ISSN 2073-8072 ВЕСТНИК РЫБИНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВИАЦИОННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени П. А. СОЛОВЬЕВА № 1 (28) 2014 УДК 378 ВЕСТНИК РЫБИНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВИАЦИОННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени П. А. СОЛОВЬЕВА № 1 (28) 2014 Главный редактор В. А. Полетаев, доктор технических наук, профессор, г. Рыбинск Заместители главного редактора Т. Д. Кожина, доктор технических наук, профессор, г. Рыбинск В. В. Непомилуев, доктор технических наук, профессор, г. Рыбинск Редакционная коллегия журнала В. Ф. Безъязычный, д-р техн. наук, профессор, г. Рыбинск П. Блажкович, д-р техн. наук, профессор, Словакия Б. М. Бржозовский, д-р техн. наук, профессор, г. Саратов Д. И. Волков, д-р техн. наук, профессор, г. Рыбинск В. А. Годлевский, д-р техн. наук, профессор, г. Иваново М. Б. Гузаиров, д-р техн. наук, профессор, г. Уфа А. В. Киричек, д-р техн. наук, профессор, г. Курск С. Пытко, д-р техн. наук, профессор, Польша М. Л. Первов, д-р техн. наук, г. Рыбинск Ш. А. Пиралишвили, д-р техн. наук, профессор, г. Рыбинск И. М. Сидорова, д-р фил. наук, профессор, г. Рыбинск Я. Суханек, д-р техн. наук, профессор, Чехия М. Счерек, д-р техн. наук, профессор, Польша М. Л. Хейфец, д-р техн. наук, профессор, Беларусь Ж. Фон, ректор корпоративного университета Safran, г. Масси, Франция А. А. Шатульский, д-р техн. наук, профессор, г. Рыбинск В. Г. Шаров, канд. физ.-мат. наук, профессор, г. Рыбинск Экспертная коллегия О. Н. Федонин, ректор Брянского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор, г. Брянск Ю. Н. Шмотин, первый заместитель генерального конструктора ОАО «УК «ОДК», генеральный конструктор ОАО «НПО «Сатурн», кандидат технических наук, г. Рыбинск М. В. Вартанов, доктор технических наук, профессор кафедры ТМ Московского государственного машиностроительного университета, г. Москва Журнал входит в утвержденный ВАК Минобрнауки РФ Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Журнал входит в систему Российского индекса научного цитирования (РИНЦ). Журнал включен в общероссийский каталог ОАО «Роспечать». Подписной индекс – 18623. РГАТУ имени П. А. Соловьева, 2014 152934, г. Рыбинск Ярославской обл., ул. Пушкина, 53. Адрес в Интернете: http://elibrary.ru, http://www.rgata.ru Рыбинск, 2014 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ AIRCRAFT ENGINES AND POWER PLANTS УДК 621.438 ВЫДУВ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА В СРЕЗ ВЫХОДНОЙ КРОМКИ ЛОПАТКИ А. Н. ПОТКИН, И. А. НЕМТЫРЕВА, Ф. В. КАРПОВ, 2014 ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск Рассмотрен один из подходов к увеличению расхода охлаждающего воздуха через систему охлаждения лопатки за счет изменение формы ее выходной кромки. При подрезке выходной кромки горло лопаточного венца переносится в сечение перед отверстиями для выпуска охлаждающего воздуха, что способствует снижению давления газа у отверстий и обеспечивает увеличение выдува охлаждающего воздуха в выходную кромку при сохранении его газодинамических параметров в месте подвода. Следует отметить, что по результатам численных исследований был найден баланс между увеличением расхода охлаждающего воздуха и одновременным увеличением потерь кинетической энергии газа в кромочном следе и на смешение. ОХЛАЖДАЮЩИЙ ВОЗДУХ, СКОС ВЫХОДНОЙ КРОМКИ, ПЛОЩАДЬ ГОРЛА, ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ BLOWING OUT OF COOLING AIR IN THE BLADE RAKE TRAILING EDGE A. N. POTKIN, I. A. NEMTYREVA, F. V. KARPOV, 2014 OAO «NPO «Saturn», Rybinsk The paper considers one of approaches to a cooling air flow augmentation through blade cooling system by means of its trailing edge form modification. At trailing edge trimming the ring of blades throat is transferred to cross-section before cooling air tap openings, which promotes gas pressure decrease at holes and ensures increase of cooling air blowing out in a trailing edge with preserving its gas-dynamic parameters in the admission place. Notably that by results of numerical researches the balance between cooling air flow augmentation and simultaneous gas kinetic energy increase of losses in edge track and for mixing process has been discovered. COOLING AIR, TRAILING EDGE TAPER, THROAT AREA, NUMERICAL RESEARCHES, GAS-DYNAMIC PARAMETRES Выпуск охлаждающего воздуха вблизи выходной кромки может быть реализован по следующим схемам: на корыто перед выходной кромкой, в торец выходной кромки. По сравнению со схемой выпуска воздуха в торец выходной кромки лопатки организация выпуска охлаждающего воздуха на корыто является наиболее предпочтительной с точки зрения снижения аэродинамических потерь, если при этом удается обеспечить оптимальную геометрию выходной кромки. Но недостатком такой конструкции является высокое давление потока газа у выхода из отверстия и на спинке лопатки в области выходной кромки, что препятствует выходу охлаждающей среды из лопатки, поэтому приходится повышать давление охлаждающей среды на входе в каналы охлаждения. Это ведет к снижению экономичности и эффективности охлаждения лопаток турбины. В данной работе, для того чтобы уйти от этого недостатка, предлагается следующее конструктивное решение. На этапе проектирования лопатки рассчитывается геометрия среза, расположенного на участке от отверстий для выпуска охлаждающей среды до выходной кромки лопатки. Срез пера лопатки приводит к переносу горла лопаточного венца в сечение перед отверстиями, что способствует снижению давления газа у отверстия и беспрепятственному выходу охлаждающего воздуха. Но такой эффект достигается только при постоянной площади проходного сечения на участке среза. Однако из-за неточности изготовления лопаток площадь проходного сечения на участке среза может быть не- 3 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) постоянной, что приведет к смещению горла лопаточного венца в сторону выходной кромки лопатки. Данный факт вызывает повышение давления между отверстием для выдува охлаждающего воздуха и выходной кромкой и ответную необходимость повышения давления охлаждающей среды, поступающей в лопатку, для обеспечения преодоления давления газа в межлопаточном пространстве при ее выходе из отверстия. Данная разработка направлена на то, чтобы гарантированно обеспечить нахождение горла лопаточного венца перед выходным отверстием не только при постоянной площади проходного сечения на участке среза, но и переменной (в отличие от [1]), что обеспечит беспрепятственный выход охлаждающей среды из канала в лопатке без повышения ее давления на входе в канал. В свете вышесказанного исследована возможность увеличения перепада давления на системе охлаждения рабочей лопатки первой ступени ТВД изделия Е70 (черт. № 830400260), а именно изучено влияние скоса выходной кромки на расход охлаждающего воздуха. В ходе работы расчетным путем получено, что изменение формы выходной кромки – ее подрезка или наращивание по отношению к исходной – приводит к возникновению условий для изменения перепада давления по системе охлаждения рабочей лопатки. Кроме того, такая геометрия среза не затрагивает теоретический профиль пера лопатки и, следовательно, не влияет на обтекание ее профиля и не приводит к увеличению профильных потерь. Опытным путем получено, что только при подрезке выходной кромки перепад давлений уве- Рыбинск: РГАТУ личивается, что обеспечивает увеличение выдува охлаждающего воздуха в выходную кромку при сохранении его газодинамических параметров в месте подвода. Следует отметить, что по результатам численных исследований был найден баланс между увеличением расхода охлаждающего воздуха и одновременным увеличением потерь кинетической энергии газа в кромочном следе и на смешение. Соблюдение этого условия создает наилучшие условия для функционирования системы охлаждения лопатки. Рассмотрим механизм действия данного улучшения (рис. 1, 2). При работе турбины охлаждающая среда поступает в полость пера 3 лопаток, охлаждает их и сбрасывается в межлопаточный канал 2 через отверстия 4, размещенные в зоне выходной кромки 5 со стороны корыта 6 пера 3. При этом газ, протекающий в межлопаточном канале 2, имеет наибольшее давление в сечении горла в начале среза S1, перед отверстиями 4, и наименьшее давление на срезе от S1 до S2, что способствует большему перепаду давления для выдува охлаждающего воздуха. При таком выполнении лопатки 1 давление на спинке 8 в области выходной кромки 5 минимальное, что улучшает выход охлаждающей среды из отверстия 4. Новым является то, что межлопаточный канал на участке от отверстий для выпуска охлаждающей среды до выходной кромки может быть выполнен с переменной площадью проходного сечения, увеличивающейся от начала отверстий для выпуска охлаждающей среды к выходной кромке лопатки не более чем на 5 %. Рис. 1 Рис. 2 1 10 – 5 м; стыкуемые ячейки совпадают; угол элемента не меньше 14. В математических моделях сечений воспроизведен выдув воздуха в выходную кромку. В ходе работы в ANSYS CFX 11.0 решена задача вязкого обтекания лопатки с постоянным по высоте сечением (поочередно корневым, средним и периферийным). В каждом случае расход охлаждающего воздуха через карман на выходной кромке рассчитывался как суммарный выдув через всю Численные исследования проведены на примере рабочей лопатки 1-й ступени ТВД двигателя Е70/8РД. Подрезка или наращивание выходной кромки выполнялись в графической системе UG. Расчетные модели выполнены в программном комплексе для построения неструктурированных сеток ANSYS ICEM CFD 11.0 (рис. 3, 4). Качество моделей соответствует всем общеизвестным требованиям: высота первой ячейки составляет 4 А. Н. Поткин, И. А. Немтырева, Ф. В. Карпов 2014. № 1 (28) выходную кромку. Для расчетов использовалась модель турбулентности SST. Удельная теплоемкость газа при постоянном давлении являлась функцией температуры. Изменение местоположения горла осуществлялось наращиванием или обрезкой выходной кромки лопатки со стороны спинки в графической системе UG в следующем интервале величин: 0,93 aвых кр / aг 1,14, где aг – минимальное расстояние от спинки до корыта (горло лопатки); aвых кр – минимальное расстояние от спинки лопатки до модифицированной (срезанной или наращенной) выходной кромки (рис. 5). выходной кромке корытной оболочки и соответствующий разгон на спинке лопатки, что приводит к монотонному росту профильных потерь в решетке РК. Рис. 6 Рис. 3 Рис. 7 Исключение, и в то же время хороший пример для будущих проектов, составляет среднее сечение рабочей лопатки, где существующее месторасположение горла и скоса выходной кромки является неоптимальным и приводит к повышенному уровню профильных потерь в решетке (рис. 6). Всплеск потерь кинетической энергии газа на среднем сечении рабочей лопатки с базовым вариантом выходной кромки объясняется наиболее быстрым развитием отрывных течений на спинке и наибольшим переразгоном по корыту в области выдува (рис. 8). Поэтому при проектировании новых лопаток требуется проводить подобные предварительные расчеты по определению формы скоса выходной кромки. Дальнейшее наращивание выходной кромки в разумных пределах может способствовать снижению потерь в среднем сечении на 0,5 %. При этом изменения расхода охлаждающего воздуха не происходит, а параметр aвых кр / aг близок к 1 это так называемое «плавающее горло». Это участок межлопаточного канала от начала скоса до выходной кромки с постоянной геометрической Рис. 4 Рис. 5 Из рис. 6 и 7 видно, что при повышении параметра aвых кр / aг (увеличении угла скоса) происходит увеличение скорости газового потока на 5 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) площадью на входе и на выходе (не конфузорный и не диффузорный канал), включающий в себя выдув охлаждающего воздуха. Несмотря на геометрическое равенство, «физическое горло» окажется на выходной кромке из-за притока охлаждающего воздуха. Рыбинск: РГАТУ Расход охлаждающего воздуха изменяется аналогичным образом. Наиболее быстрый рост расхода через окна на выходной кромке происходит при изменении отношения aвых кр / aг от минимального, соответствующего максимально увеличенной выходной кромке, до aвых кр / aг 1,03 (рис. 7). При дальнейшем увеличении скоса выходной кромки от aвых кр / aг 1,03 до полной обрезки рост замедляется. Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что организация выдува необходимого количества охлаждающего воздуха в выходную кромку при допустимом увеличении потерь кинетической энергии возможна при изменении выходной кромки в интервале aвых кр / aг 1 2 %, что подтверждается аналогичными исследованиями и на лопатках других турбин. Модификация выходной кромки в рекомендуемых пределах приводит к повышению экономичности и эффективности охлаждения, в частности к снижению расхода охлаждающего воздуха на 0,4 %. Местоположение горла описываемой в данной статье рабочей лопатки, попадает в область оптимальных условий для выдува охлаждающего воздуха через РК Gвозд / Gгаза 2,8 %. Но по потерям кинетической энергии газа, особенно в среднем сечении, местоположение горла и скоса выходной кромки является неоптимальным и приводит к повышенному уровню профильных потерь. Таким образом, подобные предварительные расчетные исследования при проектировании охлаждаемых лопаток позволяют определить область наилучшего распределения газодинамических параметров. По итогам работы получен патент на полезную модель. Рис. 8 Библиографический список 1. Агеев А. Б., Мамаев Б. И., Нагога Г. П., Шуверова Т. И. Авторское свидетельство Российской Федерации № 1450462, кл. F01D5/08, 1996. Сведения об авторах Поткин Андрей Николаевич – зам. начальника конструкторского отдела ОАО «НПО «Сатурн», аспирант РГАТУ имени П. А. Соловьева, г. Рыбинск. Немтырева Ирина Александровна – кандидат технических наук, ведущий инженер ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. E-mail: [email protected] Карпов Федор Васильевич – начальник бригады ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. Potkin, Andrey Nikolaevich – deputy chief of design department, OAO «NPO«Saturn», post-graduate Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University», Rybinsk. Nemtyreva, Irina Aleksandrovna – Cand. Sc. (Engineering), leading engineer, OAO «NPO«Saturn», Rybinsk. E-mail: [email protected] Karpov, Fedor Vassilievich – team leader, OAO «NPO«Saturn», Rybinsk. 6 В. В. Посадов, А. Е. Ремизов 2014. № 1 (28) УДК 621.452.32 : 534 УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И АНАЛИЗА ТРЕНДОВ ВИБРАЦИЙ ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В. В. ПОСАДОВ, А. Е. РЕМИЗОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Рассмотрен метод диагностики аэроупругих колебаний и трендов вибраций, позволяющий в процессе стендовых испытаний газотурбинного двигателя своевременно обнаруживать изменения, происходящие в его работе. ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, МЕТОД ДИАГНОСТИКИ, ФЛАТТЕР, ТРЕНД ВИБРАЦИЙ UNIVERSAL DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR AEROELASTIC OSCILLATIONS AND ANALYSIS OF VIBRATIONS TRENDS AT CONTINUOUS GAS-TURBINE ENGINE TESTS V. V. POSSADOV, A. E. REMIZOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper introduces diagnostic technique for aeroelastic oscillations and vibrations trends, allowing timely recognize changes at gas-turbine engine operational activity rig tests. GAS-TURBINE ENGINE, DIAGNOSTIC TECHNIQUE, FLUTTER, VIBRATIONS TREND Флаттер рабочего колеса компрессора авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) является наиболее опасным по своим последствиям видом аэроупругих колебаний, который может привести к повреждениям его деталей и узлов, поэтому флаттер не допускается ни на одном из рабочих режимов. В настоящее время повышение своевременности и надежности диагностики флаттера относится к числу перспективных направлений исследований как в России, так и за рубежом и представляет собой достаточно сложную проблему в области аэродинамики и прочности. Сложность задач, возникающих при исследовании флаттера, обусловлена сложностью процессов, протекающих в ГТД, необходимостью учета большого количества факторов при взаимодействии упругих и аэродинамических сил. Экспериментальные исследования флаттера [1] продолжают оставаться основным источником достоверной информации об условиях его возникновения и развития с целью разработки новых, более совершенных методов его диагностики. В процессе экспериментальных исследований вентиляторной ступени (исследование устойчивости к флаттеру лопаток вентилятора, определение границы газодинамической устойчивости) проводилась диагностика колебаний по информации с датчиков, установленных на статорных деталях, вблизи рабочего колеса. На рис. 1 показаны зоны динамического усиления сигналов с вибродатчика (верхний график) и датчика пульсаций давления потока (нижний график) при флаттере после узкополосной фильтрации исходных сигналов. По форме сигналов определить вид аэроупругих колебаний не представляется возможным, поэтому целесообразно разработать универсальный метод диагностики. Для этого требуется выявить универсальный критерий, позволяющий своевременно обнаруживать изменения, происходящие в работе ГТД. Высокой чувствительностью к быстрым изменениям параметров технического состояния ГТД обладают вероятностные характеристики виброакустического сигнала, которые могут быть использованы при диагностике. К таким критериям относятся среднеквадратическое отклонение, вероятность превышения некоторого порогового значения амплитуды к среднему квадратическому (пикфактор), коэффициент искажений и др. В [2] приведены результаты проверки информативности некоторых указанных коэффициентов применительно к флаттеру. Установлено, что наибольшую 7 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) МО – математическое ожидание (среднее значение): чувствительность к изменению технического состояния узлов ГТД имеет коэффициент эксцесса [2, 3], определяемый по формуле: E 1 MO N 1 (Vi MO)4 , N 4 i 0 1 N N 1 Vi ; i 0 Vi – амплитуда сигнала с датчика; N – количество значений. При определении коэффициента эксцесса по указанной формуле при нормальном законе распределения вероятности он равен 3 [4]. где – среднеквадратическое отклонение: Рыбинск: РГАТУ 1 N 1 (Vi MO) 2 ; N 1 i 0 Рис. 1. Зоны динамического усиления сигналов при флаттере после узкополосной фильтрации Предлагаемый метод диагностики [5] состоит в следующем (рис. 2). 1. Предварительно задают начальные условия: минимальную частоту вращения ротора ГТД nр min , пороговое значение амплитуды виброскорости Vпор , пороговое значение амплитуды пульсаций давления потока Pпор . 2. Определяют пороговое значение коэффициента эксцесса Ev пор , соответствующее пороговому значению амплитуды виброскорости, пороговое значение коэффициента эксцесса Ep пор , соответствующее пороговому значению амплитуды пульсаций давления потока. 3. В процессе испытаний синхронно в полосе частот, ограниченной фильтром низкой частоты, измеряют текущее значение частоты вращения ротора nр тек. Определяют текущие значения амплитуды виброскорости Vтек и пульсаций давления потока Pтек. 4. Начало диагностики соответствует моменту времени, в который произошло превышение частотой вращения ротора nр тек заданной минимальной частоты вращения nр min. 5. Для текущих значений амплитуд виброскорости Vтек и пульсаций давления потока Pтек определяют текущие значения коэффициентов эксцесса: Ev тек и Ep тек соответственно. 6. Выполняют проверку достижения текущими значениями коэффициентов эксцесса Ev тек и Ep тек , установленных пороговых значений коэффициентов эксцесса Ev пор и Ep пор . В случае достижения текущими значениями коэффициентов эксцесса Ev тек и Ep тек соответствующих им пороговых значений Ev пор и Ep пор определяют моменты времени (tv и tp соответственно), в которые произошло достижение указанных пороговых значений. 7. По времени достижения коэффициентами эксцесса пороговых значений судят о виде колебаний рабочего колеса, а именно: – если текущее значение коэффициента эксцесса для сигнала с датчика пульсаций давления потока достигает своего порогового значения раньше, чем текущее значение коэффициент эксцесса для сигнала с вибродатчика (tp tv), то это свидетельствует о наличии срывных колебаний в рабочем колесе; 8 В. В. Посадов, А. Е. Ремизов 2014. № 1 (28) – если коэффициенты эксцесса для сигналов с датчика пульсаций давления потока и вибродатчика одновременно достигают своих пороговых значений (tp = tv), то это свидетельствует о наличии флаттера в рабочем колесе (в этом случае режим работы снижают). Evтек 1 N 4 vтек MOvтек N 1 (V MO i )4 E pтек i 0 1 N 1 1 N vтек 1 N 4 N 1 (V MO i vтек )2 pтек i 0 N 1 V i0 i MO pтек N 1 (V MO i pтек )4 i 0 1 N 1 1 N Метод позволяет своевременно выявить изменения, произошедшие в работе двигателя, после чего проводится детальный анализ для установления конкретного дефекта. Целесообразно использование метода для узкополосных вибрационных процессов, применительно к ГТД с длительной наработкой и при исследовании аэроупругих колебаний. Эффективность применения программы зависит от места постановки датчика. С целью повышения оперативности диагностики различных изменений в техническом состоянии двигателя, возникающих в процессе его работы, разработана программа [6, 7], реализующая рассматриваемый универсальный метод диагностики, позволяющая выполнять предварительную диагностику: – аэродинамических процессов (датчик вибрации установлен на корпусе компрессора), например автоколебательных (флаттер), а также связанных с образованием зон срывного обтекания (вращающийся срыв); – дефектов при анализе трендов вибраций (например трещин в роторе) в процессе проведения длительных стендовых испытаний (эквивалентноциклических, ресурсных и пр.) авиационных, судовых и корабельных ГТД, а также в процессе эксплуатации энергетических ГТД, в случаях, когда отсутствует возможность выполнения спектрального анализа вибраций; – повреждений подшипника (датчик установлен на корпусе подшипника); – повреждений зубчатых колес (датчик установлен на корпусе редуктора). Методика диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины была реализована при испытаниях авиационного ГТД. При диагностике колебаний исходными данными для программы является информация с датчиков, установленных на его статорных деталях вблизи рабочего колеса: датчиков вибрации и датчиков пульсаций давления потока. Перед проведением испытаний корпус вентилятора был препарирован высокочастотным датчиком пульсаций давления потока Kulite XTE-190 и высокочастотным трехкомпонентным вибродатчиком ВТК-7. Задали пороговые уровни для сигналов с датчика пульсаций давления потока (0,025 кгс/см2) и вибродатчика (4 мм/с), которые соответствовали значениям пороговых амплитуд вибрационных напряжений в лопатках. Превышение указанных уровней свидетельствовало о начале возникновения опасных колебаний. Определили соответствующие им пороговые значения коэффициента эксцесса. На рис. 1 показаны две зоны динамического усиления для сигнала с вибропреобразователя V, N 1 (V MO i pтек )2 i 0 N 1 V i i 0 Рис. 2. Алгоритм предлагаемого метода диагностики развития флаттера 8. Дополнительно при пост-обработке в случае необходимости детального анализа выполняют спектральный анализ вибрации и пульсаций давления потока (поиск и идентификация составляющих, не кратных частоте вращения ротора), например с помощью следящего фильтра. 9 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) В, и датчика пульсаций давления потока P, В, в зависимости от времени. Анализ нарастания амплитуд был выполнен Рыбинск: РГАТУ для первой и второй зон динамического усиления сигналов с вибропреобразователя и датчика пульсаций давления потока (рис. 3). Коэффициент эксцесса 8 0,34 7,5 0,32 7 0,3 6,5 0,28 6 0,26 5,5 0,24 5 0,22 E 0,2 4 0,18 3,5 V, мм/с 4,5 0,16 3 0,14 2,5 0,12 2 0,1 1,5 0,08 1 0,06 0,5 0,04 0 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 t, с Ev Ep V, мм/с P, кгс/см² Рис. 3. Результат диагностики флаттера: EV – коэффициент эксцесса для сигнала с вибропреобразователя; EР – коэффициент эксцесса для сигнала с датчика пульсаций давления потока; V – амплитуда виброскорости; P – амплитуда пульсаций давления потока Для этих зон с интервалом в 2,41 с были определены значения коэффициентов эксцесса для измеряемых датчиками сигналов и преобразовывали их в узкополосные с помощью фильтра низкой частоты с частотой среза 300 Гц. Сравнивали значения коэффициентов эксцессов для сигналов с датчика пульсаций давления потока и вибропреобразователя с их пороговыми значениями Е = 3,5. Определили моменты времени, при которых значения коэффициентов эксцесса принимали величину Е = 3,5. Единому для вибраций и для пульсаций давления потока пороговому значению коэффициента эксцесса Е = 3,5 соответствовал момент фиксации: для первой зоны динамического усиления 16,5 с, для второй – 79 с. Коэффициенты эксцесса для сигналов с вибродатчика и датчика пульсаций давления потока одновременно достигли порогового значения. Следовательно, делали вывод о возникновении флаттера. При проведении длительных стендовых испытаний (эквивалентно-циклических, ресурсных и пр.) авиационных и судовых ГТД и в процессе эксплуатации энергетических ГТД выполняется контроль вибросостояния узлов двигателей. При этом обычно производится анализ медленно изменяющихся параметров – трендовых характеристик, которые оценивают по показаниям контрольноизмерительной аппаратуры с последующим спектральным анализом, выполнение которого не всегда возможно. Методика диагностики дефектов апробирована по результатам зарегистрированной информации при развитии трещины в диске-лабиринте компрессора ГТД в процессе длительных стендовых испытаний. Контролируемые уровни вибраций, предшествующие циклу, после которого были остановлены испытания, изменялись плавно и постепенно, после чего двигатель был демонтирован и проведена дефектация его деталей, по результатам которой было установлено, что причиной увеличения контролируемой вибрации является развитие сквозной трещины в диске-лабиринте с угловой протяженностью около 180 (рис. 4). Раскрытие такой трещины могло привести к значительным повреждениям как самого ГТД, так и испытательного стенда. По результатам информации, зарегистрированной как по интегральным уровням контролируемой виброскорости, так и по результатам спектрального анализа вибраций, был апробирован описанный выше универсальный метод диагностики. С помощью этого метода испытания могли быть завершены досрочно с меньшим развитием 10 В. В. Посадов, А. Е. Ремизов 2014. № 1 (28) трещины. Это свидетельствует об эффективности использования данного метода диагностики. Причем по результатам спектрального анализа тенденция увеличения уровня вибрации по коэффициенту эксцесса прослеживается значительно раньше, чем по значениям интегральной виброскорости (суммарной вибрации). Рис. 4. Трещина в диске-лабиринте При условии выполнения записи вибрации в достаточно узкой полосе частот, включающей, как правило, первые гармоники частот вращения роторов, резкое изменение коэффициента эксцесса может рассматриваться как настораживающий фактор к приостановке испытаний для выполнения детального анализа вибраций. Таким образом, авторами предпринята по- пытка на основе единых подходов разработать алгоритм и программу, предназначенные для исследования и диагностики аэроупругих колебаний и анализа трендов вибраций в процессе стендовых испытаний ГТД. В качестве критериев были использованы безразмерные дискриминанты, обладающие высокой чувствительностью к изменению технического состояния узлов ГТД. Библиографический список 1. Посадов В. В. (мл.), Посадов В. В., Еремин А. А., Ремизов А. Е. Исследование природы срывного флаттера рабочего колеса компрессора авиационного газотурбинного двигателя // Климовские чтения – 2013. Перспективные направления развития двигателестроения: Сб. докл. Междунар. научно-техн. конф. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – С. 118 – 126. 2. Посадова О. Л. Автоматизированная система вибродиагностики автоколебаний компрессора авиационного газотурбинного двигателя: Дис. канд. техн. наук. – Рыбинск: РГАТА, 2010. – 200 с. 3. Генкин М. Д., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. – М.: Машиностроение, 1987. – 288 с. 4. Тюрин Ю. Н., Макаров А. А. Анализ данных на компьютере / Под ред. В. Э. Фигурнова. – М.: ИНФРА-М, 2002. – С. 34. 5. Фирсов А. В., Посадов В. В. Способ диагностики технического состояния элементов двигателя: заявка на изобретение № 2012152179/06. Рос. Федерация; заявл. 04.12.2012, решение о выдаче патента от 05.11.2013. 6. Посадов В.В. (мл.), Посадов В.В. Диагностика нестационарных процессов при стендовых испытаниях газотурбинного двигателя // Климовские чтения – 2013. Перспективные направления развития двигателестроения: Сб. докл. Междунар. научно-техн. конф. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013 – С. 110 – 118. 7. Посадов В. В. (мл.), Посадов В. В. Методика расчетного определения нестационарных процессов в работе газотурбинного двигателя: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013619784: заявка № 2013617488; заявл. 19.08.2013; опубл. 15.10.2013. Сведения об авторах Посадов Владимир Владимирович – аспирант ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Ремизов Александр Евгеньевич – доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Possadov, Vladimir Vladimirovich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] 11 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Remizov, Alexander Evgenievich – Doctor of Engineering, associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] УДК 621.44.533.697 К ВОПРОСУ ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ШУМ ВЗАИМОРАСПОЛОЖЕНИЯ ЛОПАТОК ПЛОСКОЙ МОДЕЛИ ЛОПАТОЧНЫХ ВЕНЦОВ ТУРБИНЫ И. Н. АДИЕВ, С. Е. БЕЛОВА, С. В. ПЕРОВСКИЙ, А. А. ПРОКОФЬЕВ, А. Р. ПУСТОВАЛОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Сделан анализ результатов экспериментальных исследований ротор-статор взаимодействия в турбине, выполненных различными авторами. Показана возможность снижения шума за счет использования клокинг-эффекта. ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТУРБИНА, АКТИВНОЕ СНИЖЕНИЕ ШУМА, РОТОР-СТАТОР ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, КЛОКИНГЭФФЕКТ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ TO A PROBLEM OF TURBINE BLADE ROWS FLAT MODEL INTERPOSITION INFLUENCE ON AERODYNAMIC NOISE EXPERIMENTAL ESTIMATION I. N. ADIEV, S. E. BELOVA, S. V. PEROVSKY, A. A. PROKOFIEV, A. R. PUSTOVALOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper presents analysis of turbine rotor wheel-stator interaction experimental researches results, performed by various authors, as well as possibility of noise reduction by means of clocking effect. PERSPECTIVE TURBINE, ACTIVE NOISE REDUCTION, ROTOR WHEEL-STATOR INTERACTION, CLOCKING EFFECT, EXPERIMENTAL RESEARCH Генерация авиационного шума элементами авиационных двигателей вызывает две насущные проблемы современной авиации: сужение зоны комфорта жителей районов, близких к аэропортам и военным авиабазам, а также – снижение ресурса деталей соответствующих элементов ГТД по причине влияния динамических нагрузок. Повышение акустической безопасности самолетов на взлете и на посадке представляет собой уже сегодня и будет представлять в будущем одно из главных направлений исследований в двигателестроении. К настоящему моменту достигнуты значительные успехи в глушении шума вентиляторов турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) и их реактивных струй. При проектировании и доводке турбин в отечественной и зарубежной практике широко применяются различные способы внешнего глушения шума, получившие название «пассивные способы», т. е. способы глу- шения уже сгенерированного различными источниками шума. Но пока отсутствуют достаточно эффективные методы активного снижения акустического шума, производимого лопаточными машинами. Самый распространенный на сегодняшний день способ снижения шума ТРДД – применение ЗПК [2] – удорожает производство двигателя, утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает топливно-экономические показатели. К тому же, на данный момент резервы этого способа, равно как и всех пассивных, практически исчерпаны. Поэтому для перспективных турбин ТРДД наиболее актуальны вопросы разработки именно активных способов глушения шума, т. е. способов воздействия на его источники [4, 5, 6]. Вместе с тем, дальнейшее повышение эффективности турбин авиационных и наземных ГТД требует понимания особенности многих аспектов их аэродинамики: распространения кромочных 12 И. Н. Адиев, С. Е. Белова, С. В. Перовский и др. 2014. № 1 (28) следов, их взаимодействия с лопатками следующих по потоку рядов, закономерностей ламинарнотурбулентных переходов и т. п. Анализ широкого спектра рекомендаций по проектированию малошумных турбин позволяет определить совокупность основных требований к инновационному способу глушения. Предлагаемый способ активного снижения шума должен: не снижать КПД турбины, т. е. не создавать дополнительных источников потерь полного напора; не утяжелять конструкцию турбины – это может быть достигнуто только в условиях отсутствия дополнительных элементов конструкции; не вызывать значительных с точки зрения технико-экономического обоснования проектирования перспективного ТРДД материальных затрат; не оказывать негативного влияния на аэродинамические и прочностные характеристики турбины. Одним из оптимальных с точки зрения перечисленных требований вариантов может стать применение clocking-эффекта – явления снижения профильных потерь при натекании на лопатку вихревого следа вышележащего по потоку профиля. Известно, что при определенном взаиморасположении лопаток соседних лопаточных рядов для нижестоящих по течению лопаточных рядов существуют такие положения относительно турбулентных возмущений, созданных вышестоящими по потоку лопатками, которые являются благоприятными или неблагоприятными по отношению к определенному параметру. Еще в середине 90-х годов зарубежными исследователями было определено, что в случае прохождения аэродинамического следа профилей в серединах межлопаточных каналов последующего лопаточного венца потери будут максимальными; если же след попадает на профиль следующего венца, то суммарные потери уменьшаются [7]. На рис. 1 показана схема обтекания лопаточных венцов потоком, истекающим из вышестоящего лопаточного венца, в условиях клокинг-эффекта. Принимая во внимание тот факт, что аэродинамический шум турбин вызывается теми же причинами, что и потери полного напора, т. е. турбулентностью, неравномерностью потока, можно сделать вывод, что способ, дающий положительный эффект для повышения КПД, позволит и снизить шум газа в турбине. В этом плане стоит сказать следующее. Вопервых, рядом авторов установлено, что нестационарное поле течения газа в турбине становится более упорядоченным при кратном числе лопаток в обоих венцах ступени [6, 8]. Во-вторых, шум потока, проходящего через несколько лопаточных венцов, снижается, если закромочный след, сходящий с предыдущего венца, попадает на входные кромки лопаток последующего [6, 9]. Вместе с тем, влияние на шум потока оказывает целый ряд факторов. Например, расстояние между венцами, т. е. осевой зазор, что следует и из вывода, сделанного еще Н. Е. Жуковским для решетки аэродинамических профилей: практически выравнивание параметров газового потока за решеткой профилей происходит на расстоянии, приблизительно равном шагу. Есть авторы, допускающие величину осевого зазора, равную отн = 1 [4], которая представляется нецелесообразной по соображениям сохранения уровня КПД и габаритов турбины. При этом известен и ряд рекомендаций по выбору оптимального относительного осевого зазора, при котором обеспечиваются максимальные значения КПД турбины, например по данным работ [10, 11]. Также на генерацию шума потока, обтекающего лопатку, оказывает влияние толщина выходной кромки. Из теории турбин известно, что сходящие с выходных кромок лопаток «следы» (когерентные структуры, именуемые дорожками Кармана) имеют следующую особенность: вихри с корытца и спинки сходят попеременно (по одному или парами). Ближний след за лопатками турбинной решетки довольно хорошо изучен зарубежными и отечественными авторами [12, 13]. Известно, что размер сходящих вихрей зависит от толщины выходной кромки, а частота схода – еще и от скорости потока [14]. При этом частота схода вихрей достигает более 50 кГц, а фазовый сдвиг между сходом вихря со спинки и корытца составляет 180 [15]. Если же речь идет об охлаждаемой лопатке с выдувом охладителя в щели в задней кромке, то влияние выдуваемого воздуха сказывается в разрушении когерентной структуры и образовании двух независимых дорожек Кармана с большей частотой схода вихрей. Мнение исследователей по поводу определения оптимального расположения лопаток последующего венца относительно лопаток соответст- 3 Рис. 1. Схема обтекания лопаточных венцов потоком, истекающим из вышестоящего лопаточного венца, в условиях клокинг-эффекта: 1 – предыдущий венец; 2 – последующий венец; 3 – закромочный след 13 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) вующего ему предыдущего разделились. Ряд авторов, например [16, 17], предлагает размещать входные кромки лопаток соседних рядов со смещением на полшага относительно друг друга, причем число лопаток в венцах должно быть равным или кратным. Для установления влияния на аэродинамический шум взаиморасположения лопаток в плоской модели системы лопаточных венцов турбины авторами предпринято экспериментальное исследование течения в плоской решетке из трех лопаточных венцов (1,5 ступени), схема которой показана на рис. 2. Целью данного исследования было сравнение уровней шума потока в задней полусфере системы трех лопаточных венцов турбины при разных осевых зазорах и разных вариантах относительного расположения лопаток соседних венцов. Рыбинск: РГАТУ Рис. 2. Схема системы лопаточных венцов ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК координатная машина компьютерное управление координатной машиной ЭВМ аэродинамическая труба плоская решетка датчик (микрофон) регистрация результатов на ЭВМ МАТЕРИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Рис. 3. Принципиальная схема экспериментальной установки Экспериментальный стенд представлял собой аэродинамическую трубу с моделью системы лопаточных венцов (рис. 3). В ходе эксперимента с помощью автоматизированного измерительного блока с применением ПЭВМ замерялось полное давление потока в выходном сечении второго венца. Область замера располагалась в выходном сечении системы лопаточных венцов и составляла 2 шага по выходной кромке: промерялась область одного межлопаточного канала и по 0,5 длины канала в правую и левую стороны, т. е. половины длин соседних межлопаточных каналов. Область замера давления составила 120 мм. Шаг перемещения приемника составлял 2 мм. Для оценки уровня генерируемого шума был использован шумомер. Для нивелирования влияния стен и других предметов на акустическое поле потока были применены Рис. 4. Схема расположения точек замера шума потока: 1 – точки расположения приемного устройства шумомера; 2 – экспериментальная решетка; 3 – точка пересечения средней линии исследуемого межлопаточного канала и выходного сечения решетки 14 И. Н. Адиев, С. Е. Белова, С. В. Перовский и др. 2014. № 1 (28) защитные экраны. Шум измерялся в горизонтальном полукруге за моделью системы лопаточных венцов (рис. 4), точки замеров располагались на расстоянии угла = 15 друг от друга. На рис. 5 показан пример сравнения результатов замера уровня шума потока, проходящего через систему лопаточных венцов с осевым зазором о = 0,1В, где В – ширина лопаточного венца, и о = 0,4В. На основании анализа результатов измерений можно сделать вывод о том, что наибольший уровень шума в горизонтальной плоскости достигается в направлениях, перпендикулярных направлению течения рабочего тела, а наименьший – в направлении движения ядра потока. По мнению авторов, это объясняется тем, что в направлении движения потока имеет место меньшая его неравномерность, генерирующая меньший шум, в то время как в направлениях 90 звуковое давление усиливается влиянием следовых явлений. Вместе с тем, в соответствии с соображениями, высказанными в работе [18], на расположение зон наименьшей турбуленции за выходным сечением турбинной решетки значительное влияние оказывает угол установки профиля. На распространение и особенности зон турбулентных возмущений влияет ширина среднего лопаточного венца, величина осевых зазоров, скорость течения газа. Анализ и обобщение данных по шуму при различных ориентациях (углах установки) лопаток позволяет сделать уточненную рекомендацию по размещению лопаток второго соплового аппарата, а именно, их установке со смещением по выходной кромке на расстояние Рис. 5. Сравнение уровней шума, излучаемого плоской моделью системы лопаточных венцов турбины, при разных осевых зазорах: ● – Δо = 0,4В; ■ – Δо = 0,1В Очевидно влияние величины осевого зазора: с его увеличением уровень шума снижается, что совпадает с результатами исследований других авторов [4, 10, 11]. Аналогичные измерения были проведены для ряда других величин осевых зазоров в интервале о = 0,1…0,5В. Результатами всей серии замеров вышеприведенное утверждение было полностью подтверждено. Также для всех величин осевых зазоров установлено расположение минимума уровня шума, соответствующее середине исследуемого межлопаточного канала. Также были выполнены замеры полного напора в выходном сечении системы лопаточных венцов и уровня шума при нескольких величинах осевых зазоров и вариантах взаимной ориентации одноименных лопаток (в нашем случае – сопловых). На рис. 6 показан пример результатов такого эксперимента для о = 0,2В. z о tg , (1) где о – величина осевого зазора; – угол установки предыдущего профиля. Интересен вопрос о характере распределения уровня шума по полукругу в выходном сечении системы решеток. Приведенные в данной работе соответствующие графики, равно как и весь экспериментальный материал авторов по акустике, показывают, что рост уровня шума со стороны корытца более интенсивный, нежели со стороны спинки. В работе [19] показано, что динамика закромочного следа зависит от «предыстории» течения, которая определяется особенностями течения газа около вогнутой и выпуклой поверхностей рабочей лопатки, а также геометрией её выходной кромки. Кориолисовы силы дестабилизируют поток, в результате их действий частица газа движется в направлении нормали к вогнутой поверхности лопаток, в результате чего растет уровень турбулентных пульсаций возле неё. На выпуклой поверхности Кориолисовы силы стабилизируют характер потока. На основании анализа полученных аналитических и экспериментальных результатов можно сделать еще одну рекомендацию. Учитывая тот факт, что наибольший вклад в шум турбины вносит последняя ступень ТНД, целесообразно рекомендовать подбор количества стоек заднего сточного узла кратным количеству лопаток соплового аппарата последней ступени ТНД с расположением стоек относительно сопловых лопаток согласно приведенной выше зависимости (1). Рис. 6. Эпюры уровня шума и полного давления потока в выходном сечении второго соплового аппарата 15 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ Библиографический список 1. Кузнецов В., Мунин А., Самохин А. Зеленый самолет // сайт «Известия науки», публикация от 16.03.2009 г. [электронный ресурс] 2. Скибин В. А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей / Под общ. ред. В. А. Скибина, В. И. Солонина. – М.: Изд-во ЦИАМ, 2010. 3. Федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 – 2010 годы и на период до 2015 года». Государственный заказчик Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России). 4. Самохин В. Ф. Шум ГТД. Введение в авиационную акустику. – М.: Изд-во МАИ, 2007. 5. Власов Е. Н. Исследование шума лопаточных машин и способы его снижения: Монография. – М.: ИРЦ «Газпром», 1998. 6. Савин Н. М., Сарен В. Э. Гидродинамическое взаимодействие венцов в системе ротор-статор осевой турбомашины // Изв. РАН. МЖГ. – 2000. – № 3. – С. 145 – 158. 7. Dorney, D. J., Sharma, O. P. A Study of Turbine Performance Increases Through Airfoil Clocking. AIAA P. 962816, Lake Buena Vista, FL, 1996. 8. Августинович В. Г., Иноземцев А. А. и др. Нестационарные явления в турбомашинах. – Екатеринбург, Пермь: УО РАН, 1999. – 280 с. 9. Лапотко В. М., Кухтин Ю. П., Лапотко А. В. Полный анализ клокинг-эффектов в 1,5 ступени газовой турбины с использованием метода отслеживания струй течений газа // Вестник двигателестроения. – 2006. – № 1. 10. Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. – М.: Машиностроение, 1970. 11. Исследование рабочего процесса в ступени газовой турбины: Сб. статей. Труды МАИ. – 1956. – Вып. 68. 12. Богомолов, Е. Н. Исследование ближнего следа за турбинной решеткой / Е. Н. Богомолов, В. В. Вятков, А. Е. Ремизов // Изв. вузов. Авиационная техника. – 2001. – № 3. – С. 15 – 18. 13. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин. – М.: Мир, 1987. 14. Августинович В. Г., Шмотин Ю. Н. и др. Численное моделирование нестационарных явлений в газотурбинных двигателях. – М.: Машиностроение, 2005. 15. Cicatelly G., Siverding C. H. A Review of the Research on Unsteady Turbine Blade Wake Characteristics, AGARD CP-571, UK, 8-12 May 1995. 16. Патент РФ № 2246632 «Способ подавления акустических шумов, возникающих в результате взаимодействия между ротором и статором в газотурбинном двигателе, и устройство для осуществления этого способа». 17. Муравченко Ф. М., Лапотко В. М., Кухтин Ю. П., Резник С. Б., Попуга А. И. Оценка акустического взаимодействия венцов турбины вентилятора двигателя Д-18Т // Вестник двигателестроения. – 2006. – № 1. 18. Белова С. Е. Активное снижение аэродинамического шума турбин перспективных ГТД на основании применения clocking-эффекта при нестационарном взаимодействии лопаточных венцов // Вестник РГАТУ имени П. А. Соловьева. – 2012. 19. Расчет нестационарного ротор-статорного взаимодействия в турбинной ступени методом гармонического баланса / А. В. Григорьев, А. И. Якунин, Н. Б. Кузнецов, В. Ф. Кондратьев, Н. Н. Кортиков // Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования. – 2013. – № 1. – С. 183 – 191. Сведения об авторах Адиев Ильяс Назимович – студент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Белова Светлана Евгеньевна – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Перовский Сергей Викторович – студент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Прокофьев Александр Александрович – студент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Пустовалов Алексей Романович – студент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Adiev, Ilyas Nazimovich – student, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] 16 И. Н. Адиев, С. Е. Белова, С. В. Перовский и др. 2014. № 1 (28) Belova, Svetlana Evgenievna – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Perovsky, Sergey Viktorovich – student, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Prokofiev, Alexander Aleksandrovich – student, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Pustovalov, Alexey Romanovich – student, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] 17 МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ MATERIALS AND ENGINES MANUFACTURING TECHNOLOGY УДК 621.791.92 ЭРОЗИОННО СТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ С ДИСКРЕТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБИН 1 Н. К. КРИОНИ1, А. В. НОВИКОВ2, А. Д. МИНГАЖЕВ1, Р. Р. БЕКИШЕВ2, 2014 ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» 2 ООО «ПП Турбинаспецсервис», г. Уфа Методы нанесения покрытий плазменной наплавкой нашли широкое применение в различных областях машиностроения и при восстановлении изношенных деталей. Лопатки паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному эрозионному износу. Замена стеллитовых накладок на дискретное эрозионно стойкое покрытие, полученное методом плазменной наплавки, позволяет снизить трудоемкость технологии и повысить эксплуатационные свойства лопаток паровых турбин. Применительно для лопатки турбины К-300-240 проведены исследования свойств дискретных покрытий, полученных по разработанной технологии. ЛОПАТКА, ЭРОЗИЯ, ПЛАЗМЕННАЯ НАПЛАВКА, ПОКРЫТИЕ С ДИСКРЕТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, МИКРОТВЕРДОСТЬ, УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ TURBINE BLADES EROSION-RESISTANT COATING WITH DISCRETE ELEMENTS 1 N. K. KRIONI1, A. V. NOVIKOV2, A. D. MINGAZHEV1, R. R. BEKISHEV2, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Ufa State Aviation Technical University» 2 OOO «PP Turbinaspetsservis», Ufa Plasma-jet hard-facing coatings deposition methods have been widely applied in different fields of engineering, e.g. at worn-out parts recovery techniques. Steam turbine blades at operational process are subject of intensive erosive wearing. Replacement of stellite plates by discrete erosion-resistant ones, manufactured by plasma-jet hard-facing technique leads to reduction of technology labor content as well as to steam turbines blades performing properties improvement. The paper depicts characteristics of К-300-240 turbine blade discrete coating research results; the blade was manufactured in accordance with newly-developed technology. BLADE, EROSION, PLASMA-JET HARD-FACING, DISCRETE ELEMENTS COATING, MICROHARDNESS, FATIGUE RESISTANCE В процессе эксплуатации лопатки паровых турбин подвергаются воздействию разрушающих факторов, вызывающих капельно-ударную эрозию (рис. 1), приводящую к выходу их из строя [1, 2]. Замена поврежденных лопаток паровых турбин является трудоемким и дорогостоящим процессом, т. к. требует снятия их с ротора, приобретения но- вых лопаток, установки их на ротор и пр. [3, 4]. Эрозионному износу подвергаются рабочие лопатки последних ступеней ЦНД, длина пера которой составляет 940 – 1050 мм, а ее стоимость – 0,5 млн р. Поэтому решение проблемы продления ресурса новых или восстановленных лопаток является весьма актуальной задачей, которая может 18 Н. К. Криони, А. В. Новиков, А. Д. Мингажев, Р. Р. Бекишев 2014. № 1 (28) быть решена, в частности, созданием эрозионно стойких покрытий. В связи с этим, настоящая статья посвящена разработке и исследованию новой технологии защитно-упрочняющей обработки лопаток паровых турбин, позволяющих повысить их эрозионную стойкость. патки использовался материал Nistelle (Eu TroLoy 16221.04 + ВПр-11-40Н). Рис. 2. Наплавленный участок лопатки паровой турбины: 1 – перо лопатки; 2 – наплавленный участок лопатки Рис. 1. Эрозионный износ рабочих лопаток паровой турбины: 1 – перо лопатки; 2 – зона эрозионного износа Существующие технологии упрочняющей обработки лопаток паровой турбины сводятся либо к приварке или припайке стеллитовых пластин к кромке пера лопатки, в зону наибольшей эрозии [5], либо при восстановлении лопатки к удалению поврежденного участка кромки, многослойной наплавке восстанавливаемого участка кромки, термической и механической обработке и приварке стеллитовых пластин [6, 7]. Однако использование стеллитовых пластин усложняет технологию изготовления или ремонта лопаток, а также приводит к снижению их усталостной прочности. В этой связи, на предприятии ООО «Турбинаспецсервис» разработана и внедрена технология формирования эрозионно стойкой поверхности на лопатках паровых турбин из легированной стали. Варианты технологии были отработаны для упрочнения как новых, так и восстанавливаемых после эксплуатации лопаток [8]. Отличие технологий защитно-упрочняющей обработки новых и восстанавливаемых лопаток состоит лишь в необходимости удаления дефектной части материала изношенных лопаток и восстановлении их геометрии. Процесс формирования эрозионно стойкого слоя на кромках новых и восстановленных лопаток практически не отличался. Разработанная технология для варианта восстановления с последующей защитно-упрочняющей обработкой, на примере лопатки паровой турбины К-300-240 из стали 15Х11МФ, заключается в следующем [8]. Удаление дефектного материала и восстановление изношенного участка лопатки методами наплавки (рис. 2), с последующей механической обработкой лопатки (рис. 3), обеспечивающей восстановление ее исходной геометрии. В качестве наплавляемого материала при восстановлении ло- Рис. 3. Рабочая лопатка после механической обработки: 1 – перо лопатки; 2 – восстановленный участок лопатки В результате проведенных экспериментальных исследований по подбору наплавляемого материала и режимов его наплавки было установлено, что введение в состав Nistelle некоторого количества припоя ВПр-11-40Н стабилизирует процесс наплавки и уменьшает количество дефектов в наплавленном материале (рис. 4). Рис. 4. Структура материала наплавленной зоны лопатки: 1 – основной материал лопатки; 2 – наплавленный материал После восстановления исходных размеров лопатки производят защитно-упрочняющую обработку пера. При этом области лопатки, подверженные капельно-ударной эрозии, защищают путем формирования на кромке пера лопатки дискретного слоя эрозионно стойкого материала (рис. 5). 19 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ Рис. 5. Схема формирования дискретного эрозионно стойкого покрытия на кромке пера лопатки: 1 – лопатка; 2 – зона лопатки под наплавку стеллита; 3 – основной материал лопатки; 4 – канавки (карманы) под наплавку; 5 – перегородки между канавками; 6 – наплавленный материал Для наплавки дискретного слоя эрозионностойкого материала на входной кромке пера лопатки формируют канавки (рис. 5 и 6). Канавки на кромке под наплавку могут быть изготовлены как методом механической обработки (рис. 6), так и методами размерной электроэрозионной или электрохимической обработки. После наплавки Stellite на входную кромку на фрезерном обрабатывающем центре с ЧПУ проводится механическая обработка в размер, при этом сохраняется аэродинамический профиль лопатки (рис. 7). Структура покрытия равномерная, поры и дефекты в наплавленной зоне покрытия не наблюдаются (рис. 8). Исследование микротвердости образцов с наплавленными слоями показало, что микротвердость слоя Stellite составляет HV = 470 кгс/мм2, слоя Nistelle HV = 380 кгс/мм2, а основного материала – стали 15Х11МФ HV = 250…230 кгс/мм2 (рис. 9). Рис. 7. Зона лопатки с дискретной наплавкой после механической обработки: 1 – перо лопатки; 2 – участок лопатки с дискретным наплавленным покрытием Рис. 8. Структура материала Stellite, наплавленного внутри канавки: 1 – основной материал лопатки; 2 – наплавленный материал Результаты усталостных испытаний образцов из стали 15Х11МФ с двухслойными наплавленными покрытиями показали на явное преимущество плазменной наплавки по сравнению с аргонодуговой (рис. 10). Испытания проводились на плоских образцах с асиметрично расположенным двухслойным покрытием. Первый слой покрытия тол- Рис. 6. Канавки под наплавку на входной кромке пера лопатки: 1 – перо лопатки; 2 – канавки; 3 – перегородки между канавками 20 Н. К. Криони, А. В. Новиков, А. Д. Мингажев, Р. Р. Бекишев 2014. № 1 (28) щиной 1,5 мм был наплавлен из материала Nistelle, второй слой также толщиной 1,5 мм был получен методами наплавки из материала Stellite. Снижение усталостной прочности деталей с покрытиями, по сравнению с деталями без покрытий, составило: для импульсной аргонодуговой наплавки – 40 – 50 %, для плазменной наплавки – 15 – 20 %. Рис. 9. Изменение микротвердости двухслойного покрытия (Stellite + Nistelle): 1 – слой Stellite; 2 – слой Nistelle; 3 – основной материал – сталь 15Х11МФ Рис. 10. Результаты усталостных испытаний образцов из стали 15Х11МФ с двухслойным наплавленным покрытием: 1 – исходное состояние; 2 – плазменная наплавка; 3 – импульсная аргонодуговая наплавка скоростью Суд = 300 м/с. Сравнительные испытания стеллитовых пластин с разработанными наплавленными покрытиями показало, что разработанное покрытие не уступает по эрозионной стойкости стеллитовым пластинам, а при дополнительном использовании многослойных вакуумноплазменных покрытий системы – TiN-Ti-TiNXTiX- (где X – металл «ноу-хау») толщиной 15 – 18 мкм (рис. 11), превосходит по стойкости стеллитовые пластины в 1,1 – 1,2 раза. Эффект, повидимому, может быть объяснен, в частности, тем, что внешнее вакуумно-плазменное покрытие позволяет адаптироваться основному наплавленному Рис. 11. Многослойное вакуумно-плазменное покрытие на наплавленном слое: 1 – наплавленный слой Stellite; 2 – многослойное ионно-плазменное покрытие Стойкость к капельно-ударной эрозии образцов из стали 15Х11МФ с покрытиями исследовалась по методике МЭИ на стенде «Эрозия» при соударении жидких частиц размером 800 мкм и 21 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ слою в начальный период процесса эрозионного износа. Рыбинск: РГАТУ выми накладками, позволяет произвести дополнительную защитно-упрочняющую обработку и тем самым повысить ее ресурс. Экспериментально установлено, что в качестве наплавляемого материала на стадии восстановления паровой лопатки хорошо показала себя смесь Nistelle (Eu TroLoy 16221.04 + ВПр-11-40Н), а на стадии формирования дискретного эрозионностойкого слоя – сплав Stellite. Установлено, что снижение усталостной прочности деталей с покрытиями составило: для импульсной аргонодуговой наплавки – 40 – 50 %, для плазменной наплавки – 15 – 20 %. Исследование микротвердости образцов с наплавленными слоями показало, что микротвердость слоя Stellite составляет HV = 470 кгс/мм2, слоя Nistelle 2 HV = 380 кгс/мм , а основного материала – стали 15Х11МФ HV = 250…230 кгс/мм2. Наплавка сплава Stellite в предварительно подготовленные карманы позволяет произвести формирование дискретного защитного слоя при минимальном смешении наплавляемого материала с основным материалом подслоя и обеспечить низкий уровень остаточных напряжений в покрытии. Применение разработанного покрытия и технологии его нанесения повысило ресурс работы лопаток в 1,1 – 1,2 раза. Выводы Для защиты лопаток паровых турбин от капельно-ударной эрозии хорошо зарекомендовали себя как наиболее стойкие стеллитовые накладки. Однако технология припайки или приварки стеллитовых пластин достаточно трудоемка, а использование пластин приводит к снижению усталостной прочности лопаток и нарушению аэродинамики поверхности лопатки. Попытки использования различного рода вакуумно-плазменных покрытий из-за их малой толщины не принесли ощутимых результатов. Разработанная авторами новая [8] технология формирования методами наплавки дискретных эрозионно стойких покрытий является гибридным вариантом между обычной наплавкой и использованием стеллитовых пластин. Как показали результаты испытаний таких покрытий, они не уступают по эрозионной стойкости стеллитовым пластинам, но позволяют повысить усталостную прочность деталей, упростить технологию получения эрозионно стойкого слоя и улучшить аэродинамические характеристики. Поверхность разработанного покрытия, являясь сплошной, по сравнению с поверхностью, образованной со стеллито- Библиографический список 1. Рыженков В. А. Состояние проблемы и пути повышения износостойкости энергетического оборудования ТЭС // Теплоэнергетика. – 2000. – № 6. – С. 20 – 21. 2. Пряхин В. В., Поваров О. А., Рыженков В. А. Проблемы эрозии турбинных рабочих лопаток // Теплоэнергетика. – 1984. – № 10. – С. 25. 3. Гонсеровский Ф. Г. Семнадцатилетний опыт эксплуатации лопаток паровых турбин после ремонта с применением сварки // Теплоэнергетика. – 2000. - № 4. – С. 39. 4. Гонсеровский Ф. Г., Силевич В. М. Технико-экономическое обоснование способа ремонта эрозионноизношенных паротурбинных лопаток в условиях электростанций // Тяжелое машиностроение. – 2001. – № 9. – С. 21 – 22. 5. Авт. свид. СССР № 1278469 F 01 D 25/28, опубл. в бюл. «Открытия, изобретения» 23.12.1986. 6. Хромченко Ф. А., Лаппа В. А., Федина И. В. и др. Технология ремонта рабочих лопаток паровых турбин // Тяжелое машиностроение. – 1999. – № 8. – С. 17. 7. Восстановление оборудования ТЭС наплавкой и напылением. – Тверь: Центр подготовки персонала OOO Тверьэнерго, 2000. – С. 241 – 243. 8. Пат. № 2426631 Российская Федерация, МПК B23P6/00 Способ восстановления лопаток паровых турбин из легированных сталей / А. В. Новиков, Е. А. Кишалов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев / Бюл. № 23, 2011 г. Сведения об авторах Криони Николай Константинович – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». E-mail: [email protected] Новиков Антон Владимирович – Генеральный директор ООО «Производственное предприятие Турбинаспецсервис», г. Уфа. E-mail: [email protected] Мингажев Аскар Джамилевич – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». E-mail: [email protected] Бекишев Ринат Рашидович – Главный инженер ООО «Производственное предприятие Турбинаспецсервис», г. Уфа. E-mail: [email protected] 22 А. Н. Рыкунов, С. Л. Проскуряков, С. В. Чернышева 2014. № 1 (28) Krioni, Nikolay Konstantinovich – Doctor of Engineering, professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Ufa State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Novikov, Anton Vladimirovich – CEO, OOO «Proizvodstvennoye Predpriyatie Turbinaspetsservis», Ufa. E-mail: [email protected] Mingazhev, Askar Dzhamilevich – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Ufa State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Bekishev, Rinat Rashidovich – Chief Engineer, OOO «Proizvodstvennoye Predpriyatie Turbinaspetsservis», Ufa. E-mail: [email protected] УДК 621.9.01 РАДИУС ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИНА ПРИ ПРЕЦИЗИОННОЙ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ А. Н. РЫКУНОВ, С. Л. ПРОСКУРЯКОВ, С. В. ЧЕРНЫШЕВА, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Рассмотрены особенности влияния свойств инструментального материала, качества обработки и износа лезвийного инструмента на величину радиуса округления его режущей кромки, в значительной степени определяющей выходные параметры процессов микрорезания. РАДИУС ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ, ЛЕЗВИЙНАЯ ОБРАБОТКА, ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИЗНОС ИНСТРУМЕНТА WEDGE TRUNCATION RADIUS AT PRECISION EDGE CUTTING MACHINING A. N. RYKUNOV, S. L. PROSKURYAKOV, S. V. TCHERNYSHEVA, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper considers singularities of instrument material properties, processing quality and edge tool wearing influence on its active face truncation radius value. All the three issues largely define processes of micro cutting output parameters. ACTIVE FACE TRUNCATION RADIUS, EDGE CUTTING MACHINING, INSTRUMENT MATERIALS, INSTRUMENT WEARING Современные требования к качеству деталей машин и проблемы создания конкурентоспособной продукции предопределили резкий рост удельного значения методов прецизионной лезвийной обработки. Сверхточное резание в настоящее время является наиболее перспективным методом производства деталей многих технических систем в приборостроении, авиакосмическом, оборонном комплексах, а также в ряде специфических высокоточных изделий машиностроения. Благодаря успехам инструментального производства и станкостроения достигнутый уровень развития данного вида обработки в целом удовлетворяет требованиям производства, но проведенный анализ показывает все более настоятельную необходимость его дальнейшего совершенствования в плане достижимых точ- ности обработки, параметров качества поверхностного слоя, расширения сферы применимости и номенклатуры деталей. Важнейшее значение с точки зрения перспектив развития методов прецизионной лезвийной обработки имеет их физико-математическое моделирование. Несмотря на достигнутые успехи в этой области [1, 3, 4, 6], практическое применение разработанных моделей сдерживает отсутствие достоверных данных о реальных величинах радиуса округления режущей кромки (1) различных лезвийных инструментов и динамике их изменения в процессе изнашивания. Именно этот параметр определяет особенности микрорезания, оказывает значительное, часто определяющее, влияние на выходные параметры процесса, определяет его 23 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ верхнюю и нижнюю границы [2, 4]. В связи с изложенным, представляется актуальным получение данных о достижимой величине и динамике изменения радиуса округления режущей кромки, что и является целью настоящей публикации. Обширный перечень методов измерения радиуса округления режущей кромки приведен в работах А. И. Гречухина, Б. Н. Леонова и других Рыбинск: РГАТУ авторов. В данной работе применялся наиболее распространенный метод световых сечений (непосредственное измерение лезвия на инструментальном микроскопе). Использовались также профилограф-профилометр и прибор MikroCAD (рис. 1). Расхождения между результатами не превышали 20 %, что много меньше разброса вдоль режущей кромки величины самого параметра. Рис. 1. Измерение радиуса округления режущей кромки (11 мкм) твердосплавной пластины ВК10ХОМ в главной секущей плоскости следующем порядке: твердый сплав и минералокерамика, композиты на основе нитрида бора, монокристаллический алмаз. Инструментальные стали в связи с их малой твердостью и теплостойкостью для процессов микрорезания мало пригодны. Режущий инструмент, используемый при сверхточной обработке, должен обладать способностью совершать устойчивое резание в субнанометрической области, в условиях большой длины непрерывной тонкой стружки, как, например, при алмазном точении алюминиевых оптических деталей. С этих позиций для чистовой обработки деталей из большинства цветных металлов однозначно можно рекомендовать режущие пластины из монокристаллического алмаза, обладающие хорошей износостойкостью, устойчивостью профиля и способностью иметь после заточки нанометрический радиус округления режущей кромки. Так, при алмазном микроточении алюминиевых заготовок наиболее эффективными оказались алмазные резцы (ИР227, ИР361) со следующими геометрическими параметрами режущей части: 1 = 0,01…0,03 мкм; r = 2…3 мм; = 1…2; = 11…12 (r, , – радиус при вершине, главные передний и задний углы). Ограничением при выборе материалов для алмазной микрообработки является их химическое сродство с алмазом, вид кристаллической решетки, наличие в ней дефектов и их распределение, термообработка и др. В качестве режущих материалов для тонкой лезвийной обработки хромоникелевых сплавов, легированных, закаленных сталей, высокопрочных чугунов и т. п. в большинстве случаев эффективно Величина 1 в определяющей степени зависит от качества обработки режущей кромки (заточки и доводки), свойств инструментального материала (его природы, структуры, состава) и износа инструмента. Влияние заточки могут характеризовать следующие экспериментальные данные. Величина 1 у резца с напайной пластиной Т15К6 составила: – 20 мкм после заточки и доводки алмазом; – 30 мкм после заточки и доводки карбидом бора; – 60 мкм после заточки кругом КЗ25СМ2К; – 100 мкм после заточки кругом КЗ40СМ2К. Заметим, что речь может идти лишь о некотором усредненном значении 1 вдоль режущей кромки, что особенно важно иметь в виду при работе крупнозернистым инструментом. Так, в зависимости от конкретной точки режущей кромки неперетачиваемой твердосплавной пластины ВК10ХОМ, величина 1 изменялась от 10 до 15 мкм. С увеличением величины карбидов разброс значений существенно увеличивался: 15 – 25 мкм у пластины ВК6М, 25 – 50 мкм у пластины Т15К6. Исследования показали, что размеры карбидов большинства твердых сплавов в 5 – 8, а у более хрупких сплавов – в 9 – 12 раз меньше минимально достижимого значения 1. Основная причина этого состоит в том, что повышенная хрупкость твердых сплавов при заточке приводит к выкрашиванию зерен целыми группами. Приняв за основу концепцию о влиянии размера частиц материала на величину 1, инструментальные материалы можно расположить по увеличению возможной степени остроты кромки в 24 А. Н. Рыкунов, С. Л. Проскуряков, С. В. Чернышева 2014. № 1 (28) использовать различные марки композитов на основе нитрида бора. Их зернистость позволяет обеспечить при заточке инструмента радиус округления кромки 0,5 – 5,0 мкм, а благодаря исключительно высоким «горячей твердости» и износостойкости, такой инструмент может быть использован на высоких и сверхвысоких скоростях резания. Например, при точении термообработанных стальных заготовок на скоростях до 1000 м/мин удалось устойчиво получать параметр шероховатости обработанной поверхности Ra в пределах 0,1 – 0,8 мкм. Вследствие этого, в последние десятилетия резко сократилось количество исследований, касающихся эффективности применения твердых сплавов на лезвийных операциях микрорезания. Однако свыше 60 % съема стружки производится именно таким инструментом. Это объясняется не столько относительно высокой стоимостью сверхтвердых материалов, сколько их малой прочностью, весьма низкими ударной вязкостью и трещиностойкостью. В то же время, совершенствование технологии производства твердых сплавов, оптимизация их состава и структуры, например легирование сплавов карбидами хрома, позволило создать целую группу твердых сплавов, которые могут быть использованы и в условиях микрорезания. Так, даже у стандартных марок особо мелкозернистой структуры, например ВК10ХОМ, средний размер зерна не превышает 0,5 мкм, что позволяет при заточке и доводке инструмента достигать величины радиуса округления режущей кромки 5 – 15 мкм. Еще большие возможности открываются в случае использования эффективных наноструктурированных износостойких покрытий [5, 6]. Изменение величины 1 во времени (с износом) определяется условиями обтекания лезвия металлом, зависит от интенсивности изнашивания, марки инструментального материала и протекает по сложному закону (рис. 2). При использовании инструментальных сталей резкое, до 2 – 5 раз, часто с несколькими экстремумами, увеличение 1 в течение периода приработки сопровождается затем некоторым монотонным уменьшением. Эффективные износостойкие покрытия и смазочно-охлаждающие среды несколько сглаживает данные зависимости, не меняя принципиально их характера. Для твердосплавного инструмента, независимо от первоначальной заточки, его величина в конце периода приработки стабилизируется на уровне, определяемом зернистостью данного сплава. Поэтому доводить такой инструмент имеет смысл лишь с точки зрения снижения шероховатости рабочих поверхностей и дефектов режущей кромки. У инструмента из сверхтвердых материалов, в т. ч. с алмазосодержащей режущей частью, после наблюдаемой иногда некоторой стабилизации в конце периода приработки величина 1 непрерывно монотонно растет. Так, при точении на оптимальных режимах закаленной стали 30ХГСА радиус округления эльборовой пластины через 10000 м пути резания увеличился с 10 до 130 мкм. В целом, интенсивность нарастания радиуса округления режущих пластин в этом случае определяется почти исключительно интенсивностью износа инструмента. Поэтому важнейшую роль в формировании выходных параметров процесса в течение всего периода стойкости играет величина 1, полученная первоначальной заточкой. Но во избежание микросколов при резании труднообрабатываемых металлов её приходится ограничивать величинами 3 – 10 мкм. При обработке легких сплавов на основе алюминия, магния, меди, первоначальные величины 1 0,5 мкм, получаемые, в частности, на монокристалле алмаза, при соответствующих условиях могут обеспечивать точность обработки и шероховатость поверхности на нанометрическом уровне [3]. Рис. 2. Влияние пути резания на радиус округления режущей кромки при точении сплава ХН73МБТЮ (S = 0,04 мм/об.; r = 4t = 1 мм): 1 – Р6М5 (1 = 40 мкм); 2 – Р6М5 + TiN (1 = 40 мкм); 3 – Р6М5 (1 = 15 мкм); 4 – Т15К6 (1 = 80 мкм); 5 – Т15К6 (1 = 20 мкм); 6 – ВК10ХОМ ( 1 = 11 мкм); 7 – эльбор ( 1 = 11 мкм); 8 – киборит (1 = 19 мкм) 25 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ К сожалению, аналитически описать процесс изменения величины 1 во времени пока не представляется возможным, но полученные эмпирические данные позволяют оценивать практически достижимые возможности процессов микрорезания и формулировать условия обеспечения требований Рыбинск: РГАТУ нанотехнологии к ним, назначать оптимальные условия обработки, прогнозировать перспективы развития оборудования и инструмента, служить справочной базой для их физико-математических моделей. Библиографический список 1. Полетаев, В. А. Особенности стружкообразования при фрезеровании и фрезоточении тел вращения [Текст] / В. А. Полетаев, Д. И. Волков // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2001. – № 7. – С. 18 – 21. 2. Рыкунов, А. Н. Минимальная толщина срезаемого слоя при чистовой лезвийной обработке [Текст] / А. Н. Рыкунов // Справочник. Инженерный журнал. – 2003. – № 4. – С. 15 – 18. 3. Рыкунов, А. Н. Математическое моделирование шероховатости поверхности при лезвийной обработке [Текст] / А. Н. Рыкунов // Справочник. Инженерный журнал. – 2005. – № 11. – С. 11 – 15. 4. Рыкунов, А. Н. Теплофизический анализ лезвийной обработки с малыми толщинами среза [Текст] / А. Н. Рыкунов // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева. – 2010. – №1 (16). – С. 128 – 134. 5. Рыкунов, А. Н. Условия эффективной эксплуатации твердосплавного инструмента с износостойкими покрытиями [Текст] / А. Н. Рыкунов, М. О. Мезенцев // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. – 2012– № 2. – С. 138 – 143. 6. Рыкунов, А. Н. Обобщенная взаимосвязь износа твердосплавного инструмента с термомеханическими условиями протекания процессов токарной обработки металлов [Текст] / А. Н. Рыкунов, С. Л. Проскуряков // Научнотехнический вестник Поволжья. – 2013. – № 3. – С. 253 – 257. Сведения об авторах Рыкунов Александр Николаевич – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Проскуряков Сергей Львович – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Чернышева Светлана Владимировна – студент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». Rykunov, Alexander Nikolaevich – Doctor of Engineering, professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Proskuryakov, Sergey Lvovich – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Tchernysheva, Svetlana Vladimirovna – student, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». 26 А. А. Орлов, Д. И. Волков 2014. № 1 (28) УДК 621.9.047.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СРЕДНЮЮ ВЫСОТУ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ ПРОФИЛЯ ПЕРА ЛОПАТОК ГТД 1 2 А. А. ОРЛОВ1, Д. И. ВОЛКОВ2, 2014 ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Приводятся экспериментальные данные и регрессионная зависимость средней высоты микронеровностей профиля пера лопаток из титанового сплава TA6V от параметров процесса электрохимической обработки: расхода воздуха, напряжения, межэлектродного зазора и температуры электролита. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ЛОПАТКИ ГТД, ПРОФИЛЬ ПЕРА, ШЕРОХОВАТОСТЬ, РЕГРЕССИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ PROCESS OF AN ELECTROCHEMICAL WORKING PARAMETRES INFLUENCE ON MEDIAL GTE BLADE AIRFOIL PROFILE IRREGULARITIES HEIGHT RESEARCH A. A. ORLOV1, D. I. VOLKOV2, 2014 1 2 OAO «NPO «Saturn», Rybinsk Federal State-Financed Educational Institutions of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper depicts experimental data and proves that medial TA6V titanium alloy blade airfoil profile irregularities height regressively depends on electrochemical working process parameters, viz: air flow, voltage, electrode gap and electrolyte temperature. ELECTROCHEMICAL WORKING, GTE BLADES, BLADE AIRFOIL PROFILE, INDULATION, REGRESSIONAL DEPENDENCE В настоящее время разработка и внедрение технологии электрохимической обработки (ЭХО) профиля пера лопаток ГТД, изготовленных из новых, более совершенных материалов, имеющих повышенные эксплуатационные характеристики, требуют проведения обширной серии экспериментов по подбору оптимальных параметров процесса, а также последующих исследований для определения повторяемости получаемых результатов и соответствия качества поверхности и геометрической точности требованиям чертежа. Проведение такой обширной работы, в свою очередь, требует колоссальных затрат времени, что не всегда приемлемо в условиях внедрения в производство новых моделей ГТД. Огромную помощь при этом могли бы оказать разработанные ранее математические модели, описывающие зависимость качества поверхности и геометрической точности от основных параметров процесса ЭХО [1]. В литературе встречаются определенные рекомендации и математические зависи- мости, описывающие процесс ЭХО различных материалов, однако данные зависимости в большинстве случаев построены по результатам опытов, выполненных в условиях электрохимических ячеек на образцах простой геометрической формы, изготовленных из материалов, близких по химическому составу к требуемым, но полностью им не соответствующим. В литературе отмечено, что обрабатываемость сплавов методом электрохимической обработки зависит от обрабатываемости отдельных элементов сплава, при этом одни компоненты могут замедлять процесс обработки, а другие ускорять [2], соответственно, и качественные характеристики получаемых поверхностей могут варьироваться в значительном диапазоне. При переносе таких моделей, выполненных в условиях, близких к идеальным, в производство, например для обработки профиля пера лопаток ГТД, возникает необходимость их корректировки. 27 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Основной задачей данной работы является создание математической зависимости, основанной на данных, полученных в процессе ЭХО профиля пера лопаток ГТД в реальных производственных условиях. Для проведения серии экспериментов и построения математических зависимостей был выбран титановый сплав TA6V, применяемый для производства лопаток двигателя SaM-146. Выбор данной марки материала связан, в первую очередь, со сложностью обработки титановых сплавов методом ЭХО и получения требуемых параметров шероховатости и геометрической точности. Сплав TA6V близок по химическому составу титановому сплаву ВТ-6, однако отличается по некоторым компонентам и их процентному содержанию. Химический состав сплавов TA6V и ВТ-6 представлен в табл. 1. ток, а также осуществлять расчет режимов обработки. В общем виде регрессионная зависимость будет иметь следующий вид: a1 Титан Алюминий Ванадий Углерод Железо Кремний Обозначение Ti Al V C Fe Si b1 c1 d1 P U , Ra C1 P 0 0 0 U 0 где Ra – средняя высота микронеровностей поверхности, мкм; U – напряжение (среднедействующее), В; P – разница давлений электролита и воздуха на входе в смеситель, кПа; – величина межэлектродного зазора, мм; – температура электролита, С; С1, a1, b1, c1, d1 – коэффициенты, получаемые экспериментально. При этом базовые значения исследуемых факторов составляли: Р0 = 100 кПа; 0 = 20 С; 0 = 0,1 мм; U0 = 10 В. Выбор данных переменных факторов обусловлен их существенным влиянием на шероховатость поверхности пера при ЭХО лопаток ГТД. Получаемый при этом параметр шероховатости позволит оценить качество поверхности, а также необходимость и длительность последующих доводочных операций, таких как виброабразивная обработка профиля пера лопаток. Следующим шагом в проведении экспериментов и построении математической зависимости является необходимость определения интервала варьирования факторов. Каждый фактор, участвующий в процессе, имеет определенные пределы изменения своей величины, внутри которых он может принимать или любое значение, или ряд дискретных значений, совокупность которых образует область определения данного фактора [3]. Планирование эксперимента с использованием всей области определения для каждого из выбранных переменных факторов не имеет смысла, т. к. за время использования электрохимической технологии для обработки профиля пера лопаток ГТД удалось выделить для каждого параметра некоторую локальную подобласть, варьирование переменных факторов в которой не приведет к аварийным ситуациям и окончательной выбраковке лопаток на данной операции, однако позволит оценить их влияние на среднюю высоту микронеровностей поверхности профиля пера. Варьируемые параметры и интервалы варьирования представлены в табл. 2. Таблица 1 Химический состав титанового сплава TA6V Элемент Рыбинск: РГАТУ Процентное содержание от общего объема TA6V ВТ-6 88,17 – 90,42 86,45 – 89,75 5,5 – 6,75 5,5 – 7,0 3,5 – 4,5 4,2 – 6,0 0,08 0,1 0,3 0,3 – 0,15 Представленные материалы широко применяются в современных ГТД, поэтому математические зависимости, отражающие обрабатываемость данных материалов и результаты электрохимической обработки, могут существенно сократить время расчета режимов обработки для материалов TA6V и ВТ-6. Анализ существующих и успешно применяемых на ОАО «НПО «Сатурн» технологий ЭХО профиля пера лопаток показал, что при обработке лопаток в пределах одной партии средняя высота микронеровностей профиля Ra может колебаться от 0,8 до 1,8 мкм при максимальной средней высоте микронеровностей по чертежу 1 мкм. Уменьшение средней высоты микронеровностей при этом возможно. Для этого необходима стабилизация параметров процесса ЭХО, однако для определения пределов стабилизации требуется проведение экспериментов, т. к. затраты на совершенствование систем обеспечения участка и станков ЭХО могут быть не соизмеримы со стоимостью доработки лопаток с средней высотой микронеровностей до 1,8 мкм методом виброполировки или вручную. Таким образом, построение математической зависимости средней высоты микронеровностей профиля Ra позволит определить требуемые пределы стабилизации параметров ЭХО профиля пера лопа- Таблица 2 Варьируемые параметры и интервалы варьирования Варьируемые параметры Интервалы варьирования 28 P, кПа , С , мм U, В 30 – 100 20 – 40 0,1 – 0,2 8 – 12 А. А. Орлов, Д. И. Волков 2014. № 1 (28) После приведения варьируемых параметров к безразмерному виду интервалы варьирования представлены в табл. 3. Для проведения экспериментальных работ был выбран отечественный электрохимический станок модели ЭХЛ-100, разработанный и широко используемый на ОАО «НПО «Сатурн». Внешний вид станка мод. ЭХЛ-100 представлен на рис. 1. Таблица 3 Варьируемые параметры в безразмерном виде Варьируемые параметры Интервалы варьирования U / U0 Р / Р0 / 0 / 0 0,8 – 1,2 0,3 – 1 1–2 1–2 10 9 6 7 5 3 8 1 4 2 а б Рис. 1. Внешний вид станка (а) и рабочей камеры (б) модели ЭХЛ-100: 1 – основание станка; 2 – шпиндель станка; 3 – струйный золотник; 4 – оптическая линейка; 5 – камера станка; 6 – токоподвод; 7 – заготовка лопатки; 8 – электроды-инструменты; 9 – крепление приспособления к камере станка; 10 – рабочее приспособление Рис. 2. Циклограмма изменения величины перемещения электродов-инструментов (S) по времени обработки Рис. 3. Форма однополярного импульсного напряжения, выдаваемого ИП ЭХЛ-100 В ЭХЛ-100 реализована импульсноциклическая схема ЭХО профиля пера лопаток. Данная схема является наиболее универсальной по сравнению со схемами с постоянной подачей электродов-инструментов [4] и обработкой вибрирующими электродами-инструментами. Циклограмма изменения величины перемещения электродовинструментов при использовании импульсноциклической схемы подачи приведена на рис. 2. Для обработки профиля пера лопатки используются специальные электроды-инструменты, рабочие поверхности которых образуют в конце обработки замкнутый контур, а направление их подачи осуществляется не по нормали к продольной оси лопатки, а по линии, расположенной под углом 30 к этой нормали. Прокачка электролита осуществляется вдоль пера лопатки [5]. Станок совмещен с импульсным тиристорным источником технологического тока и системой приготовления и подачи газоэлектролитной смеси. Импульс напряжения, выдаваемый источником, гребенчатый с крутым передним фронтом, частота следования импульсов – 100 Гц. Форма однополярного импульсного напряжения представлена на рис. 3. Для контроля и фиксации переменных факторов (параметров процесса обработки) на узлы станка были установлены измерительные приборы: 1) на шпиндели станка установлены индикаторы часового типа для контроля величины межэ- 29 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) лектродного зазора и четкости выполнения цикла обработки; 2) на переднюю крышку камеры станка через переходник установлен термометр для контроля температуры рабочей среды; 3) на смеситель станка, помимо предусмотренного конструкцией станка манометра, показывающего давление газоэлектролитной смеси на входе в камеру, установлены два дополнительных манометра: один в месте подвода сжатого воздуха, второй в месте подвода электролита. Использование данной схемы установки манометров позволяет точно определять изменение давления сжатого воздуха в смесителе станка. Серия экспериментов проводилась на 48 лопатках с последующими замерами шероховатости по схеме, представленной на рис. 4. Рыбинск: РГАТУ Наибольшая погрешность полученных регрессионных зависимостей не превышает 15 %. Анализ полученных данных показал, что требуемые параметры шероховатости поверхности профиля могут быть получены при следующих значениях разницы давления, напряжения и межэлектродного зазора: P = 30 кПа, U = 12 В, = 0,1 мм. Температура электролита при приведенных параметрах не оказывает значительного влияния на значение шероховатости (рис. 5). Значение шероховатости в данном случае остается приблизительно равным 1 мкм во всем диапазоне температур от 20 до 40 С. Очевидно, что реализация приведенного режима обработки не требует стабилизации температуры электролита, что является немаловажным фактором при создании системы обеспечения электролитом и не требует повышенных затрат для создания систем с поддержанием температуры в жестких пределах, например 1 С [4]. Рис. 4. Схема расположения точек замера шероховатости На основе полученных экспериментальных данных была определена математическая зависимость средней высоты микронеровностей поверхности профиля лопатки Ra от напряжения, величины межэлектродного зазора, температуры электролита и разницы давлений электролита и воздуха на входе в смеситель в виде P Rа 3,1 P0 a1 0 b1 0 c1 Рис. 5. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от температуры электролита при напряжении 8 и 12 В в диапазоне зазоров от 0,1 до 0,2 мм при разнице давлений Р = 30 кПа d1 U U , 0 (1) где U ; a1 0,49 0,59 ln 0,74 ln 0,8 ln 0 0 U0 U ; b1 1,14 2,22 ln ln 0 U0 U P 2,23 ln ln ; c1 0,35 3,18 ln P U0 0 0 P d1 1,78 1,25 ln ln 2,94 ln ln . P0 0 0 0 Рис. 6. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от межэлектродного зазора при напряжении 8 и 12 В в диапазоне температур от 20 до 40 С при разнице давлений Р = 100 кПа 30 А. А. Орлов, Д. И. Волков 2014. № 1 (28) Изменение межэлектродного зазора свыше 0,1 мм приводит к резкому увеличению средней высоты микронеровностей поверхности, особенно при увеличенной разнице давлений электролита и воздуха на входе в смеситель (рис. 6). При понижении разницы давлений до минимального значения Р = 30 кПа возможно увеличение межэлектродного зазора до 0,15 мм с незначительным увеличением средней высоты микронеровностей поверхности (рис. 7). Увеличение температуры электролита в диапазоне изменения разницы давлений электролита и воздуха на входе в смеситель станка Р = 30…100 кПа во всех случаях приводит к снижению средней высоты микронеровностей поверхности Ra (рис. 5), исключение в данном случае составляют режимы обработки на зазорах более 0,15 мм при максимальной разнице давлений Р (рис. 8). Изменение напряжения в исследуемых пределах способствует улучшению средней высоты микронеровностей, особенно на малых зазорах (рис. 9). На больших же зазорах шероховатость либо не изменяется, либо при некоторых режимах незначительно увеличивается (рис. 10), при этом при температуре электролита 40 С изменение средней высоты микронеровностей возможно в достаточно широком диапазоне значений от 1,5 до 3,5 мкм. Увеличение разницы давлений электролита и воздуха на входе в смеситель станка Р в пределах исследуемой области приводит к увеличению средней высоты микронеровностей, особенно сильно увеличение разницы давлений влияет на шероховатость поверхности при зазорах, близких к 0,2 мм (рис. 11, 12). Рис. 7. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от межэлектродного зазора при напряжении 8 В и 12 В в диапазоне температур от 20 до 40 С при разнице давлений Р = 30 кПа Рис. 8. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от температуры электролита при напряжении 8 и 12 В в диапазоне зазоров от 0,1 до 0,2 мм при разнице давлений Р = 100 кПа Рис. 9. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от напряжения U при температуре электролита 20 и 40 С в диапазоне разницы давлений Р = 30…100 кПа при межэлектродном зазоре = 0,1 мм Рис. 10. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от напряжения U при температуре электролита 20 и 40С в диапазоне разницы давлений Р = 30…100 кПа при межэлектродном зазоре = 0,2 мм 31 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ Рис. 11. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от разницы давлений Р при температуре электролита 20 и 40 С в диапазоне напряжений U от 8 до 12 В при межэлектродном зазоре = 0,1 мм Рис. 12. Зависимость средней высоты микронеровностей Ra профиля пера от разницы давлений Р при температуре электролита 20 и 40 С в диапазоне напряжений U от 8 до 12 В при межэлектродном зазоре = 0,1 мм Достоверность экспериментальных данных и математической зависимости была проверена при изготовлении партии деталей в количестве 500 шт. Разница между замерами шероховатости и расчетными значениями составила не более 12 – 15 %. 2. Проведенные исследования позволили определить оптимальные значения параметров процесса ЭХО для обработки сплава TA6V и возможные диапазоны изменения основных параметров процесса для получения средней высоты микронеровностей не более 1 мкм. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по договору от 12 февраля 2013 г. № 02.G25.31.0067 в рамках исполнения постановления Правительства России № 218. Выводы 1. Полученная математическая зависимость может быть использована для предварительного расчета средней высоты микронеровностей поверхности профиля пера лопаток после операции ЭХО. Библиографический список 1. Шандров Б. В., Моргунов Ю. А., Саушкин Б. П. Перспективы развития и применения физико-химических методов и технологий в производстве двигателей // Материалы 77-й Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров». Книга 7. – 2012. – 211 с. 2. Елисеев Ю. С. и др. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей [Текст] / Ю. С. Елисеев, В. В. Крымов, А. А. Митрофанов, Б. П. Саушкин; Под ред. Б. П. Саушкина. – М.: Дрофа, 2002. – 655 с. 3. Кацев П. Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 1974. – 231 с. 4. Орлов А. А. Состояние и перспективы научных исследования в области электрохимической обработки лопаток ГТД: Материалы V Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов». – Пенза, 2010. 5. Уваров Л. Б. Технология производства лопаток компрессора современных газотурбинных установок. – Рыбинск: РГАТА, 2005. – 96 с. Сведения об авторах Волков Дмитрий Иванович – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». Е-mail: [email protected] Орлов Александр Алексеевич – инженер ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. Volkov, Dmitry Ivanovich – Doctor of Engineering, professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». Е-mail: [email protected] Orlov, Alexander Alekseevich – engineer, OAO «NPO«Saturn», Rybinsk. 32 А. Ю. Александров 2014. № 1 (28) УДК 621.793 КЛАСТЕРНОЕ ХРОМОВОЕ ПОКРЫТИЕ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ КАНАЛА ПРОФИЛИРОВАННЫХ ТРУБ А. Ю. АЛЕКСАНДРОВ, 2014 Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева В данной статье освещается вопрос о критерии равномерности распределения металла (хрома) при гальваническом хромировании и проведен анализ факторов, влияющих на величину данного критерия. ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ХРОМИРОВАНИЕ, КЛАСТЕРНОЕ ХРОМИРОВАНИЕ, УЛЬТРАДИСПЕРСИОННЫЕ АЛМАЗЫ, КОЭФФИЦИЕНТ РАВНОМЕРНОСТИ ХРОМОВОГО ПОКРЫТИЯ PROFILED TUBES LEAD-IN SECTION CHANNEL CLUSTER CHROMIUM COATING A. Y. ALEKSANDROV, 2014 State technological academy named after V. A. Degtyaryov, Kovrov The article depicts the problem of metal (chromium) allocation uniformity criterion at galvanic chrome-plating as well as presents analysis of factors influencing value of given criterion. GALVANIC CHROME-PLATING, CLUSTER CHROME-PLATING, ULTRA-DISPERSED DETONATION DIAMONDS, CHROMIUM COATING UNIFORMITY COEFFICIENT Проблема распределения тока и металла на электродах – одна из основных проблем технической электрохимии. От равномерности распределения тока зависит качество гальванических покрытий, получающихся обычно в узком интервале плотностей тока. Решающее значение имеет равномерность распределения при «размерном» покрытии деталей машин, что в полной мере относится и к хромированию направляющей части канала профилированных труб (НЧКТ). Равномерность распределения тока и металла непосредственно связана с экономичностью гальванического процесса, расхода металла и соответственно расхода электроэнергии при нанесении гальванических покрытий. Характер распределения металла на микрорельефе поверхности катода тесно связан со структурой осаждаемого металла, пористостью, коррозионной стойкостью и прочностью сцепления – показателями, определяющими качество гальванических покрытий. В составе электрохимически осажденных металлов обычно присутствуют в виде примесей практически все элементы, находящиеся в растворе. Механизм и кинетика захвата частиц примесей (атомов, молекул, кластеров) растущим осадком могут быть различными. Под кластером в дальнейшем будем понимать конгломерат некоторого количества атомов. Включение некоторых примесей обусловлено введением специальных добавок в растворы. За счет внедрения частиц примесей в кристаллическую решетку основного осаждаемого металла получаются композиционные электрохимические покрытия. Находясь в составе металла, примеси изменяют его физико-химические свойства, что влияет и на функциональные свойства композиционного покрытия. Например, присутствие всего 0,01 % сурьмы снижает электропроводность серебра на 4 %. В начале 80-х годов XX в. была показана способность ультрадисперсионных алмазов детонационного синтеза соосаждаться с металлами при химическом или электрохимическом восстановлении последних из водных растворов солей. Почти в это же время была показана способность хромовых покрытий соосаждаться с ультрадисперсионными алмазами. При этом повышались твердость, износостойкость, коррозионная стойкость хромовых покрытий. Подробных исследований физикохимических свойств хромовых покрытий с ультрадисперсионными алмазами проведено не было. Однако гальваническое хромирование в присутствии ультрадисперсионных алмазов не нашло широкого применения в производственной практике. В настоящее время износостойкое хромовое покрытие в присутствии ультрадисперсионных алмазов в основном применяется в следующих отраслях народного хозяйства: в металлообрабатывающей промышленности для повышения стойкости режущего инстру33 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) лент; I – сила тока; t – время протекания процесса. Количество выделившегося вещества пропорционально количеству электричества (I t), прошедшему через электролит. Выход по току определяется экспериментально по следующей зависимости: мента, оснастки для холодной обработки металлов давлением; в автомобилестроении для деталей цилиндропоршневой группы; в медицинской промышленности для обработки хирургического инструмента. Ультрадисперсионные алмазные кластеры представляют собой частицы, близкие по форме к сферическим или овальным. Ультрадисперсионные алмазы получаются путем детонационного синтеза угольных частиц. Одна частица (кристалл) алмаза содержит всего два-три десятка атомов и имеет размер порядка 40 – 60 Å. Ультрадисперсионные алмазы сочетают в себе свойства самого твердого вещества в природе – алмаза с химически активной оболочкой. Атомы углерода, образующие оболочку кластера, благодаря тому, что в определенные промежутки времени имеют какую-либо химически активную функциональную группу, способны участвовать в процессе формирования композиционного хромового покрытия. Рассмотрим процесс нанесения гальванического хромового покрытия. Как любой электрохимический процесс, он подчиняется закону Фарадея: = I t, Рыбинск: РГАТУ = теор / практ. (2) Величина теор определяется по формуле (1) при = 1, а практ – практическим взвешиванием образца до и после нанесения покрытия. На рис. 1 (U – напряжение на электродах; pH – кислотность электролита; Э – вид электролита; i – плотность тока; – величина межэлектродного зазора; C – концентрация электролита (составляющих компонентов); Т – температура электролита; R – электрическое сопротивление электролита; F – площадь поверхности обработки; Me – вид обрабатываемого металла; M – молекулярный вес обрабатываемого материала; n – валентность; – удельная электропроводность; Ш – загрязненность электролита (шлам); W – скорость протока электролита; Q – расход электролита; – вязкость; p – давление электролита; S – площадь проходного сечения) представлена структурная схема модели процесса гальванического хромирования. Рассмотрим данную схему, анализируя входящие в нее параметры применительно к традиционному и кластерному хромированию. (1) где – количество выделившегося вещества; – выход по току; – электрохимический эквива- Рис. 1. Структурная схема модели процесса гальванического хромирования 34 А. Ю. Александров 2014. № 1 (28) Напряжение на электродах U является величиной постоянной, оно устанавливается и поддерживается на определенном уровне (для хромирования около 5 В) при помощи специальных выпрямителей и стабилизаторов. Поскольку ультрадисперсионные алмазы являются химически нейтральной добавкой (при условии отсутствия на поверхности кристалла электрически активных функциональных групп), их добавка в состав электролита не оказывает какого-либо влияния на кислотность электролита. Вид электролита Э оказывает существенное влияние не только на скорость осаждения хромового покрытия, но и на его качество (твердость, равномерность и т. п.). Данный параметр зависит от температуры электролита Т, а также от концентрации С веществ, входящих в его состав. В данной работе вид электролита Э и концентрация электролита С являются переменными параметрами, зависящими от концентрации ультрадисперсных алмазов (УДА). Величина межэлектродного зазора при традиционном и кластерном хромировании является постоянной величиной, т. к. величина и размеры хромируемой детали и анода определены. Обеспечение температуры электролита Т является одним из обязательных требований для получения качественных твердых осадков хрома; данный параметр также является постоянным как для традиционного, так и для кластерного хромирования. Величина электрического сопротивления электролита R зависит от величины межэлектродного зазора и удельной электропроводности . Электрическое сопротивление определяется по формуле: R . (3) S Площадь хромируемой поверхности профилированной трубы F не зависит от вида электролита и является величиной постоянной. Поскольку марка материала ствола Me определена конструкторской документацией, то в данном случае эта величина является неизменной. В связи с тем, что марка материала ствола Me является величиной постоянной, то молекулярный вес обрабатываемого материала M (химических элементов, входящих в состав стали) и валентность п также являются постоянными параметрами. Скорость протока электролита W зависит от двух составляющих: 1) перепада давления на концах профилированной трубы – при скоростном хромировании под давлением; 2) падения давления по длине трубы вследствие бурного выделения водорода на катоде при электрохимическом восстановлении хрома и удаления водорода из электролита. При использовании стационарных ванн для хромирования (они более экономически выгодны при кластерном хромировании, т. к. при проточном хромировании возможно, вследствие утечек электролита, неоправданно высокое расходование дорогостоящего продукта – ультрадисперсионных алмазов) электролит перед началом работы предварительно прогревается. Учитывая, что профилированные трубы могут иметь значительную длину при относительно небольшом внутреннем диаметре, перепад давления создается только за счет выделяющегося водорода. Скорость протока электролита W зависит от вязкости электролита , его расхода Q, а также площади проходного сечения НЧКТ S. Вязкость электролита зависит от вязкости жидких или полужидких компонентов, входящих в состав электролита, кроме этого, на вязкость электролита оказывает влияние его температура T. Поскольку УДА в составе электролита находятся в твердой форме, то их добавление в состав электролита не влияет на величину , а температура электролита T с допущением принимается постоянной величиной. Расход электролита Q зависит от режима хромирования величины силы тока I, площади проходного сечения S, давления электролита p. На величину давления электролита (особенно при стационарном хромировании) определяющее воздействие оказывает количество выделяемого водорода. Для описания процесса выделения водорода используется сложный математический аппарат с большим количеством допущений. Учитывая этот факт, а также в связи с тем, что УДА непосредственно не участвуют в электрохимических реакциях, протекающих на катоде при формировании слоя хрома при условии отсутствия на поверхности кристаллов химически активных функциональных Площадь проходного сечения НЧКТ S определяется диаметром трубы и диаметром анода, зависит от величины межэлектродного зазора и не связана с видом и режимом хромирования. В состав уравнения (3) входит лишь один параметр, который является переменной величиной. Это удельная электропроводность , которая в свою очередь зависит от температуры электролита T, его загрязненности Ш и от концентрации веществ, входящих в его состав С. Загрязненность электролита Ш оказывает значительное влияние на качество хромовых осадков, однако при периодическом контроле раствора электролита по определению уровня вредных элементов (железо, трехвалентный хром и т. п.) и своевременной корректировке электролита данный параметр не оказывает существенного влияния на процесс хромирования, и эту величину можно принять как константу. 35 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) групп, расход электролита в качестве допущения принимается постоянной величиной. Процентное содержание ультрадисперсионных алмазов в покрытии не превышает 0,05 – 0,5 %, т. е. его расходование при осуществлении процесса хромирования незначительно. Таким образом, влиянием расхода УДА в электролите в процессе хромирования можно пренебречь. Зависимость силы тока I от напряжения подчиняется закону Ома: I U R . Рыбинск: РГАТУ Для расчета воспользуемся формулами для вычисления координат электрической оси и вычисления плотности тока в заданной точке. Уравнения поверхностей цилиндров в соответствии с рис. 2 имеют вид: x a1 2 y 2 r12 , x a2 2 y 2 r22 , (5) (6) причем линия х = 0 представляет собой проекцию плоскости нулевого потенциала. Координата электрической оси, общей для обоих цилиндров, определится из соотношения: (4) Сила тока I также связана с величиной плотности тока i. Аналитическое решение задачи о распределении тока в ячейках (о величине плотности тока i) с заданной конфигурацией электродов представляет значительный интерес для теории и практики гальванического осаждения металлов. Из анализа отечественных и зарубежных работ по теории электролитического хромирования можно сделать вывод о том, что механизм электродных процессов, протекающих при хромировании в водных растворах, сложен и до сих пор до конца не выяснен, поэтому содержит новые возможности совершенствования технологии хромирования. Аналитический расчет полей может быть выполнен только для сравнительно простых конструкций электродов. Тем не менее, полученные решения можно с определенными допущениями и известным приближением распространить на близкие конфигурации и тем самым охватить большее количество практических случаев. В связи с тем, что размер выступов профилированных труб часто незначителен (перепад диаметров выступов и впадин составляет 2 – 5 %), рассмотрим поле двух круговых цилиндров, один из которых помещен внутри другого и геометрические оси которых не совпадают (рис. 2). Решение задачи поля некоаксиальных круговых цилиндров представляет интерес при хромировании НЧКТ в связи с допусками при центровке коаксиальных цилиндров. xэо b a12 r12 a22 r22 . (7) Обозначив эксцентриситет а1 – а2 = В, можем записать: a2 a1 B; a2 a1 r22 r12 , B (8) откуда получаем: a1 r22 r12 B 2 , 2 B (9) a2 r22 r12 B 2 . 2B (10) Плотность тока на поверхности НЧКТ как функция координаты х может быть определена из формулы a2 r 2 I 2 2 . 2h x r2 i2 (11) Плотность тока на поверхности анода определяется следующим образом: a12 r12 I i1 . 2h x r1 (12) Введя обозначения imax1, imin1, icp1 – соответственно для максимальной, минимальной и средней плотности тока на аноде, imax2, imin2, icp2 – соответственно для максимальной, минимальной и средней плотности тока на поверхности НЧКТ и используя формулы (11) и (12), получим: imin1 a12 r12 I , 2 h a1 r1 r1 I ; 2 h a2 r2 r2 imax 1 a12 r12 I , 2 h a1 r1 r1 imax 2 a22 (13) r22 imin 2 Рис. 2. Схема расчета распределения тока на электродах 36 a22 r22 I ; 2 h a2 r2 r2 (14) А. Ю. Александров 2014. № 1 (28) icp1 icp 2 I , 2 h r1 (15) I . 2 h r2 Положив r1 1, m Концентрация частиц ультрадисперсионных алмазов у поверхности катода из объема электролита происходит в результате следующих процессов: тепловых конвекционных потоков, являющихся следствием неравномерного разогрева раствора электролита; миграции электрически заряженных частиц под воздействием на них электрического поля в растворе; бурного выделения водорода на катоде при электрохимическом восстановлении хрома и удаления водорода из электролита; Для рассмотрения процесса включения алмазных кластеров в объем основного осаждаемого металла разобьем этот процесс на несколько стадий: массоперенос алмазных частиц в зону протекания электрохимического формирования хромового осадка, т. е. в прикатодную зону; адсорбция (осаждение) алмазных кластеров на поверхности формирующегося покрытия; захват и заращивание частиц алмаза растущим хромовым покрытием. УДА влияют на распределение тока при электрохимических реакциях косвенным образом, т. к. они сами не участвуют в этих реакциях, но выступают в составе электролита в качестве своеобразных катализаторов процесса хромирования. УДА выступают в роли центров кристаллообразования при протекании процесса электролиза. Следовательно, при добавлении в состав электролита УДА для получения хромового покрытия такой же толщины, как и без добавления УДА, необходимо пропустить меньшее количество электричества через электролит или же уменьшить плотность тока i. Поскольку при хромировании НЧКТ невозможно произвести измерения параметров m, p, необходимых для расчета рассеивающей способности электролита для хромирования, требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований по определению количества выделившегося вещества (хрома) и его распределению по поверхности НЧКТ в поперечном сечении и по длине НЧКТ. Обработка полученных экспериментальных данных осуществлялась на основе методов математической статистики по схеме с равномерным дублированием опытов. Для определения количества выделившегося вещества по формуле (1) при традиционном и кластерном хромировании были проведены измерения массы образцов до нанесения хромового покрытия и после его нанесения. В экспериментальных исследованиях по определению массы выделившегося хрома были про- r2 B , p , найдем: r1 r1 2 imin 1 icp1 m 2 p 1 m 2 p 1 2 , (16) 2 max 1 icp 1 m 2 p 1 2 m 2 p 1 . Соответственно для поверхности НЧКТ с радиусом r2: imin 2 icp 2 m p 2 1 , m p 2 1 (17) 2 m p 1 . m p 2 1 imax 2 icp 2 Используя уравнения (16) и (17), определим величину критерия равномерности: 2 imin1 m 2 p 1 K p cp 1 , 2 icp1 m 2 p 1 (18) 1 i m 2 p 1 max1 2 ; K p1 imin1 m p 12 2 K p cp 2 m p 2 1 , m p 2 1 m p 2 1 ; m p 2 1 imin 2 icp 2 1 i max 2 K p 2 imin 2 (19) 2 imin 1 m 2 p 1 K p1 ; imax 1 m 2 p 12 (20) 2 Kp2 i m p 1 min 2 . imax 2 m p 2 1 (21) Включение ультрадисперсионных алмазов в состав хромового покрытия непосредственно не связано с электрохимическими реакциями, протекающими на катоде, а вероятнее всего, является результатом адсорбции алмазных кластеров катодом с последующим их заращиванием в осадок. Вследствие расходования алмазных кластеров в прикатодном слое их концентрация в этой зоне снижается, и в результате этого может образовываться нехватка кластеров алмаза при дальнейшем формировании композиционного хромового покрытия. 37 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ведены повторные опыты, причем их количество одинаково и равно 6. Для определения брака при проведении повторных опытов использовался критерий Стьюдента. Установлено, что результаты, которые резко Рыбинск: РГАТУ отличаются от основной массы измерений, не существуют. В табл. 1 представлены матрица планирования эксперимента и результаты эксперимента по определению количества выделившихся хромовых осадков. Таблица 1 Матрица планирования и результаты эксперимента № 1 2 3 4 5 6 7 8 Код – + – + – + – + x1 Тип электролита стандартный саморегулирующийся стандартный саморегулирующийся стандартный саморегулирующийся стандартный саморегулирующийся x2 Код – – + + – – + + Для хромирования образцов использовались следующие электролиты: 1) стандартный электролит: хромовый ангидрид 225 – 275 г/л, соляная кислота 30 – 80 г/л; 2) саморегулирующийся электролит: хромовый ангидрид 225 – 275 г/л, калий кремнефтористоводородный 20 г/л, стронций сернокислый 6 г/л, добавка ультрадисперсного порошка 15 г/л. Хромирование проводилось в стационарных ваннах при температуре электролитов (64 1) C. Плотность тока выбиралась в пределах 45 – 60 А/дм2. Выбор плотностей тока и температуры в данном диапазоне объясняется тем, что только при такой температуре и в таких пределах плотностей тока получаются хромовые покрытия с требуемыми свойствами для защиты НЧКТ. Полученные экспериментальные данные показывают, что при кластерном хромировании увеличивается выход по току и, следовательно, повышается количество выделившихся хромовых осадков. Для исследования распределения выделившихся хромовых осадков в поперечном сечении НЧКТ и по ее длине необходимо проведение металлографических исследований для измерения максимальной и минимальной толщин хромового покрытия. Точность геометрических параметров и качество поверхности НЧКТ оказывают значительное влияние на интенсивность изнашивания НЧКТ в ходе эксплуатации изделий. Как уже отмечалось, равномерность защитного покрытия по контуру поперечного сечения и по длине НЧКТ во многом определяет точность изготовления НЧКТ. Однако при традиционном электролитическом хромировании профилирован- x3 i, А/дм2 45 45 60 60 45 45 60 60 Код – – – – + + + + УДА – – – – + + + + 105, кг , % 8,5 10,2 9,4 10,7 11,8 12,3 13,7 13,9 11 13 12 14 15 16 18 18 ных труб толщина покрытия на выступах значительно больше, чем во впадинах. Существенные отклонения по толщине покрытия и его неравномерность по контуру поперечного сечения НЧКТ, связанная с особенностями реализации технологии хромирования, оказывают отрицательное влияние на эксплуатационные характеристики изделий. Для получения более равномерного покрытия НЧКТ приходится вводить промежуточные операции свинцевания. Однако они не позволяют в полной мере устранить недостатки традиционного хромирования и вносят свои погрешности. Наименьшая толщина покрытия получается в зоне перехода выступа во впадину. Равномерность толщины хромового покрытия на выступах и впадинах НЧКТ зависит от рассеивающей способности электролитов для хромирования. На выступах получаются осадки большей толщины, а во впадинах НЧКТ – с минимальной толщиной, т. к. эти участки находятся на максимальном удалении от анода при хромировании (рис. 3). Рис. 3. Схема профилированной трубы для определения толщины хромового покрытия Для выяснения характера распределения хромовых осадков по поверхности НЧКТ и определения влияния добавки УДА на рассеивающую 38 А. Ю. Александров 2014. № 1 (28) способность электролита, были изготовлены по 3 опытных образца труб диаметром 12,7 мм из стали 25Х3М3НБЦА с толщиной хромового покрытия 130 – 180 мкм по традиционной технологии и по технологии кластерного хромирования в стандартном электролите. Из каждой трубы были вырезаны по 2 темплета на разных участках: у концов и в средней части трубы. В ходе металлографического анализа были проведены измерения толщины хромового покрытия на выступах и впадинах на каждом участке. Общее число измерений для каждой трубы составило 24. Установлено, что при доверительной надежности = 0,95 величина доверительного интервала на значения толщины хромового покрытия не превышает 7 мкм. Введем коэффициент равномерности осажденного хрома, показывающий отношение минимальной толщины хромового осадка hmin к его максимальному значению hmax: K равн hmin h уда уда , K равн min . уда hmax hmax Хромирование проводилось в стандартном и саморегулирующемся электролитах в присутствии УДА и без добавления УДА. Состав электролитов и режимы хромирования аналогичны представленным выше. Требуемая толщина покрытия 20 мкм. На образцах, хромированных с использованием стандартного электролита, наблюдались непрохромированные участки в вершине конуса (рис. 5), при этом диаметр круга в основании непрохромированного конуса колебался в пределах 0,7 – 3 мм. (22) Рис. 5. Непрохромированный участок Измеренные толщины полученного хромового покрытия представлены в табл. 2. В то же время на образцах, хромированных в электролите с ультрадисперсионным алмазным порошком, непрохромированных участков не наблюдалось (рис. 6), что свидетельствует о более высокой рассеивающей способности данного электролита. Таблица 2 Толщина хромовых покрытий Вид хромирования ср , мкм hmin ср , мкм hmax Kравн Традиционное Кластерное 133 156 176 174 0,76 0,89 Проведенные экспериментальные исследования показывают, что коэффициент равномерности осажденного хромового покрытия, полученного по уда технологии кластерного хромирования K равн , больше коэффициента равномерности традиционного хромового покрытия Kравн в 1,17 раза. Дополнительно для проведения сравнительного анализа были изготовлены образцы типа «поршень» из стали 30ХН2МФА с конической впадиной на одном из торцов (рис. 4). Угол между образующей конуса и осью симметрии принят равным (70 1). Образцы были подвергнуты полированию для получения качества поверхности не ниже Ra = 0,63 мкм. Рис. 6. Участок вершины конуса образца с хромовым покрытием (увеличение в 100 раз) Металлографические исследования образцов, покрытие которых осуществлялось по технологии кластерного хромирования, показали, что толщина покрытия в вершине конуса и на цилиндрических участках одинакова и составляет 19 мкм. Таким образом, электролиты с ультрадисперсионными алмазами имеют более высокую рассеивающую способность, чем стандартный электролит, применяемый на производстве. Это позволит в случае его применения получать более равномерное хромовое покрытие, увеличить точность геометрических параметров НЧКТ, обуславливает повышение эксплуатационных характеристик изделий. Рис. 4. Образец для определения рассеивающей способности электролитов 39 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Сведения об авторе Александров Александр Юрьевич – доктор технических наук, профессор Ковровской государственной технологической академии им. В. А. Дегтярева. E-mail: [email protected] Aleksandrov, Alexander Yurievich – Doctor of Engineering, full professor, State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov, Kovrov. E-mail: [email protected] УДК 621.9.047 ТЕХНОЛОГИЯ ИМПУЛЬСНО-ВИБРАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ В. П. СМОЛЕНЦЕВ, С. В. САФОНОВ, А. Ю. РЯЗАНЦЕВ, В. И. КОТУКОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» В работе описан новый (на уровне изобретения) способ очистки литых точных заготовок от хрупких или гранульных уплотненных поверхностных покрытий, трудно поддающихся последующей механической обработке. Если после литья намечена обработка методами с наложением электрического поля, то необходимо удалить все неметаллические покрытия. Наиболее эффективной оказалась технология магнитоимпульсной обработки, совмещенной с низкочастотным вибрационным процессом. ВИБРАЦИОННАЯ ОЧИСТКА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ЛИТАЯ ДЕТАЛЬ, БОЕК PULSING-VIBRATIONAL SCRUBBING OF PRECISION-MOULDED PIECES TECHNIQUE V. P. SMOLENTSEV, S. V.SAFONOV, A. Y. RYAZANTSEV, V. I. KOTUKOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Voronezh State Technical University» The paper features new (at discovery level) technique of scrubbing for precision-molded preforms. Fragile or compressed-and-granulated surface covers make difficult subsequent machine processing. In case post-casting processing prescribes electric field superimposition, so deletion of all nonmetallic covers is obligatory. The paper proves that magnetic pulse technique combined with low-frequency vibration process appeared to be the most effective one. VIBRATION SCRUBBING, TECHNOLOGICAL PROCESS, ELECTROMAGNETIC FIELD, CAST DETAIL, STRIKER покрытий с труднодоступных участков. Наиболее значимые результаты очистки заготовок от формовочных сред и фрагментов оболочек достигнуты при использовании комбинированной импульсновибрационной обработки, разработанной авторами [2]. Введение Качество изделий спецтехники зависит от степени совершенства точных заготовок, часть которых получают точным литьем по выплавляемым моделям (корпуса, рабочие колеса ТНА и др.). Здесь одной из трудоемких операций является очистка заготовок от спеченного керамического покрытия, определяющего возможность выполнения последующих технологических операций по обработке поверхностей. Применяемые для этих целей методы механического воздействия [1] могут вызвать нарушение точности и качества поверхностного слоя заготовок, особенно в случае использования неконтролируемых импульсных воздействий и ручного инструмента (типа зубила) для удаления Механизм удаления покрытий В процессе очистки заготовок применяют [2] импульсные локальные воздействия бойком, работающим под действием электромагнитных сил. Схема очистки стенок литых точных заготовок (обечаек) приведена на рис. 1. Аналогичные схемы используются при очистке ажурных литых заготовок при производстве ракетно-космической техники. 40 В. П. Смоленцев, С. В. Сафонов, А. Ю. Рязанцев, В. И. Котуков 2014. № 1 (28) Очевидно, что на участках с повышенной жесткостью расчетная сила импульса будет создавать запас жесткости и гарантировать протекание процесса в области упругих деформаций; – частота следования импульсов позволяет поддерживать резонансную частоту системы, обеспечивающую на всех очищаемых участках наибольшую амплитуду колебания обечайки, что способствует интенсификации очистки и достижению наибольшей чистоты поверхности после удаления загрязнений. Расчет технологических режимов Без учета начального зазора между бойком и обечайкой (по [3] величина зазора 0,2 – 1,0 мм) плотность электромагнитных сил, определяющая силу удара бойка, составляет: Рис. 1. Схема магнитоимпульсного удаления покрытий: 1 – корпус камеры; 2 – боек; 3 – корпус установки; 4 – стенка заготовки (обечайки); 5 – покрытие; 6 – упругий элемент (пружина); 7 – генератор импульсов; 8 – индуктор; S – зазор между бойком и обечайкой Рэ 0,12 0 ( Н н1 N ) 2 U 2 Процесс удаления покрытия происходит (рис. 1) путем импульсных воздействий на обечайку 4 бойка 2. Импульс силы создает индуктор 8, на который подается ток большой силы (до 300 кА) от генератора импульсов 7, работающего по RCсхеме, где R – регулируемое сопротивление; С – емкость конденсаторов (регулируемая). После удара бойком 2 в обечайку 4 происходит его возврат под действием упругого элемента (пружины) 6. Корпус 1 камеры с индуктором 8 закреплен на корпусе 3 установки, а положение рабочей поверхности бойка 2 относительно обечайки 4 регулируют так, чтобы зазор S (рис. 1) был в пределах 0,2 – 1,0 мм. Удар бойка 1 вызывает вибрацию обечайки 4 и покрытия 5. Под действием удара часть покрытия (загрязнения) 5 отделяется от обечайки 4 и происходит очистка участков заготовки. Далее установку перемещают вдоль поверхности обечайки 4. С , Lэкв (1) где 0 – магнитная проницаемость материала бойка; Hн1 – напряженность магнитного поля со стороны индуктора; N – число витков обмотки индуктора; U – выбранное напряжение на генераторе импульсов; С – емкость конденсаторов RCгенератора; Lэкв – индуктивность разрядной сети. Величина давления на боек под действием электромагнитных сил не может превышать предела упругости материала обечайки под действием соударения бойка со стенкой тары (обечайки). По [4] сила, необходимая для упругой деформации: 2 Py 02 3 Rс2 (1 2 ) , 6Е (2) где 0 – напряжение текучести материала обечайки; – коэффициент Пуассона; Е – модуль упругости материала обечайки; Rс – радиус сферы рабочей (ударной) поверхности бойка. Критерием оценки предельной силы давления (Pэ) при очистке листовой обечайки является Особенности проектирования технологического процесса очистки При проектировании технологических режимов очистки учитывают следующие обстоятельства: – энергия импульсного воздействия не должна вызывать пластической деформации обечайки, но должна быть достаточной для создания колебательного движения обечайки на всех очищаемых участках заготовки; – при расчете режимов обработки поверхность обечайки рассматривают как однородный лист без учета усилений жесткости элементами конструкции или переходными участками. Это позволяет найти наибольшее допустимое давление на боек, которое не вызовет пластической деформации (нарушения геометрии) обечайки даже в местах, свободных от элементов усилений жесткости. Pэ Рy , (3) где Рy – предельная сила удара: Рy Ру Sб . (4) Здесь Sб – площадь контактной поверхности бойка. Учитывая, что радиус сферы рабочей поверхности достаточно велик, а обечайка под действием бойка прогибается и охватывает всю его рабочую поверхность, можно принять Sб где Dб – диаметр бойка. 41 Dб2 , 4 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Из (3) находится основной технологический параметр для назначения режима обработки – емкость конденсаторов RC-генератора. С 20 3 R 2 (1 2 ) Lэкв S б 2 0,72 0 Е ( Н н1 N ) U 2 . Тогда частота следования импульсов индуктора (и) может быть оценена по [3] для RCконтура. (5) 2,3RC lg U . Rэкв (6) (7) и Здесь Rэкв Lн , С Тогда по [3] (8) где KL – постоянная контура индуктивности, определяется табличным методом по соотношению б / rб; б – длина стержня бойка в соленоиде; rб – радиус стержня бойка в соленоиде. Анализ зависимостей (5) – (8) показывает, что расчет емкости конденсаторов возможен только численными методами, что затрудняет процедуру вычислений. С некоторой погрешностью можно принять напряженность как постоянную величину. Из [3] величина Нн1 в начале пластической деформации материала обечайки составляет: для сталей – 6 105 А/м; для алюминиевых сплавов – 2 105 А/м; для медных сплавов – 3 105 А/м. Тогда расчет по (5) дает приближенное (точность достаточна для расчета технологических режимов) решение и позволяет однозначно установить требуемую емкость контура генератора. Вторым регулировочным технологическим параметром режима при расчете плотности электромагнитных сил будет частота следования рабочих импульсов, определяемая через сопротивление R = Rэкв. Здесь R K L rб2 . бС , (10) U U пр 0,837 . qRC (11) Для силы тока в импульсе по [3] от 100 до 200 кА и напряжения не менее 1 кВ сопротивление контура: Rmin = 0,005 Ом; Rmax = 0,01 Ом. Тогда частота рабочих импульсов составит min = 0,04 Гц (для С = 2000 мкФ); max = 0,84 Гц (для С = 200 мкФ). Для генераторов с емкостью конденсаторов 200 – 2000 мкФ длительность импульсов составляет (20…80) 10 – 6 с. Если принять длительность импульсов (20…80) 10 – 6 с, а коэффициент полезного действия 5 – 12 %, то можно приближенно найти реализуемую емкость конденсаторов. где Lн – индуктивность разрядного контура. В первом приближении для соленоида (индуктора) Lн = Lэкв. Lн K L rб2 б , U Uк где Uк – напряжение в индукторе в конце разряда; Uпр – напряжение пробоя в индукторе (по [3] Uпр = 0,7U). Для диапазона емкостей 500 – 2000 мкФ частота разрядов индуктора может достигать 250 кГц. По [4] коэффициент полезного действия () электромагнитной штамповки составляет 2 – 20 %, что близко к аналогичному параметру для очистки. Отсюда для диапазона = 0,02…0,2 можно приближенно определить скважность процесса Из (10) частота импульсов где Kн1 – постоянная контура генератора. Находится экспериментально в процессе отладки и настройки RC-генератора. Берется из паспорта генератора; I1 – сила тока в обмотке индуктора. I1 1 и В (5) численные значения 0, , , 0, Е могут быть выбраны из справочной литературы. Индуктивность разрядной сети Lэкв выбирается по [3]. Напряженность Н н1 K н1 NI1 , Рыбинск: РГАТУ С I и , U (12) где I – ток в импульсе, который по [3] составляет (100…200) 103 А; и – длительность импульса, с. Пределы изменения емкости показаны на рис. 2. С, мкФ А 2500 2000 2 1500 1000 500 1 50 100 150 200 Ток, кА Рис. 2. Выбор емкости конденсаторов: 1 – минимальные значения; 2 – наибольшие допустимые значения; А – рабочий диапазон величины тока (9) 42 В. П. Смоленцев, С. В. Сафонов, А. Ю. Рязанцев, В. И. Котуков На рис. 2 показан рабочий диапазон величины емкости, который составляет от 700 до 2000 мкФ. Такой разброс объясняется изменением условий обработки (жесткость обечайки, адгезия, толщина покрытия и др.) Для вычисленных значений емкости скорость движения бойка (Vб) в конце свободного хода (зазор 0,2 – 1,0 мм) составляет 100 – 250 м/с, что соответствует прямым измерениям по [4]. Энергия (работа) импульса Аи в момент соударения бойка с обечайкой 2014. № 1 (28) растут затраты электричества, которые можно снизить за счет увеличения напряжения на индукторе до 2 – 3 кВ. mбVб2 . (13) 2 При оценке Аи массу бойка mб рассчитывают как величину подвижной системы, перемещающейся под действием электромагнитных сил. Энергия импульса зависит от массы бойка и силы воздействия на него магнитного поля. Большой разброс энергий объясняется различными условиями очистки обечайки (жесткость стенок, адгезия и др.), свойствами загрязнений (сыпучесть, адгезия и др.) Практически используют подвижные системы, включающие боек с массой 0,2 – 2 кг, где сам боек имеет длину до 100 мм, диаметр рабочей части до 70 мм. По известной энергии импульса можно оценить мощность генератора и расход электроэнергии (рис. 3). Мощность, потребляемая генератором, зависит (рис. 3, А) от емкости конденсаторов, потерь на нагрев и рассеивание тепла, на трение. По [3] в процессе зарядки конденсаторов потери могут достигать 50 %. С возрастанием скважности потери энергии увеличиваются. В соответствии с этим Aи Рис. 3. Мощность индуктора (А), кВт, и расход энергии (Б), кАч, для удаления толстослойных поверхностей с 1 м2 поверхности обечайки: 1 – верхняя граница; 2 – нижнее значение Заключение Магнитоимпульсный вибрационный метод позволяет удалять с литых заготовок формовочные смеси, в т. ч. пригоревшие слои, остатки керамических оболочек, не повреждая при этом ажурные элементы заготовок. Механизация операций очистки крупногабаритного литья решает не только технические, но и социальные проблемы заготовительного производства (улучшение условий труда, возможность автоматизации процесса очистки литья и др.). Рассмотрены новые технологические процессы очистки заготовок ажурных деталей, учитывающие специфику геометрии литых деталей создаваемых изделий ракетно-космической техники. Предложены новые способы и устройства для реализации технологии в промышленности. Библиографический список 1. Безъязычный, В. Ф. Повышение точности размеров и формы деталей при токарной обработке на станках с ЧПУ путем динамического изменения режимов резания [Текст] / В. Ф. Безъязычный, В. А. Козлов, А. В. Пудов // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева. – 2008. – № 1(13). – С. 37 – 46. 2. Патент 69787 (РФ). Установка для очистки тары от загрязнений [Текст] / В. П. Смоленцев, А. В. Гребенщиков, И. Б. Николаенко, С. Л. Калужин // Бюл. изобр., 2008. – № 1. 3. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. Т. 2 [Текст] / Под ред. В. П. Смоленцева. – М.: Высшая школа, 1983. – 208 с. 4. Ракошиц, Г. С. Электроимпульсная штамповка [Текст] / Г. С. Ракошиц. – М.: Высшая школа, 1984. – 192 с. Сведения об авторах Смоленцев Владислав Павлович – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». E-mail: [email protected] Сафонов Сергей Владимирович – кандидат педагогических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». E-mail: [email protected] Рязанцев Александр Юрьевич – аспирант ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». E-mail: [email protected] 43 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Котуков Василий Иванович – аспирант ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Smolentsev, Vladislav Pavlovich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Voronezh State Technical University». E-mail: [email protected] Safonov, Sergey Vladimirovich – Cand. Sci. (Education), full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Voronezh State Technical University». E-mail: [email protected] Ryazantsev, Alexander Yurievich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Voronezh State Technological University». E-mail: [email protected] Kotukov, Vasily Ivanovich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Voronezh State Technological University». УДК 620.186.82 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОХОДНОГО И НЕПРОХОДНОГО РАЗМЕРА ШИРИНЫ ЗЁРЕН В ПРОБАХ ПРИ РАССЕВЕ ШЛИФОВАЛЬНОГО ПОРОШКА 54CF46 НА КОНТРОЛЬНЫХ СИТАХ В. А. НОСЕНКО, А. А. АЛЕКСАНДРОВ, 2014 Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета Приведена методика проверки соответствия шлифовального порошка 54СF46 требованиям ГОСТ Р 52381 по зерновому составу. Показана возможность прохождения зерен, имеющих определенную ширину, через ячейку контрольного сита. ШЛИФОВАЛЬНЫЙ ПОРОШОК, ШИРИНА ЗЕРНА, КОНТРОЛЬНОЕ СИТО SIZING OF PASSABLE AND NON-PASSABLE GRAIN WIDTHS IN SAMPLES AT 54CF46 GRINDING POWDER SIEVING ON TEST SIEVE V. A. NOSENKO, A. A. ALEKSANDROV, 2014 Volzhsky Polytechnical Institute, branch of Volgograd State Technical University The paper features conformity checkout technique for 54СF46 grinding powder in accordance with GOST Р 52381 requirements as far as grain composition is concerned, it also depicts possibility for transiting of grains having certain breadth through test sieve mesh. GRINDING POWDER, GRAIN BREADTH, TEST SIEVE наиболее распространенным является ширина b зерна. Согласно ГОСТ 3647, ширина зерна определяется как сумма расстояний между двумя наиболее удаленными точками профиля, лежащими по разные стороны от линии, определяющей длину зерна. Рассев на ситах является наиболее распространенным способом классификации зерен по размерам. Основным параметром при такой классификации считается ширина зерна. Согласно ГОСТ Р 52381 на зернистость шлифовальных по- Одной из основных характеристик абразивного инструмента является размер абразивных зерен. От формы и размера применяемых шлифовальных порошков во многом зависит производительность процесса и качество поверхности детали при абразивной обработке. Поэтому большое внимание уделяется исследованию геометрических параметров абразивных материалов в исходном состоянии и в процессе обработки [1, 2]. Форма и размеры зерен характеризуются множеством геометрических параметров. Из них 44 В. А. Носенко, А. А. Александров 2014. № 1 (28) рошков природных и искусственных абразивных материалов, для контроля качества зернового состава шлифовальные порошки размером от 45 до 4750 мкм просеивают через контрольные сита с различным размером ячеек. Целью данной статьи является сопоставление фактической ширины зерен карбида кремния черного марки 54С зернистостью F46 с размерами ячеек контрольных сит. Сущность контроля зернового состава заключается в определении содержания остатков шлифовального порошка на каждом из контрольных сит и поддоне при рассеве. Для ситового контроля используют пять сит, номинальный размер ячеек которых Wi, а остатки проб в процентах указаны в табл. 1. У контрольных сит в соответствии с ГОСТ Р 51568 должны отсутствовать видимые дефекты: разрывы, утолщения, засоры ячеек, натяжения сетки, перекосы рамки и дефекты пайки. требованием ГОСТ Р 52381. Масса зёрен, задерживающихся на сите W5, отдельно не регламентируется. Фактически она составляет 1 %. Таким образом, анализируемый шлифовальный порошок по зерновому составу отвечает требованиям ГОСТ Р 52381. Далее были проведены измерения ширины зерен четырех проб шлифовального порошка по методике [3] с использованием программного обеспечения [4]. При анализе полученных результатов принималась следующая модель прохождения зерен через ячейку сита. Зерно может занимать любое положение относительно ячейки, в т. ч. и в направлении своей длины. Зерно может поворачиваться в плоскости сита таким образом, что позволит ему пройти через ячейку. Зерна могут проходить ячейку сита не строго параллельно длине, поэтому они могут пройти ячейку сита по диагонали. Исходя из возможных размеров сторон и диагоналей ячеек как величин, определяющих ширину зерен, проанализируем размеры зерен проб, полученных после рассева зернистости F46 на контрольных ситах. В ГОСТ Р 51568 на сита лабораторные из металлической проволоки указано, что размеры ячеек сит должны удовлетворять следующим требованиям: W1 = (600 21) мкм, W2 = (425 16) мкм, W3 = (355 13) мкм, W4 = (300 12) мкм, W5 = (250 10) мкм. Максимальный размер одной ячейки первого сита WX1 может достигать 600 + 101 = 701 мкм, причем количество ячеек с увеличенным номинальным размером от WZ1 = 661 мкм до WX1 = 701 мкм не должно превышать 6 % от общего количества ячеек. Максимальный размер от WZ2 = 473 до WX2 = 506 мкм могут иметь максимум 6 % ячеек. Размеры ячеек и их диагоналей в соответствии с ГОСТ Р 51568 представлены в табл. 2. Таблица 1 Зерновой состав шлифовального порошка 54СF46 Контрольное Размер стороны сито ячейки сита, мкм 1 2 600 425 3 4 355 300 5 250 Остаток пробы, % по ГОСТ Р фактически 52381 – – 4 30 40 65 (масса на ситах 3 + 4) не регламентируется 68 68 + 27 = 95 1 По размерам сторон ячейки в порядке убывания (сверху вниз) собирается набор из пяти сит. В течение 30 мин при температуре 105 С сушат пробу шлифовального порошка, а после остывания ее сокращают до 100 г, засыпают на верхнее сито и закрывают крышкой. Набор сит устанавливают в машину для встряхивания на 5 мин, после чего сита вынимают из машины и последовательно ссыпают полученные на них остатки шлифовального порошка. Затем остатки взвешиваются, начиная с верхнего сита. Согласно требованиям стандарта, анализируемый шлифовальный порошок без остатка проходил через сито с размерами ячеек в свету W1. На сите с размером ячейки W2 относительная масса порошка Q2 составляла 4 % (по ГОСТ – менее 30 %). Сито с размером ячейки W3 определяет минимальное количество зёрен, относительная масса которых должна быть более 40 %. Фактически это количество составляло 68 %. Масса зёрен, задерживающихся на сите W4, отдельно не регламентируется, но общая масса проб (Q3 + Q4) должна быть более 65 %. В результате рассева относительная масса Q3 + Q4 = 95 %, что также согласуется с Таблица 2 Размеры W и диагонали D ячеек контрольных сит по ГОСТ Р 52381 Номер сита 1 2 3 4 5 W 600 425 355 300 250 W–Y 579 409 342 288 240 W+Y 621 441 368 312 260 WZ 661 473 398 338 284 WX 701 506 427 365 308 DW 849 601 502 424 354 D+Y 878 624 520 441 368 Проходным или непроходным размером может быть ширина или диагональ ячейки. Считая в каждой пробе верхнее сито проходным, нижнее – непроходным, сравнивали фактические значения ширины зерна с размерами и диагоналями ячейки соответствующего сита (табл. 3 и 4). 45 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Таблица 3 Относительное количество зерен в пробах, имеющих ширину b больше размеров и диагоналей ячейки проходного сита Проба 2 3 4 5 n, шт. 692 694 692 635 b W, % 17,9 84,7 92,3 92,6 b W+Y, % 11,8 75,8 87,4 88,3 b WZ, % 3,6 55,9 70,8 76,5 Таблица 4 Относительное количество зерен в пробах, имеющих ширину b меньше размера ячейки непроходного сита Проба 3 4 5 n, шт. 692 694 692 b W, % 2,0 1,0 1,2 b WX, % 1,3 33,3 49,1 57,6 b DW, % 0,0 1,6 2,3 7,2 b D+Y, % 0,0 0,9 1,7 4,7 считать минимальным непроходным размером нижнего сита для пробы 2. Третья проба зерен проходит через сито 2 и задерживается ситом 3. При анализе пробы 3 сито 2 будем рассматривать как проходное. В соответствии с допуском на номинальную ширину ячейки сита при номинальной величине 425 мкм диапазон изменения составляет 409 – 441 мкм. Диапазон варьирования диагоналей этих ячеек от 578 до 624 мкм. В пробе 3 есть 6 зерен, ширина которых превосходила диагональ максимальной ячейки D+У2, что соответствует относительному количеству зерен около 0,9 %. Сито, согласно ГОСТ Р 52381, может содержать менее 6 % ячеек, которые имеют допустимое максимальное значение в интервале от 473 до 506 мкм. Если рассматривать эти 6 зерен индивидуально, то они могут с учетом реального профиля пройти через диагональ D+У2. Номинальный размер ячейки задерживающего сита W3 = 355 мкм. Относительное число зерен, ширина которых меньше этого размера, в пробе 3 составляет 1 %. В соответствии с допуском минимальный размер ячейки W–Y3 = 342 мкм. Количество зерен, ширина которых в пробе 3 будет меньше 342 мкм, не превышает 0,6 % (табл. 4). Таким образом, минимальный проходной размер ячейки нижнего сита при рассеве пробы 3, как и пробы 2, определяется нижней границей допуска на номинальный размер ячейки сита +Y3. В пробе 4 относительное количество зерен, ширина которых больше размера диагонали сита DW3, составляет 2,3 %, больше D+Y3 – 1,7 %. Детально проанализированы форма и размеры 12 зерен, составляющих эти 1,7 %, на возможность их прохождения через ячейки сита с учетом допусков на номинальный размер, в т. ч. по диагонали ячеек. Установлено, что все зерна, у которых b D+Y3, с учетом фактической формы могут пройти через ячейки сита 3, по крайней мере, с ориентацией по диагонали ячеек. Исходя из этого, размер диагонали D+Y3 принят в качестве проходного размера для зерен пробы 4. В качестве непроходного размера в пробе 4, как и в пробах 2 и 3, принимаем величину W–У4 (табл. 4). Проба 5 проходит через четвертое сито и задерживается на пятом. Установлено, что относительное количество зерен в этой пробе с размером b W–Y, % 1,2 0,6 1,0 Рассмотрим ширину зерен второй пробы. Очевидно, что максимальный размер b не должен быть больше максимального проходного размера ячеек сита 2. Как следует из табл. 3, в пробе 2 нет зерен, ширина которых была бы больше диагонали ячейки сита с размером DW1. Присутствуют около 1,3 % зёрен, ширину которых можно сопоставить с размером ячейки WХ1. Но для пробы 2 нет данных о возможных максимальных размерах ширины зерна. Поэтому делать окончательное заключение о максимальном проходном размере сита 1 по анализу размеров пробы 2 нельзя. Более объективное заключение о максимально возможной ширине зерен и её связи с соответствующим размером ячейки проходного сита можно сделать только в результате анализа следующих проб. При сравнении ширины зерен пробы 2 с ячейками нижнего непроходного сита исходили из минимального размера ячеек. Минимальный размер ширины зерен в пробе 2 не должен быть меньше минимального проходного размера сита 2. Если в качестве непроходного размера принять номинальный размер стороны ячейки сита W2 = 425 мкм, около 2 % зерен пробы 2 имеют размер b2 W2. Исходя из допуска на номинальный размер ячейки, его минимальная величина может достигать W–Y2 = 409 мкм. Тем не менее, в пробе 2 присутствуют 1,2 % зерен, ширина которых меньше проходного размера. Дело в том, что при определении ширины зерна по методике [3] исследуемый объект в самом общем случае может лежать на боку. Вероятность такого положения зерна невысока, но исключать её нельзя. Тогда при обработке электронной фотографии проекции зерна фактически будет измерена не ширина, а толщина зерна. Не исключена возможность и слипания зерен, что также затрудняет их проход через ячейку сита. Поэтому размер W–У2 = 409 мкм можно 46 В. А. Носенко, А. А. Александров 2014. № 1 (28) ным размером минимально допустимый по ГОСТ Р 51568 размер ячейки сита, а именно W–Y5. b DW4 составляет около 7 %, а с размером b D+Y4 – около 5 %. Фактическая форма и размеры этих зерен также были проанализированы и сделан вывод, что, по крайней мере, по диагонали ячеек сита 4 эти зерна могут пройти. Относительное число зерен, ширина которых меньше номинального размера задерживающего сита 5, в пробе 5 составляет 1,2 %. В соответствии с допуском минимальный размер ячейки W–Y5 = 240 мкм. Количество зерен, ширина которых в пробе 5 была меньше 240 мкм, не превышает 1 %. Поэтому в данной пробе можно считать нижним непроход- Выводы В качестве проходного размера ширины зерна при рассеве шлифовального порошка на пробы по ГОСТ Р 52381 можно принять размер диагонали ячейки сита D+Y, размер ячейки которого с учетом поля допуска на номинальный размер равен W + Y, в качестве непроходного размера – минимально допустимое значение ячейки сита W – Y (обозначения даны по ГОСТ Р 51568). Библиографический список 1. Сафонова М. Н. и др. Компьютерно-аналитические методы диагностики эксплуатационных характеристик алмазных порошков и композиционных материалов на их основе / М. Н. Сафонова, Г. А. Петасюк, А. С. Сыромятникова. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2013. – 222 с. 2. Bouwman, A. Which shape factor(s) best describe granules? / A. M. Bouwman, J. C. Bosma, P. Vonk et al. // Powder Technology. – 2004. – № 146. – P. 66 – 72. 3. Носенко В. А. и др. Статистические параметры геометрических размеров зерен микрошлифпорошков карбида кремния / В. А. Носенко, И. А. Макушкин, А. А. Шегай // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2011. – Т. 13. – № 7. – С. 32 – 34. 4. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011610144 от 11.01.11. РФ. Программа для автоматизированного определения геометрических параметров шлифовального зерна по фотографии «Зерно НМ ВПИ» / В. А. Носенко, А. А. Рыбанов, И. А. Макушкин, А. А. Шегай, К. А. Букштанович. ВолгГТУ. – 2011. Сведения об авторах Носенко Владимир Андреевич – доктор технических наук, профессор Волжского политехнического института (филиала) Волгоградского государственного технического университета. E-mail: [email protected] Александров Алексей Александрович – студент 2 курса магистратуры Волжского политехнического института (филиала) Волгоградского государственного технического университета. E-mail: [email protected] Nosenko, Vladimir Andreevich – Doctor of Engineering, full professor, Volzhsky Polytechnical Institute, branch of the Volgograd State Technical University. E-mail: [email protected] Aleksandrov, Alexey Aleksandrovich – student, 2-nd magister course, Volzhsky Polytechnical Institute, branch of the Volgograd State Technical University. E-mail: [email protected] 47 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ УДК 629.7.036.3 : 621.51 : 678 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОМПРЕССОРОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С. Г. КУТИЛИН1, Т. Д. КОЖИНА2, 2014 1 2 ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» В данной статье представлены некоторые особенности технологического процесса изготовления из полимерных композиционных материалов ответственных деталей КНД авиационных ГТД, к которым относятся рабочие лопатки и корпус вентилятора. Совместное применение этих деталей в двигателе приводит к значительному снижению массы по сравнению с металлическими аналогами без ухудшения их прочностных свойств. Приведен опыт зарубежных авиадвигателестроительных фирм по созданию рабочей лопатки и корпуса вентилятора из ПКМ. АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, КОМПРЕССОР, ДЕТАЛИ И УЗЛЫ ГТД, ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ SINGULARITIES OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS IN AN AIRCRAFT TURBINE ENGINE COMPRESSOR DETAILS MANUFACTURING TECHNOLOGICAL PROCESS S. G. KUTILIN1, T. D. KOZHINA2, 2014 1 2 OAO «NPO «Saturn», Rybinsk Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper features singularities of polymeric composite materials used in some essential parts of turbine engine LPCs technological manufacturing process (blades, fan cases). Joint application of the mentioned details in engines leads to considerable mass reduction in comparison with their metal analogues, without sacrifice of strength properties. The paper also introduces some foreign aircraft engine manufacturers experience regarding composite-made blades and fan cases. AIRCRAFT ENGINE, COMPRESSOR, GTE COMPONENTS, POLYMERIC COMPOSITES Авиадвигателестроение – наукоемкая, высокотехнологичная и динамично развивающаяся отрасль, эффективная работа которой имеет существенное значение для обеспечения обороноспособности и социально-экономического развития страны. Авиационный двигатель (АД) – «ключевое звено» любого летательного аппарата, в котором в первую очередь реализуются наиболее прогрессивные научные и технологические решения, используемые в дальнейшем и в других изделиях энергетического машиностроения [1]. Одной из основных задач при создании перспективного и конкурентоспособного гражданского АД является снижение удельного расхода топлива и вредных выбросов (концепция «зеленого» самолета). Однако современные АД по удельным параметрам уже практически достигли своих предельных значений, и дальнейшее снижение расхода топлива возможно только за счет уменьшения массы двигателя. Одним из основных направлений снижения массы является применение при проектировании деталей и узлов АД композиционных материалов, которые по своим удельным прочностным характеристикам превышают алюминиевые и титановые сплавы. Композиционные материалы (КМ) – это материалы, состоящие из двух или более компонентов и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств этих компонентов. Один из компонентов пластичен (связующее или матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель или арматура). В компрессорах авиационных двигателей вследствие относительно невысоких рабочих температур все большее применение находят полимерные КМ (ПКМ). Это материалы, в которых в 48 С. Г. Кутилин, Т. Д. Кожина 2014. № 1 (28) качестве матрицы используются термореактивные или термопластичные полимерные связующие, а в качестве наполнителя – стеклянные, углеродные, полимерные и другие волокна. Максимальная рабочая температура деталей из этих материалов ограничивается рабочей температурой матрицы и составляет от 150 до 250 С [2]. Исследования российских авиадвигателе- строительных фирм и опыт зарубежных компаний в области гражданского двигателестроения показывают, что с ростом размерности двигателя потенциальный выигрыш в массе за счёт замены металлический деталей в компрессоре низкого давления (КНД) на детали из ПКМ существенно возрастает и может достигать 30 % от исходной массы конструкции (рис. 1). Рис. 1. Снижение веса КНД двигателя за счёт внедрения ПКМ Возможности применения ПКМ в составе КНД авиационного двигателя довольно широки. Это и различные статорные детали, такие как спрямляющие аппараты (СА) вентилятора и их корпуса. ПКМ применяются и в мотогондоле, в узле реверса тяги и сопле второго контура. Помимо этого, широко развито применение ПКМ в сэндвич-конструкциях акустических и прирабатываемых панелей. Однако наибольший вклад в снижение веса КНД вносят самые габаритные, сложные и ответственные детали – рабочие лопатки и корпус вентилятора. В данной статье авторами предлагается использовать при создании указанных деталей наиболее перспективные технологические процессы, успешно реализованные на практике лидерами мирового авиадвигателестроения. лятора [3]. Однако рост цен на топливо и необходимость дальнейшего улучшения удельных характеристик двигателя вновь вызвали интерес компании к возможности использования ПКМ в конструкции вентилятора уже в XXI в. Один из способов изготовления композитной лопатки вентилятора это технология автоматизированной укладки волокна (AFP – Automated Fiber Placement). Это процесс укладки узких единичных полос ленточного препрега. Полосы укладываются специальным роботом одна за другой на формообразующую оснастку. Отверждение связующего происходит непосредственно при укладке. Замок и переднюю кромку лопатки обрабатывают механически, далее на кромки устанавливаются защитные титановые накладки, а на корыто и спинку лопатки наносят специальное защитное покрытие. Все это способы защиты от эрозии. По данной технологии изготовлена лопатка вентилятора из углепластикового КМ, произведенная техцентром CETAL (Сomposite Technology and Applications Limited) – совместным предприятием компаний Rolls-Royce и GKN Aerospace (рис. 2, а) [4]. В качестве ленточного препрега используется препрег из углеродного волокна (Hexcel M91) шириной примерно 15 мм. Опытные образцы лопаток успешно прошли испытания на заброс птицы и обрыв. Лопатки, произведённые по данной техноло- Лопатка вентилятора Первую попытку создания лопатки вентилятора из ПКМ предприняла компания Rolls-Royce в 60-х годах для своего двигателя RB211. Однако эксплуатационные характеристики полимерных материалов, используемых в качестве связующих, и углепластиков на их основе были изучены крайне слабо. В конечном счете, высокая стоимость разработки в сочетании с неблагоприятными экономическими условиями привели к закрытию разработки, а компания сосредоточилась на производстве полых титановых широкохордных лопаток венти49 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) гии, Rolls-Royce планирует применять уже в конце этого десятилетия на двигателе, который будет разрабатываться вслед за Trent XWB. Другим технологическим процессом изготовления лопатки вентилятора из КМ является выкладка слоев из специально раскроенного по шаблонам препрега с последующим формованием в автоклаве. От абразивной эрозии кромки лопатки так же защищаются титановыми накладками, а на профильную часть может быть нанесено упругое полимерное покрытие. Данная технология была разработана фирмой CFAN – совместным предприятием компаний General Electric и Snecma – для производства лопаток вентилятора двигателя GE90. а) Рыбинск: РГАТУ Компания General Electric на сегодняшний момент является единственной компанией, успешно внедрившей ПКМ в конструкцию двигателя и сертифицировавшей её. На протяжении почти 30 лет по таким государственным программам, как QCSEE, E3 и др. General Electric продолжала собственные работы по созданию лопаток вентиляторов ТРДД из углепластиков. Эти работы увенчались успехом, и в 1995 г. фирмой был сертифицирован двигатель GE90 с лопатками вентилятора из углепластика (рис. 2, б). Это первая в мире рабочая лопатка вентилятора из углепластика серийного двигателя, успешно эксплуатируемого на различных типах самолетов гражданской авиации. б) в) г) Рис. 2. Композитная лопатка вентилятора: а) демонстратор фирмы Rolls-Royce; б) лопатка двигателя GE90; в) лопатка двигателя GEnx; г) лопатка двигателя Leap-Х Двигатель GE90 для Boeing 777 введен в эксплуатацию в 1995 г. После 18 лет эксплуатации GE90 ни одна лопатка вентилятора не разрушилась, что свидетельствует об их надежности. Развитием применённых в двигателе GE90 технологических решений стало создание GEnx, где помимо композитной лопатки (рис. 2, в) применен композитный корпус вентилятора. Лопатка GEnx имеет высоту 1113 мм и изготовлена по аналогичной GE90 технологии. Масса лопатки 13 кг, что на 35 % легче цельнотитанового аналога и на 10 % – полой титановой лопатки. В 2011 г. двигатель GEnx-1B для Boeing 787 был сертифицирован и запущен в серийное производство. Имеющийся научно-технический задел в части создания композитных лопаток вентилятора компания General Electric продолжает реализовывать совместно с компанией Snecma в рамках программы семейства двигателей Leap-Х, предназначенных для узкофюзеляжных Airbus A320NEO, Boeing 737MAX и Comac C919 [5]. Как было указано ранее, General Electric изготавливает композитные лопатки по технологии автоклавного формования препрега. Такой подход годится для больших лопаток мощных двигателей с вентиляторами диаметром 3,00…3,25 м, но его нельзя масштабировать для относительно небольших лопаток вентиляторов диаметром 1,5…1,9 м. Длинные лопатки получаются достаточно гибкими, чтобы выдержать попадание птицы, а короткие лопатки – слишком жесткими и от попадания крупной птицы могут разрушиться. Решением проблемы избыточной жесткости является трёхмерное ткачество нитей углеволокна, взамен послойной выкладки препрега. Такую технологию позволяют реализовать современные ткацкие станки с машиной жаккарда, которые могут оперировать тысячами нитей, одновременно позиционируя каждую из них в нужном положении. Сотканная трехмерная структура – преформа – представляет собой единый кусок материи, близкий по геометрии к конечной форме лопатки, а полностью автоматизированный процесс производства преформы исключает ошибки ручного труда. Для обеспечения точности и качества кромок осуществляется их обработка гидроабразивной резкой. Конечное изделие получается методом трансферного формования (метод RTM – Resin Transfer Molding): преформа помеща50 С. Г. Кутилин, Т. Д. Кожина 2014. № 1 (28) ется в формообразующую оснастку и пропитывается эпоксидным связующим под давлением (рис. 3). Следующий за этим процесс полимериза- ции происходит при температуре 175 С в течение 5 ч. Рис. 3. Сотканная лопатка, помещенная в форму для пропитки связующим Именно эту технологию применила компания Snecma при создании лопатки вентилятора двигателя Leap-X (рис. 2, г) [6]. Партнером по организации производства Snecma выбрала Albany Enginering Composites (AEC), дочернее предприятие Albany International. Для защиты лопаток от эрозии ее поверхность обдувается порошком окиси алюминия для придания шероховатости, и далее наносится специальная краска. В качестве меры для защиты входной кромки от удара фирма AEC устанавливает на своих лопатках титановую переднюю кромку, так же как фирма CFAN – на лопатках двигателей GE90/GEnx. По данным AEC вес готовой лопатки составляет около 4 кг. Snecma и AEC считают, что разработанную технологию можно применять для лопаток вентилятора диаметром до 3 м. ли данный процесс существенно усложняется. Вопервых, требуется передвижение и управление тяжёлой дорогостоящей оснасткой – её протяжка через плетельную машину, съём и установка для пропитки. Во-вторых, больший диаметр требует большее число оплетающих нитей, из-за чего установки для оплетения корпусов вентилятора могут достигать огромных размеров до 20 м в диаметре. Обслуживание такой установки представляет собой серьёзный трудоёмкий процесс. Корпус вентилятора Способы создания армирующей основы (преформы) корпуса вентилятора можно разделить на два типа: поверхностное оплетение и метод лебёдочной обмотки [7]. В обоих случаях для получения преформы используется машина для радиального плетения (braiding). При изготовлении методом поверхностного оплетения осевая линия оплёточного рукава позиционируется таким образом, чтобы она совпадала с осевой линией конструкции. Оправка, представляющая собой внутренний контур детали, протягивается через кольцо плетельной машины, напрямую оплетаясь нитями. Скорость протягивания оправки определяет конечную форму и плотность плетения (рис. 4). Данный процесс продолжается до тех пор, пока оплётка не покроет всю оправку. Затем процесс повторяется, пока на оправку не будет нанесено достаточное число слоёв. По завершению процесса полученная преформа пропитывается с помощью трансферных методов формования. При этом оправка является формообразующей оснасткой и после полимеризации связующего демонтируется. С ростом требуемого диаметра дета- Рис. 4. Процесс поверхностного оплетения Для снижения затрат на оснастку и создания менее трудоёмкого процесса производства цилиндрических деталей, таких как корпус вентилятора, был разработан метод «лебёдочной обмотки» («capstan winding approach») (рис. 5). Здесь также используется аналогичная машина радиального плетения для формирования трубчатого рукава, но данный рукав имеет существенно меньший диаметр, меньшее количество нитей и ориентирован вдоль окружности конструкции. За счет вращения оснастки оплёточный рукав наматывается на неё слоями, повторяя геометрию. При этом более низкие радиусные зоны в оснастке натягивают соответствующие волокна в оплётке медленнее, чем более высокие радиусные зоны. Это создаёт контурную геометрию оплётки за счёт податливости нитей внутри плетения. 51 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ Рис. 5. Создание армирующей структуры корпуса вентилятора методом «лебёдочной обмотки» Использование метода «лебёдочной обмотки» позволило существенно увеличить диаметры наматываемых конструкций, т. к. теперь размеры оплёточной машины определялись только диаметром трубчатого рукава, а не диаметром конструкции. Помимо этого, увеличилась степень использования материала и эффективность процесса из-за непрерывной работы плетельной машины. Благодаря тому, что сплюснутый трубчатый рукав обеспечивает нанесение одновременно двух слоёв за один оборот оснастки, были достигнуты высокие скорости нанесения материала. Кроме того, такая технология позволяет разделить процесс обмотки на 2 этапа. Первый этап – создание рукава. Машина для радиального плете- ния создаёт непрерывный рукав, который наматывается на бобину – транспортировочный барабан, как полуфабрикат. Затем такая бобина переносится на обмоточную машину, где рукав сматывается с неё и обматывает необходимую оправку сложной геометрии. Далее происходят процессы пропитки связующим, отверждение и механическая обработка. На рис. 6 представлен корпус вентилятора, изготовленный из КМ компанией AEC в партнерстве со Snecma для двигателя Leap-X. На рис. 7 представлен корпус вентилятора двигателя GEnx. Преформы данных корпусов изготовлены по указанным выше технологиям. Рис. 6. Композитный корпус вентилятора двигателя Leap Рис. 7. Композитный корпус вентилятора двигателя GEnx 52 С. Г. Кутилин, Т. Д. Кожина 2014. № 1 (28) Одна из задач корпуса вентилятора – локализация разрушения рабочей лопатки вентилятора (удержание фрагментов оборвавшейся лопатки внутри двигателя). В металлических корпусах данная задача решается за счет увеличения толщины зоны удержания (зоны разлета фрагментов), что ведет к увеличению его массы. Композитная лопатка вентилятора, помимо того, что она легче, имеет другой (по сравнению с металлическими аналогами) механизм разрушения. При попадании посторонних предметов такая лопатка расслаивается или растрескивается. Энергетика тех фрагментов, которые отрываются, значительно меньше, что позволяет создавать облегченные корпуса из КМ. Таким образом, максимальное снижение массы модуля КНД авиационного ГТД можно достигнуть только за счет совместного применения в его конструкции рабочей лопатки и корпуса вентилятора из КМ, а проведенный анализ на основании опыта зарубежных компаний подтверждает это (табл. 1, рис. 1). Снижение массы КНД только лишь за счет применения композитных корпуса и лопаток вентилятора составляет 70…85 % от потенциально возможного снижения массы КНД в целом за счет композитных деталей. Компании General Electric, Rolls-Royce и Snecma в своих новых разработках вентиляторов перспективных ТРДД ориентируются только на ПКМ. В сочетании с новыми материалами для горячей части и современными методами проектирования, предложенные в данной статье технологии позволяют создать двигатель нового поколения с лучшими характеристиками. Не остается в стороне от технологической гонки и головное российское предприятие дивизиона «Двигатели для гражданской авиации» – ОАО «НПО «Сатурн». Сегодня на предприятии ведутся научно-исследовательские и опытноконструкторские работы по созданию из КМ деталей двигателей. Для успешного конкурирования на международном рынке требуется дальнейшее развитие работ по созданию деталей ГТД из КМ и внедрение их в серийные двигатели. Зарубежные фирмы далеко продвинулись в этом направлении и, используя их опыт, мы можем избежать повторения ошибок, связанных с выбором и развитием менее производительных технологических процессов получения изделий из КМ, т. е. оснащать производственные линии предприятия перспективным автоматизированным оборудованием, позволяющим снижать время, трудоемкость и конечную стоимость серийного производства изделий. Таблица 1 Технологический процесс Автоматизированная укладка единичных полос ленточного препрега (AFP). Отверждение связующего в процессе укладки Ручная выкладка специально раскроенного по шаблонам препрега. Формование в автоклаве Трёхмерное ткачество преформы из нитей углеволокна. Пропитка связующим методом RTM; отверждение в печи Создание преформы методом поверхностного оплетения. Пропитка трансферным методом (инфузия, RTM). Формование в автоклаве Создание преформы методом лебёдочной обмотки. Пропитка трансферным методом (инфузия, RTM). Формование в автоклаве Трёхмерное ткачество либо выкладка тканью с последующей пропиткой трансферными методами Штамповка или литье термопластичного КМ Прямое прессование препрега с отверждением в печи Остальные детали (лопатка OGV, кок, платформа, др.) Корпус вентилятора Деталь Лопатка вентилятора Снижение массы АД за счет применения в КНД деталей из ПКМ Компания (двигатель) Rolls-Royce (Trent XWB +) Снижение массы детали 30…35 %, General Electric (GE90, Genx) Snecma (Leap-Х) 35 % (Genx) Снижение массы двигателя GEnx: – 400 кг 30 %, Leap-Х: – 220 кг Snecma (Leap-Х), General Electric (Genx) General Electric, Rolls-Royce, Snecma, ОАО «НПО «Сатурн» 25…35 %, ПД-14: – 200 кг* 20…40 %, SaM146: – 70 кг* * – расчетное значение Библиографический список 1. Скибин В. А., Солонин В. И. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор). – М.: ЦИАМ, 2004. – 424 с. 2. Мухаметов Р. Р., Ахмадиева К. Р., Чурсова Л. В. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных ВПКМ. – ВИАМ, 2010. 53 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ 3. Каримбаев Т. Д., Луппов А. А., Афанасьев Д. В. Рабочие лопатки вентиляторов для перспективных двигателей // Двигатель. – 2011. – № 6 (78). – С. 2 – 9. 4. Coming Full Circle – Flight International, 27 September – 3 October 2011, P. 34 – 35. 5. Weaving a web of lightweight blades. – Snecma Magazine, № 6 – July 2004, P. 20 – 21. 6. Patterned Breakthrough // Aviation Week, 2012, 9/VII, № 24, Р. 74 – 77. 7. G. D. Roberts, J. M. Pereira, M. S. Braley, W. A. Arnold. Design and Testing of Braided Composite Fan Case Materials and Components. Сведения об авторах Кутилин Сергей Геннадиевич – инженер-конструктор 2 категории конструкторского отдела компрессоров ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. E-mail: [email protected] Кожина Татьяна Дмитриевна – проректор по науке и инновациям, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Kutilin, Sergey Gennadievich – 2-nd class design engineer, compressors design department, OAO «NPO «Saturn», Rybinsk. E-mail: [email protected] Kozhina, Tatyana Dmitrievna – pro-rector for science and innovations, Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] УДК 621.7; 621.9 АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПОСЛЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СРЕДСТВАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ А. Н. БОЛОТЕИН, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» При изготовлении высокоточных деталей в машиностроении и авиадвигателестроении в дополнение к общим требованиям по обеспечению точности размеров, формы и качеству поверхностей предъявляют требования к величине и характеру распределения остаточных напряжений в их поверхностном слое. Для расчета и назначения технологических условий обработки таких деталей широко используется компьютерное моделирование и различные методы анализа, применение которых для решения указанной проблемы имеет ряд особенностей, рассмотренных в статье. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАБОТКИ, ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ POST-MACHINING DETAILS MODE OF DEFORMATION ANALYSIS BY MEANS OF COMPUTER SIMULATION A. N. BOLOTEIN, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» At high-precision details manufacturing in machine industry and aero-engine manufacturing additionally to common requirements regarding dimensional accuracy, form and surfaces quality there exists requirements to residual stresses magni- 54 А. Н. Болотеин 2014. № 1 (28) tude and character of allocation especially in their surface layer. For calculation and assignment of processing technological requirements for such details computer simulation and various methods of analysis are widely used, and application of the mentioned methods for solution of the problem has a number of singularities considered in the paper. TECHNOLOGICAL PROCESSING CONDITIONS, RESIDUAL STRESSES, MACHINE PROCESSING SIMULATION, FINITE ELEMENT ANALYSIS В конструкциях современных высокотехнологичных изделий в машиностроении и авиадвигателестроении невозможно обойтись без использования геометрически сложных деталей, к которым предъявляются высокие требования, касающиеся точности формы, размеров и качества поверхностного слоя. Для выполнения требований необходим особый подход к разработке технологических процессов изготовления таких деталей и, особенно, при назначении технологических условий их обработки. Так, при назначении режимов резания требуется учитывать не только производительность процесса резания и заданную шероховатость поверхностей, но и величину технологических остаточных напряжений, которые будут формироваться в поверхностном слое деталей, а также поле распределения этих напряжений и возможные остаточные деформации деталей. Значительные остаточные напряжения могут возникать после точения, фрезерования, шлифования и других методов механической обработки. Их появление связано с пластической деформацией материала заготовки при воздействии на него режущего инструмента и нагреванием поверхностных слоев выделяющейся в процессе резания теплотой (так называемые силовой и температурный факторы). Величина остаточных напряжений напрямую связана с технологическими условиями изготовления детали, а характер их распределения зависит от её геометрии и материала. Необходимость учета требуемой величины остаточных напряжений при назначении технологических условий объясняется тем, что остаточные напряжения зачастую оказывают негативное влияние на качество готовых деталей и изделий. Например, приводят к появлению недопустимых остаточных деформаций и короблений деталей, к появлению трещин и даже к разрушению деталей. Появление остаточных деформаций деталей нарушает эксплуатационные характеристики изделий, т. к. при нарушении геометрии деталей изменяется форма и расположение поверхностей, меняются предусмотренные конструкцией зазоры, появляются биения и вибрации. Таким образом, учет остаточных напряжений при назначении технологических условий обработки позволит обеспечить неизменяемость геометрической формы и размеров деталей сверх своих предельных отклонений в процессе сборки и эксплуатации. В настоящее время имеется большое количество научных работ, в которых предлагаются различные методы по определению величины оста- точных напряжений, возникающих в поверхностном слое деталей после механической обработки. Эти методы можно условно разделить на три группы: теоретические, теоретико-экспериментальные и экспериментальные [4]. Основными недостатками экспериментальных методов являются: частный характер получаемых зависимостей, учет ограниченного числа факторов в них, многие важные факторы, такие как геометрия инструмента, физико-механическое состояние обрабатываемого материала, учитываются только через поправочные коэффициенты. Полученные экспериментальным путём степенные формулы имеют ограниченное применение, т. к. результаты экспериментов нельзя переносить на другие процессы, выходящие за пределы поставленных опытов. Каждая экспериментальная формула не может быть использована для режимов обработки материалов, имеющих иные механические, химические и теплофизические свойства. Для определения составляющих экспериментальной формулы для нового материала требуется постановка новой серии большого количества опытов. Теоретические методы по причине их большой общности позволяют точно определять взаимосвязанное воздействие факторов, влияющих на силы резания, но для реальных расчётов, используемых на производстве, такие формулы сложны, а расчеты трудно выполнимы. Теоретико-экспериментальные формулы, наиболее полно отражают всю взаимосвязь факторов, влияющих на силы резания и напряженнодеформированное состояние заготовки, могут использоваться при разработке технологических процессов. Но область применения этих формул ограничена областью проведенных экспериментальных исследований. Во всех остальных случаях необходимо выполнение серии опытов, направленных на определение значений эмпирических коэффициентов и степенных показателей. Таким образом, все перечисленные методики в той или иной степени имеют определенные ограничения, не учитывают ряд важных факторов и зачастую рассматривают возникновение остаточных напряжений только с точки зрения действия силового фактора, исключая влияние температурного или учитывая его упрощенно. Возникают сложности и с учетом геометрии детали. Так, в ряде работ деталь рассматривается в виде бесконечно большого тела. В других – используют простую форму и геометрию деталей (валы, диски, втулки). При этом не удается учесть в расчетах наличие 55 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ сложных геометрических элементов, которые имеются в конструкции многих авиационных деталей. Другим важным ограничением является недостаточно полный учет физико-механических свойств материала детали и инструмента. Например, часто инструмент рассматривается как абсолютно жесткое тело, не участвующее даже в теплообмене. В отсутствии точных методик по расчету величины и распределения остаточных напряжений применяются методы их определения по результатам контроля. Однако применение различных методов контроля остаточных напряжений тоже не лишено недостатков, так, при использовании механических методов (для величины остаточных напряжений 1 рода) требуется нарушение целостности деталей (резка, сверление, травление и т. д.). Более того, большинство методов контроля остаточных напряжений очень сильно зависят от геометрии контролируемой детали. Наиболее проработаны методы контроля для деталей простой симметричной формы (диски, кольца, трубы, пластины). Они позволяют достаточно точно получить поле распределений остаточных напряжений. Впрочем, такие детали в конструкции современных авиационных двигателей встречаются нечасто, чаще всего, они имеют сложную тонкостенную форму с большим количеством мелких элементов (ребер, пазов, балок, фасонных участков и т. д.), а то и вовсе далеки от симметрии. Для деталей такого типа существующие методы контроля позволяют получить лишь приближенную оценку величины и распределения остаточных напряжений, например путем вырезки из них элементов простой формы. При этом существующие методы неразрушающего контроля обычно менее надежны и поэтому применяются нечасто. Также следует отметить, что многие расчетные методики ограничиваются только определением величины остаточных напряжений и поля их распределения, не давая ответа на вопрос, что будет происходить с деталью и как она поведет себя при эксплуатации и сборке. В связи с этим, представляется целесообразным уточнить существующие методики определения величины и характера распределения остаточных напряжений, а также возникает необходимость в создании такой методики расчета, которая позволяла бы решать перечисленные задачи и эффективно применяться в производстве. Таким образом, с учетом всего изложенного, предлагаемая методика определения остаточных напряжений должна отвечать следующим требованиям: учитывать особенности геометрии детали и режущего инструмента, учитывать температуру и её влияние на физико-механические свойства материала детали, использовать адекватную модель пластичности материала, иметь возможность опре- Рыбинск: РГАТУ делять все необходимые технологические условия обработки, иметь возможность получать поле распределения температуры в зоне резания и анализировать напряженно-деформированное состояние заготовки, иметь возможность прогнозировать деформации, быть точной, обеспечивать быстроту и удобство расчетов. Одним из прогрессивных направлений в этой области является применение метода конечных элементов (МКЭ) для моделирования процесса механической обработки. Этот метод известен достаточно давно, но в последние годы к численному моделированию процесса резания вновь появился интерес. Это связано как с потребностью производства, так и с развитием вычислительной техники, программного обеспечения и самих методов конечно-элементного анализа. Современный уровень развития МКЭ позволяет выполнять достаточно сложные расчеты, в том числе для физически сложных объектов и динамических процессов со сложной механикой, таких как процесс резания, получая при этом достаточно точные результаты. Однако все возможности МКЭ могут быть в полной мере использованы только тогда, когда имеется научно проработанная методика выполнения расчетов, разработаны математические модели, описывающие физические явления анализируемого процесса, разработаны расчетные схемы, а также методики обработки и анализа результатов. Не имея адекватных моделей, получить достоверное решение, даже с помощью самых современных компьютерных систем, не представляется возможным. Так, для моделирования процесса резания с целью получения величины и поля распределения остаточных напряжений, необходимо иметь следующие модели и методики: модель пластичности обрабатываемого материала, модель контактного взаимодействия заготовки и инструмента, модель силового воздействия инструмента на заготовку, модель возникновения и распределения тепла и др. Рассмотрим пример реализации такой расчетной методики с использованием МКЭ. Требуется определить напряженно-деформированное состояние заготовки в процессе токарной обработки и определить величину остаточных напряжений, заложенных в её поверхностном слое после обработки. На рис. 1, а представлен операционный эскиз детали, а на рис. 1, б – соответствующая ему твердотельная конечно-элементная модель, которую предполагается использовать для компьютерного анализа в среде ANSYS/LS-DYNA. Модель создается в соответствии с геометрией и размерами реальных образцов. В качестве элемента для построения сетки используется элемент SOLID164 (рис. 2) [5]. Этот элемент позволяет получать достаточно плотную точную равномерную сетку, поддерживает различ- 56 А. Н. Болотеин 2014. № 1 (28) ные модели материалов, применяется для динамического 3D-анализа, позволяет определять перемещения, скорость и ускорение узловых точек (I, J, K, L, M, N, O, P), на основе которых рассчитываются деформации и напряжения, поддерживает модели разрушения и текучести. ного состояния детали. Модель режущего клина предполагается абсолютно жесткой, но с возможностью отвода и подвода тепловых и силовых нагрузок. Рис. 2. Геометрия элемента SOLID164 а) б) Моделируются следующие условия обработки: обрабатываемый материал – Сталь 45; инструментальный материал – Т15К6; геометрия инструмента = 10, = 45, = 18, r = 0,4 мм. Расчеты будем производить при изменяющейся скорости резания V от 60 до 240 м/мин и подачи S от 0,05 до 0,5 мм/об. Для выполнения расчетов и построения конечно-элементной модели используется расчетная схема (рис. 3). Рис. 1. Конструкция исследуемого образца (а) и его конечно-элементная модель в ANSYS/LS-DYNA (б) Элемент SOLID164 может воспринимать в качестве нагрузок силы, перемещения, температуру, давление и др. Характеристики и возможности данного элемента в полной мере удовлетворяют условиям расчетов и позволяют реализовать предложенный алгоритм моделирования процесса резания и формирования напряженно-деформирован- Z Z V DX DZ,X X 0 DZ,X S DX DZ,X DZ а) x qс Инструмент qто DY DZ qто y Y 0 qто qс qто qс qа DX Заготовка y, v Скорость резания, V DY qто x, u б) Рис. 3. Конечно-элементная модель процесса формирования стружки: x, y, u, v – узловые координаты; qто – границы теплоотвода; qc – границы с окружающей средой; qа – граница материла; DX, DY DZ – ограничение перемещений по осям системы координат 57 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) На схеме представлена геометрия режущего инструмента и зона резания заготовки со следующими граничными условиями: в местах закрепления заготовки ограничены все перемещения узловых точек DX, DX, DZ, к модели режущего инструмента прикладывается нагрузка в виде линейно- Рыбинск: РГАТУ го перемещения на скорости, соответствующей скорости подачи, к модели заготовки прикладывается нагрузка в виде скорости вращения в соответствии с заданной скоростью резания V, в зоне резания действуют источники тепла и имеются участки теплоотвода qто, qc, qа. Ввод исходных данных: 3D-модель заготовки и режущего инструмента, режимы резания, модель материала заготовки Начало Выбор подходящей силовой и температурной модели процесса резания Построение конечно-элементной модели температурного анализа с приложением нагрузок и граничных условий в соответствии с расчетной схемой Моделирование процесса резания для нахождения температуры в зоне резания и поля её распределения T = f (x, y, z) Построение конечно-элементной модели упругопластического анализа с приложением нагрузок и граничных условий в соответствии с расчетной схемой Моделирование процесса резания для нахождения величины сил резания, деформаций и напряжений в зоне резания с учетом полученного поля распределения температуры T Снятие нагрузок и получение поля распределения остаточных напряжений для каждого элемента сетки ост = f (x, y, z) Уточнение режимов резания по полученным зависимостям нет Величина остаточных напряжений и глубина их залегания соответствуют техническим требованиям к детали? да Моделирование процесса деформации детали под воздействием поля остаточных напряжений. Анализ геометрии нет Величина остаточных деформаций и глубина их залегания соответствуют техническим требованиям к детали? да Конец + Рис. 4. Алгоритм выполнения расчетов остаточных напряжений и деформаций с использованием метода конечных элементов в среде ANSYS/LS-DYNA По предложенной расчетной схеме выполняются вычисления в соответствии с разработанным алгоритмом (рис. 4). Алгоритм предусматривает выполнение расчета в виде последовательности из нескольких этапов: на основе заданных исходных данных и выбранной модели процесса резания. Например, для точения формируется ко- нечно-элементная модель в виде сетки элементов, к узловым точкам которой прикладываются нагрузки и ограничения, предусмотренные расчетной схемой. Далее последовательно выполняется несколько видов анализа, вначале температурный, позволяющий определить особенности распределения температуры в зоне резания и по всей модели в це- 58 А. Н. Болотеин 2014. № 1 (28) лом. Затем моделируется механическое воздействие инструмента на заготовку, и определяются силы резания, напряжения и деформации, с учетом найденной ранее температуры. При механическом воздействии моделируется процесс образования стружки и её отделение. Завершающим этапом расчета является снятие всех имеющихся нагрузок и анализ поля напряжений, сформировавшегося в поверхностном слое модели заготовки, а также прогнозирование величины остаточных деформаций детали. В ходе расчетов формируются зависимости, связывающие величину остаточных напряжений и деформаций с заданными технологическими условиями обработки. Эти зависимости можно исполь- зовать для уточнения режимов резания, если результаты не соответствуют требованиям. Пример выполнения некоторых расчетов по методу конечных элементов представлен на рис. 5. В табл. 1 представлены результаты расчетов, полученные разными способами при одинаковых исходных данных и одинаковых технологических условиях обработки: рассматривались теоретикоэкспериментальные методы с расчетом на основе имеющихся справочных данных, экспериментальный метод с измерением сил резания и последующим определением остаточных напряжений и численный эксперимент на основе компьютерного анализа с применением МКЭ. а) б) Рис. 5. Результат моделирования процесса резания в ANSYS/LS-DYNA: а) распределение температуры в зоне резания; б) напряженно-деформированное состояние в зоне резания Таблица 1 Рассчитываемый параметр Максимальные значения сил резания при точении Температура в зоне резания Напряжения в зоне резания Величина остаточных напряжений Глубина залегания остаточных напряжений Величина остаточных деформаций Обозначение Методики расчета и полученные результаты Результаты, полученные Результаты, полученные в Результаты, полученрасчетами на основе результате моделирования по ные в ходе эксперименметодик, изложенных в методу конечных элементов в тальных исследований работах [1, 2] среде ANSYS/LS-DYNA PX, Н 122 141 150 PY, Н 184 218 230 PZ, Н 288 356 372 T, C 740 640 520 X, МПа 427 – 370 Y, МПа 502 – 410 Z, МПа 530 – 520 ост, МПа 327 404 452 h, мкм 125 150 160 ост, % – – 0,08 Примечание. Данные, приведенные в таблице, получены для следующих технологических условий обработки: обрабатываемый материал – Сталь 45, инструментальный материал – Т15К6, геометрия инструмента: = 10, = 45, 1 = 20, = 18, r = 0,4 мм; режимы резания S = 0,5 мм/об., t = 0,8 мм, n = 800 об./мин 59 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Как видно из табл. 1, результаты, полученные с применением методики компьютерного моделирования, достаточно близки к результатам, которые были получены экспериментальным путем. Таким образом, применяя рассмотренную методику при разработке технологических процессов изготовления ответственных авиационных деталей для назначения режимов резания, можно значи- Рыбинск: РГАТУ тельно сократить длительный и весьма затратный процесс отработки режимов резания и, следовательно, затраты времени на технологическую подготовку производства. При этом технолог получает точный, быстрый, гибкий и эффективный «инструмент», позволяющий повысить детальность проработки технологических процессов и качество получаемых изделий. Библиографический список 1. Безъязычный В. Ф. Метод подобия в технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 2012. – 320 с. 2. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В. Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина, А. В. Константинов, В. В. Непомилуев и др. – М.: Изд-во МАИ, 1993. – 184 с. 3. Биргер И. А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с. 4. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве / Под ред. А. М. Дальского. – М.: Изд-во МАИ, 2000. – 360 с. 5. ANSYS LS-DYNA User’s Guide. ANSYS, Inc., 2012. Сведения об авторе Болотеин Алексей Николаевич – старший преподаватель ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Bolotein, Alexey Nikolaevich – senior lecturer, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] 60 ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И АВТОМАТИКА INFORMATION SCIENCE, ADP EQUIPMENT AND AUTOMATION УДК 004.93 ИНВАРИАНТНЫЙ АЛГОРИТМ ПОИСКА ХАРАКТЕРНОГО ФРАГМЕНТА НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНОГО МЕТОДА И. А. БУРЦЕВ, В. А. ВИШНЯКОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Рассматривается структурный метод поиска характерного фрагмента на динамическом изображении, адаптированный для систем обнаружения и ориентации. Приводятся характеристики разработанного алгоритма поиска местоположения объекта на динамическом изображении. ИНВАРИАНТЫЙ АЛГОРИТМ, СТРУКТУРНЫЙ МЕТОД, ДЕСКРИПТОР, ПОИСК ФРАГМЕНТА, ОРИЕНТАЦИЯ CHARACTERISTIC FRAGMENT INVARIANT SEARCH ALGORITHM ON THE BASIS OF STRUCTURAL METHOD I. A. BURTSEV, V. A. VISHNYAKOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper considers structural searching method for a characteristic fragment on a dynamic image, adapted for detection and orientation systems, performances of the designed object location search algorithm for a dynamic image are attached. INVARIANT ALGORITHM, STRUCTURAL METHOD, DESCRIPTOR, FRAGMENT SEARCH, ORIENTATION Задаче поиска фрагмента на изображении уделяется большое внимание. Прежде всего, это связано с быстрым ростом объема мультимедийной информации и, как следствие, с возникновением задач поиска и навигации по ней, а также задач распознавания объектов, классификации изображений в коллекциях, поиска в базе данных изображений, оценки движений объекта. Поисковые системы обычно не учитывают содержание изображения и осуществляют обнаружение по ключевым словам, построенным по контексту изображения. Одним из подходов к решению задачи нахождения визуально похожих изображений является сканирование по содержанию [1, 2], которое основывается на анализе численных характеристик пикселей изображения, т. е. учитывает цветовые и текстурные характеристики, форму объектов. Использование таких ме- тодов позволяет произвести поиск по большему объему данных, а также повысить его качество. Структурные методы поиска по содержанию основаны на представлении изображения в виде векторов признаков или дескрипторов [3, 4], которые содержат набор численных параметров, описывающих характеристики изображения, такие как яркость, цвет. Методы поиска по локальным дескрипторам дают более точные результаты по сравнению с методами поиска по глобальным. В работе [5, 6] описаны локальные дескрипторы для решения задачи поиска по общему подобию. Отмечено, что небольшие фрагменты изображения имеют свойство повторяться в том же или другом масштабе. Информация об описанной повторяемости (самоподобии) в пределах некоторой области формирует так называемую геометрическую разметку области изображения. С помощью 61 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ данной геометрической разметки формируются самоподобные локальные дескрипторы, которые в дальнейшем используется для сравнения изображений. Экспериментальные исследования показали эффективность применения данных дескрипторов для решения задач распознавания объектов и поиска фрагментов в коллекциях изображений и видео без предварительного обучения системы. Данный метод показывает хорошие результаты в случае одинаковой ориентации объектов на сравниваемых изображениях. Однако при поворотах и изменении масштаба вероятность обнаружения объекта резко снижается. Рыбинск: РГАТУ Предложенный инвариантный алгоритм поиска фрагмента относительно слабо чувствителен к сдвигу, повороту и изменению масштаба фрагмента изображения. Если для алгоритма, описанного в [5], требуется сильное отличие цвета объекта от фона, то разработанный алгоритм лишен этого недостатка. Другим отличием предлагаемого дескриптора является независимость работы системы поиска от количества повторяющихся фрагментов. Структурная схема системы поиска характерного фрагмента на динамическом изображении показана на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема системы поиска В блоках 1 и 3 производится преобразование изображений в полутоновые, это необходимо для того, чтобы сократить время обработки изображений. Преобразование характерного фрагмента в оттенки серого и построение дескрипторов фрагмента производится до начала поиска. Разбиение видового изображения на области происходит в блоке 4 путем полного перебора всех квадратных областей видового изображения. Размер области соответствует размеру искомого фрагмента. Далее в блоке 5 строятся дескрипторы для каждой области видового изображения. В качестве параметров векторов используется яркость пикселей полутонового изображения. В блоке 6 вычисляется расстояние между дескрипторами видового изображения и дескриптором характерного фрагмента и находится минимум расстояния между векторами. В блоке 7 производится обнаружение фрагмента, который считается найденным, если минимум, найденный в блоке 6, не превышает заданного значения. В блоке 8 осуществляется определение координат обнаруженного в блоке 7 фрагмента. В разработанной системе поиска протестированы несколько конфигураций яркостных дескрипторов (рис. 2). Первая структура представляет собой сумму яркостей всех точек области (рис. 2, а), вторая структура – вектор, состоящий из 8 компонент (рис. 2, б), каждая компонента которого представляет собой сумму яркостей пикселей одного «луча». Третий дескриптор состоит из 3 компонент, каждая из которых представляет собой сумму яркостей пикселей, входящих в «кольцо» (рис. 2, в). При использовании любого дескриптора время поиска зависит от количества областей на исходном изображении M при размерах видового изображения n m и фрагмента n0 n0 (n0 n, n0 m): M n n0 m n0 / s 2 , где s – расстояние между центрами соседних областей в пикселях. 62 И. А. Бурцев, В. А. Вишняков 2014. № 1 (28) а) б) в) Рис. 2. Конфигурации яркостных дескрипторов: а) область; б) звезда; в) кольца – процессор AMD Athlon 3,18 ГГц; – объем ОЗУ 2 ГБ; – видеоадаптер NVIDIA GeForce 6800 GT; – операционная система Windows XP SP3. В качестве входных изображений были использованы снимки земной поверхности (рис. 3, 4) со сложной структурой. Количество элементарных операций, необходимых системе поиска при использовании разработанного алгоритма с различными типами дескрипторов, показанных на рис. 2, по сравнению с классическим корреляционным алгоритмом поиска [7] (при расстоянии между областями, равном 4 пикселя) представлено в табл. 1. При анализе использовались видовые изображения и фрагменты размерами n m = 1024 1024 и n0 n0 = 128 128 соответственно. Суммарное количество элементарных операций сложения N для дескриптора первой конфигурации (рис. 2, а) равно N Mn02 . Дескриптор второго типа (рис. 2, б) имеет вид вектора: D(d1, d2, …, d8). В данном случае рассчитывается сумма яркостей пикселей каждого «луча», толщина которого составляет 1 пиксель. Суммарное количество элементарных операций сложения равно N = 4Mn0. Дескриптор третьего типа (рис. 2, в) имеет вид: D(d1, d2, d3). Толщина кольца в пределах от 3 до 4 пикселей делает его устойчивым к изменению толщины границы искомого объекта. Достоинствами дескриптора третьего типа являются: быстрое построение; инвариантность к повороту фрагмента. Суммарное количество элементарных операций сложения N, которое требуется для вычисления дескриптора равно: N 2t D1 D2 D3 , где D, t – диаметр и толщина колец дескриптора соответственно. Отметим, что при вычислении дескрипторов не выполняется ни одной операции умножения. Для оценки количественных характеристик системы поиска проведено моделирование. Эксперименты производились на персональном стационарном компьютере с техническими характеристиками: Рис. 3. Искомый фрагмент Рис. 4. Видовое изображение с обнаруженным фрагментом 63 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Для определения вероятности правильной привязки было использовано 50 различных изображений, имеющих характерные фрагменты. Эксперименты проводились с разной ориентацией объекта на видовом изображении. Основные характеристики дескрипторов представлены в табл. 1. Результаты исследования представлены в табл. 2. Исходные данные: размеры искомого Рыбинск: РГАТУ фрагмента и видового изображения 128 128 и 1024 512 пикселей соответственно. На рис. 5 показаны зависимости времени поиска от размера входных изображений, из полученных результатов следует, что размер видового изображения слабо влияет на время поиска, а уменьшение размера характерного фрагмента существенно сокращает его. Таблица 1 Параметр область 3,4 1010 2,1 109 3,2 107 5,3 107 2 2 5 – 20 360 5 5 10 10 - большая чувствительность в повороту и изменению масштаба; - большое время поиска - простота построения алгоритма - большая чувствительность к повороту и изменению масштаба - чувствительность к повороту и изменению масштаба - сложное вычисление координат точек кольца - простота построения алгоритма - быстрота поиска - нечувствительность к повороту Количество элементарных операций Нечувствительность к повороту, … Нечувствительность к изменению масштаба, % Недостатки Преимущества Разработанный алгоритм, дескрипторы звезда Классический корреляционный алгоритм кольцо Таблица 2 Расстояние между соседними областями s, пиксель 1 4 50 1 4 50 1 4 50 Параметр Время поиска, с Вероятность обнаружения, % Ошибка местоопределения, пиксель Разработанный алгоритм, дескрипторы Классический корреляционный алгоритм область звезда кольцо 100 30 2,3 90 70 20 1 4 50 25 6,8 0,6 56 11 8 6 16 200 5,3 0,5 0,07 84 58 32 20 52 150 7 1,2 0,1 74 22 10 16 52 150 1,4 1,2 Время, с 1 0,8 0,6 Звезда 0,4 Кольцо 0,2 0 1024×1024 256×256 1024×1024 128×128 512×512 256×256 512×512 128×128 Размеры входных изображений и фрагментов, пиксель Рис. 5. Зависимость времени поиска от размеров входных изображений 64 В. М. Комаров, Ю. Н. Кривов, И. В. Лукьянов и др. 2014. № 1 (28) Аналитическое исследование и экспериментальное моделирование алгоритма поиска характерного фрагмента на изображении позволяют сделать вывод о возможности использовании разработанного алгоритма в системах местоопределения. При этом лучшей эффективностью по вероятности обнаружения обладает дескриптор «звезда», для которого время поиска фрагмента не превышает 0,5 с. Дескриптор не чувствителен к повороту видового изображения на угол в диапазоне от 5 до 20 и инвариантен к изменению масштаба в пределах 10 %. Библиографический список 1. Потапов А. А., Пахомов А. А., Никитин С. А., Гуляев Ю. В. Новейшие методы обработки изображений. – М.: Физматгиз, 2008. – 350 с. 2. Гаганов В. Инвариантные алгоритмы сопоставления точечных особенностей на изображениях // Компьютерная графика и мультимедиа. – 2009. – № 7(1). 3. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. – М.: Техносфера, 2005. – 1072 с. 4. Чернявский А. Методы сопоставления изображений // Введение в компьютерное зрение. – М.: МГУ ВМК, 2009. 5. Irani M., Shechtman E. Matching local self-similarities across images and videos // IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2007. 6. Glasner D. Bagon S. Irani M. Super-Resolution from a single image // Internation Conference of Computer Vision (ICCV), 2009. 7. Вишняков В. А., Червинский А. А. Технологии обработки сигналов при поиске местоположения фрагмента на динамическом видеоизображении // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. – 2013. – № 1. – С. 103 – 110. Сведения об авторах Бурцев Иван Александрович – аспирант ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Вишняков Владимир Александрович – кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Burtsev, Ivan Aleksandrovich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Vishnjakov, Vladimir Aleksandrovich – Cand. Sc. (Engineering), full professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] УДК 621.396.96 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЬНО-ПРОВЕРОЧНОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВОЙ РАДИОАППАРАТУРЫ В. М. КОМАРОВ1, Ю. Н. КРИВОВ1, И. В. ЛУКЬЯНОВ1, В. П. СВЕТ2, Н. П. ЧЕРНЕЦКИЙ3, 2014 1 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» 2 3 ООО «НПП «ЛАМА», г. Рыбинск НТЦ «НИИРП» ОАО ГСКБ «АЛМАЗ-АНТЕЙ», г. Москва В статье рассматривается мобильная контрольно-проверочная аппаратура, предназначенная для проведения оперативных автоматизированных испытаний радиоаппаратуры передачи данных. 65 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ КОНТРОЛЬНО-ПРОВЕРОЧНАЯ АППАРАТУРА, ВЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗ, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ AUTOMATED SET OF A CHECK-OUT OPERATING EQUIPMENT FOR URGENT ON-BOARD RADIO EQUIPMENT CHECK-UP AND PARAMETRES ESTIMATION V. M. KOMAROV1, Y. N. KRIVOV1, I. V. LUKYANOV1, V. P. SVET2, N. P. CHERNETSKY3, 2014 1 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» 2 3 OOO «NPP «LAMA», Rybinsk NTTS «NIIRP» OAO GSKB «ALMAZ-ANTEY», Moscow The paper describes mobile check-out operating system designed for operative automated tests of data transfer radio equipment. CHECK-OUT OPERATING SYSTEM, VECTOR ANALYSIS, DIGITAL SIGNAL PROCESSING При проведении полигонных испытаний бортовой радиоаппаратуры передачи данных (далее БРА) предполагается использование мобильной контрольно-проверочной аппаратуры, имитирующей работу радиолокационной станции и обеспечивающей проведение быстрой автоматизированной проверки параметров, выявление и локализацию неисправностей БРА. Использование комплекса специализированных приборов и решений, представленных на рынке, не всегда является предпочтительным в силу своей низкой мобильности, высокой цены и сложности полной автоматизации испытаний. По указанным выше причинам, для проверки параметров БРА в сантиметровом диапазоне радиоволн была разработана специализированная мобильная КПА, структурная схема которой представлена на рис. 1. Пультом управления КПА является защищенный ноутбук с установленным специальным программным обеспечением. Узел питания обеспечивает питание БРА при проведении автономных испытаний и измерение токов потребления по различным цепям. Узел НЧ осуществляет формирование необходимых низкочастотных сигналов для имитации протоколов обмена БРА. В основе проверки ВЧ каналов связи БРА лежат принципы квадратурного формирования и обработки радиосигналов. Из теории радиотехнических цепей и сигналов известно, что любой радиосигнал можно описать в виде комбинации комплексной огибающей и немодулированного радиочастотного (РЧ) колебания [1, 2]: s(t) = I(t) cos(0t) – Q(t) sin(0t), несущая частота. Выражение (1) описывает математическую модель квадратурного модулятора, обеспечивающего формирование сигналов с произвольным видом модуляции. Разработанная КПА имитирует работу радиолокационной станции и канала передачи информации, выдавая запросные сигналы с импульсной модуляцией (ИМ) и фазовой манипуляцией ОФМн-2 и сигналы помехи с полосой до 200 МГц. Параметры излучаемых сигналов, такие как вид модуляции, несущая частота, частота следования посылок, символьная скорость, информационное содержание, задаются оператором в графическом интерфейсе компьютера и передаются на узел управления, который формирует методом цифрового синтеза поступающие в квадратурные модуляторы передатчика и имитатора помехи аналоговые сигналы в соответствии с формулой (1). Запросный и помеховый сигналы смешиваются в узле управляемых аттенюаторов, обеспечивающем раздельное изменение их мощности в диапазоне не менее 90 дБ, что позволяет задать необходимое соотношение сигнал/шум и определить влияние помехи на работу БРА. Регулировкой мощности запросного сигнала обеспечивается проверка чувствительности приемника БРА с погрешностью 1,5 дБ, а регулировкой несущей частоты – проверка ширины полосы пропускания приемника БРА. Для выделения из ответного ВЧ сигнала комплексной огибающей в приемнике КПА используется квадратурная схема приема, что позволяет провести цифровой векторный анализ принимаемых сигналов (VSA) [2], измерение и анализ их параметров: номинальных значений несущей частоты, импульсной мощности, задержки ответных сигналов, информационной структуры, состава спектра и параметров модуляции. (1) где I(t) = A(t) cos (t) – синфазная компонента комплексной огибающей; Q(t) = A(t) sin (t) – квадратурная компонента комплексной огибающей; 0 – 66 В. М. Комаров, Ю. Н. Кривов, И. В. Лукьянов и др. 2014. № 1 (28) Рис. 1. Структурная схема КПА: ЦУ – цифровое управление; СИНХР – синхронизация АЦП; ТКГ – термостатированный кварцевый генератор; ПРД – передатчик; ПРМ – приемник; ИП – имитатор помехи; МК – микроконтроллер; ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема В общем случае выходы квадратурного демодулятора описываются уравнениями: линейное слагаемое – t, а случайная начальная фаза – постоянную составляющую – пр [1]: IБ(t) = 0,5I(t) cos(t + пр) + 0,5Q(t) sin(t + пр); Б(t) = (t) – t – пр , QБ(t) = 0,5Q(t) cos(t + пр) – 0,5I(t) sin(t + пр), где (t) – фазовая функция исходного сигнала. Управление частотой гетеродина приёмника КПА пр осуществляется сигналами узла управления, а значение частоты задаётся оператором через графический интерфейс с шагом 10 кГц. Погрешность установки частоты приемника пр определяется погрешностью кварцевого генератора. В изготовленных экземплярах КПА применялись кварцевые генераторы с нестабильностью частоты 2·10 – 7. Квадратурные сигналы IБ и QБ с демодулятора приёмника поступают на вход двухканального АЦП, синхронизированного с выдачей запросного сигнала. АЦП производит сбор данных с частотой дискретизации 1 ГГц. Оцифрованные сигналы IБ[k] и QБ[k], где k – индекс отсчета в массиве цифровых данных, длительностью до 4 мс передаются на компьютер, где проводится их цифровая где = пр – 0 – разность частот гетеродина приемника пр и несущего колебания принятого сигнала 0; пр – разность начальных фаз гетеродина приемника и несущей частоты принимаемого сигнала. На основе данных выражений можно определить амплитудную огибающую сигнала AБ (t ) I Б (t ) 2 QБ (t ) 2 0,5 I (t ) 2 Q(t ) 2 0,5 A(t ) , (2) где A(t) – амплитудная огибающая исходного сигнала. Таким образом, наличие разностной частоты и некоторого сдвига фаз не вносят искажений в амплитудную огибающую. Однако наличие разностной частоты добавляет к фазовой функции 67 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ обработка: детектирование и вычисление параметров принятого ответного сигнала. Оценка импульсной мощности производится в соответствии с выражением (2) в диапазоне от – 90 до13 дБ (исх. 1 Вт) с погрешностью 1,5 дБ. Спектральный анализ принимаемых сигналов основан на связи спектральной плотности принимаемого сигнала S() со спектральной плотностью его комплексной огибающей G() соотношением [3]: входят: оценка общей картины спектра на заданном временном интервале, автоматическое детектирование отдельных импульсов, вычисление и вывод на дисплей функции спектральной плотности для каждого импульса (рис. 2, б). Поддерживается взвешивание детектированных импульсов с различными оконными функциями (рис. 2, д, е). Удобной возможностью является «режим накопления» (рис. 2, б), в котором рассчитанная функция спектральной плотности принятого сигнала отображается с устанавливаемой пользователем прозрачностью поверх функций, рассчитанных в предыдущие моменты времени. Данная опция позволяет рассмотреть общую спектральную картину РЧ канала в течение неограниченно длительного промежутка времени, который определяется оператором КПА. Средняя несущая частота в каждом отдельном импульсе ответного сигнала рассчитывается по формуле S () 0,5G ( 0 ) 0,5G ( 0 ) , где Рыбинск: РГАТУ * – знак комплексной сопряженности. Нетрудно показать, что спектр исходного сигнала и спектр комплексной огибающей относительно частоты приемника пр GБ() связаны соотношением S () 0,5G Б ( 0 ) 0,5G Б ( 0 ) . Спектральный анализ радиосигналов с шириной полосы до 300 МГц осуществляется с помощью классических процедур цифрового спектрального оценивания, основанных на алгоритме быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени. Анализатор спектра КПА (рис. 2, б, в, г, д, е) обеспечивает проведение «тонкого» анализа спектральной плотности ответного сигнала. Сюда N i G Б [i ] n i 1 N , G Б [i] i 1 где n – индекс симметрии пика функции спектральной плотности; N – число спектральных отсчетов. Рис. 2. Графические инструменты анализа принимаемого сигнала: а – осциллограммы комплексной огибающей фазоманипулированного сигнала с разностной частотой и восстановленной разностной частотой; б – режим накопления спектральной плотности; в – спектр фазоманипулированного импульса; г – спектр импульса, «очищенного» от фазовой манипуляции; д – спектр импульса до взвешивания с оконной функцией; в – спектр импульса, взвешенного с окном Хемминга 68 В. М. Комаров, Ю. Н. Кривов, И. В. Лукьянов и др. 2014. № 1 (28) Индексу n ставится в соответствие разностная частота – последующее деление удвоенной частоты 2 на два и получение массивов с восстановленными разностными частотами IБР[k] и QБР[k]. Для визуальной оценки качества модуляции используются построитель сигнальных созвездий и векторных диаграмм (рис. 3, в) [2]. Разработанная КПА обеспечивает измерение задержки ответного сигнала относительно запросного с погрешностью 2 нс. Задержка может быть измерена по амплитудной огибающей сигнала с импульсной модуляцией или по пику взаимной корреляционной функции принятого фазоманипулированного сигнала и эталонной последовательности, вычисляемой по формуле: FД N n , N 2 где FД – частота дискретизации. После этого вычисляется средняя несущая частота в импульсе по формуле 0 = пр – . Анализатор спектра и цифровой осциллограф КПА позволяют отследить отклонения несущей частоты в течение пачки (рис. 3, а, б). Для анализа несущей частоты фазоманипулированных сигналов используется механизм цифрового восстановления разностной частоты = пр – 0, что эквивалентно восстановлению несущей частоты в области высоких частот. Алгоритм восстановления разностной частоты реализуется на некоторой промежуточной частоте = пр – 0 программными средствами следующим образом: – проводится восстановление сигнала удвоенной частоты 2 по тригонометрическим соотношениям: rk 1 m 1 1 k (i 1) sps 1 ei d j , m i 0 sps j k i sps где D{d0, …, dn – 1} – набор дискретных отсчетов, несущий информационное сообщение; E{e0, …, em – 1} – эталонная последовательность; sps – число отсчетов на символ; m – число символов эталонной последовательности; n – число отсчетов в цифровом сигнале. При этом существует возможность ввода пользователем эталонной последовательности и задание символьной скорости. I 2 БР k I Б2 k QБ2 k ; Q2 БР k 2 I Б k QБ k ; в) Рис. 3. Графические инструменты анализа принимаемого сигнала: а – осциллограммы ИМ сигнала с нестабильной несущей частотой; б – функции спектральной плотности отдельных радиоимпульсов сигнала с нестабильной несущей частотой; в – векторный анализатор сигнала 69 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ Рис. 4. Конструктивное исполнение КПА измерение задержки ответного сигнала, декодирование информации ответного сигнала, формирование и прием специфических НЧ сигналов. Наличие такой аппаратуры в значительной степени ускоряет проведение полигонных испытаний и обеспечивает автоматизированный комплексный контроль БРА перед штатным использованием. Программно-аппаратные решения, принятые при разработке КПА, позволяют без существенных изменений аппаратного обеспечения проводить модернизацию КПА с помощью написания дополнительных программных модулей и расширений. Заключение Разработанная КПА имеет относительно низкую стоимость, а ее конструктивное исполнение (рис. 4) обеспечивает мобильность и быстрое развертывание на месте испытаний. При этом представленная КПА сочетает в себе функции универсальных измерительных и лабораторных приборов, таких как измеритель мощности, частотомер, генератор сигналов, векторный анализатор сигналов, анализатор спектра, осциллограф, вольтметр, амперметр и имеет ряд специализированных возможностей: имитация запросных сигналов радиолокационной станции, формирование сигналов помехи, Библиографический список 1. Теория и практика цифровой обработки сигналов [Электронный ресурс]: сайт URL: http://dsplib.ru (дата обращения: 01.02.2012). 2. Agilent Vector Signal Analysis Basics [Электронный ресурс]: Application Note. URL: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5990-7451EN.pdf (дата обращения: 01.02.2012). 3. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. – М.: Радио и связь, 1985. – 384 c. 4. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Радио и связь, 1986. – 512 с. 5. Using Vector Modulation Analysis in Digital RF Communications Systems (PN 89400-8) [Электронный ресурс]. URL: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5091-8687E.pdf Сведения об авторах Комаров Валерий Михайлович – кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Кривов Юрий Николаевич – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Лукьянов Илья Викторович – аспирант ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Свет Владимир Павлович – руководитель проекта, ООО «НПП «ЛАМА», г. Рыбинск. Чернецкий Николай Петрович – кандидат технических наук, начальник СКБ-240 НТЦ «НИИРП» ОАО ГСКБ «АЛМАЗ-АНТЕЙ», г. Москва. Komarov, Valery Mikhailovich – Cand. Sc. (Engineering), full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] 70 В. К. Кутузов, С. В. Кутузов 2014. № 1 (28) Krivov, Yury Nikolaevich – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Lukyanov, Ilya Viktorovich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Svet, Vladimir Pavlovich – project director, OOO «NPP «LAMA», Rybinsk. Chernetsky, Nikolay Petrovich – Cand. Sc. (Engineering), Head of special design bureau-240, Scientific and Technological Centre «NIIRP» of OAO GSKB «ALMAZ-ANTEY», Moscow. УДК 62-526 СИНТЕЗ МНОГОКОНТУРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 1 В. К. КУТУЗОВ1, С. В. КУТУЗОВ2, 2014 ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева» 2 ОАО «Прибор РСТ», г. Ковров Рассматриваются многоконтурные системы управления и их синтез. Показываются структурные возможности изменений взаимодействия контуров, позволяющие автономизировать контуры и исключить влияние внутренних контуров на устойчивость систем и в значительной степени расширить возможности системы по обеспечению высокой точности. СИСТЕМА, КОНТУР, УСТОЙЧИВОСТЬ, ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА MULTI-CIRCUIT MANAGEMENT SYSTEMS SYNTHESIS V. K. KUTUZOV1, S. V. KUTUZOV2, 2014 1 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V.A. Degtyaryov», Kovrov 2 OAO «Pribor RST», Kovrov The paper analyzes multi-circuit control systems and their synthesis, depicts structural possibilities for circuits interacting modifications, allowing circuits autonomation as well as exclusion of interior circuits influence on systems stability resulting in considerable expansion of system high-precision capabilities. SYSTEM, CIRCUIT, STABILITY, TRANSFER FUNCTION, CORRECTING DEVICES Современные высокоточные следящие системы не могут рассматриваться без использования корректирующих обратных связей по моменту, скорости, давлению и другим координатам раздельно или в совокупности [1]. Такое построение, а также построение Мееровских систем и систем подчиненного регулирования дает основание рассматривать следящие системы как многоконтурные, для обеспечения точности и устойчивости которых имеющиеся в распоряжении инженера средства подчас недостаточны [2]. Здесь воспользуемся в качестве основы очевидным соотношением ( р ) е ( р) 1 , (1) где (р) и е(р) – передаточные функции (далее ПФ) замкнутых контуров соответственно по выходу и по рассогласованию. Это соотношение, использованное одним из авторов в А.С. № 254617 для коррекции последовательно соединенных замкнутых систем, позволило перевести последовательный ряд систем в параллельный и обеспечить независимость систем друг от друга. При таком подходе к построению многоконтурных систем управления необходимо иметь в виду, что ПФ объекта, в которую входят привод, механическая передача, объект, является силовой, 71 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) а сигнал рассогласования – информационным. Поэтому в обозначениях на структурных моделях будем различать ПФ силовой части двойным контуром , а ПФ информационной части – Рыбинск: РГАТУ вести декомпозицию) на более мелкие ПФ (будем называть их ПФ контуров), где на выходе можно установить датчик, который обеспечивал бы получение информации о выходной координате этого звена. При этом порядок ПФ контуров желательно иметь не выше 2-го для удобства синтеза замкнутых систем контуров. При формировании сигналов обратной связи второго и последующих контуров сигналы рассогласования первого и последующих контуров необходимо пропустить через ПФ – динамических повторителей соответствующих силовых ПФ, как показано на рис. 1. одинарным с соответствующим обозначением связей. Суммирование информационного сигнала с силовым осуществить невозможно. Возможно вывести из силовой части информационный сигнал соответствующей координаты, который предназначен для замыкания контура, и далее его суммировать с другими информационными сигналами. Для удобства при создании контуров необходимо общую ПФ силовой части разделить (про- Рис. 1. Трехконтурная система с автономизирующими связями На схеме W(p) = W1(p) W2(p) W3(p) – ПФ объекта (силовых устройств), разделенная на более мелкие; W2 ( p) W3( p ) – ПФ динамических повторителей соответствующих составляющих ПФ объекта, реализованные электронным путем (например в ЦВМ); П1(р), П2(р), П3(р) – передаточные функции корректирующих устройств соответствующих контуров; – силовые связи; – информационные связи; – силовая связь с преобразователем в информационную (датчик). Если ПФ динамических повторителей точно соответствуют силовым, т. е. W2 ( p) W2 ( p) , W3( p) W3 ( p) и т. д., то будем иметь для второго контура U1 ( p) W2( p) E1 ( p) , иметь вид Ф1 ( р) Wо 2 ( р) 1 Wос 2 ( p) 1 , Ф1 ( p) где П1 ( p ) W1 ( p ) – ПФ замкнутого 1-го кон1 П1 ( p ) W1 ( p ) тура. Аналогично для третьего контура имеем: U 2 ( p ) W3( p) E2 ( p ) , U 2( p ) W2W3( p) E2 ( p ) , U 2 ( p ) U 2 ( p) U 2( p ) , E1 ( р) Y3 ( р ) Y2 ( p) П1 ( p ) W1 ( p) W2 ( p) E1 ( p) , П 2 ( p) E2 ( p) , 1 П1 ( p) W1 ( p) П1 ( p) W1 ( p ) П 2 ( p) W2 ( p) W3 ( p ) E2 ( p) , 1 П1 ( p) W1 ( p ) U 2 ( p ) [ E2 ( p) W2 ( p ) E1 ( p)] W3( p) , откуда откуда 1 U1 ( p) Y2 ( p ) . П1 ( p ) W1 ( p) U 2 ( p ) 1 П1 ( p) W1 ( p) П 2 ( р ) W2 ( p ) Wос 3 ( p) . Y3 ( p ) П1 ( p) W1 ( p ) П 2 ( p) W2 ( p) Сигнал U1(p) суммируется с главной обратной связью 2-го контура в т. 1, приходит в точку суммирования с координатой X2(p) в т. 2 и может интерпретироваться как отрицательная обратная 1 связь с ПФ Wос 2 ( р ) . Вместе с главП1 ( p) W1 ( p) ной обратной связью ПФ второго контура будет Сигнал U2(p) вместе с главной обратной связью третьего контура приходит в точку суммирования главной обратной связи с координатой X3(p) и также может интерпретироваться как отрицательная обратная связь третьего контура, а вместе с главной обратной связью ПФ обратной связи 3-го контура будет иметь вид 72 В. К. Кутузов, С. В. Кутузов W03 1 Woc3 2014. № 1 (28) На основании полученных соотношений составлена эквивалентная структурная модель, представленная на рис. 2. 1 , 1 ( р ) 2 ( p) П1 ( p) W1 ( p) П 2 ( p) W2 ( p) ; 2 ( р) 1 П1 ( p) W1 ( p) 1 П 2 ( p) W2 ( p) – ПФ замкнутых контуров. где 1 ( р) Рис. 2. Преобразованная трехконтурная система с автономизирующими связями Используя известные методы преобразования замкнутых схем, получим: Y1 ( p) П1 ( p) W1 ( p) 1 ( р) , X 1 ( p) 1 П1 ( p) W1 ( p) Y2 ( p ) П1 ( p ) W1 ( p) П 2 ( p) W2 ( p) 1 ( р) 2 ( р) , X 2 ( p) 1 П1 ( p ) W1 ( p) 1 П 2 ( p) W2 ( p) Y3 ( p) П1 ( p ) W1 ( p) П 2 ( p) W2 ( p ) П 3 ( р ) W3 ( p) 1 ( р ) 2 ( р ) 3 ( p ) , X 3 ( p) 1 П1 ( p ) W1 ( p) 1 П 2 ( p) W2 ( p ) 1 П 3 ( p ) W3 ( p) откуда Y3 ( p ) 1 ( р) 2 ( р ) 3 ( p) . X 3 ( p) Таким образом, исходная многоконтурная система превратилась в ряд последовательно соединенных замкнутых систем, устойчивость которых не зависит друг от друга. Устойчивость каждого контура определяется той частью ПФ [Wi (p)], которая входит в данный контур и ПФ Пi (p) корректирующего устройства, которое вводится в контур для улучшения его устойчивости. ПФ для рассогласований контуров будут иметь вид: (2) Е1 ( р) X 1 ( p ) Y1 ( p) , Е 2 ( р) X 2 ( p ) Y2 ( p) , Е 3 ( р) X 3 ( p) Y3 ( p) будут иметь вид: E1 ( p) E1 ( p ) E 2 ( p) 1e ( p) , 1 1 ( р) 2 ( p ) , X 1 ( p) X 1 ( p) X 2 ( p) E 3 ( p) 1 1 ( р) 2 ( p) 3 ( р) . X 3 ( p) E1 ( p ) 1 1e ( р) , X 1 ( p) 1 П1 ( p ) W1 ( p) Полученные выражения можно преобразовать: E2 ( p) 1 2 e ( р) , X 2 ( p) 1 П 2 ( p) W2 ( p) E 2 ( p) е1 ( р) 1 ( р) е 2 ( p) , X 2 ( p) E3 ( p) 1 3e ( р ) , X 3 ( p) 1 П 3 ( p ) W3 ( p) E 3 ( p) е1 ( р ) 1 ( р )[ e 2 ( p) 2 ( р) e3 ( р)] . X 3 ( p) где Е1(р) = Х1(р) – Y1(р); Е2(р) = Х2(р) – Y2(р) Ф1(р); Е3(р) = Х3(р) – Y3(р) Ф1(р) Ф2(р). ПФ рассогласований: Учитывая то, что контуры автономизированы, и то, что ПФ Wi (p) имеют низкий порядок, 73 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) можем полагать, что условия устойчивости контуров не налагают ограничений на величины коэффициентов усиления контуров. Поэтому полагая Ф1(р) 1, Ф2(р) 1, получим: тимизировать по быстродействию известными для систем второго порядка методами. Инвариантность системы по отношению к управляющему воздействию можно обеспечить, если ввести в управляющий сигнал компенсирую1 1 1 щее устройство Wк ( p ) . W1 ( p ) W2 ( p) W3 ( p) Для частичной компенсации рассогласования системы, например рассогласования только второго контура, достаточно ввести только компенсирую1 щее устройство с ПФ Wк ( p) . W2 ( p) Учитывая то, что мы имеем возможность обеспечить ПФ контура Wi (p) второго или первого порядка, частичная реализация таких компенсирующих устройств может быть обеспечена как комбинированное управление для контуров и, безусловно, может быть обеспечена в диапазоне рабочих частот, но с введением компенсирующего сигнала контура в сигнал рассогласования системы. Реализация комбинированного управления [3] системы может быть выполнена и как сумма компенсаций всех контуров по отдельности, но с введением компенсирующих сигналов в сигнал рассогласования системы, т. е. E 2 ( p) е1 ( р) е 2 ( p ) , X 2 ( p) E 3 ( p) е1 ( р) e 2 ( p ) e3 ( р) . X 3 ( p) Рыбинск: РГАТУ (3) Отсюда следует, что результирующее рассогласование системы равно сумме рассогласований всех контуров, имеющих общее входное воздействие. Полученные формулы и структурные модели справедливы при Wi( p) Wi ( p) . Но в процессе эксплуатации ПФ Wi (p) могут изменяться, а Wi( p) оставаться стабильными, т. к. реализованы в электронном виде. Тогда следует применить автоподстройку ПФ Wi( p) в виде схемы, представленной на рис. 3. Wк ( p ) 1 1 1 , П1 ( р) W1 ( p ) П 2 ( р )W2 ( p ) П3 ( р )W3 ( p ) реализуемых в рабочем диапазоне частот, что также упрощает реализацию. Используя представленное выражение, можно сформировать компенсирующий сигнал по схеме, представленной на рис. 4. Рис. 3. Двухконтурная система с автоподстройкой автономизирующих связей (УА – устройство автоподстройки) Следует также заметить, что если звено с ПФ Wi (p) содержит нелинейность, то звено с ПФ Wi( p) должно содержать ту же нелинейность. В этом случае правильнее будет говорить о структурной модели звена Wi (p) и её динамическом повторителе Wi( p) . С учетом схемы автоподстройки с большим основанием можно говорить о справедливости полученных формул и структурных моделей. Несмотря на то, что по устойчивости получена независимость контуров, точность системы определяется суммой рассогласований контуров (3). Переходный процесс системы также будет определяться суммой переходных процессов контуров. В том случае, если быстродействие системы будет определяться одним из контуров, имеющим наименьшее быстродействие, его необходимо оп- Рис. 4. Формирование компенсирующего сигнала в трехконтурной системе Следует также иметь в виду, что точность контуров можно повышать и за счет введения изодромных корректирующих устройств, т. к. ПФ контуров могут иметь низкий порядок. Так, например, ПФ выходного контура можно обеспечить в виде интегрирующего звена первого порядка, реализовав предшествующий контур замкнутым по скорости. Тогда ПФ корректирующего устройства выходного контура можно выполнить в виде ПФ изодрома, а ПФ выходного контура будет иметь 74 В. К. Кутузов, С. В. Кутузов 2014. № 1 (28) два интегрирующих звена. Это позволит обеспечить равенство нулю скоростного рассогласования выходного контура. За счет введения изодромов можно обеспечить нечувствительность системы и к моментным возмущениям. При решении задачи синтеза необходимо исходить из величины допустимого (заданного) рассогласования (ошибки). Учитывая то, что в соответствии с выражением (3) общая величина рассогласования равна сумме рассогласования контуров, необходимо разделить его по контурам и назначить величины допустимых рассогласований для каждого из контуров. Это можно сделать, воспользовавшись соотношениями [3]: Ае Ах 1 W (iω p ) ; K1 Ае1 1 ; Ах W1 (iω p ) W1 (i p ) W (i p ) ; Ae 2 Ae Ae3 Ae W (i p ) W3 (i p ) W2 (i p ) Если представить где W2 (i p ) K2 K3 ; W3 (i p ) , 2 (i p ) 3 (i p ) Ae Ae 3 K Ae Ae 2 3 (i p ) (i p ) K 2 ( i p ) (i p ) ; , Разработанный метод синтеза позволяет путем декомпозиции делить сложную силовую часть высокого порядка на более мелкие с передаточными функциями не выше второго порядка и охватывать их обратными связями, образовывая отдельные контуры внутри системы и корректировать эти контуры параллельной электронной связью с ПФ1, повторяющей основную (силовую) ПФ контура. Это позволяет исключить влияние на устойчивость системы внутренних контуров, обеспечивать получение необходимой для обеспечения требуемой точности величины коэффициента усиления системы. При этом расчеты системы упрощаются, упрощается и схемная ее реализация, что ведет к снижению трудоемкости при проектировании и производстве сложных систем, повышению их надежности в эксплуатации. . K K1 ; W1 (i p ) ; (i p ) 1 (i p ) (i p ) ; K2 Заключение ; W (i p ) 1 (i p ) что позволяет нам сформировать структуру контуров, обеспечивающих системе требуемую точность. Демпфирование контуров второго порядка обеспечим, назначив i контуров равным 0,7…0,6. Это позволит определить ПФ корректирующих звеньев контуров в виде (Тр + 1), обеспечивающих демпфирование контуров при рассчитанных выше величинах коэффициентов усиления контуров и при втором или первом порядке их ПФ. Контуров в системе может быть значительно больше трех, при этом порядок расчета и построения существенно не меняется. Могут быть введены 1 или 2 контура в виде дополнительно введенных интеграторов и из них сформированы контуры. При формировании структуры системы может стоять задача обеспечения управления механическим многомассовым объектом [4]. В этом случае следует рассматривать формирование управления системы как управления центром масс (ЦМ), а далее управлять другими координатами относительно центра масс. При объекте более общего вида высокого порядка следует сформировать центр движения (ЦД) и строить контур управления центром движения, далее формировать контуры управления более мелкими частями относительно центра движения. где Ае – амплитуда допустимого рассогласования (ошибки) системы; Ах – амплитуда входного сигнала; Ае1, Ае2, Ае3 – амплитуды допустимых рассогласований (ошибок) контуров; W1(ip) – передаточные функции разомкнутых контуров; p – рабочая частота входного сигнала. Полученные соотношения позволяют обоснованно разделить между контурами допустимую величину рассогласования (ошибки) системы при заданном входном воздействии в виде Ax sin p(t) и получить допустимые величины амплитуд рассогласований (ошибок) контуров в виде: W (i p ) Ae1 K K3 А 1 Ае 2 1 ; е3 , Ах W2 (iω p ) Ах W3 (iω p ) Ae1 Ae Ae Ki K , – частотные характеристики (i p ) (i p ) разомкнутой системы и соответствующих контуров на рабочей частоте, то будем иметь: Библиографический список 1. Чемоданов Б. К. и др. Следящие приводы / Б. К. Чемодвнов, Е. С. Блейз, А. В. Зимин и др.; Под ред. Б. К. Чемоданова. – Т. 1, 2. – 2-е изд. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999. – С. 26 – 39. 75 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ 2. Терехов В. М., Осипов О. И. Системы управления электроприводов / Под ред. В. М. Терехова. – М.: AKADEMA, 2005. – С. 121 – 125. 3. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. – СПб.: Профессия, 2003. – С. 27 – 51. 4. Кутузов В. К., Кутузов С. В. Синтез мехатронных регуляторов для управления многомассовым объектом // Мехатроника, автоматизация, управление: Труды I Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. – М.: Новые технологии, 2004.– С. 130 – 133. Сведения об авторах Кутузов Владимир Кузьмич – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева». Е-mail: [email protected] Кутузов Сергей Владимирович – научный сотрудник ОАО «Прибор РСТ», г. Ковров. Kutuzov, Vladimir Kuzmich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov. Е-mail: [email protected] Kutuzov, Sergey Vladimirovich – researcher, OAO «Pribor RST», Kovrov. 76 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ И МЕХАНИКА PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES AND MECHANICS УДК 621.396.96 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СПЕКТРАЛЬНОГО ОЦЕНИВАНИЯ ДЛЯ РАЗРЕШЕНИЯ БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ В. Г. ВОЛКОВ1, В. М. КОМАРОВ2, И. В. ЛУКЬЯНОВ2, Н. П. ЧЕРНЕЦКИЙ3, 2014 1 2 ООО «НПП «ЛАМА», г. Рыбинск ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» 3 НТЦ «НИИРП» ОАО ГСКБ «АЛМАЗ-АНТЕЙ», г. Москва Рассматриваются современные методы спектрального оценивания с высоким разрешением. Приводятся результаты математического моделирования для оценки разрешающей способности некоторых методов. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ОЦЕНИВАНИЯ, ЦИФРОВОЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ESTIMATION OF MODERN METHODS OF SPECTRAL ESTIMATION EFFECTIVENESS FOR SOLUTION OF DENSELY SPACED SPECTRUM LINES V. G. VOLKOV1, V. M. KOMAROV2, I. V. LUKYANOV2, N. P. CHERNETSKY3, 2014 1 2 OOO «NPP «LAMA», Rybinsk Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» 3 NTTS «NIIRP» OAO GSKB «ALMAZ-ANTEY», Moscow The paper considers modern methods of high-res spectral estimation and presents estimation results of mathematic simulation for resolving power of some methods. CURRENT METHODS OF SPECTRAL ESTIMATION, DIGITAL SPECTRUM ANALYSIS ния по частоте лучше величины 1/T, где T – интервал наблюдения. В течение последних десятилетий предложен ряд альтернативных методов спектрального оценивания (называемых также современными), обладающих лучшими характеристиками по частотному разрешению при анализе последовательностей данных малой длительности. Данные методы требуют принятия дополнительных допущений и некоторой априорной информации об оцениваемом сигнале [1, 2, 3]. Одной из важных задач для классификации и корректной обработки радиосигналов является различение близкорасположенных спектральных линий – проблема сверхразрешения. Известно, что классические методы оценки спектральной плотности мощности (СПМ), основанные на применении ДПФ (периодограммные и коррелограммные методы), эффективны в вычислительном отношении и обеспечивают получение достоверных оценок для обширного класса сигналов [1, 2, 3], однако они не обеспечивают разреше- 77 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Цифровые методы спектрального оценивания случайных процессов Классические Коррелограммные Периодограммные Рыбинск: РГАТУ Современные Прямой метод ПФ Параметрические Комбинированные периодограммнокоррелограммные Периодограмма Даньелла СС Периодограмма Уэлча Метод Прони Обобщенный МНК Прони Блочные алгоритмы Оценивание коэффициентов отражения Линейное предсказание по критерию НК Метод Юла-Уолкера Геометрический метод АРСС Методы оценивания частоты, основанные на анализе собств. значений Периодограмма Бартлетта Оценивание АКФ АР Непараметрические С раздельной минимизацией ошибок предсказания вперед и назад Гармонический метод Берга С совместной минимизацией ошибок предсказания вперед и назад Рекурсивное оценивание по методу МП (метод Кея) Модиф. МНК Прони Метод Писарнеко Последовательные алгоритмы Градиентные адаптивные методы Метод МД MUSIC EV MN ESPRIT Рекурсивные МНК Автокорреляционный метод Ковариационный метод Модифицированный ковариационный метод ПФ – преобразование Фурье АКФ – автокорреляционная функция МП – максимальное правдоподобие НК – наименьших квадратов CC – модель скользящего среднего АР – модель авторегрессии АРСС – модель авторегрессии – скользящего среднего МНК – метод наименьших квадратов МД – метод минимума дисперсии Рис. 1. Классификация методов спектрального оценивания На рис. 1 приведена классификация наиболее известных методов спектрального оценивания, составленная на основе работ [1, 2]. Современные методы спектрального оценивания можно разделить на две большие группы: параметрические и непараметрические. Большинство параметрических методов строятся на предположении о том, что оцениваемый процесс можно представить в виде уравнения авторегрессии – скользящего среднего (АРСС): q p x[ k ] b[ n] u[k n] a[ m] x[ k m] , n 0 торы комплексных экспонент; a и b – векторы параметров АРСС-модели; w – дисперсия аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), присутствующего на входе моделируемой системы. Большинство известных параметрических методов сводятся к отысканию наиболее адекватных оценок параметров АРСС модели. Частным случаем АРСС-модели являются АР- и СС-модели. Оценки СПМ с помощью АРмоделей обладают более высокой разрешающей способностью и острыми пиками, чем СС-модели, и являются наиболее исследованными [1]. АР-модель определяется по формуле (1) m 1 где x[k] – исследуемый процесс; a[m] – параметры авторегрессии (АР-параметры); b[n] – параметры скользящего среднего (СС-параметры); u[n] – возбуждающая последовательность (обычно белый гауссовский шум). Основа для высокого разрешения параметрических методов состоит в том, что, располагая коэффициентами a и b и используя выражение (1), можно экстраполировать наблюдаемый процесс за интервал наблюдения. СПМ АРСС процесса может быть вычислена по формуле [1]: PАРСС ( f ) Tдρ w eHq ( f )bb Heq ( f ) e pH ( f )aa He p ( f ) p x[ k ] u[k ] a[ m] x[k m] . m 1 Тогда спектральная плотность АР-процесса может быть вычислена по формуле PАР ( f ) Tдρ w e Hp ( f )aa He p ( f ) . Наиболее высоким разрешением при заданном порядке модели обладают метод максимальной энтропии Берга, ковариационный и модифицированный ковариационный методы [1, 2, 3]. Среди непараметрических методов с высоким разрешением следует выделить класс методов оценивания частоты, основанных на анализе собственных значений автокорреляционной матрицы [1, , где H – оператор эрмитова сопряжения матрицы; Tд – интервал дискретизации; eq(f ) и ep(f ) – век78 В. Г. Волков, В. М. Комаров, И. В. Лукьянов, Н. П. Чернецкий 2014. № 1 (28) 2, 3], широко применяемых для обработки сигналов в антенных решетках. Среди данных методов наибольшую известность получили методы классификации множественных сигналов (MUSIC) и метод «собственный вектор» (EV). В [1] утверждается, что данные методы обладают спектральным разрешением, несколько превосходящим авторегрессионные методы. Однако они не позволяют оценить уровни присутствующих в сигнале составляющих. Поэтому по отношению к ним вместо термина «спектр» применяют термин «псевдоспектр». Псевдоспектр, оцениваемый по алгоритму MUSIC, вычисляется по формуле [1]: PMUSIC ( f ) 1 p e ( f ) v k v Hk e( f ) k M 1 спектрального оценивания представляется затруднительным и, как правило, осуществляется эмпирически. Для определения возможностей и потенциальных характеристик некоторых известных алгоритмов современного спектрального анализа было проведено моделирование в пакете Matlab. Сравнивались следующие методы: Берга, ковариационный, модифицированный ковариационный, MUSIC, EV, БПФ (исходная последовательность, взвешенная с окном Наталла, дополнялась нулями). Оценка СПМ проводилась в области относительных частот 0,1 – 2,0, где частота, равная 2,0, соответствует частоте дискретизации, 1,0 – частоте Найквиста. В качестве тестовой последовательности была выбрана 16-точечная последовательность, состоящая из суммы двух комплексных экспонент равной амплитуды и АБГШ, порядок АР-модели p = 5. Длина БПФ для расчета СПМ NFFT = 1024 отсчета. Соотношение С / Ш изменялось с шагом 0,5 дБ. При заданном соотношении С / Ш изменялась разность частот комплексных экспонент F1 c шагом 0,01. При заданном значении F1 по 1000 реализациям тестового сигнала со случайными начальными фазами вычислялась вероятность P1 правильного разрешения гармоник. Критерий правильного разрешения в одной реализации – присутствие в оценке СПМ двух пиков, разделяемых по уровню 3 дБ, с отклонением от действительных частот не более 2 / N, где N = 16. При превышении P1 величины 0,95 в качестве спектрального разрешения фиксировалось значение ΔF1 / RFFT, где RFFT = 2 / NFFT – теоретическое относительное спектральное разрешение алгоритма БПФ, дополненного нулями без взвешивания с оконной функцией. График построенных зависимостей представлен на рис. 2. Из представленных графиков следует, что при заданных параметрах наилучшие результаты по спектральному разрешению демонстрирует модифицированный ковариационный метод. Спектральное разрешение методов MUSIC и EV практически совпадают. Даже при достаточно малых соотношениях С / Ш современные методы демонстрируют лучшее разрешение, чем классический метод БПФ. Метод Берга демонстрирует хорошую разрешающую способность, однако оценки частоты оказываются смещенными, что подтверждается результатами моделирования, представленными на рис. 3. В данном случае исходная тестовая 16точечная последовательность представляла собой смесь двух комплексных экспонент с относительными частотами 0,2 и 0,25, соотношение С / Ш – 40 дБ, порядок модели – 7. Результаты оценки СПМ усреднялись по 1000 реализациям со случай- , H где vk – собственные векторы подпространства шума автокорреляционной матрицы; e(f ) – вектор комплексных экспонент. Псевдоспектр, оцениваемый по алгоритму EV, вычисляется согласно [1] по формуле: PEV ( f ) 1 p 1 e ( f ) v k v Hk e( f ) k M 1 k , H где k – собственное значение автокорреляционной матрицы, соответствующее собственному вектору vk. В отличие от классических методов спектрального оценивания, современные методы обладают меньшей статистической устойчивостью и носят некоторый эмпирический характер [1]. В частности, одной из ключевых и, как правило, эмпирической [1, 3] является задача выбора порядка модели. Для выбора порядка АР-модели разработано несколько аналитических выражений [1, 2, 3]. Однако на практике в случае коротких записей данные критерии часто являются неудовлетворительными, и выбор порядка модели носит субъективный характер. Неправильный выбор порядка АР-модели может ухудшить спектральное разрешение (при занижении порядка) или давать ложные спектральные пики (при завышении порядка). На практике порядок АР-модели обычно выбирают из интервала [N / 3, N / 2]. Современным методам спектрального оценивания уделено достаточное внимание в зарубежной и отечественной литературе. Вместе с тем, сравнение характеристик описываемых методов в большинстве работ ограничивается приведением графиков СПМ некоторых тестовых последовательностей [1 – 4]. Практически отсутствуют аналитические выражения для потенциальных характеристик разрешающей способности. Из вышесказанного следует, что проведение сравнительного анализа современных методов 79 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ ной начальной фазой. Разрешить гармоники смогли все методы, кроме классического алгоритма БПФ, однако оценка Берга оказалась смещенной, наиболее точную оценку обеспечил модифицированный ковариационный метод. Стоит отметить, что большинство современных методов спектрального оценивания требует значительных вычислительных затрат. В табл. 1 представлена относительная сложность рассматриваемых в данной статье алгоритмов [1], где N – количество отсчетов выборки сигнала. Рыбинск: РГАТУ Таблица 1 Относительная сложность алгоритмов оценки СПМ Алгоритм оценки СПМ Классическая оценка на основе БПФ Метод Берга Ковариационный Модифицированный ковариационный MUSIC EV Рис. 2. Результаты оценки спектрального разрешения 80 Относительная сложность N log2 N N2 N2 N2 N3 N3 В. Г. Волков, В. М. Комаров, И. В. Лукьянов, Н. П. Чернецкий 2014. № 1 (28) Рис. 3. Усредненная оценка СПМ по 1000 реализациям определена с помощью классических алгоритмов оценки СПМ. Наиболее интересным для реализации представляется модифицированный ковариационный метод, т. к. по результатам моделирования при заданных параметрах модели он обеспечивает наилучшее спектральное разрешение и дает несмещенную оценку спектральных пиков. Несмотря на то, что рассмотренные алгоритмы обладают высокими вычислительными затратами, они могут быть эффективно реализованы на современных вычислительных устройствах за счет распараллеливания вычислений на ПЛИС или с помощью технологии CUDA. Заключение Результаты моделирования показывают, что для заданных условий современные методы спектрального оценивания позволяют разрешить близкорасположенные спектральные линии лучше, чем классические методы. С помощью них можно добиться хороших результатов оценивания СПМ сигнала, состоящего из суммы комплексных экспонент и шума (особенно при достаточно высоких соотношениях сигнал/шум). Более высокие результаты оценивания можно получить за счет применения цифровой фильтрации в полосе анализируемого сигнала. Данная полоса может быть эффективно Библиографический список 1. Марпл С. Л. мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 604 с. 2. Шахтарин Б. И., Ковригин В. А. Методы спектрального оценивания случайных процессов: Учебное пособие. – 2-е изд., исправленное. – М.: Горячая линия – Телеком, 2011. – 256 с. 81 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ 3. Кривошеев В. И. Современные методы цифровой обработки сигналов (цифровой спектральный анализ): Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Современные системы мобильной цифровой связи, проблемы помехозащищенности и защиты информации». – Нижний Новгород, 2006. – 117 с. 4. Nuttall A. H. Spectral Analysis of a Univariate Process with Bad Data Points, via Maximum Entropy and Linear Predictive Techniques. Naval Underwater Systems Center Technical Report TR-5303. – New London, Conn., March 1976. 5. Ратынский М. В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. – М.: Радио и связь, 2003. – 200 с. Сведения об авторах Волков Владимир Геннадьевич – кандидат физико-математических наук, ведущий инженер ООО «НПП «ЛАМА», г. Рыбинск. Комаров Валерий Михайлович – кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Лукьянов Илья Викторович – аспирант ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Чернецкий Николай Петрович – кандидат технических наук, начальник СКБ-240 НТЦ «НИИРП» ОАО ГСКБ «АЛМАЗ-АНТЕЙ», г. Москва. Volkov, Vladimir Gennadievich – Cand. Sc. (Physics and Mathematics), managing engineer, OOO «NPP «LAMA», Rybinsk. Komarov, Valery Mikhailovich – Cand. Sc. (Engineering), full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Lukyanov, Ilya Viktorovich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Chernetsky, Nikolay Petrovich – Cand. Sc. (Engineering), Head of special design bureau-240, Scientific and Technological Centre «NIIRP» of OAO GSKB «ALMAZ-ANTEY», Moscow. УДК 621.88 : 658.589 ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГРУППОВОГО БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ С ШЕСТЬЮ БОЛТАМИ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВНЕШНЕЙ СИЛЫ В ПЛОСКОСТИ СТЫКА В. В. ШЕВЕЛЕВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» На стадии проектирования группового болтового соединения выполнен поиск оптимального размещения болтов в площади стыка. Показан метод нахождения одного из множества возможных оптимальных вариантов, когда сборку соединения требуется выполнять с минимальным моментом завинчивания. ГРУППОВОЕ БОЛТОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ, ПЛОЩАДЬ СТЫКА, МОМЕНТ ВРАЩЕНИЯ, УСИЛИЕ СДВИГА, ОПТИМИЗАЦИЯ, КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, НЕЗАВИСИМЫЕ ПЕРЕМЕННЫЕ, МЕТОД ПРОСТОЙ ИТЕРАЦИИ, МОМЕНТ ЗАВИНЧИВАНИЯ 82 В. В. Шевелев 2014. № 1 (28) SELECTION OF OPTIMAL ALTERNATIVES AT DESIGNING OF A GROUP 6-BOLT JOINT UPON ACTION OF AN EXTERNAL FORCE IN JUNCTION PLANE V. V. SHEVELEV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper displays optimum arrangement of bolts in junction area at a design stage of a group bolt joint selection, as well as method of the most optimal alternatives determination when the junction assembly should be completed with minimal screw-in torque. GROUP BOLT JOINT, JUNCTION AREA, MOMENT OF ROTATION, SHEARING FORCE, OPTIMISATION, OPTIMISATION CRITERION, MATHEMATICAL MODEL, EXPLANATORY VARIABLES, FIXED-POINT ITERATION METHOD, SCREW-IN TORQUE Групповые болтовые соединения (ГБС) являются распространенными узлами в машиностроительных и строительных конструкциях. Во многих случаях такие узлы, являющиеся предварительно напряженными соединениями, под действием внешней силы в плоскости стыка испытывают значительные усилия сдвига и одновременно воздействие вращающего момента. При этих условиях эксплуатации для обеспечения надёжности такого соединения при проектировании необходимо, прежде всего, предусматривать достаточный запас статической прочности. По известной методике расчёта ГБС [1] найденная максимальная нагрузка на один из болтов обусловливает выбор геометрических параметров крепёжной резьбы для всех болтов соединения. Однако расчёты ГБС при действии силы в плоскости стыка показывают, что внешняя нагрузка распределяется между болтами неравномерно. Разница может быть существенная [2]. Например, в ГБС с шестью болтами в зависимости от геометрии расположения болтов и площади стыка она составляет от 50 (рис. 1, а) до 250 (рис. 1, д). Не учитывать этого или каждый болт устанавливать со своими параметрами нетехнологично. Рис. 1. Варианты расположения болтов в соединении Возникает необходимость на стадии проектирования ГБС искать оптимальные варианты с условием уменьшения неравномерности распределения нагрузки между болтами до технически оправданных допусков или доведения данной неравномерности до нуля с допустимой погрешностью. Эта оптимизационная задача представляет практический и научный интерес. В предлагаемой статье рассматривается поиск оптимальных условий для ГБС с шестью болтами, когда все болты после сборки и при эксплуатации будут находиться при статической нагрузке в равных напряжённых состояниях. За критерий оптимальности соединения брали разность суммарных сил реакций между наиболее и наименее нагруженными болтами Fki и Fkj. Вычислительные эксперименты проводили при исходных данных: внешняя сила Q = 480 H; плечо силы относительно центра тяжести плоскости стыка h = 400 мм; радиус описанной окружности R0 = 100 мм; число болтов – шесть; материал болтов – сталь 20; коэффициент запаса прочности материала болтов при растяжении [s] = 2; коэффициент запаса надёжности при сдвиге [kсд.] = 1,5; коэффициент трения между деталями fтр. = 0,15; допускаемая ошибка при расчёте критерия оптимальности = 0,001. Предварительно выполненные расчёты показали следующее. Во-первых, наименьшая разность суммарных сил реакций у наиболее и наименее нагруженных болтов оказалась у соединения, когда отверстия под болты находились на окружности 83 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) (рис. 1, а). Во-вторых, у этого соединения относительно горизонтальной оси симметрии площади стыка соответственно находилось по три болта. В-третьих, у симметрично расположенных пары болтов суммарные силы реакций были равными. Дальнейшие шаги к сближению значений суммарных реакций на болты при сохранении отмеченных особенностей выполняли с изменением углов 1, 2 и 3 (рис. 2) между радиусом R0, соединяющим центры отверстий под болты с центром за- Рыбинск: РГАТУ данной окружности, и горизонтальной осью симметрии. Эти углы являются независимыми переменными проектирования, от которых функционально зависимыми являются все другие геометрические и силовые параметры в математической модели расчёта ГБС. При заданных исходных данных: вращающий момент Мвр.; усилие сдвига одного болта Rсд., радиус окружности расположения центров отверстий под болты R0, зависимые геометрические параметры (рис. 2) определяют по формулам: b R0 sin φ1 ; a R0 sin φ 3 ; ψ1 0,5 φ 2 φ1 ; ψ 2 0,5 180 φ 2 φ 3 ; 1O R0 cos φ1; O3 R0 cos φ 3 ; h1 R0 cos ψ1 ; h2 R0 cos ψ 2 ; xC 2 O 2 3 h1 cos φ1 ψ1 ; OxC3 2 1 h2 cos φ 3 ψ 2 ; C1x R0 cos φ1; 3 3 С 2 x 1O xC 2O ; C3 x 1O OxC 3 ; C4 x 1O S 1 1 2 2 3 O3 ; b 1O ; S 2 h1 R0 sin ψ1; S 3 h2 R0 sin ψ 2 ; S 4 1 2 a O3; С0 x S1 C1x S 2 C2 x S 3 C3 x S 4 C4 x S ; γ1 arctg b' C ; r1 0 x ; c R0 sin φ 2 ; h3 R0 sin φ 2 ; d C0 x 1O ; C0 x cos γ1 f c d ; γ 2 arctg h1 h ; r2 3 ; f sin γ 2 C0 x 3 1O O3 C0 x ; β 3 arctg a' C0 x 3 ; r3 a . sin β 3 Рис. 2. Геометрия расположения в соединении центров отверстий под болты. Вектора сил реакций на болты 84 В. В. Шевелев 2014. № 1 (28) Силовые параметры определяют по форму- 15 φ1 90 ; лам: φ 1 15 φ 2 165 φ 3 ; Ft1 0,5 M вр. r1 r12 r22 r32 15 φ 3 30 . ; Задачу проектирования можно рассматривать как задачу выбора значений углов 1, 2 и 3, при которых критерии оптимальности соединения были бы одновременно близки к нулю с допустимой погрешностью и удовлетворяли ограничениям. Однако самый трудный этап был в выборе построения численного метода, обеспечивающего сходимость итераций. Необходимо было убедиться, что решение существует и выбранный численный метод обеспечивает при проектировании нахождение оптимальных условий. При выборе метода простой итерации [3] с постоянными заданными углами 1, 3 и изменением угла 2 с определённым шагом были получены изменения критериев оптимальности F31 и F32. При повторении вычислительных экспериментов, дополнительном изменении при этом угла 1 и сохранении 3 постоянным, получены данные, по которым построили семейство графиков изменения F31 и F32 (рис. 3 и 4). Анализ графической зависимости критериев оптимальности для данного случая показывает, что при определённых значениях управляемых параметров 1, 2 и 3 варианты с критериями, равными нулю, существуют. Как видно из графиков, они находятся в соответствующих интервалах 67 1 75, 80 2 130 при постоянном значении 3 = 15. 2 F1 Rсд. Ft12 2 Rсд. Ft1 cos 180 γ1 ; Ft 2 Ft1 r2 ; r1 2 F 2 Rсд. Ft 22 2 Rсд. Ft 2 cos 180 γ 2 ; Ft 3 Ft1 r3 ; r1 2 F 3 Rсд. Ft 23 2 Rсд. Ft 3 cos β 3 . Критерии оптимальности соединения находят по формулам: f φ ; φ ; φ F f1 φ10 ; φ 02 ; φ 03 F 31 F 3 F1 ; 2 0 1 0 2 0 3 32 F 3 F 2 . Следовательно, все параметры определяют по трансцендентным уравнениям, и у поставленной задачи число решений заранее неизвестно. Из конструктивных соображений, чтобы отверстия под болты находились на окружности между собой с необходимым зазором, накладывают ограничения на задаваемые значения углов: Рис. 3. Графическая зависимость критерия оптимальности F31 Рис. 4. Графическая зависимость критерия оптимальности F32 нения управляемых переменных проектирования оптимизационная задача имеет бесконечное число решений. Для нахождения практического варианта из множества возможных оптимальных проводят сравнение необходимых моментов завинчивания гаек с болтами при сборке. Расчёт моментов завинчивания крепёжных элементов с требуемой резь- При изменении угла 3 от 15 до 30 и варьировании значений 1 и 2 были определены координаты точек в трёхмерном пространстве при условиях, когда критерии оптимальности F31 и F32 были меньше заданной погрешности. На рис. 5 показана поверхность этих точек. Можно утверждать, что в обозначенных интервалах изме85 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) бой М10 выполняли по известной методике [1]. Результаты этих расчётов показали, что величина моментов обусловлена принятыми значениями независимых параметров и изменяется в интервале от 698,0 до 746,6 Нмм. Для определения минимального значения требуемого момента при оптимальных условиях проектируемого ГБС при постоянном значении угла 1 строят графическую зависимость момента завинчивания от изменения с заданным шагом углов 2 и 3. Было построено пять вариантов со значениями угла 1 от 70 до 74, взятыми с шагом один градус. Отрезок изменения угла 1 соответствует интервалу, где существуют оптимальные условия рассматриваемого ГБС. В результате построения графических зависимостей установлено, что минимальные значения Мзав. в рассматриваемых вариантах уменьшались с возрастанием угла 1. Это заключение подтверждают графики (рис. 6), построенные для граничных условий. В первом случае при 1 = 70 оптимальные значения независимых параметров 2 = 113,6 и 3 = 22 обусловливают минимальный момент Рыбинск: РГАТУ Мзав. = 733,74 Нмм. Во втором при 1 = 74 оптимальные значения независимых параметров 2 = 92,78 и 3 = 25 обусловливают минимальный момент Мзав. = 698,02 Нмм. Таким образом, для рассмотренного ГБС можно рекомендовать сборку при условиях последнего случая. Рис. 5. Визуализация поверхности точек, координаты которых соответствуют оптимальным значениям 10 , 02 и 03 a) при 1 = 70 б) при 1 = 74 0 1 Рис. 6. Зависимость Мзав от , Резьба болта М 10 М 10 М 12 М 10 и 0 3 радиусом R0 проходит по центрам угловых отверстий под болты. Результаты расчётов приведены в табл. 1. Моменты завинчивания болтов во всех сравниваемых случаях превышают на 16 – 67 требуемый момент для болтов оптимального ГБС. Следовательно, сборка распространенных ГБС с шестью болтами с использованием ключей предельного момента неизбежно приводит к большим энергетическим затратам, чем сборка оптимизированных на стадии проектирования соединений. Таблица 1 Рисунок 1, а 1, б 1, с 1, д 0 2 Мзав., Нмм 810,0 828,0 1174,2 976,5 Для сравнения выполнили расчёты ГБС с шестью болтами (рис. 1) при таких же, приведённых выше, исходных данных. В двух последних соединениях (рис. 1, с, д) описанная окружность 86 Н. В. Осадчий, В. А. Малышев, В. Т. Шепель 2014. № 1 (28) 2. Оптимальный вариант расположения болтов в плоскости стыка с минимальным моментом их завинчивания, найденный на стадии проектирования, повышает эффективность сборки соединения. Выводы 1. При проектировании ГБС при действии внешней силы в плоскости стыка оптимизация геометрических параметров размещения болтов обеспечивает технологичность соединения. Библиографический список 1. Иванов М. Н. Детали машин. – М.: Высшая школа, 1991. – 384 с. 2. Шевелев В. В. К вопросу поиска оптимальных условий при проектировании групповых болтовых соединений при действии внешней силы в плоскости стыка // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2012. – № 11. – С. 32 – 35. 3. Шуп Т. Е. Прикладные численные методы в физике и технике. – М.: Высшая школа, 1990. – 255 с. Сведения об авторе Шевелев Виктор Васильевич – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Shevelev, Victor Vassilievich – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] УДК 621.44.533.697 ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ИЗГИБА ТРЕХСЛОЙНОЙ ПАНЕЛИ С НЕЖЕСТКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ Н. В. ОСАДЧИЙ1, В. А. МАЛЫШЕВ2, В. Т. ШЕПЕЛЬ1, 2014 1 2 ОАО НПО «Сатурн», г. Рыбинск ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» В статье рассматривается численное решение системы дифференциальных уравнений изгиба трехслойной панели с нежестким заполнителем при различных условиях закрепления ее кромок. Решение получено в виде разностной схемы. Оценка точности предлагаемого метода проведена путем сравнения с решением системы дифференциальных уравнений методом разделения переменных в классе двойных рядов Фурье. Показано, что для панелей прямоугольной формы с различным соотношением длин сторон при помощи метода сеток удается получить решение приемлемой точности: относительная погрешность решения не превышает 3 % при сравнительно небольшом числе арифметических операций. ПАНЕЛЬ, РАВНОВЕСИЕ, СИСТЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ NUMERICAL SOLUTION FOR A NONRIGID SEALER TRILAMINAR PANEL CURVING PROBLEM N. V. OSADCHY1, V. A. MALYSHEV2, V. T. SHEPEL1, 2014 1 2 OAO «NPO «Saturn», Rybinsk Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper considers numerical solution for a system of differential equations covering nonrigid sealer trilaminar panel curving in terms of various fixations of its edges. The solution is presented in the difference scheme form. Accuracy estimation 87 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ of the offered method is made by comparison with a differential equations system solution by method of separation of variables in double series of Fourier class. It is proved that for panels of squared shape with various relations of side lengths by means of net-point method it is possible to gain a solution of adequate accuracy: solution relative error does not exceed 3 % at comparatively small number of arithmetical operations. PANEL, EQUILIBRIUM, DIFFERENTIAL EQUATIONS SYSTEM Фурье [1] удается получить только для шарнирно опертой панели. В связи с этим, в статье ставится задача поиска численного решения изгиба таких панелей для более широкого класса граничных условий. Для анализа возможностей численных методов использована прямоугольная панель, представленная на рис. 1, и находящаяся под действием поперечной распределенной нагрузки q(x, y). 1. Постановка задачи Некоторые элементы авиационных конструкций из композиционных материалов, например акустические панели с сотовым заполнителем, можно представить в виде трехслойных панелей, толщина нежесткого заполнителя которых намного больше толщины обшивок (рис. 1). Аналитическое решение задачи изгиба таких панелей методом разделения переменных в классе двойных рядов Рис. 1. Размеры панели в плане и ее поперечное сечение Равновесие элемента панели описывается системой дифференциальных уравнений [2]: стояние между срединными поверхностями обшивок. Выражения для поперечных сил имеют следующий вид: M x M xy Qx 0 ; x y M y y M xy x Qy 0 ; Qx Gh ; Q y Gh , x y (1) где G – модуль сдвига в плоскости панели. Подставляя выражение (2) и (3) в уравнения равновесия (1), получаем систему линейных неоднородных дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка относительно переменных = (x, y); = (x, y); = (x, y): Qx Q y q( x, y ), x y где Mx, My, Mxy – изгибающие моменты; Qx, Qy – поперечные силы. Изгибающие и крутящие моменты с учетом цилиндрической жесткости D 2 x 2 Eh 2 t 2 1 2 A 2 y 2 B 2 B 0; xy x 2 2 2 A 2 2 B B 0; xy y x y имеют следующий вид: (4) 2 2 C. x y x 2 y 2 M x D ; y x ; M y D x y (3) с постоянными коэффициентами B = Gh / D и правой частью (2) А = 1 – ; q ( x, y ) . Gh Далее для определенности функция q(x, y) будет предполагаться постоянной. Полученная система дифференциальных уравнений будет рассматриваться в прямоугольнике C ( x, y ) M xy D(1 ) , y x где , – углы поворота; – поперечный прогиб; E – модуль упругости; – коэффициент Пуассона; t – толщина обшивок трёхслойной панели; h – рас88 Н. В. Осадчий, В. А. Малышев, В. Т. Шепель 2014. № 1 (28) ( x, y ) : 0 x a, 0 y b . 1 ui1, j 2ui , j ui 1, j a При этом краевые условия на границе прямоугольника будут задаваться в форме третьей краевой задачи 2 u u f , n A ui , j 1 2ui , j ui, j 1 b2 2y 1 vi 1, j 1 vi1, j 1 vi1, j 1 vi1, j1 ab 4 x y Bui , j B wi1, j wi 1, j a 2 x 0; 1 ui 1, j 1 ui 1, j 1 ui 1, j 1 ui 1, j 1 ab 4 x y где в качестве функции u при соответствующих функциях , и f может быть взята любая из функций , или . A vi 1, j 2vi , j vi 1, j 2. Способ решения Для удобства решения поставленной задачи зададим в единичном квадрате a2 функции u, v, w, связанные с искомыми функциями , , по правилам: x y x y u , ( x, y ) ; v , ( x, y ) ; a b a b 2 x a b2 1 vi, j1 vi , j1 b 2 y 1 wi1, j 2wi , j wi1, j 2 1 vi , j 1 2vi , j vi , j 1 2y B wi , j 1 wi , j 1 0; b 2 y 1 ui1, j ui1, j a 2x Bvi , j 0 ( p, q) : 0 p 1, 0 q 1 2x 1 wi , j 1 2wi , j wi, j 1 b2 2y C, относительно 3(Nx – 1)(Ny – 1) переменных ui, j, vi, j, wi, j, где 0 i Nx – 1 и 0 j Ny – 1. Краевые условия: x y w , ( x, y ) . a b u fu ; u u u n 0 В результате замены переменных p x a; q y b, v fv ; v v v n 0 w fw w w w n 0 исходная система дифференциальных уравнений преобразуется к виду: 1 2u 2x модифицируются аналогично. При этом оператор дифференцирования u / n по внутренней нормали n заменяется на разностные операторы: A 2u 1 2 v B w Bu 0; ab pq a p a 2 p 2 b 2 q 2 1 2u A 2v 1 2v B w 2 2 2 2 Bv 0 ; (5) ab pq a p b q b q u1, j u0, j x 1 u 1 v 1 2 w 1 2 w C. a p b q a 2 p 2 b 2 q 2 ui ,1 ui , 0 y Краевые условия на границе 0 прямоугольника 0 формулируются аналогично. Приближенное решение системы дифференциальных уравнений в единичном квадрате 0 будет получено при помощи метода сеток [3]. Зададим целые Nx и Ny, величины x = 1 / Nx и y = 1 / Ny и введем в квадрате 0 регулярную сетку точек , , u N x 1, j u N x , j x , u i , N y 1 u 0 , N y y при положении граничной точки на вертикальном левом, вертикальном правом, горизонтальном нижнем или горизонтальном верхнем отрезках панели, соответственно. 3. Точность решения Оценка точности решения задачи по методу сеток будет осуществлена в случае краевых условий для панели шарнирно опертыми кромками: zi , j (i x , j y ) , ( 0, y ) ( a, y ) 0 ; x x (0, y ) (a, y ) 0, ( x,0) ( x, b) 0 ; (6) y y где 0 i Nx и 0 j Ny. Пусть для удобства: ( x,0) ( x, b) 0, ui , j u ( zi , j ), vi , j v ( zi , j ), wi , j w( zi , j ) . Осуществляя замену дифференциальных операторов разностными, приходим к системе 3(Nx – 1)(Ny – 1) линейных уравнений: ( x,0) ( x, b) 0, 89 (0, y ) (a, y ) 0, ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) допускающих решение исходной системы дифференциальных уравнений методом разделения переменных в классе двойных рядов Фурье. Оценка точности будет произведена в результате решения трех задач практического содержания, а именно, задачи поперечного изгиба трехслойной панели, шарнирно закрепленной по контуру (6). При этом линейные величины a, b, h, t выражаются в мм, а модуль упругости E, модуль сдвига G и поперечная нагрузка q выражаются в кгс/мм2. Во всех трех задачах величины Рыбинск: РГАТУ остаются неизменными. В первой задаче панель имеет форму квадрата с длинами сторон a = 100 и b = 100. Во второй задаче панель имеет форму прямоугольника с длинами сторон a = 150 и b = 100. В третьей задаче пластина имеет форму более вытянутого прямоугольника с длинами сторон a = 100 и b = 100. В первой задаче построение приближенного решения по методу сеток осуществлялось при Nx = Ny = 12, когда x = y = 100 / 12 8,33. В этом случае для реализации метода сеток потребовалось решение системы линейных уравнений порядка 363. Оценка точности решения приведена в табл. 1. h 10, t 1, E 2 10 4 , G 100, q 1, 0,3 Таблица 1 Точность решения для панели с размерами: a = 100; b = 100 x F S 0 0,000 0,000 0,000 8,33 0,323 0,310 4,071 16,66 0,579 0.556 3.872 25 0,771 0,742 3,721 33,33 0,904 0,872 3,613 41,66 0,983 0,948 3,548 50 1,008 0,973 3,527 В строке F указаны значения функции (x, y), получаемые при решении системы дифференциальных уравнений по методу Фурье, при значениях x = ix, где 0 i 12, и y = 50. В строке S указаны значения функции (x, y), получаемые при решении системы дифференциальных уравнений по методу сеток, при значениях x = ix, где 0 i 12, и y = 50. В строке даны значения относительных ошибок, выраженные в процентах. Величина относительной ошибки вычисляется по правилу F S 100 %, F 58,33 0,983 0,948 3,548 66,66 0,904 0,872 3,613 75 0,771 0,742 3,721 83,33 0,579 0,556 3,872 91,66 0,323 0,310 4,071 100 0,000 0,000 0,000 На рис. 3 показан общий вид поверхности (x, y) и (x, y) при значениях переменных 0 x 100 и 0 y 100. При этом значения (x, y) и (x, y) определены по методу Фурье. Во второй задаче построение приближенного решения по методу сеток осуществлялось при Nx = 24 и Ny = 16, когда x = y = 150 / 24 = 6,25. В этом случае для реализации метода сеток потребовалось решение системы линейных уравнений порядка 1035. Оценка точности решения приведена в табл. 2. В строке F указаны значения функции (x, y), получаемые при решении системы дифференциальных уравнений по методу Фурье, при значениях x = 2ix, где 0 i 12, и y = 50. В строке S указаны значения функции (x, y), получаемые при решении системы дифференциальных уравнений по методу сеток, при значениях x = 2ix, где 0 i 12, и y = 50. В строке даны значения относительных ошибок, выраженные в процентах. где F – значение, определенное по методу Фурье; S – значение, определенное по методу сеток. На рис. 2 показаны сечения поверхностей (x, y) и (x, y) вертикальной плоскостью при значениях переменной 0 x 100 и фиксированном значении переменной y = 50. При этом значения (x, 50) и (x, 50) в соответствующих узловых точках определены по методу сеток. 0.0075 1.00 0.0050 0.7 0,0025 0 25 50 75 100 x 0.50 –0,0025 0.25 –0,0050 0 –0,0075 25 Рис. 2. Сечение поверхностей (x, 50), (x, 50) 90 5 7 10 x Н. В. Осадчий, В. А. Малышев, В. Т. Шепель 2014. № 1 (28) 0.008 1 0.006 0.8 0.004 0.002 0.6 0 – 0.002 0.4 – 0.004 0.2 – 0.006 0 100 – 0.008 100 80 80 60 40 20 0 0 80 C 80 60 40 100 A 100 60 40 20 20 20 0 0 Рис. 3. Поверхности (x, y), (x, y) Таблица 2 Точность решения для панели с размерами: a = 150; b = 100 x F S 0 0,000 0,000 0,000 12,5 0,541 0,522 3,506 25,0 0,943 0,910 3,442 37,5 1,226 1,184 3,425 50,0 1,413 1,365 3,432 62,5 1,519 1,466 3,444 75,0 1,553 1,499 3,450 87,5 1,519 1,466 3,444 100,0 1,413 1,365 3,432 112,5 1,226 1,184 3,425 125,0 0,943 0,910 3,442 137,5 0,541 0,522 3,506 150 0,000 0,000 0,000 Таблица 3 Точность решения для панели с размерами: a = 200; b = 100 x F S 0 0,000 0,000 0,000 25 1,007 0,979 2,780 50 1,560 1,515 2,884 75 1,828 1,773 3,008 100 1,908 1,850 3,039 В третьей задаче построение приближенного решения по методу сеток осуществлялось при Nx = 48 и Ny = 24, когда x = y = 200 / 48 4,166. В этом случае для реализации метода сеток потребовалось решение системы линейных уравнений порядка 3243. Оценка точности решения приведена в табл. 3. В строке F указаны значения функции (x, y), получаемые при решении системы дифференциальных уравнений по методу Фурье, при значениях x = 6ix, где 0 i 12, и y = 50. В строке S указаны значения функции (x, y), получаемые при решении системы дифференциальных уравнений по методу сеток, при значениях x = 6ix, где 125 1,828 1,773 3,008 150 1,560 1,515 2,884 125 1,007 0,979 2,780 200 0,000 0,000 0,000 0 i 8, и y = 50. В строке даны значения относительных ошибок, выраженные в процентах. 4. Выводы 1. Изложено решение задачи поперечного изгиба трехслойной панели на основе решения системы дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка методом сеток. 2. Показано, что для пластин прямоугольной формы и с различным отношением длин сторон при помощи метода сеток удается получить решение приемлемой точности при относительно небольшом числе итераций. Библиографический список 1. Тимошенко С. П., Войновский-Кригер С. Пластины и оболочки. – М: Физматгиз, 1963. – 635 с. 2. Вольмир А. С. Гибкие пластинки и оболочки. – М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956. – 420 с. 3. Самарский А. А. Теория разностных схем. – М.: Наука, 1989. – 616 с. 91 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Сведения об авторах Осадчий Николай Васильевич – эксперт по прочности ОАО НПО «Сатурн», г. Рыбинск. Малышев Владимир Александрович – доктор физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». Шепель Вячеслав Тимофеевич – доктор технических наук, профессор, начальник КО «Сертификация АГТД и ПГТУ», ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. Е-mail: [email protected] Osadchy, Nikolay Vassilievich – strength of materials expert, OAO «NPO «Saturn», Rybinsk. Malyshev, Vladimir Aleksandrovich – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». Shepel, Vyacheslav Timofeevich – Doctor of Engineering, full professor, Head of KO «Sertifikatsiya AGTD i PGTU», («Certification of aviation gas turbine engines and H.T.P. turbine plants»), OAO «NPO «Saturn», Rybinsk. Е-mail: [email protected] УДК 621.22 ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХ ГИДРОМАШИН С. А. ВОРОНОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева» В статье приведены базовые принципы, структура и алгоритм работы системы проектирования аксиальнопоршневых гидромашин. Система состоит из шести подсистем, охватывающих основные задачи проектирования гидромашин. Система предусматривает три варианта построения проектировочного процесса. Алгоритм позволяет вести направленный поиск параметров. Описаны методика и результаты практической реализации процесса проектирования с помощью данной системы. ОСОБЕННОСТИ, СИСТЕМА, ПРОЦЕСС, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ ГИДРОМАШИНА, СТРУКТУРА, АЛГОРИТМ, ДЕКОМПОЗИЦИЯ SINGULARITIES OF BUILD-UP AND IMPLEMENTATION OF AXIAL-PISTON HYDRAULIC MACHINES PROJECTION SYSTEM S. A. VORONOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov The paper presents basic principles, structure and operation algorithm of axial-piston hydraulic machines projection system. The mentioned system consists of six subsystems enveloping primal problems of hydraulic machines projection. The system provides three alternatives of projecting process organization. The algorithm allows searching for parameters in purposely and directly way. The paper features both technique and projection practical implementation process results reached by means of the system. SINGULARITIES, SYSTEM, PROCESS, PROJECTION, AXIAL-PISTON HYDRAULIC MACHINE, STRUCTURE, ALGORITHM, DECOMPOSITION Современные силовые регулируемые гидроприводы с аксиально-поршневыми гидромашинами (АПГМ) объединяют функционально разнород- ные гидроэлементы: насосы, гидромоторы, гидрораспределители, клапаны и т. д. Требования к характеристикам таких систем носят многокритери- 92 С. А. Воронов 2014. № 1 (28) альный характер и постоянно возрастают [1]. Вместе с тем, при минимизации сроков их создания должно обеспечиваться высокое качество процесса их проектирования. В этом случае важнейшим этапом процесса создания данных гидроприводов следует считать качественное проектирование комплектующих гидроэлементов. Этап проектирования АПГМ – базовых гидроэлементов силовых регулируемых гидроприводов – является собственно рабочим этапом, предполагающим выполнение проектных процедур, т. е. работу с аналогами, конструирование деталей и узлов с помощью средств машинной геометрии и графики, выполнение расчётных работ, проектирование технологических процессов, планирование проведения доводочных испытаний. Инструментом, реализующим работы этого этапа, является система проектирования, структурная модель которой приведена на рис. 1 [2]. Эта система состоит из шести подсистем, охватывающих основные задачи проектирования АПГМ – от синтеза структуры гидромашины до проектирования технологии её производства. графических данных и образов типовых деталей и узлов машин, создание алгоритмов и программ синтеза графических изображений этих конструкций. Подсистема проектирования испытаний АПГМ предназначена для получения объективной информации, необходимой для оценки качества принимаемых проектных решений, и должна содержать информацию о методах, средствах и программах обработки экспериментальных данных. Создание подсистемы проектирования технологий предусматривает разработку типовых технологических процессов изготовления деталей и узлов гидромашин, а также проектирование типовых производственных участков. Информационно-справочная подсистема предназначена для решения задач по обеспечению необходимой информацией и организации базы данных по характеристикам и конструкциям гидромашин. Важным аспектом эффективного построения и реализации системы проектирования АПГМ следует считать качественную разработку её методического обеспечения, которое представляет собой совокупность математических моделей, методов, приёмов и алгоритмов для решения задач статического и динамического расчёта и проектирования деталей, узлов и гидромашин в целом. В основу предлагаемого подхода к проектированию АПГМ положен принцип первоочередного и максимального использования существующей номенклатуры данного типа гидромашин с учётом условий и режимов их работы в гидроприводе. Система проектирования АПГМ предусматривает три варианта построения проектировочного процесса. Первый вариант состоит в попытке отыскания и обоснования возможности применения уже известных типоразмеров гидромашин, разработанных для ранее созданных гидроприводов определённого назначения. Этот вариант реализуется путем анализа (на основе выбранных критериев) существующей научно-технической информации. Если первый вариант не дает положительного результата, то исследуется возможность создания гидромашины под заданные требования на основе выбранной гидромашины-аналога, имеющей типовую конструктивную схему. Второй вариант реализуется с помощью методов расчёта и программных продуктов, разработанных применительно к определённым конструктивным схемам деталей, узлов и гидромашин в целом. Третий вариант предусматривает создание АПГМ на основе оригинальных конструктивных решений составных частей и базируется на обобщённом математическом и программном обеспечении, характерном для типовых модификаций АПГМ. Проектирование АПГМ по второму и третьему вариантам проводится с использованием асим- Подсистема графических работ Подсистема синтеза геометрических параметров узлов и деталей АПГМ Подсистема синтеза структур АПГМ Подсистема проектирования технологий Подсистема проектирования испытаний Информационно-справочная подсистема Рис. 1. Структурная модель системы проектирования АПГМ Подсистема синтеза структур АПГМ включает в себя комплекс задач по разработке методов анализа требований к ним с целью выбора исходных данных для синтеза (аналога), построения математических моделей конструктивных схем, критериев и методов оптимизации структур машин в соответствии с требованиями к их динамическим характеристикам. Подсистема синтеза геометрических параметров узлов и деталей содержит комплекс задач по созданию банка математических моделей типовых узлов и деталей, пакета прикладных программ, поисковых методов оптимизации. Разработка подсистемы графических работ предусматривает создание средств построения сборочных и деталировочных чертежей конструкций элементов гидромашин, организацию банка 93 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) птотического метода формирования облика объекта проектирования, предусматривающего начальный выбор конструктивных параметров на основе упрощённых (статических) моделей и последующее уточнение этих параметров на этапах анализа характеристик, корректировки и оптимизации параметров, базирующихся на динамических моделях (более высокого уровня). В соответствии с вышеприведёнными вариантами и принципами построения проектировочно- го процесса АПГМ был разработан алгоритм проектирования данных гидромашин (рис. 2 [3]): – позволяющий вести направленный поиск параметров конструкции гидромашин на всех уровнях проектирования, оперируя лишь с ограниченной информацией, реализуя, тем самым, принцип декомпозиции процесса проектирования; – предполагающий широкое использование математических моделей с различным уровнем идеализации и возможность качественной проработки основных узлов и деталей гидромашин. ТЗ на разработку АПГМ ТЗ на разработку ГП Анализ характеристик АПГМ. Выбор АПГМ-аналога Методика выбора АПГМ-аналога Корректировка требований ТЗ Каталоги конструкций, характеристик АПГМ Рыбинск: РГАТУ да Формирование конструктивной схемы АПГМ нет Есть аналог АПГМ-аналог да Удовл. ТЗ Типовые методы расчёта исходных параметров АПГМ Определение исходных параметров АПГМ нет Анализ характер-к и оптимизация параметров АПГМ Расчёт прочности и надёжности Система математических моделей ходовой части АПГМ. Методы и средства расчёта элементов АПГМ. Методика определения оптимальных параметров Анализ характеристик к и оптимизация АПГМ Типовые методы расчета Расчёт прочности и надёжности нет Корректировка параметров нет Удовл. ТЗ H Удовл. ТЗ да Корректировка структуры да Разработка КД Эксплуатация АПГМ Изготовление АПГМ да нет Удовл. ТЗ Испытания АПГМ нет Рис. 2. Алгоритм проектирования АПГМ 94 МЕТОДИКИ экспериментальной оценки технических показателей работоспособности АПГМ С. А. Воронов 2014. № 1 (28) Техническое задание на проектирование АПГМ должно содержать основные требования к ее характеристикам, которые определяются ее назначением и требованиями технического задания на проектирование гидропривода. На начальном этапе осуществляется анализ существующих конструктивных решений АПГМ с целью поиска образца гидромашины, характеристики которого совпадают с требованиями технического задания или близки к ним. Поиск проводится по данным каталогов конструкций гидромашин, научно-технической литературы, рекламной информации и т. п. Сначала характеристики имеющихся конструкций гидромашин сравниваются с номиналом технического задания. Если выбранный образец АПГМ в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания, то он принимается к изготовлению, и выбор гидромашины считается успешно завершённым. В случае несовпадения характеристик организуется поиск гидромашинаналогов. Выбранная конструкция гидромашиныаналога проверяется на соответствие требуемым рабочим характеристикам и возможность её корректировки путем расчёта с использованием математических моделей и методов статического и динамического расчёта параметров АПГМ [2, 4, 5]. На уточнённую таким образом АПГМ разрабатывается конструкторская документация на опытный образец, изготавливается опытный образец гидромашины, который подвергается типовым испытаниям с применением методов оценки технических показателей работоспособности основных узлов АПГМ. Если результаты расчётов и испытаний покажут, что аналог при соответствующей доработке обеспечит выполнение требований технического задания, то производят разработку его конструкторской документации и принимают к изготовлению. В противном случае необходимо вернуться на этап выбора аналога проектируемой гидромашины. В том случае, если не удалось выбрать соответствующий аналог проектируемой АПГМ, необходимо перейти к этапу проектирования на основе формирования новых конструктивных решений ходовой части и системы распределения гидромашины. При этом их структура может быть выбрана с учётом требований технического задания из каталогов существующих конструкций гидромашин либо сформирована вновь. Здесь большую роль играют интуиция и производственный опыт конструктора-разработчика, а также сложившаяся на предприятии практика построения структуры АПГМ. Выбранная конструктивная схема АПГМ разбивается на такие конструктивные модули, как вал с подшипниковыми опорами, блок цилиндров с поршнями, торцевой распределительный узел (для регулируемой гидромашины – дополнительный узел регулирования) и др., параллельная проработка которых может позволить сократить время и затраты на их проектирование и реализовать принцип декомпозиции. С помощью типовых и оригинальных методов расчёта [2, 4, 5] определяются конструктивные параметры отдельных деталей, узлов и параметры АПГМ в целом, которые являются предварительными результатами и служат исходными данными для следующего этапа проектирования «Анализа характеристик и оптимизации параметров АПГМ». Данный этап реализуется с помощью математических моделей, методов расчёта элементов АПГМ и методики определения оптимальных параметров АПГМ. Целью этого этапа является, во-первых, оценка соответствия выбранных конструктивных размеров деталей заданным рабочим параметрам АПГМ, во-вторых, оптимизация полученной конструкции гидромашины. Далее осуществляется разработка документации, изготовление и испытания опытного образца АПГМ. Образец АПГМ подвергается предварительным и приёмочным испытаниям. В ходе предварительных испытаний оцениваются работоспособность, параметры и характеристики спроектированного образца гидромашины, а также его соответствие предъявленным к нему требованиям. При этом для более тщательной отработки конструкции основных узлов АПГМ можно рекомендовать проведение данных испытаний в два этапа: на первом этапе с помощью разработанных методов экспериментальной оценки технических показателей работоспособности АПГМ – испытания ходовой части и торцевого распределительного узла АПГМ с целью установления условий силового равновесия блока цилиндров и взаимодействия сопряженных поверхностей блока, поршней и распределителя; на втором этапе с помощью типовых методов – испытания спроектированной АПГМ с целью определения соответствия выходных рабочих параметров заданным в техническом задании. В результате приёмочных испытаний окончательно определяются параметрические показатели и характеристики разработанной АПГМ и делается вывод о целесообразности их производства (ГОСТ 22976-78). Если результаты расчётов и испытаний покажут, что принятое конструктивное решение АПГМ удовлетворяет требованиям технического задания, то переходят к последующим этапам разработки АПГМ. В противном случае осуществляется параметрическая и структурная корректировка конструкции АПГМ. В процессе разработки конструкторской документации, кроме реализации основной цели – создания технической документации, определяется с помощью математического аппарата оптимальная совокупность конструктивных параметров (номиналов и допусков на изготовление), обеспечиваю- 95 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ щих выполнение заданных в техническом задании требований, а также для обоснования принятых конструктивных решений с помощью типовых методов выполняются прочностные расчёты и расчёты надежности. Оценка прочности конструкции занимает в процессе проектирования АПГМ важное место, что обусловлено использованием в качестве рабочего тела различных жидкостей под высоким давлением (до 45 – 50 Мпа), а также стремлением получить минимальные габариты и вес гидромашин. Широко применяемым методом прочностных расчётов считается метод конечных элементов, основанный на замене реальной конструкции расчётной моделью, построенной из так называемых конечных элементов с определенными свойствами. Замена действительной конструкции дискретной моделью делает возможным применение численных методов расчёта напряжений и деформаций. Для анализа прочности элементов, деталей и конструкции АПГМ могут быть использованы известные программные комплексы: «Nastrаn», «ANSYS», «Cosmos» и другие. Одним из основных показателей качества АПГМ является надежность функционирования. Для оценки надежности проектируемых гидромашин возможно использование двух подходов. В первом случае считается, что потеря работоспособности АПГМ вызвана внезапными отказами ее деталей и узлов, т. е. дается оценка надежности на основе статистических данных об интенсивности отказов деталей и узлов АПГМ. Во втором случае полагается, что нарушение работоспособности вы- Рыбинск: РГАТУ звано постепенными или параметрическими отказами, возникающими из-за технологических и эксплуатационных погрешностей параметров (разброса параметров в пределах допусков, неоднородности свойств материалов, процесса износа и старения, воздействия наработки ресурса и др.). Завершающими этапами процесса проектирования АПГМ являются разработка конструкторской документации, изготовление, контроль качества и предъявление готовых гидромашин потребителю. В случае положительного решения гидромашина направляется к потребителю для эксплуатации, в противном случае производится параметрическая и структурная корректировка ее конструкции либо, по возможности, корректировка требований технического задания на проектирование АПГМ. Данная система проектирования была реализована при разработке, совершенствовании и доводке конструкций АПГМ с наклонным блоком цилиндров II и III модификаций рабочим объёмом 16, 32 и 140 см3 и АПГМ с наклонным диском рабочим объёмом 15, 33, 89, 112, 300 см3. Применение этой системы проектирования АПГМ в современных условиях быстрой сменяемости функциональной направленности гидроприводов и наличия широкой номенклатуры данных гидромашин позволило сократить сроки разработки, повысить качество, уменьшить стоимость работ, а также осуществить переход к проектированию новых образцов АПГМ только после того, как исчерпаны возможности по использованию существующих конструкций гидромашин. Библиографический список 1. Фролов К. В. и др. Конструирование машин: Справочно-методическое пособие / Под ред. К. В. Фролова. – М.: Машиностроение, 1994. – 528 с. 2. Воронов С. А. Расчёт и проектирование аксиально-поршневых гидромашин с торцевым распределением жидкости: Монография. – Ковров: КГТА, 2003. – 112 с. 3. Воронов С. А., Багаев Д. В. Алгоритм выбора оптимальных параметров деталей аксиально-поршневой гидромашины // Автоматизация и современные технологии. – 2008. – № 11. – С. 27 – 30. 4. Васильченко В. А. Гидравлический привод мобильных машин: Справочник. – М.: Альянс, 2014. – 300 с. 5. Прокофьев В. Н. и др. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод / В. Н. Прокофьев, Ю. А. Данилов, Л. А. Кондаков, А. С. Луганский, Ю. А. Целин; Под ред. В. Н. Прокофьева. – М.: Машиностроение, 1969. – 469 с. Сведения об авторе Воронов Сергей Андреевич – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева». Е-mail: [email protected] Voronov, Sergey Andreevich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov. Е-mail: [email protected] 96 Б. Ю. Житников, Ю. З. Житников, П. Д. Филянович 2014. № 1 (28) УДК 621.757 ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА УДАРНОЙ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ УДАРЕ НА УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Б. Ю. ЖИТНИКОВ1, Ю. З. ЖИТНИКОВ2, П. Д. ФИЛЯНОВИЧ2, 2014 1 2 Владимирский юридический институт ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева» Описан процесс ударной затяжки резьбовых соединений с учетом потерь энергии при ударе бойка о наковальню на упругопластические деформации взаимодействующих поверхностей. УДАРНЫЙ ГАЙКОВЕРТ, УПРУГОПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, ПРЕДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ EXPOSITION OF THREAD CONNECTIONS SHOCK-INDUCED TIGHTENING PROCESS CONSIDERING POWER LOSSES ON PLASTO-ELASTIC DEFORMATIONS OF INTERREACTING SURFACES AT IMPACT B. Y. ZHITNIKOV1, Y. Z. ZHITNIKOV2, P. D. FILYANOVICH2, 2014 1 Vladimir Law Institute, Vladimir 2 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov The paper features a process of shock-induced tightening of thread connections considering power losses on plastoelastic deformations of interacting surfaces at block head - anvil shock impact. IMPACT WRENCH, PLASTO-ELASTIC DEFORMATION, MAXIMAL SPEED вращения; Муд – передаваемый ударный момент кулачков бойка к наковальне, шпинделю и резьбовой детали; Мпр – момент предварительной затяжки резьбового соединения до удара; Мс – момент сопротивления в резьбе при ударной затяжке: Для описания процесса ударной затяжки резьбовых соединений одношпиндельными гайковертами воспользуемся дифференциальным уравнением вращательного движения [1]: I 0 0 M ej0 , (1) M c b b1 , где I0 – момент инерции системы относительно произвольного центра; 0 – вектор углового ускорения системы; M ej0 b, b1 – коэффициенты вязкого трения; – угол поворота резьбовой детали при ударе; – угловая скорость поворота резьбовой детали при ударе. Момент предварительной затяжки резьбовых соединений [3] выбирается в пределах 2 – 10 % от минимального значения момента: – вектор суммы момен- тов внешних сил относительно произвольного центра O. Для случая ударной затяжки резьбовых соединений одношпиндельными ударными гайковертами повышенной точности [5, 6] с учетом сопротивления вращению в резьбе согласно [2, 4] дифференциальное уравнение в проекции на ось вращения шпинделя запишется: M уд M пр M c , Iz (3) M пр k M 3 , (4) где k 0,02…0,1 – коэффициент; М3 – момент окончательной затяжки резьбового соединения. Найдем момент удара с учетом потерь энергии не только на упругую, но и пластическую деформацию поверхностей кулачков бойка и наковальни. На основе теоремы об изменении кинетической энергии механической системы [1]: (2) где Iz – приведенный момент инерции вращающихся моментов гайковерта к оси вращения шпин – проекция углового ускорения на ось деля; 97 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) T1 T0 A ej Aij , где – величина неплоскостности поверхностей кулачков; l – длина кулачка. Согласно [2] принято приближение, в котором считают, что работы от удара и при медленном сдавливании образцов равны при одинаковых деформациях. Величина пластической деформации взаимодействующих поверхностей при медленном нагружении согласно [7] запишется: (5) где Т1, Т0 – кинетическая энергия механической системы в конце и начале удара; Aej – работа внешних сил; Aij – работа внутренних сил. Учитывая, что перед ударом система находится в состоянии покоя, то Т0 = 0. (6) Так как система – элементы ударного гайковерта и резьбовая деталь – совершает вращательное движение, кинетическая энергия согласно [1] запишется: T I 2 , 2 h пл (7) Р0 F см 0,9 см S см , А уп Апл M уп уп M пл пл , (8) Sсм = 2l a, l2 , 2 8 (12) (13) где a – полуось пятна контакта поверхностей. Приведенный радиус поверхностей находится из выражения (9) где Ауп – работа при упругой деформации, поверхностей кулачков бойка и наковальни; Апл – работа при пластической деформации поверхностей кулачков бойка и наковальни; Муп – момент, при котором на поверхностях кулачков возникают упругие деформации; уп – угол поворота кулачков при их упругой деформации; Мпл – момент, при котором на поверхностях кулачков возникают пластические деформации; пл – угол поворота кулачков при их пластической деформации. Учитывая, что взаимодействующие поверхности кулачков бойка и наковальни являются плоскими, а в работе [7] отсутствуют математические выражения величин, получим пятно контакта и глубины упругой деформации взаимодействующих поверхностей. Введем приближение согласно [4]. Учитывая неплоскостность взаимодействующих поверхностей, считаем, что контакт происходит по выпуклым цилиндрическим поверхностям, радиусы которых согласно [4] равны: R (11) где 0,9 – коэффициент допустимого предельного напряжения материалов на смятие; [см] – допустимое напряжение на смятие; Sсм – площадь смятия поверхностей. Согласно приближению взаимодействующие поверхности представлены как выпуклые цилиндрические, площадь смятия поверхностей равна где уд = – угол поворота резьбовой детали при ударе. При ударе бойка о наковальню происходит потеря энергии на упругопластическую деформацию, поэтому работу внутренних сил запишем в виде: Aij Р Р0 , 2Rпр НД где Р – сила, вызывающая упругую и пластическую деформацию взаимодействующих поверхностей; Р0 – сила, вызывающая упругую деформацию поверхностей; Rпр – приведенный радиус кривизны; НД – пластическая твердость взаимодействующих материалов. Сила P0 соответствует предельному значению при упругом сжатии поверхностей. где – угловая скорость вращения бойка; I – приведенный момент инерции элементов гайковерта от вала до оси бойка. При ударе будем учитывать только момент удара, а остальными моментами внешних сил можно пренебречь, следовательно, работа внешних сил равна [1]: Aej M уд уд M уд , Рыбинск: РГАТУ 1 1 1 , Rпр R1 R (14) где R1 = R1 = R2 – радиусы взаимодействующих поверхностей кулачков. Окончательно получим: R2 R . (15) 2R 2 Согласно [7] пластическая твердость взаимодействующих поверхностей равна Rпр 90000 (кг/см3), (16) 130 HRC где HRC – твердость по Роквеллу. Угол поворота резьбовой детали при упругой деформации кулачков запишется: НД уп = dy / r, (17) где dy – величина упругой деформации взаимодействующих поверхностей кулачков; r – средний радиус положения кулачков относительно оси вращения бойка и наковальни. (10) 98 Б. Ю. Житников, Ю. З. Житников, П. Д. Филянович 2014. № 1 (28) С учетом того, что взаимодействующие поверхности кулачков цилиндрические, согласно [7] полуось пятна контакта равна q R1 R2 А 1,522 , E R1 R2 Из геометрии взаимодействия цилиндров глубина упругой деформации dy запишется: h R2 a2 ; (18) dy R h R R 2 где q – нагрузка на единицу длины полосы контакта; E – модуль упругости материалов взаимодействующих поверхностей. Согласно [7] нагрузка на единицу длины запишется: 3p q 0 , (19) 4l 1,563см R E . 1,563см R . E (22) Зададимся величиной пластической деформации поверхностей в пределах трети от допуска на диаметр поверхностей кулачков. Учитывая, что поверхностей две, имеем: 2 hпл , 3 где p0 – сила упругого сдавливания взаимодействующих поверхностей кулачков. С учетом выражений (12) ,(13), (19) равенства радиусов цилиндрических поверхностей после преобразования полуось пятна контакта находится из выражения a (21) (23) где – допуск на диаметр поверхностей кулачков. Тогда угол поворота кулачков, если считать величину деформации длиной дуги, равен: hпл 2 . (24) r 3r Запишем изменение кинетической энергии с учетом выражений (5) – (13), (15) – (17), (20), (23), (24): (20) 2,813см 2 R r 2 2,813см 2 R r 2 I 2 90000 90000 M уд R r R r 2 Е 3 130 HRC Е 3 130 HRC (25) 1,563см R 2 2 R R . Е 3 Из выражения (25) найдем момент удара и с учетом выражений (3), (4) запишем дифференциальное уравнение (2), описывающее процесс при первом ударе бойка о наковальню: 1 I z I 2 2 2,813 см 2 R r 2 90000 1,563 см R 2 1 R r R R 2 . Е 3 130 HRC Е 3 I z (26) Обозначим: b1 / Iz = A1; b / Iz = B1; k / Iz = U1. (27) 2,813см 2 R r 2 I 2 90000 1,563см R 2 1 М уд R r R R 2 . 2 Е 3 130 HRC Е 3 I z Окончательно дифференциальное уравнение ударной затяжки резьбовых соединений примет вид: 1 А1 1 В11 С1 1 U 1. 1 пр F E P , (31) где Qпр – осевая сила предварительной затяжки резьбового соединения, которая равна 2 – 10 %; Qз – осевая сила окончательной затяжки; l – длина растягиваемой части резьбовой детали, которая равна сумме толщин скрепляемого фланца и уплотнения; F D02 4 – площадь сечения растягиваемой части резьбовой детали; D0 – диаметр тела резьбовой детали; P – шаг резьбы. После первого удара суммарный угол предварительной затяжки равен (29) Получено нелинейное дифференциальное уравнение, которое можно решить методом Рунге – Кутта. Найдем угол поворота резьбовой детали при первом ударе кулачков бойка о кулачки наковальни при следующих начальных условиях: t 0, 0 0, 0 0 . 2Qпр l (28) (30) пр д пр 1 . Согласно [8] угол предварительной затяжки резьбовых соединений запишется: 99 (32) ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Перед вторым ударом бойка о наковальню найдем осевую силу предварительной затяжки резьбового соединения: Q2пр пр д F E P 2l . Рыбинск: РГАТУ тяжки при втором ударе. Уравнение будет иметь тот же вид, но изменится коэффициент D, который будет равен: k D Mз . (35) Iz (33) C учетом (35) дифференциальное уравнение запишется: 1 2 А1 2 В1 2 С1 U 2 . (36) 2 Согласно [7] найдем момент предварительной затяжки резьбового соединения перед вторым ударом: 1 D 3 D03 d 2 p М 2пр Q2пр T 12 dy , (34) 2 2 d 2 D1 D0 3 Далее интегрируем уравнение (36) при начальных условиях выражения (30) и т. д. где T – коэффициент трения головки болта о плоскость скрепляемой детали; D1 – размер головки болта под ключ; d2 – средний диаметр резьбы; – угол трения в резьбе. По аналогии с выражениями (27) – (29) составим дифференциальное уравнение ударной за- Вывод Учет потерь энергии при ударе позволил повысить точность описания процесса ударной затяжки по сравнению с уравнениями, описывающими процесс без учета потерь энергии, до 8 %. Библиографический список 1. Бутенин, Н. В. Курс теоретической механики. В 2 т. Т. 2 / Н. В. Бутенин, Я. Л. Лунц, Д. Р. Меркин. – М.: Наука, 1979. – 543 с. 2. Житников, Ю. З. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учебник для машиностроительных вузов / Ю. З. Житников, Б. Ю. Житников, А. Г. Схиртладзе [и др.]; Под общ. ред. Ю. З. Житникова. – Старый Оскол: ТНТ, 2009. – 656 с. 3. Житникова, И. В. Обоснование момента сопротивления в резьбе при ударной затяжке резьбовых соединений / И. В. Житникова // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2012. – № 10. – С. 41 – 44. 4. Житников, Ю. З. Одношпиндельный гайковёрт ударного действия повышенной прочности / Ю. З. Житников, Б. Ю. Житников // Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Материалы 4 Международной научно-технической конференции. В 2-х частях. – Рыбинск: РГАТУ имени П. А. Соловьева, 2012. – C. 80 – 83. 5. Житников, Ю. З. Ручной одношпиндельный гайковерт ударного действия повышенной точности с системой контроля осевых сил затяжки резьбовых соединений / Ю. З. Житников, Б. Ю. Житников // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2012. – № 6. – C. 13 – 16. 6. Житников, Ю. З. Способ повышения точности моментов затяжки при сборке резьбовых соединений одношпиндельными гайковертами ударного действия / Ю. З. Житников, Б. Ю. Житников, Ю. Н. Матросова // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2011. – № 9. – C. 9 – 12. 7. Демидов, С. П. Теория упругости: Учебник для вузов / С. П. Демидов. – М.: Высшая школа, 1979. – 432 с. 8. Иосилевич, Г. Б. Затяжка и стопорение резьбовых соединений / Г. Б. Иосилевич, Г. Б. Строганов, Ю. В. Шарловский. – 2-е изд. – М.: Машиностроение, 1985. – 244 с. Сведения об авторах Житников Б. Ю. – доктор технических наук, профессор Владимирского юридического института. Житников Ю. З. – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева». Филянович П. Д. – аспирант ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева». Zhitnikov, B. Y. – Doctor of Engineering, full professor, Vladimir Law Institute. Zhitnikov, Y. Z. – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov. Filyanovich, P. D. – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov. 100 Д. С. Воркуев, Е. А. Миронова 2014. № 1 (28) УДК 621.757 МНОГОШПИНДЕЛЬНЫЙ ГАЙКОВЕРТ НА ОСНОВЕ МУФТ ПРЕДЕЛЬНОГО МОМЕНТА, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ, МЕХАНИЗМОВ СВОБОДНОГО ХОДА 1 2 Д. С. ВОРКУЕВ1, Е. А. МИРОНОВА2, 2014 ОАО «Завод им. В. А. Дегтярева», г. Ковров ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева» В статье предложена кинематическая схема многошпиндельного гайковерта повышенной точности. Показано, что точность затяжки резьбовых соединений на основе муфт предельного момента, дифференциальных механизмов, механизмов свободного хода в значительной мере зависит от расположения муфт. Установлено, что наибольшую точность осевых сил затяжки будет иметь гайковёрт, у которого муфты предельного момента расположены после дифференциальных механизмов. ГАЙКОВЕРТ, МУФТА ПРЕДЕЛЬНОГО МОМЕНТА, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, МЕХАНИЗМ СВОБОДНОГО ХОДА MULTI-SPINDLE NUT RUNNER ON THE BASIS OF OVERTIME CLUTCHES, DIFFERENTIAL MECHANISMS AND FREE-WHEELING MECHANISMS 1 D. S. VORKUEV1, E. A. MIRONOVA2, 2014 OJSC «V. A. Degtyaryov Plant», Kovrov 2 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov The paper offers a kinematic scheme for a high-precision multi-spindle nut runner. It is displayed that thread connections tightening exactitude reached on the basis of overtime clutches, differential mechanisms and free-wheeling mechanisms appreciably depends on couplings disposition. It is proved that the highest exactitude of an axial tightening thrust will be received by a nut runner with overtime clutches arranged subsequently to differential mechanisms. NUT RUNNER, OVERTIME CLUTCH, DIFFERENTIAL MECHANISM, FREE-WHEELING MECHANISM Точность затяжки резьбовых соединений на основе муфт предельного момента, дифференциальных механизмов, механизмов свободного хода [1, 2] в значительной мере зависит от расположения муфт, т. е. в начале быстроходной кинематической цепи, перед дифференциальными механизмами или после них. Только в случае, если муфты стоят после дифференциальных механизмов, то на всех шпинделях полностью обеспечивается предварительная затяжка резьбовых соединений, что позволяет повысить точность осевых сил затяжки до 1,5 % от номинального значения при суммарной погрешности порядка 7 – 8 %. Наибольшую точность осевых сил затяжки будет иметь гайковёрт, у которого муфты предельного момента расположены после дифференциальных механизмов (рис. 1). Для обеспечения качественной затяжки групповых резьбовых соединений многошпиндельный гайковёрт имеет две ветви вращения: быстроходную, но маломоментную, и тихоходную, но высокомоментную. По быстроходной ветви вращение от электродвигателя 1 через зубчатые передачи 2, 71 и 61, 66 передаётся центральной шестерне 7, от которой движение разделяется по двум кинематическим цепям. По первой – от центральной шестерни 7 вращение передаётся зубчатому колесу 8, жёстко связанному с осью дифференциала 11. На выходах из дифференциального механизма движение вновь разделяется по двум кинематическим цепям для передачи вращения шпинделям 27, 31 с патронами для удержания резьбовых деталей 28, 32. 101 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ Рис. 1. Многошпиндельный гайковёрт на основе муфт предельного момента, дифференциальных механизмов, механизмов свободного хода с чётным числом шпинделей К первому шпинделю 27 вращение передаётся от сдвоенной шестерни 9 дифференциального механизма 11 к зубчатому колесу 10, через муфту предельного момента 12, зубчатую передачу 14, 15 к валу 18 и далее через зубчатые передачи 23, 22 и 25, 26. Ко второму шпинделю 31 вращение передаётся от сдвоенной шестерни 13 дифференциального механизма 11 к зубчатому колесу 16, через муфту предельного момента 19, зубчатую передачу 21, 20 к валу 17 и далее через зубчатые передачи 33, 24 и 29, 30. По второй кинематической цепи от центральной шестерни 7 вращение передаётся зубчатому колесу 60, жёстко связанному с осью дифференциала 56. На выходах из дифференциального механизма движение вновь разделится по двум кинематическим цепям для передачи вращения шпинделям 36, 41 с патронами для удержания резьбовых деталей 37, 42. К третьему шпинделю 37 вращение передаётся от сдвоенной шестерни 52 дифференциального механизма 56 к зубчатому колесу 51, через муфту предельного момента 48, зубчатую передачу 46, 47 к валу 49 и далее через зубчатые передачи 34, 39 и 38, 35. К четвёртому шпинделю 41 вращение передаётся от сдвоенной шестерни 59 дифференциального механизма 56 к зубчатому колесу 58, через муфту предельного момента 55, зубчатую передачу 53, 54 к валу 50 и далее через зубчатые передачи 43, 45 и 44, 40. По тихоходной ветви вращение от электродвигателя 1 через планетарный редуктор 70 передаётся к центральной шестерне 68, от которой движение разделяется по четырём кинематическим цепям. По первой – от центральной шестерни 68 вращение передаётся к зубчатому колесу 4, через механизм свободного хода 6 (храпового типа) на 102 Д. С. Воркуев, Е. А. Миронова 2014. № 1 (28) вал 18 и далее через зубчатые передачи 23, 22 и 25, 26 к шпинделю 27. По второй – от центральной шестерни 68 вращение передаётся к зубчатому колесу 3, через механизм свободного хода 5 к валу 17 и далее через зубчатые передачи 33, 24 и 29, 30 к шпинделю 31. По третьей – от центральной шестерни 68 вращение передаётся к зубчатому колесу 67, через механизм свободного хода 64 к валу 49 и далее через зубчатые передачи 34, 39 и 38, 35 к шпинделю 36. По четвёртой – от центральной шестерни 68 вращение передаётся к зубчатому колесу 65, через механизм свободного хода 55 к валу 50 и далее через зубчатые передачи 43, 45 и 44, 40 к шпинделю 41. Многошпиндельный гайковёрт работает следующим образом. Первоначально резьбовые детали, наживлённые в узел вручную или автоматизированно, завинчиваются и предварительно затягиваются моментами менее 0,1 от номинального значения окончательной затяжки по быстроходной, но маломоментной ветви вращения. Причём за счёт свойств дифференциальных механизмов обеспечивается попарно постоянство моментов на шпинделях гайковёрта. При возрастании момента сопротивления на одном из шпинделей, например на шпинделе 27, по причине попадания стружки или оставшейся заусеницы, деформации резьбы, саблевидной резьбовой детали и т. д., за счёт свойств дифференциала эта кинематическая цепь вращения с валом 18 останавливается на время, пока в механизме свободного хода 6 храпового типа зуб собачки не войдёт в зацепление с зубом храпового колеса. Начнётся вращение вала 18, а следователь- но, и шпинделя 27 по тихоходной, но высокомоментной ветви вращения. В это же время второй шпиндель 31, кинематически связанный с дифференциалом 11, будет вращаться с удвоенной угловой скоростью. Таких переключений в процессе завинчивания может быть несколько. В момент начала предварительной затяжки такая взаимосвязь позволит начать практически одновременно предварительную затяжку резьбовых соединений. При передаче вращения к шпинделям по быстроходной ветви собачка механизма свободного хода, расположенная на ведущей обойме, имеет меньшую угловую скорость, чем храповое колесо, расположенное на ведомой обойме, которая закреплена на валу 18, кинематически связанном с быстроходной ветвью вращения. Поэтому происходит «прощёлкивание», проскальзывание собачки по зубьям храпового колеса. Как только будут достигнуты моменты предварительной затяжки в каждом резьбовом соединении, муфты предельного момента начнут проскальзывать, прекратив передачу вращения к шпинделям в каждой быстроходной кинематической цепи вращения. Войдут в зацепление собачки механизмов свободного хода 6, 5, 64, 62 с храповыми колёсами, и начнётся процесс окончательной затяжки с контролем осевой силы по углу поворота резьбовой детали. Контроль угла поворота резьбовой детали можно осуществлять по количеству импульсов при проскальзывании зубчатой муфты предельного момента. Таким образом, в предложенной кинематической схеме многошпиндельного гайковерта муфты расположены после дифференциальных механизмов, что и позволило повысить точность затяжки резьбовых соединений. Библиографический список 1. Житников, Ю. З. Многошпиндельный гайковерт на основе муфт предельного момента и механизма переключения вращений для завинчивания произвольного числа резьбовых деталей / Ю. З. Житников, Д. С. Воркуев, А. А. Шмагин // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева. – Рыбинск, 2007. – № 1 (11). – С. 100 – 103. 2. Житников, Ю. З. Многошпиндельные гайковерты на основе муфты предельного момента, дифференциального механизма и механизма свободного хода для завинчивания кратного числа резьбовых деталей / Ю. З. Житников, Б. Ю. Житников, Д. С. Воркуев, И. В. Тюрина // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева. – Рыбинск, 2007. – № 1 (11). – С. 103 – 107. Сведения об авторах Воркуев Дмитрий Сергеевич – доктор технических наук, ОАО «Завод им. В. А. Дегтярева», г. Ковров. Миронова Елена Александровна – доцент ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева». E-mail: [email protected] Vorkuev, Dmitry Sergeevich – Doctor of Engineering, OJSC «V. A. Degtyaryov Plant», Kovrov. Mironova, Elena Aleksandrovna – associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov», Kovrov. E-mail: [email protected] 103 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ УДК 662.225 ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА НЕОБХОДИМОСТИ АДАПТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ВЫСОКОНЕСТАЦИОНАРНОЙ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ В. И. БОГДАНОВ, Д. С. ХАНТАЛИН, 2014 ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск Представлены результаты численного моделирования пульсирующего течения в сферическом газодинамическом резонаторе и решения тестовых задач высоко-нестационарной газовой динамики. По полученным результатам сделана предварительная оценка необходимости адаптации современных численных методов к решению задач быстропротекающих процессов. РЕЗОНАТОР, ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПРИСОЕДИНЕННАЯ МАССА, ВЫСОКО-НЕСТАЦИОНАРНАЯ ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА NECESSITY OF MODERN NUMERICAL METHODS ADAPTATION TO PROBLEM SOLVING OF HIGHLY RHEONOMOUS GAS DYNAMICS PRELIMINARY ESTIMATION V. I. BOGDANOV, D. S. KHANTALIN, 2014 OAO «NPO «Saturn», Rybinsk The paper presents pulsating flow in the spherical gas-dynamic resonator numerical modeling results as well as solutions for test problems of highly-rheonomous fluid dynamics. Results contain preliminary estimation of modern numerical methods adaptation necessity as far as problem solving of high-speed processes is concerned. RESONATOR, INTERMITTED DETONATION ENGINE, ASSOCIATED MASS, HIGHLY-RHEONOMOUS FLUID DYNAMICS Разработка высокочастотных пульсирующих двигателей и анализ возможных областей их применения является новым направлением в развитии авиадвигателестроения. Двигатели с пульсирующим рабочим процессом, в сравнении с двигателями стационарного истечения, имеют не только высокую термодинамическую эффективность, но и возможность качественного увеличения тягового импульса за счет эффектов присоединения масс газа в колебательном рабочем процессе. В известном расчетно-теоретическом исследовании одномерного разлета продуктов детонации [1] показывается возможность увеличения импульса в атмосфере в 3 раза по сравнению с вакуумом за счет волнового присоединения дополнительной внешней массы воздуха. В определенные моменты времени в колебательном процессе отработанный газ движется обратно к источнику и затем может стать присоединенной массой для следующего цикла, увеличивающей импульс. Данные газодинамические явления в основном и определяет возможность повышения тяговой эффективности пульсирующих реактивных двигателей. Экспериментальными исследованиями доказана возможность значительного улучшения тяговых характеристик пульсирующих двигателей за счет высокоэффективного волнового присоединения дополнительной массы газа в колебательном рабочем процессе (открытие № 314 [2], ОАО «НПО «Сатурн» [3, 4], НТЦ им. А. Люльки [5], Институт механики МГУ [6], Центр Гленна НАСА [7]). В качестве усилителя тяги реактивного двигателя может выступать пульсирующий сферический газодинамический резонатор (рис. 1). В этом типе резонатора газ через кольцевую щель подается в сферическую полость, в которой создаются высокочастотные колебания с образованием сложных ударно-волновых структур. Рис. 1. Геометрия сферического резонатора: 1 – критическое сечение; 2 – сферическая полость; 3 – выходное сопло 104 В. И. Богданов, Д. С. Ханталин 2014. № 1 (28) По экспериментальным данным (НТЦ имени А. Люльки) прирост тяги в резонаторе при определенном сочетании механико-геометрических соотношений в потоке, по сравнению с тягой идеального сопла с полным расширением, может достигать 100 % [5]. В ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) были проведены численные исследования (ПК ANSYS CFX) пульсирующего течения в сферическом газодинамическом резонаторе – усилителе тяги в условиях холодной продувки. Для решения задачи применялся сектор модели с углом 10. Дискретизация расчетной модели производилась гексаэдрическими элементами. Математическая модель, описывающая течение в резонаторе, основывалась на решении нестационарных уравнений Навье – Стокса. При численном моделировании использовалась неявная конечно-разностная схема второго порядка точности по пространству и времени. Применялись различные подходы к моделированию и описанию турбулентности: k- и SST модели активная масса турбулентности, подходы DES и LES (моделирование отсоединенных и крупных вихрей). В качестве рабочего тела применялся воздух. Расчеты были проведены в диапазоне давлений на входе в резонатор 0,2…0,3 МПа при температуре входного «активного» газа 690 К и высоте критического сечения 0,0045 м. Значения удельной тяги резонатора, полученные в эксперименте, при эквивалентных механико-геометрических соотношениях в потоке превышали тягу идеального сопла Лаваля на 5…12 %. При анализе результатов расчетов было установлено, что в резонаторе, благодаря эффекту Гартмана – Шпренгера, возникает нестационарное пульсирующее сверхзвуковое течение с образованием и многократным взаимодействием ударноволновых структур (рис. 2). Было определено, что в высокочастотном колебательном процессе происходит присоединение массы (активной из кольцевого сопла и внешней из атмосферы), имеющее волновую природу. Отмечено обратное течение активной и внешней массы газа (рис. 2). эжекция внешней массы возвратная масса Рис. 2. Схема колебательного волнового процесса в резонаторе 640 Rуд, м/с Анализ результатов расчетов показал, что в рассматриваемом диапазоне с значения расчетной удельной тяги находятся на уровне, соответствующем тяге идеального сопла с полным расширением (при использовании рассматриваемых подходов к моделированию и разрешению турбулентности). При экспериментальных исследованиях резонатора, в эквивалентной расчетам постановке, получено превышение удельной тяги над идеальной на 5…12 %, в особенности при малых с (рис. 3). Стоит отметить, что при использовании различных подходов к моделированию и описанию турбулентности (k-, SST, DES и LES) получены близкие значения удельной тяги резонатора, кото- 620 600 580 560 540 эксп. Rид k-e SST DES LES 520 500 480 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 с Рис. 3. Результаты экспериментального и расчетного исследований 105 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) рая зависела, главным образом, от значений расхода активного газа на входе в кольцевое сопло. Расчетное значение тяги резонатора при использовании различных моделей турбулентности не изменялось. Похожие численные результаты получены также другими исследователями. Разница между экспериментальными и расчетными данными определяет проблему в моделировании высоконестационарных пульсирующих рабочих процессов. Проведенные расчетные исследования течения в газодинамическом резонаторе показали, что тяговые характеристики резонатора при разных значениях входных термодинамических параметров и учете гидравлических и ударно-волновых потерь (до 10 % по тяге) близки к аналогичным характеристикам идеального сопла с полным рас- Рыбинск: РГАТУ ширением, т. е. можно сделать вывод о повышении тяги примерно на 10 % за счет присоединения массы. Однако вновь подчеркнем, что в экспериментальных исследованиях было получено превышение тяговых характеристик резонатора над тягой идеального сопла с полным расширением (до 100 % [5, 6] при оптимальных механико-геометрических соотношениях в потоке). В моделируемом пульсирующем рабочем процессе в резонаторе обнаружены газодинамические явления, способные приводить к неоднократному присоединению массы: распределение скорости в основном потоке, сходное с распределением скорости при последовательной схеме присоединения массы (рис. 4), обратное течение циклового и внешнего газа, противовращающиеся вихри в полусферической полости и вихревые эволюционирующие образования в основном потоке. U, м/с U L L, м Рис. 4. Распределение скорости в основном потоке резонатора: слева – теоретическая модель; справа – типичное распределение скорости в основном потоке по результатам численного моделирования Отличие расчетных данных от экспериментальных позволяет предполагать, что при численном моделировании нестационарного пульсирующего течения в резонаторе не полностью описываются реальные физические процессы (процессы присоединения масс), приводящие к увеличению тяги. Поэтому была произведена верификация используемого численного метода на известных задачах высоко-нестационарной газовой динамики, где проявляются эффекты присоединения масс и эффекты экстремального начального состояния термодинамической системы (высокие градиенты давления). Были выбраны следующие тестовые задачи. 1. Сравнение импульса при разлете продуктов детонации в воздух и вакуум в бесконечной трубе [1]. 2. Определение экстремального значения температуры воздуха при сверхвысоком сжатии двухатомного газа [8]. 1. Задача взрыва в воздухе и вакууме В [1] проведено расчетно-теоретическое исследование одномерного разлета продуктов детонации в воздух и вакуум в бесконечной трубе для предельной стадии распространения ударной волны на расстояниях, где изменение энтропии оказывается малым. Пренебрегая этим малым изменением энтропии, задачу решают аналитически в акустическом приближении. Объем продуктов детонации после взрыва определялся по формуле для продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. По результатам решения задачи авторами было установлено, что импульс при нестационарном истечении продуктов детонации в воздух в 3 раза превышает импульс в случае истечения в вакуум. Авторы исследования делают вывод о том, что количество движения ударной волны при t стремится к вполне определенному пределу [1]. Это количество движения превосходит количество движения продуктов детонации, которое они 106 В. И. Богданов, Д. С. Ханталин 2014. № 1 (28) имели бы при истечении в вакуум. Рост количества движения при истечении в воздух объясняется тем, что масса воздуха, вовлеченного в движение, в десятки раз (40 раз) превосходит массу продуктов детонации. Отмечено обратное течение воздуха – затухающие колебания газового столба, при которых величина импульса испытывает колебания около значения импульса, равного импульсу давления, действующему на торцевую стенку трубы при t (при завершении процесса истечения газа). Таким образом, масса неоднократно присоединяемого воздуха, в процессе ударно-волнового движения является источником создания дополнительного импульса. Моделирование разлета продуктов детонации в воздух и вакуум в 2D постановке производилось посредством решения задачи распада произвольного разрыва в прямоугольной трубе длинной 60 м, заглушенной с одного конца. Область продуктов детонации протяженностью 1 м представляла собой идеальный газ под давлением 1,01325 МПа и с температурой 2300 К. Объем I, Нc трубы вне продуктов детонации заполнялся воздухом при нормальных атмосферных условиях. Теплофизические свойства газа зависели от температуры. Математическая модель аналогична математической модели для расчета резонатора. Расчет импульса при истечении в вакуум, вследствие ограничения на моделирование вакуума в ПК ANSYS CFX, осуществлялся по формуле [1]: I В 0,71 K M E , (1) где K = 0,82 – коэффициент, учитывающий влияние нестационарности процесса истечения; М – масса продуктов детонации (газа); Е = СрТ – энергия продуктов детонации (газа), отнесенная к их массе в трубе. Расчет импульса при истечении в воздух производился интегрированием избыточного давления, действующего на площадь торцевой стенки, за промежуток времени, в течение которого термодинамическая система приводится в состояние, близкое к равновесному. Результаты расчетов представлены на рис. 5. 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 истечение в воздух, расчет в ANSYS CFX 0,20 истечение в вакуум по [1] 0,10 истечение в воздух по [1] 0,00 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 t, с Рис. 5. Результаты расчетов разлета продуктов детонации в воздух и вакуум Анализ результатов расчетов показал, что при моделировании разлета продуктов детонации в воздух в ПК ANSYS CFX с учетом принятых допущений импульс в 1,9 раза больше, чем при разлете в вакуум. Данное значение составляет 63 % от результата, полученного авторами [1]. изменяется энергетический баланс. В связи с этим действительная температура за ударным фронтом для указанного примера окажется заметно ниже, чем при классических методах расчета, и составит 7655 К. Моделирование процесса сверхвысокого сжатия в ПК ANSYS CFX производилось посредством решения задачи распада произвольного разрыва в 2D постановке в изолированной от атмосферы прямоугольной, заглушенной с обоих концов, трубе длиной 1 м. Расчетная сетка подробная (3 гексаэдрических элемента на фронт ударной волны). Стенки трубы адиабатные, шероховатость моделировалась условием равенства скорости на стенке нулю. Отношение давлений в областях сжатого и разреженного воздуха равно 3000. Температура газа в трубе в начальный момент времени со- 2. Экстремальные значения температуры при сверхвысоком сжатии воздуха Аналитические вычисления [8] с использованием уточненных формул и уравнения состояния идеального газа показывают, что в случае воздуха с температурой 290 К при отношении давлений 3000 за ударным фронтом достигается температура 38273 К. Однако при таких значительных температурах, как указывает автор [8], получают сильное развитие процессы диссоциации и ионизации газа, связанные с поглощением энергии, благодаря чему 107 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ставляла 290 К. Масса сжатого газа в начальный момент времени располагалась в левой секции трубы (рис. 6). Рыбинск: РГАТУ от температуры. Параметры математической модели сходны описанным выше для случая моделирования течения в резонаторе. В процессе расчета фиксировалось изменение максимального значения температуры в трубе во времени (рис. 7). Анализ результатов расчета показал, что за время протекания рабочего процесса в трубе максимально достижимое значение температуры Т max = 2850 К. Данное значение температуры реализуется в пристеночном слое при отражении сильной ударной волны от торцевой стенки трубы (рис. 8). Рис. 6. Распределение сжатого газа в трубе в начальный момент времени Эффекты диссоциации и ионизации при высокой температуре учитывались посредством задания зависимости теплофизических свойств воздуха 3 000 T max, K 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 0,0000 0 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 t, с стенка Рис. 7. Изменение максимального значения температуры во времени после отражения до отражения Рис. 8. Распределение температуры вблизи торцевой стенки трубы Таким образом, с учетом принятых допущений максимальное значение температуры, достигаемое при расчете в ПК ANSYS CFX, составляет 37 % от максимальной температуры, полученной автором [8]. присоединения массы, увеличивающий тяговую эффективность. 2. Тестирование применяемого численного метода на аналитически решенных задачах высоконестационарной газовой динамики показало: – увеличение импульса за счет присоединения массы при моделировании разлета продуктов детонации в воздух над расчетным импульсом при разлете в вакуум составило 1,9. Данный результат составляет 63 % от результата, полученного в аналитическом решении; Выводы 1. Расчетная тяга резонатора близка к тяге идеального сопла с полным расширением, несмотря на потери по тяге (до 10 %) при развороте струи активного газа на 90, что подтверждает эффект 108 В. И. Богданов, Д. С. Ханталин 2014. № 1 (28) – при моделировании процесса сверхвысокого сжатия воздуха максимальное значение температуры, достигаемое за фронтом ударной волны при ее отражении от стенки, составляет 2850 К. Данный результат составляет 37 % от результата, полученного в аналитическом решении. 3. Получено значительное отличие расчетных данных от экспериментальных, а также от ре- зультатов аналитических решений задач высоконестационарной газовой динамики. Поэтому существует проблема адаптации применяемого численного метода к решению задач высоко-нестационарной газовой динамики. Возможным решением проблемы может являться апробация иных численных методов, адаптированных к решению задач быстропротекающих процессов. Библиографический список 1. Баум Ф. А., Орленко Л. П., Станюкович К. П., Шехтер Б. И. Физика взрыва. – М.: Наука, 1975. 2. Кудрин О. И., Квасников А. В., Челомей В. Н. Открытие № 314. Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей // Вестник АН СССР. – 1986. – № 10. 3. Богданов В. И. Взаимодействие масс в рабочем процессе пульсирующих реактивных двигателей как средство повышения их тяговой эффективности // ИФЖ. – 2006. – Т. 79. – № 3. – С. 85 – 90. 4. Богданов В. И. Об освоении пульсирующего детонационного рабочего процесса в энергодвигательных установках // Известия РАН. Энергетика. – 2007. – № 2. – С. 76 – 82. 5. Тарасов А. И., Щипаков В. А. Проблемы создания газотурбинного пульсирующего детонационного двигателя // Авиационно-космическая техника и технология. – 2012. – № 9(96). – С. 40 – 43. 6. Левин В. А., Смехов Г. Д., Тарасов А. И. Расчетно-экспериментальное исследование модели пульсирующего детонационного двигателя: Препринт № 42-98. – М.: Институт механики МГУ, 1998. 7. Paxson, D. E., Wilson J. Unsteady Ejector Performanse: An Experimental Invеstigation Using a Pulsejet Driver, Paper AIAA-2002-3915, 2002. 8. Станюкович К. П. Неустановившиеся движения сплошной среды. – М.: Наука, 1971. Сведения об авторах Богданов Василий Иванович – доктор технических наук, эксперт ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. Е-mail: [email protected] Ханталин Дмитрий Сергеевич – инженер ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск. Е-mail: [email protected] Bogdanov, Vassily Ivanovich – Doctor of Engineering, expert at ОАО «NPO «Saturn», Rybinsk. Е-mail: [email protected] Khantalin, Dmitry Sergeevich – engineer, OAO «NPO «Saturn», Rybinsk. Е-mail: [email protected] 109 ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ SCIENCE AND ENGINEERING SHARED PROBLEMS УДК 621.9.02 УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ ПРИ МЕХАНООБРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ 1 В. А. КАМАКИН1, Э. В. КИСЕЛЕВ1, С. М. КОЖИНА2, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» 2 ОАО «НПО «Сатурн» В работе предлагается решение проблемы обеспечения качества продукции при механообработке на основе внедрения методов автоматизации управления эксплуатационным качеством. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ, МАШИНОСТРОЕНИЕ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА, МЕХАНООБРАБОТКА MACHINING OPERATIONS PRODUCT QUALITY CONTROL ON THE BASIS OF OPERATIONAL QUALITY OF GOODS AUTOMATED MANAGEMENT PRINCIPLES 1 V. A. KAMAKIN1, E. V. KISSELEV1, S. M. KOZHINA2, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» 2 ОАО «NPO «Saturn» The paper offers a solution for the problem of details quality assurance at machining operations on the basis of operational quality automated management methods introduction. QUALITY MANAGEMENT, MECHANICAL ENGINEERING, PRODUCTION AUTOMATION, MACHINING OPERATIONS Системное решение проблемы обеспечения качества продукции машиностроительного производства может быть обеспечено посредством комплексной автоматизированной системы управления эксплуатационным качеством продукции [1]. Такая система разрабатывается на основании SADTтехнологии и может быть адаптирована к любому оборудованию, осуществляющему автоматизированную механообработку. Отличие при этом будет заключаться в наполнении базы данных оптимальных процессов и алгоритмах вычисления оптимальных режимов резания. Автоматизированная система управления показателями качества продукции осуществляет решение задач многоуровневой оптимизации процесса механообработки: – задачи внешней оптимизации – назначения технических условий обработки, обеспечивающих получение деталей с заданными эксплуатационными показателями через контроль показателей качества поверхностного слоя и точность обработки; – задачи внутренней оптимизации – автоматического управления процессом обработки, позволяющего компенсировать нестабильность процесса резания путем поддержания расчетной величины энергетического критерия подобия процесса резания. Структурно эта система состоит из двух относительно самостоятельных систем, обеспечивающих заданный уровень качества продукции: – автоматической системы управления процессом механообработки; 110 В. А. Камакин, Э. В. Киселев, С. М. Кожина 2014. № 1 (28) – интегральной автоматизированной системы управления по технико-экономическим показателям. Автоматическая система управления процессом механообработки обеспечивает следующие группы функций: адаптивное управление и техническое диагностирование (рис. 1). Стрелками показаны направления информационных потоков взаимодействия систем. Рис. 1. Автоматическая система управления процессом механообработки Подсистема технического диагностирования включает в себя совокупность входных сигналов датчиков, задающую систему, модуль автоматической аварийной защиты, систему автоматического поиска решения. Входные датчики (к системе не относятся) обеспечивают измерение параметров состояния технологического процесса изготовления деталей. Задающая система, исходя из требуемых параметров качества изделия, формирует задание необходимых режимов обработки, а также определяет критические значения датчиков технологического процесса. Модуль автоматической аварийной за- щиты, осуществляющий контроль достижения параметрами технологических процессов критического значения, формирует управляющие сигналы по прерыванию аварийных процессов и информирует автоматизированную систему управления технологическим процессом об аварийной ситуации. Система поиска решения осуществляет обработку информации, поступающей от систем датчиков и задающей системы. Она предполагает включение всех трех иерархических типов информационных систем: учетной, прогнозирующей, решающей. 111 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Спектр задач системы поиска решения включает в себя оценку возможностей дальнейшего развития технологического процесса, контроль исправности технологического оборудования, выбраковку продукции, изготовленной с нарушениями необходимых режимов технологического процесса. Она включает в себя: измерительно-информационную систему, осуществляющую фиксацию и первичную обработку сигналов датчиков и задающей системы; систему автоматического контроля, управляющую состоянием параметров поверхностного слоя Rz, Sm, ост, hc, а также суммарную погрешность обработки , являющуюся составной частью комплексного коэффициента качества; систему автоматического регулирования режимов обработки; систему автоматического управления, обеспечивающую заданный эксплуатационный модуль –1, y, V, Ih, … Подсистема адаптивного управления обеспечивает поиск варианта наиболее оптимального технологического процесса при заданных исходных параметрах. Кроме того, она осуществляет Рыбинск: РГАТУ непосредственное управление процессом, внося в него необходимые коррективы, обусловленные информацией, предоставляемой диагностической подсистемой. Ядро подсистемы адаптивного управления включает в себя базу данных, обеспечивающую хранение и выборку информации об установленных оптимальных режимах обработки по заданным исходным параметрам, экспертную систему, осуществляющую диагностику и прогнозирование протекания технологических процессов, вычислительную систему, обеспечивающую определение оптимальных параметров неустановленных процессов. Приведенный на рис. 1 блок АСУТП относится к интегральной автоматизированной системе управления по экономическим показателям. Он приведен для иллюстрации её взаимодействия с автоматической системой управления процессом механообработки. В целом интегральная автоматизированная система управления по техникоэкономическим показателям имеет структуру, приведенную на рис. 2. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) Система поиска решения Определение технологических режимов обработки с учетом себестоимости и производительности nmax, cmin Модуль автоматической аварийной защиты Система автоматизированного проектирования (САПР) Автоматизированная система управления производством (АСУП) Проектирование технологоэкономических процессов обработки деталей Экономико-организационный процесс Экономические параметры (формирование цены потребления) Организационные параметры (определение системы скидок, условий платежей, поставок, сроки и условия гарантии) Измерение конкурентоспособности изделия Рис. 2. Интегральная автоматизированная система управления по технико-экономическим показателям АСУТП определяет общие параметры обработки, которые являются базовыми для автоматической системы управления процессом механообработки. Через нее также происходит взаимодействие между двумя основными системами. Формирование параметров обусловлено заданием, поступающим с автоматизированной системы управления производством (АСУП). АСУП – это система, выполняющая функции принятия управленческих решений. Она формирует критерии для разработки наиболее оптимальной технологии механообработки, исходя из учета экономикоорганизационных параметров, а также определенных показателей конкурентоспособности продукции. САПР обеспечивает разработку исходных параметров для изготовления деталей и узлов. Таким образом, обеспечивается эксплуатационное качество продукции при механообработке на основе принципов комплексной автоматизации процессов с обеспечением возможности работы в составе корпоративной информационной системы машиностроительного предприятия. 112 М. В. Панкратов, В. В. Юдин, А. В. Юдин 2014. № 1 (28) Библиографический список 1. Камакин В. А., Кожина С. М. Техническое регулирование, сертификация и управление качеством готовой продукции // Вестник РГАТУ имени П. А. Соловьева. – 2013. – № 4 (27). Сведения об авторах Камакин Владимир Алексеевич – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Киселев Эдуард Валентинович – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Кожина Светлана Михайловна – ведущий специалист центрального планового отдела службы директора производства ОАО «НПО «Сатурн». Kamakin, Vladimir Alekseevich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Kisselev Eduard Valentinovich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Kozhina, Svetlana Mikhailovna – central planning section leading expert, Director for Production Service, OAO «NPO «Saturn», Rybinsk. УДК 621.316.11 УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ТОКОПОДВОДЯЩИХ ШИН НА ВЕЛИЧИНУ ИНДУКТИВНОЙ СВЯЗИ М. В. ПАНКРАТОВ, В. В. ЮДИН, А. В. ЮДИН, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Рассмотрена токоподводящая шина со сложной пространственной структурой, представленная в виде совокупности прямолинейных участков. Получено выражение, позволяющее вычислить индуктивное взаимодействие между этими участками. Предложено выражение в матричной форме, позволяющее осуществить перебор всех возможных сочетаний пар прямолинейных участков токоподводящей шины сложной формы. ТОКОПОДВОД, СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, МАТРИЦА, ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ INFLUENCE OF FEED BARS RELATIVE POSITIONING ON INDUCTIVE COUPLING MAGNITUDE REVISITED M. V. PANKRATOV, V. V. YUDIN, A. V. YUDIN, 2014 Federal State-Financed Educational of High Profesional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Technical University» The paper considers feed bar with complex space structure formed as combination of rectilinear segments. An expression allowing to compute the inductive interacting between these segments has been obtained, as well as a matrix form expression, allowing to execute search of all possible rectilinear segments pairs combinations in a complicated form feed bar. СURRENT LEAD, HIGH-CURRENT POWER SOURCE, MATRIX, MUTUAL INDUCTANCE Введение. Одной из особенностей систем электропитания технологического оборудования большой мощности является наличие индуктивного взаимодействия питающих проводов. В особен113 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ности это проявляется при использовании в таких системах регуляторов, искажающих форму напряжения сети, что сопровождается широким диапазоном спектральных составляющих электрического тока. Учет взаимодействия всех элементов сильноточного источника питания может быть эффективно произведен при использовании метода объединенных матриц. Суть метода состоит в замене исходной электромагнитной цепи одной электрической цепью с дополнительными сопротивлениями, зависящими от параметров исходных электрической и магнитной цепей, топологических характеристик и характеристик связи [1]. Метод отличается высокой степенью формализации и возможностью масштабирования математической модели при использовании блочных матриц. Кроме того, он может быть легко расширен для совместного анализа электромагнитных и тепловых процессов [2], для которых вопросы эффективного подвода энергии особенно актуальны в силу больших мощностей электротермических установок и длительных технологических циклов. По своей сущности любые два проводника представляют собой трансформатор без магнитопровода со сложной формой обмоток. Мерой количественной оценки их степени взаимодействия является коэффициент взаимной индукции, численное значение которого зависит от размеров проводников, их формы и взаимного расположения. Случай одиночного токоподвода произвольной формы. В общем случае токоподвод P имеет пространственную структуру и может быть представлен в виде совокупности простейших участков p1 , p2 ,..., pn , разграниченных множеством точек Р0, Р1, …, Рn, как это показано в табл. 1. p j (t ) u j (t )i v j (t ) j w j (t )k , v j (t ) y j 1 w j (t ) z j 1 конца участка x0, y0, z0 x1, y1, z1 p2 x1, y1, z1 x2, y2, z2 … … … pn xn – 1, yn – 1, zn – 1 xn, yn, zn m11 m12 m22 m M 21 ... ... m n1 mn 2 y0 y1 ... yn z0 z1 ... z n j y j 1 j z j 1 (3) ... m1n ... m2n , ... ... ... mnn элементы которой определяются формулой mkj dpk dp j 0 , 4 pk p j Dkj (4) где Dkj – расстояние между текущими точками k-го и j-го участков токоподвода. Случай одиночного токоподвода при кусочно-линейном задании. Из технологических соображений токоподвод часто выполняют в виде отрезка медных шин. В этом случае формула (4) может получить более конкретное содержание. Рассмотрим произвольные отрезки двух прямых линий, заданных с помощью безразмерных параметров t [0, 1] и [0, 1]. Введем для них обозначения l(t) и L(). При этом будем считать, что отрезок первой линии ограничен точками А(xА, yА, zА) и В(xВ, yВ, zВ), а второй линии – точками С(xС, yС, zС) и D(xD, yD, zD). Воспользуемся параметрическим заданием прямых: l (t ) p qt По данным табл. 1 сформируем матрицу координат токоподвода x0 x P n1,3 1 ... x n t , t . Индуктивное взаимодействие между участками токоподвода может быть в общем виде оценено матрицей взаимных индуктивностей Координаты начала участка y z u j (t ) x j 1 x j x j 1 t , Таблица 1 p1 (2) где uj(t), vj(t), wj(t) – зависимости абсциссы, ординаты и аппликаты текущей точки j-го участка от безразмерного параметра t. В случае представления участков отрезками прямых линий указанные зависимости имеют вид: Задание участков токоподвода Участок Рыбинск: РГАТУ (1) и L () P Q , x (t ) l (t ) y (t ) , z (t ) x0 p y0 , z 0 a q b , c X (t ) L(t ) Y (t ) , Z (t ) X0 P Y0 , Z 0 A Q B , C где p, q, P, Q – векторы, числовые компоненты которых могут быть определены из условия прохождения прямыми линиями граничных точек при начальном и конечном значении параметров. Первая линия проходит через точки А и B, вторая – и воспользуемся параметрическим представлением линии в пространстве 114 М. В. Панкратов, В. В. Юдин, А. В. Юдин через точки С и D, [0, 1]. Таким образом: 2014. № 1 (28) при этом t [0, 1] y (t ) y A ( y B y A )t , и z (t ) z A ( z B z A )t . Аналогично для второй линии, проходящей через точки С и D, найдем: xB l (1) p q y B , z B xA l (0) p y A , z A XC L(0) P YC , Z C X () X C ( X D X D ) , Y () YC (YD YD ) , XD L(1) P Q YD . Z D Z () Z C ( Z D Z C ) . В матричной форме уравнение первой и второй линий имеют вид: В соответствии с этим для первой линии имеем: x A x0 a 0 x0 , x B x0 a , y A y0 b 0 y0 , y B y0 b , z A z 0 c 0 z0 , zC z0 c , l (t ) n ( k n)t и L() N ( K N ) , где щих координат; откуда следует: x0 x A , a xB x A , y0 y A , b yB y A , z0 z A , c zB z A . x(t ) x A ( x B x A )t , 11 m 0 4 0 0 dx xB x A , dt dx dX dy dY dz dZ dt d dt d dt d X () x(t )2 Y () y (t )2 Z () z (t )2 dY YD YC , d dz dZ zB z A , Z D ZC , dt d Применение этой формулы для всех участков токоподвода, определяемых путем перебора всех возможных сочетаний пар его прямолинейных участков, позволяет определить все элементы матрицы М. С учетом связи индуктивности токоподвода сложной формы L с индуктивностями ее элементов Lk и их взаимными индуктивностями: n n n L Lk mki , k 1 k 1 i 1 ik для индуктивности Lp токоподвода P получим: n ddt , (5) Случай парных токоподводов при кусочно-линейном задании. На практике нагревательные элементы подключаются, как правило, двумя (и более) токоподводами через медные полукольца [3]. В этом случае необходимо учитывать индуктивность не только самих токоподводов, но и взаимную индуктивную связь между токоподводами. Рассмотрим два токоведущих токоподвода P и Q , подводящих питание к зажимам нагрузок. Представим их в виде систем из n и m прямолинейных проводников p1 , p2 , …, pn и q1 , q2 , …, qm , проходящих через соответствующие им совокупности точек Р0, Р1, …, Рn и Q0, Q1, …, Qm. Задав в трехмерном пространстве 0xyz координаты указанных точек, поставим в соответствие им две матрицы P(n + 1,3) и Q(m + 1,3). Строкам этих матриц соответствуют номера точек, а столбцам – их координаты (x, y, z). Индуктивное взаимодействие в этом случае описывается тремя матрицами: dX X D XC , d dy yB y A , dt X () L() Y () – векторы теку Z () xA xB XC n y A , k y B , N YC , z z Z A B C XD K YD – векторы начальной и конечной точек. Z D На основании изложенного получим следующую формулу для определения взаимной индуктивности отрезков AB и CD прямолинейного токоподвода: Таким образом, для компонентов первой линии получим: где x (t ) l (t ) y (t ) , z (t ) n LP mkj . k 1 j 1 115 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) mP11 mP12 mP 22 m M P P 21 ... ... m Pn1 mPn 2 ... mP1n ... mP 2 n , ... ... ... mPnn mQ11 mQ12 mQ 21 mQ 22 MQ ... ... mQm1 mQm 2 ... mQ1m ... mQ 2m , ... ... ... mQmm M PQ mPQ11 mPQ12 mPQ 21 mPQ 22 ... ... mPQn1 mPQn 2 каждой из пар и определяют связи M 11 M 12 M 22 M M 21 ... ... M r1 M r 2 Рыбинск: РГАТУ матрицу индуктивной ... M 1r ... M 2 r . ... ... ... M rr ... mPQ1m ... mPQ 2 m , ... ... ... mPQnm устанавливающими взаимодействие между участками токоподвода P , между участками токоподвода Q и между участками токоподводов P и Q , как это показано на рис. 1. С помощью этих матриц определяют матрицу индуктивной связи токоподводов Рис. 1. Схема взаимодействия между участками токоподводов M 12 M , M PQ 11 M 21 M 22 n где n M 11 mPkj , k 1 j 1 n m Заключение. Учет индуктивных связей токоподводов в методе объединенных матриц позволяет получить более точную модель прецизионного регулятора мощности, учитывающую влияние на происходящие в нем процессы как размеров, так и пространственного положения токоподводов. При этом возможна постановка задачи оптимальной трассировки участков проводов, например, по критерию минимальной индуктивности или взаимной индуктивности. m M 22 mQkj , k 1 j 1 m М 12 M 21 mPQkj . k 1 j 1 В том случае, если система питания содержит совокупность из r питающих проводов P1 , P2 , …, Pr , поступают аналогичным образом для Библиографический список 1. Юдин В. В. Матричная модель многообмоточного трансформатора // Вестник РГАТУ имени П. А. Соловьева. – 2012. – № 1 (22). – С. 176 – 178. 2. Лобацевич К. Л., Юдин А. В. Объединенная модель электротермического процесса // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. – 2010. – № 1 (16). – С. 157 – 162. 3. Юдин А. В. Электромагнитная модель многокомпонентного высокотемпературного нагревателя // Вестник ИГЭУ. – 2011. – № 5. – С. 30 – 32. Сведения об авторах Панкратов Максим Валерьевич – аспирант ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Юдин Виктор Васильевич – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Юдин Алексей Викторович – доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] 116 Р. В. Павлов 2014. № 1 (28) Pankratov, Maxim Valerievich – post-graduate, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Yudin, Victor Vassilievich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Yudin, Alexey Viktorovich – Doctor of Engineering, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] УДК 004.382.7 СИМУЛЯТОР УЧЕБНОГО СТЕНДА «УЧЕБНО-ОТЛАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО «ЭЛЕКТРОНИКА-580» НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ Р. В. ПАВЛОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Предложено устройство, выполненное на основе современного микроконтроллера ATmega128. Устройство позволяет заменить морально и физически устаревший учебный стенд «Учебно-отладочное устройство «Электроника-580». Разработано программное обеспечение и архитектура аппаратного симулятора. МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПРОГРАММА, ДЕКОМПОЗИЦИЯ, АРХИТЕКТУРА, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА PRACTICE-AND-ADJUSTMENT DEVICE «ELEKTRONIKA-580», MICROCONTROLLER-BASED TEST BENCH SIMILATOR R.V. PAVLOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper introduces a device on the basis of a contemporary ATmega128 microcontroller. The device is supposed to replace morally and physically out-of-date «Elektronika-580» practice-and-adjustment test bench. The paper states that simulator software and hardware architecture has been developed. MICROCONTROLLER, PROGRAM, DECOMPOSITION, ARCHITECTURE, SKELETON DIAGRAM Учебный стенд «Учебно-отладочное устройство «Электроника-580» (УОУ «Электроника-580») является одним из самых популярных и доступных учебно-лабораторных стендов. Он используется при изучении курса «ЭВМ и периферийные устройства» [1] студентами направления 230100.62 Информатика и вычислительная техника кафедры вычислительных систем. УОУ «Электроника-580» применяется для изучения архитектуры, принципов программирования вычислительных систем. В настоящее время УОУ «Электроника-580», выпущенное в 80-х годах ХХ в., физически устарело. Выпуск микропроцессорного комплекта 580 прекращен, поэтому купить или создать учебно-лабораторный стенд на его основе невозможно. В связи с этим, возникла задача разработки аппаратного симулятора на современной элементной базе. Это позволит использовать достоинства УОУ «Электроника-580» при обучении студентов. Внешний вид УОУ «Электроника-580» представлен на рис. 1. Схематическое изображение лицевой панели – на рис. 2. Рис. 1. Внешний вид УОУ «Электроника-580» 117 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ФЛАГИ ВХОД ПРОГОН ОТЛАДКА ФЛАГ ВЫХОД Z АДРЕС «Run». Выходная информация отображается на семисегментных и одиночных индикаторах. На основании вышеизложенного АС был представлен в виде черной сферы (рис. 3) [2]. На следующем этапе выполнялась разработка алгоритмов работы. В общем случае она включает в себя в три этапа: – декомпозиция программы; – разработка структуры данных программы; – алгоритмизация программы. Наибольший интерес представляет реализация первого этапа. С МФ РЕГИСТР ДАННЫЕ REG MEM BRK CLR RST C D E F STEP Рыбинск: РГАТУ Данные в ОЗУ Кнопки 8 H 9 4 L 5 A B RUN 6 7 ADDR 3 NEXT Управляющие Информационные 0 1 P 2 T Аппаратный симулятор УОУ Данные Адрес Флаги Рис. 2. Схематическое изображение лицевой панели УОУ «Электроника-580» Рис. 3. Представление устройства «АС УОУ «Электроника-580» в виде черной сферы Основными недостатками УОУ «Электроника-580» являются: – нестабильность работы; – большая потребляемая мощность; – невозможность ремонта (отсутствие в продаже микропроцессорного комплекта 580). Разработка аппаратного симулятора (АС) на базе микроконтроллера ATmega128 позволила устранить перечисленные выше недостатки. В настоящее время существуют программные эмуляторы стенда, но в учебных целях более целесообразным является применение аппаратного симулятора с сохранением внешней оболочки и методов работы существующего устройства. Процесс проектирования АС состоял из двух больших этапов: – разработка программного обеспечения; – разработка аппаратной части. Кнопки Управляющие Информационные Обработчик входной информации Флаг режима работы Флаги управления клавишами Разработка программного обеспечения Из анализа работы УОУ «Электроника-580» видно, что АС должен работать в двух режимах: – режиме загрузки; – режиме исполнения. В режиме загрузки информация вводится в 16-ричном формате в память УОУ в соответствии с системой команд процессора К580ВМ80. Для ввода данных в память используются наборы кнопок без фиксации: управляющие «Mem», «Next», «Reg», «Brk», «Clr», «Rst», «Addr» и информационные «0»… «F». Исполнение занесенной в память программы осуществляется в пошаговом или непрерывном режиме по нажатию управляющих кнопок «Step» и Данные в ОЗУ Обработчик выходной информации Индикаторы Данные Адрес Флаги Рис. 4. Статическая модель программы «АС УОУ «Электроника-580» (после первого этапа декомпозиции) 118 Р. В. Павлов 2014. № 1 (28) В результате проведения анализа задачи было получено схематическое представление разрабатываемого устройства в виде «Черной сферы» (рис. 3). Из этой схемы следует, что проектируемая программа должна обрабатывать входную информацию с управляющих и информационных переключателей. Эти переключатели применяются для ввода команды. Выходная информация отображается на семисегментных и одиночных индикаторах. Необходимо выполнить декомпозицию поставленной задачи. Для простоты целесообразно представить разрабатываемую программу в виде двух подзадач: «Обработка входной информации» и «Обработка выходной информации» (рис. 4). Подзадачи «Обработка входной информации» и «Обработка выходной информации» включают в себя несколько функций и требуют дальнейшей детализации. Статическая модель программы после второго этапа декомпозиции приведена на рис. 5. Подзадача «Опрос порта» осуществляет чтение и сохранение образов переключателей. Кроме Кнопки Опрос портов ввода Адрес того, эта подзадача формирует флаг режима (в зависимости от состояния переключателя «прогон/отладка») и флаги нажатия кнопок Step и Mem. Подзадача «Запись в ОЗУ» производит запись введенной команды в ОЗУ при нажатии на кнопки Addr, Mem, Next. Подзадача «Чтение команды из ОЗУ» осуществляет чтение команды из памяти при нажатии на кнопку Step или Run в режиме РАБОТА. Подзадача «Вывод на индикаторы» производит отображение информации на индикаторах. Подзадача «Выполнение команды» выполняет несколько функций. Данная подзадача является самой сложной. Реализация этой подзадачи приведена на рис. 6. Обработчик основных команд в зависимости от ее кода выполняет соответствующую операцию в АЛУ. Обработчик команд ввода-вывода осуществляет выбор периферийного устройства и обмен с ним. Данные в ОЗУ Чтение команды из ОЗУ Запись в ОЗУ Флаг окончания цикла Команда Счетчик команд Данные Флаг режима работы Флаг пуска Флаг загрузки Выполнение команды Вывод на индикаторы Результат операции в АЛУ Стек Флаги в АЛУ Операнд1 Индикаторы Операнд2 Рис. 5. Статическая модель программы «АС УОУ «Электроника-580» (после второго этапа декомпозиции) 119 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Команда Счетчик команд Флаг окончания цикла Анализ кода операции Операнд1 Операнд2 Команды ввода вывода Команды передачи управления Основные команды Периф. устройство Результат АЛУ Флаги АЛУ Приемник результата Стек Рис. 6. Реализация подзадачи «Выполнение микрокоманды» Обработчик команд передачи управления определяет адрес следующей выполняемой команды на основе признаков операции в АЛУ. При выполнении команд перехода к подпрограмме используется стек. Анализируя выделенные в результате второго этапа декомпозиции подзадачи (рис. 5), а также реализацию подзадачи «Выполнение команды» (рис. 6), пришли к выводу, что все они имеют четко определенные функции и не требуют дальнейшей детализации. На следующем этапе была разработана структура данных программы, выполнены алгоритмизация программы и ассемблирование [3]. Эти процессы являются достаточно простыми в реализации и не требуют подробных разъяснений. граммируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального вводавывода, 32 универсальных рабочих регистра общего назначения [4]. Эти характеристики достаточны для разработки «АС УОУ «Электроника-580» на основе данного микроконтроллера. Для удобства производства и обслуживания устройство состоит из двух модулей, что отражено на структурной схеме АС (рис. 7): – модуль обработки информации (Микроконтроллер ATmega128); – модуль ввода-вывода. Модуль ввода-вывода Кнопки Индикаторы Разработка аппаратной части Управляющие На этом этапе разработки АС были решены две задачи: – разработка архитектуры и электрических схем устройства; – разработка конструкции устройства. Архитектура разрабатываемого устройства строится на основе микроконтроллера ATmega128. Микроконтроллер ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемной про- Информационные Транзисторные усилители Микроконтроллер AТmega128 Рис. 7. Структурная схема АС 120 Данные Адрес Флаги Ю. Н. Можегова 2014. № 1 (28) Модуль обработки информации содержит в своем составе микроконтроллер и дополнительные микросхемы, обеспечивающие его работу. Модуль ввода-вывода включает в себя индикаторы и кнопки. Для ввода управляющей информации, выбора режима работы и данных в ОЗУ и регистры используются переключатели. Переключатели используются без фиксации. В качестве индикаторов применяются светодиоды и полупроводниковые семисегментные модули. В устройстве применяется статическая индикация. Транзисторные усилители-ключи необходимы для усиления сигнала портов вывода микроконтроллера. Наличие транзисторных ключей обязательно, поскольку применяется статическая индикация. При разработке конструкции учитывался тот факт, что разработанный эмулятор предназначен для замены существующего устройства. Поэтому предполагалось размещение печатных модулей в имеющихся корпусах. Аппаратная реализация УОУ «Электроника-580» на современной элементной базе обеспечивает значительное уменьшение габаритных размеров электронных модулей, что позволило легко выполнить это требование. Таким образом, было разработано устройство «АС УОУ «Электроника-580», которое полностью отвечает требованиям обеспечения современного уровня учебного процесса по лабораторному практикуму в рамках учебного курса «ЭВМ и периферийные устройства» для студентов направления 230100.62 Информатика и вычислительная техника. Библиографический список 1. Сидоркин, В. П. Электронные вычислительные средства и комплексы [Текст]: Лабораторный практикум / В. П. Сидоркин. – Рыбинск: РАТИ, 1991. – 81 с.: ил. 2. Комаров, В. М. Микропроцессорные системы. Проектирование аппаратного и программного обеспечения [Текст]: Учебное пособие / В. М. Комаров. – 2 изд., перераб. и доп. – Рыбинск: РГАТА, 2004. – 176 с.: ил. 3. Шпак, Ю. А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров [Текст]: Справочная книга / Ю. А. Шпак. – Киев: МК-Пресс, 2006. – 400 с.: ил. 4. Гребнев, В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel [Текст]: Справочная книга / В. В. Гребнев. – М.: ИП РадиоСофт, 2002. – 176 с.: ил. Сведения об авторе Павлов Роман Владимирович – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». Pavlov, Roman Vladimirovich – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». УДК 681.2-52 ТОЧНОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ МИНИМАЛЬНОГО РАЗМЕРА ПОР МАТЕРИАЛА ПРИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ МЕТОДЕ Ю. Н. МОЖЕГОВА, 2014 ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева» Теоретически обоснован способ автоматизированного определения минимального размера пор материала. Разработано устройство контроля. Определена точность способа контроля минимального размера пор материала. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ, НЕРАЗРУШАЮЩИЙ, КОНТРОЛЬ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД 121 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ MATERIAL PORES MINIMUM SIZE AUTOMATIC TEST ACCURACY AT GAS-DYNAMIC METHOD Y. N. MOZHEGOVA, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V.A. Degtyaryov» The paper theoretically justifies technique of material pores minimum size automatized determination. The paper informes that monitoring device has been developed, as well as accuracy of material pores minimum size control technique has been defined. AUTOMATIZED, NONDESTRUCTIVE, CONTROL, GAS-DYNAMIC METHOD В настоящее время одним из методов неразрушающего контроля материалов является газодинамический метод, который позволяет по поровой структуре материала определять его физикомеханические свойства. Минимальный размер пор является одним из показателей, который характеризует поровую структуру материала, а также определяет характер течения газа через контролируемый материал, т. к. при прохождении газа через минимальный размер пор возникает кнудсеновское (молекулярное) течение, характеризующееся уравнениями: – Дарси ΔР q Kф ; (1) l тельной камере. В указанных граничных условиях решение уравнения (3) наиболее удобно представить в форме ряда Фурье. Полученное решение после совместного решения с уравнениями (1) и (2) примет вид dРn FR0TDK Г Рa 1 2cosm exp m 2 2 Dt l 2 . dt Vn Ml m 1 (6) Из этого уравнения видно, что в начале изменение давления в измерительной камере идет по возрастающей непропорционально времени, а затем, после определенного времени, остается постоянным и равным dPn FR0TDK Г Рa . dt Vn Ml – Фика для стационарного потока q = – D; (2) (3) где – плотность газа; q – поток газа в единицу времени через единицу площади; Kф – коэффициент фильтрации; l – толщина изделия; Р – перепад давления на материале; D – коэффициент диффузии; – градиент концентрации газа в исследуемом материале. Граничное условие для решения системы уравнений имеет вид: a = KГ Рa, (4) где a – плотность газа на поверхности материала; KГ – константа Генри; Рa – атмосферное давление. Для решения уравнений (1) – (3) с учетом данных граничных условий добавим уравнение: q Vn М dРn , R0TF dt (7) Если активные поры малы, а разряжение велико, то может оказаться, что при данном разряжении длина свободного пробега молекул больше диаметра пор. В этом случае имеем кнудсеновское истечение газа. Если диаметр пор значительно превышает величину среднего свободного пробега молекул газа, имеет место ламинарный поток по Пуазейлю. Изменения давления dPn / dt при кнудсеновском истечении, как и при ламинарном, будет определяться уравнением (6), но при кнудсеновском расход будет больше, т. к. газ в этом режиме движется со скольжением относительно стенок. Необходимо отметить, что при больших размерах минимальных пор и данном разряжении (со стороны рабочей камеры – атмосферное давление, со стороны измерительной камеры – вакуум) может оказаться сразу ламинарный режим истечения. Графическая зависимость изменения давления в измерительной камере в этом случае будет иметь лишь два участка, определяющиеся уравнением (6): первый – нелинейный, второй – пропорциональный (рис. 1). Первоначальный режим кнудсеновского режима истечения газа содержит два участка, разделенные точками b, d – непропорционального и пропорционального изменения dPn / dt. Так как с увеличением давления в измерительной – Фика для нестационарного потока D 2 , t (5) где Vn – номинальный объем вакуумированной измерительной камеры; М – молярная масса газа; F – площадь образца; R0 – газовая постоянная; Т – температура газа; Рn – давление газа в измери- 122 Ю. Н. Можегова 2014. № 1 (28) камере величина свободного пробега молекул газа уменьшается, то наступит момент, когда в наиболее крупных активных порах будет уже ламинарный поток, в то время как в более мелких еще кнудсеновский режим истечения, – участок сd смешанного (кнудсеновского и ламинарного) режима истечения на графике (рис. 1). В точке d графика все активные поры образца переходят на ламинарный режим истечения. Меньший наклон прямой пропорционального изменения давления в измерительной камере при ламинарном режиме истечения, чем при кнудсеновском, объясняется тем, что при кнудсеновском газ движется со скольжением относительно стенок пор. ся на ЭВМ 9, снабженную встроенным датчиком времени. Измерительная камера 1 снабжена датчиком температуры 10, который подключен к ЭВМ 9. Рис. 2. Схема устройства для определения параметров пористости: 1 – измерительная камера; 2 – газовая полость; 3 – прокладка; 4 – трубопровод; 5 – насос; 6, 7 – клапан; 8 – система управления; 9 – ЭВМ; 10 – датчик температуры; ДД – датчики давления После установки измерительной камеры 1 на контролируемое изделие, включения ЭВМ 9 система управления 8 автоматически открывает клапаны 6, 7, включает насос 5 и происходит откачка воздуха из полостей 2. Как только датчики давления ДД покажут наличие вакуума в полостях 2, информация передается в систему управления 8 и ЭВМ 9. Система управления 8 отключает насос и перекрывает клапаны 6, 7. На ЭВМ 9 запускается программное обеспечение построения зависимости изменения давления в полости 2 с течением времени. Датчик температуры 10 передает информацию о температуре в камере 1 на ЭВМ 9, которая строит графические зависимости давления от времени для каждого из переданных каналов данных, а минимальный размер пор определяет по уравнению (8). Найдем погрешность измерения минимального размера пор материала от структуры материала, параметров устройства и их точности при изготовлении, воспользовавшись методом линейных ошибок. Рис. 1. Графическая зависимость течения газа через пористый материал Таким образом, как видно из вышеизложенного, точка d графика (рис. 1) является стационарной точкой для определения минимальных размеров пор, участвующих в фильтрации. При определении минимального размера пор используется уравнение, характеризующее длину свободного пробега молекул в зависимости от температуры и давления: d пор min l KT 2d м2 Р , (8) где l – длина свободного пробега молекул; K – константа Больцмана; dм – эффективный диаметр молекул газа; Т – температура газа, К; Р – давление в точке d графика (рис. 1). Устройство для определения минимального размера пор на изделиях представлено на рис. 2 и состоит из измерительной камеры 1, которая устанавливается на контролируемое изделие и герметично прижимается к нему усилием Q, образуя герметичные газовые полости 2 за счет прокладок 3. Камера соединена через систему трубопровода 4 с вакуумным насосом 5. Для исключения перетечки газа между полостями 2, каждая из них имеет возможность отключения от общей магистрали посредством клапана 6. Насос 5 имеет возможность отключения от магистрали посредством клапана 7. Каждая газовая полость 2 имеет выход на датчик давления газа ДД, информация с этих датчиков автоматически через систему управления 8 передает- d пор min d пор min d пор min Т Т d пор min Рс Рс , d пор min – коэффициенты влияния Т Рс данных параметров на погрешность измерения минимального размера пор; Т, Рс – изменение параметров. Придем к конечным величинам: где , d пор min d пор min Т Т d пор min Рс Рс , где dпор min – величина погрешности минимального размера пор; Т, Рс – допустимые отклонения данных параметров. Последнее выражение можно записать: 123 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Таблица 2 Погрешности измерений параметров d пор min d пор min Т d пор min Рс , где dпор min – величина погрешности минимального размера пор; dпор min T, d пор min Рс – величина Погрешность измерения давления Рс, Па 0,25 погрешности минимального размера пор от каждого из данных параметров. Найдем выражения коэффициентов влияния: d пор min Т d пор min Рс К 2 d м2 Pс К Т 2 d м2 Pc2 Погрешность измерения температуры Т, К 0,0001 Коэффициенты влияния и погрешность измерения минимального размера пор материала были определены с применением Machcad 15. Результаты расчетов сведены в табл. 3. , Таблица 3 . Результаты расчетов Был проведен эксперимент по течению воздуха через бетонные стандартные кубы размером 100 100 100 мм с расходом компонента связки Кс 300 кг/м3. В результате эксперимента получены данные, приведенные в табл. 1. Учитывая, что эффективный диаметр молекул газа dм = 4,52 –10 м, а константа Больцмана K = 1,38 10 –23 Дж/К, определим коэффициенты влияния и погрешность измерения минимального размера пор материала. d пор min d пор min Рс Т – 1,59 10 –9 9,077 10 –9 dпор min – 3,067 10 –10 Таким образом, минимальный размер пор представляет собой следующее значение: dпор min = dпор min dпор min = 2,69 10 – 6 7,56 10 – 9 м. Из рассмотренного видно, что наибольшее влияние на точность измерений оказывает температура газа. Это подтверждает необходимость создания оптимальных для осуществления процесса контроля температурных условий на производстве. Таким образом, предлагаемый способ автоматизированного определения минимального размера пор материала обладает высокой точностью измерений и может быть рекомендован для использования в производстве. Таблица 1 Результаты эксперимента Давление Рс, Па 1675 Рыбинск: РГАТУ Температура Т, К 293,4 В табл. 2 приведены погрешности измерений параметров. Библиографический список 1. Способ определения минимальных диаметров пор образца: Патент РФ № 2186364, МКИ3 G01N15/08 / Н. А. Можегов, Ю. З. Житников, Ю. Н. Матросова. – Б. И. № 21, 2002 г. Сведения об авторе Можегова Юлия Николаевна – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева». E-mail: [email protected] Mozhegova, Julia Nikolaevna – Cand. Sc. (Engineering), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov». E-mail: [email protected] 124 Я. А. Даршт, И. Г. Романов 2014. № 1 (28) УДК 62.368 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРОАППАРАТОВ 1 Я. А. ДАРШТ1, И. Г. РОМАНОВ2, 2014 ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева» 2 ОАО «СКБ ПА», г. Ковров Представлена методика для расчёта гидравлических коэффициентов по экспериментальной расходноперепадной характеристике гидроаппарата. Методика реализована в виде имитационной модели гидроаппарата. Расчёт коэффициентов выполняется автоматически и состоит в сравнении экспериментальной с расчетной характеристикой этого аппарата, получаемой в процессе собственно модельного эксперимента. РАСЧЕТ, ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, МЕТОДИКА, ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ, КОЭФФИЦИЕНТ РАСХОДА, КОЭФФИЦИЕНТ СИЛ, КЛАПАНЫ, ГИДРОАППАРАТУРА, ОБЪЁМНЫЙ ГИДРОПРИВОД TECHNIQUE OF HYDRAULIC UNITS HYDRAULIC COEFFICIENTS DETERMINATION 1 Y. A. DARSHT1, I. G. ROMANOV2, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov» 2 OAO «SKB PA», Kovrov The paper features technique for calculation of hydraulic coefficients on the basis of hydraulic unit experimental throughput differential rate performance. The technique is implemented in the form of the hydraulic unit simulation model. Coefficients calculation is fulfilled automatically and consists of comparison of experimental and estimated performances, the latter is to be obtained by characteristic model experiment. CALCULATION, SIMULATION MODELLING, TECHNIQUE, HYDRAULIC COEFFICIENTS, FLOW COEFFICIENT, COEFFICIENT OF FORCES, VALVES, HYDROHARDWARE, HYDROSTATIC POWER DRIVE При моделировании гидроаппаратов возникают вопросы точности используемых моделей. В свою очередь, точность моделирования во многом определяется точностью экспериментальных коэффициентов, которые используются в моделях. При имитационном моделировании гидроаппаратов речь идёт, прежде всего, о двух гидравлических коэффициентах: коэффициенте расхода для рабочих зазоров гидроаппаратов и коэффициенте сил, действующих на затвор аппарата со стороны протекающего потока жидкости. В технической литературе можно найти данные по этим коэффициентам, но эти данные противоречивы, неполны и отсутствуют для большого количества конструкций. Попытки обобщения данных по коэффициентам и разработка методик по их вычислению известны. Наиболее качественно и полно, по нашему мнению, эта работа проведена для элементов гид- ростатического привода, её результаты приведены в книге [1], и в данной работе мы опираемся на материалы этой публикации. Вместе с этим, с развитием компьютерных технологий появилась возможность путем математической обработки экспериментального материала извлекать из этого материала дополнительную информацию, что позволяет напрямую подключить к расчету гидравлических коэффициентов весь известный по аппаратам экспериментальный материал. На это и ориентирована приведенная ниже методика. В основе методики (точнее системы методик) – имитационная динамическая модель гидроаппарата. Для конкретности изложения материала, методики, приведенные ниже, рассматриваются применительно к переливному клапану прямого действия. Имитационная модель такого клапана рассмотрена, например, в нашей работе [2]. 125 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ зация расхождения реализуется коррекцией коэффициента сил в обратной связи модели клапана. В результате расчета экспериментальная и модельная характеристика клапана совпадают практически полностью, а попутно формируется характеристика коэффициента сил (в зависимости от открытия клапана) – (x), которая обеспечивает точность всей модели. Полученная зависимость (x) впоследствии вводится в структуру уже самого клапана. Усовершенствованная таким образом модель является идентифицированной и готовой к использованию для расчетов. Характеристика (x) индивидуальна для каждой конкретной формы затвора клапана и седла и пригодна для использования в моделях любых гидроаппаратов с этим затвором и седлом. Аналогичную методику можно использовать и для определения коэффициента расхода, если, наоборот, он не известен, но при этом известен коэффициент сил. Для повышения точности расчетов методику можно усовершенствовать: учесть зависимость коэффициентов от числа Рейнольдса, т. к. формулы, описывающие эту зависимость, известны [1]. Учёт этой зависимости при расчете (x) реализован в модели в виде процедуры «K-Re» (рис. 2), где K-Re Методика расчёта коэффициента сил Если имеется экспериментальная расходноперепадная характеристика клапана P(Q), а также известна величина коэффициента расхода (на рисунках обозначено как «mu»), то коэффициент сил (на рисунках – «psi») может быть рассчитан с использованием имитационной модели клапана (Klapan-model) по схеме (рис. 1). Рис. 1. Модель № 1: методика расчёта коэффициента сил – psi Смысл методики, представленной на рис. 1, в сравнении расчетной и экспериментальной перепадно-расходных характеристик клапана и автоматической минимизации их расхождения. Миними- K (Re) Re . Re Re кр (1) Рис. 2. Модель № 2: методика определения коэффициента сил (на рисунке – psi) с учетом зависимости от числа Рейнольдса В итоге, например, коэффициент расхода будет переменной величиной, которая определяется формулой: 0 K (Re) , Аналогично для коэффициента сил: ( x ) 1 (d ( x )) K (Re) . (3) Методика одновременного расчёта коэффициента сил и коэффициента расхода Более сложной, но и более актуальной, является задача одновременного определения двух неизвестных: и коэффициента расхода, и коэффици- (2) где и 0 – соответственно текущее значение коэффициента расхода при конкретном значении числа Рейнольдса Re и значение коэффициента расхода в зоне развитого турбулентного течения жидкости, т. е. при Re Reкр. 126 Я. А. Даршт, И. Г. Романов 2014. № 1 (28) ента сил. Для решения этой задачи используется не одна, а две экспериментальные расходно-перепадные характеристики одного клапана, полученные при разных исходных данных, например при разных пружинах или разной вязкости жидкости и т. п. Ниже приводится алгоритм решения задачи в виде модели, приведенной на рис. 3. для одинаковых величин подъёма «x» затвора первого и второго клапанов. Как показала практика расчётов, достаточно сравнить коэффициенты для одного какого-то подъема клапанов (например для х = 0,5 мм), для других точек расчета результат будет аналогичным. На первом шаге величины коэффициентов сил будут, скорее всего, разными. Затем, исходя из полученного результата, проводится корректировка значения коэффициента расхода в ту или иную сторону и выполняется повторный расчет. Если при повтором расчёте рассогласование между значениями коэффициентов сил уменьшится, процесс подбора коэффициентов расхода продолжается в том же направлении, если нет – в противоположенном. И так до момента, когда значения двух коэффициентов сил для выбранного открытия затвора «х» совпадут. Полученное при этом значение 0 и является искомым, т. е. здесь используется метод последовательного приближения. После подстановки окончательного значения 0 в имитационную модель клапана просчитывается «Р – Q» характеристика клапана во всём диапазоне расходов и при этом попутно вычисляется параметрическая зависимость (x). Рассчитанные в итоге 0 и (x), как видно из способа их получения, фактически являются экспериментальными. Последний шаг в этой методике: полученные значения 0 и зависимость (x) с учетом функции K(Re) вводятся в структуру клапана, и тем самым формируется окончательная имитационная модель клапана (рис. 4). На этой модели можно проводить различные модельные расчеты, эксперименты и исследования и при этом быть уверенным, что значения коэффициентов модели соответствуют экспериментальным значениям. Рис. 3. Модель для одновременного расчета коэффициентов и (x) Задача решается с использованием метода последовательного приближения. В модели (рис. 3), состоящий из двух подмоделей № 2 (рис. 2), в каждой из которых введены свои данные и своя экспериментальная расходно-перепадная характеристика, задаются на первом этапе произвольные, но одинаковые для обеих подмоделей коэффициенты расхода – 0 (на рис. 3 – «mu 0»). После проведения первого расчёта проводится анализ, который состоит в сравнении значений той части коэффициентов сил d((x)), которая зависит только от величины зазора «х» и не зависит от числа Рейнольдса. Сравнение проводится Рис. 4. Полная имитационная модель клапана, в которой используются экспериментальные значения гидравлических характеристик Проиллюстрируем методику несколькими расчётными графиками, выполненными на моделях, приведенных выше (рис. 5). Графики получены в результате одного модельного эксперимента. Все графики представлены в функции от модель- ного времени. На рис. 5, а приведен график входного для модели параметра – изменяющегося во времени расхода: за 10 с расход через клапан линейно изменяется от 0 до 1,4 10 – 3 м3/c. Таким образом, ось 127 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) времени и ось расходов для следующих графиков – это одна и та же ось. На рис. 5, б приведены две характеристики давления одного клапана: одновременно в одном модельном окне рассчитывалось два конструктив- Рыбинск: РГАТУ но одинаковых, но по-разному настроенных клапана. Характеристики эти являются модельным представлением экспериментальных характеристик, т. е. заданы в моделях точками, снятыми с экспериментальных кривых. Q, м3/с 1 2 в) а) р, Па х, м 2 1 2 1 г) б) Рис. 5. Модельные и экспериментальные характеристики двух клапанов (1 – клапан № 1, 2 – клапан № 2): а) зависимость расхода от времени (Q(t)); б) расходно-перепадные характеристики (p(Q)) одного клапана с разными настройками; в) зависимости коэффициента сил (t); г) зависимости высот подъёмов затворов x(t) При моделировании в процессе воспроизведения этих, по существу, экспериментальных характеристик рассчитываются и собственно модельные характеристики, полученные в блоках, имитирующих работу клапанов, но они не приведены на рис. 5, т. к. фактические рассогласования между экспериментальными и модельными характеристиками пренебрежимо малы, и при сравнении на рисунке экспериментальные и модельные графики сливаются. Точное совпадение графиков, как указывалось выше, это следствие автоматической корректировки в процессе расчета модельного коэффициента сил (x). Рассчитанные при этом графики коэффициента сил для одного и другого клапанов приведены на рис. 5, в. Как видно из рис. 5, в, эти графики не совпадают и в зависимости от времени и в зависимости от открытия клапанов. На рис. 5, г приведены, для справки, графики открытия клапанов. Работа с графиками (рис. 5, в, г) в процессе перерасчетов с разными значениями 0, проводится до совпадения в координатах «х» графиков 1(x) и 2(x). На рис 6, а показан итоговый график коэффициента сил , а также пример модельного исследования на уже окончательно сформированной модели клапана. В частности, здесь исследовалось влияние вязкости жидкости на характеристику давления клапана. Верхний график рассчитан при использовании жидкости с вязкостью, 50 сСт, а нижний с вязкостью 10 сСт. Аналогично можно теперь исследовать на имитационной модели характеристики клапана в другом диапазоне расходов и давлений, при других размерах, других настройках, в других конструкциях и т. п. При этом должно быть соблюдено лишь одно условие: геометрическое подобие затвора (и седла) клапана. 128 Я. А. Даршт, И. Г. Романов 2014. № 1 (28) р, Па а) б) Рис. 6. Результаты моделирования: а) коэффициент , полученный в результате моделирования; б) модельные исследования влияния вязкости жидкости на давление клапана другие режимы работы, а также на другие типы аппаратов, когда в проектируемом аппарате применяется та же пара «затвор – седло». В целом предложенные методики и модели направлены на повышение качества проектирования гидроустройств и систем и позволяют сократить сроки проектных работ. Выводы Рассмотренная методика расчёта гидравлических коэффициентов позволяет различные опубликованные характеристики аппаратов использовать для получения гидравлических коэффициентов этих устройств. Разработанные модели могут быть использованы для пересчета характеристик аппаратов на Библиографический список 1. Данилов Ю. А. и др. Аппаратура объёмных гидроприводов. – М.: Машиностроение, 1990. – С. 272. 2. Даршт Я. А. Имитационные модели гидроаппаратов // Автоматизация и современные технологии. – 2005. – № 3. – С. 10 – 14. Сведения об авторах Даршт Яков Адольфович – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева». E-mail: [email protected] Романов Илья Геннадьевич – инженер III категории ОАО «Специальное Конструкторское Бюро Приборостроения и Автоматики» (ОАО «СКБ ПА»), г. Ковров. E-mail: [email protected] Darsht, Yakov Adolfovich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov». E-mail: [email protected] Romanov, Ilya Gennadievich – 3-rd class engineer, OAO «Spetsialnoe Konstructorskoye Buro Priborostroeniya i Avtomatiki» (OJSC «PAS special design bureau»), Kovrov. E-mail: [email protected] 129 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ УДК 621.81.01 + 539.30 : 678 ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И УСЛОВИЙ ТРЕНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЁВ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ ТРИБОСИСТЕМ В. И. БУТЕНКО, 2014 Южный федеральный университет, г. Таганрог Рассмотрены вопросы влияния состава многокомпонентных функциональных слоёв на интенсивность изнашивания и коэффициент трения поверхностей деталей трибосистем и исследованы причины повышения их работоспособности. ДЕТАЛЬ, ПОВЕРХНОСТЬ, ТРИБОСИСТЕМА, МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ СЛОЙ, СОСТАВ, ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ INFLUENCE OF COMPOSITION AND FRICTION CONDITIONS ON OPERATING DATA OF TRIBOSYSTEMS SURFACES DETAILS MULTICOMPONENT LAYERS V. I. BUTENKO, 2014 Southern Federal University, Taganrog The paper considers problems of multicomponent functional layers composition influence on wear rate and friction coefficient of tribosystems details surfaces as well as features reasons for their serviceability enhancement. DETAIL, SURFACE, TRIBOSYSTEM, MULTICOMPONENT LAYER, COMPOSITION, WEAR RATE, FRICTION COEFFICIENT Проблема повышения работоспособности деталей трибосистем является наиболее актуальной во всех отраслях машиностроения. Практика показывает, что в современном машиностроительном производстве не существует уникальных технологических методов, в равной мере обеспечивающих требуемое состояние поверхностного слоя деталей трибосистем, эксплуатируемых в разных условиях [1]. В работах [2 – 4] показано, что эффективным способом повышения работоспособности деталей трибосистем является создание на их рабочих поверхностях специальных многокомпонентных слоёв, выполняющих следующие функции: – нивелирование шероховатости контактных поверхностей и, как следствие, уменьшение времени их приработки; – создание между контактирующими поверхностями деталей трибосистем разделительного смазочного слоя; – обеспечение в зоне контакта взаимодействующих материалов условий избирательного переноса; – трибоэкранирование контактирующих поверхностей деталей путём модифицирования материала поверхностного слоя или формирования на нём специальных структур, обладающих низкими коэффициентами трения; – выход на условия трения, обеспечивающие проявление эффекта «нанотрибологической ямы». Для создания на поверхностях деталей трибосистем многокомпонентных слоёв использовались следующие материалы: полиэтилен, полистирол, капрон, сплавы Вуда и Розе, графит, дисульфид молибдена и кристаллический йод. Нанесение многокомпонентных слоёв на поверхности деталей трибосистем осуществлялось на установке МПС3М, описание которой приведено в работе [2]. При этом максимальная температура импульсного нагрева при создании на поверхностях деталей трибосистем многокомпонентных слоёв устанавливалась варьированием силы индукционного тока I и времени выдержки t с использованием эмпирической зависимости вида С I t bc , ... C , a (1) где С – коэффициент, зависящий от состава многокомпонентного слоя и материала детали; c – показатель высокоэластичной деформации применяемого полимера, МПа; a, b – показатели степеней, зависящие от состава многокомпонентного слоя и условий трения (давления р, скорости скольжения Vск, температуры в зоне контакта деталей трибосистемы к). 130 В. И. Бутенко 2014. № 1 (28) Значения величин С, a и b для исследованных составов многокомпонентных слоёв, работающих в диапазонах р = 0,5…1,5 МПа, Vск = 0,1…0,5 м/с и к = 20…80 С, приведены в табл. 1. Таблица 1 Значения величин С, a и b для исследованных составов многокомпонентных слоёв на поверхностях деталей трибосистем Состав многокомпонентного слоя Полиэтилен + сплав Вуда + графит Полистирол + сплав Вуда + графит Капрон + сплав Вуда + графит Полиэтилен + сплав Вуда + дисульфид молибдена Полиэтилен + сплав Розе + графит Полистирол + сплав Розе + графит Капрон + сплав Розе + графит Полиэтилен + сплав Розе + дисульфид молибдена Полиэтилен + сплав Вуда + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Розе + кристаллический йод Полистирол + сплав Вуда + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Вуда + графит + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Вуда + дисульфид молибдена + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Розе + графит + кристаллический йод Полистирол + сплав Розе + графит + кристаллический йод С 12,55 14,18 11,91 13,16 15,27 15,52 12,46 16,39 12,92 14,39 16,27 15,40 16,09 17,24 17,35 a 0,85 0,72 0,94 0,83 0,91 0,70 1,03 0,75 0,83 0,93 0,77 0,91 1,17 1,19 1,26 b 0,24 0,22 0,35 0,28 0,32 0,27 0,34 0,29 0,26 0,37 0,39 0,38 0,32 0,26 0,29 при следующих условиях трения: давление р = 1,0 МПа, скорость скольжения Vск = 0,3 м/с, температура в зоне контакта к = 50 С. Определялись следующие эксплуатационные показатели многокомпонентных слоёв: – время приработки поверхностных слоёв контактируемых деталей Тпр, с; – средняя интенсивность изнашивания U за период испытания, равный 60 мин; – температура в зоне контакта к, … С; – коэффициент трения f при установившемся процессе. Результаты выполненных исследований (средние значения по десяти последовательно проведённым экспериментам) приведены в табл. 2. Анализ полученных данных (табл. 2) свидетельствует о существенном влиянии на эксплуатационные показатели многокомпонентных слоёв, создаваемых на поверхностях деталей трибосистем, если учесть, что для принятых условий трения значения этих показателей при контакте образцов из стали 12Х3Н с быстрорежущей сталью Р6М5 составили: Тпр = 18 мин, U = 10,4 мг/ч, к = 160 С, f = 0,38. Следует также отметить, что использование многокомпонентного слоя, в состав которого входит сплав Розе (температура плавления 93 С), более эффективно при температурах в зоне контакта взаимодействующих поверхностей более 100 С, о чём свидетельствуют графики зависимости коэффициента трения f от температуры к, полученные при р = 1,5 МПа, Vск = 0,3 м/с и внешнем нагреве исследуемой трибосистемы до температуры 100 С (рис. 2). Значения величин I и t для конкретно используемых в многокомпонентных слоях полимеров с разными показателями высокоэластичной деформации c выбираются по номограмме, приведённой на рис. 1. I, кА Рис. 1. Номограмма выбора силы индукционного тока I и времени выдержки t в зависимости от показателя высокоэластичной деформации c полимера: 1 – 5…10 МПа; 2 – 11…20 МПа; 3 – 21…30 МПа Исследования эксплуатационных свойств многокомпонентных слоёв на поверхностях деталей трибосистем проводились на установках для испытания материалов на истирание, описание которых приведено в работе [5]. Многокомпонентные слои наносились на детали из стали 12Х3Н, прошедшие предварительное шлифование и имеющие шероховатость поверхности Ra = 1,2…1,5 мкм. В качестве контртел использовались образцы из закалённой быстрорежущей стали Р6М5 (HRC 62 – 65, Ra = 0,8…1,0 мкм). Исследования проводились 131 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Таблица 2 Эксплуатационные показатели многокомпонентных слоёв на поверхностях деталей трибосистем Эксплуатационные показатели Состав многокомпонентного слоя Полиэтилен + сплав Вуда + графит Полистирол + сплав Вуда + графит Капрон + сплав Вуда + графит Полиэтилен + сплав Вуда + дисульфид молибдена Полиэтилен + сплав Розе + графит Полистирол + сплав Розе + графит Капрон + сплав Розе + графит Полиэтилен + сплав Розе + дисульфид молибдена Полиэтилен + сплав Вуда + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Розе + кристаллический йод Полистирол + сплав Вуда + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Вуда + графит + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Вуда + дисульфид молибдена + кристаллический йод Полиэтилен + сплав Розе + графит + кристаллический йод Полистирол + сплав Розе + графит + кристаллический йод Tпр, мин 8 18 10 10 13 14 14 11 10 12 11 U, мг/ч 2,6 2,5 2,5 2,5 3,2 3,0 3,1 2,8 2,7 3,1 3,0 к, … С 70 80 70 70 60 90 70 70 70 70 90 f 0,07 0,08 0,09 0,07 0,09 0,08 0,10 0,09 0,07 0,08 0,07 5 2,2 70 0,05 5 7 8 2,1 2,3 2,4 70 80 80 0,04 0,06 0,06 Рис. 2. Изменение коэффициента трения f от температуры в зоне контакта к от состава многокомпонентного слоя: 1 – полиэтилен + сплав Вуда + графит; 2 – полиэтилен + сплав Розе + графит; 3 – полиэтилен + сплав Вуда + графит + кристаллический йод; 4 – полиэтилен + сплав Розе + графит + кристаллический йод Для выявления причин, обусловливающих повышение работоспособности деталей трибосистем путём создания на их рабочих поверхностях многокомпонентных слоёв, на интерференционном микроскопе МИМ-4М и электронном микроскопе «Neophot 2» с компьютерной приставкой были проведены комплексные металлографические исследования состояния материала слоёв после 30 мин приработки контактирующих поверхностей. Проведён анализ 270 микрофотографий состояния материалов поверхностных слоёв, полученных от десяти исследованных деталей трибосистем после их приработки в девяти точках поверхности с троекратной повторяемостью. Установлено, что в процессе приработки поверхностей деталей трибосистем в результате силового и теплового воздействия в зоне контакта в материале предварительно созданных многокомпонентных слоев происходят сложные структурные преобразования, приводящие к формированию кластеров различной формы и размеров [2]. При этом был подтверждён эффект нанотрибологической ямы, согласно которому для каждого сформировавшегося на поверхности детали трибосистемы в процессе обработки или эксплуатации слоя, покрытия или системы при заданных условиях трения существует наноразмерная толщина слоя структурно перестроенного материала hпер, при которой обеспечивается минимально возможный для сопряжения коэффициент трения f [1, 2]. Получена эмпирическая зависимость, связывающая толщину слоя структурно перестроенного материала hпер с составом многокомпонентного слоя (состоящего, например, в процентном соотношении из полимера 132 В. И. Бутенко 2014. № 1 (28) П, сплава Вуда Сп, графита Сг и кристаллического йода И) и режимами эксплуатации трибосистемы (давлением контактных поверхностей р, скоростью скольжения Vск, температурой в зоне контакта к): hпер С h П x1 Cпx 2 Cгx3 И x 4 p x5 Vскx6 кx7 , затели степеней, зависящие от физико-механических свойств материалов контактирующих деталей трибосистем и состояния их поверхностей. В табл. 3 приведены значения Сh, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 для деталей трибосистем, изготовленных из одних и тех же марок сталей и имеющих начальную шероховатость контактирующих поверхностей Ra = 1,2…1,5 мкм. (2) где Сh, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 – коэффициент и пока- Таблица 3 Значения коэффициента Сh и показателей степеней x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 в формуле определения толщины слоя структурно перестроенного материала hпер Предел текучести т, МПа до 200 201 – 250 251 – 300 301 – 350 351 – 400 свыше 400 Сh 3,42 3,39 3,36 3,33 3,30 3,25 x1 0,34 0,33 0,32 0,31 0,29 0,27 x2 0,62 0,60 0,58 0,57 0,57 0,55 Зависимость (2) можно использовать для определения оптимального состава многокомпонентного слоя на поверхностях деталей трибосистем при заданных режимах эксплуатации и требуемом значении толщины слоя структурно перестроенного материала поверхностного слоя hпер. Результаты выполненных исследований были рекомендованы для повышения работоспособности деталей трибосистем, входящих в механизмы машины перегрузочной МП-1000 водоводяного энергетического реактора типа ВВЭР [6] x3 0,91 0,93 0,96 0,98 1,00 1,05 x4 – 1,23 – 1,21 – 1,19 – 1,17 – 1,15 – 1,15 x5 0,71 0,73 0,76 0,79 0,83 0,87 x6 0,25 0,25 0,25 0,26 0,27 0,29 x7 – 0,89 – 0,87 – 0,85 – 0,83 – 0,81 – 0,77 и промышленных роботов с рекуперацией энергии [2 – 4]. Подконтрольная эксплуатация этих устройств в течение трёх лет показала, что нанесение на поверхности деталей трибосистем многокомпонентного слоя (полиэтилен + сплав Вуда + графит + кристаллический йод) позволяет на 20 % увеличить межремонтный период при сохранении заданной надёжности реактора и обеспечить вероятность безотказной работы промышленного робота 0,97 за наработку 1000 ч. Библиографический список 1. Безъязычный В. Ф. Технологическое обеспечение комплекса параметров качества поверхностного слоя и точности обработки на стадии технологической подготовки производства // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва. – 2007. – № 1(11) – С. 3 – 11. 2. Бутенко В. И. Структура и свойства поверхностного слоя деталей трибосистем. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – 367 с. 3. Бутенко В. И. Управление нанотрибологическими характеристиками поверхностей тяжело нагруженных опор и подшипников скольжения. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – 385 с. 4. Бутенко В. И. Технология создания металлополимерных слоёв на контактных поверхностях деталей трибосистем // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2011. – № 12. – С. 38 – 46. 5. Бутенко В. И. Научные основы нанотрибологии. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. – 275 с. 6. Бутенко В. И. Наукоёмкие технологии создания многокомпонентных функциональных слоёв на рабочих поверхностях деталей // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2013. – № 9. – С. 35 – 39. Сведения об авторе Бутенко Виктор Иванович – доктор технических наук, профессор, Южный федеральный университет, Инженерно-технологическая академия, г. Таганрог. E-mail: [email protected] Butenko, Victor Ivanovich – Doctor of Engineering, full professor, Southern Federal University, Academy for Engineering and Technology, Taganrog. E-mail: [email protected] 133 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ УДК 621.855 ВИБРОСТЕНД ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ИСПЫТАНИЙ СПЕЦИЗДЕЛИЙ Г. К. РЯБОВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева» Составлена расчетная схема и разработан метод расчета параметров вибрации плиты и двигателя, определяющих основные эксплуатационные свойства вибростенда. ВИБРОПЛИТА, ЧАСТОТА СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ, СКОРОСТЬ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ, ЭНЕРГИЯ УДАРА VIBRATION-TEST RIG FOR EXPRESS TESTS OF SPESIAL ITEMS G. K. RYABOV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov» The paper introduces design model and vibration parameters calculation method for both engine mounting plate and engine. The mentioned parameters define main operation properties of the vibration-test rig. VIBROPLATE, NATURAL OSCILLATIONS FREQUENCY, TRAVEL SPEED, IMPACT ENERGY Основными эксплуатационными показателями вибростенда являются энергия удара плиты и средняя скорость перемещения вибростенда в процессе испытаний. Указанные показатели в основном определяются параметрами вибрации плиты и двигателя. В связи с этим, прежде всего, надо определить параметры колебаний плиты и двигателя. Для этого составим расчетную схему, которая приведена на рис. 1. щими из них являются колебания по горизонтали (по осям X1 и X2) и вертикали (по осям Y1 и Y2) [1]. Поэтому остальные движения в данном случае в качестве допущения не рассматриваются. Используя уравнения Лагранжа II рода, получаем системы дифференциальных уравнений движения масс m1 и m2 по горизонтали m1 x1 C3 ( x1 x2 ) Pw cos t ; m2 x2 C3 ( x1 x2 ) 0 (1) и по вертикали m1 y1 c1 y1 c2 y1 y 2 Pц sin t ; m2 y2 C2 ( y1 y2 ) 0. (2) Здесь Pц mц rц 2 , (3) где Рц – центробежная сила; mц – центробежный груз вибратора; rц – радиус смещения центра массы центробежного груза от оси его вращения; – угловая скорость вращения центробежного груза. Решение системы (1) ищем в виде [2]: Рис. 1. Расчетная схема x1 a1x cos t ; x2 a2x cos t . Здесь цифрой 1 обозначена плита массой m1 и цифрой 2 – двигатель массой m2, которые связаны между собой с помощью упругих элементов С2 и С3. Упругость основания обозначена С1. Под воздействием вибратора (на схеме не показан) плита и двигатель совершают сложные движения в разных направлениях, но определяю- (4) Подставляем в систему уравнений (1) и получаем: (C3 m1 2 ) a1x C3 a2x Pц ; C3 a1x (C3 m1 2 ) a2x 0 . 134 (5) Г. К. Рябов ты 2014. № 1 (28) Отсюда находим амплитуды колебаний плии двигателя a2x : дут определяться по формуле a1x Rвп = 0,5 (RП + RД). Результаты расчета приведены в табл. 3. 2 a1x a2x (C3 m2 ) Pц ; 2 (C3 m1 2 ) (C3 m2 2 ) С3 C 3 Pц 2 2 (C3 m1 ) (C3 m2 ) С32 Таблица 3 (6) , … Rвп, мм . (7) y2 a2x sin t. Получаем Vx 2 a1y a2y (C 2 m2 ) Pц (C1 C 2 m1 2 ) (C 2 m2 2 ) С 22 C 2 Pц (C1 C 2 m1 2 ) (C 2 m2 2 ) С 22 15 3,0 30 3,75 45 4,0 60 4,75 75 5,15 90 5,4 Таким образом, горизонтальные перемещения центра массы виброплиты за один цикл составляют 5,4 мм при = 450 с –1 и периоде колебаний Т = 0,014 с. Тогда скорость передвижения виброплиты составит Для решения системы (2) поступаем аналогично и ищем решение в виде [2]: y1 a1x sin t ; 0 2,85 ; 5,4 мм мм км 102 0,386 1,4 . 1,4 с с ч Высота подъема плиты составляет 9,5 мм. Тогда максимальная скорость опускания плиты будет мм м V y a1y 9,5 450 4300 4,3 . с с (8) . В качестве примера для расчетов принимаем следующие числовые значения величин, входящих в формулы (3), (6), (8): Кинетическая энергия удара плиты составит m1 = m2 = 47 кг; = 450 с –1; Рц = 1,2 104 Н; E С1 = С2 = 3,25 106 Н/м; С3 = 2,8 106 Н/м. m1 y12 4,7 4,32 кг м 2 43 2 43Н м(Дж) . 2 2 с Результаты расчетов подтверждены экспериментальными данными. В качестве примера на рис. 2 приведены осциллограммы ускорения двигателя (сверху) и плиты (снизу). Получаем: a1x 5,4 мм ; a2x 5,4 мм ; a1y 9,5 мм ; a2y 4,2 мм . Полученные значения суммируем геометрически в зависимости от углового положения () центробежного груза по формулам: RП ( a1x cos ) 2 (a1y sin ) 2 – для плиты; RД (a2x cos ) 2 (a2y sin ) 2 – для двигателя. В итоге получаем суммарные отклонения плиты RП и двигателя RД в следующем виде (табл. 1). Таблица 1 , … RП , мм RД , мм 0 5,0 4,3 15 5,1 4,2 30 5,5 3,5 45 5,8 3,55 60 6,3 3,14 75 6,5 2,75 90 6,7 2,6 В табл. 1 отклонения двигателя отражают его положение относительно плиты. Поэтому требуется определить абсолютные перемещения центра масс двигателя, которые будут представлять собой разность перемещений плиты и двигателя в противофазах. Эти величины представлены в табл. 2. Рис. 2. Осциллограммы ускорений двигателя и плиты Выводы Таблица 2 Абсолютные перемещения двигателя , … RП, мм 0 0,7 15 0,9 30 2,0 45 2,2 60 3,2 75 3,8 Таким образом, результаты исследований дают основание рекомендовать представленные формулы для оценки кинетической энергии удара плиты по испытуемому объекту и скорости передвижения виброплиты в процессе испытаний. 90 4,1 Перемещения центра массы виброплиты бу- 135 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ Библиографический список 1. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. – М.: Машиностроение, 1976. – 320 с. 2. Рябов Г. К., Леонтьева В. С., Рогов В. П. Предварительная оценка параметров колебаний виброплиты // Камские чтения: Сборник. – Набережные Челны: КГИЭА, 2011. – С. 93 – 97. Сведения об авторе Рябов Геннадий Кондратьевич – доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева». Ryabov, Gennady Kondratievich – Doctor of Engineering, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Kovrovskaya State Technological Academy named after V. A. Degtyaryov». УДК 538 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЕМАГНЕТИЗАТОРА ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ О. В. ГУСЕВ, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» В статье описана разработанная имитационная модель системы размагничивания ферро- и ферримагнитных материалов, позволяющая изменять частоту и амплитуду поля размагничивания. Предложен новый способ создания частотно-регулируемой осцилляции магнитного поля, который может быть использован для подавления остаточной намагниченности деталей из конструкционных сплавов. SIMULINK МОДЕЛЬ, DC-AC ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, РАЗМАГНИЧИВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ, ОДНОНАПРАВЛЕННАЯ НАВЕДЕННАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ SIMULATION MODEL OF FERROMAGNETIC MATERIALS DEMAGNETIZER ON THE BASIS OF POWER SEMICONDUCTOR KEYS O. V. GUSSEV, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper depicts a system simulation model for ferro- and the ferrimagnetic materials demagnetization, allowing to alternate field of demagnetization frequency and amplitude as well as offers a new technique of magnetic field frequentgoverned oscillation creation, which can be used for suppression of residual magnetization caused by details manufactured of structural alloys. SIMULINK MODEL, DC-AC CONVERSION, FREQUENCY CONVERTER, STEEL SAMPLES DEMAGNETIZATION, UNIDIRECTIONAL INDUCED MAGNETIC ANISOTROPY щего на образец ферро- или ферримагнетика (сталь). Для построения имитационной модели использовалась среда SIMULINK системы MATLAB. Преимуществом SIMULINK, по сравнению с другими средами имитационного и физического моделирования, является открытость кода и, как следствие, гибкость создаваемых систем. Основным элементом устройства размагничивания является блок, задающий частоту магнитного поля размагничивания. Данный блок имеет в Введение Поведение проектируемой системы и протекающего в ней физического процесса можно оценить с помощью создания соответствующей имитационной модели. Подобный подход в разработке снижает затраты на фактическую реализацию последней. Целью статьи является разработка модели устройства, которое позволит изменять частоту размагничивающего магнитного поля, действую- 136 О. В. Гусев 2014. № 1 (28) своем составе полупроводниковые ключевые элементы. Макромодели полупроводниковых элементов в системе SIMULINK строятся на основе так называемых идеальных ключей. Последние имеют два устойчивых состояния: включенное, или состояние высокой проводимости, и выключенное – непроводящее состояние. На сегодняшний день большинство выпускаемых промышленностью реальных полупроводниковых элементов (IGBT и MOSFET транзисторы, силовые тиристорные ключи, диоды и т. д.) по своим параметрам достаточно близко к идеальным ключам [1]. Близость параметров макромодели к параметрам реального полупроводникового элемента позволяет говорить о высокой достоверности результатов моделирования в системе SIMULINK. Термовоздействие свыше температуры Кюри может оказаться неприемлемым из-за потери заданных механических свойств образца. Снижение остаточной намагниченности с использованием компенсации постоянным магнитным полем малоэффективно, в особенности, если образец намагничен неоднородно (что чаще всего и наблюдается на практике). Наиболее эффективным является способ, основанный на создании магнитного поля током с убывающей до нуля амплитудой. В связи с тем, что размагниченному состоянию соответствует своя доменная структура, то с уверенностью можно утверждать, что два предварительно размагниченных на разных частотах и имеющих близкий к нулю магнитный момент образца при последующем перемагничивании будут иметь различный характер петель магнитного гистерезиса [2]. Следует указать, что в основе получения высококоэрцитивных постоянных магнитов, используемых при конструировании энергоемких устройств, лежат эффекты наведенной магнитной анизотропии (НМА) (ее более слабая форма – однонаправленная наведенная магнитная анизотропия [3]). При этом исследования НМА и ОНМА не проводились на образцах стали, которые были размагничены магнитным полем различной частоты. Методика размагничивания стальных образцов Известно, что ферри- или ферромагнетик при температуре ниже точки Кюри разбивается на микроскопические области, называемые доменами [2]. Каждый отдельный домен спонтанно (самопроизвольно) намагничен до насыщения. Общий магнитный момент ферри- или ферромагнетика является результирующей суммой магнитных моментов всех его доменов. Таким образом, для размагничивания (демагнетизации) некоторого образца необходимо разупорядочить его доменную структуру. Существует несколько способов сделать это: 1) термовоздействие на образец свыше температуры Кюри (железо 770 C, никель 358 C, кобальт 1120 C); 2) воздействие на образец переменным магнитным полем с убывающей до нуля амплитудой; 3) воздействие компенсирующим постоянным магнитным полем; 4) механические воздействия на образец; 5) комбинация вышеназванных способов. Блок-схема системы размагничивания стальных образцов Блок-схема системы размагничивания и соответствующая ей имитационная SIMULINKмодель показаны на рис. 1. Блок размагничивания выполняет основную функцию – создание магнитного поля с убывающей до нуля амплитудой. Конструктивно он может представлять собой соленоид или электромагнит, который создает в зазоре напряженность магнитного поля величины, достаточной для подавления остаточной намагниченности образца. а) б) Рис. 1: а – блок-схема системы размагничивания стальных образцов; б – имитационная модель системы размагничивания 137 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Для изменения частоты размагничивающего магнитного поля необходим блок, который позволит «отойти» от частоты тока питающей сети. Этого можно достичь, например, используя регуляторы частоты (AC-AC преобразователи), инвертеры (DC-AC преобразователи) или резонансные инверторы с умножением частоты (механические преобразователи не рассматривались из-за их высокой стоимости). Недостатком резонансных инверторов является их ограниченная мощность, например, мощность резонансного инвертора класса E не превышает 100 Вт [1]. Схемотехнические решения с использованием обратных диодов и силовых транзисторов позволяют получить необходимые характеристики по частоте и мощности, но стоимость подобного рода преобразователей высока [4]. AC-AC преобразователи, или регуляторы частоты, подразделяются на два класса: преобразователи частоты с непосредственной связью (циклоконвертеры, матричные преобразователи) и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока. Циклоконвертеры и матричные преобразователи конструктивно не позволяют в широких пределах регулировать выходную частоту [4], что не позволяет их использовать для регулировки частоты магнитного поля размагничивания. Исходя из вышесказанного, имитационная модель блока регулирования частоты была выполнена на основе преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока. Рыбинск: РГАТУ VT1 R1 VD1 R2 G C1 S а) б) Рис. 2: а – принципиальная схема одного модуля мостового инвертера; б – имитационная модель преобразователя частоты Возвратный диод (VD1) служит для устранения выбросов напряжения во время «dead-time», а снабберная цепь – для снижения величины перенапряжений в переходных процессах, возникающих при коммутации силовых полупроводниковых элементов. Кроме того, снабберные цепи позволяют снизить динамические потери в силовых ключах, что позволяет облегчить тепловой режим работ. В схеме модуля преобразователя частоты используются высоковольтные MOSFET транзисторы, диапазон напряжений которых ограничен значением 500 В. Существуют более высоковольтные полупроводниковые элементы, но они, как правило, маломощны. Использование MOSFET транзисторов позволяет достичь уровня мощности в 1 – 5 кВт (IRFP460, IRFPS37N50A или IRFPC60LC). Таким образом, питание силовых модулей может быть осуществлено от однофазной сети переменного тока 220 В. При этом выпрямленное напряжение, подаваемое на вход инвертера (DC-AC звено на блок-схеме), не будет превышать 310 В. Разработанная имитационная модель преобразователя частоты представлена на рис. 2, б, причем снабберная цепь является внутренней для SIMULINK полупроводниковых элементов, поэтому на схеме не показана. Для снижения уровня высших гармоник, присутствующих на выходе блока задания частоты, его выходной сигнал сглаживался простейшим LC-фильтром [9], параметры которого выбирались исходя из выражения: Имитационная модель силовой части схемы Преобразователи частоты строятся по модульному принципу, наибольшее распространение получила схема на основе полного моста (full bridge) [6, 8]. Принцип действия схемы полный мост основан на попеременном срабатывании управляемых полупроводниковых ключевых элементов (рис. 2, а). В результате на нагрузке получается переменное напряжение с частотой, равной частоте следования управляющих импульсов, и амплитудой, не превышающей напряжение источника питания моста. В схемах, построенных по типу полный мост, существует период времени, когда все ключи мостового инвертора оказываются закрытыми и нагрузка фактически отключена от источника питания. Этот период называется «мертвым временем», или «dead-time», и необходим для устранения сквозных токов, протекающих через плечи моста. Принципиальная схема плеча модуля частотного преобразователя (рис. 2, а) состоит из силового полупроводникового ключа (MOSFET транзистор VT1), возвратного диода (VD1) и снабберной RC-цепи (snubber RC-circut). 138 О. В. Гусев 2014. № 1 (28) ния ГОН и устройство сравнения (УС), на входы которого поступают два сигнала: сигнал задания Uзч и опорный Uоп. Сигнал задания определяет частоту модулирующего напряжения и, как следствие, частоту выходного напряжения. В момент равенства опорного и задающего сигналов УС срабатывает и вырабатывает управляющий импульс, передаваемый на управляющий электрод тиристора. Схема инверсии (элемент НЕ) необходима для подачи управляющих импульсов на анодную или катодную группы ключевых элементов. Распределитель импульсов (РИ) направляет сформированные импульсы на вентильные элементы схемы. Ширина управляющих импульсов зависит от мгновенного значения управляющего напряжения. Следует добавить, что принципиальные схемы модуля управления реализуются с добавлением гальванической развязки для согласования уровней управляющих сигналов с уровнями ключей моста [7]. X L 34,2 2 , XC fc где XL – индуктивное сопротивление фильтра; XС – емкостное сопротивление фильтра; fc – частота среза фильтра. Имитационная модель системы управления Силовая часть системы может работать только при подаче на управляющие электроды ключевых элементов импульсов управления, обеспечивающих их включение. В имитационной модели применяется вертикальный способ управления ключевыми элементами с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения [4]. При данном способе зависимость длительности импульсов управления имеет линейный характер при пилообразном опорном напряжении и синусоидальный – при гармонической форме задающего напряжения. Блок-схема модуля управления (рис. 3, а) содержит генератор опорного напряже- ГОН Uзч Uоп УС РИ К1,K2...Kn НЕ а) б) в) г) Рис. 3: а – блок-схема системы управления вертикального типа; б – имитационная модель системы управления; в – диаграммы управляющих импульсов; г – «dead-time» паузы импульсов управления При широтно-импульсном управлении силовыми ключами, амплитуду тока в нагрузке можно контролировать с помощью амплитудного коэффициента модуляции [9]: MА Vsin m , Vtriangm Имитационная модель системы (рис. 3, б) включает в себя все вышеописанные блоки. Диаграмма управляющих импульсов, подаваемых на анодную и катодную группу силовой части, показана на рис. 3, в. Для предотвращения сквозных токов, протекающих через плечи моста, управляющие импульсы содержат «dead-time» паузы. (1) где Vsin m, Vtriangm – амплитуда задающего и опорного напряжения соответственно. 139 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Широкое распространение получил способ размагничивания, основанный на использовании элементов с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторов) [5]. Позисторы имеют два типа характеристик: с плавным линейным изменением сопротивления от температуры и с резким скачком сопротивления при превышении некоторой температуры. Позисторы с характеристиками первого типа применяются в основном для температурной компенсации в транзисторных схемах. Позисторы с характеристиками второго типа используются в схемах размагничивания [5] (рис. 4, а). Вследствие самонагрева сопротивление позистора возрастает, ток в обмотке размагничивания уменьшается и имеет форму синусоиды с затухающей амплитудой. Чаще всего в таких схемах применяют два позистора, один из которых поддерживает разогрев второго. Тем самым добиваются минимизации остаточного тока в катушке и, как следствие, создаваемого магнитного поля. Достоинство позисторных схем – минимум используемых компонентов и, как следствие, их высокая надежность. Недостаток – осцилляция магнитного поля создается один раз, для повторения процесса необходимо обеспечить охлаждение позистора до первоначальной температуры. Для устранения подобного недостатка в качестве регулируемого сопротивления может быть использована схема, представленная на рис. 4, б. Транзистор VT1, включенный в диагональ моста, является эквивалентом нелинейного сопротивления. При изменении напряжения база-эмиттер сопротивление коллектор-база VT1 увеличивается, что влечет за собой уменьшение амплитуды тока, протекающего через размагничивающую катушку. Варианты реализации блока размагничивания Создание магнитного поля с плавной до нуля убывающей амплитудой не является тривиальной задачей. В ряде случаев, когда частота магнитного поля размагничивания фиксирована, можно использовать резонансные свойства RLC контура. Недостатком данного способа является подбор номинальных значений R, L, C для каждой новой частоты размагничивающего поля. РТС ПОДОГРЕВА КАТУШКА РАЗМАГНИЧИВАНИЯ РТС ПОДОГРЕВА а) VD1 VD2 VT1 VD4 VD5 R1 _ КАТУШКА РАЗМАГНИЧИВАНИЯ VD3 Рыбинск: РГАТУ + б) Рис. 4: а – типовая схема включения позисторов в цепях размагничивания; б – регулирование амплитуды магнитного поля с использованием силового транзистора Результаты имитационного моделирования М = 0,8; fключей = 2 кГц; fo = 60 Гц THD = 3,74 %; М = 0,8; fключей = 2 кГц; fo = 60 Гц; Lf = 25 мкГн; Cf = 50 мФ a) б) 140 О. В. Гусев 2014. № 1 (28) М = 0,8; fключей = 2кГц; fo = 150 Гц THD = 1,97 %; М = 0,8; fключей = 2 кГц; fo = 150 Гц; Lf = 25 мкГн; Cf = 50 мФ в) г) Рис. 5. Результаты имитационного моделирования: а, в – диаграммы тока и напряжения в нагрузке (без использования LC-фильтра); б, г – диаграмма тока в нагрузке (с использованием LC-фильтра) Результаты имитационного моделирования (рис. 5) наглядно показывают, что выходное напряжение блока задания частоты размагничивающего поля близко к синусоидальной форме. Степень отличия формы напряжения от идеальной синусоиды оценивалась коэффициентом нелинейных искажений (анг. Total Harmonic Distortion, THD), THD-коэффициент лежит в пределах 2 – 4 %, что говорит о том, что форма сигнала, вырабатываемая звеном DC-AC, близка к синусоидальной и может быть использована для решения задачи демагнетизации. Библиографический список 1. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. – 384 с. 2. Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы. – М.: Высшая школа, 1986. – 352 c. 3. Гусев О. В. и др. Гигантские скачки Баркгаузена в базальтовых лавах Камчатки / О. В. Гусев, В. С. Вечфинский, С. С. Соловьева // Физика Земли. – 2008. – № 3. – С 92 – 96. 4. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. Ч. 1. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. – 199 с. 5. Минкин С. Б., Шашков А. Г. Позисторы. Библиотека по автоматике. – М.: Энергия, 1973. – 88 с. 6. Mohan N., Undeland T. M., Robbins W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. – JohnWiley & Sons, Inc., New York, 1995. – 824 p. 7. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника / Под ред. В. А. Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с. 8. Khoei A., Yuvarajan S. Steady State Performance of a Single Phase Induction Motor Fed by a Direct AC-AC Converter // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. – 1999. – P. 128 – 132. 9. Fewson D. Introduction to power electronics. – Oxford University Press, New York, 1998. – 187 p. Сведения об авторе Гусев Олег Валерьевич – кандидат физико-математических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Gussev Oleg Valerievich – Cand. Sc. (Physics and Mathematics), associated professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] 141 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) Рыбинск: РГАТУ УДК 621.01; 621.941-229.3 УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ТОНКОСТЕННЫХ СВАРНЫХ КОРПУСОВ 1 А. С. ЯМНИКОВ1, А. О. ЧУПРИКОВ2, В. В. ИВАНОВ3, 2014 ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» 2 3 ОАО «Тульский оружейный завод» ОАО «Тульский научно-исследовательский технологический институт» Предложены технологические приемы: поворот на 120 нежесткой заготовки сварного корпуса при закреплении после суточной выдержки между черновой и чистовой токарной обработкой или обработка нежесткой заготовки при поджатии изнутри разжимной цангой, размещенной в полости корпуса. Совокупность приемов уменьшает процент брака по огранке растачиваемого диаметра в 2,25 раза. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ, НЕЖЕСТКАЯ ДЕТАЛЬ, СВАРНОЙ КОРПУС INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL HEREDITY AT TURNING OF THIN-WALLED WELDED SHELLS REDUCTION 1 A. S. YAMNIKOV1, A. O. CHUPRIKOV2, V. V. IVANOV3, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Tulsky State University», Tula 2 3 JSC «Tulsky Oruzheiny Zavod» (Tula Arms Plant) OAO «Tulsky Nauchno-Issledovatelsky Tekhnologichesky Institut» (OJSC «Tula Technology Research and Development Institute») In the paper the following processing methods are offered: rotation of a nonrigid preform of welded shell by 120 at fixation stage, after a diurnal exposure between draught-quality and fair turning, and processing of nonrigid preform with prepression from within by expanding collet allocated in the shell concavity. The mentioned methods diminish rejection rate on chiseled diameter cutting 2,25 times. TECHNOLOGICAL HEREDITY, NONRIGID DETAIL, WELDED SHELL В специальных отраслях машиностроения для повышения эффективности работы изделий путем снижения их массы применяют высокопрочные или сверхпрочные стали типа ВП-25, ВП-28 и т. п., термообработанные до высокой твердости (HRC 45…49) с целью достижения максимальной прочности (свыше 1500 МПа). Данное мероприятие позволяет уменьшать толщину стенок изделий, работающих с высоким избыточным давлением (до 250 МПа). При изготовлении деталей нежесткой конструкции, в т. ч. и тонкостенных, возникают технологические затруднения. Вклад авторов в совершенствование технологии изготовления нежестких изделий отражен в работах [1 – 7]. Опыт работы советских и российских технологов-производственников и ученых обобщен в чрезвычайно важном стандарте [8], ко- торый формализует понятие нежесткая деталь: «Деталь, которая деформируется до такой степени, что в свободном состоянии выходит за пределы допусков размеров и (или) формы и расположения, относящихся к детали в закрепленном состоянии. (Примечание. В эту категорию включают как детали из жестких материалов (например тонкие металлические детали), так и детали из гибких материалов (таких как резина, пластики и т. д.))». Впервые узаконено правило: «Для нежестких деталей поле допуска на средний диаметр элемента не ограничивает отклонения формы (отклонение от круглости) в свободном состоянии. Допуск формы, как правило, больше допуска на средний диаметр элемента». В наших ранних работах часто встречались подобные случаи в реальном производстве, но они не были формально узаконены, что приводило к 142 А. С. Ямников, А. О. Чуприков, В. В. Иванов 2014. № 1 (28) недоразумениям при приемочном контроле изделий [9, 10]. Особенно это обстоятельство проявляется при обработке заготовок узлов, в которых к тонкостенному корпусу приварены дополнительные элементы, служащие для базирования в изделии. При обработке нежестких сварных корпусов применение финишных операций с использованием абразивных инструментов может вызвать температурную деформацию и увеличить погрешность обработки. Лезвийная обработка твердым сплавом позволяет избежать указанных явлений и дает воз- можность снизить температуру в зоне резания. В качестве примера рассмотрена технология изготовления сварного корпуса (рис. 1). Низкая жесткость подобных корпусов приводит к тому, что под действием сил закрепления и резания наблюдаются значительные деформации, вызывающие образование погрешностей формы в продольном и поперечном сечениях. Для устранения влияния поводок окончательную механическую обработку основных и вспомогательных базовых и исполнительных поверхностей, в т. ч. и нарезание резьбы, производят после термообработки. Рис. 1. Конструкция типового тонкостенного сварного корпуса Для обеспечения точности такого класса изделий, кроме существующих типовых рекомендаций, следует учитывать и индивидуальные конструктивные особенности обрабатываемых корпусов. В некоторых случаях тонкостенные корпуса имеют конструктивные особенности, снижающие технологичность, например наличие концентрично расположенного кольца, которое посредством перемычек жестко связано с основной частью корпуса. Это оказывает дополнительное влияние на величину погрешностей формы при обработке внутренних полостей таких корпусов. Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность обработки и снижающих трудоемкость изготовления тонкостенных корпусов, имеющих конструктивные особенности, является актуальной задачей. Так, для сварного корпуса, представленного на рис. 1, такой особенностью является наличие концентрично расположенного кольца, которое посредством 3 перемычек жестко связано с основной частью корпуса. С другой стороны торца имеются три «лапки» (поз. 1, рис. 1), которые выходят за наружный диаметр корпуса сборки. Известным решением для закрепления тонкостенных корпусов являются цанговые патроны. Однако из-за конструктивных особенностей данного сварного корпуса их применение невозможно. Поэтому закрепление проводят в 3-кулачковом патроне со специальными охватывающими секторами. Их наличие позволяет уменьшить величину неизбежной огранки в поперечном сечении тонкостенного сварного корпуса. Тем не менее, на первых этапах при отработке технологии изготовления данного сварного корпуса на станке с ЧПУ модели 16А20Ф3С49 величина этой погрешности достигала 0,12 мм, что превышает допустимое значение. Оценка качества изготовленной в действующем производстве продукции показывает, что усредненная доля годных сварных корпусов (без отклонений сверх допусков по всем размерам), составляет 50 %. Сварные корпуса с исправимым браком составляют 30 %. Из них 12 % требуют исправления, по внутренней резьбе, 18 % – по огранке пояска 105 мм. Около 20 % сварных корпусов получаются с неисправимым браком. Фундаментальные основы точности обработки с учетом технологической наследственности базируются на работах Соколовского А. П., Даль143 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ского А. М., Васильева А. С., Безъязычного В. Ф. [11 – 15]. Отдельные вопросы точности при обработке тонкостенных деталей рассматривались в работах [16 – 17]. Для объяснения причин брака было проведено компьютерное моделирование процесса деформирования при зажиме тонкостенного сварного корпуса, представленного на рис. 1, в патроне. Перед началом моделирования были выделены пять характерных схем, возможных при закреплении корпуса в патроне станка (рис. 2). ния от них, на длину примерно 30 мм, эти погрешности становятся практически незначимыми. То есть она сосредоточена именно на тех участках, где требования наиболее высокие. Внутренняя поверхность представлена совокупностью таких погрешностей, как седлообразность и бочкообразность. Минимальные значения диаметра внутренней поверхности приходятся на сечения, в которых происходит контакт заготовки с зажимными элементами приспособления, а максимальные значения – в средней части и у торцов корпуса (рис. 3). Величина погрешностей формы в продольном сечении связана с переменной жесткостью стенок сварного корпуса, изменяющейся от максимальной в местах соединения перемычек с основной частью корпуса, до минимальной между перемычками. Проведенными измерениями установлено, что средняя величина упругого деформирования профиля поперечного сечения на зажимной технологической базе (105 мм) составляет 0,045 мм. По результатам компьютерного моделирования предложена схема упругих деформаций профиля поперечного сечения сварного корпуса с исходной овальностью технологической базы 0,045 мм на различных стадиях ее изготовления (рис. 4). Рис. 2. Возможные варианты контакта сварного корпуса с кулачками патрона: I – Rдет = Rкул; II – Rдет Rкул; III – Rдет Rкул; IV – сварной корпус с овальностью; V – сварной корпус с огранкой Из первой схемы установки корпуса видно, что прилагаемая нагрузка распределяется равномерно по всей периферии технологической базы. По второй и третьей схеме установки корпуса показано несоответствие радиуса Rдет технологической базы корпуса 1 и внутреннего радиуса Rкул расточки специальных охватывающих кулачков 2. Данные схемы близки к пятой, где трехгранная форма в поперечном сечении технологической базы способствует концентрированию зажимной силы по периферии технологической базы в трёх точках. Четвертая схема учитывает погрешность технологической базы корпуса 1 в виде овальности. Пятая схема учитывает погрешность технологической базы корпуса 1 в виде огранки. Значение силы W от кулачкового патрона, необходимое для проведения моделирования, определяли по зависимости: W Pz где Pz Рыбинск: РГАТУ Рис. 3. Погрешность формы сварного корпуса по результатам моделирования по схемам: а) I; б) IV d1 k [Н], 3 f1 d 2 4580 ai0 ,32 Рис. 4. Форма поперечного сечения сварного корпуса в различном состоянии: а) до закрепления; б) после закрепления; в) после обработки; г) после раскрепления [Н]. V 0,2 Компьютерное моделирование, проведенное в среде SolidWorks, показывает, что наибольшая погрешность формы в поперечном сечении наблюдается у торцов сварного корпуса, а по мере удале- Как видно из схемы, при зажиме корпуса эта погрешность переходит на внутренние обработан- 144 А. С. Ямников, А. О. Чуприков, В. В. Иванов 2014. № 1 (28) ные поверхности (расточенный диаметр и нарезанная резьба СП. УП. 104 3). Получившийся овал в поперечном сечении сварного корпуса на диаметре 105 +0,07 мм выходит за пределы поля допуска на 0,082 мм. Упругие деформации поперечного сечения на пояске 105+0,07 мм сварного корпуса при его закреплении по схеме IV превышают допустимые нормы в 1,3 раза. Далее рассмотрена существующая технология обработки сварного корпуса и проанализированы результаты проведения экспериментов в сравнении с их компьютерным моделированием. Показано, что не меньшее влияние на точность оказывают остаточные напряжения в тонкостенном сварном корпусе после сварочных операций. Несмотря на то, что термическая обработка и правильное ведение сварочного процесса ослабляют их влияние, для минимизации влияния остаточных напряжений необходимо разделять черновое и чистовое растачивание и выполнять их как самостоятельные операции. Однако обработка в такой стадийности не позволила радикально уменьшить упругие деформации поперечного профиля с отклонением от круглости 0,1 мм, что превышает допустимые пределы. Предложено техническое решение, которое заключается в том, что после чернового растачивания (рис. 5, а), сварной корпус закрепляют в патроне с поворотом на 120 (рис. 5, б) и осуществляют чистовое растачивание с последующим нарезанием резьбы. После такой обработки наблюдается погрешность круглоты в форме овала с отклонением 0,05 мм. В данном процессе преобладает явление копирования погрешности – наследование. Неоднозначность силы резания по перемещению является следствием неоднозначности изменения толщины срезаемого слоя. Погрешность формы поперечного сечения сварного корпуса в этом случае будет представлять сумму размахов колебаний инструмента и заготовки в нормальном к ней направлении, т. е. сумму измеренных в том же направлении диаметров их эллиптических траекторий. После раскрепления сварного корпуса получаемая овальность накладывается на такую же овальность, но в другом направлении (рис. 5, в). При этом форма поперечного сечения сварного корпуса получается близкой к окружности. Данное решение наиболее эффективно при обработке сварных корпусов по схеме IV, представленной на рис. 2. Рис. 5. Ориентация сварного корпуса в патроне станка (а) и (б) и интерференция профилей поперечного сечения после обработки (в) Описанный механизм упругих деформаций профиля в поперечном сечении сварных корпусов на внутреннем диаметре 105 +0,07 мм хорошо подтверждается результатами измерения с применением контрольно-измерительной машины (рис. 6). Достоверность результатов компьютерного моделирования также подтверждается их совпадением с результатами эксперимента. Наряду с геометрическими погрешностями рассматриваемого процесса было изучено влияние на точность обработки статических погрешностей, обусловленных упругими деформациями технологической системы под действием зажимной силы P от кулачков патрона. Перед началом проведения эксперимента было выделено несколько схем нагрузки на сварной корпус. Измерение прилагаемой нагрузки проводилось динамометром модели ДС-0,2. Жесткостные характеристики элементов технологической системы снимались по стандартной методике. Рис. 6. Круглограмма внутреннего пояска размером 105 +0,07 мм после чернового и чистового растачивания: а) за одну операцию - = 0,15 мм; б) за две операции с переустановкой с поворотом на 120 - = 0,043 мм 145 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ При сравнении экспериментальных результатов и компьютерного моделирования можно сказать, что они имеют схожий характер. Для уменьшения упругих деформаций профиля сварного корпуса при закреплении в трехкулачковом патроне разработана дополнительная оснастка, в которой цанга используется как устройство, помещенное в полость корпуса. В результате этого, при закреплении в зоне сжатия стенки, показанной встречными стрелками, формируется встречное усилие (рис. 7). Это позволяет минимизировать величину погрешности форм поперечного сечения без переустановки корпуса в патроне станка на 120 [6]. Подводя итоги, можно сказать, что компьютерное моделирование в среде SolidWorks позволяет теоретически обосновать принцип уменьшения систематических погрешностей профиля поперечного сечения тонкостенных сварных корпусов, возникающих при их закреплении в трехкулачковых патронах с широкими кулачками. Анализ результатов компьютерного моделирования показал, что наибольшая погрешность формы в поперечном сечении (овальность, седлообразность и бочкообразность) наблюдается у торцов корпуса, как с перемычками, так и без, а по мере удаления от них, на длину примерно 30 мм, эти погрешности становятся меньше. Минимальные значения диаметра внутренней поверхности приходятся на сечения, в которых Рыбинск: РГАТУ соединяются перемычки с корпусом, а максимальные значения – в средней части и у торцов корпуса. а) б) Рис. 7. Разжимная цанга (а) и схема ее установки (б) в сварном корпусе Разделение черновой и чистовой операции на самостоятельные с переустановкой корпуса с поворотом на 120 уменьшает количество брака по огранке растачиваемого диаметра в 2,25 раза. Библиографический список 1. Ямников А. С., Семин В. В., Логунов В. М. Влияние деформаций тонкостенных резьбовых деталей на точность сборки / Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1991. – № 2. – С. 74 – 82. 2. Динамическая модель виброустойчивости при точении тонкостенных труб многорезцовыми головками / Г. Т. Быков, А. С. Ямников, О. А. Ямникова, Н. Б. Дорохин // СТИН. – 2009. – № 12. – С. 17 – 21. 3. Vibrational stability in turning thin-walled pipe by multicutter heads / G. T. Bykov, A. S. Yamnikov, O. A. Yamnikova, N. B. Dorokhin // Russian Engineering Research. – 2010. – Т. 30. – № 3. – С. 296 – 299. 4. Быков Г. Т., Маликов А. А., Ямников А. С. Определение погрешности базирования тонкостенных цилиндров при установке на цанговую опpавку // Технология машиностроения. – 2010. – № 1. – С. 21 – 24. 5. Ямников А. С., Ямникова О. А. Определение условий виброустойчивого точения нежестких заготовок многорезцовыми головками // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2012. – № 11. – С. 15 – 21. 6. Чуприков А. О., Иванов В. В. Повышение точности токарной обработки тонкостенных деталей // Вестник машиностроения. – 2012. – № 6. – С. 60 – 61. 7. Ямников А. С., Иванов В. В., Чуприков А. О. Снижение систематических погрешностей при токарной обработке тонкостенных сварных корпусов // Справочник. Инженерный журнал. – 2013. – № 9. – С. 31 – 36. 8. ГОСТ 30987-2003 (ИСО 10579:1993). Межгосударственный стандарт Основные нормы взаимозаменяемости. Назначение размеров и допусков для нежестких деталей. Дата введения 2005-01-0. 7 с. 9. Ямников А. С., Дьячков В. С., Семин В. В. Влияние способа установки на точность обработки тонкостенных труб // Исследования в области технологии механической обработки и сборки машин. – Тула: ТПИ, 1979. – С. 125 – 139. 10. А.с. № 676857 (СССР) Способ контроля среднего значения среднего диаметра резьбы на тонкостенных нежестких деталях / А. С. Ямников, В. С. Дьячков, В. В. Семин. Опубликовано в БИ № 28, 1979 г. 11. Соколовский А. П. Расчет точности обработки на металлорежущих станках. – М.: Государственное научнотехническое издательство машиностроительной литературы, 1952. – 289 с. 12. Дальский А. М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. – М.: Машиностроение. 1975. – 225 с. 13. Технология машиностроения: В 2 т. Т 1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов / В. М. Бурцев, А. С. Васильев, А. М. Дальский [и др.]; Под ред. А. М. Дальского. – 2-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 564 с. 146 А. С. Ямников, А. О. Чуприков, В. В. Иванов 2014. № 1 (28) 14. Технология машиностроения: В 2 т. Т 2. Производство машин: Учебник для вузов / В. М. Бурцев, А. С. Васильев, О. М. Деев [и др.]; Под ред. Г. Н. Мельникова. – 2-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 640 с. 15. Безъязычный В. Ф., Козлов В. А. Назначение оптимальных режимов резания с учетом заданных параметров точности обработки и шероховатости обработанной поверхности // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. – 2011. – № 2 (21). – С. 35 – 42. 16. Ямников А. С., Красильников В. М., Киселев В. Н. Процесс малопроходного нарезания резьб на нежестких деталях // Новое в технологии изготовления резьбовых соединений труб. – Челябинск: ЧПИ, 1978. – C. 63 – 66. 17. Ямников А. С. Основы технологии машиностроения: Учебник / Под ред. А. С. Ямникова; Допущен Минобрнауки. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – 269 с. Сведения об авторах Ямников Александр Сергеевич – доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет». E-mail: [email protected] Чуприков Артём Олегович – кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «Тульский оружейный завод». E-mail: [email protected] Иванов Валерий Васильевич – доктор технических наук, профессор, зам. директора по научнотехнологическому развитию ОАО «Тульский научно-исследовательский технологический институт». E-mail: [email protected] Yamnikov, Alexander Sergeevich – Doctor of Engineering, full professor, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Tulsky State University», Tula. E-mail: [email protected] Chuprikov, Artyom Olegovich – Cand. Sc. (Engineering), Chief of Department, JSC «Tulsky Oruzheiny Zavod» (Tula Arms Plant). E-mail: [email protected] Ivanov, Valery Vassilievich – Doctor of Engineering, full professor, Deputy Director for scientific-technological development, OJSC «Tula Technology Research and Development Institute». E-mail: [email protected] 147 ГУМАНИТАРНЫЕ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ HUMANITARIAN, SOCIAL AND ECONOMIC SCIENCES УДК 621.396.96 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДИКИ СОПРЯЖЕННОЙ ТРЕНИРОВКИ ДЛЯ СОТРУДНИКОВ УЗЛОВ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ АКРОБАТИЧЕСКИХ И ПЛИОМЕТРИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ 1 2 А. В. БОРИСОВ1, Н. Т. КОСЯШНИКОВ2, А. В. БУРИКОВ1, 2014 Ярославский филиал Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» В работе представлены материалы исследований внедрения сопряженной тренировки физических способностей, на основе специальных акробатических и плиометрических упражнений, в процесс физической подготовки сотрудников узлов связи. ФИЗИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА, СПЕЦИАЛЬНЫЕ АКРОБАТИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ, ПЛИОМЕТРИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ, УЗЕЛ СВЯЗИ СOMMUNICATION CENTRES EMPLOYEES COMBINED TRAINING SYSTEM ON THE BASIS OF SPECIAL ACROBATIC AND PLYOMETRIC EXERCISES 1 2 A. V. BORISSOV1, N. T. KOSYASHNIKOV2, A. V. BURIKOV1, 2014 Military-Space Academy named after A. F. Mozhaysky, Yaroslavl branch Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper introduces research results concerning implementation of communication centers employees combined training system on the basis of special acrobatic and plyometric exercises. The system is aimed at personnel physical conditions improvement. PHYSICAL TRAINING, SPECIAL ACROBATIC EXERCISES, PLYOMETRIC EXERCISES, COMMUNICATION CENTRE Актуальность исследуемой проблемы. Сотрудники узлов связи являются одними из основных фигур в обеспечении боевых действий всех видов вооруженных сил [2] и должны соответствовать, во всех аспектах, требованиям, определяемым современными особенностями ведения общевойскового боя. Их профессиональными качествами, по мнению многих авторов, являются: высокий уровень физической подготовленности, надежность действий в условиях дефицита времени и недостатка вспомогательной информации, координация действий [1, 2, 3, 6]. Анализ учебно-боевой деятельности показывает, что требования о регулярности и непрерывности тренировочного процесса физической подготовки не свойственны личному составу специалистов-связистов, т. к. периоды регулярной физической тренировки чередуются с длительными периодами практически полного отсутствия тренировочных нагрузок [9, 10, 11, 13]. В реальных условиях служебной деятельности отмечаются резкие колебания уровня их физической подготовленности, общего состояния и здоровья, что сказывается на уровне военно-профессиональной подготовленности [1, 2]. 148 А. В. Борисов, Н. Т. Косяшников, А. В. Буриков 2014. № 1 (28) В связи с этим, поиск новых средств и методов физической подготовки в процессе учебных занятий, которые смогли бы повысить их эффективность в современных программах тренировки, является актуальной задачей педагогической системы Российского образования учебных заведений [3, 4, 5, 6, 12]. Цель и задачи исследования. В рамках научного эксперимента проверить эффективность использования сопряженной тренировки физических способностей сотрудников узлов связи на основе специальных акробатических и плиометрических упражнений для повышения уровня их военно-профессиональной подготовленности. Материал и методика исследований. В эксперименте приняли участие 89 человек, 45 сотрудников составили экспериментальную группу (ЭГ), 44 сотрудника вошли в контрольную группу (КГ). Возраст участников эксперимента 18 – 22 года. Все участвующие в эксперименте связисты в настоящее время работают по контракту на узлах связи в воинских частях Российской Федерации. На момент проведения эксперимента проходили обучение на курсах повышения квалификации в филиале Военной космической академии им. А. Ф. Можайского в г. Ярославле. За время проведения исследования, согласно плана учебной программы, по дисциплине «Физическая культура» с экспериментальной группой (ЭГ) и контрольной группой (КГ) было проведено 30 занятий по физической подготовке. Контрольная группа занималась по общепринятой методике, включенной в программу обучения, а занятия с экспериментальной группой проводились в соответствии с программой педагогического эксперимента, разработанного для каждого занятия. Для сравнения результатов испытуемых ЭГ и КГ были выполнены следующие мероприятия: до и после экспериментального периода обучения с ними были проведены контрольные занятия по физической подготовке (ФП), во время проведения которых была произведена проверка выполнения ими физических упражнений, по определению уровня развития основных и специальных физических качеств (табл. 1, 2), после чего было проведено сравнение полученных результатов. Для оценки эффективности занятий по физической подготовке исследовалась динамика изменения показателей военно-профессиональной деятельности испытуемых КГ и ЭГ до и после научного эксперимента, проводимого по плану подготовки. Таблица 1 Показатели физической подготовленности испытуемых ЭГ в начале и в конце экспериментального периода Исследуемые показатели Бег 100 м Бег 4 100 м Прыжки вверх с места Единица измерения с с см Начало Хср m Конец Хср уm Величина различий Уровень значимости 14,27 0,51 72,63 3,31 49,1 6,94 13,61 0,63 69,25 1,08 55,9 8,56 0,66 3,35 6,6 0,05 0,05 0,05 Бег на 3000 м Подтягивание на перекладине Перемещение по гимнастическому бревну Акробатическое упражнение с кол-во раз 700,5 54,5 14,5 3,40 675,3 39,50 15,8 2,42 25,3 1,5 0,05 0,05 с 1108 25,64 1120 48,5 12 0,05 с 615,1 17,93 630,6 28,32 с кол-во м 143,2 6,4 35,46 2,14 26,76 3,25 138,7 5,73 34,45 2,71 25,38 4,51 630,6 28,32 3,7 1,02 1,39 0,05 Фиксация стойки Метание гранаты на точность Метание гранаты на дальность 0,05 0,05 0,05 Таблица 2 Показатели физической подготовленности испытуемых КГ в начале и в конце экспериментального периода Бег 100 м Единица измерения с 13,90 0,44 13,87 0,52 Величина различий 0,05 Бег 4 100 м Прыжки вверх с места с см 72,18 3,43 51,3 5,76 71,65 2,99 52,5 4,85 0,5 1,0 0,05 0,05 Бег на 3000 м Подтягивание на перекладине Перемещение по гимнастическому бревну с кол-во раз с 699,8 24,08 12,3 2,18 8,3 1,52 682,4 24,1 13,6 1,15 7,6 1,38 17,7 1,2 0,69 0,05 0,05 0,05 Акробатическое упражнение Фиксация стойки Метание гранаты на точность с с кол-во раз 40,2 6,74 3,28 0,78 14,3 3,39 40,16 5,39 3,32 0,78 12,5 2,20 0,08 0,03 1,7 0,05 0,05 0,05 Метание гранаты на дальность м 72,59 3,31 72,17 3,40 0,45 0,05 Исследуемые показатели Начало Хср m Конец Хср m 149 Уровень значимости 0,05 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ личилась доля используемых защитных действий организма, а в КГ общая структура используемых элементов не изменилась. Эти результаты указывают на положительное влияние методики сопряженной тренировки физических способностей, которые позволяют выполнять более адекватные защитные движения в различных условиях. Таким образом, экспериментальная методика способствовала росту эффективности повышения уровня физической подготовленности специалистов узлов связи. Мы полагаем, что повышение уровня физической подготовленности специалистов произошло за счёт правильного подбора физических упражнений в процессе занятий по физической подготовке в экспериментальной группе, что определило рост коэффициента их физической подготовленности. Резюме. Моделирование физической подготовки с использованием тренировочных нагрузок привел к положительной динамике исследуемых показателей физической подготовленности специалистов. По результатам проведенного эксперимента была разработана экспериментальная программа развития и совершенствования основных физических и профессиональных качеств специалистовсвязистов. В результате получены более высокие величины прироста отдельных показателей физической подготовленности у испытуемых ЭГ по сравнению с КГ. В целом анализ результатов, полученных в ходе проведения педагогического эксперимента, подтвердил важность совершенствования основных физических качеств специалистов, необходимых им для повышения эффективности их военнопрофессиональной подготовки. Разработанная нами экспериментальная программа по физической подготовке позволяет, в рамках отводимого бюджета времени, значительно повысить уровень физической подготовленности специалистов. Результаты исследований и их обсуждение. Исследование уровня физической подготовленности сотрудников узлов связи происходило посредством выполнения испытуемыми физических упражнений, характеризующих преимущественное развитие того или иного физического качества. Для повышения уровня развития основных групп мышц были отобраны и включены в учебную программу упражнения, каждое из которых характерно относительно избирательным воздействием на определенное физическое качество. Для определения эффективности авторской методики были использованы следующие методы исследования: анализ научной и методической литературы; педагогическое наблюдение; педагогический эксперимент; методы математической статистики, а также следующие физические упражнения: 1) бег на 100 м; 2) бег на 3000 м; 3) прыжок вверх с места; 4) подтягивание на перекладине; 5) челночный бег 4 100 м; 6) перемещение по гимнастическому бревну (20 м с 4 сменами направления движения); 7) выполнение акробатического упражнения (пробежать 10 м, выполнить 2 кувырка вперед, 2 кувырка назад, пробежать 10 м в обратном направлении); 8) фиксация стойки в статических и динамических положениях; 9) метание гранаты на точность (после выполнения 5 кувырков вперед, 5 кувырков назад, выполняемых в течение 1 мин); 10) метание гранаты на дальность (табл. 1, 2). Использование экспериментальной методики выявило существенный эффект при совершенствовании физической подготовленности специалистов-связистов, особенно в исполнении основных функциональных обязанностей. Проведение анализа служебной деятельности до проведенного эксперимента выявило, что эффективность выполнения специалистами поставленных задач в начале дежурства значительно уступает эффективности их выполнения в конце дежурства в обеих группах. После эксперимента в ЭГ значительно уве- Библиографический список 1. Концепция модернизации российского образования. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.edu.ru/db/ mo/Data/d_02/393.html. 2. Концепция информатизации системы военного образования Министерства обороны Российской Федерации. – М.: МО РФ, 2000. – 10 с. 3. Мордвинов В. Ф. Об информатизации системы военного образования // Военная мысль. – 2006. – № 4. – С. 25 26. 4. Горбенко С. И. Управление качеством подготовки специалистов в условиях стандартизации образования: Автореф. дисс. канд. пед. наук. – Ставрополь, 2002. 22 с. 5. Корабельников А. А. Еще один взгляд на систему подготовки военных специалистов // Военная мысль. – 2004. – № 6. – С. 47 50. 6. Владимиров А. И. Об инновационных Вооруженных Силах России, национальной военной мысли, военной науке и профессиональном военном образовании [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.kadet.ru/lichno/vlad_v/Ob_innov_VSRF.htm. 150 Е. В. Тарасова, Е. Н. Никулина 2014. № 1 (28) 7. Мельков С. А., Петрунин А. В. Информационная деятельность российского военного ведомства на современном этапе [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.mstu.edu.ru/science/conferences/nio2005/ section_16. 8. Статистические методы повышения качества / Под ред. Хитоси Куме. – М.: Финансы и статистика, 1990. 301 с. 9. Талызина Н. Ф. Управление процессом усвоения знаний. – М.: МГУ, 1984. 344 с. 10. Чигирев В. А., Селегень В. П., Крюков М. П. Теоретические основы и методы совершенствования управления подготовкой специалистов. – М.: МО СССР, 1990. 864 с. 11. Морозов Л. М. и др. Методологические основы теории эффективности: Учебное пособие. Ч. I. – Л.: ВИКИ им. А. Ф. Можайского, 1982. 236 с. 12. Денисов А. А., Колесников Д. Н. Теория больших систем управления. – Л.: Энергоиздат, 1982. 288 с. 13. Черепанов В. С. Экспертные оценки в педагогических исследованиях. – М.: Педагогика, 1989. 152 с. Сведения об авторах Борисов Александр Викторович – кандидат педагогических наук, доцент Ярославского филиала Военнокосмической академии им. А. Ф. Можайского. Косяшников Николай Трофимович – заведующий кафедрой физической культуры ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». E-mail: [email protected] Буриков Александр Владимирович – кандидат биологических наук, профессор Ярославского филиала Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского. Borissov, Alexander Viktorovich – Cand. Sc. (Education), associated professor, Military-Space Academy named after A. F. Mozhaysky, Yaroslavl branch. Kosyashnikov, Nikolay Trofimovich – HoD, Physical Training Dep-t, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] Burikov, Alexander Vladimirovich – Cand. Sc. (Biology), full professor, Military-Space Academy named after A. F. Mozhaysky, Yaroslavl branch. УДК 336.6 (075.8) ТЕХНОЛОГИЯ КОММЕРЧЕСКОЙ И ИННОВАЦИОННОЙ ОЦЕНКИ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ В АВИАЦИОННОЙ ОТРАСЛИ Е. В. ТАРАСОВА, Е. Н. НИКУЛИНА, 2014 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ В статье рассмотрены особенности инвестиционных проектов, реализуемых на предприятиях авиационной отрасли. Предложена классификация проектов и определены показатели и технология экономической и инновационной оценки для проектов различных классификационных групп. АВИАЦИОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, ИНВЕСТИЦИОННЫЙ ПРОЕКТ, ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ, КОММЕРЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ИННОВАЦИОННАЯ ОЦЕНКА COMMERCIAL AND INNOVATIVE ESTIMATION OF INVESTMENT PROJECTS TECHNOLOGY (AVIATION SPHERE) E. V. TARASOVA, E. N. NIKULINA, 2014 Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI The paper considers singularities of investment projects to be implemented at aviation branch enterprises. The paper offers projects classification as well as defines parameters and technology for economic and innovative estimation of various classification groups projects. 151 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Рыбинск: РГАТУ AVIATION INDUSTRY, INVESTMENT PROJECT, ECONOMIC EFFICIENCY, COMMERCIAL EFFECTIVENESS, INNOVATION ESTIMATION Для каждой отрасли существуют определенные особенности оценки эффективности инвестиционных проектов. Эти особенности определяются такими факторами, как: – технологические характеристики объекта инвестирования; – состав и форма взаимодействия участников проекта; – законодательная база, относящаяся к данной отрасли; – рыночная ситуация в отрасли. Авиационная промышленность является одной из самых масштабных отраслей в высокотехнологичном секторе российской экономики. Международная конкуренция в области авиастроения формирует постоянно возрастающие требования к авиационной технике по параметрам надежности, безопасности и экономичности. Основная задача, стоящая в настоящее время перед предприятиями авиационной промышленности, – повышение конкурентной позиции на мировом авиарынке. Достижение такого результата требует модернизации производственных мощностей, предъявления на рынок совершенно новых конкурентоспособных продуктов, проведения маркетинговой политики качественно нового уровня. Многие предприятия отрасли обладают высокой инновационной активностью, реализуя инвестиционные проекты, направленные на освоение новой продукции и внедрение новых технологий. Для реализации намеченных планов необходим значительный объем денежных ресурсов, т. к. авиационная промышленность является очень наукоемкой и затратной. Стратегия финансирования инвестиционных проектов в авиационной промышленности предполагает привлечение нескольких источников денежных ресурсов, это средства государственного бюджета и частного сектора, а также привлечение иностранных инвесторов с ограничением доли владения. Общий принцип финансирования: снижение государственной доли участия при снижении рисков инвестиционного проекта. Обычно доля государства варьируется от 20 до 100 % в инвестиционных затратах. Проекты в области авиастроения отличаются повышенным уровнем риска. Продукция авиационных заводов – самолеты, вертолеты и летательные аппараты различного класса и назначения – представляют собой сложные с технической точки зрения объекты. Создание любого продукта является наукоемким и трудоемким процессом, требующим разработки новаторских технологий и принципиально новых производств. Поэтому растут проектные и финансовые риски, возрастает по- требность в более точной экспертной оценке рисков проекта. Разработка методов оценки коммерческой эффективности инвестиционных проектов, реализуемых на авиационных предприятиях, требует решения следующих задач: 1) выявление особенностей, присущих проектам в авиационной промышленности, их классификация; 2) изучение существующих методов оценки экономической эффективности инвестиционных вложений; 3) изучение методов анализа уровня риска инвестиционных проектов; 4) изучение особенностей оценки инноваций; 5) разработка экономических моделей оценки проектов различных классов с учетом их особенностей. В данный момент на авиационных заводах реализуются инвестиционные проекты параллельно в трех направлениях: – модернизация авиационной компоненты вооруженных сил и создание перспективных продуктов для мировых рынков авиационных вооружений; – создание конкурентоспособных гражданских продуктов и системы их продвижения на авиарынки; – модернизация научно-исследовательской, конструкторской и производственной инфраструктуры авиационной промышленности. Данные проекты можно разделить на следующие группы. 1. По сроку реализации – краткосрочные (до 1 года); среднесрочные (от 1 до 3 лет); долгосрочные (свыше 3 лет). 2. По масштабам: - малые проекты, действие которых ограничивается рамками одной компании. В основном это проекты расширения производства и увеличение ассортимента выпускаемой продукции. Их отличают сравнительно небольшие сроки реализации; - средние проекты, направленные на реконструкцию и перевооружение существующего производства. Они реализуются поэтапно, по отдельным производствам, в соответствии с разработанным графиком; - крупные проекты, в основе которых лежит прогрессивная идея производства новой продукции, необходимой для удовлетворения спроса на внутреннем и внешних рынках; - целевые инвестиционные программы, содержащие множество взаимосвязанных отдельных 152 Е. В. Тарасова, Е. Н. Никулина 2014. № 1 (28) проектов. Такие программы могут быть международными, государственными и региональными. 3. По основной направленности: - коммерческие проекты, главная цель которых получение прибыли; - социальные проекты, направленные на решение государственных и региональных социальных проблем. 4. По уровню риска: - надежные проекты, характеризующиеся высокой вероятностью получения гарантированного результата (расширение действующего производства); - рискованные проекты, для которых характерна высокая степень неопределенности как затрат, так и результатов (новые производства, новые технологии, новые продукты). Для каждой группы проектов должна быть разработана отдельная модель оценки эффективности инвестиционных вложений. Эффективность инвестиционных проектов, в свою очередь, подразделяется на общественную (народно-хозяйственную и бюджетную) и коммерческую. Коммерческая эффективность делится на экономическую и финансовую эффективность (реализуемость проекта). На показатели эффективности проекта влияет также точка зрения оценщика. Проект может оценивать само предприятие, внешний инвестор, банк, лизинговая компания или государственное учреждение, если предполагается государственная поддержка проекта. Расчет показателей народно-хозяйственной эффективности осуществляется с учетом прямых, сопутствующих, сопряженных и прочих инвестиционных затрат. Прямые инвестиции представляют собой вложения, необходимые непосредственно для реализации инвестиционного проекта. Так, например, прямые капитальные вложения включают в себя затраты на строительномонтажные работы, приобретение оборудования, инструмента и инвентаря, а также прочие работы и затраты (отвод земли для размещения сооружений, средства на выполнение проектно-изыскательских и научно-исследовательских работ и т. д.). Сопутствующие инвестиции – вложения в другие объекты, строительство (или реконструкция) которых необходимо для нормального функционирования основного объекта. Эти вложения могут быть, например, обусловлены развитием инфраструктуры сооружаемых объектов. Сопряженные инвестиции – инвестиции в смежные отрасли народного хозяйства, обеспечивающие основными и оборотными фондами строительство (реконструкцию) и последующую эксплуатацию объектов. Прочие инвестиции включают в себя затраты на проезд работников и их семей на новостройки, на подготовку кадров строителей и эксплуатационников, расходы на консервацию высвобождающихся основных фон- дов, на увеличение оборотных средств предприятий и другие (прочие) единовременные затраты. Показатели бюджетной эффективности отражают финансовые последствия реализации инвестиционных проектов для федерального, регионального или местного бюджета. Показатели бюджетной эффективности определяются с учетом превышения доходов над расходами. Бюджетная эффективность оценивается по требованию органов государственного или регионального участия. В соответствии с этими требованиями может определяться бюджетная эффективность для бюджетов различных уровней. К притокам средств, применяемых для расчета бюджетной эффективности, относятся: 1) приток от налогов, акцизов, пошлин, сборов, а также других отчислений согласно действующему законодательству; 2) доходы от лицензирования конкурсов и тендеров на разведку, строительство и эксплуатацию объектов, предусмотренных проектом; 3) платежи в погашение налоговых кредитов; 4) экономия от снижения эксплуатационных затрат для новых моделей авиационной техники. К оттокам бюджетных средств относятся: 1) предоставление бюджетных ресурсов на условиях закрепления собственности соответствующего органа управления; 2) предоставление бюджетных ресурсов в виде инвестиционных кредитов; 3) предоставление бюджетных средств на безвозмездной основе. Отдельно рекомендуется учитывать, вопервых, налоговые льготы, отражающиеся в уменьшении поступлений от налогов и сборов (в этом случае оттоков не возникает, но уменьшаются притоки), во-вторых, государственные гарантии займов и инвестиционных рисков. Оттоки при этом отсутствуют, однако появляются дополнительные притоки за счет оплаты гарантий. Основным показателем бюджетной эффективности является чистый дисконтированный доход бюджета (ЧДДб). При наличии бюджетных оттоков возможно определение внутренней нормы доходности (ВНДб) бюджета. В случае предоставления государственных гарантий для анализа и отбора независимых проектов при заданной суммарной величине гарантий, наряду с ЧДДб существенную роль может играть также индекс доходности гарантий (ИДГ) – отношение ЧДДб к величине гарантий (в случае необходимости – дисконтированной). Показатели коммерческой эффективности учитывают финансовые последствия реализации инвестиционных проектов для их непосредственных участников. Коммерческая эффективность может рассчитываться как для проекта в целом, так 153 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) и для отдельных участников. Коммерческая эффективность предполагает анализ денежного потока от инвестиционной, операционной или финансовой деятельности. Оценка коммерческой привлекательности инвестиционного проекта включает два основных направления, которые кратко можно обозначить как «финансовая состоятельность» (финансовая оценка) и «экономическая эффективность». Оба указанных подхода взаимно дополняют друг друга. В первом случае анализируется лик- Рыбинск: РГАТУ видность (платежеспособность) проекта в ходе его реализации и влияние проекта на показатели финансовой эффективности предприятия-инвестора. Во втором – акцент ставится на потенциальной способности проекта сохранить покупательную ценность вложенных средств и обеспечить достаточный темп их прироста. На рис. 1 представлены основные методы и критерии оценки коммерческой эффективности инвестиционных проектов [2]. КОММЕРЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНВЕСТИЦИОННОГО ПРОЕКТА ФИНАНСОВАЯ ОЦЕНКА (ФИНАНСОВАЯ СОСТОЯТЕЛЬНОСТЬ) Отчет о прибыли Отчет о движении денежных средств ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА (ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНВЕСТИЦИЙ) Простые (статические) методы Методы дисконтирования (динамические) Простая норма прибыли (ARR) Срок окупаемости (PP) Текущая стоимость проекта (NPV) Внутренняя норма прибыли (IRR) Рентабельность инвестиций (PI) Баланс Финансовые показатели (ROA, ROE) Рис. 1. Методы оценки инвестиционных проектов В теории все методы оценки экономической эффективности инвестиций подразделяются на две основные группы: статические (бухгалтерские) и динамические (дисконтные). Статические методы не учитывают влияние фактора времени и доходности альтернативных вложений капитала. Динамические учитывают влияние временного фактора и основаны на теории дисконтированного денежного потока DCF (Discounted Cash Flow). В авиационной отрасли существуют краткосрочные инвестиционные проекты с жизненным циклом до одного года, которые финансируются за счёт собственных средств и реализуются в стабильных экономических условиях. Для таких проектов вполне возможно принятие решения на основе статических критериев (PP и ARR). Среднесрочные и долгосрочные инвестиционные проекты оцениваются с помощью динамических критериев эффективности. Кроме коммерческой привлекательности инвестиционных проектов, на предприятиях авиастроения необходимо учитывать изменение внутрихозяйственных результатов функционирования производства при внедрении улучшающих технологий и новых продуктов. Показатели эффективности инноваций можно разделить на две группы. Первая группа показателей характеризует рост конкурентоспособности предприятия, а показатели второй группы указывают на повышение инновационного потенциала компании. Конкурентоспособность предприятия растет, если оно реализует мероприятия, направленные на снижение производственных издержек. Обобщающим показателем роста конкурентоспособности может служить показатель снижения затрат на 1 р. реализованной продукции. Данный показатель рассчитывается по формуле Ес = C1 / C0 100 %, (1) где C1 и C0 - затраты на один рубль реализованной продукции в отчетном и базисном году соответственно. Частные показатели первой группы характеризуют эффективность использования различных групп производственных ресурсов на предприятии. К таким показателям относятся [3]: – относительная экономия материальных затрат и энергоресурсов на производство продукции в стоимостном выражении; – относительная экономия затрат на оплату труда за счет внедрения инвестиционного проекта с элементами инноваций. Повышение инновационного потенциала предприятия может характеризовать прирост объектов интеллектуальной собственности, созданных 154 Е. В. Тарасова, Е. Н. Никулина 2014. № 1 (28) в процессе реализации инвестиционного проекта [1]. Во вторую группу показателей можно включить: – прирост рыночной и балансовой стоимости нематериальных активов предприятия; – прирост коэффициента обеспеченности интеллектуальной собственностью, который рассчитывается по формуле: пользовать альтернативный подход, основанный на неравенстве Чебышева: P NPV m k k2 , (4) где k – параметр; m – математическое ожидание NPV; 2 - дисперсия NPV. При k = 3 правая часть данного неравенства имеет порядок 0,1. Поэтому считается, что интервал m 3 содержит в себе наиболее вероятные значения NPV (правило трех сигм). Данный интервал называется доверительным. Чем меньшая часть доверительного интервала оказывается в отрицательной области, тем меньше риск проекта. Для вычисления меры риска проекта в первую очередь необходимо выделить возможные варианты его развития. Таких вариантов по годам реализации обычно рассматривается конечное число. После этого назначаются вероятности реализации каждого варианта. Такие варианты называются сценариями, а сама методика – анализом сценариев будущего развития или сценарным подходом. Предварительный отбор сценариев требует качественного анализа ситуации и, возможно, дополнительных исследований. Это ключевой этап анализа сценариев, поскольку результаты расчетов существенно зависят от предпосылок и выводов, сделанных на этом этапе. Обычно выделяют: – «оптимистический», или «благоприятный», сценарий, предполагающий наиболее благоприятное развитие событий, – «пессимистический», или «неблагоприятный», сценарий, предполагающий наихудшее стечение обстоятельств, – один или несколько промежуточных сценариев, называемых «реальными», или наиболее вероятными. «Оптимистический» и «пессимистический» сценарии задают границы возможных результатов, а промежуточные более активно используются для принятия решений. Основные отличительные особенности сценарного подхода: – число сценариев ограничено, что требует их предварительного качественного отбора; – сценарии рассматриваются в течение всего срока реализации проекта, изменение условий реализации по периодам не учитывается; – вероятность реализации того или иного сценария относится к его осуществлению в целом. Достоинства сценарного подхода: – глубокий предварительный качественный анализ инвестиционного проекта; – анализируются только те варианты, которые для лица, принимающего решения, представляются важными, что позволяет избежать механи- IP , (2) FA где FA – стоимость прочих постоянных активов; IP – стоимость объектов интеллектуальной собственности. Данный коэффициент определяет наличие у предприятия интеллектуальной собственности и прав на нее в виде патентов, лицензий, свидетельств на промышленные образцы, полезные модели, программные продукты и товарные знаки. Рост коэффициента говорит о повышении оснащенности предприятия интеллектуальным капиталом, необходимым для эффективного инновационного развития. Расчет показателей риска необходим для инвестиционных проектов, направленных на внедрение передовых технологий и освоение новых продуктов. Под проектными рисками понимается, как правило, предполагаемое ухудшение итоговых показателей эффективности проекта, возникающее под влиянием неопределенности. В количественном выражении риск обычно определяется как изменение численных показателей проекта: NPV, IRR, PI и срока окупаемости. Риск инвестиционного проекта обусловлен тем, что в предварительные расчеты закладываются прогнозные значения ставки дисконтирования и показателей денежных поступлений, зависящие от ряда неопределенных параметров: цен, объема продаж, инвестиционных и текущих затрат и т. д. Проект считается экономически эффективным, если чистая приведенная стоимость проекта (NPV) положительна. При наличии указанных выше факторов неопределенности это условие может оказаться невыполненным. Поэтому для оценки риска инвестиционного проекта можно использовать следующую естественную меру риска: KI Risk P ( NPV 0) , 1 (3) где Risk - численное значение меры риска; Р – вероятность наступления события, указанного в скобках. Часто оказывается, что эта мера риска может быть оценена лишь косвенно из-за отсутствия достоверной информации о вероятностных распределениях факторов неопределенности. Поэтому на практике вместо значения меры Risk принято ис- 155 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ческого перебора всех возможных сочетаний параметров денежного потока. Провести оценку риска и доверительного интервала можно на основе анализа значений показателя NPV при развитии различных сценариев реализации проекта. Общий риск инвестиционного проекта рассчитывается на основе сложения вероятностей, при которых NPV будет отрицательным. Risk Pk ; CV (5) n (6) k 1 n 2 σ 2 NPVk m ; , m (8) где Pk – вероятность наступления события k; NPV – чистая текущая стоимость проекта; m – математическое ожидание NPV; 2 – дисперсия NPV; CV – коэффициент вариации, характеризующий долю риска, приходящуюся на единицу дохода. В целом, метод сценариев позволяет получать достаточно наглядную картину для различных вариантов реализации проектов, а также предоставляет информацию о чувствительности проекта к изменению входных параметров и о возможных отклонениях в показателях доходности. Модели оценки инвестиционных проектов представлены в табл. 1. NPV 0 m NPVk Pk ; Рыбинск: РГАТУ (7) k 1 Таблица 1 Модели оценки эффективности проектов, относящихся к различным квалификационным группам Категория проекта Малые проекты Средние проекты Крупные проекты Целевые инвестиционные программы Характеристика проекта Действие проекта ограничивается рамками одной компании, срок реализации до одного года. Цель – расширение производства и увеличение ассортимента продукции Реконструкция и перевооружение существующего производства Разработка и освоение производства новой продукции Множество взаимосвязанных инвестиционных проектов Источники финансирования Собственные средства предприятия Уровень риска проекта Надежный проект Состав показателей эффективности PP, ARR Показатели риска Собственные средства предприятия, коммерческие кредиты и займы Средства государственного бюджета, собственные средства предприятия, коммерческие кредиты и займы Средства государственного и местных бюджетов, средства юридических лиц (частногосударственное партнерство) Средний уровень риска PP, NPV, IRR, PI, Ес, KI Risk, m, , CV Высокий уровень риска ЧДДб, ВНДб, ИДГ, PP, NPV, IRR, PI, Ес, KI Risk, m, , CV Высокий уровень риска Прямые, сопутствующие, сопряженные и прочие инвестиционные затраты, экономические и социальные последствия реализации целевой программы Перечень возможных рисков и мероприятия по их страхованию и хеджированию – Библиографический список 1. Трифилова А. А. Оценка эффективности инновационного развития предприятия. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 304 с. 2. Трошин А. Н., Никулина Е. Н., Тарасова Е. В., Фомкина В. И. Финансовая математика для инвестора: - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. – 184 с.: ил. 3. Яшин С. Н., Кошелев Е. В., Макаров С. А. Анализ эффективности инновационной деятельности. – СПб.: БХВ – Петербург, 2012. – 283 с. Сведения об авторах Тарасова Елена Владимировна – кандидат экономических наук, доцент Московского авиационного института (национальный исследовательский университет), МАИ. E-mail: [email protected], [email protected] Никулина Елена Николаевна – кандидат экономических наук, доцент Московского авиационного института (национальный исследовательский университет), МАИ. E-mail: [email protected], [email protected] 156 Н. В. Горячева 2014. № 1 (28) Tarasova, Elena Vladimirovna – Ph.D. in Economics, associated professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI. E-mail: [email protected], [email protected] Nikulina, Elena Nikolaevna – Ph.D. in Economics, associated professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI. E-mail: [email protected], [email protected] УДК 658.562 ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ ПЕРСПЕКТИВНОМ ПЛАНИРОВАНИИ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ (APQP) Н. В. ГОРЯЧЕВА, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Определены особенности параллельной инженерной разработки изделий в процессе перспективного планирования качества продукции (процесс APQP по ГОСТ Р 51814.6-2005) с точки зрения информационного взаимодействия участников этого процесса. APQP-ПРОЦЕСС, ИНФОРМАЦИЯ, ЗАДАЧИ, ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ, APQP-КОМАНДА SINGULARITIES OF INFORMATIONAL INTERACTING AT ADVANCED PRODUCT QUALITY PLANNING (APQP) N. V. GORYACHEVA, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper defines singularities of articles parallel engineering development in course of advanced product quality planning (APQP-process, in accordance with GOST Р 51814.6-2005) from participants of this process informational interacting point of view. APQP-PROCESS, INFORMATION, TASKS, DECISION MAKING, APQP-TEAM Организация проектирования новых изделий методом параллельной инженерной разработки имеет три важнейших особенности: совместная работа над решением задач, возникающих при разработке, различных заинтересованных специалистов, служб и отделов; в значительной степени одновременное (параллельное) решение задач проектирования и разработки при тесной информационной взаимосвязи ее участников; командная работа. Совместная работа означает, что различные субъекты, вовлеченные в процесс, начиная с разработки концепции изделия до его поставки, должны работать в тесном сотрудничестве. Это исключает автономную работу отдельных участников проектирования и разработки изделий без контакта с другими участниками. Основное объяснение такому положению заключается в том, что подавляющее большинство решаемых задач взаимозависи- мы. Их эффективное решение не может быть выполнено изолированно, т. к. они представляют собой важнейшие информационные источники, которые и обеспечивают эффективное решение других взаимосвязанных задач. Одновременное выполнение решаемых задач (параллелизм) существенно сокращает сроки разработки. Это достигается как за счет физического сокращения сроков по сравнению с последовательной разработкой, так и в значительной степени за счет резкого сокращения ошибок проектирования, исключения последующих доработок предложенной конструкции или технологии ее изготовления. В последнее время все чаще встречается аббревиатура APQP – Advanced Product Quality Planning, наиболее известный перевод которой «Перспективное планирование качества продукции» [1]. APQP – документ, в котором описаны требования к процессу разработки и постановки 157 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) продукции на производство. То есть это западный аналог отечественных стандартов на разработку и постановку продукции на производство, основным из которых является ГОСТ Р 15.201-2000 [2]. В июле 2005 г. был утвержден ГОСТ Р 51814.6-2005 [3], идентичный по требованиям документу APQP. Рыбинск: РГАТУ И в этом стандарте, и в документе APQP представлен временной график планирования качества, т. е. график осуществления процесса APQP (рис. 1). На нем схематично представлено параллельное или последовательно-параллельное осуществление этапов. Планирование и разработка концепции Планирование Проектирование и разработка продукции Проектирование и разработка процессов Окончательная подготовка производства Производство Оценка результатов, удовлетворенности потребителя. Корректирующие действия, обратная связь Рис. 1. Временной график планирования качества Но, несмотря на изображение параллельного выполнения этапов «Проектирование и разработка продукции» и «Проектирование и разработка процессов», в п. 7.1 [3] указано, что «задачи, которые должны выполняться на 3-м этапе, зависят от успешного окончания предыдущих этапов». Тем самым подчеркивается последовательное выполнение этих этапов. Автором дана краткая характеристика этапов APQP и определены особенности APQP-процесса с точки зрения его информационного обеспечения. Этап 1. Планирование и разработка концепции Как было указано выше, одной из особенностей параллельной инженерной разработки и его конкретного практического воплощения APQPпроцесса является коллективная работа. Для этого необходимо сформировать группу (временный коллектив, проектную команду), которую чаще всего называют межфункциональной APQPкомандой. Она должна иметь в своем составе представителей служб, которые существенным образом влияют на выполнение APQP-процесса (службы маркетинга, проектирования, производства, управления качеством, управления материальнотехническим снабжением, сбыта и т. п.). При необходимости в состав команды могут приглашаться представители потребителя или других заинтересованных сторон, например предприятий-поставщиков. Это объясняется необходимостью иметь возможность интенсивного информационного обмена между всеми участниками APQP-процесса. Только наличие своевременной и достоверной информации по всем аспектам, касающимся будущего изделия, является обязательной предпосылкой реализации преимуществ параллельной инженерной разработки. Другой информационной особенностью APQP-процесса является связь с внешними источниками информации. Это касается учета мнения потребителей при формировании технических требований к будущему изделию и информации о состоянии рынка, технических характеристиках изделий конкурентов и т. д. Ошибки информационного обеспечения очень дорого обходятся предприятию. Ниже перечислены основные «информационные опасности» для предприятий, источник которых кроется в неадекватном информационном обеспечении этапа планирования, разработки концепции и формирования плана обеспечения качества изделий: – потребитель очень часто не знает достаточно точно, что он хочет получить; а если знает, что хочет, то затрудняется это выразить доступным и понятным языком. В таком случае получение точной информации о требованиях потребителя – задача APQP-команды и специалистов предприятия; – очень часто требования потребителей противоречивы, и следует искать компромисс в степени удовлетворения этих противоречивых требований. Информация о наличии таких противоречий – неотъемлемое условие их преодоления; – необходимо всегда помнить о финансовых возможностях потребителей рассматриваемого сегмента рынка. Качество – это то, за что потребитель не только хочет, но и может заплатить деньги. Ошибка в оценке финансовых возможностей потребителя так же опасна для организации, как и ошибка в определении требований к продукту; 158 Н. В. Горячева 2014. № 1 (28) – у организации всегда имеется ограниченное количество ресурсов для развития продукта, соответственно встает задача их правильного распределения по направлениям развития продукта; – организация всегда находится в конкурентной борьбе, т. к. аналогичные продукты чаще всего уже на рынке присутствуют, и конкуренты также различными способами пытаются укрепить свое положение на рынке. Команда должна сформировать цели, закрепить роли и ответственность участников, а также составить достаточно подробный план-график всех последующих этапов и действий APQP-процесса. Этап 2. Проектирование и разработка продукции Основной целью данного этапа является почти законченный проект будущего изделия с заданными техническими требованиями, выбранными материалами, значениями функциональных и эксплуатационных характеристик. Информационная особенность данного этапа связана с тем, что выполнение работ на нем предполагает интенсивное информационное взаимодействие как с предыдущим этапом планирования, так и со всеми следующими этапами. Этап планирования обеспечивает входящей регламентной информацией этап проектирования и разработки продукции. Последующие этапы, «преследуя свой интерес», должны обеспечивать этап проектирования информацией, с помощью которой будет создано изделие, потенциально способное выполнить требования потребителя с приемлемыми технико-экономическими показателями, которые зависят во многом от себестоимости этого изделия. Себестоимость во многом определяется технологичностью изготовления, используемыми материалами, возможностью применения прогрессивных способов производства этого изделия, т. е. теми факторами, «ответственность» за которые несут во многом последующие этапы. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что определения «предыдущие», «последующие» (речь идет об этапах) чисто условны, т. к. сама суть параллельной инженерной разработки заключается в их одновременном выполнении в той степени, в которой это возможно. Из этого следует одна из основных особенностей организации информационного взаимодействия в процессе APQP. Она сводится к тому, что задачи проектирования и разработки решаются фактически итеративно, методом последовательного приближения к конкретному решению, от концептуального уровня к конкретным техническим и организационным решениям. Второй этап APQP-процесса предусматривает обязательное проведение FMEA-анализа предлагаемой конструкции будущего изделия с целью его доработки. Это также привносит дополнительную специфику в организацию информационного взаимодействия. Эта специфика включает в себя два момента: первый – организация информационного взаимодействия внутри специальной команды FMEA; второй – организация информационного взаимодействия команды FMEA с внешними по отношению к ней сторонами – поставщиками необходимой для достижения целей FMEA информации и APQP-командой в целом. Первый момент связан с составом FMEAкоманды по анализу конструкции будущего изделия. Она должна быть межфункциональной, т. е. представлять собой временный коллектив, состоящий из разных специалистов, созданный специально для цели анализа и доработки конструкции проектируемого изделия [4]. При этом необходимо, чтобы члены FMEA-команды владели совокупной, практически полезной информацией в следующих областях деятельности: – конструирование аналогичных технических объектов; – процессы производства и сборки аналогичных изделий; – технология контроля в ходе изготовления; – техническое обслуживание и ремонт; – испытания; – информация о поведении аналогичных технических объектов в эксплуатации. Второй момент с точки зрения эффективного информационного взаимодействия требует организации эффективных способов информационного обмена и определения порядка использования этой информации. То есть в данном случае частично можно говорить о создании «информационного регламента». В рамках информационного регламента необходимо определить: – каналы двустороннего (многостороннего) информационного обмена; – интенсивность информационного обмена; – статус получаемой и передаваемой FMEAкомандой информации; – порядок использования получаемой и передаваемой FMEA-командой информации; – статус проектных решений FMEAкоманды. Этап 3. Разработка и проектирование процессов Целью этапа по разработке и проектированию процессов производства изделия является разработка всех технологических и производственных процессов в окончательном виде. Особенности информационного обеспечения параллельной инженерной разработки на данном этапе APQP-процесса во многом аналогичны особенностям информационного обеспечения этапа проектирования и разработки продукции, т. е. многократное решение стоящих перед инженерами задач по итерационной процедуре с последовательным приближением окончательно оформленных детальных проектных 159 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ решений по технологии производства изделий и интенсивный информационный обмен с предыдущими и последующими этапами APQP-процесса. Специфика состоит в том, что с движением по потоку APQP-процесса возрастает цена информационных ошибок, приводящих к ошибочным техническим решениям в соответствии с правилом «десятикратных затрат». Данное правило постулирует, что чем дальше по процессу разработки изделия прогрессирует совершенная ранее техническая ошибка или неоптимальное техническое решение, тем дороже обходится устранение этих недоработок после того, как они уже реализованы на практике. Например, очень важно на начальных, концептуальных этапах проектирования технологии давать достаточно точную оценку принципиальной возможности реального физического воплощения предлагаемых конструктивных решений. Соответствующая информация должна быть точной, адекватной и, самое важное, своевременной. Так же как и предыдущий этап, этап проектирования и разработки процессов предусматривает обязательное проведение FMEA-производственного процесса. На этапе доработки производственного процесса решаются следующие задачи: – обнаружение «слабых» мест технологических процессов и принятие мер по их устранению; – принятие решений о пригодности предложенных и альтернативных процессов и оборудования при разработке технологических процессов; – доработка технологического процесса до наиболее приемлемого с различных точек зрения, а именно: надежности, безопасности для персонала, обнаружения потенциально дефектных технологических операций и т. д. Информационное обеспечение FMEA производственного процесса во многом определяет его эффективность. Анализ FMEA эффективен только в случаях, если выполняются в необходимом объеме два условия – правильность применения и полнота исследований. При невыполнении этих условий нельзя гарантировать выявление и устранение всех недостатков предложенного варианта технологического процесса. Правильность применения зависит от понимания методики анализа, систематичности действий, однозначности критериев оценки, а также от обмена информацией и коллективного участия при решении. В этой связи, с точки зрения эффективного информационного обеспечения участников FMEA производственного процесса целесообразно говорить о создании специализированных баз данных для сохранения результатов анализа с целью их последующего использования. Здесь очень важно подчеркнуть, что соответствующие базы данных должны быть наделены элементами искусственного интеллекта, т. е. представлять собой не просто хранилище данных Рыбинск: РГАТУ или информации, а позволять сохранять эти данные и информацию в упорядоченном, систематизированном виде, позволяющем в удобной форме извлекать ее и целесообразно использовать в процессе принимаемых решений. Такой подход необходим для обеспечения адекватности результатов FMEA-анализа, что подразумевает получение одинаковых значений приоритетного числа риска для одинаковых ситуаций анализа. Только такое информационное обеспечение позволит правильно расставить приоритеты в доработке технологических процессов или их отдельных этапов с точки зрения приемлемости рисков. Частично эти рассуждения справедливы и для FMEA конструкции изделия, т. е. касаются информационного обеспечения этапа проектирования и разработки продукции. Этап 4. Окончательная подготовка производства Целью данного этапа является достижение полной готовности к производству изделия с заведомым обеспечением выполнения всех требований к качеству. Главной особенностью этапа, накладывающей свой отпечаток и на его информационную сторону, является очень ограниченная возможность внесения изменений в ранее принятые технические решения. Фактически это преддверье серийного производства, и различные переделки крайне нежелательны. В этой связи, необходимо обратить внимание на два аспекта: организуется серийное производство на уже имеющемся оборудовании и на существующих производственных мощностях или же создается новое производство; имеется ли в наличии опыт производства аналогичных или близких по конструкции изделий. Первый аспект с информационной точки зрения имеет важное значение с ретроспективной позиции – необходимо обеспечить интенсивные обратные информационные потоки на предшествующие этапы о предыдущем накопленном опыте производства, опять же с целью предотвращения до возможной степени потенциальных проектных ошибок. Второй аспект важен при отсутствии опыта производства аналогичных изделий. Соответственно, первостепенное значение в этом случае имеют прямые информационные потоки, т. е. потоки с предшествующих стадий APQP-процесса. Это дает возможность участникам этапа окончательной подготовки производства изделий разрешить многие сложности собственно до начала производства опытной партии. Например, это касается в первую очередь формирования планов предварительного изучения возможностей процесса и планов оценки измерительных систем, т. к. во многом предварительная подготовка в этих случаях обеспечивает получение правильного результата оценки. 160 Н. В. Горячева 2014. № 1 (28) Этап 5. Производство и действия по улучшению Действия APQP-команды не заканчиваются утверждением результатов подготовки производства и вводом в действие процессов. На стадии изготовления продукции необходимо получать информацию о действии обычных и особых причин, приводящих к изменчивости результатов производственных процессов. Соответствующая информация важна как основа для постоянного улучшения качества выпускаемой продукции, но не менее существенное значение она имеет для будущих APQP-процессов, т. к. только на основе данной информации формируется взаимосвязь между проектными техническими решениями при проектировании производственных процессов и реальным поведением этих процессов на практике. Можно даже сказать, что у участников процесса эта связь формируется на уровне «физических ощущений». Соответственно, информационная особенность данного этапа связана с накоплением реального производственного опыта, его систематизацией, хранением, организацией доступа и последующим использованием. Необходимо также подчеркнуть, что в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1, этап производства является предшественником этапа планирования новой продукции. Как уже пояснялось выше, последовательное выполнение этапов APQP-процесса – чистая условность. Фактически провести четкое разграничение этапов невозможно. Но в контексте рассматриваемой взаимосвязи следует отметить, что реальное поведение изделий, произведенных на этапе производства, является важнейшим источником информации об удовлетворенности потребителя. И здесь следует говорить об организации информационного взаимодействия с потребителями для разработки программ по внесению изменений, необходимых для исправления недостатков. Одной из главных особенностей является одновременное решение множества задач в рамках APQP-процесса, причем задачи решаются за несколько итераций с переходом от общего концептуального уровня к конкретному детальному (рис. 2). Каждая задача представляет собой последовательность выполнения стадий принятия решений: A – постановка цели решения; B – анализ исходной ситуации; C – исследование имеющихся ограничений; D – выявление возможных стратегий; E – выработка возможных вариантов решения; F – учет предпочтений лица, принимающего решения; G – определение и анализ критериев выбора решения; H – окончательный выбор решения. Концепция A A B C D B D E D E C E F G H G F H Детализация A B C F G H Рис. 2. Особенности решения задачи в APQP-процессе Решение задач за несколько итераций предполагает следующее. Любой сотрудник предприятия сначала на концептуальном уровне решает свою задачу, основываясь на своих знаниях и опыте. На втором уровне детализации он снова решает ту же самую задачу, но более конкретно, опираясь на информацию от других подразделений. В свою очередь эти подразделения на концептуальном уровне решают свою задачу, чтобы предоставить информацию сотруднику. Эта информация может быть для сотрудника информацией об исходной ситуации, имеющихся ограничениях, критериях выбора и т. п. Когда сотрудник, получив необходимую информацию, решит задачу на втором уровне детализации, он передает командную информацию тем подразделениям, которые должны воплощать принятое решение в жизнь. Эти подразделения уже решали задачу на концептуальном уровне и имеют примерное представление о некоторых аспектах принимаемого решения. Поэтому они уже начинают решать свою задачу на более детальном уровне, опираясь на информацию, необходимую им на отдельных стадиях принятия решения. Эту информацию они получают от подразделений, которые аналогично на концептуальном уровне решают свою задачу. Эту цепочку можно продолжать бесконечно. Таким образом, каждая задача решается за определенное число итераций, взаимодействуя с другими задачами (рис. 3). Важной особенностью информационного взаимодействия при APQP-процессе является решение задач в межфункциональных командах, которые также являются информационными объектами. Это, прежде всего, APQP-команда, которая руководит и поддерживает весь процесс разработки. В эту команду входят представители маркетинговой, конструкторской, технологической и других служб, участвующих в APQP-процессе. Кроме этой команды, формируются соподчиненные команды: – QFD-команда, которая анализирует «голос потребителя», выделяет требования и пожелания и ранжирует их по значимости; – DFMEA-команда, которая рассматривает предложенную конструкцию с точки зрения «устойчивости к влияющим факторам», анализирует по методике FMEA [4], выявляет «узкие места» с 161 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) помощью балльных оценок и определяет перечень ключевых параметров конструкции; – PFMEA-команда, которая выполняет аналогичные задачи по отношению к разработанной технологии; Рыбинск: РГАТУ – MSA-команда, которая проводит анализ измерительных систем по соответствующей методике; – SPC-команда, которая осуществляет статистическое управление процессами. Задача 1 … H A B … H A B C B C … C B A H A C … H Н B … C C Задача 2 A H B A B C … D B … B C D C … H A … … Обмен информацией B A A C Задача 4 C D A H B … C … H C B A Задача 3 Рис. 3. Информационные связи между этапами принятия решений в рамках различных задач Все эти команды, как и APQP-команда, межфункциональные, т. е. в них входят представители различных служб, участвующих в APQP-процессе. Поэтому информационное взаимодействие между этими командами и внутри них очень сложное. Таким образом, информационное взаимодействие при параллельной инженерной разработке намного сложнее, чем при последовательной разработке, что объясняется одновременным выполнением задач межфункциональными командами с большим числом информационных связей между ними. В результате проведенного анализа автором определены основные принципы информационного взаимодействия при перспективном планировании качества продукции: – решение отдельных задач за несколько итераций с переходом от общего концептуального к конкретному детальному; – сложное взаимодействие информационного содержания отдельных этапов принятия решений в рамках различных, но взаимосвязанных задач; – уникальный для каждого APQP-проекта состав информационных объектов: решаемых задач и участников APQP-процесса (команд). Информационное обеспечение и информационное взаимодействие участников проекта, информационных объектов следует разрабатывать на стадии планирования проекта с учетом его конкретных особенностей. Библиографический список 1. Перспективное планирование качества продукции (APQP) и план управления / Пер. с англ. – Нижний Новгород: СМЦ «Приоритет», 2004. – 117 с. 2. ГОСТ Р 15.201-2000. Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство. Введ. 2001 – 01 – 01. – М.: Госстандарт России: Издательство стандартов, 2001. – 11 с. 162 Е. В. Сидорова 2014. № 1 (28) 3. ГОСТ Р 51814.6-2005. Системы менеджмента качества в автомобилестроении. Менеджмент качества при планировании, разработке и подготовке производства автомобильных компонентов. Введ. 2005 – 07 – 01. – М.: Госстандарт России: Издательство стандартов, 2005. – 39 с. 4. ГОСТ Р 51814.2-2001. Системы менеджмента качества в автомобилестроении. Метод анализа видов и последствий потенциальных отказов. Введ. 2001 – 07 – 20. – М.: Госстандарт России: Издательство стандартов, 2005. – 27 с. Сведения об авторе Горячева Наталия Вадимовна – кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». Е-mail: [email protected] Goryacheva, Natalia Vadimovna – Cand. Sc. (Engineering), associate professor, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». E-mail: [email protected] УДК 09.00.11 АНТРОПОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ ТЕОРИИ ИМИДЖА Е. В. СИДОРОВА, 2014 ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» В статье рассматриваются антропологические основания теории имиджа (имиджелогии): определяется структура имиджа личности, личностный и социальный аспект индивидуального имиджа, выделяется фундаментальное качество имиджа – его динамичность. ИМИДЖ, ИМИДЖЕЛОГИЯ, АНТРОПОЛОГИЯ, АНТРОПОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ, ИДЕНТИЧНОСТЬ, ИНДИВИДУАЛЬНОСТЬ, ЛИЧНОСТЬ THEORY OF IMAGE ANTHROPOLOGICAL BASES E. V. SIDOROVA, 2014 Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University» The paper considers theory of image (imagology) anthropological bases: personal image structure and personal and social aspect of individual image. The paper emphasizes dynamism as any image fundamental property. IMAGE, IMAGOLOGY, ANTHROPOLOGY, ANTHROPOLOGICAL BASES, IDENTITY, INDIVIDUALITY, PERSONALITY Антропологические основания в социальногуманитарном знании занимают особое место. Их развитие обусловлено непосредственно и в большей мере формационными факторами – характером производственных отношений и вырастающей на них всей системой общественных отношений. Антропологические основания социально-гуманитарных наук связаны прежде всего с положением человека в обществе, которое непосредственно детерминировано формационными факторами и лишь опосредованно – цивилизационными. В современном обществе огромная роль принадлежит социально-гуманитарным наукам и вместе с ними общим социально-гуманитарным теориям. Они должны сделать очевидной для всех истинную природу социально-гуманитарных сфер общественной жизни, их самую глубокую сущность – антропологичность. Эта сущность заключается в том, что любая социогуманитарная сфера общественной жизни возникает (создается) в конечном счете для удовлетворения определенного вида потребностей человека. Индивид является первичным социальным субъектом (человеком). 163 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ Его деятельность порождает все остальные социальные субъекты – малые социальные группы, большие социальные группы и всевозможные социальные общности. Деятельность индивидов порождает и все общественные явления, процессы, институты, сферы и т. д. Индивидуальность человека порождает самые сильные потребности, которые побуждают к соответствующей деятельности, необходимой для ее проявления, развития и реализации. Так сказать, индивидуальностные потребности, конечно, не могут быть удовлетворены без достаточного или хотя бы минимально необходимого удовлетворения биологических, жизненно важных (витальных) потребностей в еде, питье, одежде, жилище и т. д. Хотя истории жизней великих людей дают немало примеров, когда человек настолько сильно стремится развить и реализовать свою индивидуальность, что не обращает внимания на свое полунищенское существование либо стремится преодолеть его за счет реализации своей индивидуальности. Таким образом, индивидуальность выступает мощным побудителем человеческой деятельности. На сегодняшний день многие науки направлены на то, чтобы понять человека «изнутри», стремятся проанализировать процедуру поиска и обретения человеком своей идентичности. Имиджелогия, в частности, призвана найти ответ на данный вопрос. Посредством создания имиджа индивид не просто определяет свою личность, но и стремится к достижению своих целей с помощью созданного образа, формируя в себе необходимые качества. Имидж служит отражению сущности своего носителя, а также социальной группы, которой он принадлежит. Индивид, как известно, это конкретноисторический тип людей, особенная группа, обладающая совокупностью определенных общих признаков; и в то же время индивид – это отдельный представитель человеческого рода, который имеет не только общие с группой, но и единичные черты, выражающие его индивидуальность. Общие черты индивида как типа людей являются конкретизацией наиболее общих, характеризующих содержание понятия «человек», превращением их в особенные, которые присущи только данному типу и потому играют в характеристике индивида как типа ведущую роль. Главную же роль у индивида как отдельного представителя человеческого рода играют единичные (биологические, психические и социальные) черты, которые в совокупности образуют сплав, называемый индивидуальностью. Биологические свойства и качества людей, порождающие тип индивидов, имеют природный, объективный характер. Иногда люди сознательно меняют их (например перекрашивая черные волосы в белый цвет, переходят из группы брюнетов в группу блондинов, или меняют свой пол), но это – Рыбинск: РГАТУ исключения, которые не отменяют той общей закономерности, что ведущей стороной жизнедеятельности людей является не биологическая (хоть и она очень важна), а психосоциальная. Ведь именно она определяет прежде всего деятельность индивида, его место и значимость в различных социальных общностях. И наибольшую ценность как для общества, так и для индивида имеет не биологическая, а психосоциальная индивидуальность. Имеющиеся здесь исключения (например спортсмены, некоторые циркачи и т. п.) лишь подтверждают закономерность первичности психосоциальной индивидуальности в сравнении с биологической. Дальнейший прогресс общества зависит от того, насколько каждый индивид сможет реализовать свои задатки, способности, таланты, заложенные в него природой от рождения, т. е. насколько он сможет выразить и проявить свою индивидуальность, неповторимость, уникальность. Ведь только реализуя свою индивидуальность посредством создания имиджа, индивид сможет принести наибольшую пользу обществу. В то же время реализация индивидуальности – это самый надежный путь и способ обретения общественного признания и личного счастья. Реализация индивидуальности каждого человека без исключения является самым мощным источником и движущей силой развития современного общества. Вместе с тем, она выступает и самым эффективным средством, способом сохранить конкретному обществу свою самобытность перед нивелирующим катком глобализации. Разумеется, речь здесь может идти о сохранении и развитии духовной, духовно-культурной самобытности, а не о консервировании духовной отсталости (например в виде насаждения в обществе религиозного мировоззрения вместо научного) и не о замораживании материальной бедности народа, недостойного уровня и качества его жизни. Современное развитие общества связано с изменением мировоззрения отдельного человека и появлением новых тенденций. Многие общественные науки направлены на то, чтобы изучить человека изнутри, понять и проанализировать процедуру поиска и обретения им собственной идентичности. Под идентичностью в настоящее время понимается: 1) тождество «Я», т. е. осознание индивидом единства своего сознания в разное время в разных местах; 2) сохранение постоянного единства деятельности, выражающегося в индивидуальности, характере и т. п.). Идентичность представляет собой достаточно широкое понятие, включающее все качества личностных сочетаний, обусловленных биологическими, социальными, культурными и психологиче- 164 Е. В. Сидорова 2014. № 1 (28) скими факторами. Проблема идентичности тесно связана с феноменом имиджа и выражается в том, что, с одной стороны, личность должна сохранять тождественность самой себе, а с другой – развиваться и двигаться к намеченным целям. Ещё Августин отмечал, что в процессе осмысления своего «Я» индивид приходит к утверждению: «я стал сам себе вопросом». Тем самым, изучение самого себя, познание внутренней сущности и индивидуальности выражает антропологическую основу понятия имидж. П. Рикёр, изучив латинское происхождение данного понятия, выдвинул предположение о том, что идентичность имеет в своей основе 2 корня «idem» и «ipse». «Idem» означает «идентичный, в высшей степени сходный». «Ipse» переводится как «самость», т. е. тождественность личности самой себе [14, с. 133 – 135]. Проанализировав данное предположение, автор делает вывод о том, что идентичность, выраженная в имидже, означает поиск и осознание индивидом своего «Я», а также его последующее отражение в своём внешнем облике. С точки зрения идентичности, важным является нахождение индивидом соответствия своей внутренней личности внешним элементам образа. Именно достижение такого соответствия должно являться конечной целью составления любого имиджа. В рамках трансцендентальной традиции, осмысление проблемы идентичности сводится к тому, что единство субъекта выражается в идеальной структуре своего, «чистого» «Я». Согласно Рене Декарту, благодаря мыслящему «Я», мы обретаем собственную идентичность. Существовать – значит находиться вне себя и непосредственно переживать собственное существование [5, с. 213 – 214]. Соглашаясь с Декартом, автор полагает, что, создавая индивидуальный имидж, необходимо также оценить свои внутренние качества и характеристики, а затем выразить их в имидже, проанализировав получившийся образ со стороны. Только сумев абстрагироваться от собственного субъективного восприятия, возможно создать подлинный, эффективно работающий имидж. Классическое определение идентичности можно встретить в «Критическом словаре психоанализа» Райкфорта. Он определяет идентичность как чувство непрерывности своего бытия как внутренней сущности, отличной от других [13, с. 50]. По мнению автора, идентичность выражается не только в необходимости соответствия внутренних элементов личности индивида его внешним проявлениям, но также в необходимости соблюдения уникальности и неповторимости образа. Сформировавшаяся ещё в эпоху Нового времени идея личности определила необходимость тождественности личности самой себе, с одной стороны, а также необходимость избегания полной тождественности, с другой стороны. Абсолютная тождественность, по мнению мыслителей того времени, могла привести к невозможности саморазвития. Э. Эриксон, анализируя идентичность в наше время, определил её, с одной стороны, как нечто целостное и законченное, а с другой – как находящееся в постоянном развитии и никогда не остающееся неизменным [19, с. 105 – 110]. Автор соглашается с Эриксоном и полагает, что имидж определяется как целостный образ, основанный на личности своего носителя. По мере изменения носителя, меняется и его имидж. Современные философы, анализируя понятие идентичности, полагают, что при создании имиджа необходимо найти некие общезначимые нормы и ценности, которые регулируют взаимоотношения между людьми. Например, американский философ Джон Ролз в своей «Теории справедливости» говорит о существовании принципов справедливости, которые должен выбрать для себя каждый человек. Ролз предлагает индивиду представить, какие принципы, нормы, положение в обществе он бы выбрал, если бы у него была такая возможность: «…если бы Вы не знали, кем Вы являетесь по национальному, образовательному, социальному, политическому статусу, к какому полу, классу принадлежите, то какую форму общества Вы бы предпочли? Если бы Вы оказались в обществе, в котором Вам неизвестно Ваше положение и место, то какие принципы справедливости вы бы выбрали для этого общества?» [15, с. 515 – 516]. Смысл подобного мыслительного эксперимента, по мнению автора, состоит в том, чтобы найти такие принципы для справедливого социального порядка, с которыми согласились бы все разумные люди. Иначе говоря, Ролз определяет суть эксперимента как универсализацию путём гипотетического изменения ролей. Таким образом, индивид должен ориентироваться на общественное мнение, моделируя реакцию общественности на те или иные проявления личности, использованные им в его имидже. Э. Эриксон определяет идентичность как устойчивую внутреннюю тождественность и сходство основных свойств с другими людьми [19, с. 113]. По мнению автора, это означает, что все элементы, выраженные в идентичности не должны противоречить установленным в обществе нормам морали и нравственности, соответственно индивидуальный имидж должен строиться с позиции соответствия ожиданиям аудитории. А. Адлер выделяет два основополагающих фактора идентичности: социальный интерес и социальную активность. Социальный интерес выражает чувство идентичности и общности с человечеством. Социальная активность служит своеобразным катализатором для индивида в его 165 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ стремлении к достижению поставленных целей и занятию определённого положения в обществе [19, с. 145 – 149]. По мнению автора, имидж, основываясь на общественных нормах и ценностях, помогает индивиду в осуществлении намеченных им планов, как краткосрочных (в его повседневной деятельности), так и долгосрочных (в его жизненных стремлениях). В современном экзистенциализме вопрос идентичности – это вопрос взаимных отношений индивида и общества. Невозможно обладать желаемой идентичностью без признания со стороны других. Следовательно, имидж направлен не только на отражение внутренней сущности индивида, но и на его благоприятное восприятие обществом. Гуссерль, говоря об идентичности, отмечает тот факт, что в повседневной жизни индивиду свойственна персоналистическая установка, выражающаяся в осознании нахождения себя среди других людей и состояния с ними в многообразных отношениях. Отношения индивида с аудиторией определяются системой мотивации. Принадлежность коммуникатора к той или иной социальной группе мотивирует его к духовной активности, направленной на достижение максимальных результатов в личностном и профессиональном плане [4, с. 89 – 90]. Однако автор считает нужным отметить, что, несмотря на данную принадлежность, индивид имеет свой, неповторимый внутренний мир, фундаментально принадлежащий только ему. Таким образом, имидж, с одной стороны, призван выражать отнесённость индивида к той или иной среде, а с другой – его внутренние, уникальные характеристики. Выраженная в имидже принадлежность помогает коммуникатору наилучшим образом раскрыть свою личность и добиться поставленных целей. Конструируя образ в определённом, намеченном направлении, индивид может добиться наилучших результатов в коммуникации. Эриксон, определяя идентичность, исходит из двух точек зрения: с одной стороны, идентичность определяется как субъективное ощущение тождества своей личности, своеобразное «узнавание» своей личности. С другой стороны, идентичность выступает в виде осознания индивидом своей принадлежности к определённой группе [19, с. 153 – 154]. Автор полагает, что обе точки зрения имеют право на существование. Разрабатывая свой имидж, индивид прежде всего должен ориентироваться на ту среду, которой он принадлежит, на те идеалы, ценности и нормы, которые в ней приняты. Далее ему необходимо сделать акцент на собственной индивидуальности для того, чтобы выгодно предстать среди всех остальных. Однако данное правило не распространяется на тот случай, когда индивид в течение жизни принадлежал к неблагоприятной среде и хочет из неё вырваться. Здесь ему прежде всего необходимо сменить то окруже- Рыбинск: РГАТУ ние, которое его преследовало, и только затем заняться подробным изучением своей новой среды и разработкой соответствующего имиджа. Идентичность также можно рассматривать с точки зрения стремления индивида к повышению своей значимости среди других людей. Человеку свойственно желание выгодно выделяться на фоне остальных, быть лучшим среди своей группы и тем самым обрести уважение и признание. Говоря об идентичности, Гегель представляет её как процесс саморазвития на основе теории господина и раба. Философ определяет весь исторический процесс как борьбу за признание и социальную идентичность. В данной борьбе «за признание» возникает ситуация, в которой есть господствующий («господин») и подчиняющийся («раб»). Диалектическое взаимодействие между ними выражается в том, что господин является таковым только потому, что раб признаёт его в таком качестве [2, с. 54 – 65]. С точки зрения автора, Гегель рассматривает вопрос об идентичности как вопрос о человеческих взаимоотношениях, о борьбе за взаимное признание и уважение. Соглашаясь с Гегелем, мы делаем вывод о том, что теория имиджа призвана разработать основные принципы построения образа с целью превознести носителя имиджа среди прочих представителей данной социальной среды, группы и т. п. Выгодное «позиционирование» своей личности, отражающее главные достоинства, цельность и состоятельность индивида, способствует достижению им поставленных целей. По мнению современного исследователя С. В. Крючковой, в сегодняшнем обществе, в силу особенностей социального развития, появляется новый тип идентичности, сочетающий в себе несколько различных «Я-образов». Он характеризуется наличием множества идентичностей у одного человека при одновременном сохранении его сущности. Изменчивая идентичность оказывается наиболее приемлемой в условиях постоянной трансформации внешней среды. Данный тип реализуется через так называемую «политику идентичностей», в ходе которой индивид продуцирует на своё окружение желаемый образ, а также осуществляет внешнюю идентификацию, т. е. совершает попытку «посмотреть на себя о стороны» (Крючкова С. Е. Идентичность и принцип «тождества неразличимых» Лейбница // Субъективность и идентичность: Коллективная монография. – М.: Издательский дом Высшей школы экономики, 2012. – С. 150). Автор соглашается с Крючковой и хочет отметить, что наиболее продуктивным будет рассмотрение не готовых видов идентичностей, а самого процесса идентификации (обретения идентичности), который по своей сути всегда является открытым и незаконченным. Э. Фромм, рассматривая вопросы идентифи- 166 Е. В. Сидорова 2014. № 1 (28) кации личности, выдвигает проблему границы между свободой и безопасностью. Свобода означает для личности право выбора и обладание властью над своей жизнью. Безопасность выражает необходимость чувствовать себя связанным с другими людьми. Фромм приходит к выводу, что люди по своей природе уникальны и неповторимы [18, с. 598 – 602]. При этом, с точки зрения автора, они не теряют своей причастности и ощущения единства с другими людьми. Идентичность же позволяет чувствовать свою непохожесть и неповторимость, но в то же время осознавать свою принадлежность к обществу в целом. Ярким примером ошибки в создании имиджа могут служить субкультуры (готы, панки, эмо), стремящиеся выразить свою индивидуальность, но при этом бросающие вызов существующим нормам и устоям. В результате их идентификация не имеет положительного результата вследствие того, что общество не понимает, а значит, отторгает их внешний вид и внутреннюю сущность. Таким образом, в теории имиджа важным аспектом для индивида является осознание своей принадлежности к обществу в целом, в контексте которого можно демонстрировать свою индивидуальность. Анализируя проблему идентичности в социально-философском аспекте, Фромм говорит о взаимосвязи индивидуального и всеобщего в человеческой природе. В качестве одной из ведущих человеческих потребностей Фромм выделяет потребность в связи с окружающим миром и в избегании одиночества, которое достигается путём самоотождествления с какими-либо общественными стандартами или ценностями [18, с. 603 – 604]. По мнению автора, имидж призван помочь человеку в его адаптации среди других людей, обретении им собственной значимости и неповторимости. Подобное осознание своего места в жизни, своей позиции и мировоззрения, необходимо индивиду прежде всего для комфортного существования в обществе и осуществления успешной коммуникации. В теории психоанализа З. Фрейда значение идентификации понимается как один из главных механизмов формирования личностно-моральной составляющей – «суперэго». Фрейд определяет идентификацию как один из механизмов психологической защиты своего «Я» [17, с. 209 – 210]. Автор соглашается с Фрейдом в том, что для того, чтобы чувствовать себя в обществе уверенно и свободно, индивиду необходимо иметь собственную идентификацию, выраженную посредством имиджа. Осознание своей личности и её грамотное отражение в имидже помогает адаптироваться коммуникатору среди других людей. Современник Фрейда К. Юнг полагал, что процесс социализации личности сопровождается её самоидентификацией и выражает стремление к об- ретению «самости», т. е. внутреннего и внешнего единства индивида. «Самость» выступает как обретение своего «Я», осознание своих сильных сторон, стремлений, интересов и направленностей [20, с. 103 – 104]. Русский философ С. Н. Булгаков определял самость как ложную оболочку личности, которая не укореняется в существенном и наделяет личность чертами иллюзорного бытия. Личность философ определяет как нечто яркое, выделяющееся и непохожее на других. Булгаков отождествляет личность с самопожертвованием, отказом от самости (Козырев А. П. Ипостась против индивидуальности. Личность у С. Н. Булгакова // Субъективность и идентичность: Коллективная монография. – М.: Издательский дом Высшей школы экономики, 2012. – С. 174). Автор не разделяет позицию Булгакова и полагает, что истинная самость человека отнюдь не предполагает иллюзорности. Основываясь на обещепринятых нормах морали, нравственности и ценностях, самость призвана воспитывать в индивиде высшую сущность, заставляя его постоянно расти и совершенствоваться. Одним из острых противоречий в современном обществе, положенным в основу теории имиджа, является отчуждение личности (как противоречие между личностью и природой, социальной средой ее существования, собственной и общечеловеческой сущностью, процесса и результатов труда и т. д.). Оно может быть эффективно разрешено и преодолено только на путях выявления, развития и реализации индивидуальности каждого человека без исключения. Проблема выявления, развития и реализации индивидуальности каждого человека в обществе чрезвычайно сложна и многогранна. Автор полагает, что для ее решения необходимо прежде всего установить в обществе гуманную государственную власть, чтобы она не на словах, а на деле, на каждом своем шагу демонстрировала любовь не к избранным группам, а ко всему народу в целом и к каждому его представителю в частности. Одним из главных направлений деятельности государства должна быть постоянная ориентация на выявление, развитие и реализацию индивидуальности каждого гражданина. Конечно, общественность, гражданское общество (которое еще предстоит создать в России в процессе преодоления сопротивления государства) должны самостоятельно создавать необходимые для этого системы: новые гуманные системы воспитания сирот и брошенных детей, порожденные творческой самодеятельностью народа, а не бюрократами-чиновниками; вместо центров профессиональной ориентации создавать профессиональные центры выявления у детей раннего возраста задатков, способностей, талантов, а также аналогичные центры для взрослых; сети 167 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ школ по всей стране, специализирующихся на развитии того или иного вида способностей, задатков, талантов; специализированные группы в вузах для одаренных студентов по отдельным направлениям подготовки специалистов (магистров) и т. д. Таким образом, государство должно поддерживать все начинания народной самодеятельности в этих направлениях, проверять их на практике (под контролем общественности), отбирать из них наиболее удачные, эффективные и обеспечивать работоспособность всех этих систем. И. С. Кон, говоря об идентичности как одном из главных аспектов индивидуальности личности, выделяет три разновидности его употребления [6, с. 277 – 278]. 1. Идентичность как единство физиологических и психологических процессов в организме. 2. Идентичность как разделение индивидов на разные группы в зависимости от социальных характеристик, статуса и усвоенных ими норм. 3. Идентичность как «самость» индивида, выражение его индивидуальных жизненных установок. Проанализировав позицию И. С. Кона, автор соглашается с ним в том, что идентичность представляет собой взаимодействие внутренних качеств личности и её физических особенностей. Каждый человек посредством идентичности определяет своё место в обществе, своё социальное положение, статус и социальную роль. Кроме того, при помощи идентичности индивид осознаёт свои стремления, взгляды и интересы. Для зрелой состоявшейся личности в её имидже характерно присутствие рефлексивного «Я» и импульсивного «Я». Рефлексивное «Я» предполагает общественный аспект идентичности, выражающийся в ориентации индивида на общественное мнение. Импульсивное «Я» выражает уникальные составляющие личности, отражающие её неповторимость и непохожесть на остальных членов социума. Ирвинг Гофман обращает внимание на проблему, возникающую в связи с идентичностью индивида. При обретении идентичности человек должен решать вопрос о том, как можно сохранять баланс между нормальностью (обычным состоянием своей личности) и уникальностью (тем, что отличает его от других представителей общества) [3, с. 199 – 207]. Автор полагает, что большинство людей по своей природе не стремятся привлекать к себе излишнее внимание, однако и боятся остаться незамеченными. В связи с этим, они предпринимают усилия для конструирования собственной неповторимости. Человек не желает быть незаметным, равно как не желает кардинально отличаться от других. Таким образом, в этом и заключается главная проблема идентичности. В данном аспекте важной проблемой теории Рыбинск: РГАТУ имиджа является вопрос о сохранении разумного баланса между следованием общественным нормам и выражением своей индивидуальности. Например, упор на общественные стереотипы рискует сделать имидж безликим и неинтересным, а акцентирование внимания на своей неповторимости может восприниматься чересчур вычурно и неуместно. В обоих случаях имидж не сможет выполнять свою прямую функцию – отражать личность своего носителя и облегчать процесс его коммуникации с другими людьми. Говоря об антропологических основаниях теории имиджа, необходимо также сконцентрировать внимание на понятиях самосознания и субъективности человека, имеющих прямое отношение к процессу создания имиджа. Познание собственной личности всегда являлось одним из основных философских вопросов любой эпохи. Ж. Лакан, говоря о важнейших достижениях современной философии, определил в качестве проблемы современности следующее положение: «Мы обладаем идеей собственной идентичности, но она не соответствует реальности. Она как зеркальный образ повёрнута задом наперёд» [8, с. 73]. Однозначно согласиться с Лаканом автор не может, т. к. должный имидж всегда основывается на реальных характеристиках индивида. В противном случае мы вынуждены говорить о недостоверном, лживом имидже, который не будет иметь право на какое-либо научное обоснование. Чтобы ответить на вопрос о реальности создания стабильного имиджа, отражающего правдивые качества личности, необходимо понять, что предшествует появлению в сознании человека независимого образа своего «Я». Как правило, понятия «идентичность» и «субъективность» не различают, предполагая что каждый индивид по своей природе есть нечто самотождественное и неповторимое. То есть быть субъектом означает быть идентичным самому себе. Однако известный российский философ В. В. Налимов утверждает, что самая главная, не улавливаемая нами особенность личности – способность быть иллюзорной и кажущейся [12, с. 630 – 646]. По мнению автора, как уже было сказано выше, в данном контексте речь идёт о недобросовестном имидже, создающем лишь внешний образ личности-носителя и не отражающем её внутренней сущности. Соблазн создания подобного имиджа достаточно велик, однако следует помнить о том, что срок его существования недолговечен. Разочарование общества в поддельном имидже может вызвать негативное отношение к индивиду на длительный период. Представление К. Маркса о человеке как совокупности всех общественных отношений стало в науках о человеке одной из доминирующих установок. Подобная антропосоциоцентристская концепция фактически привела к антропологическому 168 Е. В. Сидорова 2014. № 1 (28) кризису. З. Бауман определял в качестве основной проблемы человека не только приобретение избранной идентичности и признание её окружающими, но и при необходимости выбор другой идентичности, если предыдущая лишилась своей ценности или стала непригодной [1, с. 274 – 278]. Соглашаясь с данной мыслью, автор полагает, что основной целью человека становится нахождение своего места в рамках того или иного класса, страты или группы, а затем сохранение и закрепление своей позиции. Замена одной идентичности или имиджа на другой может быть следствием перехода индивида из одной социальной группы в другую, смены им мировоззренческой позиции, политических взглядов и т. п. Имидж, обладая гибкой структурой, должен изменяться по мере развития и изменения своего носителя. Однако это не значит, что в течение жизни человек должен постоянно трансформировать свою идентичность. Частая смена имиджа – это признак незрелой личности, не имеющей своего устойчивого «Я». На сегодняшний день проблема идентичности заключается в том, чтобы сохранить за человеческим «Я» статус безусловной объективной реальности. В строгом смысле слова «Я» является объектом воображаемым. Обозначение идентичного как «сходного» и «аналогичного» предполагает некую неизменность во времени. Определять идентичность можно в разных контекстах. Идентичность другому человеку как представителю общества означает наличие подобного тела, сознания, способности к языку и т. п. Идентичность самому себе выражает неизменность своей личности, осознание своей сущности. Самотождественность помогает человеку отличать себя от других и осознавать свою относительную автономность. С другой стороны, самотождественность напрямую зависит от восприятия личности обществом. Создавая имидж, человек стремится проявить свою индивидуальность, тем самым показав себе и окружающим собственную позицию, взгляд на мир и т. п. Однако имидж не может существовать в отрыве от публики, которая непосредственно воспринимает его, различая среди остальных. Так, аудитория выступает своеобразной «лакмусовой бумажкой» для созданного образа, проявляя его несостоятельность или несоответствие личности носителя. Эриксон, говоря об идентичности, не связывает её с автономией и самотождественностью. На уровне «Я» он трактует идентичность как схематику самопрезентаций. На уровне «Эго» – как непрерывность самопрезентаций. Эриксон утверждает, что «Я» всегда множественны, а «Эго» представляет собой процесс интеграции множества идентификаций, итогом которых является обретение индивидом чувства идентичности [19, с. 159 – 160]. Разделяя позицию Эриксона, автор полагает, что в процессе создания имиджа индивид имеет несколько вариантов проявлений своего «Я». Выбор того или иного варианта в качестве основополагающего выражает стремление индивида идти по определённому, намеченному пути, предполагающему работу над своей личностью. Соответственно, имидж призван не только отражать внутреннюю сущность личности, но и помогать совершенствоваться и самой делать выбор в определении своего «Я». Ж. Лакан говорит об идентичности как воображаемом феномене, признающем исключительно ту реальность, которой обладает заданный образ. В контексте имиджа, речь идёт о той ошибке, которую индивид может совершить в создании своего образа [7, с. 441 – 459]. Автор полагает, что, исходя исключительно из собственных взглядов, позиций и мировоззрения, невозможно создать истинный и правдивый имидж. Излишняя субъективность, не предполагающая здравой оценки условий окружающей реальности, не будет понята и одобрена обществом. В этом аспекте важное значение имеет концепция В. С. Малахова, выделившего в структуре идентичности два уровня: персональный и социальный. Персональная идентичность представляет собой совокупность характеристик, придающих индивиду качество уникальности. Социальная идентичность есть результат отождествления индивида с ожиданиями и представлениями общества [10, с. 78 – 79]. Автор полагает, что данные структуры осуществляют своё взаимодействие в индивидуальном имидже, ориентируясь на общественные стандарты, но при этом выражая личность индвида. Идентичность личности можно определить как индивидуальную форму общественного самосознания, основанную на вере в существование независимых и изолированных друг от друга «Я», а также имеющую объективную установку в отношении людей друг к другу и к самим себе. Самоидентификация или самотождественность понимается как некий психологический процесс, посредством которого индивид присваивает себе качества и свойства другого человека, преобразуя их целиком или частично под собственную личность. Таким образом, создавая имидж, индивид ориентируется на те проявления своего «Я», которые бы он хотел в себе развить, при этом основываясь на подобных общественных проявлениях и стереотипах. Воспринимая понравившийся образ другого человека, субъект также выделяет его как наиболее удачный и приемлемый для него. Затем он адаптирует его под себя, исходя из собственных, индивидуальных проявлений и характеристик, создавая при этом неповторимый имидж. 169 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ В. А. Лекторский определяет субъекта как «конкретного телесного индивида, существующего в пространстве и времени, включённого в определённую культуру и имеющего биографию, находящегося в коммуникативных и иных отношениях с другими людьми» [9, с. 5]. Действительно, субъективность как важная составляющая имиджа – это черта человеческого бытия, характеризующая его как существо, способное к пониманию, обладающее сознанием, нацеленным на движение смыслов. Субъективность обладает более широким значением, нежели идентичность. Она выражает способность человека к созданию связей и отношений между различными феноменами. Будучи формой сознания, «Я» не имеет устойчивых характеристик и в конечном итоге носит производный характер по отношению к субъективности. Тем самым, субъективность человека, выраженная в имидже, исходит из его внутренней, глубинной составляющей, акцентируя внимание на тех свойствах личности, которые отражают его истинную суть. При этом не следует излишне «психологизировать» субъективность, как это делает З. Фрейд. Анализируя понятие «Эго», он рассматривает его как совокупность механизмов психологической защиты [17, с. 116]. Несомненно, у сформировавшейся, цельной личности есть потребность в демонстрировании своего авторитета среди остальных людей. Однако имидж призван не только «защищать» индивида и придавать ему уверенности в общении с другими людьми, но также отражать глубинную сущность его мировоззрения. Антропологические основания самотождественности предполагают наличие совокупности познавательных, идеологических, этических и иных принципов, связанных с утверждением «Ясознания» или сознания самотождественности как основы формирования субъективности человека. Субъективность как осознание и выделение своих неповторимых личностных качеств выступает необходимой составляющей имиджа. Посредством усвоения общественных норм и правил, а также определения своей социальной роли и общественной значимости, индивид может создать эффективно работающий имидж, призванный не только осуществлять успешную коммуникацию, но и помогать своему носителю в осознании собственного предназначения и своей общественной функции. Говоря об имидже как о феномене интерсубъективного взаимодействия, целесообразно рассмотреть образ субъекта как образ человека, взятого в его субъективном измерении. В данном случае можно прийти к следующим выводам: – человек-прообраз, представленный в образе, воспринимается не как пассивный и неизменный в своих основных качествах объект, а как Рыбинск: РГАТУ своеобразный источник деятельности, преобразующий окружающий его мир и самого себя. Создавая имидж, индивид исходит не только из анализа собственной личности и представленных в ней качеств, но и из подробного изучения окружающей действительности, этических и культурных норм, общественных стереотипов и т. п. В конечном итоге имидж является выражением эффективного взаимодействия индивида с окружающим его миром, наполненным символическими и знаковыми элементами; – активность человека-прообраза распространяется и на сам образ. Следовательно, человек является не только субъектом деятельности, но и субъектом собственного образа. В своём имидже индивид активно и осознанно строит свой образ, учитывая эффект его восприятия другими людьми, а также цели, которые он ставит перед собой. Процесс создания имиджа должен предполагать планомерный логический анализ личности, исходящий из максимально объективной оценки своих качеств и условий окружающей среды; – восприятие образа субъекта отличается от восприятия образа объекта, даже если в виде объекта выступает человек. Восприятие образа субъекта сопровождается такими отношениями между воспринимающим субъектом и субъектом-прообразом, которых не может быть в том случае, когда прообразом является объект. Подобные отношения между двумя субъектами порождают дополнительную познавательную активность в отношении друг друга, предполагающую постоянное движение и развитие. Как представляется автору, антропология теории имиджа тесно связана с актуальным на сегодняшний день феноменом отчуждения. Отчуждение современной личности выражается в искажении своего образа в процессе самопрезентации, а также в создании лживых «масок». Следовательно, теория имиджа призвана помочь индивиду справиться с подобными соблазнами и найти своё истинное «Я». Одним из существенных моментов природы имиджа является его нравственно-психологический характер. Поэтому подход Э. Фромма, подробно занимавшегося психологией личности, имеет важное значение для понимания имиджа. Отчуждение, подробно рассматриваемое в его учении, трактуется как морально-психологическая проблема. Фромм выделяет подлинное и неподлинное, фальшивое существование человека. Если подлинное существование индивид не стремится контролировать и оно выражает его истинную суть, то неподлинное направлено на создание об индивиде должного впечатления у аудитории [18, с. 485 – 487]. Однако следует обратить внимание на то, что самосовершенствование и саморазвитие, являющиеся целями подлинного имиджа, нельзя отнести 170 Е. В. Сидорова 2014. № 1 (28) к элементам фальшивого бытия индивида. Даже в том случае, если на данный момент субъект не обладает достаточным трудолюбием, но старается воспитать таковое в себе, его не следует обвинять в неподлинном бытии, противоречащем его истинной сущности «ленивого человека». Фромм определяет личность как совокупность унаследованных и приобретённых психологических качеств, характерных только для неё. Становление личности происходит на базе имеющихся у индивида условий жизни, его окружения, а также способностей и талантов, данных ему [18, с. 487]. Однако, по мнению автора, не всегда наследование того или иного положительного качества означает его успешное «приживание». Для формирования своей личности индивид должен прилагать усилия, развивая в себе те стороны, которые призваны отражать его личность. В эпоху постмодернизма самопрезентация приобретает опосредованный средствами массовой информации характер. Через пропаганду стандартизированных и востребованных на рынке образов, СМИ формируют у аудитории соответствующие «идеальные Я». Вследствие этого, Фромм приближается к максимально верной, с точки зрения автора, трактовке имиджа как символического, опосредованного и относительно устойчивого образа субъекта. Самокатегоризация как понятие, близкое к имиджу, означает восприятие индивидами своей идентичности в отношении друг к другу или принадлежность к одной значимой для индивидов категории. Английский психолог Г. Тэджфел утверждает, что индивидуальное знание должно сочетаться с ценностным смыслом группового членства, т. е. не противоречить мнению группы [16, с. 102]. Однако Дж. Тернер позднее представил категоризацию как самостоятельный мотивирующий процесс, не связанный с осознанием превосходства группы над другими. Психолог доказал существование обратной зависимости между личностными и социальными уровнями самокатегоризации. Групповая идентичность снижает проявления личностной самоидентичности, а личностная – групповой. Всё зависит от конкретных обстоятельств и степени авторитетного воздействия индивида или группы на аудиторию. Таким образом, «Я-концепция», по Тёрнеру, может включать три уровня самокатегоризации [16, с. 135]. 1. Категоризация себя как человека, обладающего чертами и свойствами, присущими любому представителю человеческого вида. 2. Групповая категоризация, основанная на принципе сходства и различия между людьми. 3. Личностная категоризация, основанная на отличии индивида от других членов группы. Данные три уровня определяют человеческую, социальную и личностную идентичность. По Тёрнеру, между выраженностью различных уровней существует своего рода антагонизм. Индивид воспринимает себя как умеренно отличающегося от своей группы, которая, в свою очередь, умеренно отличается от других групп. Факторы, выражающие групповую самокатегоризацию, деперсонализируют индивидуальное самовосприятие. Деперсонализация означает самовосприятие на качественно более высоком уровне. Таким образом, по мнению автора, индивид формирует свой имидж на базе тех групповых условий, в которых он существует, а значит, в зависимости от групповой принадлежности субъекта возможны несколько вариантов индивидуальных имиджей. Подводя итог анализу антропологических оснований теории имиджа, автор полагает, что она должна строиться на основе следующих положений. 1. Имидж личности имеет свою структуру. Среди основных его параметров можно назвать содержательный и оценочный. Данные параметры отражают сущность имиджа и находятся в постоянной взаимосвязи. 2. Личностный и социальный аспекты индивидуального имиджа. Личностный аспект предполагает утверждение и рост внутреннего «Я», самосовершенствование и саморазвитие. Социальный аспект предполагает соответствие имиджа требованиям общества, т. е. установленным правилам и нормам. Личностный аспект занимает второстепенное положение по отношению к социальному. Живя в обществе, человек вынужден принимать предъявляемые к нему требования и исходить из своей позиции как представителя социума. Только при таких условиях возможно правильное и адекватное становление своего «Я». 3. Динамическое свойство имиджа. Имидж развивается в течение всей жизни человека, причём данное развитие происходит достаточно стихийно и неравномерно. Человек может изменяться как в прогрессивном, так и в регрессивном направлении в зависимости от внешних обстоятельств его жизни и собственной жизненной позиции. 4. Имидж имеет социальное происхождение вследствие того, что формируется в результате взаимодействия индивида с другими людьми. Таким образом, основную проблему, связанную с формированием имиджа, можно сформулировать в виде дилеммы: 1) личность должна быть тождественна самой себе, т. е. исходить из своей внутренней сути; 2) личность не должна быть тождественна себе, т. к. это лишает её возможности постоянного развития и совершенствования. Высказывание Августина «Я стал сам себе вопросом» отлично отражает антропологию теории имиджа. Человек является главной и самой затруднительной загадкой для себя. Познание своей лич- 171 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) ности является не просто средством к достижению своих целей, но и обязательным условием для по- Рыбинск: РГАТУ знания окружающего мира, людей и общества в целом. Библиографический список 1. Бауман З. Идентичность в глобализирующемся мире // Индивидуализированное общество. – М.: Логос, 2002. – 390 с. 2. Гегель Г. В. Ф. Энциклопедия философских наук. В 3 т. Т. 3: Философия духа. – СПб.: Наука, 1999. – 472 с. 3. Гофман И. Представление себя другим в повседневной жизни / Пер с англ. А. Д. Ковалёва. – М.: КАНОНпресс-Ц, 2000. – 304 с. 4. Гуссерль Э. Кризис европейских наук и трансцендентальная феноменология: введение в феноменологическую философию. – СПб.: Владимир Даль, 2004. – 321 с. 5. Декарт Р. Рассуждения о методе. – М.: Издательство Академии Наук СССР, 1953. – 655 с. 6. Кон И. С. В поисках себя: Личность и её самосознание. – М.: Политиздат, 1984. – 335 с. 7. Лакан Ж. Семинары. Кн. 1. Работы Фрейда по технике психоанализа (1953 – 1954). – М.: Гнозис-Логос, 1999. – 432 с. 8. Лакан Ж. Функция и поле речи языка в психоанализе. – М.: Гнозис-Логос, 1995. – 100 с. 9. Лекторский В. А. Субъект, объект, познание. – М.: Наука, 1980. – 358 с. 10. Малахов B. C. Идентичность // Новая философская энциклопедия: В 4 т. Т. 2. – М.: Мысль, 2001. – 639 с. 11. Михайловский А. В. Субъективность и идентичность. – М.: Издательский дом Высшей школы экономики, 2012. – 368 с. 12. Налимов В. В. Спонтанность сознания. – М.: Прогресс, 1989. – 420 с. 13. Райкфорт Ч. Критический словарь психоанализа. – СПб.: Восточно-европейский институт психоанализа, 1995. – 288 с. 14. Рикёр П. Время и рассказ. В 3 т. Т. 1. Интрига и исторический рассказ. – М.; СПб.: ЦГНИИ ИНИОН РАН: Культурная инициатива: Университетская книга, 2000. – 313 с. 15. Скирбекк Г., Гилье Н. История философии: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Владос, 2000. – 800 с. 16. Тернер Дж. Символ и ритуал. – М.: Мысль, 1983. – 277 с. 17. Фрейд З. Идентификация // Психология самосознания: Хрестоматия. – Самара: ГРАНД, 2000. С. 209 – 210. 18. Фромм Э. Бегство от свободы: человек для себя. – Минск: ООО «Попурри», 1998. – 672 с. 19. Эриксон Э. Идентичность: юность и кризис. – М.: Прогресс, 1996. – 344 с. 20. Юнг К. Психология бессознательного. – М.: ACT Канон, 1998. – 397 c. Сведения об авторе Сидорова Екатерина Владимировна – преподаватель ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». Е-mail: [email protected] Sidorova, Ekaterina Vladimirovna – lecturer, Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «P.A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University». Е-mail: [email protected] УДК 338.26 : 629.7 МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО КОНТРОЛЯ НА АВИАЦИОННОМ ПРЕДПРИЯТИИ М. Н. КАЛОШИНА, Е. А. ХАЧАТУРОВ-ТАВРИЗЯН, 2014 Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва Авторами предложена концепция модели проведения внутреннего контроля на авиационном предприятии. Модель позволяет выявить нарушение, определить его тип, установить причины возникновения нарушения. МОДЕЛЬ, КОНТРОЛЬ, РЕГЛАМЕНТ, ШАГ КОНТРОЛЯ, ФИНАНСОВОЕ НАРУШЕНИЕ 172 М. Н. Калошина, Е. А. Хачатуров-Тавризян 2014. № 1 (28) AN AVIATION ENTERPRISE INTERNAL CONTROL METHODICAL ASPECTS M. N. KALOSHINA, E. A. HACHATUROV-TAVRIZYAN, 2014 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow Authors offer a concept model for internal control at an aviation enterprise. The mentioned model allows violation detection, its type definition, reasons of its origination establishment. MODEL, CONTROL, REGULATIONS, CONTROL PITCH, FINANCIAL MISCONDUCT Внутренний контроль на авиационном предприятии может осуществляться в соответствии с разработанной моделью. Модель представляет собой описание процесса выявления различных нарушений при проведении процедур внутреннего контроля на авиационном предприятии. В результате использования предлагаемой модели специальный отдел или группа, осуществляющая внутренний контроль, сможет: выявить нарушения; провести диагностику типа нарушений; оценить количественно и качественно в динамике эффективность управления авиационным предприятием исходя из количества и типов выявленных нарушений; на основании полученных перечней выявленных нарушений сформировать рекомендации по дальнейшему их предотвращению. Объектами выявления нарушений, в соответствии с моделью, являются авиационное предприятие в целом, его подразделения, отделы и др. Предметами выявления нарушений в соответствии с моделью являются: контрольная цифра или смета, финансовый документ, платежный документ, регламентирующий документ, организационно-распорядительный документ, разрешительный документ, отчетный документ, договор, контракт, сделка, стоимостной показатель, результативный показатель, оценочный показатель, регламент и др. В основу построения модели выявления признаков финансовых нарушений положены следующие принципы: объективность; независимость; адекватность; системность; соответствие законодательству, принятой стратегии, правилам и процедурам. Модель позволяет выявить следующие виды нарушений. Финансовые нарушения – это совершенное противоправное (в нарушение финансового законодательства) деяние (действие или бездействие), за которое финансовыми актами установлена ответственность. К финансовому законодательству относится гражданское, налоговое, учетное и др. законодательство. Нарушения, имеющие признаки финансовых нарушений, – это действия, нарушающие внутренние регламенты, другие нормативные документы и обязательства, а также действия, направленные или способствующие снижению эффективности деятельности авиационного предприятия. Для выявления нарушений, имеющих признаки финансовых нарушений, применяются следующие методы: аналогия, балансовый метод, взаимный контроль, визуальное наблюдение, встречная проверка, идентификация, нормативная проверка документа. Для выявления финансовых нарушений применяются следующие методы: аналитические процедуры, аналогия, вертикальный анализ, горизонтальный анализ, логическая проверка, пересчет, сравнительный анализ, трендовый анализ, формальная проверка документа, экономико-математические методы, элиминирование. При работе с документами, используемыми при проверках, и их анализе в целях выявления финансовых нарушений и нарушений, имеющих признаки финансовых нарушений, применяются следующие методы: анализ документов, анализ и синтез, арифметическая проверка документации, группировка недостатков, диалектический метод, иерархия, классификация, метод сравнительносопоставительного анализа, методология ITIL/ITSM (IT Infrastructure Library – библиотека инфраструктуры информационных технологий), обобщение, обработка данных в электронном виде, общая теория систем, организация работы специалиста, осуществляющего сбор данных, попарное сравнение, ранжирование, синтез, систематизированное изложение нарушений, систематизированный способ группировки, средство построения информационных моделей MS VISIO (по лицензии MSDN), типология, формальная проверка документа. Модель позволяет выявить следующие типы признаков финансовых нарушений. 1. Прямые признаки финансовых нарушений – ошибки и искажения в цифрах, которые отражаются в финансовых документах (отчетность, сметы, платежные поручения и требования, акты и др.) в стоимостных измерителях. 2. Косвенные признаки финансовых нарушений – ошибки и искажения, которые отражаются в документах. Косвенные признаки финансовых нарушений делятся следующим образом. 173 2014. № 1 (28) ВЕСТНИК РГАТУ 2.1. Нарушения финансового законодательства, к которому относятся: а) «Налоговый кодекс Российской Федерации (Ч. 1)» от 31.07.1998 № 146-ФЗ (ред. от 03.12.2012); б) Федеральный закон от 06.12.2011 № 402ФЗ «О бухгалтерском учете»; в) другие федеральные законы, приказы, распоряжения и др. законодательные акты федерального уровня. 2.2. Нарушения внутренних регламентов, другие нормативные документы и обязательства, к которым относятся: первичные документы, локальные документы, учетные документы. Нарушение, выявленное в результате проведения внутреннего контроля, идентифицируется с точки зрения наличия признаков финансовых нарушений. В нарушении, выявленном в ходе проведения внутреннего контроля, могут быть не выявлены признаки финансового нарушения. В нарушении, выявленном в ходе проведения внутреннего контроля, могут быть выявлены несколько признаков финансовых нарушений. Если обнаружены ошибки и искажения в цифрах, которые отражаются в финансовых документах, отчетности, сметах, платежных поручениях и требованиях, актах и др. в стоимостных измерителях, такое нарушение квалифицируется как имеющее прямые признаки финансовых нарушений (код – 1). Если обнаружены ошибки и искажения, которые отражаются в документах и противоречат финансовому законодательству, такое нарушение квалифицируется как имеющее косвенные признаки финансовых нарушений, в части нарушений финансового законодательства (код – 2.1). Если обнаружены ошибки и искажения, которые отражаются в документах и противоречат внутренним регламентам, другим нормативным документам и обязательствам, такое нарушение квалифицируется как имеющее косвенные признаки финансовых нарушений, в части нарушений внутренних регламентов, других нормативных документов и обязательств (код – 2.2). Модель включает: общие положения, методики, рекомендации, алгоритмы реализации Модели выявления признаков финансовых нарушений, а также типовые формы. Методики, рекомендации и алгоритмы состоят из мероприятий. Все мероприятия в методике, рекомендациях и алгоритмах сгруппированы по направлениям, по которым на авиационном предприятии осуществляется внутренний контроль: – контроль за соблюдением законодательства; – контроль за соблюдением лицензионных требований и условий; Рыбинск: РГАТУ – контроль качества и эффективности управления внеоборотными и оборотными активами, собственным капиталом и резервами, долгосрочными и краткосрочными обязательствами, движением денежных средств, себестоимостью и т. п. В методике по каждому мероприятию в первом Разделе сформулированы объект, предмет, цели, задачи выявления нарушений. В остальных разделах каждого мероприятия перечислены конкретные сферы деятельности авиационного предприятия, которые подпадают под проведение внутреннего контроля. Рекомендации специалистам, проводящим процедуры внутреннего контроля за деятельностью авиационных предприятий, включают следующие положения (табл. 1). 1. Применение общих положений по реализации модели выявления нарушений. Специалисту, осуществляющему внутренний контроль на авиационном предприятии, необходимо: – ознакомиться с общими положениями по реализации модели проведения внутреннего контроля; – выбрать назначение контрольного мероприятия применительно к конкретной проверке из предложенного в общих положениях списка, например: «Выявить признаки финансовых нарушений, при управлении имущественным комплексом в филиалах авиационного предприятия», выявить нарушения, провести диагностику типа нарушений, отразить результаты в отчете; – составить список предметов внутреннего контроля (регламентирующий документ, организационно-распорядительный документ, разрешительный документ, отчетный документ, договор и контракт, сделка, стоимостной показатель, результативный показатель, оценочный показатель, процедура, регламент и др.); – уточнить объект проверки, на основании чего составить запрос о предоставляемых документах; – подобрать нормативно-законодательную базу, разделить ее по признакам: финансовое законодательство, внутренние регламенты, другие нормативные документы и обязательства; – специалисту, осуществляющему внутренний контроль, руководствоваться принципами: объективность; независимость; адекватность; системность; соответствие законодательству, принятой стратегии, правилам и процедурам; демократический, государственно-общественный характер управления образованием, автономность образовательных учреждений; – для проведения каждой процедуры выявления нарушений следует выбрать и применить методы (в отчете одновременно с описанием нарушения указывается примененный метод выявления нарушений, например: «В ходе визуального 174 М. Н. Калошина, Е. А. Хачатуров-Тавризян 2014. № 1 (28) осмотра основных средств филиала авиационного предприятия выявлено их физическое отсутствие» или «В первичном документе идентифицирована форма, не являющаяся унифицированной»); – для проведения каждой процедуры выявления нарушений следует выбрать и применить метод (методы) работы с документами (в отчете одновременно с описанием нарушения указывается примененный метод работы с документами, например: «Формальная проверка локальных документов позволила выявить отсутствие положений об аренде»); – признаки нарушений, описанных в общих положениях по применению модели, включены в состав модели для каждого вида возможных нарушений, в этой связи специалисту не требуется самостоятельно производить идентификацию нарушения, а при необходимости идентифицировать нарушение, выявленное в ходе проведения внутреннего контроля, использовать следующие рекомендации: а) если обнаружены ошибки и искажения в цифрах, которые отражаются в финансовых документах, отчетности, сметах, платежных поручениях и требованиях, актах и др. в стоимостных измерителях, такое нарушение квалифицируется как имеющее прямые признаки финансовых нарушений (код – 1); б) если обнаружены ошибки и искажения, которые отражаются в документах и противоречат финансовому законодательству, такое нарушение квалифицируется как имеющее косвенные признаки финансовых нарушений, в части нарушений финансового законодательства (код – 2.1); с) если обнаружены ошибки и искажения, которые отражаются в документах и противоречат внутренним регламентам, другим нормативным документам и обязательствам, такое нарушение квалифицируется как имеющее косвенные признаки финансовых нарушений, в части нарушений внутренних регламентов, других нормативных документов и обязательств (код – 2.2). 2. При применении методики реализации Модели проведения внутреннего контроля за деятельностью авиационного предприятия необходимо: – на основании плана-задания в соответствии с разработанной формой проверки отметить в методике те мероприятия, которые необходимо выполнить; – прочитать общие положения для уточнения процедуры реализации модели посредством действий, описанных в методике; – если планом-заданием предусмотрено, например, для филиала авиационного предприятия выполнение мероприятия 1 «Выявление признаков финансовых нарушений при соблюдении филиа- лом авиационного предприятия требований законодательства»: а) в отчет включить указанные в методике в разделе 1 объект, предмет, цели и задачи; б) перейдя ко второму разделу, выполнить процедуры рекомендаций: мероприятие 1, раздел 2 и т. д. по всем разделам, указанным в планезадании; – если планом-заданием предусмотрено выполнение других мероприятий, произвести и другие действия по типологии, так же как и для мероприятия 1. – если планом-заданием предусмотрено выполнение мероприятия, например, для филиала авиационного предприятия «Оценка качества и эффективности управления имущественным комплексом филиала»: а) в отчет включить указанные в методике в разделе 1 объект, предмет, цели и задачи; б) перейдя ко второму разделу, выполнить процедуры рекомендаций, мероприятия по оценке эффективности путем расчетов. 3. Применение рекомендаций по реализации модели проведения внутреннего контроля за деятельностью авиационного предприятия. Специалисту необходимо: – прочитать общие положения рекомендаций и уточнить возможный список запрашиваемых документов для проведения внутреннего контроля, в соответствии с законодательством и локальными актами авиационного предприятия; – при выполнении каждого мероприятия в соответствии с планом-заданием написать в отчет из возможных вариантов: а) способ устранения нарушения; б) способ отражения нарушения в отчете о проверке; в) вид документа, уведомляющего о нарушении; г) степень охвата проверкой объекта и предмета исследования - сплошная, выборочная (с указанием доли в %); – имея в бумажном или электронном виде разработанные по процедурам таблицы (табл. 1), отмечать в таблицах во втором столбце, например путем подчеркивания, какие документы изучал специалист (с использованием каких методов). Документы, в которых были обнаружены нарушения, специалист выделяет, например, красным маркером. В третьем столбце специалист отмечает, например, красным маркером, какие нарушения выявлены в изучаемых документах. Если одновременно в нескольких документах обнаруживается одно и то же нарушение, приведенное в третьем столбце, около каждого документа проставляется номер ситуационного варианта выявленного нарушения. В пятом столбце напротив каждого нару- 175 ВЕСТНИК РГАТУ 2014. № 1 (28) шения проставлен код признака финансового нарушения; – в таблицах, в которых специалисту предлагается установить причины выявленных нарушений, необходимо последовательно просмотреть все предлагаемые ситуационные варианты и отметить вид нарушения, при этом в пятом столбце этот выбранный вариант нарушения уже имеет идентификационный код относительно признака финансового нарушения; – при ведении внутреннего контроля в электронном виде выявленные нарушения простым способом сортируются по типу признака наличия финансового нарушения, и могут быть получены статистические расчеты по результатам проведения внутреннего контроля; – оценка качества и эффективности управления имуществом, обязательствами и т. п. авиационного предприятия позволяет рассчитать показатели в динамике и оценить изменения по интегральному показателю. Это дает возможность сравнить деятельность не только внутри одного авиационного предприятия во времени, но и по отношению к другим предприятиям отрасли. 4. Применение алгоритмов реализации модели проведения внутреннего контроля за деятельностью авиационного предприятия. Специалист может периодически на основании алгоритмов производить мониторинг выполненных работ, отмечая на распечатанных формах алгоритма уже выполненные действия, а также отмечать те проце- Рыбинск: РГАТУ дуры, разделы и мероприятия, в которых были обнаружены признаки финансовых нарушений. Это поможет специалисту включить в отчет весь перечень выявленных нарушений. 5. Применение типовых форм документов. Специалист заполняет ту или иную форму типовых документов в ситуации инициации, проведения, окончания процедур внутреннего контроля, а также при необходимости уведомления о выявленных нарушениях заинтересованных лиц. Заполненные формы включаются в состав отчета о проверке. Изложенные методологические аспекты проведения внутреннего контроля на авиационном предприятии позволяют унифицировать и систематизировать этот процесс, а также значительно сократить время выполнения за счет того, что модель включает наиболее полный список возможных финансовых нарушений и нарушений, имеющих признаки финансовых, а регламент содержит типологию нарушений. Все это позволяет наиболее полно осуществлять проверки, минимизировать субъективные риски, характерные для внутреннего контроля. Модель содержит мероприятия для проверки, характерные только для деятельности авиационных предприятий, что позволяет говорить о прикладном характере разработок. Также модель позволяет перейти от качественной констатации нарушений к количественной оценке результатов проведения внутреннего контроля и оценке эффективности деятельности и качества управления предприятием авиационной отрасли. Таблица 1 Типовые таблицы Регламента для проведения внутреннего контроля на авиационном предприятии Раздел № ____ . Выявление нарушений ХХХХХХХ № п/п 1 1 2 Возможность устранить нарушение 4 I, II, III 5 2.1), 2.2) ГК РФ I, II, III 2.1), 2.2) ГК РФ 3) Ошибки при заполнении документов 4) Ошибки при архивировании документов 5) Ошибок не выявлено I, II, III 2.1), 2.2) (Ссылка на акт) 2.1), 2.2) (Ссылка на акт) Перейти к шагу № 2 1) Деятельность не соответствует принципам 2) Выполняемая деятельность противоречит Уставу 3) Осуществляется деятельность, противоречащая лицензии 4) Нарушения не выявлены I, II, III Шаг контроля 1 Ситуационные варианты 2 Проверить наличие правоустанавливающих и следующих локальных нормативных документов, их ведение и соответствие законодательству (например): - Устав авиационного предприятия; - Свидетельство о внесении записи в ЕГРЮЛ; - лицензии; - договоры аренды; - план финансово-хозяйственной деятельности авиационного предприятия; - годовая бухгалтерская отчетность бюджетного учреждения; - приказы, распоряжения, протокольные решения, положения, регламенты, инструкции, протоколы, правила, заявления, договоры и др. локальные акты Установить причины нарушений ХХХ 3 1) Отсутствие правоустанавливающих и (или) локальных документов 2) Применение локальных нормативных документов, противоречащих нормам действующего законодательства 176 I, II, III Отразить в отчете I, II, III I, II, III Отразить в отчете о проверке Тип нарушения 2.1), 2.2) (Ссылка на акт) 2.1), 2.2) (Ссылка на акт) 2.1), 2.2) (Ссылка на акт) Перейти к разделу № __ М. Н. Калошина, Е. А. Хачатуров-Тавризян 2014. № 1 (28) Окончание табл. 1 1 3 2 Сравнить строку ХХ прогноза кассового исполнения средств и кредитовый и дебетовый оборот регистра бухгалтерского учета Анализ счета ХХ «ХХХХХ» за аналогичный период 3 1) Неверно применены счета бухгалтерского учета. 2) Сумма по строке ХХ (ХХХХХ) прогноза кассового исполнения больше кредитового и дебетового оборота регистра бухгалтерского учета Анализ счета ХХ «ХХХХХ» за аналогичный период 3) … меньше кредитового и дебетового оборота регистра бухгалтерского учета Анализ ХХ «ХХХХХ» за аналогичный период I, II, III 4 5 2.1) (Ссылка на акт) I, II, III 1) (Ссылка на акт) I, II, III 1) (Ссылка на акт) Библиографический список 1. Ефимова О. В., Мельник М. В., Бердников В. В., Бородина Е. И. Анализ финансовой отчетности. – М.: Омега-Л, 2012. – 400 с. 2. Макеев Р. В. Постановка системы внутреннего контроля: от проверок отчетности к эффективности бизнеса. – М.: Вершина, 2008. – 296 с. 3. Соколов Б. Н., Рукин В. В. Системы внутреннего контроля (организация, методика, практика). – М.: Экономика, 2007. – 442 с. Сведения об авторах Калошина Марина Николаевна – кандидат экономических наук, доцент Российского химикотехнологического университета им. Д. И. Менделеева, г. Москва. Е-mail: [email protected] Хачатуров-Тавризян Евгений Александрович – старший преподаватель Российского химикотехнологического университета им. Д. И. Менделеева, г. Москва. Е-mail: [email protected] Kaloshina, Marina Nikolaevna – Ph.D. in Economics, associated professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow. Е-mail: [email protected] Hachaturov-Tavrizyan, Evgeny Aleksandrovich – senior lecturer, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow. Е-mail: [email protected] 177 СОДЕРЖАНИЕ АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ......................................................................................... 3 А. Н. Поткин, И. А. Немтырева, Ф. В. Карпов. Выдув охлаждающего воздуха в срез выходной кромки лопатки.................................................................................................................................................... 3 В. В. Посадов, А. Е. Ремизов. Универсальный метод диагностики аэроупругих колебаний и анализа трендов вибраций при длительных испытаниях газотурбинного двигателя ..................................................... 7 И. Н. Адиев, С. Е. Белова, С. В. Перовский, А. А. Прокофьев, А. Р. Пустовалов. К вопросу об экспериментальной оценке влияния на аэродинамический шум взаиморасположения лопаток плоской модели лопаточных венцов турбины ................................................................................................................ 12 МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ ......................................................................... 18 Н. К. Криони, А. В. Новиков, А. Д. Мингажев, Р. Р. Бекишев. Эрозионно стойкое покрытие с дискретными элементами для лопаток турбин................................................................................................. 18 А. Н. Рыкунов, С. Л. Проскуряков, С. В. Чернышева. Радиус округления режущего клина при прецизионной лезвийной обработке ................................................................................................................. 23 А. А. Орлов, Д. И. Волков. Исследование влияния параметров процесса электрохимической обработки на среднюю высоту микронеровностей профиля пера лопаток ГТД............................................................... 27 А. Ю. Александров. Кластерное хромовое покрытие направляющей части канала профилированных труб .................................................................................................................................................................... 33 В. П. Смоленцев, С. В. Сафонов, А. Ю. Рязанцев, В. И. Котуков. Технология импульсновибрационной очистки прецизионных литых деталей..................................................................................... 40 В. А. Носенко, А. А. Александров. Определение проходного и непроходного размера ширины зёрен в пробах при рассеве шлифовального порошка 54CF46 на контрольных ситах................................................ 44 С. Г. Кутилин, Т. Д. Кожина. Особенности технологического процесса изготовления деталей компрессоров авиационных ГТД из полимерных композиционных материалов ........................................... 48 А. Н. Болотеин. Анализ напряженно-деформированного состояния деталей после механической обработки средствами компьютерного моделирования................................................................................... 54 ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И АВТОМАТИКА ................................................................... 61 И. А. Бурцев, В. А. Вишняков. Инвариантный алгоритм поиска характерного фрагмента на основе структурного метода.......................................................................................................................................... 61 В. М. Комаров, Ю. Н. Кривов, И. В. Лукьянов, В. П. Свет, Н. П. Чернецкий. Автоматизированный комплекс контрольно-проверочной аппаратуры для оперативной оценки параметров бортовой радиоаппаратуры ............................................................................................................................................... 65 В. К. Кутузов, С. В. Кутузов. Синтез многоконтурных систем управления................................................ 71 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ И МЕХАНИКА ........................................................................................ 77 В. Г. Волков, В. М. Комаров, И. В. Лукьянов, Н. П. Чернецкий. Оценка эффективности современных методов спектрального оценивания для разрешения близкорасположенных спектральных линий .............. 77 В. В. Шевелев. Поиск оптимальных вариантов при проектировании группового болтового соединения с шестью болтами при действии внешней силы в плоскости стыка ................................................................ 82 Н. В. Осадчий, В. А. Малышев, В. Т. Шепель. Численное решение задачи изгиба трехслойной панели с нежестким заполнителем.................................................................................................................... 87 С. А. Воронов. Особенности построения и реализации системы проектирования аксиально-поршневых гидромашин ....................................................................................................................................................... 92 Б. Ю. Житников, Ю. З. Житников, П. Д. Филянович. Описание процесса ударной затяжки резьбовых соединений с учетом потерь энергии при ударе на упругопластические деформации взаимодействующих поверхностей................................................................................................................... 97 Д. С. Воркуев, Е. А. Миронова. Многошпиндельный гайковерт на основе муфт предельного момента, дифференциальных механизмов, механизмов свободного хода.....................................................................101 В. И. Богданов, Д. С. Ханталин. Предварительная оценка необходимости адаптации современных численных методов к решению задач высоконестационарной газовой динамики ........................................104 ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ .........................................................................................................110 В. А. Камакин, Э. В. Киселев, С. М. Кожина. Управление качеством продукции при механообработке на основе принципов автоматизации управления эксплуатационным качеством продукции.......................110 178 М. В. Панкратов, В. В. Юдин, А. В. Юдин. Учет влияния взаимного расположения токоподводящих шин на величину индуктивной связи...............................................................................................................113 Р. В. Павлов. Симулятор учебного стенда «Учебно-отладочное устройство «Электроника-580» на микроконтроллере ............................................................................................................................................117 Ю. Н. Можегова. Точность автоматизированного контроля минимального размера пор материала при газодинамическом методе ................................................................................................................................121 Я. А. Даршт, И. Г. Романов. Методика определения гидравлических коэффициентов гидроаппаратов..125 В. И. Бутенко. Влияние состава и условий трения на эксплуатационные показатели многокомпонентных слоёв на поверхностях деталей трибосистем................................................................130 Г. К. Рябов. Вибростенд для экспресс-испытаний специзделий...................................................................134 О. В. Гусев. Имитационная модель демагнетизатора ферромагнитных материалов на основе силовых полупроводниковых ключей ............................................................................................................................136 А. С. Ямников, А. О. Чуприков, В. В. Иванов. Уменьшение влияния технологической наследственности при токарной обработке тонкостенных сварных корпусов...............................................142 ГУМАНИТАРНЫЕ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ .........................................................................148 А. В. Борисов, Н. Т. Косяшников, А. В. Буриков. Использование методики сопряженной тренировки для сотрудников узлов связи на основе применения специальных акробатических и плиометрических упражнений.......................................................................................................................................................148 Е. В. Тарасова, Е. Н. Никулина. Технология коммерческой и инновационной оценки инвестиционных проектов в авиационной отрасли.........................................................................................151 Н. В. Горячева. Особенности информационного взаимодействия при перспективном планировании качества продукции (APQP).............................................................................................................................157 Е. В. Сидорова. Антропологические основания теории имиджа..................................................................163 М. Н. Калошина, Е. А. Хачатуров-Тавризян. Методические аспекты проведения внутреннего контроля на авиационном предприятии ..........................................................................................................172 179 THE CONTENT AIRCRAFT ENGINES AND POWER PLANTS............................................................................................................. 3 A. N. Potkin, I. A. Nemtyreva, F. V. Karpov. Blowing out of cooling air in the blade rake trailing edge........... 3 V. V. Possadov, A. E. Remizov. Universal diagnostic technique for aeroelastic oscillations and analysis of vibrations trends at continuous gas-turbine engine tests.......................................................................................... 7 I. N. Adiev, S. E. Belova, S. V. Perovsky, A. A. Prokofiev, A. R. Pustovalov. To a problem of turbine blade rows flat model interposition influence on aerodynamic noise experimental estimation ............................... 12 MATERIALS AND ENGINES MANUFACTURING TECHNOLOGY ............................................................................. 18 N. K. Krioni, A. V. Novikov, A. D. Mingazhev, R. R. Bekishev. Turbine blades erosion-resistant coating with discrete elements.......................................................................................................................................... 18 A. N. Rykunov, S. L. Proskuryakov, S. V. Tchernysheva. Wedge truncation radius at precision edge cutting machining ................................................................................................................................................ 23 A. A. Orlov, D. I. Volkov. Process of an electrochemical working parametres influence on medial GTE blade airfoil profile irregularities height research ................................................................................................. 27 A. Y. Aleksandrov. Profiled tubes lead-in section channel cluster chromium coating ......................................... 33 V. P. Smolentsev, S. V.Safonov, A. Y. Ryazantsev, V. I. Kotukov. Pulsing-vibrational scrubbing of precision-moulded pieces technique..................................................................................................................... 40 V. A. Nosenko, A. A. Aleksandrov. Sizing of passable and non-passable grain widths in samples at 54CF46 grinding powder sieving on test sieve................................................................................................................... 44 S. G. Kutilin, T. D. Kozhina. Singularities of polymeric composite materials in an aircraft turbine engine compressor details manufacturing technological process ...................................................................................... 48 A. N. Bolotein. Post-machining details mode of deformation analysis by means of computer simulation............. 54 INFORMATION SCIENCE, ADP EQUIPMENT AND AUTOMATION ......................................................................... 61 I. A. Burtsev, V. A. Vishnyakov. Characteristic fragment invariant search algorithm on the basis of structural method ................................................................................................................................................................ 61 V. M. Komarov, Y. N. Krivov, I. V. Lukyanov, V. P. Svet, N. P. Chernetsky. Automated set of a check-out operating equipment for urgent on-board radio equipment check-up and parametres estimation............ 66 V. K. Kutuzov, S. V. Kutuzov. Multi-circuit management systems synthesis.................................................... 71 PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES AND MECHANICS ..................................................................................... 77 V. G. Volkov, V. M. Komarov, I. V. Lukyanov, N. P. Chernetsky. Estimation of modern methods of spectral estimation effectiveness for solution of densely spaced spectrum lines .................................................... 77 V. V. Shevelev. Selection of optimal alternatives at designing of a group 6-bolt joint upon action of an external force in junction plane ............................................................................................................................ 83 N. V. Osadchy, V. A. Malyshev, V. T. Shepel. Numerical solution for a nonrigid sealer trilaminar panel curving problem .................................................................................................................................................. 87 S. A. Voronov. Singularities of build-up and implementation of axial-piston hydraulic machines projection system ................................................................................................................................................................. 92 B. Y. Zhitnikov, Y. Z. Zhitnikov, P. D. Filyanovich. Exposition of thread connections shock-induced tightening process considering power losses on plasto-elastic deformations of interreacting surfaces at impact..... 97 D. S. Vorkuev, E. A. Mironova. Multi-spindle nut runner on the basis of overtime clutches, differential mechanisms and free-wheeling mechanisms .......................................................................................................101 V. I. Bogdanov, D. S. Khantalin. Necessity of modern numerical methods adaptation to problem solving of highly rheonomous gas dynamics preliminary estimation ....................................................................................104 SCIENCE AND ENGINEERING SHARED PROBLEMS .............................................................................................110 V. A. Kamakin, E. V. Kisselev, S. M. Kozhina. Machining operations product quality control on the basis of operational quality of goods automated management principles ......................................................................110 M. V. Pankratov, V. V. Yudin, A. V. Yudin. Influence of feed bars relative positioning on inductive coupling magnitude revisited ..............................................................................................................................113 R.V. Pavlov. Practice-and-adjustment device «Elektronika-580», microcontroller-based test bench similator ....117 Y. N. Mozhegova. Material pores minimum size automatic test accuracy at gas-dynamic method......................122 Y. A. Darsht, I. G. Romanov. Technique of hydraulic units hydraulic coefficients determination ....................125 180 V. I. Butenko. Influence of composition and friction conditions on operating data of tribosystems surfaces details multicomponent layers.............................................................................................................................130 G. K. Ryabov. Vibration-test rig for express tests of spesial items .....................................................................134 O. V. Gussev. Simulation model of ferromagnetic materials demagnetizer on the basis of power semiconductor keys ............................................................................................................................................136 A. S. Yamnikov, A. O. Chuprikov, V. V. Ivanov. Influence of technological heredity at turning of thin-walled welded shells reduction ....................................................................................................................142 HUMANITARIAN, SOCIAL AND ECONOMIC SCIENCES ........................................................................................148 A. V. Borissov, N. T. Kosyashnikov, A. V. Burikov. Сommunication centres employees combined training system on the basis of special acrobatic and plyometric exercises........................................................................148 E. V. Tarasova, E. N. Nikulina. Commercial and innovative estimation of investment projects technology (aviation sphere) .................................................................................................................................................151 N. V. Goryacheva. Singularities of informational interacting at advanced product quality planning (APQP)......157 E. V. Sidorova. Theory of image anthropological bases.....................................................................................163 M. N. Kaloshina, E. A. Hachaturov-Tavrizyan. An aviation enterprise internal control methodical aspects ...173 181 ВЕСТНИК РЫБИНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВИАЦИОННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени П. А. СОЛОВЬЕВА № 1 (28) 2014 Зав. РИО М. А. Салкова Редакторы: Н. В. Мирзоян, Л. В. Калинина Компьютерная верстка: Е. В. Шлеина, Л. В. Калинина Переводчик А. В. Антонов Подписано в печать 05.06.2014 г. Формат 6084 1/8. Уч.-изд. л.25,86. Тираж 150. Заказ 98. Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева) Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53
