С О Д Е Р Ж - esa-conference.ru€¦ · tis), including infection helicobacter pylon...

III «Евразийское Научное Объединение» • № 12 (58) • Декабрь, 2019 Содержание

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Aroutiounian V. M. Breath metal oxide sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Абдуллаев А.Р., Лойко Н.А., Крохалева Я.Н. О линейных функционально-дифференциальных уравнениях на полуоси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Гурьянов А.Е. Абсолютно непрерывное решение системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений со случайными параметрами . . . . . . . . . 9

Зейналлы С.М. Применение метода Коуэлла для интегрирования дифференциального уравнения II порядка . . . . . . .10

Мастропас З.П. Излучение бозонов при распаде капли бозе-конденсата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Рязанов В.И. Численное моделирование загрязнения окружающей среды от выбросов твердотопливных ракетных двигателей в тёплый и холодный периоды года . . . 14

Фоканов В.П., Павлов А.Б. Метод снижения загрязнения атмосферного воздуха озоном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

Хайруллаев И.Н. Принцип Бирмана-Швингера для одного модельного частично-интегрального оператора . . . . . . . . . . . . . 20

Шемелова О.В. Задача управления динамикой физических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Абдеев А.З., Кобызев С.В. Подбор современной модели турбулентности для расчёта гидродинамической обстановки в барботажном аппарате при подготовке углеводородного горючего по влагосодержанию . . .27

Васильев Д.Н., Шурай С.П. Использование современных информационных технологий в обеспечении промышленной безопасности аммиачных холодильных установок при переходе к риск-ориентированному подходу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Вилкова К.И., Фещенко Д.Е. О необходимости информационной модели города . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Ивановская А.В., Маркелова О.С., Самчук А.С. Особенности математического моделирования распространения нефти в акватории Керченского пролива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

Ильин Р.А., Гагиев И.Р. Протекторная защита трубопроводов от внутренней коррозии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

Капульцевич А.Е. Искусственный интеллект: роль гиппокампа в обработке визуальной информации . . . . . . . . . . . . .40

Ковалев И.А., Червоннова Н.Ю., Абдулов Р.Р. Разработка системы удаленного предоставления информации о работе технологического оборудования с применением Web-технологий . . . .48

Любимов В.В. Двухкомпонентный кварцевый вариометр . . . . . . . 50

Минеева А.В., Кочнева М.Е. Проблемы внедрения BIM-технологий в строительную отрасль в целях выпуска сметной документации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

Нежметдинов Р.А., Ковалев И.А., Харясов А.В. Разработка способа идентификации пользователя станка с ЧПУ на основе применения внешних вычислительных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Пернебеков С.С., Жүнісбеков А.С., Омаров Б.А., Имашов А.О., Маханбетжанов М.Н. Шымкент қаласы мысалында қала көшелерінің өткізу мүмкіндігін арттыру проблемаларын анықтау . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

IV Contents “Eurasian Scientific Association” • № 12 (58) • December 2019

Рамазанов Р.М., Рамазанов М.И., Ихсанов К.А. Диагностическое обслуживание инфраструктурных проектов Шелкового пути . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

Садыков А.В. Трехмерная математическая модель лучистого теплообмена с учетом селективности излучения дымовых газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Сойту Н.Ю. Расчет зданий по ветровым нагрузкам . . . . . . . . . .67

Сычев А.В., Шиляев С.А., Шаихов Р.Ф. Обоснование базовых параметров транспортно-технологических машин, оснащенных электроприводом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Троценко И.О. Способы повышения эффективности внутрифирменного финансового планирования . . . 72

Троценко И.О. Пути совершенствования бюджетирования на предприятии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Фирстов А.П. Роль газопроницаемости на «передув» жидкостекольной смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Хачaтрян С.А., Мерзляков В.Г. Использование элементов теории массового обслуживания при решении задач надежности горно-транспортных машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Хохолов Ю.А., Киселев В.В. Оценка эффективности рекуперативной системы регулирования теплового режима шахт и рудников криолитозоны, работающей в регенеративном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Шайдуров М.В. Современные технические решения по повышению пределов огнестойкости металлических конструкций здания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

Ягофаров В.Ю., Назаренко А.А., Титова В.А., Зайцев М.И., Пименов В.А., Рева В.П. Синтез сульфидов в результате механоактивации металлов и серы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90

Яковлев В.А., Давыдова Т.А. Об экологических проблемах на территории ГО «г. Якутск» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

Яструбинский Ю.А., Шиляев С.А. Повышение пассивной безопасности транспортного средства при его опрокидывании и уменьшение вероятности травм головыпассажиров за счет применения верхней подушки безопасности . . . . . .94

«Евразийское Научное Объединение» • № 12 (58) • Декабрь, 2019 Физико-математические науки

1

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК: 577:54:53

Breath metal oxide sensors

Aroutiounian V. M. Yerevan State University YSU, 1 Alex Manoukian Str, Armenia

Keywords: microelectronic semiconductor gas sensor, breath analysis, metal oxide.

DOI: 10.5281/zenodo.3603876

Introduction Interest in the research of small-sized gas sensors

(especially semiconductor) for medical applications has sharply increased in recent years. Requirements for such sensors are their high sensitivity, perfor-mance, and stability to very low concentrations of gases, mainly exhaled by a living organism. One of the most important directions of modern medicine is non-invasive diagnostics of the patient, based on the analysis of exhaled air in a special device. We are talking about the exhaled air, its chemical composi-tion, and volatile substances from the human body through the lungs. It is only necessary to make exha-lation and after a few seconds or minutes to get the results of the analysis.

Exhaled breath contains about 1000 volatile organ-ic compounds (VOCs) that are the products of metabo-lism. The exhaled gases such as NOx, acetone, ethanol, NH3, H2S, and H2O2 can be used as sensors to diag-nose various diseases. Several important gases having immediately dangerous to life or health concentration in air. For example, the threshold limit value for etha-nol and acetone are 1000 and 750 ppm, corresponding-ly. Due to the large surface of the lungs, volatile sub-stances (ethanol, ammonia, acetone, and others) very quickly pass from the bloodstream to the external environment with exhaled air. It is the mixture of vari-ous molecules secreted by a man that makes up the individual, unique smell of the patient. In a number of cases, this smell allows to immediately make the cor-rect diagnosis. A sharp specific smell from the mouth is a symptom of a number of diseases of the oral cavi-ty and stomach (stomatitis, periodontal disease, gas-tritis, peptic ulcer, and stomach cancer). In cardio-pulmonary insufficiency, unpleasant sour smell of under oxidized metabolic products associated with incomplete combustion of proteins, fats, and carbohy-drates in the liver often comes from patients. An unu-sual persistent smell is a formidable symptom of a growing tumor of the anterior brain. It turned out that with a stroke with an unfavorable outcome, much less acetone is released in patients than in healthy people. At the same time, diabetics, who also fell into a coma, exhale tens and hundreds of times more acetone than healthy ones. The content of acetone and ethanol is significantly different from healthy individuals (in patients with diabetes mellitus, cardiovascular dis-ease, in children with bronchial asthma, diathesis, in pregnant women with toxicities of the first half of pregnancy). We also note that it is possible to success-

fully detect using semiconductor sensors odorless substances, such as carbon monoxide (carbon monox-ide) or carbon dioxide.

1. Detection of diseases Capabilities of detection of various diseases using

the analysis of the breath are discussed below. Data on the surveillance capabilities of diseases in the allo-cation of specific gases are collected below in Table [1]. Naturally, assembled here material cannot be con-sidered as exhaustive one. Note also that the analysis of the breath allows to detect (diagnose) cancer of stomach and ovaries, rheumatoid disease, acute myo-cardial infarction, gum disease, tooth decay, bacterial imbalance on the tongue, impacted wisdom teeth, dehydration, sleep apnea, gastric, stomach ulcers duodenal ulcers and other diseases can be carried out.

From the middle of the 20th century to the present day, chromatography and mass spectrograph are among the most widely used analytical methods for studying explosives. In medicine, when studying gas exchange, gas analyzers are used to measure the con-centration of carbon dioxide, oxygen, and nitrogen in the inhaled and the exhaled gas mixture, to study blood gases and to measure the concentration of the indicator gas in the artificially created mixture when determining a number of respiration parameters (in-struments for measuring gas concentration in a gas mixture). In recent years, ionic and proton mass spec-troscopic methods and gas chromatography has been used in medicine, but such equipment is expensive and bulky Of course, the possibility of physical-chemical studies of gas-phase are not limited to the analysis. Samples of internal abdominal gases can collect and examine from different sections of the bronchi with bronchoscopy, from the stomach with gastroscopy, from the colon with colonoscopy, from the bladder with cystoscopy, from the uterus during hysteroscopy. To-day we are talking about the possibility of developing individual metabolic profile of the patient.

The use of semiconductor gas sensors for detecting the concentration of detectable gas released in pa-tients (acetone in diabetes, for example) is widely dis-cussed in the literature [32, 38]. Determination of the concentration of chemical compounds in explosives using gas sensors will allow the diagnosis of the dis-ease already in the early stages and will make it pos-sible to control treatment. In addition to nitrogen, oxygen, and water vapor, explosives contain various gases in a sick person. By the concentration of acetone

Physical and mathematical sciences “Eurasian Scientific Association” • № 12 (58) • December 2019

2

and the amount of current or voltage passing through the semiconductor sensor, for example, one can judge the degree of diabetes, acute heart failure, lung can-cer; hydrogen peroxide and nitric oxide-asthma and other pulmonary diseases, cancer of the digestive sys-tem; ammonia and hydrogen sulfide - hepatitis and cirrhosis; hydrogen and methane, a number of diseas-

es of the digestive system, etc. The current study of head, ovarian, bladder, prostate, kidney, gastric, and neck cancer, Crohn’s disease, ulcerative colitis. idio-pathic and atypical Parkinson’s, multiple sclerosis, pulmonary hypertension and other diseases is started now using nanoarrays and artifical intelligence meth-ods.

Table

Gases Exhalation and diagnostic significance Nitrogen oxide(NO) Respiratory diseases [asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), etc.]

Rhinitis digestive diseases [inflammation in the stomach (gastritis, hepatitis, coli-tis), including infection Helicobacter pylon digestive cancer] Hyperthermia Heavy-textured sepsis Uremia

Carbon monoxide (CO) Anemia (hemolytic, sideroblastic cell) Carboxy hemoglobinamija in acute and chronic exposures Lasting stay at intakes Giperbilirubinonemia of newborn oxida-tive stress hematoma Hemoglobinuria Pre-eclampsia of infection Thalassemia respiratory diseases (asthma, COPD, infections of the respiratory infection In-flammation of lung)

Ammonia (NH3) Diseases of the kidneys and liver (renal insufficiency in nephritis, idiopathic hyper-tension, atherosclerosis of renal artery, toxicosis and nephropathy of pregnant, toxic defeats of kidneys, paucity of the liver in jaundice, hepatitis, cirrhosis of the liver, toxic hepatitis) Acute and chronic radiation sickness The metabolism of monoamine in light Uremia

Hydrogen (H2 ) Diseases of bodies of digestion (digestive disorders of infants Gastrointestinal Dis-orders anaerobic bacteria in the large intestine Malabsorption hydrocarbons)

Hydrogen Peroxide H2 O 2

Respiratory diseases (asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), lung cancer Weakened respiratory lung function, etc.) The acute and chronic radia-tion sickness Diabetes

Methane Gastrointestinal disorders (Malabsorption hydrocarbons) Colorectal cancer CS2 and pentane Risk factor in coronary artery diseases, Schizophrenia Ethylene (C2H4 ) Oxygen stress, Lipid peroxidation internals at acute myocardial infarction Destruc-

tion caused by free radicals Uremia Ethane (C2H6) and pentane

Lipid peroxidation in liver transplant peroxide Marker-assisted oxidation of lipids Schizophrenia COPD Interstinal lung desease Asthma Cystic fibrosis Heart fail-ure Inflammatory bowel disease

Methanol Diseases of the central nervous system Lung and breast cancer Ethanol Alcoholism Diabetes Acetone C6H6O Alcoholism, the function of the pancreas in acute pancreatitis and execute-

destructive dietary and severe balance failure at lung cancer Diabetes Chronic liver disease

Isotopic modification Infection with the bacterium Helicobacter pylori passage of food through the gas-trointestinal tract the overgrowth of bacteria lactose Digestion pancreatic Dysfunc-tion Malabsorption liver dysfunction, including cirrhosis the metabolism of bile glucose metabolism

Vapors of urine Gastroenterology Pentane and its Deriv-atives

Breath and lung cancer. Acute myocardial infarction Heart titrant rejection Rheu-matic arthritis The exacerbation of asthma

Alkanes (hexane, etc.) Lung cancer Tuberculosis Dimethyl and carbonyl sulfides

Lung cancer Cystic fibrosis Intra- and extraoral halitosis Chronic liver disease Hypermethioninemia

Isoprene Lung cancer Castaic ulcer Heart failure Hydrogen sulfide Intraoral halitosis Heptane, xylenes, oc-tane, ethylbenzene, styrene, decane, tolu-ene, benzene, gaseous aldehyde and formal-dehyde

Lung cancer

Metal oxide semiconductors n-type SnO2, ZnO,

WO3, TiO2, MoO3, In2O3, Fe2O3 and p-type CuO, NiO, Cr2O3, Mn3O4 are used during breath analysis [1,2,32,33]. Some interesting papers about breath anal-

ysis listed in Refs. [13, 15, 22, 31, 34, 35]. Note that the disease diagnosis using exhaled breath is still in the nascent stage and needs further improvement for clinic applications.


3

2. Detection of NO2 and NH3 for the diagnosis of asthma and renal disease

Villi-like WO3nanostructures show high gas re-sponses (Rgas/Rair) ~30 to 0.2 ppm NO at 200 °C [21]. It is shown also that WO3 nanotubes exhibit high re-sponses to 1 ppm NO. These results were obtained in highly humid (RH > 80%) atmospheres. BOSCH Healthcare Solutions announced a monitor which allowing measurements of fractional exhaled nitric oxide (FENO) for the diagnosis of asthma [16, 17]. Therefore, the potential of WO3 nanostructures for the diagnosis of asthma was demonstrated. This device consists of pretreatment components that precondition the exhaled gas and sensing components that measure FENO.

The initial stages of renal disease can be diag-nosed by measuring NH3 vapor in exhaled breath [26]. End-stage renal disease (ESRD) requires time-consuming, expensive, and inconvenient hemodialysis, which significantly decreases the quality of life for patients. If the nephron function is completely lost, kidney transplantation needs to be considered. The breath NH3 concentration of ESRD patients ranges around 4,9 ppm in contrast to 0.96 ppm for healthy individuals [26]. Exhaled ammonia can be also used to diagnose liver disease and helicobacter pylori infection α-MoO3 have his selectively to NH3 detection at sub-ppm levels even in highly humid atmospheres [27]. It can be used for diagnosis of renal failure. MoO3 and WO3 often show high response to basic amines such as trimethylamine, triethylamine, and butylamine.

3. Detection of acetone for diagnosing diabetes Diabetes patients use fat instead of glucose for en-

ergy and ketones are produced by the liver during fatty-acid metabolism. The concentrations of breath acetone in diabetes patients are reported to be higher than 1.8 ppm while those of healthy people are lower than 0.8 ppm [37]. Breath acetone concentrations can increase during ketogenic or low carbohydrate diets that are known to induce ketosis. It allows checking the effectiveness of ketosis-based dietary programs for healthy people. Among all other sensing materials, metal oxides show the highest responses to acetone. Various oxide sensing materials mentioned below allow to enhance selectivity and sensitivity to acetone under highly humid atmospheres.

There are Pt, Rh or Ni-loaded WO3 hem-itubes/nanofibers, having an average size of 2 to 3 nm, Si-doped ε-WO3 [24], Pt-loaded SnO2 nanotubes/ hierarchical nanofibers [22], Pd-loaded ZnO/ZnCo2O4 hollow spheres [24], RuO2-loaded WO3 nanofibers [28], Rh2O3-loaded WO3 nanofibers [23], and PdO-loaded Co3O4 hollow nanocages [24]. These fabricated nanostructures show great promise to be utilized as portable breath sensors for diabetes disease diagno-sis.

Note that SnO2, ZnO, Fe2O3, and other metal oxide gas sensors often show similar responses to acetone and ethanol [7]. Accordingly, analyses from intoxicated diabetes patients, or the presence of small amounts of alcohol in the mouth, may not provide reliable diagno-ses. Pure and catalyst loaded WO3 have been used as the most common and representative sensing materi-als for the selective detection of acetone [20, 24].

4. Detection of H2S for diagnosing halitosis The degradation of S-containing amino acids in

the oral cavity, upper/lower respiratory tract, and alveolar exchange with blood lead to halitosis. It is detectable as highly odorous gases with concentra-tions less than 1 ppm, that can be used to diagnose fetor hepaticus and metabolic disorder.

CuO alone and as additive materials to SnO2, In2O3, and ZnO has been used as sensing material. The conversion of the p-type semiconducting CuO into metallic CuS leads to form of junction n-type semi-conductor-metallic CuS. The doping of hollow SnO2 spheres with CuO decreased the humidity dependence of the sensing characteristics to negligible levels with-out sacrificing high selectivity and sensitivity H2S at 80% RH. Therefore, CuO is effective both in dry air and exhaled breath.

Liang et al. [28] reported that the CuO-loaded In2O3 nanofiber sensor showed reversible H2S sensing characteristics above 300 °C. Doping Mo on ZnO nan-owires not only increased selectivity to H2S but also significantly enhanced the reversibility of the H2S sensing characteristics. Ag was also reported to be an effective additive that enhanced the H2S selectivity of sensors based on TiO2 [30]. Yoneda et al. [39] provided a mini review on various techniques for the analysis of halitosis.

5. Detection of volatile organic compounds for lung cancer diagnosis

Researchers have investigated different gases of lung cancer by comparing the breaths of healthy peo-ple and lung cancer patients [19]. Volatile organic compounds (VOCs) are reported as biomarker gases of lung cancer. Comprehensive review on VOCs relat-ed to lung cancer has been provided by Hakim et al. [18]. Note that most lung-cancer biomarker gases, except a few, contain benzene rings. Pure CNT or graphene-based sensing materials generally do not exhibit notable responses to large gases at room tem-perature or temperatures less than 100°C.

P-type semiconductors as gas sensing materials for benzene-derived gases, such as xylene, toluene, and benzene itself, can be used during measurements of lung cancer.

Gaseous aldehyde and formaldehyde breath bi-omarkers of lung cancer were proposed [22]. Ni-doped and Co-doped ZnO nanowires, Co3O4 (mesoporous, Cr-doped nanocomposites, and Pd-loaded shell sphere and hierarchical nanosheets), C/r2O3-ZnCr2O4 nano-composites, NiO-NiMoO4-SnO2 nanocomposites, Cr-doped NiO hierarchical nanosheets, Pd-SnO2 film with Co3O4 overlayer are very promising materials for detection of lung cancer. [1, 2, 38].

Of course, lung cancer can be diagnosed via the detection of a single biomarker gas. However, to in-crease diagnosis precision, the diagnosis of lung can-cer using the electronic nose technology is preferable. Note also that pretreatment components such as de-humidifiers, preconcentrators, and flow sensors are very important for precise analysis. To miniaturize the system and achieve in situ diagnosis, the adsorption of analytic gases, interference gases, and moisture needs to be significantly improved [38].


4

6. YSU detectors of gases An intensive work has been started on a manufac-

ture of corresponding new small-sized equipment using semiconductor gas sensors. Note that at Yere-van State University (Department of Semiconductor Physics and Microelectronics and the Scientific Center for Semiconductor Devices and Nanoelectronics) as a result of many years of research, semiconductor sen-sors of various gases have been developed. Sensors at YSU are sensitive to vapors of acetone, ammonia, nitrogen oxides, iso-butane, ammonia, hydrogen sul-fide, hydrogen, various alcohols, toluene, combustible gases, hydrogen peroxide, propane, propylene glycol, formaldehyde, dimethylformamide, dichloroethane, gasoline, carbon monoxide and smoke arising in the

early stages of a fire (see some references [6, 8-12]). As part of a NATO grant, small-sized semiconductor sensors for nerve gases of chemical weapons (sarin, mustard gas) have been developed in YSU. Successful tests of such sensors were carried out at the Czech Military Academy. Of course, there is information about commercial gas sensors (except for military, poisonous and a number of industrial gases) produced in the USA, Japan, China, Russia and Germany. Note that the sensors at YSU are stable in time, of smaller volume, much cheaper than produced in above-mentioned countries and are easily compatible with integrated circuits. Figures 1 – 3 show our small-sized detectors of hydrogen and alcohols [3, 11, 12].

Fig. 1. Hydrogen leakage sensor [3]

Fig. 2. Ethanol sensor [10]

Fig. 3. Arduino Nano Sensor [11]

Fig. 3 show the possibility of implementing such a detector using a programmable board and the Ar-duino Nano memory. It is possible to load a program into the Arduino processor that will control all of these devices according to a given algorithm. It is notewor-thy that as a gas sensor can be used as sensors pro-posed in the center of semiconductor devices and nan-otechnology of YSU, as well as any othersEarlier, we developed also a device, which allows us to measure

simultaneously three gases — methane, carbon mon-oxide, and hydrogen [12].

Conclusions One of the most important directions of modern

medicine is non-invasive diagnostics of the patient, based on the analysis of exhaled air in a special de-vice. Data on the surveillance capabilities of various diseases in the allocation of specific gases are collect-ed. The potential of various semiconductor chemical


5

resistors made from metal oxide semiconductors to diagnose disease has been reviewed. For disease di-agnosis from exhaled breath, pure and catalyst-loaded semiconductor chemical resistors sensing materials for specific biomarker gases are reported. In particu-lar, nanosensors were discussed having the potential to detect asthma, renal disease, diabetes, halitosis, and

lung cancer. The humidity and temperature depend-encies of various sensing characteristics need to be decreased to negligible levels through the complete understanding of gas-sensing mechanisms and the interaction between moisture and the sensing surface. Corresponding low-cost detectors are developed which can detect small concentrations of exhaled air.

References:

1. Aroutiounian V. M., Diagnostics using microelectronic semiconductor gas sensors, Reports of NAS Arme-nia 9 (2019), 3, 264 -273.

2. Aroutiounian V. M., Metal oxide nanosensors, J. Contemporary Physics 54 (2019), 4, 356-367. 3. Aroutiounian V. M., Hydrogen sensors, Dekker Encyclopedia of Nano-science and Nanotechnology, Second

Edition, Taylor and Francis, USA, 2012, 1-10. 4. Aroutiounian V. M., Graphene- and graphene-oxide-based gas sensors. Graphene Science Handbook. Ap-

plications and Industrialization. CRC Press Tailor&Francis Group, USA, Fl., Boca Raton, Chapter 20, 2016, 299-310.

5. Aroutiounian V. M., Properties of hydrogen peroxide sensors made from nanocrystalline materials. Sensors and Transducers, 223(2018), 9-21.

6. Aroutiounian V. M., Semiconductor gas sensors for detection of chemical warfare agents and toxic indus-trial chemicals, International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, 249-251(2018), 38-48.

7. Aroutiounian V., Adamyan Z., Sayunts A., Khachaturyan E., Adamyan A., Hernadi K., Nemeth Z., Berki P. Comparative study of VOC sensors based on ruthenate MWCNT/SnO2 nanocomposites. Int. Journal of Emerg-ing Trends in Science and Technology 1(2014), 1309-1319.

8. Aroutiounian V. M., V. Arakelyan V.M., Shahnazaryan G.E., Aleksanyan M.S., Hernadi K., Nemeth Z., Berki P., The ethanol sensors made from α-Fe2O3 decorated with multiwall carbon nanotubes, Advances in Nano Research (2015), 1-11.

9. Aroutiounian V. M., Zakaryan H., CO gas adsorption on SnO2 surfaces: density functional theory study. Sensors and Transducers, 212(2017), 50-56.

10. Aroutiounian V., Kirakosyan V., Flexible gas detector, Armenian Journal of Physics, 11 (2018), 160-165. 11. Arouitiounian V., Hovhannisian. A, Semiconductor gas detector using Arduino NANO, Armenian J. Phys.

12(2019) 283-287. 12. Aroutiounian V., Pokhsraryan D., Chilingaryan H., Gas monitoring system, Armenian Journal of Physics

3(2010), 78–81. 13. Cao F., Li C., Li. M, ZnO nanorod walled carbon nanotube nanocomposite for ethanol vapour detection.,

Micro and Nano Letters 13(2018) 779-783. 14. El Achhab M. and Schierbaum K., Gas sensors based on plasma-electrochemically oxidized titanium

foils,Journal of Sensors and Sensor Systems 5, 1–9 (2016). 15. Gonzales W. V., Mobashsher A. T., Abbosh A., The progress of glucose monitoring. A review of invasive

to minimally and non-invasive techniques, devices and sensors, Sensors 19 (2019), 800-845. 16. https://www.vivatmo.com/ Accessed on July 30, 2017 17. https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe/stickstoffoxide, 26.11.201917. 18. Hakim M., Broza Y.Y., Barash O., Peled N., Phillips M., Amann A., Haick H., Volatile organic com-

pounds of lung cancer and possible biochemical pathways, Chem. Rev. 112(2012), 5949–5966 19. Jang J.-S., Choi S.-J., Kim S.-J., Hakim M., Kim I.-D., Rational Design of Highly Porous SnO2 Nano-

tubes Functionalized with Biomimetic Nanocatalysts for Direct Observation of Simulated Diabetes, Adv.Funct. Mater. 26(2016), 4740–4748.

20. Jang S., Choi S.-J., and Kim I.-D., Fast Responding Exhaled-Breath Sensors Using WO3 Hemitubes Functionalized by Graphene-Based Electronic Sensitizers for Diagnosis of Diseases, Sens. Actuators B 241(2017), 1276–1282.

21. Jornet N., Martíneza B., Cassi J. C. T., Towards sarcosine determination in urine for prostatic carcinoma detection, Sensors & Actuators B 287(2019,), 380-389.

22. Kien N., Hung C., Ngoc T. M., Low-temperature prototype hydrogen sensors using Pd decorated SnO2 nanowires for exhaled breath applications, Sensors and Actuators B253(2017), 156-163.

23. Kim N.-H., Choi S.J., Kim S.-J., Cho H.-J.. Jang J.-S., Koo W.-T., Kim M., Kim I-D., Highly sensitive and selective acetone sensing performance of WO3 nanofibers functionalized by Rh2O3 nanoparticles, Sens. Actua-tors B224(2016), 185–192.

24. Koo W.-T., Choi S.-J., Jang J.-S.. Kim I.-D, Metal-Organic Framework Templated Synthesis of Ul-trasmall Catalyst Loaded ZnO/ZnCo2O4 Hollow Spheres for Enhanced Gas Sensing Properties, Sci. Rep., 7(2017),

25. Koo W.-T., Yu S., Choi S.-J., Jang J.-S., Cheong J.Y., Kim I.-D., Metal–Organic Framework-Templated PdO-Co3O4 Nanocubes Functionalized by SWCNTs: Improved NO2 Reaction Kinetics on Flexible Heating Film, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9(2017), 8201–8210..


6

26. Krisnan S.T., Devadhasan J.P., Kim S., On the importance of accurate quantification of individual vola-tile metabolites in exhaled breath, Anal. Bioanal. Chem. 409(2017), 21–21.

27. Li H-Y, Huang L., Wang X.-X., Lee C.-S., Yoon J-.W., Zhou Z., Guo X., Lee J.-H., Molybdenum trioxide as a dual gas sensor for detecting trimethylamine and hydrogen sulfide, RSC Adv. 7(2017), 3680–3685.

28. Liang X., Kim T.-H., Yoon J.-W., Kwak C.-H., Lee J.-H., Ultrasensitive and ultraselective detection of H2S using electrospun CuO-loaded In2O3 nanofiber sensors assisted by pulse heating, Sens. Actuators B209(2015), 934–942.

29. Lin T., Lv X., Hu Z ., Semiconductor metal oxides as chemoresistive sensors for detecting volatile organic compounds., Sensors, 19(2019), 233-265.

30. Ma S., Jia J., Tian Y., Cao L., Shi S., Li X., Wang X., Improved H2S sensing properties of Ag/TiO2 nano-fibers, Ceram. Int. 42(2016), 2041–2044.

31. Narjinary M., Sen P., Pal M., Enhanced and selective acetone sensing properties of SnO2-MWCNT Nanocomposites. Promising materials for diabetes sensor, Materials and Design, 115(2017), 158-164.

32. Nasiri N.., Clark Ch., Nanostructured sensors for medical and health applications: Low to high dimen-sional materials, Biosensors 9(2019), 43-65.

33. Di Natale C., R. Paolesse, E. Martinelli, R. Capuano, Solid-state gas sensors for breath analysis, Anal. Chim. Acta, 824(2014), 1–17.

34. Romero-Ben E., Surface modulation of single-walled carbon., Int. Journal of Nanomedicine, 4(2019), 3245–3263.

35. Saas V., Malwel T., Beukes M., Sensing technologies detection of acetone in human breath for diabetes diagnosis and monitoring, Diagnostics 8(2018), 12-29.

36. Schierbaum K., Breath gas analysis, In Chemical and Biochemical Sensors, 2. Applications, Ullmann´s Encylopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, (2016).

37. Sui L.-L., Xu Y.-M., Zhang X.-F., Cheng X.-L., Gao S., Zhao H., Cai Z., Huo L.-H., In situ deposited hier-archical CuO/NiO nanowall arrays film sensor with enhanced gas-sensing performance to H2S, Sens. Actuators B 208(2018), 406–414.

38. Yoon Ji-W, Lee J.-H.., Towards breath analysis on a chip for disease diagnostics using semiconductor-based chemiresistors: Recent progress and future perspectives, Lab on a chip (2017), 1-15

39. Yoneda M., Suzuki N., Hirofuji T., Current Status of the Techniques Used for Halitosis Analysis, Austin Chromatogr. 2(2015), 1024-1027.

О линейных функционально-дифференциальных уравнениях на полуоси

Абдуллаев Абдула Рамазанович, доктор физико-математических наук, профессор; Лойко Наталья Александровна, старший преподаватель;

Крохалева Яна Николаевна, магистрант Пермский национальный исследовательский политехнический университет (г. Пермь)

Факультет прикладной математики и механики. Кафедра «Высшая математика»

Рассматривается линейное функционально дифференциальное уравнение на полуоси. Приведена схема ис-

следования этого уравнения с помощью вспомогательного уравнения в пространстве L . Доказаны утвер-

ждения, позволяющие установить фредгольмовость «главной части» в вспомогательном уравнении. В част-

ности, сформулирована теорема о вполне непрерывности интегрального оператора Вольтерра в простран-

стве L .

Ключевые слова: функциональное дифференциальное уравнение, вполне непрерывность, оператор Воль-

терра, асимптотика решений на полуоси.

Пусть: ( , )R , [ , )aE a . Через ( )aL L E обозначим пространство измеримых и ограни-

ченных в существенном функций : ay E R с vraisup-нормой; ( ),1p p aL L E p – пространство

суммируемых в p -степени функций : ay E R с нормой p

. ( )aD D E - пространство функций

: ax E R абсолютно непрерывных на каждом конечном промежутке [ , ]a T .

Рассмотрим функционально-дифференциальное уравнение (ФДУ) вида

( ) ( )( ) 0x t Vx t (1)

с линейным оператором : ( )V D V D , а также

0( ) ( )( ) ( ) ( ),y t V y t z t x a (2)

с линейным оператором 0 0: ( )V D V L L .


7

Под решением уравнения (1) или (2) понимается элемент пространства D или L , почти всюду на aE

удовлетворяющий уравнению (1) или (2). Уравнение (2) будем считать вспомогательным по отношению к уравнению (1) в том смысле, что суще-

ствует линейное преобразование y Kx такое, что если x D , решение уравнения (1), то y L ,

y Kx - решение уравнения (2).

В предлагаемой работе приводится схема исследования уравнения (1), которая эффективно может при-меняться для исследования линейных ФДУ на полуоси, в том числе, в вопросах асимптотического поведения решений.

Для удобства чтения дальнейшее изложение материала разобьем на отдельные пункты. п1. Переход к уравнению (2) может быть осуществлен различными способами, в том числе преобразова-

ниями, известными как левая или правая регуляризация уравнения [1, стр. 56]. Для иллюстрации рассмот-рим ФДУ с отклоняющимся аргументом

( ) ( ) ( ( )) 0x t r t x h t , (3)

где [0, )t и 0:h E R – измеримая функция.

Полагая 0

0

( ) ( ), ( ) ( )t

x t y t x t x s ds x получим следующее уравнение

( )

0( ) ( ) ( ) ( )

h t

t

y t r t y s ds r t x .

Или другой способ, как правило, применяемый для получения экспоненциальной оценки на решение

уравнения (3). Положим ( ) ( ) tx t y t e , 0 . Получим уравнение

( ( ))( ) ( ( )) 0t h ty y r t y h t e .

Так как 0(0) (0)y x x , то

( ( ))

0

0

( ) ( ( )) ( )

t

s h sy t y h s e y s ds x .

Вернемся к уравнению (2). Так как все решения уравнения (1) удовлетворяют и вспомогательному урав-нению (2), то оценки решения этого уравнения являются и оценками на решение уравнения (1). Предполо-

жим, что оператор 0V является корректно разрешимым с константой 0k и z L . Тогда почти всюду

на полуоси для всех решений уравнения (1) справедлива оценка

0( )y t M x

с некоторой константой 0M . Таким образом, для уравнения (1) могут быть получены условия ограни-ченности всех решений или асимптотические оценки определенного вида, а также изучены различные виды устойчивости ФДУ вида (1). На практике исследования уравнений вида (1) пользуются различными доста-

точными условиями, обеспечивающими корректную разрешимость оператора 0V во вспомогательном урав-

нении (2). Однако в научной литературе практически отсутствует подход, основанный на следующем сооб-

ражении: если оператор 0( ) :I V L L фредгольмов [1, стр. 90] и однозначно разрешим (инъективен),

то он обратим, а, следовательно, и корректно разрешим. Дело в том, что в литературе отсутствуют удобные

признаки, обеспечивающие вполне непрерывность оператора 0 :V L L даже для интегральных опера-

торов. Следующий пункт будет посвящен упомянутому вопросу. Описанная схема без принципиальных изменений применима к линейным системам вида (1), а также к

ФДУ более высокого порядка. п2. В этом разделе сформулируем утверждение, которое позволит установить вполне непрерывность опе-

ратора 0 :V L L . Построим подпространство 0X , компактно вложенное в L , т.е. оператор вложения

0:i X L , ix x является вполне непрерывным. Иными словами, каждое ограниченное подмножество

0M X является относительно компактным в L . Если теперь образ 0( )R V оператора 0 :V L L

таков, что 0 0( )R V X , то это будет означать вполне непрерывность оператора 0V .

Рассмотрим строго положительную функцию 1: ag E R такую, что pg L , 1 p . Пусть

( )g g aD D E - пространство функций D таких, что /x g L . Определим на gD норму равенством

( ) /g

x x a x g

.


8

Относительно этой нормы gD является банаховым пространством. Вложение gD в L будем рассмат-

ривать по классам эквивалентности. Отметим, что элементов gx D существуют конечные пределы

lim ( )t

x x t

и, кроме того, пространство D изоморфно прямому произведению 1L R .

Приведем критерий относительной компактности подмножеств в L [2, стр. 372] в следующей редакции.

Пусть i ae E – подмножества положительной меры.

Теорема 1. Множество M L относительно компактно тогда и только тогда, если

1) M ограничено в L ,

2) для любого 0 существует такое дизъюнктивное разбиение aE на конечное число подмножеств

1 2, , ..., me e e , что для произвольного y выполнено неравенство

1 2

1 2,

sup ( ) ( )it t e

vrai y t y t

для всех 1,i m .

Теорема 2. Вложение gD в L является компактным.

Доказательство. Рассмотрим произвольное ограниченное подмножество L , т.е.

,x c x M .

Имеем

( ) ( ) ( , )g

x t h x t t h x ,

где ( , ) ( )

t h

t

t h g s ds

.

Для произвольного 0 положим 0c

.

Так как 1g L , то из свойства абсолютной непрерывности интеграла Лебега следует, что существует та-

кое конечное разбиение

1

m

a i

i

E e

,

1 1 2 1 2 1 2 1 1, , , , ..., , , ,m m m m me e e e , что

1 2 0( ) ( ) ( )

ie

x t x t g s ds

для всех 1,i m .

Это означает, что M – относительно компактное в L множество.

Теорема доказана. Далее рассмотрим вопрос об условиях вполне непрерывности линейного интегрального оператора вида

(оператора Вольтерра)

0

( )( ) ( , ) ( )

t

Ky t K t s y s ds

в пространстве L .

Будем предполагать, что ядро ( , )K t s оператора K является абсолютно непрерывной функцией по

первому аргументу при всех 0s и измеримой функцией по второму аргументу при всех 0t . Если вы-полнено условие

00

sup ( , )

t

t

K t s ds

,

то оператор :K L L является ограниченным.


9

Положим

0 ( ) ( , )k t K t t , 1

0

( ) ( , )

t

tk t K t s ds .

Теорема 3([]). Если 1 2 1,k k L , то оператор :K L L вполне непрерывен.

Доказательство. положим 0 1( ) ( ) ( )g t k t k t . Можно показать, что образ ( )R K оператора

:K L L принадлежит пространству gD . Теперь справедливость этого утверждения следует из теоре-

мы 2. Теорема доказана. В частности, оператор

( )

0

( )( ) ( ) ( )

t

t sKy t e b s y s

при 0 и 1b L является вполне непрерывным.

В качестве применения утверждений этого пункта рассмотрим уравнение

( ) ( ) ( ) ( ) ( ( )) 0x t r t x t p t x h t , (4)

где , ,r p h - измеримые функции.

Если 0 1( ) 0, , ( )r t r p L h t t , то существует 0 такое, что решения уравнения (4) удовлетво-

ряют оценке ( ) , 0tx t Me t .

Литература:

1. Азбелев, Н.В. Введение в теорию функционально-дифференциальных уравнений [Текст] / Н.В. Азбе-лев, В.П. Максимов, Л.Ф. Рахматуллина. – М.:Наука, 1982. – 280 с.

2. Данфорд, Н. Линейные операторы. Общая теория [Текст]:/Н. Данфорд, Дж. Т. Шварц. – М.: ИЛ, 1972. – 895 с.

УДК 517.94

Абсолютно непрерывное решение системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений со случайными параметрами

Гурьянов Анатолий Евсеевич, канд. физ.-мат. н., доцент Санкт-Петербургский государственный университет

Аннотация. Рассматривается пример решения системы нелинейных обыкновенных дифференциальных

уравнений со случайными параметрами.

Ключевые слова: абсолютно непрерывный случайный процесс, точка равновесия типа центр.

Annotation. An example of solution of system of nonlinear ordinary differential equations with random parameters

is considered.

Keywords: Absolutely continuous stochastic process, point of equilibrium of center type.

Рассмотрим следующую систему уравнений

= y + α x2+2β x y α y2, (1)

= x β x2+2 α x y y2, (2)

где t есть вещественная переменная, и α, β суть непрерывные случайные величины, плотности которых положительны.

Реализациирешения системы уравнений (1), (2) имеют следующий вид

x = ,

y = ,

где C1, C2 суть непрерывные случайные величины, плотности которых положительны. Система уравнений (1), (2) с детерминированными (неслучайными числами) α, β, C1, C2 имеет две точки

равновесия типа центр x = 0, y = 0 и x = , y = .


10

От-

сюда следует, что на любом промежутке при не существует решения системы уравнений (1),

(2), компоненты которого являются абсолютно непрерывными случайными процессами аргумента t ϵ


1. Матвеев Н.М. Сборник задач и упражнений по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Мн.: Выш. шк., 1987. - 319 с.

Применение метода Коуэлла для интегрирования дифференциального уравнения II порядка

Зейналлы Субхия Мамедовна, кандидат математических наук, старший преподаватель Гянджинский Государственный Университет

Резюме. Здесь применяется метода Коуэлла для интегрирования дифференциального уравнения II порядка.

Этот метод применяется также для уравнений небесной механики не заключающим первой производной.

За последнее время появилось довольно много выводов основной формулы Коуэлла.

Ключевые слова: интеграл, дифференциальное уравнение, интерполяция, функция, метод Коуэлла, произ-

водная, кривая, аргумент, приближение.

Application of the Cowell method for integrating a second order differential equation

Zeynalli Subhiya Mammad, PhD in Mathematics, Senior Lecturer Ganja State University

Summary. Here, the Cowell method is used to integrate a differential equation of the second order. This method is

also used for equations of celestial mechanics not containing the first derivative. Recently, quite a few conclusions of

the basic Cowell formula have appeared.

Keywords: integral, differential equation, interpolation, function, Cowell method, derivative, curve, argument, ap-

proximation.

Для интегрирования дифференциального уравнения II порядка

),,(2

2

yytfdt

yd (1)

причем для некоторого момента tk дана yk, kk yy , =fk .

Давая аргументу t, как обычно, равные приращение h, мы можем составить таблицу значений y и их первых и вторых разностей. Согласно правилу образования разностей можем написать:

khk

hk

khk

khk

khk

khk

hk

yyy

yyyyyy

yyy

2

2

2

22

2

22

2

;

(2)

Здесь

2

hk

y

мы знаем, так как знаем yk и yk-h; что же касается до hkkhkk

yyyy

22

то на ос-

новании связи между разностями и производными найдем

.....)36012

(

.....36012

422

422

IV

VIIV

kkk

kkkk

fh

fh

th

yh

yh

yhy

(2)

Сохранив в этом выражении fk, как вычисляемую непосредственно по данному дифференциальному уравнению, заменим ее производные fk, fkIV, fkVI,... их выражениями через разности функции f.


11

После приведения однородных членов получим основную формулу Коуэлла:

...!10

289

!83

62

!6

3

!4

2 8642222

kkkkkkffffhfhy

....1959245384414719554,12556195124012

1412108642

22

k

k

fhfh (3)

После этого окончательно имеем

.....4,12556195124012

)( 8

2

6

2

4

2

2

2

2

2

11 kkkkkk

kf

hf

hf

hf

hfhyy (4)

= kkk yfh

y

22

0)1(12

Здесь

)( 2

2

10)1( kk

kk fhyyy

(5)

представляет величину yk, полученную экстраполяционным способом аналогичным способу средних ор-динат для уравнений 1-го порядка.

Первый член этой суммы kfh 2

2

12 мы называем интерполяционной частью приведения, так она зависит,

главным образом, от искомых величин 111

;; kkk

fyy ; сумму же остальных членов, заключенную в

квадратные скобки, мы обозначаем через ky и называем экстраполяционной частью приведения, так как

она зависит, от еще не найденных величин

;.....,,;,, 333222

kkkkkk fyyfyy

Самое вычисление точек интегральной кривой производится таким образом. Предположим, что процесс вычисления, ограниченный восьмыми разностями, продолжается достаточно

долго, и мы знаем yk, yk-1, yk-2, ... yk-10

ky , 2ky , y k-2, ... 10

ky

y k=fk, fk-1 , fk-2, ... fk-1

,2

1

k

f ,2

3

k

f .......… 2

19 kf

………………………………..

6

8

5

8

4

8 ,, kkk fff

1) Нанесем на графику кривые ∆2f, ∆4f, ∆6f, ∆8f и продолжим (экстраполируем) их до аргумента tk, чтобы найти ∆0

2fk, ∆04fk, ∆0

6fk, ∆08fk .

При этом кривую второй разности придется продолжить на один промежуток, четвертой - на два, восмой – на четыре промежутка.

2) По этим первоначально заданным разностям составим две редукции:

kk yfh

0

2

03

и kk yfh

0

2

0

2

12

Для вычисления первого и второго интегралов функции f в первом приближении; получим

kkkk

kkk

kkkkk

yfh

yy

yfh

y

yfh

hfyy

0

2

0

2

0)1(1)1(

0

2

00)1(

0

2

011)1(

12

;3

3)2(

(6)

3) По найденным значениям y и yпри помощи дифференциального уравнения уравнения вычисле-

нием

),,( 1)1(1)1(11)1( kkkk yytff


12

и составляем разности ,,....... 3

8

1

2

1,

2

11

kkk

fff т.е. всю восходящую косую строку, идущую от f(k+1)1 , и

обозначим 1

2

0

2

1 kk ff.

4) Вновь экстраполируя кривые разностей, найдем ∆14 fk,∆1

6fk,∆18fk, и вычислим новые значения ре-

дукции ky1 и ky1 ; теперь степень экстраполяции будет на единицу меньше, т.е. кривую четвертой разно-

сти придется продолжать на один промежуток, восьмой – на три промежутка, что значительно увеличит точность новых значений экстраполированных разностей.

5) Если бы мы захотели найти 11,

kk yy во втором приближении, то получим бы

)(12

)(3

3

011

2

1)1(2)1(

011

1)1(1

2

10)1(2)1(

kkkk

kk

kkkkk

yyh

yy

yyh

yyfh

yy

(7)

Заметив, что

....,2

)(

2

)(

)()()(

2

12

2

22

12

2

2

12122

yy

y

fyy

y

fyy

y

fyy

y

fff (8)

где для сокращения первые значки (k+1) опущены, и пренебрегая высшими степенями малых разностей

)(),( 1212 yyyy найдем

1

01011

1

2

1)1(2)1()()(

123k

kkkk

k

kkyy

y

fyy

y

f

y

fh

y

fhff

;21121)1(

BAfk

(9)

.

2112

2

1

2

2BAff

kk

Теперь мы можем вычислять 11,

kk yy в третьем, четвертом… приближениях, пока не добьемся полного

совпадения всех искомых величин, в пределах точности вычисления. Этот же результат можно получить сразу, не вычисляя второго приближения.


1. Тихонов А.Н., Васильева А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. – М.: Наука, 1985. 2. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. – М.: Наука, 1967. – 368 с 3. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Вычислительные методы, том 2. – М.: Наука, 1977. –

400 с. 4. Калиткин Н.Н. Численные методы. – М.: Наука, 1978. - 512 с. 5. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. – М.: Наука, 1972. –

369 с. 6. Бахвалов Н.С. Численные методы. – М.: Наука, 1973. – 632 с.

Излучение бозонов при распаде капли бозе-конденсата

Мастропас Зинаида Петровна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики

Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация. Методом квантово-когерентных состояний рассмотрен локализованный фермион в состоя-

нии типа волнового пакета, связанный с деформацией вакуума бозе-конденсата. Оценено число бозонов, излу-

чаемых в одном акте распада капли конденсата. На основе капельной модели проведен анализ системы род-

ственных адронов, существенно отличающихся друг от друга по массе.

Ключевые слова: фермион, бозон, бозе-конденсат, адрон.

DOI: 10.5281/zenodo.3603883


13

В физике элементарных частиц конденсат бозонов может играть существенную роль, образовывая свя-занные состояния с фермионами. В результате взаимодействия с полем бозонов фермионы способны перехо-дить из одного состояния в другое с излучением или поглощением одного бозона. В случае связанного состо-яния фермиона с бозе-конденсатом переход фермиона из одного состояния в другое может сопровождаться излучением множества бозонов в одном акте.

Исследование системы из одного реального фермиона, сильно взаимодействующего с векторным бозе-полем методами квантовой теории поля показывает [1], что затравочный фермион на фоне недеформирован-ного бозе-вакуума в случае сильного взаимодействия совершенно неустойчив, а процесс локализации адрона является процессом излучения множества бозонов в одном акте распада. Среднее число реальных бозонов

m

Mb

(M - масса фермиона; m - масса квантов бозе-поля), возникающих при распаде бозе-конденсата,

примерно равно числу излученных реальных бозонов при распаде «антикапли» бозе-конденсата за счет освобождающейся энергии покоя адрона. Такой процесс фактически является процессом появления у заря-женного фермиона деформационной оболочки.

Естественно предположить, что возможны процессы (реакции), переводящие такую сложную систему (в

среднем 1b частица), как локализованный адрон, в возбужденное состояние, в котором другая структура капли бозе-конденсата и, следовательно, энергия

00MM . Процессы возбуждения могут, например, проис-

ходить в результате столкновения вызывающей реакцию частицы с одной из множества частиц, входящих в состав локализованного адрона. Если падающая частица способна взаимодействовать со всеми ( 1b в

среднем) частицами адрона, то для нее локализованный адрон будет представлять собой систему соответ-ствующего числа рассеивающих центров – партонов. Если возможно существование нескольких возбужден-

ных состояний, кроме состояния нелокализованного затравочного адрона с энергией 0

M , то процесс локали-

зации может происходить ступенчато, с возникновением в этом процессе промежуточных возбужденных со-стояний.

Среди всевозможных процессов и реакций, которые могут происходить с локализованными адронами, наибольший интерес связан с реакциями выбивания только затравочного адрона из основного локализован-

ного состояния падающей частицей. Если бозе-поле достаточно инерционное, т.е. его характерное время 1m

значительно больше времени вылета затравочного адрона из области локализации и пролетного времени частицы, вызывающей реакцию, то капля бозе-конденсата во время реакции не изменится. Следовательно, энергия исходной системы после реакции будет как минимум равна CM (C -средняя энергия деформации

вакуума бозе-поля0, а пороговая передаваемая системе энергия реакции будет равна 0

MCM . Если ис-

ходная система имеет большой дефект масс 00M , то наименьшая пороговая энергия для выбивания за-

травочного адрона будет примерно равна M2 [2]. В дальнейшем, предоставленная самой себе, капля бозе-конденсата распадется на реальные бозоны с энергией MC , из затравочного адрона возникнет локализо-

ванный, а дефект масс 0

MM также будет излучен в виде реальных бозонов. Общее количество излученных

бозонов в такой реакции будет примерно равно b2 , и возникнет исходный локализованный адрон с энергией

0M . В любой гармонике бозе-поля, имеющей волновой вектор q

, среднее число возникших реальных бозо-

нов будет равно 2

qd . Случайное число q

n , которое зарегистрирует эксперимент, описывается [3] распреде-

лением вероятности по Пуассону

2

!10

12

q

q

d

q

n

q

qqqe

n

ddUnW

, где

qdU оператор унитарного пре-

образования (капельная модель). Пренебрегая разницей энергии квантов разных гармоник, участвующих в

формировании капли бозе-конденсата, вероятность случайного числа n излученных квантов всех гармоник

можно получить примерно равной

!1

1

n

em

Mm

Mn

. Легко проверить, что если 100m

M , то максимум распре-

деления Пуассона будет соответствовать приблизительно значению 100n . Таким образом, наблюдаемые числа бозонов, излученных в одном акте распада капли конденсата, могут быть очень большими, как и по-луширина рассматриваемого распределения ( 50n ).

Ранее было установлено [2,4], что взаимодействие заряда с собственным его полем понижает энергию и массу заряда, то есть, в отсутствие собственного поля, заряд находится в возбужденном состоянии, а окру-женный таким полем – зарядом в основном состоянии. В случае сильного взаимодействия массы фермиона в основном и в возбужденном состояниях могут отличаться на много порядков. Если фермион имеет несколь-ко зарядов, соответствующих нескольким типам взаимодействия, то он может иметь несколько возбужденных состояний. Если кванты одного из полей, с которыми взаимодействует фермион, обладают каким-то своим зарядом, то возбужденные состояния фермиона могут отличаться по этому заряду.

Капельная модель позволяет анализировать системы родственных адронов, представители которых суще-

ственно (на много порядков) отличаются друг от друга по массе. Например, можно считать, что u -кварк


14

представляет собой t - кварк в основном состоянии. Учитывая, что масса t -кварка порядка 200 ГэВ, а u -кварка около 3 МэВ, то есть, примерно в 60 000 раз меньше, то согласно капельной модели такая родствен-

ная связь между t - и u - кварками возможна, если они взаимодействуют с бозе-полем с массой кванта в

интервале 500 – 2000 МэВ при константе связи порядка единицы. Такими квантами могут быть 0 и

0D мезоны. В таком случае радиус локализации u - кварка окажется порядка 1410

см. Поэтому в составе

протона для u - кварков имеется около 1000 различных по локализации одночастичных состояний (одноча-

стичный фазовый объем, приходящийся на одно состояние фермиона, равен 32 ). Естественно, что заря-

ды электрические и барионные t - кварка и u - кварка должны быть одинаковыми, так как они отличаются

только бозе-конденсатом нейтральных 0 и

0D мезонов. А в составе бозе-конденсата в d - кварке дол-

жен дополнительно присутствовать один W - промежуточный бозон, который обеспечивает равенство элек-

трического заряда d - кварка величине e3

1~ . d - кварк можно рассматривать как слабовозбужденное

состояние t - кварка с областью локализации почти такой же, как и у u - кварка (промежуточные бозоны не участвуют в сильном взаимодействии и поэтому существенно не влияют на область локализации). По строе-

нию s -кварк видимо похож на d - кварк, но его масса на порядок превосходит массы u - и d - кварков. В

составе три одинаковых локализованных s -кварка в полном соответствии с принципом Паули свобод-

но могут находиться, отличаясь областями локализации. Сильно возбужденными состояниями t - кварка

можно считать c - и b - кварки, а также сам t - кварк без бозе-конденсата. Причем, в бозе-конденсате b -

кварка должен присутствовать W - промежуточный бозон, а в c - кварке – нейтральный

0Z . Именно

поэтому в экспериментах на Теватроне [5] зафиксировано порождение одиночных t - кварков и их моды рас-пада (Electroweak single-top Quark Production, Top-Decay Modes) с образованием промежуточных бозонов и всех легких кварков. Процессы распада с точки зрения капельной модели строения кварков имеют другую

интерпретацию. При pp - столкновении в эксперименте возникал одиночный t - кварк с рождением про-

межуточных и иных бозонов в результате распада бозе-конденсата, которым был одет этот t - кварк, нахо-

дившийся в протоне в виде u - и d - кварков. Оказавшийся в недеформированном бозе-поле, t - кварк начинает локализоваться путем распада соответствующего бозевского волнового пакета. В результате, пере-мещение волнового пакета в пространстве должно приводить к появлению струйной структуры в излученной системе адронов.


1. Мастропас З.П.: Капельная модель фермиона, участвующего в сильном взаимодействии: В сб. «Про-блемы и перспективы развития науки в России и мире». Уфа.: Аэтерна, 2016. – С. 13-16.

2. Мастропас З.П.: Энергия связи фермиона с каплей бозе-конденсата: Международный научно-исследовательский журнал «Евразийский союз ученых», № 9(66), часть 2, 2019. – С. 54-57.

3. Myasnikova A. E , Myasnikov E. N. // Phys. Rev. B 77, 165136 (2008). 4. Myasnikov E. N., Myasnikova A. E., Kusmartsev F. V.// Phys. Rev. 2005. B.72. Р. 224303. 5. Physics Letters B. Review of particle physics. July 2008. УДК 551.511.61

Численное моделирование загрязнения окружающей среды от выбросов твердотопливных ракетных двигателей в тёплый и холодный периоды года

Рязанов В.И. Высокогорный геофизический институт, Нальчик

В работе представлена трехмерная математическая модель переноса и диффузии атмосферных примесей

и результаты расчетов загрязнения окружающей среды от твердотопливных ракетных двигателей в различ-

ные периоды года в регионе с характерными для него метеорологическими параметрами. В численных экспе-

риментах варьировались шаг сетки по пространственным координатам, шаг сетки по времени, некоторые

параметры численной схемы. Получены оценочные характеристики концентраций примесей в приземном слое

в холодные и теплые периоды года.

Таблиц 2, библиография 10

Ключевые слова: распространение примесей, трехмерная модель, ракетные двигатели, метеорологические

параметры, численное моделирование.


15

Numerical modeling of distribution of polluting substances in the testing of rocket engines

Ryazanov V. I.

The paper presents a three-dimensional mathematical model of the transport and diffusion of atmospheric impuri-

ties and the results of calculations of environmental pollution from solid rocket engines in different periods of the year

in the region with characteristic meteorological parameters. In numerical experiments, the grid pitch in spatial coordi-

nates, the grid pitch in time, and some parameters of the numerical scheme were varied. Estimated characteristics of

impurity concentrations in the surface layer are obtained in the cold and warm periods of the year.

Tables 2, bibliography 10

Keywords: distribution of impurities, three-dimensional model, rocket engines, meteorological parameters, numeri-

cal modeling.

Введение Проблеме загрязнения атмосферы в результате ракетно-космической деятельности посвящено очень мно-

го исследований в связи с ее актуальностью. В том числе имеются объемные монографии с анализом влия-ния компонентов ракетного топлива на флору, фауну и человека. При этом возникает необходимость в ана-лизе распространения примесей в атмосфере непосредственно в районе расположения космодромов, полиго-нов и близлежащих населенных пунктов, в том числе для принятия эффективных предупредительных и за-щитных мер.

В настоящее время по исследованию распространения примесей в атмосфере ведутся работы, по таким направлениям как исследование распространения загрязняющих веществ при различных метеорологических условиях, усовершенствование методов расчета локального, мезомасштабного и дальнего распространения аэрозолей, анализ вымывания и осаждения примесей на подстилающую поверхность.

Тем не менее, в области РКД многие вопросы загрязнения воздуха при пусках ракетоносителей исследо-ваны недостаточно. Остаются актуальными вопросы распространения и диффузии вредных веществ, в част-ности:

- формализация источников загрязнения атмосферы, имитирующих пуск и полет ракетоносителя в виде облака и шлейфа;

- моделирование и анализ загрязнения атмосферы с учетом локальных условий распространения, ха-рактерных для полигонов;

оценка загрязнения атмосферы при учете фактических метеопараметров; - изучение распространения и переноса примесей в сложных природных условиях и на дальние рассто-

яния; - исследование очищения атмосферы осадками и взаимосвязи загрязнения воздуха и других объектов

окружающей среды. Для решения этих вопросов приоритетное значение имеет совершенствование методов моделирования и

разработка адекватных моделей переноса и диффузии загрязняющих веществ, учитывающих фактическую метеорологическую обстановку.

В работе представлена усовершенствованная автором статьи трехмерная математическая модель пере-носа и диффузии атмосферных примесей от объемных и линейных источников при реальных состояниях ат-мосферы, построенных по данным аэрологического зондирования или численного моделирования по глобаль-ной модели GFS.

1 Математическая модель переноса и диффузии примесей В работе используется трехмерная математическая модель распространения выбросов от приземного

объемного и линейного источников при различных состояниях атмосферы. Перенос частиц реагента в турбулентной среде описывается уравнением турбулентной диффузии, которое

представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных [1,4,5]: Уравнения гидротермодинамики описывают влажную конвекцию в приближении Буссинеска, в уравне-

ниях учитывается адвективный и турбулентный перенос, силы плавучести, трения и барических градиентов (для упрощения записи переменные, от которых зависят функции, опущены) [3]:

ux

uVt

u'

')(

,

vy

vVt

v'

')(

, (1)

)'61,0/'(''

)( 0 SQsgwz

wVt

w

,

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5


16

уравнения неразрывности:

wz

w

yx

u

, (2)

уравнения термодинамики:

k k C C З З

p p p

L M L M L MV

t C T t C T t C T t

(3)

k CM MsV s s

t t t

,

где z

wy

vx

uV

,

zK

zyK

yxK

xzyx

,

wvuV ,,

- вектор скорости; u(x,y,z,t), v(x,y,z,t), w(x,y,z,t) - компоненты вектора скорости воздушных

потоков в атмосфере и облаке; (x,y,z,t) - потенциальная температура;

(x,y,z,t)=Cp (P(x,y,z,t)/1000)R/Cp - приведенное давление; - средняя потенциальная температура; R - газовая постоянная; s(x,y,z,t) - удельная влажность воздуха; QS(x,y,z,t) - суммарное отношение смеси жидкой

и твердой фаз в облаке; (z) - параметр, учитывающий изменение плотности воздуха с высотой; P(x,y,z,t) и T(x,y,z,t) - соответственно давление и температура; Cp - теплоемкость воздуха при постоянном давлении; Lk, Lc, Lз - соответственно удельная теплота конденсации, сублимации и замерзания; (x,y,z,t), (x,y,z,t), s(x,y,z,t) - отклонения приведенного давления, потенциальной температуры и удельной влажности от их фоновых

значений в окружающей атмосфере, которые обозначим как ф(x,y,z), ф(x,y,z) и sф(x,y,z); KМ

t

,

CМ

t

-

изменения удельной влажности за счет диффузии пара на капли и кристаллы; ЗМ

t

- масса капельной

воды, замерзающей в единицу времени в единице объема воздуха; Kx(x,y,z,t) Ky(x,y,z,t) Kz(x,y,z,t) - коэффициенты турбулентной диффузии по осям координат.

Начальные условия для системы уравнений (1) - (3) имеют следующий вид:

),,()0,,,( 0 zyxuzyxu ,

),,()0,,,( 0 zyxvzyxv ,

),,()0,,,( 0 zyxwzyxw , (4)

),,()0,,,( 0 zyxzyx ,

),,()0,,,( 0 zyxszyxs .

На боковых границах области используются фоновые условия по термодинамическим параметрам. Перенос многокомпонентных газовых примесей рассчитывается с учетом микрофизических процессов вы-

мывания осадками и туманами. Задача сформулирована в предположении, что в начальный момент времени характеристики облака

примесей известны и соответствуют сформировавшемуся облаку газов после окончания работы ракетных двигателей. В облаке имеется относительно небольшой перегрев по отношению к окружающей атмосфере (несколько градусов). Стадия работы двигателей и подъема сильно разогретой газовоздушной смеси в дан-ном исследовании не рассматривалась.

2. Моделирование распространения примесей в теплый и холодный периоды года в регионах с характер-ными метеорологическими параметрами

Далее приведены результаты численных экспериментов для облака примеси, образующейся при утили-зации просроченных РДТТ.

Для анализа таких результатов использовался программный модуль трехмерного представления данных на основе современных графических программных библиотек. Модуль предназначен для визуализации и анализа трехмерных наборов данных в узлах сетки, полученных в модели. Программа позволяет строить изоповерхности, изолинии в выбранной плоскости, сечения, объемные представления данных в трехмерной сетке и т.д. [9]

Моделирование загрязнения окружающей среды от выбросов твердотопливных ракетных двигателей осуществлялось при выполнении численных экспериментов по трехмерной численной модели. При выполне-нии моделирования загрязнения и отладке программного кода варьируется, шаг сетки по пространственным координатам, шаг сетки по времени, некоторые параметры численной схемы, например, параметр в итера-


17

ционной процедуре метода блочной верхней релаксации. Выброс вредного вещества - оксида алюминия при сопловом сжигании РДТТ имеет следующие

параметры [7,10]: - продолжительность выброса газовоздушной смеси (ГВС) около 80 с; - диаметр устья источника около 2,0 м; - температура на выходе около 2303°К; - средняя скорость выхода ГВС около 2200 м/с; - оксид алюминия около 12,90 тонны; - объем облака примеси около 330000 м3. Была вычислена начальная концентрация примеси в поднявшемся над местом прожига РДТТ облаке,

значение которой составило для Al2O3 = 164 мг/м3. Некоторые результаты расчетов по трехмерной модели с характерными метеорологическими параметрами расположения полигона ФКП «НИИ Геодезия» [8] (Московская область, г. Красноармейск) для теплого периода года приведены в таблице 1, а для холодного периода – в таблице 2. Приведены значения концентрации Al2O3 в приземном слое в момент времени t=10 мин в узлах сетки с шагом 0,5 км по горизонтальным координатам X и Y, с 3-го по 8-й км по оси X, вдоль которой перемещалась примесь (часть массива данных). Каждая строка соответствует

координате , каждый столбец – координате . Из данных видно, что облако со временем «касается» поверхности земли и загрязняет приземный воздух.

Таблица 1. Значения концентрации оксида алюминия в приземном слое воздуха в теплый период года в прямоугольной области в момент t=10 мин. Расстояние дано в км, концентрация в мг/м3

Y/X 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 2,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2,5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3,5 0.00 0.00 0.01 0.07 0.38 0.98 1.27 0.90 0.36 0.09 0.01 4,0 0.00 0.00 0.05 0.69 3.74 9.56 12.43 8.83 3.62 0.90 0.14 4,5 0.00 0.00 0.01 0.07 0.38 0.98 1.27 0.90 0.36 0.09 0.01 5,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5,5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

На оси эллипса загрязнения в приземном слое концентрация составила 12,4 мг/м3 (максимально-разовая

ПДК не установлена, среднесуточная составляет 0,01 мг/м3).

Таблица 2. Значения концентрации оксида алюминия в приземном слое воздуха в холодный период года

Y/X 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 2,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2,5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3,5 0.00 0.00 0.00 0.04 0.21 0.54 0.70 0.50 0.20 0.05 0.01 4,0 0.00 0.00 0.03 0.40 2.16 5.53 7.18 5.09 2.08 0.51 0.08 4,5 0.00 0.00 0.00 0.04 0.21 0.54 0.70 0.50 0.20 0.05 0.01 5,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5,5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6,0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

На оси эллипса загрязнения в приземном слое концентрация составила 7,18 мг/м3. В расчетах для

зимнего периода отмечались меньшие значения концентрации примесей в приземном слое. Аналогичные численные эксперименты могут помочь скорректировать местоположение измерительных

приборов для контроля качества атмосферного воздуха на территории космодромов.


1. Алоян А.Е., Пененко В.В., Козодеров В.В. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды//в кн. Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования, т.2, Математическое моделирование. - М.: Наука, 2005. - C. 279-351.

2. Амвросов А.Ф. Особенности распространения и рассеяния примеси над горным районом. - Труды ИЭМ, 1990, вып. 51 (142).- с 45-52.

3. Коган Е.Л., Мазин И.П., Сергеев Б.Н., Хворостьянов В.И.. Численное моделирование облаков. -М.: Гид-рометеоиздат, 1984.- 186 с.

4. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-265 с. 5. Бызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. -М.: Гидрометеоиздат,1974.-191 с.


18

6. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды.- М.: Гидрометеоиздат, 1984.-560 с. 7. Пащенко, С.Э. Полуэмпирическая модель процессов, происходящих при образовании и распростране-

нии высокодисперсных аэрозолей окислов алюминия при открытом сжигании крупногабаритных РДТТ / С.Э. Пащенко, А.Е. Осоченко, В.Е. Зарко, А.С. Жарков, В.И. Марьяш, С.М. Уткин, М.А. Потапов // Мате-риалы Всероссийской научно-практической конференции ФГУП «ФНПЦ «Алтай» (Бийск, 26–28 сентября 2001 г.). – Бийск, 2003. – С. 83–97

8. НТО Анализ экологической обстановки в месте проведения ОР изделия Ж65/55 для подтверждения продленного срока эксплуатации: научно-технический отчет / М.: ООО «НПЦ «ЭКОПРОМСЕРТИФИКА». – 2017. – 25 с.

9. Керимов, А.М. Модели и методы расчета мезомасштабного распространения примесей в атмосфере / А.М. Керимов, Е.А. Корчагина, А.В. Шаповалов, В.А. Шаповалов // Нальчик: Издательство КБНЦ РАН. – 2008. – 108 с.

10. Дорофеев А.А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория, расчет и проектирование: учеб-ник / А.А. Дорофеев // 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2014. – 571 с.

Метод снижения загрязнения атмосферного воздуха озоном

Фоканов В.П., канд. физ.-мат. наук; Павлов А.Б., канд. хим. наук

ФГУП «РНЦ «Прикладная химия»

Реферат Синглетный кислород О2 (1Δg) является продук-

том фотодиссоциации озона. Его можно зарегистри-ровать оптическим методом по излучению на длине волны 1270 нм запрещенного синглет – триплетного перехода. Этот метод требует использования высоко-чувствительной техники регистрации в инфракрас-ной спектральной области. При столкновении двух молекул синглетного кислорода образуется возбуж-денная молекула О4, имеющая разрешенный пере-ход с максимумом излучения вблизи 630 нм. Этот способ может обеспечить регистрацию О4 более простыми средствами измерений.

Был проведен эксперимент с целью проверки эффективности деструкции озона на фотокатализа-

торе TiO2 /1/. Синглетный кислород при этом обра-зуется в двух процессах:

- при облучении фотокатализатора, из сорбиро-ванного на нем кислорода;

- при фотодиссоциации озона излучением 254 нм. Кроме этих, двух хорошо изученных процессов,

возможен, в принципе, процесс фотокаталитического разложения озона на наноразмерных частицах TiO2. В случае справедливости этой гипотезы, фотоката-литическое разложение озона можно зарегистриро-вать по изменению сигнала люминесценции О4.

Экспериментальная установка Схема экспериментальной установки представ-

лена на рисунке 1. На рисунке 2 приведена фото-графия собранной установки.

1 – компрессор; 2 – ловушка с жидким азотом; 3 – облучатели; 4 – спектрограф;

5 – линейка ПЗС приемников; 6 – компьютер

Рис. 1. Схема и вид установки для регистрации спектров люминесценции О4

Исследуемый газ – воздух или углекислый газ. Для записи корректирующих спектров применялся чистый азот. Воздух подается в установку компрес-сором 1, не содержащим смазочных материалов. Молекулы воды в воздухе могут осложнить картину фотохимических и фотокаталитических процессов, поэтому на пути воздушного потока размещена азотная ловушка 2 для осушения воздуха. Углекис-лый газ и азот подавались из баллонов. Газ посту-

пает в блок облучателей 3, состоящий из двух ча-стей:

- 3.1 представляет собой ксеноновую эксимерную коаксиальную лампу /2/, излучающую спектр с максимумом 172 нм, образующую озон из кислорода воздуха;

- 3.2 содержит две ртутные лампы низкого дав-ления, излучающие на длине волны 254 нм.


19

В облучателе 3.2 происходит фоторазложение озона на синглетный кислород (молекула О2 (1Δg)) и возбужденный атом кислорода O(1S). Для включе-ния фотокатализа около поверхности ртутных ламп располагался фотокатализатор, представляющий собой сетку, покрытую наночастицами TiO2. Изме-ренное пропускание излучения 254 нм сетки соста-вило 40%.

Излучение люминесценции, распределенное по объему между ртутными лампами, поступает на входную щель кварцевого спектрографа 4. На выхо-де спектрографа расположена регистрирующая линейка ПЗС 5, информация с которой поступает на компьютер 6. Линейка прокалибрована в спек-

тральной области (400 – 900) нм спектром ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12.

Результаты измерений В предварительных измерениях было установле-

но, что спектральная область (600 – 650) нм свобод-на от линий, излучаемых ксеноновой и ртутными лампами. Очистка предполагаемого сигнала от шу-мовых составляющих проводилась в несколько эта-пов.

Перед каждым измерением проводилось сто-кратное накопление шумового сигнала измеритель-ной линейки, среднее значение которого для каждой ячейки вычиталось таким же способом из накоплен-ного в соответствующих ячейках измеряемого сигна-ла.

а

б

в

Рис. 2. Графики обработанных сигналов, полученных при последовательном облучении эксимерным излу-чением 172 нм и резонансной линией ртути 254 нм: а – поток воздуха, перед ртутными лампами установлен

фотокаталитический фильтр; б – поток воздуха, без фильтра; в – поток углекислого газа, без фильтра

Для учета возможных остатков сигналов от спек-тров излучателей, в том числе фона от непрерывного спектра, и возможного сигнала люминесценции от сорбированного сеткой кислорода, регистрировался

спектр при замене потока осушенного воздуха на поток чистого азота из баллона. Этот спектр коррек-тировался путем сравнения интенсивности спек-


20

тральной линии Хе 661 нм, ближайшей к изучаемо-му спектральному интервалу.

Затем полученный спектр обрабатывался про-граммой сглаживания Filtration by Fourier Transformation (FFT) с граничной частотой 0.1Гц. Для проверки принадлежности регистрируемых сигналов к изучаемым процессам, в тех же условиях был зарегистрирован сигнал при замене потока воздуха потоком углекислого газа. Так как СО2 не вовлекается в фотохимические и фотокаталитические процессы, он не должен давать сигнала в области люминесценции О4. На рисунках 2 представлены полученные результаты. Все данные представлены в одинаковом масштабе по оси ординат. Потери излу-чения 254 нм при установке фотокаталитического фильтра перед ртутными лампами компенсирова-лись увеличением ширины входной щели спектро-графа.

Зарегистрированные спектры рисунков 2а и 2б без сомнения относятся к люминесценции возбуж-

денного кислорода. Спектр молекулярного кислоро-да хорошо изучен. Полоса с максимумом 628 нм может быть полосой перехода О2 (b1Σg

+, v = 2 → X 3Σg

-, т.н. “γ – полоса”). Молекулы кислорода в состо-янии “b” могут образоваться при рекомбинации двух атомов кислорода в основном состоянии. Поло-сы 638 нм и 635 нм относятся к люминесценции двух молекул синглетного кислорода, объединенным в молекулу О4. Небольшое различие в положениях максимумов полос может быть связано, как с недо-статочной точностью калибровки спектрографа, так и с неполной термализацией излучающих молекул.

Вывод из полученных результатов состоит в об-наружении значительного вклада фотокатализа в деструкцию озона, образующегося при фотохимиче-ском окислении химических веществ – загрязните-лей воздуха.


1. Akira Fujishima, Xintong Zhangb, Donald A. Tryk, TiO2 photocatalysis and related surface phenomena c Surface Science Reports, 63 (2008), 515-582

2. М.И. Ломаев, В.Ф. Тарасенко и др., Эксилампы – эффективные источники спонтанного УФ и ВУФ- из-лучения УФН, 173, №2, 201-217, 2003

Принцип Бирмана-Швингера для одного модельного частично-интегрального оператора

Хайруллаев Исматулла Нуруллаевич, кандидат физико-математических наук, доцент Термезский государственный университет (г.Термез,Узбекистан)

Пусть

n

nTTTTTT ...,,, декартово произведение,

nTL

2 гильбер-

тово пространство квадратично интегрируемых функций на nT. Предположим, что на

T выбрана

единичная мера, т.е.

T

dp .1

Рассмотрим оператор 21 KKK в ),)(( 22

TL где операторы 1K и 2K действуют в

))(( 22

TL по формулам

.),(),,(),)((

,),(),,(),)((

22

11

dttpftqpKqpfK

dtqtftqpKqpfK

T

T

Здесь ядра ),,(),,( 11 pqtKtqpK и ),,(),,( 22 qtpKtqpK вещественно – значные непре-

рывные функции на .3T

Лемма 1. Оператор К действующий в гильбертовом пространстве ))(( 22

TL является линейным, огра-

ниченным и самосопряженным.

Доказательство леммы 1. Пусть , C и 2

2,f g L T произвольные элементы. Тогда из ли-

нейности интеграла имеем


21

1 1

1 1

1 1

, ( , , )( ( , ) ( , ))

( , , ) ( , ) ( , , ) ( , )

( , ) ( , ).

T

T T

K f g p q K p q t f t q g t q dt

K p q t f t q dt K p q t g t q dt

K f p q K g p q

Аналогично показывается линейность оператора 2K . Оператор K как сумма линейных операторов есть

линейный оператор.

Теперь покажем ограниченность оператора 1K . Обозначим через 1

, ,

max ( , , )p q t T

M K p q t

. Пусть

2

2f L T , тогда

2 2

1 1 ( , , ) ( , ) .K f K p q t f t q dt dpdq

В последнем равенстве используя неравенство Гёльдера, имеем 2 22 22

1 1( , , ) ( , ) .K f K p q t dt f t q dt dpdq M f

Отсюда для любого 2

2f L T получим

1 .K f M f

Аналогично показывается ограниченность оператора 2K . Сумма ограниченных операторов есть ограни-

ченный оператор, поэтому K ограничен.

Для доказательства самосопряженности оператора K достаточно показать равенство

( , ) ( , ),Kf g f Kg для любого 2

2,f g L T .

Сначала докажем самоспряженность оператора 1K . Пусть 2

2,f g L T произвольные элементы.

Тогда

1 1

1

, ( , , ) ( , ) ( , )

( , ) ( , , ) ( , ) .

K f g K p q t f t q dt g p q dpdq

f t q K p q t g p q dp dtdq

Делая замену переменных t p и p s в интеграле в правой части последнего равенства, получим

1 1, ( , ) ( , , ) ( , ) .K f g f t q K p q t g s q ds dpdq

Отсюда в силу условия 1 1( , , ) ( , , ),K p q t K t q p имеем

1 1 1, ( , ) ( , , ) ( , ) , , .K f g f p q K p q t g t q dt dpdq f K g

Таким образом, доказано самосопряженности оператора 1K . Аналогично доказывается самосопряженно-

сти оператора 2K . Сумма самосопряженных операторов есть самосопряженный оператор. Поэтому опера-

тора 1 2K K K также является самосопряженным.

Лемма 1. доказана.

Обозначим через )(A спектр оператора A .

В статье рассмотрена модель оператор К состоящий из сумма двух частично-интегральных операторов и

найдена существенный спектр )(Kess этого оператора

Пусть оператор )(zT действует в пространстве ))(( 22

TL по формуле

),,)()()((),)()(( 21 qpfzRzRIqpfzT

где 2,1,)()( 1 izIKzR ii резольвента оператора 2,1, iKi .

Для оператора К имеет место.


22

Лемма 2. ))()((\ 21 KKCzЧисло является собственным значением оператора К тогда и только

тогда, когда 1 является собственным значением оператора )(zT .

Пользуясь леммой 1 и аналитической теоремой Фредгольма, применяя методы, аналогичные как в рабо-тах [1] и [2-4], получим.

Теорема 1. Для спектра )(K оператора К имеет место равенство ).()()( 21 KKKess

Отметим, что спектры )( 1K и )( 2K операторов, соответственно 1K и 2K подробно изучены в ра-

боте [2].

Пусть А – самосопряженный ограниченный оператор, действующий в гильбертовом пространстве H и

),(sup),( AessA подпространство пространства H элементы которого удовлетворяют усло-

вию .0),,(),( ffffAf

Положим

).(dimsup),()(

A

AH

HAn

Число ),( An совпадает с числом собственных значений (с учетом кратности) оператора А, лежащих

правее от . Обозначим через 2/1A положительный квадратный корень оператора положительного опера-

тора А.

Лемма 3. Для каждого )(Kfinz ess операторы zIK 1 и zIK 2 являются положительны-

ми операторами, и имеет место равенство

),(1

))(())(( 1212

1

212

1

2 zKKz

zRKzR (1)

где )(12 zK при каждом )(Kfinz ess является компактным оператором.

Доказательство. из )(Kfinz ess следует, что .2,1),( iKfinz i Поэтому

2,1,0 iKzI i , т.е. операторы zIK 1 и zIK 2 являются положительными при всех

)(Kfinz ess .

Заметив 0)( Kfin ess получим существование оператора 12

1

2 )))(( IzzR всюду гильбер-

товом пространстве ).)(( 22

TL Отсюда имеет место представление

.1

)(1

))((

1))((

1))((

1))((

1))((

2

1

2

1

2

1

2

2

1

22

1

2

1

2

1

22

1

2

Iz

zRIz

zR

Iz

zRIz

zRIz

zRIz

zR

(2)

Легко проверить, что оператор 12 )1

)(( KIz

zR

при всех )(Kfinz ess является компактным

оператором [2]. Поэтому согласно (2) имеем компактность оператора 12

1

2 )1

)(( KIz

zR

при всех

)(Kfinz ess . Отсюда легко получим (1).

Отметим, что принцип Бирмана -Швингера играет важную рол для определения конечности или беско-нечности дискретного спектра рассматриваемого оператора [5,6].

Приведем принцип Бирмана-Швингера для оператора К, которое докажем подобным же методом как работе [2-4]

Теорема 2. Для каждого fKinz выполняется равенство


23

.1

)(1

,1),(2

11

112

2

11

1

IKz

zKIKz

nKzn

Доказательство. Сначала докажем, что

.))(())((,1),( 2

1

212

1

2

zRKzRnKzn

Предположим, что ),( zHu k т.е. ).,(),( uuzuKu

).,(),)(( 12 uuKuuzIK

Поэтому

.)(),,))(())((),( 2

1

22

1

212

1

2 uzIKyyyzRKzRyy

Таким образом, .))(())((,1(),( 2

1

212

1

2 zRKzRnKzn

Рассуждая аналогично, получим обратное утверждение

.))(())((,1(),( 2

1

212

1

2 zRKzRnKzn

При этом, согласно формуле (1)

)).(1

,1(),( 121 zKKz

nKzn

Вновь применяя вариационный принцип, имеем

.1

)(1

,1))(1

,1(2

11

112

2

11

1121

IKz

zKIKz

nzKKz

n


1.Рид М., Саймон Б. Методы современной математической физики. 1 Функциональный анализ. М.: Мир. 1977. 357с.

2.Лакаев С.Н., Хайруллаев И.Н. Полнота системы собственных векторов модельного оператора несколь-ких частиц // Докл.АН Республики Узбекистан. 2001. №1-2. С.3-6.

3.Xайруллаев И.Н. Спектр и резольвента гамильтониана одной системы с несохраняюшимся ограниченным числом частиц // Узбекский математический журнал. 1999. №6. С.70-78.

4.Xайруллаев И.Н. Некоторые частично-интегральные операторы и их спектральные свойства: Автореф. … дис. канд. физ-мат. наук. Ташкент: Институт математики имени В.И.Романовского. 2001. 17 с.

5.Sobolev A.V. The Efimov effect. Discrete spectrum asymptotics // Commun. Math. Phys. 1993. V.156. P.101-126.

6.Муминов М.Э. О выражении числа собственных значений модели Фридрихса // Математические заметки. 2007. Т.82. №1. С.75-83.

Задача управления динамикой физических систем

Шемелова Ольга Васильевна, кандидат физико-математических наук Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Федерального государственного

бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» НХТИ ФГОБУ ВО «КНИТУ»

Задачу управления динамикой систем, содержащей элементы различной физической природы, можно описать уравнениями Лагранжа второго рода вид:

fq , Qf

D

q

L

f

L

dt

d Tf

Tq

,


24

где введем следующие обозначения: nqqq ,,1 – вектор обобщенных координат, VTL * –

функция Лагранжа, *T – кинетическая коэнергия, V – потенциальная энергия, D – диссипативная

функция, Q – вектор обобщенных сил,

j

iq

q,

j

if

f, 0),( tqi , ,,...,1 1mi –

уравнения голономных связей, 0),,( tqfi , 2,...,1 mi , – уравнения неголономных связей,

,...,n j 1 , , – соответствующие векторы множителей 21

,,,,, 11 mm Лагранжа. Здесь не-

определенные множители Лагранжа и должны быть подобраны таким образом, чтобы уравнения

голономных и неголономных связей, накладываемых на обобщенные координаты и скорости системы, состав-ляли её первые интегралы.

Описанное уравнение Лагранжа второго рода может быть преобразовано к виду, разрешаемому относи-тельно старших производных. Возможность представления системы уравнений связей и уравнений Лагран-жа второго рода в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) первого порядка с известными частными интегралами позволяет использовать стандартные численные методы для решения уравнений движения [1, 2].

Как известно, среди разнообразных явлений различной физической природы зачастую встречаются по-хожие явления, обнаруживающие одинаковые признаки и закономерности. В таких случаях говорят о физи-ческих аналогиях, или аналогичных системах. Физические аналогии, существующие между электрическими, механическими, акустическими, экологическими, экономическими и другими системами, давно с успехом применяются при исследованиях и расчетах. Методы, основанные на использовании аналогий, в определен-ных случаях оказываются чрезвычайно продуктивными при решении задач. Они дают возможность сводить методы решения определенных задач к методам, используемым для решения других более известных задач.

В работах [2, 3, 4] рассматривается классификация, обобщение и введение унифицированного множества переменных, которые описывают динамику физической системы. Некоторую классификацию возможно так-же провести среди величин, характеризующих динамическое поведение систем различной физической при-роды.

Такие известные величины как перемещение, расход, усилие и импульс включены в унифицированное множество переменных, определенное в [2, 3].

Далее описанное унифицированное множество используется для построения уравнений динамики меха-нической системы. Однако использование динамических аналогий позволяет строить уравнения динамики не только для механических систем, но и для систем различной физической природы [2, 3, 5].

Унифицированное множество соответствующих физических величин можно представить в виде таблицы 1.

Таблица 1. Унифицированные множества переменных для физических систем

Система Усилие e Расход f Перемещение q Момент р

Механическая поступательная

Сила F Скорость v Положение х Импульс p

Механическая вращательная

Вращающий

момент Угловая скорость Угол

Момент им-пульса Н

Электрическая Электродвижущая

сила е Сила тока i Заряд q

Магнитный

поток

Акустическая Давление Р Скорость течения

материала Q Объем

Импульс дав-ления рр

Экономическая Мгновенная фондоем-

кость m Мощность

предприятия v Объем

продукции x Изменение фондов w

Описанные в таблице унифицированные множества величин позволяют сопоставить параметры, анало-гичные в каждой из систем. Они демонстрируют наличие динамических аналогий величин, которые суще-ствуют между этими системами.

Исследование всех систем различной физической природы может быть разделено на две части: на со-ставление дифференциального уравнения, исходя из постановки задачи и физических законов, и на решение дифференциального уравнения.

Величины, характеризующие динамику систем различной физической природы, используются для со-ставления соответствующих уравнений. А поскольку динамические уравнения системы составляются либо в форме уравнений Лагранжа, либо в форме уравнений Гамильтона, среди таких величин проводится некото-рая классификация [2, 3].

В силу независимости обобщенных координат nqq ,,1 из общего уравнения динамики свободной си-

стемы [1, 2] составляются уравнения в форме Лагранжа, описывающие динамическое поведение системы любой физической природы:


25

jjjjj

Qq

D

q

V

q

T

q

T

dt

d

**

, nj ,,1 , (1)

где nqq ,,1 – координаты перемещений, nqq ,,1 – координаты расходов, *T – кинетическая ко-

энергия системы любой физической природы [2], V – потенциальная энергия, D – диссипативная функция,

Q – обобщенные силы.

Уравнение (1) соответствует системе n обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с

n неизвестными nqq ,,1 . Основным условием вывода ОДУ Лагранжа (1) является независимость обоб-

щенных координат системы. Допустим, что на координаты перемещения и расходы наложены ограничения,

удовлетворяющие 1m голономным и 2m неголономным связям:

0),( tqi , 1,...,1 mi , (2)

0),,( tqqi , 2,...,1 mi , (3)

а также

j

iq

q,

j

iq q , nj ,...,1 , (4)

При решении задачи стабилизации связей выполняется построение расширенной системы, которая поз-воляет учитывать возможные отклонения от уравнений связей при отклонении начальных данных от уравне-ний связей. Построение уравнений возмущений связей позволяет обеспечить необходимое условие стабили-зации связей — асимптотическую устойчивость тривиального решения. При этом уравнения связей описы-вают интегральное многообразие уравнений динамики исходной системы.

Вместо уравнений связей (2), (3) с целью их стабилизации используются уравнения программных связей [1]

)(),( tytq , (5)

)(),,( tztqq . (6)

При этом правые части )(ty , )(tz равенств (5), (6) определяются как решения дифференциальных

уравнений

),,,,,( tqqzyygy , ),,,,,( tqqzyyhz , (7)

0,,,0,0,0 tqqg , 0,,,0,0,0 tqqh .

Уравнения (7) должны быть рассмотрены совместно с уравнениями динамики и начальными условиями

00 qtq , 0

0 qtq ,

00 tq ,

00 )(

ty , 00 tz .

Равенства (5), (6) составляют уравнения программных связей. Уравнения (7) являются уравнениями воз-мущений связей [1]. Уравнения программных связей (5), (6), как и уравнения обычных связей, накладывают ограничения на обобщенные координаты перемещения и координаты расхода точек системы.

Тогда ОДУ Лагранжа, с учетом уравнений (5), (6), приводятся к виду

Qq

D

q

V

q

T

q

T

dt

d T

q

Tq

**

. (8)

Движение, описываемое уравнением (8), должно удовлетворять также уравнениям программных связей (5) – (6). Таким образом, кинематические уравнения связей (5) – (6) добавляются к уравнениям движения (8) для получения векторов неизвестных множителей и .

Система (5), (6), (8) представляет собой систему дифференциальных уравнений динамики Лагранжа, ко-

торая содержит в себе n неявных относительно q ОДУ второго порядка, 21 mm уравнений связей ( 1m

голономных и 2m неголономных связей).

Для представления уравнения (8) в виде, разрешимом относительно старших производных, требуется

продифференцировать по времени слагаемое q

T

dt

d

*

:

SqM T

q

Tq

, (9)


26

где q

TtqqM

*2

),,( , q

D

q

V

q

T

tq

Tq

qq

TQtqqS

**2*2

),,(

Уравнения (9) совместно с алгебраическими уравнениями программных связей (5), (6) образуют систему дифференциально-алгебраических уравнений (ДАУ) в форме Лагранжа. При этом введение вектора коор-

динат расхода qf обеспечивает переход множества ДАУ Лагранжа из n ОДУ второго порядка к си-

стеме ОДУ первого порядка. Тогда система ДАУ имеет вид:

.,

,

,

zy

SfM

fqTf

Tq

(10)

Выполнение необходимых модификаций уравнений (10), включающих исключение множителей Лагранжа и , а также введение уравнений возмущений связей, учитывающих стабилизацию связей, позволяет

построить следующую систему уравнений, включающую n2 уравнений первого порядка:

fq ,

zZSM

yZSM

AA

AASMf

f

qT

f

q

21

111

43

211,

где Tqq MtqfA 1

1 ),,( , Tqq MtqfA 1

2 ),,( , Tqf MtqfA 1

3 ),,( ,

Tqf MtqfA 1

4 ),,( , ttqt ftqfZ 2),,(1 , tq ftqfZ ),,(2 .

Представление системы уравнений динамики в форме Лагранжа второго рода и уравнений в виде си-стемы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка с известными частными интегралами дает возможность использовать известные стандартные численные методы для определения решения урав-нений, описывающих динамическое поведение физической системы.


1. Мухарлямов Р.Г. Стабилизация движений механических систем на заданных многообразиях фазового пространства // ПММ. – 2006. – Т. 70. – № 2. – С. 236–249.

2. Layton, Richard A. Principles of analytical system dynamics. – Springer-Verlag New-York, Inc. – 1998. – 156 p.

3. Шемелова О.В. Классификация основных характеристик систем различной физической природы // Вестник Казанского технологического университета, № 6, 2015 С. 192–195.

4. Ольсон Г. Динамические аналогии. Пер. с англ. Б.Л. Коробочкина. Под ред. М.А. Айзермана. – М.: Гос. изд. иностр. лит-ры, 1947.

5. Шемелова О.В. Математические модели анализа систем различной физической природы // Бюллетень науки и практики, Т. 5. №9. 2019 г. С. 11-16.

«Евразийское Научное Объединение» • № 12 (58) • Декабрь, 2019 Технические науки

27

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Подбор современной модели турбулентности для расчёта гидродинами-ческой обстановки в барботажном аппарате при подготовке углеводород-

ного горючего по влагосодержанию

Абдеев Артём Зуфарович, студент 6 курса кафедры «Стартовые ракетные комплексы»; Кобызев Сергей Владимирович, старший преподаватель кафедры

«Стартовые ракетные комплексы» Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (г. Москва)

Исследованы современные модели турбулентности, применяемые в CFD комплексах для расчета двухфаз-

ного течения в барботажной колонне. Проведен сравнительный многофакторный анализ. Подобрана опти-

мальная модель турбулентности для гидродинамического расчета многофазного течения в барботажной

колонне. Выбран программный комплекс для расчета на ЭВМ.

Ключевые слова: Computation fluid dynamics, RANS, барботажная колонна, влагосодержание, модель тур-

булентности, многофазные среды, гидродинамическая обстановка.

DOI: 10.5281/zenodo.3607422

Введение В настоящее время при поставке углеводородного горючего с завода-изготовителя на космодром для

дальнейшей заправки ракет-носителей, разгонных блоков и космических аппаратов не ставятся требования по влагосодержанию по существующим нормам, в то время как при самой операции заправки летательного аппарата присутствует необходимость соблюдать жесткие требования по влагосодержанию. Можно, таким образом, принять для расчета процесса в массообменном аппарате исходное влагосодержание углеводород-ного горючего равным 150 ppm (что соответствует насыщению при комнатной температуре), а требуемое на выходе – 4 ppm по массе, что обусловлено необходимостью значительного охлаждения горючего перед за-правкой в топливные баки без образования кристаллов льда, способных засорять бортовые топливные филь-тры и фильтры заправочных систем.

В настоящее время данная проблема решается целым рядом мер: фильтры, электрическое отделение влаги, адсорбция, отстой, циклический метод сброс-пересыщение.

В настоящее время в большинстве случаев применяются фильтры, так как их производство уже налаже-но, и они имеют необходимую степень эффективности. Но в то же время такие системы:

боятся загрязнений, а значит требуют регулярной очистки;

быстро изнашиваются, а, следовательно, появляется необходимость в замене, что повышает стои-мость операции;

предназначены для отделения свободной влаги (содержащейся в виде капель) и не подходят для глубокого обезвоживания.

Эффективным и дешевым способом уменьшения влагосодержания углеводородного горючего является барботаж азотом. Данный метод рассматривается как альтернатива уже существующим способам. Научное обоснование такой системы было приведено в работах Нигматулина Р. И. [1], однако не существует полно-ценного расчета гидродинамики внутри аппарата. В то время как механизм массообмена с единичным пу-зырем, движущемся в неподвижной жидкости, достаточно глубоко проработан как теоретически, так и экс-периментально [2].

Есть работы, в которых расчетным путем получены параметры движения газовых пузырьков [3], в кото-рых экспериментальным способом получены параметры процесса массообмена [4,5], но, при этом, отсутству-ет универсальный и развернутый теоретический расчет тех же параметров для подобных систем барботажа азотом, где необходим учет движения множества пузырьков и их взаимодействия с потоком жидкости и друг с другом, что вызывает необходимость численного расчета многофазного течения в барботажном аппарате.

Анализ публикаций показал, что к этой актуальной для промышленности в целом, а не только для осуш-ки заправляемого УВГ, теме, в последние годы проявляется широкий интерес [6-18].

Особенности расчета гидродинамической обстановки в барботажном аппарате заключаются в следую-щем:

двухфазная среда;

низкие числа Рейнольдса (50…500);

наличие нескольких характерных областей течения, в которых оно совершенно разное: пограничный слой и область в центре аппарата;

квазистационарность процесса;

малые размеры пузырей азота (характерный размер пузыря ~ 0,3…3 мм);

взаимодействие большого количества пузырьков.

Technical sciences “Eurasian Scientific Association” • № 12 (58) • December 2019

28

В рамках данной задачи можно выделить несколько этапов: 1. Выбор оптимальной модели турбулентности и современного программного комплекса для расчета

течения жидкости внутри барботажной камеры; 2. Модель массообмена; 3. Механика движения пузыря (определение подъемных сил, сопротивления жидкости и т.п.); 4. Рассмотрение особенностей движения каскада пузырей в пограничном слое; 5. Сшивка результатов расчетов гидродинамики и массобмена. В данной работе был проведен сравнительный анализ существующих моделей турбулентности, по ре-

зультатам которого была выбрана наиболее оптимальная. Также был произведен выбор программного ком-плекса, использующего данную модель, и способного выполнить расчет в рамках задачи барботажа азотом.

RANS модели турбулентности Основой полуэмпирической теории турбулентности являются уравнения Навье-Стокса. Для нашей зада-

чи рассмотрим их в случае несжимаемой жидкости [19]:

(1)

В случае несжимаемой жидкости осреднение Рейнольдса производится по времени [20]:

(2)

Используя процедуру осреднения на уравнениях Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, можно полу-чить уравнения Рейнольдса (RANS):

(3)

RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) – это модели, основанные на осредненных по Рейнольдсу урав-нениях Навье-Стокса, замкнутых с помощью различных полуэмпирических моделей турбулентности.

Линейные модели турбулентной вязкости Эти RANS модели основаны на гипотезе Буссинеска о линейной связи тензора рейнольдсовых напряже-

ний с тензором скоростей деформаций. Для несжимаемой жидкости это соотношение имеет вид [21]:

(4),

где – турбулентная вязкость, скалярная величина, являющаяся аналогией молекулярному коэффици-енту вязкости, а – кинетическая энергия турбулентности.

В этом случае модель турбулентности сводится к определению связи величин и с осредненными па-раметрами течения.

К основным достоинствам моделей турбулентности, основанных на гипотезе Буссинеска можно отнести:

Упрощение решения уравнений: нет необходимости решать уравнение для каждой компоненты рей-нольдсовых напряжений;

Высокая вычислительная устойчивость алгоритмов решения;

Распространенность моделей и большое количество программных комплексов, способных их исполь-зовать;

Обширный опыт использования таких моделей. Однако такая система обладает существенными недостатками:

Соотношение (4) не имеет теоретического обоснования и, фактически, никогда не выполняется;

Такие модели не применимы к некоторым течениям;

Невысокая точность расчета, но достаточная для решения некоторых инженерных задач. Подведя итог вышесказанному, можно заключить что, несмотря на отсутствие теоретического обоснова-

ния гипотезы Буссинеска, результаты использования некоторых линейных моделей турбулентной вязкости могут удовлетворять требованию к решению поставленной задачи.

По классификации такие модели можно разделить на несколько групп: 1. Алгебраические модели; 2. Полудифференциальные модели; 3. Модели с одним дифференциальным уравнением; 4. Модели с двумя дифференциальными уравнениями. Далее приведен анализ возможности использования каждой из них для расчета барботажной установки. Алгебраические модели В основном такие модели используются для расчета пограничного слоя, однако их также можно приме-

нять в составе гибридных моделей турбулентности, где отдельно считается пристенная область. Среди всего многообразия алгебраических моделей можно выделить модель Себеси-Смита, которая рас-

считана на низкие числа Рейнольдса, но требует вносить поправки на свободно-конвективное течение в по-граничном слое.

Однако, наиболее вероятно, что нестандартная форма пограничного слоя в барботажной колонне будет способствовать появлению множества ошибок в расчете и приведет к большой погрешности результатов.


29

Полудифференциальные модели Отсутствие «эффекта памяти» в алгебраических моделях привело к созданию полудифференциальных

моделей, наиболее известной из которых является модель Хортона. Такие модели обладают рядом недостатков, из-за которых их применение нецелесообразно:

Полудифференциальные модели не проще алгебраических при расчете течений сложной геометрии. Кроме того, что возникают те же проблемы с определением параметров пограничного слоя, появляется необ-ходимость решать ОДУ вдоль поверхности;

Преимущества этих моделей над алгебраическими не столь существенны. Модели с одним дифференциальным уравнением В отличие от алгебраических моделей, где турбулентная вязкость определяется формулой, содержащей

различные параметры задачи, в дифференциальных моделях для турбулентных характеристик записывается уравнение переноса.

В таких моделях отсутствуют недостатки, свойственные алгебраическим, а именно:

Они легко применимы к течениям в областях сложной геометрии;

Нет необходимости использовать параметры, характерные для пограничных слоев;

В них присутствуют «эффекты памяти» за счет конвективных и диффузионных членов в уравнениях пе-реноса.

Однако появляется необходимость в численном решении дополнительных уравнений, иногда более слож-ных, чем уравнения Навье-Стокса.

Модели с одним дифференциальным уравнением служат для вычисления турбулентной вязкости и не предназначены для создания на их основе моделей Рейнольдсовых напряжений и нелинейных моделей.

В таких моделях дифференциальное уравнение записано относительно турбулентной вязкости или других параметров. На практике, нашли применение модели относительно турбулентной вязкости. Наиболее из-вестные среди них – модели Спаларта-Аллмареса (SA) [22] и Секундова [23]. Ни та, ни другая модель не могут удовлетворить требованиям в рамках рассматриваемой проблемы по следующим причинам:

При существенном отклонении от гипотезы Буссинеска данные модели выдают существенные ошиб-ки и неточности;

В случае, если размеры обтекаемого тела сопоставимы с размерами вихрей в турбулентном течении, модели выдают ошибочный результат;

Недостаточная точность расчётов. Модели с двумя дифференциальными уравнениями В моделях с одним уравнением для кинетической энергии турбулентности вводятся дополнительные не-

универсальные соотношения для расчета диссипации. По этой причине было построено второе дифференци-альное уравнение для диссипации.

Рассмотрим три наиболее известных и удачных типа моделей в составе данной группы: 1) Модель k – ε, обладает существенным недостатком, заключающимся в допущениях при расчете те-

чения вблизи стенки. С этой целью в модель вводятся дополнительные функции, отвечающие за влияние стенок на турбулентность;

2) Модель k – ω, обладает чрезвычайной чувствительностью к граничным условиям во внешнем потоке, но при этом, хорошо описывает пристенные течения;

3) Модель Ментора (SST) [24] является гибридной моделью, которая рассчитывает пристенную область в модели k – ω, а область потока, удаленного от стенки, в модели k – ε.

Все линейные RANS модели основаны на гипотезе Буссинеска, подтвердить или опровергнуть выполне-ние которой возможно только на основании сравнения результатов аналитического расчета с эксперимен-тальными данными для конкретной задачи.

Нелинейные модели турбулентной вязкости В состав данной группы входят RANS модели, не основанные на гипотезе Буссинеска. Такие модели

сложны в калибровке и требуют большого количества эмпирических значений, а также вычислительную трудоемкость. Экспериментальная база по расчету барботажных установок не является достаточной для использования этих моделей.

LES модели турбулентности Large eddy simulation (LES) – метод крупных вихрей. В отличие от RANS моделей, эти модели являются

вихреразрешающими, то есть они способны рассчитать нестационарную вихревую структуру потока [25]. При расчете барботажной установки важно учитывать влияние вихревых структур на динамику движе-

ния пузырей. Расстояние между соседними пузырями достаточно мало, чтобы завихрения, образованные при обтекании одного пузыря, могли влиять на движение другого, причем размеры вихрей сопоставимы с разме-рами пузырей.

Однако LES модели способны качественно рассчитывать течения только вдали от стенки, а в рамках по-ставленной задачи необходимо учитывать движение в области пограничного слоя.

RANS-LES (DES – Detached Eddy Simulation) модели турбулентности Данные модели являются гибридными, и в них учитываются достоинства и недостатки ранее описанных

подходов к моделированию. Рассматриваемая задача разделяется две области: 1) Область пограничного слоя, в данном случае используются подходы RANS;


30

2) Область достаточно удаленная от стенки, в этом случае используются подходы LES. RANS-LES модели способны сшивать результаты двух расчетов и выдавать итоговые данные, наиболее

приближенные к реальным. В то же время данный метод является относительно новым (с момента создания первой такой модели прошло менее двадцати лет).

Оригинальная версия DES модели [26, 27] обладает существенным недостатком, выражающимся в усло-виях переключения между LES и RANS режимами. При использовании данной модели существует большая вероятность ложного переключения режима внутри пограничного слоя.

DDES (Delayed Detached Eddy Simulation) Для устранения вероятности ложного переключения была предложена [28] модификация DES, которая

была названа Delayed Detached Eddy Simulation. Она заключается в переопределении исходного масштаба линейной турбулентности:

(5) (6)

где: – функция, независящая от параметров сетки, имеющая значение в области пограничного слоя (RANS) и, соответственно, в остальной области (LES).

IDDES (Improved Delayed Detached Eddy Simulation) Для возможности решения вихреразрешающей задачи с пристеночным моделированием был предложен

метод IDDES (Improved Delayed Detached Eddy Simulation) [29]. В основу этого метода положена идея о возможности объединения DDES модели с другой гибридной RANS-LES моделью, предназначенной для WMLES (Wall Modeled LES) [29, 30, 31], в совокупности с автоматическим выбором модели в зависимости от наличия на входной границе LES подобласти разрешенного турбулентного контента. Следовательно, основ-ными элементами IDDES являются DDES и WMLES ветви этого подхода, а также алгоритм, который коор-динирует их работу.

IDDES основан на замене функции для линейного масштаба турбулентности на гибридный масштаб турбулентности, который позволяет более точно контролировать переключение решений.

DNS модель турбулентности Direct numerical simulation (DNS) – прямое численное моделирование. В отличие от предыдущих мето-

дов, в которых для описания течения применяются иногда достаточно произвольные допущения и большой объем эмпирической информации, в основе DNS лежит лишь одно допущение: уравнения Навье-Стокса адекватно описывают не только ламинарные, но и турбулентные течения.

Данный метод подразумевает непосредственное решение трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса и является наиболее точным и энергозатратным из всех вышеописанных. В настоящее время расчет задачи с помощью DNS модели может занять несколько лет на самых мощных компьютерах.

Выводы В связи с невозможностью использования DNS модели по соображениям энергоемкости и скорости рас-

чета рекомендуется использовать:

IDDES RANS-LES модель турбулентности, с возможностью решений вихревых структур, присут-ствующих в пограничном слое;

В составе IDDES в качестве RANS модели для решения течения в пристенной области может вы-ступать SA (Спаларта-Аллмараса) или SST (Модель Ментера).

Для более точного выбора необходимо провести расчет и исследовать его на наличие аномалий. На текущий момент наиболее многофункциональным и точным в вычислениях общих задач гидрогазоди-

намики является программный комплекс Ansys Fluent 2019 R3. В нем представлены практически все выше-указанные модели турбулентности, за исключением устаревших и нерешаемых. Кроме того, в нем присут-ствует возможность решения задач с течениями многофазной среды, а также представлены несколько мето-дов реализации данной функции.

Литература: 1. Динамика многофазных сред : в двух частях : учебное пособие для вузов / Нигматулин Р.И. - Москва :

Наука. Гл.ред. физ.-мат.литературы, 1987. – Ч.1 : 464 с. 2. Кобызев С. В. Моделирование обезвоживания углеводородного горючего с применением азота при вы-

полнении технологических операций подготовки ракетного топлива на стартовом комплексе //Инженерный вестник. – 2014. – №. 11. – С. 1-14.

3. Besagni G., Inzoli F., Ziegenhein T. Two-phase bubble columns: A comprehensive review //ChemEngineering. – 2018. – Т. 2. – №. 2. – 79 с.

4. Thorat B. N. et al. Effect of sparger design and height to diameter ratio on fractional gas hold-up in bubble columns //Chemical Engineering Research and Design. – 1998. – Т. 76. – №. 7. – С. 823-834.

5. Kulkarni A. V., Joshi J. B. Design and selection of sparger for bubble column reactor. Part I: Performance of different spargers //Chemical engineering research and design. – 2011. – Т. 89. – №. 10. – С. 1972-1985.

6. Rampure M. R., Mahajani S. M., Ranade V. V. CFD Simulation of bubble columns: modeling of nonuni-form gas distribution at sparger //Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2009. – Т. 48. – №. 17. – С. 8186-8192.

7. Xu L. et al. Numerical simulation of bubble column flows in churn-turbulent regime: comparison of bubble size models //Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2013. – Т. 52. – №. 20. – С. 6794-6802.


31

8. Kannan V. et al. Effect of drag correlation and bubble‐induced turbulence closure on the gas hold‐up in a bubble column reactor //Journal of Chemical Technology & Biotechnology. – 2019. – С. 2944-2954.

9. Guan X., Yang N. Modeling of co-current and counter-current bubble columns with an extended EMMS approach //Particuology. – 2019. – Т. 44. – С. 126-135.

10. Khan Z., Bhusare V. H., Joshi J. B. Comparison of turbulence models for bubble column reactors //Chemical Engineering Science. – 2017. – Т. 164. – С. 34-52.

11. Shi W., Yang N., Yang X. A kinetic inlet model for CFD simulation of large-scale bubble columns //Chemical Engineering Science. – 2017. – Т. 158. – С. 108-116.

12. Ye X. L. et al. Multi-scale simulation of the gas flow through electrostatic precipitators //Applied Math-ematical Modelling. – 2016. – Т. 40. – №. 21-22. – С. 9514-9526.

13. Guan X. et al. Hydrodynamics in bubble columns with pin-fin tube internals //Chemical Engineering Research and Design. – 2015. – Т. 102. – С. 196-206.

14. Akbari V. et al. Model-based analysis of the impact of the distributor on the hydrodynamic performance of industrial polydisperse gas phase fluidized bed polymerization reactors //Powder technology. – 2014. – Т. 267. – С. 398-411.

15. Wagh S. M., Ansari M. E. A., Kene P. T. Axial and Radial Gas Holdup in Bubble Column Reactor //vol. – 2014. – Т. 35. – С. 1703-1705.

16. Yan W. C., Li J., Luo Z. H. A CFD-PBM coupled model with polymerization kinetics for multizone circu-lating polymerization reactors //Powder technology. – 2012. – Т. 231. – С. 77-87.

17. Yan W. C., Luo Z. H., Guo A. Y. Coupling of CFD with PBM for a pilot-plant tubular loop polymeriza-tion reactor //Chemical engineering science. – 2011. – Т. 66. – №. 21. – С. 5148-5163.

18. Yan W. C. et al. Three-dimensional CFD study of liquid–solid flow behaviors in tubular loop polymeriza-tion reactors: The effect of guide vane //Chemical Engineering Science. – 2011. – Т. 66. – №. 18. – С. 4127-4137.

19. Fluent A. ANSYS fluent theory guide 19.0 //ANSYS, Canonsburg, PA. – 2019. 20. Гарбарук А. В. и др. Современные подходы к моделированию турбулентности: учеб. пособие //СПб.:

Изд-во Политехн. ун-та. – 2016. – С. 48-52. 21. Смирнов Е. М., Гарбарук А. В. Течения вязкой жидкости и модели турбулентности: методы расчета

турбулентных течений //СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. – 2010 – 127 с. 22. Spalart P., Allmaras S. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows //30th aerospace sciences

meeting and exhibit. – 1992. – 439 с. 23. Гуляев А. Н., Козлов В. Е., Секундов А. Н. К созданию универсальной однопараметрической модели

для турбулентной вязкости //Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. – 1993. – №. 4. – С. 69-81.

24. Menter F. Zonal two equation kw turbulence models for aerodynamic flows //23rd fluid dynamics, plas-madynamics, and lasers conference. – 1993. – 2906 с.

25. Ferziger J. H. Recent advances in large eddy simulation //Engineering Turbulence Modelling and Exper-iments. – Elsevier, 1996. – С. 163-175.

26. Spalart P. R. Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach //Proceedings of first AFOSR international conference on DNS/LES. – Greyden Press, 1997 – С. 137-148

27. Travin A. et al. Physical and numerical upgrades in the detached-eddy simulation of complex turbulent flows //Advances in LES of complex flows. – Springer, Dordrecht, 2002. – С. 239-254.

28. Spalart P. R. et al. A new version of detached-eddy simulation, resistant to ambiguous grid densities //Theoretical and computational fluid dynamics. – 2006. – Т. 20. – №. 3. – С. 181-195.

29. Shur M. L. et al. A hybrid RANS-LES approach with delayed-DES and wall-modelled LES capabilities //International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2008. – Т. 29. – №. 6. – С. 1638-1649.

30. Larsson J. et al. Large eddy simulation with modeled wall-stress: recent progress and future directions //Mechanical Engineering Reviews. – 2016. – Т. 3. – №. 1. – С. 1-23.

31. Piomelli U. Wall-layer models for large-eddy simulations //Progress in aerospace sciences. – 2008. – Т. 44. – №. 6. – С. 437-446.

Использование современных информационных технологий в обеспечении промышленной безопасности аммиачных холодильных установок

при переходе к риск-ориентированному подходу

Васильев Дмитрий Николаевич; Шурай Сергей Петрович, доцент кафедры БЖ, кандидат химических наук,

научный руководитель КубГТУ

Современный человек настолько сильно интегри-рован в созданную им же техногенную среду, что перестает осознавать её опасности. Присущее быто-вому мышлению понимание опасности связывает это

понятие с масштабностью и ужасающим характе-ром последствий наступления таких явлений. Инди-каторами опасности для населения всё чаще служат внешние масштабные характеристики объектов (ли-


32

нейные размеры, количество и внешний вид состав-ных частей), а также наличие в названии или харак-теристиках объектов слов-индикаторов (ядерный, химический, военный и т.д.). При этом жители горо-дов ошибочно считают, что опасные объекты не мо-гут находиться рядом с жилыми и общественными зданиями. Однако они реально существуют и успешно функционируют на территории населённых пунктов.

К этой группе опасных объектов относится ряд предприятий пищевой промышленности, использу-ющих для производства и хранения пищевой про-дукции разнообразные системы холодоснабжения, на основе аммиачных холодильных установок (далее - АХУ). Чаще всего такие предприятия расположены на территориях крупных рынков, торговых центров и торговых баз. Используемый в этих установках ам-миак является токсичным веществом 4-го класса опасности, обладает взрывопожароопасными свой-ствами. Из общего числа химически опасных произ-водственных объектов доля организаций, эксплуати-рующих аммиачно-холодильные установки, состав-ляет порядка 20 % [1].

На предприятиях пищевой промышленности, как правило, используются холодильные установки холо-допроизводительностью 2500 кВт, содержащие от 1 до 12 тонн аммиака. Расчетные значения размеров зон возможного химического заражения, как прави-ло, превышают размеры санитарно-защитной зоны предприятия. Следовательно, при возникновении аварии с выбросом аммиака в условиях плотной городской застройки велика вероятность многочис-ленных отравлений и возможной гибели людей [2].

Аварийная опасность АХУ подтверждается све-дениями о произошедших авариях. С начала 2000 годов в России на химически опасных объектах, экс-плуатирующих АХУ, было зарегистрировано не-сколько десятков аварий. В этих авариях пострадало около 150 человек и более 15 человек получили смертельное отравление парами аммиака.

В опубликованной ранее работе [3] были выделе-ны возможные пути снижения уровня аварийной опасности АХУ и проведён анализ их практического применения. Показано, что в современных АХУ применяемые проектные решения обеспечивают требуемый уровень промышленной безопасности. Нерешённым остается вопрос обеспечения безопас-ной эксплуатации установок собственниками или арендаторами объектов. Большие возможности в этом направлении создает использование в практике обеспечения промышленной безопасности риск-ориентированного подхода. Он предполагает концен-трацию ограниченных ресурсов государства в зонах максимального риска и одновременно снижение административной нагрузки на добросовестных соб-ственников.

Ключевым вопросом при этом является получе-ние объективной и своевременной информации о состоянии технических систем и уровне профессио-нальной подготовки персонала. Обладание такой информацией безусловно необходимо как добросо-вестным собственникам объектов, так и органам государственного надзора и контроля.

Одним из эффективных решений в этой области является внедрение систем дистанционного контроля и непрерывного мониторинга состояния безопасности оборудования. С введением новых «Правил безопас-ности аммиачных холодильных установок и систем», которые вступили в силу 25.07.2019 года, появилась правовая база для применения таких систем на объектах, эксплуатирующих АХУ. Не решенным остается вопрос о перечне технических и технологи-ческих параметров АХУ, подлежащих обязательно-му дистанционному контролю органами государ-ственного надзора. По-видимому, выбор перечня таких показателей удобнее всего привязывать к классификации ОХО по типам оборудования и ко-личеству аммиака.

Повысить объективность и доступность информа-ции об уровне профессиональной подготовки персо-нала позволяет проводимая автоматизация проце-дуры аттестации в области промышленной безопас-ности в территориальных комиссиях Ростехнадзора руководителей и специалистов организаций, эксплу-атирующих опасные производственные объекты [4].

Постановлением Правительства РФ от 25 октяб-ря 2019 г. № 1365 был изменен порядок такой атте-стации, которым предусматривается:

- переход от предоставления результата государ-ственной услуги по аттестации специалистов в виде бумажного документа к записи в электронном ре-естре;

- определение перечня категорий работников опасных производственных объектов, обязанных получать перед аттестацией дополнительное профес-сиональное образование в области промышленной безопасности;

- закрепление нормы, при которой вместе с заяв-лением на аттестацию необходимо представлять копии документов об имеющейся квалификации, которая, соответственно, может оцениваться только по результатам получения дополнительного профес-сионального образования.

Планируется, что в дальнейшем аттестация в территориальных комиссиях Ростехнадзора и даже во внутренних комиссиях на предприятиях будет проводиться только при помощи Единого портала тестирования (www.gosnadzor.ru/eptb). Функциони-рование Единого портала тестирования обеспечива-ется ФБУ «Учебно-методический кабинет» Ростех-надзора (http://www.umkrtn.ru). При помощи данно-го портала появляется возможность вести реестр всех аттестованных лиц, в том числе подтвердивших свои знания в комиссиях предприятий.

«Узким» местом предлагаемых изменений оста-ется действующая процедура проверки подлинности протоколов аттестации. Действующий общероссий-ский реестр аттестованных в территориальных ко-миссиях является открытым только для работников Ростехнадзора. Проверка достоверности протоколов аттестации осуществляется путем направления ру-ководителем объекта официального письма в терри-ториальный орган Ростехнадзора с приложением протокола об аттестации, вызывающего сомнения. В случае выявления фальшивых протоколов, инфор-мация направляется в правоохранительные органы для принятия соответствующих мер. Большинство


33

работодателей просто бояться официально прове-рять подлинность протоколов не только у своих со-трудников, но и специалистов контрагентов, так как в случае выявления поддельных протоколов необхо-димо будет отстранить нарушителей от работы и передать информацию в правоохранительные орга-ны. Поэтому назрела необходимость в создании открытого единого реестра протоколов аттестован-ных руководителей и специалистов, размещенного на официальном сайте Ростехнадзора (www.gosnadzor.ru). Используя двухмерный штрих-код (QR код) можно значительно облегчить поиск нужного протокола. Для этого на протоколах нужно дополнительно напечатать QR код, который при сканировании будет указывать ссылку на источник хранения сканированной копии протокола. При этом, для проведения сканирования не потребуется

приобретать дополнительные сканеры или загру-жать дополнительный софт на устройства, так как многие современные телефоны снабжены функцией автосканирования QR кодов.

Таким образом, можно сделать обоснованный вывод о необходимости продолжения практики при-менения современных информационных технологий в обеспечении промышленной безопасности аммиач-ных холодильных установок. Такие технологии, без-условно, позволяют обеспечить собственников объек-тов и органы государственного надзора объективной и своевременной информацией о состоянии техниче-ских систем АХУ и уровне профессиональной подго-товки персонала. В результате появляется реальная возможность снизить риски для жизни и здоровья людей и экономической безопасности предприятий.

Литература: 1. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному

надзору в 2018 году 2. Украинский О.В. Анализ промышленной безопасности при эксплуатации аммиачных холодильных

установок предприятий пищевой промышленности / Промышленная и Экологическая безопасность, №8, 2007г. – с. 71.

3. Васильев Д.Н. Возможные пути снижения уровня аварийной опасности аммиачных холодильных уста-новок предприятий пищевой промышленности / Вестник НИЦ МИСИ «Актуальные вопросы современной науки», №15, 2018 г. с.58.

4. Интернет ресурс официальный сайт Федеральной службы по экологическому, технологическому и атом-ному надзору http://www.gosnadzor.ru/.

О необходимости информационной модели города

Вилкова Ксения Игоревна, студент; Фещенко Дмитрий Евгеньевич, студент

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург

В данной статье рассматривается важность создания информационной модели города. Программа Пра-

вительства Российской Федерации «Цифровая экономика» подразумевает широкомасштабное внедрение

цифровых технологий, в том числе и информационное моделирование города, которое позволит обеспечить

контроль над его жизнедеятельностью, соблюдение требований многочисленных нормативных документов по

безопасности, градостроительству, экологии и других правовых актов. При анализе городской среды, появля-

ется возможность управлять ею, осваивая концепцию умного города, которая позволит добиться повышения

качества жизни граждан. Основываясь на положительном опыте лучших практик применения данных техно-

логий в других странах, можно сделать вывод о необходимости создания информационной модели города.

Ключевые слова: информационная модель, умный город, BIM-технологии, градостроительство, безопас-

ность.

DOI: 10.5281/zenodo.3603851

Создание единой информационной модели города является перспективным и чрезвычайно важным направлением, которое может поспособствовать решению сложных задач во многих процессах, про-текающих в жизнедеятельности города.

Модель города может быть создана при помощи BIM-технологий, на основе которых закладывается все конструктивные, архитектурные, инженерно-технические основы зданий и сооружений, дополнен-ные данными, о каждом элементе, который состав-ляет модель, начиная от материалов и сроков служ-бы, заканчивая стоимостью и огнестойкостью. Также является возможным занесение в модель всех градо-строительных решений, автодорог, ландшафтов, которые также содержат все необходимые данные (рис. 1).

Уже построенные здания и сооружения преобра-зуются в трехмерную модель путем лазерного ска-нирования, которое преобразует созданный объект в графический прототип. В 2020 году для некоторых зданий и сооружений информационная модель ста-нет обязательным элементом проектно-сметной до-кументации, в связи с этим вновь возводимые объек-ты станет возможным подгружать в единую модель [1]. Стоит ожидать того, что все объекты будут обя-заны иметь 3-d модель.

Технология информационного моделирования может поспособствовать не только увеличению тем-пов и качества строительства, но и обеспечить до-статочно быстрый и многофакторный анализ при демонтаже и капитальном ремонте, поскольку все данные об объекте, над которым планируется воз-


34

действие, и данные об окружающих объектах со-держатся в едином информационном пространстве. Такая практика в мире уже успешно применяется

не первый год, лидером по внедрению технологий 3-d моделирования является Сингапур (рис. 2).

Рис. 1. Общая схема информационной модели города

Рис. 2. Пример информационной модели города Сингапур

Создаваемые различные дополнительные про-граммы способны проверить здание или сооружение на соблюдение нормативных требований. Например, правил по пожарной безопасности, экологии, а так-же доступности зданий и сооружений для маломо-бильных групп населения и т.д. [2], [3], [4]. Все эти требования являются весьма актуальными в совре-менном мире, необходимыми для того, чтобы обеспе-чить равные условия жизнедеятельности для всех, позаботиться о безопасности, а также об окружаю-щей среде.

Информационная модель является основой умно-

го города, общая схема которого заключается в том, что к информационной модели добавляется при-стройка сбора данных и надстройка анализа и управления (рис. 3).

Сбор данных является важной и сложной частью структуры умного города. Данный раздел подразу-мевает наличие технического обеспечения для сбора данных (датчики, камеры, каналы передачи), а так-же архивной информации (статистика аварий на дорожном перекрестке). Главными требованиями к таким данным являются: своевременность, достовер-ность, охват.


35

Рис. 3. Схема организации умного города

Таким образом, после получения достоверных данных, своевременно доставленных из охватывае-мой территории следует анализ поступившей ин-формации. Затем предполагается обязательное со-здание методик анализа собираемой информации для решения конкретных задач, на основе которых затем создаются алгоритмы и программы обработки больших массивов данных.

Принятие решений – это прерогатива руковод-ства города, но в определенных случаях решения могут приниматься самой системой управления автоматически. Если посмотреть на экономику пере-хода на умные города, то можно сделать вывод о том, что это затратный и сложный процесс, однако большой масштаб замыслов способен до определен-ной степени оптимизировать эти расходы. Прежде всего это относится к решению общих и типовых вопросов: технические и производственные наработ-ки для системы интерактивного сбора данных; раз-работка методик, алгоритмов и программ анализа и решения типовых задач, а также информационного моделирования; разработка единого стандарта «ум-ного города». Движение в этих направлениях не только позволит уменьшить затраты на освоение программы «умного города», но и станет хорошим стимулом для развития экономики России, а также повысит качество жизни людей, пребывающих в городе.

Во многих городах уже происходит внедрение та-ких технологий, которые приносят положительные результаты. В Сингапуре на улицах города-государства установлены умные светофоры, которые сокращают число заторов при помощи дорожных датчиков, измеряющих плотность транспортного потока. Создание умных парковок, регистрирующих количество свободных мест, отправляют водителям данные о том, где есть места, чтобы оставить авто-мобиль. Аналогичная практика присутствует в Лон-доне. В Нью-Йорке на улицах установлены сенсоры, фиксирующие звуки выстрелов, которые отправляют сигналы в полицию. Также в городе установлены умные урны, снабженные датчиками, вызывающими

мусоровоз, когда в них остается мало свободного места. В Барселоне не хватает воды, в связи с чем действует и интеллектуальная система полива. В периоды засухи она переключается в экономный режим. В добавок ко всему, работает сеть датчиков для мониторинга загрязнений воздуха и уровня го-родского шума. В Дании велосипеды оснащены датчиками, сообщающими об уровне загрязнения и пробках на дорогах. Муниципалитет поддерживает бизнес по внедрению умных решений в сфере осве-щения, домоуправления, контроля трафика. Власти Копенгагена создали «городскую базу обмена дан-ными», с помощью которой любое физическое или юридическое лицо может рассказать о своих товарах и услугах. Существует множество примеров поло-жительного влияния внедрения информационных технологий и в других городах и с каждым днем темпы внедрения становятся выше.

Информационная модель города может являться единой коммуникативно-информационной сетью, как средство управления человеческими связями. Реаль-ная городская информационная среда трансформи-руется в массовую информационно-коммуникативную виртуальную модель диалоговых контактов в урбанизированном пространстве, что позволит [5]:

выстраивать механизм взаимодействия тради-ционных СМИ и интернет-изданий, доступности сведений информационных служб для населения;

оказывать высококвалифицированные удален-ные консультации в лечебных, социальных учрежде-ниях;

шире транслировать ценности культур различ-ных народов, развивать взаимопонимание, толе-рантные отношения между этническими группами;

повышать экологическую культуру;

обеспечивать в библиотеках, почтовых отделе-ниях, юридических консультациях, в каждой кварти-ре доступ к государственной информации, правовым базам, библиотечным, архивным, музейным фондам, информационным ресурсам различных институтов


36

города, широкоформатным каналам связи и комму-никации.

Подводя итог, можно сказать, что создание умно-го города при помощи информационной модели является неотъемлемым этапом будущего. Анализ

городской жизни, определение настоящих и будущих проблем и выработка их решений безоговорочно понимаются как действия, приводящие к повыше-нию качества жизни людей, их безопасности и со-хранению окружающей нас среды.


1. «Градостроительный кодекс Российской Федерации» от 29.12.2004 N 190-ФЗ. 2. Вилкова К.И., Фещенко Д.Е. «Пожарная безопасность и проектирование на основе BIM-технологий».

BIM-моделирование в задачах строительства и архитектуры материалы II Международной научно-практической конференции: СПбГАСУ, 2019. 247-256 с.

3. Вилкова К.И., Фещенко Д.Е. «BIM-технологии и экология». Научный журнал «Globus». С-П.: «Технические науки - от теории к практике», 2019. 27-33 с.

4. Вилкова К.И., Фещенко Д.Е. «BIM-технологии и доступность зданий и сооружений для маломобильных групп населения». Вестник НИЦ МИСИ: актуальные вопросы современной науки. М: ООО «Научный инновационный центр Международный институт стратегических исследований», 2019. 44-52 с.

5. А. Ф. Измайлов «Информационная модель города (о некоторых подходах к проблеме моделирования информационных отношений в городской среде)». Управленческое консультирование. Актуальные проблемы государственного и муниципального управления. С-П.: 2009, 186 с.

Особенности математического моделирования распространения нефти в акватории Керченского пролива

Ивановская Александра Витальевна, кандидат технических наук, доцент; Маркелова Оксана Сергеевна, курсант;

Самчук Алексей Сергеевич, курсант ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» (г. Керчь)

Аннотация. В работе рассмотрена проблема загрязнения акватории Керченского пролива, значительная

часть которых поступает с судов, находящихся на рейде и якорной стоянке. Выделена цель исследований по

оценке загрязненности этого района, поставлены вспомогательные задачи. В результате планируемых иссле-

дований планируется на основании полученных экспериментально показателей состояния морской среды раз-

работать математическую модель распространения загрязнения воды и прибрежных районов. В качестве

математического аппарата для разработки математической модели предлагается взять фрактальную тео-

рию.

Ключевые слова: Керченский пролив, загрязнение морской среды, мониторинг показателей состояния воды.

Загрязнение Керченского пролива, являющегося важнейшим стратегическим и транспортным объектом для Российской Федерации, на данный момент является самой актуальной проблемой в акватории Азово-Черноморского бассейна.

Ежемесячный судопоток составляет порядка 2000-3000 судов. Ввиду ограничений прохода под Крымским мостом данные суда определенное время находятся в районах якорных стоянок, ожидая своей очереди для прохода. По оценкам экспертов в морскую среду попадают мусор, сточные воды и нефтепродукты, вызывая тем самым загрязнение воды и прилегающего побережья.

Целью наших исследований является оценка загрязненности нефтью акватории Керченского пролива. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

наблюдение за состоянием прибрежных вод;

проведение мониторинга загрязнения морской воды;

определение основных показателей;

статистическая обработка полученных результатов;

разработка математической модели распространения загрязнений;

установка стационарных станций по мониторингу экологической обстановки в режиме реального вре-мени;

определение возможного местоположения источника сброса. В Керченском государственном морском технологическом университете на базе кафедры судовых энерге-

тических установок функционирует научно-исследовательская лаборатория по исследованию химического состава воды (рис.1). Начиная с сентября, курсантами еженедельно проводятся экспериментальные исследо-вания морской воды на побережье Керченского пролива, как в городской черте, так и за ее пределами. Вода анализируется по различным химическим показателям. В том числе и по содержанию нефтепродуктов.

Определение нефтесодержания морской воды основано на экстрагировании четырёххлористым углеродом и последующей хроматографии полученного экстракта.


37

В результате экспериментальных исследований нами получено, что содержание нефти в течение заданно-го промежутка времени колебалось в пределах от 6 до 15 мг/л, что значительно превышает предельно-допустимую концентрацию (ПДК=0,05 мг/л).

Как источники загрязнения морской среды можно выделить береговые предприятия, так и суда, находя-щиеся на рейде. И, если обнаружить сброс с предприятий довольно просто, то вот определить судно-нарушитель в море – задача не из легких. Поэтому, ставится обратная задача, состоящая в разработке ма-тематической модели определения источника загрязнения.

Рис. 1. Курсантская научно-исследовательская лаборатория в КГМТУ

В настоящее время существует множество математических моделей, которые описывают динамику рас-пространения нефтяного загрязнения по морской поверхности в результате разлива нефти

Однако данные математические модели имеют, на наш взгляд, имеют ряд недостатков: 1) в большинстве моделях не учтены особенности Керченского пролива - рельеф дна, ветровые течения,

значительный перепад солености, температуры воды; 2) не учтены процессы эмульгирования нефти; 3) не рассмотрены результаты контакта с берегом; 4) не рассмотрена обратная задача по определению источника загрязнения Для разработки математической модели с учетом этих факторов нами предлагается взять за основу

фрактальную теорию [1], где фракталом является геометрическая фигура, составленная из множества по-добных всей фигуре частей.

Материковые береговые линии, пористые среды, коллиоды и т.п. можно отнести к фракталам. Фигуры, которые возникают при вытеснении из пор более вязкой жидкости менее вязкой, также носят фрактальный характер.

Распространение нефти в морской среде целесообразно моделировать, используя фрактальный кластер – в виде системы, образованной из условно твердых частиц в процессе их слипания по определенному закону. Такие агрегаты могут образовываться при появлении пленок на поверхности тела, который находится во взаимодействии со средой (рис.2). Тогда свойства и структура этих кластеров будет определяться физической составляющей процессов, характерных при его образовании, а также могут иметь сходное математическое описание.

Рис. 2. Нефтяное пятно в море и стохастический фрактал на основе множества Жюлиа

Представим нефтяное пятно фрактальным кластером, представлено в виде куба, являющегося множе-ством таких же элементарных кубов (рис.3), составляя при этом расширение виттен-сэндеровской модели, где кластер в целом движется вместе с составляющими его частицами.


38

Рис. 3. Представление нефтяного пятна

Каждый элементарный куб движется под действием ветра, течения, сил сопротивления, взаимного при-тяжения (рис.4).

Рис. 4. Движение элементарной частицы нефтяного пятна

При моделировании за основу следует взять уравнение диффузии, в котором учтены процессы, происхо-дящие при разливе нефти - растекание, адвекция, испарение, растворение, биоразложение, диффузия и из-менение коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии.

где – функция, учитывающая концентрацию загрязнения, г/м2; – время, с; –

декартовы координаты текущей точки i-того куба; – компоненты вектора скорости ветрового тече-

ния, м/с; – турбулентная диффузия в плоскости; – функция, которая описывает соответству-

ющий процесс деструкции i-й факторизованной фракции в результате j-й реакции Rj, г/(м2•с). Используя данное уравнение, можно итерационно просчитывать процесс для всего кластера. Вывод: если учесть большинство факторов, которые определяют движение нефтяного пятна, то реальные

попытки предсказать с высокой точностью направление движения часто приводят к отрицательным резуль-татам, что ведет к большим неоправданным затратам. Всё это говорит о том, что при прогнозировании ди-намики нефтяного пятна нельзя полностью полагаться на накопленные ранее гидрометеорологические наблюдения, какими бы достоверными они ни были, а следует обратиться к математическому моделирова-нию, например, с использованием фракталов.


1. Гелашвили Д.Б., Иудин Д.И., Розенберг Г.С., Якимов В.Н., Солнцев Л.А. Фракталы и мультифракта-лы в биоэкологии: Монография. — Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2013. — 370 с.


39

Протекторная защита трубопроводов от внутренней коррозии

Ильин Роман Альбертович, кандидат технических наук, доцент; Гагиев Исса Русланбекович, аспирант

Астраханский Государственный Технический Университет

Металлические трубопроводы получили широкое распространение в различных областях морской, нефтегазовой и энергетической промышленности. Простота и надежность эксплуатации стальных труб, являются основными факторами в пользу их применения. Коррозия, определяющая надёжность функционирования составных частей трубопровод-ных систем, становится главной проблемой, возни-кающей в процессе их работы.

В период своего функционирования трубопрово-ды, как правило воспринимают одновременное воз-действие различного рода факторов, таких как внешняя и внутренняя среда, механические нагрузки и физического износа, вызванные особенностями их эксплуатации. Совокупность такого рода воздей-ствия приводит к ускоренному коррозийно-механическому разрушение трубопроводов в виде общей механохимической коррозии, коррозионного растрескивания, коррозийной усталости и др. В связи с перечисленным, проблема обеспечения надежной и безопасной эксплуатации технологиче-ских трубопроводных систем становится проблемой повышения их коррозионно-механической прочности.

Совершенствование способов защиты требует разработки превентивных методов и технических средств ее повышения. Методы борьбы с коррозией, обычно, направлены на устранение фактора вызы-вающий данный процесс, а также на повышение

устойчивости оборудования, которое подвергается коррозионному воздействию. Так, например, на теп-логенерирующих станциях начальным этапом борь-бы с коррозией является водоподготовка. Вода про-ходит несколько этапов подготовки заключительным из которых является термическая деаэрация – про-цесс удаления растворенного в подпиточной воде избыточного кислорода, вызывающего окисление металла.

Сущность метода термической деаэрации заклю-чается в подогреве воды до температуры близкой к температуре насыщения при данном давлении, в результате чего практически полностью удаляется присутствующий в воде растворенный кислород [1, с. 251].

Однако, как показывает практика, по различным технико-технологическим причинам процесс терми-ческой деаэрации не позволяет удалить из воды кислород до нормативных значений. На Астрахан-ской ПГУ-110, в процессе эксплуатации деаэратора ДА-100/25, столкнулись с некоторыми проблемами, связанными с низкой температурой пара, которым производился подогрев воды в колонке деаэратора.

В таблице 1 представлен воднохимический ре-жим Астраханской ПГУ-110 за июль 2016 г. Как видно из таблицы, показатели кислорода относи-тельно нормативных были завышены в 8 раз.

Таблица 1. Воднохимический режим Астраханской ПГУ-110 за июль 2016 г.

Качественные показатели водно-химического режима Астраханской ПГУ-110

Объекты химического контроля Ж общ. Ca pH O2

Мкг/дм3 Мг/дм3 Мг/дм3 Мкг/дм3

Исходная вода 3839 56,11 8,36 – Циркуляционная вода 8332 112 8,67 –

Осветленная вода 3839 – 7,17 – Добавочная вода 1 – 0,06 – Питательная вода 1 – 0,07 170

Данное обстоятельство было вызвано тем, что в

летний период времени в схему станции подключа-лась абсорбционная холодильная машина (АБХМ), требующая для своего функционирования отбор тепла. Пар, пройдя через теплообменное оборудова-ние АБХМ терял температуру и как результат про-исходил недогрев воды в колонке деаэратора.

Вода с большим содержанием кислорода посту-пала в магистральные трубопроводы тепловых се-тей, что вызывало ускоренное возникновение корро-зии на внутренних поверхностях трубопроводов, и как следствие приводило к частому возникновению аварийных ситуаций.

Возникавшие в процессе коррозионного разру-шения трубопровода, небольшие свищи, приводили к тому, что вода из тепловой сети начинала проникать под изоляцию, особенностью конструкции которой является наличие полиэтиленовой пленки между

изолирующим материалом и стальной трубой, что приводило к образованию коррозии уже на внешней поверхности трубопровода. Особенно часто такая ситуация возникала в местах подземной прокладки трубопроводов. Вышеуказанные обстоятельства приводили к большим экономическим затратам, связанных как с ремонтом трубопроводов на боль-ших участках тепловых сетей, так и с простоем обо-рудования.

Таким образом можно говорить о том, что поиск вариантов защиты от негативного влияния коррозии до сих пор является одним из наиболее актуальных вопросов.

Одним из вариантов антикоррозионной защиты является протекторная защита, являющаяся одним из видов катодной защиты металлических сооруже-ний, основное преимущество которого отсутствие необходимости в постоянном источнике


40

На рисунке 1 показан способ реализации протек-торной защиты, в котором анод монтируется на за-щищаемой поверхности таким образом, чтобы обра-зовался электрический (металлический) контакт. В получаемой гальванической паре металлический трубопровод становится катодом. Материал, выпол-няющий роль анода ввиду влияния коррозии, посте-пенно разрушается, в связи с чем протекторы необ-ходимо периодически обновлять или заменять. В

качестве анода используется металлы с большим электроотрицательным потенциалом по отношению к стали.

Основное требование, предъявляемое к металлу, из которого состоит протектор, это его способность поляризовать сталь до такого потенциала, при кото-ром протекание процесса коррозии не значительно или вовсе отсутствует.

Рис. 1. Протекторная защита трубопроводов

Принцип работы предлагаемой схемы заключа-ется в следующем. Под действием сформированного гальванического источника (железо-магниевый эле-мент) происходит электролиз воды в трубопроводе.

В результате электрохимических реакций, проте-кающих на внутренней поверхности стального тру-бопровода (кроме катодной поляризации защищае-мого оборудования) обеспечиваются условия для образования защитной плёнки магнетита по выра-жению:

3Fe+2 +4OH-1 = Fe3O4 +2H2 ↑ . Вещества, способствующие возникновению на

металле защитной плёнки, носят название пассиви-рующих агентов. Для железа хорошим пассивиру-ющим агентом служат ионы ОН [2 с.125]. Таким образом, в результате электролиза на поверхности металла образуется тончайшая плёнка слоя окиси, препятствующая дальнейшему окислению. Суще-ствование таких «оксидных плёнок» подтверждены различного рода методами: поляризацией отражён-

ного света, рентгенографическим путём и др. При некоторых условиях возможно образование плёнок магнетита и известковых отложений в таком сочета-нии, что дефекты трубопровода будут полностью заблокированы. Блокировка этих дефектов означает, что нет доступа электролита к защищаемому со-оружению, а следовательно, нет условий для разви-тия коррозии.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вы-вод, что использование методов электрохимического воздействия для снижения внутренней коррозии как варианта протекторной защиты с использованием ионной связи между электродами, позволяет форми-ровать защитную пассивирующую пленку, блоки-рующий доступ электролита к поверхности трубо-провода.

В дальнейшем будут производиться исследова-ния цель которых будет состоять в подборе наиболее эффективного варианта протектора.

Литература: 1. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней // Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с

англ./ Под. ред. А.М. Сухотина. - Л.: Химия, 1989.Пер. изд., США, 1985. - 456 с. 2. Томашов Н.Д., Чернова Д.П. Теория коррозии и коррозионно – стойкие сплавы. - М.: Металлургия,

1986. -360 с.

УДК 001.5+004.8

Искусственный интеллект: роль гиппокампа в обработке визуальной информации

Капульцевич Александр Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургский Государственный химико-фармацевтический университет

(г. Санкт-Петербург, Россия)

Аннотация. Выполнено исследование некоторых функций гиппокампа, имеющих решающее значение в про-

цессах, связанных со зрительными объектами. Показано, каким образом осуществляется запоминание образов

и сюжетов в визуальную (долговременную) память, иллюстрируется ключевая роль гиппокампа в повышении

разрешения информации dpi. На примере поиска оптимального маршрута в сложных условиях крупного горо-

да, рассматривается принцип обучения, основанный на пошаговом развитии визуальной сети гиппокампа; в

тех же условиях предложена гипотеза позиционирования наблюдателя. Результаты исследования направлены

на дальнейшее совершенствование систем искусственного интеллекта.


41

Ключевые слова: гиппокамп, запоминание, обучение, нейрон, позиционирование, искусственный интеллект,

визуальная сеть.

Введение Немного истории [1]. “Гиппокамп обязан своим

названием анатому Джулио Чезаре Аранцио, кото-рый ещё в XVI веке обратил внимание на то, что эта часть мозга внешне очень напоминает морского конька. Сделав научное открытие этой мозговой структуры, Арантиус связал её с обонянием, выдви-нув идею о том, что основной функцией гиппокампа является обработка запахов. Эта теория поддержи-валась вплоть до 1890 года – до тех пор, пока ака-демик Владимир Бехтерев не доказал, что в дей-ствительности гиппокамп отвечает за память и ко-гнитивные процессы”.

К настоящему времени знания об этой части моз-га сильно продвинулись и, особенно, об его важной роли в умственных процессах, таких как консолида-ция памяти, обучение, а также ориентация в про-странстве. При этом обнаружено, что:

“гиппокамп имеет множество связей, но в основ-ном непрямых, со многими частями мозговой коры, а также с основными структурами лимбической си-стемы – миндалиной, гипоталамусом, перегородкой и сосцевидными телами. Почти любой тип сенсорно-го переживания вызывает активацию, по крайней мере, некоторой части гиппокампа, а гиппокамп, в свою очередь, посылает много выходящих сигналов к переднему таламусу, гипоталамусу и другим частям лимбической системы, особенно через свод — глав-ный путь связи”.

Однако, несмотря на явный прогресс, остается еще немало “белых пятен“, например, каков меха-низм запоминания визуальной информации и какое конкретно участие в этом принимает гиппокамп; то же самое относится к процессам обучения и позици-онирования в пространстве.

Функции гиппокампа Среди многочисленных известных функций гип-

покампа нас в основном будут интересовать только те, которые связаны непосредственно с обработкой визуальной информации.

Запоминание информации – это одна из первых функций, в которой был “заподозрен” гиппокамп. Обнаружилось, что [1]

“эффект двустороннего удаления гиппокампа приводит к неспособности в обучении. У нескольких человек было проведено двустороннее хирургическое удаление частей гиппокампа с целью лечения эпи-лепсии. Эти люди могут удовлетворительно вспоми-нать практически всю ранее приобретенную инфор-мацию. Однако часто они не могут приобретать никакой новой информации, основанной на вербальных символах. Действительно, обычно им не удается запомнить даже имена людей, с которы-ми они контактируют каждый день. Тем не менее, люди без гиппокампа на короткий период времени могут запомнить то, что происходит в процессе их текущей деятельности. Следовательно, они способны к кратковременной памяти, сохраняющейся в тече-ние от нескольких секунд до 1-2 мин, хотя возмож-ность запоминать что-либо на больший срок у них

практически отсутствует. Этот феномен называют антероградной амнезией”.

Опыты над животными, а также наблюдения за людьми показали [2]

“что гиппокамп – это хранилище краткосрочной памяти, которая затем перераспределяется в долго-временную память. Но никто так и смог дать внят-ных объяснений по поводу того как такая память может быть устроена и как воспоминания могут передаваться с места на место”.

Забывание информации. Если представить, что все изображения, которые мы видим в течение жиз-ни, поступают в визуальную память и там прочно закрепляются, то очень скоро наступит ее перепол-нение. Но этого, как мы знаем, не происходит, следо-вательно, существует какой-то механизм, который надежно защищает сознание от огромного числа редких картинок или отличающихся друг от друга незначительно. Рядом экспериментов было обнару-жено, что на пути случайной зрительной информа-ции стоит именно гиппокамп [3]:

“Одной из функций гиппокампа является забы-вание информации. Это обусловлено тем, что гиппо-камп фильтрует информацию и выбирает, что нуж-но сохранить, а что можно забыть”.

И вот еще одно высказывание на эту тему[2]: “Хорошо известно, что в памяти информация

хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются – это очередное под-тверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсут-ствии востребованности исчезает”.

Ориентация в пространстве. Когда человек пере-двигается с места на место, он всегда знает, где находится, исключая, возможно, леса и большие водоемы – здесь люди иногда теряются. На вопрос о том, почему так происходит и что именно является “навигатором” в нашем мозге, попытались ответить ученые – лауреаты Нобелевской премии 2014 года по физиологии и медицине [2].

В 1971 году Джон О‘Киф открыл в гиппокампе клетки места (O’Keefe J., Dostrovsky J., 1971). Эти клетки реагируют подобно внутреннему навигатору. Если крысу поместить в длинный коридор, то по активности определенных клеток можно будет точно сказать, в каком его месте она находится. Причем реакция этих клеток не будет зависеть от того, как она попала в это место.

В 2005 году в энторинальной области коры, кото-рая является частью гиппокампальной формации, норвежскими учеными супругами Мозерами были обнаружены нейроны, кодирующие положение в пространстве, образующие нечто наподобие коорди-натной сетки (Hafting T., Fyhn M., Molden S., Moser M.B., Moser E.I., 2005)”.

Открытие пространственных нейронов привело к появлению идеи о том, что гиппокамп может играть роль карты [3] – представления окружающей обста-новки и местоположения в ней животного. Исследо-


42

вания показали, что гиппокамп необходим для ре-шения даже простейших задач, требующих про-странственной памяти (например, поиск пути к спрятанной цели). Без полностью функционирующе-го гиппокампа люди могут не вспомнить, где они были и как добраться до места назначения; потеря ориентации на местности – это один из самых рас-пространенных симптомов амнезии.

Обучение. Гиппокамп является одной из немно-гих областей мозга, способных к нейрогенезу на протяжении всей жизни, что является необходимым условием обучаемости и удержания информации. Так [4]

“по результатам проведённых исследований Кир-сти Сполден, Джонаса Фризена и др. выяснилось, что скорость образования новых нейронов для взрослого человека оценивается в 1400 нейронов ежесуточно, что соответствует 1,75 % обновляющей-ся в течение года части гиппокампа (исходя из его среднего объёма в 30 млн нейронов)”.

Совершенно очевидно, что для сохранения в про-цессе обучения вновь приобретенной информации жизненно важно формирование новых нейронных связей, поэтому гиппокамп играет столь важную роль в данном процессе. Приведем пример [1]:

“Ученые из Средиземноморского института нейробиологии в Марселе выяснили, как в мозге образуются блоки нейронов для запоминания прой-денного пути. В ходе эксперимента мыши бежали по беговой дорожке в полной темноте, не отвлекаясь на внешние раздражители. По мере того как мыши бежали, их нейроны в гиппокампе включались один

за другим, отмеряя расстояние. На отдыхе, после пробежки, у мышей заработали те же са-мые нейроны, которые включались, пока они бежа-ли, причем более активно. По мнению ученых, мышь таким образом прокручивала свой забег в голове и запоминала его. Но исследователи обратили вни-мание на одну особенность: нейроны включались не последовательно, как во время пробежки, а все одновременно. Ученые решили, что увидели своими глазами, как формируются и работают своеобраз-ные блоки памяти – группы нейронов, которые за-поминают какие-нибудь события.”

Информационная схема гиппокампа Следующий шаг – попытаться понять, как могут

быть реализованы интересующие нас функции, с учетом того, что уже было сделано ранее [5]:

- гиппокамп является важнейшим связующим звеном между системой предварительной обработки информации и визуальной памятью (ВП),

- отсеивает самую редкую и самую массовую зрительную информацию,

- содержит точную копию реального простран-ства в виде визуальной сети,

- реализует функцию анализатора местоположе-ния, которая связывает между собой сюжеты, нахо-дящиеся в ВП и пейзажи перед глазами наблюда-теля.

Результатом обобщения будет информационная схема – Рис. 1, где разные функциональные элемен-ты на самом деле это части единого целого.

Рис. 1. Информационная схема гиппокампа

Здесь стоит отметить, что предложенная кон-струкция не является универсальной, она показыва-ет гиппокамп именно с визуальной точки зрения, для других задач схема, скорее всего, будет несколько иной.

Входная обработка информации предполагает реализацию двух алгоритмов: один препятствует записи в визуальную память образов и сюжетов, которые встречаются крайне редко или наоборот, повторяются слишком часто, например, листья на деревьях или однотипные здания; другой реализует метод накопления, существенно улучшающий раз-решение изображений dpi. Кратковременная память не только выполняет роль буфера, на некоторое время задерживая информацию перед ее записью в ВП, но, что более важно, создает соответствующие этой информации идентификаторы, в результате образуется сеть, привязанная к реальному про-странству. Визуальная сеть на самом деле – это

некоторая часть памяти гиппокампа, которая сов-местно с анализатором местоположения вырабаты-вает сигнал, характеризующий положение наблюда-теля в пространстве, после чего посылает его в пре-фронтальную кору головного мозга для окончатель-ной идентификации. Важную роль играет “узел” связи с другими разделами, обеспечивая согласо-ванное взаимодействие гиппокампа практически со всеми отделами головного мозга, отвечающими за умственные способности человека, а также за его эмоциональное состояние. И здесь полезно отметить связь гиппокампа с миндалевидным телом, которая особенно явственно проявляется в условиях внезап-ной опасности, возникшей перед взором человека. Отсюда следует, что какой-то части образов, посту-пающих в ВП, дополнительно присваивается при-знак “опасность”, например, при виде змеи, огня и молнии; другой “удовольствие” – фрукты, ягоды, мороженое; третьей “радость” – любимое животное,


43

солнце. Наконец, нельзя пройти мимо еще одной важной функции гиппокампа – генерации тэта-волн (один из ритмов ЭЭГ) при удержании внимания, и не только. Эксперты выяснили [6], что

“низкочастотная активность гиппокампа может стимулировать функциональную интеграцию между различными областями коры головного мозга и по-вышать чувствительность зрения, слуха и осязания. Кроме того, те же низкочастотные ритмы могут улучшить память и навыки обучения, поскольку они обычно наблюдаются в фазе медленного сна, а именно в это время наш мозг формирует воспоми-нания и раскладывает по полочкам своего хранили-ща данных новую информацию”.

Запоминание информации К настоящему времени установлено, что инфор-

мация, прежде чем попасть в визуальную (долго-временную) память, на короткое время задержива-ется в гиппокампе, в связи с чем появляется очевид-ный вопрос, с какой целью? Зачем нужна эта оста-новка? Наиболее вероятный ответ – над образами и сюжетами необходимо выполнить какие-то преобра-зования, либо предпринять защитные меры, которые бы существенно улучшили характеристики ВП. По-пробуем приоткрыть над этим завесу таинственно-сти, но прежде решим одну не менее важную про-блему, которая вытекает из известной и вполне усто-явшейся точки зрения. [4].

“Предположительно гиппокамп выделяет и удерживает в потоке внешних стимулов важную информацию, выполняя функцию кратковременной памяти, и функцию последующего её перевода в долговременную”.

Если понимать эту фразу буквально, то она не выдерживает никакой критики, исходящей из про-стых числовых соображений. Действительно, как возможно с помощью 30 миллионов нейронов гиппо-кампа перевести информацию в 17 миллиардов нейронов визуальной памяти? Ведь считается, что нейроны перепрограммироваться не могут, т.е. од-нажды записанная в них информация остается там навсегда. Отсюда следует очевидный вывод – нейроны гиппокампа отличаются от обычных нейро-нов и обладают свойством использоваться много-кратно, подобно оперативному запоминающему устройству компьютера. Какой-то другой вариант трудно себе представить.

Перейдем теперь к ответу на сформулированный выше вопрос. Пусть в результате первичной обра-ботки картинки “воздушный шарик” мы имеем образ shar(…), который требуется запомнить в визу-альной памяти. Как это может происходить, в общих чертах было показано в [5], в то же время ряд важ-ных деталей требуют дополнительного освещения, в частности, информационная модель – Рис. 2, пре-терпела существенные изменения, обусловленные, например, пониманием того, что именно в гиппо-кампе может происходить улучшение качества изоб-ражений. Кроме того, требует пояснения такой па-

раметр как время удержания 0t , в течение которого

образы и сюжеты находятся в памяти гиппокампа перед их записью в ВП.

Запоминание информации. Здесь возможны две ситуации – когда поступающая на вход гиппокампа информация уже известна и когда она совершенно новая. Предположим, что в результате первичной обработки картинки “воздушный шарик” – SHAR(…), появился его образ – shar(…). Согласно предложенному алгоритму, shar(...) поступает одно-временно на два “блока нейронов” – Рис. 2, которые мы назвали “Сравнение” и “Блокировка”. В первом из них выполняется сравнение shar(...) со всеми об-разами раздела ИГРУШКИ в визуальной памяти и поскольку изображение шарика красного цвета нам хорошо известно, то в памяти его образ

(...)ВПshar очевидно имеется. Далее, в результате

совпадения shar(...) и (...)ВПshar вырабатывается

сигнал, который мы ранее [7] назвали информацион-ный резонанс (ИР). Этот сигнал включает блокиров-ку и тем самым препятствует прохождению shar(...) в память гиппокампа для дальнейшей обработки. Отсюда следует важный вывод – если в визуальной памяти уже имеется некий образ, то его повторная запись туда не допускается.

Рассмотрим альтернативный вариант, когда shar(...) – образ шарика невероятной формы и рас-цветки, который нам ранее не встречался. Согласно

условию его возможный образ (...)ВПshar в памяти

отсутствует, следовательно, сигнал информационного резонанса в блоке “Сравнение” вырабатываться не будет и, таким образом, shar(...) свободно пройдет через элемент “Блокировка” в память гиппокампа. В соответствие с принятой нами концепцией, он

будет находиться там некоторое время 0t , в течение

которого над образом шарика могут быть выполне-ны различные действия, например, с помощью мето-да накопления улучшена форма или откорректиро-ван цвет образа.

Рис. 2. Информационная модель запоминания

Время удержания информации 0t – разное для

различных людей; оно играет важную роль в филь-трации некоторой информации. Так, если в течение

0t образ shar(…) в память гиппокампа больше не

поступит, то будет из нее автоматически удален; после многократного поступления, сопровождающе-гося реализацией метода накопления, откорректиро-ванный образ переписывается в визуальную память для длительного хранения.

Накопление информации – представляет собой эффективный инструмент, с помощью которого мож-но существенно улучшить параметры изображения [8]. Рассмотрим его действие на примере с шариком.


44

Когда мы описывали процесс запоминания образа shar(…), то предполагали, что после первичной обра-ботки форма шарика и его цвет будут близки к иде-алу, однако реально такое случается крайне редко. Существует множество факторов, которые вполне могут исказить как картинку, так и образ, напри-мер, дефект зрения, неправильная освещенность объекта, ошибки, обусловленные фильтрами при-знаков и т.д. Как представляется, природа преду-смотрела именно в гиппокампе улучшение качества образов и сюжетов перед их окончательным запоми-нанием в ВП, С этой целью в “блоке нейронов”,

обозначенном на Рис. 2 как , осуществляется

исправление ошибок первичного преобразования образов shar(…), поступивших в гиппокамп за время

0t . Напомним – речь идет о пиксельных изображе-

ниях.

Пусть в течение 0t , но с некоторыми интерва-

лами, наблюдатель трижды увидел одно и то же изображение шарика – SHAR(…). В результате дей-ствия помех образы shar(…) оказались в разной сте-пени искаженными – Рис. 3 а) – в), внешне это про-явилось тем, что некоторые красные пиксели (К) случайным образом поменялись на белые (Б) и наоборот.

а) б) в) г)

Рис. 3. Первичное преобразование: а) 15 ошибок, б) 16 ошибок, в) 18 ошибок, г) результат накопления – без ошибок.

Рассмотрим теперь действие метода накопления для цвета, используя алгоритм, изложенный в [8], а именно – пиксели, расположенные на одних и тех же позициях в трех образах, сложим по правилу: К+К+К=К, К+К+Б=К, К+Б+Б=Б и Б+Б+Б=Б. После выполнения всех действий получился итого-вый образ шарика – Рис. 3г), в котором ошибки полностью отсутствуют. Следует заметить, что три – это минимальное число итераций, однако, в реаль-ных условиях их намного больше и, следовательно, эффективность метода существенно повысится. Справедливости ради стоит указать, что при смеши-вании тройки цветов К+К+Б истинно красного не получится, однако при увеличении числа обрабаты-

ваемых в “блоке” образов, например.

К+К+К+К+К+К+Б роль белого существенно уменьшится.

Обучение Ранее была предложена гипотеза [5], согласно

которой большинство образов и сюжетов, располо-женных в визуальной памяти непосредственно свя-заны со своими идентификаторами в гиппокампе, которые создают там некое подобие сети, получив-шей название визуальной. Главными ее характери-стиками являются: постепенное формирование эле-ментов и их пространственная ориентация, в точно-сти совпадающая с визуальной Картиной Мира. Такой подход позволил успешно решить сразу не-сколько проблем, в том числе понять особенности алгоритма обучения и, что не менее важно, предста-вить его графическую интерпретацию.

Прежде, чем изложить свой взгляд на процесс обучения, будет полезно привести один пример [9].

“Бульшая часть нервных процессов, сопровож-дающих запоминание и обучение, происходят в гип-покампе. Об этом известно давно, однако обучение складывается из нескольких этапов, и до сих пор не

вполне ясно, как они осуществляются с точки зрения анатомии и физиологии. Стадии эти можно описать на примере крыс. Скажем, когда крыс учат нахо-дить в водном лабиринте островок, на который мож-но выбраться, животные сначала плавают, исследуя всю водную территорию, и рано или поздно наты-каются на сушу. В следующий раз они уже будут искать этот островок на определённой площади, то есть сузят район поиска. Наконец, через какое-то время животные станут целенаправленно плыть в нужном направлении. То есть, обобщая: сначала индивидуум впервые сталкивается с чем-то новым, затем он постепенно привыкает к этому – и вот наконец уже чётко знает, как надо поступать в по-добных обстоятельствах”.

Для нас в этом эксперименте важно то, что ко-нечная цель достигается методом последовательных приближений, который, по-видимому, является об-щим для большинства случаев обучения.

Рассмотрим теперь процесс запоминания траек-тории некоего маршрута в пределах большого горо-да при условии, что испытуемый не только не знает самого маршрута, но и района, где он находится. Ему предварительно сообщается несколько ключе-вых ориентиров, например, парк, ст. Метро, памят-ник, переход на другую улицу и по ней до конечной цели – к бизнес-центру. Совершенно очевидно, что эта словесная информация помещается в слуховую память и, возможно, в визуальную в форме таблицы. Будем полагать, что для твердого усвоения маршру-та (обучения) движение по нему должно быть мно-гократным, а сам процесс – итерационным. Для сравнения с результатами перемещений, приведем “план” микрорайона – Рис. 4, содержащий главную дорогу и две прилегающие к ней улицы, которые на самом деле могут идти как под углом, так и перпен-дикулярно.


45

Рис. 4. Схема микрорайона

Теперь о принятых обозначениях [5]: Og 5613 – образ “жилой дом”, Sg 5711 – сюжет “парк”, – связи между образами и сюжетами, g – принадлежность к разделу ГОРОД, 5711 – условный адрес в визуальной памяти. Итак, проход по маршруту в точности по ориен-

тирам дает: 1-я итерация: парк – метро – памятник – биз-

нес-центр; при этом в визуальной памяти появятся четыре

новых сюжета (парк, метро …), а в визуальной сети гиппокампа – четыре идентификатора:

–Sg 5711–Sg 2368– Sg 7664– Sg 3319 –. По результатам следующего путешествия ситуа-

ция с сюжетами слегка меняется, по-видимому наблюдатель сосредоточил внимание на других объ-ектах. однако начальная и конечная точки остались прежними:

2-я итерация: парк – метро – кафе – магазин – бизнес-центр;

конечно, изменилась и визуальная сеть: –Sg 5711–Sg 2368–Og 2954–Og 5904– Sg 3319 –.

Последующие проходы добавляют все новые де-тали маршрута:

3-я итерация: парк – метро – кафе – магазин – парковка – бизнес-центр, а визуальная сеть стано-вится все более соответствующей действительности:

–Sg 5711–Sg 2368–Og 2954–Og 5904–Sg 6714–Sg 3319 –.

n-я итерация: в конце концов, формируется опти-мальный с информационной точки зрения маршрут (выделен красным), при этом не исключено, что ви-зуальная сеть пополнится образами и сюжетами, расположенными вне его – на других улицах и пе-реулках данного микрорайона:

Рис. 5. Итоговая визуальная сеть, где : – точки ветвления визуальной сети,

Сравнивая два примера, можно обнаружить их принципиальные различия – в первом поиск цели происходит случайным образом, в то время как во втором – целенаправленно. Но есть и нечто общее – оптимальный маршрут находится последовательно за несколько шагов (итераций), на каждом из кото-рых происходит уточнение визуальной сети гиппо-кампа. При этом уровень запоминания, скорее всего, связан с количеством нейронов, задействованных в образах или сюжетах – чем больше итераций, тем больше запоминается деталей и, соответственно, привлекается нейронов. Так формируется приори-тетный маршрут.

Позиционирование в пространстве После того, как в результате длительного обуче-

ния был усвоен оптимальный маршрут от станции метро до бизнес-центра, а также изучены окрестно-сти, в памяти гиппокампа сформировалась визуаль-ная сеть, которая с высокой степенью вероятности

соответствует основным сооружениям микрорайона. При этом стоит отметить – когда мы шаг за шагом рассматривали процесс обучения, то обнаружили интересную картину – в визуальную сеть также шаг за шагом добавлялись все новые идентификаторы, связанные территориально с картинками и пейза-жами окружающего визуального мира. Таким обра-зом, сеть не только содержит указания на образы и сюжеты, но, что не менее важно – является про-странственно ориентированной, т.е. каждому иден-тификатору соответствует конкретная точка реаль-ного пространства. Этот факт оказался решающим в понимании того, как человек ориентируется в слож-ном хитросплетении улиц и переулков большого города. Покажем это на примере с микрорайоном и в качестве первого шага перепишем полученную ранее визуальную сеть применительно к новой зада-че – Рис. 6:

Рис. 6. Позиционирование в визуальной сети

Здесь АМ – расшифровывается как анализатор местоположения, который может представлять собой одну из многочисленных функций гиппокампа, а его существование прямо вытекает из самой логики позиционирования, в основе которого, по нашему мнению, лежит процедура сравнения – Рис. 7.

Сначала перечислим начальные условия. Первое – вы остановились правее памятника Пушкину – PAMK(…) и с интересом его изучаете. Разглядыва-

ние памятника и всего того, что его окружает, созда-ет на входе АМ, который, как мы помним, является составной частью гиппокампа, сюжет pamk(…). Вто-рое – будем предполагать, что вы здесь не первый раз, следовательно, в визуальной памяти имеется

знакомый сюжет pamk ВП (…), а в визуальной сети

соответствующий ему идентификатор – Sg 7664. Для большей наглядности оба сюжета на рисунке заменены на картинки.


46

Рис. 7. Возможная схема позиционирования

Приступим теперь к изложению алгоритма пози-ционирования. Анализатор, “увидев” на входе сю-жет pamk(…), сразу же пытается найти в визуальной памяти нечто аналогичное, в нашем случае это будет

pamkВП

(…). Факт обнаружения обозначен на Рис. 7

изображением памятника и стрелкой на второй вход АМ. Если оба сюжета совпадают или достаточно близки, в визуальной сети активируется идентифи-катор Sg 7664 – выделен красным цветом, в резуль-тате происходит осознание места пространства, где фактически расположен этот памятник. Исходя из общей информационной картины, можно сделать вывод о том, что гиппокамп выполняет всего лишь “техническую” работу, устанавливая место актива-ции в визуальной сети, в то время как оценка место-положения, скорее всего, дается в префронтальной коре головного мозга.

Доказательством того, что изложенные идеи близки к действительности, подтверждаются резуль-татами экспериментов, выполненных Д. О'Кифи и супругами Мозер [10]:

“Другой тип навигационных нейронов – grid-нейроны, или нейроны решетки – располагаются в

энторинальной коре, которая считается частью гиппокампа. Они работают по принципу GPS-системы: разбивают пространство на шестиугольные фрагменты, делая его похожим на огромную решёт-ку с точками координат. Они возбуждаются по оче-реди, пока индивидуум передвигается в простран-стве. В отличие от нейронов места grid-клетки не запоминают местность, а просто задают систему координат, в которой мозгу удобно описывать кон-кретный ландшафт и собственные перемещения”.

Сказанное наводит на мысль о том, что навига-ционные нейроны, недавно открытые в гиппокампе, это не что иное, как закодированные идентификато-ры образов и сюжетов, образующие визуальную сеть.

Передача информации Среди функций гиппокампа наиболее загадочной

является его способность генерировать тэта-волны. Посмотрим, что известно по данному вопросу к настоящему времени [11].

“После долгих исследований команда профессора Ву экспериментальным путём доказала, что низко-частотные ритмы электрической активности в гиппо-

кампе (который, кстати, не "спит", даже если чело-век находится в коме) могут управлять функцио-нальными связями в коре головного мозга и усили-вать сенсорные реакции. Эксперты выяснили, что низкочастотная активность гиппокампа может сти-мулировать функциональную интеграцию между различными областями коры головного мозга и по-вышать чувствительность зрения, слуха и осязания. Кроме того, те же низкочастотные ритмы могут улучшить память и навыки обучения, поскольку они обычно наблюдаются в фазе медленного сна, а именно в это время наш мозг формирует воспоми-нания и раскладывает по полочкам своего хранили-ща данных новую информацию”.

Здесь необходимо отметить следующее – низко-частотные мозговые ритмы принято разделять на шесть видов, в зависимости от того, каким образом и когда они проявляются в человеке, это:

дельта-ритм – от 0.5 до 4 Гц; тэта-ритм – от 5 до 7 Гц; альфа-ритм – от 8

до 13 Гц; бета-ритм от – 15 до 35 Гц; гамма-ритм – от 35 до 100 Гц.

Если очень коротко, то, например, дельта-ритм наблюдается во время сна; тэта-ритм – в фазе “быстрого сна”; альфа-ритм – в состоянии бодр-ствования с закрытыми глазами; бета-ритм – в со-стоянии бодрствования, но с открытыми глазами. Известно, что эти ритмы составляют основу направ-ления в диагностике – электроэнцефалография (ЭЭГ), но в последние годы появилась вполне обос-нованная точка зрения, что они же участвуют в та-ком явлении, как передача мыслей на расстоянии без использования каких-либо технических средств. В 60-е годы прошлого века этой проблемой серьезно занимался профессор Ленинградского госуниверси-тета Леонид Васильев, под его руководством была создана специальная лаборатория и получены за-служивающие внимания результаты.

Приведем интересный случай, описанный самим Л. Васильевым [12].

“Мне было тогда двенадцать лет, я только что перешёл во второй класс гимназии и приехал на дачу, находившуюся недалеко от Пскова. Моя мать, тяжело болевшая печенью, уехала с моим отцом лечиться в Карлcбад, оставив меня, сестру и брата на попечение своих младших сестёр. Однажды под вечер мы решили повторить одно из приключений детей капитана Гранта, спасшихся на дереве от наводнения. Наш выбор пал на развесистую иву, склонившуюся над водой на другом берегу реки. Я изображал Паганеля и так вошёл в эту роль, что, как и он, сорвался с дерева, упал в воду и, не умея плавать, стал тонуть. Только ухватившись за по-павшую под руку ветку, мне с большим трудом удалось выбраться на крутой берег. Брат и сестра с немым ужасом смотрели с дерева на эту сцену. Особенно волновала нас неизбежность наказания. Скрыть от тёток своё приключение мы не могли: я промок до нитки, а моя новенькая гимназическая фуражка с белым верхом — предмет моей гордости и любования, — подхваченная течением, уплыла к запруде и скрылась в пене и брызгах. Дома наши юные тётки, скрепя сердце, согласились не писать в Карлсбад о случившемся, взяв с нас слово, что мы


47

не повторим ничего подобного. Каково же было удивление и смущение, когда в первый же день приезда мать со всеми подробностями рассказала всю нашу историю, указала на злополучную иву, упомянула о фуражке, уплывшей к запруде, и т.д. Всё это она увидала во сне в Карлсбаде и, проснувшись в слезах и смятении, уговорила мужа тотчас же послать телеграмму домой — всё ли бла-гополучно с детьми. Отец признался, что на теле-граф он тогда не пошёл, а, чтобы успокоить боль-ную, подремал с полчаса в вестибюле гостиницы и вернувшись, сказал, что телеграмма послана”.

Таких историй, в большинстве случаев строго до-кументированных, по всему миру собраны тысячи, поэтому большой интерес представляет ответ на вопрос о том, что же лежит в основе данного явле-ния? И разгадка, как представляется, находится именно в гиппокампе. Прежде всего, гиппокамп генерирует низкочастотные электромагнитные коле-бания, которые, смешиваясь с другими, несут ин-формацию о происходящих в мозге процессах. Ка-кую-то часть этих колебаний научились фиксировать с помощью аппаратуры ЭКГ, но существует и дру-гая часть, которая излучается в пространство и для которой аппаратуры пока не разработано, но их (колебания), как оказалось, в состоянии принимать человеческий мозг.

Долгое время было непонятно, что является соб-ственно излучателем электромагнитных волн, но если присмотреться к форме гиппокампа [5] и срав-нить ее с конструкцией рамочной антенны, то обна-ружим их удивительное сходство. Понятно, что этот факт не может быть случайным.

Таким образом, при наличии определенных пси-хологических предпосылок у участников мысленной связи и в условиях сильнейшего стресса, тэта-волны вполне могут обеспечить передачу информации от одного человека к другому. Дополнительным под-тверждением подобной возможности является ис-следование [11]:

“Когда учёные запустили программу стимуляции виртуальной схемы гиппокампа, оказалось, что за-держка при передаче сигнала от одной зоны гиппо-кампа к другой по времени очень близка к перио-дичности тэта-ритма. Этот ритм – основной в работе данного отдела мозга. Он выделяется на электроэн-цефалограмме спящих людей и животных (но только в фазе быстрого сна) и тех, кто сильно сосредоточен на конкретной задаче. Таким образом, модель ока-залась точной в плане физиологии”.

Обратимся к примеру. При внимательном рас-смотрении можно легко обнаружить предпосылки, открытые в свое время Л. Васильевым [12] – нали-чие родственных отношений между тонущим сыном и его матерью, а также предрасположенность одного из них к передаче, а другого к приему мысленной информации. Известно [7], что необходима также синхронность обоих событий, но она, по-видимому, была обеспечена, т.к.

“…мать со всеми подробностями рассказала всю нашу историю, указала на злополучную иву, упомя-нула о фуражке, уплывшей к запруде, и т.д.”

Конечно, в этом вопросе пока еще не все ясно, но решающая роль гиппокампа очевидна – на это ука-зывает как его форма, так и способность генериро-вать тэта-волны в условиях “сильной сосредоточен-ности на конкретной задаче”.

Выводы Совсем небольшая часть головного мозга челове-

ка играет важную, а в некоторых случаях решаю-щую роль во многих его процессах – речь идет о гиппокампе. Поскольку нас на данном этапе иссле-дований интересуют преобразования зрительных образов, то из функций гиппокампа мы сосредото-чили внимание на тех из них, которые непосред-ственно связаны с запоминанием, обучением и пози-ционированием в пространстве. Оказалось, что все они в той или иной степени используют структуры гиппокамповой формации.

Обнаружено неизвестное ранее свойство нейро-нов гиппокампа – для того, чтобы они могли выпол-нять функции кратковременной памяти с последу-ющей передачей информации в память долговре-менную, необходимо допустить их многократное использование: только при таком условии 30 милли-онов нейронов гиппокампа способны заполнить ин-формацией 17 миллиардов нейронов визуальной памяти. Другое важное свойство связано с коррек-цией искажений образов и сюжетов – неизбежных при первичной обработке. Высказано обоснованное предположение, что именно в гиппокампе реализу-ется процедура накопления, с помощью которой в долговременную память поступают уже исправлен-ные зрительные образы.

Процесс обучения, в котором используются ви-деоинформация, без сомнения связан с гиппокам-пом, поскольку именно здесь формируется визуаль-ная сеть, содержащая идентификаторы образов и сюжетов, создающих Картину Мира. Показано, что многократное прохождение по маршруту, первона-чально неизвестному, приводит к постепенному рас-ширению и уточнению сети. При достижении опти-мального результата, оцениваемого по времени про-хождения, обучение заканчивается.

Одной из основных характеристик визуальной се-ти является ее пространственная ориентация, иначе говоря, каждому идентификатору соответствует конкретная точка окружающего нас пространства и этот факт положен в основу определения положения наблюдателя. Функционально эту задачу решает анализатор местоположения – составная часть гип-покампа, который в каждый момент времени акти-вирует идентификатор, привязанный к вполне опре-деленной точке на карте местности, что и фиксиру-ется сознанием человека – в префронтальной коре головного мозга.

Литература: 1. Функции гиппокампа. URL: http//www.scorcher.ru (дата обращения 10.11.2019). 2. Код мозга и память, Загадки гиппокампа. URL: http//www.habr.com (дата обращения 17.11.2019). 3. Нейроны гиппокампа. URL: http//www.ai-news.ru (дата обращения 12.10.2019). 4. Гиппокамп. URL: http//www.wikipedia.org (дата обращения 07.10.2019).


48

5. Капульцевич А.Е. Искусственный интеллект: Визуальная Картина Мира.//Евразийское научное объ-единение. Сборник: “Эффективные исследования современности”. Москва, октябрь, 2019 с. 121-126.

6. Нейробиологи открыли новые функции гиппокампа. URL: http//www.nauka.vesti.ru. (дата обращения 20.11.2019).

7. Капульцевич А.Е. Информационный резонанс как способ идентификации мысленных сообщений.// Успехи современного естествознания. – 2014. – № 11 (часть 3) .– стр.55-63

8. Капульцевич А.Е. Искусственный интеллект: преобразование информации в визуальной памяти.// Евразийское научное объединение. Сборник: “Перспективные направления развития современной науки”. Москва, март, часть 2, 2019. с. 85-91.

9. Новые знания сопровождаются формированием новых синапсов в гиппокампе. По материа-лам “Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера”. URL: http//www.scorcher.ru (дата обращения 05.12.2019).

10. За что отвечает гиппокамп и миндалевидное тело в головном мозге. URL: http//www.psyfactor.org (дата обращения 07.12.2019).

11. Нейробиологи открыли новые функции гиппокампа. URL: http//www.scorcher.ru (дата обращения 10.11.2019).

12. Васильев Л. Л. Внушение на расстоянии. (Заметки физиолога). Госполитиздат, Москва, 1962.

Разработка системы удаленного предоставления информации о работе технологического оборудования с применением Web-технологий

Ковалев Илья Александрович, к.т.н., доцент; Червоннова Надежда Юрьевна, ст. преподаватель;

Абдулов Рамир Ринатович, магистрант 1-го года ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» (г. Москва)

Предлагается разработка системы, включающей модуль сбора данных с технологического оборудования,

сервер агрегирования данных для различных систем предоставления информации (мессенджеры, сервисы ана-

литики и т.д.). Разработка сервера агрегирования данных базируется на современных способах разработки

web-ресурсов и хранения данных. Разрабатываемая система позволяет не только визуализировать информа-

цию, но и производить накопление исторической информации о работе технологического оборудования, что

является актуальной задачей для систем аналитики работы.

Ключевые слова: индустрия 4.0, сбор данных, web-разработка, HMI технологического оборудования.

В условиях развития современного общества ме-няются средства сбора, обработки и передачи ин-формации, это также отражается и на промышлен-ном секторе, где произошел переход от автоматиза-ции отдельных узлов и оборудования к концепции «умных» или интеллектуальных производств, отли-чительной особенностью которых является объедине-ние производства в единую цифровую систему [1]. Каждая компания вынуждена стремиться к нахож-дению подхода оптимизации производства, чтобы оставаться конкурентно способной на рынке. Для промышленных предприятий таким подходом может стать цифровая трансформация с использованием идей Индустрии 4.0.

Все это означает, что и промышленном секторе данные выходят на первый план: данных становится много, они не структурированы и разрознены. Эти данные необходимо собирать обрабатывать и уметь визуализировать.

Нарастает проблема оперативного предоставле-ния информации о работе технологического оборудо-вания, связана она с недостатками традиционных подходов к построению HMI (human machine inter-face – человеко-машинный интерфейс). Попытки внедрения современных систем визуализации ин-формации упираются в жесткую привязку к кон-кретному оборудованию, когда работа возможна, например, только с одним станков, манипулятором, прессов, но не всем цехом одновременно [2].

Применение современных Web–технологий при в таком подходе позволяет организовать для пользова-телей удаленный мониторинг за состоянием обору-дования. Оператор станка, технолог или начальник цеха может получать оперативно информацию о работе объектов на переносное мобильное устрой-ство, это может быть, как web-страница, так и за-просы через мессенджер (VK, Slack и др.), либо получение уведомлений о состоянии оборудования.

Для реализации описанного подхода была раз-работана структурная схема, представленная на рисунке 1.

Слева представлено различное технологическое оборудование, собирать данные с которого можно с помощью специальных дополнительных датчиков, различных унифицированных протоколов (OPC UA) или API. Все данные поступают на модуль сбора данных, который и занимается опросов устройств. Дальше данные поступают на сервер агрегирова-ния, где происходит их структуризация для конкрет-ной задачи. Справа показаны способы предоставле-ния этих данных. Это могут быть как различные устройства ВР/АР, Веб-клиенты, API мессенджеры. Далее рассмотрим пример предоставления инфор-мации с помощью чат-бота мессенджера Slack - это онлайн-сервис для ведения переписки внутри ко-манды и большой компании [3].


49

Рис. 1. Структура предлагаемого решения

Рис. 2 Пример запроса данных с оборудования через Slack мессенджер

Чтобы передавать информацию между системой ЧПУ, OPC сервером или SCADA системой и серве-ром сбора данных используется протокол TCP/IP и осуществляется передача пакетов, содержащих дан-ные в виде XML, JSON. На принимающем сервере происходит запись полученных данных в базу и там же программно реализован модуль связи с чат бо-том для отправки информации на сервер бота и получения запросов от него. Сервер чат бота осу-ществляет запрос информации о работе технологи-ческого оборудования, а также принимает данные связанные с критическими состояниями оборудова-

ния. Оператор может запрашивать с помощью кла-виатуры и команд информацию. Например, общая информация о работе, последняя возникшая ошибка, список предупреждений, список ошибок за день, график возникновения критических состояний за семь дней и т.п. Сначала нужно подтвердить свои права на получение информации путем авториза-ции. Клиент (оператор) отправляет свои логин и пароль в установленной форме. На сервере происхо-дит сверка присланных данных для авторизации с записанными учетными записями в базе данных разрешенных пользователей, если данный пользова-


50

тель разрешен, он может отправлять запросы и по-лучать информацию. При использовании команды отправляется запрос через сервера мессенджера на сервер на чат бота. Происходит обработка запроса, извлечение информации из базы данных или от-правка запроса на сервер сбора данных и формиро-вание выходного сообщения, после этого сообщение отправляется пользователю.

Для создания и работы с базами данных исполь-зуется PostgreSQL. PostgreSQL — свободная объ-ектно-реляционная система управления базами дан-ных (СУБД). Для реализации предлагаемого реше-ния как web-приложения используется Django (сво-бодный фреймворк для web-приложений на языке Python).

На рисунке 2 представлен пример экрана мес-сенджера Slack, где происходит опрос состояния технологического оборудования. В настоящий мо-мент к системе мониторинга подключены 3 учебных

стенда с системой ЧПУ «АксиОМА Контрол» и контроллера Bosch Rexroth MLC65, 2 фрезерных станка. Возможно получать данные о времени рабо-ты за весь и текущий периоды, количестве каналов управления и информации о каждом канале по-дробно: управляющая программа, процент выпол-нения, количество ошибок, положение осей, нагрузка на шпиндель.

Предлагаемый подход позволяет за минималь-ные сроки разработать систему удаленного предо-ставления информации о работе технологического оборудования с небольшими финансовыми затрата-ми на запуск тестовых приложений. Проведенные первые практические испытания и функционирую-щая система показывают правильность используе-мых способов сбора и агрегирования данных с гете-рогенного оборудования различных производителей («АксиОМА Контрол МГТУ Станкин и MLC65 Bosch Rexroth»

Литература: 1. Квашнин Д.Ю., Ковалев И.А., Нежметдинов Р. А., Чекрыжов В.В. Агрегирование информации о работе

технологического оборудования с применением Industrial Internet of Things //Автоматизация в промышлен-ности, №5. 2019. с.29.

2. П.А. Никишечкин, И.А. Ковалев, А.С. Григорьев, А.Н. Никич Кроссплатформенная система сбора и об-работки диагностической информации о работе технологического оборудования // Вестник МГТУ Станкин. – 2017. – № 1 (40). – С. 94-98.

3. Г.М. Мартинов, Р.А. Нежметдинов Модульный подход к построению специализированной системы ЧПУ для обрабатывающих центров наклонной компоновки // СТИН, 2014. №11. с.28-32

УДК 550.380.87

Двухкомпонентный кварцевый вариометр

Любимов В.В. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук

DOI: 10.5281/zenodo.3603859

ВВЕДЕНИЕ В ИЗМИРАН многие годы и на постоянной ос-

нове ведутся научные исследования и приборные разработки, связанные с созданием высокоточной аппаратуры на основе кварцевых магнитных датчи-ков (КМД) [1-4]. Этот класс приборов предназначен для регистрации и исследования геомагнитных ва-риаций. Такой аппаратурой оснащены большинство магнитных обсерваторий (МО) России, а также мно-гие зарубежные обсерватории [2]. Имеющийся мно-голетний опыт позволяет проводить дальнейшее совершенствование кварцевых магнитовариацион-ных станций (МВС), основой которых является маг-нитоизмерительный преобразователь (МИП) [4].

Некоторым образом эта отрасль магнитного при-боростроения всегда относилась к нано технологиям в плане создания и изготовления КМД, чувстви-тельный элемент которого различными способами вывешивался на кварцевой нити, толщина которой, как правило, была менее толщины человеческого волоса и составляла порядка 15…30 микрон. При этом сама подвеска КМД в последних моделях и конструкциях вариометров выполнялась в антисей-смичном и антинаклонном вариантах исполнения. Кварцевые вариометры всегда заметно отличались

от магнитометров другого типа тем, что имели зна-чительно более высокие характеристики по термо-стабильности, помехозащищённости и стабильной работы на длительном интервале времени.

В данной работе рассмотрен новый вариант ком-пактной конструкции двухкомпонентного кварцевого вариометра (ДКВ) на базе КМД и фотоэлектриче-ского преобразователя (ФЭП), выполненного на основе транзисторной оптопары (ТОП) [5], а также созданного на их основе МИП [6].

Предложенный вариант конструкции компактно-го КМД в практике кварцевого магнитометрическо-го приборостроения осуществляется впервые и предназначен для современных МВС, которые ис-пользуются для работы в полевых и экспедиционных условиях, а также для специальных исследований и работ. Представлены некоторые результаты испы-таний опытного образца устройства в условиях МО «Москва».

КОНСТРУКЦИЯ КВАРЦЕВЫХ ДАТЧИКОВ Идея создания новой конструкции КМД роди-

лась из соображений максимальной миниатюриза-ции и минимального потребления МВС в совокупно-сти с новыми методами получения цифровой инфор-


51

мации, её хранения и (или) беспроводной передачи данных от МВС расположенной в полевых условиях. При этом КМД должны иметь достаточно высокую

разрешающую способность и стабильные характе-ристики на достаточно большом временном интер-вале их применения.

Рис. 1. Общий вид конструкции блока датчиков двухкомпонентной МВС на основе ТОП

На рис.1 представлен общий вид КМД и отдель-ных элементов конструкции датчиков и ФЭП. Оба КМД (см. рис.1а) расположены ортогонально друг к другу на минимально возможном расстоянии, кото-рое исключает их взаимовлияние, и закреплены жёстко на основании, которое имеет возможность нивелировки обоих КМД одновременно в горизон-тальной плоскости. На рис.1б показана конструкция отдельных элементов КМД и ФЭП (вид сверху) и фрагмент подвески одного из магнитов на кварцевой нити. В процессе разработки было создано два ва-рианта исполнения КМД. Они различались только конструкцией и установкой ФЭП. Первый вариант использования ФЭП показан на рис.1б, когда отра-жающее зеркало (ЗО) крепилось на самом магнито-чувствительном элементе (МЧЭ), - магните. Для исключения влияния на МЧЭ питающих ТОП напряжения и тока конструкция подвески КМД была видоизменена, как это показано на рис.2. То есть ЗО было подвешено на кварцевой нити (КН) на некотором расстоянии ниже МЧЭ, что позволило удалить ТОП от МЧЭ и тем самым исключить вли-яние его питающих напряжений на результаты из-мерений.

На рис.1в показана конструкция датчиков ДКВ в сборе, в рабочем состоянии, а также общий вид блока электроники (БЭ).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ДКВ Функциональная схема ДКВ показана на рис.2.

Эта схема включает в себя три последовательно включённых друг за другом преобразователя: маг-нитное поле/постоянный ток, ток/напряжение и напряжение/цифровой код. При этом ДКВ имеет цифровой выход измеренных данных для подключе-ния (при помощи последовательного интерфейса RS-232) к персональному компьютеру (ПК).

Преобразователь магнитное поле/постоянный ток сконструирован на основе КМД и ФЭП. Преобразо-ватель ток/напряжение сделан на основе усилителя постоянного тока (УПТ), а преобразователь напря-жение/ цифровой код выполнен на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При этом блоки КМД и ФЭП (объединённые под общим названием, - «датчик») в конструкции МИП, как правило, нахо-дятся (чтобы исключить электромагнитное влияние на результаты измерений) на некотором отдалении от БЭ. МИП состоит из следующих основных узлов, - блока КМД и БЭ, питание которых осуществляет-ся от внешнего источника постоянного тока.

БЭ включает в себя схемы УПТ, АЦП и блока питания (БП). Для питания всех схем ДКВ исполь-зуется сетевой адаптер (СА) или аккумуляторная батарея (АБ). Также БЭ включает в себя схему датчика температуры (ДТ), чувствительный элемент которого устанавливается вблизи одного из КМД и позволяет контролировать температуру КМД внут-ри защитного кожуха с точностью 0,1°С.

Блок КМД включает в себя кварцевую рамку (КР), на которой при помощи КН закреплены МЧЭ и ЗО, а также установленный в непосредственной близости и напротив него ФЭП. В отличие от схемы ФЭП (показанной на рис.1б, где МЧЭ закреплён на подвижном ЗО и располагается соосно центру ФЭП), в предлагаемой схеме ЗО находится со сме-щением от центра МЧЭ, - на некотором расстоянии (25 мм) от МЧЭ. Это позволяет значительно умень-шить влияние на МЧЭ источника тока питающего схему ФЭП (на рис.2 обозначенного как ИП). В данной конструкции МИП схема ФЭП линейных и угловых перемещений выполнена на базе ТОП с открытым оптическим каналом [5].


52

Рис. 2. Функциональная схема двухкомпонентного кварцевого вариометра

На рис.2 показаны элементы схемы измеритель-ного канала МИП, - три катушки (обмотки) из мед-ного провода с различным количеством витков и различной толщиной провода, которые намотаны на кварцевых каркасах и закреплены на общем квар-цевом вертикальном стержне-основании (см. рис.1а и рис.1б). Эти катушки предназначены для началь-ной установки (обмотка ОНУ) и калибровки (обмот-ка ОК) МЧЭ, а также поддержания стабильности его работы путём осуществления отрицательной обратной связи (обмотка ООС) схемы УПТ, подклю-чённой к выходу ФЭП.

Схема БЭ (см. рис.2) включает в себя усилитель сигнала, состоящий из трёх функциональных узлов: предварительного усилителя (МДМ), УПТ и инте-гратора (ИНТ). Предварительный усилитель выпол-нен на основе малошумящего УПТ с собственной внутренней ООС и МДМ-преобразованием. Он обеспечивает основное усиление входного сигнала от схемы ФЭП. Схема УПТ совместно с ИНТ позволяет добиться требуемого выходного уровня аналогового напряжения для АЦП и осуществляет функции фильтра с частотой среза 3…5 Гц. Благодаря исполь-зованию в схеме УПТ специального дифференци-ального усилителя с МДМ-преобразованием, уда-лось добиться уменьшения (до 3…5 пТл) собственных шумов МИП и повышения общей стабильности работы УПТ как во времени, так и при изменении температуры окружающей среды в широких преде-лах. При этом за счёт ООС реализуется динамиче-ский диапазон измерения геомагнитных вариаций измерительным каналом МИП ± (4000…6000) нТл с возможностью его увеличения.

Схема 24-разрядного АЦП обеспечивают оциф-ровку аналогового напряжения с выхода УПТ с частотой 16 Гц. При этом цена единицы счета младшего разряда цифрового отсчетного устройства измерительного канала МИП (визуализируемая на дисплее подключённого ПК) реализуется на уровне 0,1 нТл и точнее.

Управляющий микроконтроллер (МК) осуществ-ляет передачу цифровых данных АЦП, обмен ин-формацией и управляющими командами через по-следовательный порт (RS-232) с ПК на расстоянии от 3 до 25 м. МК активирует работу МИП, посылает управляющие команды, связанные с настройкой и проверкой работоспособности КМД на блок управ-ления (БУ). МК также управляет работой встроен-ного таймера, а при наличии и необходимости, - поддерживает работу подключаемого к ПК приём-ника GPS, имеет канал синхронизации с GPS и возможность коррекции хода часов реального вре-мени.

БП построен с использованием DC-DC преобра-зователей, питание которых может осуществляется как от внешнего источника постоянного тока (АБ) напряжением 7…24 В, так и от стандартного СА напряжением 12±5 В. БП осуществляет питание всех электронных схем БЭ и ФЭП с помощью трёх стабилизированных ИП напряжением ±5 В и 12 В. При этом потребляемая мощность ДКВ составляет, не более 2,7…3 Вт.

Программное обеспечение для ДКВ обеспечивает организацию базы данных, их визуа-лизацию в процессе проводимых работ на дисплее ПК и возможность обработки данных для использования их в формате, пригодном для участия в международных программах сбора данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведённых научно-

исследовательских и опытных работ создана новая конструкция ДКВ. Такое техническое решение МИП имеет следующие отличительные особенности от всех ранее созданных аналогичных конструкций:

Высокая стабильность работы во времени (что важно для длительных исследований в условиях МО) и хорошая стабильность, работы при измене-нии температуры окружающей среды в широких пределах (что важно при проведении полевых и экспедиционных работ).


53

Рис. 3. Результаты испытаний ДКВ. Фрагмент двухсуточной одновременной записи составляющих ВМИ поля Земли ДКВ и ЦМВС в МО «Москва»

Низкий уровень собственных шумов измеритель-ного канала, амплитуда которых не более 3…5 пТл.

Малое потребление энергии, что позволяет эф-фективно использовать МИП в конструкциях авто-номных станций с питанием от аккумуляторных или солнечных батарей.

Опытный образец ДКВ прошёл успешные испы-тания в МО «Москва». Фрагмент двухсуточной за-писи одного из измерительных каналов ДКВ состав-ляющих ВМИ совместно и синхронно с записями рядом установленной кварцевой ЦМВС и записями вариометров ЦМО «Москва» представлен на рис.3.


1. Бобров В.Н., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция// Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2005. №2. С.40-42.

2. Белов Б.А., Бурцев Ю.А., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровые кварцевые магнитовариационные станции // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2005. №4. С.73-77.

3. Бурцев Ю.А., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция “КВАРЦ-4”// Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2006. №1. С.45-48.

4. Любимов В.В. Магнитоизмерительный преобразователь на основе кварцевых датчиков // INTERNATIONAL SCIENCE PROJECT, Turku, Finland, 2018. 1 часть №21. С.13-20.

5. Оптопара транзисторная с открытым оптическим каналом. Проспект ОАО «ОПТРОН». http://optron.ru/electronic-components/60/329.

6. Любимов В.В. Магнитоизмерительный преобразователь для цифровых вариационных станций // При-боры, М., 2019. №8 (230). С.11-16.

Проблемы внедрения BIM-технологий в строительную отрасль в целях выпуска сметной документации

Минеева Анастасия Владимировна, магистрант; Кочнева Марина Евгеньевна, магистрант

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург)

Аннотация. Проблема инновационного подхода в проектировании представляется крайне важной для все-

го строительного комплекса. В настоящее время существенно изменились технологические возможности

проектных организаций, что обусловлено большим применением современных проектных решений на основе

инновационного программного обеспечения. В современных условиях для успешной реализации проекта необхо-

димо широкое использование информационных технологий. Новый уровень удовлетворения этих потребностей

– BIM технология. Технология BIM – это современный подход к проектированию-строительству-


54

эксплуатации. Она позволяет объединить различные программные продукты и инструменты, что позволяет

проводить моделирование значительно дешевле, упрощает процессы визуализации будущего объекта. Данная

технология является новой в сфере строительства, и поэтому возникает большое количество противоречий,

связанных с ее внедрением и применением. Исходя из этого, главной задачей современного строительства

является осознание значимости BIM и решение проблем, связанных с развитием информационного моделиро-

вания.

Ключевые слова: BIM технологии; Информационное моделирование зданий; проблемы внедрения; проекти-

рование; строительство, сметная документация.

Abstract. The problem of the innovative approach in designing is extremely important for the entire construction

complex. At present, the technological capabilities of design organizations have changed significantly, due to the large

application of modern design solutions based on innovative software. In modern conditions, the extensive use of infor-

mation technologies is necessary for the successful implementation of the project. A new level of meeting these needs-

BIM technology. BIM technology is a modern approach to design-build-operate. It allows you to combine various soft-

ware products and tools, which makes modeling much cheaper, simplifies the process of visualizing the future object.

This technology is new in the field of construction, and therefore there is a large number of contradictions associated

with its implementation and application. Proceeding from this, the main task of modern construction is to realize the

importance of BIM and solve the problems associated with the development of information modeling.

Keywords: BIM technologies; building Information modeling; problems of implementation; designing; construction,

estimate documentation.

Введение Современный подход к строительству включает в

себя совокупность разных факторов, влияющих на развитие данной отрасли, такие как архитектурно-строительные требования, климатические и экологи-ческие условия, экономические возможности, соци-альные потребности граждан, а также стремление современного мира к усовершенствованию системы осуществления процесса проектирования и строи-тельства зданий и сооружений. Абсолютно новым и радикальным инструментом для удовлетворения данных потребностей является концепция BIM-технологий. BIM (Building information modeling, или Building information model) - информационная мо-дель здания или информационное моделирование здания. Она позволяет объединить различные про-граммные продукты и инструменты, что позволяет проводить моделирование значительно дешевле, упрощает процессы визуализации будущего объек-та. За последние 10-15 лет средства автоматизации проектирования совершили мощный рывок на пути развития с точки зрения расширения функционала, повышения надежности и снижения стоимости про-граммного обеспечения (ПО).

Рассматривая возможности BIM-технологий, мы можем сказать, что это технология будущего, кото-рая позволит предприятиям упростить решение колоссального количества задач, ставящихся при осуществлении строительного процесса.

В данной работе рассматриваются основные проблемы, с которыми сталкиваются строительные фирмы, при внедрении BIM технологий.

1. Принципы BIM проектирования Постулаты информационного моделирования или

BIM проектирования, которые легли в основу совре-менного подхода в разработке проектной докумен-тации, выделил и применил при реконструкции Терминала 3 аэропорта Хитроу в конце 80-х разра-ботчик программных комплексов для Autodesk и Bentley Systems, Роберт Эйш. В качестве базовых принципов BIM он назвал:

- конструирование объекта в трехмерном про-странстве;

- возможность автоматической выдачи чертежей и спецификаций;

- наличие в модели всех проектных данных объ-екта;

- интеллектуальная параметризация; - возможность моделирования процесса строи-

тельства с привязкой ко времени и бюджетирова-нию.

Путем объединения всех разделов и решений проекта в едином многомерном пространстве, руко-водитель может увидеть результаты строительства до его начала. Когда говорят о BIM проектирова-нии, то наряду с общепринятым термином «3D ви-зуализация» часто употребляют «4D» и «5D». Это означает в прямом смысле слова расширение коли-чества пространственных измерений, которые дает привязка модели к календарному графику строи-тельства и сметной стоимости объекта.

Под термином BIM проектирование сегодня по-нимается информационная модель существующего или планируемого к строительству объекта, отличи-тельными особенностями которой являются:

- взаимосвязанность и согласованность всех эле-ментов;

- возможность дополнения, изменения, анализи-рования и прогнозирования развития;

- привязка к реальным времени и месту; - доступ для одновременной работы специали-

стами различных направлений и возможность ком-бинации их технических решений в едином про-странстве.

Из этого определения вытекают и основные пре-имущества использования BIM. В числе достоинств моделирования перечисляют:

- возможность автоматического создания проект-но-сметной документации высокого качества;

- отсутствие ошибок в чертежах, размерах, спе-цификациях, сметах;

- актуальная информация об эксплуатационных и стоимостных показателях материалов;

- визуальная наглядность, способствующая при-нятию оптимальных технических решений;


55

- удобство управления строительством и эксплуа-тацией объекта;

- наличие актуальных данных для возможности реконструкции, технической модернизации и сноса зданий и сооружений по завершении их жизненного цикла.

Важной составляющей инновационного подхода BIM считается возможность визуального моделиро-вания самого процесса строительства, в ходе которо-го каждый из участвующих в проекте специалистов может отследить реализацию заложенных им техни-ческих решений и их взаимодействие со смежника-ми. При моделировании эксплуатации объекта име-ется возможность наблюдать за работой предусмот-ренного проектом оборудования и делать выводы об удовлетворительности его параметров.

2. Мировые тенденции развития BIM Прежде всего, как и предполагалось, в развитых

странах мира технология BIM получила дальнейшее распространение. По некоторым оценкам, в Север-ной Америке доля BIM в проектно-строительной отрасли уже составляет порядка 60%.

У государств Европы дела обстоят не столь хо-рошо. В Англии, например, эта доля – около 10%, что стало причиной серьезной обеспокоенности в британском правительстве. В результате было при-нято решение – после 2016 года госзаказы будут получать только те компании, которые работают в BIM. У них процесс внедрения BIM резко активизи-ровался – финансовые аргументы правительства оказались весьма убедительными.

Эта же тенденция государственного стимулиро-вания внедрения BIM, начавшаяся в США и пока-завшая там свою эффективность, четко просматри-вается и в большинстве других стран Европы.

Кроме того, существует изданный в Нью-Йорке в 2010 году сборник серьезных статей по BIM, где примерно четверть авторов – турки, работающие в разных (в основном турецких и европейских) универ-ситетах. Таким образом, следует сделать вывод, что проектно-строительные фирмы Турции, работающие, а потому конкурирующие с другими, по всему миру, окажутся в передовиках внедрения BIM. Над серь-езным внедрением BIM также задумалась и Бела-русь.

Из ярких мировых примеров внедрения BIM нельзя не отметить возведение объектов Олимпиады 2012 в Лондоне. Причем отметить как само строи-тельство, так и более важный первоначальный под-ход – разработку и активное использование инфра-структурной информационной модели всей системы олимпийских сооружений британской столицы.

Эта инфраструктурная модель, созданная с по-мощью программного обеспечения Bentley Systems, в процессе подготовки к Олимпиаде показала свою высокую эффективность и хорошую сочетаемость с информационными моделями отдельных сооруже-ний.

3. Внедрение BIM в отечественную строительную индустрию

Говоря о внедрении и перспективах развития ин-формационного моделирования в России, необходи-мо выделить несколько основных факторов, которые влияют на этот процесс.

С одной стороны, имеется ряд заинтересованных в развитии компаний, которые продвигая BIM тех-нологии на своих объектах, стремятся оказаться в авангарде строительных технологий.

С другой стороны, есть централизованные про-граммы властей, направленные на поэтапный пере-ход к более прогрессивным системам проектирова-ния и строительства. При этом существуют опреде-ленные силы и обстоятельства, препятствующие этим позитивным процессам.

На сегодняшний день отечественный рынок имеет ядро заинтересованных компаний, которые активно продвигают внедрение инноваций.

Одним из пионеров использования BIM в России является КБ Высотных и Подземных сооружений (г. Санкт-Петербург). Используя методы моделирова-ния, бюро разработало свыше 70 объектов различ-ной степени сложности. Среди них комплексные проекты сцены Мариинского театра, 120-этажного небоскреба в Азербайджане, торгового центра в Минске и другие.

Один из крупнейших отечественных застройщи-ков, ГК «Мортон» (г. Москва) использует BIM тех-нологии не только для оптимизации СМР, но и для планирования всего жизненного цикла возводимых объектов. Одним из пилотных проектов компании было строительство детского сада.

Программа внедрения информационного моде-лирования строительства утверждена Минстроем РФ в декабре 2014 года. В соответствии с данным документом развитие технологии состоит из следу-ющих этапов:

- разработка 23 пилотных BIM-проектов. В настоящее время модели находятся на экспертизе;

- экспертиза пилотных проектов и анализ резуль-татов. Срок выполнения - до конца 2015 года;

- разработка BIM-классификатора, содержащего около 70 тысяч наименований строительных матери-алов;

- создание перечня нормативной базы, нуждаю-щейся в корректировке при внедрении информаци-онного моделирования, до конца 2015 года;

- корректировка строительных норм и правил – в течение 2016 год;

- начиная с 2017 года - обязательное требование к использованию BIM при реализации части госу-дарственных заказов на проектирование;

- начиная с 2018 года – Минстрой будет давать рекомендации по использованию BIM-технологий подрядными строительными организациями;

- дальнейшее увеличение процента моделирова-ния при проектировании и строительстве объектов.

4. Изменение структуры команды проектировщи-ков

Прежде всего, мировой (особенно американский) опыт показывает, что переход на BIM – это не про-сто освоение новой программы, он также требует некоторых организационно-структурных изменений в проектном коллективе. При работе в технологии BIM более рациональной представляется трехуров-невая иерархия работающих над проектом сотруд-ников в зависимости от выполняемых ими задач.

На верхнем уровне находятся «специалисты» (терминология условная), которые обладают боль-


56

шим опытом и знаниями и хорошо разбираются в предмете и процессе проектирования. Их задача – генерировать идеи, определять концепцию и основ-ные замыслы проекта, отслеживать соответствие условиям задания и нормативным документам, ру-ководить процессом проектирования и осуществлять контроль его результатов. От «специалистов» требу-ется знание программного обеспечения на уровне «просмотра». Это очень важно, поскольку у них практически нет возможности разобраться с новыми программами «до мелочей» и, тем более, самостоя-тельно что-то моделировать.

Следующий уровень – «моделировщики». Их за-дача – непосредственное создание информационной модели. Так что они должны и в вопросах проекти-рования хорошо разбираться, и программное обес-печение знать на профессиональном уровне. В тех-нологии BIM «моделировщики» - это главные ис-полнители проекта.

Третий уровень – «чертежники». В создании мо-дели они непосредственно не участвуют и изменения в нее не вносят, их задача – оформление рабочей документации. Более конкретно – создание, настройка и оформление спецификаций и листов для получения данных из модели, а также «доведение» до нужного уровня требований чертежей узлов и деталей. «Чертежниками» могут быть начинающие проектировщики, поскольку от них еще не требуется ни высокого уровня проектных знаний, ни полного владения компьютерными программами.

Количественный состав на каждом уровне опре-деляется объемом работы. Из этого следует, что такая организационная структура проектной коман-ды более логична для BIM и существенно облегчает переход на новую технологию проектирования. Наши проектные организации пока работают по «старинке», когда проектировщик ведет свой «ку-сок» от начала и до конца. При таком подходе люди просто не понимают, зачем нужна единая модель проектируемого здания, что мешает внедрению BIM.

5. Изменение структуры распределения доходов сотрудников

В каждой организации существует исторически сложившаяся система долевого участия различных специалистов (архитекторов, конструкторов, инже-неров, эксплуатирующих системы отопления, элек-триков и т.п.) в распределении зарабатываемых на проекте денег. Переход на технологию BIM может существенно изменить эту систему. Например, в большинстве организаций конструкторы фактически заново строят каркас здания, чтобы проводить необ-ходимые расчеты. При информационном же моде-лировании заготовку этого каркаса можно брать из архитектурной модели. Составление смет и специ-фикаций также становится более легким делом. А это – перераспределение зарплаты, что, естественно, нравится далеко не всем.

Опыт показывает, что подобная проблема в той или иной степени возникает практически во всех организациях и везде является серьезным тормозом внедрения BIM.

6. Утрата инновационного мышления Это, возможно, самая большая проблема. Подав-

ляющее большинство проектных организаций мыс-

лят только категориями выполнения проектов. Для них трата денег на переобучение сотрудников, во время которого они не выполняют конкретных про-ектных заданий – просто немыслима. Поскольку большинство руководителей выступают за новые технологии, на деле их совершенно не волнует, как выполнен проект, лишь бы он был выполнен в срок.

Инновационное мышление утрачено не только у большинства руководителей, но и у многих рядовых сотрудников. Также отсутствует стимул к интегра-ции проектировщиков и строителей.

Таким образом, большинство проблем, связанных с внедрением BIM в России, лежат вовсе не в плос-кости IT-технологий, а скорее в организационно-экономической области.

7. Проблемы, с которыми могут столкнуться сметчики

Задачей любой сметы является формирование как можно более точной оценки стоимости строи-тельства. Для этого в первую очередь необходимо оценить количество материалов и ресурсов, требую-щихся для выполнения той или иной работы. Эти количественные показатели для материалов «запря-таны» в проектной документации на объект.

Поскольку информационная модель здания есте-ственным образом заменяет груды плоских черте-жей, то она позволяет, при должном умении состав-ления запросов, получать любые требуемые специ-фикации по материалам, причем неограниченное количество раз, что гарантирует постоянную акту-альность данных.

С ресурсами дело обстоит сложнее. Для оценки их требуемого количества используются норматив-ные базы, которые, будучи структурированными по видам строительно-монтажных работ и иерархии строительных процессов, дают информацию о необ-ходимом количестве ресурсов на единицу объема той или иной строительной конструкции. Интерес для сметчика представляют полные объемы по одно-именным элементам конструкции независимо от сроков производства работ на площадке.

Это составляет главную сложность в обмене дан-ными между сетевыми графиками работ и сметами, потому что то, что в смете записывается одной стро-кой, в графике может быть разделено на разные работы с неравными объемами, выполняемые в различные периоды времени. Конечно, идеальным вариантом с точки зрения уточнения оценки стоимо-сти строительства является «осмечивание» готового сетевого графика, но встретить сегодня такой способ на практике почти невозможно.

В нормативной базе содержится состав операций конкретного строительного процесса, состав звена рабочих строительных специальностей, машины, механизмы и инструмент, необходимый для возведе-ния данной строительной конструкции, из которых и получается расценка на данную единицу работы. В нормативной базе количество записей измеряется многими тысячами, и задачей сметчика является выбор нужного норматива. Очевидно, что чем точнее нормы труда, тем точнее расценка.

Совершенно очевидно, что технология BIM спо-собна принципиально помочь в процессе автомати-


57

зации формирования смет. Но для этого необходимо решить два очень важных вопроса.

Первый из них - кодирование и наименование конструктивных элементов, используемых в инфор-мационной модели, а затем применяемых для выбо-ра конкретного норматива. Идеальное решение здесь видится в создании национального, адаптиро-ванного к BIM классификатора строительных эле-ментов. Главной проблемой кодирования является тот факт, что именно сметчикам необходимо самим присваивать элементам модели коды классификато-ра. А это значит, что необходимо время для обучения таких специалистов работать в новых программах, что затягивает процесс перехода на ресурсный ме-тод и увеличивает список обязанностей инженеров-сметчиков.

Второй вопрос – методика расчёта сметной сто-имости. Сегодня существуют два метода: базисно-индексный (оценка стоимости в базовых ценах и применение вышеописанных индексов) и ресурсный (расчёт стоимости ресурсов по текущим ценам).

Первый метод менее трудоёмок, поскольку ин-дексов на несколько порядков меньше, чем ресурсов, но и менее точен.

Заключение Проведенные исследования показали, что ре-

сурсный метод даёт существенно более точную оценку стоимости, однако ресурсные сметы требуют значительно большего времени на составление и прохождение дальнейшей экспертизы, поскольку эксперты вынуждены проверять все расценки на ресурсы.


1. isicad. Ваше окно в мир САПР. [Электронный ресурс]. URL: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=14978 (дата обращения: 08.12.2019).

2. Приказ от 29 декабря 2014 года N 926/пр Об утверждении Плана поэтапного внедрения технологий информационного моделирования в области промышленного и гражданского строительства. [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/420245345 (дата обращения: 09.12.2019).

3. МДС 81-35.2004 Методика определения стоимости строительной продукции на территории Российской Федерации (с Изменениями от 16.06.2014). [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200035529 (дата обращения: 12.12.2019).

Разработка способа идентификации пользователя станка с ЧПУ на основе применения внешних вычислительных устройств

Нежметдинов Рамиль Амирович, к.т.н., доцент; Ковалев Илья Александрович, к.т.н., доцент;

Харясов Азат Вафович, аспирант 2 года обучения ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» (г. Москва)

На станке с ЧПУ существует ряд задач, которые можно решать с помощью системы управления вспомогательных устройств электроавтоматики. К этим задачам относятся: задача обеспечения без-опасности (лазерный контроль безопасности, датчи-ки движения и т.д.); разграничение прав доступа (магнитный ключ доступа, сканер отпечатков паль-

цев и т.д.); дистанционная выдача команд (устрой-ства распознавания речи, пульт управления и т.д.); управление периферийным оборудованием станка (система автоматической смена инструмента с от-дельным микроконтроллером и т.д.). Упрощенная схема использования таких устройств представлена на рисунке 1.

Рис. 3. Токарно-фрезерный обрабатывающий центр с дополнительными устройствами электроавтоматики


58

Для решения этих задач, в качестве внешнего вычислительного ресурса хорошо подходят одно-платные компьютеры [1].

С целью демонстрации возможности управления вспомогательными устройствами электроавтоматики с помощью внешних вычислительных ресурсов и увеличения функциональных возможностей техноло-гического оборудования, было принято решение создать систему предоставления доступа к техноло-гическому оборудованию с применением одноплат-ного компьютера Raspberry Pi3 и RFID-считывателя.

Структурная схема системы идентификации пользователя на технологическом оборудовании с использованием одноплатного компьютера Raspberry Pi показана на рисунке 2. Ядро ЧПУ реализует управление осями станка. Задачи управ-ления периферийным оборудованием вынесены на отдельный одноплатный компьютер.

Из структурной схемы видно, что в качестве пе-риферийного устройства выступает RFID-считыватель. Он подключается к Raspberry Pi3 по интерфейсу SPI.

Коммуникация системы ЧПУ станка и Raspberry Pi3 осуществляется по защищенному каналу связи с помощью протокола TCP/IP.

На станках с ЧПУ существуют следующие кате-гории пользователи:

• технолог, который осуществляет наладку тех-нологического процесса;

• оператор станка, который производит обра-ботку деталей;

• наладчик системы управления, который вно-сит корректировки в программное обеспечение;

• другие пользователи. Каждый пользователь имеет RFID метку в виде

пластиковой карты. Считывание данных карты осу-ществляется при поднесении ее к зоне сканирования RFID-устройства [2]. Полученные данные передают-ся в одноплатный компьютер. Далее номер карты проверяется в базе данных пользователей. Обмен информацией между одноплатным компьютером и системой ЧПУ осуществляется с помощью клиент-серверной архитектуры. Полученные от клиента данные сервер передает в модуль управления клю-чами пользователей. В этом модуле определяется набор функций системы ЧПУ, предоставляемый пользователю в зависимости от его категории (техно-лог, оператор, наладчик и т.д.).

Рис. 4 Структурная схема контроля безопасности для станка с ЧПУ на основе одноплатного компьютера Raspberry Pi и RFID-считывателя

Рис. 5 Рабочий стенд системы ЧПУ АксиОМА Контрол с системой контроля доступа


59

В результате проделанной работы была реализо-вана система контроля доступа, подключенная к системе ЧПУ АксиОМА Контрол. Raspberry Pi3 помещен в специальный корпус для защиты от внешних воздействий. RFID – считыватель установ-лен на корпус одноплатного компьютера (Рис.3).

Для тестирования разработанной системы, в ба-зу данных одноплатного компьютера были зареги-стрированы несколько пользователей, имеющих RFID метки. Затем, по очереди, каждую метку под-носили к RFID-считывателю для проверки работо-способности системы.

В ходе тестирования все метки были определены и каждой категории пользователей предоставлялся соответствующий набор функций технологического оборудования [3]. Стоит отметить, что среди меток также участвовали не зарегистрированные ключи. Таких ключей система игнорировала и выдавала соответствующее сообщение на экран.

Таким образом, был создан прототип недорогой и качественной системы предоставления доступа поль-зователям, который можно дополнить разными устройствами электроавтоматики для расширения функциональных возможностей технологического оборудования.


1. Р.А. Нежметдинов, П.А. Никишечкин, И.А. Ковалев, Н.Ю. Червоннова Подход к построению систем ло-гического управления технологическим оборудованием для реализации концепции «Индустрия 4.0» // Авто-матизация в промышленности, №5. 2017. с.5-9

2. Н.В. Козак, Р.Л. Пушков, С.В. Евстафиева Реализация задач управления электроавтоматикой на осно-ве внешних вычислительных модулей Soft PLC в системе ЧПУ "АксиОМА Контрол" // Промышленные АСУ и контроллеры. №7, 2016. с. 3-9.

3. Н.С. Мартемьянова, С.В. Соколов Разработка модуля подключения периферийных устройств терми-нальной части системы ЧПУ по интерфейсу USB. Труды XVIII-ой международной научно-практической конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2018). Труды XVIII Междунар. молодёж. конфер., 16-18 окт. 2018 г., Москва / под ред. А.В. Толока. – М.: ИПУ РАН, 2018. – 400 с. с.61-66.

Шымкент қаласы мысалында қала көшелерінің өткізу мүмкіндігін

арттыру проблемаларын анықтау

1Пернебеков Сәкен Сәдібекұлы, техника ғылымдарының кандидаты,профессор; 1Жүнісбеков Айтмұхамед Сағымбекұлы, техника ғылымдарының кандидаты;

1Омаров Берік Аманкелдіұлы, аға оқытушы; 2Имашов Абдіхалық Орынбасарұлы, өндірістік оқыту шебері;

1Маханбетжанов Мади Нұрланұлы, магистрант 1М.Әуезов атындағы Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік университеті

(Шымкент қаласы, Қазақстан Республикасы) 2Түркістан индустриалды құрылыс колледжі (Түркістан қаласы, Қазақстан Республикасы)

Определение проблем повышения пропускной способности городских улиц на примере города Шымкента

1Пернебеков Сакен Садибекович, кандидат техничееских наук, профессор; 1Джунисбеков Айтмухамед Сагимбекович, кандидат техничееских наук;

1Омаров Берик Амангелдиевич, старший преподаватель; 2Имашов Абдихалык Орынбасарович, мастер производственного обучения;

1Маханбетжанов Мади Нурланович, магистрант 1Южно-Казахстанский государственный университет имени М.Ауэзова

(г.Шымкент, Республика Казахстан) 2Туркестанский индустриально-строительный колледж (г. Туркестан, Республика Казахстан)

Аннотация. Рост уровня автомобилизации населения и загрузки городских автомобильных дорог

движением до 7-13 % в год привел к снижению средней скорости транспортных потоков до 10-25 км/ч, при

оптимальной - 30-35 км/ч. На 30-100 % возросли затраты времени на перевозки, до 25-30 % - расход топлива,

при этом ежегодно растет число ДТП, и ухудшается экологическая обстановка. Сложившаяся ситуация

привела к снижению качества и надежности функционирования транспортных систем больших городов,

снижению эффективности работы всех городских служб. В условиях дефицита бюджета особую

актуальность приобретает задача повышения пропускной способности городских автомобильных дорог в

кратчайшие сроки с минимальными денежными затратами. Одним из методов повышения пропускной

способности городских дорог является введение координированного регулирования движения транспорта по


60

принципу «зеленая волна». Для повышения эффективности такого регулирования необходимо определение

скорости движения по «зеленой волне» с учетом дорожно-транспортных условий. Выполненные исследования

режимов движения на городских дорогах позволили вывести зависимость установившейся скорости движения

от длины перегона, уровня загрузки движением и наличия деформаций на дорожном покрытии.

Ключевые слова: пропускная способность городских дорог, транспортный поток, режимы движения,

координированное регулирование движения, длина перегона, деформации дорожного покрытия.

Қалалар мен ірі елді мекендердің дамуының қазіргі

кезеңі олардың алып жатқан аумақтарының кеңеюімен

және сол қалаларға жақын орналасқан қала маңындағы

елді мекендермен қосылып кетуімен байланысты.

Қалалардың көліктік жүйелері қалалар мен олардың ісер

ету аймағына қызмет көрсетуші жүйеге айналып бара

жатқандығы белгілі. Жыл сайын қалалар мен қала

маңында орналасқан ірі елді мекендердің жүз мыңдаған

тұрғындары еңбектік және мәдени-тұрмыстық

мақсаттағы қозғалыстарына көліктің қызметін

пайдаланады және сол үдеріс барысында олар жол

қозғалысының тікелей қатысушылары қатарына

қосылады. Ал көліктер мен жаяу жүргіншілер

ағындарының қозғалыс қарқындылықтарының артуы

салдарынан жол қозғалысы мүшелерінің қауіпсіздік

деңгейі мен қоршаған ортаның атмосфералық ауасының

сапасы күрт төмендеуде.

Қалалардың көлік жүйелері көптеген қызметтерді

атқарады және кейбір жағдайларда шиеленісуші

тараптардың екі жағын да қанағаттандыруы керек

болады. Сондықтан да қалалар мен ірі елді мекендердің

көлік жүйесін дамыту стратегиясы көлік жүйесінің

атқаратын қызметінің алуан түрлілігімен анықталады

және бұл ретте көлік жүйесінің қызметіне деген

сұраныстарды қанағаттандыру тәсілдері мен мүмкін

болатын шектеулер анықталады. Жалпы көлік жүйесін

дамыту стратегиясының негізгі міндеттеріне көлік

жүйесі мен көліктік инфрақұрылымның нысандарын

пайдаланушы әртүрлі шиеленісуші жақтардың

мүддделерінің тепе-теңдігін қамтамасыз ету жатады.

Шымкент қаласындағы жол қозғалысының

қарқындылығын арттыру, көлік ағындарын

оңтайландыру және жол қозғалысыс мүшелерінің

қауіпсіздігін қамтамасыз етуді жақсарту мақсатында

М.Әуеов атындағы Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік

университетінің «Көлік, тасымалдауды және қозғалысты

ұйымдастыру» кафедрасының бір топ ғалымдары мен

білім алушыларының қатысуымен арнайы зерттеу

жұмыстары жүргізілді.

Негізгі басымдық ретінде Шымкент қаласының

орталық көшелерін автокөлік құралдарының

ағындарынан қоғамдық жолаушылар тасымалдаға

арналған көлік құралдарын кедергісіз өткізуді

қамтамасыз ету мақсатында екінші дәрежелі жолдардың

жүріс бөліктерінің енін кеңейту арқылы аялдамалар мен

тоқтау орындарын ұйымдастыру қабылданды. Сонымен

қатар орталық көшлердің жүктелуін азайту мақсатында

көпдеңгейлі жол айырықтары мен эстакадаларды, жер

бетіндегі немесе жерастындағы жаяу жүргіншілер

өткелдерін салу мәселелері де қарастырылды.

Шымкент қаласының орталық көшелеріндегі жол

қозғалысын ұйымдастыру деңгейін зерттеу барысында

жаяу жүргіншілер мен велосипедшілердің қозғалысын

ұйымдастырумен байланысты бірқтара проблемалардың

орын алатындығы анықталды. Аталған бағытта бірқатар

шешімін таппай жатқан мәселелер бар екен, соның

ішінде:

- әртүрлі деңгейде орналасқан жаяу жүргіншілер

өткелдерінің санының аздығы;

- жаяу жүргіншілерге арналған жолдардың үстіне

қойылған көлік құралдары олардың қозғалысына кедергі

келтіреді;

- мүмкіндіктері шектеулі жаяу жүргіншілердің

қозғалысы үшін қажетті жағдайлардың жасалмауы;

- қала тұрғындарының қозғалыстарының

құрылымындағы велосипедтік қозхғалыстың үлес

салмағы өте төмен және велосипедшілерге арналған

жолдар желісі жоқ деуге болады.

Қала тұрғындарының қозғалысқа деген

сұраныстарын толығымен қанағаттандыру мәселесінде

қоғамдық жолаушылар көлігінің орны ерекше екендігі

белгілі. Қоғамдық жолаушылар көлігін дамыту көліктік

кептелістер мен тығындардың шамасын азайту ісіндегі

басты мәнбірлердің бірі болып табылады. Шымкент

қаласындағы қоғамдық жолаушылар тасымалдау

көлігінің жұмысын ұйымдастыруда да бірқатар

проблемалар орын алып отырғандығы анықталды:

- автобустардың техникалық жағдайының төмендігі;

- автобустардың ішкі салондарының санитарлық

жағдайларға сәйкес келмеуі;

- кейбір жекелеген бағыттардағы автобустардың

жиілігінің қолайсыздығы;

- аялдамалық бекеттердің төменгі техникалық және

санитарлық жағдайлары;

- қарбалас сағаттардағы көлік құралдарының

жолаушыларға лық толып кетуі;

- тасымалдау сапасының төмендігі (жылдамдық,

жиілік, сенімділік, ыңғайлылық);

- ескі көлік құралдарының санының басымдығы.

Жол-көше желісінің өткізу мүмкіндігін көлік

құралдарының жолдар мен көшелердің бойына ретсіз

қойылуы да айтралықтай дәрежеде төмендетеді.

Көптеген көшелер күндізгі ақылы және ақысыз тұрақтар

ретінде жұмыс істейді және олар жол-көше желісінің

қызмет атқару құрамынан шығып қалған. Автокөлік

құралдарына арналған тұрақтық орындар санын

есептеуді қарастырушы нормативтік құжаттар мен

нұсқаулықтар саны аз. Көліктік тұрақтарға арналған

кеңістікті басқару бойынша негізгі бағыттар ретінде

мыналарды атауға болады:

- Шымкент қаласының жол-көше желісінің бірқатар

бөліктерінде көлік құралдарының тұруына тұрақтарды

пайдалану барысын суретке немесе бейне таспаға түсіру

жолымен немесе бақылаудың басқа да тәсілдерін

пайдалана отырып, тиімді бақылау арқылы мүлдем

тыйым салу;

- тұрақтық кеңістіктерді кешенді басқаруды жүзеге

асыру үшін құқықтық және ұйымдастыру негіздерімен

қамтамасыз ету;

- тұрақтарға арналған орындарды салу үшін

қосымша жер телімдерін бөлу немесе іздестіру;

- жол-көше желісінде ақылы тұрақтарды құру;

- салынып жатқан құрылыс нысандарын көлік

құралдарын сақтау орнымен қамтамасыз ету;

- тұрақтарды салу үшін жер астылық немесе жер

бетілік кеңістіктерді игеру;

- қолданыстағы сауда аймақтары үшін тиеу-түсіру

орындарын және жүк көліктерінің реттелетін


61

технологиялық бос тұру орындарын құру және

жайластыру.

Қала аумағы бойынша қауіпсіз қозғалуды

қамтамасыз ету тұрғысында жолдық инфрақұрылым,

көлік құралдары, жүргізушілер мен жаяу жүргіншілер

қарастырылды. Жол қозғалысының қауіпсіздігін арттыру

бойынша негізгі бағыттар:

- жол қозғалысы қатысушыларының құқықтық сана-

сезімі мен мәдениетін арттыру және жол-көлік

жарақаттанушылықтарының алдын алу;

- жол қозғалысы ережелерін бұзу оқиғаларын

анықтау ісінде нақты бақылау жүргізу мен жазалау

шараларын қолдану мақсатында суретке түсіру мен

бейне таспаға жазуды кеңінен пайдалану мен өндіріске

енгізу;

- жол-көше желілерінің аса жоғары дәрежедегі

апаттық қауіпті бөліктерін талдауды жүзеге асыру және

апаттылық деңгейін төмендету бойынша шараларды

дайындау және оларды іске асыру.

Аталған шараларды іске асыру көше қиылыстарының

өткізу мүмкіндігін арттыруға және жол қозғалысының

қауіпсіздігін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

Әдебиеттер:

1. Сильянов В. В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. - М.: Транс-

порт, 1977. - 303 с.

2. Мягков Н.С. Математическое обеспечение градостроительного проектирования. - Л.: Наука, 1989. - 144 с.

3. Иносе Х. Управление дорожным движением: пер. с англ. под. ред. М.Я.Блинкина. - М.: Транспорт, 1983. - 248 с.

4. Кременец Ю.А. Технические средства организации дорожного движения: учебник для вузов. - М.: ИКЦ «Ака-

демкнига», 2005. - 279 с.

5. Капитанов В.Т. Управление транспортными потоками в городах. - М.: Транспорт, 1985. - 94 с.

6. Пернебеков С.С., Муталов А.Н., Жүнісбеков А.С. Қала жолдарының өткізу мүмкіндігін көлік ағындарының

жылдамдық режимдерін бағалау негізінде арттыру / Материалы IV Международной научно-практической

конференции «Глобальная наука и инновации 2019: Центральная Азия» в 2 т. - Астана, 2019. - С. 101-105.

7. Pernebekov S.S., Ussipbayev U., Shynazarov M., Tortbayeva D. Increase of capacity of central streets and city roads /

«World science: problems and innovations»: Сборник статей XXVII Международной научно-практической

конференции. В 2 ч. Ч. 1. - Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». –2018. –С. 91-93.

Диагностическое обслуживание инфраструктурных проектов Шелкового пути

Рамазанов Руслан Махмутович, канд. техн. наук НИЦ «Курчатовский институт»- ЦНИИ КМ «Прометей» РФ, г.Санкт-Петербург

Рамазанов Махмут Ильсурович, канд. техн. наук АО «Интергаз Центральная Азия», Республика Казахстан, г.Уральск

Ихсанов Кайрбек Айтжанович, канд. техн. Наук Западно-Казахстанский инженерно-технологический университет, Республика Казахстан, г.Уральск

Аннотация. Казахстан - ключевой деловой и транзитный узел в Центральной Азии. Необходимо развивать

и использовать это обстоятельство для процветания государства. Снижение аварийности, снижение нагруз-

ки на природу возможны при повышении надежности работы оборудования. Необходим комплексный подход к

вопросам надежности и энергосбережения. Эффективная работа диагностических организации способству-

ет сокращению загрязнению атмосферы и снижению потерь энергоресурсов.

Новейшие методы диагностирования позволяют выявлять дефекты на ранней стадии и предотвращать

аварийные выбросы природного газа. Для этого необходимы современные технологии и оборудование, а также

необходима разработка стандартов по оценке состояния объектов.

Ключевые слова: техническое обслуживание, диагностика, дефекты газопровода, утечки газа, оценка со-

стояния, стандарты.

Abstract. Kazakhstan is a key business and transit hub in Central Asia. It is necessary to develop and use this cir-

cumstance for the prosperity of the state. The reduction of accidents, reduction of environmental impact possible while

improving the reliability of equipment. A comprehensive approach to reliability and energy saving is needed. Effective

diagnostic work of the organization contributes to pollution reduction and reduction of losses of energy resources.

The latest methods of diagnosis allow to detect defects at an early stage and prevent emergency emissions of natural

gas. This requires modern technology and equipment, as well as the development of standards for the assessment of the

state of objects.

Keywords: maintenance, diagnostics, gas pipeline defects, gas leaks, condition assessment, standards.

Казахстан стремится стать крупнейшим деловым и транзитным узлом в Центральной Азии, мостом между Азией и Европой и рассматривает китайскую инициативу «Один пояс, один путь» как средство достижения этой цели. «Провозглашенный подход «стабильность через совместное развитие» является

сейчас привлекательной формой международного сотрудничества, отражающей экономические инте-ресы десятков стран. В этой связи, сейчас, когда видны определенные контуры Шелкового пути, нуж-на совместная стратегическая координация этой макрорегиональной кооперации. Реализация иници-


62

ативы Шелкового пути позволяет по-новому позици-онировать целые регионы, в том числе Центральную Азию в глобальном контексте», - отметил Президент Казахстана на форуме в Пекине «Один пояс, один путь» в 2017 году [1].

Приоритетом реализации проекта «Один пояс, один путь» становятся инфраструктурные связи. Необходимо осуществить стыковки планов по строи-тельству инфраструктуры, технологических стандар-тов, строительству международных магистралей. Уделять должное внимание объектам «низкоугле-родной зеленой» инфраструктуры для предотвраще-ния негативного влияния на окружающую среду и климат. Особое внимание направить в сферу взаи-мосвязанности энергетики, безопасности нефтяных и газовых трубопроводов и других видов транспорта. В стратегии Шелкового пути упор сделали на раз-витие научно-технического сотрудничества и стиму-лирование обмена технологиями, научно-техническим персоналом и обучению.

Казахстан по своим запасам нефти, газа, угля и урана входит в число 10 крупнейших в мире стран, а также имеет стратегическое географическое положе-ние для осуществления контроля потоков нефти и газа из Центральной Азии на Восток и Запад. По территории Казахстана проложены магистральные газопроводы «Казахстан-Китай», «Бейнеу-Шымкент», проложены нефтепроводы, проходят железные и автомобильные дороги. Всю эту инфра-структуру необходимо эффективно развивать и ис-пользовать, не допуская перерывов и простоев, тем более аварий.

Республика Казахстан обладает значительной газотранспортной системой (ГТС), от стабильной эксплуатации которой зависит энергетическая без-опасность – одна из важнейших составляющих национальной безопасности всей страны и ряда стран, для которых Казахстан транзитный регион. Обеспечение бесперебойного функционирования магистральных газопроводов, сопровождающееся оказанием комплексных услуг по организации без-опасной работы объектов ГТС, является одной из первоочередных задач АО «Интергаз Центральная Азия» (АО ИЦА).

В настоящее время происходит интенсивное ста-рение элементов конструкции действующих трубо-проводных систем, ухудшаются технические харак-теристики трубопроводов и оборудования, увеличи-ваются выбросы метана в атмосферу. Хроники ава-рий, ежемесячно публикуемые в научно-производственных журналах, свидетельствуют о том, что в настоящее время среди всех зарегистрирован-ных серьезных промышленных инцидентов разрывы труб в трубопроводных системах высокого давления, составляют значительную долю. С аналогичными проблемами сталкивается большинство зарубежных компаний, эксплуатирующих магистральные трубо-проводы.

Таким образом, неснижающееся количество ава-рий, а также реальная угроза возникновения в про-мышленных зонах мира и, в том числе в РК, техно-генных катастроф (крупномасштабных каскадных аварий с тяжелыми последствиями), инициирован-ных разрушением магистральных трубопроводов

высокого давления, наглядно свидетельствуют, что обеспечение безопасности, экологичности и эффек-тивности эксплуатации трубопроводных систем остается одной из наиболее актуальных задач тру-бопроводного транспорта. Только тщательным под-ходом к вопросам эксплуатации можно достичь снижения потерь из-за возникновения дефектов тру-бопроводов.

Основные направления в этой области: опытная апробация разработанных методических и норма-тивных документов по экологии, по метрологии, по ремонту и диагностике технического состояния обо-рудования и трубопроводов компрессорных станций, эксплуатационные испытания приборов - новых разработок партнеров, опробования и испытания ремонтных технологий, отработка новых методик и технологий по продлению ресурса газоперекачива-ющих агрегатов.

Ни в одной отрасли народного хозяйства и про-мышленности нет таких резервов ресурсосбереже-ния, как при транспорте газа. Только за счет утили-зации теряемого тепла выхлопных газов и тепла, компримирования, без дополнительного сжигания топлива, можно повысить КПД использования энер-горесурсов более чем в 2 раза.

Решение проблемы сбережения природного газа возможно только при комплексном подходе, с приня-тием новых технических и конструктивных решений и с соблюдением основных условий энергосбереже-ния:

- административно – правовых; - финансово – экономических; - организационно-технических; - научно – методических и исследовательских; - контрольных; - производственно – технологических [2]. Филиал «Инженерно-технический центр» (ИТЦ)

АО ИЦА постоянно работает над совершенствова-нием методов обнаружения утечек, комбинируя и улучшая методику проведения обследований. Взаи-модействует с владельцами газопроводов по обна-ружению и ускоренному устранению обнаруженных утечек. С целью повышения эффективности и каче-ства работ по обнаружению утечек в ИТЦ разрабо-тана методика применения различных комбинаций вариантов обнаружения (авиационное патрулирова-ние, автомобильный вариант и пешим способом).

В качестве примера приводим данные по обна-ружению утечек в одном из линейно-производственных управлений в 2017 году. Обнару-жено 39 утечек различной интенсивности, из них наиболее значимые и, соответственно, несущие наибольшие риски 9 утечек. При реализации хотя бы одного риска по пессимистическому сценарию компания понесла бы значительные финансовые и имиджевые убытки. По расчетам для проведения работ по обнаружению утечек требуется затратить 4356434 тенге с учетом аренды вертолета, для устранения обнаруженного дефекта необходимо затратить для ремонта газопровода диаметром 1200мм и длиной замененного участка 10м 3480659 тенге. При этом только незначительная часть газа в газопроводе будет стравлена в атмосферу перед выполнением ремонта на сумму 5236562 тенге.


63

При аварийном разрыве газопровода затраты на ремонт составят 13056059 тенге, так как потребуют-ся к замене не менее 50 м труб и проведение ава-рийно-восстановительных работ, штраф за ущерб от загрязнения 2729558 тенге, потери товарного газа, приведенного к нормальным условиям 1752591м3, тариф за 1м3 20 тенге, итого 35051220 тенге. Следо-вательно экономический эффект может составить Э=1305605+2729558+35051220-4356434-3480659-5236562=37763182 тенге.

Согласно Организации экономического сотрудни-чества и развития (ОЭСР), в «зеленые» технологии входят борьба с загрязнением воздуха, снижение вредных выбросов в атмосферу, повышение эффек-тивности использования топлива [3].

Эффективные и современные диагностические мероприятия могут дать существенную выгоду в вопросах снижения нагрузки на природу.

Так имея интеллектуальные ресурсы можно по-нять, как их использовать совместно со своими тра-диционными ресурсами. Следовательно, знания могут составлять наиболее важный ресурс, а спо-собность получать, интегрировать, накапливать, сохранять и применять их есть наиболее важный способ создания конкурентного преимущества.

Потери газа можно уменьшить, устранив причи-ны их возникновения:

- сведя к минимуму аварийные потери газа на линейной части МГ и КС;

- применив современные технологии утилизации газовых выбросов из системы МГ;

- понизив расход топливного газа на нерасчетных режимах путем оптимизации параметров оборудо-вания КС;

- исключив перерасход топливного газа вслед-ствие физического износа оборудования путем ре-конструкции КС и модернизации ГПА;

- совершенствуя количественный учет газа, при-меняя надежные способы замера производительно-сти МГ.

Очевидным является и то, что внедрение ресур-сосберегающих технологий экономически оправдано, так как затраты на реализацию энергосберегающих проектов 4-5 раза ниже, чем на развитие добычи газа.

Вряд ли кто-то будет спорить, что плодотворное сотрудничество газотранспортных организаций с диагностическими — это залог эффективной и надежной работы газотранспортного оборудования. Одними из средств такого развития являются внед-рение современных эффективных инструментов оценки текущего состояния оборудования, внедрение аналитических методов прогноза его развития и научно-обоснованных методов формирования планов технического обслуживания и ремонтов. В этих усло-виях каждый элемент газотранспортной системы требует особого внимания, так как общая надеж-ность системы складывается из надежности отдель-ных ее компонентов. Таким образом обеспечивается целостность системы. Диагностика, как один из важнейших компонентов системы управления техни-ческим состоянием объектов магистральных газо-проводов, в комплексе с процессами идентификации угроз и оценкой рисков формируют информацион-

ный массив, составляющий основу эффективного управления ресурсами.

Анализ и использование результатов внут-ритрубной диагностики, а также различных других данных — электрометрических обследований, изме-рений напряженно-деформированного состояния, геодезической съемки, результатов испытаний, кон-трольных шурфовок — то есть комплексный подход используется при оценке технического состояния оборудования МГ и применяется при планировании ремонтных работ. По отзывам представителей га-зотранспортных предприятий, благодаря принятию комплексных технических решений на основе анали-за и прогноза технического состояния МГ с учетом результатов диагностических обследований были предотвращены многие отказы и продлен срок службы различных газопроводов. ИТЦ единствен-ная организация в РК имеющая в своем составе иновационное оборудование - телеуправляемый диа-гностический комплекс для внутритрубной диагно-стики технологических трубопроводов (Рис.1).

Филиал оказывает комплексные диагностические услуги многим предприятиям газотранспортной энергетической сферы в РК, при этом приоритетной задачей является обеспечение бесперебойного и надежного функционирования объектов газотранс-портной системы АО ИЦА.

Рис. 1. Телеуправляемый диагностический комплекс

Развивается партнерство в области разработки передовых технологий, разработке стандартов по нефтегазовой направленности.

Основные направления в этой области: опытная апробация разработанных методических и норма-тивных документов по экологии, по метрологии, по ремонту и диагностике технического состояния обо-рудования и трубопроводов компрессорных станций, эксплуатационные испытания приборов-новых раз-работок партнеров, опробования и испытания ре-монтных технологий, отработка новых методик и технологий по продлению ресурса газоперекачива-ющих агрегатов.

ИТЦ имеет опыт сотрудничества с китайскими фирмами, выполняются совместные работы по диа-гностированию магистральных газопроводов «Ка-


64

захстан-Китай» и «Бейнеу-Шымкент». Ежегодно проводятся работы по обнаружению и устранению утечек метана, электротехнические испытания, элек-трометрические измерения и другие виды диагно-стических работ.

Общей проблемой технической диагностики яв-ляется достижение адекватной оценки распознава-ния истинного состояния объекта и классификации этого состояния (нормального или аномального).

На базе филиала ИТЦ было проведено совеща-ние с участием ТОО "АГП", TAPLine (Китай), Rosen Europe B.V., консорциума «Инновационные нефтега-зовые технологии» (Россия) по вопросам оценки це-лостности трубопроводов, применения стандартов по оценке состояния газопроводов и методах ремонта дефектов (Рис.2). Применение стандартов различных государств вносит некоторые проблемы при оценке состояния трубопроводов, поэтому нуждается в со-гласовании в применимости различных стандартов к конкретным объектам.

Участниками совещания был выполнен обмен мнениями по анализу стандартов по верификации дефектов на трубопроводах. Рассмотрены следую-щие вопросы:

1.Методология оценки дефектов. 2.Сравнение консервативности различных мето-

дов оценки дефектов. 3.Выводы в части применимости и консерватив-

ности различных стандартов оценки остаточной прочности.

Казахстанская и китайская делегации сошлись во мнении о применимости стандартов ASME B31.8, ASME B31G, ASME B31G (Модифицированный), RStreng, DNV –RP- F101. Различные стандарты используют различные предположения.

Понятие "Стандарт ASME B31.8" включает в се-бя стандарт B31G, существующий в двух вариантах: B31 G и B31 Modified (модифицированный), и осно-ванный на формуле NG-18, которая была разрабо-тана компанией Batelle.

В большинстве случаев применение формулы NG- 18 и предположение о том, что коррозия имеет прямоугольную форму, не являются реалистичными.

Это может привести к планированию ненужных ремонтов. Реальная коррозия может иметь другую форму, в то время как ASME B31 использует базо-вую формулу и расчеты производятся с модифици-рованным фактором Фолиаса.

Обе методики (B.31G и B.31G модифицирован-ный) определяют форму дефекта простой аппрокси-мацией (приближением к исходным). Осевой размер коррозии имеет решающее значение для целостности стенки трубы. Стандарт ASME B.31.G ограничивает максимальную длину, как функции номинального внешнего диаметра корродированной трубы, толщи-ну стенки трубы и соотношение между глубиной дефекта после зачистки корродированного участка и первоначальной толщиной стенки.

Рис. 2. Встреча участников совещания в селекторном зале ИТЦ

Стандарт RStreng приобретает наибольшее зна-чение, когда коррозия находится на критической границе допустимых дефектов в соответствии со стандартом ASME B31.G. Некоторые коррозионные дефекты, неприемлемые с точки зрения стандарта ASME B31G, могут приобрести статус "допустимые" при использовании стандарта RStreng. При этом в странах-участниках совещания разработаны свои внутренние стандарты. Специалисты ИТЦ проводят

расчёты по оценке опасности дефектов при проведе-нии шурфований в соответствии с требованиями стандарта организации СТ АО 970740000392-30-2013 «Оценка дефектов труб и соединительных деталей при ремонте и диагностировании линейной части МГ, оценка работоспособности участков линейной части МГ с коррозионными дефектами». Китайские специалисты применяют стандарты GB/T19624-


65

2004, SY/T6477-2014, SY/T6151-2009, SY/T6996-2014 и другие.

В этих стандартах имеются некоторые отличия в оценке дефектов и методике проведения ремонтов. Поэтому встречи и обсуждения способствуют приня-тию правильных решений.

Сотрудничество будет в дальнейшем углубляться и расширяться для обеспечения высокой эффектив-

ности и надежности всей газотранспортной сети Казахстана. Для дальнейшего развития и повыше-ния надежности транспортной инфраструктуры необходимо широко привлекать диагностические и научно-технические организации, которые будут обеспечивать безопасную эксплуатацию транспорт-ной и энергетической инфраструктуры.


1.Назарбаев Н.А. Выступление перед участниками круглого стола на полях Форума «Один пояс-один путь» /[Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://yandex.kz/turbo?text=https%3A%2F%2Fwww.zakon.kz%2 F4858593-n-nazarbaev-odin-poyas-odin-put.html&parent-reqid=1577181950285793-1382862430330274215900122-vla1-3966&trbsrc=wb&fallback=1 (дата обращения 24.12.2019).

2.Ресурсосберегающие технологии при магистральном транспорте газа : учебное пособие для слушателей системы дополнительного профессионального образования, для инженерно-технических работников маги-стральных газопроводов , для студентов вузов / Н. А. Гаррис ; М-во образования и науки Российской Феде-рации, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Уфимский гос. нефтяной технический ун-т", Самостоятельное структурное подразделение "Ин-т доп. проф. образования". - Санкт-Петербург : Недра, 2009. - 365 с.

3.Егорова М.С., Цубрович Я.А. Анализ востребованности «зеленых» технологий в России / Международ-ный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 5-2. – С. 305-307; URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6733 (дата обращения: 24.12.2019).

УДК 536.3:535.34

Трехмерная математическая модель лучистого теплообмена с учетом селективности излучения дымовых газов

Садыков Айдар Вагизович, доцент Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Казанский национальный

исследовательский технологический университет»

Важным элементом технологической трубчатой печи является камера радиации. В камерах радиации технологических трубчатых печей более 90% от общего количества теплоты передается поверхности нагрева путем излучения от топочного объема и поверхностей стен печи. Для нахождения радиационных тепловых потоков к трубчатому экрану необходимо решить интегро-дифференциальное уравнение переноса излучения (УПИ) в поглощающей, излучающей и рассеивающей среде при известном поле температур. В прямоуголь-ной области (рис.1) для серой среды УПИ имеет вид

μ( , )I

x

r Ω+ξ

( , )I

y

r Ω+ η

( , )I

z

r Ω= ( )bI T - ( ) ( , )I r Ω +

+

dI ),(),(4 )4(

ΩΩΩr . (1)

Здесь I(r, Ω) интенсивность излучения, зависящая от положения и направления Ω; r – радиус – вектор

точки; μ , ξ , η направляющие косинусы: μ=cosθ , ξ =sinθ sinϕ, η = sinθ cosϕ; , коэффициенты по-

глощения и рассеяния среды соответственно; γ (Ω',Ω) индикатриса рассеяния; )(TIb интенсивность излу-

чения черного тела при температуре T . Граничное условие к уравнению (1) с учетом диффузного излучения и отражения стенок имеет вид

( , )I r Ω = ( )w bI T +

0

( , )wr I d

nΩ

n Ω r Ω (2)

для таких направлений Ω, для которых 0nΩ . Здесь Ω’ направление падающего излучения, Ω

направление испускаемого излучения; ε w степень черноты граничной поверхности; rw отражательная

способность поверхности; n единичный вектор внутренней нормали к границе. Для решения УПИ применяется метод дискретных ординат (МДО). Первоначальный вариант метода

для плоской геометрии был предложен Виком [1] и в дальнейшем развит Чандрасекаром [2].Основная идея этого метода – представление интеграла рассеяния в УПИ по квадратурной формуле. Метод получил раз-витие в работах отечественных и зарубежных авторов.


66

Рис. 2.4. Система координат

При решении УПИ в энергетических установках важным является учет селективности излучения дымо-вых газов. Лучистый теплообмен в промышленных печах и топках зависит от радиационных свойств трех-атомных газов, содержащихся в дымовых газах. Для учета селективности излучения дымовых газов исполь-зована модель широкой полосы. В этой модели спектр излучения дымовых газов аппроксимируется рядом широких полос, в пределах каждой из которых коэффициент поглощения считается постоянным. Параметры модели широкой полосы, включающей спектральные полосы 15; 4,3; 2,7 мкм излучения СО2 и 10; 6,3; 2,7; 1,5 мкм Н2О приведены в работе [3]. Модели такого же рода использованы для анализа лучистого теплообмена в металлургических печах [4] и в топках трубчатых печей [5]. Описание модели широкой полосы со ссылкой на оригинальные статьи имеется в [6].

По этой модели выделяется девять спектральных полос, при этом четыре полосы соответствуют Н2О, две полосы СО2, одна полоса прозрачной области спектра и две полосы возникают вследствие перекрывания двух пар полос: 2,7 мкм; 10 и 15 мкм. Для уменьшения количества полос перекрывающиеся пары были усреднены по Планку. В результате количество полос уменьшается до шести.

В МДО УПИ в рамках модели широкой полосы заменяется системой дифференциальных уравнений в частных производных относительно интенсивности излучения

m

x

I km

+m

y

I km

+η m

kmI

z=k

dI

k

k

b1

-(k+k)kmI + ∑

14

oN

m

kmmmm

k Iw

, (3)

m=1,2,3,…,No ; k=1,2,3,…,Ns ,

где kmI

интенсивность интегрального в k – ом спектральном диапазоне [λ k-1, λ k] излучения вдоль

направления Sm {m = 1, 2, …, N0};{μm, ξ m, η m; m = 1, 2, …, N0} – набор угловых координат; N0 – количество

направлений; mw угловые весовые коэффициенты; Ibλ – функция Планка; k , k осредненные спек-

тральные коэффициенты поглощения и рассеяния в k – ом спектральном диапазоне; Ns - количество спек-тральных полос.

Граничные условия, характеризующие излучение стенок и отражение лучей, падающих со всех направле-ний, для различных стенок аппроксимируются следующим образом:

kmI = w Ib k (Тw) +

wr

oN

m

kmmm Iw

1

|| , (4)

при х = 0 для m 0 и m 0, при х = Lx для m 0 и m 0;


wr

oN

m

kmmm Iw

1

|| , (5)

при у = 0 для m 0 и m 0, при у = Ly для m 0 и m 0;


67


wr

1

| |oN

km m m

m

w I

(6)

при z = 0 для η m 0 и η m 0, при z = Lz для η m 0 и η m 0. В этих уравнениях Tw - температура стенки в соответствующей точке,

Ibk (Тw) =

1

( ) .k

k

b wI T d

Вопросы практической реализации МДО для двумерной прямоугольной геометрии подробно рассмотре-ны в [7], а для трехмерной – в [8]. Преимуществом МДО является сочетаемость с алгоритмами, основанными на применении контрольных объемов. Кроме этого важным преимуществом МДО является то, что для пере-хода от низшего приближения к более высокому приближению достаточно изменить в расчетной программе

значение N0, массивы μm, ξ m, η m, mw (m=1, 2, 3, …, N0). Применяемые для расчета радиационного теплооб-

мена в топках метод сферических гармоник и зональный метод более трудоемки. Кроме того, в нерассеива-ющих средах метод сферических гармоник дает некорректные результаты [9].


1. Wick G. Über ebene Diffusionsprobleme // Zeitschrift für Physik. 1943. Bd.121. Pp.702-718. 2. Chandrasekar S. Radiative Transfer. Oxford University Press, London, 1950. 3. Антонов, В.И. Определение обобщенных угловых коэффициентов с учетом селективности поглощения

среды / В. И. Антонов, Л. И. Здоровова // ИФЖ. 1986. №.1. С. 98 104.

4. Лисиенко В. Г. Интенсификация теплообмена в пламенных печах. М.: Металлургия, 1979. 224 с. 5. Абдуллин, А. М. О применении модели широкой полосы при исследовании радиационного теплообмена

в топочных средах / А. М. Абдуллин, А. А. Казеннов, Р. А. Хаматвалеев, М. А. Харичко // Межвуз. сб. Теп-

ло-и массообмен в химической технологии. Казань: КХТИ. 1988. С. 10 16. 6. Вафин Д.Б. Сложный теплобмен / Радиационный теплообмен в энергетических установках. Saar-

brṻ cken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. – 251 c. 7. Садыков А.В., Вафин Д.Б. Сложный теплообмен в камерах радиации трубчатых печей: монография.

Казань: РИЦ «Школа», 2019. 186 с. 8. Садыков, А.В. К решению уравнения переноса излучения методом дискретных ординат / А.В. Садыков,

М.А. Бутяков // Известия вузов. Проблемы энергетики. –2017. –№ 5–6. – С.25-33. 9. Шигапов, А.Б. Радиационный теплообмен в топках котлов / А.Б. Шигапов // Известия вузов. Пробле-

мы энергетики. 2014. №1-2. С.27-36.

Расчет зданий по ветровым нагрузкам

Сойту Наталья Юрьевна, кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

В статье рассматриваются актуальные вопросы, связанные с особенностями проведения расчетных про-

цедур зданий по ветровым нагрузкам. Особый акцент сделан на эксплуатационном расчетном значении ветро-

вой нагрузки. Также обозначен порядок нахождения переменных ветровых нагрузок. Модельные расчеты осу-

ществлены на примере типовой телекоммуникационной пирамидальной башни.

Ключевые слова: фундамент, композитный материал, напряженно-деформированное состояние, модель,

расчет.

Особенности современных больших городов, ин-тенсивная застройка, уникальные архитектурные решения, освоение подземных пространств для пе-ремещения грузов и пассажиров - все это предопре-деляет необходимость использования эффективных расчетных методик в процессе проектирования и возведения зданий. Статистика свидетельствует о том, что 80% аварий, происходящих на строитель-стве, возникают вследствие человеческих ошибок, допускаемых при расчетах, сооружении и эксплуа-тации конструкций. Эти ошибки формируют внут-ренний (объектный) риск аварий, от величины кото-рого зависит продолжительность эксплуатации (ре-сурс) объекта [1].

Точный учет в проектных расчетах свойств кон-струкций и влияний эксплуатационной среды позво-ляет обеспечить достаточный уровень надежности несущих элементов при минимальных затратах на их изготовление и возведение. Одним из наиболее изменчивых и неопределенных факторов является нагрузка от давления ветра на поверхности зданий и сооружений, а потому ее изучение и уточнение мо-жет сыграть важную роль в повышении эффектив-ности строительных конструкций.

Влияние ветра, учитываемое в расчетах строи-тельных конструкций, определяют по следующим взаимозависимым величинам: скорость, которая обусловлена климатическими условиями, типом местности и высотой здания над ней, внешней фор-


68

мой сооружения, то есть архитектурным и конструк-тивным решением, а также динамическими свой-ствами, которые из этого вытекают [2]. Каждая из приведенных величин является случайной, детерми-нированной многими факторами. Кроме того, харак-терные и расчетные нагрузки зависят от критериев надежности конструкций.

Вместе с тем, переход к новым, более прочным материалам, привел к уменьшению массы зданий и сооружений, а это выдвинуло на передний план проблему вызванных ветром деформаций конструк-ций. Экспериментальные и численные исследования является, как правило, достаточно сложными, доро-гими и трудоемкими, что не всегда позволяет отоб-разить полную картину аэродинамических процес-сов.

Таким образом, указанные вопросы обостряют проблему детального исследования, а также точного определения параметров ветровых нагрузок и их воздействий с применением различных методов и приемов.

В области вычисления ветровых нагрузок разра-ботаны методы вероятностного анализа деформаций с учетом динамической работы гибких сооружений, а также особенностей взаимодействия ветра с ци-линдрическими объектами. Кроме того, широко применяются аналитические методы расчета надеж-ности высотных сооружений. Наиболее известными в этом направлении являются работы: Л.И. Иосилев-ского, А.И. Мешок-Лященко, С.Б. Усаковского, B.R. Ellingwood, D.M. Frangopol, A.S. Nowak.

Вместе с тем, несмотря на существующие нара-ботки требуют уточнения факторы, оказывающие решающее влияние на показатели надежности кар-касов зданий под влиянием ветровой нагрузки, так-же есть необходимость в формализации элементов, которые следует учитывать в процессе создания расчетных моделей зданий для повышения их надежности.

Ветровая нагрузка на обычные здания в общем случае состоит из статической и пульсационной со-ставляющих. Пульсационную составляющую, кото-рая обусловлена биениями ветрового потока, при расчете зданий необходимо учитывать только для высоких конструкций (более 36 м), а также для объ-ектов, расположенных в городских районах с за-стройками, превышающими более 25м. Статическую составляющую следует учитывать во всех случаях [3].

В общем виде эксплуатационное значение нагрузки ветра рассчитывается по следующей фор-муле:

CWoWe fe

где fe – коэффициент надежности по эксплуата-ционному значению ветровой нагрузки;

Wo – характеристическое значение ветрового давления, Па;

C – общий коэффициент, определяемый по фор-муле:

ddirrelalthaer CCCCCCC

где Caer – аэродинамический коэффициент; Ch – коэффициент высоты сооружений; Calt – коэффици-ент географической высоты; Crel – коэффициент ре-

льефа; Cdir – коэффициент направления; Cd – коэф-фициент динамичности.

Для расчета переменных ветровых нагрузок представляется целесообразным использовать сле-дующие формулы.

Базовая скорость ветра, определяемая функцией направления ветра и временем года, вычисляется таким образом:

obseasondirb VCCV ,

где vb,0 –ключевое значение основной скорости ветра, равно:

altmapbob CVV ,,

vb,map - скорость ветра, установленная для местно-сти на высоте 10 м;

calt - коэффициент высоты, равный единице, если расположение проектируемого здания, находится на высоте над уровнем моря 500 м и ниже;

cdir – коэффициент направления, его рекомендо-ванное значение 1,0 при отсутствии информации о преобладающим направлении ветра;

cseason – сезонный коэффициент, его следует при-менять для временных зданий, а также сооружений, которые находятся на стадии строительства.

Средняя скорость ветра vm(z) на высоте z над местностью зависит от базовой скорости ветра vb, неровности рельефа и местности, и рассчитывается по формуле:

borm VzCzCzV )()()(

где co(z) – коэффициент рельефа, он использует-ся, если рельеф (например, скалы холмы и т.д.) уси-ливает скорость ветра более, чем на 5%;

cr(z) – коэффициент неровности местности. Он учитывает перемну средней скорости ветра в точке, где расположено здание, в соответствии с высотой над уровнем земли и неровностями местности с под-ветренной стороны для направления ветра.

Для проведения модельных расчетов рассмотрим типичную телекоммуникационную пирамидальную башню высотой 60 м. Башня состоит из шести уни-фицированных стальных пространственных фермен-ных секций высотой 10 м каждая, четырехугольных в плане. Ширина грани в осях поясов переменная - от 5,6 м в основании до 1,53 мм на вершине. В нижних секциях система решеток треугольная, в верхних - крестообразная.

Шаг узлов решетки секций вдоль поясов 2,5 м. Рассмотрим два варианта задания характери-

стического значения ветрового давления W0: вариант А - для значения W0 = 0,45 кПа, опреде-

ленного по ГОСТ как для второго ветрового района с учетом Сalt = 2,66;

вариант Б - для значения W0=0,97 кПа, получен-ного по метеорологическим наблюдениям, в этом случае принимаем Сalt = 1.

В обоих вариантах при определении Ch принят первый тип местности, коэффициент Caer установлен через соответствующие коэффициенты Cх лобового сопротивления конструкций решетчатой башни и оборудования, коэффициент учета рельефа Сrel = 1, Cdir = 1, коэффициенты надежности Yfm = 1; Yfm = 0,21. Эквивалентная площадь основных антенн в


69

каждом уровне для расчета принята 4 м2; вес антенн 150 кН, вес кабелей 3,9 кН / м.пог.

Базовые значения величины W0 = CaltСrelСhYfm для высоты Z = 10 м составляют: вариант А – 2,15 кПа, вариант Б – 1,75 кПа.

При расчете рассмотрено два основных направ-ления ветра: 1) торцевой - ветер дует в направлении,

перпендикулярном к грани пирамиды башни (вдоль стороны); диагональный - ветер дует в направлении, параллельном диагонали башни. Расчетная конечно-элементная модель и отдельные результаты расчетов представлены на рис. 1

Рис. 1. Конечно-элементная модель: а) деформация башни вследствие квазистатической ветровой нагруз-

ки (торцевое направление); б) форма колебаний основного тона; в) усилия N от квазистатической ветровой нагрузки (торцевое направление)

Таким образом, задаче по расчету здания или со-оружения на ветровую нагрузку следует уделять особое внимание, так как именно от ее решения напрямую зависит безопасность и себестоимость

строительства. При заниженном значении ветровой нагрузки строительные конструкции обладают недо-статочной прочностью, а при повышенном - происхо-дит удорожание строительства.


1. Гувернюк С.В., Синявин А.А., Гагарин В.Г. Метод экспресс - оценки интегральных ветровых нагрузок на высотное здание // Жилищное строительство. 2019. №6. С. 43.

2. Димукашева Г. Т. Воздействие ветровых нагрузок на высотные здания и сооружения // Студенческий вестник. 2019. №44-4(94). С. 73-74.

3. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В. Расчет зданий и сооружений с учетом пульсации ветра // Научное обозрение: строительство и архитектура. 2018. №1. С. 36-3.

4. Коновалова К.В., Потехин И.А. Возможности компьютерной программы Sims Cale для оценки ветрово-го комфорта городской застройки // Строительство и недвижимость. 2019. №1(4). С. 63-66.

УДК 629.113.65

Обоснование базовых параметров транспортно-технологических машин, оснащенных электроприводом

Сычев Александр Вадимович, магистрант кафедры технического сервиса и ремонта машин;

Шиляев Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Автомо-били и металлообрабатывающее оборудование»

ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», профессор кафедры технического сервиса и ремонта машин

Шаихов Ринат Фидарисович, кандидат технических наук, доцент кафедры техническо-го сервиса и ремонта машин

ФГБОУ ВО «Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова», (Пермь, Россия)

Аннотация. На начальном этапе создания транспортно-технологических машин оснащенных электропри-

водом необходимо выполнить расчет и обосновать базовые параметры и характеристики энергосиловой

установки, которые во многом определяют эффективность энергосиловой установки в составе транспорт-

ной машины. В данной работе приведено обоснование основных базовых параметров транспортно-

технологических машин оснащенных электроприводом.

Ключевые слова: электромобиль, электропривод, транспортно-технологические машины, эксплуатацион-

ные свойства.

DOI: 10.5281/zenodo.3603861

а

)

б

)

в

)


70

Современный электромобиль – это пневмоколес-ное транспортное средство с электрическим приво-дом ведущих колес и автономной энергоустановкой. Существуют различные толкования понятия «элек-тромобиль», однако более точно под этим понятием надо понимать транспортное средство, в котором тяговый электродвигатель привода ведущих колес является основным и единственным агрегатом, обес-печивающим режим тяги (рис. 1) [1, 6].

Рис. 1. Транспортное средство с электрическим приводом: ЭУ – энергетическая установка, ТЭД – тяговый электродвигатель привода ведущих колес,

П – передача

При этом принцип работы привода не изменится от того, будет использоваться тяговая аккумулятор-ная батарея, батарея топливных элементов или дру-гая энергетическая установка для питания тягового электродвигателя привода ведущих колес. Это под-тверждает важность установления определяющих признаков современных транспортно-технологических машин оснащенных электроприво-дом и их тягового привода, без чего практически невозможно выработать единый подход для выявле-ния, классификации и исследования тяговых приво-дов указанных транспортно-технологических машин.

Создание транспортно-технологических машин оснащенных электроприводом может осуществлять-ся двумя способами [3, 4, 5, 6]:

- путем использования базовой конструкции се-рийного автомобиля близкого класса – такое пере-оборудование называется конвертированием;

- разработкой принципиально новой конструкции. Несмотря на внешнюю привлекательность второ-

го способа, подавляющее большинство современных транспортно-технологических машин оснащенных электроприводом создается методом конвертирова-ния. Способом конвертирования можно создать транспортное средство с не достаточно высокими потребительскими качествами, например, двухмест-ный из четырех-пятиместного автомобиля. Учитывая данную особенность серийно-способные транспорт-ные средства разрабатываются, как правило, ориги-нальной конструкции.

Создание конвертированных транспортно-технологических машин имеет серьезное экономиче-ское основание из-за значительно более низкой стои-мости как самого транспортного средства, так и их агрегатов, производимых методами крупносерийного

и массового производства. Процесс создания любой транспортной машины

начинается с анализа потребительского рынка, раз-личных информационных источников о подобных типах машин и имеющихся финансовых и технологи-ческих возможностях для организации производства. Результатом данного анализа является техническое задание, которое отражает основное назначение и цель создания новой транспортно-технологических машины, основные конструктивные параметры, характеристики, требования к эксплуатационным свойствам разрабатываемой машины [2, 4, 5].

Транспортно-технологические машины оснащен-ных электроприводом должны удовлетворять общим требованиям нормативных документов, которые предъявляются ко всем транспортным машинам:

- устойчивость движения; - легкая управляемость (возможно применение

гидроусилителя руля, автоматической коробки пере-дач, вариаторной автоматической трансмиссии);

- безопасность. Кроме того, при создании транспортно-

технологических машин оснащенных электроприво-дом наряду с общими требованиями, предъявляе-мыми ко всем транспортным машинам, необходимо учитывать специфические требования, обусловлен-ные особыми условиями эксплуатации, например ограничение скорости движения, динамичность раз-гона, уровень внешнего и внутреннего шума и др.

Возможны различные схемы расположения ос-новных агрегатов транспортно-технологических ма-шин. При этом при выборе ведущих колес учитыва-ют не только компоновочные, но и эксплуатационные свойства машин. Каждое компоновочное решение имеет свои преимущества и недостатки, что требует выполнения тщательного анализа по эксплуатаци-онным свойствам в зависимости от назначения кон-кретной технологической машины.

Приведем пример сравнительного анализа пе-реднеприводной и заднеприводной компоновочных схем легковых автомобилей по некоторым эксплуа-тационным свойствам [2, 4]. В табл. 1 приведены преимущественные характеристики компоновочных схем легковых автомобилей.

Анализ требований к основным эксплуатацион-ным свойствам транспортно-технологических машин оснащенных электроприводом позволяет обосновать основные конструктивные и технические параметры:

- компоновочная схема – переднеприводная; - тип привода – электромеханический; - колесная формула – 4х2; - число мест – 5; - снаряженная масса – 1340 кг; - габаритные размеры (ДхШхВ) –

4340х1680х1508 мм; - база, мм – 2492; - максимальная скорость – не менее 90 км/ч. Предлагаемые в техническое задание основные

конструктивные и технические параметры транс-портно-технологических машин оснащенных элек-троприводом в дальнейшем могут быть уточнены в процессе выполнения исследований при проектиро-вании транспортно-технологических машин на базе конкретного автомобиля.


71

Таблица 1. Преимущественные характеристики компоновочных схем легковых автомобилей

Переднеприводная компоновочная

схема Заднеприводная компоновочная схема

1 Тягово-скоростные свойства 1. Обеспечивается лучшее сцепление

шин с дорогой при неполной загрузке автомобиля и при движении с малы-ми скоростями по дорогам с малым значением коэффициента сцепления шин с полотном дороги.

1. Заднеприводный автомобиль имеет лучшую динамику разгона при больших значениях коэффициента сцепления шин с полотном дороги. 2. Большие максимальные возможные углы подъема зад-неприводного автомобиля по условию буксования ведущих колес из-за перераспределения веса.

2 Управляемость и устойчивость 1. При полной нагрузке заднепри-

водный автомобиль обладает избы-точной поворачиваемостью. Избы-точная поворачиваемость может привести к курсовой неустойчивости. Однако, как известно, это явление можно исключить независимой зад-ней подвеской. Переднеприводный автомобиль при прямолинейном движении ведет себя устойчиво даже при движении по скользкой обледе-нелой или укатанной снегом дороге. 2.Переднеприводный автомобиль легче в управлении и более устойчив при движении в некотором заданном диапазоне скоростей, зависящем от состояния дорожного покрытия. 3. При сносе всех четырех колес пе-реднеприводным автомобилем можно частично управлять при грамотном пользовании рулем и педалью «газа.

Переднеприводный автомобиль имеет недостаточную пово-рачиваемость, а заднеприводный небольшую недостаточ-ную поворачиваемость при половинной нагрузке. При воз-никникающих высоких поперечных ускорениях нарушается устойчивость переднеприводного автоомобиля на крутых поворотах. Увеличение сопротивления шин переднепривод-ного автомобиля по сравнению с заднеприводным является следствием того, что водитель должен поворачивать колеса на больший угол (в сравнении с заднеприводным) для обеспечения выбранной траектории движения. 2. На крутых поворотах у переднеприводного автомобиля более вероятно нарушение устойчивости и управляемости в сравнении с заднеприводным. Кроме того, возникающие при этом центробежные силы могут быстро достигать зна-чения силы сцепления шин с полотном дороги. При входе в поворот заднеприводный автомобиль реже теряет управля-емость по условию сцепления шин с полотном дороги, а для переднеприводных автомобилей это нередкое явление. 3. Заднеприводный автомобиль более отчетливо «показы-вает» водителю о приближающейся критической ситуации, например, снос задних ведущих колес служит первым звонком об опасности.

Таким образом, на начальном этапе создания транспортно-технологических машин оснащенных электроприводом необходимо выполнить расчет и обосновать базовые параметры и характеристики энергосиловой установки, к которым относятся: мощностные показатели и характеристики электри-ческого двигателя; количество ступеней трансмиссии;

количество необходимых редукторов в трансмиссии и их передаточные числа. Эти параметры и характе-ристики во многом определяют тягово-скоростные свойства, экономию энергии и экологичность элек-тромобиля, т.е. эффективность энергосиловой уста-новки в составе транспортной машины.

Литература: 1. Ефремов И.С., Пролыгин А.П., Андреев Ю.М., Миндлин А.Б. Теория и расчет тягового привода элек-

тромобилей: Учеб. пособие для вузов / Под ред. И.С. Ефремова. М.: Высш. школа, 1984. 383 с. 2. Полозов А.В. Выбор рациональных компоновочных схем малогабаритных транспортных средств на эта-

пе дизайн-проектирования : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.05.03, 17.00.06 / Полозов Антон Владимирович; [Место защиты: Ижев. гос. техн. ун-т им. М.Т. Калашникова]. Ижевск, 2013. 151 с.

3. Шиляев С.А., Филькин Н.М., Старков А.И., Имангулов А.Р. Решение вопроса о возможности создания конкурентоспособного чистого электромобиля. Проведение научных исследований в области машинострое-ния: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Тольятти, 27-28 ноября 2009 г. В 3-х ч. / под общ. ред. М.М. Криштала. – Тольятти: ТГУ, 2009. – Ч.2. – С.183-186.

4. Умняшкин В.А., Филькина А.Н., Ившин К.С., Скуба Д.В. Автомобили особо малого класса (квадрицик-лы) с гибридной энергосиловой установкой/ Под общ. ред. В.А. Умняшкина. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. – 138 с.

5. Шиляев С.А., Старков А.И., Братухин К.С., Мазец В.К., Галлеев И.И. Выбор и обоснование основных конструктивных и мощностных параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки. Проведе-ние научных исследований в области машиностроения: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Тольятти, 27-28 ноября 2009 г. В 3-х ч. / под общ. ред. М.М. Криштала. – Тольятти: ТГУ, 2009. – Ч.2. – С.176-179.

6. Щетина В.А., Морговский Ю.Я., Центер Б.И., Богомазов В.А. Электромобиль: Техника и экономика/ В.А. Щетина, Ю.Я. Морговский, Б.И. Центер, В.А. Богомазов / Под общ. ред. В.А. Щетины. Л.: Машино-строение. Ленингр. отд-ние, 1987. 253 с.


72

Способы повышения эффективности внутрифирменного финансового планирования

Троценко Иван Олегович, студент магистратуры Кубанский государственный технологический университет (г. Краснодар)

В данной статье рассмотрены способы совершенствования системы внутрифирменного финансового пла-

нирования коммерческой организации.

Ключевые слова: внутрифирменное планирование, финансовое планирование, предприятие.

Финансовое планирование занимает важное ме-сто в благополучном функционировании предприя-тия. Прогнозирование движения денежных средств дает возможность определить финансовые возмож-ности компании в краткосрочном и долгосрочном периоде, достаточность собственных средств для покрытия своих обязательств и текущих расходов.

При современной нестабильности Российской экономики, когда имеет место фактор неопределен-ности, проявляется необходимость внутрифирменно-го финансового планирования для обеспечения фи-нансовой устойчивости предприятия и защиты от воздействия отрицательных внешних факторов, а также достижения наилучшего результата финансо-во-хозяйственной деятельности. Устойчивость финан-сового положения предприятия значительно зависит от целесообразного и рационального вложения фи-нансовых ресурсов в активы. В связи с этим, эффек-тивный механизм внутрифирменного финансового планирования позволит обеспечить рациональность и результативность использования ресурсов пред-приятия [1, с. 47]

В современных экономических условиях суще-ствуют проблемы внутрифирменного финансового планирования, которые можно условно разделить на две группы:

проблемы эффективности и точности;

организационные проблемы, которые включают в себя нормативное обеспечение и регламентирова-ние, кадровое и информационное обеспечение [2, с. 26].

Проблемы эффективности и точности внутри-фирменного финансового планирования на предпри-ятии возникают в процессе влияния внешних и внут-ренних факторов. Внешние факторы - факторы, ко-торые не зависят от предприятия. Они объясняются условиями неустойчивой экономической ситуацией, высокой конкуренцией. Вследствие колебания цен плановые показатели могут существенно отклонять-ся от фактических, а именно:

фактическая выручка от продаж может быть намного ниже запланированной вследствие измене-ния цен на продукцию;

фактическая себестоимость продукции может быть выше плановой вследствие удорожания мате-риалов и комплектующих;

фактические коммерческие расходы могут пре-вышать плановые из-за роста цен на транспортные услуги, горючее и упаковочные материалы.

Фактором, который наибольшим образом снижа-ет эффективность внутрифирменного финансового планирования, является себестоимость продаж.

Следовательно, основной задачей повышения эффек-тивности внутрифирменного финансового планиро-вания на предприятии является выполнение плано-вых показателей себестоимости продукции, а также коммерческих и управленческих расходов [2, с. 27].

Важной проблемой организации внутрифирмен-ного финансового планирования на предприятии является отсутствие нормативного регулирования. Вследствие этого сотрудник, занимающийся плани-рованием, встречается с трудностями при взаимо-действии с руководящим звеном и сотрудниками других отделов при сборе информации, которая необходима для расчета плановых показателей. В целях преодоления этой проблемы может быть раз-работан локальный нормативный документ, который регламентирует процесс внутрифирменного финан-сового планирования, а также обязанности руково-дителей всех отделов, принимающих участие в этом процессе.

Также значимое влияние на эффективность внут-рифирменного финансового планирования оказывает его кадровое обеспечение. Нехватка кадров, загру-женность персонала текущей работой приводят к тому, что задачи внутрифирменного финансового планирования отходят на второй план. Кадровая проблема усугубляется также неэффективным ин-формационным обеспечением процесса внутрифир-менного финансового планирования.

Основными недостатками внутрифирменного фи-нансового планирования на многих предприятиях являются:

многие предприятия отказываются от перспек-тивного планирования из-за высокой скорости изме-нения внешних факторов;

отсутствие в разрабатываемых планах целост-ной структуры, необходимых разделов и показате-лей, это не обеспечивает комплексность планирова-ния и уменьшает эффект от его применения в дея-тельности предприятия;

при разработке отдельных элементов текущего планирования используются разные источники ин-формации, и это приводит к расхождению некоторых данных и к несогласованности плановых заданий по различным областям деятельности и структурным единицам предприятия;

разрабатываемые планы имеют директивную форму, не являются гибкими, это приводит к сниже-нию качества плановых заданий и несоответствию их реально сложившейся ситуации.

Для предприятия необходимо разработать пути совершенствования системы внутрифирменного фи-нансового планирования, для того чтобы устранить


73

выявленные недостатки и повысить общую эффек-тивность деятельности.

В соответствии с причинами, влияющими на фи-нансовое планирование, можно сформулировать следующие принципы постановки системы планиро-вания для обеспечения его эффективности [3, с. 176].

Во-первых, финансовое планирование, его после-дующая корректировка должна осуществляться по принципу «сверху вниз». Это обеспечит системность, самодостаточность и комплексность финансовых планов. При этом «сверху» имеется в виду от учре-дителей, инвесторов, т.е. владельцев бизнеса.

Во-вторых, при финансовом планировании долж-но учитываться влияние внешних и внутренних рис-ков. Любое планирование финансовой деятельности всегда связано с определенной степенью риска. Именно в связи с этим для руководителей фирм и специалистов, занимающихся финансовым планиро-ванием на предприятии особое значение должно иметь планирование рисков. В идеале любой финан-совый план должен включать в себя раздел «Управ-ление рисками», котором отражалась бы возмож-ность возникновения или наличие тех или иных рис-ков, а также выявление путей их снижения.

В-третьих, необходимо планировать действия, ко-торые бы компенсировали реальные угрозы конку-рентов. Современная экономика - это огромный ме-ханизм, с множеством субъектов, которые прямо или косвенно влияют на различные процессы, связанные с деятельностью конкретного предприятия.

В-четвертых, необходима оптимизация планов с учетом стратегических интересов собственников биз-неса, по экономическим и инвестиционным показа-телям.

В-пятых, система внутрифирменного финансового планирования должна системно контролироваться, иначе реализация даже самых лучших финансовых планов не будет эффективной.

В-шестых, система внутрифирменного финансо-вого планирования должна включать систему моти-вации для главных руководителей и специалистов.

Реализация этих принципов организации финан-сового системы планирования даст возможность реализовать стратегию, которая позволит миними-зировать вероятность потерь.

Также для совершенствования внутрифирменно-го финансового планирования может быть проведен ряд мероприятий:

оценка активов по рыночной стоимости;

отказ от бартерных и других не денежных ви-дов расчетов;

проведение анализа устойчивости организации на рынке на всех этапах стратегического развития;

проведение инвентаризации материальных цен-ностей и приведение их структуры к нормативным показателям;

проведения анализа условий кредитования раз-личными кредитными организациями и выбор наиболее приемлемого варианта.

Корректировка по данным аналитических иссле-дований финансовой политики организации дает возможность выработать эффективный финансовый план, который будет обеспечивать баланс потребно-стей в ресурсах для стратегического развития и финансовых возможностей, с рациональным распре-делением финансовых ресурсов по статьям расходов. Это дает возможность использовать все ресурсы производства (финансовые, трудовые и материаль-ные) с максимальной эффективностью.

Для успешного функционирования предприятия необходима увязка целей и задач развития пред-приятия. А для этого должен быть осуществлен пе-реход от традиционной схемы организации внутри-фирменного финансового планирования к использо-ванию процессного подхода. Конечной целью такого подхода является синхронизация деятельности пред-приятия с потребностями потребителя, что обеспечи-вает рост уровня конкурентоспособности предприя-тия [4, с. 106].

Таким образом, при повышении качества внут-рифирменного финансового планирования необхо-димо учитывать следующее:

1. Работа по совершенствованию организации внутрифирменного финансового планирования и контроля на предприятии должна начинаться с вы-явления существующих проблем, которые являются факторами, ограничивающими достижение постав-ленных целей предприятия.

2. Система внутрифирменного финансового пла-нирования и контроля должна рассматриваться как составная часть всей системы планирования на предприятии, используя единый подход к выбору методов и инструментов для всех видов планов, со-ставляемых на предприятии.

3. В зависимости от наличия у предприятия тех или иных проблем в области внутрифирменного финансового планирования, необходимо уделять особое внимание определенным функциям внутри-фирменного финансового планирования, акцентируя на их реализации наибольшее количество сил и средств.


1. Бочаров В. В. Финансовое планирование и бюджетирование : учеб. пособие для бакалавров всех форм обучения по специальности «Финансы и кредит» / В. В. Бочаров. - СПб. : СПбГЭУ, 2017. - 90 с.

2. Раджабова З. К., Раджабова А. О. К вопросу повышения эффективности внутрифирменного финансо-вого планирования в условиях предприятия // Фундаментальные исследования. -2014. - № 6-1. - С. 176-179

3. Петросов А. А. Стратегическое планирование и прогнозирование: учеб. пособие / А. А. Петросов. - М, : МГТУ, 2011. - 464 с.

4. Асхабалиев И. Ч., Омарова З. К. Основные проблемы внутрифирменного финансового планирования на предприятии и инструменты их решения // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2015. - № 4-1. - С. 162-164


74

Пути совершенствования бюджетирования на предприятии

Троценко Иван Олегович, студент магистратуры Кубанский государственный технологический университет (г. Краснодар)

В данной статье рассмотрены пути совершенствования бюджетирования на предприятии, а также

ошибки, которые могут возникнуть в ходе применения бюджетирования.

Ключевые слова: бюджетирование, планирование, финансы.

В целях повышения эффективности управления предприятием требуется применение современных, хорошо зарекомендовавших себя в мировой и отече-ственной практике инструментов. К их числу отно-сится бюджетирование.

Бюджетирование является такой управленческой технологией, которая основана на разработке теку-щих и стратегических планов по достижению по-ставленных целей хозяйственной деятельности пред-приятия на определенный период. На основании составленных бюджетов происходит обобщение дан-ных для анализа, контроля и последующей выработ-ки управленческих регулирующих решений в про-цессе достижения поставленных целей.

Следовательно, общим назначением бюджетиро-вания в организации является то, что бюджетирова-ние выступает основой планирования и принятия управленческих решений, оценки всех аспектов фи-нансовой состоятельности компании и укрепления финансовой дисциплины.

Процесс бюджетирования позволяет координиро-вать деятельность всех бюджетных центров, повы-сить оперативность управления, уменьшить риски, связанные с финансово-хозяйственной деятельно-

стью, эффективно управлять всеми видами ресурсов на всех уровнях управления, обеспечивая достиже-ние целевых показателей развития.

При организации бюджетирования у хозяйству-ющих субъектов могут возникнуть трудности с внед-рением системы, из-за этого полученные результаты могут не соответствовать заявленным требованиям в связи со следующими причинами:

отсутствие четкой стратегии развития вместе с невозможностью определения четких приоритетов развития организации;

сложность организации системы бюджетирова-ния;

недостаточный учет ситуаций с ресурсами, иг-норирование ситуаций, происходящих во внешней среде;

наличие внутренних проблем бюджетирования, к которым может относиться отсутствие системы оперативного учета или недостаток в ее работе, недоработки системы документооборота, недостатки в организации центров ответственности и т.п.

Некоторые ошибки применения бюджетирования представлены в таблице 1.

Таблица 1. Ошибки применения бюджетирования на предприятиях

Ошибки применения бюджетирования Последствия

Отсутствие взаимосвязи между долго-срочными и годовыми бюджетами

Бюджетирование не работает на реализацию стратегии, бюджеты неотражают, насколько выполнима миссия компании

Бюджетирование с отрывом от реально-сти

Менеджеры компании изначально не верят в достижимость за-данных значений бюджетных показателей, в связи с этим степень их мотивации н реализацию бюджета достаточно низкая

Бюджетные цели бизнеса не взаимосвя-заны, либо взаимосвязаны неочевидно

Бюджеты не помогают сбалансировать деятельность предприятий

Противоречие друг другу индикаторов деятельности отдельных бизнес-единиц, контролируемых бюджетами

Направления интересов руководителей этих подразделений раз-нонаправлены и не всегда соответствуют направлению движения к бюджетным целям компании

Бюджетирование поощряет экономию затрат, но не их оптимизацию

Ослабление рыночной позиции, нереализованные возможности

При исполнении бюджетов руководство чрезмерно увлечено жестким финансовым контролем и др.

Инициатива менеджеров ограничена рамками бюджета, реакция на внеплановые события замедленная или отложенная до следу-ющего бюджетного периода.

Для эффективного управления финансами пред-

приятия с помощью системы бюджетирования необ-ходимо соблюдение следующих принципиальных требований.

1. Создание самой системы бюджетирования должно быть эффективным: эффект, получаемый от внедрения бюджетирования, не должен быть пре-

вышен издержками, связанными с планированием и контролем.

2. В основе установления требований к функци-онированию системы должна быть объективная оценка ситуации. То есть в бюджетах должны быть заложены достижимые, обоснованные, но напря-женные показатели. При этом планирование должно


75

осуществляться с учетом потенциальных возможно-стей и изменений во внешней и внутренней среде.

3. Должен предусматриваться порядок управ-ления «по отклонениям», при котором внимание управляющих будет концентрироваться на значи-тельных отклонениях, превышающих установленные значения.

4. Внедрение и функционирование бюджетиро-вания должны быть подкреплены системой мотива-ции. Бюджетное управление будет эффективно ра-ботать лишь в том случае, когда все сотрудники, а также руководители центров ответственности напрямую заинтересованы в выполнении бюджетов своих подразделений.

5. Для нужд бюджетирования должна быть со-здана мощная необходимая информационная база. Она должна включать в себя системы управленче-ского учета, прогнозно-аналитическую систему, эф-фективную систему электронной обработки данных.

6. Должно обеспечиваться создание и развитие системы контроля. Бюджетирование без обратной связи не имеет смысла. В роли обратной связи в данном случае выступает контроль выполнения бюджета.

7. Необходимо, чтобы была развита система внутренних коммуникаций. Система бюджетирова-ния должна удовлетворять коммуникационные за-дачи, такие как согласование планов подразделений, поиск компромиссов, закрепление ответственных исполнителей, координацию функциональных блоков планирования. Особенно важным является обеспе-чение четкого взаимодействия «плановиков» и руко-водителей всех уровней управления.

Повысить оперативность, точность и легкость по-нимания конечных результатов бюджетирования

можно за счет использования специального про-граммного обеспечения - автоматизированных си-стем. Автоматизация имеет большое значение для процесса внутрифирменного финансового планиро-вания и бюджетирования. Управляющим и эконо-мистам, которые формируют финансовые планы и отвечают за их эффективность, качественность и своевременность, а также бухгалтерским подразде-лениям, необходим программный продукт, который будет способен оказать реальную помощь в повы-шении финансового состояния данного предприятия. Благодаря информационным системам работа по планированию выполняется намного быстрее, значи-тельно уменьшается количество ошибок, предостав-ляется возможность отказаться от обработки «вруч-ную» большого количества информации [1, с. 148].

Как один из способов совершенствования систем бюджетирования можно рассмотреть программный продукт «Vega: Платежный бюджет». В рамках данной программы есть возможность планировать, осуществлять текущий контроль расходования и анализ движения денежных средств.

«Vega: Платежный бюджет» делает проще кон-троль денежных потоков, увеличивает платежеспо-собность и позволяет предсказать будущее финансо-вое положение. Продукт эффективен как в неболь-шой торговой фирме, так и на крупном производ-ственном предприятии.

Таким образом, корректное ведение процесса бюджетирование, его постоянное совершенствование и учет ошибок даст возможность выстроить грамот-ную и эффективную систему, которая будет способ-ствовать сохранению позиций компании на рынке и расширению ее деятельности в условиях конкурен-ции.


1 Земляков Ю. Д., Лобковская О. З., Кулакова Ю. В. Проблемы совершенствования методологии страте-гического планирования на предприятии // Вестник международной академии системных исследований. Информатика, экология, экономика. - 2017. - № 15. - С. 36-43

УДК 671.743.4

Роль газопроницаемости на «передув» жидкостекольной смеси

Фирстов А.П., доцент, к.т.н. Нижнетагильский технологический институт (филиал) Уральского Федерального Университета,

г. Нижний Тагил

Аннотация. От свойств жидкостекольных форм, таких как прочности, газопроницаемость, во многом за-

висит качество получаемых отливок. Если газопроницаемость смеси недостаточна, то газы не только попа-

дают в металл, что вызывает брак отливки, но и создают условия для возникновения на поверхности отливки

пригара вследствие передува.

Ключевые слова: жидко-стекольная смесь, газопроницаемость, коэффициент проницаемости, СО2-

процесс.

The role of gas permeability on the "over" liquid mixture

Firstov Alexander Petrovich, associate Professor, PhD Nizhny Tagil technological Institute (branch), Ural Federal University, Nizhny Tagil

Abstracts. The quality of the castings largely depends on the properties of liquid glass forms, such as strength, gas

permeability. If the gas permeability of the mixture is insufficient, the gases not only get into the metal, which causes the

casting to be defective, but also create conditions for the occurrence of a burn on the surface of the casting, as a result

of pereduv.


76

Keywords. liquid-glass mixture, gas permeability, coefficient of permeability, CO2-process.

Большинство авторов считают, что возможность снизить или убрать основной недостаток жидкосте-кольной смеси, как пригар и снижение прочностных характеристик в интервале температур 400 ¥ 6000С, при СО2-процессе, без введения улучшающих смесь добавок, сводятся к предотвращению возникновения передува в жидкостекольной смеси углекислым га-зом, где основной причиной передува считается по-явление и накопление гидрокарбоната натрия (NaHCO3) в приграничных с металлом слоях формо-вочной смеси [1,2].

На практике жидкостекольная смесь имеет га-зопроницаемость в пределах 50 ¥ 150 м4/Н•с [1], а при благоприятных условиях может иметь значение, 200 ¥ 400 м4/Н•с [3]. Таким образом, анализ жид-костекольных смесей проводился при газопроницае-мости 50,100,150 и 200 м4/Н•с.

Для решения, поставленной в статье, задачи определялись следующие характеристики: время продувки стандартного образца, коэффициент про-ницаемости смеси, и количественный состав карбо-натов, появившийся при продувке образца углекис-лым газом.

Учитывая большое влияние различных факторов на газопроницаемость, таких как зерновой состав, однородность по размерам, форма зерен и глинистая составляющая, для минимизации факторов была взята именно эта характеристика.

Определение газопроницаемости вели по стан-дартной методике (ГОСТ 23409.6-78) на аппарате

LPiR-3e, фирмы «MULTISERW-Morek», Польша. Параллельно замеряли время продувки стандартно-го образца воздухом. Давление, при стандартных параметрах, в системе составляет 0,01 МПа.

Из диаграммы (рис.1.) видно, что при газопрони-цаемости ниже 100 м4/Н•с идет резкое увеличение время прохождения газа через 50 миллиметровый образец.

По полученным данным появляется возможность определить коэффициент проницаемости жидкосте-кольной смеси. Полагая, что процесс расширения газа при фильтрации через образец происходит изотермически, по закону Бойля-Мариотта, формула для количественной оценки коэффициента проница-емости смесей при линейной фильтрации газа запи-шется следующим образом [4]:

22

2

выхвх

овпр

PPF

LPVk (1)

где Vв – объем профильтрованного сквозь обра-зец воздуха, 2000 см3;

Ро, Рвх, Рвых. – атмосферное, входное и выходное давления, Р•105, Па;

μ – динамическая вязкость CO2 при 20оС, 0,01463 мПа•с;

L – длина образца смеси, 5,0 см; F – площадь образца смеси, 0,00196 см2;

– время фильтрации воздуха, с, (рис.1).

Рис. 1. Время прохождения воздуха через стандартный образец при давлении 0,01 МПа для жидкостекольных смесей с содержанием оксида натрия, 10% и 14 %


77

Расчеты по формуле 1 показали, что коэффици-ента проницаемости для жидкостекольных смесей с содержанием Na2O = 10% при различной газопро-ницаемости (50¥200 м4/Н•с) равен (3,5¥3,55)•10-12 м2, (3,5¥3,55 Darcy), а, с содержанием Na2O=14% – (2,75¥2,8)•10-12 м2, (2,75¥2,8 Darcy).

Таким образом, для получения одного и того же коэффициента проницаемости, при различном зер-новом составе смеси, форме зерна и упаковке, необ-ходимо различное время продувки образца. Пони-жение коэффициента проницаемости связано с уве-личением процентного содержания крепителя в сме-си, то есть проницаемость одной и той же пористой среды для данного газа в зависимости от количе-ственного состава смеси будет различной.

Совсем другая картина прослеживается при пропускании через образец, длиной 10 см., углекис-

лый газ. Проводя исследования при различных зна-чениях давления (0,05¥0,2 МПа), газопроницаемо-сти (50¥200 м4/Н•с), полученные результаты [5] подставляли в формулу 1, с различной глубиной отверждения, и соответствующим временем. Коэф-фициент проницаемости был равен 5•10-15 м2 (5•10-3

Darcy). Это можно объяснить структурными измене-ниями, произошедшими в смеси при пропускании через образец газа, т.е. образование коллоидной фазы и карбонатов, полностью блокирующую пори-стую структуру на глубину отверждения. Продукты реакции на три порядка меньше наполнителя смеси (песок ≈ 0,16¥0,315 мм., коллоидной фаза ≈ 3•10-4 мм), и при их образовании будут располагаться на поверхности наполнителя, уменьшая поровое про-странство (рис.2).

а. б.

Рис. 2. Эскиз жидкостекольной смеси: а. и б. – до и после продувки углекислым газом

В технической литературе встречаются информа-ция, что формовочную смесь приравнивают к опре-деленным породам и грунтам. Так, Кукуй Д.М. пи-шет, что «формовочная смесь по своему составу и свойствам близка к грунтам» [6], а в Ползуновском вестнике [7] формовочную смесь соотносят к лёссовой породе. Сравнивая полученные данные по коэффи-циенту проницаемости со следующими источниками [8], получаем, что свежеполученная жидкостекольная

смесь по газопроницаемости схожа с мелкозерни-стым песком и породами: супесь и глинистый песча-ник, а продувка жидкостекольной смеси углекислым газом приводит к структуре схожей с песчаными глинами и породам: суглинок и глинистый сланец. Таким образом, жидкостекольная смесь переходит из слабопроницаемого класса к весьма слабопрони-цаемому классу (рис.3).

Рис. 3. Классификация пород по проницаемости [8]

Причину такого резкого падения газопроницае-мости решено было найти, применив метод потен-циометрического титрования (ГОСТ 26424-85), ис-следовав отвержденные участки образца (рис.4).

Сущность метода заключается в титровании рас-твором серной кислоты в водной вытяжке ионов карбоната до рН–8,3, а бикарбоната - до рН–4,4, что соответствует константам диссоциации угольной кислоты по первой и второй ступеням, соответствен-но. Конечную точку титрования устанавливали по изменению окраски индикаторов: фенолфталеина (рН 8,3) и метилового оранжевого (рН 4,4). Подоб-ные исследования проводили авторы: Берг П.П.,

Гуляев Б.Б. и Фейгельсон Б.Ю. [9]. Но, применяя для продувки давления 0,15 и 0,2 МПа при меняющейся газопроницаемости 100, 150 и 200 м4/Н•с, разбег по глубине отверждения огромный (для давления 0,15 МПа – от 35 до 80 мм, и смеси для давления 0,2 МПа – от 45 до 95 мм), и для наглядности результа-ты приведены к процентным отношениям. Парамет-ры по давлению ниже 0,15 МПа и газопроницаемо-сти ниже 100 м4/Н•с. не приведены, так как для СО2-процесса применение этих параметров не жела-тельно по причине высокого расхода газа и по по-вышенному времени продувки [5].


78

Рис. 4. Распиленный образец жидкостекольной смеси, продутый углекислым газом

На приведенной диаграмме (рис.5) за 100% взято общее число карбонатов, и голубым цветом обозна-чено содержание гидрокарбоната натрия (NaHCO3), а светлокремовым цветом – содержание карбоната натрия (Na2CO3) в отвержденных частях образца. Цифры под столбцами показывают наличие карбо-натов при газопроницаемости:

– для 100 м4/Н•с (столбец 1 и 2); – для 150 м4/Н•с (столбец 3 и 4); – для 200 м4/Н•с (столбец 5 и 6). Вариация по давлению: – для 0,15 МПа левые столбцы у указанных вы-

ше пар (столбец 1,3,5); – для 0,2 МПа правые столбцы у указанных

выше пар (столбец 2,4,6).

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7

Ряд1 Ряд2 Ряд3 Ряд4

Рис. 5. Отношение карбонатов при различных параметрах воздействия их на жидкостекольную

смесь

Диаграмма показывает, что при газопроницае-мости 100 м4/Н•с накопление гидрокарбоната натрия значительное, и его наличие может привести к образованию гидрокарбоната натрия, что, в свою очередь, появлению пригара и значительному увели-чению трудоемкости финишных операций. Повыше-ние газопроницаемости (> 100 м4/Н•с) приводит к резкому уменьшению гидрокарбоната натрия, что устраняет возникновение пригара. Повышение дав-ления так же играет значительную роль и является, как и газопроницаемость, основным фактором для недопущения в жидкостекольной смеси «передува».

Подача кислого реагента при СО2-процессе явля-ется фронтальным, и этот «недостаток» в данном процессе никак не убрать, а снижение «передува» возможно при оптимальном режиме по газопрони-цаемости и давлению.


1. Лясс А. М. Быстротвердеющие формовочные смеси. / М.: Машиностроение., 1965. – 332 с. 2. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. / М.: Машиностроение, 1989. – 288 с. 3. Нарский А.С. Технология изготовления литейных стержней и форм из жидких самотвердеющих смесей

/ М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1965. – 84 c. 4. Бжицких Т.Г., Санду С.Ф., Пулькина Н.Э. Определение физических и фильтрационно-емкостных

свойств горных пород / Томск: ТПУ, 2008. – 90 с. 5. Фирстов А.П. Оптимизация расхода углекислого газа при СО2-процессе / Литейщик России. 2019. № 3.

С. 31–35. 6. Кукуй Д.М., Скворцов В.А., Эктова В.Н. Теория и технология литейного производства. Мн.: Дизайн

ПРО, 2000. – 416 с. 7. Тищенко А.И., Корнеев И.А., Агапов М.Н / Оценка прочности индивидуального контакта между твер-

дыми структурными элементами лёссовых оснований зданий массовой серийной застройки / Ползуновский вестник № 1–2 2007 стр. 55 – 57.

8. Cправочное руководство гидрогеолога / под ред. B. M. Mаксимова, Л. 3 изд., 1979. т. 1, 512 с. 9. 27-й Международный конгресс литейщиков: 19-27 сентября 1960 г., Цюрих / ред. П. П. Берг ; пер.: Б.

Ю. Фейгельсон, Б. Б. Гуляев. - М. : Машгиз, 1961. - 423 c.


79

УДК 519.8.622.647

Использование элементов теории массового обслуживания при решении задач надежности горно-транспортных машин

Хачaтрян С.А., Мерзляков В.Г. Московский политехнический университет

Аннотация. Разработана математическая модель отдельного конвейера и в цепи конвейерной системы

шахты, позволяющую рассчитать основные показатели их надежности в любой период времени и прогнозиро-

вать надежность системы в перспективе.

В статье показано, что использование элементов теории массового обслуживания вполне адекватно опи-

сывает работу таких сложных систем, которыми являются шахтные конвейеры.

Ключевые слова: конвейерная система, эксплуатационный закон распределения, вероятность, надеж-

ность, формулы Эрланга, восстановления отказов, интенсивность отказов, интенсивность восстановления.

The use of elements of the theory of queuing in solving problems of reliability of mining and transport machines

Khachatrian S.A., Merzlyakov V.G. Moscow Polytechnic University

Abstract. Developed a mathematical model of a separate Conveyor or of a chain of the mine conveyor system allow-

ing to calculate main indices of their reliability at any period of time and predict the system reliability in the long view.

It is shown there that the use of the waiting theory elements describes completely adequate performance of such

complicated system what mine conveyors are.

Keywords: conveyor system, exponential failure law, probability, reliability, Erlangen formula, rate of failure, fail-

ure, resilience rate.

Введение

Проблема надежности стоит в центре современной техники, а исследование природы надежности на разных

уровнях ее конкретизации делает практически необходимой и теоретически значимой разработку стратегии

совершенствования современного и создания перспективного горнотранспортного оборудования.

Ненадежность систем и технических устройств приводит к большим экономическим потерям, повышенной

трудоемкости и опасности для обслуживающего персонала.

С увеличением времени эксплуатации конвейерной линии ее надежность снижается в сравнении с проект-

ной вследствие амортизации узлов и деталей конвейера.

По мере расходования ресурса растет число отказов, возрастают расходы на восстановление работоспособ-

ности, увеличиваются простои конвейерных линий.

Поэтому, создание математической модели надежности конвейерных систем является актуальным вопро-

сом.

Цель исследования. Использование элементов теории массового обслуживания при решении задач надежно-

сти транспортных систем.

В теории надежности процессы возникновения отказов, проведения ремонта элементов производственных

систем описывают методами теории массового обслуживания [1].

В этом случае работа любой системы массового обслуживания представляется в виде системы, на вход ко-

торой поступает в общем случае случайный поток требований с заданной интенсивностью . В зависимости

от показателя обслуживания (восстановления) системы и характера потока требований система с некото-

рыми вероятностями Р0(t), Р1(t), …, Рn(t) может находиться в различных n (n=0,1,2,…) возможных состояниях в

любой момент времени t, т.е. число состояний системы конечно. Сами вероятности Р1(t) количественно харак-

теризуют качество или эффективность «обслуживания» технических систем, в том числе конвейерных линий.

Следовательно, процесс функционирования системы массового обслуживания представляет собой случайный

процесс дискретного типа.

Совокупность всех вероятностей Рi(t) (i=0,1,…,n) характеризует распределение дискретной случайной вели-

чины Х(t), принимающий значения Х0, Х1,…, Хn в заданный момент времени t, поэтому справедливо равенство

вида

, (1)

Если известно, что в начальный момент времени t=t0 система находилась в состоянии i (Pi(t)=1, Pj≠i(t)=0,

j=0,1,…, i-1, i,…n), то за любой промежуток времени (t0, t0+ t1) ожидается новое распределение вероятностей

Р1(t=t1),а в момент времени t=t2- распределение вероятностей Рi(t=t2) и так далее с вероятностями перехода в

эти состояния, равными Рik(t0, t1 +t2),k=0,1,…,i,…,n.


80

Все динамические системы, к которым относятся и конвейерные системы шахт, являются системами без по-

следствия, так как большинство показателей их надежности описывается экспоненциональным законом рас-

пределения.

Важно определить вероятность перехода системы из одного (исправного) состояния в другое (неисправное)

и, наоборот:

Рk(t+∆t) = . (2)

В уравнении (2) величины есть условные вероятности того, что за время техническая система

(конвейер) перейдет от i приводов, находящихся в ремонте, к числу k, или тоже самое, вероятность перехода

обслуживающей системы от i неработающих приводов к числу неработающих приводов k. Положим k=0 и

определим - вероятность того, что в технической системе (конвейере) через время не будет ни

одного вызова на ремонт привода при условии, что в начальный момент все приводы были в рабочем состоя-

нии. В этом случае за время не поступает ни одного вызова на ремонт, т.е. все привода конвейера будут в

рабочем состоянии, и вероятность этого случая равна

1-w =1- +0

Но также возможен случай, что за время наступит один вызов на ремонт, который будет обслужен и по-

кинет обслуживающую систему конвейера. Тогда по истечении времени все обслуживающие привода кон-

вейера также будут в рабочем состоянии. Вероятность того, что данный вызов будет обслужен за время, не

превосходящее равна

P =1- +0

Таким образом, вероятность того, что за время вызов на ремонт привода поступит и будет обслужен,

не превосходит величины

w P =[ +0 ][ +0 ]= +0 ,

т.е. более высокого порядка малости, чем . Вероятность же того, что за время поступят и будут об-

служены два и более вызовов, еще меньше. Следовательно, по теории сложения вероятностей несовместных

событий имеем

P00 =1- +0 .

Затем найдем значение вероятности Рkk . Учитывая, что =1, означающее что случайные

события перехода конвейерной системы из состояния k неработающих приводов к состоянию i неработающих

приводов (i=0,1,…,k-1,k+1,…,n) с учетом события: за время система остается в прежнем состоянии, образу-

ют полную группу событий. Тогда получим

Pkk =1-Pk0 -Pk1 -…- Pkn . (3)

Очевидно, что все члены в правой части равенства (3) , кроме Pk(k-1) и Pk(k+1) , есть бесконечно ма-

лые величины более высокого порядка малости, чем . Т.к. Pki при есть вероятность того,

что за время в обслуживающую систему поступят не менее двух вызовов на ремонт приводов (при i-k ),

а вероятность этого события равна

𝜓 )=0 ( ,

т.е. за тоже время обслуживающую систему покинут не менее двух восстановленных приводов (при k-

2). Вероятность этого события равна [P ]k-i = [1- ]k-i = [ +0 ]k-i = 0 , т.е. эта вероят-

ность есть бесконечно малая величина более высокого порядка малости, чем (при ).

Следовательно, имеем

Pki ( ) = 0( ( ).

Тогда равенство (3) можно записать в виде

Pkk( ) = 1-Pk(k-1) ( ) – Pk(k+1) ( ) +0( ). (4)

Вычислим величину Pk(k-1) ( ) – вероятность того, что за промежуток времени из k ремонтируемых при-

водов освободится, по крайней мере, один из них. Вероятность того, что за время привод не восстановится

равна вероятности того, что время ремонта превысит , т.е.

1-P( )=

С учетом того, что приводов конвейера равно k, то вероятность того, что не будет отремонтирован ни один

из них, определяются по теореме умножения вероятностей для независимых событий и равна

( k =


81

Следовательно, используя вероятность того, что за время будет отремонтирован хотя бы один из приво-

дов, равна

= k + 0( ( .

Учитывая, что вероятность ремонта двух и более приводов за время имеет малости 0( , то вероятность

того, что за время будет восстановлен точно один привод из k, равна

Pk(k-1) ( ) = k + 0( (0 ).

Заметим, что вероятность начала и окончания ремонта одного и того же числа отказавших объектов за время

также имеет порядок малости .

Необходимая вероятность Pk(k-1) ( ) с точностью до равна

Pk(k+1) ( ) = + 0 ( ) (0 ).

С учетом полученных выражений для Pk(k-1) ( ) и Pk(k+1) ( ) равенство (4) примет вид

Pkk ( ) = (0 ).

Аналогично из формулы (4) получим величину Pnn ( ) при условии, что Pn(n+1)( )=0 (переход от n ремон-

тируемых приводов к n+1 восстанавливаемому приводу невозможно, т.к. их всего n по условию постановки

задачи). Отсюда получим

Pnn ( ) =

Подставляя полученные выражения в (2) при k=0, 1 и k = n, получим следующую группу

уравнений:

(5)

После некоторых преобразований (перенос в первом уравнении , во втором , а в третьем ;

деление обеих частей всех уравнений на ) и переходе к пределу при окончательно получим

(6)

Неизвестные функции Pk(t) (k=0,1,…,n), зависящие от параметров и , содержат произвольную постоян-

ную, которая определяется из условия нормировки

, (7)

Так как нет необходимости иметь точные решения системы (6), то решение последней получают из системы

вида

(8)

Система (8) получена из системы (6) на основе теоремы Маркова (существование пределов

( ) и равенства нулю предела при левых частей системы (6) и явля-

ются системой линейных однородных алгебраических уравнений относительно неизвестных P0, P1,…,Pn.

Решение системы (8) имеет вид

(k=1,2,…,n) (9)

где

, (10)

Таким образом, формулы (9) и (10), называемые формулами Эрланга определяют решение поставленной за-

дачи (в предельном случае при ).

На основе их можно вычислить основной критерий функционирования конвейерной системы вероятности ее

отказа. Т.к. очередное требование на ремонт не будет принято на обслуживание только в том случае, когда все


82

привода будут находиться в ремонте, т.е. если k=n. Поэтому, вероятность отказа всей конвейерной системы

равна

(11)

C введением величины приведенной плотности потока вызовов на ремонт приводов (коэффициент

неисправностей обслуживаемой конвейерной системы) формулы (9)-(11) примут вид

(k=1,2,…,n); ; (12)

С учетом полученных формул можно определить математическое ожидание числа приводов, находящихся в

ремонте

. (13)

Заключение

Заметим, что несмотря на то, что только при допущении о показательном распределении времени ремонта

приводов конвейерной системы, процесс становится процессом Маркова и для этого случая получены формулы

(9)-(11), тем не менее эти формулы имеют гораздо более широкое применение. В работах Севастьянова Б.А.

показано, что эти формулы справедливы также и при произвольном законе распределения времени ремонта

(восстановления) объектов сложных технических систем, к которым относятся конвейерные линии угольных

шахт [2].


1. Кофман А., Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложения. □ М.: Изд-во «Мир», 1965. □

284с.

2. Севастьянов Б.А. Эргодическая теория для марковских процессов и ее приложение к телефонным си-

стемам с отказами. Сб «Теория вероятностей и ее приложения». □ 1957. □ т.2, вып.1 □ с.106-116

3. Хачатрян С.А. Проблемы надежности конвейерного транспорта угольных шахт. □ Санкт-Петербург,

2004. □ 181с.

УДК 622.45:536.244

Оценка эффективности рекуперативной системы регулирования теплового режима шахт и рудников криолитозоны,

работающей в регенеративном режиме

Хохолов Юрий Аркадьевич, доктор технических наук, в.н.с.; Киселев Валерий Васильевич, кандидат технических наук, с.н.с.

Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (г. Якутск)

С использованием разработанной математической модели сделана оценка эффективности рекуператив-

ной системы регулирования теплового режима рудника криолитозоны, работающей в регенеративном режи-

ме. Результаты расчетов, приведенные в графической форме, свидетельствуют о эффективности предлагае-

мой безэнергетической системы подогрева рудничного воздуха, основанной на комплексном использовании

теплоотдачи двух источников тепла: аккумулированного породным массивом, окружающим теплоаккумули-

рующую выработку, а также исходящей вентиляционной струи.

Ключевые слова: криолитозона, тепловой режим шахт и рудников, рекуперативная система, регенератив-

ный режим, теплообмен, температура воздуха.

DOI: 10.5281/zenodo.3603869

Безопасность и эффективность подземной разработки месторождений минерального сырья криолитозоны, залегающих в толще мерзлых пород, во многом определяется тепловым режимом (ТР) горных выработок и окружающего их породного массива. Наибольшее распространение на шахтах и рудниках Севера получили безэнергетические системы подогрева и охлаждения рудничного воздуха, основанные в основном на ком-плексном использовании теплоотдачи как тепла накопленного породным массивом окружающим горные выработки, так и исходящей вентиляционной струи, аккумулирующей тепловую энергию всех источников находящихся в руднике [1-3]. Такие системы также называются горнотехническими, к ним, в частности, отно-сятся регенеративные и рекуперативные [1]. Регенеративные основаны на использовании массива горных


83

пород окружающих теплоаккумулирующую выработку (ТАВ) в качестве аккумулятора накопления тепловой энергии исходящей вентиляционной струи, которая сначала передается породному массиву, а затем (на вто-ром этапе) отбирается струей холодного воздуха поступающего в рудник для вентиляции. Иными словами, в этом случае происходит двухступенчатая передача тепловой энергии. А в рекуперативных системах теплооб-мен между исходящим теплым и поступающим в рудник холодным воздухом осуществляется непосредствен-но через разделительную теплопроводную стенку, делящую ТАВ на «теплый» и «холодный» каналы (рис. 1).

В целях повышения эффективности рекуперативной системы в работе [1] предлагается периодически пе-реключать (менять ролями) «теплый» и «холодный» каналы так, чтобы система работала в регенеративном режиме. В этом случае, кроме теплообмена через теплопроводную стенку, происходит также теплообмен с породным массивом окружающим выработку. В «теплом» канале одновременно совершается теплопередача через теплопроводную стенку тепловой энергии и накопление энергии массивом горных пород, а в «холод-ном» - идет одновременно отбор энергии от двух источников - непосредственно от исходящей вентиляционной струи через теплопроводную стенку, а так же с нагретого горного массива.

Для оценки эффективности рекуперативной системы регулирования ТР, работающей в регенеративном режиме, в условиях рудников криолитозоны была разработана трехмерная математическая модель тепло-обменных процессов происходящих в ТАВ с теплопроводной стенкой. Схема системы с расчетной областью приведена на рис.1. Из-за симметричности трехмерной области рассматривается её половина, где ТАВ раз-делена на «теплый» и «холодный» каналы теплопроводной стенкой.

Рис. 1. Схема рекуперативной системы регулирования ТР, работающей в регенеративном режиме с рас-

четной областью , где x1, х2, x3, х4,у1, у2, z1, - координаты границ области .

Процесс распространения тепла в массиве горных пород описывается с помощью нестационарного урав-нения теплопроводности с учетом фазовых переходов влаги [4-7]:

,),,(,)()()()()( *

zyx

z

TT

zy

TT

yx

TT

xt

TTTwLTС ф (1)

где С(Т)– объемная теплоемкость пород, Дж/(м3К), (Т) – коэффициент теплопроводности пород,

Вт/(мК), Lф – скрытая теплота фазовых переходов, Дж/кг; w – влажность пород, доли единицы; – плот-

ность пород, кг/м3; T* – температура плавления (замерзания) воды, С, – функция Дирака, 1/К; Ω – об-ласть, занятая массивом горных пород.

Уравнения сохранения энергии в холодном и теплом каналах имеют вид:

;z0,121

1

121

121 LТТxxy

yТТ

xxy

xxy

z

Тv

t

Тc хт

ххст

хxx

xвв

(2)

,z0,231

1

231

231 LТТxxy

yТТ

xxy

xxy

z

Тv

t

Тc тх

ттст

ттт

твв

(3)

где Тх , Тт –соответственно температуры воздуха в «холодном» и «теплом» каналах, ºС; св –удельная теп-

лоемкость воздуха, Дж/(кгК); в – плотность воздуха, кг/м3; vх , vт –скорости воздуха соответственно в «хо-лодном» и «теплом» каналах, м/с; t – время, с; Тст – температура стенки выработки, ºС; α х, α т- коэффициен-ты теплообмена между рудничным воздухом и стенками выработки соответственно в «холодном» и «теплом» каналах, Вт/(м2· К); Вт/(м2· К); .z –координата, м; L – длина ТАВ, м.

При z=0 задается температура наружного воздуха, поступающего в «холодный» канал: Tх=Т1(t) z=0, (4)

а при z=L – температура теплого воздуха, поступающего в «теплый» канал: Tт=Т2(t) z=L. (5)

На внешних границах области потоки тепла отсутствуют.


84

В начальный момент времени задается распределение температур горных пород и воздуха внутри выра-боток:

.0),(

,0),(~,),,(),,,(~

2

1

LzzT

LzzТ

zyxzyxT

т

х

(6)

В условиях принудительного движения воздуха вдоль поверхностей выработок теплообмен определяется закономерностями вынужденной конвекции. Коэффициенты теплообмена в условиях вынужденной конвек-

ции х и т определяются по формулам:

2,0

121

2,0

121

8,08,0

72,1xxy

xxyv вхкх

, (7)

2,0

231

2,0

231

8,08,0

72,1xxy

xxyv вткт

, (8)

где ε к –коэффициент шероховатости стенки. Для численного решения задачи протаивания-промерзания горных пород, вмещающих ТАВ, применим

общеизвестный метод сглаживания 8, а для решения трехмерной задачи теплообмена использован метод суммарной аппроксимации [8, 9], который сводит исходную задачу к решению последовательности одномер-ных задач. При этом разностные схемы удовлетворяют условиям аппроксимации и устойчивости. На каж-дом временном слое решается последовательность одномерных задач. Все системы разностных уравнений выводятся с учетом геометрии рассматриваемой области.

Рис. 2. Динамика температур воздуха: наружного (Тнар); на выходе из рекуперативной системы (Т1);

на выходе рекуперативной системы работающей в регенеративном режиме (Т2) и средней температуры на выходе из системы (Тср)

Рис. 3. Динамика температур наружного воздуха (Тнар) и средних температур воздуха на выходе из рекуперативной системы, работающей в регенеративном режиме (Т2)

при различных значениях периода переключения каналов

В качестве примера была рассмотрена ТАВ длиной 500 м и площадью сечения 10 м2, разделенной вдоль (пополам) теплопроводной стенкой на два канала (рис. 1). Расчёты проводились при следующих исходных

данных: расход воздуха поступающего в ТАВ 50 м3/с; температура исходящего воздуха +2С; период пере-ключения каналов 100 часов. На рис.2 приведены результаты расчетов температур воздуха на выходе из обыкновенной рекуперативной системы и системы работающей в регенеративном режиме, из которых видно,


85

что перевод рекуперативной системы в регенеративный режим позволяет повысить эффективность её рабо-ты.

На рис. 3 приведена динамика изменений средней температуры воздуха на выходе рекуперативной си-стемы, работающей в регенеративном режиме при различных значениях периода переключения каналов. Из графиков видно, что чем короче период переключения каналов системы, тем она эффективнее в использова-нии для нагревания холодного наружного воздуха, поступающего в рудник.

Выводы В целях совершенствования регулирования ТР рудников криолитозоны, перевод рекуперативной системы

в регенеративный режим позволяет повысить эффективность её работы за счет использования массива гор-ных пород, окружающих ТАВ, в качестве аккумулятора накопления тепловой энергии исходящей струи.

Чем короче период переключения каналов ТАВ предлагаемой системы регулирования ТР, тем она эф-фективнее для нагрева холодного наружного воздуха, поступающего в рудник.


1. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. - Новосибирск: ВО «Наука». Сиб. изда-тельская фирма, 1992. – 133 с.

2. Галкин А.Ф. Горнотехнические системы регулирования теплового режима // Горная промышленность. – 2008. – № 3(79). – С. 14-17.

3. Галкин А. Ф. Комплексное использование теплообменных выработок // Записки Горного института. – 2017. – Т. 224. – С. 209–214.

4. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. – М.: Наука. – 1977. – 736 с. 5. Хохолов Ю.А. Математическое моделирование тепловых процессов в горных выработках криолитозоны

// Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны: Труды Межд. научн.-практ. конф. – Якутск: Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 2005. – Т. 2. – С. 76-82.

6. Хохолов Ю.А. Математическое моделирование процессов теплообмена в подземных выработках криоли-тозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - Т. 12. - № 1. - С. 102-111.

7. Васильев П.Н., Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Шерстов В.А. Тепловой режим угольных шахт Якутии и способы его регулирования. – Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2009. – 240 с.

8. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М.: Наука. — 1983. — 616 с. 9. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. — М.: Едиториал УРСС. — 2003.

— 784 с.

Современные технические решения по повышению пределов огнестойкости металлических конструкций здания

Шайдуров Максим Васильевич, магистрант ФГБОУ ВО Уральский институт ГПС МЧС России

Рассмотрены вопросы обеспечения огнестойкости металлических конструкций зданий и сооружений и

описаны технические решения по повышению их пределов огнестойкости.

Ключевые слова: предел огнестойкости, огнестойкость металлических конструкций, огнезащитные по-

крытия.

Началом применения в строительстве металличе-ских конструкций зданий и сооружений можно счи-тать конец 80-е годы XIX века: в Париже была воз-ведена Эйфелева башня, а в России к этому времени были построены павильоны Нижегородской ярмар-ки с висячими покрытиями.

Металлические строительные изделия значитель-но легче железобетонных конструкций, монтаж их может осуществляться в короткие сроки, что опреде-ляет экономичность использования их в строитель-стве. Кроме того, преимущества металлических кон-струкций зданий заключаются в возможности их ремонта и усиления при проведении реконструкци-онных работ для увеличения эксплуатационных нагрузок.

Однако металлические строительные конструк-ции без соответствующей защиты имеют низкую огнестойкость при пожаре. Анализ пожаров и экспе-

риментально-техническое исследования показывают, что незащищенные металлические конструкции утрачивают свою несущую способность при дей-ствии огня в среднем через 15 минут.

Огнестойкость строительной конструкции – это способность конструкции сохранять несущие и (или) ограждающие функции в условиях пожара. Огне-стойкость строительных конструкций, в том числе и металлических конструкций зданий, характеризуется пределом огнестойкости. Предел огнестойкости – это показатель огнестойкости конструкции, определяе-мый временем от начала огневого испытания при стандартном температурном режиме до наступле-ния одного из нормируемых для данной конструкции предельных состояний по огнестойкости, согласно [1].

Различают предельные состояния конструкций здания, в том числе и металлических, по огнестойко-сти, согласно [1, 2]:


86

- потеря несущей способности (R), выражаю-щаяся в обрушении или возникновении предельных деформаций в зависимости от типа конструкций;

- потеря целостности (Е), выражающаяся в обра-зование в конструкциях сквозных трещин или отвер-стий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя;

- потеря теплоизолирующей способности (I). Пределы огнестойкости большинства незащи-

щенных металлических конструкций имеют малые временные рамки и находятся в пределах:

- R 10 – R 15 для стальных конструкций, то есть 10-15 мин;

- R 6 – R 8 для алюминиевых конструкций, то есть 6-8 мин.

Исключение составляют колонны массивного сплошного сечения, у которых предел огнестойкости без огнезащиты может достигать R 45 или 45 минут, но использование таких конструкций в строительной практике встречается не часто.

Если требуемый предел огнестойкости конструк-ции (за исключением конструкций в составе проти-вопожарных преград) R 15 (RE 15, RЕI 15), то, со-гласно п. 5.4.3 СП 2.13130.2012 [3] допускается при-менять незащищенные стальные конструкции неза-висимо от их фактического предела огнестойкости, за исключением случаев, когда предел огнестойкости хотя бы одного из элементов несущих конструкций (структурных элементов ферм, балок, колонн и т.п.) по результатам испытаний составляет менее R 8.

Основным опасным фактором пожара является быстрое повышение температуры в очаге пожара, которая резко отличается от температуры эксплуа-тации объекта в обычных условиях. Основной при-чиной повреждения металлических конструкций зданий в условиях воздействия пожара является высокая теплопроводность металлов (λ ) при малой теплоемкости (С). Коэффициент температуропровод-ности (α ) металла определяется по формуле (1) [4]:

α =

С, (1)

где ρ - плотность металла. Коэффициенты температуропроводности метал-

лов имеют большие значения; при критических тем-пературах прогрева происходит снижение прочност-ных свойств, так что металлическая конструкция здания становится неспособной выдерживать при-ложенную к ней внешнюю нагрузку. В итоге насту-пает предельное состояние металлической конструк-ции по признаку потере несущей способности (R).

Таблица 1

Материал конструкции Tcr, 0С

Сталь углеродистая марок Ст3, Ст5 470

Низколегированная сталь марки 25Г2С 550

Низколегированная сталь марки 30ХГ2С 500

Алюминиевые сплавы марок АМг-6, АВ-Т1

225

Алюминиевые сплавы марок Д1Т, Д16Т 250

Алюминиевые сплавы марок B92Т 165

Значения критической температуры Tcr прогрева металлических конструкций из различных материа-лов при нормативной эксплуатационной нагрузке приведены в таблице 1 [5].

Данные свидетельствуют, что у алюминиевых конструкций критические температуры более чем в 2 раза ниже, чем у стальных конструкций, поэтому в строительстве они не применяются.

Многочисленные исследования показывают, что при возникновении пожара в зданиях температура среды в очаге пожара может достигать 900 0С – 1100 0С через 20-30 минут после его возникновения [5]. Сталь обладает высокой теплопроводностью, вследствие чего от таких высоких температур метал-лические конструкции зданий нагреваются, что при-водит к снижению их прочности и термическому расширению, что способствует деформации геомет-рии конструкций. Поэтому актуальна разработка технических решений по повышению пределов огне-стойкости металлических конструкций.

Фактический предел огнестойкости металличе-ских конструкций зависит от толщины элементов и величины действующих напряжений: чем больше толщина металла и меньше напряжения, тем предел огнестойкости выше. Для возможности сравнения различных металлических строительных конструк-ций используется понятие приведенной толщины металла δ пр. В таблице 2 приведена зависимость собственных пределов огнестойкости металлокон-струкций от приведенной толщины металла [6].

Пределы огнестойкости металлических конструк-ций зданий можно повышать и огнезащитой, кото-рая заключается в создании на поверхности метал-лических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, позволяющих выдерживать воздействие огня или высокие температуры.

Наличие теплоизолирующих экранов при пожаре замедляет прогревание металла, тем самым металл сохраняет свои функции в течение заданного време-ни до наступления критической температуры, с ко-торой начинается потеря несущей способности ме-таллической конструкции.

Таблица 2

Приведенная толщина металла, мм

Предел огнестойкости , мин

3 7 5 9 10 15 15 18 20 21 30 27 40 34 60 43

Разработка технического решения по повышению

пределов огнестойкости металлических конструкций здания состоит в том, чтобы, учитывая фактический предел огнестойкости стальной конструкций, подо-брать такой способ огнезащиты, при котором воз-можно экономически обоснованно увеличить огне-стойкость металлической конструкции. Традиционно для повышения пределов огнестойкости металличе-ских конструкций зданий применяют облицовку.


87

При облицовке металлические конструкции зданий обкладывают несгораемыми материалами, которые имеют высокие теплозащитные показатели. К таким материалам относятся бетонные плитки, керамиче-

ские материалы, гипсокартонные листы, кирпич, бетон. Примеры облицовки представлены на рисун-ке 1.

Рис. 1. Облицовка металлических конструкций зданий: 1 – обетонирование или штукатурка по сетке; 2 – кирпичная кладка; 3 – плитный материал;

4 – защищаемая металлическая конструкция

Облицовка слоем штукатурки толщиной 2,5 см повышает предел огнестойкости до R 50. Облицовка толщиной в 0,5 кирпича повышает предел огнестой-кости до R 300. На современном этапе разработаны огнезащитные плиты Огнелит® на основе минераль-ного вяжущего вещества и функциональных доба-вок, которые повышают предел огнестойкости до R 180.

К облицовке относится также обработка или по-крытие металлических конструкций специальными не вспучивающимися и вспучивающимися при по-жаре красками.

К не вспучивающимися огнезащитным покрыти-ям можно отнести составы:

- ОФП-МВ. В состав ОФП-МВ входит гранули-рованная минеральная вата;

- ОПВ-180. Состав содержит гипсоцементное пуццолановое вяжущее, муллито-кремнеземное во-локно, пластификатор и шлам флотации фосфорит-ных руд.

Вспучивающиеся огнезащитные покрытия пред-ставляют собой композитные материалы, которые состоят из полимерных вяжущих и наполнителей: антипиренов, газообразователей, жаростойких ве-ществ и стабилизаторов вспененного угольного слоя. Если происходит нагревание металлической кон-струкции, вспучивающиеся огнезащитные покрытия разлагаются, образуя вокруг защищаемой кон-струкции слой, поглощающий тепло. При этом про-исходит выделение инертных газов и паров, которые замещают атмосферный кислород. Это приводит к блокированию конвективного переноса тепла к за-щищаемой поверхности и подавлению пламени вблизи слоя покрытия, что уменьшает радиацион-ный поток тепла и замедляет процесс горения. Ком-поненты вспучивающихся покрытий являются ис-точником образования вспененного угольного слоя, который, постепенно закоксовываясь, становится жестким. Схема нанесения вспучивающегося огне-защитного покрытия представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема нанесения вспучивающегося огне-защитного покрытия

Вспененный слой обладает низкой теплопровод-ностью и выполняет функцию теплозащитного экра-на, замедляя распространение тепла и прогрев за-щищаемой конструкции, что увеличивает время попадания ее в область критических температур. Слой в 2-4 мм при воздействии высоких температур вспучивается до 25-35 мм, что увеличивает предел огнестойкости до R 45…..R 60. К вспучивающимися огнезащитным покрытиям можно отнести составы типа ОВПФ-Л, «Экран-М»; для влажных помеще-ний применяется состав ОЗС-МВ на основе жидкого стекла.

В России производят огнезащитную продукцию много компаний; разработкой такой продукции за-нимаются: «Научно-производственная лаборатория 38080», «Теплоогнезащита», НПО «Стройзащита», НПП «Техсервисвермикулит», «Научный инноваци-онный центр строительства и пожарной безопасно-сти», КРОЗ.

Так, компания НПО «Стройзащита» разработа-ла конструктивную огнезащиту металлических кон-струкций зданий в виде покрытия «Весталайт», которое повышает предел огнестойкости изделий до 240 минут. Огнезащитное покрытие «Весталайт» имеет в основе огнеупорное волокно, характеристики которого улучшаются за счет целевых добавок. Схе-ма монтажа покрытием «Весталайт» и вид после монтажа представлены на рисунке 3.


88

Рис. 3. Схема монтажа покрытием «Весталайт» и вид после монтажа

Этой же компанией разработана система кон-структивной огнезащиты металлоконструкций «Арк-тик», которая основывается на комбинации тепло-изоляционного и тонкослойного интумесцентного слоев, что увеличивает предел огнестойкости метал-лических конструкций зданий до R 90.

Рис. 4. Схема выполнения навесного потолка: 4 – защищаемая металлическая конструкция; 5 – под-веска; 6 – пружина подвески; 7 – швеллер из листо-вой стали; 8 – гипсокартонной лист; 9 – хомут; 10 –

самонарезающий винт

Устройство навесных потолков также является техническим решением повышения пределов огне-стойкости металлических конструкций зданий.

Навесные потолки нашли эффективное применение при огнезащите ферм и структур. Схема такого тех-нического решения показана на рисунке 4. Для про-изводства подвесных потолков могут быть использо-ваны гипсокартонный лист, минерало-ватные плиты или штукатурка по сетке.

Не всегда имеющиеся технические решения по-вышения пределов огнестойкости металлических конструкций зданий можно применить к уникаль-ным зданиям. Для них разрабатываются специаль-ные решения.

К таким техническим решениям повышения огне-стойкости металлических конструкций зданий можно отнести использование полых металлических кон-струкций, по которым постоянно или в режиме ава-рии принудительно циркулирует вода. Циркуляция воды обеспечивает интенсивный теплосъем при по-жаре с поверхности металлических конструкций, что значительно уменьшает, прогрев конструкций и увеличивает время достижения критических темпе-ратур.

Перечисленные технические решения повышения огнестойкости металлических конструкций зданий имеют свои преимущества и недостатки, которые отражены в таблице 3 [7].

Таблица 3. Сравнение применяемых способов повышения огнестойкости металлических конструкций

Способ Преимущества способа Недостатки способа Обетонирование, оштука-туривание, обкладка кир-пичом

Относительно низкая стоимость материалов, долговечность, до-ступность

1. Большая масса. 2.Необходимость применения сталь-ной сетки и (или) анкеровки. 3.Сложность проведения работ на высоте. 4. Высокая трудоемкость. 5.Невозможность защиты труднодо-ступных мест

Установка плит из пори-стых или волокнистых ма-териалов

1. Низкий уровень массы. 2.Повышенная вибростойкость и долговечность за счет механическо-го крепления к конструкции. 3.Технологичность и относительно низкая трудоемкость.

1.Большой уровень требуемых толщин огнезащиты. 2.Высокий уровень паропроницаемо-сти. 3.Возможно возникновения очагов коррозии под укрывным слоем. 4.Невозможность защиты труднодо-ступных мест конструкции. 5.Сложность проведения работ на высоте


89

Применение составов на основе жидкого стекла

Относительно низкая трудоемкость 1.Низкая вибростойкость покрытия при больших количествах слоев. 2.Трудность обеспечения и контроля заданных толщин покрытия. 3.Большая по времени продолжи-тельность нанесения и сушки покры-тия. 4.Невозможность параллельного про-ведения других работ. 5.Большие технологические потери при нанесении.

Применение огнезащитных красок вспучивающегося типа (тонкослойные покры-тия)

1.Относительно низкая трудоем-кость. 2. Малая толщина покрытия. 3.Возможность нанесения валиком, кистью, распылением. 4.Возможность защиты труднодо-ступных мест металлоконструкции. 5.Возможность минимизировать технологические потери. 6.Не требует специальной подго-товки персонала. 7.Имеет не только огнезащитные, но и декоративные свойства

1.Ограничение области применения согласно требованиям нормативной документации по пожарной безопас-ности. 2.Требуется постоянный контроль толщины покрытия

Проанализировав основные способы повышения

огнестойкости металлических конструкций зданий, можно отметить, что в целом при применении обли-цовки и установки плит невозможно защитить труд-нодоступные места конструкций, а при нанесении огнезащитных составов трудно обеспечить и прокон-тролировать заданную толщину покрытия.

Если в XX веке основным техническим решением повышения предела огнестойкости металлических конструкций зданий до R 300 была облицовка тол-щиной в 0,5 кирпича, то в настоящее время повы-сить предел огнестойкости до R 240 можно, исполь-зуя огнезащитное покрытие «Весталайт», которое

имеет в основе огнеупорное волокно, характеристики которого улучшаются за счет целевых добавок.

Необходимость огнезащитной обработки метал-лических конструкций определяется при разработке проекта здания или сооружения, а выбор вида и метода огнезащиты зависит от условий эксплуата-ции здания и горючей нагрузки. На сегодняшний день существует широкий спектр материалов, что позволяет оптимизировать технические решения на основе знаний об их характеристиках, представлений о надежности поставщиков и сведений о результатах испытаний в форме обязательной сертификации.


1. Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22.07.2008 N 123-ФЗ / [Электронный ресурс] -http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_78699.

2. ГОСТ 30247.1-94 (ИСО 384-75). Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Не-сущие и ограждающие конструкции / [Электронный ресурс] - http://docs.cntd.ru/document/9055247.

3. СП 2.13130.2012 Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты / [Электронный ресурс] -http://docs.cntd.ru/document/1200096437.

4. Гуськов А.В. Технологические процессы обработки металлов при производстве снарядов: учеб. Пособие: в 2 ч. / А.В. Гуськов, К.Е. Милевский. – 2-е изд. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. 128с.

5. Бедов А.И., Знаменский В.В., Габитов А.И. Оценка технического состояния, восстановление и усиление оснований и строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений: в 2 ч. Ч. 1. Оценка техниче-ского состояния оснований и строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. М.: Изд-во АСВ, 2014. 703 с.

6. Пособие «Огнестойкость стальных несущих конструкций» / Ассоциация развития стального строитель-ства; [Пронин Д.Г.]. – Москва: АКСИОМ ГРАФИКС ЮНИОН, 2015. – 52с.: ил.


90

Синтез сульфидов в результате механоактивации металлов и серы

Ягофаров Владимир Юрьевич, заведующий лабораторией; Назаренко Анжела Александровна, аспирант; Титова Валентина Александровна, аспирант;

Зайцев Максим Ильич, аспирант; Пименов Вадим Александрович, ассистент;

Рева Виктор Петрович, кандидат технических наук, доцент Дальневосточный федеральный университет (г. Владивосток)

В статье рассмотрены особенности синтеза сульфидов металлов в процессе механической активации ис-

ходных компонентов в энергонапряженной вибрационной мельнице, представлен рентгенофазовый анализ

синтезированных соединений.

Ключевые слова: вибрационная обработка, механоактивация, сульфиды, механохимический синтез, рент-

генофазовый анализ.

Механохимические методы обработки материа-лов сопоставимы по своей энергонапряженности и воздействию на фазовые превращения с электронно-лучевой и ударно-волновой обработкой. Особенно-стью механохимических процессов является высокая доля энергии, подводимая одномоментно к обраба-тываемому материалу, при этом значительно воз-растает скорость массопереноса, по сравнению с обычной диффузией [1,2], что способствует реализа-ции синтеза различных соединений без привлечения термического воздействия [3-6].

Целью настоящего исследования являлось выяв-ление особенностей механохимического синтеза сульфидов в условиях вибрационной обработки ис-ходных компонентов.

В исследовательской работе в качестве порошко-вых металлических материалов были использованы:

– титановый порошок марки ПТЭС-2 с дисперс-ностью 150-200 мкм и чистотой 99,8 %;

– гафний в виде порошка, полученного кальцие-термическим восстановлением, марки ГФМ-1 дис-персностью менее 50 мкм и чистотой 98,7 %;

– железо в виде железного порошка марки ПЖ2М1 дисперсностью менее 2,5 мм (использова-лись все фракции порошка в состоянии поставки) и чистотой более 98,8 %;

– никель в виде никелевого порошка марки ПНК-УТ1 дисперсностью менее 20 мкм (использова-лись все фракции порошка в состоянии поставки) и чистотой более 99,9 %;

– медь в виде медного порошка марки ПМР-1 дисперсностью менее 0,1 мм (использовались все фракции порошка в состоянии поставки) и чистотой более 99,5 %.

Механоактивацию исходных компонентов осу-ществляли в герметичном контейнере (механореак-торе) энергонапряженной вибромельницы, работа-ющей при частоте колебаний контейнера 750 мин-1 и амплитуде 90 мм. В качестве размалывающих тел применялись шары из стали ШХ15 диаметром 10 мм. Интенсивность измельчения составляла 1:20, время размола не превышало 35мин. О прохожде-нии механохимических процессов судили по измене-нию температуры в механореакторе, измеряемой на его внешней стенке с помощью инфракрасного ла-зерного пирометра С-20.1.

Фазовый состав синтезированных продуктов определяли методом рентгенофазового анализа на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы «Bruker» (Германия) в медном Kα -излучении по стандартной методике. Идентификация соединений, входящих в состав исследуемых образцов, выполнялась в авто-матическом режиме поиска EVA с использованием банка порошковых данных PDF-2.

На первом этапе исследования осуществлялась активация в механореакторе вибрационной мельни-цы исходных металлических порошков в присутствии серы, вводимой в соответствии с химическим соста-вом исследуемого сульфида, в течение 35 мин. Во время вибрационной обработки композиций «металл + сера» осуществлялась регистрация изменения температуры на внешней стенке механореактора с помощью инфракрасного пирометра.

Представлено изменение температуры стенок ме-ханореактора в зависимости от времени механоакти-вации композиции «металл + сера» (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Термограммы для композиции: 1 – Hf+2S; 2 – Ti+2S; 3 – Cu+S

Рис. 2. Термограммы для композиции: 1– Hf+S; 2 –Ti+S; 3 – Ni+S; 4 – Fe+S


91

Как видно, изменение вида термограммы, свя-занное со скачкообразным повышением температу-ры механореактора в процессе механоактивации, не наблюдается в случае обработки композиции «Cu+S», «Fe+S», «Ni+S» в течение 35мин. Очевид-но, что для протекания механохимического синтеза в данных системах по «взрывной» кинетике не доста-точно подводимой механической энергии в рассмат-риваемых условиях механоактивации.

Механохимический синтез в системе «Hf+S» и «Hf+2S» был реализован на первой минуте механо-активации; в системе «Ti+2S» на третьей минуте механоактивации; в системе «Ti+S» на 13 минуте механоактивации. Начальная температура механо-реактора составляла для всех исследованных компо-зиций 25°C.

Представлен фазовый состав продукта, получен-ного после механоактивации композиции «Ti+S» в течение 13 мин и фиксирования температурного скачка. Как видно, через 13 мин виброобработки на дифрактограмме наблюдаются рефлексы TiS, Ti2S, а также Ti и S. Очевидно, что механоактивация композиции «Ti+S» способствовала протеканию механохимического синтеза с образованием сульфи-дов титана (рис. 3). Наличие свободной серы и непрореагировавшего титана свидетельствует о реа-лизации механохимического синтеза сульфидов ти-тана не во всем объеме механореактора. Частицы титана и серы, находившиеся на периферии механо-реактора, не вступили в химическое взаимодействие друг с другом из-за образования расплава в цен-тральной части механореактора во время иницииро-вания механохимического синтеза и вовлечения в него не прореагировавших частиц.

Рис. 3. Рентгенофазовый анализ композиции «Ti+S». Время механоактивации 13 мин.

После фиксации температурного скачка, оста-новки работы вибромельницы и охлаждения меха-нореактора до комнатной температуры, при даль-нейшей разгрузке последнего было выявлено обра-зование застывшего расплава синтезированного продукта на внутренней поверхности его корпуса.

Идентичный фазовый состав наблюдался при механоактивации композиции «Ti+2S» (рис. 4).

Рис. 4. Рентгенофазовый анализ композиции «Ti+2S». Время механоактивации 3 мин.

Как и в случае с композицией «Ti+2S», в меха-нореакторе был зафиксирован расплав продуктов механохимического синтеза сульфидов титана.

Представлен фазовый состав продукта, получен-ного после механоактивации композиции «Hf+2S» в течение 1 мин и фиксирования температурного скачка (рис. 5).

Рис. 5. Рентгенофазовый анализ композиции «Hf+2S». Время механоактивации 1 мин.

Как видно, на дифрактограмме наблюдаются рефлексы HfS2, Hf и HfP. Очевидно, что механоак-тивация композиции «Hf+2S» способствовала про-теканию механохимического синтеза с образованием сульфида гафния HfS2. Наличие на дифрактограмме рефлексов HfP свидетельствует о примесях в ис-пользуемой в эксперименте сере. Следует отметить, что в процессе механохимического синтеза в данной системе также наблюдался расплав конечного про-дукта - сульфида гафния HfS2.

Представлен фазовый состав продукта, получен-ного на первой минуте механоактивации композиции «Hf+S» и фиксирования температурного скачка (рис. 6).


92

Рис. 6. Рентгенофазовый анализ композиции «Hf+S». Время механоактивации 1 мин.

Как видно, происходит образование HfS, HfN, Hf2S, Hf7O8N4, а также присутствует незначительное количество не прореагировавшего Hf. Очевидно, что введение серы из расчета протекания механохимиче-ского синтеза HfS не оправдало ожиданий. Помимо образования HfS произошел синтез низшего суль-фида Hf2S, а также образование оксинитрида гаф-ния – Hf7O8N4 за счет взаимодействия гафния с воздушной атмосферой, находящейся в механореак-торе.

Представлен фазовый состав продукта, полученного после 35 мин механоактивации композиции «Cu+2S», при этом температурного скачка на термограмме не наблюдалось (рис.7).

Рис. 7. Рентгенофазовый анализ композиции «Cu+2S». Время механоактивации 35 мин.

Механохимический синтез сульфида меди был реализован, но не по «взрывной» кинетике, как это происходило в вышеприведенных случаях. Причем был получен CuS, а предполагали синтезировать

CuS2. Избыточное содержание серы не имело отра-жения на дифрактограмме, что, очевидно, связано с ее аморфизацией в процессе длительной механиче-ской обработки исходной композиции.

Представлен фазовый состав продукта, получен-ного после 35 мин механоактивации композиции «Fe+S», при этом температурного скачка на термо-грамме также не наблюдалось (рис.8). Механохими-ческий синтез сульфида железа FeS был реализо-ван, но, как и в случае с синтезом сульфида меди, не по «взрывной» кинетике. В данном случае количе-ство серы, вводимой в исходную композицию, рас-считывалось, исходя из образования в конечном итоге FeS, что и наблюдается на дифрактограмме синтезированного продукта. Наличие рефлексов железа, очевидно, связано с недостаточным време-нем механоактивации исходной композиции, либо с необходимостью увеличения содержания серы.

Рис. 8. Рентгенофазовый анализ композиции «Fe+S». Время механоактивации 35 мин.

Представлен фазовый состав продукта, получен-ного после механоактивации композиции «Ni+S» в течение 35 мин, при этом температурного скачка на термограмме не наблюдалось (рис.9).

Рис. 9. Рентгенофазовый анализ композиции «Ni+S». Время механоактивации 35 мин.


93

Механохимический синтез сульфидов никеля был реализован, но, как и в случае с синтезом сульфида меди и железа, не по «взрывной» кинетике. На ди-фрактограмме наблюдаются рефлексы сульфида никеля NiS двух модификаций: миллерита – жёлто-го никелевого колчедана (γ -NiS) и сульфида никеля (β -NiS). Также зарегистрирован сульфид с более низкой стехиометрией, чем NiS, а именно Ni3S2. Наличие рефлексов чистого никеля, как и в случае синтеза сульфида железа, очевидно, связано с недо-статочным временем механоактивации исходной композиции до образования 100 % NiS, либо с необ-ходимостью увеличения содержания серы.

Таким образом, механохимический синтез суль-фидов в композициях «Hf+S» и «Ti+S» реализуется по кинетике, характеризующейся высоким экзотер-

мическим эффектом, а в композициях «Cu+S», «Fe+S» и «Ni+S» – по кинетике, характеризующей-ся отсутствием значительного экзотермического эф-фекта. Фазовый состав продуктов механохимическо-го синтеза, реализуемого по кинетике с высоким экзотермическим эффектом, не соответствует рас-четному (планируемому) фазовому составу. Продук-ты механохимического синтеза имеют стехиометрию, отличную от расчетной, либо представляют из себя смесь сульфидов различной стехиометрии. Фазовый состав продуктов механохимического синтеза в ком-позициях «Cu+S» и «Fe+S», реализуемого по кине-тике с отсутствием значительного экзотермического эффекта, характеризуется постоянством стехиомет-рического состава.


1. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск : Наука, 1986. 303 с.

2. Болдырев В.В. Реакционная способность твердых веществ. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 1997. 303 с. 3. Болдырев В.В. Механохимия и механическая активация твердых веществ // Успехи химии. 2006. Т. 75,

№ 3. С. 203‒216. 4. Popovich A.A., Reva V.P., Vasilenko V.N., Belous O.A. Mechanochemical technology of synthesis of refrac-

tory compounds and alloys based upon them//Materials Science Forum. 1992. Vol.88. P.737-744. 5. Popovich A.A., Reva V.P., Vasilenko V.N. Mechanisms governing tribochemical reduction of metals and

non-metals from their oxides//Journal of Alloys and Compounds. 1993. V. 190. № 2. P. 143-147. 6. Попович А.А. Механохимический синтез тугоплавких соединений. Владивосток : ДВГТУ, 2003. 201 с.

Об экологических проблемах на территории ГО «г. Якутск»

Яковлев Валерий Александрович, старший преподаватель; Давыдова Татьяна Анатольевна, студент

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

Аннотация. В данной статье рассмотрены основные экологические проблемы города Якутска, приведены

главные источники загрязнений и возможные пути их решений.

Ключевые слова: экология, Якутск, отходы, мусор.

Город Якутск является крупнейшим городом на северо-востоке Российской Федерации и третьим по размеру численности населения на Дальневосточном федеральном округе.

Острой проблемой для города и его жителей яв-ляется неудовлетворительное экологическое состоя-ние, так как на его территории расположены круп-ные промышленные, жилищно-коммунальные, топ-ливно-энергетические и сельскохозяйственные пред-приятия. Из-за деятельности данных предприятий ухудшается состояние атмосферного воздуха, водных ресурсов, а также наносится вред почве от твердых бытовых и технических отходов.

На административной территории Якутска рас-полагаются 13 свалок, из них 7 используются для хранения бытовых отходов. Кроме того, имеются 2 скотомогильника, 1 навозохранилище, 1 пометохра-нилище и 2 свалки по хромсодержащим отходам.

Каждый год вывозится около 100 тысяч тонн твердых бытовых отходов и 10 тысяч тонн строи-тельного мусора. Все места хранения мусора не соответствуют требованиям СП 2.1.7.1038-01 «Гигие-нические трбования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов».

Немаловажной проблемой отмечается то, что в Якутске, и даже по всей стране, отсутствует раз-дельный сбор твердых бытовых отходов. Это отмеча-ется особыми негативными последствиями, так как при смешивании, например, бумаги, целлюлозы, тканей с пищевыми отходами, просроченными ле-карствами, ртутьсодержащими изделиями, ядохими-катами и так далее. В последствии в результате смешивания отходов можно наблюдать химические реакции с выделением различных опасных веществ, в том числе метан, аммиак, цианиды, соединения хлора и пр.

Полигон по утилизации твердых бытовых отходов № 1 на 9 км. Вилюйского тракта эксплуатируется с 1967 г. и является самой крупной на территории ГО «Якутск» среди свалок ТБО с площадью 31,8242 га. Восточная кромка данного полигона находится всего в двух километрах от спуска в долину Туймаада.[1] Полигон сильно перегружен, должный учет и кон-троль приема и складирования отходов не ведется, постоянно происходит самовозгорание, продукты низкотемпературного горения (диоксины, фураны и другие загрязняющие вещества) выпадают на близ-лежащие городские кварталы, Ботанический сад,


94

пригородные озера и дачные участки. Загрязняю-щие вещества вымываются водными стоками, что привносит избыточные концентрации хлоридов, азо-тистых соединений, тяжелых металлов в водную систему долины. Полигон не имеет разрешительной природоохранной документации.[2]

Для решения данной проблемы необходимо внедрить следующие организационно-технические мероприятия:

- законодательно ввести раздельный сбор мусора, как для населения, так и для юридических лиц;

- ужесточить меры в уголовном кодексе и кодексе об административных правонарушениях при нару-шении экологического законодательства;

- ввести круглосуточный мониторинг по выявле-нию несанкционированного выброса отходов;

- соорудить на территории городского округа «г. Якутск» специализированный завод для физической утилизации различных бытовых и технических отхо-дов.

С каждым годом город Якутск интенсивно раз-вивается: строятся новые дома и прочие сооружения, увеличивается площадь действия различных комму-никаций. С увеличением площади возрастает коли-чество различных отходов. Для оптимального разви-тиягорода крайне необходим завод по переработке и утилизации отходов. В связи с тем, что такого или аналогичного завода на данном участке до сих пор нет, то данный вопрос очень актуален и необходим для населения города.


1. Экологические проблемы Якутска [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mirznanii.com/a/329319-1/ekologicheskie-problemy-yakutska (дата обращения 11.12.2019)

2. Экология в муниципальном образовании города Якутск [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studbooks.net/980342/pravo/ekologiya_munitsipalnom_obrazovanii_goroda_yakutsk (дата обращения 11.12.2019)

УДК 629.331

Повышение пассивной безопасности транспортного средства при его опрокидывании и уменьшение вероятности травм головы пассажиров за счет применения верхней подушки безопасности

Яструбинский Юрий Александрович, аспирант; Шиляев Сергей Александрович, доктор технических наук;

Филькин Николай Михайлович, доктор технических наук, научный руководитель Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова

Одной из задач в области исследования систем пассивной безопасности легковых автомобилей явля-ется разработка принципов работы подушек без-опасности. Основным параметром для активации подушки безопасности является резкое торможение транспортного средства при столкновении. В рабо-тах рассматриваются различные методики по опре-делению критериев срабатывания подушек пассив-ной безопасности легкового автомобиля [1-5]. Например, определение срабатывания подушки безопасности с использованием значений деформа-ции кузова и зависимости жесткости кузова от клас-са автомобиля, однако при столкновении решающую роль для принятия решения по активации подушки безопасности играет пороговое значение замедления автомобиля за относительно малый отрезок времени, при этом не всегда представляется возможным установить по значениям деформации необходимость срабатывания подушки безопасности [1-5]. Особенно это проявляется при боковых ударах и опрокидыва-нии автомобиля.

Одним из главных недостатков подушек безопас-ности, установленных в приборную панель автомо-биля, является ограниченная возможность защиты пассажиров, так как эффективное действие такой подушки проявляется только при фронтальном столкновении и не защищает голову пассажира при опрокидывании транспортного средства, так как при

срабатывании данная подушка разворачивается между приборной панелью и лобовым стеклом с одной стороны и пассажиром переднего сиденья, с другой стороны.

Головные подушки, располагаемые в подголов-нике спинки сиденья так же имеют свои недостатки такие как низкая технологичность, связанная со сложностью ее конструкции, относительно высокая трудоемкость регулировки боковых камер и ограни-чение подвижности головы пассажира транспортно-го средства.

Основной задачей, направленной на повышение пассивной безопасности транспортного средства при его опрокидывании и уменьшения вероятности травм головы пассажиров, является применения верхней подушки безопасности.

Поставленная задача решается следующим об-разом: верхняя подушка безопасности содержит воздушный мешок, с подключенным к нему через электромеханический обратный клапан баллоном со сжатым воздухом. Отличает подушку безопасности от известных аналогов то, что воздушный мешок совмещен с обивкой крыши транспортного средства, снабжен гироскопическим датчиком, выход которого подключен к измерительному входу блока управле-ния, а силовой выход последнего подключен к элек-тромеханическому обратному клапану.


95

Блок управления подушки может быть выполнен на основе микропроцессорной системы, включающей в себя микроконтроллер, содержащий RISC-микропроцессор c регистрами общего назначения и встроенной SRAM-памятью данных, подключенный к FLASH-памяти программ, соединенный общей шиной с универсальным двунаправленным портом ввода-вывода и аналого-цифровым преобразовате-лем; при этом универсальный двунаправленный порт ввода-вывода микроконтроллера подключен к силовому выходу блока управления, а аналогово-цифровой преобразователь подключен к его измери-тельному входу.

Особенностью конструкции представленной верхней подушки безопасности является значитель-ное повышение безопасности пассажиров транс-портного средства при его опрокидывании, за счет совмещения воздушного мешка подушки с обивкой крыши и применения гироскопического датчика, обеспечивающего оперативное срабатывание по-душки безопасности при критическом угле наклона транспортного средства.

Схема установки верхней подушки безопасности в транспортном средстве и структурная схема блока управления подушкой безопасности представлены на рис. 1.

Верхняя подушка безопасности имеет следую-щую конструкцию.

Ее основой является воздушный мешок 1, с под-ключенным к нему через электромеханический об-ратный клапан 2 баллоном со сжатым воздухом (на рисунках условно не показан). При этом воздушный мешок 1 совмещен с обивкой 3 крыши 4 транспорт-ного средства, снабжен гироскопическим датчиком 5, выход которого подключен к измерительному вхо-ду 6 блока управления, а силовой выход 7 последне-го подключен к электромеханическому обратному клапану 2.

Блок управления подушки может быть выполнен на основе микропроцессорной системы, включающей в себя микроконтроллер 8, содержащий RISC-микропроцессор 9 c регистрами общего назначения и встроенной SRAM-памятью данных (на фигурах условно не показаны), подключенный к FLASH-памяти программ 10, соединенный общей шиной с универсальным двунаправленным портом ввода-вывода 11 и аналого-цифровым преобразователем 12. Универсальный двунаправленный порт ввода-вывода 11 микроконтроллера 8 подключен к силово-му выходу 7 блока управления, а аналогово-цифровой преобразователь 12 подключен к его из-мерительному входу 6.

Рис. 1. Верхняя подушка безопасности: 1 – воздушный мешок; 2 – электромеханический клапан; 3 – обивка крыши транспортного средства; 4 –

крыша транспортного средства; 5 –гироскопический датчик; 6 – измерительный вход; 7 – силовой выход; 8 – микроконтроллер; 9 – микропроцессор; 10 – память программ; 11 – порт ввода-вывода; 12 – аналогово-

цифровой преобразователь; 13 – голова водителя автомобиля

Особенности работы верхней подушки безопасно-сти: при движении автомобиля блок управления, согласно алгоритму управляющей программы, запи-санной во FLASH-памяти программ 10 микро-контроллера 8 и выполняемой микропроцессором 9, непрерывно опрашивает гироскопической датчик 5 с помощью аналого-цифрового преобразователя 12. При наклоне транспортного средства на угол сверх допустимого блок управления, согласно управляю-щей программе, подает управляющий сигнал на силовой выход 7 через порт ввода-вывода 11, откры-вая тем самым электромеханический клапан 2. По-сле чего сжатый воздух из баллона поступает в ме-шок 1, надувая его. Мешок 1 раскрывается в гори-зонтальном направлении между крышей 4 автомо-биля и головой 13 водителя и (или) пассажира, об-разуя защитный экран из плотной ткани наполнен-

ный газом, и предохраняя тем самым голову пасса-жира транспортного средства от травм при его опрокидывании.

Таким образом, верхняя подушка безопасности предназначена для защиты пассажиров и предохра-нения их от увечий в случае аварии, и может быть использована в качестве средства пассивной без-опасности в автомобилях. Применение верхней по-душки безопасности обеспечивает повышение пас-сивной безопасности транспортного средства при его опрокидывании и уменьшает вероятность травм головы пассажиров. Задача обеспечения безопасно-сти решается за счет совмещения воздушного мешка подушки с обивкой крыши и применения гироскопи-ческого датчика, обеспечивающего оперативное сра-батывание подушки безопасности при критическом угле наклона транспортного средства.


96


1. Яструбинский Ю.А. Разработка методики по определению критериев срабатывания подушки пассивной безопасности легкового автомобиля / Техника и технология: Новые перспективы развития / сборник статей международной научно-практической конференции. 2017. С. 92-95.

2. Jesse Kendall, P.E., Forensic Scientist Kenneth Alvin Solomon, Ph.D., P.E., Post Ph.D., Chief Scientist at the Institute of Risk & Safety Analyses Denver: The Forensic Examiner,2014.

3. Matthew Huang. Vehicle crash mechanics. New York: CRC Press LLC, 2002. 4. Васькина Е.В., Петухов М.Ю. Расчет условий срабатывания подушек безопасности при фронтальном

ударе автомобиля // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. – 2010. – № 1. – С. 131 – 134. 5. Лемешкин А.В. Разработка экспертной системы определения скорости столкновения автомобиля по де-

формации силовой структуры кузова: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Волгоград: ВГТУ, 2009. – 16 с. 6. Патент РФ № 2662122/23.07.2018 Бюл. № 21

С О Д Е Р Ж - esa-conference.ru€¦ · tis), including infection helicobacter pylon...

Documents