УДК 621.318.3: 622.788 СИНТЕЗ СТРУКТУРНЫХ ИЗОМЕРОВ

ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ І АПАРАТИ
УДК 621.318.3: 622.788
СИНТЕЗ СТРУКТУРНЫХ ИЗОМЕРОВ МНОГОПОЛЮСНЫХ CИСТЕМ
МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ
Шведчикова И.А., к.т.н., доц.
Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, г. Луганск
кв. Молодежный, 20-А, 91034, г. Луганск, Украина
E-mail: [email protected]
Выполнено дополнение и уточнение генетической модели видообразования многополюсных систем магнитных сепараторов с учетом структурной изомерии.
Ключевые слова: генетическая модель, структура, изомерия, репликация.
Введение. Одним из основных источников
структурного разнообразия в концепции генетического видообразования электромеханических систем
(ЭМ-систем) [1-3] является генетический оператор
репликации fR, отвечающий за количественный состав структурных композиций K, образованных из
kR∙ однотипных элементов типа S0 fR( S0 )→ kR∙S0 ∈ K,
(1)
где kR –коэффициент репликации; S0 – электромагнитная хромосома-репликатор.
Примерами структурных вариантов магнитных
сепараторов, геном которых определяется принципом репликации, являются многополюсные и многоиндукторные системы. Идея генетической репликации лежит также в основе модульного принципа
построения магнитных сепараторов, широко применяемого на практике [4].
Анализ предыдущих исследований. Свойство,
связанное с наличием множества вариантов пространственного размещения из одинакового количества однотипных элементов, называется структурной изомерией, а множества их пространственных
компоновок – структурными изомерами. Мощность
синтезируемых структур-изомеров определяется теми начальными условиями, которые отображают
особенности функционирования и режимы работы
ЭМ-систем [5]. Генерация возможных вариантов
пространственных композиций изомеров осуществляется путем последовательного применения аппарата геометрических преобразований [6].
Генетическая информация о структурных изомерах содержится в реплицированных электромагнитных хромосомах, отображаемых генетическими моделями видообразования.
Синтезированные композиции изомеров дополняют и уточняют структуру генома Вида, поэтому
их генетическая и приобретенная информация будет
сохраняться во всех структурных представителях
э ле к тр о м е х а н ичес к и х объектов, входящих в
структурную популяцию [3, 4].
Генетические модели, обладающие мощным
прогностическим потенциалом, целесообразно применять при постановке и решении задач направленного поиска и синтеза новых структур ЭМ-систем
на этапе поискового проектирования [3]. В этой связи исследования, направленные на дополнение и
уточнение генетических моделей, а, следовательно,
и структуры их геномов, представляют научный и
практический интерес.
Цель работы. Генетическое моделирование и
направленный синтез композиций структурных
изомеров, дополняющих и уточняющих генетическую модель видообразования магнитных сепараторов.
Материал и результаты исследования. В настоящей работе ограничимся рассмотрением многополюсных систем магнитных сепараторов. В этом
случае класс структурных изомеров образует варианты пространственного размещения полюсов на
активных поверхностях магнитных систем.
В общем виде задачу синтеза структур-изомеров
многополюсных систем произвольного базового
Вида Sв семейства магнитных сепараторов с открытой рабочей зоной можно сформулировать следующим образом - определить конечное множество K из
N пространственных композиций (K1, K2, …,
KN) ⊂ Sв, образованных из kR∙однотипных элементов
типа S0, отображающих структуру искомых изомеров Si (i=1, 2, …, kRmax, где kRmax - максимальное значение коэффициента репликации), и идентифицирующих генетическую информацию порождаемых
ими популяций Рk – (Sk→Рk) ⊂ Sв.
Решение задачи синтеза структурных изомеров
будем осуществлять на примере базового Вида цилиндрических
продольно-симметричных
уориентированных структур (генетический код ЦЛ
0.2у) семейства магнитных сепараторов, генетическая модель видообразования которого приведена на
рис.1 [2]. Этот Вид имеет статус реальноинформационного и доминирующего, что даст возможность проверить достоверность результатов
синтеза [7].
Исходной пространственной структурой при
реализации процедуры синтеза является хромосомарепликатор 1-го поколения S0 (kR = 1), отвечающая
за наследственные признаки двухполюсных систем
(индукторов) магнитных сепараторов
((S0(1) × S0(2)) → S0 → Р11 ) ⊂ S
ЦЛ0.2у,
где SЦЛ0.2у – исследуемый базовый Вид.
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 1/2010 (60). Частина 1
17
(2)
ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ І АПАРАТИ
При kR = 2 возможные пространственные структуры изомеров могут быть получены следующим
образом:
- путем параллельного переноса SX1 вдоль оси
вращения индуктора (структура SX2, рис. 3,а).
- путем поворота структуры SY1 относительно оси
вращения индуктора с масштабированием в двухмерном
плоскомеридианном пространстве R2
(структура SY2, рис. 3,б);
- путем пространственного совмещения структур
Рисунок 1 – Генетическая модель видообразования магнитных сепараторов на примере базового
Вида цилиндрических продольно-симметричных у ориентированных (ЦЛ 0.2у): S01 - первичная хромосома; S02 – вторичная хромосома; S0 – парная хромосома 1-го поколения; S21 – S32 – порождающие
хромосомы 2-го и 3-го поколений; Р11 – Р32. – популяции магнитных сепараторов
Хромосома-репликатор S0 может быть представлена пространственными композициями, полученными путем применения геометрических преобразований по отношению к S0 (рис. 2) в виде комбинаторных перестановок магнитных полюсов соответственно вдоль оси вращения (структура SX1, рис. 2,а)
и в поперечном сечении цилиндрического индуктора (структура SY1, рис. 2,б):
f(S0) → (SX11, SY11),
(3)
где f – функция геометрического преобразования.
а)
б)
Рисунок 2 – Пространственные композиции, синтезированные на основе электромагнитной хромосомы
S0: а) структура SX1; б) структура SY1
В дальнейших рассуждениях примем, что индекс
«Х» в условном обозначении синтезируемой структуры указывает на то, что полярность полюсов индуктора чередуется вдоль его оси вращения. Индекс
«Y» указывает на чередование полярности полюсов
в поперечном сечении индуктора. В структуре генома базового Вида ЦЛ 0.2у с открытой рабочей зоной
(рис.1) за наследственные признаки многополюсных
(kR ≥ 2) цилиндрических систем магнитных сепараторов отвечает реплицированная хромосома S21
S21 = kR∙S0.
(4)
SX1 и SY1 (структура SХ1Y1 = SX1 U SY1, рис. 3,в).
В этом случае конечное множество пространственных композиций изомеров, синтезированных на
основе электромагнитной хромосомы-репликатора
S21, может бать представлено в виде
f(S21) → (SX2, SY2, SХ1Y1).
(5)
Эквивалентные пространственные схемы структур-изомеров показаны на рис. 3.
а)
б)
в)
Рисунок 3 – Эквивалентные пространственные схемы структур-изомеров при kR = 2: а) структура SX2;
б) структура SY2; в) структура SХ1Y1
Синтезированные структуры изомеров (рис. 3)
отвечают за наследственные признаки четырехполюсных магнитных систем сепараторов (табл. 1).
Аналогичным образом могут быть получены структуры-изомеры при kR > 2. Структурные коды пространственных структур многополюсных изомеров
приведены в табл. 2, из которой следует, что при нечетном коэффициенте репликации kR=2p+1 (p=0, 1,
2, …) пространственные композиции изомеров
представлены только двумя структурами: структурой SXi с осевой последовательностью полюсов (i=1,
2, 3, …, kRmax) и поворотно-симметричной структурой SYi с масштабированием. При четном коэффициенте репликации kR=2p к указанным структурам добавляются совмещенные структуры SХiYj, число полюсов которых nХiYj определяется как произведение
числа полюсов nХi и nYj изомеров SХi и SYj, соответственно
n X iY j = n X i ⋅ n j ,
(6)
где nХi, nYj ∈ N2 = {2, 4, 6, …}.
Таким образом, в процессе совмещения образуются
структурные изомеры более высокого порядка сложности, число полюсов которых определяется произведением числа полюсов совмещаемых структур.
В генетической модели видообразования результаты синтеза структур-изомеров отображаются соответствующими узлами ветвления с указанием
структурных кодов изомеров и порождаемых ими
популяций (рис. 4).
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 1/2010 (60). Частина 1
18
ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ І АПАРАТИ
Таблица 1 – Результаты синтеза структурных изомеров многополюсных цилиндрических систем
магнитных сепараторов (kR = 2)
Структурный код
Геометрическое
Пространственная
Пространственная композиция
изомера
преобразование
структура изомера
магнитных систем
SХ2
Перенос полюсов вдоль
Осевая
Четырехполюсная система с череоси вращения
последовательность
дованием полярности полюсов
вдоль оси вращения индуктора
SY2
SХ1Y1
Масштабирование в R2 и
поворот полюсов относительно оси вращения
(симметрии)
Полное пространственное
совмещение структур
Поворотносимметричная с
масштабированием
Четырехполюсная система с чередованием полярности полюсов в
поперечном сечении индуктора
Совмещенная
Четырехполюсная система с одновременным чередованием полюсов,
как вдоль оси вращения, так и в
поперечном сечении индуктора
Таблица 2 – Структурные коды многополюсных изомеров
Коэффициент
Пространственные структуры изомеров
репликации kR
Осевая
Поворотно-симметричная с
(число полюсов индуктора)
последовательность
масштабированием
1 (2)
SX1
SY1
2 (4)
SX2
SY2
3 (6)
SX3
SY3
4 (8)
SX4
SY4
5 (10)
SX5
SY5
6 (12)
SX6
SY6
7 (14)
SX7
SY7
8 (16)
SX8
SY8
…
…
…
* - структурный изомер отсутствует
По результатам информационно-патентного поиска выявлены структурные представители двух
синтезированных структур-изомеров SХi и SYj, относящиеся к классу шкивных магнитных сепараторов
(рис.5), что подтверждает достоверность принятой
методики синтеза [4]. Структурные изомеры SХiYj
составляют прогностическую составляющую результатов синтеза. Они определяют наследственную информацию неявной популяции PXiYi и составляют основу для решения задач направленного
синтеза патентоспособных технических решений
при генетическом проектировании магнитных сепараторов.
Совмещенная
-*
SХ1Y1
SХ1Y2, SХ2Y1
SХ3Y1, SХ1Y3
SХ2Y2, SХ4Y1, SХ1Y4
…
а)
б)
Рисунок 5 – Примеры структурных представителей изомеров (kR = 3): а) структура SХ3;
б) структура SY3
Рисунок 4 – Графическое представление узла ветвления многополюсных (kR = 2) структур-изомеров
в генетической модели (PX2, PY2, PX1Y1 – популяции структурных изомеров
Выводы. 1. Предложена уточненная генетическая модель видообразования многополюсных систем магнитных сепараторов с открытой рабочей зоной, учитывающая структурную изомерию.
2. На примере доминирующего базового Вида
ЦЛ 0.2у синтезированы структурные изомеры многополюсных систем сепараторов, геном которых
определяется хромосомными наборами трех порождающих структур SХi, SYj и SХiYj.
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 1/2010 (60). Частина 1
19
ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ І АПАРАТИ
3. Достоверность предложенной методики
синтеза структурных изомеров обоснована путем
сопоставления полученных результатов с результатами исторических и патентно-информационных
исследований.
4. Результаты исследований составляют основу для решения задач генетического проектирования многополюсных систем магнитных сепараторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генетическое моделирование внутривидовой
структуры электромеханических преобразователей
энергии / В.Ф. Шинкаренко, А.А. Августинович,
О.С. Нестыкайло // Електротехніка і електромеханіка. – 2004. – № 4. – С. 42-46.
2. Шведчикова И.А. Определение внутривидового структурного разнообразия магнитных сепараторов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2009. – Вип. 5(58). – Ч.
1. – С. 18-22.
3. Шинкаренко В.Ф. Основи теорії еволюції
електромеханічних систем. – К.: Наукова думка,
2002. – 288 с.
4. Загирняк М.В. Исследование, расчет и усовершенствование шкивных магнитных сепараторов. – К.: ИСМО, 1996. – 488 с.
5. Структурная изомерия и ее моделирование
в задачах генетического синтеза электромеханических структур / В.Ф. Шинкаренко, А.А. Августинович, В.В. Лысак, М.А. Вахновецкая // Електротехніка і електромеханіка. - 2009. - № 1. – С. 33-36.
6. Геометрическое моделирование и машинная графика в САПР / В.Е. Михайленко, В.Н. Кислоокий, А.А. Лященко. – К.: Вища школа, 1991. –
374 с.
7. Шведчикова И.А. Определение инновационного потенциала функционального класса магнитных сепараторов // Вісник Кременчуцького
державного політехнічного університету. – 2009. –
Вип. 3(56). – Ч. 2. – С. 86-89
Статья поступила 08.02.10 г.
Рекомендована к печати к.т.н., доц.
Некрасовым А.В.
СИНТЕЗ СТРУКТУРНИХ ІЗОМЕРОВ БАГАТОПОЛЮСНИХ CИСТЕМ
МАГНІТНИХ СЕПАРАТОРІВ
Шведчикова І.О., к.т.н., доц.
Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Луганськ
кв. Молодіжний, 20-А, 91034, м. Луганськ, Україна
E-mail: [email protected]
Проведене доповнення та уточнення генетичної моделі видоутворення багатополюсних систем магнітних
сепараторів з урахуванням структурної ізомерії.
Ключові слова: генетична модель, структура, ізомерія, реплікація.
SYNTHESIS OF STRUCTURAL IZOMERS OF MAGNETIC SEPARATORS
MULTIPOLAR SYSTEMS
Shvedchikova I.O., Cand.Sc.(Tech.), Assoc.Prof.
East-Ukrainian Volodymyr Dal National University, Lugansk
91034, Lugansk, Molodezhniy Kv., 20-А, Ukraine
E-mail: [email protected]
Addition and clarification of genetic model of speciation of the multipolar systems of magnetic separators is taking
into account a structural isomerism is realized.
Key words: genetic model, structure, isomerism, replication.
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 1/2010 (60). Частина 1
20