Сборник проектов Питер

включить группу рассеивающих трамплинов с поверхностью двоякой кривизны. Численное моделирование режима работы колодца показывает, что при этом в колодце формируется затопленный гидравлический прыжок, а придонные скорости уменьшаются более чем в два раза, а, следовательно, происходит уменьшение нагрузки более чем в четыре раза.

Е.Г. Гурова (к.т.н., доцент)

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» Научный руководитель – Н.И. Щуров, ФГБОУ ВПО «НГТУ», д.т.н., зав. кафедрой, профессор каф. ЭТК, декан ФМА

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВИБРОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Одной из важнейших инженерных задач является борьба с шумом и вибрациями, создаваемыми работающими машинами и механизмами. Данная проблема наиболее остро стоит в автомобилестроении, судостроении, локомотивостроении, промышленности во всех областях техники. Вибрационные колебания оказывают значительное негативное влияние на надёжность и работоспособность различных устройств. Особенно опасны такие колебания для человека, вызывая различные заболевания.

	P
Pmax		b
Pmin	а
	2А	x
	Рис. 1. Силовая характеристика виброизолятора
	с плавающим участком нулевой жёсткости

Как известно вибрация – произвольные пространственные колебания, то есть и исключать вибрацию необходимо относительно всех трех осей. Сегодня наиболее распространённым методом защиты от пространственных вибраций, создаваемых

321

двигателями, является их установка на пассивные виброизоляторы (пружины, амортизаторы). Однако, отличаясь простотой и надёжностью, такие виброизоляторы малоэффективны, так как снижение их коэффициента жёсткости с целью уменьшения передаваемых динамических усилий, приводит к увеличению относительных перемещений двигателя и сочленяемого с ним оборудования. От этого недостатка избавлены виброизоляторы с плавающим участком нулевой жёсткости, силовая характеристика, которых относительно одной оси пространства показана на рисунке 1.

Характеристика виброизолятора представляет собой бесконечное множество отрезков прямых, равных по длине размаху колебаний 2А, параллельных оси перемещений х и расположенных своими серединами на наклонной прямой ab. Виброизолятор с такой силовой характеристикой обеспечивает практически нулевую жёсткость для колебаний с частотой вибрации, исключая передачу динамических усилий на защищаемое основание. В то же время, для медленно изменяющихся внешних усилий Р виброизолятор имеет вполне определённую жёсткость, определяемую углом наклона прямой ab на рисунке 1.

Рассмотренную силовую характеристику нулевой жёсткости можно получить, если параллельно несущему упругому элементу включить компенсатор жёсткости, который имеет падающую силовую характеристику. Для того, чтобы виброизолятор сохранял работоспособность при изменяющихся внешних усилиях, компенсатор жёсткости снабжают устройством управления, обеспечивающим перемещение участка нулевой жёсткости по силовой характеристике при изменении взаимного положения вибрирующего и защищаемого объектов.

Одним из вариантов компенсатора является электромагнитный компенсатор жёсткости (ЭКЖ) [1], представляющий собой два встречно включенных электромагнита постоянного тока с общим якорем. Была разработана, изготовлена и испытана модель одноосного виброизолятора с ЭКЖ и устройством управления. Эксперименты показали, что виброзащитное устройство с перестраивающимся ЭКЖ снижает уровни виброускорений на 20-55 дБ на частотах от 4 до 128 Гц и позволяет исключить возникновение резонансных режимов. Проведенные испытания показали работоспособность и эффективность одноосного адаптивного виброизолятора с электромагнитным компенсатором жёсткости. Для исключения пространственных вибраций разработана методика установки одноосных виброизоляторов.

На основании проведенных теоретических и практических исследований одноосного виброизолятора с ЭКЖ для исключения пространственных вибраций предложен трехосный виброизолятор с электромагнитным компенсатором жесткости, который позволит обеспечить идеальную виброизоляцию как при постоянных по величине, так и при произвольно меняющихся нагрузках относительно всех трех осей.

Для описания пространственной вибрации и предлагаемого виброизолятора будем использовать математический аппарат – кватернионы (система гиперкомплексных чисел):

322

q = u + x i + y j + z k .

Предлагаемый математический аппарата описывает пространственное движение материальной точки или твердого тела, что позволяет разработать методики расчета и проектирования предлагаемого трехосного виброизолятора. Трехосный виброизолятор может быть использован в любой области машиностроения и техники, а также может оказаться очень эффективным для защиты человека от вибраций, генерируемых энергетическими установками транспортных средств.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Патент 031010. Виброизолятор с электромагнитным компенсатором жёсткости [Текст]/

Гурова Е.Г., В.Ю. Гросс (РФ). - № 2010121808; заявл. 28.05.2010 – 7 с.: ил.

А.А. Мухамадиев (докторант), Р.Г. Фаррахов (доцент) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный

технический университет» (УГАТУ)

Научный руководитель – М.А. Ураксеев, д.т.н., профессор УГАТУ

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТОВ С НЕИЗВЕСТНОЙ

ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

Во многих технологических процессах возникает необходимость измерения температуры. При этом часто требуется обеспечить высокую точность и чувствительность в широком диапазоне измерения. Имеющиеся не сегодняшний день способы и средства измерения, основанные на них, не позволяют измерять температуру с высокой точностью и чувствительностью в широком диапазоне измерения. Невысокая точность измерения обусловлена тем, что коэффициент излучения объектов либо неизвестен, либо изменяется по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, а также не возможностью сканирования спектра излучения с целью выбора окон прозрачности атмосферы. Работа направлена на решение данной проблемы, т.е. на разработку акустооптического измерительного преобразователя температуры, обладающего улучшенными метрологическими характеристиками.

Проведенный анализ различных способов и средств измерения, основанных на них, показал, что основные ограничения метрологических характеристик вводятся используемыми элементами оптики, которые ограничивают количество длин волн на которых производятся измерения. Для качественного улучшения характеристик

323

предлагается использование активной оптики, основанной на акустооптическом эффекте.

В качестве данного элемента предлагается использовать акустооптический перестраиваемый фильтр, на базе которого проектируется акустооптический монохроматор, имеющий еще и поляризаторы, расположенные перед и после фильтра, для продифрагировавшего и непродифрагировавшего пучков излучения. Акустооптический монохроматор предназначен для выделения из широкого спектрального диапазона электромагнитного излучения узкой линии, длина волны которой изменяются в соответствии с электронным управляющим сигналом.

Предлагаемое устройство (рисунок 1) работает следующим образом. Электромагнитная волна в виде светового потока, излучаемая объектом, температуру которого необходимо измерить, поступает в оптический блок 1, проходит через стеклянное окно прозрачное в инфракрасном диапазоне 2 и фокусируется линзой 3 на входной торец волоконного световода 4. С выходного торца световой поток попадает на акустооптический монохроматор 5 и в результате его дифракции на акустических волнах, пропускается лишь монохроматический поток с эффективной длиной волны λэф. Перестройка монохроматора осуществляется по управляющему сигналу. Пропущенное монохроматическое оптическое излучение с эффективной длиной волны λэф попадает в измерительный блок 6, имеющий соответствующую элементную базу и программное обеспечение. Устройство индикации измерительного блока показывает температуру объекта в соответствии с интенсивностью оптического излучения [1, 2].

2

3

1

4

5

6

Управляющий сигнал

Рис. 1. Структурная схема акустооптического измерительного преобразователя температуры

Возможность проведения измерения на разных длинах волн позволит с высокой точностью и чувствительностью в широком диапазоне измерять температуру при неизвестном коэффициенте излучения объектов, либо изменении температуры по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, а также имеет возможность сканирования спектра излучения с целью выбора окон прозрачности атмосферы.

ЛИТЕРАТУРА:

324

1.Пат. 2399892 РФ, МПК7 G01K1/02, G02F1/33. Оптический преобразователь температуры / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос.

авиац. техн. ун-т. (RU). – № 2009122755/28; заявл. 15.06.2009; опубл. 20.09.2010

2.Пат. 88801 РФ, МПК7 G01J5/10. Устройство дистанционного измерения температуры / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос.

авиац. техн. ун-т. (RU). – № №2009126218/22; заявл. 08.07.2009; опубл. 20.11.2009, Бюл. №32.

С.С. Налимова (ассистент)

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель – В.А. Мошников, д.ф.-м.н., проф. каф. МНЭ СПбГЭТУ

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛООКСИДОВ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ НЕИНВАЗИВНОЙ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ

В настоящее время полупроводниковые адсорбционные сенсоры на основе оксидов металлов широко востребованы в экологическом мониторинге, медицинской неинвазивной диагностике, экспресс-мониторинге качества продуктов, криминалистике, военном деле, машиностроении, горном деле и других областях. Низкая стоимость и коммерческая доступность этого типа сенсоров определили их наиболее широкое практическое использование. Одной из наиболее перспективных областей применения металлооксидных сенсоров является медицинская неинвазивная экспресс-диагностика. Сенсорные материалы с повышенной чувствительностью к ацетону могут представлять интерес для разработки устройств для самоконтроля больных сахарным диабетом, а исследование чувствительности к этанолу перспективно для создания устройств диагностики инфекционных заболеваний мочевыводящих путей. В последнее время ведутся разработки по получению сенсорных материалов в виде многокомпонентных металлооксидов, которые в ряде случаев обладают улучшенными газочувствительными свойствами. Повышение газочувствительности возможно при правильном выборе отдельных составляющих и их соотношения. В этом случае создается новый синергетический эффект наносистемы – раздельное ускорение процессов адсорбции и окисления молекул газа [1]. Целью работы являлось развитие возможностей диагностики и направленного изменения адсорбционных свойств поверхности металлооксидов для управления их сенсорным откликом к парам ацетона и этанола.

Металлооксиды (ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4) были синтезированы методом химического соосаждения. Исследования микроструктуры порошков методом растровой электронной микроскопии показали, что размеры наночастиц оксида цинка имеет разброс в диапазоне 20-300 нм, в то время как наночастицы оксида железа

325

практически монодисперсны – 10 нм, а размеры наночастиц при образовании цинкового феррита составляют 20-30 нм.

Проведено исследование чувствительности ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4, полученных методом химического соосаждения, к парам ацетона и этанола. Максимальные значения газочувствительности к обоим газам имеет цинковый феррит. Его чувствительность к этанолу почти в 6 раз превышает чувствительность оксида цинка и в 25 раз – оксида железа, а чувствительность к ацетону увеличивается в 1250 раз по сравнению с оксидом цинка и приблизительно в 70 раз по сравнению с оксидом железа. Полученные в работе высокие значения газочувствительности могут быть объяснены образованием перколяционного стягивающего кластера при условиях, незначительно превышающих порог протекания.

Исследование распределения поверхностных центров по кислотно-основным свойствам проводилось методом адсорбции кислотно-основных индикаторов. Полученные данные (рис. 1) показали, что на поверхности ZnO преобладают льюисовские кислотные центры при невысоком содержании бренстедовских центров. Поверхность Fe2O3 преимущественно заполнена слабокислыми бренстедовскими центрами (гидроксильными группами с рКа = 5.0), а также льюисовскими основными центрами (атомами кислорода) с pKa < 0. Для ZnFe2O4 характерно высокое содержание бренстедовских центров, обладающих выраженными кислотными свойствами (рКа = 2.5) за счет особенностей перераспределения электронной плотности в элемент-кислородных связях смешанного оксида. Обнаружено, что чувствительность образцов к этанолу коррелирует с концентрацией гидроксильных групп кислотного типа с рКа 2.5 (рис. 2), что может быть обусловлено способностью молекул C2H5OH к адсорбции на центрах данного типа [2].

Рис. 1. Распределение центров адсорбции на	Рис. 2. Зависимость чувствительности к
поверхности ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4	этанолу от содержания гидроксильных групп
	кислотного типа (рКа 2.5)

326

Химический состав поверхности нанопорошков исследовался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. При рассмотрении вклада кислорода в виде гидроксильных групп и в форме O2- обнаружено, что оптимальным условием для достижения повышенной газочувствительности является соизмеримая величина данных пиков. Этот факт обусловлен тем, что при детектировании восстанавливающих газов происходит два процесса – адсорбция молекул газа и их окисление. Адсорбция молекул газа происходит с участием кислотных центров Бренстеда (т.е. гидроксильных групп кислотного типа), в то время как в реакции полного окисления молекул принимает участие кислород формы O2-. Для достижения большой величины сенсорного сигнала и малого времени отклика необходимо, чтобы скорости реакций адсорбции и окисления были соизмеримы. Поэтому должно быть соизмеримо количество адсорбционных центров и элементов, за счет которых происходит окисление.

Таким образом, применение в качестве газочувствительных материалов многокомпонентных металлооксидов позволяет достичь эффекта увеличения чувствительности к парам ацетона и этанола. Это достигается правильным выбором компонентов (например, Zn и Fe), обеспечивающим оптимальное соотношение поверхностных центров адсорбции и окисления этих газов. Разработанные материалы перспективны для создания на их основе сенсоров для целей медицинской неинвазивной диагностики, например для самоконтроля больных сахарным диабетом, и диагностики инфекционных заболеваний мочевыводящих путей.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

ЛИТЕРАТУРА:

1.Карпова С.С. Механизм взаимодействия восстанавливающих газов с оксидами металлов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2012. – № 6. – С. 15-24.

2.Функциональный состав поверхности и сенсорные свойства ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 / C. C. Карпова, В. А. Мошников, С. В. Мякин, Е. С. Коловангина // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т. 47, Вып. 3. – С. 369–372.

327

В.Е. Овсянников (к.т.н., молодой ученый) ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Научный руководитель – В.Н. Орлов, к.т.н., профессор кафедры «Инноватики и менеджмента качества»

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Одной из основных задач модернизации отечественного машиностроения, является широкое внедрение станков с ЧПУ. Значительным недостатком существующих станков с ЧПУ, является то, что они зачастую не гарантируют заданных жестких требований по точности и качеству обработки деталей. Поэтому для более эффективного использования станков необходимо решить проблему создания надежного аппарата технологического диагностирования процесса обработки, а также необходим подход к управлению технологическим процессом, основанный на адаптации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, связанных с разработкой модели шероховатости поверхности, установлением взаимосвязи параметров шероховатости поверхности с параметрами виброакустического сигнала и разработкой устройства для автоматического обеспечения шероховатости поверхности

впроцессе резания

Сточки зрения теории случайных функций, профиль поверхности рассматривается как реализация стационарной случайной функции, характеризующей профиль шероховатости:

y(t) = yβ (t) + yγ (t)

где yβ(t) – детерминированная составляющая, yγ(t) – случайная составляющая. Разделение профиля на случайную и систематическую составляющие и их

анализ дает возможность определить текстуру профиля и управлять характеристиками шероховатости поверхности.

Геометрическая интерпретация корреляционной функции основной модели, которая может быть описана следующей формулой:

Кхх (τ) = 0,5А2 cos T2πβ τ + Dγ e−ατ 2

Для расчета корреляционной функции профиля поверхности необходимо через параметры шероховатости поверхности Ra, Sm выразить следующие величины: дисперсию случайной составляющей Dγ = Kγ (0) , коэффициент затухания

корреляционной функции случайной компоненты α , амплитуду систематической составляющей А, шаг систематической составляющей Тβ .

328

В случае, когда в профиле поверхности преобладает систематическая составляющая и его можно описать суммой трех гармоник, возможно применение в качестве модели – площади поперечного сечения профиля шероховатости. В этом случае площадь прямоугольника 2Rql будет характеризовать среднюю площадь

профиля:

S pr = 2Rql = 2l	1 l	y2 dl
	l ∫0

Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке мод. 16K20 и токарном станке с программным управлением 16К20РФ3С5Р132. В качестве обрабатываемого материала применялись конструкционные, углеродистые стали марок ст.45, ст.3, а также сталь 12XН. Выбор диапазона изменения факторов проводился на основе предварительных исследований и обзора литературы, и исходя из производственного опыта.

Было изучено влияние технологических факторов (скорости резания, подачи и износа) на основную модель шероховатости и параметры вибросигнала. Были получены следующие уравнения регрессии:

γ(S) = 0.98246 − 5.74701S −107.844S 2 + 329.5205S 3

γ(V ) = 0.912 − 0.0075 ×V + 0.0000409 ×V 2

γ = 0.7671 −0.12775U −0.1102U 2

По экспериментальным данным были вычислены и построены оценки авто- и взаимно-корреляционных функций. По таблицам типовой идентификации была получена структурная модель системы управления. Результаты расчета численных параметров модели представлены на рис. 1.

G(S) =			2.1498 ×105	×e(−28.647 S )
	(1	+1.376	×109 S)(1 + 25.232S)(1 + 25.226S)

Рис. 1. Результаты тестирования точности модели

329

Как можно видеть из рис. 1 точность полученной модели составляет более 99%, что говорит о применимости поученных результатов на практике. Испытания разработанной системы управления показали, что заданные параметры шероховатости поверхности возможно обеспечивать с погрешностью 15-20%, что более чем достаточно для технических нужд. Оценка экономической эффективности разработанных решений показала возможность получения определенного экономического эффекта от внедрения разработок в промышленную практику. Основными направлениями дальнейших исследований является исследование возможности применения разработанных научно-технических решений для других видов обработки: выглаживания, фрезерования и шлифования.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Симонов А.М., Остапчук А.К., Овсянников В.Е. Основы обеспечения качества поверхности деталей машин с использованием динамического мониторинга: монография. – Курган.: изд-во курганского гос. ун-та, 2010. – 117 с.

2.Остапчук А.К., Овсянников В.Е. Управление формированием шероховатости поверхности при обработке на токарных станках с ЧПУ. – Lambert academic publishing, Munich, 2011. – 285 с.

Р.Н. Садеков (научный сотрудник)

Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики» Научный руководитель – С.Б. Беркович, д.т.н., начальник отдела «Навигационных систем и комплексов», МОУ «Институт инженерной физики»

ПРИМЕНЕНИЕ СТЕРЕО-ВИЗУАЛЬНЫХ И КУРСО-ОДОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ НАВИГАЦИИ

ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Повышение точности определения навигационных параметров возможно путем комплексирования данных, различных типов навигационных систем, при этом, недостатки присущие каждой из систем в отдельности, могут быть частично снижены. Рассмотрим комплексированную систему на основе одометрической и стереовизуальной навигационной системы, такая система обладает автономностью в силу автономности одометрической системы и более высокой точностью вследствие использования дополнительной стерео-визуальной информации. Рассмотрим математические модели одометрической и стерео-визуальной навигационной системы и оценим точность работы комплексированной системы в целом.

Уравнение навигации системы счисления пути запишем в виде

330