 2].
Аналіз основних досліджень. Наявність у господарствах різних кормів
зернової групи при доступності різноманітних видів комбікормів-концентратів
та преміксів створює економічні передумови й зацікавленість у виробництві
комбікормів безпосередньо в господарствах.
Вітчизняні заводи-виробники випускають устаткування для приготування
комбікормів, наприклад, ВАТ «Уманьфермаш» - установку малогабаритну
комбікормову УМК-Ф-2. До складу установки входить: чотирьохсекційний
бункер з об’ємним дозуванням, дробарку–змішувач, місткості, норії та
завантажувальний конвеєр. Недоліком цього обладнання є громіздкість,
об’ємне неточне і складне дозування [3].
ВАТ «Новгород-Волинськсільмаш» розробив установку для виробництва
комбікормів ОВК-2 «Комбі». Установка представляє собою п’ятисекційний
бункер-дозатор, дробарку та змішувачі, а також завантажувальний та проміжні
конвеєри. Недоліком обладнання є складність, наявність об’ємного дозування.
Крім того, через відсутність у комплекті обладнання ОВК-2 засобів механізації
для допоміжних операцій, виникає необхідність в більшій кількості
обслуговуючого персоналу [3].
Мета досліджень - провести апробацію розробленої технології
виробництва комбікормів в умовах виробництва з визначення основних
техніко-економічних показників.
Матеріали та методика досліджень. Дослідження проводилися
відповідно галузевого стандарту України «Машини та обладнання для
приготування кормів» ГСТУ 46.007-2000. Маса завантаження інгредієнтів
комбікормів - 250 кг у відповідності до рецепту комбікормів, решето дробарки з
вічком - 3мм, точність дозування - 0.1 кг, режим змішування: - обороти
23

робочого вала змішувача n-37 об/хв., час змішування 1 хв.; змішувача з
спіральним робочим органом та додатковими 3-ма лопатками.
Результати досліджень. Нами запропоновано технологічна схема
виробництва комбікормів [ 4 ]. У відповідності з цими пропозиціями для умов
ДПДГ «Гонтарівка» Інституту тваринництва НААН України розроблена
технологія виробництва комбікормів продуктивність 2 - 2,5 т/год (рис. 1).
Рис. 1. Лінія по виробництву комбікормів та білково-вітамінномінеральних
добавок (БВМД):
1 – навантажувач зерна; 2 – магнітний уловлювач; 3 -
наддробарковий бункер; 4 – дробарка; 5 – норія; 6 – шнек
розподільний; 7 – засувка; 8 – бункер; 9 – вивантажувальні
шнеки; 10, 11 – пересувні вагові дозатори; 12, 13 –
завантажувальні шнеки; 14, 16 – змішувачі; 15, 17 – люки; 18,
19 – вивантажувальні шнеки
Схемою
передбачається
подача сировини
для виготовлення
комбікормів, яка
потребує
подрібнення
вузлом подачі в
наддробарний
бункер 3. Після
подрібнення на
дробарці 4 норією
5 інгредієнт
подається в
розподільний шнек
6 і далі в бункери
компонентів 7, 8,
9.
Сировина, яка не потребує подрібнення приймається норією та подається
безпосередньо в розподільний шнек і далі в відповідні бункери компонентів.
Підготовлена
сировина у
відповідності з
рецептом комбікорму
або добавки із
бункерів компонентів
шнеками подається в
два дозуючі
накопичувальні
пристрої 11
(саморухомі вагові
дозатори). Після
набирання порції
інгредієнтів
комбікормів в
дозатори, вони
пересуваються до
шнеків завантаження
Object 67
Рис. 2. Загальний вигляд лінії по виробництву комбікормів
та білково-вітамінно-мінеральних добавок (БВМД):
1 – норія; 2 – засувка; 3 – шнек розподільний; 4 – бункери
інградієнтів комбікормів; 5 – вивантажувальні шнеки
інградієнтів комбікормів; 6 – пересувні вагові дозатори; 7 –
завантажувальні шнеки; 8 – змішувачі; 9 –
вивантажувальні шнеки готового комбікорму
24

змішувачів 13 і відбувається вивантаження цих порцій у відповідний змішувач.
Важко дозуєма сировина, яка входить до складу комбікормів або добавок
(монокальцій фосфат, сіль, крейда та ін.) відважуються вручну і вносяться
безпосередньо при завантаженні змішувачів.
Готовий продукт після змішування використовуеться для годівлі
відповідних статево-вікових груп тварин (комбікорм) або як складова частина
комбікормів (БВМД). Загальний вигляд технологічної лінії наведено на рис.2.
Перевірка технології в умовах виробництва показала що: продуктивність - по 1
тонні лівої та правої частини технологічної лінії, модуль помелу комбікормів
склав 2,3 - 2,4 мм., точність дозування вагового дозатора з тензодатчиком - 0,1
кг, якість змішування в горизонтальному змішувачі - 95,0 %. Використання
запропонованої технології виробництва комбікормів та БВМД в умовах
господарства дає змогу знизити питомі капітальні вкладення на виробництво
однієї тонни комбікормів на 41,8 %, а питомі виробничі витрати на 32,3 % грн.
а також отримати річний економічний ефект у розмірі 29,53 грн/т. в порівнянні
з базовим варіантом.
Висновок. Використання запропонованої технології виробництва
комбікормів та БВМД в умовах господарства забезпечує продуктивність 2
т/год. та дозволяє отримувати комбікорми з модулем памелу 2,3 - 2,4 мм.,
якістю змішування – 95% і знизити питомі капітальні вкладення на
виробництво однієї тонни комбікормів на 41,8 %, а питомі виробничі витрати
на 32,3 %.
Список літератури: 1. Товма І.П. Методика розрахунку аналітичних показників
використання виробничих ресурсів / Товма І.П., Гречко А.П. // Вісник Полтавського
державного сільськогосподарського інституту. - 2000. - №6. – С. 81-83. 2. Корчемний М.
Енергозбереження в агропромисловому комплексі / Корчемний М., Федорейко В., Щербань
В. - Тернопіль, 2001. - 975 с. 3. Корилкевич І. Нове обладнання для виробництва комбікормів
ОВК-2 «КОМБІ» / Корилкевич І. // Техніка АПК. - 2003 - №3. – С. 20-21.). 4. Пат. на корисну
модель 38620 Україна, МПК А 23 N 17/00. Лінія по виробництву комбікормів та
білкововітамінно-мінеральних добавок (БВМД)/ Піскун В.І.; Яценко Ю.В., Яценко Л.І.
Інститут тваринництва УААН. - № u 200809188; Заявл. 14.07.2008; Опубл. 12.01.2009, Бюл.
№1.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 622.324; 276.72
А.П. МЕЛЬНИК, докт. техн. наук, проф. НТУ «ХПІ»,
Т.В. МАТВЄЄВА, канд. техн. наук, наук. співробітник, НТУ «ХПІ»,
С.О. КРАМАРЕВ, інженер, НТУ «ХПІ»,
С.Г. МАЛІК, інженер, НТУ «ХПІ», м. Харків
РЕАГЕНТ ДЛЯ РОЗЧИНЕННЯ АСФАЛЬТО-СМОЛИСТИХ І
ПАРАФІНОВИХ ВІДКЛАДЕНЬ З СВЕРДЛОВИННОГО
ОБЛАДНАННЯ ГАЗОНАФТОВИХ ПРОМИСЛІВ
В роботі наведено результати пошуку нового реагенту для розчинення асфальто - смолистих
і парафінових відкладень (АСПВ) з свердловинного обладнання газонафтових промислів.
25

Знайдено співвідношення компонентів, які входять до складу цього реагенту, і проявляють
синергетичний ефект розчинності АСПВ.
The report contains results about searching new reagent for dissolving asphalt-resin and paraffin
depositions (ARPD) from well equipment of oil-gas fields. The correlation of components this
reagent contains and manifest synergistically effect of ARPD solubility has been found.
На багатьох родовищах видобування нафти і газу ускладнюється
утворенням асфальто - смолистих і парафінових відкладень (АСПВ) на
поверхні нафтопромислового обладнання і в привибійній зоні свердловин.
Вони знижують їх продуктивність і приводять до збільшення витрат на
підземний ремонт свердловин [1]. АСПВ – це складна вуглеводнева суміш, яка
складається з парафінів (20 – 70 % мас.), азоту, сірки та кисню (АСК)
(20 – 40 % мас.), силікагелевої смоли, масел, води і механічних домішок [2].
Парафіни у пластових умовах перебувають у нафті в розчиненому стані. Вони
стійкі до впливу різних хімічних реагентів (кислот, лугів і ін.), легко
окиснюються на повітрі. АСК мають високу молекулярну масу і істотну
неоднорідність структури, вони нелеткі. Кількість смолистих речовин у нафті
зростає у зв'язку з випаровуванням летких компонентів і її окиснюванням, а
також при контакті нафти з водою. Іноді до групи смолистих сполук відносять
асфальтены. Асфальтены – порошкоподібні речовини бурого або коричневого
кольору, густиною більше одиниці, їх масовий зміст у нафті досягає 5,0 %.
Вони є найбільш тугоплавкою і малорозчинною часткою відкладень важких
компонентів нафти.
На утворення АСПВ впливають: зниження тиску на вибої свердловини і
пов'язане з цим порушення гідродинамічної рівноваги газорідинної системи;
інтенсивне газовидалення; зменшення температури в шарі та стовбурі
свердловини; зміна швидкості руху газорідинної суміші та окремих її
компонентів; склад вуглеводнів у кожній фазі суміші; співвідношення обсягу
фаз; стан поверхні труб. Інтенсивність утворення АСПВ залежить від переваги
одного або декількох факторів, які можуть змінюватися з часом і глибиною,
тому кількість і характер відкладень не є постійними [3 – 5].
За літературними даними з’ясовано, що на глибині більше 1000 м в
АСПВ утримується більше АСК, чим парафінів. Механічні домішки на таких
глибинах практично не беруть участь у формуванні відкладень (їхній вміст не
перевищує 4 – 5 % мас.) [6].
Зі зменшенням глибини спостерігаються зниження змісту асфальтосмолистих
речовин в АСПВ, а також збільшення кількості механічних домішок
і твердих парафінів. Чим ближче до устя свердловини, тим у складі АСПВ
більше церезинів, і, відповідно, тим вище структурна міцність відкладень [6].
Боротьба з АСПВ передбачає проведення робіт з попередженням
утворення відкладень і їхньому видаленню [2].
Використання розчинників для видалення АСПВ є одним з основних
методів боротьби з подібними відкладеннями. С метою скорочення витрат на
проведення робіт з видалення АСПВ з свердловин за допомогою розчинників,
26

необхідно вести пошук комбінованих композицій видалення. Таким чином
важливою і актуальною задачею є пошук нових реагентів для розчинення
асфальто - смолистих і парафінових відкладень, які утворюються на поверхні
нафтопромислового обладнання.
Мета цієї роботи полягає в дослідженнях вибору і співвідношенню
компонентів, які можуть проявляти синергетичний ефект здатності розчинення
АСПВ реагенту для розчинення АСПВ з свердловинного обладнання
газонафтових промислів.
Як об’єкти дослідження використано розчинники, які можуть розчиняти
АСПВ.
Предмет дослідження – розробка композиції для розчинення АСПВ.
Для отримання нового реагенту оптимального складу для розчинення
АСПВ з свердловинного обладнання було використано метод симплекс –
ґратчастих планів. При проведені експерименту використані композиції, які
складались з трьох вуглеводень-розчинних компонентів А, В, С. АСПВ
складало 10 % від розчинів композицій. Матрицю планування експерименту
для підбору оптимального складу розчинника АСПВ наведено у табл. 1.
Таблиця 1
Матриця планування експерименту
№
Компоненти композиції
Кількість нерозчиненого
Х 1 (А), % Х 2 (В), % Х 3 (С), % АСПВ (У), %
1 100 - - 23,77
2 - 100 - 58,29
3 - - 100 79,44
4 66 33 - 73,15
5 33 66 - 29,35
6 - 66 33 78,64
7 - 33 66 80,20
8 66 - 33 43,29
9 33 - 66 39,27
10 33 33 33 62,57
На основі проведених розрахунків було визначені коефіцієнти рівняння і
рівняння залежності розчинності АСПВ від концентрації компонентів:
Y = 23,77
⋅ Х
1
+ 58,29 ⋅ Х
2
+ 79,44 ⋅ Х
3
+ 20,16 ⋅ Х
1
⋅ Х
2
− 46, 4625 ⋅ Х
1
⋅ Х
3
+
+ 47,4975
⋅ Х
2
⋅ Х
3
+ 166,77 ⋅ Х
1
⋅ Х
2
⋅ ( Х
1
− Х
2
) + 152,3925 ⋅ Х
1
⋅ Х
3
⋅ ( Х
1
− Х
3)
+
+ 3 ,07 5 ⋅ 7Х
2
Х5
3⋅
( Х
2
− Х
3)
+ 2 9,
2 36 ⋅ Х5
1
⋅ Х
2
⋅ Х
3
Результати досліджень впливу компонентів складу композиції на
розчинність АСПВ та рівняння регресії після обробки експериментальних
даних (рис. 1) свідчить про те, що змінюючи співвідношення між ними можна
регулювати розчинність АСПВ і таким чином знайти оптимальне
співвідношення вуглеводень-розчинних компонентів А (Х 1 ), В (Х 2 ), С (Х 3 ) для
27

максимального розчинення АСПВ. Оцінити вплив того чи іншого компоненту
на розчинність АСПВ можна за коефіцієнтами регресії.
Х 1
m
1111
222222
233333332
33344444433
33444444444433
3344455555544443
3344555555555544433
334455555565555544432
334445555666665555444322
23344555566666666555443322
23344455566666666665554433221
2334445556666666666665554433221
2334445555666666666666655544332210
233444555566666666666666655544332211
334445555666666777777766666555444332210
34445555666667777777777777666655544433221
45555666667777777777777777777766665554433221
6666667777777788888888888888877777766655544433
777888888888888899999999999888888887777766655444
999999999999999999999999999999999999999888887777666
Х 3 Х 2
0 - відповідає інтервалу 23.77 : 29.4707265855
1 - відповідає інтервалу 29.4707265855 : 35.171453171
2 - відповідає інтервалу 35.171453171 : 40.8721797565
3 - відповідає інтервалу 40.8721797565 : 46.572906342
4 - відповідає інтервалу 46.572906342 : 52.2736329275
5 - відповідає інтервалу 52.2736329275 : 57.974359513
6 - відповідає інтервалу 57.974359513 : 63.6750860985
7 - відповідає інтервалу 63.6750860985 : 69.375812684
8 - відповідає інтервалу 69.375812684 : 75.0765392695
9 - відповідає інтервалу 75.0765392695 : 80.777265855
Рис. 1. Вплив компонентів композиції А, В, С на розчинність АСПВ
За результатами розрахунків встановлено, що для отримання композиції з
максимальною розчинністю АСПВ потрібні лише два компонента В
(≈ 47 % об.) і С(≈ 53 % об.). Компонент А лише знижує розчинність АСПВ.
Однак компонент С є дуже дорогим, а тому не слід нехтувати композиціями з
трьома компонентами. До того ж встановлено (рис. 1), що розчинність АСПВ в
інтервалі 69 % – 80 % спостерігається при таких концентраціях трьох
компонентів: А ≤ 10 % об., В ≤ 30 % об., С ≥ 60 % об., або двох:
В ≤ 30 % об.,С ≥ 70 % об.
Висновки. За результатами досліджень розроблено рецептури
композицій для максимального розчинення АСПВ.
Список літератури: 1. Герасимова Е.В. Разработка методики оценки эффективности и
подбор растворителей асфальто-смолистых и парафиновых отложений на
нефтепромысловом оборудовании: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. техн. наук
: спец. 05.17.07 «Химия и технология топлив и специальных продуктов» / Е.В. Герасимова. –
Уфа, 2009. – 24 с. 2. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях. / Персиянцев
М.Н. – М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000. – 653 с. 3. Голонский П.П. Борьба с парафином
при добыче нефти. / Голонский П.П. – М.: Гостоптехиздат, 1960. – 88 с. 4. Люшин С.В.,
Репин Н.Н. О влиянии скорости потока на интенсивность отложения парафинов в трубах /
С.В. Люшин, Н.Н. Репин. – М.: Недра, 1965. – 340 с. 5. Тронов В.П. Механизм образования
смоло-парафиновых отложений и борьба с ними. / В.П. Тронов. – М.: Недра, 1970. – 192 с. 6.
28

Эффективность воздействия на асфальтосмолопарафиновые отложения различных
углеводородных композитов / Н.М. Нагимов, Р.К. Ишкаев, А.В. Шарифуллин, [та ін.]. //
Нефть России. Техника и технология добычи нефти. – 2002. – № 2. – С. 68-70.
Поступила в редколлегию 15.11.2010
УДК 66.074:661
А. А. КУДЕЛЯ, аспирант, НТУ «ХПИ», г. Харьков
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МАССООБМЕННЫЕ КОЛОННЫ
И ГАЗОЖИДКОСТНЫЕ СЕПАРАТОРЫ
Даны общие характеристики высокоскоростных массообменных колонн и газожидкостных
сепараторов. Приведен обзор возможных применений аппаратов в Украине. Даны параметры
элементов, используемых в высокоскоростных колоннах и сепараторах .
Ключевые слова: сепаратор, высокоскоростной элемент, массообмен, осушка газа
Дано загальні характеристики високошвидкісних масообмінних колон та газорідинних
сепараторів. Приведено огляд можливих застосувань апаратів в Україну. Описані параметри
елементів, використовуваних у високошвидкісних колонах і сепараторах.
Ключові слова: сепаратор, високошвидкісний елемент, масообмін, осушення газу
General characteristics high-speed mass-exchange columns and gas-liquid separators are given.
Possible applications of elements in Ukraine are viewed. Parameters of the elements used in highspeed
columns and separators are described.
Keywords: separator, high-speed device, mass transfer, natural gas dewatering
В настоящее время в промышленности применяются несколько
принципиально отличающихся схем очистки и разделения сред. В частности, в
газовой промышленности существует необходимость выделения из газа
газового конденсата, избыточной влаги и выносимой соленой пластовой воды,
которые вызывают ряд проблем при обработке и транспортировке газа.
Целью данной статьи является рассмотрение различных типов
высокоскоростных элементов и выбора наиболее оптимальных конструкций
для применения их в аппаратах осушки газа с конкретными технологическими
параметрами. Принципиальное отличие данных элементов в том, что, хотя в
колонне происходит противоточное движение фаз, но в каждом отдельном
элементе колонны осуществлено прямоточное взаимодействие фаз в
восходящем закрученном потоке.
Первые испытания выскоскоростного элемента при исследовании
десорбции углекислого газа из воды воздухом в восходящем закрученном
потоке показали следующие результаты: КПД от 70 до 95% при скорости газа в
элементе 11,6-25,8 м/с и уносе 0,8-5,0% от расхода жидкости [1].
Возможно применение двух схем размещения высокоскоростных
элементов с прямоточным взаимодействием фаз в восходящем закрученном
потоке в колонне для ректификации смеси этиловый спирт-вода: соосная
компоновка элементов, соединенных коаксиальным сепарационным патрубком
по высоте и размещение элементов на тарелке по схеме барботажных
29

колпачков с сепарационным пространством между тарелками [2]. Величина
КПД элемента в зависимости от скорости газа в нем достигает 50-80% на
промежутке скоростей пара 12-23 м/с, и 97-99% при скорости пара в элементе
6,16 м/с – (эмульгационный режим).
Методика расчета числа ступеней для такой колонны производится по
формуле (1) для точного расчета КПД тарелки (η т ) по Мёрфи [3] в зависимости
от КПД прямоточной ступени (η):
(1)
Результаты промышленных испытаний высокоскоростной колонны для
ректификации смеси ацетон-вода диаметром D y =1000 мм и рабочим давлением
P y =1,5 кгс/см 2 на Стерлитамакском заводе синтетического каучука при
расстоянии между тарелками 600 мм показали увеличение производительности
по сравнению с барботажными колоннами в 5-7 раз. Фактор скорости в колонне
достигал 9,0
. Промышленные испытания показали соответствие
эффективности массопередачи и гидравлических характеристик заявленным
показателям [4].
Подготовка газа к транспортировке в газовой промышленности
осуществляется на первой и второй ступенях сепарации при давлениях 16 и 6,4
МПа соответственно. Основными аппаратами для сепарации фаз являлись
аппараты диаметром 1000 и 1200 мм с жалюзийными насадками
производительностью 1 млн. м 3 /сутки. Такая производительность являлась
следствием низкой скорости прохождения газа в проточной части аппарата.
Эффективность сепарации для блоков Гипрогаза составила 67-72,5% для
производительности блока 350-750 тыс. м 3 /сутки, а для блоков
ЮжНИИгипрогаза – 62,3-64% при производительности блока 500-1200 тыс.
м 3 /сутки [5]. Низкая эффективность сепарации потребовала дополнительно
установки сепараторов третьей ступени для доулавливания выносимой
жидкости.
Применение контактно-сепарационных элементов (КСЭ) для создания
высокоскоростного газосепаратора внутренним диаметром 2400 мм и
мощностью 15-20 млн. м 3 /сутки для давления 6,4 МПа позволяет значительно
интенсифицировать этот процесс.
Результаты испытаний такого газосепаратора в качестве третей ступени
сепарации на УКПГ-2 Крестищенского месторождения показывают повышение
КПД сепаратора от 93,83 до 99,97% по мере увеличения конденсатного фактора
от 2 до 95 г/м 3 благодаря поглощению туманообразных капель конденсата, что
делает целесообразным применение подобных газосепараторов и на второй
ступени сепарации [6]. Конструкция такого типа КСЭ приведена на рис. 1,2.
Сравнительные испытания газосепараторов первой ступени типа ГСВ-
1000-160 (диаметр сосуда 1000 мм, рабочее давление 160 кгс/см 2 ) и
газосепараторов ЦКБН на УКПГ-5 Крестищенского газоконденсатного
месторождения показали высокую эффективность высокоскоростного
30

газосепаратора на первой ступени при изменении нагрузки по жидкости от 17
до 286 см 3 /м 3 : при нагрузке по газу 2,5 млн. м 3 /сутки на давлении 6,6 МПа унос
конденсата составил 0,02 см 3 /м 3 ; при нагрузке 2,9 млн. м 3 /сутки – 0,25 см 3 /м 3 ,
что значительно меньше
соответствующих показателей
абсорберов конструкции ЦКБН (1,38 –
8,08 см 3 /м 3 соответственно) [7].
Определенный интерес
представляет конструкция и основные
параметры цилиндросферического
газосепаратора с осевыми
завихрителями [8]. Такая конструкция
позволила создать газосепаратор в 4 раза
легче цилиндрического, большой
единичной мощности, с возможностью
выдерживать большую нагрузку по
жидкости. Мощность сепаратора в
зависимости от фактора скорости газа,
его плотности и диаметра аппарата
рассчитана по формуле В.М. Киселёва:
Рис. 1
Массообменный
элемент
Рис. 2
Сепарационный
элемент
где D – внутрений диаметр аппарата, F – фактор скорости, ρ г и ρ 0 –
плотность газа в рабочих и стандартных условиях, n – число КСЭ на одной
тарелке аппарата.
Применение цилиндрической конструкции газосепаратора с
усовершенствованной формой КСЭ (с гидравлическим коагулятором капель на
выходе) для оптимизации технологического процесса производства
сжиженного газа приведено позволяет повысить эффективность сепарации до
99,9% для конденсатного фактора 95 г/м 3 [9].
Дальнейшее усовершенствование конструкции КСЭ предпринято
В.В. Тюриным [10]. Ключевыми особенностями усовершенствования
конструкции являются наличие трехступенчатой сепарации фаз и
диафрагмированного выхлопа, что позволило обеспечить большую
стабильность работы элемента при высоких нагрузках по жидкости (до
307 ) и высоких факторах скорости газа (до 40 ), однако и привело к
резкому увеличению перепада давления на элементе.
Список литературы: 1. Киселев В.М. Гидравлические характеристики и массопередача на
циклонной тарелке при десорбции двуокиси углерода / В.М. Киселёв, А.А. Носков // Журнал
прикладной химии. – 1967. – Т. 40, №7. – С. 1630 – 1634. 2. Киселев В.М. Ректификация
смеси этиловый спирт-вода в высокоскоростной колонне с прямоточным взаимодействием /
В.М. Киселёв, А.А. Носков, П.Г. Романков // Журнал прикладной химии. – 1969. – Т. 42, №7.
– С. 1637 – 1641. 3. Киселев В.М. Расчет числа ступеней высокоскоростной
31

ректификационной колонны с прямоточным взаимодействием фаз в восходящем
закрученном потоке / В.М. Киселёв, А.А. Носков, П.Г. Романков // Теоретические основы
химической технологии. – 1970, Т. 4, №6, С. 920 – 925. 4. Киселев В.М. Промышленное
испытание прямоточных контактных элементов с центробежной сепарацией фаз для
реконструкции действующих массообменных колонн / В.М. Киселёв, А.А. Носков, П.Г.
Романков // Известия высших учебных заведений, «Химия и химическая технология». –
1976. – Т. 19, №5. – С. 775 – 779. 5. Разработка газовых и газоконденсатных месторождений
УССР и промысловая подготовка газа, сб. науч. тр. / ВНИИЭГАЗПРОМ. – М. :
ВНИИЭГАЗПРОМ, 1975. – 58 с. 6. Киселев В.М. Высокопроизводительный сепаратор с
осевыми завихрителями / В.М. Киселев, А.А. Трипольский, В.Т. Градюк // Газовая
промышленность – 1979. –№10. – С. 21 – 22. 7. Градюк В.Т. Сравнительные испытания
газосепараторов первой ступени / Градюк В.Т., В.М. Киселев, А.Н. Медведев // Газовая
промышленность – 1982. –№1. – С. 34 – 35. 9. Киселев В.М. Малогабаритные контактносепарационные
элементы / В.М. Киселев // Газовая промышленность – 1985. –№6. – С. 14 –
15. 10. Кисельов В.М. Оптимізація технологічного процесу виробництва скрапленого газу /
В.М. Кисельов, В.В. Тюрін, Б.Б. Синюк, В.Т. Градюк, В.С. Сливканич // Нафтова і газова
промисловість, 2003. –№5. – С. 57 – 60. 11. Тюрін В.В. Розробка і дослідження відцентрових
елементів для сепараційного обладнання і системах підготовки газу», автореферат дисертації
на здобуття наукового степеня кандидата технічних наук / В.В. Тюрін – УкрНДІгаз, Харків,
2009. – 177 c.
Поступила в редколлегию 07.12.2010
УДК 664.3:547
А.П. МЕЛЬНИК, докт. техн. наук, проф. НТУ “ХПІ”,
В.Ю. ПАПЧЕНКО, м.н.с., НТУ “ХПІ”, м. Харків
МІЖФАЗНИЙ НАТЯГ ПРОДУКТІВ РЕАКЦІЇ АМІДУВАННЯ
АЦИЛГЛІЦЕРИНІВ ДІЕТАНОЛАМІНОМ
Досліджено вплив продуктів реакції амідування соняшникової олії діетаноламіном на
поверхневий натяг на межі двох рідин. Визначено величину граничної адсорбції. Побудовано
ізотерми міжфазного натягу і адсорбції. Розраховано роботу адсорбції.
The influence of reaction product obtained as result in diethanolamine amidation of sunflower oil
on the surface tension on the border of two fluids has been investigated. The limiting adsorption
value has been evaluated. The isotherm diagrams of interfacial tension and adsorption have been
built. The adsorption work has been calculated.
Поверхнево-активні речовини (ПАР) адсорбуються на межі розділу фаз,
одна з яких найчастіше це вода, і знижують поверхневий (міжфазний) натяг,
вони проявляють емульгуючу, миючу, змочувальну та інші властивості.
Діетаноламіди жирних кислот (ДЖК), як ПАР, проявляють поверхневу
активність і використовують у косметиці для стабілізації піни, збільшення
в’язкості, пом’якшення дії миючих препаратів [1]. ДЖК можуть бути
використані у засобах для очищення металевих поверхонь від пилу, бруду, як
жирового, так і оксидів заліза [2, 3]. На цей час в Україні існує дефіцит ПАР, а
тому для парфумерно-косметичного виробництва і виробництва миючих
засобів використовують закордонні ПАР. У попередній роботі [4] авторами
оцінено деякі поверхнево-активні властивості ДЖК у суміші з моно- (МАГ) і
32

діацилгліцеринами (ДАГ), які одержані реакцією амідування соняшникової олії
(СО) діетаноламіном (ДЕА).
Метою цієї роботи є дослідження адсорбційної властивості продуктів
реакцій амідування триацилгліцеринів (ТАГ) СО ДЕА на межі розподілу двох
рідких фаз за змінами поверхневого міжфазного натягу.
Визначення міжфазного натягу проведено сталагмометричним методом
[5]. В даному дослідженні використано продукти реакції амідування, що
одержані при мольному відношенні реагентів (МВ) 1:3 і температурі
433 – 473 К під азотною подушкою, з них виготовлено водні розчини різної
концентрації, соняшникова олія і вуглеводні (тетрадекан, керосин).
Отримані зміни величин міжфазного натягу (σ) при температурі 293 К
приведено у табл. 1. За цими результатами побудовано ізотерми міжфазного
натягу (рис. 1), розраховано адсорбцію (Г) і побудовано ізотерми адсорбції
(рис. 2).
Таблиця 1
Величина міжфазного натягу (σ) і адсорбції (Г) для системи олія-розчин ПАР і
вуглеводні-розчин ПАР
Концентраці
я водних
розчинів
прод. реакції
(С), %
ΔС, %
Соняшникова
олія
Г·10
σ,
7 ,
г·моль/м
мН/м 2
Тетрадекан
σ,
мН/м
Г·10 7 ,
г·моль/м
2
σ,
мН/м
Керосин
Г·10 7 ,
г·моль/м
2
0 - 64,72 - 67,82 - 47,5 1) -
0,03125 - 43,77 - 49,8 - 21,1 -
0,0625 0,046875 41,09 0,0162 43,76 0,036 19,64 0,0088
0,125 0,09375 38,19 0,0176 34,31 0,057 17,89 0,0106
0,25 0,1875 33,33 0,0294 23,67 0,064 15,24 0,0161
0,5 0,375 24,79 0,0517 10,83 0,078 10,35 0,029
Примітка: 1) Міжфазний натяг між керосином і водою за літературними
даними 46 мН/м [5].
σ,
мН /м
70
60
50
40
30
20
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
а
С , %
σ,
мН/м
50
40
30
20
10
0
σ,
мН /м
70
60
50
40
30
20
10
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
33
в
С, %
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
С , %
б

Г·10 7,
г·моль/м 2
Рис. 1 – Ізотерми міжфазного натягу систем олія-розчин ПАР (а),
тетрадекан-розчин ПАР (б) і керосин-розчин ПАР (в)
0,06
0,04
0,02
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4
С, %
а
Г·10 7,
г·моль/м 2
0,03
0,02
0,01
0
Г·10 7,
г·моль/м 2
0,1
0,05
0 0,1 0,2 0,3 0,4
С, %
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4
С, г-моль/л
в
Рис. 2 – Ізотерми адсорбції систем олія-розчин ПАР (а), тетрадеканрозчин
ПАР (б) і керосин-розчин ПАР (в)
Величини граничної адсорбції визначено за ізотермами адсорбції
1/Г = f(1/С) і С/Г = f(С) (рис. 3). Отримані значення граничних адсорбцій
представлено у табл. 2. За результатами табл. 1 і табл. 2 розраховано роботу
адсорбції (табл. 3) згідно [5].
С/Г·10 -7
С/Г·10 -7
1/Г·10 -7,
м2/г·моль
10
8
6
4
2
0
15
10
5
0
30
20
10
0 0,1 0,2 0,3 0,4
а
С, %
0 0,1 0,2 0,3 0,4
0
в
С , %
0 5 10 15 20 25
1/С, 1/%
1/Г·10 -7,
м2/г·моль
1/Г·10 -7,
м2/г·моль
С/Г·10 -7
75
60
45
30
15
0
6
5
4
3
2
1
0
б
0 0,1 0,2 0,3 0,4
С,%
б
0 5 10 15 20 25
г
1/С, 1/%
д
ж
Рис. 3 – Ізотерми адсорбції у координатах Г/С = f(С) для систем оліярозчин
ПАР (а), тетрадекан-розчин ПАР (б) і керосин-розчин ПАР (в) та у
120
100
80
60
40
20
0
0 5 10 15
1/С, 1/%
34

координатах 1/Г = f(1/С) для систем олія-розчин ПАР (г), тетрадекан-розчин
ПАР (д) і керосин-розчин ПАР (ж)
Таблиця 2
Гранична адсорбція (Г m ) систем олія-розчин ПАР і вуглеводні-розчин
ПАР
Рідина
Гранична адсорбція, Г m·10 9 , г·моль/м 2 , де
ctgφ = Г m (за рис. 3а, б, в) a=1/Г m (за рис. 3г, д, ж)
Соняшникова олія 6,0 5,9
Тетрадекан 8,3 8,3
Керосин 4,9 5,0
Таблиця 3
Робота адсорбції (W) систем олія-розчин ПАР і вуглеводень-розчин ПАР
Соняшникова
Тетрадекан Керосин
олія
Концентрація
водних розчинів
продуктів
реакції (С), %
ΔС, %
W, кДж/м 2 W, кДж/м 2 W, кДж/м 2
0 - - - -
0,03125 - - - -
0,0625 0,046875 31,59 33,60 30,08
0,125 0,09375 30,07 32,99 28,81
0,25 0,1875 29,63 31,57 28,13
0,5 0,375 29,31 30,32 27,93
Як видно з отриманих результатів (табл. 1) вже при малих концентраціях
продуктів реакції взаємодії ТАГ СО з ДЕА у воді спостерігається різке
зниження міжфазного натягу у системі олія-вода від 64,72 до 43,77 мН/м, а у
системі вуглеводень-вода від 67,82 до 49,8 мН/м (з тетрадеканом) і від 47,5 до
21,1 мН/м (з керосином). З підвищенням концентрації продуктів реакції
спостерігається подальше зниження міжфазного натягу в усіх системах. При
максимальній концентрації продуктів реакції 0,5 % міжфазний натяг у системі
олія-вода складає 24,79 мН/м, а у системі вуглеводень-вода 10,83 мН/м (для
тетрадекана) і 10,35 мН/м (для керосина). Відомо, що ДЖК використовуються в
косметиці, вони ходять до складу косметичних засобів як емульгатори, тому
важливим фактором, який забезпечує емульгування і стійкість емульсії є
міжфазний натяг. Отже як у системі олія-вода, так і у системі вуглеводень-вода
зниження міжфазного натягу у результаті адсорбції продуктів реакції
амідування ТАГ СО ДЕА на межі розподілу фаз сприятиме процесу
емульгування, а робота адсорбції – одержанню достатньо стабільних емульсій.
Висновки: Продукти реакції амідування ТАГ СО ДЕА концентруються
на межі розподілу фаз і знижують поверхневий (міжфазний) натяг, тобто вони
проявляють поверхневу активність.
35

Список літератури: 1. Плетнёв М.Ю. Косметико-гигиенические моющие средства / М.Ю.
Плетнёв – М. : Химия, 1990. – 272 с. 2. Пат. 2024608 Россия, МКИ 5 С11 D1 66 (C11 P1 66,
1:44). Моющее средство «ТМОК – 8П» для очистки металлической поверхности: Пат.
2024608 Россия, МКИ 5 С11 D1 66 (C11 P1 66, 1:44) Масловский В., Череватый А.А., Сорокин
М.А.; Хар. Комп. Инж центр АН Украины, ПО Сев.море з-д. – №4955296/04; Заявл. 4.02.94;
Опубл.15.12.94. Бюл. 23. // Химия: РЖ, 1995. – 19Р2.35П 3. Пат. 2034913 Россия, МКИ 6 С11
D1 83; C11 D3 04. Моющий состав для очистки поверхности: Пат. 2034913 Россия, МКИ 6
С11 D1 83; C11 D3 04 Романова Т.А., Капишников Ю.В. – №93028905/04; Заявл. 7.07.94;
Опубл.10.05.95. Бюл.13. // Химия: РЖ, 1996. – 24Р2.21П. 4. Дослідження властивостей
продуктів реакції амідування ацилгліцеринів діетаноламіном / А.П. Мельник,
В.Ю. Папченко // Вісник Національного технічного університету “Харківський
політехнічний інститут” – 2010. – № 17. – С. 125–128. 5. Мельник А.П. Практикум з хімії та
технології повернево-активних похідних вуглеводневої сировини : навчальний посібник [для
студ. вищ. навч. закл.] / Мельник А.П., Чумак О.П., Березка Т.О. − Харків: Курсор, 2004. –
277 с.
Поступила до редколегії 15.11.2010
УДК 66.074:661
І. О. ЛАВРОВА, канд. техн. наук, доцент, НТУ «ХПІ», м. Харків
К. М. СОРОКОТЯГА, студент, НТУ «ХПІ», м. Харків
АММАР В. САІД, аспірант, НТУ «ХПІ», м. Харків
ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ МЕТОДУ ОЧИЩЕННЯ НАФТ І
НАФТОВИХ ДИСТИЛЯТІВ ВІД СПОЛУК СІРКИ
Стаття присвячена обгрунтуванню вибору технології та апаратурного оформлення очищення
нафт, нафтових дистилятів і товарних нафтопродуктів від сполук сірки.
Ключові слова: нафта, кавітація, дизельне пальне, мазут, гідрокрекінг, десульфуризація,
гідроочищення, окиснення.
Статья посвящена обоснованию выбора технологии и аппаратурного оформления очистки
нефтей, нефтяных дистиллятов и товарных нефтепродуктов от соединений серы.
Ключевые слова: нефть, кавитация, дизельное топливо, мазут, гидрокрекинг,
десульфуризация, гидроочистка, окисление.
The article is devoted to justifying the choice of technology and hardware design cleanup of
petroleum, petroleum distillates and petroleum product from the sulfur compounds.
Keywords: oil, cavitation, diesel, fuel oil, hydrocracking, desulphurization, hydrotreating,
oxidation.
Вступ. Наразі у всьому світі однією з найважливіших є проблема
забезпечення людства паливом та енергією. Саме тому зараз багато уваги
приділяють оновленню засобів переробки палив. Цьому також сприяють
наступні причини:
-безперервне збільшення у загальному балансі частки сірчистих і високо
сірчистих нафт;
-жорсткість вимог по охороні природи й до якості товарних
нафтопродуктів;
36

-розвиток вторинних каталітичних процесів нафтопереробки із
застосуванням активних і селективних каталізаторів, що вимагають
попередньої глибокої десульфуризації сировини (наприклад, процесів
каталітичного риформінгу й крекінгу);
-необхідністю подальшого поглиблення ступеню переробки нафти.
Метою даної роботи є обґрунтування найбільш оптимального методу
очищення нафтопродуктів від сірковмісних сполук з метою поліпшення
експлуатаційних характеристик моторних палив, зниження їх корозійної
активності та зменшення викидів шкідливих речовин у довкілля.
До переліку сучасних методів очистки можна віднести такі гідрогенізаційні
процеси:
Гідроочищення
Процес каталітичного гідроочищення використовують для вилучення
сірчаних сполук з легких та середніх дистилятних палив (бензинів, керосинів,
дизельного пального), для очищення сировини, що подається на каталітичний
риформінг, для очищення дизельного пального прямогоного та крекінгового
походження, для очищення сировини каталітичного крекінгу, для поліпшення
якості ізоляційних та змащувальних мастил та парафіну.
У процесі гідроочищення не тільки вилучаються сірчані сполуки із
нафтопродуктів, а й поліпшуються їх колір, запах, підвищуються стабільність
та цетанові числа дизельного пального та індекс в’язкості змащувальних
мастил, значно поліпшується якість парафіну, що використовується як
сировина для виробництва жирних кислот.
Процес гідроочищення моторних палив ґрунтується на реакціях помірної
гідрогенізації сірчаних, азотистих та кисневмісних сполук, що протікають у
струмі водневмісного газу на каталізаторах ГКД – 202, АКМ або інших.
Одночасно з основними реакціями протікають численні побічні: ізомеризація
нафтенових та парафінових вуглеводнів, гідрування ароматичних вуглеводнів,
гідрокрекінгу та інших. Глибина протікання цих реакцій залежить від
температури, парціального тиску водню, активності каталізатора та інших
чинників.
Ступінь очищення нафтопродуктів від органічної сірки гідроочищенням
може бути доведений до дуже високих показників. Фактором, що лімітує цей
параметр, є швидкість реакції гідрування, яка значною мірою залежить від
температури, тиску, фракційного складу сировини, парційного тиску водню, об
′ ємної швидкості, типу і стану каталізатора, а також від конструкції основного
технологічного апарата [1,2,3].
Для кожного конкретного виду сировини та каталізатора робочий
інтервал температур підбирається дослідним шляхом, так для бензинової
фракції він складає 330 - 350°С на початку циклу та 370 - 380°С наприкінці,
для гасової фракції - 280 - 300°С (початок), 370 - 380°С (кінець), для
дизельного пального – 350 - 360°С (початок) та 410°С (кінець), до того ж слід
відмітити, що температури десульфуризації для первинних (прямогонних)
фракцій нижче, ніж для вторинних.
37

Руйнуванню в першу чергу піддаються меркаптани, потім полісульфіди,
сульфіди й, нарешті, похідні тіофена. Але при гідроочищенні палив з них
видаляються природні антиоксиданти (зокрема феноли), у результаті чого
схильність палива до окислення зростає. Продуктами окислення є розчинні у
паливі вуглеводневі кислоти, які провокують корозію кольорових металів та їх
сплавів. Тобто, після гідроочищення палива менш стабільні і більш корозійно
активні. Сірководень, отриманий у процесі гідроочищення, використовують
для виробництва елементарної сірки, або сірчаної кислоти.
Сульфування
Цей досить відомий метод полягає у впливі 5-20% концентрованої
сірчаної кислоти або олеуму на сірчисті дистиляти. При цьому сульфіди,
меркаптани, тіофени й частково ароматичні вуглеводні вступають у реакцію
сульфування з виділенням тепла. У результаті утворюється розчин смол і
сульфокислот у концентрованій сірчаній кислоті (так званий кислий гудрон).
Паралельно із сульфуванням іде ціла низка хімічних процесів - окислювання
меркаптанів і сульфідів з наступним розчиненням продуктів реакції в кислому
гудроні, а також полімеризація ненасичених сполук та співполімеризація
ненасичених із тіофеном (алкілування). Частину сірчистих сполук можна
регенерувати з розчину шляхом нейтралізації й відгону сірчистих сполук
водяною парою. Продукти більш глибоких перетворень ідуть у відходи. До
недоліків цієї технології слід віднести те, що втрачається значна частина
ароматичних вуглеводнів, сірчисті, кисневмісні й азотовмісні сполуки, а також
повністю сірчана кислота або олеум з утворенням великої кількості побічних
продуктів, що призводить до додаткових витрат на регенерацію або утилізацію
останніх [4].
Окисна десульфуризація меркаптановмісної сировини
Однією з головних умов рішення проблеми переробки меркаптановмісної
сировини є впровадження в практику нових нетрадиційних технологій
очищення палив від сірковмісних сполук. При виборі процесу очищення
необхідно враховувати неоднорідність і нерівномірність сірчаних сполук.
Очищення бензинових фракцій. Демеркаптанизації доцільно піддавати
фракції з вмістом загальної сірки не більше 0,1%. Цей процес дуже
економічний, собівартість очистки й питомі витрати на 1т сировини нижче, ніж
при каталітичному гідроочищенні.
Технологічні схеми демеркаптанизаціі бензинових фракцій термічного й
каталітичного крекінгів різні. Для очищення бензинових фракцій термічного
крекінгу, що містить важкоокиснювальні меркаптани, використовують більш
активний нерухомий шар каталізатора. Очищення відбувається при
контактуванні фракції із цим шаром у присутності кисню повітря й лугу.
Очищення бензинових фракцій каталітичного крекінгу проводять методом
рідинної екстракції в присутності розчиненого в лужному розчині каталізатора,
при цьому меркаптани переходять у розчин й окисляються до дисульфідів.
Останні легко переносяться в бензинову фракцію, оскільки нерозчинні в
розчині лугу. Залишковий зміст сірки після такого очищення не перевищує
0,0005% (мас.).
38

Для видалення сірки всіх видів становить інтерес метод очищення
спеціальними окислювачами, найбільш прийнятний для більшості невеликих
підприємств, що не вимагають складного устаткування й жорстких режимів
технологічного процесу. Суть методу полягає в селективному окислюванні
сполук сірки до сульфоксидів і сульфонів. Як окислювач використовують
пероксид водню. Його найважливішою перевагою є відсутність рідких
продуктів розкладання, крім води. Озоно-повітряна суміш як окислювач навіть
у м'яких умовах повністю переводить сірковмісні сполуки в сульфоксиди й
сульфони. При цьому різко зменшується температура кипіння сполук. Різниця
між температурами кипіння окислених сполук сірки й відповідних вуглеводнів
досягає декількох десятків градусів, завдяки чому окислені сполуки сірки легко
відокремлюються методом ректифікації. У результаті одержують порядку 88%
бензинового дистиляту з вмістом сірки 0,06% й 9,5% залишку з 2,6% загальної
сірки.
Очищення гасових і дизельних фракцій. Очищення гасових і дизельних
фракцій зводиться до демеркаптанизаціі. Лужною екстракцією цього здійснити
не можна. Однак, меркаптани досить розчинні, щоб частково перейти в лужну
фазу. У лужному середовищі, у присутності спеціального гетерогенного
каталізатора й повітря, молекула меркаптану миттєво окисляється в дисульфід.
Залишковий зміст меркаптанової сірки після такого очищення менш 0, 001%.
Собівартість палива очищеного таким способом на 17% нижче, ніж при
гідроочищенні.
Із загальною сіркою в гасових фракціях, як й у бензинових, борються за
допомогою окисного знесірчення. Окислювання сірки в дизельних паливах
проводять водяним розчином пероксида водню в пінно-емульсійному реакторі.
Окислені сполуки сірки й вуглеводні розділяють ректифікацією. При поділі
дизельних фракцій широкофракційного складу разом з висококиплячими
вуглеводнями можуть відганятися окислені сірчані сполуки. Тому при
відділенні окислених сірчаних сполук з оксидату, необхідно використовувати
більш вузькі фракції.
Оксидаційна некаталітична очистка прямогонних гасових фракцій
Оптимальний температурний інтервал оксидаційної очистки 453-463 К
[5]
Встановлено, що присутність води у реакційному середовищі гальмує
процеси рідко фазного окислення вуглеводнів, підвищуючи селективність
процесу. Оптимальні співвідношення вода: сировина становлять 1:3 – 1:5.
Ступінь вилучення сірки не залежить від об’ємної швидкості подачі оксиданту.
Встановлено, що у запропонованих умовах окислення сірчисті сполуки
достатньо повно окислюються до сульфоксидів і сульфонів, які легко можуть
бути вилучені з палива, що забезпечує високу глибину його десульфуризації. В
процесі одержують очищене паливо і невелику кількість побічних продуктів
(кубовий залишок, концентрат кислих сполук, тверда фаза, водорозчинні
продукти окислення) які можуть бути використані у якості сировини для
виробництв основного органічного синтезу.
39

Сірчисті сполуки, присутні у гасових фракціях, окислюються киснем
повітря набагато легше, ніж вуглеводні. Тому на початкових стадіях окислення
вони легко окислюються і сприяють зменшенню індукційного періоду
окислення вуглеводнів. Далі вихідні сірчисті сполуки (сульфоксиди і сильфони)
інгібують окислення вуглеводнів.
Вуглеводні окислюються поступово. Спочатку до спиртів, потім до
карбонільних сполук і, нарешті, до оксикислот. Паралельно йдуть реакції
розчинення з утворенням низькомолекулярних кисневмісних сполук. Ця суміш
продуктів окислення сірчистих сполук і вуглеводнів є вихідним матеріалом з
якого утворюються смоли і тверді осади.
Без води окислення вуглеводнів перебігає більш глибоко з утворенням
значної кількості оксикислот, які схильні до конденсації з утворенням
розчинних і нерозчинних у паливі продуктів конденсації, та кислот, які
зумовлюють високу кислотність дистиляту. У присутності води частина
проміжних продуктів окислення переходить у водну фазу і тим самим процес
окислення спрямовується у напрямку більшого утворення нейтральних
кисневмісних сполук (зокрема, фенолів), які проявляють інгібуючу дію у
процесах окислення вуглеводнів і менше схильні до реакцій ущільнення. Але
при збільшенні співвідношення вода: сировина зменшується вміст фактичних
смол у дистиляті та покращується його термоокислювальна стабільність, що
є свідченням того, що збільшення кількості води у реакційному
середовищі сприяє сповільненню реакцій окислення вуглеводнів.
Оптимальними співвідношеннями вода :сировина слід вважати 1:5-1:3.
Кавітаційна обробка нафт і нафтових дистиляційних фракцій
Суть процесу кавітаційної обробки полягає в тому, що при підвищенні
відносної швидкості потоку знижується тиск до вакууму. При цьому рідина
закипає з утворенням кавітаційних паро газових каверн мікроскопічного розміру.
Кавітаційні каверни, потрапляючи в зону підвищеного тиску конденсуються
кумулятивними струменями в точки. В цих точках спостерігається різке
короткочасне підвищення тиску і температури. Це останнє дозволяє
інтенсифікувати процеси ударного гідро крекінгу і іонізації середовища,
одночасно гальмуючи процеси коксоутворення, що особливо важливо при
обробці нафтопродуктів, які є термічно нестабільними і водночас потребують
поглибленої високотемпературної обробки.
Кавітаційне обладнання незамінне при виготовленні товарних мазутів,
мастильно-охолоджувальних рідин, водопаливних емульсій, взаєморозчинних
рідин.
Нами була проведена серія дослідів, об’єктами яких стали зразки
дизельного пального з харківських заправок. Кавітаційна обробка велася з
метою зниження вмісту загальної сірки у досліджуваних зразках. У якості
додаткового фактору інтенсифікації до реакційної суміші додавався адсорбент
– активна блакитна глина. Результати досліджень на лабораторній установці
наведено у табл.1.
Після обробки суміш вивантажувалась з пристрою і відстоювалась від
води і адсорбенту. За даними табл. видно, що за основними показниками
40

дизельне пальне с заправки не відповідає вимогам стандарту, а кавітаційна
обробка дозволяє значно покращити якість пального.
З усього вищесказаного можна зробити висновки про те, що разом з
відомими промисловими методами і технологічними процесами, що поширені
в умовах багатотоннажного виробництва, останнім часом отримали певне
розповсюдження досить нові перспективні технології.
Таблиця 1 – Результати кавітаційної обробки дизельних палив
Дизельне пальне№1 Дизельне пальне№2 Дизельне пальне№3
До кавітації Після
кавітації
До кавітації Після
кавітації
До кавітації
Після
кавітації
Густина, кг/м 3
20
Ρ 4 =823
20
Ρ 4 =826
20
Ρ 4 =822
20
Ρ 4 =824
20
Ρ 4 =833
20
Ρ 4 =834
Температура спалаху, 0 С
50 70 53 70 38 59
Вміст загальної сірки, %
0,10 0,034 0,10 0,035 0,157 0,081
Фракційний склад за даними лабораторної розгонки
п.к. – 156 0 С п.к. – 165 0 С п.к. – 156 0 С п.к. – 176 0 С п.к. – 112 0 С п.к. – 150 0 С
10% - 198 0 С 10% - 194 0 С 10% - 194 0 С 10% - 195 0 С 10% - 191 0 С 10% - 192 0 С
20% - 208 0 С 20% - 204 0 С 20% - 205 0 С 20% - 209 0 С 20% - 221 0 С 20% - 222 0 С
30% - 217 0 С 30% - 214 0 С 30% - 218 0 С 30% - 219 0 С 30% - 238 0 С 30% - 242 0 С
40% - 231 0 С 40% - 224 0 С 40% - 230 0 С 40% - 229 0 С 40% - 256 0 С 40% - 257 0 С
50% - 242 0 С 50% - 240 0 С 50% - 242 0 С 50% - 244 0 С 50% - 271 0 С 50% - 272 0 С
60% - 262 0 С 60% - 255 0 С 60% - 257 0 С 60% - 260 0 С 60% - 289 0 С 60% - 288 0 С
70% - 280 0 С 70% - 273 0 С 70% - 278 0 С 70% - 279 0 С 70% - 305 0 С 70% - 305 0 С
80% - 308 0 С. 80% - 293 0 С 80% - 300 0 С 80% - 301 0 С 80% - 325 0 С 80% - 324 0 С
90% - 344 0 С 90% - 321 0 С 90% - 333 0 С 90% - 334 0 С 90% - 356 0 С 90% - 353 0 С
93% - 360 0 С
– к.к
96% - 347 0 С
– к.к.
93% - 361 0 С
– к.к
96% - 365 0 С
– к.к.
95% - 367 0 С
– к.к
96% - 367 0 С
– к.к.
Вихід, %
94 97 94 98 96 97
Залишок, %
4,1 2,7 4,1 2,3 3,7 2,7
Витрати, %
1,9 0,3 1,9 0,2 0,3 0,1
Одна з найцікавіших – кавітаційна обробка. Перспективність і доцільність
її використання з метою збільшення виходу світлих фракцій, зниження
сірчаності нафтопродуктів та вмісту в них мінеральних солей не викликає
сумнівів. Особливо ефективним слід визнати використання цієї технології в
умовах мінізаводів, напівпромислового виробництва або при доведенні
некондиційного товарного продукту до вимог стандартів.
Список літератури: 1. Н.Б. Аспель, Г.Г. Демкина. Гидроочистка моторних топлив. –
Л.:Химия, 1977. – 160с. 2. Д.И. Орочко, А.Д. Сулимов, Л.Н. Осипов. Гидрогенизационные
процессы в нефтепереработке. – М.:Химия, 1971. –350с. 3. І.О. Лаврова, М.О. Безкоровайний.
Вибір напрямків інтенсифікації процесу гідроочищення моторних палив / / Восточноевропейский
журнал передовых технологий. – Харьков: НТУ “ХПІ”, 2006. - №4/3 (22).4.
41

А.К.Мановян. Технология переработки природных энергоносителей. – М.:Химия, 2004. –
456с. 5. Панів П.М. Оксидаційна некаталітична очистка прямогонних гасових фракцій:
Автореф. дис… канд. техн. наук.
Поступила в редколлегию 05.12.2010
ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ И МАИНОСТРОЕНИЯ
УДК 62.192:620.18
В.А. СКАЧКОВ, канд. техн. наук, доцент, ЗГИА, г. Запорожье
С.А. ВОДЕННИКОВ, докт. техн. наук, профессор, ЗГИА, г. Запорожье
В.И. ИВАНОВ, ст. препод., ЗГИА, г. Запорожье
В.И. ДОНЕНКО, канд. техн. наук, доцент, ЗГИА, г. Запорожье
К РАСЧЕТУ НАДЕЖНОСТИ УНИКАЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
Розроблено метод розрахунку надійності унікальних конструкцій, яку оцінюють
перевищенням допустимого рівня поля структурних пошкоджень, обумовлених розподілом
мікроструктурних напружень. Мікроструктурні напруження визначають із рішення зв’язаної
статистичної задачі деформації та руйнування мікронеоднорідних середовищ.
Ключові слова: мікроструктурне напруження, мікроструктурні деформації, розподіл
випадкових напружень, надійність конструкцій
Разработан метод расчета надежности уникальных конструкций, которую оценивают
превышением допустимого уровня поля структурных повреждений, обусловленных
распределением микроструктурных напряжений. Микроструктурные напряжения
определяются из решения связанной статистической задачи деформирования и разрушения
микронеоднородных сред.
Ключевые слова: микроструктурные напряжения, микроструктурные деформации,
распределение случайных напряжений, надежность конструкций
The method of calculation for reliability of unique constructions, which is estimated by exceeding
of the limited level of structural damages field, conditioned by distributing microstructure tensions,
is developed. Microstructure tensions are determined from the decision of the connected statistical
task for deformation and destruction of microunhomogeneous environments.
Keywords: Microstructure tensions, microstructure deformations, distributing of casual tensions,
reliability of constructions
1. Введение
Создание ответственных уникальных высоконагруженных конструкций,
разрушение которых приводит к катастрофическим последствиям,
предполагает разработку методов оценки их надежности.
Известные методы оценки надежности конструкций основаны на
положениях теории вероятности и случайных процессов [1,2]. Однако в данном
подходе не учитываются структурные изменения, которые накапливаются в
процесе функционирования конструкций.
42

2. Постановка задачи
Целью настоящей работы является разработка метода оценки надежности
уникальных конструкций, в основе которого рассматривают процесс появления
и развития микроструктурных изменений.
3. Разработка методики расчета и ее апробация
Разрушение материала в условиях длительных статических или
циклических нагружений происходит многостадийно, каждая стадия которого
протекает на масштабном уровне, сопоставимом с элементами микроструктуры
и приводит к изменению структурных элементов, как на микроскопическом,
так и макроскопическом уровнях.
К числу структурных превращений относится накопление
микроповреждений, которые реализуются в отдельных элементах материала
(зернах, армирующих и связывающих элементах и т.д.). Появление
микроповреждений характеризуется превышением случайного поля
микронапряжений предельно-допустимой поверхности, определяемой
критериями разрушения.
Для расчета полей микронапряжений решают связанную задачу
деформирования и разрушения микронеоднородных тел в условиях
циклического нагружения [3]:
ξ i α , α = 0 ;
Ι Ι
ξ ij = Q ij α β ⋅ [ 1 − ℵ ( ξ ,S, N )] ⋅ ε α β ;
ε ij = , 5 ( χ i,j + χ j,i )
S
χ i = Ui
,
0 ; (1)
s
где ξ ij ξ , ε mn , χ i – случайные тензоры напряжений, деформаций и
S
перемещений соответственно; U i – детерминированный вектор перемещений
границы тела; Q ijmn – случайный тензор модулей упругости материала;
ℵ II ( ξ,S,N ) – случайная функция накопленных микроповреждений; S – тензор
прочности элементов микроструктуры; N – число циклов нагружения.
При циклическом нагружении процесс накопления повреждений
обусловлен влиянием предыстории разрушения и функцию накопления
микроповреждений записывают как
ℵ
Ι Ι
N
Ι Ι
( ξ ,S,N ) = ∫ F ( n) ⋅ ω ( ξ ,S ) dn ,
0
где F ( n)
– функция, которая учитывает предысторию развития разрушений;
ω ΙΙ ( ξ,S ) – безразмерная функция микроповреждаемости.
Моментные функции первого и второго порядка для ℵ II ( ξ,S,N )
определяют как
N
Ι Ι
Ι Ι Ι Ι
ℵ ( ξ ,S,N ) = ∫ {[ F ( r)
] ⋅ ( ω ) + [ F ( r)
⋅ ω ]} dη
;
(3)
0
N1 N2
Ι Ι
Ι Ι
ℵ ( ξ 1,S,N1
) ⋅ ℵ ( ξ 2 ,S,N2
) = ∫ ∫ ( Φ 11 ⋅ Φ 22 +
0 0
+ F1 ⋅ Φ 12 ω1
+ F2
⋅ Φ 21 ω2
+ ω1
⋅ Φ 22 F1
+
+ ω 2 ⋅ Φ 11 F2
+ K12
⋅ ω 1 ω 2 + Ω 12 ⋅ F1
F2
43
+
(2)

где F i = F ( n i ) ; ω i = ω ( )
K F ( n ) ⋅ F ( n ) ;
12 F2
ω 2 + Φ 21 ω 1 F1
− Φ 11 Φ 22 ) dn 1 dn 2
Ι Ι
ξ i ,S ; Q ij = Q − Q
+ Φ
, (4)
– пульсации случайных функций;
Ι Ι
ij = i j Φ ij = F ( n i ) ⋅ ω j ; ... – оператор статистического осреднения;
ΙΙ ΙΙ
Ω ij = ω i ⋅ ω j ; i,j = 1,2.
Функция ω ΙΙ ( ξ,S ) является локально-эргодической [3], а функция
ℵ II ( ξ,S,N ) удовлетворяет условиям локальной стационарности в трактовке
А.Н.Колмогорова [4]. Данные функции записывают в виде
Ι Ι
Ι Ι
f Ι Ι ( N1,N2
) = ℵ ( ξ1,S,N1) − ℵ ( ξ 2 ,S,N2
) = f Ι Ι ( N1
− N2
)
ℵ ℵ
; (5)
ΙΙ
ΙΙ
2
D ΙΙ ( N1,N2
) = ℵ ( ξ1,S,N1) − ℵ ( ξ2
,S,N2
) = D ΙΙ ( N1
− N2
)
ℵ
ℵ . (6)
В соответствии с условиями (5) и (6) корреляционную функцию (4)
определяют как:
ℵ
( ξ1, S,N1) ⋅ℵ
N1 N1−
N2
ΙΙ ΙΙ
Ι Ι IΙ Ι
( ξ2
,S, N2
) = ∫ ∫ [ F ( n1
) ⋅ F ( n2
) ω 1 ⋅ ω 2 +
+
ω
ΙΙ
1
⋅ ω
ΙΙ
2
0 0
( n ) F ( n ) ] dn dn .
F 1 2 1 2
Условие эргодичности для функции (4) записывают в виде
ΙΙ
ΙΙ
lim τ ⇒ ∞ ℵ ( ξ1 ,S,N ) ⋅ ℵ ( ξ 2 ,S,N + τ ) = 0 .
(8)
Решение системы уравнений (1) методами, изложенными в работе [3] для
моментных функций первого и второго порядка распределения
микронапряжений представляют как
e
γ δ α β ω γ ℵ γ
σ ij = ξ ij = [ θ ijα β + 0 , 5 Kijω ℵ ⋅ ( Iℵ
δ
+ I
ω δ
) ] ⋅ eα β ;
(9)
mn
e e
α α1
β α1
H = ξ ⋅ ξ = 0,
25 θ θ I + I
где
m n
pq
ij
⋅ K
⋅ K
ij
α 1β
1α
2β
2
γ δ γ δ
⋅
1 1 2 2
α 1β
1α
2β
2
mnγ
2δ
2
mn [ ijα
β mnγ
δ (
β β α β
) ⋅
1 1
γ γ
(
1 δ γ1
e
α α β α
+ ) + θ α β (
1 1
I
δ δ
I
γ δ
0,
5 Iβ
β
+ I
α β
) ⋅
1 1
ij
1 1
ý
γ γ
(
1 δ γ1
ijα
β
+ θ
+ )
2 2
0,
5 I I ⋅ K +
mnγ
δ
δ
δ1
γ δ1
α 2β
2
]
γ 2δ
⋅ e
2 α 2β
⋅
2 γ 2δ
2
+ e
γ 1δ
1γ
2δ
2
(7)
K ij mn , (10)
I ⋅ - изотропный тензор четвертого ранга [6].
pqrs
e
e e
II
Kijmn
= θ ijmn ⋅ θ pqrs ; θ = θ ⋅ [ 1 − ℵ ( ξ ,S,N )] .
Вероятность разрушения элементов микроструктуры
соотношением
P
Ι Ι
ijmn
ijmn
⎛
⎜
⎝
d ΙΙ V описывают
α β γ δ
( ξ ,S ) = 1 −
⋅ ∫ exp ⎜ − 0,
5 ⋅ ⋅ ξ α β ⋅ ξ γ δ
⎟ dξ
, (11)
8π
⋅
1
H
mn
где H – определитель, составленный из компонентов H ij ; K ijmn –
алгебраическое дополнение определителя H .
Макроскопическое разрушение конструкции наступает при нарушении
целостности макроскопического элемента d Ι V . Разрушение d Ι V в условиях
Ι
циклического нагружения описывают случайной функцией ℵ ( r ,N ) .
Моментную функцию первого порядка определяют с использованием
зависимости
d V
⎢⎣
S
⎡ N
1
Ι
II
II
II
ℵ ( r ,N ) = ⋅ ⎢ ∫ ∫ P ( ξ ,S ) ⋅ F ( n) + F ( n) ⋅ ω ( ξ ,S ) ⎥ ⋅ d ⋅V
dn , (12)
Ι
I
d V 0
K
H
⎞
⎟
⎠
⎤
⎥⎦
44

где r – радиус-вектор рассматриваемой точки.
Как показано в работе [5], при независимом разрушении элементов d ΙΙ V
накопление макроразрушений происходит согласно закону Пуассона.
Вероятность разрушения конструкции (разделения тела на части) определяют
как
− 1 Ι
Ι
P( N ) = 1 − ( Cω
!) ℵ ( r ,N ) ⋅ Cω
⋅ exp [ − ℵ ( r ,N ) ], (13)
где C ω – мера повреждаемости, которую рассчитывают с использованием
методики, описанной в работе [6].
Предложенный подход апробировали при расчете стальной тонкостенной
цилиндрической оболочки (сталь СП-53), находящейся в условиях воздействия
пульсирующего внутреннего давления. Для данной оболочки определяли
зависимости случайных микроскопических напряжений и моментных функций
распределения микроповреждений от числа циклов нагружения, рассчитывали
средние значения микроповреждений и их дисперсии в зависимости от числа
циклов нагружения, а также проводили оценку вероятности безотказной работы
данной конструкции.
Установлено, что вероятность безотказной работы конструкций
значительно снижается на первых циклах нагружения и при последующем
нагружении уменьшается значительно медленнее, что обусловливается
явлением приспособляемости, основной причиной которого является
структурное упорядочивание.
4. Выводы
Предложенный подход позволяет учитывать структурные параметры
материала конструкций, работающих при циклическом нагружении и,
следовательно, получить более точную оценку надежности. Его применение
может быть полезно для оценки надежности конструкций из композитных
материалов с обязательным использованием обобщений, предложенных в
работе [6].
Список литературы: 1. Переверзев Е.С. Случайные процессы в параметрических моделях
надежности [Текст] / Е.С. Переверзев. – Киев: Наукова думка, 1987. – 235 с. 2. Богачев И.Н.
Введение в статистическое металловедение [Текст] / И.Н. Богачев, Р.Н. Вайнштейн, С.Д.
Волков. – М.: Металлургия, 1972. – 214 с. 3. Скачков В.А. Связанная задача деформирования
и разрушения микронеоднородных сред [Текст] / В.А. Скачков, Ю.В. Соколкин // Пятый
Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. – Алма-Ата: Наука, 1991. – С.
322. 4. Колмогоров А.Н. Кривые в гильбертовом пространстве, инвариантные по
отношению к однопараметрической группе движений [Текст] / А.Н. Колмогоров // Доклады
АН СССР. – 1940. – Т.26. – С. 6-12. 5. Волков С.Д. Микромеханика композитных материалов
[Текст] / С.Д. Волков, В.П. Ставров. – Минск: БГУ, 1977. – 382 с. 6. Скачков В.А. О связи
прочностных и деформационных характеристик с разрушением композитных материалов
[Текст] / В.А. Скачков, В.А. Леонтьев // Напряженное деформированное состояние и
прочность конструкций. – Свердловск: УНЦ АН СССР, 1982. – С. 97-103.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 620.18
45

В.В. ГОНЧАРОВ, асистент, Інститут хімічних технологій Східноукраїнського
національного університету імені Володимира Даля, м. Рубіжне
Д.О. РЄЗНІЧЕНКО, магістрант, Інститут хімічних технологій Східноукраїнського
національного університету імені Володимира Даля, м. Рубіжне
М.В. НЕНЬКО, канд. техн. наук, доцент, Інститут хімічних технологій
Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, м. Рубіжне
МОДИФІКУВАННЯ НЕРЖАВІЮЧОЇ СТАЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ІОННОЇ ІМПЛАНТАЦІЇ
У статті проведене дослідження впливу іонної імплантації алюмінію на мікрогеометрію
зразка із нержавіючої сталі.
Ключові слова: алюміній, мікроструктура, іонна імплантація
В статье проведено исследование влияние ионной имплантации алюминия на
микрогеометрию образца из нержавеющей стали.
Ключевые слова: алюминий, микроструктура, ионная имплантация
In the article research of influence of ionic implantation of aluminum on microgeometry of sample
from stainless steel is considered.
Keywords: aluminum, microstructure, ionic implantation
1. Вступ
На даний час велика увага приділяється технологіям, здатним створювати
композиції з мінімальним вмістом активного компоненту, які до того ж
володіють необхідним спектром фізико-хімічних, механічних та
теплоенергетичних властивостей. Зокрема, актуальним є застосування таких
композитів в каталітичних технологіях. Але часто активними компонентами є
дорогоцінні метали платинового ряду [1], що безпосередньо виявляється на
собівартості отриманого елементу. Щоб знизити витрату недешевого
каталізатору та уникнути його дифузії у глибину, на носій заздалегідь наносять
«бар'єрний» шар модифікатору. Властивості отриманих композицій великою
мірою залежать від того, яким способом проводили нанесення та які елементи
застосовували в якості носія і модифікатора. Перспективним матеріалом для
носіїв можна вважати нержавіючу сталь 12Х18Н10Т [2, 3], яка дуже поширена
у хімічній технології. В якості модифікатора можна застосовувати алюміній у
силу його високих термомеханічних та хімічних характеристик. В аспекті
способу нанесення слід дослідити метод іонної імплантації – іонно-плазмову
технологію, яка володіє цілою низкою переваг перед хімічними методами.
Зокрема, дана технологія дозволяє вводити будь-яку домішку в будь-якій
концентрації при будь-якій температурі незалежно від її розчинності у
матеріалі носія. При цьому повністю виключається можливість відшарування
покриття, оскільки активний компонент не нанесений, а впроваджений в
поверхню носія [4, 5]. Крім того, зразки, які оброблені за методом іонної
імплантації, не тільки набувають більшої зносостійкості, твердості, міцності,
але й у них також зростає опір на ерозію, корозію, термічне оксидування та ін.
46

Це має позитивний вплив на теплофізичні та гідродинамічні властивості
отриманих композитів.
Таким чином, метою роботи було дослідження впливу іонної імплантації
алюмінію на мікрорельєф зразків, виконаних із сталі 12Х18Н10Т. Очевидно, що
гідродинамічні, теплофізичні та механічні характеристики каталітичного або
теплообмінного елементу у певній мірі залежать від шорсткості поверхневого
шару. Тому в даній статті проводилося порівняння зразка, обробленого іонами
алюмінію із необробленим зразком з позиції поверхневої структури та
мікрогеометрії.
2. Експериментальна частина
Для дослідження були взяті необроблений зразок, виготовлений зі сталі
12Х18Н10Т, та зразок зі сталі 12Х18Н10Т, оброблений іонами алюмінію за
допомогою установки іонної імплантації. Установка складалася із вакуумної
камери, високовакуумного та форвакуумного агрегатів, джерела іонів, блоків
керування та живлення. Для створення в середині камери робочого середовища
використовували азот, а режим роботи установки забезпечував дозу легування
близько 5×10 17 см -2 .
Мікроструктура отриманих зразків аналізувалася за допомогою
мікроскопу «МИМ-7» (ступінь збільшення до 1:2900). Дослідження
мікрорельєфу проводили за допомогою мікроінтерферометра В.П. Лінніка
«МИИ-4». Обидва прибори додатково були обладнані цифровою фотокамерою
«Kodak EasyShare C1013».
Визначення висоти нерівностей проводили за стандартною методикою
згідно інструкції до мікроінтерферометру. Висоту нерівності Н розраховували
за формулою:
Н =
∆
0,27 N
∆ N
де Н – висота нерівності, мкм;
ΔN 1 – ширина інтервалу між інтерференційними смугами, мкм;
ΔN 2 – величина вигіну інтерференційної смуги, мкм;
n – число інтервалів між інтерференційними смугами.
2
1
3. Результати та обговорення
Отримані мікрофотографії поверхонь зразків наведені на рисунках 1 і 2.
n ,
а) б) в)
Рис. 1 – Структура поверхні необробленого зразка зі ступеню збільшення
відповідно: а) ×650; б) ×1500; в) ×2900
47

а) б) в)
Рис. 2 – Структура поверхні зразка з імплантованим алюмінієм зі
ступеню збільшення відповідно: а) ×650; б) ×1500; в) ×2900
Дані мікрофотографії доводять, що після іонної імплантації алюмінію
рельєф поверхні згладжується і поверхневий шар набуває більш однорідний
характер. Ці висновки підтверджують мікрофотографії інтерференційних
картин, зроблених за допомогою мікроінтерферометру В.П. Лінніка (рисунки 3
і 4).
Рис. 3 – Мікрофотографії інтерференційних смуг для необробленого
зразка (сталь 12Х18Н10Т)
Розрахунок мікрогеометрії зразків за вищенаведеною формулою показує
наступні результати. У зразка необробленного значення висоти «гребінців»
було в діапазоні 0,32÷0,64 мкм, у зразка з імплантованим алюмінієм – 0,19÷0,4
мкм.
Рис. 4 – Мікрофотографії інтерференційних смуг для зразка з
імплантованим алюмінієм (сталь 12Х18Н10Т+Аl)
4. Висновки
Проведені дослідження довели, що іонна імплантація дійсно змінює
мікрогеометрію поверхневого шару зразків зі сталі 12Х18Н10Т. Враховуючи,
що до того ж відбувається насичення верхнього шару зразка іонами алюмінію,
можна безумовно вважати іонну імплантацію ефективною технологією
модифікування нержавіючої сталі з можливим застосуванням її при створенні
композицій для каталітичних та теплообмінних процесів.
Список літератури: 1. Pd/Pt promoted Co 3 O 4 catalysts for VOCs combustion preparation of
active catalyst on metallic carrier / Joanna Łojewska, Andrzej Kołodziej, Jerzy Zak [та ін.] //
Catalysis Today. – 2005. – №105 – С. 655-661. 2. Giornelli T. Preparation and characterization of
VO x /TiO 2 catalytic coatings on stainless steel plates for structured catalytic reactors / Thierry
48

Giornelli, Axel Lofberg, Elisabeth Bordes-Richard // Applied Catalysis A: General. – 2006. –
№305. – С. 197-203. 3. Catalytic wall reactor. Catalytic coatings of stainless steel by VO x /TiO 2 and
Co/SiO 2 catalysts / T. Giornelli, A. Lofberg, L. Guillou [та ін.] // Catalysis Today. – 2007. – №128
– С. 201-207. 4. Модифицирование и легирование лазерными, ионными и электронными
пучками / [под. ред. Дж. М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона]. – М. : Машиностроение, 1987.
– 424 с. 5. Матюхин С.И. Ионная имплантация как метод внедрения атомных частиц в
углеродные наноструктуры. – В кн.: Химия твердого тела и современные микро- и
нанотехнологии.: Сб. науч.тр./ Международная конференция – Кисловодск, РАН, 2002, с. 77-
85.
Поступила в редколлегию 24.11.2010
УДК 621
А.С. ГОРДЄЄВ, докт. техн. наук, доцент, УИПА, г. Харьков
ГАРМОНІЗАЦІЯ СТАНДАРТІВ ПОЛІГРАФІЧНОГО
ВИРОБНИЦТВА
Визначено пріоритетні напрямки гармонізації стандартів поліграфічного виробництва.
Рекомендації з методики керування якістю пробних і тиражних відбитків на основі
гармонізації міжнародного стандарту можна застосовувати безпосередньо для виготовлення
кольоропроб і друкарських форм, зроблених з використанням технології CtP.
Ключові слова: гармонізація стандартів, технологія CtP, поліграфічне виробництво.
Определены приоритетные направления гармонизации стандартов полиграфического
производства. Рекомендации по методике управления качеством пробных и тиражных
оттисков на основе гармонизации международных стандартов можно применять
непосредственно для изготовления цветопроб и печатных форм, сделанных с
использованием технологии CtP.
Ключевые слова: гармонизация стандартов, технология CtP, полиграфическое производство.
Identified priority areas for harmonization of standards of printing production.
Recommendations on how to control the quality of proof and production prints on the basis of
harmonization of international standards can be applied directly for the production of proofs and
printing plates made using the technology of CtP.
Keywords: harmonization of standards, technology, CtP, printing production.
1. Вступ
Останнім часом активно дискутується питання про заходи щодо
підвищення конкурентоздатності вітчизняної продукції як на внутрішньому,
так і на зовнішньому ринках, і пов'язаної з ними захисту інтересів українського
товаровиробника. Сьогодні стандартизація при виготовленні поліграфічної
продукції стала нагальною потребою. Виникає непереборне бажання почати
розмовляти на одному, зрозумілому всім зацікавленим сторонам мові.
Замовник вправі знати, на що він може розраховувати, здаючи свою роботу в
конкретну друкарню, а остання, у свою чергу, просто зобов'язана повідомити
його про правила гри ще до її початку. В остаточному підсумку, найголовніше
– це навіть не слідування тому або іншому принципу стандартизації, яких, до
речі, на сьогоднішній день чимало. Набагато важливіше, щоб друкарня у своїй
роботі просто дотримувалася хоч якихось нормативів. Одне з основних вимог –
один раз зафіксувавши певні умови технологічного процесу, домогтися їхньої
49

сталості в часі. Важливіше направити зусилля на підтримку стабільності
процесу в цілому, чим домагатися досягнення того або іншого окремого
показника.
У нашій країні на сьогоднішній день Центральний орган виконавчої
влади в сфері стандартизації України через недостатнє фінансування не може
забезпечити в необхідному обсязі розробку необхідних стандартів. А крім
цього відповідні органи зі стандартизації докладають серйозних зусиль для
розробки об'єктивного стандарту з урахуванням думки всіх зацікавлених
сторін. Це досягається шляхом залучення до роботи експертів з різних
областей, проведення анкетування, голосування по різних варіантах. І, все-таки,
без системного підходу із власною методологічною базою набір цих мір,
спрямованих на підвищення якості стандартів, не виглядає досконалим.
Окремі аспекти підвищення якості й конкурентоздатності продукції, у
тому числі засобами стандартизації, розглядалися в працях вітчизняних і
закордонних учених. Серед них, насамперед, можна виділити роботи
В.А.Ануфрієва, В.В.Бойцова, В.Г.Версана, Г.П.Вороніна, М.С.Висотського,
Б.Восселя, А.В.Гличева, Е.А.Горбашко, Д.С.Демиденко, О.В.Дибова,
В.Дьомінга, Д.М.Джурана, Е.М.Карлика, А.А.Липгарта, Я.Чи, Д.Міньо,
Г.К.Мирзоєва, Ф.Ніколя, В.В.Окрепилова, В.А.Петрушева, С.А.Подлепи,
Г.Тагути, В.В.Таболина, А.И.Титкова, П.М.Фиттермана й ін. Однак наукові
праці, присвячені забезпеченню конкурентоздатності продукції засобами
гармонізації національних стандартів, практично відсутні.
Гармонізація стандартів також має найважливіше значення для
розширення взаємовигідного обміну товарами (послугами), висновку угод по
сертифікації, розвитку й поглиблення промислового співробітництва й
спільного рішення науково-технічних проблем, підвищення й забезпечення
якості продукції, оптимізації витрат матеріальних й енергетичних ресурсів,
підвищення ефективності заходів по безпеці праці й захисту навколишнього
середовища.
Тому метою роботи є розробка методики керування якістю пробних і
тиражних відбитків в офсетному друці на основі гармонізації міжнародних
стандартів.
2. Потреба поліграфічного виробництва в стандартизації
Метою поліграфічного виробництва, так само як і будь-якої іншої галузі є
випуск якісної продукції. Відносно друку, дотримання певних кількісних
характеристик дозволяє прогнозувати її результати. Наприклад, якщо
заздалегідь знати, що Cyan, в остаточному підсумку буде відповідати точно
заданим колориметричним координатам, те це вирішує багато проблем і на
відбитку виходить не просто відтінок блакитного, а саме те, що в поліграфії
прийнято йменувати С. Відкривається можливість широкого впровадження
системи керування кольорами CMS (Color Management System). Дизайнерам і
друкарям стане простіше працювати.
З'являється перспектива об'єктивно оцінювати якість продукції,
опираючись на кількісні показники. Адже зараз така оцінка більшою мірою
50

суб'єктивна: подобається або не подобається відбиток. Часто можна почути:
"Там друкують якісно". А це як Де критерій Якщо постійно догоджати
замовникові, то доводиться неодноразово передруковувати тираж, роблячи
його щораз по-іншому.
У століття цифрових технологій переважніше чітко відпрацьована, день у
день повторюваний технологічний ланцюжок, що виключає або хоча б що різко
зменшує роль випадкових факторів, і як наслідок, що дає свідомо відомий
результат. При цьому якість стає відчутним, його можна оцінити,
використовуючи кількісні характеристики. Воно або відповідає комусь
критеріям, або немає. А якщо й відхиляється від нього, то можна довідатися
наскільки: усе, що виходить за рамки припустимих відхилень – брак. І вже
неважливо, чи подобається цей тираж вам або мені. Питання ставиться поіншому
– відповідає він чи ні. Зі стандартизацією відпаде необхідність робити
всі "на око", тепер день у день потрібно буде просто строго стежити за тим,
щоб при друці витримувались заздалегідь обговорені умови, які фіксуються
приладами. Із цього моменту робота стане передбачуваної, у дизайнерів
з'явиться можливість уже на етапі народження творчого задуму скористатися
даними про відтворені кольори й почати повноцінно управляти ними у власних
інтересах.
На жаль, у цей час процедура стандартизації по своїх темпах дуже сильно
відстає від науково-технічного прогресу. Найчастіше стандарти виходять уже
морально застарілі, і використання їх на виробництві можливо лише в
обмеженому обсязі.
Другий не менш важливий аспект полягає в тім, що стандарти дають опис
лише деякої, часом досить малої частини виробничого процесу, наприклад всі
стандарти для друку, у тому числі глибокого й флексографского, містять лише
дані по триадным (CMYK) фарбах, які останнім часом активно витісняються
сумішними. При цьому згадування про подібні фарби в стандарті повністю
відсутній.
Третій факт – застосування різних національних стандартів у різних
країнах і закономірно виникаючі при цьому неузгодженості в значеннях вимірів
тих самих зразків тими самими приладами.
3. Стандарти поліграфічної галузі діючі у світі
Почнемо з основних стандартів для друку, використовуваних у світі
(Європі, Росії, частині американського континенту й Азії), до яких ставляться
стандарти ISO (the International Organization for Standardization - Міжнародна
організація по стандартизації):
Незважаючи на наявність єдиного міжнародного стандарту, більшість
країн-учасниць мають свої національні стандарти для поліграфії, а також
використаються алгоритми виробничого процесу й розробки груп, що
займаються стандартизацією. Багато хто з них зв'язані не з кольоровою
печаткою, а з настроюванням друкованих машин, щоб забезпечити їх
послідовну й передбачувану роботу. Нижче представлений список найбільш
відомих:
51

• Міжнародна організація по співробітництву в сфері автоматизованої
інтеграції додрукарських, друкарських і післядрукарських процесів
(CIP4) — некомерційна асоціація, зареєстрована в Міністерстві
юстиції й Федеральній торговій комісії США як Організація по
розробці стандартів.
• Провідна організація по забезпеченню стандартів у пресі й
параметрах кольорової печатки в Європі (FOGRA).
• Міжнародний консорціум по кольорах; об'єднання зацікавлених
розроблювачів відкритих міжплатформних стандартів по обробці
колірних характеристик (ICC).
• Північно-Американська асоціація, що підтримує друковані методи
GRACo й SWOP (IDEAlliance).
Є дві сфери для стандартизації процесів виробництва. Перша — сфера
передачі даних від дизайнера до друку, охоплюється стандартами про передачу
даних, розробленими в середовищі CIP4 й ICC й у групах ISO19530, що
підтримують формат PDF/X. Друга — групи, що працюють зі стандартом ISO
12647 по керуванню технологічним процесом печатки й виготовлення пробних
відбитків: розробки FOGRA 39/40, а також IDEAlliance з GRACo 7 й SWOP.
Уважається, що зв'язку між двома сферами немає й працюють вони відносно
незалежно.
В Україні, на жаль, стандартизація поліграфічної галузі практично зовсім
не проводиться – всі, по суті, зведено до перекладу міжнародних
термінологічних стандартів. Це не може не вселяти певне побоювання щодо
можливості появи в найближчому майбутньому державних нормативних
документів, що регулюють правове поле для всіх учасників поліграфічного
ринку.
Крім створення стандарту потрібна робота в галузі по розробці методів
виміру параметрів процесу з метою досягнення необхідної якості. Тут треба
враховувати сформовані за останні роки умови по використанню
вимірювальних систем, застосуванню нових видів паперів і фарби.
Інформаційні технології докорінно перетворили поліграфію. Все сучасне
газетне, журнальне й книжкове виробництво базується на високошвидкісних,
багатоколірних офсетних агрегатах, розвивається цифрова печатка. Ключовим
питанням стали взаємини між виконавцем і замовником. Друкарні при цьому
керуються своїми внутрішніми стандартами або якими-небудь міжнародними
за своїм розсудом.
Сьогодні фахівці сходяться в думці, що вітчизняна поліграфія перебуває
на цілком конкурентоздатному рівні. І, проте, по цілому ряді найважливіших
показників – продуктивності, фондовіддачі – ми усе ще поступаємося
закордонному виробництву. Створилася парадоксальна ситуація, коли кожен
технолог, починаючи працювати на новій партії паперу одного виду, повинен
організовувати виробничий процес печатки практично заново, підбираючи
швидкісні режими, показники натягу, параметри подачі фарби й зволожуючого
52

розчину. Упевненість у стабільності властивостей, застосовуваних матеріалів
на практиці майже повністю зникла.
4. Формулювання вимог для включення їх у стандарт, що
гармонізується
Детально вивчивши зміст стандарту ISO 12647-2:2004 “Полі-графічні
технології. Керування процесами кольороподілу, виготовлення пробних і
тиражних відбитків. Офсетна печатка”, було визначено, що в стандарті немає
не тільки вимог, але навіть рекомендацій із щільності печатки. Зате є вимоги по
колористиці триадных фарб (тобто їхніх координатах у системі CIE Lab). Але
друкар вимірює щільність плашок на шкалах за допомогою денситометра, і
йому відразу ясно, як регулювати подачу фарби в даному секторі. Але навіть
якщо в друкарні є спектрофотометр і друкар бачить координати кольорів в CIE
Lab, те йому не зрозуміло як реагувати. До того ж через те, що реальні фарби й
матеріали відрізняються від «стандартних», шуканий результат може бути не
досягнуть ніколи.
В роботі для рішення проблеми гармонізації стандарту експертами було
запропоновано переглянути фактори, що впливають на якість відбитка. У
таблиці 1 показана преамбула розрахунку.
Таблиця 1 – Преамбула обробки експертної інформації у вигляді
чотирьох нескладних ранжировок
Вихідні дані
Х1 Оптична щільність плашок
Х2 Колориметричні координати
Х3 Баланс «по сірому»
Х4 Лініатура растра
Х5 Тоновий приріст (розтискування)
Експерти повинні впорядкувати фактори по ступені убування переваги
Всі експерти розташували фактори в строгій послідовності, не
прибігаючи до прийому стирання границі між рівнозначними факторами. Для
визначення ступеня погодженості думок експертів використається обчислення
коефіцієнта конкордації. Отриманий коефіцієнт конкордації W=0,544 для 1%-
рівня вірогідності вказує на те, що існує не випадкова погодженість у думках
чотирьох дослідників. Одержання цього результату дозволяє побудувати
середню апріорну діаграму рангів (рис.1).
53

Запропанован підхід, коли спочатку
технолог за допомогою
спектрофотометра домагається
правильних кольорів і фіксує
відповідні значення оптичної
щільності на відбиття елементів
контрольної шкали із суцільним
барвистим шаром. Потім друкар
стежить за їхньою сталістю за
Рис. 1 - Середня апріорна діаграма
рангів
допомогою денситометра. У роботі
визначени допуски на варіацію
значень денситометричних густин на відбиття кольорових плашок (табл.2).
Таблиця 2 – Допуски значень денситометричних густин на відбиття для
плашечных кольорів
Тип паперу
Кольори
Блакитний Пурпурний Жовтий Чорний
Глянцевий без деревної маси (від
70 г/м 2 і вище);
0,11 0,11 0,1 0,1
Матовий без деревної маси 0,09 0,09 0,09 0,09
Глянцевий, рулонний 0,14 0,14 0,18 0,14
Некрейдований (офсетний) 0,1 0,1 0,11 0,1
Некрейдований (газетний,
суперкаландрований)
0,15 0,19 0,26 0,17
Виміри здійснюються: чорне підкладка, джерело висвітлення D50, 2 об огляди,
0/45 або 45/0.
Також було визначено, що якщо друкувати в припустимих стандартом
межах відхилення щільності фарби й розтискування, то на границях межі
різниця в кольорі досить відчутна. Тому в даній роботі були змінені допуски
цих значень (табл.3).
Таблиця 3 – Допуск на тонове збільшення й максимальний спред півтону
для цветопробы й тиражної продукції
Тонова градація
контрольного поля
Допуск на
відхилення
Допуск на
відхилення
Допуск на
відхилення (тиражна
продукція)
(кольоропроба) (Ок-аркуш)
40 або 50% 1,5 2 2
75 або 80% 1 1,5 1,5
Максимальний
спред півтону
2 2,5 2,5
Висновки. До числа основних результатів дослідження можна віднести
наступні:
54

1) визначено пріоритетні напрямки гармонізації стандартів поліграфічного
виробництва, орієнтовані на забезпечення національної конкурентоздатності;
2) рекомендації з допусків значень денситометричних густин на відбиття для
плашечных кольорів, які дозволяють більш об’єктивно управляти якістю
пробних і тиражних відбитків в офсетному друці на основі гармонізації
міжнародного стандарту.
Практична значимість результатів роботи полягає в тім, що рекомендації
з методики керування якістю пробних і тиражних відбитків на основі
гармонізації міжнародного стандарту можна застосовувати в офсетному друці
безпосередньо для виготовлення кольоропроб і друкарських форм, зроблених з
використанням фотоформ і за технологією CtP.
Список літератури: 1. Синяк М. Стандартизация полиграфического производства – так ли
она необходима //Компьюарт, №11, 2008г. 2. Бачурин С. Миф о «Евростандарте» //Курсив,
№6, 2003г. 3. Фомин В.Н. Квалиметрия. Управление качеством. Сертификация. – М.: Ось-89,
2002. – 205с. 4. Лобанов А.С. Управление качеством на основе квалиметрии. Изд. Второе,
исправленное и дополненное. – Сочи: «Лавина», 2007, - 305 с.
Поступила в редколлегию 06.12.2010
669.18:621.74.047
А.В. ГРЕСС, докт. техн. наук, профессор, Днепродзержинский
государственный технический университет
РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ
ВОДОВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ
БЛЮМОВОЙ ЗАГОТОВКИ
Исследованы и предложены бесфорсуночные устройства вторичного охлаждения
непрерывнолитой блюмовой заготовки.
Ключевые слова: МНЛЗ, вторичное охлаждение, блюм.
Досліджені та запропоновані безфорсуночні пристрої вторинного охолодження
безперервнолитої блюмової заготовки.
Ключові слова: МБЛЗ, вторинне охолодження, блюм.
Non-atomizer devices of secondary cooling of continuous cast bloom billet are investigated and
offered.
Keywords: CCM, secondary cooling, bloom.
1. Введение
В настоящее время совершенствование систем вторичного охлаждения
происходит в направлении снижения расхода воды, что обеспечивает
получение непрерывнолитых заготовок с поверхностью высокого качества и
сохранение достаточно высокой их энтальпии, необходимой для дальнейшего
горячего всада или прямой прокатки заготовок.
Наиболее перспективными являются системы с внутренним смешением
хладагентов вблизи выходного сопла форсунки, которые обладают
55

возможностью обеспечения стабильного водяного охлаждения при аварийном
отключении воздуха.
Таким образом, задача разработки и совершенствования устройств
водовоздушного охлаждения непрерывнолитой блюмовой заготовки является
весьма актуальной.
2. Постановка задачи
При исследовании, разработке и совершенствовании устройств
водовоздушного охлаждения непрерывнолитой блюмовой заготовки (далее
устройств) исходили из предпосылок отказа от использования дорогостоящих
цветных металлов на их изготовление, простоты исполнения и монтажа,
снижения вероятности засорения выходных отверстий продуктами окисления
металла трубопроводов, окалиной заготовки и отложениями жестких солей.
3. Методика изучения физических характеристик факела орошения
водовоздушных устройств
Для изучения физических характеристик факела орошения устройств в
условиях лаборатории ДГТУ был создан специальный стенд, позволяющий
определять углы раскрытия водовоздушного факела, расходы воды и воздуха,
их давление, плотность орошения охлаждаемой поверхности, структуру
водовоздушного факела.
Устройства выполнялись в натуральную величину, поэтому необходимость
применения положений теории подобия отсутствовала.
Структуру факела орошения и углы его раскрытия в процессе проводимых
экспериментов регистрировали с помощью фотокамеры. Для определения
плотностей орошения использовали набор пробирок, установленных по
осевому сечению факела на расстоянии, соответствующем расстоянию
устройства от поверхности заготовки в промышленных условиях – 300 мм. В
процессе экспериментов в течение контролируемого промежутка времени
производилось наполнение пробирок водой факела орошения не более, чем на
2/3 их высоты. Объем содержимого пробирок измерялся, вычислялись средние
плотности орошения на каждом контролируемом участке поверхности
орошения. Каждый опыт повторялся не менее 5 раз.
Выходные отверстия устройств выполнялись круглыми, овальными, в виде
треугольника, звездочки с различным количеством лучей.
Опытное устройство представляло собой конструкцию типа «труба в
трубе». Оси труб устройства могли быть смещены таким образом, что между
трубами образовывался некоторый зазор, величина которого регулировалась с
помощью специальных винтов, выведенных на поверхность наружной трубы. В
направлении расположения охлаждаемой поверхности перпендикулярно или
под некоторым углом в теле труб выполнялись отверстия, оси которых
пересекались с осями труб. По центральной трубе устройства подавался воздух,
который в зазоре между трубами смешивался с водой, подаваемой по наружной
трубе. Образующаяся водовоздушная смесь направлялась на орошаемую
56

поверхность через отверстие специальной конфигурации, выполненное на
трубе подачи воды.
4. Результаты исследований
В результате проведенных экспериментов установлено:
1. При равных площадях отверстий подачи водовоздушной смеси
уменьшение расхода воды в установленных диапазонах стабильной работы
разработанных устройств приводит к уменьшению угла раскрытия факелов до
значений 80–85 % от максимального, составляющего 34–40°.
2. Увеличение площади выходных отверстий обеспечивает
пропорциональный рост плотностей орошения без изменения характера их
распределения по орошаемой поверхности (рис. 1). При этом угол раскрытия
факела и диаметр капель воды несколько увеличиваются.
3. Рост величины угла раскрытия факела происходит при увеличении
отношения диаметра выходного отверстия подачи воды к диаметру выходного
отверстия в трубе подачи воздуха.
4. Уменьшение зазора между трубами подачи охлаждающих агентов
до 2 мм не дало ощутимых изменений в расходе воды и угле раскрытия факела.
Дальнейшее уменьшение зазора привело к появлению пульсаций факела и
забиванию выходных отверстий устройства инородными частицами.
5. Выполнение выходного отверстия в виде окружности, эллипса,
треугольника, звездочки с различным количеством лучей, установка
рассекателей показало, что с ростом величины местных сопротивлений
водовоздушной смеси на выходе из сопла угол раскрытия факела возрастает. В
особой мере это следует отнести к использованию рассекателей и выполнению
сопла в виде звездочки. Угол раскрытия факела смеси при использовании
рассекателей зависит от их геометрических параметров и может увеличиться до
60° и более.
6. При выполнении выходного сечения сопла подачи водовоздушной
смеси в виде восьмилучевой звезды возникают звуковые колебания
определенной частоты. Цифровая запись и ее последующий компьютерный
анализ показал, что частота звука при работе такого устройства находится в
диапазоне 700–1200 Гц с максимумом в районе 850 Гц, что способствует [1]
диспергации капель воды и должно ощутимо улучшать условия охлаждения
заготовки. При такой конфигурации выходного сопла угол раскрытия факела
увеличивается до 45 градусов.
В результате лабораторных исследований гидроаэродинамических
характеристик работы различных конструкций распылителей были выбраны
устройства, стабильно работающие при следующих расходах охлаждающих
агентов: воздуха – 6⋅ 10 -4 –4,2⋅ 10 -3 м 3 /с и воды – в диапазоне 4⋅ 10 -6 –1,4⋅ 10 -
4
м 3 /с. Давление воды и воздуха перед такими устройствами должно находиться
в интервале 0,2–0,5 МПа. На рис. 2 область существования водовоздушного
режима при работе таких устройств заштрихована.
57

Плотность орошения, кг/(м2*с)
1,1
S=15,89 мм2
0,9
S=12,56 мм2
0,8
S=9,62 мм2
0,6
0,5
0,3
0,2
0,0
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72
Расстояние от оси факела, мм
Рис. 1. Распределение плотности орошения
по поверхности заготовки в зависимости от
площади выходного отверстия (расстояние
от устройства до заготовки 300 мм, давление
воды – 0,4 МПа, расход воздуха – 4,2⋅ 10 -3
м 3 /с)
Рис. 2. Зависимость расхода
воды от расхода воздуха (цифры
у кривых – давление воздуха,
МПа)
Повышение расхода воздуха в пределах стабильной работы устройства
приводит к росту расхода воды на 0,1⋅ 10 -4 –0,8⋅ 10 -4 м 3 /с за счет эжектирующего
воздействия струи воздуха. При этом несколько увеличивается плотность
орошения в центре факела. Для ликвидации возможного попадания воды в
тракт подачи воздуха желательно, чтобы давление последнего не превышало
давление воды.
Результаты проведенных исследований согласуются с приведенными в
научной литературе данными [2], что предполагает успешное использование
разработанных водовоздушных устройств в промышленных условиях.
5. Выводы
В лабораторных условиях исследованы характер формирования
водовоздушного факела, его геометрические параметры, стабильность работы,
плотность орошения и т.п. различных конструктивных вариантов
бесфорсуночного устройства вторичного водовоздушного охлаждения
непрерывнолитой блюмовой заготовки. Выбраны стабильно работающие
устройства. Установлена возможность диспергирования капель воды
звуковыми колебаниями, генерируемыми предложенными устройствами.
Список литературы: 1. Сизов А. М. Газодинамика и теплообмен газовых струй в
металлургических процессах / Сизов А. М. – М. : Металлургия, 1987. – 256 с. 2. Комплексное
определение гидравлических и теплотехнических параметров водовоздушного охлаждения
непрерывнолитых слитков / О. Н. Ермаков, В. И. Лебедев, Д . П. Евтеев [ и др. ] // Сталь. –
1987. – № 6. – С. 24–27.
Поступила в редколлегию 29.11.2010
УДК 620.18:621.746
58

В. З. КУЦОВА, докт. техн. наук, професор НМетАУ, м. Дніпропетровськ,
В. Ю. СЕЛІВЬОРСТОВ, канд. техн. наук, доцент, НМетАУ, м.
Дніпропетровськ,
О. А. НОСКО, канд. техн. наук, доцент, НМетАУ, м. Дніпропетровськ,
В. Є. ХРИЧИКОВ, докт. техн. наук, професор, НМетАУ, м.
Дніпропетровськ,
Ю. В. ДОЦЕНКО, канд. техн. наук, доцент, НМетАУ, м. Дніпропетровськ
ОСОБЛИВОСТІ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ВПЛИВУ НА
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ЛИТОЇ ІНСТРУМЕНТАЛЬНОЇ
ШТАМПОВОЇ СТАЛІ
Представлены результаты исследований структуры металла отливки цилиндрической формы
из стали Х18Ф1Л, затвердевающей в кокиле с применением различных режимов
газодинамического воздействия. Установлено позитивное влияние указанного активного
воздействия на качество литого металла.
Представлені результати досліджень структури металу виливка циліндричної форми із сталі
Х18Ф1Л, що твердне в кокілі з використанням різних режимів газодинамічного впливу.
Встановлений позитивний вплив вказаної активної дії на якість литого металу.
The results of researches of structure of metal of cast of cylindricity are represented from steel of
Х18Ф1Л, solidifiable in kokyl’ with the use of the different modes of gaz-dynamyc influence.
Positive influence of the indicated active influence is set on quality of the poured metal.
Вступ. Регулювання в широких межах структури та властивостей литих
металів за рахунок зміни режиму кристалізації можливе при використанні
певних технологічних прийомів, які, в тому числі, реалізуються за допомогою
активних фізичних методів впливу на процес кристалізації з метою поліпшення
якості виливків, до яких, в свою чергу, можна віднести газодинамічний вплив.
Аналіз попередніх публікацій. Литво, отримане за традиційними
технологіями гравітаційної заливки та твердіння під силовим впливом
гравітації, має цілий ряд дефектів: крупний розмір зерен; різні неупорядковані
структурні зони з направленим і дезорієнтованим розташуванням кристалів;
хімічний склад, що змінюється по перетину і висоті злитка або виливка;
наявність фізичної неоднорідності у вигляді усадкових раковин, шпаристості та
інших дефектів.
Результати попередніх теоретичних та експериментальних досліджень
показали, що розроблена на кафедрі ливарного виробництва НМетАУ
технологія газодинамічного впливу на розплав в ливарній формі [1, 2] дозволяє
поліпшувати якість литого металу при різних способах лиття без застосування
складного спеціального обладнання, і може бути з легкістю вбудованою в
діючий технологічний процес [3, 4]. Проте, для визначення ефективності
газодинамічного впливу на твердіючий розплав необхідне не тільки теоретичне
обґрунтування можливості та механізму здійснення газодинамічного впливу на
59

процес кристалізації металу в ливарній формі, але й дослідження впливу
регульованого газового тиску на структуроутворення та фізико – механічні
властивості литого металу при виробництві виливків із сплавів з різним
інтервалом кристалізації, температурою плавлення, теплофізичними
властивостями та ін. Зокрема результати експериментальних досліджень
газодинамічного впливу на кристалізацію вуглецевої сталі [5, 6] показали
перспективність проведення подальшої роботи в цьому напрямку.
Відомо, що для сплавів з широким інтервалом кристалізації характерна
найбільш широка зона затвердіння. Під впливом тиску створюються умови для
ущільнення металу в двофазній зоні, що на мікрорівні проявляється також в
частковому обламуванні гілок дендритів, їх переміщуванні
(мікроперемішування рідко-твердого сплаву) та недопущенні локалізації
значних об’ємів рідини, що призводить у звичайному випадку до утворення
шпаристості у виливку.
Отже, необхідний розвиток (а багато в чому і створення) теоретичних
основ впливу газодинамічної дії на процеси твердіння і структуроутворення та
розробка достовірного механізму для реалізації такого впливу, а так само й
отримання науково обґрунтованих експериментальних результатів, що
забезпечують розробку відповідних технологічних режимів. Рішення цієї
проблеми має не тільки практичний, але й великий науковий інтерес.
Ціль досліджень – визначення фазового складу та механічних
властивостей металу циліндричного виливка із сталі Х18Ф1Л, що тверднув у
неохолоджуваному кокілі при застосуванні різних режимів газодинамічного
впливу в порівнянні з литим металом, отриманим за традиційною технологією.
Результати досліджень. Промислові випробування розробленої
технології проводили в умовах ливарних цехів АТ «Дніпропетровський
агрегатний завод» та ЗАТ «Горизонт» (м. Дніпропетровськ). Плавку сталі марки
Х18Ф1Л проводили в індукційній печі ІСТ – 016 з основною футеровкою.
Заливку здійснювали безпосередньо із печі в сталевий витряхний кокіль з
середньою товщиною стінки 100 мм та висотою робочої порожнини 550 мм.
Внутрішню поверхню кокіля, підігріту до температури 380 – 400 °С, покривали
ливарною фарбою на основі дистен-силіманіту. Температура випуску -
1520 ± 5°С.
Газодинамічний вплив проводили з різною швидкістю підвищення тиску
аргону в системі виливок-пристрій для введення газу (Vp) та показниками
максимального тиску (P) за наступними режимами: плавка
№ 2 – Vp = 0,002 МПа/с, P = 2 МПа; плавка № 3 – Vp = 0,0045 МПа/с,
P = 4 МПа; плавка № 4 – Vp = 0,007 МПа/с, P = 6 МПа.
Дослідження литого металу (плавки №№ 2 – 4) проводили в порівнянні з
металом тієї ж марки, отриманим згідно традиційної технології (плавка №1). Із
отриманих циліндричних виливків висотою 370 ± 5 мм на відстані 180 мм від
нижнього торця вирізали відповідні темплети [6] (рис 1).
60

Рис. 1. Схема розподілу зразків: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - металографічні
дослідження; 8, 9, 10 - дослідження механічних властивостей; 11, 12 –
загальний хімічний аналіз сплаву; 13 - макроскопічний аналіз (виявлення
неоднорідності розподілу сірки)
В табл. 1 представлений хімічний склад сплаву плавок № № 1 - 4.
Таблиця 1 - Хімічний склад сталі, %
Вміст елементів, %
Плавка № 1
C Fe Si Mn V Cr S P Ni Mo Ti
1,42 76,16 0,35 0,84 0,90 19,60 0,014 0,015 0,71 0,19 0,06
Плавка № 2
C Fe Si Mn V Cr S P Ni Mo Ti
1,51 76,43 0,38 0,75 0,85 18,16 0,014 0,023 0,71 0,15 0,04
Плавка № 3
C Fe Si Mn V Cr S P Ni Mo Ti
1,46 76,21 0,38 0,78 0,97 18,25 0,014 0,023 0,72 0,15 0,03
Плавка № 4
C Fe Si Mn V Cr S P Ni Mo Ti
1,42 76,60 0,38 0,76 0,98 17,91 0,015 0,020 0,71 0,15 0,04
Попередньо, на основі даних експериментальних досліджень затвердіння
даного виливка термоелектричним методом, визначена кінетика процесу (рис.
2).
õ, ì120
ì
80
40
0
250 450 650 850 τ , сек
Рис. 2. Крива затвердіння виливка із сталі Х18Ф1Л (кокіль, Т кокіля = 380 –
400 0 С)
На рисунку 3 представлена мікроструктура зразків сталі Х18Ф1Л
61

Плавка № 1
№ зразка (см. рис. 1)
1 2 3
Плавка № 4
Плавка № 3
Плавка № 2
Рис. 3. Мікроструктура зразків сталі Х18Ф1Л різних плавок, х 100
Аналіз рисунку 3 свідчить про те, що основними структурними
складовими дослідної сталі Х18Ф1Л у вихідному стані є ферит та карбіди.
Причому, враховуючи той факт, що сталь плавки № 1 не піддавалась
газодинамічному впливу, розмір дендритних вісей фериту змінюється по
перетину виливка у відповідності до кінетики затвердіння (див. рис. 2). Таку
картину можна спостерігати в результаті нерівномірного охолодження, тобто,
приграничні частини та серцевина охолоджуються швидше (зразки 1, 3), а
62

проміжна частина (зразок 2) - повільно. Фазовий склад сплаву досліджених
зразків сталі Х18Ф1Л (плавки 2, 3, 4), які піддавали газодинамічному впливу з
величиною тиску 2 – 6 МПа, не змінюється. В структурі присутні ферит та
карбіди. При порівнянні мікроструктур можна зробити висновок, що після
газодинамічного впливу структура сталі стає більш мікрокристалічною:
дендрити первинного фериту більш розгалужуються та збільшується
диференціювання евтектики Ф + (Fe,Cr) 7 C 3 . Причому, мінімальна величина
перетину дендритних вісей фериту спостерігається на зразках, які вирізані як з
периферійної частини темплету, так і з середньої частини.
В таблиці 2 представлені результати виміру перетину дендритних вісей
фериту досліджених зразків як у вихідному стані, так і після газодинамічного
впливу, а також результати кількісної металографії та вимірювання твердості
досліджених зразків
Таблиця 2 - Кількісне співвідношення структурних складових, перетин
дендритних вісей фериту, твердість та щільність зразків сталі Х18Ф1 у
вихідному стані та після газодинамічного впливу
Зразок
Структурні
складові, %
Ф
К
Перетин
дендритних вісей
фериту (max-min),
мкм
НRC
Щільність,
кг/м 3
1 2 3 4 5 6
Плавка № 1
1.1 85 15 88-41 40,5 7437,6
1.2 82 18 60-41 43,7 7380,5
1.3 84 16 125-41 31,5 7200,4
Плавка № 2
2.1 83 17 60-31 45,5 7615,8
2.2 82 18 88-60 37,9 7548,5
2.3 87 13 88-60 43 7545,2
Плавка № 3
3.1 83 17 41-31 39 7627,6
3.2 84 16 60-41 44,7 7619,3
3.3 70 30 88-60 43 7623,2
Плавка № 4
4.1 92 8 41-31 43,7 7711,1
4.2 91 9 88-60 35 7702,8
4.3 91 9 88-60 37,3 7698,3
Дані таблиці 2 свідчать про зміну кількісного співвідношення
структурних складових (фериту та карбідної евтектики) досліджених зразків,
що, у свою чергу, може свідчити про перерозподіл легуючих елементів між
фазами та структурними складовими.
Кількість фериту з підвищенням тиску змінюється незначно: від 82,4% до
90 %. Мінімальна кількість фериту ≈ 80% спостерігається при тиску 4 МПа. В
63

той же час кількість карбіду також змінюється незначно (від 17,6 до 9,9 %).
Максимальна кількість карбідної евтектики спостерігається при тиску 4МПа і
складає ≈ 20% (рис. 4). Подальше підвищення тиску до 6 МПа призводить до
збільшення розбігу значень % фериту та % карбідної евтектики.
% Структурних складових
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 0,
2 4 6
1
P, МПа
Рис 4 – Зміна складу структурних складових з
підвищенням тиску
З підвищенням тиску до 4
МПа зменшуються середні
значення розбігу перетину
дендритних вісей фериту,
що свідчить про
формування більш щільної,
мікрокристалічної та
однорідної структури. При
підвищенні тиску до 6 МПа
перетин дендритних осей та
розбіг їх значень не
змінюється в порівнянні з
вихідним станом. Твердість
сплаву з підвищенням тиску до 4 МПа змінюється незначно, збільшуючись на
2 HRC. При тиску 6 МПа – твердість повертається до вихідних значень. В той
же час щільність з підвищенням тиску зростає.
Мікротвердість фериту сплаву плавки № 1 коливається від 3500 МПа до
5100 МПа, карбідів – від 5600 до 7500 МПа. Після газодинамічного впливу за
різними режимами спостерігається зміна мікротвердості структурних
складових сплаву плавок №№ 2 - 4:
- плавка № 2 – для фериту – 3500-4500 МПа, для карбідів – 4500-5600
МПа;
- плавка № 3 – для фериту – 2500-4500 МПа, для карбідів – 4800-7800
МПа;
- плавка № 4 – для фериту – 2500-3000 МПа, для карбідів – 3600-4300
МПа.
Отже, запровадження газодинамічного впливу призводить до зміни її
мікротвердості у порівнянні з вихідним станом у зв’язку з перерозподілом
легуючих елементів.
В таблиці 3 приведені дані про зміну вмісту хрому та легуючих елементів в
карбідній евтектиці.
Таблиця 3 - Вплив газодинамічної дії на вміст хрому та легуючих
елементів в карбідній евтектиці
№ плавки Cr в карбідній евтектиці, % ∑ л. е. в карбідній евтектиці, %
1 32,64 3,93
2 44,79 4,80
3 69,67 5,25
4 22,82 5,78
Наведені дані свідчать про те, що з підвищенням тиску до 4 МПа
кількість хрому та легуючих елементів у карбідній евтектиці зростає.
64
% Ф
% К

При підвищенні тиску до 6 МПа вміст хрому в фериті та в карбідній евтектиці
зменшується, що призводить до формування карбідної евтектики на базі
карбідів Сr 23 C 6 та легованого (Fe, Cr) 7 C 3 .
Дані про ступінь ліквації легуючих елементів по перетину дендритних
вісей фериту (∆ Сф) наведені в таблиці 4. Підвищення тиску до 4 МПа (плавка
3) зменшує ліквацію хрому, алюмінію, марганцю та міді по перетину
дендритних осей фериту, а ліквацію ванадію та кремнію збільшує.
Таблиця 4 - Ступінь ліквації легуючих елементів (∆ Сф) по перетину
дендритних вісей фериту сталі Х18Ф1Л у вихідному стані та після застосування
газодинамічного впливу
№
п/п
Легуючий
елемент
∆ С фериту
Плавка № 1 Плавка № 2 Плавка №3 Плавка № 4
1 Cr 0,95 1,24 0,89 0,74
2 V 1,12 1,39 2,09 0,65
3 Ti 0 0 0 0,31
4 Al 1,56 1,4 0,29 0,83
5 Si 0,43 0,83 0,74 1,33
6 Mn 0,9 1,34 0,45 0,96
7 Cu 1,24 0 0 0
Результати мікроструктурного та локального рентгеноспектрального
аналізів підтверджені рентгеноструктурним аналізом. На рисунку 5 наведені
дифрактограми плавки № 1 та плавки № 4 сталі Х18Ф1, які свідчать про
формування карбідної евтектики на базі карбіду Сr 23 C 6 та легованого залізом
карбіду (Fe, Cr) 7 C 3 при підвищенні тиску до 6 МПа. На дифрактограмі сталі
Х18Ф1 у вихідному стані крім інтерференцій фериту та чистого карбіду Cr 7 C 3
присутні максимуми, що відповідають оксидним фазам Fe 2 O 3 . Після
впровадження газодинамічної дії на розплав оксидні фази в структурі відсутні.
а
Рис. 5. Дифрактограми зразків сталі Х18Ф1Л у вихідному стані (а) та
після застосування газодинамічного впливу під тиском 6 МПа (б)
Для визначення межі міцності зразків дослідженої сталі в
термообробленому стані після гартування в інтервалі 1030°С - 1050°С та
б
65

відпуску при 180 °С – 200 °С їх піддавали розтягуванню під впливом плавно
зростаючого навантаження до руйнування. Результати проведених механічних
випробувань представлені в таблиці 5.
Таблиця 5 - Результати механічних випробувань досліджуваних зразків сталі
Х18Ф1Л
№ зразка σ В , МПа
Твердість після
гартування та відпуску,
HRC
KCU, Дж/см 2 після
гартування в олії та
відпуску
Плавка № 1
1 125 45 22
2 120 40 20
3 127 41 21
Середнє 124 42 21
Плавка № 2
1 148 43 22
2 143 42 24
3 140 43 20
Середнє 143,7 42,7 22
Плавка № 3
1 151 51 31
2 155 53 33
3 158 55 35
Середнє 154,7 53 33
Плавка № 4
1 138 40 21
2 132 41 20
3 133 41 20
Середнє 134,3 40,7 20,3
Висновки
1. Експериментально досліджено структуру, фазовий склад, щільність та
механічні властивості сталі Х18Ф1Л при застосуванні газодинамічного впливу
на розплав, що твердне в кокілі. Показаний позитивний вплив застосування
газодинамічного впливу на структуру та властивості інструментальної
штампової сталі.
2. Встановлено, що мікроструктура металу виливка після
газодинамічного впливу стає більш мікрокристалічною. Перетин дендритних
вісей фериту з підвищенням тиску зменшується в середньому на 7%:
збільшується диференціювання евтектики та зменшується міжпластинчаста
відстань.
3. Встановлено, що з підвищенням тиску до 4 МПа кількість хрому та
легуючих елементів у карбідній евтектиці зростає, а ступінь ліквації (∆ Сф)
легуючих елементів: хрому, алюмінію, марганцю та міді по перетину
дендритних вісей фериту зменшується, в той час як ліквація ванадію та
66

кремнію збільшується. При підвищенні тиску до 6 МПа вміст хрому в фериті та
в карбідній евтектиці зменшується, а заліза збільшується, що призводить до
формування карбідної евтектики на базі карбідів Сr 23 C 6 та легованого (Cr,
Fe) 7 C 3 . У вихідному стані в структурі сталі Х18Ф1Л присутні оксидні фази
Fe 2 O 3 . Після застосування газодинамічного впливу на розплав оксидні фази в
структурі відсутні.
4. Визначені механічні властивості досліджених зразків сталі Х18Ф1Л,
отриманої згідно традиційній технології лиття в кокіль, при застосуванні різних
режимів газодинамічного впливу та термічної обробки. Встановлено, що межа
міцності зразків сталі Х18Ф1 у вихідному стані після термічної обробки
складає 120-125 МПа, у той час, як кристалізація із застосуванням
газодинамічного впливу дещо збільшує цей інтервал, а саме, 140-148 МПа для
плавки № 2, 151-158 МПа для плавки № 3, 133-138 МПа для плавки № 4 (> на
20 %). Ударна в’язкість досліджених сплавів після запровадження
газодинамічного впливу та термічної обробки збільшується на 30 - 36 % у
2
2
порівнянні з вихідним станом ( KCU вих
= 20 − 22 Дж / см ; KCU г / д
= 31 − 35 Дж / см ),
також при застосуванні газодинамічного впливу спостерігається збільшення
щільності сталі.
Список літератури: 1. Деклараційний патент, Україна МПК (2006) В22D 18/00 Спосіб
отримання виливків/ Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко Ю.В. № 28858 заявл.
03.08.2007, опубл. 25.12.2007 Бюл. № 21. 2. Деклараційний патент, Україна МПК (2006)
В22D 18/00 Пристрій для отримання виливків/ Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко
Ю.В. № 28859 заявл. 03.08.2007, опубл. 25.12.2007 Бюл. № 21. 3. Selivorstov V., Dotsenko Y.,
Borodianskiy K. Gas-dynamic influence on the structure of cast of A356 alloy // Herald of the
Donbass State Engineering Academy. Collection of science papers - 2010. - № 3 (20). – P. 234 –
238. 4. Селівьорстов В.Ю., Кущ П.Д. Використання технології газодинамічного впливу на
розплав при литті по витоплюваним моделям // Вісник Національного технічного
університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних
технологіях. – Харків: НТУ «ХПІ» - 2010. - № 4 – С. 89 – 94. 5. Селівьорстов В.Ю.
Дослідження газодинамічного впливу на властивості литої вуглецевої сталі // Теория и
практика металлургии. – 2007. - № 4-5. – С. 22-25. 6. Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є.,
Куцова В.З., Носко О.А., Доценко Ю.В., Кущ П.Д. Особливості структуроутворення литої
вуглецевої сталі при газодинамічному впливі // Теорія і практика металургії. – 2009. - № 5-6.
– С. 80-85.
Поступила в редколлегию 03.12.2010
УДК 621:628:006.015.05
В.А. ГОДИК, аспирант, ассистент, КНУТД, г. Киев
В.П. ИВАНОВ, аспірант, КНУТД, г. Киев
А.С. ЗЕНКИН, докт.техн.наук, профессор, КНУТД, г. Киев
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УРОВНЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В статье приведена методика и основные этапы оценки качества машиностроительной
продукции.
67

Ключевые слова: методы оценки качества, уровень качества, комплексный показатель,
классификация методов оценки качества.
У статті наведена методика та основні етапи оцінки якості продукції машинобудування.
Ключові слова: методи оцінки якості, рівень якості, комплексний показник, класифікація
методів оцінки якості.
The article shows methods and basic stages of quality estimation methods of machine-building
products.
Keywords: quality estimation methods, quality level, complex index, quality estimation methods
classification.
1. Введение
Постоянное увеличение номенклатуры и ускорение сменяемости изделий
машиностроения привело к тому, что создание новых и модернизация
действующих технологических систем в многономенклатурном серийном
машиностроительном производстве стало представлять собой чрезвычайно
сложную технико-экономическую задачу.
Особенно это играет важную роль при выпуске конкурентоспособной
продукции, реализация которой производится как на внутреннем, так и на
внешнем рынках. При этом объективная оценка качества такой продукции
является актуальной проблемой.
2. Анализ предыдущих исследований
Как показали исследования [1,2] выбор оптимальных методов оценки
качества продукции позволяет не только получить данные по отдельным
технологическим процессам, но и разработать процедуру организационнотехнологической
поддержки системы управления качеством в
машиностроительном производстве.
Показатели качества оценки продукции (рис.1) можно разделить: по стадии
определения, по характерным свойствам, по применению для оценки и по
количеству характеризуемых свойств (единичные и комплексные) [4].
В работах [5,6]
подчеркивается, что оценка
уровня качества продукции
представляет собой
совокупность операций,
связанных с определением
численного значения уровня
качества продукции и методы
оценки качества продукции,
которые делятся на
дифференциальные и
комплексные (включают
дифференциальную оценку
как этап).
В свою очередь,
68

Рис. 1 Классификация показателей качества классификация методов
оценки качества
предусматривает использование параметрических методов и методов прямого
счета (рис.2). Прямой счет позволяет оценить качество по конечному прямому
результату (по экономической эффективности для субъектов как создающих,
так и потребляющих качество).
Параметрические методы оценивают качество по таким значениям как: комплекс,
параметры и соответствующие методы оценки (расчетные и экспертные).
Классификация методов оценки качества
по
Прямого счета
по конечному прямому
результату
(экономическому)
экономической
эффективности
для субъекта,
создающего
Алгоритм
качество
Определение
полезного
эффекта для
создателя
Определение
затрат на
создание
Определение
эффективност
и
для
создателя
применяют
фирмы при
сбытовой
концепции П.
КД.
по
экономической
эффективности
для субъекта,
потребляющего
Алгоритм
качество
Определение
полезного
эффекта для
потребителя
Определение
общих затрат
потребителя
Определение
эффективности
для
потребителя
применяют
фирмы при
маркетинговой
концепции П.
КД.
Рис.2 Классификация методов -оценочные оценки числа качества
3. Цель статьи
Показать возможность эффективного использования для оценки уровня
качества машиностроительной продукции интегрированных комплексных
показателей.
4. Результаты проведенных исследований
69
Параметрические
по комплексу, параметрам и
соответствующим методам
оценки
Оценка «жестких
параметров»
(КПД, надежность,
быстродействие).
расчетные
Могут быть:
- оценка
единичных
параметров
качества
- оценка
групповых
параметров
качества
- индексная
оценка
- комплексная
оценка.
- оценка рынков;
оценка
посредников;
уровня
конкуренции
- рейтинги
экспертные
Оценка «мягких
параметров»
(эстетических,
эргономических,
«доли в
сердце», «доли
в сознании» и
т.п.

При изготовлении сложных наукоемких изделий машиностроения [3,5] часто используется
комплексный показатель качества - показатель качества объекта, относящийся к
нескольким его свойствам. Комплексный показатель качества позволяет в целом
охарактеризовать качество объекта или группу его свойств. Например: коэффициент
готовности - позволяет одновременно охарактеризовать и безотказность, и
ремонтопригодность изделия.
При проведении исследований связанных с комплексной оценкой уровня
качества продукции были рассмотрены вопросы: выбора номенклатуры
единичных показателей качества, выбора базовых показателей качества,
определения значений единичных базовых показателей качества, определение
значений единичных показателей качества оцениваемой продукции.
Проведенные исследования методов качества продукции позволили
предложить последовательность операций (алгоритм) при комплексной оценке
уровня качества продукции (рис. 3). Были определены основные задачи оценки
уровня качества продукции, которыми являются: обеспечение и управление
качеством, аттестация продукции, выбор наилучшего варианта продукции,
планирование показателей качества, контроль качества, анализ изменения
уровня качества.
Определение цели оценки (аттестация, оптимизация, техническое задание, решение о
1) Оценка номенклатуры единичных
показателей качества, оцениваемой
продукции
покупке и т.д.)
2) Выбор базовых показателей
качества продукции данного
вида
4) Определение значений единичных
показателей качества, оцениваемой
продукции
3) Определение значений
базовых единичных
(групповых) показателей
качества
5) Определение относительных единичных показателей
6) Определение рангов единичных и групповых показателей качества
(их весовых коэффициентов)
7) Выбор метода свертывания относительных показателей
Оценка
качества
уровня
Принятие решения
Рис. 3 Определение комплексных относительных показателей качества
Определение относительных единичных показателей качества
производится:
P
i
P
i
= (1) или
Piб
P q
б
i = i
P (2), где Pi - численное значение
i
единичного i-го показателя качества оцениваемой продукции, P iб -численное
70

значение i-го показателя качества базового образца (базового показателя
качества).
Интегральный комплексный показатель качества отражает отношение
суммарного полезного эффекта от использования объекта по назначению (П) к
затратам на создание и использование объекта по назначению
И
П
З с
+ З ип
= (3),
где П- суммарный полезный эффект, З с - затраты на создание, З ИП -
затраты на использование по назначению.
В том случае, когда необходимо оценить качество объекта в целом (как
правило, по так называемым существенным свойствам) применяют
обобщенный показатель качества.
Уровень качества продукции - относительная мера, результат
оценивания, система значений мер качества объекта, определенная на основе
соотнесения с базовыми (эталонными) значениями мер. Уровень качества
может характеризовать: а) комплексный уровень качества (все основные,
включая экономический показатель), б) технический уровень продукции (это
зависит от целей оценки качества).
На рис.4 представлены этапы оценки уровня качества продукции.
Классификация и выбор
номенклатуры показателей
качества (ГОСТ 22851-77 «Выбор
номенклатуры показателей качества
промышленной продукции.
Основные положения»)
Цель оценки
уровня качества
продукции
Выбор базовых образцов и
определение базовых
показателей качествакачества
продукции данного вида
Выбор методов и определение значений показателей качества
Выбор и обоснование метода оценки уровня качества
Оценка уровня
качества
Выработка
рекомендаций
Принятие управленческих
решений решения
Рис. 4 Основные этапы оценки уровня качества продукции
Как видно из рис. 4 принятию управленческих решений предшествует
целый комплекс взаимосвязанных действий, от качества и объективности
71

которых зависит в конечной мере выпуск конкурентоспособной
машиностроительной продукции.
5. Выводы
Предложенная методика позволила классифицировать методы оценки
качества и комплексные относительные показатели качества, обосновать выбор
метода оценки уровня качества машиностроительной продукции и определить
основные этапы оценки уровня качества продукции
Список литературы: 1.Тернюк Н.Э., Луцкий С.В. Мера информации при исследовании
технических систем//Вестник НТУ «ХПИ». Сборник научных трудов. – 1, 2007, с. 8-13.2.
Годік В.О., Здельнік З.А., Зенкін А.С. Метрологічна експертиза як інструмент підвищння
якості продукції, що виробляється // Вісник КНУТД. – 2010. - №5 (т.3) – C. 209-213. 3. Годік
В.О., Федін С.С. Контроль якості продукції масового виробництва методом оцінки ризиків
споживача та виробника // Вісник КНУТД. – 2008. - № 5 (43). - С. 264-268. 4. ГОСТ 22851-77
"Выбор номенклатуры показателей качества промышленной продукции. Основные
положения". 5. Баскаков В.В., Мелешко В.Ю., Чернышев С.Л. Менеджмент качества
при создании сложных технических объектов и систем: Учеб. пособие.– М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2004.– 188 с. 6. Ефимов В.В. Потребительские ценности продукции//
Стандарты и качество. 2002. № 5. С. 68-69.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 621.793.7
С.А. ЛУЗАН, канд. техн. наук, доцент, ХНАДУ, г. Харьков
МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ВЫБОРА
ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Разработана методология моделирования в процессе выбора технологии восстановления
деталей, содержащая этапы управления качеством восстанавливаемых деталей при ремонте,
и её структура.
Ключевые слова: методология, моделирование, критерий, восстановление, ремонт,
оптимизация.
Розроблена методологія моделювання в процесі вибору технології відновлення деталей, що
містить етапи керування якістю відновлюваних деталей при ремонті, і її структура.
Ключові слова: методологія, моделювання, критерій, відновлення, ремонт, оптимізація.
The designed methodology of modeling in process of the choice to technology of the recovering the
details, containing stages of quality management restored details at repair, and its structure.
Key words: methodology, modeling, criterion, reconstruction, repair, optimization.
Введение. Для реализации концепции восстановительного ремонта
транспортной техники в производстве требуется разработка технологических
процессов по восстановлению деталей, которую целесообразно выполнять на
основе моделирования.
Моделирование позволяет осуществить с минимумом затрат средств на
получение информации по эксплуатации изделий на основе проведения
72

исследований по разработке вариантов технологии восстановления деталей и
оценить их эффективность.
Для выбора оптимальной технологии восстановления деталей машин
необходимо разработать методологию моделирования.
Анализ основных достижений и публикаций. Первые работы в этой
области были выполнены Шадричевым В.А. [1]. Им разработаны критерии и
метод выбора рационального способа восстановления деталей автомобильного
транспорта. Суть метода состоит в использовании 3-х критериев: 2-х
технических (технологический критерий или критерий применимости и
критерий долговечности) и 1-го экономического.
Данная методика требует наличия достоверной информации о сроках
службы восстановленных и новых деталей.
В работах Курчаткина В.В., Никифорова В.Г., Сумеркина Ю.В.
рекомендуется использовать эти же критерии для ориентировочного выбора
наиболее эффективного способа восстановления деталей механического
оборудования сельскохозяйственной и судоремонтной техники [2, 3].
В работе Харламова Ю.А. [4] рассматриваются вопросы оптимизации
технологических процессов газотермического напыления. Приводится
структурная схема проектирования указанных процессов, которая состоит из 7
этапов: сбор информации и подготовка исходных данных для проектирования с
учетом конструктивных, организационно-технических и эксплуатационных
факторов; выполнение лабораторно-исследовательских работ и уточнение
требований к конструкции покрытий; разработка вариантов маршрута
технологического процесса с применением морфологической матрицы,
состоящей из этапов, а также способов обработки и нанесения покрытий
газотермическим способом; логическую оценку вариантов по критериям
экономичности и надежности, оформление окончательного варианта. Стратегия
работ по технологическому проектированию предусматривает при
необходимости возврат к предыдущим этапам, а также параллельным их
выполнениям. В работе [4] рассматриваются вопросы создания
многовариантных таблиц технологических маршрутов получения покрытий на
типовых поверхностях и систем автоматизирования проектирования
технологических процессов.
Предлагаемая стратегия проектирования технологических процессов
газотермического напыления покрытий является вполне обобщенной для вновь
изготавливаемых деталей, но вместе с тем не достаточно формализованной.
Формулировка целей статьи. Разработать методологию моделирования
в процессе выбора технологии восстановления деталей и предложить её
структуру.
Основной материал. При изучении технического состояния деталей
машин, поступивших в первый капитальный ремонт, устанавливается наличие
изношенных поверхностей, определяются их виды износа и сопряжения в
которых они работали. При оценке изношенных деталей необходимо учитывать
условия эксплуатации данной машины. Поскольку, как считает Кугель Р.В.,
сферу эксплуатации машиностроителям следует рассматривать как гигантский
73

полигон, на котором изделия разных лет выпуска испытываются изо дня в день
на легких и тяжелых работах, в хороших и плохих условиях, при безупречном
техническом обслуживании и без всякого технического обслуживания. Этот
полигон может служить источником ценнейших статистических сведений, для
получения которых необходимо создать обратную связь между персоналом,
эксплуатирующим изделия, и их создателями.
Машина в целом представляется «системой организованной сложности»,
а трибологические процессы, происходящие внутри нее –«нелинейными
взаимодействиями».
Принципиальным отличием системы, в которой происходят процессы
трения и износа состоит в том, что она изменяется во времени под влиянием
происходящих процессов износа.
Предлагаемая
методология моделирования в
процессе выбора технологии
восстановления деталей
содержит этапы управления
качеством
восстанавливаемых
деталей при ремонте:
- накопление
информации о динамике
изнашивания, характере
повреждений, определение
номенклатуры повреждаемых
деталей;
- систематизация видов
сопряжений, их
конструктивных особенностей
и условий эксплуатации;
- определение способа
восстановления изношенных
поверхностей деталей,
разработка технологии
восстановления;
- организация
выполнения работ по
восстановлению деталей;
Оценка технического
состояния изношенных
деталей
Модель словесно-логическая
Графическая модель повреждения
сопряженных деталей пары трения
Модель определения
оптимального способа
восстановления детали
Модель организационнотехнологическая
Математическая модель динамики
изнашивания восстановленной
поверхности детали
Модель технологическая
Накопление информации о
динамике изнашивания, оценка
характера повреждения
Ремонтный чертеж детали
Определение способа
восстановления изношенных
поверхностей деталей, разработка
технологии восстановления
Организация выполнения работ по
восстановлению деталей
Сбор и обработка информации о
работе восстановленных деталей,
лабораторные испытания
Корректировка технологических
параметров восстановления
поверхности детали с целью
обеспечения требуемого качества,
экономических показателей
Рис. 1 Структурная схема моделирования в
процессе выбора технологии восстановления
деталей
- сбор и обработка информации о результатах работы восстановленных
деталей;
- корректировка технологии восстановления по результатам их работы в
эксплуатации.
На рис.1 приведена структурная схема моделирования в процессе выбора
технологии восстановления деталей, которая состоит из словесно-логических,
математических, графических и технологических моделей.
74

Выводы. 1. Разработана методология моделирования в процессе выбора
технологии восстановления деталей, содержащая этапы управления качеством
восстанавливаемых деталей при ремонте.
2. Предложена структурная схема моделирования в процессе выбора
технологии восстановления деталей.
Список литературы: 1. Шадричев, В.А. Ремонт автомобилей [Текст] / В.А. Шадричев. – М.:
Высшая школа, 1970. – 180 с. 2. Курчаткин, В.В. Надежность и ремонт машин [Текст] / В.В.
Курчаткин. – М.: Колос, 2000. – 775 с. 3. Никифоров, В.Г. Организация и технология
судостроения и судоремонта [Текст] / В.Г. Никифоров, Ю.В. Сумеркин. – М.: Транспорт,
1989. – 254 с. 4. Харламов, Ю.А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность
производства, эксплуатации и ремонта машин [Текст] / Ю.А. Харламов // Тяжёлое
машиностроение. - 2000. - №2. - С. 10-13.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 621.774.72
А.Ф. ТАРАСОВ, докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой компьютерных
информационных технологий ДГМА, г. Краматорск
В.А. ПАЛАМАРЧУК, канд. техн. наук, доц., ДГМА, г. Краматорск
Е.В. ГОРБАЧ, ассистент ДГМА, г. Краматорск
М.Л. КОРНЕВА, ассистент ДГМА, г. Краматорск
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА
ДЛЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ ОБКАТКИ ТРУБЧАТЫХ
ЗАГОТОВОК В СРЕДЕ DELCAM POWERSHAPE
Поставлена и решена задача разработки автоматизированной инженерной методики
проектирования инструмента для тангенциальной обкатки днищ с переменной кривизной
образующей, моделирующей взаимное расположение касательной прямой с известным
углом наклона и эллипса с известными полуосями. Предложен алгоритм построения рабочей
поверхности инструмента в среде Delcam PowerSHAPE, что позволило снизить затраты на
разработку и ускорить внедрение новых технологических процессов.
Ключевые слова: тангенциальная обкатка, трубчатая заготовка, инструмент, системa Delcam
PowerSHAPE
Поставлена та розв’язана задача розробки автоматизованої інженерної методики проектування
інструменту для тангенційного обкочування днищ із змінною кривиною твірної, яка моделює
спільне розташування дотичної прямої з відомим кутом нахилу і еліпсу з відомими
напіввісями. Запропоновано алгоритм побудови робочої поверхні інструменту в середовищі
Delcam PowerSHAPE, що дозволило знизити витрати на розробку та прискорити
впровадження нових технологічних процесів.
Ключові слова: тангенційне обкочування, трубна заготівка, інструмент, системa Delcam
PowerSHAPE
The problem of development of the automated engineering design technique of instrument for the
tangential rolling of bottoms with variable curvature of generatrix, designing the mutual location of
tangent a line with the known angle of slope and ellipse with the known semiaxes is set and
decided. The algorithm of instrument's working surface construction in the environment of Delcam
75

PowerSHAPE, that allowed to reduce expenses for development and accelerate introduction of new
technological processes, is offered.
Key words: tangential rolling, tubular purveyances, instrument, Delcam PowerSHAPE system.
В работе [1] нами была рассмотрена проблема проектирования
инструмента для тангенциальной обкатки трубчатых заготовок. В этом процессе
вращающаяся заготовка взаимодействует с инструментом переменного профиля,
который движется перпендикулярно оси ее вращения и производит постепенное
деформирование конца заготовки до заданной формы, определяемой рабочей
поверхностью (профилем) инструмента.
Для деталей, днище которых в сечении имеет кривизну одного знака,
применяют инструмент с линейчатой рабочей поверхностью. Инструмент по
форме представляет собой параллелепипед, изготовленный из
высокохромистого сплава литьём по деревянной модели. Пять сторон
инструмента образованы плоскостями, а шестая, рабочая сторона представляет
собой линейчатую пространственную поверхность, обеспечивающую
кинематику деформирования заготовки [2]. Рабочий профиль инструмента
строится из условия плавного поворота (по его длине) касательной к
образующей днища готового изделия. Следом рабочей поверхности при ее
сечении плоскостью, перпендикулярной к оси ОХ перемещения инструмента,
является прямая 1, касательная к образующей 2 получаемого изделия (см. рис.
1).
Разметка деревянной модели
осуществляется по линиям пересечения
прямых, касательных к образующей заданного
к получению изделия в соответствующем
сечении, и граней заготовки модели,
представляющей собой параллелепипед [3].
В настоящее время при проектировании
предварительно вычисляют и формируют
массивы координат точек пересечения
рабочей поверхности с гранями инструмента.
Для этого в цикле с фиксированным шагом
задают текущие значения координаты длины
инструмента, используя аналитические
соотношения, которые характеризуют
параметры касательной прямой, проведенной
к упомянутой образующей. Эффективность
таких методик часто снижается из-за
необходимости предварительных расчетов
перед проектированием и вводом результатов
расчета при проектировании в CAD-системе в
ручном режиме.
Рис. 1 – Схема построения
сечения заготовки инструмента
трения:
а – прямая, касательная к
образующей (след рабочей
поверхности);
б – образующая получаемого
днища. Ось вращения
заготовки – OY, инструмент
движется вдоль оси ОХ
(перпендикулярно плоскости
чертежа)
Цель работы. Разработка автоматизированной инженерной методики
проектирования инструмента для тангенциальной обкатки днищ трубчатых
Х
76

заготовок с переменной кривизной образующей и алгоритма построения
рабочей поверхности инструмента в CAD-системе.
Задача решалась на основе использования системы поверхностного
проектирования Delcam PowerSHAPE [4, 5]. В процессе решения на плоскости
строилась система касательных к образующей днища заданного к получению
изделия. Затем касательные размещались в пространстве в соответствии с
требованиями технологического процесса, и по ним создавалась линейчатая
поверхность рабочего профиля инструмента.
Рассмотрим алгоритм проектирования на примере инструмента для
тангенциальной обкатки эллипсоидных днищ.
2 2 2
x + y z
Образующая днища определяется уравнением вида
+ 1, =
2 2
a1 b1
где x, y, z – координаты точки в пространстве, a 1 , b 1 – полуоси эллипсоида.
Примем диаметр трубы – 89 мм, а толщину стенки 2 мм (по ГОСТ 8732–
70). Полуоси эллипсоида составляют: a 1 =44,5 мм и b 1 =22,25 мм (рис. 2).
Примем также следующие основные
характеристики обкатки: увеличение угла
образующей за один оборот заготовки (дробность
деформации) не более ∆ ϕ = 1 ,5 ° / об , скорость
инструмента v = 40 мм / с , частота вращения
заготовки nоб = 10 с / , тогда длина рабочей части
инструмента
L 90 °
=
⋅ 40 мм
1,5 ° / об ⋅10
об / c с
=
240 мм .
Рис. 2. Эллипсоидное
днище, получаемое
тангенциальной обкаткой
Этап 1. Выделим правую нижнюю четверть дуги эллипса. Используем
опцию «создать массив точек», к каждой из которых будет проведена
касательная. Массив касательных формируется режимом «поворот копий
относительно оси». После некоторого редактирования получаем совокупность
касательных к дуге эллипса (рис. 3, a).
а) б)
Рис. 3. Касательные, проведенные к дуге, образующей днище эллипса: a –
исходный массив касательных, проведенных к образующей днища; б – массив
касательных с выравниванием углов и дополнительными касательными
77

Недостатком этого способа проведения касательных есть тот факт, что
точки касания программа выбирает путём равномерного деления длины дуги на
заданное количество равных частей. Поэтому углы поворота касательных снизу
вверх неодинаковы, так для этого случая угол между горизонтальной
касательной и следующей за ней составляет 43,68 о , между следующими по
порядку касательными угол равен 19,8 о и т.д.
С целью обеспечения более равномерной дробности деформации по
длине инструмента, между первой и второй касательными тем же методом
были размещены ещё две (углы: 17,7 о ; 14,8 о ; 11,1 о ) (рис. 3, б).
Этап 2. Строим линию перпендикулярно плоскости предыдущего
рисунка. Длина линии должна быть равна длине рабочей части инструмента.
Опцией «создать массив» (это
будет массив фигур из рис. 3) в
режиме «кривая» (в качестве
кривой выбираем ранее
построенную прямую) копируем
касательные в соответствующее
количество точек, равномерно
расположенных по указанной
прямой. После некоторого
редактирования получаем
следующую фигуру (рис. 4). Через
эти линии будет построена
рабочая поверхность
инструмента.
Этап 3. Далее с
помощью
стандартных
опций «линия»,
«создать контур»,
«создать
поверхность»
строим тело
инструмента:
рабочую
поверхность и
боковые
поверхности тела
инструмента (рис.
5).
Рис.4. «Каркас» для построения рабочей
поверхности инструмента
Рис.5. Поверхностная модель спроектированного
инструмента трения для получения эллиптического
днища обкаткой
Выводы. Таким образом, предложена методика проектирования
инструмента трения для тангенциальной обкатки в системе Delcam PowerSHAPE.
Для дальнейшей автоматизации процесса проектирования необходима
разработка программы, интегрированной с PowerSHAPE, а также разработка
78

библиотеки функций, обеспечивающих автоматизированное построение линий
и поверхностей в пространстве на основе использования программного
интерфейса PowerSHAPE.
Работа выполнена в рамках договора о сотрудничестве с фирмой
DELCAM plc (лицензия 2165 от 17 марта 2009 года).
Список литературы: 1. Середа В.Г. Проектирование инструмента для тангенциальной
обкатки трубчатых заготовок / В.Г. Середа, В.А. Паламарчук, Е.В. Горбач // в сб. «Материали
за 6 международна научна практична конференция «Найновите постижения на европейската
наука – 2010» 17-25 юни, 2010. – Том 20, Технологии. – София, БялГРАД ООД. – с. 46-50. 2.
Середа В.Г. Проектирование рабочей поверхности инструмента для тангенциальной обкатки
труб с использованием ЭВМ / В.Г. Середа, В.А. Паламарчук, Е.В. Горбач // Обработка
материалов давлением: сб. научных трудов. – 2010. – №3. – Краматорск: ДГМА. – с. 89-93. 3.
Производство изделий машиностроения горячей обкаткой / Под ред. В.С. Рыжикова, В.К.
Удовенко. – Краматорск: ДГМА, 2006. – 284 с. –ISBN 966-379-067-9 4. Delcam PowerSHAPE.
Getting started, www.powershape.com. 5. Медведев Ф.В. Автоматизированное проектирование
и производство деталей сложной геометрии на базе программного комплекса PowerSolution:
Учеб. пособие / Ф.В. Медведев, И.В. Нагаев / Под общ. ред. А.Г. Громашева. – Иркутск: Издво
ИрГТУ, 2005 – 167 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 621.771
Ю.О. ПЛЄСНЕЦОВ, канд. техн наук, доцент, НТУ «ХПІ», м. Харків
О.С. ЗАБАРА, магістр, НТУ «ХПІ», м. Харків
Т.Л. КОВОРОТНИЙ, асистент, НТУ «ХПІ», м. Харків
М.C. ЛЮБІМОВ, студент, НТУ «ХПІ», м. Харків
ДОСЛІДЖЕННЯ ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ МЕТАЛУ
ГНУТИХ ПРОФІЛІВ ЗАМКНЕНОГО ПЕРЕТИНУ
На основе полных факторных экспериментов 2 2 получена расчетно-экспериментальная
модель, позволяющая определять основные технологические параметры процесса валковой
формовки гнутых профилей замкнутого поперечного сечения. Проверка адекватности
модели показала, что полученные уравнения могут быть использованы для расчета утонения
и угла пружинения металла в процессе валковой формовки гнутых профилей замкнутого
поперечного сечения
На основі повних факторних експериментів 2 2 отримано розрахунково-експериментальну
модель, що дозволяє визначати основні технологічні параметри процесу валкової формовки
гнутих профілів замкненого поперечного перетину. Перевірка адекватності моделі показала,
що отримані рівняння можуть бути використані для розрахунку потоньшення та кута
пруження металу у процесі валкової формовки гнутих профілів замкненого поперечного
перетину
Basing on a full factor experiment 2 2 the calculated experimental model was acquired, which do
allow defining basic technological parameters of process of roll forming of closed roll-formed
section. Checking for adequateness of a model has shown that the acquired equations can be used
for calculation of thinning and of springing angle of metal during roll forming of the closed cold
rolled section process
79

Гнуті профілі замкненого перетину (ГПЗП) є одним з найбільш
затребуваних видів будівельного металопрокату. Застосування ГПЗП можливо
не лише в будівництві, але й у виробництві сільгосптехніки,
сільськогосподарському будівництві, у виготовленні сталевих меблів, в
прокладенні різних видів інженерних комунікацій, таких як водопровід,
газопровід, для захисту кабельних мереж і таке інше.
До теперішнього часу ГПЗП поставлялися в Україну виключно з-за
кордону. Існуючі виробництва і практичні рекомендації з виготовлення ГПЗП в
Україні охоплюють розмірний діапазон товщини початкових заготованок
(штрипс) діаметром від 2 мм і вище. Процес виготовлення ГПЗП до 2 мм не
досліджений.
Для створення імпортозамінних технологій виробництва ГПЗП в Україні
потрібне виконання НДР, спрямованих на створення моделі валкового
формування вказаного виду металопродукції, а також створення сучасної,
гармонізованої з технічними вимогами системи нормативно-технічних
документів для забезпечення технічного регулювання виробництва в Україні.
Реалізація вказаних заходів важлива і актуальна, оскільки дозволить підвищити,
як обсяги виробництва, так і споживання в країні і, тим самим,
конкурентоспроможність вітчизняної економіки.
З метою отримання профілів в межах встановлених допусків на їх
розміри необхідно знати деформований стан металу штаби в місцях вигину.
Дослідження деформацій в місцях згину потрібні також для того, щоб
встановити вплив геометрії профілю на напружено-деформований стан і
потоншення [1, 2].
Отримані експериментальні дані після статистичної обробки за загально
відомою методикою, були взяті за основу для планування експерименту.
Для розробки процесу, що дозволяє отримати математичну модель,
вибрати контрольовані параметри і визначити рух по градієнту, тобто напрям,
при руху по якому параметр оптимізації (потоншення металу) зменшується
швидше, ніж в будь-кому іншому напрямку, застосовані два повні факторні
експерименти [3, 4].
При валковому формування гнутих профілів замкненого перетину
(ГПЗП) за параметр оптимізації Y приймаємо:
- для першого експерименту - максимальне значення потоншення
зігнутих на 360 0 зразків;
- для другого експерименту - пруження зігнутих на 360 0 зразків;
При виконанні експериментальних досліджень використаний
геометричний метод. Відбір проб, заготованок і зразків від вихідних матеріалів
для проведення експериментальних досліджень здійснювали відповідно до
ГОСТ 7564. Моделювання вигину у валках здійснювали за допомогою
випробувань на вигин по ГОСТ 14019. Зразки випробовувалися за допомогою
згинаючого пристрою.
Дослідження рівня якості і споживчих властивостей ГПЗП мають велике
значення. Для дослідження деформацій по товщині, виміри вихідних і
деформованих зразків здійснювалися на ПК по зображеннях (розділення
80

1200х1200 dpi.), що сканували, з використанням програмного комплексу
«Farseer», розробленого на кафедрі «Обробка металів тиском» НТУ «ХПІ».
Товщину металу вимірювали по дузі місця вигину на 360 0 . Таким чином на ПК
(по відсканованих зображеннях) були визначені потоньшення, а також
пруження зразків.
Чинники технологічного процесу, що впливають на показник параметра
оптимізації позначимо символами X 1,
X2
.
За чинники для першого і другого експерименту приймаємо
контрольовані змінні об’єкти:
X 1 →
X 2 →
r
,
s
s,
де r – радіус ГПЗП зігнутих на 360 0 ;
s – товщина ГПЗП.
У якості незалежних змінних (чинників) були вибрані геометричні
параметри, що представлені в табл. 1. Обробку результатів експерименту і
побудову математичної моделі технологічних процесів і перевірку її
адекватності здійснювали на ПК за методикою, викладеною в [3-5].
Таблиця 1
Межі зміни чинників X1,
X2
Чинники процесу в одиницях виміру
Контрольовані змінні r , мм s , мм
Верхній рівень 10 1,0
Нижній рівень 8 0,5
Основний рівень 9 0,75
Інтервал варіювання 2 0,5
Кодові позначення X1
X2
s
Після обробки результатів експерименту, була отримана математична модель
процесу у вигляді:
- для першого експерименту
r
e 3 = 0,15 − 0,01 − 0,05s ;
s
- для другого експерименту
r
α = 10 ,4 − 0,34r − 0,9s + 1,6 ;
s
де e 3, α – параметри оптимізації;
r , s – чинники процесу.
Результати чисельної реалізації
представлені графічно на рис. 1 і рис. 2.
отриманих математичних моделей
81

Рис. 1. Градієнт функції e3
Рис. 2. Градієнт функції α
Таким чином, в результаті виконаних досліджень:
1. Для забезпечення розробки технологічного процесу валкового
формування профілів замкненого перетину отримана математична модель, до
якої включені контрольовані параметри, крім того, визначений рух по
градієнту, тобто напрям, при руху по якому параметр оптимізації (потоншення
металу) зменшується швидше, ніж в будь-кому іншому напрямку.
2. Виконані два повні факторні експерименти що дозволили отримати
математичну модель процесу валкового формування профілів замкненого
перетину у вигляді:
- для першого експерименту e 3 0,15 − 0,01 − 0,05 s
- для другого експерименту
r
= ;
s
r
α = 10 ,4 − 0,34r − 0,9s + 1,6 .
s
Список литературы: 1. Ена В.А., Коваленко В.Ф., Козлова И.М. Анализ предельных
отклонений в стандартах на гнутые профили. // Гнутые профили проката. Отрасл. сб.
научных трудов. – Харьков: Изд. УкрНИИмет. – 1987. – с. 93-101. 2. Стандартизация и
качество гнутых профилей проката, / И.С. Тришевский, И.С. Гринь, В.А. Ена и др. – М.: Изд.
стандартов. 1982. – 56 с. 3. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании
технологических процессов // К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. - М.: Мир,1977. -
552 с. 4. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий //
Ю.П. Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 279 с. 5. Ашмарин И.П.
Быстрые методы статической обработки. - Л.: ЛГУ, 1971. - 78 с.
Поступила в редколлегию 11.10.2010
УДК 621.771.057
Ю.А. ПЛЕСНЕЦОВ, канд. техн наук, доц., НТУ «ХПИ», г. Харьков
Н.Р. ГОРОБЕЙ, студентка НТУ «ХПИ», г. Харьков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ И ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОКАТКИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОФИЛЕЙ
На основе полного факторного эксперимента 2 3 получена расчетно-экспериментальная
модель, позволяющая определять высоту формируемых ребер периодических профилей,
усилие и момент прокатки. Проверка адекватности модели с помощью критерия Фишера
82

показала, что полученные уравнения могут быть использованы для расчета технологических
и энергосиловых параметров процесса прокатки угловых бичевых профилей с оребрением по
обеим полкам
На основі повного факторного експерименту 2 3 отримана розрахунково-експериментальна
модель, яка дозволяє визначати висоту ребер періодичного профілю, що формується, зусилля
та момент прокатки. Перевірка адекватності моделі за допомогою критерія Фішера показала,
що отримані рівняння можуть бути використані для розрахунку технологічних та
енергосилових параметрів процесу прокатки кутових періодичних профілів з оребренням з
обох боків.
Basing on a full factor experiment 2 3 the calculated experimental model was acquired, which do
allow defining height of formed periodic profile’s ribs, force and a roll forming moment. Checking
for adequateness of a model, which was performed using Fishers Criteria, has shown that the
acquired equations can be used for calculation of technological end power-energy parameters of
periodic angle profiles with two-sided ribbing.
С целью получения расчетно-экспериметальных зависимостей,
позволяющих определять высоту формируемого ребра, уширение, усилие и
момент прокатки в зависимости от величины истинной деформации, угла
наклона ведущей грани инструмента и температуры прокатки исследован
процесс прокатки полосовых бичевых профилей с использованием методов
теории планируемого эксперимента [1, 2].
Формоизменение и энергетика при прокатке определяются напряженнодеформированным
состоянием металла в очаге деформации.
Учитывая изложенное, определены следующие условия проведения
эксперимента:
- сечение образцов для экспериментальной прокатки по форме близко к
предчистовому подкату для прокатки полосовой бичевой стали;
- форма чистового калибра – чистовой угловой калибр с углом между
полками равным 126º и разъемами, расположенными на одном уровне
параллельно оси валков.
В качестве исследуемых параметров при проведении эксперимента
выбраны следующие факторы:
- высота формируемого ребра h p, мм;
- усилие прокатки P, Н;
- момент прокатки М, Нм;
- относительное уширение – Δb/В;
- показатель деформации ( A max ), выраженный как отношение
относительного уширения к относительному обжатию:
( ∆ b )
B ( )
H
A = ε b ε =
. (1)
m a x hn H − hn
На основании априорной оценки установлено, что основными факторами,
влияющими на исследуемые параметры, являются:
H
1. Величина обжатия, задаваемая в виде истинной деформации - ln
h
;
n
2. Угол наклона ведущей грани инструмента, задаваемый в виде sinα ;
83

3. Температура прокатки - ТºС.
Пределы варьирования выбранных факторов определялись на основании
анализа конструкции бичевых профилей, а также технических возможностей
стана и составили:
Р=581…1394 кН; М=20,8…46,5 кН; Δb=5,7…11,9 мм;
ε b
ε
h n
=0,138…0,247;
h p =6,3…10,1 мм.
Нулевые уровни и принятые пределы измерения факторов приведены в
табл. 1. При проведении исследований принят план полного факторного
эксперимента 2 3 , то есть ортогональный план первого порядка [1, 2]. В матрицу
планирования введен столбец фиктивной переменной х 0 , необходимый для
определения коэффициента b 0 уравнения регрессии. Поскольку при обработке
результатов эксперимента используются статические методы, то достоверность
выводов должна обеспечиваться необходимым числом повторностей опытов в
каждой точке факторного пространства. Число повторностей опытов
определяли с использованием рекомендаций экспрессного метода статической
обработки результатов наблюдений [3], заключающегося в оценке размаха
варьирования измеряемой величины в контрольном опыте. В качестве такого
опыта взят эксперимент в центре плана.
Таблица 1
Уровни факторов и интервалы их варьирования
Уровни факторов
Обозначение
H
ln sinα ТºС.
Х 1 Х 2 Х 3
Нулевой 0 1,250 -0,06 1050
Верхний +1 1,541 0,07 1150
Нижний -1 0,959 -0,19 950
Шаг варьирования 0,291 0,13 100
Реализация планируемого эксперимента осуществлялась на стане НТУ
«ХПИ» с использованием бандажированных валков диаметром D=320..360 мм.
Учитывая ограниченные возможности в изменении радиуса валков и
обжатия раската по ходу эксперимента на прокатной клети стана НТУ «ХПИ»,
требуемые параметры прокатки для каждого случая реализовались путем
подбора заготовки соответствующего сечения.
В качестве исходных данных приняты
ln
H
h n
h n
, предусмотренные в каждом
опыте планируемого эксперимента. Задавшись значением радиуса валков, из
соотношения
ln
H
h n
, определяли Н и Δh. Если при этом ограничительные
условия нарушаются, т.е. D≠320..360 мм, то вносили соответствующие
корректировки в значения R k и параметры прокатки пересчитывали заново.
Температура образцов определялась косвенно по температуре рабочего
пространства печи, фиксируемой с помощью термопар (и потенциометров). Эти
замеры контролировались с помощью термопар, зачеканенных в контрольные
84

образцы и прямым замером температуры отдельных образцов перед прокаткой
с помощью оптического пирометра «АПИР–С». Время нагрева образцов до
необходимой температуры определяли по известным формулам [4]. Образцы
длиной 250..300 мм изготавливали из стали 45.
На прокатных образцах производили замер необходимых данных
штангенциркулем и микрометром с точностью ±0,05мм. Учитывались
усредненные значения трех параллельных опытов.
Энергосиловые параметры замерялись датчиками сопротивления,
установленными между нажимными винтами и подушками валков с
использованием специальных колец, насаженных на шпиндели клети.
Результаты эксперимента приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты замеров формоизменения и энергосиловых параметров
прокатки полосовой бичевой стали
№ Количество Х 1 Х 2 Х 3 У 1 У 2 У 3 У 4 У 5
вариант опытов H
ln sinα ТºС h p , Р, кН М,
а
h n
мм кНм
Δb/В А max
1 3 0,935 -0,19 950 6,43 835,3 31,4 0,097 0,160
2 3 1,480 -0,19 950 8,97 1349,0 45,7 0,175 0,227
3 3 0,960 0,07 950 6,50 835,3 31,4 0,112 0,182
4 3 1,493 0,07 950 8,60 1349,0 45,7 0,164 0,212
5 3 0,969 -0,19 1150 6,63 580,6 23,2 0,101 0,163
6 3 1,663 -0,19 1150 920 928,3 30,5 0,189 0,240
7 3 0,970 0,07 1150 6,80 580,6 23,2 0,099 0,159
8 3 1,528 0,07 1150 9,20 928,3 30,5 0,189 0,241
9 5 1,283 -0,14 1150 8,08 923,4 34,0 0,168 0,232
Определив коэффициент уравнения регрессии, получили следующую
математическую модель процесса:
- для высоты формируемого ребра
У 1 =7,79+1,2х 1 -0,016х 2 +0,17х 3 -0,76х 1 х 2 +0,041х 1 х 3 +0,059х 2 х 3 +0,043х 1 х 2 х 3 (2)
- для усилия прокатки
У 2 =92,33+21,54х 1 -16,89х 3 -4,15х 1 х 3 (3)
- для момента прокатки
У 3 =3,34+0,47х 1 -0,64х 3 -0,108х 1 х 3 (4)
- для относительного уширения
У 4 =0,14+0,039х 1 +0,0003х 2 +0,004х 3 -0,003х 1 х 3 +0,006х 1 х 3 -0,0008х 2 х 3 +0,0035х 1 х 2 х 3
(5)
- для показателя деформаций
У 5 =0,189+0,03х 1 +0,0005х 2 +0,028х 3 -0,004х 1 х 2 +0,0078х 1 х 3 --0,0013х 2 х 3 +0,005х 1 х 2 х 3
(6)
Переход к натуральным значениям факторов в уравнениях (2-6)
производили по формулам:
H
ln − 1,25 sin α + 0,06
hn
X 1 =
; X 2 =
0, 13
;
0,291
85
− 1050
= T
100
X 3 , (7)

Результаты замеров формоизменения и энергосиловых параметров
прокатки полосовой бичевой стали представлены в табл. 2.
Проверка адекватности модели с помощью критерия Фишера показала,
что уравнения (1-6) могут быть использованы для расчета технологических и
энергосиловых параметров процесса прокатки угловых бичевых профилей с
оребрением по обеим полкам.
В результате выполненных исследований установлено:
1. На существующем оборудовании среднесортных станов возможно
получение высоты ребер в пределах 9,1мм.
2. Изменение температуры прокатки с 950ºС до 1150ºС приводит к
приращению высоты ребра до 3,5%, увеличение истинной деформации
приводит к пропорциональному возрастанию усилий прокатки;
3. При температуре 1050ºС увеличение истинной деформации с 1,5 до 2,0
приводит к возрастанию усилий прокатки на 35%, изменение температуры с
1150ºС до 950ºС приводит к возрастанию усилий прокатки на 45%.
Список литературы: 1. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании
технологических процессов // К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. - М.: Мир,1977. -
552 с. 2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий //
Ю.П. Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 279 с. 3. Ашмарин И.П.
Быстрые методы статической обработки. - Л.: ЛГУ, 1971. - 78 с. 2. Тайц Н.Ю. Технология
нагрева стали. - М.: Металлургиздат, 1962. - 567 с.
Поступила в редколлегию 01.11.2010
УДК 621.74+338.4
А. Г. ЖУРИЛО, канд. техн. наук, доцент, НТУ «ХПІ»
ЧАРЛЬЗ ГАСКОЙН – ФУНДАТОР УКРАЇНСЬКОГО
МЕТАЛОЗНАВСТВА. ДО 210 - РІЧЧЯ ПЕРШОЇ УКРАЇНСЬКОЇ
ЗАВОДСЬКОЇ ЛАБОРАТОРІЇ
Зроблено ретроспективний огляд початку металознавства й ливарництва в Україні
Сделан ретроспективный обзор начала металловедения и литья в Украине
Made retrospective review of early metallurgy and foundry in Ukraine
У ХVIII столітті Російська імперія багато воювала. Великий попит на
пушки і низька якість гармат, що відливались в Росії того часу, змусило уряд
виписати в 1786 р. з Англії відомого фахівця, директора Каронського заводу
Чарльза Гаскойна [1, с. 134, 156-157]. Каронський завод в Англії отримав
світову популярність при виготовленні "гармат - каронад" – короткодульних
скорострільних гармат великого калібру. Поспіль Гаскойн очолював кілька
заводів у Росії – Олонецькі (Олександрійський та Кончезерський), а крім того,
побудував у Росії в 1789 р. Кронштадтський ливарний завод (нині Кировський
завод у Санкт-Петербурзі), у 1801 р. – Санкт - Петербурзьку ливарну фабрику, а
в 1799 році - Луганський завод - перший ливарний завод в Україні. Разом з тим,
особистість дійсного статського радника Гаскойна, його діяльність маловідома,
86

хоча і представляє чималий історичний і технічний інтерес, тому що саме на
Луганському заводі вперше в Україні було запроваджено ряд нововведень.
Навіть саме ім'я Гаскойна в сучасній літературі трактується по-різному.
Наприклад, у роботі [1] його називають Г. Гаскойном, у роботі [2] його
називають Карлом (Чарльзом), а в роботі [3] ініціалів Гаскойна не вказується.
Ім'я Гаскойна не фігурує навіть у таких капітальних працях, як [4] і [5].
Безумовно, Чарльз Гаскойн, якого охрестили в Росії Карлом Карловичем,
був досвідченим і вмілим інженером - по його кресленнях були побудовані на
Олександрівському заводі дві нові доменні печі з циліндричними
повітродувками, шість повітряних (полум'яних) печей; він же побудував «так
званий вогранок», або малу рухливу (точніше поворотну) шахтну піч. Крім
цього, він установив на заводі нову машину для свердління гармат (винахід
Мариця), яка мала ряд переваг перед існуючими свердлильними машинами. [1,
с. 156].
Окрім цього, введені Гаскойном полум'яні печі, так само, як і поворотна
шахтна піч, призначені для переплавки чавуна, дозволили більш легко
регулювати склад і якість металу, який переплавляється, що було вкрай важко
регулювати під час плавки чавуна в доменній печі. Ці заходи дали значний
ефект по зниженню браку і поліпшенню якості виливків Олександрівського
заводу. Вдало виконавши замовлення військового відомства, Гаскойн
організував на Олександрівському заводі виробництво чавунних лафетів,
кухонного посуду, землеробських машин, а також художніх виробів: ґрат, ваз,
статуй, колон, різних архітектурних прикрас і т.д.
З виливків, виконаних за цей час на Олександрівському заводі, можна
відзначити ґрати для Асигнаційного банку в Петербурзі, парову машину для
Воїцької копальні, ґрати з колонами навколо обвідного каналу в Кронштадті
(1797 р.), парові й інші машини для Монетного двору, ворота і ґрати для двору
князя Михайла Павловича, бази для колон Казанського собору (1802 р.),
перший у Петербурзі чавунний міст (Поліцейський - 1806 р.), поручні на р.
Мийці та інше. [1, с. 156-157].
«Хресним батьком» Луганського ливарного заводу безсумнівно був
командуючий Чорноморським флотом адмірал Микола Семенович Мордвинов,
а «хресною матір'ю» - імператриця Катерина ІІ, котра підписала в 1795 р. указ
про закладку ливарного заводу на річці Лугань. Указ готував М. С. Мордвинов,
тому що саме цьому державному діячеві було добре відомо, що на озброєння
Чорноморського флоту та його фортець необхідні 2814 гармати або 287324
пуда міді, вартістю більш 6 млн. карбованців. Не зважаючи на те, що
наприкінці XVIIІ в. Росія давала 22% усієї світової виплавки міді [6, с. 300], -
ні таких грошей, ні такої кількості міді в державі не було. [2, с. 10]. Саме
Гаскойн наполіг на тому, щоб лити гармати з чавуна. Для цього був
побудований чавуноливарний завод у селища Кам'яний Брід біля ріки Лугань,
що згодом став прекрасним містом Луганськом [2, с. 10]. Чарльз Гаскойн став
директором заводу і керував їм до своєї смерті (1806 р).
Очевидно, що прийняття рішення про заміну міді на чавун при
виробництві гармат свідчить про глибокі знання Чарльза Гаскойна в області
87

металознавства. Саме Чарльз Гаскойн організував на заводі першу лабораторію
в Україні, руїни якої збереглися до початку ХХ століття [2, с. 23] і тому по
праву повинен вважатися засновником металознавства в Україні.
Технічне оснащення лабораторії Гаскойна було дуже простим, але й
рівень знань наприкінці ХVІІІ сторіччя істотно відрізнявся від сучасного.
Згадаємо, що П. П. Аносов застосував мікроскоп для вивчення структури
сталі тільки в 1831 р., а перший навчальний заклад в Україні, де готували
інженерів по металургії і металознавству (Харківський Технологічний інститут,
нині НТУ «ХПІ»), було засновано тільки в 1885 році [8, с. 79]. Теоретичні ж
представлення про природу чавуну до початку XІX сторіччя були досить
недосконалі. Не було правильного уявлення про вплив головних домішок до
чавуна (кремнію, марганцю, сірки та фосфору) на його властивості, але навіть і
значення вуглецю не оцінювалося об'єктивно [1, с. 171]. Тільки в 1781 р. Г.
Монж, Ж. Вандермонт і К. Бертоле визначили, що залізо, сталь і чавун не три
різні метали, а лише видозміни того самого заліза, що розрізняються один від
одного лише домішкою вуглецю. Г. Монж відкрив також, що наявність графіту
в складі чавуна грає досить значну роль.
Рівень теоретичних знань того часу добре пояснює наступна
характеристика чавуна, розміщена в спеціальному посібнику з артилерії [9]:
«Чугун принимаем, как железную известь, от которой уголь в печи отнял
большое количество кислотвора, от того приняла она металлический
блеск, однако содержит еще несколько кислотвора, который делает его
плавким и ломким. Если он состоит только из железных частиц и
кислотвора, тогда он бывает бел и наиболее способен к обращению в
железо; ежели в нем есть сверх того более или менее уголья, тогда он
бывает более или менее сер. . . имеет более крепости и способен к литью
артиллерийских орудий».
Таким чином, згідно цитаті, основним елементом, що визначав
властивості чавуна, вважався кисень («кислотвор»), що цілком відповідало
науці про чавун того часу.
Визначення сортів чавуна в ті часи робили не по хімічному аналізу, якого
ще не знали, а по «грі» чавуна під час охолодження пробних
напівциліндричних брусків довжиною 150...180 мм, товщиною 30...35 мм. Коли
чавун виливали у відкриту форму, то на поверхні його спостерігали «гру»
тонкої скоринки шлаків. В міру охолодження металу з'являлися зміни
фарбування або «ігри», по яким і класифікували чавун.
Навіть більш, ніж 50 років потому, після смерті Гаскойна видатний
вітчизняний металург А. Ф. Мевіус дає рекомендації щодо прийнятих на
Олонецьких, Луганському й інших заводах практичних прийомах оцінки
м'якості чавуна по «грі» металу на поверхні проби – «струмками або хвилями»,
«дрібними блискучими золотавими крапками», «вертунами», «плямами»,
«пузирями». [10, гл. 2...3]
Але ці перші роботи, що дали такі добрі результати, повинні були
припинитися, і чавун, як матеріал для виробництва гармат, був, на жаль,
88

забутий настільки, що багато чого з вже досягнутого довелося відкривати знову
в наші дні.
Причина такого явища полягала в тому, що із середини ХІХ сторіччя
(1855- 1865 рр.) у виробництві гармат почали широко застосовувати новий
матеріал - литу сталь [1, с. 141].
Гаскойн усвідомлював, що успіх роботи його підприємств визначається
людським фактором, і він вкладав гроші в облаштованість своїх працівників
особистим житлом з земельною ділянкою, турбувався про побут працівників,
про їхнє навчання, про зайнятість на роботі (без зайвих свят). Саме Чарльз
Гаскойн настояв про обов'язкову наявність на заводі лікаря, першим з яких був
батько видатного етнографа В. І. Даля - Іван Даль [11].
Після ретельних геологічних розробок, доповідних записок у Берг -
колегію, у 1796 р. почалося будівництво Луганського доменного заводу
(закінчилося в 1799 р., а в 1800 році було отримано перший чавун з місцевих
руд). Діяли доменний, ливарний, ковальський та інші цехи. Механізми (молоти,
хутра) приводилися до руху водяним колесом. Однак, перша плавка
городищенських залізних руд на кам'яному вугіллі не дала гарних результатів.
Після тривалих досліджень доменний процес довелося припинити.
Луганський завод являє собою історичну цінність не тільки як перше
велике металургійне підприємство на території Півдня України і Росії. На
ньому вперше освоїли виплавку чавуна в доменних печах на мінеральному
паливі у вітчизняному металургійному виробництві. Технологія таких плавок у
Росії до того часу не була відома. Тривалі невдачі з виплавкою чавуна на
кам'яному вугіллі привели до того, що завод з 4 грудня 1806 р. став
переплавляти залізний брухт і отриманий з Уралу чавун. Протягом наступних
декількох десятиліть на цьому заводі, а пізніше і на інших доменних
підприємствах Донбасу продовжувалися дослідження по виплавці чавуна на
мінеральному паливі, що зіграли велику позитивну роль у наступному розвитку
металургійної промисловості Півдня.
З історією розвитку Луганського заводу пов'язано перетворення
маленького села Кам'яний Брід Слов'яно-Сербського повіту в досить великий у
той час центр, що 3 вересня 1888 р. був зведений у ступінь повітового міста, яке
одержало назву Луганськ.
Зображення першої домни Луганського заводу довгий час було гербом на
печатках цього міста. Завод протягом багатьох років був центром геологічного
вивчення Донецького басейну. Розвідано понад 20 родовищ залізних руд,
причому проби з 13 родовищ ще до 40-х років ХІХ сторіччя були доставлені на
Луганський завод і випробувані в дослідних плавках. Однак на заводі не змогли
організувати промислову плавку чавуна на кам'яному вугіллі, і завод поступово
став втрачати своє значення. На підставі урядового наказу від 20 червня 1887 р.
Луганський завод було ліквідовано. Пізніше на місці цього підприємства
організовано патронний завод. [3, с. 46...47, 11].
Чому ж шотландцеві Гаскойну вдалося досягти таких успіхів у
виробництві металу і його обробці в країні, де були відлиті Цар-гармата і Цардзвін.
На уральських заводах прокатано метал, яким було перекрито дах
89

Англійського парламенту (дах більше не перекривався і дотепер). Відповідь
досить проста.
Маючи відмінну освіту і користуючись результатами англійської
технічної революції, використовуючи машини, можна було досягти чималих
результатів. Країна була багата своїми майстрами, але не мала ні вищих, ні
навіть середніх технічних навчальних закладів. Ручна праця, відсутність на
підприємствах кваліфікованих інженерів, робота на «око», багатогодинний
робочий день - ось чим жила наша Батьківщина в той час.
Із самого зародження металургії чавун виплавляли на деревному вугіллі,
тому масштаби виробництва залежали від лісових ресурсів. Коли у XVІ
сторіччі металургія почала досить швидко розвиватися, недолік лісу сильно
стримував розширення металургійного виробництва і, отже, обмежував
розвиток машинобудування. Від цього більше всього страждала Англія, де
майже не було лісів. За період з 1540 по 1640 рік ціни на дрова в Англії зросли
втричі швидше, ніж ціни на інші товари. Здавалося, що англійська металургія,
а разом з нею і машинобудування взагалі приречені на загибель [7, с. 178]. Але
в Англії незабаром прийшли до висновку, що деревне вугілля можна замінити
кам'яним. Вже в XVІ столітті багато англійських промислових підприємств
почали застосовувати замість дров кам'яне вугілля. Однак перейти на кам'яне
вугілля в металургії виявилося дуже важко. Патенти на перевод металургійних
заводів на кам'яне вугілля були видані Симону Стуртеванту в 1612 році і А.
Додлі в 1619 році. Було ще кілька спроб у цьому напрямку, однак проблему
розв’язав Абрагам Дарбі з Колбрукдейла, який розробив спосіб коксування
кам'яного вугілля перед його завантаженням у доменні печі. Перші успішні
досліди нового способу були проведені у 1709 році, хоча розробка
промислового процесу виплавки чавуна на коксі проводилася на протязі ще
кількох років. Разом з тим власники англійських металургійних заводів
повільно переводили свої підприємства на використання коксу. Так, навіть до
1760 року в країні було лише 17 доменних коксових печей. При запровадженні
нового способу плавки було необхідно ретельно підбирати руду і вугілля, тому
що чавун, який виплавлявся у коксових печах, не піддавався переділу в ковке
залізо. Приблизно з 1760 року технологія виплавки чавуна на коксі поступово
удосконавлювалася - шляхом зміни процесу коксування, поліпшення дуття
(головним моментом тут було використання Вилькінсоном парової машини
Ватта), та методів наступної обробки чавуна. Число доменних печей, що
працювали на коксі, зросло в Англії з 31 у 1775 році до 81 у 1780 році. З цього
часу кокс остаточно витиснув деревне вугілля на всіх передових металургійних
заводах Англії. Тепер в англійській чорній металургії було все, що потрібно для
її швидкого розвитку. Виплавка чавуна зростала, склавши 62 тисячі тонн у 1788
році, 125 тисяч у 1796 і 250 тисяч тонн у 1806 році. Здійснений Нильсоном
перехід на гаряче дуття дозволив довести виплавку чавуна приблизно до 3
мільйонів тонн до середини XІХ століття і до 8 мільйонів тонн до початку ХХ
століття [7, с. 183].
Озброєна знаннями і досвідом, грабуючи свої колонії по усій земній кулі,
Англія на довгі роки стала ведучим виробником чорних металів у світі.
90

Англійський досвід виплавки чавуну на мінеральному паливі став
загальносвітовим та використовується і дотепер.
Першим переплавляти чавун на коксі в Росії почав все той же Чарльз
Гаскойн, - спочатку на Олонецьких заводах, а потім на Кронштадтському заводі
(який згодом став Кіровським) [11].
Висновки
1. Чарльз Гаскойн організував першу металознавчу лабораторію в
Луганську і тому по праву може вважатися засновником металознавства в
Україні.
2. Луганський завод являє собою історичну цінність як перше велике
металургійне підприємство на території Півдня України і Росії. Саме на ньому
вперше в нашій країні було виплавлено чавун в доменних печах на
мінеральному паливі.
3. Теоретичні представлення про природу чавуна до початку XІХ сторіччя
були досить недосконалі, а саме відсутнє правильне представлення про вплив
головних домішок на властивості чавуна.
4. Луганський завод став втрачати своє значення (за відсутністю
досконалого керівництва) і 20 червня 1887 р. на підставі урядового наказу був
ліквідований. Пізніше на місці цього підприємства організовано патронний
завод.
5. Розроблена в Англії технологія плавки на мінеральному паливі була
перенесена в Росію і стала основою розвитку металургійних заводів Півдня
Росії, першим з яких став Луганський завод.
Список літератури: 1. Н. Н. Рубцов. История литейного производства в СССР. Т. 1, М.,
Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962.-
288 с. 2. В. О. Фесенко. 130 років Луганського ливарного заводу. До ювілею першої домни на
Україні. Луганське.: Будинок науки й техніки - 1930.- 28 с. 3. Развитие металлургии в
Украинской ССР. / З. И. Некрасов, Ю. А. Анисимов, В. В. Врублевский и др. К., Наукова
думка, 1980. – 960 с. 4. Развитие литейного производства в Украинской ССР / Ващенко К. И.,
Петриченко А. М., Шульте Ю. А. Под ред. В. А. Ефимова. К., Наукова думка, 1988. - 376 с. 5.
А. А. Зворыкин и др. История техники. М. 1962. - 780 с. 6. Очерки истории техники в
России Горное дело, Металлургия, Энергетика, Электротехника, Машиностроение
(1861 – 1917) / Под ред.И. И. Артоболевского, А. А. Благонравова. М., Наука, 1973 7. С.
Лилли. Люди, машины и история. История орудий труда и машин в ее связи с
общественным прогрессом. Перевод с англ. 3. А. Алексеева. / Под редакцией С. В.
Шухардина и В. М. Родионова. М.: Прогресс, 1970. – 430 с. 8. А. Г. Журило. А. Ф. Мевіус –
перший професор металургії чавуну і сталі в Україні. // Вестник НТУ «ХПИ» № 8, 2008, С.
72 – 81. 9. А. Маркевич. Руководство к артиллерийскому искусству. СПБ. т. 1, 1820. 10. А. Ф.
Мевиус. Чугунолитейное производство. Харьков.: Типография университета, 1859. – 622 с.
11. Ю. А. Темник. Столетнее горное гнездо. Луганский завод (1795 — 1887 гг.) Луганск.
2001.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
91

УДК 621.81
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ
СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Д.Ю. ЗУБЕНКО, канд. техн. наук, доцент, Харківська національна
академія міського господарства
ПРОВЕДЕНИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
ТОНКОСТЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ
При ультразвуковом контроле тонкостенных изделий существенное значение имеет создание
таких условий для настройки его параметров, которые наиболее полно отображают
особенности проведения контроля на реальном объекте, и при этом максимально упрощают
процесс подготовки к нему. Приведено теоретическое обоснование перехода от настройки
предельной чувствительности по трубкам к настройке по двугранным углам эталонов.
Ключевые слова: ультразвуковой контроль, транспортные средства, диагностика.
При ультразвуковому контролі тонкостінних виробів істотне значення має створення таких
умов, щоб настроїти їх параметри, які найбільш повно відображають особливості проведення
контролю на реальному об'єкті, і при цьому максимально спрощують процес підготовки до
нього. Наведено теоретичне обгрунтування переходу від налаштування граничної чутливості
по трубках до налаштувань за двогранних кутах еталонів.
Ключові слова: ультразвуковий контроль, транспортні засоби, діагностика.
Under the ultrasonic testing of thin-walled products it is essential to create the conditions for setting
its parameters that fully reflect the control characteristics on a real object, and at the same time
simplify the process of preparing for it. The theoretical basis of the transition from the maximum
sensitivity setting on the handset to its dihedral angles of the standards has been provided.
Keywords: ultrasonic testing, the vehicle diagnostics.
Введение
Процесс определения параметров УЗ практически всегда связан с
приемом сигналов от искусственных отражателей. При этом наиболее важное
значение отводится настройке чувствительности. Применяемые для этой цели
эталоны – это весьма дорогостоящие изделия, ведь в них расположены сложные
для изготовления полости - отражатели (как правило, плоскодонные или
плоские угловые зарубки).
Последние достижения
Следует отметить, что воспроизводимость акустических параметров
таких отражателен, изготовленных разными производителями, часто находится
на достаточно низком уровне. Поэтому а настоящее время специалисты ставят
вопрос о необходимости применения для этих целей отражателей более
простой конфигурации, которые можно было бы изготовить без применения
специальных технологий и дорогого оборудования [1].
Некоторые современные документы [2] допускают иcпользование вместо
зарубок других отражателей, если их акустические свойства, т.е, амплитуды
эхо-сигналов, отличаются не более, чем на 1 дБ. По следует отметить, что даже
92

внешне незначительные изменения шероховатости поверхности ввода УЗ
колебаний, либо изменение консистенции контактной смазки, например, ее
вязкости, могут привести к отклонениям амплитуд сигналов, превышающих 1
дБ. В работе [3] приведены данные, которые свидетельствуют о том что
нестабильность акустического контакта при сканировании во время контроля
(либо настройки параметров) может привести к разбросу до 2 дБ от средней
величины регистрируемых амплитуд сигналов. Поэтому установленный в
работе [2] порог отличия значений амплитуд сигналов от взаимозаменяемых
отражателей можно увеличить до 2 дБ, что сделает более реальной
возможность перехода к применению более технологичных отражателей,
например, двугранных углов. Полученные дополнительные преимущества
будут заключаться в изготовлении недорогого и удобного эталона.
Цель данной статьи: создание таких условий для настройки параметров
при ультразвуковом контроле, которые наиболее полно отображают
особенности проведения контроля на реальном объекте, и при этом
максимально упрощают процесс подготовки к нему.
Материал исследования
Вопрос о целесообразности применения двугранных углов рабочих
эталонов для определения чувствительности контроля тонкостенных изделий
был рассмотрен в [1, 4]. В этих работах показано, что эталоны с такими
отражателями, как двугранный угол, либо зарубка кроме простоты
изготовления обладают дополнительными достоинствами - они имеют такую
же конфигурацию, как и фрагмент тела контролируемого изделия. Этим они
отличаются от эталонов с плоскодонными отражателями (форма которых, как
правило, не повторяет форму контролируемого изделия). Следовательно, из-за
идентичности таких важных параметров, как толщина, кривизна и марка стали,
условия распространения УЗ волн в рабочем эталоне (РЭ) и изделии не могут
значительно отличаться, а это особенно важно при малой толщине стенок и
небольших расстояниях до отражателей в контролируемых изделиях. Наиболее
важным итогом работ [1, 4] стало то, что в них разработаны рекомендации,
позволяющие продолжить поиск оптимального пути для перехода от настройки
по зарубке к настройке по двугранному углу.
Для поиска путей решения упомянутой выше проблемы, уточнения
полученных в работе [4] результатов рассмотрим соотношения, описывающие
акустические свойства зарубки и прямого двугранного угла. Согласно [5],
приведенная амплитуда сигнала от прямого двугранного угла вычисляется по
формуле:
P
P
D
cos α | R(
α ) R(90
cos β h
+ r0
cos α
0
y
= S
a
0
2λ τ
n
− α ) |
cos α
cos β
где S
a - площадь пьезоэлемента наклонного преобразователя; β - угол призмы;
α - угол ввода; r
0 - путь в призме от точки излучателя до точки ввода вдоль
акустической оси; n – отношение скорости продольных волн C l в призме к
скорости поперечных волн C t в стальной пластине; h – толщина пластины РЭ;
0
λ
τ - длина поперечных волн в пластине; R (α ) и R (90 − α - коэффициенты
93
(1)

отражения волны соответственно от горизонтальной и вертикальной граней
двугранного угла; D – коэффициент прозрачности по энергии.
Воспользовавшись соотношениями, полученными в работе [5], которые
описывают нормальное падение плоской волны на отражатель, а также
параметр, характеризующий отражательную способность зарубки,
коэффициенты отражения от граней зарубки и функцию, характеризующую
максимальное значение поля преобразователя, можем найти приведенную
амплитуду эхо-сигнала от зарубки и функцию, характеризующую
максимальное значение поля преобразователя, можем найти приведенную
амплитуду эхо-сигнала от зарубки. Из-за значительного объема преобразований
приводится только окончательная формула:
PЗ
P
0
D
=
2λ
2
2
τ
S
З
cos α
cos β
0
2sin α | R(
α ) R(90
− α ) |
h cos α
( + r0
n )
cos α cos β
Для удобства описания используем введенное в [4] понятие
эквивалентной площади двугранного угла – S уэ . В этой работе отражающая в
направлении излучателя преобразователя поверхность двугранного угла
сопоставлена с площадью зарубки, которая дает такой же отраженный сигнал,
как и сигнал от этой поверхности. Используя это сопоставление, приравняем
выражения (1) и (2). При этом заменим λ
τ на C t /f, r 0 на ∆τ n C n и получим для S уэ
уточненную формулу:
S
2
⎛ ∆ τ cos α
⎞
nCn
Ct
= ⎜
⎟
H
2 cos β 2 cos α
⎝ f f
⎠
1
2sin α
УЭ (3)
где H – толщина эталона.
Формула (3) отличается от аналогичной формулы (11), полученной в
работе [4], уточняющим множителем ( 2 sin α ) -1. . Этот множитель приведет к
изменению значений ранее рассчитанных в этой работе значений S уэ для
исследованных там эталонов. Следовательно, изменится и расчетная разность
амплитуд сигналов от двугранного угла и зарубки.
Для удобства рассмотрения формулы (3) необходимо сделать следующее
упрощение. Если раскрыть в ней скобки, то можно видеть, что для каждого из
выбранных преобразователей она представляет собой линейную зависимость:
S УЭ 2
(2)
= K 1
+ K H
(4)
где K
1 - постоянный для данного типа преобразователя коэффициент, равный
2
− 1
∆ τ n
C n
cos α (4 f sin α cos β ) ; K
2 - постоянный для контролируемого изделия и
− 1
применяемого преобразователя коэффициент равный C t
(4 f sin α cos α ) . Мы
считаем, что полученные выше результаты можно применить на практике
после введения следующих ограничений, упрощающих решаемую задачу.
1. При контроле сварных соединений с толщиной стенки от 4 до 20 мм
действующие документы рекомендуют использовать преобразователи с одним
из следующих углов ввода α: 75, 70 или 65 0 . Поэтому в расчеты коэффициентов
K
1 , и 2
K , для каждого определенного диапазона толщин контролируемых
94

изделий, регламентируемых [2, 6, 7], может входить только одно из трех
перечисленных выше значений углов α и соответствующих им значений β.
2. Рекомендуемая в НТД (например в [2, 7],) частота излучения
преобразователей - 5 МГц (для изделий толщиной до 15 мм) и 2,5 МГц (для
изделий толщиной от 15 до 20 мм)- Учитывая произошедшие в последнее
десятилетие значительные улучшения наиболее важных параметров
современных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) (таких как
чувствительность, реверберационно-шумовые характеристики), можно
рекомендовать расширить диапазон применения преобразователей с частотой 5
МГц до 20 мм. Следовательно, множитель f, входящий в формулу (3), можно
принять равным 5⋅ 10 6 с -1 .
Как правило, в промышленности изделия с приведенной выше толщиной
стенок, подлежащие УЗ, изготовлены из низкоуглеродистых сталей.
Следовательно, есть возможность сделать еще одно упрощение — принять для
расчетов согласно данным, приведенным в [8, 9], среднюю скорость
поперечных волн равной 323 м/с. Исходя из этого, а также из упрощений,
приведенных в п. 1 и 2, можно утверждать следующее: коэффициент К 2 в
формуле (4) может принимать только три определенных значения, зависящих
от выбранного значения угла ввода (65, 70 или 75°).
В [10] приведены результаты исследований, позволившие определить
диапазон значений времени задержки в призме преобразователей - ∆ τ
n , в
пределах которого достигаются оптимальные параметры УЗ тонкостенных
сварных швов. В соответствии с этими данными наиболее целесообразно
использовать преобразователи с ∆ τ
n от 3,5до 5 мкс. Поэтому в дальнейшем
будем рассматривать только приведенный выше диапазон рекомендуемых
значении ∆ τ
n , в соответствии с которым выберем для экспериментов такие
ПЭП время задержки в призмах которых находится в требуемых пределах.
Выполнив приведенные условия и введя соответствующие ограничения,
можно провести расчет эквивалентной площади двугранного угла S уэ при
заданной толщине эталона (т.е. определить площадь зарубки в эталоне, сигнал
от которой при использовании данного преобразователя будет равен сигналу от
прямого двугранного угла в том же эталоне). Значение S уэ можно сопоставить с
площадью, рекомендованной в НТД зарубки – S P , и по формуле, приведенном и
[7], расчетным путем определить приборную поправку (в децибелах), введение
которой позволит осуществить переход от рекомендованного отражателя к
имеющемуся в наличии (т. е. в нашем случае к двугранному углу):
∆ A = AЗР
− AУР
= 20 log S
P
/ SУЭ
, (5)
где AЗР
− AУР
- расчетная разность значении амплитуд сигналов от зарубки и
двугранного угла в РЭ.
Выводы
Получена формула и описан механизм перехода от настройки
чувствительности УЗ с использованием зарубок к настройке по двугранным
углам рабочих эталонов.
Для того, чтобы иметь возможность изучить сопоставимость результатов,
полученных с применением разных эталонов одинаковой толщины, маркой
95

стали и размером зарубок, метрологическим подразделениям необходимо
провести измерения амплитуд сигналов от этих зарубок при одинаковом
значении опорного уровня и сделать обобщение полученных результатов.
Список литературы: 1. Ермолов И. Н. О выборе способа настройки при контроле тонких
сварных соединений // Дефектоскопия. — 2002.- .№1I. - С. 61-70. 2. ОП № 501 ЦД-97.
Основные положения по ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений котлоагрегатов
в трубопроводе 'ГЭС. - М.: ЦНИИТМАШ, 1997. 3. Ермолов И. И, Погрешность измерения
координат дефектов под влиянием нестабильности акустического контакта // Дефектоскопия.
- 1992. - № 12. - С. 3-4. 4. А. Сапрыкин С. А., Колбин И. В., Волков Ю. А. О применении
двугранных углов рабочих эталонов для настройки чувствительности ультразвукового
контроля стальных изделий с малой толщиной стенки // Сб. докл. сем. выст. «Современные
технологии и приборы неразрушающего контроля и технической диагностики». -
Харьков, 20-21.11.2003 г. 5. Ермолов И. И. Теория и практика ультразвукового контроля. -
М.: Миши построение, 1981. - 240с. 6. ТР 34.17. Технічний регламент. Ультразвукова
дефектоскопія зварних з'єднань котлоагрегатів, трубопроводів і посудии. Основні
положения. - Київ, 2003. - 127 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 532.593:541.24
С. А. ДАВЫДОВ, докт. техн. наук, доцент, Днепропетровский
национальный университет имени Олеся Гончара
РАСЧЕТ СНИЖЕНИЯ УДЕРЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СПЛОШНОСТИ ТОПЛИВА ПРИ ЕГО
ДВИЖЕНИИ ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ
В работе представлена методика инженерной оценки снижения удерживающей способности
сетчатых средств обеспечения сплошности топлива вследствии движения топлива вдоль
сетчатой поверхности, которая контактирует с газовой фазой
Ключевые слова: космический летательный аппарат, топливо, сетчатые разделители фаз.
У роботі представлена методика інженерної оцінки зниження утримуючої здатності
сітчастих засобів забезпечення суцільності палива внаслідок руху палива уздовж сітчастої
поверхні, що контактує з газовою фазою
Ключові слова: космічний літальний апарат, паливо, сітчасті роздільники фаз
The technique of an engineering decreasing estimation of mesh phase’s delimiters retention at
functionability of means fuel continuity in consideration of fuel movement along the mesh surface
which contacts to a gas phase has been presented in present work.
Key words: spacecraft, fuel, mesh phase’s delimiter.
1. Введение
На протяжении последних четырех десятилетий для управления
положением жидкости и обеспечения ее слива без газовых включений из баков
космических летательных аппаратов (КЛА) в условиях пониженной гравитации
широко используются тканые металлические сетки с ячейками микронных
размеров [8]. Для наземной отработки этих т. н. средств обеспечения
сплошности топлива (СОСТ) разработаны различные инженерные методики
96

[3-5], которые тем не менее не охватывают всего многообразия условий
функционирования СОСТ при выполнении КЛА полетного задания. В
частности при отборе топлива из бака КЛА возможна ситуация, когда часть
сетчатых элементов (СЭ) СОСТ 3 с одной стороны, со стороны свободного
объема бака 2 (рис.1), находится в контакте с газовой фазой 6, а с другой
стороны вдоль поверхности СЭ происходит движение топлива 7 в направлении
сливной магистрали 5.
При этом, как отмечается в [9],
возникает «срезающая» сила
вследствии воздействия потока
топлива на поверхность раздела фаз
«жидкость-газ» 8, которая
располагается в ячейках СЭ.
Экспериментально установлено [7],
что работоспособность сетчатых
СОСТ в указанной ситуации
существенно снижается. Поэтому этот
фактор необходимо учитывать при
проектировании перспективных КЛА
многоцелевого назначения, система
питания которых содержит СОСТ.
Ниже представлена методика, которую
предлагается использовать при
выполнении инженерных расчетов
уровня работоспособности сетчатых
СОСТ на этапе эскизного
проектирования.
Рис. 1. Схема топливного бака
КЛА с сетчатым СОСТ:
1 – стенка бака; 2 – свободный объем
бака; 3 – сетчатый элемент; 4 – объем
бака, ограниченный СОСТ; 5 –
сливная магистраль; 6 – газовая фаза; 7
- направление движение топлива при
опорожнении бака; 8 – поверхность
раздела фаз «жидкость-газ»
2. Исходные данные для расчета
Исходными данными для проведения расчетов являются:
- плотность ρ, динамическая вязкость μ и поверхностное натяжение σ
топлива при заданной температуре;
- текущий расход топлива из бака Q;
- коэффициент заполнения бака топливом η;
- геометрические параметры СЭ: размер стороны ячейки а, диаметр
проволок основы d o и утка d у , коэффициент живого сечения f с , тип плетения;
- общая площадь поверхности СЭ в баке S.
3. Этапы расчета
После этого процесс расчета состоит из следующих шагов.
Шаг 1. Определяется средняя скорость жидкости V с в части бака
ограниченной СОСТ, СЭ которого находятся в контакте с газовой фазой. Для
определения скорости V с необходимо иметь информацию о размещении
газовой фазы внутри бака и степени дробления газового объема на части.
Указанная информация имеет обычно вероятностный характер. Для проведения
инженерных расчетов следует рассматривать такое положение и связность
97

газового объема в баке при котором скорость V с будет максимальной.
Максимальное значение скорость V с достигает в том случае когда:
- газовый объем при заданном уровне заполнения бака топливом η
является односвязным;
- газовый объем размещен в той части бака, в которой проходное сечение
СОСТ для сливаемого топлива является минимальным, а площадь СЭ, которые
контактируют с газовой фазой, - максимальна.
При сделанных выше допущениях и заданном уровне расхода топлива из
бака Q можно провести оценку текущего расхода топлива под поверхностью
СЭ, контактирующего с газовой фазой и, соответственно, величины V с .
Предполагая, что при сливе из бака жидкостной поток разделяется на топливо
протекающее по каналам СОСТ, контактирующим с газовой фазой и на
топливо поступающее в сливное отверстие через часть СОСТ не
контактирующую с газовой фазой, можно записать систему уравнений
⎧
*
Q = Qc
+ Q
⎪
⎨
⎪
⎩
∑
N
ξ V
i
2
c i
=
ξ
c
V
2
f
, (1)
i = 1
где Q c - расход топлива через часть СОСТ, контактирующую с газовой фазой,
м 3 /с; Q * - расход топлива через часть СОСТ, не контактирующую с газовой
фазой, м 3 /с; N – количество участков каналов СОСТ, контактирующих с
газовой фазой, постоянного проходного сечения; ξ i
гидросопротивления i-того участка канала СОСТ;
ξ α +
c
β
Re
c
– коэффициент
= - коэффициент
гидросопротивления СЭ; α, β – постоянные коэффициенты, зависящие от типа
плетения материала СЭ [6];
Q
c
V ci = - средняя скорость потока топлива на i-
Si
том участке канала СОСТ, м/с; S i – площадь поперечного сечения i-того участка
канала СОСТ, м 2 ;
V
f
Q
χf
S
полностью погруженные в топливо, м/с;
c
*
= - средняя скорость потока через СЭ СОСТ,
d
c ρ f
Re c = - число Рейнольдса
жидкостного потока в ячейках СЭ, полностью погруженных в топливо; d c -
приведенный гидравлический диаметр ячеек СЭ, м.
Число N участков каналов СОСТ, контактирующих с газовой фазой,
зависит от степени неоднородности каналов по длине и требуемой точности
расчетов.
После определения расхода топлива через каналы СОСТ,
контактирующие с газом, выбирается участок с минимальной площадью
min
поперечного сечения S i и определяется соответствующая максимальная
средняя скорость жидкостного потока V с .
Шаг 2. Рассчитываются число Рейнольдса Re и капиллярное число Ca по
формулам
98
μ
V

V ρ
=
cd c
σ d
Re c ρ
, Са
2
µ f c
µ
= , (2)
где d c – капиллярный диаметр ячеек СЭ, м [7].
Определение капиллярного диаметра СЭ d c зависит от типа плетения
сетки, используемой для изготовления СЭ СОСТ. Если в конструкции СЭ
используется сетка полотняного типа плетения с квадратными ячейками [1], то
d c ≈ 1, 4a . Если в конструкции СЭ используется сетка фильтрового типа
плетения [2], то для определения величины d c следует использовать
соответствующие табличные данные [6,7].
Шаг 3. Расчет статической удерживающей способности СОСТ.
Статическая удерживающая способность СОСТ Δ pcfr
может определяться
экспериментально «пузырьковым» методом [6], либо по уравнению Лапласа
4σ
Δ pcfr
= . (3)
d c
Шаг 4. Расчет коэффициента снижения удерживающей способности
сетчатых элементов СОСТ kc вследствии движения топлива вдоль той части их
поверхности, которая контактирует с газовой фазой. Значение этого
коэффициента определяется с помощью формулы [7]
0,
375 0,
326
k c = 0, 086 Re − Ca
(4)
для СЭ, которые имеют полотняный тип плетения, и
0,
14 0,
1
k c = 0, 33Re − Ca
(5)
для СЭ, которые имеют фильтровый тип плетения.
Достоверность зависимостей (4)-(5) экспериментально подтверждена в
диапазоне чисел Рейнольдса Re от 0,5 до 20 и капиллярных чисел Ca от 333 до
5455 [7].
Шаг 5. Расчет удерживающей способности сетчатых элементов СОСТ
*
∆ p
cfr
в условиях движения топлива вдоль поверхности раздела «жидкость-газ».
*
∆ p
cfr
Величина определятся по формуле
*
cfr
Δ p =
k Δp
где kc определяется по уравнениям (4) или (5).
Выводы
*
∆ p
cfr
Полученный в результате расчетов перепад давления на СЭ будет ниже
Δp
их статической удерживающей способности
cfr
, которая соответствует
тканой сетке, используемой для их изготовления. Это необходимо учитывать
при определении предельно допустимого уровня нагружения СОСТ на этапе
эскизного проектирования. Снижение удерживающей способности СЭ СОСТ в
рассмотренной выше ситуации может потребовать замены СЭ в сторону
уменьшения капиллярного диаметра ячеек dc.
Следует отметить, что в представленной выше методике не учитывается
влияние на величину коэффициента kc геометрических характеристик канала,
по которому происходит движение жидкости. Учитывается только площадь
поперечного сечения канала при определении средней скорости жидкостного
c
cfr
(6)
99

потока под поверхностью СЭ. Для выяснения степени влияния данного фактора
на работоспособность СОСТ требуется проведение дополнительных
исследований.
Список литературы: 1. ГОСТ 6613–73. Сетки проволочные тканые с квадратными
ячейками нормальной точности. Государственный стандарт [Текст]. – М.: Изд-во стандартов,
1973. – 17 с. 2. ГОСТ 3187–76.Сетки проволочные тканые фильтровые. Государственный
стандарт [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 15 с. 3. Давыдов С.А. Численный расчет
взаимодействия свободной поверхности жидкости с сетчатой разделительной перегородкой
[Текст]/ С.А. Давыдов // Математическое моделирование в механике жидкости и газа: сб.
науч. тр. Днепропетровского государственного ун-та – Д.:, 1992. – С. 72–77. 4. Давыдов С.А.
Экспериментальные исследования влияния коэффициента упругости сетчатых разделителей
фаз на их удерживающую спососбность [Текст] /С.А. Давыдов // Вісн. Дніпропетр.
університету. Ракетно-космічна техніка – 2004. – Вип. 8, № 12 – С. 11–17. 5. Давыдов С.А.
Экспериментальная оценка влияния переменного давления на прорыв газа через
металлическую сетку [Текст] /С.А. Давыдов, А.С. Макарова; Днепропетровский
государственный ун-т. – М:, 1989. – 11с. – Деп. в ВИНИТИ 15.04.89, № 261989. 6.
Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов
[Текст] / Багров В.В., Курпатенков А.В., Поляев В.М. и др.; под. ред. В.М.Поляева. – М.:
УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 1997. – 328с. 7. Макарова А.С. Работоспособность средств
обеспечения сплошности топлива сетчатого типа в условиях ограниченного контакта с газом
наддува [Текст] / Макарова А.С., Давыдов С.А., Абраменко Н.В., Давыдова А.В. // Системне
проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки: зб.наук.праць
Дніпропетровського національного ун-ту. – Т. IX. – Д., 2009.– С. 62–68. 8. Rollins J.R. 23
years of surface tension propellant management system design, development, manufacture, test and
operation [Text] /J.R. Rollins // AIAA paper – 1986. – № 833. – 9p. 9. Tegart J.R. Influence of
pressure transients on the performance of capillary propellant acquisition systems [Text] /J.R.
Tegart // AIAA paper. – 1976. – № 597. – 8 p.
Поступила в редколлегию 26.11.2010
УДК 57.08:632.082
В.А. ШИГИМАГА, канд. сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией,
Институт животноводства НААН, пгт. Кулиничи, Харьковская обл.
КОНДУКТОМЕТРИЯ КЛЕТОК ЖИВОТНЫХ
В СРЕДАХ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
Предложен простой способ определения собственных электропроводящих свойств клеток
животных в средах с произвольной проводимостью. Суть способа состоит в исключении
проводимости среды из суммарной проводимости клетки и среды.
Ключевые слова: проводимость, клетка, среда
Запропоновано простий спосіб визначення власних електропровідних властивостей клітин
тварин в середовищах з довільною провідністю. Суть способу полягає у виключенні
провідності середовища із сумарної провідності клітини та середовища.
Ключові слова: провідність, клітина, середовище
The simple method of determination own electro-conductive properties of animal cells in a media
with arbitrary conductivity is suggested. Essence of method consists upon exception of medium
conductivity from total conductivity cells and medium.
100

Key words: conductivity, cell, medium
1. Введение
Известны способы кондуктометрии сред и суспензий клеток [1-3]. Суть
их в том, что на исследуемый объект подают импульсное напряжение, а далее,
согласно различным математическим моделям, описывающим ожидаемый
отклик объекта на такое воздействие, рассчитывают его проводимость. Однако
этим способам присуща одна общая особенность - они используют только
фиксированную амплитуду импульсов, подаваемых на электроды ячейки,
вследствие чего невозможно получить зависимость проводимости объекта от
напряженности поля. Это сильно ограничивает их применение на одиночных
клетках, содержащих такие чувствительные к внешней напряженности поля
структуры, как мембраны, способные к различной степени электропорации и
пробою [4].
Известны также способы определения проводимости сред и одиночных
клеток в импульсном поле с возрастающей напряженностью [5,6]. Однако,
несмотря на реализованную возможность кондуктометрии с изменяемой
напряженностью поля, эти способы не обеспечивают корректного и точного
определения проводимости только клетки. Основная причина этого заключена
в том, что проводимость среды аддитивно связана с проводимостью клетки
согласно закону Кольрауша. Это объясняет принципиальную невозможность
установить этими способами составляющую проводимости, принадлежащую
только клетке. При определении проводимости клетки в чистых
диэлектрических средах, как маннит или сахароза, их проводимостью можно
практически пренебречь, поскольку собственная проводимость клетки выше, а
в момент пробоя почти на порядок выше по сравнению со средой. А в случае
применения питательных клеточных сред, содержащих значительные
количества разных ионов, их проводимостью пренебречь уже так просто
нельзя. Поэтому в таких условиях для получения собственной проводимости
клетки необходимо обязательно учитывать проводимость среды, которая может
составлять значительную часть общей проводимости. Но эти способы вообще
не позволяют исследовать характер проводимости клетки в проводящих средах.
Поэтому самым радикальным решением этих проблем было бы полное
исключение проводимости среды из суммарной проводимости клетка плюс
среда.
101

2. Методика определения проводимости клеток и сред
Определение проводимости сред и клеток проведено с помощью аппаратуры и
способа, разработанных и подробно описанных ранее [6,7]. Перед измерением
проводимости наносили каплю среды с клеткой на предметное стекло
микроскопа. Погружали в каплю микроэлектроды, располагали между ними
клетку и подавали на них импульсное напряжение с возрастающей от нуля
амплитудой [6]. Одновременно определяли падение напряжения на клетке в
момент прохождения импульса. После этого, оставаясь в капле среды, отводили
микроэлектроды в сторону от клетки и производили аналогичные действия.
Далее рассчитывали обе проводимости - клетки со средой и среды без клетки
по одному алгоритму, используя способ [6], и наносили их значения на график
в зависимости от напряженности поля. Для получения проводимости только
клетки проводили поточечное вычитание соответствующих ординат или ее
вычисляли сразу аналитически по несложной формуле разности, введенной в
алгоритм вычислений проводимости. Все вычисления и построение графиков
выполнены с помощью программного пакета Microsoft Excel 2002. В
экспериментах были использованы ооциты мыши, полученные по стандартной
методике [8].
3. Результаты исследования проводимости клеток в разных средах
На рис.1а,б показаны зависимости проводимости двух ооцитов от
напряженности поля в 0,3М среде сахарозы. Рис.1а - ооцит находился в чистой
сахарозе, рис.1б - в загрязненной остатками фосфатно-солевого буфера (ФСБ),
внесенного на кончике пипетки при переносе клетки. Видно, что проводимость
ооцита с чистой сахарозой немного отличается от собственной проводимости
ооцита, рис.1а, в то время, как в загрязненной эти значения примерно на
порядок выше, рис.1б. Тем не менее, при вычитании проводимости сахарозы
получаем собственную проводимость 2-й клетки, численно подобную 1-й до 1,7
кВ/см, а далее видны индивидуальные особенности, которые проявляются в
более интенсивном пробое.
а
б
Рис. 1 а). ооцит в среде чистой 0,3М сахарозы; б). ооцит в сахарозе, с примесью
ФСБ.
102

На рис.2а,б показаны зависимости проводимости двух ооцитов от
напряженности поля в среде ФСБ совместно с ним и без него. Видно, что
проводимость ФСБ почти на 3 порядка выше, чем сахарозы, и оказалась даже
выше проводимости ооцитов из-за изолирующего влияния их мембраны,
рис.2а. Поэтому при вычитании проводимости ФСБ, чтобы избежать парадокса
отрицательных значений проводимости клетки, их следует брать по модулю. На
рис.2б видно, что собственные проводимости ооцитов за вычетом ФСБ сильно
отличаются по значениям от таковых в сахарозе. Это происходит за счет
обратного движения ионов из буфера внутрь клетки через мембрану при ее
электропорации внешним полем. Интересно, что пробоя мембраны при этом не
происходит, как в сахарозе. Скорее всего, это можно объяснить равновесными
концентрациями ионов снаружи и внутри клетки, так что „гидродинамического
удара” по мембране изнутри гидратированными ионами в цитоплазме,
ускоряемыми внешним полем, как в случае с сахарозой, не возникает,
благодаря тому, что в открывающиеся электропоры через мембрану идут
встречные потоки ионов.
Преимущество предложенного способа состоит в том, что он учитывает
аддитивный характер проводимости клетки и среды в межэлектродном
пространстве.
а
б
Рис. 2 а). третья и четвертая клетки в ФСБ совместно с ним; б). они же за
вычетом проводимости ФСБ.
При этом используется одна и та же пара электродов, а значит,
геометрические и электрофизические параметры кондуктометрической ячейки
остаются неизменными. Способ открывает возможность определять
собственную проводимость клеток животных практически в любых солевых
средах, в частности, в буферных питательных средах с высоким содержанием
ионов солей, белковых и гормональных добавок. Путем исключения влияния
среды можно получить проводимость клетки в чистом виде даже на таком
мощном солевом фоне.
Автор выражает благодарность н.с. Колесниковой А.А. за помощь при манипуляциях с
ооцитами.
103

4. Выводы
Предложен простой способ определения собственной проводимости
клеток животных в средах с произвольным содержанием солей и
неконтролируемых проводящих примесей. В его основе лежит принцип
исключения проводимости среды из суммарной проводимости клетки и среды.
Список литературы: 1. Method for measuring the electrical conductivity of solution: рat.
2008025775 WO: G01N 27/06, G01R 27/22 / Mettler Toledo.; заявл. 30.08.06; опубл. 06.03.08. 2.
Method and device for liquid conductivity measurement: рat. 2007010320 WO: G01R27/22 /
Scozzari A. ; заявл. 21.07.05; опубл. 25.01.07. 3. Pavlin M. Effect of cell electroporation on the
conductivity of a cell suspension/Pavlin M., Kanduser M., Rebersek M., Pucihar G., Hart F.X.,
Magjarevic R., Miklavcic D. //Biophys J.-2005.-V.88, №6.-P.4378-4390. 4. Chang D.C. Guide to
Electroporation and Electrofusion/Chang D.C.,Chassy B.M., Saunders J.A., Sowers A.E. -San
Diego.-Academic Press, 1992.-581р. 5. Спосіб визначення провідності рідких середовищ: пат.
20187 Україна: G01R 27/22 / Шигимага В.О.; заявл.10.07.06; опубл.15.01.07, Бюл.№ 1.-3с. 6.
Шигимага В.А. Определение проводимости эмбриональных клеток животных//Проблемы
бионики.- Харьков.-2003.-вып.59.-с.60-64. 7. Шигимага В.О. Апаратура для електрозлиття та
вивчення провідності клітин//Вісник ХДТУСГ. -Харків.-2001.-Вип.6.-с.386-389. 8. Манк М.
Биология развития млекопитающих. Методы /Пер. с англ. под ред. М. Манк.- М.: Мир.-
1990.- 406с.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 5773
В. М. ДУБИК, ассистент, Подольский государственный аграрнотехнический
университет, г. Каменец-Подольский
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НА
МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ НЕРВНЫХ КЛЕТОК
НАСЕКОМЫХ
Проведений теоретичний аналіз по впливу електричних імпульсів на мембранний потенціал
нервових клітин комах, величина якого приводить до руйнування мембран
Проведен теоретический анализ по влиянию электрических импульсов на мембранный
потенциал нервных клеток насекомых, величина которого приводит к разрушению мембран.
A theoretical analysis is conducted on influence of electric impulses on diaphragm potential of
nervous cages of insects, the size of which results in destruction of membranes.
Постановка проблемы. В настоящее время в садах Украины для
уничтожения вредных насекомых применяют только химические препараты [1].
Современные химические средства позволяют успешно защитить плодовые
культуры от комплекса вредных насекомых. Повреждаемость плодов при их
применении составляет 0,2…0,3%. Однако химический метод при широком его
применении имеет и ряд недостатков: вызывает обеднение биоценоза в
результате массового уничтожения почти всего комплекса паразитирующих и
хищных насекомых, загрязнение биосферы, появление устойчивых к
пестицидам вредителей, в некоторых случаях приводит к повышению
плодовитости отдельных насекомых и клещей и др. При нарушении правил
использования пестицидов в плодово-ягодных продуктах накапливаются
104

остаточные количества химических препаратов, превышающие допустимые
нормы.
Научные исследования последних лет показывают, что альтернативой
химическому методу может быть электрофизический, в котором для
уничтожения насекомых-вредителей может быть использовано в поражающем
устройстве импульсное электрическое поле [2, 3]. В тоже время отсутствие
теоретических исследований по определению параметров импульсного
электрического поля для уничтожения насекомых-вредителей урожая плодовых
культур делает проблематичной постановку вопроса о создании эффективной
передвижной установки.
Анализ предшествующих исследований. В работе [3], были проведены
экспериментальные исследования связанные с действием СВЧ-излучения на
микроорганизмы в импульсном режиме. Полученные результаты подтверждают
возможность использования электрических импульсов в поражающем узле
электрофизических установок для уничтожающих летающих насекомыхвредителей
урожая плодовых культур.
Цель работы. Провести теоретические исследования по определению
параметров импульсного электрического поля, которые за счет наведенного
потенциала на мембране нервных клеток насекомых приведут к их гибели.
Основная часть. Разработанная математическая модель взаимодействия
последовательности электромагнитных импульсов с летающими насекомымивредителями
в садах, позволяет оценить величину воздействия
электромагнитного поля на мембрану нейрона. При этом в качестве модели
нервного волокна (нейрона) будем рассматривать бесконечно длинный Re –
кабель, центральный проводник которого обладает распределенным
сопротивлением и имеет радиус r
i , а оболочка с радиусом r
e образует
наружную обкладку с распределенной емкостью.
Для того, чтобы оценить воздействие электрического поля на нейрон,
определим разность потенциалов ϕ
Η на мембране нейрона. Для этого
применим граничные условия на наружной границе ( r = r e ) оболочки
коаксиального кабеля:
D e = D i , (1)
где D
e – тангенциальная составляющая электрической индукции на
внешней стороне мембраны нейрона;
D
i – тангенциальная составляющая вектора электрической индукции
на внутренней стороне мембраны нейрона.
Из (1) имеем:
ε 1 Ε e = ε Η Ε i ,
(2)
где ε 1 – диэлектрическая проницаемость биологического объекта;
Ε e – напряженность электрического поля в среде внешней по
отношению к нервному волокну.
Учитывая (2) получаем:
Ε
i
ε 1
= Ε e .
(3)
ε
Η
105

В качестве Ε e следует выбирать напряженность электрического поля,
усредненное по объему биологического объекта. Как было установлено, эта
величина может быть вычислена из выражения:
⎛ 2π
t
π τ π ⎞
Ε cp ( t ) = 2 A cos ⎜ − k r 0 − + ⎟
⎝ T
T 4 ⎠ (4)
µ
0 2 ⎛ π τ ⎞
U T R sin ⎜ ⎟
ε
⎝ T
0
⎠
где
A =
⎛
ε ε ⎞
5 2
2r
2r
r
⎜ 2
2 π
− −
⎟
0
ε
2r
ε
0
µ
0
Η 4π
1
⎜
⎟
⎝
ε
1r
⎠
τ , T – длительность и период повторения импульсов;
r
0
, ϕ
0
, z
0 – координаты источника электромагнитных импульсов;
2π
n
k n
= ε µ , n = ± 1, ± 2, ,
0 0
– волновое число;
T
k = k n
ε
1r
– волновое число среды, моделирующей биообъект;
k = k n
ε
2r
– волновое число внешней среды;
R , Η – радиус и высота диэлектрического цилиндра;
ε
1r – относительная ДП биологического объекта;
ε
2r – относительная ДП внешней среды;
ε 0 , µ 0 – диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума.
Разность потенциалов на мембране определяется следующим
выражением:
r e Ε
i
ϕ Η
= r
i ∫ d r . (5)
r i
r
Тогда на основании (3) имеем:
ε r
e
ϕ
Η
= r
i
n
Ε
e . (6)
ε
Η
r
i
Теперь достаточно подставить в выражение (6) выражение (4) для Ε е .
Тогда окончательно для разности потенциалов получим:
1
r
e
ж 2 t
ц
ϕ
Н
= ri
l n 2 A cos з k r
0
− − (7) ч
+
ε
Н
ri
и T T 4
ш
На основе полученной формулы для разности потенциалов на мембране
нейрона были проведены расчеты при различных параметрах периодической
последовательности импульсов. Результаты этих расчетов приведены для
нормированной разности потенциалов ϕ
Η от скважности q = T / τ импульса
для ряда значений периода повторения T импульсов. Величина ϕ
Η
определялась согласно формуле:
ϕ
Н
ϕ
Н
=
ε r e
µ
1
0
⋅ r ln U R , (8)
i
ε
Н
ri
ε
0
где ε
н – ДП нейрона;
ε
1 –ДП внешней среды окружающей нейрон;
U – амплитуда плотности тока в источнике импульсов;
ε π π τ π
106

R – радиус цилиндра, модулирующего биологический объект;
ϕ
Η – разность потенциалов на мембране.
Параметры, входящие в выражения (5…8), имели следующие значения:
ε
2r =1 – относительная ДП внешней среды, где находится источник импульсов,
ε
1r =17+i 24 – относительная ДП биологического объекта, H = 6·10 -3 м – длина
биологического объекта, r i и r e – внутренний и внешний радиусы нейрона
соответственно.
Анализ проведенных расчетов позволяет утверждать следующее:
Во-первых, зависимость разности потенциалов от скважности q имеет
резонансный характер. Максимальное значение разности потенциалов
достигается при q = 2, т.е. когда длительность импульса в два раза меньше
периода повторения.
Во-вторых, максимальное значение разности потенциалов на мембране
нейрона увеличивается с ростом периода повторения T .
В-третьих, разность потенциалов убывает с увеличением скважности q.
Для расчётов основных параметров импульсного излучения для
уничтожения насекомых-вредителей в садах были использованы численные
− 6
− 6
данные из литературных источников [4, 5]: r = 0,3 ⋅10
i м; r = 0,54 ⋅10
e
м;
− 3
− 3
ε
1
= 80 ; ε
Н
= 3; ε
2 r
= 1; ε
1 r
= 17 ; H = 6 ⋅ 10
i м; R = 1⋅10
м.
Выводы.
1. Уничтожение насекомых-вредителей в садах следует проводить с
ис-пользованием импульсных ЭП с параметрами: T = 10 − 4
с; τ = 0,5∙10 -4 с;
E
m = 3…4 кВ.
2. Для разрушения мембраны нейрона насекомых в течение времени
t = 2,5·10 -4 c необходим наведенный потенциал на мембране нейрона
200...300 мВ.
Список литературы: 1. Поспелов С. М. Защита растений / С. М. Поспелов, Н. Г. Бермин, Е.
Д. Васильева – М.: Агропромиздат, 1986. – 392 с. 2. Белицкий Б. Н. Излучение действия СВЧ
– поля на микроорганизмы в импульсном и непрерывном режимах / Б. Н. Белицкий, А. И.
Педенко, И. В. Лерика [Биофизика] 1982. – Т.27, вып. 5. – С.923-933. 3. Эдвардс Р. Ряды
Фурье в современном изложении: в 2-х т. / Р. Эдвардс – М.: МИР. 1985. – Т1. – 264 с. 4. R.
Plonsey Bioelectriciti. A Quantative / R. Plonsey, C. Barr. – New York; Penum Pres, 1988. – 366 p.
5. Рубин А. Б. Биофизика: Биофизика клеточных процессов / Рубин А.Б. – М.: Высш. шк,
1987. – 303 с.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 532.527.2: 532.5.013.4
Е.В. МОЧАЛИН, докт. техн. наук, доцент, зав. кафедрой,
Донбасский государственный технический университет, г. Алчевск
И.Г. МОЧАЛИНА, ст..препод., Донбасский государственный
технический университет, г. Алчевск
107

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ
НЕУСТОЙЧИВОСТИ СНАРУЖИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ
ЦИЛИНДРА ПРИ ПРОТОКЕ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ЕГО
ПОВЕРХНОСТЬ
Получены новые данные о границе возникновения и характере проявления центробежной
неустойчивости течения в кольцевой области снаружи вращающегося цилиндра при
протекании жидкости через его поверхность. Отмечены особенности развития
турбулентности в пограничном слое по окружной скорости на поверхности цилиндра.
Ключевые слова: вращающийся цилиндр, неустойчивость, пограничный слой.
Отримано нові дані про границю виникнення і характер проявлення відцентрової нестійкості
течії в кільцевій області зовні обертового циліндра при протіканні рідини крізь його
поверхню. Відмічено особливості розвитку турбулентності в примежовому шарі за
окружною швидкістю на поверхні циліндра.
Ключові слова: обертовий циліндр, нестійкість, примежовий шар.
New data about appearance bound and development nature of centrifugal instability in annular
region outside of rotating cylinder when liquid passing trough the surface of the one are obtained.
The details of turbulence development in tangential velocity boundary layer on the cylinder surface
are observed.
Key words: rotating cylinder, instability, boundary layer.
1. Характеристика проблемы и задачи исследования
В технических приложениях встречается течение снаружи вращающегося
проницаемого цилиндра с протоком жидкости через его боковую поверхность.
В качестве примера можно привести ротационный фильтр механической
очистки жидкостей, в котором сепарация взвешенных частиц осуществляется
вращающимся перфорированным цилиндром [1]. Исследование подобного
течения представляет интерес и в целях совершенствования энергетических
установок с вращающимися цилиндрическими телами.
В монографии [2] систематизированы известные данные по
гидродинамике и теплообмену снаружи непроницаемого вращающегося
цилиндра при ламинарном и турбулентном движениях жидкости. Там же
указано, что отсос жидкости сквозь поверхность цилиндра способен внести
существенные изменения в характер течения и границы существования
различных режимов движения. Однако достаточно полных результатов,
относящихся к этому случаю пока нет.
Достоверно изученным является течение между непроницаемыми
соосными вращающимися цилиндрами и его частный случай с неподвижным
наружным цилиндром [3,4]. В этом случае первичное ламинарное круговое
течение Куэтта при достаточно малых угловых скоростях сменяется
макровихревым движением в виде тороидальных вихрей Тейлора. При
дальнейшем увеличении угловой скорости друг друга сменяют целый ряд
ламинарных и турбулентных макровихревых режимов. Влияние отсоса
жидкости через поверхность вращающегося цилиндра на границы
возникновения и характер макровихревого течения требуют своего изучения.
Заметим, что для несжимаемой жидкости, различия в постановке задач о
108

напорном протекании через поверхность вращающегося цилиндра и об отсосе
жидкости через поверхность отсутствуют. Поэтому для удобства будем в
дальнейшем говорить об отсосе жидкости, поскольку с этим понятием
устойчиво ассоциируются определенные физические особенности
пристеночных течений.
Задача об устойчивом ламинарном течении жидкости, соответствующем
рассматриваемому случаю, решена в работе [5]. При этом для распределения
окружной скорости снаружи вращающегося проницаемого цилиндра получено
следующее выражение:
v ~ 1−
Re
r
r
ϕ = , (1)
где vϕ = Vϕ
W − безразмерная окружная скорость, r ~ = r R − безразмерная
радиальная координата, R − наружный радиус вращающегося цилиндра,
W = Ω R − окружная скорость поверхности цилиндра, Ω − его угловая
скорость, а радиальное число Рейнольдса определяется по скорости отсоса V o
выражением (2).
Re r = V o R ν
(2)
Формула (1) справедлива при Re r > 50 , когда окружное движение под
влиянием отсоса сосредоточено в тонком слое у поверхности вращающегося
цилиндра и влияние внешней стенки на стационарное течение не проявляется.
В этом смысле есть основание говорить о пограничном слое на вращающейся
поверхности.
Наиболее близким к рассматриваемому типу течением, для которого
изучено влияние отсоса жидкости [6,7], является течение в пограничном слое
на вогнутой поверхности. Общим является то обстоятельство, что вблизи
поверхности вращающегося цилиндра имеет место активное
(дестабилизирующее) воздействие центробежных сил, так же как и при
обтекании потоком неподвижной вогнутой поверхности. Однако особенностью
пограничного слоя на поверхности вращающегося проницаемого цилиндра
является окружная периодичность, что не позволяет автоматически
использовать известные результаты.
Таким образом, целью настоящей работы является достоверное
определение границы возникновения и характера вторичных течений снаружи
вращающегося проницаемого цилиндра с отсосом жидкости, а также оценка
возможности использования для этого известных результатов.
2. Основные результаты исследования
Физическое подобие закрученных течений определяется [7]
характеристиками вынужденного движения жидкости в каждом из
независимых направлений и неравномерности распределения сил инерции. В
рассматриваемом случае такими характеристиками являются радиальное (2) и
вращательное числа Рейнольдса − Re ϕ = WR ν . Вместо Re r будем в дальнейшем
использовать безразмерную скорость отсоса (или параметр отсоса)
vo = Vo
W , (4)
учитывая соотношение Re r = Re ϕ vo
.
109

В работе [8] с позиций линейной теории гидродинамической
устойчивости построены нейтральные кривые, определяющие границу потери
устойчивости первичным ламинарным течением снаружи вращающегося
проницаемого цилиндра с профилем окружной скорости (1) (рис.1). При этом
рассматривалась устойчивость по отношению к малым осесимметричным
возмущениям.
Область устойчивости
Область устойчивости
Область неустойчивости
а) б)
Рис. 1. Нейтральные кривые устойчивости течения в кольцевом зазоре снаружи
5
4
ВПЦ с отсосом жидкости в диапазонах Re ϕ ≤ 8 ⋅10
(а) и Re ϕ ≤ 1⋅10
(б): 1 −
~ ~ ~ ~ ~ h = 0.8048 ; 2 − h = 0. 4024 ; 3 − h = 0. 2012 ; 4 − h = 0. 1006 ; 5 − h = 0. 0768 ; 6 −
пограничный слой на вогнутой поверхности с отсосом
4
Как видно из графиков, при ( Re ϕ > 10 ) нейтральная кривая становится
универсальной, не зависящей от высоты кольцевой области ( h ). В этом
диапазоне она хорошо аппроксимируется выражением
−0.35
−4
( v o ) cr = 0.26 Re ϕ + 3.3 ⋅10
. (5)
Кривая 6 на рис 1 соответствует формальному применению к
рассматриваемому случаю результатов, полученных [6] для пограничного слоя
на вогнутой поверхности с отсосом. Сравнение показывает, что в этом случае
имеет место занижение более чем на 100% значений критической скорости
отсоса по сравнению с более последовательным решением.
4
Как можно видеть, при Re ϕ > 10 критическая скорость отсоса не зависит
от высоты кольцевой области. В этом случае Re r > 50 и толщина пограничного
слоя в невозмущенном движении меньше высоты h . Линейный анализ дает для
длины волны наиболее опасных возмущений (вызывающих при заданном Re ϕ
потерю устойчивости при наибольших значениях скорости отсоса v o ) значения
~
близкие к удвоенной высоте пограничного слоя ( 2π
/ k ≈ 2δ
). При этом сами
возмущения сосредоточены в пределах пограничного слоя. Таким образом,
малые осесимметричные возмущения развиваются по типу вихрей Гертлера.
Проверку и уточнение этого результата можно выполнить на основе
подробного численного моделирования, учитывающего нелинейность
исходных уравнений и возможность развития турбулентности.
В работе [9] применительно к течениям в окрестности вращающегося
проницаемого цилиндра обоснован подход к численному решению
осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, представленных в виде
уравнений переноса компонент импульса во вращающейся цилиндрической
системе координат. Верификация и тестирование демонстрируют
110

достоверность и хорошие вычислительные свойства полученного методом
конечных объемов приближенного решения.
В [10] показано, что применение SST k − ω модели турбулентности
(модели Ментера) обеспечивает единый расчетный подход к моделированию
исследуемого типа течений в широком диапазоне режимов движения жидкости:
от устойчивого ламинарного до ламинарных и турбулентных макровихревых
движений. При этом обеспечивается адекватный расчет осредненных
характеристик течения жидкости, включая возможность предсказания
локального вырождения турбулентности в условиях отсоса жидкости через
поверхность цилиндра.
R 1
R
r
Г 3 Г 1 Г 2
Г 4
φ
z
Рис. 2. Расчетная схема течения жидкости в
кольцевой области между неподвижным
внешним и вращающимся внутренним
однородно проницаемыми цилиндрами
l/2
Ω
Охарактеризованный подход к
подробному численному
моделированию обладает
высокой общностью и
позволяет уточнить
представленные выше
результаты по устойчивости,
полученные в линейном
приближении. Для этого
будем рассматривать
расчетную схему,
представленную на рис. 2 и соответствующую осесимметричной задаче о
течении несжимаемой жидкости между неподвижным наружным и
вращающимся внутренним проницаемыми цилиндрами.
Из рис. 3 видно, что
а)
вторичные течения в виде
макровихрей по типу
б)
вихрей Тейлора
проявляются не в пределах
тонкого ламинарного
пограничного слоя, как
Рис. 3. Линии тока относительного движения
5
~ следует из линейного
жидкости ( Re ϕ = 2 ⋅10
, v o = 0. 005 ) при h = 0. 1 (а) и
~ анализа, а по всей высоте
h = 0.2 (б)
кольцевой области.
Эта тенденция сохраняется при увеличении высоты кольцевой области,
~
h .
по крайней мере, при = ( h R) ≤ 0. 2
Тем не менее, граница
появления макровихрей достаточно
хорошо оценивается зависимостью (5),
полученной методами линейной
теории гидродинамической
устойчивости (рис.4).
Численный анализ также показывает,
что с уменьшением скорости отсоса
Рис. 4. Граница появления
111

жидкости ( v o ) от заведомо больших
значений до критических, в тонком
ламинарном пограничном слое до
возникновения макровихрей
развивается турбулентность. Толщина
турбулентного слоя растет до
макровихрей в кольцевой области
снаружи вращающегося цилиндра с
отсосом жидкости: 1 − зависимость
~
(5); 2 − численный расчет h = 0. 1; 3 −
~
численный расчет h = 0. 2
значений, приближающихся к высоте кольцевой области. И только после этого
по всей высоте кольцевой области, как показано на рис. 3, начинают появляться
вторичные течения в виде квазитейлоровских макровихрей. Этот вывод
иллюстрируется графиками на рис. 5, где представлены распределения
(профили) безразмерной окружной скорости по высоте кольцевой области. Для
сравнения на рис. 5 приводится также ламинарный профиль скорости,
полученный аналитически (формула (1)).
Влияние внешней стенки
начинает проявляться при достаточно
большой толщине пограничного слоя.
Для определенности можно сказать,
что существенные различия в
профилях v ϕ и (особенно)
относительной турбулентной вязкости
( ~ ν t = ν t ν ) появляются после того, как
толщина пограничного слоя
приближается к половине высоты
кольцевой области для наименьшего
из рассматриваемых значений h ~ .
Однако, как видно из рис. 4, этот факт
не влияет существенным образом на
значение ( v o ) cr , определяющее
границу возникновения макровихрей.
В то же время, при больших h ~
уровень
турбулентности, для значений v o , приближающихся к (
а) б)
Рис. 5. Профили безразмерной
окружной скорости снаружи
вращающегося проницаемого
5
цилиндра при Re ϕ = 2 ⋅10
, v o = 0. 01 (а)
и v o = 0. 0055 (б): 1 − аналитическое
решение (1), ламинарная модель; 2 −
численное решение (модель
турбулентности Ментера)
v
) cr o
, выше.
3. Выводы
Выполненными исследованиями определена граница центробежной
потери устойчивости потоком снаружи вращающегося проницаемого цилиндра
с протеканием жидкости через его поверхность (отсосом). Методом малых
возмущений получено аналитическое выражение нейтральной кривой
устойчивости, определяющей наименьшие (критические) значения
безразмерной скорости отсоса, соответствующие появлению вторичных
течений. Расчетный анализ на основе подробного численного решения
уравнений Рейнольдса, замкнутых на основе SST k−ω модели турбулентности в
низкорейнольдсовой формулировке, продемонстрировал близость критических
112

значений ( v o ) cr к результатам линейного анализа с небольшим уточнением в
сторону увеличения этих значений в области больших чисел Re
5
ϕ ( Re ϕ > 10 ).
Показано, что возникновению макровихрей предшествует турбулизация
пограничного слоя на поверхности вращающегося цилиндра и рост его
толщины до значений, близких к высоте кольцевой области. С увеличением
этой высоты критические значения скорости отсоса существенным образом не
изменяются. Влияние высоты h ~ на профили осредненной окружной скорости и
турбулентной вязкости проявляется только при приближении скорости отсоса
v o к критическим значениям ( v o ) cr .
Полученные результаты могут быть использованы при
совершенствовании ротационных фильтров механической очистки жидкостей и
других технических устройств с протоком жидкости через вращающийся
цилиндр.
Список литературы: 1. Коваленко В.П. Смазочные и гидравлические масла для угольной
промышленности: Справочник / В.П. Коваленко, З.Л. Финкельштейн.– М.:Недра, 1991.– 294
с. 2. Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил / А.А.
Халатов, А.А. Авраменко, И.В. Шевчук.– Киев: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины,
1996.– Т.2: Вращающиеся системы.– 289 с. 3. Taylor G.I. Stability of a viscous liquid contained
between two rotating cylinders / G.I. Taylor // Phil. Trans. Roy. Soc. London. A.– 1923.– V.223.–
P. 289 − 343. 4. Coles D. Transition in circular Couette flow / D. Coles // J. Fluid Mech.– 1965.–
V.21.– P.385 − 425. 5. Мочалин Е.В. Движение жидкости в окрестности вращающегося
проницаемого цилиндра / Е.В. Мочалин // Вісник Східноукраїнського національного
університету.– 2003.– №12(68), Ч.2.– С.197 − 202. 6. Термогазодинамика сложных потоков
около криволинейных поверхностей / [А.А. Халатов, И.В. Шевчук, А.А. Авраменко и др.].–
Киев: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины, 1999.– 300 с. 7. Халатов А.А. Теплообмен и
гидродинамика в полях центробежных массовых сил / А.А. Халатов, А.А. Авраменко, И.В.
Шевчук.– Киев: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины, 1996.– Т.1: Криволинейные потоки.–
290 с. 8. Мочалин Е.В. Гидродинамическая устойчивость в рабочей полости ротационного
фильтра / Е.В. Мочалин // Промислова гідравліка і пневматика.– 2005.– №4(10).– С. 50 − 54.
9. Мочалин Е.В. Численное моделирование течений вязкой жидкости в рабочей полости
ротационного фильтра / Е.В. Мочалин // Сб. науч. трудов ДонГТУ.– Алчевск: ДонГТУ,
2007.– Вып. 23.– С. 169 − 183. 10. Мочалин Е.В. Выбор модели турбулентности для анализа
течения снаружи вращающегося проницаемого цилиндра / Е.В. Мочалин // Восточноевропейский
журнал передовых технологий.− 2007.− № 2/6 (26).− С. 20 − 26.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 541.136
І.М. ГАСЮК, канд. фіз.-мат. наук, доцент, Прикарпатський національний
університет ім. Василя Стефаника
І.М. БУДЗУЛЯК, докт. фіз.-мат. наук, керівник науково-освітнього
центру “Наноматеріали в пристроях генерації та накопичення
електричної енергії”, Прикарпатський національний університет ім.
Василя Стефаника
М.Я. СІЧКА, аспірант, Прикарпатський національний університет ім.
Василя Стефаника
113

В.В. УГОРЧУК, канд. фіз.-мат. наук, викладач, Прикарпатський
національний університет ім. Василя Стефаника
Л.С. КАЙКАН, канд. фіз.-мат. наук, мол. наук. співробітник спільної
лабораторії фізики магнітних плівок Інституту металофізики
ім. Г.В. Курдюмова НАН України і Прикарпатского национального
університету ім. Василя Стефаника
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФУЗІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ ІНТЕРКАЛЯЦІЇ
ЛІТІЮ У ФТОРИД МАГНІЮ
Методами циклічної вольтамперометрії та імпедансної спектроскопії досліджується процес
електрохімічної інтеркаляції іонів літію у фторид магнію рутильної структури. Виміряний
коефіцієнт дифузії іонів літію в Li x MgF 2 складає ~10 -12 см 2 /с.
Ключові слова: вольтамперометрія, імпедансна спектроскопія, дифузія,
Методами циклической вольтамперометрии и импедансной спектроскопии исследуется
процесс электрохимической интеркаляции ионов лития во фторид магния. Измеренный
коэффициент диффузии ионов лития в Li x MgF 2 составляет ~10 -12 см 2 /с.
Ключевые слова: вольамперометрия, импедансная спектроскопия, диффузия.
The process of electrochemical intercalation of lithium ions into the magnesium fluoride is
researched by the methods of cyclic voltamperometry and impedance spectroscopy. The measured
coefficient of lithium ions diffusion in Li x MgF 2 is ~10 -12 sm 2 /s.
Key words: voltamperometry, impedance spectroscopy, diffusion.
Вступ.
Створення літій-іонного акумулятора стимулювало наукові роботи з
розробки та дослідження різноманітних твердофазних систем, здатних
інтеркаляційно поглинати катіони літію за електрохімічним механізмом, а отже
потенційно придатних для використання їх в ролі електродних матеріалів в
літієвих джерел струму. Поряд із традиційно використовуваними у сучасній
промисловості літійованим кобальтитом, літій-марганцевою шпінеллю та ін.
увагу дослідників привернули оксиди титану ТіО 2 (анатаз та рутил), які
володіють високорозвинутою канальною структурою і здатні накопичувати
високі значення кількості інтеркальованого літію на формульну одиницю
оксиду [1]. Проте існування фазових переходів при впровадженні літію робить
неможливим процес деінтеркаляції, а також приводить до нестабільності катоданодної
різниці потенціалів при роботі джерела [2]. Ізоморфність структури до
ТіО 2 (рутил) та висока хімічна стійкість в органічних розчинах електролітів
дозволили запропонувати до використання в ролі катодно-активної
інтеркаляційної матриці нанодисперсний фторид магнію (MgF 2 ), параметри
гратки та розмір каналів для впровадження літію у якого є дещо вищим, ніж у
ТіО 2 (рутил). У роботах [3-4] приведено пілотажні дослідження електрохімічної
системи Li (метал) / органічний розчин електроліту / MgF 2 , згідно яких така
система володіє високими значеннями накопиченого питомого заряду (240 А
год/кг) за робочої напруги джерела струму 2.2 В.
Придатність електродних матеріалів оцінюється за цілим рядом
електрохімічних параметрів, таких як структурна стійкість матеріалу, питомий
114

інтеркаляційний накопичений заряд, глибина проникнення іонів літію та ін.
Більшість з таких параметрів залежить від швидкості розряду електроду, тому
постає задача надійного визначення швидкості дифузії іонів літію в матеріалгосподар.
Інформацію про протікання дифузійних процесів в інтеркаляційних
матеріалах найчастіше отримують, застосовуючи методи потенціостатичного
переривчастого титрування (potentiostatic intermittent titration technique (PITT)),
гальваностатичного переривчастого титрування (galvanostatic intermittent
titration technique (GITT)), спектроскопії імпедансу, циклічній
вольтамперометрії (ЦВА) при малих швидкостях розгортки, а також класичні
методи спаду потенціалу і спаду струму [5]. Методи PITT і GITT близькі до
методів релаксації струму і потенціалу, відрізняються послідовними
проходженням усієї кривої інтеркаляції стандартними імпульсами малої
амплітуди. Огляд робіт по визначенню релаксаційними методами хімічного
коефіцієнта дифузії літію у деяких катодних матеріалах для літієвих джерелах
струму проведений в [6]. Стосовно катодних інтеркаляційних матеріалів
можливості методів піддаються аналізу в [5]. Необхідно відзначити, що навіть
для електродних матеріалів однакової природи виміряні коефіцієнти дифузії
літію можуть відрізнятися на декілька порядків залежно від вживаних
технологій синтезу, розмірів часток, електрохімічних методів дослідження.
Метод ЦВА дозволяє визначити швидкість дифузії тільки за певних
значеннь потенціалу електроду, що відповідають положенням піків струму на
циклічній вольтамперограмі. Найбільш суттєвим недоліком методу є складність
у забезпеченні умови малої зміни концентрації. Зміщення положень піків на
шкалі потенціалів при збільшенні швидкості сканування, спостережуване
навіть для ультратонких електродів за мінімальних швидкостей розгортки
потенціалу [5], означає відхилення від початкового складу електроду і надає
обчисленим параметрам зміст ефективних.
Дані про швидкість дифузії можна отримати також методом
спектроскопії електрохімічного імпедансу шляхом аналізу параметрів вибраної
електричної еквівалентної схеми, що моделює електрохімічну систему.
Недоліком методу є неоднозначність інтерпретації його результатів: відгук
імпедансу складної системи нерідко вдається задовільно описати декількома
різними еквівалентними схемами. Однак, оскільки СЕІ – метод, який не
впливає на стан досліджуваної системи, то його можна застосовувати для
визначення швидкості дифузії в широкому розрядному діапазоні без зміни
характеристик зразків [6].
У роботі здійснено спробу дослідження поведінки розрядних
електрохімічних інтеркаляційних параметрів ЛДС з катодом на основі фториду
магнію MgF 2 , органічним електролітом (розчином LiBF 4 в γ-бутиролактоні) та
металічним літієвим анодом методами циклічної вольтамперометрії (ЦВА) і
спектроскопії електродного імпедансу (СЕІ).
Методика експерименту.
Активний катодний матеріал – високодисперсний фторид магнію (МgF 2 )
з канальною кристалічною структурою отримували методом хімічного
115

осадження з використанням в ролі прекурсорів плавикової кислоти HF та
оксиду магнію MgO [3]. Катодна система складається з 88 % мас. активного
матеріалу МgF 2 , 10 % мас. ацетиленової сажі як струмопровідної добавки, і 2
% мас. тефлонової суспензії, що виконує роль зв’язуючої речовини.
Гомогенізація суміші здійснювалась шляхом перетирання в агатовій ступці
протягом 5÷7 хв, після чого для досягнення пастоподібної консистенції
добавлявся ацетон. Одержану пульпу наносили тонким шаром на нікелеву
сітку. Після висушування катоди просочувалися розчином електроліту (LiBF 4 у
γ-бутиролактоні) за пониженого тиску в атмосфері аргону. Висушування
деталей корпусу проводилося в муфельній печі протягом 1.5 год. за
температури 100-120 0 С. Літієвий анод виготовляли шляхом напресування
металічного літію на таку ж нікелеву сітку, після чого катод і анод поміщались
в корпус з 1 М розчином LiBF 4 у γ-бутиролактоні Після герметизації джерела
струму витримувалися при кімнатній температурі протягом 24 год.
Гальваностатичні криві реєстрували за допомогою спеціально
сконструйованого пристрою при розрядному струмі 10 -6 А. Циклічні
вольтамперограми знімали на приладі Autolab PGSTAT/FRA-2 при швидкості
лінійної розгортки потенціалу υ від 0.1 до 0.5 мВ/с. Імпедансні годографи
одержували з використанням приладу Autolab PGSTAT/FRA-2 в інтервалі
частот 10 -2 -10 5 Гц, амплітуда вхідного гармонічного сигналу визначалася
поточною електродною різницею потенціалів досліджуваного джерела.
Імпедансні годографи отримувались для різних значень електрохімічного
впровадження літію у структуру MgF 2 , які визначалися часом
гальваностатичного розряду ЛДС.
Результати та їх обговорення.
За відсутності інтеркаляційно впровадженого літію стаціонарний
потенціал MgF 2 -електроду в розчині ГБ достатньо стійкий і знаходиться на
рівні 3.3 - 3.5 В (усі потенціали Е приведені відносно Li + - електроду в тому ж
розчині). Після катодного впровадження іонів Li + на формульну одиницю MgF 2
утворюється інтеркалат Li x MgF 2 , який набуває досить стабільного електродного
потенціалу у діапазоні 1.8 – 2.4 В [3-4].
На рис.1 показані циклічні вольтамперограми досліджуваного джерела,
отримані для трьох різних швидкостей розгортки потенціалу. На кривих
спостерігаються катодні та анодні піки струму, які лежать по обидві сторони
від потенціалу Е ~ 2 В і, відповідно, відносяться до розряду із впровадженням
Li + в фторидну матрицю та зворотного виходу літію з матеріалу електроду. При
потенціалах вище 2.6 В інтеркаляція літію із помітною швидкістю не
відбувається.
116

I, A
0.0002
0.0000
-0.0002
-0.0004
-0.0006
-0.0008
3
2
1
1 2 3 4
E, В
Рис.1. Циклічні вольтамперограми MgF 2
-електроду, 1 - υ = 0.5мВ/с, 2 - υ =
0.3мВ/с, 3 - υ = 0.1мВ/с
j, мкА/см 2
700
600
500
400
300
200
100
0
0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
υ 1 / 2 , (В/с) 1/2
Рис.2. Залежність густини катодного(1)
та анодного(2) піків струму ЦВА від
швидкості розгортки потенціалу
підгоночним параметром z:
1
2
Судячи із вольтамперограм, процес
електрохімічного впровадження
літію у фторид магнію починається
при катодному зміщенні потенціалу
приблизно до 2.5 В і активно
протікає при менших додатних
потенціалах. При діапазоні
сканування Е в області 1-4 В (рис.1)
отримана закономірна зміна густини
максимуму струму j p із швидкістю
розгортки потенціалу υ, а саме j p ~
υ , що свідчить про дифузійний
характер процесу впровадження
літію (рис.2) [2].
Як показано в [7], математичний
вираз для струму максимуму ЦВА
модернізується в застосуванні до
інтеркалатних твердих фаз з
урахуванням специфічного зв'язку
потенціалу інтеркальованого
електроду з концентрацією
потенціалвизначаючих часток с.
Якщо використовуваний в
розрахунку інтервал E(с) кривої
може бути описаний виразом,
подібним до рівняння Нернста, але з
додатково введеним емпіричним
RT
E = E
0 − ln c , (1)
znF
то для оборотного процесу, температури 298К і n = 1 можна записати
5
j p
= 2.69
⋅10
c 0
zDυ
(2)
де R - газова стала, Т - абсолютна температура, n - число електронів, F - стала
Фарадея.
Для катодного процесу під с 0 слід розуміти початкову концентрацію
вакантних місць в інтеркаляті [7], D - хімічний коефіцієнт дифузії
впроваджених часток, с 0 - їх початкова концентрація при анодному процесі.
На рис.3 показаний фрагмент кривої потенціал - склад Li х MgF 2 -
електрода. Він задовільно лінеаризуется в координатах E-ln(c) (імовірність
апроксимації R 2 = 0.95). Використаний в розрахунках параметр z дорівнює
0.025. Тоді визначений за вказаних умов рівнянням (3) коефіцієнт електростимульованої
дифузії знаходиться в діапазоні (1..3) 10 -12 cм/с 2 .
117

U,B
2.2
2.0
1.8
1.6
5.2 5.0 4.8 4.6 4.4
ln(c)
Рис.3. Залежність потенціалу комірки
від концентрації літію в MgF 2 електроді
при кімнатній температурі
Основні результати, отримані
методом СЕІ, ілюструються на
рис.4. Виміри велися в
гальваностатичному режимі з
покроковим, (крок за питомим
накопиченим зарядом 25 А год/кг)
зняттям імпедансних спектрів. За
виглядом виміряні годографи в
усьому розрядному діапазоні
подібні і складаються з
високочастотної дуги та
низькочастотної прямої, яка
проходить під близьким до 45°
кутом, що відображає існування
напівнескінченного дифузійного
процесу.
При досягненні значення накопиченого заряду приблизно 175 А год/кг
починається невелика трансформація спектрів і низькочастотна пряма стає
частиною чітко вираженої дуги, що свідчить про збільшення реактивної
складової опору матеріалу катоду, що спричиненого частковим блокуванням
структурних каналів проінтеркальованими іонами Li + .
1000
4
800
2000
25 00
20 00
600
1500
Z', ом
400
200
Z', ом
1000
Z' ом
15 00
10 00
3
0
0 200 400 600 800 1000
Z'', ом
500
0
0 500 1000 1500 2000
500
0
0 50 0 10 00 15 00 2000 25 00
Z'' ом
Z '', о м
U, В
1200
B
2
1000
800
1800
1500
Z' ом
600
1200
400
200
Z', ом
900
600
1
0
300
0 200 400 600 800 1000 1200
Z'', о м
0
0 300 600 900 1200 1500 1800
Z'', ом
0 50 100 150 200 250 300
C, A год/кг
Рис.4. Розрядна гальваностатична крива з годографами імпедансу знятими
при різному вмісту літію в катодному матеріалі
Розміри годографа на комплексній площині дещо збільшуються при
зростанні розрядної ємності, що пов’язується з збільшення вмісту літію у
структурі матеріалу. Високочастотна вітка R el на дійсній осі не залежить від
118

z', O м
складу електроду і цілком визначається опором електроліту та опором
підвідних контактів.
Характерні особливості
частотних спектрів
імпедансу дозволяють
2000
надійно ідентифікувати
основні транспортні
1500
процеси в електроді.
Одним із значимих
1000
факторів, що визначають
властивості електродів
500
літієвих систем, є
наявність пасивного
300
0
250
поверхневого шару [8].
500 200
1000 150
Цей шар існує не лише на
1500
100
2000
50
2500 0
металічному літії і його
сплавах: електрохімічне Рис.5. Загальний вигляд імпедансних годографів
впровадження літію з
розчину в анодні і катодні матеріали також супроводжується утворенням
поверхневої пасиваційної плівки.
Ця плівка представляє собою твердий електроліт з провідністю по іонах
літію, вона запобігає відновленню електроліту, мало утруднюючи процес
інтеркаляції - деінтеркаляції літію [5]. Про пасивацію Li x MgF 2 – електродів в
літературі не повідомляється, проте, імовірно, це явище є спільним для всіх
літієвих систем. Отже, першою послідовною стадією є перенесення іонів Li +
через границю електроліт-електрод (сюди включається також перенесення
через поверхневу пасивуючу плівку), що відображається високочастотним
півколом. Другою стадією є дифузія впровадженого літію через електродну
матрицю, на яку додатково накладається електронний транспорт за рахунок
власної провідності матриці.
На рис.6 представлена електрична еквівалентна схема, яка задовільно
моделює весь розрядний діапазон спектрів імпедансу MgF 2 - і Li х MgF 2 -
електродів в неводному електроліті.
Re l
R1
R2
R3
R4
Цією схемою вдалося задовільно
C 1
C 2
C 3
W
описати спектри імпедансу в усьому
C 4
досліджуваному розрядному діапазоні.
Серія послідовно включених ланок
Рис.6. Електрична еквівалентна схема,
Element Freedom Value Error Error % R1||C1, R2||C2 і R3||С3 відображає
Relяка моделює
Fixed(X)
весь
0
розрядний
N/A
спектр
N/A
перенесення заряду відповідно через
R1 Fixed(X) 0 N/A N/A
імпедансу MgF
C1 Fixed(X) 2 і Li
0 х MgF
N/A 2 електродів у
N/A
границю розчин|пасивний шар, через
R2 Fixed(X) неводному 0 електроліті
N/A N/A
C2 Fixed(X) 0 N/A N/A пасивний шар і через границю
R3 Fixed(X) 0 N/A N/A
пасивний C3 Fixed(X) шар|інтеркалат.
0 N/A N/A
R4 Fixed(X) 0 N/A N/A
Проте, оскільки на спектрі не спостерігається виразного розподілу вкладу
W-R Fixed(X) 0 N/A N/A
кожною
W-T Fixed(X)
з ланок
0
в загальний
N/A N/A
імпеданс, віднесення кожної з ланок до
W-P Fixed(X) 0.5 N/A N/A
визначеного C4 Fixed(X) електрохімічного 0 N/A процесу N/A є значною мірою умовним. Тому є зміст
Data File:
Circuit Model File:
Mode: Run Simulation / Freq. Range (0.001 - 1000000)
Maximum Iterations: 100
Optimization Iterations: 0
119
z'', O м
C , A го д/кг

аналізувати тільки вплив зміни кількості впровадженого літію на сумарну
величину (R1+R2+R3). Ланка R4||C4||W пов'язана з перенесенням заряду через
шар фториду магнію. Опір R4 відображає, імовірно, перенесення власних носіїв
в об'ємі електроду, тобто обумовлений електронною провідністю матриці.
Дифузійний імпеданс W обумовлений концентраційною поляризацією при
впровадженні літію в MgF 2 . Нарешті, елемент C4 представляє собою
електричну ємність матриці.
Основні результати застосування цієї схеми для моделювання спектрів
імпедансу MgF 2 - і Li х MgF 2 -електродів, виміряних при різних кількостях
впровадженого літію, представлені на рис.7. Збільшення кількості
інтеркальованого літію супроводжується зростанням сумарного опору
R Σ =R4+R2+R3, що відображає, імовірно, процес формування поверхневого
пасивуючого шару, який має підвищений опір. Насичення інтеркалата літієм
призводить до стабілізації провідних властивостей пасивуючої плівки [2] і,
відповідно, стабілізації за рахунок цього загального поверхневого опору.
Електронна провідність матриці складним чином залежить від концентрації
літію, при включенні на розряд спочатку вона різко спадає, а потім знову дещо
збільшується, що відображається зміною опору R4.
1200
х
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
5000
x
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
1000
4000
800
3000
R, Oм
600
W
2000
400
200
1000
0
0 50 100 150 200 250 300
C, A год/кг
0
0 50 100 150 200 250 300
C, A год/кг
а)
б)
Рис.7. Залежність загального опору R(а) і коефіцієнта Варбурга W(б) від
накопиченої розрядної ємності
Початок інтеркаляції літію супроводжується різким зменшенням W (рис.7
б). в інтервалі Е від 2.7 до 1.5 В, що пов'язано з зростанням концентрації
впровадженого Li + відповідно до традиційного визначення постійної Варбурга
при напівнескінченній дифузії:
W
RT
=
2
(3)
nF cLi 2D
де с Li - об'ємна концентрація літію при заданому електродному потенціалі.
Проте в нашому випадку безпосереднє використання формули (3) для
обчислення D може викликати заперечення, оскільки вона виведена [7] з
використанням рівняння Нернста, не застосовного, взагалі кажучи, до
інтеркаляційних електродів.
120

D,10 -12 см 2 /с
10
8
6
4
x
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Поступаючи аналогічно тому, як це
робили вище при розгляді методу
ЦВА, і замінюючи рівняння
Нернста виразом (1), отримаємо
наступну формулу для сталої
Варбурга:
W
RT
=
2
(4)
nzF cLi 2D
2
0
0 50 100 150 200 250 300
C, A год/кг
Рис.8. Зміна коефіцієнта дифузії в
процесі електрохімічної інтеркаляції
літію в структуру MgF 2
Ми використовували в розрахунках
фрагмент Е(с) - кривої в інтервалі
потенціалів 1.6-2.5 В, виходячи з
якого був оцінений коефіцієнт
дифузії літію в MgF 2 для цього
діапазону потенціалів: (0.9..7) 10 -12
cм 2 /с (рис.8).
Висновки
Таким чином, оцінка коефіцієнта дифузії методами ЦВА і СЕІ дала
близькі результати. Метод СЕІ, на відміну від ЦВА, дає змогу проаналізувати
динаміку зміни коефіцієнта дифузії у процесі роботи джерела, а також
проаналізувати параметри провідності катодної системи. Коефіцієнт дифузії
літію у матрицю Li x MgF 2 залежить від концентрації впровадженого літію на
початкових стадіях електрохімічної інтеркаляції і набуває стабільного значення
~ 10 -12 см 2 /с при значеннях х ≥ 0.3.
Робота виконана за підтримки CRDF/USAID (UKX 2 -9200 – IF - 08) та
МОН України (M/130 - 2009).
Список літератури: 1. Ohzuku T. Nonaques lithium/titanium dioxide cell / Ohzuku T., Takehara
Z., Yoshizawa S. // Electrochim. Acta. 1979. V.24. P. 219-222. 2. Зобенкова В.А. Интеркаляция
лития в диоксид титана: исследование электрохимическими и фотохимическими методами /
В.А. Зобенкова, А. В. Чуриков // Электрохимическая энергетика.–2004.– Т.4, № 1.–С. 29–35.
3. Пат. 45058 Україна, МПК H 01 M 4/00. Катодний матеріал літієвого джерела струму /
Гасюк І.М., Гамарник А.М., Січка М.Я., Грушевський Т.Б.; Прикарпатський нац. університет
ім. В. Стефаника. – № u 2009 04834; заявл. 18.05.09; опубл. 26.10.09, Бюл. № 20. 4. Гасюк
И.М. О возможности применения нанодисперсного фторида магния в качестве катодного
материала химического источника тока / И.М. Гасюк, М.Я. Сичка, В.В. Угорчук, П.О.
Сулим // Третья Всероссийская конференция по наноматериалам. Тезисы докладов.
Екатеринбург, 20–24 апреля. 2009 г. – Екатеринбург, 2009. – C.871. 5. Чуриков А.В. К
определению коэффициента диффузии лития в интеркалируемых материалах //
Электрохимическая энергетика. 2003.T.3,№3.C124. 6. Churikov A.V. Application of pulse
methods to the determination of the electrochemical characteristics of lithium intercalates. / A.V.
Churikov, A.V. Ivanischev. // Electrochim. Acta, 48, pp.3677-3691 (2003). 7. Придатко К.И.
Определение скорости диффузии лития импульсным потенциостатическим методом / К.И.
Придатко, А.В. Чуриков , М.А. Волгин // Электрохимическая энергетика, 2003, т.3, №4, с.184-191.
8. Багоцкий В.С. Проблемы в области литиевых источников тока / В.С. Багоцкий, А.М. Скундин //
Электрохимия. – М.: МАИК “Наука”,. 1995, т. 31, с 342.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
121

УДК 004.4'2
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
І.А. ЖИРЯКОВА, канд. техн. наук, доцент, Черкаська філія
Європейського університету, м. Черкаси
З.М. ГАДЕЦЬКА, канд. техн. наук, доцент, Академія пожежної безпеки
ім. Героїв Чорнобиля, м. Черкаси
МЕТОДОЛОГІЯ ФУНКЦІОНАЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
ЯК ЗАСІБ ПРЕДСТАВЛЕННЯ ПРОЕКТНОЇ ДОКУМЕНТАЦІЇ
В ІТ-АУТСОРСІНГУ
Стаття присвячена питанням створення проекту web-сайту компанії на основі методології
функціонального моделювання в нотації IDEF0. Запропонований підхід дозволить
формалізувати представлення проектної документації для замовника, який співпрацює з
професійною web-студією, що займається ІТ-аутсорсінгом .
Ключові слова: ІТ-аутсорсінг, процесний підхід, функціональне моделювання, розробка
проекту web-сайту компанії.
Статья посвящена вопросам создания проекта web-сайта компании на основе методологии
функционального моделирования в нотации IDEF0. Предложенный подход позволит
формализировать представление проектной документации для заказника, который
сотрудничает с профессиональной web-студией, занимающейся ІТ-аутсорсингом.
Ключевые слова: ІТ-аутсорсинг, процессный подход, функциональное моделирование,
разработка проекта web-сайта компании.
Article is devoted to the web-site project creation based on of the functional modeling methodology
in IDEF0 notation. The proposed approach will formalize the representation of design
documentation for the customer.
Keywords: IT-outsourcing, process approach, functional modeling, development of theb company
web-site.
1. Вступ
Об'єктивною реальністю сьогодення є широке впровадження у сфери
життєдіяльності сучасних інформаційних технологій та розгортання на їх
основі локальних і глобальних інформаційних систем та мереж, призначених
для прискорення обміну інформацією та доступу до різноманітних
інформаційних ресурсів. Розглядаючи рівень розвитку інформаційних
технологій і телекомунікацій, як один з критеріїв рівня розвитку держави та
інструмент інтенсифікації всіх процесів у суспільстві, Україна, як і будь-яка
інша країна, зацікавлена у розвитку інформаційної інфраструктури, в тому
числі, шляхом використання в усіх сферах господарської діяльності
можливостей, що надаються всесвітньою мережею. Але, нажаль, сьогодні в
Україні весь потенціал всесвітньої мережі використовується не повною мірою,
що пов’язано з відсутністю у багатьох компаній повноцінних ІТ-відділів. В
цьому випадку подібним компаніям слід скористатись послугами одного з
122

представників ІТ-аутсорсінгу – спеціалізованих web-студій, що займаються
професійною розробкою інтернет-ресурсів.
На сьогоднішній день ІТ-аутсорсінг відомий практично всім учасникам
ділового середовища в Україні і поступово він перетворюється на новий, поки
невеликий, але достатньо динамічний ринок. До ІТ-аутсорсінгу найчастіше
вдаються компанії, що швидко зростають і зазвичай у них немає часу або
ресурсів, щоб забезпечити розгалужену організаційну структуру для вирішення
не тільки основних, але й додаткових бізнес-завдань. Тому таким компаніям
необхідно сконцентрувати свою основну діяльність на профільних напрямках, а
всі допоміжні функції передати на аутсорсінг.
2. Постановка проблеми
Вже сьогодні компанія, що не має офіційного представництва у
всесвітній мережі вважається аутсайдером ринку. Отже, про необхідність
створення власного віртуального представництва в мережі замислюється чи не
кожен керівник. Саме тому ІТ-аутсорсінг розглядається як тактичне рішення,
що дозволить швидко позбутись даного „недоліку” та сприймається як
інструмент для вирішення одиничної проблеми, яка потребує негайного
розв’язання.
Але укладання короткострокової угоди з професійною web-студією, що
займається ІТ-аутсорсінгом і добре зарекомендувала себе на ринку, не вирішує
багатьох проблем, які виникають в процесі подібної співпраці. Замовник має
розуміти, яким чином його компанія буде отримувати ІТ-послуги у
відповідності з певним рівнем якості, які види робіт потребують фінансування і
наскільки точно будуть враховані всі його побажання при створенні
замовленого програмного продукту. Подібне розуміння можна сформувати
використовуючи формалізовані моделі, описані в термінах процесного підходу,
які конкретизують більшість вимог до даного досить трудомісткого процесу.
3. Аналіз останніх досліджень і публікацій
В якості засобу формалізації авторами пропонується використовувати
методологію функціонального моделювання в нотації IDEF0 [1], що дасть
можливість забезпечити замовника чітким графічним представленням всіх
етапів розробки власного web-ресурсу. Питанням застосування методології
функціонального моделювання присвячено багато робіт, серед яких слід
виділити [2-7], але всі вони зосереджені на принципах функціонального
моделювання бізнес-процесів діяльності будь-якої компанії в цілому, і не
охоплюють питань, які поставлені в даній роботі, що робить дане дослідження
досить актуальним.
4. Результати
Cтворення сучасного web-сайту – це складний технічний процес, в який
повинні бути залучені фахівці різних напрямків. Для розробки повноцінного
ресурсу, з боку виконавця повинна працювати команда, що складається з
наступних фахівців:
1. Менеджер проекту – фахівець, що здійснює загальне керівництво
по організації робочого процесу проекту. У його компетенції: формування і
123

контроль робочої групи проекту, складання графіка робіт, контроль над якістю і
термінами виконання робіт, а також управління бюджетом проекту і ризиками.
2. Арт-директор – фахівець, що здійснює загальне керівництво за
творчим процесом і розробляє спільно з дизайнером загальну концепцію
дизайну проекту. У його компетенції: контроль якості роботи дизайнерів і
верстальників.
3. Технічний директор – фахівець, що відповідає за програмну
частину проекту і здійснює загальний контроль над роботою верстальників,
програмістів, дизайнерів, тестерів.
4. Фахівець з юзабіліті і оптимізації, який відповідає за розробку
зручної і зрозумілої для користувача структури web-сайту, а також рекомендує
вимоги до правильного написання інформаційних блоків (назв розділів,
заголовків, гіперпосилань).
5. Дизайнер – фахівець, що відповідає за креативну концепцію
дизайну web-сайту, а також розробку шаблонів типових сторінок web-сайту на
основі затвердженої концепції сайту.
6. Верстальник – фахівець, що здійснює верстку сторінок web-сайту
на мові HTML.
7. Програміст – фахівець, що відповідає за інтеграцію системи
управління, розробляє сервіси ресурсу, функціональні модулі та інтерактивні
елементи та розв’язує інші завдання, пов'язані з програмуванням.
8. Інші фахівці, які можуть брати участь у проекті: тестер, контентменеджер,
маркетолог.
Основна ідея нотації, яку пропонується використати для формалізованого
опису проекту, полягає в представленні процесу, що моделюється, у вигляді
сукупності взаємозв'язаних функціональних блоків та інтерфейсних дуг. Кожен
функціональний блок відображає деякий процес (етап роботи). Інтерфейсні
дуги відображають елементи системи, які обробляються функціональним
блоком або здійснюють інший вплив на процес, відображений даним
функціональним блоком. Отже, класифікація процесів, які необхідно
представити в моделі, зводиться до класифікації власне функціональних блоків.
Для їх представлення визначимо основні етапи розробки web-сайту, які
формуються шляхом тісного співробітництва між замовником та виконавцем і
реалізуються одним або декількома фахівцями одночасно, а саме:
− визначення концепції ресурсу (задіяні фахівці: менеджер проекту,
арт-директор, технічний директор);
− складання і затвердження технічного завдання (задіяні фахівці:
менеджер проекту, арт-директор, технічний директор);
− розробка web-сайту (задіяні фахівці: менеджер проекту, артдиректор,
технічний директор, дизайнер, верстальник, програміст, тестер);
− розміщення web-сайту у мережі (задіяні фахівці: менеджер проекту,
технічний директор, програміст, маркетолог);
− заповнення контентом (задіяні фахівці: менеджер проекту,
технічний директор, контент-менеджер);
124

− тестування (задіяні фахівці: менеджер проекту, арт-директор,
технічний директор, тестер);
− супроводження (задіяні фахівці: менеджер проекту, арт-директор,
технічний директор, маркетолог).
Для побудови формалізованих моделей скористаємось інструментальним
засобом BPwin 4.0 фірми Computer Associates, що підтримує стандарти
функціонального моделювання в нотації IDEF0. Окрім побудови
формалізованих моделей даний засіб дозволяє здійснювати вартісній аналіз
проекту та аналіз властивостей, які визначає користувач. Вартісній аналіз
проекту є угодою про облік витрат, пов'язаних з роботами, з метою визначення
загальної вартості проекту. Зазвичай він проводитися лише тоді, коли
створення моделей закінчене.
15.11.2010 WORKING
READER DATE CONTEXT:
PROJECT: На Розробка рис. представництва 1 представлена REV: 17.11.2010 DRAFT узагальнена модель проекту розробки web-сайту
компанії у вс есвітній мережі
TOP
RECOMMENDED
NOTES: 1 2 3 в 4 нотації 5 6 7 8 9 10 IDEF0, яка PUBLICATION буде включати в себе вище перераховані етапи.
Згідно представленої
моделі (рис. 1)
Маркетингова Інтернет-технології
політика
розробка починається
з замовлення на
створення ресурсу,
Замовлення
web-с айт з оптимізованим кодом
Розробка представництва компанії
у вс есвітній мережі
яке оформлюється у
вигляді договору між
0грн.
0
професійною webстудією,
що
Замовник
Менеджер
проекту,
займається ІТаутсорсінгом,
та її
арт-директор,
технічний
директор
клієнтом.
Рис. 1. Проект Розробка розробки представництва web-сайту компанії у всесвітній компанії в нотації На цьому етапі
A-0
мережі
IDEF0.
необхідно, щоб
замовник чітко уявляв собі мету і задачі майбутнього проекту та критерії
оцінки досягнення цієї мети. Якщо замовник такого уявлення не має, то шансів
на успішний результат достатньо мало.
Мету і завдання можна інтерпретувати наступним чином. Мета – це
очікування і перспективи замовника, які можуть здійснитися або не здійснитися
унаслідок певних дій. Поставлена мета повинна задовольняти наступним
критеріям: бути вимірною, досяжною та обмеженою в часі. Прикладами
формулювання мети можуть бути: підвищення лояльності споживача до бренду
або компанії в цілому для підтримки позитивного іміджу компанії; збільшення
числа клієнтів і партнерів компанії; збільшення об'єму продажів послуг і
продуктів; контакт з цільовою аудиторією, шляхом надання їй необхідної і
актуальної інформації; оперативна взаємодія з клієнтами та партнерами;
продаж товарів і послуг за допомогою всесвітньої мережі. Завдання – це цілком
конкретні дії, направлені на досягнення мети. Правильна постановка завдань
сприяє якнайшвидшому досягненню кінцевої мети. Планування завдань
необхідно виконувати з участю як замовника так і керівника робочої групи
виконавця, для усунення непорозумінь в подальшому. При постановці завдань
USED AT: AUTHOR: Жирякова І.А. Гадецька З.М. DATE:
NODE: TITLE: NUMBER:
125

необхідно керуватись: наявними інтернет-технологіями і маркетинговою
політикою компанії.
На рис. 2 узагальнена модель проекту представлена у вигляді діаграми
дерева вузлів на якій представлені перелічені вище етапи робіт.
USED AT: AUTHOR: Жирякова І.А. Гадецька З.М. DATE:
PROJECT: Розробка представництва
REV:
компанії у всесвітній мережі
NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
17.11.2010
17.11.2010
WORKING
DRAFT
RECOMMENDED
PUBLICATION
READER DATE CONTEXT:
A-0
TOP
Розробка представництва компанії
у всесвітній мережі
0грн.
0
Визначення
концепції ресурсу
0грн.
1
Складання і
затвердження ТЗ
0грн.
2
Розробка
w eb-сайту
0грн. 3
Розміщення
у мережі
0грн. 4
Заповнення
контентом
0грн. 5
Тестування
0грн.
6
Супроводження
0грн.
7
Рис. 2. Дерево вузлів проекту розробки web-сайту компанії в нотації IDEF0.
На рис. 3 узагальнена модель проекту представлена у вигляді
функціональної декомпозиції перелічених вище етапів робіт. Для кращого
розуміння розглянемо кожен етап докладніше.
Замовлення
ТЗ
Маркетингова
політика
Визначення
концепції ресурсу
0грн.
1
Інтернет-технології
УзгодженеТЗ
Концепція
сайту
Складання і
затвердження ТЗ
0грн.
2
Логічна
структура
сайту
Хостінгова
платформа
Розробка представництва компанії у всесвітній
мережі
NODE: TITLE: Розробка Шаблон
NUMBER:
web-сайту web-сайту
Менеджер
проекту,
арт-директор,
технічний
директор
A0
Замовник
0грн.
Д изайнер,
в ерстальник,
програміст,
тестер
3
Д оменне
ім'я
Розміщення
у мережі
0грн.
4
Контент
Шаблон
web-сайту
викладений
на хостінг
Заповнення
контентом
0грн.
5
web-сайт з
контентом
Тестування
0грн.
6
web-сайт з
оптимізованим
кодом
Договір
Програні
засоби для
розробки
Супроводження
0грн.
7
Рис. 3. Декомпозиція етапів робіт по розробці web-сайту компанії в нотації
IDEF0.
При визначенні концепції майбутнього ресурсу перш за все керуються
метою і завданнями, які узгоджено раніше, а також враховуються такі фактори,
як характер цільової аудиторії і особливості конкурентного середовища, які
визначені маркетинговою політикою компанії, а наявні Інтернет-технології
126

визначають можливі форми та стиль подання контенту для майбутнього
ресурсу.
Технічне завдання є основним документом, який визначає вимоги і
порядок створення майбутнього ресурсу, відповідно до якого проводиться
розробка проекту та його приймання при введенні в експлуатацію. Воно має
повністю ґрунтуватись на визначеній на попередньому етапі концепції
майбутнього ресурсу. Крім того, воно має відповідати певним нормативним
вимогам згідно наповнення та оформлення [8]. Після складання технічного
завдання з ним повинен ознайомитись, внести корективи, якщо це необхідно, і
затвердити замовник.
Розробка web-сайту є найбільш трудомістким етапом серед усіх
перерахованих, тому доцільно було б описати його більш детально,
скориставшись функціональною декомпозицією моделі представленої на рис. 3.
При побудові функціональної декомпозиції слід врахувати всі види робіт, які
слід USED AT: провести AUTHOR: Жирякова для І.А. розробки Гадецька З.М. шаблону DATE: 17.11.2010 майбутнього WORKING ресурсу, READER а саме: DATE CONTEXT: розробку,
PROJECT: Розробка представництва
REV: 17.11.2010 DRAFT
верстання компанії у і всесвітній тестування мережі дизайну, програмування і тестування логіки
RECOMMENDED
майбутнього NOTES: 1 2 ресурсу 3 4 5 6 7 8 9 (рис. 10 4).
PUBLICATION
A0
Менеджер
проекту,
арт-директор,
технічний
директор
Розробка
дизайну
0грн.
УзгодженеТЗ
1
Дизайнер
Adobe
Photoshop
Стандарти W3
Макет
дизайна
web-сайту
Верстання
дизайну
0грн.
Логічна
структура
сайту
2
Верстальник
Спеціалізований
редактор для
верстання
дизайну
Шаблони
типових
сторінок
w eb-сайту
Тестування
дизайну
0грн. 3
Тестер
Браузери
Відлагоджені
шаблони
типових
сторінок
web-сайту
Програміст
Сервіси,
функціональні
модулі та
інтерактивні
елементи
сайту
Розробка web-сайту
На A3 етапі розробки web-сайту важливим є адаптація елементів фірмового
NODE: TITLE: NUMBER:
Звіт
Програмування
логіки
0грн. 4
Denwer
Тестування
програмної
логіки
0грн. 5
Рис. 4. Декомпозиція етапу „розробка web-сайту” в нотації IDEF0.
Шаблон
web-сайту
стилю замовника до дизайну створюваного ресурсу, на основі якого будуть
розроблятись графічні шаблони типових web-сторінок та виконуватись їх
інтеграція з основними браузерами (Internet Explorer, Netscape, Opera, Safari,
Mozilla Firefox). Стосовно програмної реалізації проекту важливим є інтеграція
web-сайту з системою керування. Сюди можна віднести налаштування серверу,
розробку необхідних сервісів, функціональних модулів та інтерактивних
елементів, забезпечення адміністрування та безпеки ресурсу. Після тестування
програмної логіки і верстки створюється звіт, в якому зазначаються, які
помилки були виправлені та готовність web-сайту до розміщення в мережі.
Звіт
127

Всі подальші етапи: розміщення web-сайту в мережі, наповнення
контентом та тестування, повинні проходити у тісній співпраці з замовником.
Адже, добре підібране доменне ім’я полегшить майбутнім користувачам
запам'ятовування електронної адреси створеного ресурсу, своєчасно надана та
якісно підібрана інформація для контенту web-сайту буде прямо пропорційна
кількості майбутніх користувачів ресурсу, а участь в тестуванні сервісної
частини ресурсу дасть можливість завчасно усунути основні недоліки в їх
роботі.
При необхідності між замовником та виконавцем може бути заключний
додатковий довгостроковий договір про супроводження створеного ресурсу.
5. Висновки
Описаний підхід показує лише невелику частину переваг, які можна
отримати, застосовуючи стандарт функціонального моделювання при створенні
проектної документації. Адже, деталізована проектна документація, яка
відповідає відомому стандарту функціонального моделювання та представлена
у графічному вигляді з короткими текстовими поясненнями, буде набагато
легше сприйматись людиною, що не є фахівцем у галузі інформаційних
технологій, ніж величезний текстовий опис проекту.
Список літератури: 1. Integration Definition For Function Modeling (IDEF0). [Electronic
Resource] : Draft Federal Information Processing Standards Publication 183, December 2, 1993. –
MA Internet: http://www.idef.com. 2. Калянов Г. Н. Моделирование, анализ, реорганизация и
автоматизация бизнес-процессов / Г. Н. Калянов. – М.: Финансы и статистика, 2006. – 240 с.
3. Маклаков С. В. Моделирование бизнес-процессов с AIIFusion Process Modeler / С. В.
Маклаков. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2004. – 240 с. 4. Марка Д.А. Методология структурного
анализа и проектирования SADT / Д. А. Марка, К. МакГоуэн. – М.: МетаТехнология, 1993. –
243 с. 5. Сериков А. В. Компьютерное моделирование бизнес-процессов / А. В. Сериков, Н.
В. Титов. – Х.: Бурун Книга, 2007. – 304 с. 6. Черемных С. В. Структурный анализ систем:
IDEF-технологии / С. В. Черемных, И. О. Семенов, В. С. Ручник. – М.: Финансы и
статистика, 2003. – 208 с. 7. Шеер А.-В. Моделирование бизнес-процессов / А.-В. Шеер. – М.:
Весть-метаТехнология, 2000. – 206 с. 8. ГОСТ 19.201-78 ЕСПД. Техническое задание.
Требования к содержанию и оформлению (изм.1 с 01.07.81 ИУС 9-81).
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 681.5.015.8:519
А.І. КУБРАК, канд. техн. наук, професор, Національний технічний
університет України “КПІ”, м. Київ
І.М. ГОЛІНКО, канд. техн. наук, доцент, Національний технічний
університет України “КПІ”, м. Київ
Ю.М. КОВРИГО, канд. техн. наук, професор, Національний технічний
університет України “КПІ”, м. Київ
КОМП’ЮТЕРНИЙ АНАЛІЗ АСР ЗА ІМПУЛЬСНОЮ
ХАРАКТЕРИСТИКОЮ ОБ’ЄКТА
Розглядається метод розрахунку перехідних процесів у неперервній системі керування за
імпульсною характеристикою об’єкта. Запропонований підхід дає можливість виключити
128

етап апроксимації при розрахунках системи керування, що дозволяє зменшити похибку
моделювання.
Ключові слова: комп’ютерний аналіз, АСР, імпульсна характеристика.
Рассматривается метод расчета переходных процессов в непрерывной системе управления по
импульсной характеристика объекта. Предложенный подход позволяет исключить этап
аппроксимации в расчетах системы управления, что позволяет уменьшить ошибку
моделирования.
Ключевые слова: компьютерный анализ, АСР, импульсная характеристика.
The continuous control system transients calculation method basis pulse characteristic is examined.
The offered approach allows excluding a stage of approximation in calculations of a control system
and reducing modelling error.
Key words: computer analysis, ACS, impulse response
Вступ
Розвиток інформаційної технології за останні 20 років істотно вплинув на
методи системного аналізу та синтезу автоматичних систем регулювання (АСР)
технологічними процесами (ТП). Перед спеціалістами із автоматизації постає
завдання визначення меж деталізації математичних моделей ТП, вдосконалення
методів синтезу систем керування, адаптації існуючих методів до сучасної
комп’ютерної техніки.
При розробці систем керування виникає потреба в ідентифікації об’єкта
керування (ОК), яка традиційно зводиться до визначення передатної функції
каналу регулювання. При цьому, визначення структури апроксимуючої
передатної функції носить суб’єктивний характер. В першу чергу на вибір
структури впливають уподобання дослідника, наявні у його розпорядженні
алгоритми та комп’ютерне забезпечення. Усе це вносить в процес синтезу
додаткові невизначеності, що в значній мірі впливає на якість розв’язання
задачі.
Постановка завдання
А чи варто зациклюватися на необхідності отримання передатної функції
ОК На користь такого підходу можна навести наступні міркування:
компактність, відпрацьованість алгоритмів та програмного забезпечення,
нарешті, традиційність (так прийнято та усім зрозуміло …).
До недавнього часу це було виправдано, але зараз технічні
характеристики комп’ютерної техніки відкривають принципово нові підходи до
визначення динамічних характеристик елементів системи керування. Зокрема,
чому не взяти в якості джерела інформації про динамічні характеристики
безпосередньо перехідну або імпульсну характеристику ОК у вигляді масиву її
ординат, якщо цей масив достатньо детальний та відображує особливості ОК
Настройка АСР за імпульсною характеристикою ОК
Розглянемо структуру одноконтурної АСР рис.1. АСР складається із ОК,
динаміка якого представлена масивом ординат імпульсної характеристики,
суматора та регулятора (Р), що в загальному вигляді реалізує лінійний закон
ПІД – регулювання:
129

W
P
⎛
⎞
( p) = K R
⎜1 + + TD
p ⎟ , (1)
⎝
1
T p
тут К R , Т I , Т D – параметри настроювання ПІД – регулятора.
з(t)
e(t)
_
Р
Рис.1. Структура одноконтурної АСР, з(t) – сигнал
завдання, е(t) – сигнал розузгодження, х(t) – сигнал
керування, у(t) – вихідний сигнал ОК
y
x(t)
t
I
⎠
Реакцію ОК у(t) на
вхідний сигнал х(t) будемо
розраховувати
використовуючи інтеграл
Дюамеля (інтеграл
згортки) [1] у вигляді:
( t ) = ∫ g( t − τ ) x( t ) dτ
. (2)
0
Фізично інтеграл (2) можна інтерпретувати як реакцію у(t) лінійного ОК
із імпульсною характеристикою g(t) на послідовність імпульсів, на які
розбивається сигнал х(t), причому імпульс в момент t має площу x ( t ) dτ
. При
комп’ютерній реалізації залежності (2) інтеграл заміняється сумою, де τ
змінюється з кроком d τ . Саме із цим кроком у часі задається масив ординат
імпульсної характеристики ОК Gt:
-1 0 1 2 3 … L L+1 … 601
Gt:CoefL L g 0 g 1 g 2 g 3 … g L
d τ …
Таким чином, для чисельної реалізації (2) отримаємо суму імпульсних
характеристик g ( t − τ ) кожна з яких помножена на x ( t ) dτ
. Графічно це
виглядає так як показано на рис. 2.
g(t)
g
0
g
1
g
2
g
3
dτ
g
4
g
5
g L
0 1 2 3 4 5 …
x(t) L
x
x x x
x
x
0
1
2
3
0 1 2 3 4 5 …
y(t) L
y y
y 4
y
0
y
1
ОК
y
2
0
3
4
0 1 2 3 4 5 …
L
5
5
1 2 3
Рис.2. Схема формування масиву ординат реакції у(t): 0 – реакція ОК на
імпульс x 0 dτ
, 1 – те ж на x 1 dτ
, 2 – те ж на x 2 dτ
, 3 – на x 3 dτ
і т.д.
Програмно розглянутий алгоритм реалізовано на мові Паскаль
підпрограмами IntGt та FormHts:
function IntGt(t:real):real;
y(t)
t
t
t
130

var L, s: integer;
Dt, R: real;
begin
L:=round(Gt[-1]); Dt:=Gt[L+1];
R:=t/Dt; s:=trunc(R); t:=frac(R);
if sL, то IntGt:=0). Це справедливо для об’єктів
із самовирівнюванням.
Час перехідного процесу системи Ds залежить не лише від властивостей
ОК, але від вхідного сигналу системи та настройок регулятора. Величина Ds
підбирається користувачем в процесі настройки із умови, щоб виявити усі
характерні особливості перехідного процесу, які представляють інтерес для
користувача. Отже, Ds може бути як більше (частіше за все), так і менше за D.
Масив Gts:CoefL – це та ж імпульсна характеристика g ( t)
об’єкта, але задана
із кроком Dts:=Ds/L. Масив Gts формується на базі масиву Gt з
використанням підпрограми IntGt.
131

Функція function Zd(t:real):real задає закон зміни в часі
завдання регулятору. При розрахунку перехідної характеристики системи для
каналу “завдання регулятору – вихід об’єкта” функція Zd задає одиничний
ступінчатий сигнал 1(t).
Як приклад застосування методу р озраховано перехідні процеси
одноконтурної АСР за імпульсною характеристикою ОК, що зображена на рис.
3. Представленій імпульсній характеристиці відповідає ОК із передатною
k
+ a p + 1
− τ p
функцією: WOK
( s) =
e , де k=5, а 2 =10сек 2 , а 1 =5сек, τ =5сек.
a
2
p
2
1
Результати моделювання із різними параметрами настроювань ПІД –
регулятора представлено на рис. 4. Перехідний процес в АСР графік 1
забезпечується настройками ПІД-регулятора: K R =0.133, T I =5сек, T D =3; а графік
2 – K R =0.1, T I =5сек, T D =0.1.
Рис. 3. Імпульсна характеристика
Рис. 4. Перехідні процеси в АСР.
ОК.
Для перевірки коректності методу перехідні процеси моделювалися у
MatLABі із аналогічними параметрами АСР. Результати моделювання
співпадають.
Висновки
Запропонований метод розрахунку перехідних процесів у АСР відкриває
можливість синтезу аналогових та цифрових (враховуючи період квантування)
систем керування без етапу апроксимації динамічних властивостей ОК. Це не
тільки дозволяє зменшити похибку моделювання АСР за рахунок виключення
етапу апроксимації, а також дозволяє уникнути суб’єктивності при виборі
структури апроксимуючої залежності. На базі даного методу можна розробити
ряд числових методів пошуку оптимальних настройок АСР за певними
критеріями.
Список літератури: 1. Чемоданов Б.К. и др. Математические основы теории
автоматического регулирования. Справочник. Том 2. // –М.: Высшая школа, 1977. –455 с: ил.
Поступила в редколлегию 24.11.2010
УДК 681.518.54
132

Л.М. ЗАМІХОВСЬКИЙ, докт. техн. наук, професор, завідувач кафедри,
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу
Р.Б. СКРИПЮК, асистент, Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу
ВИБІР ДІАГНОСТИЧНОЇ ОЗНАКИ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ
РОБОЧИХ ОРГАНІВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВАЛКОВОГО
МЛИНА AG-MPS 180BK НА ОСНОВІ МЕТОДУ
ЙОГО ПАРАМЕТРИЧНОЇ ІДЕНТИФІКАЦІЇ
ЗА УТОЧНЕНОЮ ПЕРЕХІДНОЮ ХАРАКТЕРИСТИКОЮ
Проводиться обгрунтування вибору діагностичної ознаки стану робочих органів
вертикального валкового млина AG-MPS 180BK на основі методу його параметричної
ідентифікації за уточненою перехідною характеристикою, отриманою за рахунок
додаткового і одночасного вимірювання сигналу швидкості обертання вала привідного
електродвигуна. Встановлено, що з 16 проаналізованих моделей лишень модель P3DZU
може бути використана для ідентифікації стану млина, оскільки один із її параметрів - Тр3
має тенденцію до зростання із збільшенням величини зношування його робочих органів.
Ключові слова: вертикальний валковий млин, параметрична ідентифікація, перехідна
характеристика, діагностична ознака.
Приводится обоснование выбора диагностического признака состояния рабочих органов
вертикальной валковой мельницы AG-MPS 180BK на основании метода ее параметрической
идентификации за уточненной переходной характеристикой, полученной путем
дополнительного и одновременного измерения сигнала скорости вращения вала приводного
електродвигателя. Установлено, что из 16 проанализированных моделей только модель
P3DZU может быть использована для идентификации состояния мельницы, поскольку один
из ее параметров – Тр3 имеет тенденцию к возрастанию с увеличением величины износа ее
рабочих органов.
Ключевые слова: вертикальная валковая мельница, параметрическая идентификация,
переходная характеристика, диагностический признак.
The vertical roller mill AG-MPS 180BK working units technical state diagnostics features choosing
qrouding based on the one's parametric identification method using the refined surge characteristics,
witch was received using the more and simultaneous measuring of the drive electrical motor roll
rotation velocity signal. It was received the result that among 16 analyzed models only the P3DZU
model can be used for the mill technical state identification. Because one from the one's parameters
– Тр3 has the tendency to the increase with the working units wearing value increasing.
Key words: vertical roller mill, parametric identification, surge characteristics, diagnostics features.
В [1] наводяться результати дослідження зміни розгінної (перехідної)
характеристики вертикального валкового млина (далі по тексту – млина),
обумовленої процесом зношення його робочих органів-помольних валків і
бігової доріжки помольної чаші з метою вибору раціональної діагностичної
ознаки їх технічного стану. Однак отримані результати досліджень не
дозволяють дати однозначної відповіді стосовно розробки на її основі методу
діагностування стану робочих органів млина в процесі його експлуатації.
Останнє пояснюється спрощенням задачі ідентифікації у припущенні про
вхідний сигнал системи у вигляді функції Хевісайда [2] в поєднанні із
133

складністю ідентифікації системи високого порядку, в якій робочі органи млина
(бігова доріжка та помольні валки) створюють, очевидно, недостатньо значний
вклад у передавальну функцію системи в цілому.
Метою статті є обгрунтування вибору діагнoстичної ознаки стану
робочих органів млина на основі методу його параметричної ідентифікації за
уточненою перехідною характеристикою. отриманою за рахунок додаткового
і одночасного вимірювання сигналу швидкості обертання на привідному валу
електродвигуна. Це дозволить, по перше, точно знати вхідний сигнал системи,
яка підлягає ідентифікації, та, по-друге, виконувати ідентифікацію системи
нижчого порядку, оскільки, як уже вказувалось раніше [1], лише електродвигун
описується ланкою 2...5 порядку, в той час як загальний порядок системи
складає 7..10. З метою вирішення поставленої задачі було проведено ряд
експериментів відповідно до методики, наведеної в [3] та затвердженої
керівництвом ВАТ «Івано-Франківськцемент» програми. Експерименти
проводилися протягом квітня-травня 2010 року, в результаті яких отримано 5
наборів даних, що відповідають різним величинам зношування робочих
органів млина виміряних з використанням методики [4]. Приклад одночасно
виміряних сигналів швидкості обертання привідного електродвигуна та
помольної чаші приведено на рис.1. Для отриманих наборів даних було
проведено параметричну ідентифікацію за методикою, аналогічною до
викладеної в [5]. На першому етапі було визначено орієнтовний порядок моделі
та її оптимальний тип. Серед моделей ARX, ARMAX, OE, BJ, як і в [1],
оптимальною виявилась модель Output-Error. На рис. 2 наведено приклад
результату симуляції виходу моделі, де для кожної моделі показано лише
результат симуляції для мінімальних порядків, які забезпечують достатню
степінь співпадіння. Наприклад, вихід моделі ОЕ з порядками nb=3, nf=3, nk=2
та з порядками nb=7, nf=7, nk=2 відрізняються на величину порядку 2%, але
кількість параметрів, які підлягають ідентифікації, суттєво нижча, в зв’язку з
чим за оптимальний прийнято перший набір порядків.
а)
б)
Рис. 1 – Одночасно виміряні сигнали
швидкості привідного електродвигуна (а)
та помольної чаші (б)
Рис. 2 – Результат симуляції
знайденими моделями для
розгінних характеристик за 09.04.10
З аналогічних міркувань даній моделі надається перевага перед моделлю
Бокса-Дженкінса з порядками nb=3, nf=5, nk=2, nd=3, nc=3. Результат вибору
моделі для всіх п’яти експериментів наведено в табл. 1.
134

Таблиця 1 – Результат вибору оптимальної моделі
Дата експеримента Модель, що забезпечує Степінь подібності, %
оптимальний результат
09.04.10 ОЕ, nb=3, nf=3, nk=2 76.17
23.04.10 ОЕ, nb=3, nf=3, nk=1 62.83
30.04.10 ОЕ, nb=3, nf=3, nk=1 60.04
11.05.10 ОЕ, nb=3, nf=1, nk=2 68.92
18.05.10 ОЕ, nb=3, nf=2, nk=1 69.25
Дані результати свідчать, що порядок системи, яка підлягає ідентифікації,
можна обрати рівним 3. В зв’язку з цим для виконання параметричної
ідентифікації можна застосувати також засіб ідентифікації моделей низького
порядку (1...3) систем неперервного часу (Low-Order, Continuous-Time Process
Models) середовища Matlab, де модель представляється у вигляді неперервної
передавальної функції та оцінюються її параметри, такі як коефіцієнт
підсилення, запізнення та постійні часу (рис. 3).
Рис. 3 – Вікно ідентифікації неперервних моделей
Доступні для оцінювання моделі 3-го порядку включають:
- модель з усіма дійсними полюсами:
K(
s)
=
K
(1 + Tp 1 ⋅ s)(1
+ Tp 2 ⋅ s)(1
+ Tp 3 ⋅ s)
- модель з коливною ланкою (underdamped):
K(
s)
=
(1 +
2 ⋅ Zeta ⋅ Tw ⋅ s +
K
( Tw ⋅ s)
2
)(1 + Tp3
⋅ s)
; (1)
; (2)
- а також комбінації обох вказаних моделей з інтегратором (Integrator,
додається множник s у знаменнику), запізненням (Delay, додається множник
−Td
⋅s
e у чисельнику) та одним нулем (Zero, додається множник ( 1 Tz S )
чисельнику). Умовні позначення всіх можливих моделей наведено в табл. 2.
+ Ч у
135

Таблиця 2– Неперервні моделі 3-го порядку System Identification Toolbox
з дійсними полюсами з коливною ланкою
з нулем без нуля з нулем без нуля
основна форма P3 P3Z P3U P3ZU
з інтегратором P3I P3IZ P3IU P3IZU
з затримкою P3D P3DZ P3DU P3DZU
з інтегратором і затримкою P3DI P3DIZ P3DIU P3DIZU
Виходячи із аналізу передавальної функції системи, розглянутої в [1],
недоцільним є розгляд моделей з інтегратором (оскільки вимірюваним
параметром є швидкість, а не переміщення), а також з усіма дійсними
полюсами, оскільки помольна чаша описується коливною ланкою.
При спробі застосування моделі з усіма дійсними полюсами на основі
аналізу даних системою Matlab видається попередження про наявність коливної
ланки:
There is an indication that the poles may be underdamped.
Consider the possibility to use an underdamped model.
(Include 'U' in the model definition.)
Втім, як видно із вигляду розгінної характеристики, коливання у
встановленому режимі є досить незначними, тому застосування моделі з усіма
дійсними полюсами дозволяє досягти не менших, а іноді і більших значень
степені подібності результату симуляції виходу моделі порівняно з
експериментальними даними. Так, на рис. 4 наведено результати симуляції
виходу моделі для набору даних за результатами експерименту від 09.04.10 для
всіх можливих 16 неперервних моделей.
Рис. 4 – Результати симуляції виходу моделі для
неперервних моделей
Найвищий показник
співпадіння
забезпечує модель з
усіма дійсними
полюсами з нулем та
затримкою (77.47%),
однак розкид між
степенями
співпадіння для
різних моделей
складає всього 5%.
При виконанні
параметричної
ідентифікації
на основі даних сигналів без будь-якої попередньої їх обробки отримані
значення степені подібності знаходяться в межах 60...77%. Це пояснюється
значною зашумленістю сигналів, зокрема, в зв’язку із особливостями
використаної системи вимірювання повний діапазон зміни сигналу швидкості
привідного електродвигуна складає всього 20-25 одиниць, що призводить до
наявності шуму квантування з середньоквадратичним відхиленням порядку
136

1.2...1.4% від діапазону зміни сигналу, а для невеликих значень швидкості,
характерних для початкової ділянки розгінної характеристики, відносна
похибка квантування суттєво зростає.
В зв’язку з цим було прийнято рішення про згладжування
експериментальних даних. Середовище Matlab забезпечує різні способи
згладжування [6], наприклад:
• методом ковзного середнього;
• методом локальної поліноміальної регресії (першого та другого
порядку);
• фільтрація Савіцкого-Голея(Savitzky-Golay filtering, поліноміальний
згладжуючий фільтр);
• медіанна фільтрація;
• фільтрація з використанням згладжуючих сплайнів.
Для методів локальної регресії існують також та звані «робастні» версії,
які дозволяють усунути вплив випадкових локальних викидів високої
амплітуди. Цією ж властивістю характеризується медіанна фільтрація [6]. Набір
експериментальних даних, що підлягає обробці, не містить таких викидів, тому
дані методи надалі не розглядаються. Фільтрація Савіцкого-Голея
застосовується в тих випадках, коли необхідне збереження високочастотної
складової сигналу (яка зазвичай відфільтровується такими методами, як ковзне
середнє та методи локальної регресії). В даному випадку інформативні складові
сигналу знаходяться в області низьких частот, тому даний метод також не
розглядається.
Метод локальної регресії [6] (англ. locally weighted scatterplot smoothing,
скорочено LOWESS або LOESS) передбачає, що кожен відлік згладженого
сигналу шукається як значення функції регресії, що оцінюється в околі даного
відліку. Крива регресії являє собою умовне математичне очікування вихідної
величини як функцію однієї або декількох вхідних величин. Параметри цієї
функції зазвичай оцінюють методом найменших квадратів, мінімізуючи
величину
(3)
N
∑ −
i = 0
1
(
Yˆ
i − Y i )
2 →
min
;
де Y i - виміряні значення вихідної величини, Y ^
- оцінки значень за
i
допомогою функції регресії. Найчастіше застосовують лінійну або квадратичну
функцію регресії, значно рідше застосовують поліноміальні функції вищих
порядків. По точках, які оточують поточний відлік, будується апроксимована
функція (пряма або парабола), і в якості згладженого значення береться
значення цієї функції у поточній точці.
Щоб досягти кращої якості згладжування, використовують зважування.
Традиційною ваговою функцією є наступна:
137

⎛
w ⎜
i
= 1−
⎜
⎝
x − xi
d(
x)
;
(4)
де x - точка, в якій оцінюється функція регресії, x i - точка, для якої
обчислюється вагова функція, d(x) - половина ширини інтервалу, на якому
оцінюється регресія.
Метод ковзного середнього можна розглядати як частинний випадок
методу лінійної регресії – при використанні в якості апроксимуючої функції
поліному степені 0, тобто константи, яка на кожному інтервалі дорівнює
середньому або зваженому середньому всіх відліків цього інтервалу.
Параметром методів згладжування, що визначає якість і характеристики
згладженого сигналу, є так звана ширина вікна, тобто кількість відліків сигналу
в околі деякого відліка, які використовуються для обчислення його згладженого
значення. В загальному випадку, чим більша довжина вікна, тим більше
високочастотних складових і особливостей сигналу усувається в результаті
згладжування.
Для прикладу на рис.5 наведено фрагмент сигналу швидкості привідного
електродвигуна в момент досягнення перехідним процесом усталеного
значення, згладжений методом локальної регресії першого та другого порядку.
Для рис.5,а та рис. 5,в використано вікно довжиною 10 відліків, для рис.5,б та
рис. 5,г – довжиною 20 відліків. Квадратична регресія, як видно з рис.5,
забезпечує краще відтворення інформативної складової сигналу та усунення
шуму. Оптимальна ширина вікна, визначена на основі аналізу вигляду
згладжених сигналів для різної ширини вікна, складає 20-30 відліків.
3
⎞
⎟
⎟
⎠
3
а) б)
в) г)
Рис. 5 – Приклад згладжування фрагменту сигналу методом локальної
поліноміальної регресії 1-го (а,б) та 2-го (в,г) порядку для ширини вікна 10 (а,в)
та 20 (б,г) відліків
138

На рис. 6 приведено порівняльні результати симуляції виходу моделі для
незгладжених даних та з використанням згладжування методом локальної
регресії другого порядку. Степінь співпадіння підвищується в результаті від
60...77% до 90...97%, що вказує на підвищення достовірності визначення
параметрів моделі при використанні згладжування.
б)
Рис. 6 – Результати симуляції виходу моделі
для даних за 18.05.10: а – для незгладжених
даних; б – для згладжених даних
а)
Для виявлення залежності
між параметрами передавальної
функції та степінню зносу
робочих органів млина було
проведено ідентифікацію
параметрів неперервних моделей
для 5 експериментів. Для
досліджень було обрано моделі
P3DU, P3DZU та P3ZU.
Виконувалось попереднє
згладжування даних методом
локальної регресії другого
порядку з шириною вікна, рівною
30. Результати розрахунків
представлено в табл. 3-5.
Таблиця 3 – Значення параметрів моделі P3DZU для всіх наборів даних
Дата
Параметри моделі
проведення
експерименту
Kp Tw Zeta Tp3 Td Tz
09.04.10 1.0006 0.3026 0.0109 0.0592 0 -0.2277
23.04.10 1.0544 0.4680 0.0010 0.1023 0.4145 0.1774
30.04.10 1.0923 0.6413 0.0117 0.2366 0.1314 -0.5176
11.05.10 1.0210 0.1399 0.6143 0.5529 0 0.6423
18.05.10 1.0336 0.3318 0.5088 5.4478 0 5.3706
Таблиця 4 – Значення параметрів моделі P3DU для всіх наборів даних
Дата проведення Параметри моделі
експерименту Kp Tw Zeta Tp3 Td
09.04.10 1.0008 0.2997 0.0658 0.0010 0.2180
23.04.10 1.0551 0.3909 0.0010 0.1319 0.0801
30.04.10 1.0929 0.6807 0.2427 0.1356 0.6000
11.05.10 1.0214 0.2018 0.1726 0.2642 0
18.05.10 1.0349 0.4768 0.1857 0.2775 0.2203
Таблиця 5 – Значення параметрів моделі P3ZU для всіх наборів даних
Дата проведення Параметри моделі
експерименту Kp Tw Zeta Tp3 Tz
09.04.10 1.0004 0.3021 0.0361 0.0652 -0.1899
23.04.10 1.0552 0.3877 0.0010 0.1691 -0.0412
30.04.10 1.0901 0.3320 0.0614 0.3893 0.1257
11.05.10 1.0216 0.1426 0.4653 0.5900 0.6654
18.05.10 1.0333 0.3117 0.0010 0.1580 -0.2547
139

Як видно із результатів розрахунків, один із параметрів (Тр3) (рис. 7)
систематично змінюється від менших до більших значень для моделей із
затримкою.
Висновок
З розглянутих 16 моделей найбільш прийнятною з точки зору поставленої
задачі є модель P3DZU, оскільки один із її параметрів (Тр3) збільшуєтья із
збільшенням величини зношування робочих органів млина.
Для використання вказаного параметру як діагностичної ознаки степеня
зношування робочих органів млина необхідно провести додаткові
експерименти по встановленню взаємозвязку між зміною параметра Тр3
моделі P3DZU та величиною зношування робочих органів млина, який буде
покладено в основу розробки методу контролю їх технічного стану.
Список літератури: 1. Заміховський Л.М. Розгінна характеристика вертикального валкового
млина PFEIFFER AG - MPS 180BK як діагностична ознака технічного стану його робочих
органів [ Текст ]/ Заміховський Л.М., Скрипюк Р.Б.// Нафтогазова енергетика.- 2010.- №
2(13).- С.38-46. 2. Дьяконов В., Круглов В. MatLab. Анализ, идентификация и моделирование
систем. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 448с. 3. Заміховський Л.М.
Використання методу непараметричної ідентифікації для діагностування технічного стану
робочих органів вертикального валкового млина AG MPS 180 BK [ Текст ]/ Заміховський
Л.М., Скрипюк Р.Б.//Вісник нац. тех. ун-ту «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний
випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. – Харків: НТУ «ХПІ» - 2009.- с.89-93. 4.
Заміховський Л.М. Дослідження зношення робочих органів вертикального валкового млина
MPS 180 ВК[ Текст ]/ Заміховський Л.М., Скрипюк Р.Б.//Гірничі, будівельні, дорожні та
меліоративні машини. - 2008. - №72.- С. 34-39. 5. Заміховський Л.М. Параметрична
ідентифікація технічного стану робочих органів вертикального валкового млина в
середовищі Matlab [Текст]/ Заміховський Л.М., Скрипюк Р.Б.// Наукові вісті Галицької
академії. – Івано-Франківськ. – 2010. – Вип. 2(18). – С.4-14. 6. Джон Г. Мэтьюз, Куртис Д.
Финк. Численные методы. Использование MATLAB. 3-е издание. – M.: Вильямс, 2001. –
720c.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 681.513.5
Я.І. ЗАЯЧУК, канд. техн. наук, доцент, Івано-Франківський національний
технічний університет нафти і газу
ETHERNET ТА ПРОМИСЛОВІ МЕРЕЖІ РЕАЛЬНОГО ЧАСУ
У статті розглядається питання перспективності використання стандартів Real-Time Ethernet
для передачі даних в мережах реального часу. Висвітлено переваги мереж Ethernet перед
традиційними польовими шинами, даний огляд основних стандартів RealTime Ethernet,
специфіки їх використання, можливостей
Ключові слова: промислова мережа, Etherne/IP .
В статье рассматривается вопрос перспективности использования стандартов Real-Time
Ethernet для передачи данных в сетях реального времени. Освещены преимущества сетей
Ethernet перед традиционными полевыми шинами, дан обзор основных стандартов RealTime
Ethernet, специфики их использования, возможностей.
140

Ключевые слова: промышленная сеть, Etherne/IP.
The article discusses the prospects of using standard Real-Time Ethernet for data transmission in
real-time networks. The advantages of Ethernet over traditional fieldbus, an overview of the basic
standards of RealTime Ethernet, the specifics of their use, functionality.
Keywords: industrial network, Etherne/IP.
Вступ
Мережі Ethernet вже більше 30 років ефективно вирішують завдання
високошвидкісної передачі даних. Ethernet як стандарт за цей час став
найпоширенішим у світі й проник у багато сфер повсякденного життя, у тому
числі в промисловість. На даний час в промисловій автоматизації розподілені
системи управління постійно ускладнюються і об'єднуються в загальну
технологічну мережу підприємства. Проте, якщо в адміністративній частині
мережі Ethernet вже став стандартом де-факто, то в технологічній частині
переважно панують різноманітні польові шини, що мають мало спільного з
Ethernet. Причиною цього є один з основних недоліків мереж Ethernet, що
проявляється при адаптації до автоматизації виробничих процесів -
неможливість функціонування в режимі реального часу. І справа не в
апаратному середовищі передачі: навіть при використанні Gigabit Ethernet,
ретельно вивіреній топології, керованих комутаторах з налагодженими
пріоритетами для трафіку, немає чіткого регламенту на час доставки
конкретного пакету даних від відправника до одержувача.
Системи реального часу
Системи реального часу стали невід'ємною частиною промислової
автоматизації. Робота системи в реальному часі - це, перш за все, виконання
завдання в заданий проміжок часу.
Принцип роботи системи реального часу показаний на рис. 1.
О т р и м а н н я
з а вд а н н я
Гот о в н іс т ь
с и с т е м и
В ід по від ь
Ч а с в и к о н а н н я
З а в д а н н я
ви к о н а н о
К ін ц е в и й
т е р м ін
Ч а с
Рис. 1. Принцип роботи системи
реального часу
Готовність системи - момент, з якого
система реально починає виконувати
отримане завдання. Завдання має бути
закінчене до настання кінцевого
терміну. Відповідно, час з моменту
отримання завдання до виконання
вважається часом відгуку системи.
Привабливість Ethernet для мереж реального часу пов'язана з його основними
перевагами. У технічному плані це, передусім, швидкість: стандарти Fast і
Gigabit Ethernet в кілька разів випереджають найбільш швидку польову шину
PROFIBUS (12 Мбіт/с), що функціонує в реальному часі. Також цей протокол
сертифікований за IEEE і ISO, використовує стек протоколів TCP/IP, що має
широку апаратну і програмну підтримку.
Проте Ethernet, визначений в стандарті IEEE 802.3, не може забезпечити
функціонування системи в реальному часі. На канальному рівні в ньому
закладений механізм доступу CSMA/CD (множинний доступ з контролем
несучої і визначенням колізій), що описує поведінку учасника мережі при
141

відправці і прийомі даних. Почати передачу даних конкретна станція може
тільки коли дочекається закінчення передачі даних іншими учасниками. Інтервал
очікування залежить від багатьох причин і є величиною довільною.
Відповідно, розрахувати гарантовану тривалість циклу передачі даних
практично не представляється можливим. Схематично цей процес показаний на
рис. 2.
Рис. 2. Передача даних методом
CSMA/CD
Отже, для того щоб Ethernet функціонував
в реальному часі, необхідно
ввести додатковий механізм, що
дозволяє уникнути колізій. Такі
механізми є в Ethernet-сумісних
протоколах реального часу
EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT,
Powerlink.
EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) - це відкритий протокол рівня
додатків, розроблений спільно міжнародними асоціаціями ControlNet
International, Open DeviceNet Vendors Association, Industrial Ethernet Association.
Якщо звертатися до 7-рівневої моделі OSI/ISO, на перших чотирьох рівнях
(фізичному, канальному, мережевому й транспортному) змін в структурі немає.
Використовується те ж фізичне середовище 802.3, МАС-адреси, протокол IP,
протоколи TCP і UDP. На прикладному рівні (з 5-го по 7-й) використовується
вже спеціальний об'єктно-орієнтований протокол CIP (Common Industrial
Protocol), який використовується також в мережах ControlNet і DeviceNet.
Функціонування в режимі реального часу забезпечується спеціальним
розширенням протоколу CIP-CIPSync, основаному на протоколі тимчасової
синхронізації ІЕЕЕ 1588.
Для передачі трафіку EtherNet/IP використовує протоколи TCP/UDP/IP.
Для встановлення з'єднання і передачі некритичного за часом трафіку
використовується TCP, перевагою якого є гарантованість доставки даних. Для
критичних до часу доставки даних потрібний UDP, що працює в режимі
адресної або багатоадресної посилки даних від відправника до одержувача.
Використання в EtherNet/IP протоколу UDP для передачі критичного до
часу доставки трафіку вносить певну похибку і непередбачуваність в режим
передачі. Незважаючи на це EtherNet/IP умовно можна назвати протоколом
реального часу для тих випадків, де максимальна похибка для часу доставки
даних задовольняє умовам технологічного процесу. Наприклад, для сегменту
мережі з топологією "зірка", де дані від 8 джерел збираються одним клієнтом,
гарантований час доставки 7 мс.
Мережа EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) базується
на архітектурі Master-Slave, може співіснувати з мережею Ethernet (EtherNet/IP).
Протокол EtherCAT вимагає режиму Full-duplex, зате може бути некритичним
по відношенню до топології (зірка, кільце, шина).
EtherCAT може працювати в режимі як реального, так і
недетермінованого часу. Перший режим, який називається EtherType, працює
тільки в EtherCAT-сегменті, не використовує IP-протокол і, отже, несумісний з
142

Ethernet. Другий використовує для передачі трафіку протоколи UDP/IP,
сумісний з Ethernet, але вже не в повній мірі задовольняє умовам реального
часу.
Майстер мережі (ведучий пристрій) організовує обмін даними циклічно.
Дані EtherCAT передаються у вигляді кадрів, запакованих в стандартні телеграми
Ethernet, але з великим пріоритетом. Ведені пристрої в мережі тільки
виконують команди ведучого. Формат даних в EtherCAT представлений на рис.
3.
Рис. 3. Формат даних в протоколі EtherCAT
Телеграми Ethernet від
майстра мережі
послідовно обходять усі
ведені пристрої, кожен з
яких знаходить свою
адресу в кадрі, зчитує або
вставляє дані
(від 2 біт до 64 кбайт) і відправляє телеграму далі. Процес читання/запису у
ведених пристроях виконується з допомогою спеціального контролера
EtherCAT апаратно, завдяки чому займає декілька наносекунд.
Швидкодія EtherCAT дозволяє опитувати 1000 ведених пристроїв
вводу/виводу з циклом в 30 мкс.
Протокол Powerlink був розроблений австрійським виробником
комунікаційного устаткування Bernecker&Rainer. Принцип організації мереж з
використанням протоколу Powerlink заснований на розподілі мережі на
сегменти недетермінованого і реального часу. Останній потрібний, як правило,
на машинному рівні промислової мережі. На фізичному рівні моделі OSI в
сегменті Real-Time використовуються стандартні IP-пакети даних, архітектура
клієнт-сервер, кабелі згідно IEEE 802.3. Для забезпечення умов реального часу
в межах протоколу Ethernet цикл передачі даних в мережі за методом, що
називається Slot Communication Network Management (SCNM), здійснюється за
строгим графіком в 2 заходи: перший - для критичних до часу доставки даних і
другий для трафіку з низьким пріоритетом. Ведучий пристрій визначає графік
цих фаз і передачі даних усім учасникам (веденим пристроям) сегменту Real-
Time, що виключає утворення колізій в мережі.
Реалізація протоколу Powerlink в мережі не вимагає розмежування з
іншою мережею Ethernet. Сам протокол також не потребує спеціального
апаратного забезпечення. Проте використання активних пристроїв в сегменті
Powerlink не рекомендовано. Навіть простий комутатор вноситиме
неконтрольовані затримки і суперечитиме вимогам реального часу. Також для
підвищення стабільності роботи мережі рекомендовано відділення сегменту
мережі з Powerlink від основної мережі Ethernet маршрутизатором.
Таким чином, при лінійному з’єднанні ведучого і ведених пристроїв в
окремому сегменті мережі Powerlink відноситься до протоколів жорсткого
реального часу. За швидкістю він лише небагато поступається EtherCAT і
гарантує час циклу передачі даних в межах 200 мкс з точністю 1 мкс.
143

PROFINET - найбільш відомий стандарт Ethernet реального часу,
сумісний із стеком TCP/IP. Його називають Ethernet-версією протоколу
PROFIBUS, оскільки у них багато спільного і вони легко з’єднуються через
шлюз. Протокол розроблений компанією Siemens, стандартизований за IEC
61158 і зараз використовується в пристроях багатьох виробників.
Існують дві концепції застосування протоколу PROFINET: PROFINET ІО
(розподілені системи вводу/виводу) і PROFINET СВА (модульні системи
управління, об'єднання мереж PROFINET). Більш розповсюдженим випадком є
PROFINET ІО, що припускає безпосереднє підключення до мережі пристроїв
польового рівня.
Організація обміну даними в жорсткому реальному часі схожа з
Powerlink: обмін даними відбувається циклами, в яких є фаза ізохронної
(критичної до часу доставки) передачі даних і фаза передачі даних у форматі
TCP/IP.
Передача даних контролюється майстром мережі, час циклу - 1 мс і
дотримується з точністю 1 мкс. Схема передачі даних зображена на рис. 4.
Рис. 4. Організація обміну даними в
PROFINET IRT
Кожен з протоколів реального часу
для коректної роботи вимагає
якщо не спеціальної апаратної, то,
як мінімум, програмної підтримки,
тому потрібно використовувати
мережеві адаптери - комунікаційні
плати і модулі різних формфакторів,
що дозволяють
перетворити деякий пристрій (робочу станцію, контролер, робот) в майстр
мережі, ведений пристрій або SCADA-сервер.
Крім спеціального апаратного забезпечення, для реалізації мережі
реального часу вимагається програмне середовище, що дозволяє налаштувати
комунікаційні параметри учасників мережі.
Не менш важливим завданням при впровадженні мереж Ethernet
реального часу є їх з’єднання з наявними польовими шинами. Наприклад, якщо
нижній рівень систем автоматизації працює на PROFIBUS, а мережа нових
ПЛК - на PROFINET, то потрібний шлюз для з'єднання обох мереж.
Незважаючи на сумісність протоколів Real-Time Ethernet із стандартним
IEEE 802.3 Ethernet, першу мережу рекомендується максимально відділяти від
другої і, по можливості, взагалі не використовувати комутатори й активне
обладнання. Зовнішня мережа може вносить багато паразитного трафіку, який
негативно позначиться на часі доставки критичних до часу даних. Сегмент
мережі реального часу добре відокремити маршрутизатором, що фільтрує
широкомовний трафік.
Висновок
Якщо порівнювати можливості протоколів EtherNet/IP, PROFINET,
EtherCAT і Powerlink з типовими вимогами технологічних процесів, то є з чого
вибрати. Більшість технологічних процесів можна реалізувати,
144

використовуючи мережу Ethernet і один з протоколів реального часу.
Незважаючи на усі плюси IEEE 802.3 Ethernet як бази, перехід на неї
здійснюється повільно. Причин кілька: труднощі з освоєнням нових технологій,
затримки з їх впровадженням в серійні пристрої виробниками, інерційність
проектувальників, що використовують потім ці серійні продукти.
В допомогу процесу переходу від традиційних мереж Fieldbus до Real-
Time Ethernet - "спадкові ознаки" протоколів другої групи, тобто схожість в
технічному плані і сумісність з протоколами Fieldbus. Так, в PROFINET можна
знайти багато від PROFIBUS; Powerlink можна назвати Ethernet-спадкоємцем
шини CAN, EtherNet/IP перейняв риси DeviceNet.
Апаратна і програмна бази для переходу готові: доступний цілий ряд
засобів автоматизації нижнього і середнього польового рівня, у тому числі
представлені плати-контролери і перетворювачі протоколів Hilscher і
комутатори Real-Time Ethernet.
Список літератури: 1. Лопухов И. Сети Real-Time Ethernet: от теории к практической
реализации / Лопухов И. // Современные технологии автоматизации – 2010. - №3. – С. 8 –
15. 2. "Real-Time Ethernet II," Module 402 [Електронний ресурс]. - Режим доступу :
http://www.industrialethernetu.com. 3. Industrial Real-Time Ethernet [Електронний ресурс] /
Ulrik Hagström, Magnus Jonsson, and Anders Kallerdahl. - Режим доступу:
http://www.snart.org/docs/exjobb2001/hagstrom_kallerdahl_ext_abs.pdf. 4. Sercos news. The
Real-Time Ethernet Magazine [Електронний ресурс].-Режим доступу:
http://www.sercos.com/literature/pdf/sercos_news_0109_en.pdf
Поступила в редколлегию 24.11.2010
УДК 65.001.1;625.72
Л.Л. КАРМАЗИНА, канд.техн.наук, доцент, НМетАУ,г.Днепропетровск
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕЗАУРУСА СООБЩЕНИЯ КАК
ИНСТРУМЕНТ ПРЕОДОЛЕНИЯ СЕМАНТИЧЕСКОГО
БАРЬЕРА ВИРТУАЛЬНОЙ КОМАНДЫ ПРОЕКТА
Запропоновано інструмент подолання семантичного бар’єру в віртуальних командах проекту
– систему контролю тезауруса повідомлення, яка дозволяє створити єдиний інформаційний
простір віртуальної команди проекту шляхом автоматизованого обчислення невідомих
термінів для єдиного тезаурусу проекту (ЄТП), яка також служить для розширення ЄТП.
Ключові слова: семантичний бар’єр, віртуальна команда проекту, єдиний тезаурус проекту.
Предложен инструмент преодоления семантического барьера в виртуальных командах
проекта - систему контроля тезауруса сообщения, которая позволяет создать единое
информационное пространство виртуальной команды проекта путем автоматизированного
вычисления неизвестных терминов для единого тезаурусу проекта (ЕТП), которая также
служит для расширения ЕТП.
Ключевые слова: семантический барьер, виртуальная команда проекта, единый тезаурус
проекта.
The instrument of semantic barrier overcoming in the virtual project teams - report thesaurus
checking system, is offered, which allows creating a single informative space of the virtual project
teams by the automated calculation of unknown terms for a single project thesaurus (SPT), which
also serves for expansion of SPT.
145

Keywords: semantic barrier, virtual project team, single project thesaurus.
1. Введение
Современный этап развития международных экономических отношений
характеризуется интенсификацией процессов глобализации, что означает
высокую степень конкуренции и формирование современной системы
хозяйственных связей.
Конкуренция в условиях глобальной экономики заставляет компании
сотрудничать между собой, невзирая на организационные и географические
границы. Благодаря этому явлению в деловом словаре появился новый термин
– виртуальные команды [1, с. 23].
Под виртуальной командой проекта будем понимать группу
профессионалов в определенной области, которые рассредоточены в разных
точках мира, и которые объединились в организацию с целью реализации
проекта создания продукта или услуги с помощью специальных
коммуникационных технологий, а также методов и технологий управления
проектами [2].
Методы и технологии управления виртуальными командами проекта
должны использовать одновременно информационные, коммуникационные и
существующие технологии управления проектами. Достичь этого можно путем
развития и усовершенствования этих технологий до уровня, на котором они
могли бы функционировать вместе.
2. Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными
научными или практическими задачами
Доказано, что работа в виртуальном пространстве предоставляет
финансовые и производственные преимущества организациям и сотрудникам
благодаря повышенной гибкости, сокращению затрат и времени [3]. Это также
доказывают данные, предоставленные в [4], где указано, что категория
«бизнес» имеет самою большую долю среди других категорий ресурсов
Интернет. Но наряду с множеством преимуществ отсутствие физической
структуры и географическое рассредоточение виртуального офиса порождает
ряд проблем его функционирования [5, с. 48]. Исследователи в области
виртуальных организаций М. Уорнер и М. Витцель выделяют следующие
проблемы, которые порождаются вследствие гибкости виртуальных
организаций, - это проблемы контроля и подотчетности, неумение персонала
контактировать в сетях, что ведет к срыву планов [5].
3. Анализ последних исследований и публикаций
Вопросам коммуникаций проектов в рамках теоретико-практических
аспектов управления проектами уделялось внимание в работах [6; 7, с. 715-740;
8; 9, с. 161-175; 10, с. 221-236]. Общей чертой исследователей коммуникаций в
проектах является то, что они исследуют механизм коммуникаций в
традиционных проектно-ориентированных организациях и используют
традиционные модели передачи информации. В то время как коммуникации
146

виртуальных проектных команд остаются вне детального исследования в
области управления проектами, при наличии широкого спектра открытых для
изучения вопросов.
4. Выделение нерешенных ранее частей проблемы, которым
посвящена данная статья
Анализ управления коммуникациями в виртуальной команде проекта
показал, что одной из проблем есть то, что современные технологии не
гарантируют полного понимания информации сообщения. Причиной этого
является то, что коммуникации виртуальных проектных команд остаются вне
детального исследования в отрасли управления проектами при наличии
широкого спектра открытых для изучения вопросов, которые порождают ряд
проблем.
При реализации различных видов проектов зачастую появляются ошибки,
которые возникают во время восприятия и обработки информации по проекту.
А что касается виртуальных проектов, то данная проблема является для них
самой актуальной, что ведет к срыву планов, ограничению или блокированию
потоков знаний [5, с. 57].
5. Постановка задачи и изложение основного материала
исследования
Своевременное, регулярное распространение и использование
всеобъемлющей, подробной, понятной, правдивой информации участниками
команды проекта является собой значительным фактором успеха проекта [9, с.
162], и «благодаря использованию единого языка риск возникновения
недоразумений и недопонимания относительно невысок» [9, с. 163]. Таким
образом, обеспечение адекватной интерпретации информации участниками
виртуальной команды проекта, а именно разработка и внедрение единого
тезауруса команды проекта, является одним из первоочередных задач для
обеспечения эффективности виртуальных коммуникаций проекта.
Основной задачей системы контроля тезауруса сообщения является
исключение использования незнакомых для получателя терминов в сообщении
с помощью проверки созданного сообщения на предмет незнакомых
получателю понятий. Будем считать, что незнакомыми понятиями для
получателя являются те понятия, которые не входят в единый тезаурус проекта
(ЕТП), а принадлежат личному тезаурусу создателя сообщения.
Единый тезаурус проекта - это терминологический ресурс команды
проекта, реализованный в виде словаря понятий и терминов по проекту со
связями между ними. Основное назначения тезауруса – помощь в восприятии
информации по проекту.
ЕТП должен быть нормативным для сравнения с ним личных тезаурусов
участников виртуальной команды проекта. На основе этих сравнений
определяются: понятия, совпадающие с ЕТП и дополнительные понятия,
которые являются специфичными понятиями тезауруса участника проекта как
специалиста узкой предметной области.
147

Суть системы контроля тезауруса сообщения заключается в том, что
после составления сообщения по проекту составитель проверяет тезаурус
сообщения на предмет присутствия всех употребляемых им понятий в ЕТП.
Если система определяет наличие терминов, которые не входят в ЕТП,
составитель должен добавить данный термин с описательной к нему статьей в
единый тезаурус проекта, используя при этом выше изложенный метод
составления описательных статей дефиниций.
Система контроля тезауруса
сообщения также дает возможность
расширять ЕТП терминами, которые
принадлежат личному тезаурусу
составителя, т.е. терминами его узкой
специализации, но которые также
должны быть включены в ЕТП.
Получатель сообщения также будет
иметь возможность знакомиться с
данными терминами с помощью
ЕТП.
Отправитель
Составление
документа
Документ
Тезаурус
отправителя
Единый
тезаурус
проекта
Документ
Система
контроля
тезауруса
сообщения
Получатель
Рис. 1. Модель коммуникационного
процесса в виртуальной команде
проекта
Схематически данный процесс можно изобразить в виде модели
следующим образом (рис. 1).
ЕТП в такой модели выступает не только как хранилище информации, но
и как среда для коммуникации и объединения усилий участников виртуальной
команды проекта.
Характеристика системы контроля тезауруса сообщения. Система
контроля тезауруса сообщения основывается на алгоритме выделения
незнакомых для ЕТП понятий (степени «насыщенности» текста сообщения
незнакомыми понятиями).
В качестве незнакомых понятий выступают отобранные из текста
сообщения слова или словосочетания, раскрывающие важнейшие смысловые
аспекты информации.
Задачи системы контроля тезауруса сообщения:
- оценить частоту встречаемости незнакомых системе контроля понятий в
сообщении (возможность анализировать на каком этапе проекта семантический
барьер преодолевается, т.е. незнакомых терминов с каждым разом становится
все меньше и меньше);
- оценить количество слов в тексте;
- оценить количество понятий, принадлежащих ЕТП;
- оценить количество понятий, не принадлежащих ЕТП;
- оценить динамику появления незнакомых терминов (динамика уровня
«насыщенности» текста сообщений незнакомыми терминами на временной оси
проекта в целом отражает эффективность коммуникаций виртуальной команды
проекта с точки зрения восприятия тезауруса проекта);
- определение синонимов. Если система определяет незнакомое понятие,
но оно является синонимом для понятия, которое включено в единый тезаурус
проекта, то данное понятие определяется синонимом для термина в единый
148

тезаурус проекта. Терминологический анализ документа – сопоставление с
ЕТП, в процессе которого синонимы сводятся к одному и тому же понятию,
происходит разрешение лексической многозначности;
- ЕТП требует постоянной поддержки - терминологического наполнения
и введения новых лексических единиц. В процессе обработки новых
документов/сообщений по проекту ЕТП постоянно дополняется новой
терминологией. Налаживаются понятийные связи, а также исправляются
неточности ранее налаженных связей. ЕТП включает в себя тезаурус
предметной области «Управление проектами» и тезаурус терминов проекта,
который состоит из терминов личных тезаурусов участников команды проекта;
- участник проекта, столкнувшись с сомнением неправильной
интерпретации информации, сможет запросить в ЕТП незнакомый
термин/понятие с описательной к нему статьей.
Основными функциональными возможностями системы контроля
тезауруса сообщения являются:
- выполнение вычислений;
- интерпретация результатов;
- поддержка ведения тезауруса;
- администрирование системы (аутентификация и авторизация,
управление доступом).
Выводы исследования
На основе созданного тезауруса предметной области «Управление
проектами» разработан инструмент снижения влияния семантического барьера
– система контроля тезауруса сообщения, которая включила в себя единый
тезаурус проекта.
Система служит для автоматизированного вычисления неизвестных ЕТП
терминов, а также для его расширения. Программное средство „Система
контроля тезауруса сообщения”, позволяет создать единое информационное
пространство виртуальной команды проекта.
Список литературы: 1. Верзух Э. Управление проектами: ускоренный курс по программе
МВА / Эрик Верзух ; пер. с англ. – М. : ООО «И.Д. Вильямс», 2007. – 480 с. 2. Кармазина Л.
Л. Реализация проектов на базе виртуального офиса / Л. Л. Кармазина // Управління
проектами та розвиток виробництва : Збірник наукових праць / Під ред. В. А. Рач. – Луганськ
: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2008. - № 2 (26). – С. 14-19. 3. Virtual Office [Электронный ресурс]
– Режим доступа : http://www.managementhelp.org/grp _skll/virtual/defntion.pdf definition. 4.
Интернет технологии в образовании. Интернет в цифрах и фактах [Электронный ресурс] –
Режим доступа : http://www.curator.ru/news/news_ 101.html. 5. Уорнер М. Виртуальные
организации. Новые формы ведения бизнеса в XXI веке / М. Уорнер, М. Витцель / Пер. с
англ. - М. : Добрая книга, 2005. -296 с. 6. Решке Х. Мир управления проектами. Основы.
Методы. Организация. Применение. / Х. Решке, Х. Шелле. М., 1994. - 304 с. 7. Мазур И. И.
Управление проектами: Учебное пособие / И. И. Мазур, В. Д. Шапиро, Н. Г. Ольдерогге. – 2-
е изд. – М. : Омега-Л, 2004. – 664 с. 8. Бушуєв С. Д. Динамічне лідерство в управлінні
проектами. Монографія / С. Д. Бушуєв, В. В. Морозов / Укр. асоціація управління проектами.
– К., 1999. – 312 с. 9. Дитхелм Г. Управление проектами. Т. 2. Особенности / Г. Дитхелм. –
СПб. : Бизнес-пресса, 2003. – 288 с. 10. Руководство к Своду знаний по управлению
проектами. – 3-е изд. (Руководство РМВОК). – Project Management Institute, Inc., 2004, –
402 c.
149

Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 621.317.31
И. В. КОМПАНЕЕЦ, ассистент, УИПА, г. Харьков
А. М. ШКИЛЬКО, канд. физ.-мат. наук, профессор, УИПА, г. Харьков
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ
КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ
Обоснован выбор основных параметров измерителя контактной разности потенциалов,
которые подлежат определению при проведении метрологического обслуживания, а также
приведены методы и средства для их определения.
Обґрунтовано вибір основних параметрів вимірювача контактної різниці потенціалів, які
підлягають визначенню при проведенні метрологічного обслуговування, а також наведено
методи та засоби для їх визначення.
Selection of principal parameters of contact potential difference meter subject to determining during
metrological servicing has been substantiated and associated determination methods and facilities
are provided.
Введение. Одним из сравнительно новых, интенсивно развивающихся в
последнее время методов исследования и неразрушающего контроля является
метод контактной разности потенциалов (КРП), сущность которого
заключается в регистрации КРП, образованной между двумя электродами,
находящимися в электрическом контакте. В настоящее время существует
несколько подходов к измерению КРП, отличающихся способом
детектирования зарядов с поверхности. Наибольшее распространение получили
конденсаторные методы – это метод динамического конденсатора и
конденсаторный метод с вращающимся электродом. Наиболее
функциональным и относительно простым в реализации является метод
динамического конденсатора, который находит все большее применение для
испытаний, контроля, диагностики и прогнозирования состояния поверхности
различных материалов изделий и объектов. Измеритель КРП (ИКРП) с
динамическим конденсатором является бесконтактным, неразрушающим и
применяется в широком диапазоне температур и давлений остаточных газов
для оценки физико-химического состояния поверхности при трении, износе,
механо-коррозионных воздействиях, для контроля качества сварки и др [1-3].
Необходимой составляющей для использования ИКРП, как средства
измерений поверхностного потенциала или РВЭ, является наличие методик
измерения, а также поверки и калибровки. На сегодняшний день такие
методики отсутствуют. Кроме того, большинство известных измерителей
представляют собой лишь средство регистрации относительного изменения
КРП. Измерение же абсолютных значений является более трудоемкой и
150

сложной задачей. Для практической реализации калибровки и поверки ИКРП
необходимо обеспечить соблюдение следующих условий:
• иметь физическую и математическую модели ИКРП как средство
измерения;
• иметь необходимую методику поверки ИКРП;
• иметь необходимые средства метрологического обслуживания.
Цель работы. В настоящей работе поставлена задача определения
основных параметров ИКРП, требующих метрологического контроля.
Выбор параметров, требующих метрологического контроля. Для
обеспечения единства и требуемой точности измерений необходимо установить
основные параметры измерительного блока, требующие метрологического
контроля. Исходной величиной схемы динамического конденсатора является
его чувствительность U вых /U к -U ком , которая связана с параметрами ИКРП, при
условии синусоидальных колебаний зонда следующим уравнением [4]
R(Uк
− Uком)SLω
= I(t)R =
⋅ ε ⋅ ε cos( ω t) ,
2
d
Uвых
0
0 [ 1+
L sin( ω t) ]
где d 0 – межэлектродное расстояние в состоянии покоя; ω – циклическая
частота; ε 0 =8,85·10 -12 Ф·м -1 – электрическая постоянная; ε – относительная
диэлектрическая проницаемость среды; S – рабочая площадь зонда; R –
нагрузочное сопротивление; U к – измеряемая КРП; U ком – компенсирующее
напряжение; L – коэффициент модуляции равный отношению амплитуды
колебаний зонда к междуэлектродному расстоянию А/d 0 ; U вых – выходное
напряжение схемы динамического конденсатора.
В свою очередь, искомое значение КРП связано с работой выхода
электрона (РВЭ) зонда Ф 1 и исследуемого образца Ф 2 , согласно физической
модели динамического конденсатора следующим выражением [3]
I(t)
(Ф1
− Ф2)
ω ε 0ε
SA cos( ω t)
= −
. (2)
2
e(d + А sin( ω t))
0
Исходя из уравнений (1) и (2) видно, что важными параметрами,
определяющими чувствительность ИКРП является межэлектродное расстояние
d 0 и коэффициент модуляции L. Параметрами, определяющими точность и
разрешающую способность ИКРП является РВЭ рабочей поверхности зонда Ф 1
и рабочая площадь зонда S соответственно.
Для использования ИКРП как средства измерения поверхностного
потенциала, необходимым условием является обеспечение стабильности и
знание численного значения РВЭ рабочей поверхности зонда. Обеспечение
стабильности, как правило, достигается путем тщательного изготовления
рабочей поверхности зонда. Первоначально на поверхности пластин удаляются
151
(1)

загрязнения, трещины, царапины и другие неоднородности поверхности путем
полировки до получения микронеровностей, не превышающих 10‍ мкм (14 класс
чистоты). Затем поверхность зонда покрывается слоем химически
малоактивного материала, такого как золото, платина, тантал, родий. В первое
время после изготовления дрейф поверхностного потенциала может быть
значительным и сильно колебаться во времени. Поэтому изготовленные зонды
проходят соответствующие режимы термической стабилизации поверхности,
пока показания поверхностного потенциала не стабилизируются и не станут
воспроизводимыми. Обычно, после старения считается удовлетворительным
дрейф поверхностного потенциала при нормальных атмосферных условиях в
диапазоне 200-300 мкВ.
Калибровка осуществляется прямым измерением относительно эталона,
значение РВЭ которого известно с достаточно большой точностью при
заданных условиях. В качестве эталона можно использовать тонкую плёнку
золота, полученную конденсацией золота на полированную поверхность. Для
определения РВЭ эталона можно использовать методы термо- или
фотоэлектронной эмиссии.
Кроме того, данная методика калибровки позволяет исключить
систематические ошибки, вызванные влиянием паразитных емкостей,
механическими шумами и электромагнитными наводками от схемы
электронного блока.
На основании уравнения (1) и уравнений, приведенных в работе [4]
можно сделать важное определение относительно модуляции, постоянной
времени RС, а так же коэффициента преобразования, определяемого
отношением эффективного значения переменного сигнала на конденсаторе к
постоянному напряжению на нем. Для увеличения коэффициента
преобразования, который пропорционален коэффициенту модуляции L,
соотношение 1/(ωRC 0 ) должно быть мало, где С 0 – статическая емкость
динамического конденсатора, определяемая как
С
0
ε ε0S
= . (3)
d
Максимальный уровень коэффициента модуляции динамического
конденсатора получают в случае, если вибратор настроен на резонанс
механической системы. Для определения оптимального значения используется
звуковой генератор и осциллограф, где по максимальной амплитуде при
постоянных значениях напряжения возбуждения определяют оптимальный
уровень коэффициента модуляции [5].
Ключевой характеристикой ИКРП является его разрешающая
способность, которая зависит от формы и рабочей площади зонда. Очевидно,
что чем меньше площадь зонда, тем лучше разрешающая способность; вместе с
тем для сохранения чувствительности ИКРП необходимо уменьшить
междуэлектродное расстояние d 0 и сохранять его постоянным на протяжении
всего процесса исследования поверхности объекта. В работе [4] показано, что
0
152

для ИКРП необходимо соблюдать следующую зависимость между диаметром
зонда d з и междуэлектродным расстоянием d 0
d 0 ≤0,1d з . (4)
Для оценки погрешностей измерений ИКРП может быть использована
стандартная методика, описанная в ДСТУ ГОСТ 8.009:2008.
Выводы
Приведен перечень основных параметров, нуждающихся в определении
при проведении метрологического обслуживания, к которым относится
чувствительность ИКРП, межэлектродное расстояние d 0 , коэффициент
модуляции L, РВЭ рабочей поверхности зонда Ф 1 и рабочая площадь зонда S.
Для обеспечения достоверности при идентификации и интерпретации
результатов измерений и диагностики необходимо нормировать параметры
ИКРП, отрабатывать основные положения и методы поверки.
Необходимым условием совершенствования метода КРП является
развитие метрологического обеспечения, что и будет предметом наших
дальнейших исследований.
Список литературы: 1. Вудраф Д. Современные методы исследования поверхности. Пер. с
англ. / Д. Вудраф, Т. Делчар. – М.: Мир, 1989. – 564 c. 2. Царев Б. М. Контактная разность
потенциалов / Царев Б. М. – М.: ГИТТЛ, 1955. – 280 с. 3. Компанеец И. В. Физические
основы конденсаторных методов измерения контактной разности потенциалов / И. В.
Компанеец // Вестник НТУ «ХПИ». Тематический выпуск «Автоматика и приборостроение»,
2009. – № 23. - С. 89-95. 4. Компанеец И. В. Оценка чувствительности измерителя контактной
разности потенциалов / И. В. Компанеец, В. М. Комолов, А. М. Шкилько // Вестник НТУ
«ХПИ». Тематический выпуск «Новые решения в современных техноогиях», 2010. – № 46. -
С. 89-94. 5. Компанієць І. В. Вимірювач контактної різниці потенціалів / І. В. Компанієць, А.
М. Шкілько // Метрологія та прилади. – 2010. – №4. – С. 33-36.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 539.3: 519.876.5
А.М. МИЛЬЦЫН, канд. техн. наук, профессор, начальник отдела ТД
Днепропетровского завода сварочных материалов, г. Днепропетровск
Д.Г. ЗЕЛЕНЦОВ, доктор технических наук, старший научный
сотрудник, профессор, Украинский государственный химикотехнологический
университет, г. Днепропетровск
В.И. ОЛЕВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент, Украинский
государственный химико-технологический университет, г.
Днепропетровск
СЕЛЕКЦИЯ МНОГОФАКТОРНОЙ МОДЕЛИ ПО
СОВОКУПНОСТИ СТАТИСТИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ
КРИТЕРИЕВ
Предложено использование физически обоснованных критериев селекции наилучшей
многофакторной регрессионной модели, обеспечивающих ее работоспособность в области
эксперимента и при экстраполяции. Продемонстрирована эффективность такого подхода.
Ключевые слова: модель, селекция, критерии
153

Запропоновано використання фізично обґрунтованих критеріїв селекції найкращої
багатофакторної регресійної моделі, що забезпечують її працездатність в області
експерименту і при екстраполяції. Продемонстровано ефективність такого підходу.
Ключові слова: модель, селекція, критерії
The use of physically based criteria of selection of best multifactor regression model is proposed to
ensure its serviceability in the experiment field and for extrapolation. The effectiveness of this
approach is demonstrated.
Keywords: model, selection, criteria
1. Введение
Известно, что работоспособность одной и той же конструкции, системы и
технологического процесса можно представить различными математическими
моделями, отличающимися числом переменных, видом уравнения и
критериями работоспособности. Аппроксиманты, полученные на основе
обработки выборки, зачастую имеют близкие, статистически неразличимые
характеристики и выбор из них наилучшего приближения превращается в
неформальную задачу, решение которой каждый исследователь производит посвоему.
В связи с этим необходимо формализовать исследования по выбору
наилучшей аппроксимирующей модели. Современный подход к этой проблеме
базируется на использовании методов искусственного интеллекта и теории
нечетких множеств. Наиболее часто применяется селективный отбор модели на
основе группового учета аргумента [1]. В этом методе приняты несколько
принципов построения и выбора модели. Основной из них состоит в том, что
моделирование относится к некорректно поставленным задачам, и для
нахождения однозначного решения необходимо задание внешнего дополнения
- критерия оптимальности. Под этим понимается критерий, который
вычисляется на базе информации, не использованной при оценке параметров
модели. В качестве внешнего критерия селекции наиболее часто выбирается
критерий минимума смещения, в соответствии с которым требуется, чтобы
модели, построенные по одной части матрицы эксперимента как можно меньше
отклонялись от моделей, построенных по другой ее части. Критерий минимума
смещения является мощным инструментом отбора модели, но он не
специфичен к рассматриваемой области моделирования и может
свидетельствовать лишь об определенных качествах матрицы исходных
данных. Распознание истинной зависимости в аналитической форме требует
привлечения знаний о физической природе рассматриваемого объекта или
процесса. Поэтому основой выбора наилучшей модели должны стать как
статистические критерии, так и критерии работоспособности модели в особых
точках факторного пространства, находящихся вне области эксперимента.
Такой подход принят в методе структурно-экстраполяционного анализа [2],
который показал свою эффективность при решении ряда практических задач.
Адекватное поведение модели в таких точках позволяет говорить о ней, как о
некой физически обоснованной зависимости, применимой к задаче в целом, а
не как о локальной аппроксиманте эмпирических данных.
2. Методика выбора нелинейной полиномиальной модели
154

Пусть заданы п факторов, математически интерпретируемых как
независимые переменные x1, x2
,..., x n и образующие п-мерное факторное
пространство. Будем полагать, что вследствие действия стохастических связей
независимые переменные xi
, i = 1, n определяются как случайные величины.
Функция отклика y при этом может быть определена как некоторый
обобщенный или частный параметр, характеризующий работоспособность
конструкции, объекта, системы и технологического процесса в заранее
выбранном смысле по качественным и количественным критериям. Уравнение
y = y ( x1, x2,..., x n ) в ( n + 1)
– мерном пространстве описывает некоторую
гиперповерхность. Связь между параметрами y и { x i }
i = 1
определяется
математической моделью, исходя из концепции безусловного существования
связи между ними. Математические модели в общем виде могут быть
представлены различными функциональными зависимостями, например, в виде
полиномов Колмогорова - Габора, степенных или логарифмических функций.
При использовании зависимости вида
где
n n n
2
о е i i ij еi j ii i ...,
е
i = 1 i j < i 1
=
yв= в+ x в x x + в x
+ +
∂ y
y ∂
в0 = y
x = 0
; ві
= ; в
; віi
= =
∂ x
∂ ∂
іj
і x = 0
xі xj
x = 0
2
1 ∂
2 ∂
2
y
2
x i x=
0
задача сводится к отысканию выборочных оценок { в } истинных
коэффициентов { β } основе экспериментальных данных. При этом может быть
использован, в частности регрессионный анализ экспериментальных данных,
включающих обработку результатов эксперимента по методу наименьших
квадратов и статистический анализ полученного представления. Кроме
традиционно используемых критериев величины коэффициента множественной
детерминации и адекватности модели экспериментальным данным по формуле
Фишера, существует еще ряд статистических критериев, дополняющих
процедуру определения наилучшей модели. Так, качество математической
модели может оцениваться на основе исследования невязок расчетных и
экспериментальных данных. В случае выполнения предпосылок
регрессионного анализа и полного соответствия структуры истинной и
смоделированной зависимостей сумма невязок во всех опытах при достаточной
точности вычислений должна быть близка к нулю. Таким образом, величина
суммы невязок является интегральным показателем качества эмпирической
зависимости. Значительное отличие её от нуля указывает либо на
неудовлетворительный состав параметров, либо на плохое соответствие закона
распределения параметров нормальному закону. В этом случае математическое
описание не соответствует истинной качественной взаимосвязи параметров и
на его основе опасно делать эвристические выводы как внутри, так и вне
области эксперимента.
Другим важным показателем качества математической модели является
некоррелируемость невязок. Независимость остатков указывает на отсутствие
155
n

систематической ошибки модели и, следовательно, о соответствии
экспериментальных данных условиям применимости регрессионного анализа.
Этот факт проверяется критерием Дурбина - Ватсона [3].
Дальнейший анализ структуры модели должен базироваться на
использовании физически обоснованных критериях [4]. Они отражают
выполнение некоторых обязательных с физической точки зрения соотношений
в особых точках факторного пространства, в которых предсказанные моделью
значения функции отклика сравниваются с теоретически очевидным
результатом. В этих точках требуется выполнение неравенств
yˆ
− yˆ
ў
N Ј t
2 ,
S0
где yˆ , yў- ˆ значения регрессии для физически эквивалентных состояний,
2
S
0 - средневзвешенная дисперсия воспроизводимости опытов,
N - количество точек факторного пространства, используемых для
оценки критерия,
t - значение критерия Стьюдента при выбранном уровне значимости и
N − 1 степенях свободы.
Выбранная на основе совокупности статистических и физических
критериев математическая модель может быть использована для
практических расчетов и анализа нелинейного взаимодействия и влияния
факторов на несущую способность, как в области эксперимента, так и при
некоторой экстраполяции.
3. Применение методики расчета
Приведенная методика была применена к построению математической
модели влияния семи вторичных факторов, на отклонение параметра
устойчивости продольно сжатой цилиндрической оболочки от расчетного
значения ∆ T . Факторы характеризовали основные виды отклонения
геометрических параметров оболочки от идеальных обводов. Рассматривалась
овально-коническая оболочка, близкая к круговой цилиндрической, с
периодической в окружном направлении неплоскостностью торца, имеющая
инициирующую потерю устойчивости лунку. Модель была получена при
обработке результатов многофакторного эксперимента с тонкостенными
оболочками диаметром 0,143ºм, толщиной стенки 2,5х10 -4 ºм и длиной 0,2ºм,
изготовленными из стали марки Х18Н9-н. Статистические характеристики
факторов приведены в таблице 1. Эксперимент проводился в соответствии с
ядром плана 2 7-2 , являющегося четверть – репликой полного факторного
эксперимента 2 7 . Для определения коэффициентов при нелинейных членах план
эксперимента был дополнен до плана второго порядка при общем числе опытов
М = 47. Таким образом, был получен квазиортогональный центральный
композиционный план при варьировании семи факторов на пяти уровнях. В
дальнейшем ансамбль факторов был дополнен данными наблюдений за
восьмым фактором, параметры которого также представлены в таблице 1.
156

Выбор наилучшей модели производился методом полного перебора всех
регрессий [2]. Все генерируемые модели разбивались на классы по числу
линеаризованных переменных. В каждом классе строились модели и из них
выбирались наилучшие по критерию множественной детерминации
2
R в
пределах погрешности его определения при заданном уровне значимости.
Затем наилучшие модели по каждому из классов сравнивались по F-критерию
Фишера.
Таблица 1
Факторы и их статистические данные
Описание переменных
Условные Единица Среднее Параметр
обозначения измерения значение рассеивания
Глубина лунки w м 9,1х10 -4 3,830х10 -4
Продольная длина лунки l L
м 3,3х10 -2 9,309х10 -3
Поперечная ширина унки l ϕ м 2,6х10
-2
6,903х10 -3
Конусность α градусы 94 4,5
Овальность a / b - 0,9 0,039
Амплитуда
неплоскостности торца
A T
м 1,5х10 -4 4,800х10 -5
Число волн
неплоскостности
T
- 12 5
Разнотолщинность δ max −
min
δ м 3,2х10 -6 1,500х10 -6
Результаты анализа данных по моделям различных классов, имеющих
наилучшее значение
2
R , приведены на рис. 1. Коэффициент детерминации
2
R ,
изменяющийся в пределах (0,1), асимптотически приближается к единице с
увеличением числа переменных n , достигая
2
2
R =0,80 при n = 11,
R = 0,90 при
n = 18, а при n = 36 статистически неотличим от единицы.
При отборе моделей по F-
критерию наилучшими считались
модели, для которых
выполнялось условие F Ј FT
, где
F T - табличное значение F-
критерия при соответствующих
уровне значимости q и степенях
свободы f 1 и f 2 . Наилучшими
моделями по F-критерию
оказались модели с числом
Рис. 1. Зависимость теоретических и
линеаризованных переменных n
экспериментальных критериев выбора
от 20 до 25. На следующем шаге
наилучшей модели от числа переменных
отбора наилучшей модели
использовались физические критерии.
157

Так, для рассматриваемой задачи в качестве особой точки было принято,
в частности, теоретическое значение верхней критической нагрузки
2
Тв
/ 2π E δ = 0,605 , соответствующее ∆ T 0= и отсутствию отклонений формы
оболочки от идеальных обводов. Для модели, окончательно выбранной в
качестве наилучшей по совокупности критериев при уровне значимости q = 5%
, эти соотношения выполняются следующим образом (точка A на рис. 1).
Для уравнения с натуральными переменными в соответствующей точке
факторного пространства lϕ = lL w= nT = AT
δ max = min= δ 0, ( − aα
/ b ) = 1 = =
значение функции имеет погрешность ∆ T 24,33 = кг при T в = 4095 кг, что
составляет 0,6%. Для стандартизованного уравнения в этой же точке
0 0
0
0
lϕ = − 3,76, A T 3,06 , = −n = − 2,84 , α = − 2,08, 0 0
l = − 3,54 , w = − 2,37 ,
( a / b ) 0
= − 2,54 ,
0
max min
0
∆ T = 9,1004 − ( T 29,485
T
( δ − ) δ 2,13 = −значение функции имеет погрешность
∆ = − ) при T в = 4149 кг, что составляет 0,7%.
Далее использовались критерии этой группы, отражающие качественную
природу исходных переменных. Так, наличие плоского торца можно задать в
виде ∆ T ( nT 0, = AT ) ∀ T ( AT = 0, ∆ nT
) для произвольного = ∀ (фиксированного)
уровня остальных переменных (табл. 2). Аналогично, сопоставление
результатов для соотношений эквивалентных отсутствию лунки при l ϕ = 0 ,
l L = 0 и w = 0 (табл. 3) показало, что разброс параметра несущей способности
относительно среднего значения в центре плана не превышает выбранного
уровня значимости.
Предложенные критерии позволили оставить единственную модель,
удовлетворяющую наилучшим образом их совокупности. Полученная в
результате процесса селекции наилучшая модель имеет вид
∆ T = 0,187( − A ) 0,239( n ) − 0,408( δ ) δ − α
−
0 0 2 0 2 0 0
T
T
max min
0 0
0 0 0 0
( a b)
lL
max min
A
T
+ 0,174 / α 0,974 − 0,375( α ) − δ δ −
( ) 0 0 0 0 0 0 0 0
( ) 0
0
( ) 0
0 0 0
w a b nTlT
δ
max min
δ
( ) 0 0 0 0
a b w l n
+ 0,135 a / b AT 0,159lL AT − 0,28AT nT
0,242− w l ϕ
+ −
0 0 0 0 0
− 0,086nT
lϕ 0,25 −a / b ( δ
max min) δ 0,149 nT
( −
max min)
+ δ δ
−
− 1,066 / 0,124 + 0,194( ) + − −
− 0,186 / 0,015 + 0,162
L
0,572− T
0,378. − −
Таблица 2
Проверка выполнения критерия наличия плоского торца
в
Уровень сопутствующих факторов 2
T
−
2π
E
∆T
δ
L
Средняя погрешность, %
-1 0,381 1,05
0 0,268 0,18
+1 0,406 2,22
Проверка выполнения критерия отсутствия лунки
158
Таблица 3

Уровень
сопутствующих
факторов
Tв
−
2π
E
∆T
2
δ
Погрешность (%)
l = 0 l ϕ = 0 w = 0
L
Средняя
погрешность, %
-1 0,385 15,94 17,10 1,12 11,38
0 0,239 7,40 0,55 6,80 4,90
+1 0,317 31,20 29,60 1,57 20,79
4. Выводы
Приведена методика, позволяющая получить наилучшее уравнение
регрессии методом селекции модели по совокупности статистических и
физически обоснованных критериев. Проанализированы преимущества
использования таких критериев, выражающиеся в возможности получения
модели, пригодной для экстраполяции за область эксперимента. Произведен
расчет конкретной технической задачи и показана эффективность предлагаемой
методики. Показано, что синтез наилучшей многофакторной модели второго
порядка должен сопровождаться анализом ее физической адекватности по
приведенной методике с учетом статистических характеристик
экспериментальных данных.
Список литературы: 1. Зайченко, Ю. П. Синтез и адаптация нечетких прогнозирующих
моделей на основе принципа самоорганизации [Текст] / Ю. П. Зайченко, И. О. Заец // Труды
Одесского политехнического университета. – 2001. – Вып. 3(15). – С. 178 – 184. 2. Пилов П.
И., Многофакторный структурно-экстраполяционный анализ в задачах управления
эффективностью обогатительных процессов [Текст] / П. И. Пилов, А. М. Мильцын, В. И.
Олевский // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. – 2009. – Вип. 36(77)-37(78). – С.
204 – 217. 3. Смирнов, Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики
[Текст] / Н. В. Смирнов, И. В. Дунин-Барковский. - М.: Наука, 1965. - 511 с. 4. Мильцын, A.
M. Алгоритмизация построения, статистической обработки и анализа многофакторной
регрессионной модели, содержащей управляемые, неуправляемые или смешанные
переменные, в интерактивном режиме [Текст]: монография / A. M. Мильцын, В. И.
Олевский // Днепропетровск, 1988. - 157 с. Деп. в ВИНИТИ 13.01.88, №188 - В88.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 621.114.32
В.С. ЄРЕМЕНКО, канд. техн. наук, доцент, НАУ, м. Київ
А.В. ПЕРЕЇДЕНКО, студент, НАУ, м. Київ
Є.О. ПІКОЛЕНКО, студент, НТУУ «КПІ», м. Київ
РАНЖУВАННЯ ІНФОРМАТИВНИХ ОЗНАК ПРИ
НЕРУЙНІВНОМУ КОНТРОЛІ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ
Описан способ ранжирования по информативности диагностических признаков при
многопараметровом контроле. Приведены результаты применения даного способа для отбора
признаков при контроле композиционных материалов методом низкоскоростного удара.
Ключевые слова: дисперсионный анализ, сотовые панели, классификация.
Описано спосіб ранжирування за інформативністю діагностичних ознак при
багатопараметровому контролі. Наведено результати застосування даного способу для
відбору ознак при контролі композиційних матеріалів методом низькошвидкісного удару.
159

Ключові слова: дисперсійний аналіз, стільникові панелі, класифікація.
This article is devoted to a method of ranking by informative diagnostic signs for multiparameter
monitoring. The results of this method for feature selection in the control of composite materials by
low-velocity impact.
Key words: analysis of variance, honeycombed, classification.
1. Вступ
Вибір найбільш інформативних параметрів, які мають максимальну
чутливість до зміни фізико-механічних властивостей досліджуваних об’єктів і
можуть бути використані для побудови вирішального правила контролю або
для проведення імітаційного моделювання, є одним з найважливіших етапів
при вирішенні задач діагностики та класифікації технічного стану об’єктів
контролю. Основною метою в роботі є дослідження та вибір оптимального
методу ранжування діагностичних ознак, тобто сукупності параметрів об’єктів,
які можуть безпосередньо використовуються при їх аналізі та прийнятті
діагностичних рішень. Формального підходу до вибору таких ознак не існує.
Однак щодо їх вибору, можна сформулювати загальні вимоги, такі як:
придатність для вимірювання та інформативність.
При вирішенні задачі оцінки інформативності ознак необхідно
враховувати вплив випадкових факторів, таких як наявність шумів у
вимірювальних каналах, випадкових похибок датчиків, просторової
неоднорідності композиційних матеріалів і т.п. Визначивши найбільш
інформативні ознаки, шляхом їх зміни можна провести моделювання сигналів
дефектоскопу, які є характерними для кожного класу, з метою формування бази
еталонних образів для проведення навчання систем діагностики, перевірки
достовірності їх роботи та валідації, тощо.
2. Постановка задачі
Нехай заданий вектор ознак розмірності M, X ∈ { x1 , x2
, ,
xM
} . Серед них
необхідно вибрати найбільш інформативні, тобто отримати новий вектор ознак
Y ∈ { y1 , y2
, ,
yL
} (множина ознак, які потрібно виділити в процесі селекції),
причому L < M . Тоді задача селекції фактично зводиться до відображення
однієї множини в іншу: X → Y .
Запропонований спосіб – це спосіб виділення ознак, які характеризуються
великими дисперсіями між класами і малими всередині класів. Основними
причинами для скорочення числа ознак є той факт, що використання при
діагностиці ознак, на значення яких сильно впливає дія випадкових факторів,
може призвести до зниження достовірності контролю та прийняття невірного
рішення. Також скорочення числа ознак дозволяє зменшити обчислювальну
складність та підвищити загальність класифікатора.
Задачу відбору діагностичних ознак можна вирішити за допомогою
дисперсійного аналізу. Дисперсійний аналіз проводиться для оцінки ступеня
зміни ознаки під впливом певних змінних факторів (багатофакторний аналіз)
або фактору (однофакторний аналіз), що контролюється. В загальному вигляді
задача дисперсійного аналізу складається з того, щоб із загальної дисперсії
виділити дисперсію, що обумовлена впливом фактору (факторна дисперсія), та
160

обумовлену дією неврахованих факторів (залишкова дисперсія). Тоді рівень
впливу фактору визначається за коефіцієнтом значущості η
x
= C
x
/ C
y , де С х –
факторна дисперсія, С y – загальна дисперсія.
Ступінь впливу фактору на зміну діагностичної ознаки визначається
шляхом порівняння з певним пороговим рівнем. Ознаки, які мають велику
ступінь впливу фактору на зміну їх значень, формують результуючий вектор,
який в подальшому може використовуватись в задачах діагностики та
класифікації.
3. Результати досліджень
Дослідження проводилися на зразках стільникових панелей, що описані в
[1]. Ступінь пошкодження зразків оцінювався в залежності від зміни форми
імпульсу сили ударної взаємодії (ІУВ) [2]. Оскільки форма зображених на рис.
1 досліджуваних імпульсів в роботі [1], є близькою до форми функцій косинуса
та синуса, то для їх спектрального перетворення застосовувались дискретні
перетворення Хартлі (ДПХ) [3], косинуса (ДКП) та синуса (ДСП) [4]. В якості
множини інформативних ознак використовувалися коефіцієнти розкладу
реалізацій ІУВ за описаними функціями.
Перевага вибраних перетворень над поширеним тригонометричним
перетворенням Фур’є полягає у відсутності комплексної складової спектру, а
також в набагато менших обчислювальних затратах. Число необхідних
2
операцій для перетворення Фур’є дорівнює O( N ln N ) , тоді як для ДКП і ДСП
кількість операцій складає O( N ln N ) .
У зв’язку з тим, що базисні функції близькі за формою до реальних
сигналів, що досліджувались, то основна частина енергії сконцентрована у
перших гармонічних складових спектру. Розкид значень коефіцієнтів
спектрального розкладу у базисі Хартлі, який викликано випадковими
факторами представлено в табл. 1.
Границі розкиду значень коефіцієнту
Таблиця 1. Границі розкиду значень коефіцієнтів у базисі Хартлі
№ коеф.
Тип ділянки
Без дефекту Дефект 1 Дефект 2 Дефект 3 Дефект 4
0
верхня 113,16 46,07 43,49 27,05 12,18
нижня 56,88 22,94 21,75 12,04 5,63
1
верхня -5,39 -8,29 -6,76 -6,68 -2,99
нижня -10,71 -16,15 -14,85 -14,94 -6,63
2
верхня -16,01 -2,21 -3,40 2,48 -0,22
нижня -29,46 -4,47 -5,75 0,91 -0,39
3
верхня -1,21 0,06 1,15 -0,13 -0,21
нижня -10,40 -0,79 0,70 -0,70 -0,45
4
верхня 3,79 0,58 -0,22 -0,29 -0,14
нижня 2,17 -0,15 -0,80 -0,51 -0,23
5
верхня -1,02 -0,40 0,37 0,68 -0,10
нижня -2,61 -0,87 0,13 0,18 -0,17
6
верхня 1,56 0,76 0,20 0,16 -0,09
нижня -0,44 0,34 -0,30 -0,14 -0,15
7 верхня 2,00 -0,27 0,25 -0,05 -0,08
нижня -0,03 -0,48 0,08 -0,16 -0,13
161

8
верхня -0,33 0,46 0,22 0,27 -0,08
нижня -1,03 0,21 -0,16 0,04 -0,11
Розраховані спектри імпульсів є загасаючими, це дозволило обмежити
число аналізованих коефіцієнтів до перших n
1 , оскільки вони несуть понад
99% повної енергії ІУВ. Аналізуючи дані з табл.1, можна зробити висновок, що
для розкладу в кожному базисі можна виділити сукупність коефіцієнтів, які
відповідають двом вимогам: є найбільшими за величиною, порівняно з іншими
та дають змогу відділити значення коефіцієнтів спектрального розкладу
характерних для кожного класу. Кількісно цей висновок можна обгрунтувати,
використовуючи коефіцієнт, отриманий із нерівності Бесселя,
n1
−1
n−
1
2
2
K
n, n
= ∑ a /
1
j ∑ ak
, який характеризує енергетичний вклад перших 1
j = 0 k = 0
n –
складових розкладу у повну енергію інформаційного сигналу; а k – значення
спектрального коефіцієнту, n – загальна кількість спектральних складових.
Використовуючи ДПХ, ДКП і ДСП, для того, щоб було K
n, n
> 0. 99
1
,
достатньо взяти n = 1
10 в базисі ДПХ та ДКП, та n = 1
15 в базисі функцій
синуса дискретного аргументу.
Таким чином, якщо вибрати n
1 перших коефіцієнтів розкладу в якості
діагностичних ознак, то вони згідно з наведеними вище результатами будуть
характеризувати складові розкладу, що вносять в енергію інформаційного
сигналу найбільший вклад (в даному випадку більше 99%). Отже, доцільно
вибрати в якості базису розкладу – базис Хартлі та базис косинусних функцій, в
якому n
1 – найменше. Це також зменшує обчислювальні витрати та підвищує
ефективність роботи з отриманими сигналами.
Одні коефіцієнти розкладу більшою мірою схильні до впливу випадкових
факторів, чим інші, тобто мають велику внутрішньогрупову дисперсію. Крім
того, коефіцієнти спектрального розкладу по різному змінюються при зміні
ступеня дефектності виробу, тобто мають різні значення факторної дисперсії.
Отже, враховувати всі отримані n
1 спектральні складові не має сенсу, це
призводитиме до невиправданого ускладнення вирішального правила
діагностики і відповідному збільшенню обчислювальних витрат.
Для отриманих значень коефіцієнтів розкладу ak
, k = 0, n1
з метою
виявлення найбільш інформативних коефіцієнтів було проведено процедуру
дисперсійного аналізу. Для цього для кожного коефіцієнту були визначені
загальне розсіяння Су, внутрішньогрупове (розсіяння всередині однієї групи
коефіцієнтів, що характеризують один клас) Сz та міжгрупове (розсіяння між
групами коефіцієнтів, що характеризують різні класи) Сх розсіяння значень
досліджуваної ознаки. Мірою впливу ступеня дефектності виробу на зміну
величини інформативних ознак є коефіцієнт значущості η x .
Для формування множини діагностичних ознак слід використовувати такі
коефіцієнти ak
, k = 0, n1
, значення η xk .для яких перевищує деякий пороговий
рівень. На рис. 1,2 стовпчики, що відповідають коефіцієнтам розкладу, для яких
коефіцієнт η x .перевищує рівень 0,95, виділені суцільним кольором. Таким
162

чином процедура ранжування діагностичних ознак виконується в два етапи:
вибір із всієї множини коефіцієнтів спектрального розкладу n1 коефіцієнтів, які
'
мають найбільшу енергію, і вибір з n1 таких коефіцієнтів (кількістю n
1 ),
значення яких найбільше залежать від ступеня пошкодження зразка і найменше
від впливу випадкових факторів.
Рис. 1. Оцінка впливу фактора в
базисі функцій Хартлі
Рис. 2. Оцінка впливу фактора в
базисі косинусних функцій
Коефіцієнти спектрального розкладу для ДКП з номерами 12 та 18, а також 19 для ДПХ не
були враховані в подальшому аналізі, оскільки вони мають незначну енергію (менше 0,001 %
від сумарної енергії інформаційних сигналів).
Аналіз приведених діаграм показує, що найбільш інформативними є п’ять коефіцієнтів
спектрального розкладу у випадку ДПХ (a 0 , a 2 , a 4 , a 5 , a 8 ) і ДКП (a 0 , a 3 , a 4 , a 6 , a 7 ).
4. Висновок
Отримані результати проведеного дослідження підтверджують
доцільність процедури попереднього відбору діагностичних ознак при
проведенні багатопараметрового неруйнівного контролю виробів на основі
дисперсійного аналізу, який дозволяє здійснювати їх ранжирування за
чутливістю (інформативністю) до зміни стану об'єкту контролю.
Так чином, визначені коефіцієнти спектрального розкладу
інформаційного сигналу можуть бути використані в подальшому в якості
діагностичних ознак для налаштування класифікатора при вирішенні задач
неруйнівного контролю. Також відповідні коефіцієнти доцільно
використовувати для проведення імітаційного моделювання інформаційних
сигналів дефектоскопів з метою формування навчальної або контрольної
вибірки для, відповідно, попереднього навчання класифікатора та побудови
простору можливих класів дефектів або для перевірки достовірності його
роботи.
Список літератури: 1. Еременко, В.С. Формирование пространства
диагностических признаков при многопараметровом контроле / В.С.
Еременко, В.М. Мокийчук, Е.Ф. Суслов // Восточно-Европейский журнал
передовых технологий.– 2008.– №2. – С. 48 – 50. 2. Еременко, В.С.
Обнаружение ударных повреждений сотовых панелей методом
низкоскоростного удара / В.С. Еременко, В.М. Мокийчук, А.М.Овсянкин //
Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2007. – №1. – С. 24-27. 3.
163

Брейсуэлл, Р., Преобразование Хартли: Теория и приложения : Пер. с англ. –
М.: Мир, 1990. – 175 с. 4. Martucci, S.A., Symmetric convolution and the discrete
sine and cosine transforms / S.A. Martucci // IEEE Trans. Sig. Processing. – 1994.
– SP-42. – Р. 1038-1051.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 658.5. 011. 56
Е.А. ЛАВРОВ, докт. техн. наук, профессор, СумГУ, г. Сумы
Н.Б. ПАСЬКО, ст. препод., Сумской национальный аграрный
университет
ОПТИМИЗАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ
ВОЗМОЖНОГО УЩЕРБА ОТ ОШИБОК ЧЕЛОВЕКА-
ОПЕРАТОРА
Рассматривается задача выбора способа реализации алгоритма функционирования
дискретной человеко-машинной системы, обеспечивающего минимум ущерба от
возможных нарушений. Базовая модель-граф событий.
Ключевые слова: алгоритм функционирования, целевая функция, оптимизационная модель.
Розглядається задача вибору способу реалізації алгоритму функціонування дискретної
людино-машинної системи, що забезпечує мінімум збитку від можливих порушень. Базова
модель-граф подій.
Ключові слова: алгоритм функціонування, цільова функція, оптимізаційна модель.
The task of choice of method of realization of algorithm of functioning of the discrete of «manmachine»
system is examined. A choice is provide a minimum of harm from possible violations.
Base model is count of events.
Keywords: algorithm of functioning, objective function, count of events.
1. Введение
Задача выбора способа взаимодействия человека-оператора с
программно-техническими средствами АСУ в различных постановках
достаточно полно рассмотрена в работах научной школы проф. Губинского
А.И. [1]. Процессы возникновения ошибок учитывались, как правило,
введением показателя “вероятность безошибочного выполнения”. Этот
показатель использовался как при формировании целевой функции, так и при
задании ограничений. Однако, различные ошибки могут вести к различным
последствиям [2,3], которые по-разному влияют на эффективность
функционирования. Сегодня оптимизация функционирования не может быть
построена на бинарной модели “есть ошибка - нет ошибки”. Важно знать не сам
факт ошибки, а минимизировать возможный ущерб. Так, например,
украинский представитель компании Toyota на своем сайте [4], посвященном
автоматизированным складам, отмечает: “Вероятность ущерба в складских
операциях может быть очень значительной, от повреждения техники и до
повреждения обрабатываемого груза и товаров, и, что самое важное,-
164

телесные повреждения персонала”. Учитывая, что модели ошибок,
приводящие к нарушениям разных типов, получены [3], приобретает
актуальность задача “уметь” выбирать организацию деятельности оператора,
обеспечивающую при заданных ограничениях минимум возможного ущерба от
нарушений.
2. Постановка задачи. Заданы: - структура алгоритма функционирования
(АФ) системы “человек-машина” (СЧМ), определяемая множеством операций
() и множеством связей между ними (); -
множество возможных способов реализации каждой операции (); - множество возможных нарушений технологического процесса
(); - математическое ожидание значения экономического
ущерба от нарушения каждого типа и их комбинаций – (); - для каждого способа реализации
каждой операции - множество характеристик времени и безошибочности
(), состав которого определяется типом
операции [1]; - максимально допустимое время реализации АФ - Т 0 .
Необходимо: для каждой операции выбрать такой способ, чтобы
обеспечить минимум математического ожидания возможного ущерба от
выполнения АФ и значение математического ожидания общего времени
выполнения АФ, меньшее заданного значения Т 0 .
В общем виде задачу можно представит в виде задачи минимизации
ущерба с ограничением на среднее время выполнения алгоритма:
V ( X ) → min
(1)
T ( X ) ≤ T0
, (2)
X ∈ X ′
(3)
где X - вектор, характеризующий вариант структуры АФ; V(Х) –
численное выражение ущерба в результате внесения ошибок разных типов;
T ( X)
- среднее время выполнения алгоритма; Т 0 - максимально допустимое
время реализации функции; X' - область допустимых решений.
3. Разработка математической модели.
3.1. Алгоритм перехода от графа работ к графу событий. Наиболее
общей моделью, используемой для оптимизации АФ, является граф событий.
Переход от графа работ к графу событий обоснован в [1].
Построение графа событий для учета вектора возможных исходов
реализации АФ приведено в [3]. Пример перехода показан на рис.1.
а
Р
К
6
1
б
7
2
5
8
3
9
4
165
Рис.1. ТФС «Рабочая – контроль
функционирования». Граф работ (а),
граф событий (б). Поглощающие
вершины: 1- безошибочный исход; 2
– выполнение АФ с ошибкой 2-го
типа; 3 – выполнение АФ с ошибкой
1-го типа; 4 – выполнение АФ с
ошибкой 1-го и 2-го типа

3.2 Разработка модели выбора способов выполнения операций.
3.2.1. Модель полумарковского процесса, описывающего граф
событий. Используя [1], представим граф событий в виде следующей модели.
Пусть N – общее число вершин. В каждой вершине i может быть K i способов
выполнения работы. Каждому решению соответствует свой набор переходов,
(k)
который характеризуется P ij - вероятностью перехода из вершины i в вершину
( k )
j при выборе k –го решения, k ЄK i. . Причем: ∑ p
ij
= 1
при всех i и при всех
(k )
kЄK i . Tij
- среднее время i-й работы при k-м решении при переходе в вершину
(k )
j. Среднее ожидаемое время i-й работы при k-м решении Ti
вычисляются по
формуле:
T
=
∑
P
T
( k )
( k ) ( k )
i
ij ij
j
j
. Каждому варианту окончания функционирования на
графе событий ставим в соответствие поглощающее состояние. Поглощающие
вершины нумеруем первыми r натуральными числами . В их число входят
интересующие нас исходы r l . Вершины s, m,…,n будем называть зависимыми,
если в них должны приниматься одинаковые решения. Для непоглощающих
вершин, зададим вектор начальных вероятностей: a = (a r+1 , a r+2 , …,a n ), при этом
N
∑
: a
i
= 1.
i=
r + 1
Под оптимизацией АФ понимается выбор в каждой вершине такого
решения, чтобы целевой функции доставлялся экстремум.
3.2.2. Разработка способа формализации задачи выбора варианта АФ.
Составим выражение для целевой функции. Введем обозначения: e 1 , e 2 ,…,e j -
элементы множества E; L – множество всевозможных сочетаний по j элементов
(j=1,2,…,E 0 ) из элементов множества Е. Все возможные сочетания,
моделирующие одновременное наличие j различных ошибок, определяем как
коэффициенты ß j производящей функции при s j (s – любое число):
E
0
j
F( s)
= ∑ β
j
s = (1 + e1s)(1
+ e2s)...(1
+ eE
s)
,
0
j = 0
(4)
В общем виде элемент множества lЄL (т.е. сочетание элементов
множества Е по j элементов) запишется следующим образом:
l ...
= eh
eh
e , (5)
1 2 hj
где: h 1 = 1,2,3,…,E 0 ; h 2 = 2,3,4,…,E 0 ; h j = j,j+1,j+2,…,E 0 ; j=1,2,…,E 0 ;
Пусть: B 0 l(X) – вероятность выполнения АФ с ошибками, определенными
сочетанием lЄL (5); α l – величина ущерба от реализации функции с
нарушениями, определенными сочетанием lЄL (5). Тогда формула для
выражения целевой функции V(Х), определяющей величину ущерба в
результате внесения ошибок разных типов, будет иметь вид:
V ( X ) = ∑ α B 0 l l
( X )
(6)
l∈
L
Выражение для B 0 l(X) в формуле (6) зависит от способа описания АФ
графом событий или графом работ. При описании АФ графом событий
выражение для целевой функции поставленной задачи будет иметь вид:
166

V ( X )
N
( k ) ( k )
= ∑ α
l ∑ ∑ ∑ Pis
x
l i
(7)
l∈
L sl
i= r+
1k∈
Ki
Здесь x (k) i - переменная, которая характеризует выбор решения: x (k) i>0 в
том случае, если в i-й вершине для выполнения работы выбрано k-е решение, и
x (k) i =0, в противном случае. Для учета ограничения на среднее время
выполнения алгоритма и учета зависимых вершин вводятся булевские
(k )
переменные δ
i (для k-го решения в i-й вершине). Тогда, задача обеспечения
минимума ущерба от возможных нарушений, принимает вид:
V ( X )
= ∑ ∑ ∑ ∑
l∈
L
( k ) ( k )
α
l
P xi
→ min
(8)
∑
k∈K
sl
( k )
j
N
i= r + 1k∈
Ki
N
isl
x P x = a
− ∑ ∑
i= r+
1 k∈K
N
∑
( k )
ij
i=
r + 1
∑
∑
j
( k )
i
∑
k∈
Ki
j
P
, j=r+1,r+2,…,N (9)
( k )
ij
T
( k )
ij
x
( k )
i
≤ T
0
(10)
( k )
δ
i
= 1
при всех i, (11)
k∈
K i
( k ) ( k )
( k )
s
= δ
m
= ... δ
n при всех k ЄK i (12)
δ =
( k ) ( k )
xi
− Mδ i
≤ 0 при всех i и всех k ЄK i. (13)
( k )
− m ≥ 0
( k )
xi
δ
i
при всех i и всех k ЄK i (14)
r
N
∑ ∑ ∑
j = 1 i = r + 1 k∈
Ki
( k ) ( k )
P
ij
xi
= 1,
(15)
( k )
xi
≥ 0 при всех i и всех k ЄK i. (16)
Здесь m и M – достаточно малое и достаточно большое числа.
Ограничение (15) требует, чтобы с вероятностью 1 процесс поглотился.
(k )
(k )
Ограничение (11) для δ
i требует, чтобы для каждого i только одно δ
i было
равно единице. Это означает, что в каждой вершине i для выполнения работы
принимается только одно k-е решение, kЄK i . Ограничение (13) требует, чтобы
(k )
при каждом i не более чем одно xi
было отлично от нуля (совместно с
ограничением (16)). Ограничение (14) требует, чтобы при каждом i одно или
(k )
более xi
было отлично от нуля. Совместно (13) и (14) требуют, чтобы лишь
(k )
одно xi
было отлично от нуля. Ограничения (10), (12) моделируют,
соответственно, ограничение на среднее время выполнения и зависимость
вершин. Решение задачи (8)-(16) обладает свойством, что для каждого i только
(k )
один x
i отличен от нуля, и, таким образом, находим оптимальное решение в
каждой вершине.
4.Направления дальнейших исследований. 1.Формирование банка
моделей для реальных АФ АСУ. 2. Распространение результатов на задачу
формирования группы операторов, назначаемых оператором – руководителем
на реализацию АФ с учетом их функциональных возможностей и
совместимости в группе.
Выводы.
167

Таким образом, исходная задача сведена к задаче линейного
программирования. Достоинство – возможность реализации с использованием
стандартных ППП. Недостаток – трудоемкость перехода от графа работ к графу
событий (устраняется путем формирования банка моделей типовых АФ).
Компьютерные эксперименты по оптимизации АФ реальных АСУ,
проведенные в МS EXCEL, подтвердили приемлемую вычислительную
сложность и практическую значимость результатов.
Список литературы: 1. Информационно-управляющие человеко-машинные системы:
Исследование, проектирование, испытания [Текст] : Справочник/ А.Н. Адаменко, А.Т.
Ашеров, И.Л. Бердников и др. ; под общ. ред. А.И. Губинского и Е.Г. Евграфова - М. :
Машиностроение, 1993. – 528с. 2. Козачко, О.М. Моделювання надійності алгоритмічних
процесів, які виконуються з помилками різних типів [Текст] : автореф. дис. ... к-та техн. наук
: 01.05.02 / О. М. Козачко ; [Національний технічний університет] . — Вінниця, 2006. — 19 с.
3. Лавров, Е.А. Моделирование надежности человеко-машинных систем: учет ошибок
разных типов [Текст] / Е.А. Лавров, Н.Б. Пасько //Восточно-европейский журнал передовых
технологий. Сер. "Системы управления. Информационные технологии". – 2007. №2/2 (26)
-С.25-35. 4. Обучение операторов складской техники Toyota [Электронный ресурс] / ООО
«ФОРСТОР».— Режим доступа : \WWW/ URL: http://forstor.com.ua/driver-training.html/ —
28.11.2010 г. — Загл. с экрана.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 004.942:519.876
В. А. ЛЫФАРЬ, зав. відділом, ТОВ “ Науковий центр вивчення ризиків
“РІЗІКОН”, м. Сєвєродонецьк
С. А .САФОНОВА, ст. викл., Технологічний інститут Східноукраїнського
національного университету імени Володимира Даля, м. Сєвєродонецьк
МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В СИСТЕМЕ
ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДИСПЕТЧЕРОМ В УСЛОВИЯХ
АВАРИИ
Рассмотрены информационная технология и программно-аппаратный комплекс поддержки
действий диспетчера в аварийных ситуациях.
Ключевые слова: информационная технология, аварийная ситуация, модель.
Розглянуті інформаційна технологія і програмно-апаратний комплекс підтримки дій
диспетчера в аварійних ситуаціях.
Ключові слова: інформаційна технологія, аварійна ситуація, модель.
Information technology and software-hardware system to support controller operations in
emergency are considered .
Keywords: information technology ,emergency, model.
1. Введение
При возникновении аварийных ситуаций на опасных объектах могут
реализоваться угрозы: возникновение огненных шаров, распространение облака
отравляющих веществ, образование зоны загазованности топливовоздушной
168

смесью рабочего пространства, взрыв. Представленные угрозы реализуются
обычно в течение малого времени с момента возникновения аварии. Кроме
того, опасные процессы, характеризуемые зонами поражения, происходят в
реальном масштабе пространства и времени, зависят от текущих погодных
условий и масштабов аварии [1].
В таком случае диспетчер должен в сжатый срок и безошибочно
выполнить оповещение определенных должностных лиц, служб,
производственного персонала по телефонным линиям и локальной системе
оповещения; координировать действия по локализации аварии, минимизации
ущерба и потерь. Чтобы ускорить выполнение необходимых в случае аварии
операций, минимизировать возможность ошибки диспетчера, а также получить
в короткий срок объективный прогноз развития опасных событий, разработаны
информационная технология и программно-аппаратный комплекс поддержки
действий диспетчера в аварийных ситуациях, который состоит из следующих
модулей:
- аппаратная группа (рис.1), включающая комплекс компьютеров и
средств отображения информации, локальную сеть, автоматическую цифровую
метеостанцию, локальную систему оповещения и АТС, управляемые
цифровыми коммутируемыми средствами;
Рис.1. Структурная схема автоматизированной
системы поддержки принятия решений при
возникновении и развитии аварий для
диспетчерской службы
-программный пакет,
содержащий средства
моделирования негативных
физических процессов и
позволяющий проводить
предварительный анализ и
прогноз параметров
поражений для указанных
видов угроз;
- программный комплекс,
позволяющий наполнять и
редактировать базу данных,
содержащую информацию
об источниках опасности,
видах угроз, данные о
персонале, службах и
объектах ответственности.
2. Математическая модель информационных потоков
Математическая модель информационных потоков основана на
последовательности преобразований входной текущей и хранящейся
информации и формализуется следующим образом. Функция опасности
объекта представляется как D = P,
E,
M , R ,
пр подр об - вектор параметров, определяющий расположение
источников опасности в метрическом пространстве; E - вектор текстовых
семантических параметров, определяющий тип аварийного события; M -
где P = [ P , P , P ] T
169

вектор параметров, характеризующих масштаб и условия аварийного процесса;
R = [ R ] T
d , R s - вектор параметров, характеризующих действия диспетчера R d в
различных ситуациях и список оповещения R s , формируемый динамически на
основе данных прогноза.
Пусть производство состоит из i подсистем, тогда для любой i -й
подсистемы определяется полная функция D i . Предполагается, что известны:
- детерминированные модели физических процессов, которые могут
возникать в i -й подсистеме при аварии: fij : S
ij
→ Ф
ij
, j = 1..
J (набор
элементарных событий) ,
где S ij - вектор параметров, определяющий начальное состояние i -й
подсистемы; Ф
ij - вектор фазовых переменных элементарных физических
процессов, которые могут возникнуть в i -й подсистеме при чрезвычайной
ситуации (ЧС);
- состояние средств технического обеспечения оповещения и
определения погодных условия, представленное вектором усредненных
параметров T ij по времени усреднения ∆ t .
Для анализа и предвидения последствий техногенных аварий
рассматривается комплексная модель чрезвычайной ситуации, включающая:
- имитационную модель (дискретно-событийную)
развития аварии в
форме «дерева процессов» - µ k : {( S,
Ф,
Pk
)
i
,θ k } → M ki, где S i = { S ij } , Ф i = { Ф ij },
M k = ∑ M ki
.
i
.
- детерминированные модели fij : Sij
→ Фij
, j = 1..
J
3. Система поддержки действий диспетчера
Таким образом, необходимо в заданное время провести: операции ввода
начальной информации; выполнить математическое моделирование
детерминированных физических процессов, провести сравнение и выделить
объекты, для которых прогнозируемые последствия превышают приемлемый
M k M
уровень ( > прием , где прием - вектор значений приемлемых последствий);
определить значения вектора R на основе результатов работы
детерминированной модели; выполнить операции информационного обмена
средств автооповещения. В процессе работы в аварийной ситуации
программные средства ведут мониторинг действий диспетчера в реальном
времени.
На основе анализа опасности и планов ликвидации аварийных ситуаций
предприятия определяются источники опасности, создается электронная
объектная карта предприятия и прилегающей местности в масштабе,
соответствующем максимальной угрозе.
На основании проведенного анализа наполняется база данных (рис. 2а). В
M
таблицах базы указываются места расположения источников опасности;
осуществляется привязка аварийного участка к объектным картам,
выполненным в реальном масштабе; задаются растровые и векторные карты
для отображения; определяются виды угроз, реализация которых возможна для
170

данного источника опасности; вносятся детерминированные данные для
физико-математического моделирования и определения параметров при
прогнозе; наполняются таблицы по обязательному оповещению и действиям
диспетчера в выбранной аварийной ситуации.
Система зачитывает текущие данные о ландшафтных погодных условиях,
выработанные в течение заданного времени усреднения автоматической
метеостанцией. Используя встроенные модели, система выполняет расчет,
генерирует и отображает графические и табличные результаты прогноза (рис.
2б), генерирует списки обязательного и дополнительного (по объектам
ответственности в зоне действия поражающих факторов) оповещения и
подсказку действий диспетчера .
Если в течение заданного времени система не получит команду «отбой»
для генерированных списков оповещения, она автоматически выполняет
автодозвон по выделенным параллельным линиям АТС и каналам локальной
системы оповещения.
Рис.2. Результаты работы системы: а) база данных опасных объектов; б)
графическое отображение результатов прогноза.
Графические данные прогноза отображают зоны воздействия опасных
факторов во времени и пространстве для различных видов угроз, пути
эвакуации. Табличные данные содержат сведения о параметрах аварии,
объектах, находящихся в зоне опасности, расстоянии до источника опасности,
времени начала воздействия на объект, количестве людей в объектах и в зоне
поражения и другие тактические данные.
Время от момента активизации службы «Авария» до получения прогноза
и начала автоматического оповещения не превышает одной минуты. В течение
всего времени, начиная с момента активизации службы «Авария» до момента
окончания всех действий диспетчера, система фиксирует все события в
реальном времени.
Важной частью системы поддержки действий диспетчера является
достоверность и информационная полнота прогноза. Прогноз основан на
использовании данных о реальном состоянии окружающей среды в момент
возникновения аварии и физико-математических моделях. Программный пакет,
осуществляющий прогноз, позволяет получить сведения об опасных зонах,
171

времени и степени угрозы для каждого объекта в прилегающем пространстве,
количестве и местах нахождения людей, попадающих в зону поражения,
заранее подготовленных данных о возможных путях эвакуации.
Прогноз проводится на основании непрерывно получаемых и
обрабатываемых данных цифровой метеостанции. Обработка данных
проводится таким образом, чтобы используемые усредненные значения
параметров ветра давали максимально достоверный прогноз на время
ликвидации последствий аварии и эвакуации людей из опасных зон. При
прогнозе учитывается возможность отклонения ветра от среднего направления
[2].
Генерация таблиц оповещения проводится на основании сведений,
внесенных в базу данных диспетчера, и логического вывода системы о степени
«захвата» объектов ответственности зоной поражения. В случае бездействия
диспетчера в течение настраиваемого времени или подтверждения диспетчером
предложения системы о начале оповещения проводится параллельное адресное
оповещение с контролем выполнения. Диспетчер получает подсказку действий
на мониторе собственного компьютера и наблюдает процесс автооповещения
по мере выполнения заданий таблиц оповещения. Выполняя задачи,
поставленные перед ним в процессе ликвидации аварии, диспетчер отмечает на
своем компьютере выполненные задачи. Система фиксирует эти действия в
реальном времени и ведет полный отчет о событиях.
Данные прогноза дублируются на компьютере штаба ГО и ЧС
предприятия. В случае уточнения прогнозируемых последствий диспетчер
может повторить прогноз с учетом вновь определенных обстоятельств и
измененных параметров. В этом случае система вновь генерирует таблицы
оповещения, обновляет графические и табличные данные прогноза.
Диспетчер в процессе работы может редактировать данные в базе
данных, провести учебную тревогу, активизировать режим авария. В момент
приема дежурства диспетчер запускает систему под управлением своего
профиля и вводит пароль. Система идентифицирует ответственного и ведет
журнал изменений в процессе дежурства по системному времени.
Режим учебной тревоги отличается от реальной аварии тем, что
диспетчер на свое усмотрение может отключить оповещение или провести его с
обязательной генерацией сообщения о том, что тревога учебная и проводится
проверка систем.
В процессе работы системы выполняется ручная и автоматическая
проверка целостности данных и работоспособности средств комплекса. В
случае сбоя или ошибки системы формируется текстовый отчет о проверке, в
котором указываются места ошибок.
Комплекс содержит систему настроек и файлов обмена данными
открытого формата, позволяющих адаптировать данную разработку к условиям
различных диспетчерских пунктов. Передача комплекса пользователю в
полном объеме дает возможность работникам диспетчерского пункта и
службам ГО и ЧС предприятия самостоятельно изменять настройки и данные в
случае изменения технологии производства или системы оповещения.
172

Выводы
Таким образом, создание информационной технологии и программноаппаратного
комплекса поддержки действий диспетчера в аварийных
ситуациях позволяет ускорить выполнение необходимых в случае аварии
операций и минимизировать возможность ошибки, связанной с
психологическими и субъективными особенностями человека, а также
получить в короткий срок объективный прогноз развития опасных событий
Список литературы: 1. РД-03-26—2007. Методические указания по оценке последствий
аварийных выбросов опасных веществ [Текст] - Сер. 27. Вып. 6 / Колл. авт. - М.:
НТЦ «Промышленная безопасность», 2008. - 124 с. 2. Братсерт, У.Х. Испарение в
атмосферу. Теория, история, приложения [Текст] / У.Х. Братсерт. - Л.:
Гидрометеоиздат, 1985. - 352 с.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 519.179, 004.942
О.О. СУПРУНЕНКО, канд. техн. наук, доцент, Черкаський національний
університет імені Богдана Хмельницького
МОДИФІКАЦІЯ ПІДСИСТЕМ ЗАХИСТУ ІНФОРМАЦІЇ
НА ОСНОВІ МЕРЕЖ ПЕТРІ
У статті розглядаються проблеми розробки підсистем захисту програмного забезпечення.
Пропонується проводити моделювання, аналіз та модифікацію підсистеми захисту програми
на моделі, побудованій на основі модифікацій мереж Петрі.
Ключові слова: підсистеми захисту, модель алгоритму програми, мережі Петрі.
В статье рассматриваются проблемы разработки подсистем защиты программного
обеспечения. Предлагается проводить моделирование, анализ и модификацию подсистем
защиты программ на модели, построенной на основе модификаций сетей Петри.
Ключевые слова: подсистемы защиты, модель алгоритма программы, сети Петри.
In the article considered the problems of the development of subsystems protection software. It is
proposed to carry out simulation, analysis and modification of sub-programs on protection model
based on modifications of Petri nets.
Keywords: security subsystem, the model algorithm programs, Petri nets.
Вступ
При проектуванні та реалізації комерційних програмних продуктів
однією з основних задач є їх захист від несанкціонованого використання. При
випуску певної кількості екземплярів програмного продукту є потреба у
створенні та коректній модифікації підсистем захисту інформації, оскільки при
широкому використанні програмного продукту велика імовірність спроб зламу
захисних механізмів, що може принести значні збитки компанії-виробнику.
Окрім того, статичні модифікації захисних модулів слабкі до атак перетворення
програмного коду, що вимагає застосування динамічних механізмів
модифікації. Тому на даний час для захисту серійних програмних продуктів від
нелегального копіювання та використання є потреба у створенні стійких
підсистем ліцензійного захисту.
173

1. Виділення проблеми та постановка задачі
При створенні захисних підсистем широко застосовуються емпіричні
підходи, які добре себе зарекомендували. Деякі з них – це апаратні ключі,
активізація програмних продуктів через Internet, застосування методів та
механізмів боротьби з відладкою та декомпіляцією [1]. Але час зламу цих
систем останні часом скоротився і має термін від кількох годин до місяців.
Підґрунтям для таких досягнень послужив швидкий розвиток сучасного
апаратного забезпечення та вдосконалення методів динамічного дослідження
програмних систем [2].
На сьогоднішній день назріла необхідність створення систем ліцензійного
захисту, які використовують не тільки емпіричні підходи, але й мають
теоретичне обґрунтування стійкості. Тому при виборі засобів розв‘язання цієї
задачі потрібно обирати методи з розвиненою аналітичною базою. Крім того,
необхідна розробка методів перетворення стійких алгоритмів захисту
програмних продуктів для формування серійних підсистем захисту програм.
Особливість таких алгоритмів полягає у перетворенні елементів даних у
паралельних алгоритмічних структурах, які є частково-залежними MIMDсистемами,
без зниження рівня стійкості систем захисту.
2. Аналіз засобів розв‘язання задачі
Для моделювання захисних підсистем пропонується застосувати апарат
мереж Петрі, який дозволяє відображати структурні і динамічні особливості
паралельних алгоритмів, а також відслідковувати виникнення критичних
ситуацій [3] при побудові та імітації роботи мережевих моделей.
В даній роботі пропонується створення програмного інструментального
засобу для захисту від несанкціонованого використання програмних продуктів,
який дозволяє будувати паралельні алгоритмічні моделі на основі безпечних
мереж Петрі [3-4], для генерації підсистем захисту програм. В моделюючому
середовищі створюється граф керуючої логіки [4], в якому реалізується
алгоритм прихованого переходу на моделі, побудованій мережею Петрі. Граф
керуючої логіки програмного продукту і захисного модуля поєднуються у
єдину систему, що дозволяє протидіяти атакам на видалення захисного коду.
Структура модуля захисту формується на основі динамічної графової
моделі. Механізм нарощування складності графа керуючої логіки дозволяє
формувати різні за конструктивними ознаками захисні модулі. Теоретично
обґрунтована неможливість розв‘язання задач, які належать до класу NPповних
задач, за прийнятний час дозволяє довести теоретично стійкість
отриманих модулів. Наприклад, пошук повного підграфа порядку k в графі, що
вміщує певний гамільтонів шлях. В якості задач, розв‘язуваність яких
ускладнена нерозвиненістю математичного апарату, можна розглядати задачу
досяжності заданого переходу графа Петрі при невідомій початковій розмітці.
Використання динамічних структур даних і паралельної обробки
дозволяє ускладнити задачу аналізу коду захисного модуля. Підвищення
стійкості таких модулів обумовлено підвищеною складністю аналізу програми,
що розміщує свої дані у динамічній області пам‘яті; швидкоплинністю
процесів, що оперують цими даними; багатопоточною обробкою цих даних.
174

4. Приклад моделювання захисної підсистеми програмного продукту
Для побудови
підсистеми захисту, яка
дозволить перевіряти
серійний номер і право
володіння варіантом
програмного продукту,
застосовується модель на
основі безпечної мережі
Петрі [5]. Дана модель
дозволяє при нарощуванні
графа керуючої логіки
контролювати його
некритичність (рис. 1)
за допомогою статичних та динамічних властивостей.
Математично
однозначний опис та
перетворення графу (рис.
2.) на основі матриць
інцидентності та вектор
розмітки дає можливість
перевіряти умови
теоретичної стійкості
системи захисту.
Динамічне нарощування
відлагодженого графа
передбачене по елементах
допоміжних гілок з
Рис. 1. Фрагмент моделі перевірки ключового
слова, зображений безпечною мережею Петрі
(червоними дугами показані шляхи передачі
мітки)
Рис. 2. Матричне подання топології моделі,
побудованої на основі мережі Петрі
використанням генератора випадкових чисел на основі ряду однорідних
примітивів.
Розглянемо ділянку мережі Петрі (рис. 3), яка спрацьовує при подачі
певного двійкового числа на вхід. Вхідними у даній ділянці мережі є вершини
місць p 0 , p 1 , p 2 та p 3 .
При початковій розмітці p 0 = 1,
p 1 = 0, p 2 = 1, p 3 = 1 спрацюють
переходи t 0 і t 1 , наступними будуть
розмічені вершини місць p 4 , p 5 та p 6 .
За умов даної проміжної розмітки
зможе спрацювати перехід t 2 , а
перехід t 3 буде закритий. Вершина
місця p 7 моделює контрольну
вершину, якщо вона матиме розмітку,
то дозволить спрацювання одного з t 2
й t 3 , якщо не матиме, ці вершини
переходів будуть закриті.
175
Рис. 3. Ділянка мережі Петрі, яка
спрацьовує при початковій розмітці
вершин місць (1011).

На рис. 4 представлений варіант
нарощування мережі Петрі над
вершиною місця p 0 . Нарощування
може відбуватися за допомогою двох
типів примітивів – дозволяючих і
забороняючих. За допомогою
дозволяючого примітиву
нарощування може відбуватися над
вершинами p 0 , p 2 та p 3 (рис. 3), які
мають одиничну початкову розмітку.
Забороняючий примітив потрібно
під’єднувати до вершини місця p 1 .
Рис. 4. Варіант нарощування мережі
Петрі над вершиною місця p 0
Для створення надійних алгоритмів захисту на моделях, побудованих
елементами мереж Петрі, необхідно нарощувати модель з врахуванням
характеристики вершини та приєднуваного примітиву. Для забезпечення
надійної роботи алгоритму необхідно вирішувати задачу досяжності певної
розмітки µ
k з початкової розмітки µ
0 . Ця задача може розв‘язуватися на
матричному поданні моделі та за допомогою дерева досяжності [5]. У
матричному варіанті розв’язання задачі потрібно знайти цілочисельні розв‘язки
рівняння:
µ
k
= µ 0
+ ( I 0
+ Iv
) ⋅ x ,
де I
0 - матриця вхідних функцій, I
v - матриця вихідних функцій. Це
достатньо складна задача. Таким способом користуються у випадках, коли
цілочисельні розв‘язки можливо знайти за час, що не перевищує повне
відпрацювання мережі – повний перебір. У інших випадках використовують
дерево досяжності, на якому вирішують локальні задачі. Загальна задача
пошуку ключа теж приводить до повного перебору. Таким чином, аналіз
варіантів пошуку ключа у підсистемі захисту свідчить про надійність
алгоритму при достатньо великих розмірах ключа, порядку 56 біт і більше.
5. Висновки
У представленій моделі підсистеми захисту програмних продуктів
застосовані конструктивні примітиви на основі мереж Петрі. При нарощуванні
захисного коду у режимі конструктора модель дозволяє контролювати
досяжність кінцевої розмітки, що забезпечує надійність функціонування
захисту. Стохастична складова при формуванні остаточного графа ускладнює
процес аналізу захисного коду. До того ж динамічний граф управляючої логіки
захисного модуля поєднується з графом управляючої логіки програми, що
дозволяє запобігти успішним атакам на видалення захисного коду.
Дані результати можливо застосовувати як основу для формування
інструментарію формування ліцензійних підсистем захисту, аналіз коду яких є
задачею підвищеної складності.
176

Список літератури: 1. Касперски К. Фрагмент из второго издания книги "Техника и
философия хакерских атак 2000" [Электронный документ] http://www.wasm.ru/artic le.php
article = reg_ old . Проверено 23.09.2010 г. 2. Касперски К., Рокко Е. Искусство
дизассемблирования. – СПБ: БХВ-Питер, 2008. – 896 с. 3. Кузьмук В.В. Сети Петри и
моделирование параллельных процессов. – К.: ИПМЕ, 1985. – 64 с. (Препр. АН УССР,
Институт проблем моделирования в энергетике; №17). 4. Доля А.В., Айрапетян Р.А. Защита
программных продуктов с помощью сложных математических объектов на примере сетей
Петри. // «Молодежь XXI века будущее Российской науки»: Тезисы докладов III
Межрегиональной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых. – Ростов-наДону: ЦВВР, 2005. – С. 26-27. 5. Романенко А.Ю., Супруненко О.О.
Модификация серийных подсистем защиты программного обеспечения на основе сетей
Петри. // Материалы IV Всероссийской конференции аспирантов и молодых учёных. – М.:
МИРЭА, 2010. – С. 78-81.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК: 621.311.681.5
Б.В. ФОМЕНКО, асистент, НТУУ «КПІ», м. Київ
О.В. СТЕПАНЕЦЬ, аспірант, НТУУ «КПІ», м. Київ
О.С. БУНКЕ, аспірант, НТУУ «КПІ», м. Київ
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ЗА РАХУНОК
ВРАХУВАННЯ ОБМЕЖЕНЬ КЕРОВАНОГО СИГНАЛУ
У роботі запропоновано використання алгоритмів керування в нелінійних системах з
врахуванням обмежень на керований сигнал. Представлені алгоритми на основі корекції
роботи ПІ - та IMC - регуляторів з компенсацією інтегрального насичення.
Ключові слова: нелінійні системи, ІМС-алгоритм, ПІ-регулятор з коректором, технологічні
обмеження.
В работе предложено использование алгоритмов управления в нелинейных системах с
учетом ограничений на регулируемый параметр. Представлены алгоритмы на базе коррекции
работы ПИ - и IMC - регуляторов с компенсацией интегрального насыщения.
Ключевые слова: нелинейные системы, ІМС-алгоритм, ПИ-регулятор с корректором,
технологические ограничения.
In the article the use of control algorithms for nonlinear systems with output constraints has been
proposed. There were presented algorithms based on the correction of the PI - and IMC - controllers
with integral compensation of saturation.
Key words: nonlinear systems, ІМС-algorithm, PI-controller with correction, output constraints.
1. Опис нелінійних систем керування з врахуванням обмежень
Розглянемо використання різних алгоритмів керування в структурних
рішеннях з врахуванням обмежень на параметр y
2 . Системи керування з
врахуванням обмежень представлені на рис. 1, 2.
177

Головний
y2
ea2
регулятор працює за
+
-
умови, що y2lo
Ј y2 yЈ 2hi
,
Регулятор
обмеженного u2
тобто, параметр y
параметру
2
верхньою та
+
нижньою
ulo
знаходиться в
границями
uhi
y2
+
заданому допустимому
WВИП
ea1 +
діапазоні. Якщо
- -
-
λ
r e1
+
y1
u1
Головний
WОБ
y2 > y2hi
або y2 < y2lo
, то + регулятор +
û
-
y1
спрацьовують
y1
відповідні регулятори
обмежень.
Рис. 1. Нелінійна система регулювання з
Для структури, що
обмеженням параметру y2
представлена на рис. 1,
при наявності інтегральної складової в алгоритмі регулятора обмежень
параметри нелінійної ланки «зона нечутливості» визначаються за формулами:
u
K
P2
2hi
= r2
hi ,
Ka2
u
K
P2
2lo
= r2
lo , де
Ka
2hi
2
керованої змінної y
2 [1].
Для структури,
представленої на рис. 2,
обмеження для
регульованого параметру
y
2 задаються в якості
завдань регуляторам
обмежень верхньої та
нижньої границь r 2hi та
r
2lo відповідно. В
розглянутих структурах в
якості основної
регульованої змінної – y 1 ,
в якості обмеженної
змінної – y
2 .
r та r 2lo - верхнє та нижнє допустиме значення
r
+
-
rhi
+
rlo
+
-
-
Головний
регулятор
Регулятор
обмеженного
параметру
верхньою
границею
ea
-
+
ea2hi
Регулятор
обмеженного
параметру
нижньою
границею
ea2lo
+
-
+
-
-
+
u2hi
u2lo
MAX
MIN
û
λ
WВИП
WОБ
Рис. 2 Нелінійна система регулювання з
обмеженням параметру y2
2. І-П та ПІ-Д алгоритми керування
Для використання І-П та ПІ-Д алгоритмів керування в вищезазначених
нелінійних структурах необхідно доповнити їх алгоритмом компенсації
інтегрального насичення. Алгоритм компенсації інтегрального насичення, що
детально розглянутий в [2], використовується для запобігання накопичення
інтегратором при обмеженні керуючого сигналу та виконує функції
безударного переключення.
^
Якщо U № U , тоді запишемо І-П та ПІ-Д-алгоритми керування з
компенсацією інтегрального насичення для головного регулятора (1, 2) та
y2
y2
y1
y1
178

регулятора обмеженного параметра (3, 4) для структури , що представлена на
рис. 1, відповідно:
K Ka K T p
U
−
( p) = E ( p) + U( p) Y ( p)
+
+ + +
^
P1 1 1P 1 I
1І
П
1 1
TI 1
p Ka1 T1 I
p Ka1 ( T1 I
p Ka1
)
^
2
P1 I1 1 P1 D1 I1
1ПІ
− Д
1 1
TI 1p Ka1 TI1p Ka1 ( T
f 1p 1)( T
I1p Ka
1)
, (1)
K ( T p + 1) Ka K T T p
U ( p) = E ( p) U+ ( p) Y ( + p)
, (2)
+ + + +
K ( T p + 1) Ka
^
U ( p) = Y ( p) U+
( p)
+ +
P2 I2 2
2І
− П
2
TI
2
p Ka2 T
I2 p Ka2
, (3)
K ( T p + 1) Ka K T T p
U ( p) = Y ( p) U+ ( p) Y ( + p)
, (4)
+ + + +
^
2
P2 I 2 2 P2 D2 I 2
2ПІ
− Д
2 2
TI 2
p Ka2 TI 2
p Ka2 ( Tf 2
p 1)( TI
2
p Ka2
)
де: E1 ( p) = R( p) Y1( p− ), Uр
^
( ) - обмежений сигнал керування.
Для структури, що представлена на рис. 2, алгоритми головного
регулятора та регуляторів обмежень мають вигляд, що наведений в (1, 2).
3. Алгоритм IMC
Система з IMC [3] (Internal Model Control) складається з моделі об’єкта
керування, ввімкненої паралельно об’єкту, та IMC-регулятора, що має вигляд
інвертованої моделі, послідовно сполученої з фільтром. IMC-регулятори
застосовані для регулювання основного контуру та підтримання у заданих
межах проміжної технологічної величини.
Налаштування системи проходить у два етапи: визначення параметрів
моделі об’єкту та визначення величини параметра фільтра λ методом
оптимального параметричного синтезу.
На першому етапі налаштувань проходить ідентифікація параметрів
моделі об’єкта керування, тобто визначаються моделі випереджаючої частини
об’єкта WВИП
( p ) та об’єкта в цілому WOБ
( p ) (рис. 1,2).
Ідентифікація проводиться за допомогою методу аналізу початкової
ділянки перехідного процесу в розімкненій системі [4]. Його суть полягає у
введенні до розімкненої системи фільтрів для забезпечення порядку системи не
нижче другого і подальшому аналізі перехідної характеристики. Фільтр
вводиться після кожного інформаційного сигналу, відфільтровані сигнали
потрапляють в алгоритмічний блок аналізу параметрів моделі об’єкта.
Час досягнення похідною регульованої величини максимуму та значення
вихідного сигналу в цей момент залежать від динамічних властивостей об’єкта.
Застосувавши емпіричні формули, можна визначити коефіцієнти підсилення та
сталі часу моделі об’єкта керування. Транспортні запізнення τ
ОБ , τ
ОБ 1
визначаються як час між подачею тестового сигналу ∆ u( t)
на вхід об’єкту та
реакцією об’єкта. Параметри моделей K
об 1 , Т
об 1 , τ
ОБ 1 та K
об , Т
об , τ
ОБ
визначаються одночасно, тобто проводиться ідентифікація випереджаючої
частини та об’єкта в цілому.
179

Тестове
збурення
∆ u(t)
y(t)
Параметри
(s)
налаштувань
регуляторів
y ( )
W ОБ
(s)
W ВИП t 1
)
Аналізатор
W 1(
s
W ( )
Ф параметрів
s Ф2
моделі
Рис. 3 Структура модуля ідентифікації параметрів об’єкта
На цьому етап ідентифікації закінчується, і система готова до остаточного
налаштування у замкненому контурі. Для цього визначені на попередньому
етапі оцінки параметрів об’єкта керування присвоюються відповідним
параметрам моделей та регуляторів.
Результуючий ІМС-алгоритм для використання в нелінійній системі, що
представлена на рис. 2, визначається як:
Тоб
р + 1
UрIMC
( ) = E р
M
( Ea ) р ( ) +
Kр ( λ + 1)
об
. (5)
Де: EрM
( ) R= p ( ) Y ( р ( − Y) рM
( )) , − Eaр( ) = U р( ) U р( − ), λ — постійна фільтра
IMC-регулятора, YM
( ð)
- вихідний сигнал з моделі об’єкта. При використанні
ІМС-алгоритму в регуляторах обмежень нелінійної системи, що представлена
на рис.1, в (5) Eр
M
( ) обраховується як:
EрM
( ) Y= р ( Y) рM
( − )
(6)
Додатковий параметр налаштування λ в (5) визначається методом
оптимального параметричного синтезу з використанням пошукових алгоритмів
нульового порядку. Початкові значення λ
i IMC-регуляторів рекомендовано
брати рівними транспортному запізненню відповідного контуру регулювання -
λ
i
≈ τ
i .
4. ПІ-алгоритм з коректором
Для підвищення запасу стійкості системи керування на основі ПІрегулятору
було застосовано двоканальний регулятор з динамічним коректором
(патент України №44799). На відміну від багатьох відомих промислових
регуляторів, використаний регулятор має більш досконалу функціональну
структуру формування керуючого сигналу, що забезпечує як необхідну
швидкодію, так і достатній запас стійкості автоматичної системи регулювання.
Перший канал містить класичний ПІ-регулятор, а другий канал містить
інерційну (що в контролерах реалізується за допомогою набору аперіодичних
ланок) та пропорційну ланки. Другий канал в результаті являє собою канал
динамічної корекції, який в залежності від параметрів системи вступає в дію із
необхідним запізненням, компенсуючи на завершальній стадії перехідного
процесу надлишковий керуючий вплив, чим забезпечує стійкість системи
180
^

авторегулювання і знижує коливання керованого параметра. Другий канал
реалізує функцію [5]:
1 K
к
Wк ( p)
=
⋅
(7)
( T1 к
⋅ p + 1) ( T2
к
⋅ p + 1)
де К К – коефіцієнт пропорційної частини коректора, Т 1К та Т 2К – сталі часу
інерційної аперіодичної частини коректора, що визначають тривалість затримки
дії другого каналу відносно першого.
Як для регулятора обмежень, так і для основного регулятора, швидкодія
забезпечується першим каналом, в якому ПІ-регулятор розраховується на
максимальну швидкодію та мінімальний динамічний викид. Але такий
регулятор сам по собі не може забезпечити достатню стійкість системи
керування при зміні параметрів об’єкту. Тому, щоб одночасно забезпечити
швидкодію, мінімальний динамічний викид та стійкість системи, вводиться
канал динамічної корекції (7), параметри якого розраховуються за формулами:
Kê
= 0,4 Ч K
T
P , T
²
1 ê
=
4,5 , T
2к
= T1
к
⋅ 0, 5 .
де К P - коефіцієнт пропорційної частини ПІ-регулятору, Т І – стала часу
інтегрування ПІ-регулятору. Тоді з врахуванням (7) ПІ-алгоритм з коректором
для головного регулятора та регуляторів обмежень нелінійної системи (рис. 2)
запишеться як:
K ( 1)
^
P
TIкp +
Ka 1 K
U
ПІk
( p) = E( p) U+ ( p) Ч
−E ( p)
(8)
T p + Ka T p Ka + ( T Чp 1) ( T p 1) Ч + +
I Iк к
1 2
Для регулятора обмежень нелінійної структури, що представлена на рис.
1, алгоритм керування запишеться як:
K ( T p + 1) Ka 1 K
U
ПІk
( p) = Y ( p) U+ ( p) Y−
( p)
T p + Ka T p Ka + T p T p Ч
+
^
P2 Iк2 2 2
2
Ч
I 2 2 Iк2 2 к
(
12
Ч 1) (
22
1)
2
(9)
Формули налаштування отримано експериментальним методом, вони
підтвердили свою адекватність як при імітаційному моделюванні так і при
налаштуванні діючого зразка двоканального регулятора на Трипільській ТЕС.
Експериментальні дослідження показали, що стійкість АСР зберігається при
зміні динамічних характеристик об’єкта регулювання в 1,5..2 рази.
Результати дослідження
Дослідження проводились на прикладі системи автоматичного
регулювання температури первинної пари. В якості основної регульованої
змінної – температура після пароперегрівача, в якості обмеженної змінної –
температура після пароохолоджувача.
181

y зад
(t)
v(t)
y зад
(t)
v(t)
t,c
y 1
(t)
1
3 4
y 1max
(t)
5
2
y 1min
(t)
y(t)
2
1
4
5
3
t,c
Рис. 4 Перехідні процеси під дією координатних збурень
1 – головний IMC-регулятор з ПІ-регуляторами обмежень; 2 – головний
І-П-регулятор з І-П-регуляторами обмежень; 3 - головний ПІ-регулятор з
коректором з ПІ-регуляторами обмежень; 4 – головний регулятор та регулятори
обмежень з ПІ-алгоритмами і коректором; 5 - головний IMC-регулятор та IMCрегулятори
обмежень
Висновки
Використання нелінійних структурних рішень з врахуванням обмежень
дозволяє підтримувати проміжну технологічну величину у заданих межах, що
сприятливо позначається на технологічному обладнанні, при цьому
поліпшуючи й динаміку керування.
Перевагами використання в нелінійній системі ІМС-алгоритмів є
полегшене у порівнянні зі звичними ПІД-регуляторами налаштування (після
процедури автоматичної ідентифікації система, фактично, готова до роботи) та
окремий параметр налаштування, що відповідає за грубість системи. Разом з
тим, через особливості алгоритму ідентифікації система малопридатна до
використання при наявності значних промислових перешкод, потребує
повторення ідентифікації при зміні режиму роботи обладнання.
ПІ-регулятор з коректором доцільно використовувати для керування
інерційними об’єктами, динамічні параметри яких змінюються під час роботи.
Стабілізаційний ефект коректора відчувається при застосуванні на об‘єктах з
182

τ
ОБ
відношенням параметрів: ≥ 0, 08
T , та чим більша величина транспортного
ОБ
запізнення τ
ОБ , тим більший стабілізаційний ефект у порівнянні з класичним
ПІ-регулятором можна отримати.
Список літератури: 1. Glattfelder A.H. Control systems with input and output constraints /
Glattfelder A.H., Shaufelberger W. – London.: Springer, 2003. – 499 p. 2. Ковриго Ю.М.
Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання
енергоблоків ТЕС і АЕС/ Ю.М. Ковриго, Б.В. Фоменко// Автоматика. Автоматизация.
Электротехнические комплексы и системы. 3. Daniel E. Rivera. Internal Model Control: A
Comprehensive View / Daniel E. Rivera – Department of Chemical, Bio and Materials Engineering
College of Engineering and Applied Sciences Arizona State University, Tempe, Arizona, 1999. —
20 pp. 4. Мовчан А.П.. Идентификация объектов управления в адаптивных системах
управления / Мовчан А.П., Мысак В.Ф., Степанец А.В. // - Сучасні наукові дослідження
–’2006: матеріали ІІ міжнародної науково-практичної конференції. - Д.: Наука і освіта, 2006.
– с. 60-63. Коновалов, М.А. Проблемы автоматизации инерционных теплоэнергетических
объектов. ISBN 978-966-651-734-3. / М.А. Коновалов. — Киев, «Феникс», 2009г. — 309 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 504.064.3:574
Г.О. СТАТЮХА, докт. техн. наук, профессор, завідувач кафедри, НТУУ
"КПІ", м. Київ
Т.В. БОЙКО, канд. техн. наук, доцент, НТУУ "КПІ", м. Київ
Ю.О. БЕЗНОСИК, канд. техн. наук, доцент, НТУУ "КПІ", м. Київ
Л.М. БУГАЄВА, канд. техн. наук, доцент, НТУУ "КПІ", м. Київ
ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ БАГАТОКРИТЕРІАЛЬНОЇ
ОПТИМІЗАЦІЇ В ПРОЕКТУВАННІ МЕРЕЖ МОНІТОРИНГУ
СТАНУ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ
У статті вирішується проблема оптимального розміщення постів спостереження, що
забезпечує одержання максимуму інформації при мінімумі витрат на встаткування й
експлуатацію моніторингової мережі атмосферного повітря
Ключові слова: моніторингова мережа, оптимізація, атмосферне повітря
В статье решается проблема оптимального размещения постов наблюдения, которые
обеспечивают получение максимум информации при минимуме затрат на установку и
эксплуатацию мониторинговой сети атмосферного воздуха
Ключевые слова: мониторинговая сеть, оптимизация, атмосферный воздух
The paper solves the problem of optimal placement of observation stations providing the maximum
information under minimum costs for installation and operation of air monitoring network
Keywords: monitoring network, optimization, air
1. Вступ
183

Наявні у великих містах нашої країни моніторингові станції найчастіше надають неповну або
перекручену інформацію про стан повітряного басейну. Створені раніше моніторингові
мережі вимагають модернізації, тому що неефективно виконують свої функції в силу ряду
причин: фізична зношеність, неоптимальне розташування внаслідок структури, що
змінилася, транспортних потоків, місця розташування найбільш значимих стаціонарних
забруднювачів повітря.
Таким чином, вимагає рішення проблема оптимального розміщення
постів спостереження, що забезпечує одержання максимуму інформації при
мінімумі витрат на встаткування й експлуатацію моніторингової мережі.
Перспективним при проектуванні мережі постів спостереження є
застосування апарата математичного програмування. Цей підхід включає, у
загальному випадку, виділення сукупності значимих критеріїв ефективності
моніторингової мережі, складання на їхній основі завдання оптимізації й
рішення цього завдання з наступною інтерпретацією результатів. Одним з
перших додатків згаданого підходу є робота [1], у якій була запропонована
процедура оптимізації розміщення постів моніторингової мережі в рамках
деякого умовного підприємства. Надалі запропоновані ідеї були розвинені й
застосовані для аналізу діяльності реально існуючих підприємств й екологічної
ситуації в промислових районах. Проводилися дослідження з використання
згаданого підходу як для установки постів по специфічних забруднювачах, так і
постів загального контролю [2]. В роботах [3, 4] даний підхід був застосований
для побудови моніторингової мережі для контролю за станом водних ресурсів.
Використано підхід до проектування мережі моніторингу стану
атмосферного повітря на основі апарата математичного програмування.
Пропонований підхід дозволяє узгоджено розміщати моніторингові пости й тим
самим скоротити витрати на реструктуризацію й удосконалення наявної
мережі.
2. Процедура проектування моніторингової мережі
Визначення конфігурації моніторингової мережі може бути виконане в
такій послідовності:
1. Розбивка досліджуваного району на ділянки.
2. Формулювання критеріїв оптимізації.
3. Рішення завдання оптимізації.
2.1 Розбивка досліджуваного району на ділянки
Першим етапом проектування моніторингової мережі є розбивка
досліджуваної території на ділянки. Найпоширеніший підхід до розбивки
досліджуваної області - використання адміністративного розподілу (наприклад,
розбивка м. Києва по районах). Такий підхід виявляється зручним для витягу
інформації у вітчизняних умовах. Крім того, мається на увазі, що впровадження
моніторингової мережі (відповідно до створеного за результатами розрахунків
проектом) приймаються до виконання органом влади деякої територіальної
одиниці.
Істотний недолік розподілу по адміністративно-територіальному ознаці -
нерегулярність розбивки, внаслідок чого нерівномірної виявляється інформація
про досліджувану область у цілому.
184

Альтернативним є регулярна розбивка. У цьому випадку на досліджувану
територію накладається координатна сітка, тобто досліджувана територія
розбивається на однакові ділянки-квадрати. Кількість ділянок (крок
координатної сітки) визначається в першу чергу, кількістю постів, які
планується встановити. У граничному випадку кожний з ділянок розбивки
може містити пост спостереження. У випадку наявності достовірної інформації
з кожного з ділянок даний підхід забезпечує більше точні результати, ніж
згаданий вище адміністративно-територіальний підхід. На практиці інформацію
з кожного з ділянок одержують шляхом математичного моделювання,
інтерполяції наявних даних.
2.2 Формулювання критеріїв оптимізації
При ухваленні рішення на вибір тієї або іншої мережі моніторингу
доводиться враховувати цілий ряд вимог. Умовно ці вимоги можна розділити
на три групи: екологічні, економічні й соціальні. Помітимо, що всупереч
вимогам визнаної сьогодні концепції стійкого розвитку суспільства, при
проектуванні моніторингової мережі соціальні критерії часто упускаються з
уваги.
Відповідно до завдань проектування можна виділити ряд критеріїв, що
визначають якість функціонування моніторингової мережі. В [5] було
запропоновано використати такі критерії:
• здатність розпізнати перевищення припустимої концентрації
забруднювача;
• максимальна величина вимірюваної концентрація забруднювача;
• вимірювана середня концентрація забруднювача;
• вимірюваний розмах концентрацій, що перевищують припустиму;
• кількість контрольованих забруднювачів;
• кількість стаціонарних (промислових) джерел викидів на
обслуговує території;
• захищеність уразливих об'єктів - шкіл, лікарень і т.д.
У результаті інтенсивного індустріального розвитку дослідниками в
роботі [6] були уведені наступні додаткові критерії:
• число населення на території;
• установка постів у регіони, де концентрація забруднювача
максимальна;
• установка постів у регіонах, де передбачається інтенсивний
економічний ріст.
Дані критерії для використання необхідно сформулювати математично.
Визначившись, які із критеріїв доцільно враховувати в досліджуваному
випадку, записують математичний опис для кожного із критеріїв на кожній з
ділянок розбивки. Так, критерій кількості населення, що обслуговує, може бути
записаний у вигляді:
N
1 ∑
p=
1
max Z = N p
Y p
,
(1)
185

де N p – число населення, що обслуговує на p - тій ділянці, Y pj – відповідає
наявності поста на p - тій ділянці.
Здатність розпізнати максимальну дозу забруднювача може бути описана
наступним виразом:
N
2 ∑
p=
1
max Z = C ip
Y p
,
(2)
де C ip – концентрація i-го забруднювача, що реєструється на p - тій
ділянці.
Здатність мережі розпізнати перевищення припустимої концентрації
забруднювача на даній ділянці може бути описана наступним виразом:
N
3 ∑
p=
1
D
pi - перевищення концентрації i-го забруднювача, що реєструється
max Z = D pi
Y p
,
(3)
де
постом на p-тій ділянці.
2.3 Завдання оптимізації для проектування моніторингової мережі
Завдання проектування моніторингової мережі при цьому зведеться до
визначення числа й типу постів, установлених на кожній ділянці розбивки.
Поставлена мета досягається шляхом побудови й рішення завдання оптимізації,
що складає із цільової функції й системи обмежень.
Цільова функція завдання оптимізації складається на основі
математичних формулювань сімейства критеріїв, наприклад, на основі
залежностей (1 - 3). У загальному виді цільова функція може бути записана як:
Система обмежень:
SY
MAX
j
∀ k,
l :
Z
≥
{ Z , Z , 2
,
Z },
=
1 n
(4)
SY
j
,
MIN
( , Y ) < D ,
D Y
j,
k
j,
l
MAX
де SY
j , SY
j – відповідно максимальна й поточна кількість
MIN
моніторингових постів типу j; D ( Y
j, k
, Y
j,
l
),
D
j – відповідно поточна й
мінімальна відстань між моніторинговими постами типу j при k , l < SY
j .
Розташуванню поста типу p у квадранті j буде відповідати ненульове
значенням індексованої змінної.
2.4 Рішення завдання оптимізації
Описана вище задача (4 - 5) є завданням багатокритеріальної оптимізації
й вимагають спеціальних методів рішення. Власне кажучи багатокритеріальна
задача відрізняється від звичайного задачі оптимізації тільки наявністю
декількох цільових функцій замість однієї.
Як правило, при рішенні багатокритеріальної задачі всі критерії, крім
одного, обраного домінуючої, включаються в систему обмежень, після чого
оптимізація проводиться за домінуючим критерієм. Очевидно, що такий підхід
до рішення практичних завдань значно знижує ефективність прийнятих рішень,
тому що забезпечує екстремальне значення лише одного із критеріїв.
З метою усунення проблеми критеріїв з різною розмірністю може бути
використана нормалізація критеріїв, одним зі способів якої є відомість
критеріїв до безрозмірних величин відповідно до формули:
186
j
(5)

Z c
Z
max
− Z
= ,
(6)
Z − Z
де Z max й Z min – відповідно максимальне й мінімальне значення критерію, Z
й Z с – відповідно натуральне й нормалізоване значення критерію.
Оптимальне рішення, обиране на основі багатокритеріального підходу,
незалежно від принципу оптимальності, що обирає, завжди повинне належати
області компромісів. Інакше воно може бути поліпшене й, отже, не є
оптимальним. Таким чином, область компромісів є область потенційно
оптимальних компромісів. У літературі [7] описані наступні методи такої
оптимізації:
• принцип справедливого компромісу;
• принцип слабкої оптимальності по Парето;
• принцип наближення по всіх локальних критеріях до ідеального
рішення;
• метод квазіоптимизації локальних критеріїв (метод послідовних
поступок);
• метод згортання векторного критерію в суперкритерій.
При рішенні завдання побудови моніторингової мережі авторами цієї
роботи використався метод згортання векторного критерію в суперкритерій,
тому що цей метод може бути досить легко вирішений за допомогою сучасних
пакетів оптимізації.
Відповідно до методу згортання векторного критерію в суперкритерій
розраховується узагальнений - суперкритерій:
N
∑
max
min
Ф = w F i i
,
(7)
i=
1
де F i – незалежні критерії; w i – вагові коефіцієнти.
У наведеному нижче прикладу коефіцієнти розраховувалися на підставі
опитування експертів.
2.5 Приклади побудови моніторингової мережі
Ставилося завдання попереднього проектування моніторингової мережі
для оцінки стану повітряного басейну для міста Києва. У якості вихідних даних
узяті результати вимірів Центральної геофізичної обсерваторії. Безліч
забруднювачів у даному ілюстративному прикладі включає концентрації в
повітрі SO2, зважених часток (TSP), а також щільність населення.
Хотілося б відзначити той факт, що одним із ключових параметрів, що
впливають на здоров'я населення, є присутність у повітрі аерозольних часток
різного розміру. У цей час діють стандарти Американського агентства по
захисту навколишнього середовища (ЕРА) й європейського стандарту ISO 7708,
які визначили дві границі відділення респірабельної фракції від загальної маси
аерозолю. Умовно ці границі носять назви PM10 і PM2,5 (вивчаються частки
розміром 10 мкм й 2,5 мкм відповідно).
В Україні на даний момент відсутні систематичні спостереження за
забрудненням повітря частками PM10 й PM2,5, передбачений тільки контроль
за змістом у повітрі твердих часток. До складу твердих часток входять, поряд з
187

більшими частками, фракції PM10 й PM2,5. У випадку, якщо спостереження по
PM10 й PM2,5 недоступні, то можна використати концентрації TSP. Тому в
даній роботі були використані результати виміру TSP для проектування
моніторингових мереж.
Використано адміністративний поділ міста Києва (десять районів).
Як критерії оптимальності були взяті критерій максимального захисту
населення й критерій максимальної концентрації забруднювача. Вихідні дані
для розрахунку представлені в табл. 1.
Таблиця 1
Вихідні дані
Номер Ділянка (район)
Населення,
Концентрації
чіл.
SO 2
TSP
1 Голосіївський 200000 0,0131 0,7300
2 Деснянський 320000 0,0145 0,0802
3 Дніпровський 360000 0,0210 0,0475
4 Оболонський 290000 0,0227 0,0529
5 Печерський 170000 0,0130 0,0633
6 Подільський 210000 0,0025 0,1760
7 Святошинський 360000 0,0163 0,1082
8 Соломенський 280000 0,0003 0,0434
9 Шевченківський 200000 0,0061 0,0412
10 Дарницький 250000 0,0212 0,6060
Отримані дані були використані для формулювання завдання оптимізації.
Цільова функція має вигляд:
Z=w 1 Z 1 +w SO Z SO2 +w TSP Z TSP
Рішення отриманої моделі було знайдено й використанням реалізації
методу SBB, доступного в рамках проекту NEOS Server [8]. Результати
оптимізації представлені в табл. 2.
Таблиця 2
Результати рішення задачі оптимізації
номер Ділянка (район)
Кількість постів
1 Голосіївський 3
2 Деснянський 2
3 Дніпровський 2
4 Оболонський 1
5 Печерський 2
6 Подільський 3
7 Святошинський 1
8 Соломенський 2
9 Шевченківський 1
10 Дарницький 2
188

Дана конфігурація досить значно відрізняється від поточної схеми
розташування постів, що може свідчити про не оптимальність їхнього
розміщення.
3. Висновки
Точність результатів розрахунку може бути підвищена шляхом обліку
більшої кількості даних вимірів стану атмосфери, застосування методів оцінки
концентрацій на основі математичного моделювання, розширення сімейства
використовуваних критеріїв. Знання джерел забруднення і їхній облік у
моделях може поліпшити здатність моделей прогнозувати розвиток явища.
Перераховані питання входять у коло подальших досліджень.
Робота виконана за фінансової підтримки Державного комітету України з
питань науки, інновацій та інформатизації (грант Ф25.6/054).
Список літератури: 1. Arbeloa F.J.S., Caseiras C.P., Andres P.M.L. Air quality monitoring:
optimization of a network around a hypothetical potash plant in open countryside//Atmos Environ
1993. – v. 27A. № 5. – p. 729–738. 2. Croxford B., Penn A. Siting considerations for urban
pollution monitors. //Atmos Environ.- v. 32. - № 6. - 1998. - p. 1049-1057. 3. Su-Young Park , Jung
Hyun Choi , Sookyun Wang , Seok Soon Park. Design of a water quality monitoring network in a
large river system using the genetic algorithm// Ecological modelling.-2006. – v. 2. № 199. – p.
289–297. 4. Chen C.H., Liu W.L., Liaw S.L., Yu C.H. Development of a dynamic strategy planning
theory and system for sustainable river basin land use management. // Sci. Total Environ. – v.
346/1. – № 3.- 2005. – pp. 17–37. 5. Shei M.R., Kao J.J. The multiple objective analysis of an
industrial park air quality monitoring network // Proceedings of fourteenth air pollution control
conference.-Taipei, ROC.-1997.-pp 162-166. 6. Tseng C.C., Chang N.B. Assessing relocation
strategies of urban air quality monitoring stations by GA-based compromise programming //
Environ Int. – v. 4. – № 26. -pp. 523–541. 7. Штойер Р. Багатокритеріальна оптимізація: теорія,
обчислення, додатки. - М.: Наука, 1982. - 558 c. 8. Michael C. Ferris, Michael P. Mesnier, Jorge
J. More NEOS and Condor: Solving optimization problems over the Internet: User’s guide for
Solver.-1998. - 40 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 004.04:681.518
Г.О. РАЙКО, канд. техн. наук, викладач, ХНТУ, м. Херсон
С.Г. ЧОРНИЙ, канд. техн. наук, викладач, ХНТУ, м. Херсон
Н.О. КОЗУБ, канд. техн. наук, викладач, ХНТУ, м. Херсон
ЗАЛУЧЕННЯ ПРОЦЕСУ ОПТИМІЗАЦІЇ КОДУ, ЯК
КОМПОНЕНТИ ПРИ ФУНКЦІОНУВАННІ СКЛАДНИХ
ВІДКРИТИХ СИСТЕМ
Розглянуто аспекти застосування процесу рефакторінгу та оптимізації коду при проектуванні
складних відкритих систем. Розглянуто окремі фактори, які слід враховувати при
прогнозуванні та управління стабільним розвитком регіону.
Ключові слова: рефакторінг, складна система, фактори, регіон.
Рассмотрены аспекты применения процесса рефакторинга и оптимизации кода при
проектировании сложных открытых систем. Рассмотрены отдельные факторы, которые
необходимо учитывать при прогнозировании и управлении стабильным развитием региона.
189

Ключевые слова: рефакторинг, сложная система, факторы, регион.
Some aspects of the process of refactoring and code optimization in the design of complex open
systems. Separate factors which must be taken into account at prognostication and management
stable development of region are considered. Considered methods of prognostication of basic
indexes which the state and development of region depends on.
Key words: refactoring, complex system, factors, region.
Термін «refactoring» в спеціалізованій літературі означає - процес зміни
внутрішній структури програми, що не чапає її зовнішній роботи та якій має
мету полегшити розуміння її роботи [1]. В основі процесу рефакторинга лежить
послідовність часткових (компактних) еквівалентних перетворень
(оптимізація). Оскільки кожне перетворення не є глобальним, програмісту
легше простежити за його коректністю, і в той же час уся послідовність може
привести до істотної перебудови програми і поліпшенню її погодженості та
чіткості. Часткове перетворення більш оперативніше можливо дослідити та
оптимізувати за його структурою. Базове часткове використання структури за
елементним «оптимізаційним» процесом дозволяє формувати нову структурну
складову компонентної мозаїки програмного коду. Розробка сучасних модулів
СППР вимагає оптимізації програмного коду для функціональної роботи
системи. Серед таких розробок займає значне місце розробка регіональних
систем підтримки рішень. Проблема управління розвитком системи (регіон,
територія, підприємство) - багатогранна та складна, містить цілий спектр
комплексних задач, який визначає різноманіття підходів до їх вирішення.
Одною із таких задач - задача визначення необхідних умов розвитку міст,
регіонів та формування необхідних ресурсів [2]. З погляду системного підходу
регіон являє собою дуже складну структуру. Регіон є відносно цілісним
утворенням, виділеним по деякій ознаці або їхній сукупності: географічній;
економічній; геополітичній; адміністративно-політичній. У складі цього
цілісного утворення можна виділити ознаки (складові частини, підсистеми):
географічне середовище, економіку регіону (господарство); різні
співтовариства, у які об'єднане населення регіону. Кожний з цих елементів
може розглядатися як об’ект складної система. Фактори або складові такої
системи перебувають у різноманітних відносинах між собою (наприклад:
економіка — соціум — екологія). Проблема стійкості територіальних систем є
одним з актуальних наукових напрямків. Виникнення якої було викликано
необхідністю розробки оцінок природного, соціального, економічного та
екологічного стану територіальних систем для здійснення максимально
(корисного) використання, кількісних характеристик та граничного
обмежувального навантаження на територію. Комплексність територіальної
системи, що розвивається (ТС) залежить від наявності в неї базової структурної
мети розвитку, здатної консолідувати суспільство. Під територіальною
системою будемо розуміти сукупність однорідних, цілеспрямованих,
просторово та функціонально розділених територіальних елементів, що
функціонують як єдине ціле на певній території в процесі активного досягнення
деякої глобальної мети.
190

Метою розвитку будь-якої територіальної системи є найбільш повне
задоволення зростаючих мінімальних достатніх потреб населення, не
позбавляючи майбутнє покоління можливості задовольняти свої власні
потреби. Функціонування регіону, як відкритої системи в плановому періоді
можна вважати квазіврівноваженим станом. В процесі розвитку здійснюється
послідовний перехід від одного квазіврівноваженого стану до іншого, тому
умовно стани регіону в процесі розвитку можна апроксимувати кусковою
постійною функцією. В АСУ регіону необхідно наявність таких контурів
управління: традиційне управління функціонуванням регіону; контур взаємодії
станів системи; управління розвитком регіону. В рамках АСУ регіону
необхідно здійснювати координацію контурів управління. У рамках управління
стійким розвитком регіону необхідна комплексна координація всіх аспектів [3].
При створені та оптимізації програмних комплексів згідно тенденціям або
концепціям сучасного розвитку, та адаптації систем вважаємо за потрібне
використання процесу рефакторінга, що дозволяє розробникам більш
оптимізувати продукт до вимог сучасності. Рефакторінг дозволить зменшити
об’еми коду та швидкість роботи. Обґрунтування вибору метода рефакторінга
обумовлено ще й тенденціями залучення апарату нейронних мереж та
використання OLAP систем, що доводить процеси оптимізації до змішаності
платформної реалізації, та транскодного рендерінгу програмного продукту. До
найбільш вживаних методів рефакторінгу віднесемо: Change Method Signature;
Encapsulate Field; Extract Class; Extract Interface; Extract Local Variable; Extract
Method; Generalize Type; Inline; Introduce Factory; Introduce Parameter; Pull Up;
Push Down; Replace Conditional with Polymorphism.
В процесі розробці модулів регіональної системи розробники на перших
етапах оптимізації програми не завжди використовують процес рефакторінга,
тому що вони розробляють «робочу» структуру та тільки потім мають
можливість «коректування коду» якщо часові рамки дозволяють це робити. Для
більш деталізації методу розглянемо процеси рефакторінга. В процесі
функціонування регіону може відбуватися як зміна елементів, так і структури
системи, всіх її властивостей, включаючи інтегративні, тому, як модель
керованих динамічних систем.
Припускаємо, що у загальному випадку u = ( t, x,ξ ) вектор-функція
приймається за умови, що із системою асоційований деякий суб'єкт або їх
множина, має право приймати рішення. За умов. що в системі функціонують
декілька суб'єктів, які мають різні власні цілі та у розпорядженні яких
u u u
перебувають управління
1
,
2
,.........
n
- то систему можливо описати
моделлю
x = f ( x, u1,
u2,.....
um
,1 ) за умов:
t
∫
0
( x, u1,
u2,....
u m
,1 ) dt → ; ∫ f ( x u1,
u2,....
,1 )
f1 min
t
0
2
, u m
dt → min .
Для поліпшення управління необхідне включення в модель окремої
функціонуючої ланки — людини-експерта (людей-експертів) за припущення,
що цілі експерта (експертів) збігаються із цілями системи. Або використання
експертних систем, які мають функцію адаптації.
191

Реалізація цієї функції або процесу
спонукає тільки до збільшення коду
програми, та можливості зайвої
похибки. Розв’язок завдань
управління розвитком вимагає
інформаційної підтримки, що
забезпечують АСУ, зорієнтовані
дотепер на підтримку
функціонування регіону, а не на
управління процесами розвитку, що
викликає необхідність створення в
складі АСУ регіону підсистеми
управління розвитком (СУР) [4].
Рис.1. Зниження рівня зв’язаності
проекту за рахунок мультирівнів
λ
∗
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
=
2
3
4
5
6
Ψ
E
7
EX
IX
1
=
=
=
=
−
⎧
⎨
⎩
Ψ
7
∑
i∈
E
( ∆ e , ∆ e , ∆ e , ∆ e )
i
10
i
10
20
i
i i
( e + De ) Z10
De − ∑ W ( e + De )
i
p
i
i i
( e + De ) Z10
De − ∑ W ( e + De )
2
i
10
10
1 1
⎫
≥ 0⎬
, E
⎭
=
i
p
p
⎧
⎨
⎩
=
⎫
< 0⎬
, I
⎭
1
2
, NX =
i∈
I
i i
∑ P i p p i 10 i
i∈
E2 i∈
I 2
i
De
P
i
De
i
w
NX
=
⎧
⎨
⎩
i
De
w
i
w
i
10
EX − IX ,
w
w
⎫
≤ 0⎬
, I
⎭
Z20
De
2
=
i
⎧
⎨
⎩
i
De
i
20
Z20
De
при виконанні системи балансових співвідношень (1)
=
=
λ
=
=
=
∗
( ∆ Α,
∆ Α ) = 1, Ι Ι Ι = Ι Ι Ι ( DA , DA , De ) = ⎜ e ( DA , DA )
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
Ι Ι Ι
2
3
4
5
6
1
( DA , DA , De ) = ⎜ e ( DA , DA )
n
20
⎛
( )
( )( 10 10 )
, , , ⎜
An
+ DAn
e + De
DA DA De De =
n
10
( A + DA )( e + De )
⎛
( )
( A + )( 20 + 20 )
, , , = ⎜ n DA n e De
DA DA De De
n
10
( DA , DA , De ) = ⎜ e ( DA , DA )
n
⎛
⎜
⎝
⎛
⎜
⎝
⎛
⎜
⎝
1
20
20
2
⎜
⎝
⎜
⎝
e
,
e
( A + DA )( e + De )
e
,
e
e
( , , ) ⎜
w + De w
DA DA De = e ( DA , DA ),
⎟ = 1,
та обмежень (3)
DA
De
n
p
≤ DA
≤ De
n
p
n
p
p
p
p
p
p
≤ DA
≤ De
n
p
, De
p
w
p
w
n
n
n
n
n
n
,
p
p
p
p
10
n
e
n
20
20
p
p
w
+
+
+
+
+
10
⎛
⎜
⎝
20
De
De
De
1
De
De
p
p
w
20
20
⎞
⎟
⎠
⎞
⎟
= 1,
⎠
10
n
20
⎞
⎟ = 1,
⎟
⎠
e
,
e
20
20
e
,
e
p
10
10
i
,
i
20
i
10
e
,
e
+
+
+
+
,
⎫
〉 0⎬.
⎭
10
10
De
De
+
+
De
De
20
20
10
10
De
De
10
10
⎞
⎟
= 1,
⎠
⎞
⎟
= 1,
⎠
, DA p ≤ DA p ≤ DA p,
De 1 ≤ De 1 ≤ De 1,
De 2 ≤ De 2 ≤ De 2,
w
≤ De
w
≤ De
w
⎞
⎟
= 1,
⎠
де A n - технологічна матриця сфери виробництва розмірністю n на p, A p -
технологічна матриця сфери споживання розмірністю p на n, Z10 - вектор
потреб суспільства в товарах. Z20 - вектор наявних у системі факторів
виробництва, NX - чистий експорт, дорівнює різниці між абсолютними
значеннями експорту ЕХ та імпорту IX, P - вектор ринкових цін на продукти,
192
(1)
(2)
(3)

вироблені в системі. W - вектор цін на фактори виробництва, λ - мажоруючий
корінь матриць Anp = An ґ An
та Apn = Ap ґ An
, е ( ) - відповідний вектор одиничної
довжини.
Елементу (коефіцієнту матриці/вектору або рядку/стовбцю матриці)
дається позитивний приріст, і перевіряється, чи зменшилося значення цільової
функції. На кожному із трьох етапів виконання ітераційного процесу
припиняється, якщо швидкість зміни цільової функції стає менше певного,
наперед заданого числа. Ці ітераційні форму можливо використовувати для
формування бази даних (БД) або бази знать [5]. Процес рефакторінга БД був
деталізован достатньо значно автором Мартіном Фаулером в виданні
«Refactoring». Концептуальні аспекти з оптимізації БД та реалізації
програмного модулю наочно представлені на рис.1. Зміни коефіцієнтів
технологічних матриць і векторів відбуваються в певних межах, заданих
заздалегідь. Обмеження, що накладаються, на межі змінних обумовлені
необхідністю враховувати умови техногенної безпеки.
Рішенням задачі (1-3) є параметри цільового стану, що задають модель
функціонування ТС, що перебуває в околиці магістралі. Для обчислення ваг
дуг, що показують вплив однієї галузі на іншу, можна використовувати
коефіцієнти кореляції між числовими рядами, що відповідають рядам індексів
виробництва продукції за останні кілька років.
В даній статті розглянуто окремі аспекти застосування процесу
рефакторінга даних, які слід враховувати при прогнозуванні та управління
стабільним розвитком регіону (розробці програмного забезпечення).
Запропонована трансформація показників розвитку регіону в індекси сталого
розвитку дозволяє деталізувати їх у вигляді покомпонентних показників, що
відображають еколого-економічну та соціальну специфіку регіону.
Удосконалено програмно-сиснтаксичний процес обробки даних для системи
еколого-економічних показників та інтегральних індикаторів які може бути
використані як інформаційна основа регіонального сталого розвитку у модулі
СППР.
Список літератури: 1. Refactoring: Improving the Design of Existing Code (2000). - Спб:
Символ-Плюс, 2004. - С. 430. 2. Шмельков. А.В. Мониторинг социально-экономического
развития территории: особенности применения //Проблемы совершенствования
социологического образования в экономических вузах: Материалы Всерос. науч.-метод.
конф. – Иркутск: Изд-во БГУЭП, 2003. 3. Авраменко В.П. Управление производством в
условиях неопределенности: Монография. - К.: НВК ВО, 1992. -48 с. 4. Згуровський М.З.,
Панкратова Н.Д. Технологическое предвидение - К.: ІВЦ «Видавництво «Політехника»,
2005. -156 с. 5. Райко Г.О., Ігнатенко Г.А. Прогнозування основних показників стійкості
територіальних систем // Вестник ХНТУ. – 2010. №38. – С. 63-69.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 629.3.015.5
Б.М. ШИФРИН, канд. техн. наук, доцент, Государственная летная
академия Украины, г. Кировоград
193

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОДВЕСКИ ШАССИ САМОЛЕТА
ПРИ МАЛОМ ВЕРЧЕНИИ ПНЕВМОКОЛЕС
Для определенного круга сложных движений корпуса самолета и конструкций подвески
шасси изучается устойчивость стационарных режимов движения подвески шасси.
Ключевые слова: устойчивость, подвеска шасси, самолет.
Для певного кола складних рухів корпусу літака і конструкцій підвіски шасі вивчається
стійкість стаціонарних режимів руху підвіски шасі.
Ключові слова: стійкість, підвіска шасі, літак.
For the certain circle of difficult motions of corps of airplane and constructions of pendant of
undercarriage stability of the stationary modes of motion of pendant an undercarriage is studied.
Keywords: stability, pendant of undercarriage, airplane.
1. Введение
Режимы движения самолетов, граничащие с предельно допустимыми,
должны быть тщательно изучены методом математического моделирования. В
части изучения разбега/пробега здесь возникают затруднения, связанные с
моделированием взаимодействия пневмоколес с полотном взлетно-посадочной
полосы (ВПП). В настоящее время усилился интерес к изучению шиммигенных
систем – в Англии группа исследователей планомерно и углубленно изучает
нелинейное классическое шимми [1-4], в России предложена новая
(твердотельная) версия механизма шимми [5,6]. В данной статье задача
классического нелинейного шимми осложнена характером движений корпуса
самолета.
2. Постановка задачи и исходные зависимости
Будем полагать, что необходимо рассмотреть режимы движения
самолета, при которых мгновенные центры скоростей оси пневмоколеса
удалены от его центра масс. Уравнения движения будем интегрировать
численным методом и на каждом шаге вычислений контролировать взаимную
удаленность упомянутых центров. Такие движения назовем движениями при
малом верчении пневмоколес. Если ограничиться рассмотрением таких
движений, то в исходных уравнениях движения можно опустить
восстанавливающий момент сил трения на шинах пневмоколес, моделирование
которого представляет особо сложную задачу. В настоящей работе, предваряя
изучение режимов малого верчения численным методом, изучим устойчивость
по первому приближению стационарных режимов движения подвески
основной опоры шасси самолета относительно корпуса, пренебрегая
восстанавливающим моментом сил трения. Расчетную схему зададим в
соответствии с традиционными схемами, используемыми при изучении
колебаний шимми. Как правило, при таких изучениях полагают, что точка
крепления подвески движется прямолинейно и равномерно по линии заданного
пути в плоскости продольной симметрии самолета C Σ X C Y
Σ C Σ . В отличие от
известных работ по шимми рассмотрим случай малого верчения пневмоколес
шасси. Покажем возможность учета более сложного характера движения
194

корпуса самолета (в рассматриваемом случае учтем динамику его поперечного
движения), а также получим условие устойчивости, если подвеска шасси
лишена выноса.
На рис. 1 показан вид сверху на подвеску шасси самолета. Корпус
самолета и пневмоколесо движутся плоскопараллельно полотну ВПП.
Рис. 1. Шиммигенная система
Рис. 2. К определению угла увода
Пневмоколесо установлено с выносом L. Движение корпуса определено
скоростями V ,W,ω Σ . Первые две функции есть линейные скорости,
определяющие характер движения вдоль неподвижных осей O gXg,
OgZg
; а
третья функция является угловой скоростью и описывает вращение корпуса
вокруг оси O g Y g . Требуется изучить устойчивость стационарных режимов
движения пневмоколеса относительно корпуса. Относительное движение
определяется функциями поперечного смещения z (t)
и угла рыскания ϕ (t)
.
Массу пневмоколеса обозначим m п , а его момент инерции относительно
2
вертикальной оси, проходящей через точку A , - J A = mпρ
. Уравнения
движения пневмоколеса относительно корпуса получим методом Лагранжа.
Выполнив процедуру Лагранжа, получим следующие исходные уравнения
движения:
2 2
d z d ϕ
d z
⎫
mп
( + L ) + czz
+ kz
+ F = − F*
,
2 2
⎪
d t d t
dt
⎬ , (1)
2
2
d ϕ d z dϕ
J
+
+ ϕ +
+ + = −
⎪
A mпL
cϕ k ϕ F(L e) M
2
2
*
dt d t
dt
⎪⎭
где
dW dω
Σ dω
Σ dW ⎫
F* = mп
( + L ), M*
= (JA
+ mпL
) ⎬ ,
dt dt
dt dt ⎭
где c z ,c ϕ − линейная и крутильная жесткости подвески шасси; k z ,k ϕ −
коэффициенты демпфирования; e − вынос силы трения относительно центра
масс пневмоколеса, M = Fe .
Если опустить правые части уравнений (1), то придем к уравнениям
шимми [7]. Поскольку изучаем режимы малого верчения величину, e
положим равной нулю:
e = 0. (2)
Для упрощения задачи положим
195

ω Σ ( t) = const = 0 ;V(t) = const = V . (3)
Поперечную скорость корпуса будем рассматривать как известную функцию
вида
W = W(t, u) . (4)
Силу трения примем в виде [8,9]:
F = F(u) = µ * Nf f (u) , (5)
где µ *,
N − постоянные величины; f f (u) − безразмерная функция. Угол увода
U (рис. 2) равен:
U = ϕ 1 + ϕ , ϕ 1 = ( W + dz / dt + Ldϕ
/ dt) / V. (6)
Перезапишем уравнения движения (1) и выражение (6) в безразмерном
виде. Для этого введем ряд обозначений: τ = ω zt
− безразмерное время;
ω z = c z / m −
п парциальная частота собственных поперечных колебаний;
ω ϕ = c ϕ / J A − парциальная частота собственных колебаний по рысканию;
k ω = ω ϕ / ω z − частотное отношение; φ = ϕ / Ucr
− относительный угол рыскания;
z = z /( ρ Ucr ) − безразмерное поперечное смещение пневмоколеса; L = L / ρ −
безразмерный вынос. Вместо (1) придем к уравнениям:
z( τ ) +
φ ( τ ) +
L
φ ( τ ) +
Lz( τ ) +
z( τ ) + k z( τ ) + F f (u) = − W(
τ
⎪
⎫
z 0 f , u),
2
⎬
k ω φ ( τ ) + k ϕ φ
( τ ) + F ff
(u)L = − W(
0
τ , u)L,
⎪⎭
где точками обозначено дифференцирование по безразмерному времени τ ;
k
z
k z
=
ω m
z
п
; k
а вместо (6) – к соотношению:
k
µ
N
W( τ , u)
ϕ
*
ϕ = ; F0 =
; W( τ , u) =
ω zJ
2
,
A mпρ
Ucrω
z
ρ Ucr
ω z
u(
τ)
= β (u, τ)
+ ( ρ ω z / V)[z( τ)
+ Lφ
( τ)]
+ φ ( τ)
,
β u, τ ) = W(u, τ ) /(VU ) −
где ( cr относительный угол скольжения. Из этого
соотношения найдем:
z = V(u − β − φ)
− Lφ
, (8)
где V = V /( ρ ωz
) . Заметим, β = W / V .
Приняв во внимание (8), в уравнениях системы (7) можно выполнить
замену переменной z на переменную u : после дифференцирования первого из
уравнений системы и последующих элементарных преобразований придем к
системе уравнений, содержащих в качестве фазовых переменных
относительные углы φ ( τ),
u( τ)
.
Уравнения (7), дополненные функциями f f (u), W( τ ,u)
и условием (8),
образуют модель колебаний подвески шасси самолета относительно его
корпуса при малом верчении пневмоколес шасси и с учетом динамики
поперечного движения самолета.
3. Редуцированная задача
Положим:
Вместо (7) получим:
L = k ϕ )
z = k = 0;
W = const = W 0,
β = const = W0
/(VU cr = β 0 .
2
z
( τ ) + z( τ ) + F0 f (u) = 0;
f
φ ( τ ) + k ω φ ( τ ) = , (9)
196
0}
(7)

а вместо (8) –
z ( τ)
= V[u( τ ) − β 0 − φ ( τ)]
. (10)
" φ ÷ u :
Для рассматриваемой задачи запишем систему "
2
u(
τ ) + (F
′
τ + τ = β + − φ τ ⎪⎫
0 / V)ff
(u)u( ) u( ) 0 ( 1 k ω ) ( ) ,
⎬ , (11)
2
φ ( τ ) + k ω φ ( τ ) = 0
⎪⎭
где штрих указывает на дифференцирование по u .
Обратим внимание, при равенстве частот ω z = ω ϕ «каналы» " u"
и " φ " перестают
взаимодействовать и система (11) распадается на два независимых
дифференциальных уравнения второго порядка.
Введем обозначения: u = x, φ
= y и перезапишем систему (11) в
нормальной форме:
2
u
= x, x
= − u − (F
′
+ β + −
φ ⎪⎫
0 / V)ff
(u)x 0 ( 1 k ω ) ;
⎬ . (12)
2
φ
= y, y
= − k ω φ
⎪⎭
В системе (12) возможен стационарный режим движения:
u ( τ ) = const = u = β 0 ; φ ( τ ) = const = φ = 0 .
Рассмотрим малые вариации переменных u,
x, φ , y вблизи состояния
равновесия, обозначив их ξ u , ξ x , ξ φ , ξ y . Уравнения в вариациях будут
следующими:
ξ
= ξ , ξ
2
= − ξ − ξ + −
ξ ⎪
⎫
u x x u A x ( 1 k ω ) φ ;
⎬ ,
ξ
φ = ξ y,
ξ
2
y = − k ω ξ φ ,
где A = (F0 / V)ff′
(u ) , а характеристическое уравнение системы –
4 3 2 2 2 2
λ + A λ + ( 1+
k ω ) λ + k ω A λ + k ω = 0 .
Его можно записать так:
2 2 2
( λ + k ω )( λ + A λ + 1)
= 0.
Отсюда ясно, что при f f ′ ( β 0 ) < 0 состояние равновесия неустойчиво.
4. Выводы
1. Раздельное рассмотрение режимов малого и немалого верчения
пневмоколес шасси ТПКМ позволяет, решая задачи устойчивости при малом
верчении, более полно учесть конкретный характер движения машины и
снизить степень сложности математической стороны задачи.
2. В ходе движения при малом верчении основным механизмом потери
устойчивости стационарных режимов движения подвески шасси является
фрикционный, реализующийся при больших углах увода пневмоколес.
3. В целом работа направлена на повышение безопасности движения и
ресурса самолетов и может быть использована при решении подобных задач
движения автомобилей, мотоциклов, автопоездов.
⎪⎭
197

Список литературы: 1. Thota P. Bifurcation analysis of nose landing gear shimmy with lateral
and longitudinal bending [Текст]/P. Thota, B. Krauskopf, M. Lowenberg// Journal of Aircraft. –
2010. - Vol. 47, №1. - Р. 87-95. 2. Thota P. Interaction of torsion and lateral bending in aircraft
nose landing gear shimmy [Текст]/P. Thota, B. Krauskopf, M. Lowenberg //Nonlinear Dynamics. –
2009. – Vol. 57, №3. - P. 455-467. 3. Thota P. Nonlinear analysis of the influence of tyre inflation
prressure on nose landing gear shimmy [Текст]/P. Thota, B. Krauskopf, M. Lowenberg// AIAA
Modeling and simulation technologies conference, 10-13 august 2009, Chicago. - 12 p. 4. Thota P.
Shimmy in a nonlinear model of an aircraft nose landing gear with non-zero rake angle [Текст]/ P.
Thota, B. Krauskopf, M. Lowenberg//Proceedings of European Nonlinear Oscillations Conference
(ENOC-2008), Saint Petersburg, Russia, 30 June-4 July 2008. - 5 p. 5. Журавлев, В.Ф. О
механизме явления шимми [Текст]// В.Ф. Журавлев, Д.М. Климов/ Доклады РАН. – 2009.-
Т.428, №6. - С.761-764. 6. Журавлев, В.Ф. Теория явления шимми [Текст]/ В.Ф. Журавлев,
Д.М. Климов// Изв. РАН. МТТ. – 2010.- №3. - С.22-29. 7. Sura N.K. Lateral response of
nonlinear nose-wheel landing gear models with torsional free play [Текст]/ N.K. Sura, S.
Suryanarayan// Journal of aircraft. - 2007. - Vol.44, No. 6. - P. 1991-1997. 8. Pacejka H.B. Shear
force development by pneumatic tires in steady-state conditions. A review of modeling aspects
[Текст]/ H.B. Pacejka, R.S. Sharp// Vehicle system dynamics. -1991.-Vol.20, № 3-4. - P. 121-176.
9. Плахтиенко, Н.П. Одностепенная модель колебаний опоры шасси самолета [Текст]/Н.П.
Плахтиенко, Б.М. Шифрин//Техн. механика.-2006.-№1. С.16-25.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 005.8
П.А.ТЕСЛЕНКО, канд. техн. наук, доцент,
Одесская государственная академия строительства и архитектуры
ПРОЕКТ КАК УПРАВЛЯЕМАЯ ОРГАНИЗАЦИОННО-
ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Проект представлен как организационно-техническая система. Рассмотрены ее
составляющие. Показана необходимость уточнения термина техническая система и
организационно-техническая система в предметной области управления проектами.
Ключевые слова: проект, управление проектами, организационно-техническая система,
техническая система, как подсистема ОТС
Проект представлений як організаційно-технічна система. Розглянуті її складові. Показана
необхідність уточнення терміна технічна система й організаційно-технічна система в
предметній області управління проектами.
Ключові слова: проект, управління проектами, організаційно-технічна система, технічна
система, як підсистема ОТС
The Project is presented as organizing-technical system. Its components are considered. It is shown
need of revision of the term technical system and organizing-technical system in application domain
of project management.
Keywords: project, project management, organizing-technical system, technical system, as
subsystem OTS
Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными
и практическими задачами.
В новейшей истории специальности "Управления проектами и
программами" в Украине (05.13.22), продолжаются научные дискуссии о месте
198

и роли термина организационно-техническая система (ОТС) в определении
объекта диссертационных исследований и выведении научного результата
диссертаций в область технических наук (05) и направления компьютерные
науки (13).
Паспорт специальности позиционирует проект как управляемую
организационно-техническую систему (УОТС). С точки зрения системного
подхода данное определение раскрывает смысл проекта как системы, однако, с
другой стороны вносит неопределенность — что есть техническая система (ТС)
в УОТС. И это очень важно, поскольку в диссертационном исследовании
должна быть раскрыта техническая компонента, как с точки зрения
технической системы, так и в аспекте соответствия результатов исследования
техническим наукам.
Анализ предыдущих исследований и нерешенных частей проблемы.
Изучая обозначенную проблему в комплексе, обратимся к анализу
информационных ресурсов, которые так или иначе связаны с понятием
"организационно-технический". В украиноязычных ресурсах понятие ОТС
практически не встречается, не говоря уже об обоснованном определении.
Встречаются понятия (мовою оригіналу):
− організаційно-технічний рівень виробничого процесу;
− організаційно-технічні заходи;
− організаційно-технічні способи управління;
− організаційно-технічне забезпечення;
− організаційно-технічні принципи;
− організаційно-технічні об'єкти.
В Российской Федерации с 2000 года ведется подготовка студентов по
направлению 657500: Организационно-технические системы по специальности
230301 «Моделирование и исследование операций в организационнотехнических
системах». В рамках специальности читаются дисциплины:
Теория вероятностей и математическая статистика в исследованиях ОТС,
Теория управления ОТС, Методы исследования эффективности ОТС, Модели
ОТС и процессов их функционирования.
Деятельность выпускников данной специальности направлено на
проектный и оперативный менеджмент ОТС различного назначения
(производственных, энергетических, транспортных) на основе компьютерной
техники и технологии.
В описании специальности ОТС — это автоматизированная система
управления ресурсами, данными, моделями, обеспечивающая управление всей
информацией и связанными с ним процессами на протяжении всего его
жизненного цикла продукта. В качестве примеров ОТС приводятся: Product
Lifecycle Management (технология управления жизненным циклом изделий) и
Product Data Management (система управления данными об изделии), т.е. ОТС
— это разновидность автоматизированной системы управления.
При этом техническая система (ТС) как подсистема ОТС состоит из
элементов объединенных связями и вступающих в определенные отношения
199

между собой и с внешней средой, чтобы осуществить процесс и выполнить
функцию ТС (цель, назначение, роль).
Подготовка по направлению 657500 ведется в 12 ВУЗах России, среди
которых Балтийский государственный технический университет ВОЕНМЕХ
им. Д.Ф. Устинова, Военная академия Ракетных войск стратегического
назначения имени Петра Великого, Военно-космическая академия имени А.Ф.
Можайского.
В [1] сложные ОТС в зависимости от реализации конкретных
информационных технологий представляют как жестко определенную
совокупность программных, аппаратных и организационных
(информационных, математических, лингвистических и других) средств,
которые включают в себя: информационные ресурсы, средства и системы
информатизации, технические средства и системы, персонал, систему
нормативно-технических документов. Под ТС здесь понимают средства,
обрабатывающие информацию, а также и помещения, предназначенные для
обработки такой информации. В [2] и [3] определения ОТС и ТС как ее
составной части не приводятся. В [4, с. 314] ТС представлена как система
меньшего уровня по отношению к социально-экономической системе, т.е.
подсистема. Она представляет собой пропорциональное сочетание отдельных
технических средств из множества отдельных видов различного оборудования,
например, производственные мощности организации, с помощью которых
люди в процессе материального производства способны производить
продукцию в определенном количестве и заданного качества.
Цель исследования заключается в обосновании определения термина
"организационно-техническая система", ее составляющих "техническая
система" и "организационная система", в предметной области управления
проектами.
Основная часть исследования.
Весьма актуальным является разрешение вопроса, что представляет собой
техническая система в проекте, и сама УОТС. И поскольку паспорт
специальности не вносит конкретики, то данный вопрос бурно обсуждается
научной общественностью на международных научно-практических
конференциях в области управления проектами: «Інтегроване стратегічне
управління, управління проектами та програмами розвитку підприємств і
територій», Харьков-Славское, февраль 2010, VІІ міжнародної конференції
"Управління проектами у розвитку суспільства", Киев, май 2010, VІ
міжнародної науково-практичної конференції "Управління проектами: Стан та
перспективи", Николаев-Коблево, сентябрь 2010.
В результате обсуждения на VІ міжнародної науково-практичної
конференції "Управління проектами: Стан та перспективи", в г. Николаеве и
затем продолжено в рамках круглого стола в Коблево в сентябре 2010, в
котором принимали участие ведущие специалисты по управлению проектами,
среди которых были: академик Бурков В.Н. (Россия), профессора Бушуев С.Д.,
200

Рач В.А., Кононенко И.В., Малый В.В., Кошкин К.В., Чернов С.К., и другие
участники конференции, было предложено как минимум два подхода в
обозначении технической системы в рамках УОТС.
1. Первый подход определяет ТС как средство овеществления
организационных и управляющих воздействий в процессах получения продукта
проекта или новой ценности. И в этом существует своя логика, поскольку
любая организация как активная система имеет в своем составе технические
либо технологические структуры — то производство, на которое мы
воздействуем. Этот подход созвучен с определениями, представленными в [4].
Тогда, если ценность, полученная на выходе УОТС имеет материальную
составляющую, то очевидно, что для этого необходимы технические и
технологические средства (ТТС). Здесь ТТС — это элементы УОТС, служащие
для овеществления и материализации идей через управляющие воздействия в
ценность, и эти элементы образуют техническую подсистему УОТС.
Если ценность не имеет материальной составляющей, то возможно, что
технические средства для реализации ценности отсутствуют, но остаются
технологические средства достижения целей. Тогда технологические средства
— это элементы УОТС, служащие для преобразования идей и управляющих
воздействий в ценность, и эти элементы образуют ТС УОТС.
2. В методологии проектного управления, предложенной профессором
Рач В.А., УОТС рассматривается как средство или инструмент для обеспечения
принятия некоторых управленческих решений при создании продукта проекта,
т.е. обеспечение менеджера компьютерными технологиями для обеспечения
принятия решения. Этот подход созвучен с определениями представленными в
[1] и со специальностями группы 657500 – "Организационно-технические
системы", однако следует отметить, что в указанных источниках под
организационной системой понимают информационную систему, что
отличается от управления проектами. Вместе с тем, подход предложенный
профессором Рач В.А. выводит результат диссертационного исследования к
направлению компьютерные науки (13).
Исследования данной статьи не претендует на полноту охвата
существующей базы знаний относительно понятия "организационнотехническая
система", ввиду ограниченности доступа к информационным
ресурсам. Можно ожидать, что обсуждение значений этих понятий будет
продолжаться. Поэтому можно сформулировать следующие выводы.
Выводы. Данная проблема существует. Она пока еще окончательно не
решена, поскольку не достигнуто согласие между учеными различных школ
проектного менеджмента. Вместе с тем, эта проблема занимает центральное
место в проектном управлении, поскольку она определяет основные принципы
проектного управления как намерения создать уникальную ценность в условиях
ограниченных ресурсов, бюджета и времени.
Список литературы: 1. Данеев А.В. Исследование динамики поведения сложных
организационно-технических систем в условиях воздействия неблагоприятных факторов /
201

А.В. Данеев, А.А. Воробьев, Д.М. Лебедев // Вестник Воронежского института МВД России.
— Воронеж.: ВИМВД, 2010. — №2. — С. 163–171. 2. Интеллектуальные системы
управления организационно-техническими системами / Под ред. проф. А.А.Большакова. —
М.: Горячая линия–Телеком, 2006. — 160 с. 3. Компьютерная поддержка сложных
организационно-технических систем / В.В.Борисов, И.А.Бычков, А.В.Дементьев,
А.П.Соловьев, А.С.Федулов. — М.: Горячая линия–Телеком, 2002. — 154 с. 4. Щёкин Г.В.
Теория социального управления: Монография / Г.В.Щёкин. — К.: МАУП, 1996. — 408 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 621.317
E.H. БЕЗВЕСИЛЬНАЯ, докт. техн. наук, профессор, НТУУ “КПИ”, г.
Киев,
А.В. КОВАЛЬ, аспирант, ЖГТУ, г. Житомир,
Е.В. ГУРА, аспирант, НТУУ “КПИ”, г. Киев
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕКОТОРЫХ НЬЮТОНОМЕТРОВ
В КАЧЕСТВЕ ГРАВИМЕТРОВ АВИАЦИОННОЙ
ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Порівняльний аналіз деяких ньютонометрів, застосовуваних в якості чутливих елементів авіаційної
гравіметричної системи.
Ключові слова: ньютонометр, гіроскоп, авіаційна гравіметрична система
Сравнительный анализ некоторых ньютонометров, применяемых в качестве чувствительных
элементов авиационной гравиметрической системы.
Ключевые слова: ньютонометр, гироскоп, авиационная гравиметрическая система
Comparative analysis of some of newtonometers used as sensitive elements of the aviation
gravimetric system.
Key words: newtonometer, gyroscope, aviation gravimetric system
Современная техника систем инерциальной навигации достигла того
уровня, когда ни новые схемные решения, ни совершенствование элементов
системы не дают существенного повышения точности определения координат
местоположения объекта и скорости его движения, так как источником
навигационных ошибок являются неопределенности в знании формы Земли и
ее гравитационного поля. Одним из очевидных путей устранения указанных
пробелов в знании гравитационного поля Земли является проведение в больших
масштабах гравитационных измерений. Собранные данные, вложенные в
память бортовой цифровой вычислительной машины, будут в значительной
степени способствовать повышению точности определения навигационных
параметров. Задача определения данных о гравитационном поле Земли может
быть эффективно решена с помощью авиационной гравиметрической системы
(АГС), чувствительным элементом которой является гравиметр или
ньютонометр (термин "гравиметр" определяет функциональное отличие данной
группы приборов от более широкого понятия "ньютонометр", хотя принцип
202

действия приборов, теория, основные элементы их чувствительных систем
идентичны).
Отдельные описания конструкций и технические характеристики ряда
ньютонометров, применяемых в АГС, содержатся, например в [1– 6]. Однако
обобщенного сравнительного анализа основных характеристик приборов в
литературе нет. В связи с этим целью настоящей работы является дать
сравнительный анализ некоторых ньютонометров, применяемых в качестве
чувствительных элементов АГС. В основу анализа положены основные
технические характеристики приборов, разработанных и используемых для
авиационных гравиметрических измерений в США и СНГ. На основе такого
сравнительного анализа можно судить о возможности применения того или
иного типа ньютонометра в АГС.
Показывается, что можно существенно повысить точность измерений
гравитационного ускорения с помощью гироскопического ньютонометра за
счет уменьшения инструментальных ошибок и методической погрешности
последнего, если применить трехстепенной гироскоп с вертикально
расположенной осью наружной рамки и смешенным центром тяжести
относительно внутренней и наружной рамок, но соответствующим осям
которого предусмотрены две системы позиционно-интегральной коррекции.
Приводятся частные случаи предлагаемой схемы прибора. Авиационные
гравиметрические измерения, выполненные в США с наиболее часто
употребляемыми для этих целей ньютонометрами типа Bell (Bell BGM-2, Bell
VMIX), PIGA (16 PIGA, 25 PIGA), Autonetics (VM-4G, VM-7G), Arma (Arma
LotD, Arma D4E), показали возможность получения точности до 1 – 10 мгл [5].
В СНГ авиационные гравиметрические измерения осуществлялись в
основном с кварцевыми сильно-демпфированными (ГAJI-C) [3] и струнными
ньютонометрами [1].
Технические характеристики перечисленных ньютонометров приведены
в таблице, что позволяет легко сравнить их и выбрать нужный тип прибора.
Одним из наиболее перспективных для применения в АТС в настоящее
время считаются приборы типа PIGA [5]. Однако такой ньютонометр,
используемый в качестве гравиметра, имеет одну ось чувствительности,
параллельную оси вращения гироскопа относительно основания, и измеряет
проекцию гравитационного ускорения на эту ось. Для определения
направления гравитационной вертикали требуется весьма точная стабилизация
оси чувствительности ньютонометра по направлению гравитационного поля
Земли.
В районах гравитационных аномалий происходит искажение
гравитационного поля, что вызывает дополнительные методические
погрешности прибора.
Кроме того, вращение гироскопа вокруг оси наружной рамки
обусловливает появление различного рода возмущающих моментов (например,
моментов сил сухого трения в опорах, момента, создаваемого токоподводами,
момента обратного воздействия электрического датчика угла и т. п.),
вызывающих инструментальные погрешности PIGA.
203

На рисунке приведена функциональная схема прибора, лишенного
перечисленных недостатков.
Гироскопический ньютонометр имеет в качестве чувствительного
элемента трехстепенный гироскоп в кожухе с внутренней рамкой 1,
заключенный в карданов подвес таким образом, что центр тяжести гироскопа 2
смещен относительно оси внутренней рамки на расстояние l , а относительно
оси наружной рамки – на расстояние ε . Гиромотор в кожухе помещен в
наружную рамку 3, ось вращения которой расположена вертикально. На оси 5
внутренней рамки 1 располагается электрический датчик момента 6, к обмотке
управления которого через интегратор 7 подключен выход электрического
датчика угла 8.
На оси 5 внутренней рамки 1 располагается электрический датчик угла 9,
выход которого через интегрирующее устройство 10 соединен с обмоткой
управления датчика моментов 11, расположенного на оси 4 наружной рамки
гироскопа.
Такой гироскопический ньютонометр, имеющий две оси
чувствительности, работает следующим образом. При наличии составляющей
g
z гравитационного ускорения вдоль оси 5 внутренней рамки гироскопа
последний начнет поворачиваться вокруг оси наружной рамки под действием
маятникового момента mε g
z ( m – масса гироузла).
Поворот гироскопа под действием этого момента приводит к появлению
электрического сигнала датчика угла 8, расположенного на оси 4 наружной
рамки. Датчик момента 6 создаст момент, компенсирующий маятниковый
момент mε g
z .
Интегральная коррекция гироскопа приводит к тому, что в
установившемся положении угол поворота наружной рамки вокруг своей оси
равен нулю, а ток в обмотке управления датчика момента 6 пропорционален
проекции гравитационного ускорения g
z на ось внутренней рамки гироскопа.
Под действием маятникового момента mgl
y , вызванного составляющей
гравитационного ускорения g
y вдоль оси наружной рамки, гироскоп начнет
поворачиваться вокруг оси 4 наружной рамки.
204

Таблица
Тип грави
метра
LR Мод.
S
BeLL
BGM-2
BeLL
VMIX
Дрейф
за 12ч,
мгл
Температ
ур ный
коэффи
циент,
мгл/град
Время
регули
рования,
с
Порог
чувстви
тельнос
ти, мкгл
Вес, кг Размеры,
см
Маят-
нико-
вость,
ГСМ
Специ
альные
требо
вания
Количество
произведен
ных акселе
рометров ,
шт
Количество
Различие
произведенн
между акселе
ых
рометром и
гравиметров
гравиметром
, шт
1 0,005 1 1 - - - - - 30 -
2 0,005 1 2 2,24 10x15x20 1000 10 М
2 0,005 1 2 - - - Несколько Совсем нет М
16 PIGA 3 0,005 1 3 1,7 13x15 25 АС Тысячи Совсем нет м
VM-7Q 3 0,005 2 2 - - 24 - 1000 2
Arma D4E 2 0,1 2 1 -
Arma LotD 2 0,1 2 1 -
23, высо
та 23
7, высо
та 13
ТК 40 2 м
ТК 1000 2 м
Струнный 2 0,003 2 1 7,5x4x2,8 - - - - м
ГАЛ-С 2 0,001 2 2 23 30x30x74 - - - - м
Примечание. АС – азимутальная стабилизация; М- наибольшая разница; ТК –
очень точный температурный контроль; м – наименьшая разница.
Рис. Функциональная схема гироскопического ньютонометра
Поворот гироскопа под действием момента mgl
y приводит к появлению
электрического сигнала датчика угла 9. Датчик моментов 11 создает момент,
компенсирующий маятниковый момент mgl
y .
Интегральная коррекция обеспечивает нулевое значение
установившегося угла поворота внутренней рамки относительно наружной, при
этом ток в обмотке управления датчика момента 11 пропорционален проекции
гравитационного ускорения g
y на ось наружной рамки гироскопа.
205

Для пояснения принципа работы рассматриваемого гироскопического
ньютонометра приведем систему уравнений, описывающих движение прибора
[2]:
t
⎫
Hβ
+ k1β
+ μ
∫ βdt
= − ( mεg
z
+ M
H
),
⎪
0
t
⎬
(1)
Hα
+ k + = + ⎪
2α
ν∫
αdt
mlg
y
M
B
,
⎪
0
⎭
где H – кинетический момент гироскопа; α , β – углы поворота
гироскопа вокруг осей наружной и внутренней рамок соответственно; k
1 , k
2 –
коэффициенты, равные произведению передаточных коэффициентов
соответствующих датчика угла и датчика момента; μ , ν – передаточные
коэффициенты соответствующих интегрирующих устройств; M
H , M
B –
возмущающие моменты, действующие по осям наружной и внутренней рамок
гироньютонометра.
d
Вводя оператор дифференцирования p = , из системы уравнений (1)
dt
получаем следующее выражение для углов α и β поворота гироскопа:
( mlg + M )
y B
p
α( p)
=
,
2
Hp + k2
p + ν
(2)
( )
( mεg
z
+ M
H
) p
β p = −
.
2
Hp + k1
p + μ
В установившемся состоянии (при p = 0 ) углы поворота гироскопа вокруг
осей внутренней и наружной рамок равны нулю. При этом уменьшаются
величины возмущающих моментов M
H и M
B , зависящих от поворотов
гироскопа вокруг соответствующих осей.
Таким образом, если ось внутренней рамки гирогравиметра расположить
в плоскости географического меридиана, то, измеряя две составляющие g
y и
g
z гравитационного ускорения, можно определить результирующее
направление гравитационной вертикали g и модуль гравитационного
ускорения по формулам
g = y0 g
y
+ z0g z , (3)
где y
0 и z
0 – единичные орты осей y и z ,
g +
2 2
= g y
g z . (4)
Если в уравнениях (1) положить μ = ν = ε = 0 , то они будут описывать
динамику гироскопического интегратора линейных ускорений с интегральной
межрамочной коррекцией, рассмотренного в [2]. Если ограничиться анализом
гироньютонометра с позиционной коррекцией без учета вредных моментов
M
H и M
B
, то систему (1) можно записать в виде
Hβ
+ k = ⎪⎫
1β
0,
⎬
Hα
+ k2α
= mgl . ⎪⎭
α и
∗ k3
0 , α = g
Tp + 1
Установившиеся значения углов
∗
∗
β =
206
∗
β будут равны:
(5)
, (6)

где
ml
k
k
3
= ;
2
H
T = – постоянная времени гироньютонометра.
k 2
Из формулы (6) следует, что в динамическом отношении рассмотренный
гироньютонометр представляет собой апериодическое звено по отношению к
измеряемому ускорению. Рациональным выбором постоянной времени T
можно обеспечить требуемые частотные характеристики прибора. Применение
в предлагаемом ньютонометре компенсационного метода определения
гравитационных ускорений позволяет существенно повысить точность АГС,
построенной на его базе, по сравнению с использованием гироскопического
интегратора линейных ускорений.
Выводы. Выбор того или иного типа ньютонометра для построения АГС
следует производить исходя из конкретных условий работы системы. При
существующем состоянии авиационных гравиметрических систем
целесообразно комплексное использование ньютонометров различного типа
для уточнения методики и повышения точности гравиметрических измерений
на подвижном основании.
Однако следует отметить перспективность и целесообразность
разработки и использования гироскопических ньютонометров, в которых
значительно лучше разработаны вопросы автоматизации, съема и обработки
сигнала датчика, обладающих сравнительно простой измерительной схемой и
меньшей зависимостью от температуры окружающей среды, чем другие типы
ньютонометров.
Список литературы: 1. Лозинская, А. М. Аэрогравиметрическая аппаратура на базе
струнных датчиков / А. М. Лозинская, 3. П. Фомина, И. Л. Яшаев // Прикладная геофизика.
— 1973. — Вып. 70. — С. 175 — 185. 2. Лунц, Я. Л. Введение в теорию гироскопов / Я. Л.
Лунц. — М.: Наука, 1972. — 296 с. 3. Попов, Е. И. Аппаратурные и опытно-методические
работы по морской гравиметрии: Сборник статей / Е. И. Попов. — М.: Наука, 1973. — 131 с.
4. Ткачев, Л. И. Системы инерциальной ориентировки. Ч. 1. Основные положения теории. /
Л.И. Ткачев. — М.: МЭИ, 1993. — 213 с. 5. Wilmoth, E. D. An investigation of methods for
determining gravity anomalies from an aircraft: Sc. D. Thesis. / E. D. Wilmoth. — Mass. Inst. of
Tech. 1989. — 76 p. 6. Безвесільна, О. М. Авіаційні гравіметричні системи та гравіметри:
Монографія / О. М. Безвесільна. — Житомир: ЖДТУ, 2007. — 604 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 519.687.1
Г.М. ЗАХАРЕНКО, студент, НТУ «ХПІ»
Д.В. КУКЛЕНКО, канд. техн. наук, доц. каф. АСУ НТУ «ХПІ»
ЗАСТОСУВАННЯ ЕКСПЕРТНИХ СИСТЕМ У ВИРІШЕННІ
ЗАДАЧІ УПРАВЛІННЯ ПРОДУКТИВНІСТЮ
ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ РЕСУРСІВ БІЛІНГОВОЇ СИСТЕМИ
МОБІЛЬНОГО ОПЕРАТОРА
В статті проаналізовано причини збільшення навантажень на обчислювальні ресурси
мобільних операторів. Запропоновано підхід для вирішення задачі управління
продуктивністю обчислювальних ресурсів за допомогою створення інформаційно-
207

аналітичної системи з експертною системою у якості головної компоненти.
In the article the reasons of mobile operators’ computational resources load increase are analyzed.
The approach for solving of the task of computational resource productivity management is
suggested with the help of information-analytical system creation with expert system as main
component.
Вступ. Існує багато галузей, у яких обсяги даних, що підлягають обробці,
є надзвичайно великими. Серед них є сфера телекомунікаційних послуг, та її
представники – оператори мобільного зв’язку. Види даних, якими оперують
такі компанії, можна розділити на дві групи: внутрішні та зовнішні. Внутрішні
– це дані, що запроваджуються самим мобільним оператором: дані про
користувачів, послуги, які надаються, та їх тарифи, дані про акції та знижки
тощо. До зовнішніх даних відносяться дані про використані абонентами
послуги. Частка цих даних по відношенню до внутрішніх у тисячі разів більша,
а важливість здатності обробити їх усі безпосередньо пов’язана з основною
ціллю існування мобільного оператора - отримання прибутку від надання
телекомунікаційних послуг.
Для вирішення задачі обробки великого об’єму даних необхідна велика
кількість обчислювальних ресурсів (ОР) та підхід до їх управління.
Тож, у цій статті буде запропонований підхід, що може бути
застосований для вирішення задачі ефективного управління продуктивністю
обчислювальних ресурсів.
Аналіз проблеми. У порівнянні з першими роками роботи на ринку
мобільного зв’язку України, нинішні об’єми зовнішніх даних мобільних
операторів значно зросли, що обумовлено кількома основними причинами:
1 Багаторазове збільшення
абонентської бази мобільних
операторів. Для найбільших
операторів України статистика
зміни кількості абонентів
представлена на рис. 1 [1].
Перехід до конвергентного білінгу
[2], що дозволив мобільним
операторам надавати більшу
кількість послуг, призвів до
збільшення загальної кількості
використовуваних послуг одним
абонентом.
Рис. 1. Кількість абонентів мобільних
операторів України
У зв’язку з цим мобільні оператори змушені шукати шляхи вирішення
проблеми високих навантажень на ОР. Екстенсивним підходом є збільшення
кількості ОР, що допомагає вирішити цю проблему, але натомість породжує
нові. Вибухове збільшення кількості обчислень даних про використані послуги
призвело до розростання обчислювальних центрів, які, як правило, складаються
з великої кількості слабко використовуваних серверів, що тягне за собою
високу вартість володіння (враховуючи витрати на оренду, електроенергію для
208

обчислень та охолодження, ліцензії на програмне забезпечення та
адміністрування за участю операторів). Тому актуальною стала задача
ефективного управління продуктивністю ОР.
Постановка задачі. Продуктивність – це міра, яка характеризується
кількістю виконаної корисної роботи у відношенні до кількості часу та
ресурсів, що було затрачено на її виконання [3]. Оскільки у якості ресурсу для
обробки даних про використані послуги виступає обчислювальний сервер,
постановку задачі можна сформулювати так: мінімізувати кількість серверів,
відповідальних за обробку даних про використані абонентами послуги (по
кожному виду окремо), так, щоб у будь-який момент часу усі дані, що
надійшли, були оброблені без затримки та помилок, але при цьому жоден з
серверів не простоював без навантаження і не працював на межі своїх
можливостей.
Підхід до вирішення задачі. Сама постановка задачі вказує на те, що
такого результату можна досягнути за умови зміни кількості виділених для
обчислень серверів з часом. Ці зміни обумовлені тим, що інтенсивність
використання різних видів послуг варіюється в залежності від різних обставин.
Так, наприклад, вдень люди дзвонять та відправляють одне одному смс більше,
ніж вночі; на Новий рік кількість здійснених дзвінків та відправлених смс у
десятки разів більша, ніж у звичайний несвятковий день; а влітку збільшується
кількість дзвінків у роумінгу, в той час як загальна кількість звичайних дзвінків
зменшується.
Тож, головним питанням є: як дізнатись, скільки ОР необхідно
Очевидно, що ця величина залежить від обсягу навантажень, що приводить до
питання: як дізнатись, які навантаження будуть у той чи інший час
Навантаження на ОР мобільного оператора залежить від рівня активності
його абонентів, визначення якого не можливо однозначно описати за
допомогою алгоритму. Тому для отримання відповіді на поставлене питання
необхідно звернутись до того, хто вже багато років працює у цій області і
досконало знає закономірності змін об’ємів навантажень, – до експерта. Але й у
цього рішення є недоліки. Якщо уявити, що потрібно одночасно з’ясувати
кількість ОР для кожної з десятків послуг, що надаються мобільним
оператором, або розбудити експерта вночі, для того щоб дізнатись, чи варто
змінювати щось в обчислювальній інфраструктурі, то проявляються наступні
недоліки людини-експерта:
− обмежена швидкість при прийнятті складних рішень;
− один експерт, зазвичай, не може якісно вирішувати більше однієї задачі
одночасно, що може призвести до появи черги з нагальних задач, які
підлягають розв’язанню;
− схильність до втоми.
Ці причини яскраво підкреслюють необхідність замінити експерталюдину
аналітично-інформаційною системою, що могла б вирішувати завдання
такої чи більшої складності з не меншою ефективністю, при цьому будучи
позбавленою тих вад, що є у людини. До таких систем належать експертні
системи (ЕС), які і пропонуються у якості підходу до вирішення поставленої
209

задачі.
Визначення та переваги ЕС. ЕС – це інтелектуальна комп'ютерна
програма, що містить знання та аналітичні здібності одного або кількох
експертів у відношенні до деякої галузі застосування і здатна робити логічні
висновки на основі цих знань, тим самим забезпечуючи вирішення специфічних
завдань (консультування, навчання, діагностика, тестування, проектування
тощо) без присутності експерта (спеціаліста в конкретній проблемній галузі)
[4].
Вони мають ряд переваг над людиною-експертом [5]:
− постійність якості рішень;
− стабільність результатів, відтворюваність рішень, що приймаються, та
непідвладність зовнішнім факторам, що напряму не стосуються проблеми;
− вартість – нижча, ніж вартість частого використання допомоги
експерта.
Архітектура запропонованої інформаційно-
Архітектура системи.
аналітичної системи зображена на рис. 2.
Основними
компонентами у даній
архітектурі є: ЕС,
підсистема управління ОР та
пул ОР.
ЕС відповідальна за
прийняття рішення стосовно
кількості ОР.
Підсистема управління
ОР складається з таких
компонент: компонента
взаємодії з ЕС – надає
початкові дані для роботи
ЕС; компонента взаємодії з
ОР – запускає або зупиняє
компоненти з обробки даних
про використані послуги;
компонента генерації звітів
на основі даних отриманих
від двох вищезгаданих
компонент генерує звіти та
надсилає їх адміністратору.
Пул ОР складається з
обчислювальних серверів
мобільного оператора.
Рис. 2. Архітектура інформаційно-аналітичної
системи
Розробка ЕС. На сьогодні склалася технологія розробки ЕС, що включає
6 етапів: ідентифікація, концептуалізація, формалізація, реалізація, тестування,
дослідна експлуатація і впровадження. Найбільш важливими є два перші етапи,
адже протягом них проектується база знань (БЗ) ЕС, на основі якої буде
210

здійснюватись логічне виведення.
Для представлення знань у БЗ було обрано продукційну модель, оскільки
їй притаманні такі переваги як: відносна простота, наочність, висока
модульність, легкість до внесення змін та доповнень, простота схеми логічного
виводу. Моделі цього типу засновані на правилах, та дозволяють представити
знання у вигляді пропозицій типу: «якщо умова, то дія» [6].
Етап ідентифікації. На етапі ідентифікації визначаються завдання, які
підлягають рішенню, та проходить здобування знань. Для розроблюваної ЕС
завдання, яке вона має вирішувати, аналогічне постановці задачі, що була
сформульована вище.
Так як дані, необхідні для розв’язання цієї задачі є комерційною
таємницею і не розповсюджуються представниками мобільних операторів, у
якості ресурсів, з яких будуть отримуватися необхідні знання, виступатимуть
відкриті джерела Інтернету: аналітичні статті з вирішення питань навантажень
на ОР та статистичні статті з даними про навантаження на мережі мобільних
операторів у різні періоди часу (будні та вихідні дні, різні свята та сезони року).
Зазвичай для створення прототипу ЕС кількість початкових даних зовсім
незначна, тому для прикладу буде використано лише 3, але найбільш показові,
факти. Оскільки один з методів отримання знань – це опитування, то отримані
знання наведені у форматі можливих відповідей людини-експерта:
1 Новий рік є найбільшим випробуванням для мобільного оператора. У
новий рік навантаження на мережу зростає багаторазово, особливо активно
використовуються такі послуги як голосовий зв'язок і смс. Пік навантажень
припадає на час з 22:00 31 грудня до 3:00 1 січня. За цей час кількість
здійснених голосових дзвінків зростає у 5-7 разів в порівнянні з
середньодобовими показниками, кількість смс - в 10-15 разів.
2 У міжнародний жіночий день (8 березня) будь-який чоловік прагне
привітати усіх знайомих йому жінок з цим святом. В наслідок чого показники
кількості відправлених SMS і здійснених дзвінків наближаються до новорічних.
Кількість дзвінків зростає в 4-5 разів, кількість відправлених SMS - в 7-8 разів.
3 Одним з найбільш завантажених днів осені є 1 вересня. Цього дня
багато хто веде дітей до школи, повертаються з відпочинку студенти, і
починають активно ділитися враженнями про проведене літо, та домовлятися
про майбутні спільні активності. Цього дня навантаження по голосових
повідомленнях зростають в 2,7 рази, а кількість відправлених смс в 3,5 рази.
Етап концептуалізації. На етапі концептуалізації, базуючись на тих
даних, що були отримані в процесі ідентифікації, необхідно виділити ключові
поняття, стосунки і характеристики, необхідні для опису процесу рішення
задачі. Також необхідно визначити початкові дані, та дані, що виводяться.
Виходячи з зазначених вище фактів та цілей ЕС, у якості початкових
даних можуть використовуватись величини з наступних елементів:
− множина T моментів часу (момент часу задається у вигляді dd/mm
hh:mm, тобто із точністю до однієї хвилини);
− множина S = { s1...
s n
} видів послуг мобільного оператора (наприклад
«звичайний дзвінок»), для яких необхідно розрахувати кількість ОР;
211

>
− g - кількість ОР, що виділені для обробки даних по обраній послузі.
Дані, що необхідно вивести, належать до таких множин:
− множина A = { зменшитизбільшитизалишити
, , _ незмінною}
дій, що мають бути
виконані для забезпечення достатньої кількості ОР для обраної послуги;
− r - кількість ОР, для яких має бути застосована дія з множини A .
На основі експертних знань можна виділити наступні взаємозв’язки між
об’єктами проблемної області: зв’язки між часом та датою, для яких необхідно
розрахувати кількість ОР та обсягом зміни даних, що надійшли для обробки по
конкретній послузі. Такі зв’язки наведені у табл. 1.
З таблиці видно, що отримані взаємозв’язки легко можуть бути
представлені за допомогою продукційної моделі, оскільки присутня як умовна
частина, так і дієва частина, що має бути виконана у разі істинності умовної.
Модель правила для послуги S s ∈ матиме наступний вигляд:
( t [ t t ] ) ∧ ( g r ) ⇒ ( )
∈ ω , де
{
1
, 2
gar
} a ∈ A
t t , t
∈ T,
∈ , ,
, ω
.
1 2
Таблиця 1
Величина зміни кількості даних, що надійшли для обробки в
залежності від часу та дати
Умова (час та дата)
Зміна по послузі
«дзвінок»
Зміна по послузі
«SMS»
дата 31.12 і час більше 22:00 або дата зростає в 6 разів зростає в 13 разів
01.01 і час менше 3:00
дата 08.03 і час між 8:00 і 23:00 зростає в 5 разів зростає в 7 разів
дата 01.09 і час між 7:00 і 14:00 зростає в 2,7 разів зростає в 3,5
рази
Етап формалізації. Для формалізації отриманих знань була обрана мова
Jess (Java Expert System Shell) [7], оскільки вона має наступні переваги:
− написана кросплатформеною мовою Java;
− використовує поліпшену версію алгоритму Rete [8];
− має як прямий, так і зворотній механізми виведення;
− має високу продуктивність та нескладний синтаксис.
Початкові дані, що надходять до
ЕС, повинні мати певну структуру, яка
задається за допомогою шаблонів.
Шаблони для параметрів час, дата та тип Рис. 3. Шаблони початкових даних
послуги наведені на рис. 3.
Правила формалізовані для першої умови з табл. 1 наведені на рис. 4 (для
послуги «дзвінок») та 5 (для послуги «SMS»).
Умовна частина правила перевіряє чи задовольняють вхідні дані
поставленим умовам, а дієва присвоює змінній «factor» значення величина
зміни кількості даних по обраній послузі. Надалі це значення може бути
212

використано для розрахунку необхідної кількості ОР.
Рис. 4. Формалізоване правило для послуги «дзвінок»
Рис. 5. Формалізоване правило для послуги «SMS»
Решта правил з табл. 1 може бути формалізована таким же чином, зі
зміною умов та величини, що присвоюється змінній «factor».
Висновок.
Таким чином, були з’ясовані причини великих навантажень на ОР
мобільних операторів та запропонований підхід для вирішення задачі
управління їх продуктивністю. Представлена інформаційно-аналітична система
є простою у розробці та ефективною у вирішені даного завдання. ЕС в основі
архітектури надає можливість подальшого розширення кількості правил для
пристосування до нових умов, що впливають на зміну навантажень, без
втручання у інші компоненти системи. Наведений приклад розробки правила з
бази знань ЕС свідчить про легкість у подальшій підтримці системи.
Список літератури: 1. Статистичні дані мобільних операторів України [Електронний
ресурс]. – Режим доступу в Інтернеті: http://mobilnik.ua/info/operators. 2. The Who, What, and
Why of Convergent Billing [Електронний ресурс] / Lisa Phifer // – Режим доступу в Інтернеті:
http://www.isp-planet.com/cplanet/tech/0004phifer.html. 3. Daniel A. Menasce. Capacity Planning
and Performance Modeling: From Mainframes to Client-Server Systems. – J: Prentice-Hall, 2004. -
458p. 4. Джозеф Джарратано. Экспертные системы : Принципы разработки и
программирования / Джозеф Джарратано ; [пер. с англ. К.А.Птицына]. – К. : ООО «И.Д.
Вильямс», 2007. – 1152 с. 5. Переваги експертної системи у порівнянні з людиноюекспертом
[Електронний ресурс]. – Режим доступу в Інтернеті:
http://www.aiportal.ru/articles/expert-systems/pluses-before-human.html. 6. Гаврилова Т.А. Базы
знаний интеллектуальных систем / Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. – СПб: Питер, 2000. –
384 с. 7. Jess – система управління заснована на правилах [Електронний ресурс]. – Режим
доступу в Інтернеті: http://www.jessrules.com. 8. Charles Forgy. Rete: A Fast Algorithm for the
Many Object Pattern Match Problem. – Artificial Intelligence, 1982. – 52 p.
Поступила в редколлегию 09.12.10
213

УДК 629.36
О.Я. НІКОНОВ, докт. техн. наук, професор, НТУ «ХПИ»
В.Ю. УЛЬКО, аспирант, ХНАДУ, г. Харьков
РОЗРОБЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ
ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИХ СЛІДКУЮЧИХ ПРИВОДІВ
БАГАТОЦІЛЬОВИХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ
У статті розглянута задача розроблення інформаційно-структурної схеми
електрогідравлічних слідкуючих приводів як підсистеми інформаційно-керуючої системи
багатоцільових транспортних засобів. Наведено математичний опис елементів
електрогідравлічних слідкуючих приводів. Розроблена інформаційно-структурна схема
електрогідравлічних слідкуючих приводів з урахуванням нелінійних характеристик системи.
В статье рассмотрена задача разработки информационно-структурной схемы
электрогидравлических следящих приводов как подсистемы информационно-управляющей
системы многоцелевых транспортных средств. Приведено математическое описание
элементов электрогидравлических следящих приводов. Разработана информационноструктурная
схема электрогидравлических следящих приводов с учетом нелинейных
характеристик системы.
In a paper the problem of development of the informational-block diagram of electrohydraulic servo
drives as subsystems of an informational-controlling system of multi-purpose vehicles is
considered. The mathematical description of elements electrohydraulic servo drives is reduced. The
informational-block diagram of electrohydraulic servo drives is developed in view of nonlinear
characteristics of system.
1. Постановка проблеми
В теперішній час без використання сучасної електроніки в транспортних
засобах неможливо витримати конкуренцію на ринку, особливо це стосується
багатоцільових транспортних засобів, наприклад, багатовантажних тягачів,
трубоукладачів для нафтогазопроводів, мобільних бурових установок,
спеціальних машин для надзвичайних ситуацій, які працюють в умовах
інтенсивних навантажень, складних умов експлуатації, підвищеної
відповідальності механізмів. На борту багатоцільового транспортного засобу
вирішується безліч задач по автоматизації окремих процесів з метою залишити
для екіпажу виконання тільки мінімально необхідних дій, які витікають з логіки
виконання задачі. Тому задача синтезу адаптивних інформаційно-керуючих
систем (ІКС) багатоцільових транспортних засобів з енергоефективними
виконавчими приводами є важливою і актуальною.
2. Аналіз останніх досліджень і публікацій
Проблема синтезу адаптивних систем керування для невизначених,
нелінійних і змінних у часі об'єктів як з теоретичної, так і з практичної точки
зору не вирішена остаточно. Основні стратегії адаптивного керування, у тому
числі системи зі змінною структурою, що працюють у ковзному режимі
представлені в [1,2]. Однак галузь застосування методів адаптивного керування
214

обмежується, головним чином, лінійними системами і деякими спеціальними
класами нелінійних систем.
Шляхи вирішення поставленої проблеми ведуть до розроблення методів і
алгоритмів синтезу ІКС з використанням розвиненої математичної моделі
об’єкту керування з урахуванням його нелінійних характеристик,
інтелектуальних систем керування, новітніх інформаційних технологій, а також
стохастичних характеристик зовнішніх збурень, що діють на об’єкт.
Інтелектуалізації таких систем можна досягнути насамперед на основі
багатошарових нейронних мереж і методів еволюційного моделювання,
зокрема генетичних алгоритмів, а також нечіткої логіки і гібридних нейро-фаззі
архітектур [3].
3. Формулювання мети
Метою роботи є розроблення електрогідравлічних слідкуючих приводів
для багатоцільових транспортних машин високої прохідності, що знаходяться
під впливом зовнішніх випадкових збурень, з використанням розвиненої
математичної моделі об’єкту керування з урахуванням його нелінійних
характеристик, інтелектуальних систем керування, новітніх інформаційних
технологій.
4. Математичний опис елементів та інформаційно-структурна
схема електрогідравлічних слідкуючих приводів
Розглянемо електрогідравлічні слідкуючі приводи багатоцільових
транспортних машин високої прохідності на прикладі системи наведення і
стабілізації гармати танка у вертикальній площині.
Функціональна схема системи наведення і стабілізації гармати танка
наведена на рис. 1.
Рис. 1 – Функціональна схема системи наведення і
стабілізації гармати танка з електрогідравлічним
слідкуючим приводом
Потрібний напрямок
пострілу гармати
задається за
допомогою
гіроскопічного
датчика кута ГДК.
Для підвищення
якості процесів
стабілізації в
стабілізатор вводиться гнучкий зворотний зв'язок по кутовій швидкості
переміщення об’єкту стабілізації.
Цей зворотний зв'язок реалізується за допомогою гіроскопічного датчика
кутової швидкості ГДКШ. Обертаючи трансформатори датчика кута ОТДК і
датчика кутової швидкості ОТДКШ перетворюють сигнали з ГДК і ГДКШ
через підсилювачі кута ПК і швидкості ПШ в напруги U ϕ ( t ) і U ω ( t ) відповідно.
Ці напруги перетворюються в напругу непогодження ∆ U ( t ) = U ϕ ( t ) − U ω ( t ) .
Напруга ∆ U ( t ) через підсилювач П подається до входу виконавчого органу ВО,
який складається з електрогідроприводу ЕГП та гідравлічного циліндра ГЦ.
Виконавчий орган створює стабілізуючий момент M ГП ( t ) , який компенсує
215

збурюючий момент M ЗБ ( t ) з метою утримання вісі каналу ствола гармати Г в
заданому напрямку на ціль.
Складемо рівняння динаміки, передавальні функції і структурні схеми
елементів, що входять до функціональної схеми системи наведення і
стабілізації гармати танка з електрогідравлічним слідкуючим приводом.
Гіроскопічні датчики кута і швидкості. Для вимірювання кутових
величин відхилень гармати, башти і кутових швидкостей їх відхилень у
стабілізаторі застосовуються гіроскопічні прилади – гіроскопічний датчик кута
і гіроскопічний датчик швидкості. Основними елементами гіроскопічних
датчиків є гіроскоп і обертаючий трансформатор. Гіроскоп із трьома ступенями
свободи застосований у датчику кута, гіроскоп із двома ступенями свободи – у
датчику швидкості.
Передавальна функція трьохстепеневого гіроскопа має вигляд
W
ГДК
( s)
=
T
k
ГДК
2 2
ϕ s + T 1 ϕ 2s
+
де k ГДК – коефіцієнт передачі ГДК; T ϕ1
і T ϕ 2 – постійні часу ГДК.
Малогабаритні гіроскопічні датчики кута мають малі постійні часу T ϕ1
і
T ϕ 2 у порівнянні з іншими постійними часу системи. У цьому випадку час
перехідних процесів малий і з достатньої для інженерної практики точністю
можна вважати трьохстепеневий гіроскоп безінерційним. Тоді передавальна
функція трьохстепеневого гіроскопа приймає вигляд
W ГДК ( s) = k ГДК . (1)
Передавальна функція двохстепеневого гіроскопа має вигляд
W
ГДКШ
( s)
=
k
ГДКШ
2 2
ω s + T 1 ω 2s
+
T
T ω і ω 2
де k ГДКШ – коефіцієнт передачі ГДКШ; 1 T – постійні часу ГДКШ.
Таким чином, за своїми властивостями двохстепеневий гіроскоп є
інерційною ланкою другого порядку.
При структурному аналізі систем стабілізації як вхідний сигнал датчика
швидкості приймається не кутова швидкість ω об'єкта, а відповідне їй
переміщення
ϕ = ω s
. Тоді передавальна функція ГДКШ приймає вигляд
W
ГДКШ
k
1
,
1
,
ГДКШ
( s) =
s . (2)
2 2
T 1 s + T s + 1
Обертаючі трансформатори. Вхідним сигналом обертаючого
трансформатора ОТ є кут обертання рамки гіроскопа α ( t ) , а вихідним – сигнал
постійного струму U ОТ ( t ) . Таким чином, передавальна функція обертаючого
трансформатора має вигляд
L
( )
{ UОТ
( t )}
W ОТ s =
= kОТ
, (3)
L{ α ( t )} де k ОТ – коефіцієнт передачі ОТ.
Дросельний електрогідравлічний привід гармати. У системах наведення і
стабілізації гармати широко застосовуються електрогідравлічні приводи
дросельного регулювання (рис. 2).
ω
ω 2
216

Привод складається з виконавчого
гідравлічного циліндра ГЦ,
гідравлічного регулятора ГР і
електромагніту управління
гідроприводу ЕМУГП. Потік
робочої рідини створюється
шестеренчастим або аксіальнопоршневим
насосом Н постійної
продуктивності. Гідравлічний
привід, виконаний за
диференціальною схемою,
управляється електромагнітом
поворотного типу.
Рис. 2 – Конструктивно-функціональна
схема дросельного електрогідроприводу
гармати
Момент, що розвиває електромагніт управління, пропорційний різниці
струмів у його обмотках. Коромисло КР голчасто-клапанного гідравлічного
регулятора, що є якорем електромагніту управління, переміщає голки клапанів.
При цьому потік робочої рідини перерозподіляється між гідравлічним
циліндром і порожниною зливу. Гідравлічний циліндр своїм корпусом
пов'язаний з баштою, а штоком – з коливальною частиною гармати. Точка
кріплення гідравлічного циліндра до коливальної частини гармати знаходиться
на відстані L 0 від вісі цапф. Кут повороту гармати відносно вертикалі – α Ц .
Для аналізу статичних і динамічних властивостей електрогідравлічного
привода дросельного регулювання розглянемо рівняння руху його елементів
відповідно до рис. 2.
Вхідним сигналом електромагніту управління з коромислом
гідравлічного підсилювача є напруга U y ( t ) , що подається до обмотки
електромагніту. Під дією цієї напруги по обмотках електромагніту протікає
струм ∆ i( t ) = ∆ iy
( t ) − ∆ iP
( t ) , який забезпечує появу моменту електромагніту, що
прикладається до коромисла. Останнє, повертаючись на кут β ( t ) , діє на голки
гідравлічного підсилювача, забезпечуючи тим самим зміну прохідних перерізів
дроселів.
Струм, що протікає по обмотці електромагніту, пов'язаний із
прикладеною напругою U y ( t ) диференціальним рівнянням
d∆
iy
( t )
L
+ r ∆ i ( t ) U ( t ) , (4)
y y y =
dt
де L y – індуктивність обмотки управління електромагніта; r y – активний опір
обмотки.
Виходячи з рівняння (4), отримаємо передавальну функцію обмотки
управління ОУ
де
k
y
1
r
y
W
k
y
у
ОУ ( s)
= , (5)
T s + 1
= – коефіцієнт передачі обмотки управління;
обмотки управління.
Збурений рух коромисла описується рівнянням
217
у
L
y
T y =
r
– постійна часу
y

I K
d
2
β
dt
( t ) dβ
( t )
2
+ f + cβ
dt
( t ) = ∆ i( t ) , (6)
де I K – момент інерції коромисла з голками; f – коефіцієнт в’язкого тертя; c
– коефіцієнт жорсткості пружини Пр.
З рівняння (6) отримаємо передавальну функцію електромагніта ЕМ
kем
WЕМ ( s)
=
2 2
T s + T 2s
+ , (7)
ем
1
1 ем
1
2 I
де k ем =
K
– коефіцієнт передачі електромагніта; Tем c
=
f
1 і T ем 2 = – постійні
c c
часу електромагніта.
При кутовому переміщенні коромисла β ( t ) виникає лінійне переміщення
голок на величину
∆ x( t ) = lкр
sin β ( t ) ≅ lкр
β ( t ) , (8)
де l кр – плече коромисла гідравлічного регулятора. Наближене значення
справедливо, оскільки кути повороту коромисла звичайно малі.
Рівняння витрат визначається потоком рідини, що нагнітається насосом, і
положенням голок клапанів гідравлічного регулятора. Витрата рідини в одну з
робочих порожнин гідравлічного циліндра пропорційна лінійному
переміщенню ∆ x( t)
голок клапанів гідравлічного регулятора
Q( t ) = kQ ∆ x( t ) , (9)
де k Q – коефіцієнт передачі витрати рідини гідравлічного циліндра.
Витрата Q ( t)
для гідравлічного циліндра є керуючою дією. Якщо витрата
рідини в одну із робочих порожнин гідравлічного циліндра дорівнює Q ( t)
, то
витрата рідини Q П ( t ) , що витісняється з-під поршня другої робочої порожнини,
пропорційна площі поршня і його лінійній швидкості. Шток поршня
переміщується відносно корпусу гідравлічного циліндра і викликає поворот
гармати відносно башти. Отже, витрата рідини дорівнює
QП
( t ) = S ПvП
( t ) = S Пl0 ω г ( t ) = kEω
г ( t ) , (10)
де v П ( t ) – лінійна швидкість поршня; ω г ( t ) – кутова швидкість гармати;
kE = S Пl 0 – коефіцієнт передачі кутової швидкості ω г ( t ) в витрати рідини Q П ( t )
; S П – площа поршня; l0 = L0
sin α Ц ( t ) .
Різниця витрат ∆ Q( t ) = Q( t ) − QП
( t ) дорівнює витокам робочої рідини і
визначається провідністю G гідравлічної системи та різницею тисків ∆ P( t )
∆ Q( t ) = Q( t ) − QП ( t ) = G ∆ P( t ) . (11)
Зворотній зв'язок тиску рідини на голки гідравлічного регулятора
∆ iP
( t ) = kP
∆ P( t ) . (12)
Гідравлічний циліндр є виконавчим двигуном системи. Обертаючий
момент гідравлічного приводу M ГП , що розвиває гідравлічний циліндр на вісі
цапф гармати, пропорційний різниці тисків ∆ P( t ) = P1 ( t ) − P2
( t ) у його робочих
порожнинах, площі S П поршня і плеча l0
M ГП ( t ) = ∆ P( t ) S П L0 sin α Ц ( t ) ≅ S Пl0∆
P( t ) = k м∆
P( t ) , (13)
де k м = S Пl0
– коефіцієнт передачі різниці тисків ∆ P у момент гідравлічного
привода M ГП .
218

Тому що кути повороту гармати відносно вертикалі невеликі, то
приблизно вважають α Ц ( t ) = const и l0 = L0
sin α Ц ( t ) = const .
На рис. 3 представлена структурна схема дросельного
електрогідроприводу гармати
Рис. 3 – Структурна схема дросельного електрогідроприводу гармати
Гармата як об’єкт керування системи наведення і стабілізації. Рівняння
руху стабілізованої гармати записується у вигляді
dω
( t )
J Σ
г + f Σ ω г ( t ) M Г ( t )
dt
= , (14)
де J Σ – сумарний момент інерції гармати і зв’язаних з ним пристроїв відносно
вісі цапф; ω г ( t ) – кутова швидкість гармати; f Σ – сумарний коефіцієнт
в’язкого тертя; M Г ( t ) = M ГП ( t ) − M ЗБ ( t ) – результуючий момент, що діє на
гармату; M ГП ( t ) – стабілізуючий момент гідравлічного приводу; M ЗБ ( t ) –
сумарний збурюючий момент.
Кут повороту гармати визначається як інтеграл від швидкості
ϕ г ( t) = ∫ ω г ( t)
dt . (15)
Рівняння (14) і (15) в операторній формі дають систему рівнянь руху
стабілізованої гармати у вигляді
ω
( J Σ s + f Σ ) ω г ( s) = M Г ( s)
г
; ( )
( s)
ϕ г s = . (16)
s
Кожне з рівнянь (16) може бути представлене відповідною
передавальною функцією. На підставі першого рівняння одержимо
ω г
( )
( s)
kг
W1
s =
= , (17)
M s T s +
де
k г
= f Σ
Г
( ) 1
1 J – коефіцієнт передачі гармати; T = Σ
г
f
– постійна часу гармати.
На підставі другого рівняння маємо
ϕ
W s = ω
г
( )
( s)
1
2 =
г ( s) s
З урахуванням того, що передавальні функції W 1 ( s)
і ( s)
г
Σ
. (18)
W 2 відображають
послідовність визначення регульованих величин, знайдемо повну передавальну
функцію гармати W Г ( s)
, як об'єкта регулювання
ϕ г ( s)
kг
WГ
( s) = W1
( s) ⋅ W2
( s)
=
= . (19)
M s T s + 1
Г
( ) ( ) s
г
219

На рис. 4 представлена
структурна схема гармати.
На основі вищенаведеного
математичного опису складемо
інформаційно-структурну схему
Рис. 4 – Структурна схема гармати
системи наведення і стабілізації
гармати з урахуванням нелінійних характеристик системи (рис. 5).
Рис. 5 – Інформаційно-структурна схема системи наведення
і стабілізації гармати з урахуванням нелінійних характеристик системи
5. Виводи і перспективи подальших досліджень
В статті розроблена інформаційно-структурна схема електрогідравлічних
слідкуючих приводів з урахуванням нелінійних характеристик для
багатоцільових транспортних машин. Для подальших досліджень доцільно
використання нечітких нейронних мереж с самоорганізацією.
Список літератури: 1. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной
структурой. − М.: Наука, 1967. − 298 с. 2. Александров Е.Е., Александрова И.Е.,
Костяник И.В. Танковая система наведения и стабилизации с переменной структурой //
Інтегровані технології та енергозбереження. – Харків: НТУ «ХПІ», 2006. – №2. – С. 71-74. 3.
Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю. Нейросетевые системы управления. – М.: ИПРЖР,
2002. – 480 с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 656.223:656.212.5
О.А. МАЛАХОВА, канд. техн. наук, доцент, УкрДАЗТ, м. Харків
О.М. КУЗІНА, студентка, УкрДАЗТ, м. Харків
НОВІ ПІДХОДИ ДО ПЛАНУВАННЯ ПОЇЗДОУТВОРЕННЯ НА
СОРТУВАЛЬНИХ СТАНЦІЯХ
Запропонована технологія при моделюванні поїздоутворення враховує різну номенклатуру
вантажу, що дає змогу розширити полігон обороту прискорених поїздів, таких як:
контейнерні та контрейлерні поїзди, поїзди зі швидкопсувними вантажами, з вагонами
операторських компаній, з цінними вантажами та інші. Гнучкий підхід до маси составу, що
накопичується сприяє зменшенню часу доставки вантажу вантажоодержувачу, дотриманню
графіку курсування поїздів, скороченню часу обслуговування на технічних станціях та
підвищенню надійності перевезення вантажу.
220

Ключові слова: сортувальна станція, поїздоутворення, вагонопотік, накопичення составів.
Предложенная технология при моделировании поездообразования учитывает различную
номенклатуру груза, что дает возможность расширить полигон оборота ускоренных поездов,
таких как: контейнерные и контрейлерные поезда, поезда со скоропортящимися грузами, с
вагонами операторских компаний, с ценными грузами и др. Гибкий подход к массе
накапливаемого состава способствует сокращению времени доставки груза
грузополучателю, выполнения графика курсирования поездов, сокращению времени
обслуживания на технических станциях и повышению надежности перевозки грузов.
Ключевые слова сортировочная станция, поездообразование, вогонопоток, накопление
составов.
The offered technology at modeling make up a train considers the various nomenclature of cargo
that gives the chance to expand range of a turn of the accelerated trains, such as: container and
kontreylernye trains, trains with perishable cargoes, with cars of the camera companies, with
valuable cargoes, etc. the Flexible approach to weight of accumulated structure promotes reduction
of time of delivery of cargo to the consignee, schedule performance plying trains, to holding time
reduction at technical stations and to increase of reliability of transportation of cargoes.
Keywords: a switchyard, make up a train, car traffic volume, accumulation of structures.
Планування поїздоутворення – це досить вагома частина організації
управління перевізним процесом на залізничному транспорті. Основною
вимогою, яка постає в сучасних умовах до управління перевезенням, і в першу
чергу до оперативного планування, є забезпечення вибору оптимального
варіанту плану на основі раціоналізації поїзної та вантажної роботи. А це
означає реальне зменшення експлуатаційних витрат локомотиво-, бригадо- та
вагоно – годин простою на всіх станціях полігону залізниці, а також витрати,
пов’язані з маневровою роботою.
Раціоналізацією плана поїздоутворення займалося досить багато вчених,
серед яких Д.Ю.Левин, В.Л. Павлов, А.В. Харитонов, А.С. Гершвальд. В своїх
працях вони намагалися досягти оптимальних результатів роботи станції при
зменшенні величини простою вагонів і локомотивів в очікуванні відправлення
або розформування.
Рішення задачі оперативного планування поїздоутворення можливе лише
при достатньо деталізованій та достовірній інформації про обсяг та характер
роботи об’єктів планування, інакше не можна досягнути припустимої якості
реалізації змінних завдань. Розвиток техніки та розширене впровадження її на
залізницях призводить до необхідності зміни технології планування
составоутворення та відправлення поїздів. В межах комплексної програми
оптимізації експлуатаційної роботи можна сформулювати ряд задач, серед яких
є створення та впровадження ефективних методів організації та управління
вантажними перевезеннями. На теперішній час існує достатньо велика кількість
оптимізаційних моделей, що спрямовані на описання та дослідження єдиного
об’єкту – системи управління вантажними перевезеннями. Одна з головних
цілей управління транспортними процесами полягає в оптимальному виконанні
вантажних перевезень заданого обсягу, визначеного на деякому інтервалі часу,
з застосуванням існуючих технічних, інформаційних та управляючих
221

комплексів. Для досягнення поставленої мети на залізничному транспорті
використовуються різні моделі, що спрямовані на оптимізацію основного
технологічного процесу експлуатаційної роботи – поїздоутворення. До таких
моделей, як відомо, відносяться [1]:
− плануючі моделі;
− імітаційні моделі;
− керуючі моделі.
При існуючій традиційній технології планування поїздоутворення на
станційному рівні проводить маневровий диспетчер, який за допомогою
оператора станційного технологічного центра (СТЦ) визначає моменти
закінчення накопичення составів згідно з прийнятою чергою розформування –
формування поїздів. Потім визначається порядок підготовки накопичених
составів до відправлення у відповідності до технологічного процесу роботи
станції і на цій основі проводиться закріплення сформованих составів до ниток
графіку, на які замовляються локомотиви та бригади. Така технологія не дає
можливості зменшити простій вагонів, тому доцільно процес поїздоутворення
розглядати з точки зору системного підходу. При моделюванні поїздоутворення
необхідно враховувати різну номенклатуру вантажу, що дає змогу розширити
полігон обороту прискорених поїздів, таких як: контейнерні та контрейлерні
поїзди, поїзди зі швидкопсувними вантажами, з вагонами операторських
компаній, з цінними вантажами та інші. В процесі моделювання основною
задачею є зменшення часу доставки вантажу вантажоодержувачу, дотримання
графіку курсування поїздів, скорочення часу обслуговування на технічних
станціях та підвищення надійності перевезення вантажу, за рахунок
відправлення поїздів диференційованої ваги та довжини, при наявності ниток
графіку для вже сформованих поїздів та інформації про наявність локомотивів
та локомотивних бригад.
Об’єктами дослідження для всіх перерахованих моделей є транспортна
мережа залізниці з заданими експлуатаційними та технічними
характеристиками елементів та процес поїздоутворення на станціях мережі,
визначений на часовому проміжку.
При оперативному регулюванні вагонопотоків, які залежать від розмірів
руху, експлуатаційні витрати на формування та переформування поїздів
визначаються окремо по кожному виду вагонів. Сумарні витрати по станціях
розраховуються у відповідності до схеми поїздопотоків. Грошову оцінку
витрат, що пов’язані з формуванням состава можна розрахувати за формулою
C = cm t 1 ф ф
(1)
де c – витрати на одну вагоно-годину в составі, який формується, грн.;
m ф – кількість вагонів на состав, що залежить від коефіцієнта
економічної пріоритетності вибору групи вагонів (k);
t
ф - час на формування составу, год.
Коефіцієнт розраховується для кожного типу вантажу згідно з
встановленими ставками за перевезення та цінність.
m
m
норм
ф = , (2)
k
222

де
m норм – нормативна величина состава поїзда, вагонів;
вант
cваг
. год
k =
норм , (3)
c
ваг . год
вант норм
де c ваг . год , c ваг . год – вартість простою вантажу при повагонній відправці
відповідно у спеціалізованому вагоні, вагоні операторських компаній, іновагоні
з урахуванням додаткових простоїв та універсальному.
k =
⎪⎧
≥ 1, п р ви
і д п р ан ві лз ве ин
ч ха вйан нит а жп онї из дх
ті ва
п о ї з дп і вд в и щ веа нг ои
ї
⎨
⎪⎩ 1, в і н ш ви их
п а д к а х
Треба мати на увазі і добову нерівномірність прибуття поїздів до
розформування, а відповідно і накопичення составів поїздів. Тому, в ненасичені
години доби доцільно розглядати варіант накопичення та відправлення
групових поїздів з підбором груп вагонів.
Витрати від накопичення состава
C 2 = ( cнtн
+ смп
) mф
, (4)
де c н – одинична витратна ставка на 1 вагоно-год, грн.;
с мп – вартість роботи маневрового локомотива,грн.;
t н – середній час простою під накопиченням одного вагона, год.
Витрати від накопичення транзитного вагону без переробки [2]
C ′
2
= ( cнtтр
б / п
+ стр
б / п
) mф
(5)
де
t тр б / п – середній простій транзитного вагона без переробки на одній
технічній станції, год;
с тр б / п – витратна ставка на 1 транзитний вагон без переробки, грн.
Витрати від накопичення транзитного вагону з переробкою
C
⎛
с
t
⎞
м р
′ ⎜ cнtтр
з п
с ⎟
2
=
+ +
д
m
/
ф
m
, (6)
р
⎝
де
t тр з / п – середній простій одного транзитного вагона з переробкою на
станції, год;
t р – середній час, який витрачається маневровим локомотивом на
переформування однієї групи вагонів, год;
m р – число вагонів у групі;
с д – витратна ставка на 1 транзитний вагон по додатковому
обслуговуванню окремих видів перевезень, грн.
C
3
= N доб
с ін , (7)
де N
доб - кількість повідомлень за добу на всі поїзди, що відправляються
зі станції з урахуванням коригувань, од;
с
ін - грошова оцінка введення інформаційних повідомлень, їх передачі,
архівування та зберігання, грн.
Додаткові витрати на між операційні простої сформованих поїздів в
очікуванні локомотива та нитки графіку
C = cm t 4 ф дод , (8)
⎠
223

Таким чином цільова функція визначення раціоналізації накопичення
составів у загальному вигляді
C = ( С1, С2,
С3,
С4
) → minC
. (9)
Система обмежень, що забезпечує виконання технічних, технологічних,
логістичних і правових умов має вигляд
н о р м
⎧ tн
≤ tн
,з а т р и в а л іс тсю
е р е д н ь о пг ор о с т о юп ід н а к о п и ч ея нм н;
⎪
⎨ М
м а н
≥ 1, з а к іл ь к іс тмю
а н е в р о вли ох
к о м о тв и;
в і
⎪
⎪
N
в и т
≥ 1, з а к іл ь к іс твю
іл ь н имх
а н е в р о вви их
т я ж одк
л яф о р м у в а н.
н я
⎩
Модель, яка описана в (9), формує загальну стратегію раціоналізації
управління процесів взаємодії у підсистемах «сортувальний парк – витяжки
формування – парк відправлення». Для вирішення прикладних задач
необхідний експертний аналіз моделі з урахуванням специфіки задачі.
При оперативному плануванні треба мати на увазі, що додатковий
простій окремих составів поїздів (до 10…20хв) в парках відправлення
викликаються несвоєчасним підводом локомотивів за регулюванням і це
приводить до збільшення часу доставки вантажу, уповільнення обороту вагонів.
Вказані витрати можна значною мірою скоротити при впровадженні
послідовного наскрізного взаємопов’язаного виконання розрахунків з
складання плану закріплення локомотивів з составами поїздів на будь-який
період оперативного планування (на три (чотири) години, на період
теперішнього планування на добу) за рахунок комплексного підходу до
вирішення задачі оперативного планування роботи локомотивів вантажного
руху. Ці розрахунки повинні базуватися на формуванні єдиної моделі залізниці
та інтегрованої бази даних при використанні локальних розрахункових мереж.
В умовах автоматизації створюються посилання для такого комплексного
підходу до вирішення задачі оперативного планування роботи локомотивів
вантажного руху. Згідно з [3] пропонується вести розрахунок керуючих
параметрів таким чином, щоб досягалося «автоматичне» вирівнювання
мінімального технологічно необхідного числа тягових засобів по пунктах
обороту та перепричіпки, що гарантують надійне відправлення готових составів
за умови забезпеченості їх локомотивами з мінімально можливим числом
повернення локомотивів резервом (з поїздами чи одиночним порядком) за
регулюванням при дотриманні своєчасному ставленні тягових засобів на
технічне обслуговування та текучий ремонт.
Планування поїздоутворення на основі запропонованої методики
можливе при використанні автоматизованих систем АСК ВП УЗ, як
інтегрованої задачі.
Список літератури: 1. Король В.А., Буянов В.А. Эффект современных информационных
технлогий // Вестник ВНИИЖТ. - 2007.- №4. 2. Інструктивні вказівки з організації
вагонопотоків на залізницях України. – Київ, 2005. 3. Некрашевич В.И., Моргунов А.И.
Технология комплексного оперативного планирования работы локомотивов грузового
движения в условиях автоматизации // Вестник ВНИИЖТ. - 2007.- №1.
224

УДК 656.223.1
Поступила в редколлегию 11.11.2010
Г.М. СІКОНЕНКО, канд. техн. наук, доцент, УкрДАЗТ, , м. Харків
С.О. МОЗГОВИЙ, студент, УкрДАЗТ, , м. Харків
РАЦІОНАЛІЗАЦІЯ МІСЦЕВОЇ РОБОТИ СТАНЦІЇ НА
ОСНОВІ ПРИНЦИПІВ ЛОГІСТИКИ
Удосконалення технології взаємодії станції та під’їзних колій можливо при
диференційованому підході до кожного вантажовідправника та вантажоодержувача. Тому
при визначенні порядку обслуговування клієнтів пропонується враховувати: кількість
вагонів різних типів, що прибувають чи відправляються, обсяги навантаження та
вивантаження на окремих під’їзних коліях, нерівномірність надходження місцевих
вагонопотоків на станцію та інші чинники. Оскільки сортувальна станція у взаємодії з
поїзними коліями являє собою нечітку систему, то при формалізації задачі пропонується
використовувати генетичні алгоритми.
Ключові слова: сортувальна станція, під’їзна колія, місцеві вагони, структура вагонного
парку.
Совершенствование технологии взаимодействия станции и подъездных путей возможно при
дифференцированном подходе к каждому грузоотправителю и грузополучателю. Поэтому
при определении порядка обслуживания клиентов предлагается учитывать: количество
прибывающих и отправляющихся вагонов разных типов, объемы погрузки и выгрузки на
отдельных подъездных путях, неравномерность поступления местных вагонопотоков на
станцию та другие факторы. Поскольку сортировочная станция при взаимодействии с
подъездными путями представляет собой нечеткую систему, то при формализации задачи
предлагается использовать генетические алгоритмы.
Ключевые слова: сортировочная станция, подъездной путь, местные вагоны, структура
вагонного парка.
Perfection of technology of interaction of station and access roads probably at the differentiated
approach to each consignor and the consignee. Therefore at definition of an order of servicing it is
offered to consider: quantity of arriving and going cars of different types, volumes of loading and
an unloading on separate access roads, non-uniformity of receipt of local traffic volumes on station
that other factors. As the switchyard at interaction with access roads represents indistinct system at
problem formalization it is offered to use genetic algorithms.
Keywords: a switchyard, an access road, local cars, structure of carload park.
Експлуатаційні витрати, пов’язані з простоєм та переробкою вагонів на
сортувальних станціях можливо скоротити за рахунок впровадження
логістичних принципів роботи з місцевими вагонами.
У розвиток теорії й практики технології роботи сортувальних станцій,
застосування інформаційних технологій в експлуатаційній роботі, що значно
впливають на тривалість обробки поїздів й вагонів, собівартість переробки, а
також на безпеку руху поїздів і маневрової роботи, внесли великий вклад такі
вчені та практики: В.М. Акулінічев, Б.А. Аникин, В.А. Буянов, П.С. Грунтов,
Ю.В. Дьяков, Ю.І. Єфименко, М.Д. Іловайський, В.М. Кулешов,
В.Е. Ніколайчук, Т.А. Родкина, Є.А. Сотніков, І.Г. Тихоміров, та інші.
225

Місцева робота станції включає:
- маневрову роботу з вагонами, що надходять під вивантаження,
навантаження;
- виконання вантажних операцій на під’їзних коліях, що примикають до
станції.
Сортувальна станція у взаємодіє в вантажними пунктами загального та
незагального користування в графічному вигляді являє собою орієнтований
граф, оскільки заданий напрямок руху маневрових составів по коліях, умови
руху в різних напрямках різні. Умови руху залежать від типів пів рейсів (робочі
чи холості), кількості та стану вагонів (навантажені чи порожні). Однак, для
розв’язання задачі покращення місцевої роботи доцільно вважати сортувальну
станцію у взаємодії з під’їзними коліями як неорієнтований зважений граф,
вершини якого - вантажоодержувачі, а ребра – колії. На адресу кожного
вантажоодержувача прибуває певна кількість вагонів, що можна визначити за
допомогою множини m з підмножинами U, C та R – відповідно сукупності
універсальних та спеціальних вагонів, цистерн та ізотермічного рухомого
складу [1].Тоді
= {{ U },{ C} { R}
} , (1)
m ,
де U { U : U універсаль ні та спеціальні вагони }
C { C : C цистерни }
= ;
= ;
R = { R : R ізотермічн ий рухомий склад }.
В ринкових умовах необхідний диференційований підхід до кожного
вантажовідправника та вантажоодержувача. Основними задачами
удосконалення місцевої роботи на станції є своєчасне задоволення потреб
вантажовідправників, заохочення нових клієнтів в послугах залізничним
транспортом, диференційований підхід до кожного клієнта з урахуванням
обсягів роботи та значущості. При раціоналізації технології треба враховувати:
кількість вагонів різних типів, що прибувають чи відправляються, обсяги
навантаження та вивантаження на окремих під’їзних коліях, нерівномірність
надходження місцевих вагонопотоків на станцію, фактичні витрати палива при
виконанні маневрової роботи з підбирання та подавання вагонів, прискорення
обіг вагону.
Структуру місцевого вагонного парку, що прибуває на сортувальну
станцію, в залежності від кількості вантажоодержувачів (n), доцільно
представити як зв’язаний ациклічний граф (дерево).
При дослідженні такої складної
системи, як сортувальна станція у
взаємодії з під’їзними коліями,
задачу можна представляти різними
способами. Найбільш часто таку
Рис. 1. Розподіл вагонів за структурними систему розглядають як систему
групами
масового обслуговування.
Доцільно представити цю систему у вигляді фізичної моделі, графічне
226

зображення якої наведено на рисунку 2.
Згідно моделі сортувальна станція у
взаємодії з поїзними коліями
представляє собою сукупність
молекул-елементів N i ∈ N , i = 1,
m , які
складаються із ядра - K i - вантажного
пункту та оболонки -O ij , i = 1,
wi
-
сегменту станції, на якому місцеву
роботу виконує відповідне ядро K i .
Рис.2. Фізична модель сортувальна
станція у взаємодії з поїзними коліями
Величина оболонки залежить від розмірів ядра (потужності місцевого
вагонопотоку, наявності вагонів різних типів та їх відповідне завантаження) та
„міжмолекулярних зв’язків” – розмірів молекул, які безпосередньо її оточують;
приведених експлуатаційних витрат на виконання вантажних операції з
урахуванням витрат на подавання – забирання при даних розмірах оболонки.
Цей метод дозволяє дати суворе математичне описання нечітких
стверджень з реалізацією механізма долання приблизних тверджень людини
для формалізації та структурування задачі з виконання розрахунків на ЕОМ [2].
Стосовно сортувальних станцій доцільно при формалізації
використовувати генетичні алгоритми, тому що саме сортувальна станція у
взаємодії з поїзними коліями являє собою нечітку систему.
З урахуванням переваг еволюційного проектування архітектури в останні
роки було виконано велику кількість досліджень [3, 4], в яких основна увага
приверталась еволюції поєднань нейтронної мережі, тобто кількості нейронів та
топології зв’язків між ними. Лише в деяких роботах розглядалась еволюція
функцій переходів, хоча ці функції враховуються важливими елементами
архітектури та оказують істотний вплив на якість роботи станції.
Еволюційний підхід до визначення раціональної технології роботи
сортувальних станцій та під’їзних колій складається із двох основних етапів:
перший – вибір відповідної схеми представлення ваги зв’язків, другий –
здійснення самого процесу еволюції, заснованому на генетичному алгоритмі.
Після вибору схеми хромосомного представлення генетичний алгоритм
застосовується до популяції особей (хромосом, які містять закодовану множину
ваг нейтронної мережі) з реалізацією типового циклу еволюції, що складається
з 4 кроків.
1. Декодування кожної особі (хромосоми) поточного покоління для
встановлення множин ваг та конструювання відповідної цій множині
нейтронної мережі з апріорно заданою архітектурою та правилом навчання.
2. Розрахунок загальної середньоквадратичної погрішності між
фактичним та заданим значенням на всіх виходах мережі при подачі на її входи
навчальних образів. Цю погрішність доцільно визначати пристосуванням особи
(сконструйованої мережі).
3. Репродукція особі з імовірністю, відповідної до їх пристосування , або
згідно їх рангу.
4. Застосування генетичних операторів – таких як схрещування, мутація
227

та/або інверсія для отримання нового покоління.
Формалізація нечіткої множини полягає у введення узагальненого
поняття належності тобто розширюється двозначність множини значень 0 чи 1
до континууму [0;1].
Нечітка множина по відношенню до сортувальних станцій має вид [3, 4]
Kі
= {( п j , µ Я ( n j ) )}
(2)
та визначається математично як сукупність упорядкованих пар складених із
елементів n j універсальної множини N та відповідному ступеню належності
µ Я
( n j
)
і .
Для сортувальної станції Kі
K 0.2 0.45
1 = +
U1
C
+
1
і
0.15
R1
Тобто саме на адресу окремого вантажного пункиу K 1, надійде
універсальних та спеціальних вагонів U 1 з імовірністю 0,2, цистерн C 1 – 0,45
та ізотермічного рухомого складу R 1 – 0,8.
Ступінь належності на попередньому етапі визначається за допомогою
експертної оцінки. Для подальших розрахунків ступінь належності
визначається на основі вивчення напрямку місцевих вагонів та їх структури з
урахуванням подальшого навчання нечіткої системи. Вагові коефіцієнти для
сортувальних станцій та вантажних пунктів представляються собою питомі
витрати різниці фактичних експлуатаційних витрат та мінімального значення
цільової функцій на один місцевий вагон.
При застосуванні методу цілочисельного програмування для визначення
раціональної технології взаємодії сортувальних станцій з клієнтами змінна
величина приймає тільки два значення: 1 – на вантажний пункт надійшли
вагони, 0 – вантажний пункт не обслуговується.
При визначенні витрат на необхідне технічне обладнання станції та
експлуатаційні витрати на обробку місцевого вагонопотоку на кожній
сортувальній станції доцільно розглядати процес взаємодії станції та під’їзних
колій у вигляді лінії з несинхронізованими процесами.
Відсутність синхронізації технологічних процесів на станції означає, що
тривалість виконання операцій технологічного процесу різна і не кратна ритму
роботи технологічної лінії. У наслідок цього є розходження по завантаженню
вантажних фронтів, що призводить до виникнення міжопераційних інтервалів.
У зв’язку з цим при зміні обсягів роботи з кожним вантажовідправником
потрібно розрахувати кількість маневрових локомотивів, черговість
обслуговування з урахуванням структури місцевого вагонопотоку тощо.
Висновки. Якість обслуговування являється в свою чергу комплексним
показником, що визначається по сукупності критеріїв, склад яких може
змінюватися в залежності від вимог до обслуговування. Найважливішим з цих
критеріїв являється експлуатаційні витрати на обслуговування і здатність
логістичної системи забезпечити вагонами необхідного споживача у
встановлений термін. Серед інших критеріїв – здатність системи забезпечити
228

потрібний рівень просування вагонопотоків по мережі залізниці з урахуванням
термінів доставки та схоронності вантажів від момента забирання с під’їзних
колій до момента здачі вантажоодержувачу.
Список літератури: 1. Бутько Т.В., Малахова О.А. Нові підходи до планування
поїздоутворення на залізничних станціях вузлів: Сб. науч. тр. // Коммунальное хозяйство
городов. -Харьков: Техника, 2002.- № 47.- С. 193 - 198. 2 Рутковская Д., Пилиньский М.,
Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. – М.: Горячая
линия – Телеком, 2004. – 384 с. 3. Бутько Т.В., Данько М.І., Сіконенко Г.М. До питання
визначення оптимальної кількості сортувальних станцій // Коммунальное хозяйство городов.
– Харьков: Техника, 2002.- № 45. – C. 237 – 242.4. Рыжов А.П. Элементы теории нечетких
множеств и ее приложений. – М.: Диалог-МГУ, 2003. – 81с.
Поступила в редколлегию 11.11.2010
УДК 656.22
М.Є. ЩЕРБИНА, асистент, УкрДАЗТ, м. Харків
О.С. МІЛЬШИНА, студентка УкрДАЗТ, м. Харків
НОВІ ПІДХОДИ ДО ТЕХНОЛОГІЇ ВІДПРАВЛЕННЯ ПОЇЗДІВ З
СОРТУВАЛЬНИХ СТАНЦІЙ
Наведені основні риси нової технології взаємодії сортувальних станцій та локомотивних
депо на основі адаптації графіка руху поїздів до коливань обсягів перевезень. Така
варіативна технологія впливатиме на взаємодію підприємств залізничного транспорту й
клієнтури, а відповідно на оперативне коригування плану формування та відправлення
поїздів зі станції з урахуванням прогнозованого часу їхнього відправлення по «твердих
нитках» графіка.
Ключові слова: план формування, графік руху, відправлення поїздів, «тверді» нитки
Приведены основные черты новой технологии взаимодействия сортировочных станций и
локомотивных депо на основе адаптации графика движения поездов к колебаниям объемов
перевозок. Такая вариативная технология будет влиять на взаимодействие предприятий
железнодорожного транспорта и клиентуры, а соответственно на оперативное
корректирование плана формирования та отправления поездов со станции с учетом
прогнозируемого времени их отправления на «твердые» нитки графика.
Ключевые слова: план формирования, график движения, отправление поездов, «твердые»
нитки.
The basic lines of new technology of interaction of switchyards and locomotive depots on the basis
of adaptation of the train schedule to fluctuations of volumes of transportations are resulted. Such
variant the technology will influence interaction of the enterprises of a railway transportation and
clientele, and accordingly on an operative correcting of the plan of formation that departures of
trains from station taking into account predicted time of their departure for "firm" threads of the
schedule.
Keywords: the formation plan, the train diagram, departure of trains, "firm" threads.
В умовах економічної кризи гостро постає питання впровадження и
розвиток ресурсозберігаючих технологій. До такої категорії задач можна
віднести і планування відправлення поїздів з сортувальних станцій. Вже
декілька років спеціалісти та вчені намагаються прийти до висновків про
229

доцільність закріплення окремих ниток (або всіх) до конкретних поїздів, а
також закріплення локомотивів та локомотивних бригад за поїздами, що
відправляються по іменних розкладах. Але на теперішній час такі поїзди
пропускають лише в прискореному режимі. При закріпленні локомотивів
(бригад) за обслуговуванням прискорених поїздів погіршується організація
роботи решти парка локомотивів. Інша справа, якщо на графіку руху поїздів
(ГРП) будуть виділені закріплені нитки за більшою кількістю поїздів.
Теоретичні основи дослідження в цій області викладені у працях докторів
технічних наук: В.М. Акулінічева, В.І. Апатцева, А.П. Батурина, К.О.
Бернгарда, В.О. Буянова, І.І. Васильєва, М.О. Воробйова, П.С. Грунтова, С.В.
Дуваляна, Ю.В. Дьякова, В.О. Івницкого, М.Д. Іловайського, О.Д. Каретникова,
В.І. Некрашевича, А.Т. Осьмініна, Ю.О. Пазойского, М.В. Правдина, І.Б.
Сотникова, Є.М. Тишкина, Л.П. Тулупова, А.К. Угрюмова, В.Г. Шубко й
багатьох інших дослідників.
При теперішній умовах управління експлуатаційною роботою всі
намагання скласти ГРП з постійними нитками можуть бути зведені нанівець в
наслідок затримки поїздів на підходах до сортувальних станцій, на стикових
пунктах, технологічних «вікон», а головне без механізма, що забезпечує
необхідну відповідальність за порушення графіка.
В умовах транспортної конкуренції необхідно змінювати технологію
роботи всіх підприємств транспорту, з метою збільшення швидкості
просування вантажів та своєчасності доставки, але при цьому витратну
складову лишати на попередньому рівні. До таких технологій слід віднести
перш за все і відправлення поїздів за постійними нитками графіка, підвищення
транзитності вагонопотоків за рахунок оперативного використання різних форм
маршрутизації та оперативного коригування плану формування.
Згідно з [1] сортувальні станції, де формують та розформовують поїзди, є
основними ланками у ланцюгу організації просування вагонопотоків. Тому,
забезпечення стійкої роботи сортувальних станцій – одна с основних умов,
необхідних для організації руху поїздів за графіком. Крім того, при організації
руху поїздів за твердим графіком забезпечується стабільність надходження
поїздів.
Значення відхилень фактичного та графікового щодобового відправлення
поїздів наведені на рис.1.
Рис. 1. Залежність відхилень фактичного
та графітового часу відправлення за добу
бути значно скорочені міжопераційні простої [2].
230
Одним із методів забезпечення
ефективної та надійної роботи
сортувальних станцій при взаємодії
з прилеглими дільницями є гнучкі
вагові норми. В результаті
проведених досліджень умов
роботи сортувальних станцій при
відправленні поїздів з гнучкою
масою та довжиною составів
встановлено, що при цьому можуть

Адаптація графіка руху поїздів до коливань обсягів пропонованих до
перевезень вантажів приводить до необхідності передбачати в ньому резерв
розкладів (ниток). На багатьох ділянках і напрямках практична наповнюваність
ниток составами поїздів не перевищує 50%. У результаті цього росте час
простоїв локомотивів у пунктах обороту і в основних депо, знижується реальна
їхня продуктивність, стає невизначеним графік використання локомотивних
бригад.
Ситуація з показниками використання рухомого состава, з якістю
організації й економіки перевезень, задоволенням запитів клієнтури може
істотно покращитися, якщо сполучити дві умови твердий, без резервних ниток,
графік руху й повновагість (повносоставність) поїздів, що переміщуються за
цим графіком.
Розвиток ринкової економіки визначило ряд нововведень останнього
років - створення на залізницях України потужної обчислювальної мережі з
розвиненими телекомунікаціями, з наявністю необхідного числа терміналів на
базі ПЕОМ і, нарешті, впровадження системи ідентифікації рухомого состава.
Це дозволяє розглядати проблему стабільного графіка руху поїздів з якісно
нових позицій.
На залізницях розвинених закордонних країн активно розвиваються
центри автоматизованого керування перевезеннями, технології яких становлять
логістичні методи керування на базі твердого графіка руху й гнучких норм ваги
й довжини поїздів. При цьому в боротьбі за клієнтів залізниці прагнуть
повністю задовольнити їхньої вимоги по строках доставки вантажів, створенню
інформаційного сервісу за рахунок розвитку методів забезпечення високої
надійності графіка руху поїздів, що є основою технології перевізного процесу й
визначає схему переходу вантажу по ланцюжку поїздів при його доставці від
пункту відправлення до пункту призначення.
Рішення задачі організації залізничних перевезень на основі
інформаційних технологій і впровадження «твердих ниток» графіка руху
поїздів розбита на наступні шість етапів, які здатні забезпечити досягнення
поставленої мети [3].
1. Використання вхідної поточної інформації.
Вибір конкретного рішення визначається кількісним розрахунком,
використанням даних про параметри систем керування базами даних,
рівномірністю масивів даних при можливих варіантах ад'єктивування,
обмінами даних між рівнями запам'ятовувальних пристроїв комп'ютерів, між
рівнями обчислювальної мережі (ГІОЦ -ІОЦ - АРМ користувачів).
2. Основні нормативно-довідкові дані.
Забезпечуване автоматизованими системами достовірне спостереження за
ходом перевізного процесу по всій мережі залізниць дозволяє по-новому
підійти до рішення завдання плану формування вантажних поїздів, розробці
графіка руху з переходом в організації перевезень на роботу із твердого
графіка. Сьогодні план формування, графік руху поїздів мають імовірнісну
основу. За звітним даними за минулий період визначаються очікувані середні
кореспонденції й обсяги перевезень, стосовно до яких і розробляються
231

технологічні документи. Реальні нерівномірності перевезень змушують
закладати в графік велике число додаткових резервних ниток, а за умовами
обов'язкової повновагості (повносоставності) заповнюються поїздами далеко не
всі прокладені на графік нитки. У результаті по технічних станціях ув'язування
ниток графіка не забезпечується, а графік, по суті, є лише дільничним.
Автоматизовані системи керування, їхні технічні можливості дозволяють
поряд з достовірною й деталізованою звітністю користуватися даними про
поточний хід перевезень, збирати й раціонально використовувати з метою
поліпшення якості роботи залізничного транспорту деталізовану інформацію
про наміри й плани відправників вантажу.
В умовах нової технології взаємодії підприємств залізничного транспорту
й клієнтури істотно зміняться рішення за розрахунками плану формування
вантажних поїздів за рахунок підведення навантажених вагонів на станцію
формування з урахуванням передбаченого часу їхнього відправлення по
«твердих нитках» графіка.
Все це орієнтує на наступну схему спільної розробки плану формування й
графіка руху поїздів:
- на період дії розробленого графіка формуються розрахункові косі
таблиці (матриці) очікуваної кореспонденції вантажів і навантажених вагонів
між станціями формування поїздів;
- з обліком необхідного для забезпечення перевезень розподілу порожніх
вагонів визначаються загальні вагонопотоки між сортувальними станціями;
- визначається кількість ниток графіка, необхідних для забезпечення
кореспонденції, що утвориться, вагонів між парами взаємодіючих технічних
(сортувальних) станцій;
- на графік при його розробці між кореспондуючими станціями
наноситься розрахована кількість «твердих ниток»;
- вантажі й вагони до відправлення організуються з таким розрахунком,
щоб перевезення здійснювалися переважно в прямих поїздах, без переробок і
переформування в шляху проходження.
3. Інформація для користувачів
По запиті інформація про те, з яким поїздом і коли вагон прибуває на
станцію, з яким поїздом і коли вагон продовжує подальше проходження,
повинна бути доступна одержувачеві й відправникові вантажу, а
автоматизована система керування вантажними перевезеннями забезпечить
відстеження в реальному часі цих процесів.
4. Параметри ефективності
У підсумку ставиться завдання вибору раціональних параметрів
технології, що забезпечують виконання заданих обсягів перевезень із
нормативним рівнем якості й мінімальних експлуатаційних витрат та завдань
на період планування.
5. Обмеження
Умови роботи залізничного напрямку в деякому проміжку часу
характеризуються безліччю показників, що відображають застосовані в
перевізному процесі технології:
232

6. Керуючі впливи
Розробка твердого графіка виходить із того, що після практичного
відпрацьовування його параметрів у графік включаються вантажні поїзди
тільки регулярного обігу. Якщо вимоги наповнюваності кожної нитки
забезпечені, то виконання оптимально прокладених розкладів апріорно
забезпечує кращі параметри якості роботи залізниці.
В умовах реалізації інформаційних технологій у роботі із твердого
графіка на Російських залізницях [3] задіяні прийоми коригування й адаптації
рішень із використанням зворотних зв'язків: відстеження реального заповнення
ниток графіка поїздами, аналіз практично реалізованих вагових норм й
довжини поїздів.
Це дозволяє періодично
коригувати графік, прив'язуючи нитки
графіка до пропонованих перевезень.
Аналіз використання окремих ниток в
графіку руху по станціях Укрзалізниці
показав, що 30-35% використовується
постійно, тобто на ці нитки є поїзди з
нормою ваги (довжини). Значення
відхилень (у хвилинах) при
використанні графікових ниток
наведено на рисунку 2.
Рис. 2. Значення відхилень (у
хвилинах) при використанні
графікових ниток
У цих умовах базовими показниками якості роботи, на реалізацію яких
повинні бути спрямовані зусилля залізничних структур, стають:
– практично реалізовані вага й довжина поїздів у цілому, по категоріях і
по нитках графіка в порівнянні із графіковими нормативами (у %);
– рівень виконання графіка вантажних поїздів по відправленню,
проходженню й прибуттю - по технічних станціях (у %, з відхиленнями від
графікового часу у встановлених градаціях);
– виконання погоджених параметрів з навантаження й відправлення
вагонів з вантажних пунктів (кількість і відсоток до погоджених завдань);
– виконання залізницею погоджених завдань з подачі вагонів під
навантаження (кількість і відсоток до погодженого завдання, порушення
технологічних нормативів за часом у встановлених градаціях);
– виконання клієнтурою погоджених завдань з вивантаження,
вивільнення навантажувальних ресурсів (кількість і відсоток до погодженого
завдання, порушення технологічних нормативів за часом у встановлених
градаціях);
– реалізація схемних рішень у роботі залізничних станцій і вузлів при
роботі за твердим графіком руху поїздів.
Невиконання (менш 80...90 %) нормативів ваги й довжини составів
свідчить про необхідність коригування графіка, зменшення кількості
прокладених ниток графіка. Низький (нижче 95...98 %) рівень виконання
графіка по відправленню, проходженню й прибуттю є наслідком незадовільної
233

роботи технічних станцій, диспетчерських служб, підрозділів тяги, вагонного
господарства.
Невиконання погоджених завдань по навантаженню вимагає
вдосконалення взаємодії із клієнтурою, пошуку важелів і стимулів, при яких
взаємні зобов'язання повинні виконуватися неухильно; це ставиться також і до
реагування на незадовільне виконання інших базових параметрів.
Висновок. Запропонована технологія, істотно поліпшить показники
використання рухомого склада, створює сприятливі умови для поточного
обслуговування технічних пристроїв; просування по виділених нитках графіка
фірмових вантажних поїздів, вантажних експресів, порожніх і технологічних
маршрутів, контейнерних поїздів, поїздів підвищеної маси й довжини,
вантажних поїздів.
Список літератури: 1. Некрашевич В.И. Проблемы адаптации графика движения грузовых
поездов к колебаниям вагонопотоков // Вестник ВНИИЖТ. - 2006. - №4. 2 Волков В.С.
Технология, обеспечивающая организацию движения грузовых поездов по твердому графику
// Вестник ВНИИЖТ. - 2007. - №3. 3 Шапкин И.Н. Организация железнодорожных перевозок
на основе информационных технологий // Автореферат диссертации на соискание ученой
степени доктора технических наук. – М.: МИИТ, 2009.
Поступила в редколлегию 11.11.2010
УДК 656.221
Т.Т. БЕРЕСТОВА, старший викладач, УкрДАЗТ, , м. Харків
І.М. ТІТОВА, студентка, УкрДАЗТ, м. Харків
КОРИГУВАННЯ ПЛАНУ ФОРМУВАННЯ ПАСАЖИРСЬКИХ
ПОЇЗДІВ В СУЧАСНИХ УМОВАХ
При сезонних коливаннях пасажиропотока пропонується проводити коригування існуючого
плану формування пасажирських поїздів на розрахунковому полігоні пасажирських
сполучень з урахуванням фактичної населеності та составності вагонів, у ході якого
виявляються пасажирські поїзди, котрі мають в окремий сезон (або цілий рік) неповну
величину складу та (або) низьку населеність. З таких поїздів пропонується формувати
групові поїзди з максимально узгодженим графіком відправлення та прибуття на кінцеву
станцію.
Ключові слова: пасажиропотік, дальні поїзди, план формування, групові поїзди, населеність
вагонів.
При сезонных колебаниях пассажиропотока предлагается проводить корректировку
существующего плана формирования пассажирских поездов на расчетном полигоне
пассажирских сообщений с учетом фактической населенности и составности вагонов, в ходе
которой выявляются пассажирские поезда, имеющие в отдельный сезон (или целый год)
неполную величину состава и(или) низкую населенность. Из таких поездов предлагается
234

формировать групповые поезда с максимально согласованным графиком отправления и
прибытия на конечную станцию.
Ключевые слова: пассажиропоток, дальние поезда, план формирования, групповые поезда,
населенность вагонов.
At seasonal fluctuations of a volume of passenger traffic it is offered to spend updating of the
existing plan of formation of passenger trains on settlement range of passenger messages taking into
account actual density of population cars and composition of carriages in which course the
passenger trains having during a separate season (or the whole year) incomplete size of structure
and (or) low density of population come to light. It is offered to form group trains of such trains
with as much as possible coordinated schedule of departure and arrival on terminal station.
Keywords: a volume of passenger traffic, distant trains, the formation plan, group trains, density of
population of cars.
Аналіз закордонного досвіду діяльності залізничних пасажирських
компаній показує, що ключовим фактором їх успішної діяльності є створення
ефективної системи керування, орієнтованої на задоволення потреб у
перевезеннях на конкретних сегментах ринку, підвищення якості
обслуговування пасажирів, застосування гнучкої тарифної політики.
У сучасних умовах роботи на залізничному транспорті постійно
проводяться маркетингові дослідження, спрямовані на вивчення й аналіз зміни
ринкових тенденцій, споживчої поведінки й рівня задоволеності споживачів
транспортними послугами, а також визначення плану формування
пасажирських поїздів.
Для підвищення конкурентоспроможності й ефективності обслуговування
пасажирів приватні залізничні компанії застосовують комплексний вплив, що
дозволяє розширити коло споживачів транспортних послуг і підвищити якість
обслуговування. Для цього здійснений ряд організаційно-технічних заходів,
спрямованих на модернізацію й відновлення рухомого складу, автоматизацію
бронювання й продажу місць на пасажирські поїзди, розробку більш зручного
графіка руху далеких і приміських поїздів.
Питаннями підвищення ефективності пасажирських перевезень на
залізничному транспорті займалися багато видатних особистостей, такі як:
Шапкін, Правдін, Ю.В. Єлизарьєв, Е.А. Юркова, В.В. Тітов, С.Б. Єлізаров, О.А.
Нікітін, К.А. Сєнцова, В.В. Мішанін, А.А. Попов і багато інших наукових
діячів. Усі вони у своїх роботах шукали шляхи розв’язки існуючих на залізниці
проблем щодо вдосконалення пасажирських перевезень, використовуючи різні
аналізи, анкетування, прогнозування й інші наукові дослідження.
Основними завданнями залізниці в обслуговуванні пасажирів є[1]:
- досягнення високих маршрутних швидкостей поїздів;
- створення зручного для пасажирів часу відправлення й прибуття
поїздів на станції;
- погодженість розкладів поїздів у пересадних вузлах для зручності
пересадки пасажирів на інші види транспорту;
- забезпечення максимального використання пропускної
спроможності дільниць і станцій;
- використання рухомого складу;
235

- раціональне облік вимог безпеки, пропонованих до руху поїздів.
Одним з найбільш важливих напрямків з удосконалення залізничного
транспорту є розвиток транспортної інфраструктури для забезпечення
прогнозованого попиту на перевезення пасажирів. Особливо гостро із цим
питанням зустрічаються керівники залізниць в літній період, коли населення
масово їде на відпочинок, у період зимових свят, коли більшість студентів
намагається виїхати додому, а також в інших окремих випадках (чемпіонат з
футболу, євро бачення і т. д.). План формування поїздів ,також як і графік
руху , є основою організації руху поїздів. Щоб забезпечити пасажирів рухомим
складом сповна, необхідні ефективні методи прогнозування очікуваного
пасажиропотоку. ''Нитки'' поїздів, забезпечені стійким пасажиропотоком, або
зовсім не повинні змінюватися, або зазнати незначного коректування.
Коригування плану формування – невід’ємна частина роботи
залізничного транспорту з пасажирами, тому вимагає детального розгляду й
вивчення. Для коригування існуючого плану формування пасажирських поїздів
на розрахунковому полігоні пасажирських повідомлень приводиться аналіз
фактичної складності й населеності вагонів пасажирських поїздів (відношення
числа проданих квитків на поїзд до його місткості, виражені в %), у ході якого
виявляються пасажирські поїзди, що мають у певний сезон (або цілий рік)
неповну величину складу й (або) низьку населеність. Неповносоставні поїзди
можуть об’єднані в групові (як правило, двухгрупні, рідше,у три- і навіть
багатогрупні поїзди).
Для розробки нового розкладу руху пасажирських поїздів Укрзалізницею
необхідно провести аналіз ефективності використання перевізних засобів,
оцінити рентабельність роботи ряду пасажирських поїздів, а також виконати
роботу із приведення розмірів руху у відповідність із існуючим
пасажиропотоком.
У період масових літніх перевезень проводиться аналіз основних
пасажиропотоків, а також даних про наявність місць у вільному продажі по
великих вузлах мережі. Проведена робота дозволила розробити рекомендації
щодо призначення додаткових пасажирських поїздів за рахунок використання
складів резерву, з яких були призначені поїзди для вивозу пасажирів з
курортних районів Криму.
В подальшому передбачається покращення часу прибуття та
відправлення пасажирських поїздів, здійснення аналізу роботи крупного
залізничного вузла Харків-Пасажирський, розробка пропозицій щодо розгляду
руху пасажирських поїздів.
План формування пасажирських поїздів розраховується виходячи з умов
засвоєння максимальних пасажиропотоків, які проявляються усього один-два
місяці на рік (як правило, липень та серпень) [1]. В інші місяці пасажиропотоки
нижчі максимальних. Це призводить до того, що частина пасажирських поїздів
відміняється. Але можливість зміни кількості поїздів пропорційна зміні
пасажиропотоків реалізується тільки на маршрутах з великим попитом, тобто в
тих випадках, коли щоденне відправлення поїздів по одному й тому ж
маршруту перевищує 2-3 пари. Але більшість маршрутів обслуговується
236

поїздами, що відправляються з періодичністю один раз на добу та менше. При
зниженні пасажиропотоку на маршрутах зменшують періодичність обороту
поїзду чи його величину (кількість вагонів у складі). В якості третього варіанту
можна розглядати збереження періодичності обороту поїзда (зі зменшеним
числом вагонів), але в одному складі разом з іншим поїздом, тобто формування
групового поїзду за умови, що обидві ці групи сумісно проходять чималу
дільницю слідування.
Кожен варіант має свої переваги та недоліки, а отже і свою область
застосування.
При скороченні періодичності обороту пасажирських поїздів частина
пасажирів відмовляється від поїздки. Величина випадаючих доходів, викликана
відмовами від поїздки, залежить від дальності маршруту (на дальніх маршрутах
вона буде меншою, на коротких – більшою), від кількості конфігурації
альтернативних маршрутів, причому як залізничних, так і альтернативних від
транспорту. Для оцінки втрат доходів при скороченні періодичності обороту
необхідно аналізувати еластичність попиту на перевезення по кожному
маршруту окремо, а також по напрямку в цілому.
При скороченні величини складу (кількості вагонів у ньому) та
збереженні періодичності обертанню таких неповно складових поїздів
збільшуються питомі витрати, що припадають на один пасажиро-км,
зменшується продуктивність локомотивів, локомотивних бригад.
Організація групових пасажирських поїздів дозволяє зменшити витрати,
пов’язані з пробігом локомотивів, роботою локомотивних бригад, вивільнити
пропускну спроможність при збереженні високої частоти відправлення на
маршрутах з невеликими пасажиропотоками. Хоча в цьому випадку
з’являються витрати, пов’язані з розчепленням-зчепленням груп та роздільним
слідуванням їх самостійними поїздами.
Вибір способу повинен визначатися найбільшою величиною прибутку
отриманого від пасажирських перевезень.
Існуюча методика розрахунку оптимального плану формування
пасажирських поїздів заснована на рішенні задачі лінійного програмування.
Оскільки ця задача не є задачею цілочисельного програмування при її рішенні
добові розміри руху пасажирських поїздів часто виявляються дробовими
(0,3;1,23 і т. ін..).
Таким чином, при жорсткому обмеженні населеності поїзда (встановленої
з розрахунку включення до складу максимально припущеної кількості вагонів)
в кожний окремий сезон для призначень, де середньодобова кількість
відправлених поїздів менша одиниці, можливі наступні варіанти подальшого
коректування розрахованого плану формування пасажирських поїздів:
- перерахунок плану формування з накладенням додаткових обмежень
на цілочисельності (тобто мінімізація числа призначень, в яких величина
середньодобової кількості відправлених поїздів має дробове значення);
- розгляд варіанту обертання поїзда зі скороченою періодичністю (якщо
по конкретному призначенню середньодобова частота виявляється рівною,
237

припустимо 0,33, то поїзд повинен обертатися з періодичністю один раз на три
дні);
- розгляд варіанту обертання поїзда зі зменшеною населеністю
(скорочення числа вагонів у складі при організації високої періодичності
обороту);
- розгляд варіанту організації групових пасажирських поїздів з числа
призначень, середньодобова розрахункова кількість відправлень яких менша
одиниці.
Для коригування існуючого плану формування пасажирських поїздів на
розрахунковому полігоні пасажирських сполучень проводиться аналіз
фактичної населеності та составності вагонів пасажирських поїздів (відношення
числа проданих квитків на поїзд до його місткості, вираженої в %), у ході якого
виявляються пасажирські поїзди, котрі мають в окремий сезон (або цілий рік)
неповну величину складу та (або) низьку населеність. Неповносоставні поїзди
можуть бути об’єднані в групові (як правило, двухгрупні, рідше, в три- і навіть
багатогрупні) поїзди. При коригуванні існуючого плану формування задача
зводиться до рішення наступних основних питань [2]:
- визначення переліку об’єднання поїздів та їх спільних дільниць
прямування;
- вибір станцій, на яких доцільно проводити з’єднання та роз’єднання
поїздів.
Коригування графіку передбачає переміщення ниток графіку
пасажирських поїздів, у результаті чого може змінитися час прибуття та
відправлення по кінцевим станціям (стає більш зручним або, навпаки, менш
зручним). Крім того, змінюється щільність графіку на дільницях прямування
відповідних поїздів. А в залежності від того, на скільки і в яку сторону
проводиться зсув нитки графіку, змінюється й попит на поїздки в даному поїзді.
Зменшення щільності графіку збільшує його нерівномірність та час очікування
поїзда пасажирами.
У зв’язку з ростом коефіцієнта нерівномірності руху поїздів пасажири
можуть залишитися без зручної нитки графіку (наприклад, якщо пасажири
користувались раннім потягом, який з’єднаний з вечірнім, то вранці більше
виїхати не можна). Таким чином, прагнення скоротити експлуатаційні витрати
за рахунок організації групових і здвоєних пасажирських поїздів може
призвести до втрати споживачів транспортних послуг. Очевидно, що на лініях з
невеликими розмірами пасажирського руху з’єднання поїздів та ще більші
скорочення їх числа (наприклад,замість 4х – 2 пари) виявиться куди більш
болісним для пасажирів, що прямують до станції дільниці, ніж на лініях з
інтенсивним рухом. Навпаки, на лініях з інтенсивним пасажирським рухом
об’єднання поїздів не значно вплине на якість обслуговування пасажирів, так як
на вказаних напрямках пасажирські поїзди однаково прокладаються пакетним
графіком. Пасажир не відчує різниці між одним здвоєним поїздом і двома
короткими поїздами, що слідують з інтервалом у 8 хвилин.
Принциповим є питання стосовно вибору станції розчеплення (з’єднання)
двогрупного поїзда. Далеко не завжди такою станцією може бути остання
238

станція спільної ділянці прямування. Наприклад, поїзди Маріуполь – Москва,
Миколаїв – Москва мають спільну ділянку слідування Москва – Лозова (929) та
проходять станцію Харків-Пас. (спільна ділянка прямування Харків – Москва
складає 780 км). Станція Харків – Пас. – позакласна пасажирська, має основне
електровозне депо, довгі прийомо-відправні колії, на яких можна прокласти
додаткові з’їзди, технологічний час стоянки пасажирських поїздів на станції
складає 30 хвилин. Станція Лозова – дільнична, пасажирського депо не має,
технологічний час стоянки пасажирських поїздів складає 5 хвилин, якщо
роз’єднання проводити на станції Харків – Пасажирський, то час знаходження
пасажирів в дорозі не збільшується, так як роз’єднання можна проводити
протягом технологічно встановленого часу стоянки пасажирського поїзду
(паралельно з митним оглядом), не буде додаткових резервних пробігів
електровозів (якщо роз’єднання буде на станції Лозова).
Задача коригування плану формування характеризується
багатоваріантністю можливих рішень, з яких, очевидно, тільки одне є
раціональним. Якщо на полігоні обертається 4 варіанти неповно складових
поїздів, то існує 4 варіанти їх взаємної ув’язки. При числі таких поїздів –
6,кількість можливих варіантів взаємної ув’язки дорівнює 10,при 8 поїздах –
105 варіантів, при 10 поїздах – 1215 варіантів, тобто число можливих варіантів
взаємної ув’язки від числа поїздів на полігоні має ступеневу залежність.
Ефективність коригування плану формування і об’єднання поїздів має
таку модель
E = f ( z1, z2
, z3,
z
4
) → min E , (1)
де z
1 – витрати на утримання й обслуговування локомотивів;
z
2 – витрати на знаходження локомотивних бригад;
z
3 – витрати, пов’язані з просуванням;
z
4 – витрати на підготовку й обслуговування вагонів.
При таких обмеженнях
⎧ Т 8, час роботи локомотивн ої бригади;
лок.
бр
⎪
⎪ Епроп
Еіс
,
⎪
⎪
в запропонов аному та
ф іс
⎨ Авід
Авід
,
⎪
⎪
та існуючомуваріантах ;
⎪ ф іс
Т
знах
Т
знах,
⎪
⎪
⎩ та існуючомуваріантах .
загальнівитратина підготовкута обслуговув ання
кількістьвідправлених
час знаходженн я
існуючомуваріантах ;
пасажирівв
запропонов аному
пасажирана шляху прямуванняв
запропонов аному
Висновок. Отже, встановивши методом прогнозування очікуваний
пасажиропотів, необхідно забезпечити його транспортною інфраструктурою
(там, де він інтенсивний) та зменшити витрати на обіг поїздів з низькою
населеністю. Для цього було приведено декілька варіантів. Вони обираються
для кожного індивідуального випадку таким чином, щоб забезпечити
зменшення витрат та провести зміни якомога зручніші для пасажирів.
239

Тоді залізниця не втрачає споживачів транспортних послуг, а зекономлені
кошти можуть піти на удосконалення обслуговування пасажирів по інших
показниках.
Список літератури: 1. Корнев С.А. Автореферат магистерской работы
(http://www.masters.donntu.edu.ua/2006/kita/kornev/diss/index.htm). 2. Марчук Б. Е.,
Красильникова Н. Н., Макарова Е. А. Стратегия и приоритетные направления развития
системы управления пассажирскими железнодорожными перевозками // Вестник ВНИИЖТ.
- 2002. - №5. 3. Пазойский Ю. О., Глазков Д. В. Математическая модель оптимизации
пассажирских перевозок в дальнем сообщении // Вестник ВНИИЖТ, 2004. - №2
Поступила в редколлегию 11.11.2010
УДК 681.5.017:623.443
С.В. КОСТІШИН, аспірант, ВНТУ, м. Вінниця
С.М. ЗЛЕПКО, докт. техн. наук, професор, ВНТУ, м. Вінниця
А.А. ШИЯН, канд. фіз.-мат. наук, доцент, ВНТУ, м. Вінниця
МОДЕЛЮВАННЯ ЕТАПУ ПРИЦІЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ
СТРІЛЬБИ З КОРОТКОСТВОЛЬНОЇ ВОГНЕПАЛЬНОЇ ЗБРОЇ
В статті виконано аналіз етапу прицілювання процесу стрільби. На основі цього аналізу
запропоновано модель етапу прицілювання на базі системи з негативним зворотнім зв‘язком
і показано її місце у алгоритмі визначенні якості підготовки стрільців.
Ключові слова: прицілювання, стрільба з пістолета, модель з негативним зворотнім зв‘язком.
В статье выполнен анализ этапа прицеливания процесса стрельбы. На основе этого анализа
предложена модель этапы прицеливания на базе системы с негативной обратной связью и
указано ее место в алгоритме определения качества подготовки стрелков.
Ключевые слова: прицеливание, стрельба из пистолета, модель с негативной обратной
связью.
The analysis of aiming process was represented. The model of aiming based on the system with
negative feedback was proposed and its location in the algorithm for determining the shooters
quality was shown in this article.
Keywords: aiming, pistols shooting, the model with negative feedback.
1. Вступ
Процес стрільби з вогнепальної зброї являється складним біомеханічним і
психологічним актом, оскільки на нього здійснюють вплив надзвичайно велика
кількість факторів, що позначається на кінцевому результаті – влучності
вистрілу. Складність його полягає в тому, що один і той самий фактор в різних
умовах може привести до різних результатів, що говорить про наявність в
ньому певної стохастичності.
Прицілювання як один з головних етапів процесу стрільби відповідає за
наведення ствола зброї в бажану точку і встановлення стійкого положення зброї
для подальших етапів стрільби [1].
2. Постановка задачі
240

Задача полягає в створенні моделі, яка б визначала роботу стрілка на
етапі прицілювання і оцінювала ступінь впливу цього етапу на якість пострілу.
Дана модель повинна базуватися на основі аналізу координати точки
прицілювання зброї – визначати її траєкторію, час міграції та результат
вистрілу і формувати висновок про раціональність та ефективність всього
процесу прицілювання.
3. Огляд літератури
В статті [2] виконано моделювання процесу прицілювання на основі
методу подібності трикутників і показано його не вирішальний вплив на
результат стрільби, оскільки при граничних відхиленнях прицільного пристрою
(мушки відносно цілика) результат стрільби буде в межах допустимого.
Наведені розрахунки показують, що гіпертрофоване положення цілика відносно
мушки при тренуваннях в бойовому тирі на дистанціях до 25 метрів не може
привести до неточної стрільби.
В статті [3] вказується про недоцільність побудови аналітичних
біомеханічних моделей системи «стрілець-зброя», оскільки враховуючи
кількість рухомих ланок, які здійснюють вплив на результуюче положення
зброї у просторі, вплив психофізіологічних параметрів, а також наявності
значної кількості стохастичних процесів (наприклад – тремор кінцівки)
практично позбавляють дослідників можливості побудувати оптимальну
біомеханічну модель.
4. Аналіз процесу прицілювання
Розглядаючи процес прицілювання, необхідно зазначити, що це рухова
дія, яка спрямована на суміщення ока стрільця, верхнього зрізу прорізі цілика і
мушки та точки прицілювання на одній прямій. При цьому просвіти між
мушкою і боковими стінками цілика повинні бути однаковими. В реальній
ситуації цього досягти відносно важко, адже різниця відстаней, на яких
знаходяться прицільний пристрій пістолета і мішень є значною. Отже,
одночасно тримати фокус на обох цих об‘єктах око не може внаслідок своїх
анатомічних особливостей, тому відбувається концентрація уваги на певному
елементі системи або, в гіршому випадку, постійне перемикання уваги з одного
елементу на інший.
Поки людина концентрує увагу на одному елементі системи, згідно
працям Ухтомського [4] – домінанті, всі інші елементи втрачають акцент уваги
– стають субдомінантами. Субдомінанти також здійснюють вплив на органи
чуття, але цей вплив порівняно слабкий. Збільшення інтенсивності побічних
факторів може привести до переорієнтації активних центрів в корі головного
мозку, що в результаті переводить субдомінанту в домінанту. Це вносить деяку
затримку по часу в процес стрільби, оскільки людина повинна буде виконати
переорієнтацію системи. Така затримка є негативним фактором і являється
небажаною, особливо в екстремальних ситуаціях, де швидкість застосування
вогнепальної зброї є ціною життя. Крім того, будь-яке перемикання уваги може
здійснити мимовільну іннервацію м‘язових волокон і просторове зміщення
зброї.
241

5. Структурна модель процесу прицілювання.
Процес прицілювання можна представити як роботу системи з
негативним зворотнім зв‘язком з неузгодженістю. В такій системі частина
вихідного сигналу подається на вхід для зменшення відхилення вхідного
сигналу відносно вихідного (рис. 1). Прямий канал представлений
послідовністю наступних ділянок: вхід – регулятор – об‘єкт управління – вихід,
ділянка зворотного зв‘язку являє собою канал передачі вихідного сигналу
[X 2 (t), Y 2 (t)] з виходу системи на її входу. На вхід моделі подаються координати
точки на мішені, в яку необхідно влучити стільцю [X 1 (t), Y 1 (t)]. В якості
регулятора виступає центральна нервова система стрільця, в тому числі
аналізатори, які заставляють об‘єкт управління (рука стільця) виконувати дії по
наведенню зброї на мішень і прицілюванню. Вихідним сигналом служить
координата точки на мішені [X 2 (t), Y 2 (t)], в яку направлена вісь ствола
вогнепальної зброї (згідно прицілу).
Якщо вхідний сигнал [X 1 (t), Y 1 (t)] і вихідний – [X 2 (t),Y 2 (t)] не співпадають,
то в системі виникає сигнал неузгодженості ε ( t) = [ X1( t) X2 ( −t ),( Y1 ( t) Y2
( t)]
. −
Цей сигнал сприймається зоровим регулятором, обробляється нервовою
системою і перетворюється в сигнал управління F(t), який надходить (через
нервові волокна) на вхід об‘єкта управління – руку стрільця зі зброєю, який в
свою чергу змінює стан вихідного сигналу до тих пір, поки неузгодженість не
зникне. При наближенні точки прицілювання до бажаних координат мішені
[ X1( t) → X
2( t),( Y1( t) Y
2( t)]
→ – зворотній зв‘язок перестає впливати на
регулятор і підстройка координат відключається.
Оскільки така система не є закритою, на неї постійно здійснюють впливи
зовнішні дестабілізуючі фактори. До них відносяться як внутрішні –
функціональний стан стрільця, так і зовнішні фактори – фізичні впливи
оточуючого середовища. При чому, цей сигнал-подразник може впливати на
будь-яку ланку системи – на регулятор (розсіяння уваги і переключення на інші
мішені), на об‘єкт управління (тремор кінцівок), а також на сам власне
зворотній зв‘язок (стан алкогольного сп‘яніння, травма нервових волокон). Дія
цього сигналу подразника приводить до зміни вихідного сигналу – прицільної
точки зброї, в результаті чого механізм зворотного зв‘язку порушує рівність на
компараторі, що в свою чергу приводить до включення механізму нового циклу
підстройки.
Фактори
невизначено ї
природи
X 1 (t)
Y 1(t)
Вхідний
сигнал
Внутр ішні
(психоф ізіологічні) фактори
+ -
Дестабілізуюч і фактори
R 1 (t)
ε(t) Регулятор F(t) Об’єкт управління Вихідний
(зоровий анал ізатор ) (рука стр ільця) сигнал
Зворотн ій зв’язок
Зовнішні (фізичні) фактори
R 2 (t)
X 2 (t)
Y 2(t)
Рис. 1 – Модель процесу етапу прицілювання на основі
негативного зворотного зв‘язку
Порівнюючи
виконання процесу
прицілювання у
стрілків високої
кваліфікації і
стрільцівпочатківців,
необхідно звернути
уваги на наступні
відмінності.
242

У стрільців-початківців на даному етапі переважає зорова увага – після
суміщення прицільного пристрою з мішенню зоровий аналізатор визначає
ступінь відхилення і подає відповідну команду на руку стрільця. Але точно
розрахувати корегуючий рух, в результаті якого положення прицільного
пристрою вирівнялося б, неможливо, тому виникає постійна певна міграція
прицільної точки по мішені. При цьому влучний вистріл цілком можливий, але
він в значній мірі буде залежати від вибору моменту стрільби, іншими словами
– від випадку.
На відміну від такого, візуально-орієнтованого алгоритму, стрілець
високої кваліфікації орієнтується на свої тактильні відчуття. Після початкового
суміщення прицільного пристрою і мішені, він зменшує вплив зорової уваги,
перемикаючи акцент на підтримку тієї м‘язової активності, яка визначена на
попередньому етапі. Таке перемикання відбувається не дискретно, а плавно, що
дозволяє поступово зменшувати вплив негативного зворотного зв‘язку аж до
повного його відключення.
Визначення типу алгоритму, який використовує конкретний стрілець в
процесі своєї підготовки забезпечить своєчасне корегування процесу
формування навичок з метою підвищення якості всього тренування.
6. Висновок
В статті визначено вагомий вплив зорової компоненти на якість пострілу
на початковому етапі прицілювання. Подальший візуальний контроль за
положенням мушки приводить до активізації зворотного зв‘язка і перехід
системи до коливального стохастичного руху. Стрільці-початківці намагаються
вирівняти мушку що приводить до некерованих коливань всієї руки зі зброєю і
погіршує результат стрільби. Визначення цих коливань, яке можливо виконати
на основі аналізу траєкторії лінії прицілювання дасть змогу судити про
ефективність прицілювання.
Список літератури: 1. Минин Р.А. Стрельба из пистолета / Р.А. Минин. – М. : Военное
Издательство Министерства Обороны Союза ССР, 1954 г. – 68 с. 2. Писарчук А.В. Лазерный
триангуляционный имитатор и математическая модель процесса прицеливания для
совершенствования техники стрельбы из пистолета / А.В. Писарчук, А.В. Лапин // Вестник
Рязанского государственного радиотехнического университета. – 2008. – №24. – С. 117-121.
3. Злепко С.М. Математична модель сумісності людини і короткоствольної вогнепальної
зброї / С.М. Злепко, Д.Х. Штофель, А.А. Шиян // Вимірювальна та обчислювальна техніка в
технологічних процесах. – 2009. – № 2. – С. 239-244. 4. Ухтомский А.А. Доминанта /
А.А. Ухтомский. – СПб. : Питер, 2002. – 448с.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 629.423: 621.313
Е.С. РЯБОВ, зав. сектором расчетов электрических машин, ГП завод
«Электротяжмаш», г. Харьков
Б.Г. ЛЮБАРСКИЙ, канд. техн. наук, доцент, НТУ «ХПИ», г. Харьков
Д.И. ЯКУНИН, канд. техн. наук, доцент, НТУ «ХПИ», г. Харьков
Д.Ю.ЗЮЗИН, канд. техн. наук, доцент, НТУ «ХПИ», г. Харьков
243

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО БЕЗРЕДУКТОРНОГО
ПРИВОДА НА ОСНОВЕ ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С
АКСИАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ
В роботі розглядається імітаційна модель тягового безредукторного приводу на основі
індукторного двигуна з аксіальним магнітним потоком реалізована в середовищі візуального
програмування Simulink. При створенні моделі АІД використаний метод структурних схем.
Ключові слова: моделювання, реактивний індукторний двигун з аксіальним магнітним
потоком, інвертор напруги, сплайн.
В работе рассматривается имитационная модель тягового безредукторного привода на
основе индукторного двигателя с аксиальным магнитным потоком, реализованная в среде
визуального программирования Simulink. При создании модели АИД использован метод
структурных схем.
Ключевые слова: моделирование, реактивный индукторный двигатель с аксиальным
магнитным потоком, инвертор напряжения, сплайн.
In work a simulation model is considered of hauling direct drive on the basis of inductor motor with
the axial magnetic thread realized in the visual programming Simulink environment. At creation of
the model AIМ a method is used of flow diagrams.
Keywords: simulation, transverse flux reluctance motor, voltage converter, spline.
Разработка нового подвижного состава требует углубленного изучения
динамических процессов в электрической системе и механической части,
выявления их взаимного влияния, изучения влияния внешних воздействий на
характер протекания и качественные показатели процессов, происходящих в
них. Поскольку натурные экспериментальные исследования, во-первых,
увеличивают финансовые затраты и сроки разработки, и, во-вторых, не
позволяют провести всеобъемлющие исследования, а традиционные методы
проектирования и исследования в ряде случаев не эффективны, наиболее
целесообразным представляется использование математического
моделирования [1]. В частности, такой подход необходим при использовании
для подвижного состава тяговых приводов нового типа, содержащих
нетрадиционные для тяги электрические машины и соответствующие им
полупроводниковые преобразователи. Именно таким является тяговый привод
на основе реактивного индукторного двигателя с аксиальным магнитным
потоком (АИД) [2].
Подходящим инструментарием для изучения динамики тяговых
приводов, на наш взгляд, является имитационное моделирование [3]. Для
создания имитационной модели нами принята среда визуального
программирования Simulink, которая в сочетаний с макетом Matlab
предоставляет широчайшие возможности для моделирования
электроприводов[4,5].
Целью статьи является разработка математических и имитационных
моделей звеньев безредукторного тягового привода на основе реактивного
индукторного двигателя с аксиальным магнитным потоком.
244

Рассматриваемая в статье система тягового привода включает в себя
электрическую часть – тяговый преобразователь и систему управления
приводом, электромеханическое устройство – тяговый двигатель и
механическую часть,
образованную
механизмами передачи
вращающего момента от
двигателя к контакту
«колесо-рельс» любую
электромеханическую
систему можно
представить из двух
подсистем: электрической
и механической. В статье
только рассматриваются
тяговый двигатель и
инвертор для его питания.
Схема силовых цепей
показана на рис. 1.
Для питания АИД нами
выбрана наиболее часто
используемая схема
полумостового
инвертора напряжения [6].
Инвертор напряжения
(ИН) состоит из m
(m - число фаз)
U d
М, Ω
СУ
L 1 R 1 L 2 R 2
VDlm
ДТ1 ДТ2 … ДТ m
Рис. 1 Схема силовых цепей тягового двигателя
и преобразователя
СУ – система управления; ИН – инвертор
напряжения; АИД – реактивный индукторный
двигатель с аксиальным магнитным потоком; U d
– напряжение звена постоянного тока; ДТ1, ДТ2,
…, ДТ m – датчики тока; ДПР – датчик положения
ротора; VT1, VT2,…, VT m – транзисторы ИН;
VD1, VD2,…, VD m – диоды ИН; L 1 , L 2 ,…, L m –
индуктивности фаз АИД; R 1 , R 2 ,…, R m –
омические сопротивления фаз АИД; М – момент
на валу двигателя; Ω – угловая частота вращения
ротора
включенных параллельно фазных полумостов.
Каждый полумост содержит два несимметричных плеча, состоящих из
управляемого силового ключа – IGBT–транзистора и обратного диода,
соединенных последовательно (рис. 2а). На рис. 2б приведена Simulink–модель
фазного полумоста ИН. При её создании использованы элементы библиотеки
SimPowerSystems. Это позволяет отказаться от разработки математических
моделей полупроводниковых приборов.
А
+
U d
–
B
VT1
VD1
C
VT
2
VD
2
D
а) б)
Рис. 2 Электрическая (а) и Simulink (б)
245
…
VThm
Lm
VD hm
VTlm
R m
ИН
ДПП
ДПР
Управление приводом
осуществляется системой
управления. Система
управление имеет два канала:
по току и по углу поворота
ротора. Входными сигналами
являются значения токов фаз и
угла поворота. На выходе
имеем сигналы на
включение/выключение
транзисторов силового

модель фазного полумоста ИН инвертора.
Построение системы управления и алгоритмов работы аналогично
приводу с традиционным реактивным индукторным двигателем, ознакомиться
с которыми можно в соответствующей литературе.
В основу математической
модели АИД положены уравнения
электрических контуров,
составленные для каждой из фаз.
На рис. 3 приведена схема
замещения фазы.
Примем допущения, что
магнитные системы каждой из фаз
двигателя идентичны друг другу,
вихревые токи и гистерезис в
магнитопроводе не учитываются,
активные сопротивления фаз
равны.
Рис. 3. Схема замещения фазы АИД
u x – напряжение; i x – ток; R x – омическое
сопротивление;
Ψ x – потокосцепление
Уравнения электрического равновесия запишется в виде:
dΨ
x
u = i R +
x x
(1)
dt
где u х –напряжение, приложенного к обмотке фазы с индексом х;
i x – фазный ток;
R – электрическое сопротивление фазы;
Ψ x = Ψ ( ix
, γ x ) – потокосцепление фазы.
Преобразуем уравнение (1). Для этого перепишем слагаемое
виде:
dΨ
x
∂ Ψ
x
di
x
∂ Ψ
x
=
+
dt ∂ ix
dt ∂ γ
∂ Ψ
где L
∂ ix
∂ Ψ x
K ex = – коэффициент противоЭДС.
∂ γ
γ – геометрический угол поворота ротора.
dγ
dt
x
äx
= – дифференциальная индуктивность;
=
L
äx
di
x
dt
+
K
ex
Ω
dΨ
dt
x
в таком
, (2)
Подставив (2) в (1) получим уравнение электрического равновесия в виде:
dΨ
x
di
x
u
x
= ixR
+ = ixR
+ Läõ
+ ex
, (3)
dt
dt
где e
x
= K
ex
Ω – противоЭДС фазы.
Разрешив уравнение (3) относительно производной тока, получим:
dix
-1
= ( L ) ⋅ ( u − i R − e )
äõ x x x . (4)
dt
Для описания вращательного движения ротора представим механическую
часть в виде одномассовой системы. Тогда уравнения движения будут иметь
вид:
246
u x
i x
R x
Ψ x

где
⎧ dΩ
⎪
J = M
d t
⎨
⎪ dγ
Ω =
⎩ d t
(5)
J – приведенный момент инерции ротора;
Ω – угловая частота вращения ротора;
M
äâ
=
m
∑
x=
1
M
x
x
x
ä â
( i , γ ) – момент на валу (принимаем равным
электромагнитному моменту);
M
x
( i x
, γ
x
) – момент, развиваемый фазой с индексом х;
М с – момент сопротивления.
Таким образом, математическая модель АИД имеет вид:
⎧ dix
-1
⎪
= ( L ) ⋅ ( u − i R − K Ω );
äõ x x ex
dt
⎪
⎪ dΩ
1
= ( M − )
äâ
M
c
;
⎪ dt J
⎪
dγ
⎨ = Ω ;
, (6)
⎪
dt
⎪ Ldx
= Ldx(
ix
, γ
x
);
⎪
K = K ( i , γ );
ex ex x x
⎪
m
⎪
⎪
M =
äâ ∑ M ( i , γ )
x x x
⎩
x = 1
т.е. состоит из дифференциальных уравнений электрических контуров и
механической части, и алгебраических уравнений, определяющих
электромагнитные связи в двигателе – зависимости
L
dx
( ix
x
, γ
x
); K
ex
( ix
, γ
x
); M
x
( ix
, γ ) .
Рассмотрим методику определения электромагнитных связей двигателя.
Предположим, что зависимость Ψ = Ψ ( i,
γ ) известна (определена расчётным
путём или экспериментально). Типичный вид зависимости Ψ = Ψ ( i,
γ ) для
реактивных индукторных машин показан на рис. 4
Ψ
Ψ
2
γ
Ψ
Ψ
Ψ
−
M
c
,
1
i
Ψ
а)
i
Ψ
б)
Ψ ( i,
γ
Рис. 4 Зависимости Ψ = )
247
γ
Ψ

∑
=
∑
=
⋅
⋅
−
−
−
1– рассогласованое положение; 2 – согласованное положение
Семейство кривых на рис.4б может быть представлено в общем виде
аналитической зависимостью следующего вида:
N q
Ψ ( i,
γ ) =
⎡
∑ ∑ ( A ⋅
+ ⋅
)
⎤
r
( i)
cos( kγ
) Br
( i)
sin( kγ
)
⎥ , (7)
k = 0
⎢⎣ r = 0
⎦
т.е. является усечённым рядом Фурье (число удерживаемых гармоник равно N),
коэффициенты которого являются полиномиальными функциями тока.
Вследствие симметрии зубцов, кривые на рис. 4б симметричны
относительно оси ординат. Поэтому ряд Фурье не содержит синусных
составляющих, и формулу (7) можно переписать в виде:
где
A
3
( k )
s
k
( i)
a ( i − i
s j j 1)
, 1
−
s=
0
N
∑
k = 0
( A ( i)
⋅ cos( k ))
Ψ ( i,
γ ) =
γ , (8)
k
= ∑
−
– кубический интерполяционный сплайн,
аппроксимирующий зависимость коэффициентов Фурье-разложения от тока
( k )
фазы [7]. В этом выражении a
s , j − 1
– коэффициент сплайна при степени s на
отрезке [i j-1 , i j ] для гармоники с номером k, (i j-1 , i j – узлы интерполяции,
ограничивающие отрезок, содержащий текущее значение тока i). Под γ здесь и
в дальнейшем будем подразумевать угол поворота ротора, выраженный в
электрических радианах.
Таким образом,
N 3
⎛ ⎛ ( k )
s
⎞
Ψ ( i,
γ ) =
⎞
∑ ⎜ ⎜ ∑ a ( i − i
− ⎟
⎟
− j
k
s j
1)
cos( γ ) . (9)
, 1
k = 0 ⎝ ⎝ s=
0
⎠
⎠
Запись зависимости Ψ = Ψ ( i,
γ ) в виде (9) позволяет аналитически
выразить индуктивность, коэффициент противоЭДС и момент.
Дифференциальная индуктивность определяется по формуле
. Тогда, с учётом формулы (5) получим выражение:
L
ä
N
⎛
⎛
⎜
⎜
⎝
⎝ 0
⎞
⎞
1
⎟ c k ) ⎟ o s (
⎠
⎠
L ä
∂ Ψ ( i,
γ )
= ∂ i
= a s ( i i )
γ
. (10)
s , j − 1
j 1
Дифференцирование по току здесь допустимо, поскольку сплайн является
дважды непрерывно дифференцируемой функцией на всём отрезке
интерполяции.
Коэффициент противоЭДС равен K e
= или
k
3
s 1
( k )
∂ Ψ (i, γ )
∂ γ
s
248

N 3
⎛ ⎛ ( k )
s
⎞
K
⎞
e
= − Z ∑ ⎜ k⎜
∑ a ( i − i
−
⎟ ⎟
− j
k
s j
1)
sin( γ ) , (11)
, 1
k = 0 ⎝ ⎝ s=
0
⎠ ⎠
где Z – число зубцов. Множитель Z в формуле (11) учитывает то, что
дифференцирование происходит по геометрическому углу, а γ есть
электрический угол.
Электромагнитный момент определяется по выражению
где
Ì
∂W
′
=
∂
γ
, (12)
W ' ∫ Ψ ( i,
γ ) di – мгновенное значение коэнергии фазы. Поскольку
=
i
0
подынтегральное выражение Ψ ( i,
γ ) задано в виде сплайнов, интегрирование
проводим по методу интерполирующих сплайнов.
Общее выражение имеет вид:
i N 3
⎛
W i
⎛ ( k )
s
⎞
'(
, γ ) = ∫ ∑ ∑ a i i
⎞
⎜ ⎜ ( −
j
k di
s j
− ⎟
⎟
−
1)
cos( γ ) .
, 1
0 k = 0 ⎝ ⎝ s=
0
⎠
⎠
Поскольку нас интересуют численные значения, поступим следующим
образом.
Пусть p – номер интервала, в котором находится верхний предел
интегрирования i p . Тогда расчётная формула для вычисления коэнергии примет
вид:
p
s + 1
⎛ N ⎛ ⎛ 3 ( i
⎞
−
∑ ∑ ∑
= =
=
⎟ ⎞
q
− i ⎞
⎜
k
q 1)
( )
W '(
i = ⎜
⎟
⎜
⎟
p,
γ )
a
cos( kγ
)
s q −
. (13)
, 1
q 1 k 0 s 0
⎝ ⎝ ⎝ s + 1 ⎠
⎠ ⎠
Выполнив вычисления по формуле (10), получим данные, для которых
выполним процедуру аппроксимации. Полученную зависимость представим в
виде:
где
B
3
( k )
s
k
( i)
b ( i − i
s j j 1)
, 1
−
s=
0
N
∑
k = 0
i=
const
( B ( i)
⋅ cos( kγ
))
W '(
i,
γ ) =
,
k
= ∑
−
– кубический интерполяционный сплайн,
аппроксимирующий зависимость коэффициентов Фурье-разложения от тока
( k )
фазы. В этом выражении b
s , j − 1
– коэффициент сплайна при степени s на отрезке
[i j-1 , i j ] для гармоники с номером k, (i j-1 , i j – узлы интерполяции, ограничивающие
отрезок, содержащий текущее значение тока i).
Таким образом,
N 3
⎛ ⎛ ( k )
s
⎞
W '(
i,
γ ) =
⎞
∑ ⎜ ⎜ ∑ b ( i − i
− ⎟
⎟
− j
k
s j
1)
cos( γ ) . (14)
, 1
k = 0 ⎝ ⎝ s = 0
⎠
⎠
Выполнив дифференцирование выражения (14) по угла поворота, имеем:
N 3
⎛ ⎛ ( k )
s
⎞
M = − Z
⎞
∑ ⎜ k⎜
∑ b ( i − i
−
⎟ ⎟
− j
k
s j
1)
sin( γ ) . (15)
, 1
k = 0 ⎝ ⎝ s = 0
⎠ ⎠
Отдельно следует отметить, что число гармоник разложения в ряд Фурье
выбирается из условия обеспечения погрешности не более 2%. При построении
249

сплайнов используются краевое условие «отсутствие узла», т.к. неизвестна
информация о поведении сплайнов вблизи границ отрезка интерполяции.
Для создания имитационной модели АИД в Simulink на основании
уравнения (4) составим структурную схему фазы двигателя (рис. 15а).
Simulink–модель фазы двигателя приведена на рис. 15б.
i x R
–
u x +
Ω
–
e x
R
W -1
-1
L дх
di x
dt
1
p
i x
i A
K ex
L дх
γ x
а) б)
Рис. 15 Структурная схема (а) и Simulink-модель (б) фазы двигателя
Структурная схему механической части привода, составленная по
уравнениям (5), приведена на рис. 16а. Simulink–модель механической части на
примере четырёхфазного АИД приведена на рис.16б.
i 1
γ 1
M 1
i 2
γ 2
i x
γ x
M 2
M x
+
+
+
М дв
+
–
М
с
М дв - М с
1
Jp
Ω
1 γ
p
а) б)
Рис. 17 Структурная схема (а) и Simulink–модель (б) механической части
Создание общей Simulink- модели тягового привода производится по
общим правилам создания моделей в Simulink с учётом тех задач, которые
ставит исследователь.
Выводы.
Разработана имитационная модель тягового привода на основе АИД.
Имитационная модель состоит их модели полупроводникового
преобразователя, модели тягового индукторного двигателя с аксиальным
магнитным потоком, модели механической части и модели системы
управления.
Модель преобразователя собрана на основании его электрической схемы
с использованием элементов библиотеки SimPowerSystems.
Разработана математическая модель АИД. Особенностью модели
является то, что электромагнитные связи предложено аппроксимировать
усечённым рядом Фурье, коэффициенты гармоник которого интерполированы
кубическими сплайнами. На основании этого разложения аналитически
250

выражены индуктивность фазы, коэффициент противоЭДС и
электромагнитный момент, для которого также проведена аппроксимация по
упомянутому выше способу. На основании математической модели разработана
Simulink-модель АИД.
Разработанная имитационная модель позволяет моделировать
динамические процессы, происходящие как в приводе в целом, так и в
отдельных его звеньях, отрабатывать законы регулирования и исследовать
влияние параметров отдельных элементов на процессы электромеханического
преобразования энергии.
Список литературы: 1. Бахвалов Ю. А., Зарифьян А. А., Кашников В. Н., Колпахчьян П. Г.,
Плохов Е. М., Янов В. П. Моделирование электромеханической системы электровоза с
асинхронным тяговым приводом, М – «Транспорт», 2001, 288с. 2. Рябов Е.С. Реактивный
индукторный двигатель с аксиальным магнитным потоком // Вестник НТУ «ХПИ». -
Харьков, НТУ «ХПИ» 2010. – №38. – С.80-83. 3. Любарский Б.Г., Рябов Е.С., Оверьянова
Л.В. и др. Имитационная модель тягового вентильно-индукторного электропривода //
Електротехніка і електромеханіка, 2009, №5. – С.67-72. 4. Дьяконов, В. П. Simulink 4.
Специальный справочник [Текст] / В. П. Дьяконов. − СПб. : Питер, 2001. − с. 553. 5. Черных
И.В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, SimPowerSystems и Simulink.
ИД Питер. 1-е издание, 2007 , 288 стр. 6. Тяговые двигатели электровозов / Под ред. В.Г.
Щербакова. – Новочеркасск: Агентство Наутилус, 1998. – 627 с. 7. Де Бор К. Практическое
руководство по сплайнам: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1985. – 304 с., ил.
Поступила в редколлегию 08.12.2010
УДК 656.13:658
А.Н. ГОРЯИНОВ, канд. техн. наук, доцент, ХНАГХ, г. Харьков
ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТЕ
Предложена классификация объектов транспорта. Рассмотрены существующие подходы к
определению объектов диагностирования с позиций экономической диагностики. Выделены
основные причины трудностей при формировании объектов диагностирования на
транспорте.
Запропонована класифікація об’єктів транспорту. Розглянуті існуючі підходи до визначення
об’єктів діагностування з позицій економічної діагностики. Виділені основні причини
труднощів при формуванні об’єктів діагностування на транспорті.
The classification of transport objects is offered. The existing approaches to defining of diagnosis
objects from the position of economic diagnostic are considered. The main reasons for the difficulty
in diagnosing the formation of objects in transport are selected.
1.Введение
Совершенствование экономических отношений между участниками
рынка тесно связаны с вопросами функционирования и развития транспортного
сектора. Транспорт является неотъемлемой частью в системах производства и
доставки продукции. Это обуславливает потребность в постоянном поиске
новых подходов и методов повышения эффективности его работы. Согласно [1,
251

с.131], проблема эффективности перевозки грузов является одной из основных
среди актуальных проблем современной науки.
В качестве перспективного и универсального подхода для повышения
эффективности функционирования и развития транспорта можно выделить
диагностический подход. Это подтверждается успешным применением
диагностики в системах различной природы. Однако, применение диагностики
в сфере транспорта не получило еще достаточного развития. Теория
диагностики на транспорте находится в стадии формирования. Поэтому можно
считать актуальным проведение исследований в этом направлении.
2. Анализ публикаций
Анализ литературных источников свидетельствует о распространении
диагностического подхода из сфер технических и биологических систем в
экономические системы. Сейчас можно выделить ряд работ, благодаря которым
сформировалась методологическая основа экономической диагностики. К
таким работам можно отнести, в частности, [2-4]. В то же время, транспорт и
его объекты остаются в стороне от проводимых в указанном направлении
исследований. Это можно объяснить разноаспектностью объектов (систем) на
транспорте. Приведем цитату [5, с.21]: «транспорт – это большая,
искусственная организационно-экономическая и техническая система,
созданная человеком для решения конкретных социально-экономических
задач». Здесь автором подчеркивается сложная структура транспорта, хотя на
наш взгляд более корректно следовало указать, что транспорт может быть
представлен как большая, искусственная и т.д. Это уточнение необходимо
ввиду того, что существует и термин «транспортная система» в рамках
транспорта, а также ввиду существования других определений транспорта.
Например, [6, с.20]: «транспорт (от лат. transporto – перемещаю) – это отрасль
материального производства, которая осуществляет перемещение людей и
грузов. С другой стороны, транспорт – это вид экономической деятельности
хозяйствующих субъектов, в процессе которого сочетаются действия,
направленные на получение соответствующих услуг». Также для
характеристики транспортной системы приведем цитату [7, с.23]:
«транспортные системы относятся к социальным системам». Резюмируя,
можно говорить, что транспортные системы, обладая свойствами и
технических, и экономических, и социальных систем, попадают в особое
положение как объекты исследований.
Следующим результатом анализа литературных источников можно
считать вывод о доминировании на сегодняшний день на транспорте
логистического и проектного подходов. Наибольшее распространение
принадлежит логистическому подходу (пример работ – [8, 9]), в меньшей
степени используется, однако интенсивно развивается, - проектный подход
(пример работ – [10-12]).
Отдельно выделим ряд работ, которые можно отнести к
междисциплинарным, и которые представляют определенный интерес для
формирования теории диагностики на транспорте (транспортная диагностика)
(например, [13, 14]).
252

3. Цель и постановка задачи
Целью данной работы является выделение основных проблемных
вопросов при определении объектов диагностирования на транспорте. Для
достижения поставленной цели необходимо выполнить следующее: определить
существующие классификации транспортных объектов; выделить группы
объектов с позиций известных видов диагностики; предложить направления
деления объектов транспорта для целей диагностики.
4. Результаты исследования
Ввиду того, что использование диагностического подхода подразумевает
определения объекта диагностирования, логичным является на первом этапе
исследования выделить существующие классификации транспортных объектов.
Обзор информационных источников позволяет сделать вывод о недостаточном
исследовании данного вопроса. Основной упор в изученных материалах
делается на такие термины, как «транспортная система», «транспортный
комплекс», «транспортная инфраструктура» и др. При этом термины
«транспортный объект», «объект транспорта» встречаются гораздо реже и
несут больше вспомогательную функцию и используются, в основном, в
нормативно-правовых документах. Примеры приведены в табл.1.
Особо отметим тот факт, что та или иная исследуемая система это всего
лишь модель объекта, причем лишь одна из возможных вариантов. Согласно [7,
c.12]: «каждый из объектов может быть представлен несколькими вариантами
системы». Поэтому очень важно знать, что из себя представляют объекты
транспорта, на основании которых формируются (описываются) транспортные
системы.
В Законе Украины «Про транспорт» [18] явным образом в качестве
объектов транспорта выделены: транспортная сеть, вокзалы, путепроводы
(статья 5 закона). Остальные объекты подразумеваются, как те, что размещены
на землях для транспорта, а также входящие в его структуру. Поэтому,
принимая это за основу, а также руководствуясь данными [15; 19, с.235; 20, с.3-
7], можно составить следующую классификацию объектов транспорта – рис.1.
Таблица 1 – Примеры определений объектов в сфере транспорта
Термин
Определение (описание)
Линейные транспортные аллеи, бульвары, набережные, мосты, переулки, площади,
объекты [15]
путепроводы, проезды, просеки, проспекты, тупики, улицы,
шоссе, эстакады.
Локальные
транспортные объекты
[15]
Объекты транспортной
инфраструктуры [16]
станции метрополитена, остановки наземного городского
транспорта
технологический комплекс, включающий в себя
железнодорожные, трамвайные и внутренние водные пути,
контактные линии, автомобильные дороги, тоннели, эстакады,
мосты, вокзалы, железнодорожные и автобусные станции,
метрополитены, морские торговые, рыбные,
специализированные и речные порты, портовые средства,
судоходные гидротехнические сооружения, аэродромы,
аэропорты, объекты систем связи, навигации и управления
253

Транспортная
инфраструктура [17]
движением транспортных средств, а также иные
обеспечивающие функционирование транспортного комплекса
здания, сооружения, устройства и оборудование
система коммуникаций и объектов городского и внешнего
пассажирского и грузового транспорта, включающая уличнодорожную
сеть, линии и сооружения внеуличного транспорта,
объекты обслуживания пассажиров, объекты обработки грузов,
объекты постоянного и временного хранения и технического
обслуживания транспортных средств
Объекты транспорта
Объекты
транспортной
инфраструктуры
Линейные
Железнодорожные
пути
Автомобильные
дороги
И др.
Предприятия, учреждения и организации,
осуществляющие перевозки
грузов, пассажиров, почты,
багажа
Сервисные
Локальные
Обслуживающие
Ремонтные предприятия
Технического обслуживания
И др.
Вспомогательные
объекты
Учебные заведения
Подвижные
объекты
Научно-исследовательские
организации
И др.
Вокзалы
Аэропорты
И др.
Транспортные
средства
Суда
И др.
Рис. 1 – Классификация объектов транспорта (с учетом [15; 18; 19,
с.235; 20, с.3-7]) (предлагается)
Анализируя представленную классификацию и принимая во внимание,
прежде всего, техническую и экономическую составляющие транспорта, можно
сделать вывод, что в качестве объекта диагностирования на транспорте не
целесообразно рассматривать вспомогательные объекты. Все остальные
объекты могут принимать непосредственное участие (быть задействованы) в
перевозке грузов, пассажиров, почты или багажа.
На следующем этапе определим существующие подходы к определению
объектов диагностирования с позиций экономической диагностики и ее
разновидностей. На рис. 2 представлены различные подходы по этому вопросу.
Как видно из рисунка, существует достаточно широкий спектр возможных
объектов диагностирования – процесс, результат, изделие, участок и др.
254

Подходы к определению объектов диагностирования
Диагностика
предприятия [4]
Диагностика
результатов
деятельности и
состояния
предприятия
Диагностика
управления
предприятием
(диагностика
бизнеспроцессов)
Стратегическая диагностика [3]
Действующее
предприятие
Предприятие, которое
образовывается
Анализ годовой бухгалтерской
отчетности
Анализ хозяйственной
деятельности
Анализ логистических процессов
Анализ особенностей
производства
Проектный анализ
Объект производственноэкономического
диагностирования
[2]
Предприятие или
его участок
Изделия или их
составные части
Другое
Рис. 2 – Объекты диагностики с экономических позиций (на основании
[2, с.7; 3, с.50; 4, с.6])
Отдельно выделим связь диагностики с логистикой и проектным
подходом. В работе [3, с.50] проводится разграничение применения
стратегической диагностики для анализа логистических процессов и
проектного анализа. Это подтверждает целесообразность выделения
транспортной составляющей как неотъемлемой части логистического процесса.
Развивая тему определения объектов диагностирования на транспорте на
основании представленной информации, можно сделать вывод, что на текущий
момент затруднительно говорить о готовых решения по этому вопросу. В
первую очередь, это предопределено существующим дисбалансом по вопросу
стыковки существующего представления о транспортных объектах и известных
определения о транспортных системах. Во вторых, предварительный анализ
описания объектов диагностирования в экономической сфере, с позиции
экономической диагностики, свидетельствует об отсутствии слаженной
системы их определения. Все указанное предопределяет расширение круга
исследования.
В заключительной части данной работы рассмотрим одну из структур
транспортной отрасли, в которой сочетаются элементы транспортных объектов
и объекты организационно-технологического характера, что может служить
базой для составления классификаций объектов диагностирования на
транспорте – рис.3.
255

УРОВНИ
7. Народное хозяйство
6. Межотраслевой
Транспорт
Отрасль материального
производства
5. Отраслевой
Автомобильный транспорт
4. Территориальный
АТП АТП …. АТП АТП
3. Перевозочных комплексов
Перевозочный
комплекс
…………..
Перевозочный
комплекс
2. Звеньев
Погрузка Разгрузка Транспортирование
Хранение
груза
1. Компонентов
Посты
погрузки
Посты
разгрузки
А-В-Д …
А-В-Д
Посты
хранения
Рис. 3 – Иерархическая структура уровней транспортной отрасли
(согласно [21, с.63]) (АТП – автотранспортное предприятие; А-В-Д – система
«автомобиль-водитель-дорога»)
На представленном рисунке можно видеть транспортный объект в виде
АТП (предприятие, которое осуществляет перевозку груза, пассажиров, почты,
багажа – согласно рис.1), поста погрузки (как линейный обслуживающий
объект транспортной инфраструктуры – см.рис.1), а также бизнес-процессы в
виде погрузки, разгрузки, транспортирования, хранения (согласно объектов
диагностирования, представленные на рис.2).
5. Выводы
1. Реализация диагностического подхода на транспорте требует
систематизации знаний про объекты и системы транспорта. Существующее
положение дел таково, что отсутствуют научные результаты по
структурированию информации о транспортных объектах.
2. Большинство информации о транспортных объектах сосредоточено в
законодательных документах. Это ограничивает возможности ее дальнейшей
формализации и использования для разработки прикладных инструментов.
3. Можно говорить об определенном противоречии, которое возникло в
транспортной теории – небольшом объеме научной информации о
транспортных объектах и достаточно обширном объеме информации про
транспортные системы. Учитывая, что первичным является объект, а
вторичным – система объекта, необходимы исследования по сокращению
разрыва между двумя этими понятиями в сфере транспорта.
256

4. Впервые предложена классификация объектов транспорта, основанная
на существующих представления о транспорте с позиций законодательной
базы.
5. Анализ объектов диагностирования с позиции экономической
диагностики, свидетельствует об отсутствии слаженной системы их
определения. Это позволяет предположить, что при формировании теории
транспортной диагностики, одной из ключевых проблем будет классификация и
описание именно объектов диагностирования.
6. Исследование структуры уровней транспортной отрасли позволило
выделить системы, которые отличны от понятия термина «транспортная
система» (например, автотранспортное предприятие (АТП) – производственное
предприятие; система «автомобиль-водитель-дорога» (А-В-Д)). Это позволяет
говорить о возможном формировании отдельного класса систем, которые могут
быть рассмотрены как объекты диагностирования на транспорте. Также, можно
предположить про целесообразность пересмотра существующих определений
транспортной системы.
7. Выделение в ряде работ по экономической диагностике вопросов
логистических процессов и проектного анализа на фоне других видов анализа,
свидетельствует о перспективности формирования отдельных групп объектов
диагностирования на транспорте в рамках логистического и проектного
подходов.
8. В дальнейшем следует изучить существующие положения,
описывающие транспортные системы на предмет их использования для
формирования объектов диагностирования на транспорте.
Список литературы: 1. Левковець П.Р., Статник І.М., Авдєєва Н.Г. Основні напрямки
забезпечення ефективності перевезення вантажів / Управління проектами, системний аналіз і
логістика: Наук.журнал. Гол.ред. Дмитриченко М.Ф. Вип.4. – К.:НТУ, 2007. – С.131-135. 2.
Елисеева О.К., Марюта А.Н., Узунов В.Н. Диагностика и управление производственноэкономическими
системами: монография. - Днепропетровск: Наука и образование, 2004. –
191с. 3. Гевлич Л.Л. Стратегічна діагностика підприємства: монографія. – Донецьк: ТОВ
«Юго-Восток, Лтд», 2007. – 199с. 4. Савчук В.П. Диагностика предприятия: поддержка
управленческих решений. – М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 175с. 5. Цветов Ю.М.
Транспорт: системный подход (вопросы теории и практики). – М.:Знание, 1980. – 64с. 6.
Дмитриченко М.Ф., Сухарніков Ю.В., Хмелевський М.О., Хорошун Б.І. Концептуальна
модель підготовки фахівця у вищому технічному навчальному закладі / Управління
проектами, системний аналіз і логістика: Наук.журнал. Гол.ред. Дмитриченко М.Ф. Вип.4. –
К.:НТУ, 2007. – С.11-24. 7. Горбачев П.Ф., Дмитриев И.А. Основы теории транспортных
систем. – Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2002. – 202с. 8. Ткаченко А.М., Шевчук А.М. Логістичне
управління вантажоперевезеннями: монографія. – Запоріжжя: Вид-во ЗДІА, 2010. – 248с. 9.
Білоног О.Є. Логістичне управління проектами перевезення вантажів / Управління
проектами, системний аналіз і логістика: Наук.журнал. Гол.ред. Дмитриченко М.Ф. Вип.4. –
К.:НТУ, 2007. – С.58-62. 10. Мельниченко О.І., Галак І.І. Проекти забезпечення безпеки
перевезень / Управління проектами, системний аналіз і логістика: Наук.журнал. Гол.ред.
Дмитриченко М.Ф. Вип.4. – К.:НТУ, 2007. – С.136-139. 11. Білоног О.Є. Вплив
інформаційного забезпечення на ефективність в проектах управління процесами перевезень /
Управління проектами, системний аналіз і логістика: Наук.журнал. Гол.ред. Дмитриченко
М.Ф. Вип.5. – К.:НТУ, 2008. – С.43-48. 12. Воркут Т.А. Формування адаптивних
управлінських рішень в логістичних системах в проектах розвитку ланцюгів постачань /
257

Управління проектами, системний аналіз і логістика: Наук.журнал. Гол.ред. Дмитриченко
М.Ф. Вип.5. – К.:НТУ, 2008. – С.64-71. 13. Тоценко В.Г. Експертні системи діагностики і
підтримки рішень. – Київ: Наукова думка, 2004. – 124с. 14. Аунапу Ф.Ф. и др. Диагностика
производственных систем (методические указания). – Иркутск: Ирк.ин-т.нар.хоз-ва, 1972. –
40с. 15. Закон г.Москвы от 08.10.97 №40-70 «О наименовании территориальных единиц,
улиц и станций метрополитена города Москвы». 16. Федеральный закон Российской
Федерации от 9 февраля 2007 г. №16-ФЗ «О транспортной безопасности». 17. Закон
г.Москвы от 27 апреля 2005 г. №14 «О генеральном плане города Москвы (основные
направления градостроительного развития города Москвы)». 18. Закон України «Про
транспорт» вiд 10.11.1994 № 232/94-ВР. 19. Горев А.Э. Грузовые автомобильные перевозки.
– 2-е изд., стер. – М.: Изд.центр «Академия», 2004. – 288с. 20. Зеркалов Д.В. Транспорт
України. Довідник. У двох книгах. Книга перша. – К.: Основа, 2002. – 416с. 21. Вельможин
А.В. и др. Грузовые автомобильные перевозки. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 560с.
Поступила в редколлегию 01.12.2010
УДК 004.62:004.942
Е.В. МАЛАХОВ, канд. техн. наук, доцент, ОНПУ, г. Одесса
Н.И. БИЛОНЕНКО, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., ОНПУ, г. Одесса
Т.В. ФИЛАТОВА, ассистент, ОНПУ, г. Одесса
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНТЕЙНЕРНЫХ СУЩНОСТЕЙ В
МЕТАМОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ „МЕДИЦИНА
КАТАСТРОФ“
Представлені моделі предметної області „Медицина катастроф“ та моделі об’єктів її ядра.
Показано технологію формування контейнерних сутностей предметних областей з
елементарних об’єктів.
Ключові слова: предметна область, контейнерний об’єкт, елементарний об’єкт,
маніпулювання моделлю.
Представлены модель предметной области „Медицина катастроф“ и модели объектов её
ядра. Показана технология формирования контейнерных сущностей предметных областей из
элементарных объектов.
Ключевые слова: предметная область, контейнерный объект, элементарный объект,
манипулирование моделью.
Model of subject domain „Disaster Medicine“ and models of its kernel objects are presented. The
subject domains container entities formation technology out of elementary objects is shown.
Keywords: subject domain, container object, elementary object, model manipulation.
Введение
Системы организационного управления используются сегодня во многих,
причём достаточно разнообразных, отраслях науки и техники. Не стала
исключением и сфера организационного управления экстренными службами, в
частности, службой медицины катастроф (МК). При построении
информационно-аналитической системы организационного управления
региональным (областным) Центром медицины катастроф необходимо
учитывать целый ряд особенностей этой специфической предметной области
(ПрО), модель которой положена в основу системы.
258

Для построения такой модели необходимо рассмотреть областные центры
медицины катастроф, медицинские и смежные учреждения, связанные с ними,
а также потенциальные и реальные источники катастроф и чрезвычайных
ситуаций (ЧС) в двух главных аспектах:
― региональном, т.е. предприятия или источники, расположенные в
данном регионе (на данной территории, в данной области);
― отраслевом, т.е. потенциальные источники чрезвычайных ситуаций,
которые касаются конкретной области промышленности.
Информация от источников ЧС должна поступать непосредственно на
сервер областного центра МК в целом, независимо от принадлежности к
региональному или отраслевому аспекту ее рассмотрения.
При этом информация от потенциальных источников ЧС должна
храниться и обрабатываться в оперативных базах данных, а от реальных — как
в оперативных базах данных, так и в информационных хранилищах (ИХ)
различных уровней. Эта информация и соответствующие источники, связанные
с конкретным центром МК, относятся к одной ПрО МК.
Все горизонтальные и вертикальные информационные связи центров МК
и связи этих центров с соответствующими источниками ЧС можно представить
в виде графа или гиперграфа. Соответственно, аналогичной структурой можно
представить метамодель ПрО МК.
Объектная специфика предметной области медицины катастроф
Особенностью в данном случае является то, что модель ПрО МК
содержит, по крайней мере, три универсальные сущности k-го порядка [1]. А
именно: учреждения и организации, которые принимают участие в ликвидации
последствий ЧС или в решении задач МК (сущность Службы), Потенциальный
источник ЧС и, собственно, сами ЧС (сущность Катастрофы). При этом две
последние универсальные сущности проецируются, в первую очередь, на две
большие ПрО: природные и техногенные ЧС, каждая из которых, в
дальнейшем, делится на ряд специализированных ПрО.
Под специализацией ПрО имеется в виду разделение и потенциальных
источников ЧС, и катастроф, которые произошли (происходят в этот момент),
происходили раньше или прогнозируются (могут произойти). В этом случае в
ИХ и в оперативной БД на сервере соответствующего центра будет храниться
информация об этих потенциальных источниках ЧС согласно их
принадлежности только к региональному или еще и к отраслевым источникам.
Кроме того, в соответствующем хранилище будет храниться информация о
произошедших ЧС согласно такой классификации, т.е. принадлежности только
к региональным источникам (сюда будут относиться источники всех типов ЧС
— и природных, и техногенных) или еще и к отраслевым (только техногенные).
Информация о таких ПрО может быть получена, например, с ИХ Управления
по гражданской обороне и защите населения (Управление по ЧС)
соответствующего региона [2, 3].
Представление ресурсов и потенциальных источников ЧС в модели
является наиболее сложным. Это связанное с тем, что в каждой отраслевой ПрО
потенциальные источники ЧС имеют собственные, во многих случаях,
259

уникальные свойства и, соответственно, отличные наборы атрибутов. Это, вопервых.
Во-вторых, мощность множества экземпляров проекции этой сущности
на одну ПрО также может отличаться от проекций на другие ПрО. Но при этом
конкретный экземпляр, теоретически, может принимать участие в разных
отраслевых ПрО. Информацию, которая описывает все экземпляры этой
универсальной сущности в общем случае можно представить в виде структуры,
показанной на рис. 1, где измерение D — определяет предметные области
(подобласти), на которые спроецирована универсальная сущность, на оси A
перечислены атрибуты, описывающие эту сущность во всех ПрО, ось I отвечает
за экземпляры сущности, которыми она представлена во всех ПрО.
Модель универсальной сущности
Потенциальный источник ЧС,
представленная на сервере
Регионального Центра МК,
принадлежит модели региональной
ПрО МК, а ее проекция — некоторой
ПрО региональной ЧС (в частности,
которая прогнозируется). В этой
региональной ПрО отраслевые ПрО
можно выделить как подобласти.
I
D
Рис. 1. Структура данных о
потенциальных источниках ЧС
региона
При этом каждый источник ЧС всегда будет принадлежать региональной
подобласти данной ПрО и, возможно, какой-нибудь отраслевой подобласти,
если этот источник относится к области промышленности, а не к природным
катастрофам.
Для того, чтобы оперативно сформировать отраслевое ИХ следующего
уровня достаточно в моделях соответствующих региональных ПрО выделить
подобласти, которые относятся к ПрО, которая интересует, выполнить их
объединение [4, 5] и для универсальной сущности Потенциальный источник
ЧС выполнить операцию понижения порядка. Собственно само выделение
подобластей может быть осуществлено на основании методов
интеллектуального анализа данных [3].
Представление ресурсов медицины катастроф в модели ПрО
Описанное выше представление универсальных сущностей и ПрО позволяет
довольно просто решить проблему определения перечня ресурсов МК и
смежных с Центром МК организаций и учреждений нескольких областей при
возникновении ЧС межрегионального масштаба. Для этого необходимо
выполнить на одном из серверов регионального, отраслевого или
государственного уровня операцию объединения региональных ПрО и
рассмотреть универсальную сущность Ресурс. Результат объединения
универсальных сущностей из моделей региональных ПрО даст комплексную
информацию о возможности использования всех имеющихся ресурсов.
Для того, чтобы выполнить эти операции, необходимо [4], чтобы для данной
универсальной сущности была характерна одинаковая атрибутивная
информация проекций на ПрО при разных множествах экземпляров этих
260
A

проекций. Однако это возможно только при условии, что метамодель каждой
проекции данной универсальной сущности представлена в виде структуры,
предложенной в [1].
Дело в том, что универсальная
сущность Ресурс является
контейнерной [6]. Т.е. на более низком
уровне она представляет собой ПрО,
которая включает в себя множество
специализированных ресурсов, как
элементарных объектов (сущностей)
этой ПрО (рис. 2). Каждый из них
имеет собственное, иногда абсолютно
уникальное, множество атрибутов и,
естественно, отличную от других
мощность множества экземпляров. Т.е.
каждая проекция имеет вид,
аналогичный представленному на
Ресурс
O a 1 a m
o 1 (Автотранспорт) 1 1
o 2 (Медперсонал) 1
o n (Спецоборудование) 1 1
Рис. 2. Представление универсальной
сущности Ресурс в виде элементарной
ПрО
рис. 1, где роль множества ПрО D играет множество элементарных объектов O.
Т.е. отдельные составляющие сущности Ресурс можно рассматривать в
качестве элементарных объектов или сущностей [6], которые распределены по
различным узлам сети или спроецированы на различные ПрО.
В рамках каждой такой ПрО из элементарных объектов собирается
объект Ресурс в необходимой или возможной „комплектации“. На рис. 3
представлены примеры четырех таких ПрО.
Представление универсальных сущностей в виде связанных между собой
элементарных объектов позволяет применять для их формирования те же
математические операции, что и для моделей ПрО, где в качестве проекции
универсальных сущностей на те или другие ПрО выступают элементарные
объекты определенного типа.
Для формирования комплексной модели универсальной сущности Ресурс,
который хранится на сервере Центра МК, достаточно выполнить операцию
объединения универсальных сущностей над моделями этой универсальной
сущности, которые хранятся на серверах соответствующих служб, связанных с
Центром МК (рис. 3).
Этот подход, в свою очередь, позволяет сформировать универсальную
сущность Ресурс как для отдельно взятого Регионального Центра МК, так и
спроецировать ее на любую реально возникшую ЧС или катастрофу.
Очевидно, что по мере накопления информации о ЧС (которые
произошли и которые прогнозируются) будет возрастать количество проекций
универсальных сущностей ЧС и Ресурс. Причем каждая проекция последней
сущности будет иметь вид, представленный на рис. 3.
261

Автопредприятие №121
Авиапредприятие №1
Ресурс
O a 1 a k
o 1 (Автотранспорт) 1 1
o 4 (Спецтехника) 1
Ресурс
O a 1 a s
o 4 (Спецтехника) 1
o 5 (Авиатранспорт) 1 1
МКБ №2
СШМД №4
Ресурс
O a 1 a m
o 1 (Автотранспорт) 1 1
o 2 (Медперсонал) 1
o n (Спецоборудование) 1 1
Ресурс
O a 1 a m
o 1 (Автотранспорт) 1 1
o 2 (Медперсонал) 1
o n (Спецоборудование) 1 1
Ресурс
O a 1 a k a m a s
o 1 (Автотранспорт) 1 1 1
o 2 (Медперсонал) 1
o 4 (Спецтехника) 1
o 5 (Авиатранспорт) 1 1
o n (Спецоборудование) 1 1
Рис. 3. Модель универсальной сущности Ресурс, которая формируется путем
объединения моделей подобластей, которые представлены на серверах служб
В результате метамодель
универсальной сущности Ресурс,
который будет храниться на сервере
Центра МК, примет трехмерный вид,
как показано на рис. 4, где A — все
множество атрибутов универсальной
сущности, O — множество проекций
элементарных сущностей
(элементарных объектов), D —
множество предметных областей
катастроф.
O
D
Рис. 4. Метамодель универсальной
сущности Ресурс с учетом проекций на
ПрО ЧС
Любое сечение такой структуры перпендикулярное как оси A, так и оси
D, является матрицей инцидентности [1]. Очевидно, что конкретные
экземпляры проекций универсальной сущности на конкретную ПрО составят
A
262

четвертое измерение.
На универсальную сущность Ресурс, сформированную таким образом,
будет ссылаться универсальная сущность Чрезвычайная Ситуация или
Катастрофа. Каждый экземпляр этой универсальной сущности описывает
масштабы (временные и пространственные) ЧС, которая произошла,
задействованные на тот момент ресурсы службы МК и соотносит это с
отраслевой или региональной ПрО.
Оценка эффективности решений при управлении службой медицины
катастроф
Для формирования или выделения ПрО, соответствующей той или иной
ЧС, определения проекций сущностей Катастрофа и/или Потенциальный
Источник ЧС возможно использование методики интеллектуального анализа
данных, предложенной в работе [3]. Методика и, соответственно, система,
предложенная в этой работе, позволяет определить границы ПрО на основании
семантической информации, хранимой на сервере Управления по ЧС, или
данных, поступающих в оперативном режиме из района катастрофы. Сегодня
при решении задач МК сбор и обработка необходимой информации
осуществляется вручную, и на подобные действия идет от нескольких часов до
суток.
При использовании автоматизированной системы, в основу которой
заложены предлагаемые методы представления и обработки информации, сбор,
структурирование и представление в необходимом для анализе виде этой
информации осуществляется за период от нескольких минут до десятков минут,
в зависимости от количества источников подобной информации и качества
каналов передачи данных. Наиболее существенными в этом случае являются
два момента:
— информация от источников поступает актуализированная;
— информация представлена в виде, удобном для анализа со стороны
лица, которое принимает решение.
В области медицины катастроф эффективность или качество решений K,
которые принимаются ответственными лицами в момент времени t, состоит из
эффективности использования ресурсов (человеческих, медицинских,
транспортных и т.п.), что должно приводить к максимально возможному
снижению уровня отрицательных медицинских последствий ЧС (травм,
заболеваний, летальных исходов и т.п.).
m
ж
Si
ц
з е
r ў
i ( t)
− r
ч
i
1 N i 1
0 N =
,
−
K( t) = e e
з
+ g100%
ч
2 и m
ш
где rў i ( t ) — количество ресурсов i-го типа, запланированных для
ликвидации медицинских последствий ЧС в момент времени t; r i — количество
ресурсов i-го типа, реально использованных или необходимых для ликвидации
S = 0,1 — вес (важность) ресурсов i-го типа
медицинских последствий ЧС; [ ]
i
263

для ликвидации медицинских последствий ЧС; m — количество типов ресурсов
службы МК; N
0 — количество отрицательных медицинских последствий в
момент возникновения ЧС; N — общее количество отрицательных
медицинских последствий ЧС.
Выводы
Очевидно, что достичь идеального стопроцентного качества решения
любых управленческих задач, в том числе, и задач медицины катастроф не
возможно. При использовании только оперативных баз данных или, вообще,
„ручного“ режима эффективность решений зависит от масштаба ЧС и времени,
которое есть для принятия этих решений. Чем больше этого времени, тем их
качество выше, хотя не является нулевым даже в момент возникновения
катастрофы и зависит от опыта ответственных лиц. Использование же системы
организационного управления службой МК, которая базируется на ИХ только
одного локального уровня или ИХ двух, локального и регионального, или же
трех, еще и государственного, уровней, позволяет формировать более
качественные решения, начиная с момента возникновения ЧС, и практически не
зависит от времени.
Список литературы: 1. Малахов Е.В. Представление объектов во множестве предметных
областей [текст] // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – Харьков, 2006. –
Вып. 2/2(20). – С. 20 – 23. 2. Малахов Е.В. Информационно-графическая поддержка службы
медицины катастроф [текст] / Е.В. Малахов, М.И. Лысенко // Материалы международной
конференции „Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация последствий“. –
Харьков: ИРЭ НАН Украины, 2000. – С. 109 – 114. 3. Бондаренко М.Ф. Про розробку
інтелектуальної системи аналізу сховищ текстових документів [текст] / М.Ф. Бондаренко,
К.О. Соловйова, Ю.М. Кравець, Р.Б. Кравець // Східно-європейський журнал передових
технологій. – Харків, 2005. – Вип. 4/2(16). – С. 90 – 92. 4. Малахов Е.В. Манипулирование
метамоделями предметных областей [текст] // Восточно-европейский журнал передовых
технологий. – Харьков, 2007. – Вып. 5/3(29). – С. 6 – 10. 5. Малахов Е.В. Расширение
операций над метамоделями предметных областей с учётом массовых проблем [текст] //
Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2010. - Вып. 5/2(47). - С.20-
24. 6. Малахов Е.В. Элементарные объекты как базис объектных ядер предметных областей
[текст] / Е.В. Малахов, В.М. Тонконогий // Електротехнічні та комп’ютерні системи. – К.:
„Техніка“, 2010. – № 01 (77). – С. 139 – 141.
Поступила в редколлегию 24.11.2010
УДК 004.94: 303.732.4
Ю.В. ПАРФЕНЕНКО, аспірант, СумДУ, м. Суми
В.Г. НЕНЯ, канд. техн. наук, доцент, СумДУ, м. Суми
О.І. ПОНОМАРЕНКО, студ., СумДУ, м. Суми
АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ СИСТЕМИ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ
ЯК ОБ’ЄКТА УПРАВЛІННЯ
Стаття присвячена системному аналізу системи теплопостачання міста. Побудовано
функціональну модель системи у вигляді IDEF-діаграм, які показують її структуру та
інформаційні потоки.
Ключові слова: системний аналіз, структура, функціонування, теплопостачання.
264

Статья посвящена системному анализу системы теплоснабжения города. Построена
функциональная модель системы в виде IDEF-диаграмм, описывающих ее структуру и
информационные потоки.
Ключевые слова: системный анализ, структура, функционирование, теплостабжение.
The article is devoted to system analysis of heat supply system in the city. The functional model of
the system is presented in a kind of IDEF-diagrams, which describes its structure and streams of
information.
Key words: system analysis, structure, functioning, heat supply.
1. Вступ
На сьогоднішній день централізоване теплопостачання є основним
механізмом забезпечення населення і промислових об’єктів послугами
опалення та гарячої води. Основними його перевагами є можливість
використання комбінованих видів палива, в тому числі й альтернативних,
зменшення рівня забрудненості атмосфери, висока енергоефективність та
рентабельність [1]. Таким чином, системи централізованого теплопостачання
визначають стратегічний напрямок розвитку теплоенергетики нашої країни, а
тому їх дослідження є актуальним для сьогодення.
2. Постановка проблеми й аналіз попередніх досліджень
Не зважаючи на те, що галузь комунальної теплоенергетики відіграє
важливу роль в соціально-економічному житті країни, вона залишається однією
з проблемних. Постійне підвищення тарифів на первинні енергоносії вимагає їх
раціонального використання. Теплові мережі потребують модернізації з
використанням сучасних теплоізолюючих матеріалів. Окремим питанням є
гарантування того, що споживач одержує необхідну кількість теплової енергії
[2,3]. Таким чином прийняття зважених управлінських рішень можливе лише
при комплексному врахуванні усіх аспектів централізованого теплопостачання,
а це вимагає проведення системних досліджень у даній галузі.
Дослідження функціонування системи теплопостачання при її
інформаційному моделюванні з метою виявлення шляхів управління має
враховувати тісний взаємозв’язок технічних, економічних та соціальних
факторів впливу на систему. Аналіз літературних джерел показав, що при
вирішенні цієї задачі доцільно застосовувати методологію системного аналізу.
Основи реалізації системного підходу при дослідженні енергетичних систем
закладено в роботі [4]. Системні дослідження розглядаються як продуктивна
наукова методологія дослідження складних систем [5, 6]. Стосовно галузі
теплопостачання проведення системного аналізу має на меті одерження більш
точних моделей функціонування систем теплопостачання а також визначення,
які множини даних найбільш повно визначають інформаційну модель системи
теплопостачання та забезпечують процедуру прийняття рішень з метою
оптимального управління.
3. Мета статті
Метою даної статті є вивчення функціонування системи теплопостачання
та складу задач її моделювання з використанням методології системного
аналізу IDEF 0, а також CASE-інструментарію.
265

4. Матеріали та результати досліджень
Об’єктом дослідження є помірно централізована система теплопостачання
міста у двотрубному виконанні. Згідно з класифікацією [7] вона є штучною
складною, динамічною, закритою системою з можливістю управління.
У загальному випадку систему теплопостачання S з точки зору її
функціонування будемо розглядати у вигляді кортежа S=. Вхідні
параметри системи в узагальненому вигляді можна представити як вектор
X=(x 1 , x 2 , x 3 ,…, x i ,…x n ), де x i – окремо взятий ресурс. Вектор вихідних
параметрів Y складається з елементів, які відповідають реалізації мети
функціонування системи: забезпечення послугами опалення та гарячого
водопостачання. Відношення R∈ X×Y характеризує взаємозв’язок між вхідними
та вихідними елементами системи.
В якості методики дослідження функціонування системи теплопостачання
обрано методологію IDEF 0, яка застосовується для представлення структури
системи, її основних функцій, а також інформаційних потоків, що забезпечують
реалізацію даних функцій [8].
На рис. 1 зображено
контекстну діаграму системи
теплопостачання на рівні Місто, яка
у загальному вигляді характеризує
зв’язки системи із зовнішнім
середовищем.
Як правило, послуги з
теплопостачання надаються
декількома підприємствами
Рис. 1. Модель системи теплопостачання
в IDEF нотації
комунальної теплоенергетики, які обслуговують власні ТЕЦ або котельні.
Таким чином подальше дослідження системи передбачає декомпозицію до
рівнів Підприємство теплопостачання та Котельна, на яких ресурси, затрати
розподіляються у відповідності до того, які кількісні значення необхідно
отримати на виході.
Будь-яка система
телопостачання на рівні
Котельна складається з
підсистем виробництва,
транспортування, розподілу
та споживання теплової
енергії (рис. 2).
Рис. 2. Функціональна структура системи
теплопостачання в загальному вигляді
Так як підсистеми транспортування та розподілу теплової енергії
теплоносія взаємопов’язані та виконують роль зв’язуючої ланки між
виробництвом та споживанням тепла, пропонуємо об’єднати їх в єдину систему
транспортування й розподілу тепла (СТРТ), основною функцією якої є
забезпечення розподілу загальної кількості виробленої теплової енергії між
кінцевими споживачами в необхідній кількості та її транспортування з
мінімальними втратами. СТРТ має складну функціональну структуру [рис.3].
266

Процес
функціонування
СТРТ можна
розглядати як
транспортування
теплоносія із
одночасними
втратами теплової
енергії у
навколишнє
середовище;
розподіл
Рис. 3. Функціональна структура СТРТ теплоносія на
декілька потоків; забезпечення споживачів необхідною для підтримання
нормативної температури в приміщенні кількістю теплової енергії; виділення
певної кількості теплової енергії на гаряче водопостачання.
В якості основних параметрів, що описують функціонування СТРТ,
виберемо температуру t та тиск p в мережі. В загальному випадку течія
теплоносія в гідравлічній мережі є неізотермічною [9], тобто параметри
функціонування регулюються самим потокорозподілом, тому будемо
розглядати СТРТ як систему з розподіленими параметрами.
Основними змінними системи є два вектори: вектор тисків p=(p 1 , p 2 , .p 3 ,…,
p i , …p n ), та вектор температур t=(t 1 , t 2 , .t 3 ,…, t i , …t n ) де p i та t i – значення тиску
та температури у i- й точці мережі відповідно.
Значення параметрів описуються у вигляді функцій p i =f(x i ,t i ,l i ) та
t i =f(x i ,t i ,l i ), де х – витрати на елементарній ділянці, l – її довжина. Зміну
параметрів стану теплоносія вздовж певної ділянки мережі визначаємо
інтегруванням. Таким чином проводиться аналіз функціонування СТРТ.
В досліджуваній сиcтемі в якості теплоносія виступає вода. При
проходженні через трубопровідну ділянку параметри теплоносія змінюються
внаслідок втрат теплової енергії через бокову поверхню трубопроводу. Це є
результатом взаємодії системи із зовнішнім середовищем. Таким чином
температура теплоносія зменшується. В існуючих на сьогодні інформаційних
системах розрахунки проводяться на усереднене значення температури
теплоносія. Проте таке моделювання роботи систем теплопостачання не є
точним, тому необхідно проводити аналіз функціонування СТРТ з урахуванням
того, що температура теплоносія уздовж трубопроводів змінюється. Якщо
врахувати розгалудженість системи, в результаті моделювання одержимо більш
точні показники.
Висновки
Проведений системний аналіз системи теплопостачання населеного
пункту дозволив виділити систему транспортування та розподілу теплоносія як
головну з точки зору функціональності підсистему. Для аналізу й керування
СТРТ необхідно проведення теплогідравлічних розрахунків. Вони дають
267

інформацію про розподіл теплоносія, формуючи дані щодо якості
теплозабезпечення споживачів, на основі яких можна приймати рішення щодо
керування СТРТ.
Список літератури: 1. Єнін П.М. Теплопостачання (Частина I «Теплові мережі та споруди»)
: навчальний посібник / П.М. Єнін, Н.А. Швачко. – К. : Кондор, 2007. – 244с. 2. Закон
України “Про теплопостачання” // Офіційний вістник України.– 2005. – № 27 – С. 11. 3.
Сергієнко В.В. Захист прав споживачів у сфері надання житлово-комунальних послуг
[Електронний ресурс] / В.В. Сергієнко // Актуальні питання цивільного та господарського
права. – 2007. – №1. – Режим доступу: http://www.journal.yurpayintel.com.ua/69/print/. – Назва
з екрану. 4. Мелентьев Л. А. Системные исследования в энергетике / Л.А. Мелентьев. – М.:
Наука, 1979. 415 с. 5. Исследование систем теплоснабжения / [Попырин Л.С., Светлов К.С.,
Беляева Г.М. и др.] ; под ред. Л.С. Попырина. – М. : Наука, 1989. – 215с. 6. Романов В.Н.
Системный анализ для инженеров: Монография. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2005. - 186 с. 7.
Чернышов В.Н. Теория систем и системный анализ : учеб. пособие / В.Н. Чернышов, А.В.
Чернышов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 96 с. 8. Christopher Menzel. The
IDEF Family of Languages / Christopher Menzel, Richard J. Mayer // Handbook on Architectures
of Information Systems. – Berlin, 2006. – Pp. 215 – 249. 9. Меренков А.П. Теория
гидравлических цепей / А.П. Меренков, В.Я. Хасилев. – М. : Наука, 1985. – 235 с.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 519.68:65.01
Б.Б. СТЕЛЮК, канд. техн. наук, доцент, НМетАУ, г. Днепропетровск
И.М.ЧЕРНЯВСКАЯ, ассистент, ДГТУ, г. Днепродзержинск
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ
ПРЕДПРИЯТИЕМ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА
Исследовано направление совершенствования управления организационными изменениями
на основе системного подхода. Сформулированы основные положения и следствия из
данного подхода. Разработана общая схема применения системного подхода к
совершенствованию управления организационными изменениями.
Ключевые слова: организация, система, социальная, техническая, изменения, схема, проекты.
Досліджено напрямок виявлення шляхів змін в організації на основі системного підходу.
Сформульовані основні положення і наслідки з даного підходу. Розроблена загальна схема
застосування системного підходу до вдосконалення управління організаційними змінами.
Ключові слова: організація, система, соціальна, технічна, зміни, схема, проекти.
The direction of identifying the ways of changes to the organization, considered as a systematic
approach is researched. The basic provisions and consequences of this approach have been
formulated. A general scheme of application of the system approach to the improvement of the
management of organizational change has been developed.
Key words: organization, system, social, technical, changes, scheme, projects.
1. Введение и общая постановка проблемы
В современных условиях хозяйствования экономическое процветание
многих отечественных предприятий зависит от способности топ-менеджмента
понять и учесть особенности этих самых условий, максимально возможно
оптимизировав деятельность организации. Решение задачи дальнейшего
укрепления рыночных позиций предприятия требует от аналитиков изучения
268

факторов внутренней среды (ВНС), определяющих экономическую
эффективность организации, и приведения их в соответствие с требованиями
текущей ситуации. Эффективность же организации во многом определяется
слаженностью роботы организационного механизма «техника – люди», что
делает этот механизм (и организацию в целом) в какой-то степени похожей на
живой организм. Данный аспект, известный из теории организации, изучен
недостаточно как в отечественных исследованиях, так и в работах зарубежных
(как ближнего, так и дальнего зарубежья) авторов [1-4]. В месте с тем,
понимание особенностей функционирования такой «живой» социотехнической
системы может помочь найти ответы на вопросы в каком направлении искать
пути организационных изменений для повышения эффективности управления
предприятием.
2. Постановка задачи
Целью данной статьи является исследование применения системного
подхода к организации для выявления особенностей функционирования ее
механизмов (в т.ч. проектного подхода) и обозначения контуров решения
задачи по совершенствованию управления организационным развитием и
изменениями, учитывающими взаимосвязь и взаимозависимость социальной и
технической систем предприятия.
3. Изложение основного материала исследования
Один из путей понимания того, в каком направлении необходимо искать
изменения факторов внутренней среды организации, следует из второго
положения системного подхода к организации, согласно которому любая
организация является открытой сложной социально-технической системой,
обслуживающей окружающую среду путем преобразования так называемых
«входов» в «выходы». Схему системного подхода в этом случае можно
изобразить в виде, представленном на рисунке 1, из которого следует, что
экономически успешно работающая организация должна удовлетворять двум
условиям:
1. организация должна соответствовать внешней среде (ВС);
2. техническая и социальная системы должны соответствовать друг
другу.
Рис. 1. Схема системного подхода к
организации: 1 – входы; 2 – выходы; →
воздействия
Понимание направления
выполнения второго условия
становится возможным на
основе «биологического
подхода» к организации,
получившего в последнее
время, определенное
распространение [2,5],
основной постулат которого:
предприятие подобно живому
существу.
269

Первое следствие, исходящее из такого подхода, состоит в том, что так
же как и в живом существе со временем происходят изменения, так и любая
организация спонтанно (без всякого вмешательства) меняется, что связано, в
первую очередь, с человеческим фактором. Эти изменения часто носят
негативный характер – эффективность функционирования социальнотехнической
системы (а значит и всей организации) падает. Вторым следствием
биологического подхода к организации является то, что организации (так же
как и живые существа) «стареют». «Старение» в организации проявляется в
повышенной склонности к нежеланию организационных изменений (ОИ). В
результате организация превращается в закрытую систему. Она сама себя
изолирует, недостаточно или совсем не воспринимает происходящие в ВС
тенденции и явления, теряет способность адаптироваться к среде. Такая
трактовка происходящих в организации процессов и явлений позволяет
обозначить контуры направлений, в которых следует осуществлять ОИ –
необходимо привести социальную и техническую системы в соответствие друг
с другом в контексте взаимоотношения организаций с ВС.
В процессе анализа следует получить ответ на три вопроса. Что
эволюционизирует По какой причине В каком направлении
Большинство известных к настоящему времени исследований по теории
организации [3-4] рассматривают в основном эволюцию социальнотехнической
системы в связи с изменением организационной культуры в
контексте «жизненного цикла организации» (ЖЦО), не уделяя достаточно
внимания связи «техническая система – социальная система». Такое
рассмотрение только части внутренней среды организации, с одной стороны,
сужает сферу исследования, а с другой – не позволяет в полной мере
реализовать системный подход к организации.
Метод решения рассматриваемой задачи может быть представлен схемой,
изображенной на рисунке 2.
В первую очередь следует
идентифицировать социальную
и техническую системы, то есть
определить все их
составляющие и выделить те их
элементы, которые оказывают
влияние на качество
функционирования социальнотехнической
системы и всей
организации в целом.
Далее необходимо
выполнить ситуационный
анализ степени соответствия
компонентов социальной и
технической системы друг
другу.
Рис. 2. Общая схема применения системного
подхода к совершенствованию управления
изменениями в организации
270

Следующий этап – определение наиболее важных сочетаний ключевых
пар элементов обеих систем, оказывающих влияние на эффективность
социально-технической системы.
На основании проведенного анализа определяются проекты
организационных изменений, приводящих в соответствие рассматриваемые
системы.
Детализация рассмотренного алгоритма должна быть направлена на:
классификацию социальной и технической систем; разработку метода
ситуационного анализа, применительно к рассматриваемой в настоящей работе
задаче; разработку методики выявления степени соответствия элементов
рассматриваемых систем и направлений организационных изменений;
разработку портфеля проектов организации.
4. Выводы
В результате применения системного подхода к деятельности
организации разработана методология анализа предприятия как основа
совершенствования системы управления организационными изменениями,
преимущественно инновационными. В том числе выявлены связанные с
рассогласованием социальной и технической систем особенности и причины
снижения эффективности организации. Предложена методология решения
задачи приведения в соответствие социальной и технической систем
организации, и обозначены основные контуры ее реализации.
Список литературы: 1. Мескон М.К., Альберт М.А., Хедоури Ф. Основы менеджмента. – М.:
«Дело», 1992. – 702 с. 2. Хмелькова Н.В., Попов Е.О. О жизненном цикле внутренней среды
организации. / Менеджмент в России и за рубежом. – 2004. – №1. – С.119-126. 3. Попов Е.В.,
Хмелькова Н.В. Эволюционная теория предприятия. – Екатеринбург, 2002. – 318 с. 4.
Управление развитием и изменениями. Хрестоматия управления изменениями / Под ред.
Жуковского. – М.: МЦДО «Линк», 1996. 5. Морозов Ю.Д. Стелюк Б.Б. Современный научный
вестник. Серия: Экономика, Государственное управление, Право, № 23 (79), 2009 – С. 65-75.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
УДК 621.51: 681.5.015
Е.М.КУЛИНИЧ, ст. препод, ЗНТУ г. Запорожье
В.В. ЗИНОВКИН докт. техн. наук, профессор, ЗНТУ г. Запорожье
Ю.А. КРИСАН, канд. техн. наук, доцент, ЗНТУ г. Запорожье
С.И. АРСЕНЬЕВА, канд. физ.-мат. наук, доцент, ЗНТУ г. Запорожье
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫМ ДОЗИРОВАНИЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ
ГАЗОБЕТОНА
Предложены математическая и компьютерная модели системы автоматизированного
управления многокомпонентным дозированием многопараметрического процесса
приготовления газобетона. Проведено моделирование многокомпонентного процесса
дозирования жидких составляющих газобетона.
271

Ключевые слова: многопараметрическая, система управления, моделирование,
технологический процесс, газобетон
Запропоновані математична і комп'ютерна моделі системи автоматизованого керування
багатомпонентним дозуванням багатопараметричного процесу приготування газобетону.
Проведено моделювання багатомпонентного процесу дозування рідких складових
газобетону.
Ключові слова: багатопараметрична, система керування моделювання, технологічний
процес, газобетон
The mathematical and computer models of the system of the automated control the multicomponents
dosage of multiparametric process of aircrete preparation are offered. The modeling
of multi-components process of dosage of liquid constituents of aircrete is conducted.
Key words: Multiparameter, a control system, modeling, technological process, aircrete
1. Введение. Технологические линии производства газобетонов, как
объект автоматизированного управления, являются многомерным, с
линейными и нелинейными взаимосвязями между параметрами различной
физической природы. Для достижения более эффективного управления
многопараметрическим технологическим процессом приготовления
газобетонов необходимо учитывать возможные несогласованности между
каналами управления процессом дозирования, которые могут приводить к
вынужденным простоям, холостой работе исполнительных механизмов,
несоблюдению качества выпускаемой продукции и аварийным ситуациям.
Поэтому необходимо исследовать влияние различных режимов на динамику
процесса дозирования [1]. Для повышения эффективности работы такой линии
используется интегральный критерий оптимальности системы
автоматизированного управления. Его сущность состоит в том, что управление
осуществляется по трем обобщённым параметрам. Каждый такой параметр
состоит из совокупности сигналов одноименной физической природы и их
соответствующего количества [1,2]. Такой методологический подход
использовался в системе многопараметрического автоматизированного
управления многокомпонентного дозирования технологической линии
приготовления газобетона [3,4].
2. Целью настоящей работы является разработка математической и
компьютерной моделей системы автоматизированного управления
дозированием жидких компонент смесей многопараметрического процесса
приготовления газобетона.
3. Математическая модель эффективного управления технологическим
процессом приготовления газобетона должна удовлетворять условиям
оптимального сочетания совокупности параметров, участвующих в управлении
этим техпроцессом. При этом обобщенный критерий оптимальности должен
удовлетворять следующему интегральному функционалу [1,2]:
t2
ξ ( x,
t)
=
∫
ζ ( x,
t)
⋅ q(
õ,
t)
⋅ ρ ( õ,
t)
dt , (1)
t
1
272

q(
õ,
t)
N
∑
где ζ ( x,
t)
= α i ( t)
- совокупность сигналов управления;
M
∑
j−1
i−1
= γ j ( t)
- контролируемые параметры; ρ ( õ,
t)
= χ k ( t)
- совокупность
сигналов состояния исполнительных механизмов; х - параметр, зависящий от
состояния техпроцесса.
Оптимизационный программно-аналитический поиск наиболее
эффективного управления технологической линии приготовления газобетона
осуществляем по трём обобщённым параметрам. Такими обобщёнными
параметрами является непосредственно управляющие воздействия на
соответствующие исполнительные механизмы, сигналы, характеризующие
состояние технологического процесса и оборудования (контролирующие
параметры), а также совокупность сигналов от исполнительных механизмов.
Такой методологический подход использовался в системе
многопараметрического автоматизированного управления
многокомпонентного дозирования технологической линии приготовления
газобетона [3,4]. Эффективность достижения оптимального управления зависит
от степени согласованности соответствующих параметров, точностных
характеристик датчиков, инерционности исполнительных механизмов, учёта
параметров потока материалов.
Процесс дозирования является одним из самых определяющих для
эффективности производства и качества конечной продукции. При
производстве газобетонов используется способ весового дозирования жидких
компонент. На практике используется процесс либо многокомпонентного
дозирования (в один общий дозатор несколько компонент), либо
однокомпонентного дозирования (в отдельный дозатор один компонент). В
данной статье рассмотрим управление многопараметрическим процессом
многокомпонентного дозирования жидких компонент на примере дозатора
шламов. В технологической линии этот дозатор используется для дозирования
трёх компонент: песчаного и возвратного шламов и воды обмыва. Внешний вид
расположения исполнительных механизмов дозатора, а также каналы
управления и сбора контролируемых параметров показаны на рис.1.
Рис. 1. Общий вид многокомпонентного
273
K
∑
k −1
Здесь приняты следующие
обозначения основных элементов
системы техпроцесса:
трёхпозиционные заслонки (1,2,3);
выходная двухпозиционная
поворотная заслонка (4); бункер
дозатора (5); тензометрические
датчики с узлами встройки (6);
контроллер управления (7);
устройство операторного контроля
(8).
Компоненты дозируются
поочерёдно: обычно сначала

дозатора шламов технологической линии
приготовления газобетона и взаимосвязей
с ПЛК многопараметрической системы
управления
песчаный, затем возвратный шлам,
после этого дозируется вода
обмыва. Каждый компонент
дозируется своей трёхпозиционной
заслонкой из соответствующей расходной ёмкости. Они образуют один канал
потока компонентов газобетонной смеси.
Применительно к решаемой задаче необходимым условием является
использование текущей информации о динамике наполнения дозатора
компонентами газобетонных смесей. Оценка количества жидких компонент
смеси в дозаторе осуществляется по весовым показателям. Для измерения веса
используются тензометрические датчики (см. поз.6).
3. Структурно-логическая схема многокомпонентного дозатора
технологического процесса приготовления газобетона показана на рис.2, где
согласно изменёной математической модели управления электроприводом
однокомпонентного дозатора [4] приведены уточнённые структурнологические
схемы моделей ПЛК и многокомпонентного дозатора
технологической линии приготовления газобетона. Математическая модель и
структурная схема дозатора шлама отличается от структурной схемы дозатора
сухих [4] наличием только одного вида исполнительных механизмов для
набора компонент – трехпозиционных заслонок набора и количеством
дозируемых компонент. Таким образом управляющие воздействия
выполняются только дискретными сигналами Q N (t)
. Назначение и функции
блоков соответствуют описанным в [4] блокам к структурно-логической схеме
дозатора сухих компонент.
Рис. 2. Структурно-логическая схема математической модели
многокомпонентного дозирования технологической линии
Структурно-логическая схема отображает последовательность
преобразований физической переменной потока компонентов газобетонной
274

смеси в вес компонентов в дозаторе и суммарного веса дозатора в сигнал
обратной связи, который поступает, для дальнейшего анализа, в блок ПЛК.
На рис.2 приняты следующие обозначения: «ПЛК»- программируемый
логический контроллер осуществляет анализ технологической информации с
учетом обратных связей (в частности, сигналов о суммарном весе дозатора) и
формирует сигналы оптимального, для данного временного интервала,
управления режимами работы исполнительных механизмов;
«Заслонка»- отображают зависимость пропускной способности
трёхпозиционных заслонок от динамики и режимов работы
электропневмоклапанов и пневмоцилиндров поворотных трёхпозиционных
заслонок; блоки «Емкость» формируют сигнал потока дозируемого компонента
из расходной емкости (бункера) на основании пропускной способности и
состояния двухпозиционной заслонки на выходе технологической расходной
ёмкости и плотности дозируемого компонента; «Дозатор» интегрирует
поступающие потоки дозируемых компонентов и формирует сигнал обратной
связи U ос
(t)
, пропорциональный суммарной массе компонентов в дозаторе:
t
3 2 2
3
G( t) = G + F ( t, q) dt F ( t, q) dt Ч m − g m ( t) g Чm g , =
доз i вы гр до з i вы гр
i = 1 t
t
i 1
1 1
t
е т т (2)
где q - параметр, характеризующий особенности системы управления,
использующихся управляющих и исполнительных устройств и механизмов, i -
определяется количеством дозируемых компонентов в один дозатор, α - угол
открытия заслонки, а F ( t,
q i
) - поток соответствующего компонента, зависящий
от пропускной способности заслонки, пропорциональной приведённой площади
открытия заслонки - S i ( t,
q,
α ) и плотности дозируемого компонента - ρ
i
Fi
( t,
q)
= Si
( t,
q,
α ) ⋅ ρ i ⋅ Qi
( t)
(3)
Масса компонента в дозаторе m плюс масса пустого дозатора m
доз
создают усилие P , пропорциональное весу дозатора с компонентами
газобетонной смеси G (t)
. Под воздействием этого усилия происходит
деформация θ (t)
механической части системы тензодатчиков и генерируется
сигнал обратной связи U ос
(t)
.
4. Компьютерная модель многопараметрической системы
дозирования, основанная на математических моделях [1,2], была построена в
редакторе Simulink пакета Matlab. При этом работа ПЛК была симулирована в
связке пакетов фирмы Siemens: PlcSim, Step-7 и WinCC Flexible. Реализация
компьютерной модели дозатора технологической линии приготовления
газобетона для дозирования двух компонент, основанная на структурнологической
схеме рис.2, показана на рис.3. Она построена в редакторе
Simulink пакета Matlab. В данной модели описывается изменения потока
компонентов газобетонной смеси и контролируемого параметра веса дозатора
G (t) в функции управляющих параметров системы управления, определяемых
программой управления ПЛК.
275

Рис. 3. Структурно-логическая схема компьютерной модели
многокомпонентного дозатора газобетонной смеси технологической линии
Данная схема позволяет моделировать динамические режимы системы
управления и техпроцесса. На ней отработаны режимы при дозировке
последовательно сначала 200 кг прямого шлама, а затем 180 кг обратного
шлама, после выгрузки шламов – набор и выгрузка 180 кг воды обмыва.
Результаты моделирования
показаны на рис.4, где графики а, в и е
( Q 1(
t),
Q2(
t),
Q3(
t)
) - дискретные
сигналы управления заслонками для
грубого дозирования соответственно
прямого , обратного шламов и воды
обмыва; б, г и ж ( Q 1'
( t),
Q2'
( t),
Q3'
( t)
)
- дискретные сигналы управления
заслонками для точного дозирования
соответственно прямого , обратного
шламов и воды обмыва; з) G(t)
-
текущее значение веса дозатора (на
рис.4 этот сигнал подается на вход
контроллера IW322). В процессе
моделирования, путем изменения
сигналов управления ПЛК,
осуществлялось грубое и точное
регулирование дозирования
компонент.
Рис.4 Результаты моделирования
динамических режимов дозатора
5. Сопоставительный анализ результатов исследований показал, что
при изменении режимов дозирования наблюдается инерционность работы
исполнительных механизмов, обусловленное особенностям их динамических
276

характеристик, а также особенностями протекания техпроцесса. В связи с этим
весовые показатели сухих компонент в дозаторе изменяются с задержкой до
0,5с относительно подачи сигналов управления исполнительными
механизмами. После стабилизации режимов работы исполнительных
механизмов процесс заполнения дозатора жидкими компонентами смеси
газобетона возрастает по линейному закону до момента наполнения. После
отключения исполнительных механизмов в течение приблизительно 0,5с имеет
место стабилизация веса дозатора, сопровождаемая некоторым
перерегулированием значения веса, которое стабилизируется на меньшем
значении. Это соответствует реальной картине набора, т.к. по окончании
набора еще действует кинетическая энергия падающего в дозатор компонента
смеси. Кроме того плотность шламов выше плотности воды, поэтому эти
перерегулирования более выражены на этапе дозирования шламов. Эти
перерегулирования носят систематический характер и зависят от плотности
материалов, высоты падения и равномерности потока дозируемого материала.
Снижение влияния перерегулирования на точность дозирования производится
программным путём с помощью введения самонастраивающейся системы
коррекции упреждения работы исполнительных механизмов. Как видно на
рис.4з, промоделированная система дозирования обеспечила отработку задания
(набор 200 кг прямого и 180 кг обратного шламов, а затем 180кг воды) с
точностью до 1%. Приведённые результаты согласуются с
экспериментальными данными с достаточной для инженерных задач
точностью.
6. Выводы. 1. Разработаны математическая и компьютерная модели
автоматизированного управления многокомпонентным дозированием
составляющих газобетонных смесей многопараметрической технологической
линии приготовления газобетона. 2. Предложенная методика моделирования
многопараметрического технологического процесса в среде Simulink пакета
Matlab совместно с симуляцией работы системы управления на базе ПЛК и
пакетов фирмы Siemens (PlcSim, Step-7 и WinCC Flexible) позволяет
разработать инженерные методы снижения простоев исполнительных
механизмов и повысить эффективность технологической линии.
Список литературы: 1. Зиновкин В.В. Многопараметрическая система
автоматизированного управления технологическим процессом приготовления газобетона /
Зиновкин В.В., Кулинич Э.М. // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2009.-
№3/3(39).- С. 38-43. 2. Зиновкин В. В. Многокритериальная автоматизированная система
управления технологическим процессом приготовления газобетона / В. В. Зиновкин, Э. М.
Кулинич // ISDMCI-2009 : міжнар. конф., 19-22травня 2009 р. : тези докл. -Євпаторія, 2009. -
Т. 2. - С. 608-611. 3. Зиновкин В. В. Моделирование процесса утилизации отходов в
технологии производства газобетона / В. В. Зиновкин , Э.М. Кулинич // Стратегія якості у
промисловості і освіті : міжнар. конф., 6-13 червня 2009р.: тези докл. - Варна, Болгарія,
2009. - Т. 2. - С. 176-179. 4. Зиновкин В.В. Моделирование автоматизированного
электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона / Зиновкин В.В.,
Кулинич Э.М. // Електротехніка та електроенергетика.- 2009. - №2.- С. 49-53.
Поступила в редколлегию 25.11.2010
277

УДК 663.44
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Ф.Ф.ГЛАДКИЙ, докт.тех.наук, проф., НТУ «ХПІ», м. Харків
Л.А ДАНИЛОВА, канд.техн.наук, доц., НТУ «ХПІ»
Т.О.БЕРЕЗКА, старш.викладач, НТУ «ХПІ»
О.М. ПІВЕНЬ, доцент, канд.техн.наук, НТУ «ХПІ»
В.А. ДОМАРЕЦЬКИЙ, докт.тех.наук, проф., НУХТ, м. Київ
ВИЗНАЧЕННЯ КІЛЬКОСТІ РОСЛИННИХ АНТИОКСИДАНТІВ
ДЛЯ ЗАХИСТУ ГІРКИХ ХМЕЛЕВИХ РЕЧОВИН ВІД
ОКИСНОЇ ДЕСТРУКЦІЇ
Досліджено кінетику окиснення гірких речовин водного розчину екстракту хмелю у
прискорених умовах з різною концентрацією антиоксидантів із рослинної сировини.
Визначено ефективну концентрацію антиоксидантів із кори дубу, трави звіробою та трави
м’яти.
Kinetics of bitter matters in aquatic solution of hope extract in speed-up terms with different
concentration of antioxidants from the digister are investigated. Certainly effective concentration of
antioxidants from the bark oak, st-john's-wort herbares and mint herbares are determinated.
Виробництво стабільного пива - найголовніша задача пивоварної галузі.
Стабільність пива— це умова, при якій у пиві протягом гарантійного терміну не
будуть відображатися небажані зміни фізичних, хімічних або органолептичних
властивостей. Формування якості готового продукту відбувається на всіх
стадіях виробництва пива. Стадія кип´ятіння сусла з хмелем супроводжується
важливими з технологічної точки зору фізичними і хімічними перетвореннями:
коагулювання білкових речовин, розчинення і перетворення хмельових
речовин, утворення редукуючих речовин.
Основним процесом, що відбувається під час кип’ятіння пивного сусла з
хмелем є екстрагування і перетворення гірких речовин. До 95% загальної
гіркоти пива обумовлено α-кислотами хмелю, які при кип’ятінні під впливом
кисню повітря перетворюються в ізомери α-кислот, що мають більшу
розчинність, ніж α-кислоти. Поряд з ізомеризацією частина ізо-α-кислот
окиснюється. Тривале кип’ятіння сусла з хмелем призводить до деструкції
гірких ізо-α-кислот і утворення гумулинових негірких кислот, які псують смак
пива.
Отже, характер, величина гіркоти і вихід гірких речовин здебільшого
визначаються впливом кисню у процесі кип’ятіння сусла з хмелем.
Мета дослідження - визначення кількості рослинних антиоксидантів для
захисту гірких хмелевих речовин від окисної деструкції
Дослідження, що проведені в роботі [1] підтвердили захисну дію
антиоксидантів із рослинної сировини від окислювальної деструкції ізо-αкислот.
Встановлено, що найбільш ефективними виявились антиоксиданти із
кори дуба і трави м’яти та звіробою.
278

Пивне сусло являє собою водний розчин. Тому кінетику окиснення
компонентів хмелевих смол вивчали на водному розчині СО 2 -екстракту хмелю
(0,01 г на 100 мл). У зв’язку з тим, що гіркість пива в основному обумовлена
ізо-α-кислотами, досліджували вплив антиоксидантів на кінетику окиснення
саме цих компонентів хмелевих смол у водному розчині СО 2 -екстракту хмелю.
З метою вибору ефективної дози були проведені експерименти по
окисненню водного розчину хмелевого екстракту з додаванням наступних
концентрацій антиоксидантів (у мг сухих речовин на 100 см 3 водного розчину
хмелевого екстракту): для кори дуба та трави звіробою - 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 50,0.
Додавання цих доз антиоксидантів не впливає на смак і аромат водного розчину
хмелевого екстракту.
Для антиоксиданту з трави м'яти
додавання 2-3 мг/100см3 не впливає на
смак і аромат. При подальшому
збільшенні дози антиоксиданту
проявляється смак і аромат м’яти.
Тому експерименти по окисненню
водного розчину хмелевого екстракту
у присутності антиоксиданту з трави
м’яти проводили при наступних
концентраціях: 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 10,0;
22,5; 30,0; 40,0; 50,0 мг сухих речовин
на 100см 3 . Графічні залежності вмісту
ізо-альфа-кислот (оптична густина) від
часу окиснення при різних
концентраціях антиоксидантів
представлено на рис.1-3
1 – без добавок; 2 – 2,0 мг/100
см 3 ; 3 – 3,0 мг/100 см 3 ; 4 – 4,0 мг/100
см 3 ; 5 – 5,0 мг/100 см 3 ; 6 – 50,0 мг/100
см 3 .
Рис.1 Кінетика окиснення гірких
речовин водного розчину екстракту
хмелю у прискорених умовах у
присутності антиоксиданту з кори
дуба
1 – без добавок; 2 – 2,0 мг/100 см 3 ; 3 –
3,0 мг/100 см 3 ; 4 – 4,0 мг/100 см 3 ; 5 –
5,0 мг/100 см 3 ; 6 – 50,0 мг/100 см 3 .
Рис.2 Кінетика окиснення гірких
речовин водного розчину екстракту
хмелю у прискорених умовах у
присутності антиоксиданту із трави
звіробою
Рис.3 Кінетика окиснення гірких
речовин водного розчину екстракту
хмелю у прискорених умовах у
присутності антиоксиданту із трави
м’яти: 1 – без добавок; 2 – 2,0 мг/100
см 3 ; 3 – 3,0 мг/100 см 3 ; 4 – 4,0 мг/100
см 3 ; 5 – 5,0 мг/100 см 3 ; 6 – 10,0 мг/100
см 3 ; 7 – 22,5 мг/100 см 3 ; 8 – 30,0 мг/100
см 3 ; 9 – 40,0 мг/100 см 3 ; 10 – 50,0
мг/100 см 3
279

Для кожного антиоксиданту за даними експериментів через 30 хвилин
окислювання розраховано залежності вмісту гірких речовин в од. ЕВС від
концентрації антиоксиданту. Дані наведено у табл. 1-2 і представлено графічні
залежності на рис.4.
Таблиця 1
Вміст гірких речовин у водному розчині екстракту хмелю через 30 хвилин
від початку окиснення в присутності різних доз антиоксиданту з кори
дуба та звіробою
Концентрація 0 2,0 3,0 4,0 5,0 50,0
мг/100 см 3
антиоксиданту,
Величина гіркоти, 15,8 18,8 25,5 25,8 26,5 27,8
од.ЕВС (кора дубу)
Величина гіркоти,
од.ЕВС (трава
звіробою)
15,8 22,5 25,6 26,8 28,5 29,0
Таблиця 2
Вміст гірких речовин у водному розчині екстракту хмелю через 30 хвилин
від початку окиснення в присутності різних доз антиоксиданту з листя
м'яти
Концентрація
антиоксиданту,
мг/100 см 3 0 2,0 3,0 4,0 5,0 10,0 22,5 30,0 40,0 50,0
Величина
гіркоти,
од.ЕВС
15,8 22,5 23,0 25,5 25,5 27,0 30,5 39,0 41,5 42,0
од.ЕВС
45
40
35
30
25
20
15
1.
2.
3.
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51
СР,мг/100см 3
Рис.4 Залежність вмісту ізо-α-кислоти у
водному розчині екстракту хмелю від дози
антиоксиданту з кори дуба(1), трави
звіробою(2) та трави м’яти(3) через 30
хвилин від початку окиснення
У результаті проведених
досліджень виявлено, що
оптимальна доза антиоксиданту з
кори дуба складає 3,0 мг/100 см 3 ,
зі звіробоя – 3 мг/100 см 3 .
Подальше збільшення дози
антиоксиданту з кори дуба і
звіробою (з 3 до 50 мг/100 см 3 )
дає незначне підвищення вмісту
гірких речовин ( з 25,5 до 27,8 та з
25,6 до 29 од.ЕВС відповідно).
Залежність вмісту гірких речовин
від дози антиоксиданту з трави
м'яти має інший характер. Зі
збільшенням дози антиоксиданту
з 2 до 30 мг/100 см 3 величина гіркоти збільшується з 22,5 до 39 од.ЕВС .
280

Таким чином антиоксидант з трави м’яти більш ефективно захищає гіркі
речовини (ізогумулони) від окислювальної деструкції у порівнянні з
антиоксидантами з кори дуба і трави звіробою. Однак при дозуванні його до 3
мг/100 см 3 зміни смаку і аромату не відбувається, а при додаванні 30 мг/100 см 3
проявляється смак і аромат м’яти. Тому дозировка 30 мг/100 см3 перспективна
при створенні нових сортів пива з відтінками смаку і аромату м’яти у готовому
продукті. Оптимальна доза антиоксиданту з трави м’яти, що не впливає на смак
і аромат 2,0 мг/100 см 3 .
Висновок. Визначено, що ефективна концентрація антиоксидантів з кори
дуба і трави звіробоя – 3 мг/100 см 3 , для антиоксиданту з трави м’яти – 2 мг/100
см 3 . Можливе створення пива з функціональною дією.
Список літератури: 1. Данилова Л.А., Березка Т.А., Домарецкий В.А. Защита изо-α-кислот
от окислительной деструкции // Вісник НТУ «ХПІ». Збірник наукових праць.Тематичний
випуск «Хімія, хімічна технологія та екологія».-Харків: НТУ «ХПІ».- 2006.-№12.-с. 67-72
Поступила в редколлегию 21.11.2010
УДК 664.34
А.П. БЄЛІНСЬКА, аспірант, НТУ «ХПІ», м.Харків
Л.В КРИЧКОВСЬКА, докт. біол. наук, професор, НТУ «ХПІ»
Н.І ЧЕРЕВИЧНА, канд. техн. наук, ст. викл., ХДУХТ
Т.І. ЗЕКУНОВА, наук. співроб., НТУ «ХПІ», м.Харків
РОЗРОБКА МАЙОНЕЗУ, ЗБАЛАНСОВАНОГО
ЗА СКЛАДОМ ПОЛІНЕНАСИЧЕНИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ
Рассмотрен вопрос усовершенствования жировой основы майонезов. Исследованы
органолептические, физико-химические и микробиологические показатели майонеза со
сбалансированным составом полиненасыщенных жирных кислот. Определено, что
стабильность к окислительной порче разработанного продукта увеличилась в 2,8 раз по
сравнению контролем.
The question of the improvement of fatty basis for mayonnaises is shown. The organoleptic,
physical-chemical and microbiological indexes of mayonnaise are investigational with the balanced
composition of the polyunsaturated fatty acids. It is certain that stability to oxidizing spoilage of the
developed product was increased in 2,8 times on comparison control.
Добовий раціон сучасної людини з кожним роком стає більш багатшим за
смаковими властивостями, але менш збалансованим за складом, тому сьогодні
особливої актуальності необхідність удосконалення технології виробництва
традиційних продуктів харчування – направлена зміна їх складу, що забезпечує
підвищену фізіологічну цінність, а також виключення з рецептури синтетичних
складових.
На сучасному етапі одним з напрямків інноваційної діяльності
вітчизняного олієжирового виробництва є створення високоякісних
емульсійних продуктів. Основні тенденції створення майонезних емульсій
пов’язані з наступними факторами: підвищення біологічної цінності шляхом
281

введення вітамінів; збалансування складу поліненасичених жирних кислот
(ПНЖК) жирової основи; запобігання мікробіологічному та окислювальному
псуванню за рахунок введення антиоксидантів і консервантів [1].
Метою дослідження є створення патенто- та конкурентоспроможного
майонезу, однією з характеристик якого є збалансований склад ПНЖК жирової
основи.
В даний час у якості жирової сировини для виробництва майонезів
використовуються рослинні олії, які або не збалансовані за складом ПНЖК
(соняшникова, кукурудзяна, оливкова олії), або наряду зі збалансованим
складом мають низьку стійкість до окислювального псування (соєва олія).
Усунути дану суперечність дозволяє розроблена нами купажована олія зі
збалансованим складом поліненасичених жирних кислот (ω-3/ω-6 = 1/(9-10)) та
стійка до окислення за рахунок природних антиоксидантів, переважно сезамолу
та сезаміну. До складу даної купажованої олії входять рафіновані соєва (70%),
кунжутна (15%) та соняшникова (15%) олії.
Дану купажовану олію використано у якості жирової основи для
столового висококалорійного майонезу. Майонез вітамінізовано шляхом
додавання β-каротину, регламентований вміст якого встановлено на рівні не
менше 6 міліграмів у 100 г готового продукту (0,006%).
За одержаними органолептичними та фізико-хімічними показниками
виготовлений майонез, що в якості жирової основи містить купажовану олію,
відповідає діючим вимогам нормативної документації [2].
З метою дослідження стійкості до окислювального псування майонезу на
основі купажованої олії виготовлено контрольний зразок – майонез на основі
рафінованої дезодорованої соняшникової олії, який також вітамінізовано β-
каротином у кількості 0,006%. За показниками якості рафінована дезодорована
соняшникова олія, що використана для приготування майонезу, відповідає
діючим вимогам нормативної документації [3]. Контрольний зразок майонезу
виготовлено за аналогічною рецептурою, при однакових технологічних
параметрах в один і той же час з майонезом на основі купажованої олії.
Досліджено стійкість до
окислювального псування
отриманих майонезів за
температури 10±2 0 С при вільному
доступі світла та повітря
(автоокислення) навпротязі 64 діб
зберігання. Ступінь окислення
контролювали за величиною
пероксидного (ПЧ) та кислотного
(КЧ) чисел. Результати визначення
пероксидних чисел зразків
майонезів, які досліджувалися в
процесі окислення, представлено на
рис. 1.
ПЧ, 1/2 О ммоль/кг
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
час зберігання, діб
Рис. 1. Динаміка зміни пероксидних
чисел у процесі окислення: 1 – зразок
майонезу на основі купажованої олії; 2 –
контрольний зразок (майонез на основі
соняшникової олії)
З графіків видно, що навпротязі перших 22-ох діб накопичення
282
1
2

пероксидів у майонезі на основі купажованої олії майже не відбувається
(ПЧ=2,3 ½Оммоль/кг), в той час як у контрольному зразку пероксидне число
становить 8 ½Оммоль/кг. З 22-ої по 30-ту добу пероксидне число зростає до 4,1
½Оммоль/кг, а потім, з 30-ої до 48-ої доби утримується на рівні 4,2-4,8
½Оммоль/кг. Пероксидне число контролю перевищує 10 ½Оммоль/кг вже на
22-гу добу.
Періоди індукції зразків майонезів, що досліджувалися при температурі
10±2 0 С, представлено на таблиці 1.
Експериментальні дані показують, що період індукції майонезу на основі
купажованої олії при кімнатній температурі становить 50 діб, що у 2,8 рази
вище у порівнянні з періодом індукції контрольного зразку, який становить 18
діб.
Таблиця 1.
Періоди індукції зразків майонезів при температурі 10±2 0 С
Майонез
Період індукції, діб
контрольний зразок (майонез на основі соняшникової
18 ± 2
олії)
майонез на основі купажованої олії 50 ± 2
Результати визначення кислотних чисел зразків майонезів, які досліджено
в процесі автоокислення при 10±2 0 С, представлено на рисунку 2.
Аналізуючи зміни
кислотних чисел майонезу на
основі купажованої олії та
контрольного зразку в процесі
окислення видно, що
накопичення граничного рівня
вільних кислот в контрольному
зразку спостерігається після 32-
ої доби окислення, у
розробленому майонезі – після
64-ої доби.
Збільшення кислотності
майонезу в процесі зберігання
свідчить про те, що йде
КЧ, мг КОН/г
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
час зберігання, діб
Рис. 2. Динаміка зміни кислотних чисел у
процесі окислення: 1 – зразок майонезу на
основі купажованої олії; 2 – контрольний
зразок (майонез на основі соняшникової олії)
накопичення органічних кислот, які являють собою результат життєдіяльності
мікрофлори майонезів.
Досліджено, що мікробіологічні процеси перетікають менш інтенсивно в
зразку майонеза, що містить кунжутну олію, антиоксиданти якої (сезамол,
сезамін) володіють антибактеріальною та фунгіцидною дією [3]. Динаміка
зміни кислотних чисел зразків майонезів у процесі окислення узгоджується з
результатами дослідження їх стійкості до окислювального псування за
пероксидним числом. А саме: високу стійкість має майонез, до складу якого
входять антиоксиданти кунжутної олії – сезамол та сезамін.
Досліджено зміну сумарної кількості β-каротину у зразках майонезу при
283
1
2

досягненні пероксидного числа 10 ммоль ½О/кг за температури 10±2 0 С при
вільному доступі світла та повітря (автоокислення). Графічні залежності даних
процесів представлено на рисунку 3.
Зміна сумарної кількості β-
каротину при досягненні
пероксидного числа 10
ммоль ½О/кг, яку визначено
в процесі окислення зразків
майонезів, становила 4,7 %
для контролю і 1,3% для
розробленого майонезу на
основі купажованої олії.
Результати дослідження
свідчать про високий ступінь
збереження β-каротину у
майонезі, що в якості основи
містить купажовану олію.
сумарна кількість каротину, %
1 01
1 00
99
98
97
96
95
94
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
пероксидне число, 1/2О ммоль/кг
Рис. 3. Зміна сумарної кількості β-каротину в
майонезі при досягненні пероксидного числа 10
ммоль ½О/кг: 1 – зразок на основі купажованої
олії; 2 – контрольний зразок (на основі
соняшникової олії)
Список літератури: 1. Рынок майонеза Украины [Електронний ресурс]: Анализ тенденций и
перспективы развития. Режим доступу: http://www.ukrfood.com.ua/commerce/aenvelope.php
loc=3&letter=30. 2. ДСТУ 4487:2005 Майонези. Загальні технічні умови [Текст]. − Введ.
2007−01−01. − К. : ДП „УкрНДНЦ, 2007. − 28 с. 3. Kang, M.H. Dietary defatted sesame flour
decreases susceptibility to oxidative stress in hypercholesterolemic rabbits / Kang, M.H.; Kawai Y.;
Naito M.; Osawa T. // J Nutr. – 1999. – Vol. 129. – P. 1885–1890.
Поступила в редколлегию 21.12.2010
1
2
284

СОДЕРЖАНИЕ
С.В. Плашихин, Д.А. Серебрянський, Ю.А. Безносик
Експериментальні Дослідження циклофільтра в процесі вловлювання цементного
пилу
Е.В. Полункин, В.В. Ефименко, Т.Н. Каменева, А.В.Ефименко, К.А. Кирпач
Исследование антиокислительных свойств комплекса фуллерена С60 с П-третбутилкаликсареном
З.О. Знак, В.Т. Яворський
Дослідження процесу утворення полімерної сірки внаслідок прямого охолодження
продуктів плазмолізу сірководню водним середовищем
Е. В. Манойло, В. Ф. Моисеев
Унос жидкой фазы в центробежном аппарате
В.І. Піскун, Ю.В. Яценко
Апробація ресурсозберігаючої технології виробництва комбікормів та БВМД в
умовах господарства
А.П. Мельник, Т.В. Матвєєва, С.О. Крамарев, С.Г. Малік
Реагент для розчинення асфальто-смолистих і парафінових відкладень з
свердловинного обладнання газонафтових промислів
А. А. Куделя
Высокоскоростные массообменные колонны и газожидкостные сепараторы
А.П. Мельник, В.Ю. Папченко
Міжфазний натяг продуктів реакції амідування ацилгліцеринів діетаноламіном
І. О. Лаврова, К. М. Сорокотяга, Аммар В. Саід
Обгрунтування вибору методу очищення нафт і нафтових дистилятів від сполук
сірки
В.А. Скачков, С.А. Воденников, В.И. Иванов, В.И. Доненко
К расчету надежности уникальных конструкций при малоцикловом нагружении
В.В. Гончаров, Д.О. Рєзніченко, М.В. Ненько
Модифікування нержавіючої сталі за допомогою іонної імплантації
А.С. Гордєєв
Гармонізація стандартів поліграфічного виробництва
А.В. Гресс
Разработка и совершенствование устройств водовоздушного охлаждения
непрерывнолитой блюмовой заготовки
В. З. Куцова, В. Ю. Селівьорстов, О. А. Носко, В. Є. Хричиков, Ю. В. Доценко
Особливості газодинамічного впливу на структуроутворення литої інструментальної
штампової сталі
В.А. Годик, В.П. Иванов, А.С. Зенкин
Методы оценки уровня качества продукции машиностроительного производства
С.А. Лузан
Методология моделирования в процессе выбора технологии восстановления деталей
А.Ф. Тарасов, В.А. Паламарчук, Е.В. Горбач, М.Л. Корнева
Особенности проектирования инструмента для тангенциальной обкатки трубчатых
заготовок в среде DELCAM POWERSHAPE
Ю.О. Плєснецов, О.С. Забара, Т.Л. Коворотний, М.C. Любімов
Дослідження деформованого стану металу гнутих профілів замкненого перетину
Ю.А. Плеснецов, Н.Р. Горобей
Экспериментальные исследования формоизменения и энергосиловых параметров
прокатки периодических профилей
А. Г. Журило
Чарльз Гаскойн – фундатор українського металознавства. До 210 - річчя першої
української заводської лабораторії
285
3
6
11
15
22
25
29
32
36
42
46
49
55
59
67
72
75
79
82
86

Д.Ю. Зубенко
Проведении ультразвукового контроля тонкостенных стальных изделий
транспортных средств
С. А. Давыдов
Расчет снижения удерживающей способности средств обеспечения сплошности
топлива при его движении вдоль поверхности раздела фаз
В.А. Шигимага
Кондуктометрия клеток животных в средах с произвольной проводимостью
В. М. Дубик
Воздействие электрических импульсов на мембранный потенциал нервных клеток
насекомых
Е.В. Мочалин, И.Г. Мочалина
Особенности проявления центробежной неустойчивости снаружи вращающегося
цилиндра при протоке жидкости через его поверхность
І.М. Гасюк, І.М. Будзуляк, М.Я. Січка, В.В. Угорчук, Л.С. Кайкан
Дослідження дифузійних процесів при інтеркаляції літію у фторид магнію
І.А. Жирякова, З.М. Гадецька
Методологія функціонального моделювання як засіб представлення проектної
документації в ІТ-аутсорсінгу
А.І. Кубрак, І.М. Голінко, Ю.М. Ковриго
Комп’ютерний аналіз АСР за імпульсною характеристикою об’єкта
Л.М. Заміховський, Р.Б. Скрипюк
Вибір діагностичної ознаки технічного стану робочих органів вертикального
валкового млина AG-MPS 180BK на основі методу його параметричної ідентифікації
за уточненою перехідною характеристикою
Я.І. Заячук
Ethernet та промислові мережі реального часу
Л.Л. Кармазина
Система контроля тезауруса сообщения как инструмент преодоления
семантического барьера виртуальной команды проекта
И. В. Компанеец, А. М. Шкилько
Метрологическое обеспечение измерителя контактной разности потенциалов
А.М. Мильцын, Д.Г. Зеленцов, В.И. Олевский
Селекция многофакторной модели по совокупности статистических и физических
критериев
В.С. Єременко, А.В. Переїденко, Є.О. Піколенко
Ранжування інформативних ознак при неруйнівному контролі композиційних
матеріалів
Е.А. Лавров, Н.Б. Пасько
Оптимизационная модель для минимизации возможного ущерба от ошибок
человека-оператора
В. А. Лыфарь, С.А. Сафонова
Модель информационного обмена в системе принятия решений диспетчером в
условиях аварии
О.О. Супруненко
Модифікація підсистем захисту інформації на основі мереж Петрі
Б.В. Фоменко, О.В. Степанець, О.С. Бунке
Підвищення ефективності систем автоматичного регулювання за рахунок
врахування обмежень керованого сигналу
92
96
100
104
108
114
122
128
133
140
145
150
153
159
164
168
173
177
286

Г.О. Статюха, Т.В. Бойко, Ю.О. Безносик, Л.М. Бугаєва
Застосування методів багатокритеріальної оптимізації в проектуванні мереж
моніторингу стану атмосферного повітря
Г.О. Райко, С.Г. Чорний, Н.О. Козуб
Залучення процесу оптимізації коду, як компоненти при функціонуванні складних
відкритих систем
Б.М. Шифрин
Устойчивость подвески шасси самолета при малом верчении пневмоколес
П.А.Тесленко
Проект как управляемая организационно-техническая система
E.H. Безвесильная, А.В. Коваль, Е.В. Гура
Об использовании некоторых ньютонометров в качестве гравиметров авиационной
гравиметрической системы
Г.М. Захаренко, Д.В. Кукленко
Застосування експертних систем у вирішенні задачі управління продуктивністю
обчислювальних ресурсів білінгової системи мобільного оператора
О.Я. Ніконов, В.Ю. Улько
Розроблення інформаційно-структурної схеми електрогідравлічних слідкуючих
приводів багатоцільових транспортних засобів
О.А. Малахова, О.М. Кузіна
Нові підходи до планування поїздоутворення на сортувальних станціях
Г.М. Сіконенко, С.О. Мозговий
Раціоналізація місцевої роботи станції на основі принципів логістики
М.Є. Щербина, О.С. Мільшина
Нові підходи до технології відправлення поїздів з сортувальних станцій
Т.Т. Берестова, І.М. Тітова
Коригування плану формування пасажирських поїздів в сучасних умовах
С.В. Костішин, С.М. Злепко, А.А. Шиян
Моделювання етапу прицілювання процесу стрільби з короткоствольної
вогнепальної зброї
Е.С. Рябов, Б.Г. Любарский, Д.И. Якунин, Д.Ю.Зюзин
Моделирование тягового безредукторного привода на основе индукторного
двигателя с аксиальным магнитным потоком
А.Н. Горяинов
Проблемы определения объектов диагностирования на транспорте
Е.В. Малахов, Н.И. Билоненко, Т.В. Филатова
Использование контейнерных сущностей в метамодели предметной области
„медицина катастроф“
Ю.В. Парфененко, В.Г. Неня, О.І. Пономаренко
Аналіз функціонування системи теплопостачання як об’єкта управління
Б.Б. Стелюк, И.М.Чернявская
Повышение эффективности управления предприятием на основе системного
подхода
Е.М.Кулинич, В.В. Зиновкин, Ю.А. Крисан, С.И. Арсеньева
Моделирование автоматизированного управления многокомпонентным
дозированием технологического процесса приготовления газобетона
Ф.Ф.Гладкий, Л.А Данилова, Т.О.Березка, О.М. Півень, В.А. Домарецький
Визначення кількості рослинних антиоксидантів для захисту гірких хмелевих
речовин від окисної деструкції
А.П. Бєлінська, Л.В Кричковська, Н.І Черевична, Т. І. Зекунова
Розробка майонезу, збалансованого за складом поліненасичених жирних кислот
183
189
194
198
202
207
214
221
225
229
235
240
244
251
258
264
268
271
278
281
287

Наукове видання
ВІСНИК НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО
УНІВЕРСИТЕТУ "ХПІ"
Збірник наукових праць
Тематичний випуск
"Нові рішення в сучасних технологіях"
Випуск №57
Технічний редактор Т.Л. Коворотний
Відповідальний за випуск В.М. Луньова
Обл.-вид. №207-10
Підписано до друку 29.12.2010. Формат 60x84/16 Папір офсетний.
Друк різографічний. Ум.-друк. арк. 16. 3ам. №57
Надруковано у видавництві "Технологічний центр"
вул. Новгородська, 3а, м. Харків, 61145
Тел./факс (057) 750-89-90
288