Издательство Иркутского национального исследовательского технического университета, 2017
ISSN 1814-3520
Том 21, № 3
2017
Иркутского Государственного Технического Университета
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Издательство Иркутского национального исследовательского технического университета, 2017
Иркутского Государственного Технического Университета
Том 21, № 3
2017
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Том 21, № 3
Иркутского Государственного Технического Университета
2017
Редакционная коллегия
Издательство Иркутского национального исследовательского технического университета
Журнал основан в 1997 г.
Периодичность издания – ежемесячно
Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в
сфере связи, информационных технологий и массовых
коммуникаций (Роскомнадзор).
Свидетельство ПИ № ФС77-62813 от 18 августа 2015 г.
Учредитель Иркутский национальный исследовательский
технический университет
Подписной индекс в Каталоге
российской прессы “Почта России” – 38237
Адрес редакции:
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ауд. Д-215
e-mail: pgp@istu.edu
СУСЛОВ К.В., кандидат технических наук, профессор
Ирк утск ого национального исследовательск ого
технического университета, главный редактор (г. Иркутск,
Россия),
НЕМЧИНОВА Н.В., доктор технических наук, профессор,
заведующая кафедрой металлургии цветных металлов
Ирк утск ого национального исследовательск ого
технического университета, заместитель главного
редактора (г. Иркутск, Россия)
АЗАРОВ В.Н., доктор технических наук, профессор
Московского института электроники и математики
Национального исследовательского университета
Высшей школы экономики ( г. Москва, Россия)
БАЖИН В.Ю., доктор технических наук, профессор
Национального минерально- сырьевого университета
"Горный"( г. Санкт - Петербург, Россия)
БАХМУТОВ С.В., доктор технических наук, профессор
ФГУП " НАМИ" (г. Москва, Россия)
БОРОВИКОВ Ю.С., доктор технических наук, проректор
Н а ц и о н а л ь н о го и с с л ед о в ат ел ь с к о го То м с к о го
политехнического университета (г. Томск, Россия)
ВИСЯЩЕВ А.Н., кандидат технических наук, профессор
Ирк утск ого национального исследовательск ого
технического университета (г. Иркутск, Россия)
ВОРОПАЙ Н.И., член-корреспондент РАН, директор
Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева
СО РАН (г. Иркутск, Россия)
ЗАЙДЕС С. А., доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой машиностроительных технологий
и материалов Иркутского национального
исследовательского технического университета
(г. Иркутск, Россия)
КОЛЬЦОВ В. П., доктор технических наук, профессор
к афедры оборудования и автоматизации
машиностроения Иркутского национального
исследовательского технического университета
(г. Иркутск, Россия)
КРИТСКАЯ Т.В., доктор технических наук, профессор
Запорожской государственной инженерной академии
(Украина)
ПАНТЕЛЕЕВ В.И., доктор технических наук, профессор
Сибирского федерального университета (г. Красноярск,
Россия)
ПЕТРОВ А.В., доктор технических наук, профессор
Ирк утск ого национального исследовательск ого
технического университета (г. Иркутск, Россия)
ПОДЛЕСНЫЙ С.А., кандидат технических наук,
Заслуженный работник высшей школы РФ,
действительный член Международной академии наук
высшей шк олы, с оветник рек тора Сибирск ого
федерального университета (г. Красноярск, Россия)
СИТНИК Л.Е., доктор-инженер, профессор, заведующий
к афедрой Транспортной техники Вроцлавского
политехнического университета (Польша)
СТЫЧИНСКИ С.А., профессор Университета Отто-фонГерике (г. Магдебург, Германия)
ТИХОМИРОВ А.А, доктор экономических наук, профессор
университета ИНХА (г. Инчеон, Республика Корея)
ФЕДОТОВ А.И., доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой автомобильного транспорта
Ирк утск ого национального исследовательск ого
технического университета ( г. Иркутск, Россия)
Ш О Л ЬТ Е С Б е р т х о л ьт , д и р е к т о р И н с т и т у т а
металловедения Кассельского университета (г. Кассель,
Германия)
© ФГБОУ ВО “Иркутский национальный исследовательский технический университет”, 2017
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE RUSSIAN FEDERATION
PROCEEDINGS
o f
I r k u t s k
S t a t e
T e c h n i c a l
U n i v e r s i t y
Vol. 21, No. 3
2017
Editorial board
Publishers of Irkutsk National Research Technical University
The Journal was founded in 1997
Frequency of publication – monthly
The journal is registered with the Federal Agency for Supervision
of Communications, Information Technologies and Mass Media
(Roskomnadzor).
Certificate of registration № ПИ № ФС77-62813
of 18 August, 2015.
Founder: Irkutsk National Research Technical University
Subscription index in the Catalog
of the Russian Press “Pochta Rossii” – 38237
SUSLOV K.V., Candidate of technical sciences, Professor
of Irkutsk National Research Technical University,
Editor-in-Chief (Irkutsk, Russia)
NEMCHINOVA N.V., Doctor of technical sciences,
Professor, Head of the Department of Non-Ferrous Metals
Metallurgy of Irkutsk National Research Technical
University, Deputy Editor in Chief (Irkutsk, Russia)
AZAROV V.N., Doctor of technical sciences, Professor
of Moscow Institute of Electronics and Mathematics
of Higher School of Economics National Research
University (Moscow, Russia)
BAZHIN V.Y., Doctor of technical sciences, Professor
of National Mineral Resources University (Saint Petersburg
Mining University) (Saint Petersburg, Russia)
BAKHMUTOV S.V., Doctor of technical sciences, Professor
of Central Scientific Research Automobile and Automotive
Engine Institute FSUE “NAMI” (Moscow, Russia)
BOROVIKOV Y.S., Doctor of technical sciences, Pro-Rector
of National Research Tomsk Polytechnic University (Tomsk,
Russia)
VISYASHCHEV A.N., Candidate of technical sciences,
Professor of Irkutsk National Research Technical University
(Irkutsk, Russia)
VOROPAI N.I., Corresponding Member of RAS, Director
of Melentiev Energy Systems Institute SB RAS (Irkutsk,
Russia)
ZAIDES S.A., Doctor of technical sciences, Professor, Head
of the Department of Machine-Building Technologies
and Materials of Irkutsk National Research Technical
University (Irkutsk, Russia)
KOLTSOV V.P., Doctor of technical sciences, Professor
of the Department of Mechanical Engineering Equipment
and Automation of Irkutsk National Research Technical
University (Irkutsk, Russia)
KRITSKAYA T.V., Doctor of technical sciences, Professor
of Zaporozhye State Engineering Academy (Ukraine)
PANTELEEV V.I., Doctor of technical sciences, Professor
of Siberian Federal University (Krasnoyarsk, Russia)
PETROV A.V., Doctor of technical sciences, Professor
of Irkutsk National Research Technical University (Irkutsk,
Russia)
PODLESNYI S.A., Candidate of technical sciences,
Honorary Worker of Russian Higher Education, Full Member
of the International Higher Education Academy of Sciences,
Advisor of the Rector of Siberian Federal University
(Krasnoyarsk, Russia)
SITNIK L.E., Doctor-Engineer, Professor, Head
of the Department of Transport Technology of Wrocław
University of Science and Technology (Poland)
STYCHINSKI S.A., Professor of the Otto von Guericke
University (Magdeburg, Germany)
TIKHOMIROV A.A., Doctor of Economics, Professor
of the INHA University (Incheon, Republic of Korea)
FEDOTOV A.I., Doctor of technical sciences, Professor,
Head of the Department of Automobile Transport of Irkutsk
National Research Technical University (Irkutsk, Russia)
BERTHOLT SCHOLTES, Director of the Institute
of Metallurgy of the University of Kassel (Kassel, Germany)
Address of the Publishers:
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
Office D-215
e-mail: pgp@istu.edu
© FSBEIHE “Irkutsk National Research Technical University”, 2017
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Том 21, № 3
Иркутского Государственного Технического Университета
2017
СОДЕРЖАНИЕ
Машиностроение и машиноведение
Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Физические основы технологии
плазменной поверхностной цементации деталей на примере втулки
шпинтона пассажирского вагона............................................................
Кудеников Е.Ю., Бойко А.Ф. Определение оптимального значения
энергии импульсов при электроэрозионной обработке малых
прецизионных отверстий.......................................................................
Лустенков М.Е., Лустенкова Е.С., М аковецкий И.И.
Математическое и компьютерное моделирование угловой муфты
сферической роликовой передачи........................................................
Нго Као Кыонг, Зайдес С.А. Влияние кинематики локального
поверхностного пластического деформирования на напряженнодеформированное состояние в очаге деформации.............................
Худченко А.С., Кокоуров Д.В. Разработка устройства упрочнения
вермикулита в потоке воздуха для энерготехнологических агрегатов
различного типа......................................................................................
10
23
31
39
48
Информатика, вычислительная
техника и управление
Базилевский М.П. Методика многокритериального выбора лямбдапа р а метр а в модели па р н о й лин е йн о й р е гр е ссии с о
стохастическими переменными............................................................. 59
Бузина Т.С., Бузин А.Э., Романов Р.В. О применении методов
параметрического программирования для моделирования
структуры лизинговых платежей............................................................ 73
Жильцов Ю.В., Ёлшин В.В. Использование программного
комплекса ANSYS CFX при разработке модели комбинированного
котла........................................................................................................ 81
Энергетика
Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В. Использование линий
электропередачи по схеме «два провода – земля»............................... 91
Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Моделирование
аварийных режимов в тяговых сетях железных дорог переменного
тока.......................................................................................................... 100
Кудряшов А.Н., Елманов А.В., Киселева И.И., Бибикова Ю.Д.
Оценка доли оксидов серы, связываемых летучей золой, при
сжигании мугунского и ирбейского углей в котлоагрегатах НовоИркутской ТЭЦ........................................................................................ 110
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Иркутского Государственного Технического Университета
Издательство Иркутского национального исследовательского технического университета, 2017
Издательство Иркутского Государственного Технического Университета, 2007
СОДЕРЖАНИЕ
Металлургия и материаловедение
Зенкин Е.Ю., Гавриленко А.А., Немчинова Н.В. О переработке
отходов производства первичного алюминия ОАО «РУСАЛ
Братск».................................................................................................. 123
Халтурина Т.И., Маркин Н.И., Сысоева Е.А. Использование отходов
металлургического производства в процессах обезвреживания
сточных вод гальванических предприятий машиностроения................ 133
Транспорт
Озорнин С.П., Бердников И.Е. Ранжирование факторов условий
эксплуатации, оказывающих негативное влияние на изменение
технического состояния транспортно-технологических машин............
Пиров Ж.Т., Копылова Т.А., Горбунов Р.Н. Состояние дорожнотранспортного травматизма в Республике Таджикистан.......................
Потапов А.С., Свирбутович О.А., Винокуров В.В. Исследование
погрешности измерения угловой скорости вращения колес
автомобиля на диагностических стендах с беговыми барабанами с
помощью ролика следящей системы......................................................
Терских В.М., Катаргин В.Н., Сбитнева А.А., Михайлова Е.С.
Формализация потребности в запасных частях при эксплуатации
автотранспортных средств......................................................................
Трофимова Л.С. Влияние фактической массы отправки груза на
результаты планирования работы автотранспортного предприятия....
Федотов А.И., Власов В.Г., Яньков О.С. Математическая модель
для расчета нормальных и продольных касательных реакций в пятне
контакта шины автомобильного колеса с поверхностями опорных
роликов диагностического стенда...........................................................
Щербина Е.В., Хо Тху Фыонг. Структура пересадок на автовокзалах
г. Ханой.....................................................................................................
145
155
166
174
184
193
204
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE RUSSIAN FEDERATION
PROCEEDINGS
of Irkutsk State Technical University
Vol. 21, No. 3
2017
CONTENTS
Mechanical Engineering
and Machine Science
Vu Van Huy, Balanovsky A.E. Physical principles of plasma surface
carburizing of parts as exemplified by an antirattle bushing of a passenger
coach........................................................................................................
Kudenikov E.Yu., Boyko A.F. Determining the optimum value of energy
pulses in electric discharge machnining of small precision holes................
Lustenkov M.E., Lustenkova E.S., Makovetsky I.I. Mathematical and
computer modeling of an angle joint of spherical roller transmission..........
Kao Ngo Kyong, Zaides S.A. Influence of local surface plastic
deformation kinematics on stress-strain state in the deformation zone.......
Khudchenko A.S., Kokourov D.V. Developing a vermiculite air
hardening device for power technological units of different types...............
10
23
31
39
48
Information Science,
Computer Engineering and
Management
Bazilevskiy M.P. Methodology of lambda-parameter multi-criteria
selection in the model of a pairwise linear regression with stochastic
variables..................................................................................................
Buzina T.S., Buzin A.E., Romanov R.V. On parametric programming
methods application for lease payments structure modeling.....................
Zhiltsov Yu.V., Elshin V.V. Use of ANSYS CFX software for combined
boiler model development........................................................................
59
73
81
Power Engineering
Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V. Using “two wires –
earth” power transmission lines................................................................ 91
Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Alekseenko E.A. Emergency mode
simulation in railroad AC traction networks................................................ 100
Kudryashov A.N., Elmanov A.V., Kiseleva I.I., Bibikova I.D. Estimation
of sulfur oxide proportion bound by fly ash under Mugunsky and Irbeisky
coal combustion in Novo-Irkutsk CHP boiler units..................................... 110
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE RUSSIAN FEDERATION
PROCEEDINGS
of Irkutsk State Technical University
CONTENTS
Publishers of Irkutsk National Research Technical University, 2017
Metallurgy and Materials Science
Zenkin E.Yu., Gavrilenko A.A., Nemchinova N.V. On «RUSAL Bratsk»
JSC primary aluminum production waste recycling.................................... 123
Khalturina T.I., Markin N.I., Sysoeva E.A. Use of metallurgical waste
when decontaminating wastewater at electroplating machine building
enterprises................................................................................................ 133
Transport
Ozornin S.P., Berdnikov I.E. Ranking operation condition factors
affecting negatively on transport and technological machinery technical
condition...................................................................................................
Pirov Zh.T., Kopylova T.A., Gorbunov R.N. The state of road traffic
injury in the republic of Tajikistan...............................................................
Potapov A.S., Svirbutovich O.A., Vinokurov V.V. Study of the
measurement error of vehicle wheel rotation angular speed on diagnostic
test benches with chassis dynamometers by means of a follow system
roller.........................................................................................................
Terskikh V.M., Katargin V.N., Sbitneva A.A., Mikhailova E.S.
Formalization of the demand in spare car part demand when using motor
vehicles....................................................................................................
Trofimova L.S. Actual cargo weight effect on the results of motor
transport enterprise operation planning.....................................................
Fedotov A.I., Vlasov V.G., Yankov O.S. A mathematical model to
calculate normal and longitudinal tangential reactions in the vehicle wheel
tire contact patch with chassis dynamometer bearing roller surfaces.........
Shсherbina E.V., Ho Thu Phuong. Passenger transit structure at Hanoi
bus stations..............................................................................................
145
155
166
174
184
193
204
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Издательство Иркутского национального исследовательского технического университета, 2017
Иркутского Государственного Технического Университета
Уважаемые читатели!
Предлагаем вашему вниманию очередной выпуск научного журнала
«Вестник Иркутского государственного технического университета».
Журнал включен в Перечень ведущих научных журналов и изданий,
в которых должны быть опубликованы основные научные результаты
диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук,
утвержденный ВАК Минобразования России.
«Вестник ИрГТУ» включен в международный каталог периодических
изданий «UlrichsPeriodicals Directory», в базу данных EBSCO, в Научную
электронную библиотеку (eLIBRARY.RU ), рассылается в Российскую
книжную палату, ВИНИТИ РАН.
«Вестник ИрГТУ» реферируется и рецензируется.
Приглашаем вас к активному
творческому сотрудничеству по
научным направлениям:
· Машиностроение и
машиноведение
· Информатика, вычислительная
техника и управление
·
Энергетика
·
Металлургия и материаловедение
·
Транспорт
Редколлегия
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE RUSSIAN FEDERATION
PROCEEDINGS
of Irkutsk State Technical University
Publishers of Irkutsk National Research Technical University, 2017
Dear Readers!
We would like to bring to your attention the next issue of the scientific
journal “Proceedings of Irkutsk State Technical University”. The journal
is included in the list of the leading scientific journals and publications, where
the key scientific results of doctoral (candidate's) theses approved by the State
Commission for Academic Degrees and Titles of the Russian Ministry
of Education are to be published.
The journal “Proceedings of Irkutsk State Technical University"
is included in the international catalog of periodicals "UlrichsPeriodicals
Directory", in the EBSCO database, in the scientific electronic library
(eLIBRARY.RU). It is sent out to the Russian Book Chamber, All-Russian Institute
for Scientific and Technical Information (VINITI) Database RAS.
The journal “Proceedings of Irkutsk State Technical University”
is abstracted and reviewed.
·You are welcome for active and
creative collaboration in the following
fields:
· Mechanical Engineering and Machine
Science
· Information Science, Computer
Engineering and Control
·
Power Engineering
·
Metallurgy and Materials Science
·
Transport
Editorial Board
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.785
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-10-22
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ
ЦЕМЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ВТУЛКИ ШПИНТОНА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА
© Ву Ван Гюи1, А.Е. Балановский2
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ данной работы – рассмотрение физических основ метода плазменной поверхностной цементации и технологии восстановления изношенных втулок, подвергающихся механическому износу. МЕТОДЫ. Для
определения пятна контакта применены оптические методы. Определение состава пасты и плазмообразующего
газа осуществлено на основе эмпирического научного метода. Проведены металлографические исследования
структуры цементированного слоя. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Рассмотрена новая технология упрочнения деталей типа втулки плазменной цементацией в твердой фазе с использованием паст. Представлены физические основы механизма насыщения поверхностного слоя углеродом в процессе плазменного нагрева. Изучены микроструктуры цементированного слоя, микротвердость поверхности после плазменной цементации. ВЫВОДЫ. Разработанная технология плазменной поверхностной цементации деталей железнодорожного транспорта, подвергающихся интенсивному износу, позволяет насыщать поверхность деталей углеродом в течение
нескольких секунд, при этом сильного оплавления поверхности не наблюдается. Цементируемый слой на поверхности изношенной втулки из стали 45 и восстановленной наплавкой проволокой Св-08Г2С достигает толщины от 30 до 200 мкм с микротвердостью 8000–11000 МПа.
Ключевые слова: плазменное упрочнение металлов, паста, плазменная цементация, диффузия, микротвердость.
Формат цитирования: Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Физические основы технологии плазменной поверхностной
цементации деталей на примере втулки шпинтона пассажирского вагона // Вестник Иркутского государственного
технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 10–22. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-10-22
PHYSICAL PRINCIPLES OF PLASMA SURFACE CARBURIZING OF PARTS AS EXEMPLIFIED
BY AN ANTIRATTLE BUSHING OF A PASSENGER COACH
Vu Van Huy, A.E. Balanovsky
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The purpose of the paper is to analyze the physical basis of plasma surface carburizing and
restoration of worn bushings subjected to mechanical wear. METHODS. Optical methods for determining the contact
spot were used. Paste and plasma gas composition were determined using an empirical research method. Metallurgical
studies of the structure of cemented layer were carried out. RESULTS AND DISCUSSION. The article considers new
technology of hardening bushings by plasma carburizing in solid phase using pastes. The physical basis of the mech anism of carbon saturation of the surface layer in the plasma heating is presented. The microstructure and the surface
microhardness of the cemented layer followed by plasma carburizing were studied. CONCLUSIONS. The developed
method of plasma surface carburizing of railway transport parts subjected to heavy wear allows saturating the surface of
the carbon parts with carbon for a few seconds, and there is need in melting on the surface. Cementable layer on the
surface of the worn bushing made of steel 45 and restored by hardfacing with wire Sv-08G2S gets a thickness of 30-200
microns with a micro-hardness of 8000–11000 MPa.
Keywords: plasma hardening metal, paste, plasma carburizing, diffusion, micro-hardness
For citation: Vu Van Huy, Balanovsky A.E. Physical principles of plasma surface carburizing of parts as exemplified by
an antirattle bushing of a passenger coach. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3,
pp. 10–22. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-10-22
___________________________
1
Ву Ван Гюи, аспирант, e-mail: huy241989@gmail.com
Vu Van Huy, Postgraduate, e-mail: huy241989@gmail.com
2
Балановский Андрей Евгеньевич, доктор технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий
и материалов, e-mail: fuco.64@mail.ru
Andrey E. Balanovsky, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technology
and Materials, e-mail: fuco.64@mail.ru
10
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Введение
Плазменное поверхностное упрочнение широко используется для повышения износостойкости поверхности деталей
машин и инструментов [1]. В работах [2–4]
представлены теоретические основы использования плазменного источника нагрева для поверхностной обработки металла,
в том числе рассмотрены методы химикотермического насыщения поверхностного
слоя металла. В работе [5] приведены первые результаты плазменной цементации
поверхностного слоя металла в твердой
фазе. Данный способ обработки имеет ряд
достоинств перед другими способами цементации:
формирование
полезносжимающего напряжения на поверхности,
отсутствие деформации, высокая производительность. Кроме того, не требуется дополнительной термической обработки детали после упрочнения.
Плазменная цементация с использованием паст впервые рассмотрена в работах [1, 6, 7]. Сущность данных методов
заключается в нанесении на поверхность
деталей углеродосодержащей обмазки или
покрытия, которое оплавляется под воздействием плазменной струи. Под действием газодинамической силы плазменной
струи (дуги) происходит интенсивное перемешивание жидкого металла с углеродом,
при последующей кристаллизации образуется легированный слой с большим количеством углерода. В этих работах показано,
что плазменная цементация металла в
твердой фазе возможна только с оплавлением поверхности, то есть на поверхности
металла образуется жидкая ванна, вследствие чего упрочненную деталь необходимо подвергнуть дополнительной механической обработке.
В данной работе рассмотрены физические основы технологии плазменной
поверхностной цементации, что позволяет
объяснить механизм насыщения поверхности металла углеродом без образования
жидкой сварочной ванны. В предлагаемой
технологии углерод диффундирует в металл через тонкую жидкую пленку, образующуюся на поверхности в результате окисления.
Материалы и методы исследования
В качестве твердого покрытия для
цементации использовали пасту следующего состава: графит, жидкое стекло, вода,
масло. Данный состав пасты был подробно
описан в работе [5]. Использование в качестве основного насыщающегося компонента графита, ввиду его высокой электропроводности, позволяет снизить электрическое
сопротивление на границе контакта пятна
нагрева плазменной дуги и покрытия. Механическая прочность покрытия достигается тем, что в качестве связующего используется клеящаяся масса на основе жидкого
стекла. Это в несколько раз повышает механическую прочность покрытия и увеличивает сцепление с основой [1]. Для оценки
влияния толщины покрытия на глубину цементированного слоя рассчитывали удельный вес покрытия, δ, г/см2:
δ=m/S,
где m – масса покрытия как разница масс
детали до нанесения пасты и после, г; S –
площадь нанесения, м2.
Для отработки режимов плазменной
цементации использовались образцы из
стали Ст3 размером 804010 мм. В дальнейшем полученные нами результаты были
перенесены на конкретную деталь, а именно, втулку шпинтона пассажирского вагона.
Для создания источника плазмы использована электрическая дуга, горящая в среде
аргона и углекислого газа. Углекислый газ
применяется для создания окислительной
плазменной среды3 [8–14] и повышения
теплосодержания плазмы [1], что приводит
к ускорению процесса насыщения поверхности углеродом [9,14]. Плазменная цементация с применением электрической дуги
___________________________
3
Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, 1985. 256 с. / Lahtin Y.M., Arzamas B.N. Chemical heat treatment of metals. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985, 256
p.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
11
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
выполнялась на установке, которая включает источник питания Kempi PSS 5000, осциллятор TU50, пульт дистанционного
управления C110D, цифровой анализатор
MU10 (для снятия значений силы тока и
напряжения), систему охлаждения WU10,
баллонную установку с плазмообразующими газами (аргон, углекислый газ), горелкуплазмотрон и штатив. Для фотографирования использовались цифровые зеркальные
камеры ά SONY 350, Canon 550d-18-50
(процедура работы с камерой была подробно изложена в работах [15, 16]). Для
исследования быстропротекающих процессов использовалась скоростная кинокамера
Рco.dimax, оснащенная 12-битной высокочувствительной матрицей КМОП. Время
экспозиции составляло от 2 мкс до 40 мс.
Электронно-микроскопические исследования поверхности металлических образцов
проведены на базе Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) с помощью растрового электронного микроскопа JIB-4501 JEOL
с многолучевой системой, оснащенного
электронной и ионной пушкой JIB-4501 в
комплекте с безазотной системой энерго-
дисперсионного микроанализа, а также
просвечивающего электронного микроскопа
Tecnai G2 20F S-TWIN FEI. Полученные
фотографии обрабатывались при помощи
компьютерной программы ACDSee-7.С.
Втулка шпинтона крепилась в патрон токарного станка 1К62. Плазмотрон
крепился на место резцедержателя. Выставлялась скорость вращения втулки
шпинтона, соизмеримая с линейным перемещением в диапазоне 4–50 мм/с. Для подготовки и изучения микрошлифов использовалось следующее оборудование: автоматический отрезной станок Полилаб
Р100А – для резки металлографических и
петрографических образцов; пресс Полилаб С50А – для запрессовки образцов;
шлифовально-полировальный станок Полилаб П12М – для полировки поверхности
микрошлифов. Микротвердость измерялась
на приборе ПМТ-3, шероховатость – на
профилометре Taylor Hobson Form Talysurf
i200 и оптическом профилометре Bruker
Contour GT-K1. Визуализация процесса
осуществлялась согласно методике, изложенной в работах [15, 16].
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлены фото, демонстрирующие отличия плазменной обработки поверхности металла без углеродосодержащего покрытия (рис.1, а) и с нанесенным покрытием (рис.1, b). На снимках
отчетливо видно, что в процессе плазменного нагрева на поверхности металла образуется пленочный слой, что связано с
окислением поверхности при высоких температурах. При этом температура плавления поверхности с пленочным слоем снижается, что позволяет через образовавшийся пленочный слой насыщать поверхность металла углеродом. Более детальная сьемка показывает, что на поверхности
металла в процессе нагрева возникают зоны повышенного нагрева, а именно, в местах образования жидкого пленочного слоя
(рис. 2).
12
В начале процесса плазменная дуга
горит стабильно, на поверхности вольфрамового электрода следов эрозии не наблюдается. В конце процесса (рис. 2, b) на поверхности вольфрамового электрода образуется нарост из продуктов конденсации,
располагающийся на конце электрода.
Причиной образования данного нароста
является взаимодействие кислорода и углерода в плазме столба дуги [1]. Атомы
кислорода и углерода соединяются с
вольфрамом, образуется оксид вольфрама
(WO3) и карбид вольфрама (WС), которые
имеют более низкие температуры плавления по сравнению с температурой плавления
вольфрама:
WO3
–
1473оC,
WС – 2870оC. Для устранения данного явления при плазменной цементации обработку желательно выполнять короткой дугой малой мощности [1, 4].
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
а
b
Рис. 1. Визуализация процесса поверхностного насыщения углеродом:
а – плазменный нагрев чистой поверхности с образованием окисной пленки;
b – плазменный нагрев углеродосодержащего покрытия
Fig. 1.Visualization of a surface carbon saturation process:
a – plasma heating of the pure surface with forming an oxide film;
b – plasma heating of the carbonaceous coating
а
b
Рис. 2. Тепловая обстановка в пятне нагрева при плазменной цементации
в процессе упрочнения: а – начало процесса; b – окончание процесса
Fig. 1. Thermal conditions in the heating spot during the plasma carburizing :
а – beginning of the process; b – end of the process
При изучении шлифов металлических образцов в поперечном сечении после
их плазменной цементации под микроскопом зафиксирован цементированный слой
(белый слой), который имеет высокую микротвердость – 8000–11000 МПа (при
нагрузке 2Н), и располагается по ширине
дорожки упрочнения (рис. 3).
На рис. 4 представлены результаты
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
электронно-микроскопических исследований цементированного слоя. На рис. 4, а
показаны отпечатки пирамидки при измерении микротвердости. Видно, что отпечатки в упрочненной зоне (в цементированном
слое) меньше, чем в закаленном слое. На
рис. 4, b показана структура цементируемого слоя под электронным микроскопом, где
наблюдается игольчатый и пластинчатый
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
13
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
мартенсит и остаточный аустенит. Анализ
результатов микроскопических исследований поверхностного слоя показывает, что
структура в основном представлена мартенситом с остаточным аустенитом. Доля
остаточного аустенита в цементированном
слое зависит от скорости охлаждения этого
слоя. Характер распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя, по-
казанный на рис. 5, совпадает с результатами работ [1, 4, 7]. Максимальное значение микротвердости – 9900 МПа, наблюдается на определенной глубине поверхностного слоя, при этом непосредственно у поверхности значение микротвердости снижается до 6850 МПа, что связано с большим содержанием остаточного аустенита в
этой зоне.
Рис. 3. Упрочненная дорожка с белым слоем
Fig. 3.Strengthened track with white sand
Микротвердость Hv, МПа /
Microhardness Hv, MPa
а
b
Рис. 4. Микроструктура упрочненного слоя с увеличением в 500 (а) и 1300 (b) раз
Fig. 4. The microstructure of the hardened layer a – 500 times increase; b – 1300 times increase
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
200
400
600
Расстояние от поверхности, мкм /
Distance from the surface, μm
Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине упрочненной дорожки
Fig. 5. Distribution of microhardness according to the depth of a strengthened track
14
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
На основе проведенных ранее исследований [1, 5] и анализа работ других
авторов нами выдвинута следующая гипотеза поверхностного насыщения металла
углеродом в процессе плазменного нагрева. Физическая сущность предлагаемого
нами технологического процесса заключается в том, что углерод легко диффундирует в железо в атомном виде через жидкий
металл [8–14]. При этом углекислый газ используется, с одной стороны, как источник
дополнительного углерода, с другой – как
активатор диффузионных процессов на поверхности раздела «газ (плазма) – твердое
тело» для ускорения процесса образования
атомного углерода и создания жидкой
пленки на поверхности за счет окисления
железа [2, 3].
На рис. 6 представлен механизм
диффузии углерода в процессе плазменной поверхностной цементации, который
состоит из нескольких стадий.
Стадия 1 – начальная стадия возбуждения и формирования плазменной дуги:
СО2= СО + ½ О2.
(2)
(3)
Стадия 2 – взаимодействие плазмы
с покрытием и металлом. Под действием
высоких температур углерод, находящийся
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
(4)
После соединений части атомов углерода с кислородом (4) образуется угарный газ, и идут реакции (2), (3) с образованием атомарного углерода.
Одновременно с этим процессом
происходят реакции взаимодействия кислорода с металлом на поверхности. При
этом вначале образуется закись железа:
Fe + О = FeО;
2Fe + О2 = 2FeO,
(5)
(6)
которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, определенном
соотношении кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись
железа:
2Fe + 3/2О2 = Fe2O3 ,
(7)
или закись-окись железа:
3Fe + 2О2 = Fe3O4.
– окись углерода разлагается на углекислый газ (СО2) и углерод, образующийся в виде атомов (атомарный углерод):
2СО = СО2 + Сат.
С + О = СО.
(8)
(1)
В результате ионизации молекул газов (в реакции (1) углекислый газ) образуется плазма, состоящая из смеси атомов и
молекул (атом углерода, кислорода, атом
аргона; угарный газ, углекислый газ).
Далее происходят следующие процессы:
– углерод на поверхности металла
соединяется с кислородом и образуется
окись углерода (СО):
2С + О2 = 2СО;
в покрытии, превращается в пар:
Известно3 [8–10], что при окислении
железа в процессе цементации основное
значение имеет закись железа, так как
только она имеет низкую температуру
плавления – 1400оС, и способна растворяться в жидком металле. Сформировавшийся на поверхности металла слой закиси
железа имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления железа.
Образованный в плазме атомарный углерод проникает в поверхностный слой металла через данную жидкую пленку. Известно, что закись железа ухудшает свойства металлов. Растворимость данного оксида в стали зависит главным образом от
содержания углерода и температуры металла. Растворимость оксида железа снижается с увеличением содержания углерода в стали. При высокой температуре стали
растворимость оксида железа выше, чем
при низкой температуре.
Процесс раскисления происходит в
результате взаимодействия железа с окси-
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
15
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
дом кремния:
2Feмет + SiО2покр. =
= FeOмет + Siмет.
(9)
В дальнейшем образуется силикат:
SiO2 + FeO = FеО.SiO2.
(10)
Кроме того, при обработке данным
способом могут происходить реакции железа с СО и СО2:
Fe + СО = FeO + С;
Fe + СО2 = FeO + СО.
(11)
(12)
Выгорание углерода стали при высоких температурах протекает по реакциям:
Fe3С + 1/2О2 = 2Fe + СО;
Fe3С + О2 = 3Fe + СО2.
(13)
(14)
Стадия 3. На заключительной стадии происходит охлаждение насыщенного
поверхностного слоя металла. В зависимости от условий охлаждения и состава покрытия образуются различные типы структур поверхностного слоя. Например, на
рис. 6 показана микроструктура поверхностного слоя, состоящего из мартенсита
при высоких скоростях обработки, покрытии
с 20% графита, малом диаметре пятна
нагрева.
Дополнительно были проведены исследования изменения шероховатости поверхности металла после плазменной цементации (рис. 7). Шероховатость поверхности после обработки находится в пределах Ra 0,8–5 мкм. На рис. 7, а отчетливо
видны выступы, образовавшиеся в процессе механической обработки. После плазменной обработки выступы исчезли (рис. 7,
b). Это объясняется тем, что в процессе
плазменной обработки пленка из закиси
железа сначала образуются на выступах,
которые в дальнейшем оплавляются, а
впадины оплавляются позже и в меньшей
степени.
Рис. 6. Предлагаемый механизм диффузии углерода в процессе плазменного упрочнения
Fig. 6. The suggested mechanism of carbon diffusion during plasma hardening
16
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
а
b
Рис. 7. 3D-изображение поверхности упрочненной дорожки: а – до плазменной обработки;
b – после плазменной обработки
Fig. 7. 3D-image of the strengthened surface: а – before plasma treatment; b– after plasma treatment
Разработка технологии плазменной поверхностной цементации втулки шпинтона
Проведенные выше исследования
позволили разработать технологию восстановления и поверхностного упрочнения изношенной втулки, которая входит в состав
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
фрикционного гасителя колебаний тележки
пассажирского вагона. Известно, что в процессе движения вагонов по периодическим
неровностям пути (стыкам рельсов) могут
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
17
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
возникать большие амплитуды колебаний
кузова на рессорах (резонанс)4.5. Для гашения резонансных колебаний в систему рессорного подвешивания вводят гасители,
которые позволяют уменьшить амплитуду и
ускорение колебательного движения. В
буксовом узле тележек типов КВЗ-5, КВЗЦНИИ, ТВЗ-ЦНИИ-М пассажирских вагонов
установлены фрикционные гасители, размещенные внутри наружных пружин буксового рессорного подвешивания. Во время
работы данных гасителей главным элементом, подвергающимся сильному изнашиванию, является втулка шпинтона4.5. При колебании вагона и рамы тележки на буксовых пружинах происходит перемещение
фрикционных сухарей, между втулкой и сухарями возникает большая сила трения,
что ведет к износу наружной цилиндрической поверхности 1 и внутренних поверхностей заплечиков 2 (рис. 8).
В соответствии с ГОСТ 1050-886
фрикционные втулки шпинтонов изготовлены из стали 45, закаленной до твердости 45
HRC. Согласно «Инструкции по сварке и
наплавке узлов и деталей при ремонте
пассажирских вагонов»7, втулки с износом
более 1 мм на сторону или 2 мм по диаметру должны быть восстановлены.
Наплавка может производиться, если износ
по наружному диаметру составляет не более 30% от толщины стенки втулки. При
большем износе втулки ремонту не подлежат. Изношенная втулка наплавляется проволокой Св-08Г2С диаметром 0,8 мм в среде двуокиси углерода с аргоном. Наплавка
осуществляется с предварительным подогревом втулки до температуры 300С. Поверхностная твердость восстановленной
втулки после наплавки составляет всего
10–15 HRC, тогда как твердость новой
втулки – 45 HRC. Дальнейших технологических операций, повышающих твердость
восстановленной втулки шпинтона, в
настоящей инструкции не предусмотрено.
Очевидно, что срок службы такой детали
ниже нормативного.
Рис. 8. Поверхности износа втулки шпинтона
Fig. 8. Surfaces of an antirattle bushing worn
___________________________
4
Соколов М.М, Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: справочник. М.: Транспорт, 1985.
216 с. / Sokolov M.M., Varava V.I., Levit G.M. Absorbers of rolling vibrations. Moscow, Transport Pibl., 1985, 216 p.
5
Шадур Л.А., Челноков И.И., Никольский Л.Н., Никольский Е.Н., Котуранов В.Н., Проскурнев П.Г., Казанский Г.А.,
Спиваковский А.Л., Девятков В.Ф. Вагоны: учебник для вузов ж/д транспорта; 3-е изд., перераб. идоп. М.: Транспорт, 1980. 439 с. / Shadura L.A. etc. Wagons. Moscow, Transport Publ., 1980, 439 p.
6
ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. 19 с. / GOST 1050-88.
Profiles with specific surface finishing with carbon quality structure steel. General Technical Specifications. Moscow,
Standartinform Publ., 2010. 19 p.
7
ЦЛ-201-2011. Инструкция по сварке и наплавке узлов и деталей при ремонте пассажирских вагонов (взамен РТС
32 ЦВ 201-88 в части пассажирских вагонов). М.: ВНИИЖТ, 2011. 126 с. / Welding and surfacing of parts when repairing passenger coaches. Moscow, VNIIZhT Publ., 2011, 126 p.
18
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Для повышения срока службы втулки после восстановительного ремонта
наплавкой (рис. 9) необходимо повысить
твердость наплавленного слоя как минимум до твердости нового изделия. Однако
низкое содержание углерода в проволоке
Св-08Г2С, которая используется при
наплавке, не позволяет получить наплавленный слой, близкий по химическому составу к новой втулке, изготовленной из
стали 45. Следовательно, возникают проблемы при поверхностной закалке данного
изделия [1, 2]. С целью устранения этого
недостатка предлагается насыщать поверхностный слой углеродом при помощи
плазменной цементации [1, 5]. Разработка
технологии поверхностной плазменной цементации состояла из нескольких технологических этапов:
 подготовка покрытия и нанесение
его на втулку (определяется оптимальный
состав пасты, способ нанесения, прочность
сцепления с поверхностью детали);
 плазменная поверхностная цементация (варьируется мощность плазменной
дуги, скорость перемещения, дистанция
обработки);
 подготовка металлографических
шлифов, измерение микротвердости поверхностного слоя.
На рис. 10 показаны образцы восстановленных наплавкой втулок шпинтона,
а
прошедших операцию поверхностного
упрочнения при помощи плазменной цементации. На представленных фото видно,
что разработанный состав углеродосодержащего покрытия (см. [5]) хорошо наносится на поверхность и обладает высоким
сцеплением с основой. Покрытие не разрушается даже после плазменной обработки (рис.10, b). После удаления остатков покрытия на поверхности металла видны характерные для плазменного поверхностного упрочнения дорожки (рис.10, с) [1].
После отработки плазменной поверхностной цементацией в условиях пассажирского депо г. Иркутска экспериментальная партия упрочненных втулок шпинтонов и контрольных неупрочненных была
поставлена на вагон в поезд, следующий
по маршруту Иркутск – Москва. Техническое обслуживание вагона после пробега
150 тыс. км показало, что износ втулок
шпинтона, прошедших плазменную цементацию, составил 0,10 мм, на упрочненной
поверхности втулок дефектов типа сколов,
выкрашиваний, задиров и местных выработок не обнаружено. Контрольные неупрочненные втулки шпинтона имели износ 1,55
мм и локальные выработки на поверхности
глубиной 1 мм. Таким образом, преимущества плазменной цементации для упрочнения деталей очевидны. В настоящий момент испытания втулок продолжаются.
b
Рис.9. Восстановленная наплавкой втулка шпинтона: а – непосредственно после наплавки;
b – после механической обточки наплавленной поверхности
Fig. 9. Restored antirattle bushing: a – after hardfacing; b – after machining
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
19
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
а
b
c
Рис. 10. Втулка шпинтона после плазменной цементации:
а – после нанесения покрытия; b – после плазменной поверхностной цементации;
c – после удаления остатков покрытия:
Fig. 10. Antirattle bushing subjected to plasma carburizing
a – after coating; b – after the plasma surface carburizing ; c – after removal of coating
Заключение
В заключении отметим, что проведенные исследования позволили отработать параметры плазменной цементации
втулки шпинтона. Авторами дано объяснение механизма ускоренного насыщения углеродом поверхностного слоя металла в
процессе плазменной цементации. Благодаря положительным свойствам разработанного покрытия (высокая электропроводность, механическая прочность, термостойкость [1, 5]) и высокому теплосодержанию
плазмы (в среде аргона и углекислого газа)
дуга горит стабильно и устойчиво на поверхности системы «покрытие – металл»,
что увеличивает коэффициент диффузии
углерода в поверхностный слой металла.
При обработке данным способом появляется граничное состояние поверхности де-
талей, где поверхностные микро-слои
оплавляются без образования ванны жидкого металла. В таком состоянии процесс
диффузии углерода в металл значительно
ускоряется.
Таким образом, разработанная технология плазменной поверхностной цементации позволяет насыщать поверхность
деталей углеродом в течение несколько
секунд, при этом сильного оплавления поверхности металла не происходит. Цементируемый слой на поверхности стали 45
достигает толщины 200 мкм с микротвердостью 8000–11000 МПа. Цель дальнейших
исследований – уточнение особенностей
поверхностной цементации для различных
сталей и сплавов.
Библиографический список
1. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное
плазменного поверхностного упрочнения металлов
упрочнение металлов: монография. Иркутск, Изд-во
(Обзор. Часть 2) // Упрочняющие технологии и поИрГТУ, 2006. 180 с.
крытия. 2016. № 1. С. 25–34.
2. Балановский А.Е. Основные вопросы теории
4. Балановский А.Е. Основные вопросы теории
плазменного поверхностного упрочнения металлов
плазменного поверхностного упрочнения металлов
(Обзор. Часть 1) // Упрочняющие технологии и по(Обзор. Часть 3) // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 12. С. 18–30.
крытия. 2016. № 2. С. 20–30.
3. Балановский А.Е. Основные вопросы теории
5. Ву Ван Гюи. Плазменная цементация углероди-
20
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
стых сталей с использованием паст в твердой фазе
// Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2015. Т. 1. № 1. С. 205–211.
6. Скрипкин А.А., Нецветаев В.А., Щербаков В.Е.,
Миненко Н.Ю. Получение теплостойких слоев на
стали 20 с использованием плазменного нагрева //
Сварочное производство. 1992. № 11. С. 15–17.
7. Бердников А.А, Филиппов М.А. Студенок Е.С.
Структура закаленных углеродистых сталей после
плазменного поверхностного нагрева // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997.
№ 6. С. 2–4.
8. Поут Д. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными
пучками. М.: Мaшиностроение, 1987. 424 с.
9. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применением лазерного нагрева. Теория и технология. М.: Изд-во
МАДИ (ГТУ), 2003. 248 с.
10. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка
металлов и сплавов: монография; 2-е изд., перераб.
и доп. М.: Машиностроение, 1965. 492 с.
11. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С.,
Панайоти Т.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов: монография. М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 1999. 400 с.
12. Grafen W., Edenhofer B. Acetylene low-pressure
carburising – a novel and superior carburizing technology // Heat treatment of metals. 1999. Vol. 26. No. 4.
Р. 79–85.
13. Kula P., Olejnik J., Kowalewski J. New vacuum carburizing technology // Heat treatment progress. 2001.
Vol. 1. No. 1. Р. 57–65.
14. Мордовин А.И., Смирнов А.Е., Фомина Л.П., Рыжов Н.М. Анализ эффективности газовых сред при
вакуумной цементации // Упрочняющие технологии
и покрытия. 2008. № 11. С. 31‒35.
15. Балановский А.Е. Визуализация процесса нагрева и плавления металла в анодной области при дуговом разряде с неплавящимся электродом // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 5.
С. 663–668. DOI: 10.7868/S0040364416050069
16. Балановский А.Е Возможности цифровой визуализации процесса нагрева и плавления металла при
дуговом разряде с неплавящимся электродом //
Сварочное производство. 2016. № 6. С. 31–40.
References
1. Balanovskii A.E. Plazmennoe poverkhnostnoe upSvarochnoe proizvodstvo [Welding industry]. 1992,
rochnenie metallov [Plasma surface hardening of meno. 11, pp. 15–17. (In Russian)
7. Berdnikov A.A, Filippov M.A. Studenok E.S. Struktura
tals]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2006, 180 p. (In Russian)
2. Balanovskii A.E. Osnovnye voprosy teorii plazmenzakalennykh uglerodistykh stalei posle plazmennogo
nogo poverkhnostnogo uprochneniya metallov (Obzor.
poverkhnostnogo nagreva [The structure of hardened
Chast' 1) [The main problems in the theory of plasmacarbon steel after plasma surface heating].
surface hardening of metals (Review Part 1)]. UpMetallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov
rochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening
[Metallurgy and heat treatment of metals]. 1997, no. 6,
Technologies and Coatings]. 2015, no. 12, pp. 18–30.
pp. 2–4. (In Russian)
8. Pout D. Modifitsirovanie i legirovanie poverkhnosti
(In Russian)
3. Balanovskii A.E. Osnovnye voprosy teorii plazmenlazernymi, ionnymi i elektronnymi puchkami [Modificanogo poverkhnostnogo uprochneniya metallov (Obzor.
tion and laser surface alloying, ion and electron-electron
Chast' 2) [Key questions of the theory of plasma surface
beam]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 424 p.
hardening of metals (Review Part 2.)]. Uprochnya(In Russian)
yushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening Tech9. Chudina O.V. Kombinirovannye metody poverkhnostnogo uprochneniya stalei s primeneniem lazernogo
nologies and Coatings]. 2016, no. 1, pp. 25–34.
nagreva. Teoriya i tekhnologiya [Combined methods of
(In Russian)
4. Balanovskii A.E. Osnovnye voprosy teorii plazmensurface hardening of steels with prima neniem laser
nogo poverkhnostnogo uprochneniya metallov (Obzor.
heating. Theory and technology]. Moscow, MADI (GTU)
Chast' 3) [The main problems in the theory of plasmaPubl., 2003, 248 p. (In Russian)
surface hardening of metals (Review Part 3)]. Up10. Minkevich A.N. Khimiko-termicheskaya obrabotka
rochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening
metallov i splavov [Chemical heat treatment of metals
Technologies and Coatings]. 2016, no. 2, pp. 20–30. (In
and alloys]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1965,
Russian)
492 p. (In Russian)
5. Vu Van Gyui. Plazmennaya tsementatsiya uglero11. Arzamasov B.N., Bratukhin A.G., Eliseev Yu.S.,
distykh stalei s ispol'zovaniem past v tverdoi faze
Panaioti T.A. Ionnaya khimiko-termicheskaya obrabotka
splavov [The ion chemical heat treatment of alloys].
[Plasma carburizing carbon steels using pastes in the
solid phase]. Vestnik nauki i obrazovaniya SeveroMoscow, MGTU im. N.E. Baumana Publ., 1999, 400 p.
Zapada Rossii [Bulletin of Science and Education of the
(In Russian)
North-West of Russia]. 2015, vol. 1, no. 1, pp. 205–211.
12. Grafen W., Edenhofer B. Acetylene low-pressure
(In Russian)
carburising – a novel and superior carburizing techno6. Skripkin A.A., Netsvetaev V.A., Shcherbakov V.E.,
logy. Heat treatment of metals. 1999, vol. 26,
Minenko N.Yu. Poluchenie teplostoikikh sloev na stali
no. 4, pp. 79–85.
20 s ispol'zovaniem plazmennogo nagreva [Getting the
13. Kula P., Olejnik J., Kowalewski J. New vacuum carheat-resistant layers on steel 20 using plasma heating].
burizing technology. Heat treatment progress. 2001,
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
21
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
vol. 1, no. 1, pp. 57–65.
14. Mordovin A.I., Smirnov A.E., Fomina L.P., Ryzhov
N.M. Analiz effektivnosti gazovykh sred pri vakuumnoi
tsementatsii [Analysis of gas media efficiency under
vacuum carburizing]. Uprochnyayushchie tekhnologii i
pokrytiya [Strengthening Technologies and Coatings].
2008, no. 11, pp. 31‒35. (in Russian)
15. Balanovskii A.E. Vizualizatsiya protsessa nagreva i
plavleniya metalla v anodnoi oblasti pri dugovom
razryade s neplavyashchimsya elektrodom [Visualization of spark discharged heating and melting of metals
in the anode region]. Teplofizika vysokikh temperatur
[Thermophysics of high temperatures]. 2016. vol. 54,
no.
5,
pp.
663-668.
(In
Russian)
DOI: 10.7868/S0040364416050069
16. Balanovskii A.E Vozmozhnosti tsifrovoi vizualizatsii
protsessa nagreva i plavleniya metalla pri dugovom
razryade s neplavyashchimsya elektrodom [Possibilities
of digital visualization of spark discharged heating and
melting of metals]. Svarochnoe proizvodstvo [Welding].
2016, no. 6, pp. 31–40. (In Russian)
Критерии авторства
Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Vu Van Huy, Balanovskiy A.E. have equal authors’
rightsand bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interestsregarding the publication of this article.
Статья поступила 09.01.2017 г.
The article was received on 09.01.2017
22
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.9.048.4
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-23-30
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСОВ
ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОТВЕРСТИЙ
© Е.Ю. Кудеников1, А.Ф. Бойко2
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Исследовать влияние величины энергии импульсов генератора электроэрозионного станка на
износ электрода-инструмента и производительность обработки, разработать методику определения ее оптимального значения с учетом полного объемного износа электрода-инструмента. МЕТОДЫ. Решение рассмотренных задач основано на экспериментальных методах исследования. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана методика
определения оптимального значения энергии импульсов с учетом полного объемного износа электродаинструмента. На основе экспериментальных данных определена зависимость эффективности обработки от величины энергии импульсов для данных условий эксперимента. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предлагаемая методика позволяет выполнить объективную оценку эффективности электроэрозионной обработки микроотверстий в зависимости от энергии импульсов генератора.
Ключевые слова: точность электроэрозионной обработки, конусность отверстий малого диаметра, энергия
импульсов электроэрозионного станка, объемный износ электрода-инструмента, контур рабочей части
электрода-инструмента, производительность электроэрозионной обработки.
Формат цитирования: Кудеников Е.Ю., Бойко А.Ф. Определение оптимального значения энергии импульсов при
электроэрозионной обработке малых прецизионных отверстий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. C. 23–30. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-23-30
DETERMINING THE OPTIMUM VALUE OF ENERGY PULSES IN ELECTRIC DISCHARGE MACHNINING
OF SMALL PRECISION HOLES
E.Y. Kudenikov, A.F. Boyko
Belgorod State Technological University n.a. V.G. Shoukhov,
46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.
ABSTRACT. THE PURPOSE. The paper aims to explore the value of an energy impulse of EDM machine’s generator
on the electrode-tool wear and machining performance, to develop a methodology for calculating its optimal value, taking
into account the total volumetric wear of the tool-electrode. METHODS. Solution of the problems under consideration is
based on experimental research methods. RESULTS. A method for determining the optimum pulse energy value, taking
into account the total volumetric wear of the tool-electrode. On the basis of experimental data, the dependence of machining efficiency on the pulse energy values for the experimental conditions was identified. CONCLUSION. The method
allows to perform an objective evaluation of the effectiveness of EDM micro-holes depending on the energy of generator’s pulses.
Keywords: EDM precision, taper holes of small diameter, EDM machine pulse energy, volumetric wear of the electrodetool, contour of the working part of the tool-electrode, EDM performance
For citation: Kudenikov E.Yu., Boyko A.F. Determining the optimum value of energy pulses in electric discharge
machnining of small precision holes. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 23–30.
(In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-23-30
___________________________
1
Кудеников Евгений Юрьевич, аспирант, e-mail: kudenikov@bk.ru
Evgenij Yu. Kudenikov, a postgraduate student, e-mail: kudenikov@bk.ru
2
Бойко Анатолий Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения,
e-mail: boyko_1947@bk.ru
Anatolij F. Boyko, Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology,
e-mail: boyko_1947@bk.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
23
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Введение
В настоящее время в ряде отраслей промышленности возросла потребность в электроэрозионной обработке (ЭЭО) прецизионных отверстий малого диаметра. К прецизионным
относят микроотверстия диаметром менее 0,1–0,3 мм, выполняемые с точностью от микрона
до нескольких сотых долей миллиметра [1]. Особое значение получение таких отверстий приобрело в производстве инструмента для микросварки и микропайки лопаток газотурбинных
двигателей, деталей пневморегулирующей авиационной и ракетной техники, атравматических
(хирургических) игл и т.д. Поэтому решение вопроса повышения точности микроотверстий
требует проведения соответствующих исследований.
Известно, что в процессе электроэрозионной обработки по межэлектродному промежутку движется жидкость, насыщенная продуктами эрозии, которые создают условия для паразитных разрядов [2–6]. Так как нижние участки электрода-инструмента (ЭИ) подвергаются
действию боковых разрядов дольше, чем верхние, то ЭИ в процессе обработки заостряется,
что приводит к увеличению погрешности формы (в том числе конусности) получаемого отверстия3 [7, 8].
Цель исследования
При анализе эффективности процесса обработки в зависимости от значения энергии
импульсов генератора до настоящего времени оценивалась величина линейного износа электрода-инструмента4. При этом объемом изношенной части ЭИ Vизн пренебрегали (рис. 1). Поэтому представляет интерес определение оптимальной энергии импульсов с учетом полного
объемного износа электрода-инструмента.
Рис. 1. Изношенная часть электрода-инструмента
Fig. 1. The worn element of the electrode-tool
___________________________
3
Артамонов Б.А Размерная электрическая обработка металлов: учеб. пособие для машиностроительных специальностей вузов. М.: Высш. шк., 1978. 336 с. / Artamonov B.A Size electric machining of metals. Moscow, Vysshaya
shkola Publ., 1978, 336 р.
4
Левинсон Е.М., Лев В.С. Электроэрозионная обработка металлов: справочное пособие по электротехнологии. Л.:
Лениздат, 1972. 328 с. / Levinson E.M., Lev V.S. Electric discharge machining of metals. Leningrad, Lenizdat Publ.,
1972, 328 р.
24
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Методы и результаты исследования
Для объективной оценки степени влияния величины энергии импульсов E, мкДж, на
эффективность обработки необходимо определить значение коэффициента эффективности
KЭ (1):
𝑄
𝐾Э(𝐸) = 𝛾 об ,
(1)
об.п.
где 𝛾об.п. – полный объемный износ ЭИ, %; 𝑄об – объемная производительность, мкм3/с.
Для выявления математической модели зависимости полного объемного износа ЭИ
𝛾об.п. (2) и объемной производительности 𝑄об (3) от величины энергии импульсов генератора
на электроэрозионном станке 04ЭП10М был проведен ряд экспериментов:
𝛾об.п. = 𝑓(𝐸);
(2)
𝑄об = 𝑓(𝐸).
(3)
Эксперименты проводились при следующих режимах обработки: частота генератора
импульсов станка – 25 кГц; толщина обрабатываемой детали – 1000 мкм; материал – коррозионностойкая сталь аустенитного класса AISI 321; материал электрода-инструмента – вольфрам в виде проволоки; рабочая среда – вода водопроводная.
Эксперимент проводился следующим образом. Электродом-инструментом диаметром
d=100 мкм прошивалось семь сквозных отверстий с энергиями импульсов, мкДж: E1 – 64,1;
E2 – 96,15; E3 – 211,538; E4 – 301,28; E5 – 325,56; E6 – 641,025; E7 – 1282,05. При прошивке измерялся линейный износ Z и время обработки t. После обработки каждого отверстия с помощью цифрового микроскопа Levenhuk D70L выполнялась серия снимков рабочей части электрода-инструмента, после чего ЭИ торцевался на 1000–1100 мкм, далее производилась обработка следующего отверстия.
Для определения объема изношенной части электрода-инструмента Vизн требовалось
определить функцию, которая позволила бы наиболее точно теоретически описать контур рабочей части ЭИ. Анализируя полученные в ходе эксперимента снимки рабочей части электрода-инструмента в качестве функции, описывающей ее контур, была предложена показательная функция (4) и функция эллипса (5):
𝑙1 (𝑟) = 𝑎𝑏 𝑟 ;
(4)
𝑟 𝑎 1/𝑏
𝑙2 (𝑟) = ℎ − ℎ [1 − 𝑑/2 ]
,
(5)
где a, b – коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от глубины отверстия; h – глубина обработки, мкм; d – диаметр ЭИ, мкм.
Используя экспериментальные значения величины изношенной части ЭИ 𝑙э , с помощью
системы Mathcad находим коэффициенты a и b функций (4) и (5). Подставим их в (4) и (5) и
определим значения 𝑙1 , 𝑙2 . Полученные значения для E1=64,1 мкДж представлены в табл. 1.
Выполним аналогичные расчеты для других значений энергии импульсов E, результаты
сведем в табл. 2.
Анализируя данные табл. 2, можно сделать вывод о том, что при использовании функции эллипса (5) для описания контура рабочей части ЭИ отклонение теоретических значений
от экспериментальных меньше, чем у показательной функции (4). Таким образом, функция
эллипса (5) наиболее точно описывает форму рабочей части электрода-инструмента.
Найдем зависимость длины изношенной части электрода-инструмента 𝑙 от энергии импульса E через коэффициенты a и b функции (5). Для этого определим зависимость коэффициентов a и b от энергии импульсов E:
𝑎 = 𝑓(𝐸),
𝑏 = 𝑓(𝐸).
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
(6)
(7)
25
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Таблица 1
Сравнение экспериментальных значений величины износа
электрода-инструмента 𝒍 с расчетными значениями
в зависимости от радиуса r
Table 1
Comparison of the experimental values of the electrode-tool wear l value
and calculated values depending on the radius r
Параметр / Parametr
Значение / Vaiue
r, мкм
10
20
30
40
4,65
11,16
20,16
35,9
𝑙э , мкм
3,391
7,668
17,337
39,2
𝑙1 (r), мкм
4,157
11,056
20,805
35,583
𝑙2 (r), мкм
1,584
12,194
7,967
10,887
(𝑙э -𝑙1 (r))2
2
0,244
0,011
0,416
0,1
(𝑙э -𝑙2 (r))
32,632
Σ(𝑙э -𝑙1 (r))2
0,771
Σ(𝑙э -𝑙2 (r))2
Таблица 2
Значения сумм квадратов отклонений экспериментальных значений 𝒍 от расчетных
Table 2
The values of the sum of squares of deviations of experimental values o
f l from the calculated values
Параметр /
Значение / Vaiue
Parametr
E, мкДж
64,1
96,15
211,538
301,28
352,56
641,025 1282,05
2
32,632
31,724
49,333
57,373
69,26
151,113 581,283
Σ(𝑙э -𝑙1 (r))
2
Σ(𝑙э -𝑙2 (r))
0,771
0,768
1,073
0,327
2,573
1,182
1,385
Используя систему Mathcad, опишем зависимости (6) и (7) с помощью математических
функций и построим их графики (рис. 2):
−3
𝑎 = 0,793 ∙ 𝑒 −3,318∙10 ∙𝐸 + 0,991,
(8)
−4,74∙10−3 ∙𝐸
𝑏 = 1,931 ∙ 𝑒
+ 1,674.
(9)
Подставим полученные функции (8), (9) в (5) и построим ее графики (рис. 3):
−3,318∙10
𝑟 0,793∙𝑒
𝑙2 (𝑟) = 1000 − 1000 [1 − 50
−3 ∙𝐸
1
−3
+0,991 1,931∙𝑒−4,74∙10 ∙𝐸 +1,674
]
.
(10)
Для нахождения объема полученных отверстий Vотв при различных значениях энергии
импульсов проинтегрируем функцию (10). Объем изношенной части электрода-инструмента
Vизн (рис. 1) найдем по формуле (11), объем линейного износа Vлин – по формуле (12), сведем
полученные данные в табл. 3.
𝑉изн = 𝜋 ∙ 502 ∙ 1000 − 𝑉отв ,
(11)
2
𝑉лин = 𝜋 ∙ 50 ∙ 𝑍.
(12)
Используя данные табл. 3, найдем объемный износ (13) и полный объемный износ (14)
электрода инструмента, результаты сведем в табл. 4.
𝛾об =
𝛾об.п. =
26
𝑉изн
∙ 100%,
𝑉отв
𝑉изн +𝑉лин
𝑉отв
∙ 100% .
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
(13)
(14)
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
а
b
Рис. 2. Зависимость коэффициентов a и b от энергии импульсов E
(сплошные линии – экспериментальные, пунктирные – теоретические):
а – зависимость коэффициента a от энергии импульсов E;
b – зависимость коэффициента b от энергии импульсов E
Fig. 2. The dependence of the coefficients a and b on the pulse energy E
(solid line – experimental, dotted – theoretical)
Рис. 3. Теоретически описанные контуры рабочей части электрода-инструмента
в зависимости от значения энергии импульсов
Fig. 3. Theoretically described the contours of the working part of the tool-electrode depending
on the pulse energy values
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
27
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Таблица 3
Объемы полученных отверстий изношенной части
электрода-инструмента линейного износа при различных значениях
энергии импульсов
Table 3
Volumes of obtained holes of the worn element of the electrode-tool of a linear wear
for different pulse energies
Параметр / Parametr
Значение / Vaiue
Vотв, мкм3х106
5,704
5,545
5,028
4,703
4,55
4,038
3,795
Vизн, мкм3х106
2,15
2,309
2,826
3,151
3,304
3,816
4,059
Vлин, мкм3х106
3,142
3,927
6,283
7,854
8,639
12,57
20,42
Таблица 4
Объемный износ и полный объемный износ при различных энергиях импульсов
Table 4
Volumetric wear and total volumetric wear for different pulse energies
Параметр /
Значение / Vaiue
Parametr
E, мкДж
64,1
96,15
211,538
301,28
352,56
641,025
1282,05
𝛾об , %
38
42
56
67
73
94
107
𝛾об.п. , %
93
112
181
234
262
406
645
Проанализировав данные, представленные в табл. 3 и 4, следует отметить, что величина объема изношенной части ЭИ Vизн соизмерима с величиной объема линейного износа
Vлин. Следовательно, для объективной оценки эффективности процесса необходимо учитывать именно полный объемный износ электрода-инструмента 𝛾об.п .
Зная объем полученных отверстий Vотв и время обработки t, найдем объемную производительность Qоб, мкм3/мс:
𝑄об =
𝑉отв
𝑡
.
(15)
Используя систему Mathcad, опишем зависимость объемной производительности от
энергии импульса (3) с помощью логарифмической функции и построим ее график (рис. 4).
𝑄об (𝐸) = 18,195 ∙ ln(−61,695 + 𝐸) + 142,38 .
(16)
Для определения оптимального значения энергии импульсов определим коэффициент
эффективности KЭ (1). Результаты представим в виде графика зависимости коэффициента
эффективности от энергии импульсов (рис. 5).
Анализируя график, можно сделать вывод о наличии экстремума функции (1), при котором значение коэффициента эффективности является максимальным, а, следовательно,
процесс обработки становится наиболее эффективным (рис. 5). Для данных условий эксперимента максимальное значение коэффициента эффективности KЭ составило 1,607 при энергии импульсов 86,744 мкДж. Таким образом, с учетом дискретности установки значения энергии импульсов станка оптимальным будет режим № 6 с энергией E = 96,15 мкДж.
28
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Рис. 4. График зависимости объемной производительности от энергии импульса
(сплошная линия – экспериментальная, пунктирная – теоретическая)
Fig. 4. A plot of the volume efficiency of the pulse energy (solid line – experimental,
dotted – theoretical)
Рис. 5. График зависимости коэффициента эффективности от энергии импульса
Fig. 5. Dependency of the performance ration on the energy pulse
Заключение
Проанализировав полученные данные, можно сделать следующие обобщающие выводы:
1. С увеличением энергии импульса полный объемный износ электрода-инструмента и
объемная производительность возрастают.
2. Существует предельное значение энергии импульса, при превышении которого
наблюдается увеличение полного объемного износа электрода инструмента при практически
неизменном значении производительности процесса.
3. Для выполнения объективного анализа эффективности процесса электроэрозионной
обработки необходимо учитывать значение полного объемного износа электродаинструмента.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
29
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
4. Предложенный коэффициент эффективности, представляющий собой отношение
объемной производительности к полному объемному износу электрода-инструмента, позволяет оценить эффективность процесса электроэрозионной обработки для данных условий.
5. Для нахождения оптимального значения энергии импульса необходимо найти ло𝑄
кальный экстремум (максимум) функции 𝐾Э(𝐸) = 𝛾 об .
об.п.
Библиографический список
1. Левинсон Е.М., Лев В.С., Гуткин В.Г., Лившиц А.Л., Юткин Л.А. Электроразрядная обработка материалов. Л.:
Машиностроение, 1971. 256 с.
2. Бойко А.Ф. Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий: монография. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. 314 с.
3. Бойко А.Ф. Исследование многофакторной зависимости износа электрода-инструмента при электроэрозионной
прошивке микроотверстий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2016. № 7. С.116–121.
4. Золотых Б.Н. Физические основы электроискровой обработки. М.: Машиностроение, 1977. 44 с.
5. Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л.: Машиностроение, 1971. 544 с.
6. Фатеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 184 с.
7. Лазаренко Б.Р. Электроискровая обработка металлов. М.: Машиностроение, 1950. 164 с.
8. Левинсон Е.М. Отверстия малых размеров. Л.: Машиностроение, 1977. 152 с.
References
1. Levinson E.M., Lev V.S., Gutkin V.G., Livshic A.L., Jutkin L.A. Jelektrorazrjadnaja obrabotka materialov [Electrodischarge machining]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1971, 256 р. (In Russian)
2. Bojko A.F. Jeffektivnaja tehnologija i oborudovanie dlja jelektrojerozionnoj proshivki precizionnyh mikrootverstij [Efficient technology and equipment for electric discharge machining of precision microholes]. Belgorod, BGTU im.
V.G. Shuhova Publ., 2010, 314 р. (In Russian)
3. Bojko A.F. Issledovanie mnogofaktornoj zavisimosti iznosa jelektroda-instrumenta pri jelektrojerozionnoj proshivke
mikrootverstij [Studies of multifactor dependency of the electric tool wear during electric discharge machining of microholes]. Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technical University of V.G. Schuhov]. 2016,
no. 7, рр.116–121. (In Russian)
4. Zolotyh B.N. Fizicheskie osnovy jelektroiskrovoj obrabotki [Physical basis of electric machining]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977, 44 р. (In Russian)
5. Popilov L.Ja. Spravochnik po jelektricheskim i ul'trazvukovym metodam obrabotki materialov [Reference book of electric and ultrasound methods of machining]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1971, 544 р. (In Russian)
6. Fateev N.K. Tehnologija jelektrojerozionnoj obrabotki [Methods of electric discharge machining]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1980, 184 р. (In Russian)
7. Lazarenko B.R. Jelektroiskrovaja obrabotka metallov [Electric discharge machining of metals]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1950, 164 p. (In Russian)
8. Levinson E.M. Otverstija malyh razmerov [Small size holes]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1977, 152 р. (In Russian)
Критерии авторства
Кудеников Е.Ю., Бойко А.Ф. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Kudenikov E.U., Boyko A.F. have equal author`s rights and responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила 09.01.2017 г.
The article was received on 09.01.2017
30
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.83.06
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-31-38
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УГЛОВОЙ МУФТЫ
СФЕРИЧЕСКОЙ РОЛИКОВОЙ ПЕРЕДАЧИ
© М.Е. Лустенков1, Е.С. Лустенкова2, И.И. Маковецкий3
Белорусско-Российский университет,
Республика Беларусь, 212000, г. Могилев, пр. Мира, 43.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Определить геометрические параметры угловой муфты, обеспечивающие преобразование
сферического движения генератора во вращательное движение ведомого вала сферической роликовой передачи. МЕТОДЫ. Рассмотрена конструкция сферической роликовой передачи, преимуществами которой являются
малые габариты и высокая нагрузочная способность. Предложена схема угловой муфты, одна из полумуфт которой содержит сферические выступы, а вторая ‒ профильные пазы. Получены уравнения траекторий центров
сферических выступов в абсолютном движении и в системе координат ведомого вала передачи на основе преобразования координат точек в матричной форме. РЕЗУЛЬТАТЫ. Создана параметрическая компьютерная модель угловой муфты, позволяющая определять зависимости кинематических параметров ее звеньев. Разработан
экспериментальный образец редуктора со сферической роликовой передачей. ВЫВОДЫ. Полученные уравнения позволяют изготавливать угловые муфты на фрезерных станках с ЧПУ с помощью сферических фрез. Проведенные испытания экспериментального образца редуктора подтвердили полученные теоретические зависимости кинематических параметров.
Ключевые слова: механическая передача, угловая муфта, тела качения, беговая дорожка, генератор, кулачок.
Формат цитирования: Лустенков М.Е., Лустенкова Е.С., Маковецкий И.И. Математическое и компьютерное моделирование угловой муфты сферической роликовой передачи // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 31‒38. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-31-38
MATHEMATICAL AND COMPUTER MODELING OF AN ANGLE JOINT OF SPHERICAL ROLLER TRANSMISSION
M.E. Lustenkov, E.S. Lustenkova, I.I. Makovetsky
Belarusian-Russian University,
43, pr. Mira, Mogilev, 212000, Republic of Belarus.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to determine the geometric parameters of an angle joint transforming the
spherical motion into rotary one of the driven shaft of spherical roller transmission. METHODS. The paper deals with the
structure of spherical roller transmission which is characterized by small dimensions and high load capacity. The scheme
of an angle joint is suggested. One half-coupling of the angle joint has spherical bulges and the other one has profile
slots. The equations of spherical bulges centers trajectories in absolute motion and in transmission driven shaft coordinate system were obtained based on the transformation of points coordinates in matrix form. RESULTS. Parametric
computer model of an angle joint was developed. It enables to determine kinematic parameters of its links. Experimental
prototype of speed reducer with a spherical roller transmission was created. CONCLUSIONS. The equations allow to
make angular joints on CNC milling machines using a spherical cutter. The tests results of the experimental prototype of
the speed reducer proved theoretical dependences of kinematic parameters.
Keywords: mechanical transmission, angle joint, rolling bodies, racetrack, generator, cam
For citation: Lustenkov M.E., Lustenkova E.S., Makovetsky I.I. Mathematical and computer modeling of an angle joint of
spherical roller transmission. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017. vol. 21, no. 3, pp. 31‒38. (in Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-31-38
_________________________
1
Лустенков Михаил Евгеньевич, доктор технических наук, доцент, первый проректор, e-mail: lustenkov@yandex.ru
Mikhail E. Lustenkov, Dr Sc (in Engineering)., Associate Professor, First Vice-Rector, e-mail: lustenkov@yandex.ru
2
Лустенкова Екатерина Сергеевна, маркетолог, e-mail: fittsova@gmail.com
Ekaterina S. Lustenkova, marketer, e-mail: fittsova@gmail.com
3
Маковецкий Илья Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент, декан экономического факультета,
e-mail: f_ec@bru.by
Ilya I. Makovetsky, PhD, Associate Professor, Decane of the Faculty of Economics, e-mail: f_ec@bru.by
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
31
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Введение
Одной из основных тенденций в
развитии механических приводных систем
является снижение материалоемкости при
возрастающих передаваемых нагрузках и
скоростях. Вследствие того что традиционные виды зубчатых зацеплений практически исчерпали резервы повышения нагрузочной способности конструктивными методами, разработчики новой техники все
чаще обращают внимание на передачи нетрадиционных типов. Перспективными прототипами механизмов для создания новых
конструкций являются известные планетарные зубчатые передачи [1] и цевочные
передачи с циклоидальным зацеплением
[2]. Они имеют достаточно сложную конструкцию с учетом необходимости проектирования механизма выравнивания нагрузки
по потокам. При этом требуется высокая
точность изготовления деталей и их сборки. Передачи с промежуточными телами
качения менее известны [3‒5], однако они
отличаются малыми габаритами, обладают
компоновочными преимуществами, широкими кинематическими возможностями и
потенциально высокой нагрузочной способностью, характеризуемой максимальной
передаваемой мощностью, отнесенной к
массе передачи (или к ее габаритам). Однако большинство существующих конструкций обеспечивает низкие КПД и
надежность, так как оси (или центры масс)
тел качения не зафиксированы на общем
основании, что приводит к перекосу осей и
заклиниванию механизма. Планетарные
прецессионные передачи с телами качения
компактны и позволяют разрабатывать редукторные узлы с широким диапазоном передаточных отношений [6]. При этом используемый принцип силового замыкания
высших кинематических пар, образуемых
телами качения, теоретически снижает
нагрузочную способность передачи вдвое.
Для увеличения передаваемой мощности и
снижения материалоемкости приводов
различного назначения была разработана
сферическая роликовая передача (СРП) с
принципом геометрического замыкания
высших кинематических пар контактирующих элементов зацепления [7]. Важное
значение имеют конструкция и параметры
угловой муфты, являющейся неотъемлемой частью СРП, преобразующей сферическое движение генератора во вращательное движение ведомого вала.
Методы и их обсуждение
Конструкция и принцип работы
сферической роликовой передачи. Схема исследуемой передачи приведена на
рис. 1. Передача содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы. При вращении ведущего вала 1 вращается установленный на его
наклонном участке 5 генератор 6. На
наружной поверхности генератора в отверстиях с равным шагом установлены ролики
4 со сферическими консольными участками
(выступами). Ролики контактируют с периодической замкнутой беговой дорожкой 7,
изготовленной на внутренней сферической
поверхности корпуса 3. При работе СРП
скорость вращения генератора относительно оси передачи снижается в 1+Z раз
по сравнению со скоростью вращения ве32
дущего вала, где Z ‒ число периодов (волн)
корпусной беговой дорожки. Для передачи
движения с генератора на ведомый вал в
конструкции механизма предусмотрена угловая муфта 8. Для обеспечения сборки
механизма беговая дорожка образована
двумя сферическими кулачками, установленными в корпусе.
По зависимостям кинематических
параметров основных звеньев СРП аналогична планетарной зубчатой передаче,
спроектированной по схеме 2К-Н с ведущим центральным солнечным колесом
внешнего зацепления и ведомым водилом.
Дополнительно введенные в структурную
схему СРП степени подвижности (вращение роликов в отверстиях генератора
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Рис. 1. Кинематическая схема СРП: 1 ‒ ведущий вал; 2 ‒ ведомый вал; 3 ‒ корпус; 4 ‒ ролики;
5 ‒ эксцентрик; 6 ‒ генератор; 7 ‒ замкнутая периодическая беговая дорожка;
8 ‒ механизм съема вращения с генератора на ведомый вал
Fig. 1. Kinematic scheme of spherical roller transmission: 1 ‒ a drive shaft; 2 ‒ an output shaft; 3 ‒ a case;
4 ‒ rollers; 5 ‒ an eccentric; 6 ‒ a generator; 7 ‒ a closed periodic racetrack;
8 ‒ a mechanism for rotation transformation from the generator to the driven shaft
относительно собственных осей) позволяют снизить потери мощности, частично заменив скольжение роликов относительно
беговой дорожки качением. Преимуществом СРП является увеличенное число
параллельных потоков передачи мощности,
равное числу роликов. Это приводит к увеличению коэффициента использования материала, снижению материалоемкости и
габаритов передачи и привода в целом.
Расчет геометрических параметров угловой муфты СРП. Одним из
важных элементов конструкции является
устройство, позволяющее передавать вращательное движение генератора относительно корпуса на ведомый вал с учетом
того, что это вращение является составляющим сложного (сферического) движения
генератора. Проектирование такого устройства осложняется несовпадением центра
сферического движения O с точкой пересечения осей полумуфт. Одно из решений ‒
применение сдвоенного карданного шарнира [8] (в точках М и N на рис. 1), что значительно увеличивает осевые размеры переISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
дачи, снижает ее жесткость и КПД. Была
предложена конструкция угловой муфты, в
которой ведущая полумуфта содержит
сферические выступы, а ведомая ‒ профильные пазы.
Задачей исследований являлось
определение профиля пазов на торце ведомой полумуфты, контактирующей со
сферическими выступами ведущей полумуфты, обеспечивающих передачу вращения с мгновенным передаточным отношением, равным единице с допустимой кинематической погрешностью (рис. 2). Данный
профиль, как и беговую дорожку, предполагалось изготовить на фрезерных станках с
ЧПУ с помощью управляющей программы,
задающей траекторию движения центра
сферической фрезы. Фреза для изготовления беговой дорожки (профиля кулачков)
имеет радиус, равный радиусу сферического конца ролика, а радиус фрезы для изготовления профиля ведомой полумуфты равен радиусу сферических выступов ведущей полумуфты.
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
33
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Рис. 2. Схема угловой муфты СРП: 0 ‒ стойка; 1 ‒ ведущий вал; 2 ‒ кривошип (эксцентрик);
3 ‒ полумуфта со сферическими выступами
Fig. 2. Scheme of an angle joint: 0 ‒ a base; 1 ‒ a drive shaft; 2 ‒ a crank (eccentric);
3 ‒ a half-coupling with spherical bulges
Торец ведомой полумуфты во избежание заклинивания механизма должен
располагаться вдоль оси Oz относительно
точки O на расстоянии
L0  Lk  cos    Lr  sin     rs  sin    , (1)
где Lk ‒ длина кривошипа; Lr ‒ радиус расположения центров сферических выступов
на торце ведущей полумуфты; Θ ‒ угол нутации сферического движения генератора,
определяемый при проектировании зацепления; rs ‒ радиус сферического выступа
ведущей полумуфты.
Исследуем движение точки E ‒ центра сферы одного из сферических выступов. Для определенности рассмотрим нижнюю сферу, положение механизма на рис.
2 будем считать начальным. Свяжем с ведущей полумуфтой систему координат
x3y3z3, с кривошипом ‒ систему x2y2z2, с ведущим валом передачи (на рис. 2 показан
условно) ‒ систему x1y1z1. Инерционная система координат x0y0z0 связана со стойкой
(землей) [9]. Поворот ведущего вала пере34
дачи относительно оси Oz0 (Oz1) определяется углом φ1, ведомого вала относительно
этих же осей ‒ φ2. Поворот ведущей полумуфты относительно кривошипа характеризуется углом φ32.
Матрица положения центра E сферического выступа в системе координат
x3y3z3 имеет вид
0
 Lr
rE 3 
.
0
1
(2)
Матрицы преобразования систем:
cos  32   sin  32 
sin  32  cos  32 
T32 
0
0
0
0
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
0 0
0 0
; (3)
1 Lk
0 1
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
1
0
0
0 cos     sin   
T21 
0 sin    cos   
0
0
0
0
0
;
0
1
cos  1   sin  1 
sin  1  cos  1 
T10 
0
0
0
0
0
0
.
0
1
0
0
1
0
(4)
zE 0  1   Lk  cos    
 Lr  sin     cos  32  .
(5)
Координаты центра сферического
выступа в неподвижной системе отсчета,
связанной со стойкой, определятся как
rE 0  T10  T21  T32  rE 3 .
(6)
После преобразований получим выражения для определения координат центра сферического выступа как функцию от
угла поворота эксцентрика вокруг оси Oz
(угла поворота ведущего вала передачи):
 cos  1   sin  32  

xE 0  1   Lr  

  cos     cos     sin    
32
1 

 Lk  sin     sin  1  ;
a
 sin  1   sin  32  

yE 0  1   Lr  

  cos     cos     cos     (8)
32
1 

 Lk  sin     cos  1  ;
(7)
.
(9)
В соответствии с теорией сферических ППТК [7] установлена следующая взаимозависимость углов:
 1

(10)
32  1    1 ,
i

hg


где ihg ‒ передаточное отношение СРП.
Рассмотрим передачу с параметрами: Lk = 20 мм; Lr = 15 мм; Θ = 5/26 рад;
ihg = 8. Траектория центра сферического
выступа, рассчитанная по уравнениям
(7)‒(9), показана на рис. 3, а.
Ведомый вал вращается относительно оси Oz c угловой скоростью
ω2 = ω1/ihg, где ω1 ‒ угловая скорость вращения ведущего вала. Очевидна также зависимость углов поворота валов: φ2 = φ1/ihg.
Рассмотрим движение центра сферического выступа полумуфты в системе координат
x′y′z′, связанной с ведомым валом передачи (ведомой полумуфтой). Уравнения точек
траектории в данном случае имеют вид:
b
Рис. 3. Траектория движения центра сферического выступа ведущей полумуфты в абсолютной
системе координат (а); в относительной системе координат ведомого вала (b)
Fig. 3. The trajectory of a spherical bulge center of the leading half-coupling in the absolute coordinate system
(a); in a driven shaft relative coordinate system (b)
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
35
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
xEv  1   xE 0  1   cos  2  
 yE 0  1   sin  2  ;
yEv  1    xE 0  1   sin  2  
 yE 0  1   cos  2  ;
zEv  1   zE 0  1  .
(11)
(12)
(13)
Результаты вычислений по формулам (11)‒(13) показаны на рис. 3, b. Полученная замкнутая кривая является траекторией движения инструмента (сферической фрезы) относительно неподвижной
системы отсчета фрезерного станка при
изготовлении одного паза.
В системе автоматизированного
проектирования Siemens NX [10] была разработана параметрическая модель муфты
(рис. 4), в которой по полученным уравне-
ниям (11)‒(13) был спрофилирован паз на
торце ведомой полумуфты, который затем
был продублирован массивом.
В блоке программы Siemens NX Motion simulation проверена кинематика разработанного механизма. Установлено, что
угловая муфта обеспечивает постоянство
среднего значения угловой скорости ведомого вала передачи при постоянном значении скорости ведущего вала (рис. 5). Колебания мгновенного передаточного отношения вызваны особенностями алгоритма вычислений методом последовательных приближений и связанными с ним погрешностями, а также установленными зазорами
между деталями (сферическими выступами
и пазами), необходимыми для компенсации
температурных деформаций и учтенными
при моделировании.
Рис. 4. Компьютерная модель угловой муфты: 1 ‒ наклонный участок ведущего вала;
2 ‒ ведущая полумуфта; 3 ‒ ведомая полумуфта; 4 ‒ сферические выступы; 5 ‒ профильные пазы
Fig. 4. Computer model of an angle joint: 1 ‒ a sloping segment of the drive shaft; 2 ‒ a drive half-coupling;
3 ‒ a driven half-coupling; 4 ‒ spherical bulges; 5 ‒ profiled slots
Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования: ω 1 ‒ угловая скорость вращения
ведущего вала; ω2 ‒ угловая скорость вращения ведомого вала
Fig. 5. The results of computer simulation: ω1 ‒ angular speed of rotation of the drive shaft;
ω2 ‒ angular speed of rotation of the driven shaft
36
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Разработка экспериментального
образца редуктора. На основе разработанной методики расчета СРП [7] и полученных в данной работе уравнений был
спроектирован, изготовлен и собран экспериментальный образец редуктора с СРП с
передаточным отношением ihg = 6 (рис. 6).
Отличительной особенностью угловой
муфты редуктора явилось то, что ведомая
полумуфта изготавливалась с профильными пазами, а ведущая ‒ с шестью сферическими выступами. Они образованы пальцами, устанавливаемыми в осевые отвер-
стия на торце ведомой полумуфты, которые имеют консольные участки сферической формы.
Редуктор прошел обкатку на лабораторном стенде, оснащенном двигателем,
нагружающим устройством (порошковым
тормозом) и двумя датчиками крутящего
момента и частоты вращения. Результаты
экспериментов подтвердили постоянство
среднего значения частоты вращения ведомого вала при установленной постоянной
частоте вращения ведущего вала редуктора.
a
b
Рис. 6. Экспериментальный образец редуктора СРП: основные детали и узлы (а);
редуктор в сборе (b): 1 ‒ ведущий вал; 2 ‒ генератор; 3 ‒ тела качения (ролики);
4 ‒ кулачки, образующие многопериодную беговую дорожку; 5 ‒ корпус;
6 ‒ ведущая полумуфта с профильными пазами; 7 ‒ ведомая полумуфта со сферическими выступами,
соединенная с ведомым валом; 8, 9 ‒ крышки;
10, 11 ‒ стендовые переходники, установленные на ведущий и ведомый валы
Fig. 6. The experimental prototype of a speed reducer with SRT: the main parts and components (a);
a reducer assembly (b): 1 ‒ a drive shaft; 2 ‒ a generator; 3 ‒ rolling bodies (rollers);
4 ‒ cams forming a multi-period racetrack; 5 ‒ a case; 6 ‒ a drive half-coupling with profiled slots;
7 ‒ a driven half-coupling with spherical bulges coupled to the driven shaft; 8, 9 ‒ covers;
10, 11 ‒ stand adapters mounted on the input and output shafts
Заключение
В результате проведенных исследований разработана конструкция угловой
сферической муфты, обеспечивающей передачу вращения со сферически движущегося генератора на ведомый вал СРП. Полученные зависимости позволят в дальнейшем определять оптимальные значения
геометрических параметров угловой муфты
(радиусы выступов и их количество) по критериям плавности работы и нагрузочной
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
способности. Создан алгоритм, позволяющий рассчитать траекторию движения сферической фрезы для изготовления профильных пазов сферической угловой муфты. Средний КПД разработанного экспериментального образца составил 0,82–0,86
при нагружении ведомого вала вращающим
моментом, не превышающим 100 Нм, и частоте вращения ведущего вала до 1000
мин‒1.
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
37
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Библиографический список
1. Планетарные передачи: справочник / под ред.
7. Лустенков М.Е., Лустенкова Е.С. Сферическая
В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кирдяшева. Л.: Машиностропередача с промежуточными телами качения // Соение, 1977. 536 с.
временные проблемы машиностроения: тезисы до2. Шанников В.М. Планетарные редукторы с внеценкладов XI Междунар. науч.-техн. конф. Гомель:
троидным зацеплением. М.: Машгиз, 1948. 172 с.
Изд-во ГГТУ им. П.О. Сухого, 2016. С. 38‒39.
3. Игнатищев Р.М. Синусошариковые редукторы.
8. Кравченко В.И., Костюкович Г.А., Струк В.А. КарМинск: Вышэйшая школа, 1983. 107 с.
данные передачи: конструкции, материалы, приме4. Пашкевич М.Ф., Геращенко В.В. Планетарные
нение / под ред. В.А. Струка. Минск: Тэхналогiя,
шариковые и роликовые редукторы и их испытания.
2006. 409 с.
Минск: Изд-во БелНИИНТИ, 1992. 248 с.
9. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М.:
5. Лустенков М.Е. Передачи с промежуточными теНаука, 1990. 592 с.
лами качения: определение и минимизации потерь
10. NX для проектирования // Официальный сайт
мощности. Могилев: Изд-во БРУ, 2010. 274 с.
компании Siemens PLM Software [Элект-ронный ре6. Бостан И.А. Прецессионные передачи с многосурс].
URL:
http://www.plm.automation.sieпарным зацеплением. Кишинев: Штиинца, 1991.
mens.com/ru_ru/products/nx/for-design/index.shtml
386 с.
(01.02.2017).
References
1. Planetarnye peredachi: spravochnik [Planetary
multi-pair gearing]. Kishinev, Shtiintsa Publ., 1991,
transmission: a handbook] / ed. V.N. Kudryavtseva,
386 p.
7. Lustenkov M.E., Lustenkova E.S. Sfericheskaya
Y.N. Kirdyasheva. Leningrad, Mashinostroenie Publ.,
peredacha s promezhutochnymi telami kacheniya
1977, 536 p. (In Russian)
2. Shannikov V.M. Planetarnye reduktory s vnetsen[Spherical transmission with intermediate rolling
troidnym zatsepleniem [Planetary gearboxes with
bodies]. Tezisy dokladov XI Mezhdunarodnoy nauchnotekhnicheskoy konferentsii “Sovremennye problemy
off-centroid engagement]. Moscow, Mashgiz Publ.,
mashinostroeniya” [Theses of reports of the XI Interna1948, 172 p. (In Russian)
3. Ignatischev R.M. Sinusosharikovye reduktory [Sinustional scientific and technical conference "The Modern
ball gearboxes]. Minsk, Vysshaya shkola Publ., 1983,
Problems of Mechanical Engineering"]. Gomel, GGTU
107 p.
im. P.O. Sukhogo Publ., 2016. pp. 38‒39.
4. Pashkevich M.F., Gerashchenko V.V. Planetarnye
8. Kravchenko V.I., Kostyukovich G.A., Struk V.A.
sharikovye i rolikovye reduktory i ikh ispytaniya [PlaneKardannye peredachi: konstruktsii, materialy, primenenie [Cardan drives: designs, materials, applications] /
tary ball and roller gearboxes and their tests]. Minsk,
BelNIINTI Publ., 1992, 248 p.
ed. V.A. Struk. Minsk, Tehnalogiya Publ., 2006, 409 p.
5. Lustenkov M.E. Peredachi s promezhutochnymi
9. Levitsky N.I. Teoriya mekhanizmov i mashin [Theory
telami kacheniya: opredelenie i minimizatsii poter'
of mechanisms and machines]. Moscow, Nauka Publ.,
moshchnosti [Transmissions with intermediate rolling
1990, 592 p. (In Russian)
elements: power loss estimation and minimization].
10. NX design // Official website of Siemens PLM SoftMogilev, BRU Publ., 2010, 274 p.
ware. Available at: http://www.plm.automation.sie6. Bostan I.A. Pretsessionnye peredachi s mnogoparmens.com/ru_ru/products/nx/for-design/index.shtml
nym zatsepleniem [The precession transmissions with
(accessed 01 Februauy 2017).
Критерии авторства
Лустенков М.Е. разработал теоретические основы
геометрического анализа сферических передач с
промежуточными телами качения, участвовал в создании принципиальной схемы сферической роликовой передачи и экспериментального образца редуктора. Лустенкова Е.С. разработала конструкцию
угловой муфты, алгоритм расчета ее параметров,
провела компьютерное моделирование и экспериментальные исследования. Маковецкий И.И. выполнил матричные преобразования, провел обработку и
проанализировал результаты экспериментов по
определению КПД редуктора.
Аuthorship criteria
Lustenkov M.E. developed the theoretical basis of the
geometrical analysis of spherical transmissions with
intermediate rolling bodies, participated in the creation
of the concept of a spherical roller transmission and its
experimental prototype. Lustenkova E.S. developed a
design of angle joint and algorithm of its parameters
calculation, carried out computer simulations and experimental studies. Makovetsky I.I. carried out matrix transformations, processed and analyzed the results of experiments for the efficiency.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding
the publication of this article.
Статья поступила 07.02.2017 г.
The article was received 07 February 2017
38
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.7.011
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-39-47
ВЛИЯНИЕ КИНЕМАТИКИ ЛОКАЛЬНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО
ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ
СОСТОЯНИЕ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ
© Нго Као Кыонг1, С.А. Зайдес 2
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Рассмотрение новой кинематики деформирующих роликов, обеспечивающей поверхностное
пластическое деформирование валов малой жесткости. МЕТОДЫ. Использована теория малых упругопластических деформаций и метод конечных элементов для построения математических моделей процесса упрочнения,
позволяющие определять напряженное состояние образцов в зависимости от формы и кинематики индентора.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Рассмотрено влияние на напряженное состояние, размеры пластической волны, контактное давление, глубину наклепа следующих схем деформирования поверхности детали: обкатывание качением или
скольжением, а также обкатывание одним или двумя роликами с вращением относительно диаметральной оси.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Техническим результатом данного исследования является расширение возможностей обработки
поверхностного слоя детали методом поверхностного пластического деформирования и путем расширения диапазона достижимых параметров механического состояния металла за счет применения деформирующего ролика
со специальной формой профиля рабочей поверхности и его кинематики относительно обрабатываемой поверхности.
Ключевые слова: конечно-элементное моделирование, напряженное состояние, контактное давление, волнообразование, упрочнение, глубина наклепа.
Формат цитирования: Нго Као Кыонг, Зайдес С.А. Влияние кинематики локального поверхностного пластического деформирования на напряженно-деформированное состояние в очаге деформации // Вестник Иркутского
государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 39–47. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-39-47
INFLUENCE OF LOCAL SURFACE PLASTIC DEFORMATION KINEMATICS ON STRESS-STRAIN STATE
IN THE DEFORMATION ZONE
Ngo Kao Kyong, S.A. Zaides
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to consider new kinematics of deforming rollers that provides surface plastic
deformation of low-rigidity shafts. METHODS. In order to build the mathematical models of the hardening process enabling the determination of the sample stress state depending on indentor’s shape and kinematics the small elastoplastic
deformation theory and the finite element method have been used. RESULTS. The article studies the influence of different patterns of part surface deformation – skive or roller burnishing, burnishing by one or two rollers with diametrical rotation axis – on the stress state, plastic wave dimensions, contact pressure, hardening depth. CONCLUSION. The technical outcome of this research is enhanced capabilities of part surface layer machining by the method of surface plastic
deformation and by widening the range of attainable parameters of metal mechanical state through the use of a deforming roller with the special shape of the working surface profile and its kinematics relative to the machined surface.
Keywords: finite element modeling, stress state, contact pressure, plastic wave formation, hardening, hardening depth
For citation: Kao Ngo Kyong, Zaides S.A. Influence of local surface plastic deformation kinematics on stress-strain state
in the deformation zone. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 39–47. (In Russian)
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-39-47
_________________________
1
Нго Као Кыонг, аспирант, e-mail: cuong.istu@gmail.com
Ngo Kao Kyong, Postgraduate, e-mail: cuong.istu@gmail.com
2
Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных
технологий и материалов, e-mail: zsa@istu.edu
Semen A. Zaides, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technology and Materials, e-mail: zsa@istu.edu
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
39
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Введение
Состояние вопроса. Поверхностное пластическое деформирование (ППД)
является одним из наиболее простых и
эффективных
методов
отделочноупрочняющей обработки деталей машин.
ППД повышает усталостную прочность,
контактную выносливость и износостойкость деталей и тем самым увеличивает
долговечность машин [1–3]. Управление
напряженным состоянием при отделочноупрочняющей обработке поверхностным
пластическим деформированием имеет
большое значение для изготовления качественных изделий. Например, при обработке маложестких стержневых изделий сложно получить необходимую интенсивность
напряженного состояния, поскольку повышенное давление на деформирующий инструмент приводит к искажению геометрической формы самого изделия.
При изготовлении тонкостенных деталей иногда требуется снизить напряженное состояние в очаге пластической деформации, чтобы в процессе формообразования исключить перенаклеп или увеличение твердости.
Механика стесненного деформирования в настоящее время является новым
направлениям исследования отделочноупрочняющих процессов. В работах [4, 5]
приведены результаты моделирования
простых геометрических форм, нагруженных шаром, которые свидетельствуют о
том, что деформирование в стесненных
условиях закрепления заготовки и (или)
деформирующего инструмента влияет на
интенсивность напряженного состояния в
очаге деформации.
Целью настоящей работы является
рассмотрение возможности изменения
напряженного состояния при локальном
поверхностном пластическом деформировании за счет изменения кинематики де-
формирующего инструмента.
Физические особенности деформационного упрочнения. При пластической деформации кристаллы дробятся на
фрагменты и блоки с большим искажением
кристаллической решетки на их границах.
Границы фрагментов и блоков служат препятствием для сдвиговой деформации, и с
увеличением количества фрагментов и
блоков соответственно возрастает и число
границ, около которых задерживаются дислокации. Увеличение степени разориентированности фрагментов и блоков дополнительно повышает сопротивление границ
прохождению через них дислокаций, что
также увеличивает сопротивление деформированию. В процессе пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки, затрудняющее дальнейшее скольжение. Можно полагать, что
при обработке ППД возникает большое количество различно направленных дислокаций, которые, накладываясь друг на друга,
увеличивают сопротивление сдвиговой
деформации. Упрочнение металла приводит к увеличению сопротивления деформированию, то есть к росту напряжения текучести материала [6].
Таким образом, пути повышения
прочностных свойств сталей и сплавов заключаются в разработке упрочняющих технологий, обеспечивающих формирование
такого структурного состояния материала,
при котором максимально реализуются основные принципы дислокационной теории
упрочнения. Интенсификация напряженного состояния может быть повышена, если
будет усилено деформационное искажение
зерен материала. Отсюда следует технологическая задача: необходимо создать такую
конструкцию и кинематику рабочего инструмента, которые при ППД усиливали бы
искажение структуры материала.
Эффективные схемы деформационного упрочнения
В практике ППД известны и широко
используют две схемы упрочняющей обра40
ботки: упрочнение по схеме качения рабочего инструмента (рис. 1, а) и упрочнение
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
по схеме скольжения (рис. 1, b). Последнюю схему значительно реже используют
на практике, так как трение скольжения в
зоне контакта приводит к большим тепловым процессам, а сам инструмент интенсивно изнашивается. Однако, если оценить
эти две схемы упрочнения с точки зрения
механики процесса и возможности деформационного искажения микроструктуры, то
обработка по схеме скольжения представляется более эффективной.
Техническая идея интенсификации
напряженного состояния в очаге деформации заключается в изменении кинематики
рабочего инструмента, которая будет усиливать искажение зеренной структуры материала. Предлагается вращать деформирующий ролик не относительно горизонтальной оси, а относительно вертикальной
(рис. 1, с). В этом случае пластический от-
печаток от ролика на поверхности детали,
представляющий собой фигуру в виде эллипса, постоянно изменяет ориентацию
большой и малой оси. При вращении ролика вокруг вертикальной оси z–z происходит
наложение пластических полей разных
ориентаций по направлению, что должно
способствовать «перемешиванию» структуры в поверхностном слое. Если совместить два ролика и вращать их также относительно оси z-z (рис. 1, d), то эффективность обработки должна быть еще выше,
так как в процессе деформирования участвует не два, а четыре очага деформации на
каждый оборот ролика.
В работе рассмотрено влияние кинематики локального ППД на напряженнодеформированное состояние в очаге деформации.
Рис. 1. Схемы нагружения поверхности детали при различных условиях контакта
инструмента с обрабатываемой поверхностью: y-y – ось горизонтального вращения;
z-z – ось вертикального вращения
Fig. 1. Loading diagrams of a part surface at various conditions of tool contact
with a machined surface: y-y – axis of horizontal rotation; Z-z - axis of vertical rotation
Конечно-элементное динамическое моделирование локального поверхностного
пластического деформирования
Для анализа напряженно-деформированного состояния в очаге деформации
при упрочнении различными способами
ППД успешно применяется компьютерное
моделирование, в основе которого лежит
метод конечных элементов (МКЭ). Одной
из универсальных и широко применяемых
программ, реализующих МКЭ, является
ANSYS, которая и была использована в
данной работе [7].
Формирование геометрии расчетной
области в программе последовательно
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
проводили согласно схемам нагружения
плоской поверхности образца жестким роликом (см. рис. 1). Деформирующая обработка в программе представляет собой реальное перемещение упрочняющих тел во
времени относительно упрочняемого образца. Траектория движения упрочняющих
тел воспроизводит режим работы упрочняемой детали.
Характеристики образца: форма поверхности – плоская; материал – сталь 45 –
упругопластический, упрочняющийся; мо-
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
41
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
дуль упругости Е = 2·105 МПа; коэффициент Пуассона μ = 0,3; диаграмма деформирования материала – билинейная, описываемая пределом текучести 𝜎т = 300 МПа,
модулем упрочнения EТ = 1,45·103 МПа.
Характеристики индентора: тип –
ролик с приведенным радиусом R = 5 мм;
материал – твердый сплав ВК8; модуль
упругости Е = 6·105 МПа; коэффициент
Пуассона μ = 0,3. Приняты следующие режимы обработки: глубина внедрения инструмента t – 0,1 мм; частота вращения инструмента n – 300 об./мин; коэффициент
трения в зоне контакта f – 0,2.
Общая концепция моделирования
закономерностей ППД позволяет предложить новое перспективное направление
синтезирования методов и схем упрочнения, обеспечивающее формирование новых комплексов свойств поверхности и поверхностного слоя деталей за счет комбинирования истории нагружения на каждом
этапе упругопластического деформирования.
Техническим результатом данного
исследования является расширение возможностей обработки ППД и диапазона достижимых параметров механического состояния металла поверхностного слоя за
счет применения деформирующего ролика
со специальной формой профиля рабочей
поверхности и его кинематики относительно обрабатываемой поверхности.
Результаты моделирования
Напряженное состояние материала при деформационном упрочнении
можно условно разделить на временное и
остаточное. Первое возникает при действии внешних сил, второе – при их отсутствии. Временное напряжение влияет на
энергосиловые характеристики процесса,
степень и глубину упрочненного слоя, давление в зоне контакта, шероховатость поверхности заготовки, прочность и стойкость
деформирующего инструмента. На рис. 2
показаны поля распределения временных
напряжений в плоскости хz по схемам обработки а и d (см. рис. 1). В табл. 1 приведено влияние схем деформирования на
компоненты максимальных временных
напряжений.
По схеме d (см. рис. 1) при постоянной глубине внедрения ролика с увеличением профильного радиуса деформирующего инструмента происходит увеличение
контактной поверхности. При этом уменьшаются напряжения, сдвигающие фронт
металла, а также их компоненты. Это объясняется тем, что при малых размерах деформирующих элементов при внедрении в
цилиндрическую поверхность под ними образуется упругопластический клин, влияние
которого на напряженное состояние в очаге
деформации распространяется в большей
степени, чем при больших размерах контактной поверхности.
Ролик / Roller
Ролики / Rollers
a
b
Рис. 2. Поля распределения временных напряжений в плоскости хz (см. рис. 1):
а – схема а; b – схема d
Fig. 2. Distribution fields of temporary stresses in the xz plane (refer to fig. 1):
а – scheme а; b – scheme d
42
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Таблица 1
Влияние схем деформирования на компоненты максимальных временных напряжений
Table 1
Influence of deformation schemes on the components of maximum temporary stresses
вр.
вр.
вр.
𝜎у , Мпа /
𝜎х , Мпа /
𝜎𝑧 , Мпа /
Схема обработки / Machining pattern
MPa
MPa
MPa
Обкатывание с вращением относительно оси у-у /
-1167
-1314
-1810
Burnishing with rotation about the у-у axis
Обкатывание без вращения /
-957
-1063
-1611
Burnishing without rotation
Обкатывание с вращением относительно оси z-z / Burnishing with rotation about the z-z axis:
одним роликом / by one roller
-884
-1021
-1648
двумя роликами / by two rollers
-1442
-1945
-2655
Глубина пластической зоны. Обработка ППД сопровождается пластической
деформацией поверхностных слоев материала. При этом знание глубины проникновения эффективной пластической деформации, характеризующей область изменения физико-механических свойств, представляет практический интерес для оценки
эксплуатационных свойств деталей машин.
На рис. 3 представлена глубина пластической деформации по схемам обработки а и
d (см. рис. 1), в табл. 2 приведены значения
глубины наклепа в зависимости от схемы
обработки.
При постоянной глубине внедрения
увеличение профильного радиуса ролика
приводит к увеличению глубины упрочнения. При обкатывании с вращением относительно оси у-у материал перед роликом
вдавливается внутрь очага деформации
больше, чем при других схемах, следовательно, повышается глубина наклепа.
Ролики / Rollers
Ролик / Roller
a
b
Рис. 3. Поля распределения пластической деформации (см. рис. 1):
а – схема а; b – схема d
Fig. 3. Plastic deformation distribution fields (refer to fig. 1):
а – scheme а; b – scheme d
Таблица 2
Глубина наклепа при разных схемах обработки
Table 2
Hardening depth under different machining patterns
h, мм / mm
Схема обработки / Machining pattern
Обкатывание с вращением относительно оси y-y /
3
Burnishing with rotation about the у-у axis
Обкатывание без вращения / Burnishing without rotation
2,6
Обкатывание с вращением относительно оси z-z / Burnishing with rotation about the z-z axis:
одним роликом / by one roller
2,7
двумя роликами / by two rollers
2,5
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
43
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Влияние расстояния между очагами на временное напряжение. Важным
элементом механики процесса деформирования и структурообразования является
расстояние между очагами пластических
отпечатков, которое должно быть оптимальным для обеспечения интенсификации
деформационного процесса. На рис. 4
представлены поля распределения эквивалентных временных напряжений в зависимости от расстояния между пластическими
отпечатками. Установлено оптимальное
расстояние между вершинами роликов (в
нашем случае l = 1,5 мм), при котором
обеспечивается формирование максимальных напряжений в очаге деформации (рис.
5). При l > 3 мм очаги деформации незначительно влияют друг на друга, и можно
считать, что двухрадиусный ролик работает
почти как обычный ролик.
Размер упругопластической волны. Взаимодействие индентора с пластическим полупространством сопровождается
образованием вокруг инструмента пластических наплывов – волн (рис. 6). Следовательно, для очагов деформации, возникающих при ППД, характерно наличие не
только контактных, но достаточно развитых
внеконтактных зон. Образование впереди
инструмента пластически деформированной волны происходит при обкатке на всех
режимах упрочняюще-сглаживающих процессов. Для удобства исследования на
профиле очага деформации выделены характерные точки и элементы, определяющие горизонтальные (𝑙в ) и вертикальные
(ℎв ) размеры волны.
Ролики / Rollers
Ролик / Roller
Roller
a
b
Рис. 4. Поля распределения эквивалентных временных напряжений в зависимости
от расстояния между пластическими отпечатками, мм: а – l=1,5; b – l=2,5
Fig. 4. Distribution fields of equivalent temporary stresses depending on the distance between
plastic indents, mm: а – l=1.5; b – l = 2.5
вр.
σэкв. , МПа/MPa
1600
1400
1200
1000
l, мм/mm
800
0
1
2
3
Рис. 5. Влияние расстояния между пластическими отпечатками (l) инструмента
на максимальную величину эквивалентных временных напряжений
Fig. 5. Influence of the distance between the tool plastic indents (l) on the maximum value of equivalent
temporary stresses
44
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Рис. 6. Схема взаимодействия индентора с заготовкой
при формировании пластической волны
Fig. 6. Diagram of indenter and workpiece interaction under plastic wave formation
Наличие пластической волны следует считать отрицательным фактом, так
как она увеличивает зону контакта в очаге
деформации, повышает трение, уменьшает
поступление технологической смазки, снижает усталостную прочность материала,
поскольку возникающие в волне растягивающие напряжения способствуют развитию микродефектов (микротрещин). В табл.
3 представлены размеры внеконтактной
деформации при разных схемах обработки.
При обкатывании с вращением относительно оси y-y размеры волны имеют
наименьшие значения, так как ролик деформирует, поджимает поверхностный
слой и препятствует росту пластической
волны. При обкатывании по схеме d (см.
рис. 1) ролик меньшего профильного ради-
уса образует фронт деформации, который
стремится выдавить металл на свободную
поверхность, что приводит к повышению
размеров пластической волны. Два эллипсоидных очага деформации «разрыхляют»
поверхностный слой и «выдавливают» металл во внеконтактную зону.
Напряженно-деформированное
состояние в пластическом отпечатке.
На рис. 7 приведены поля распределения
контактных давлений по схемам а и d (см.
рис. 1). Уменьшение площади контакта деформирующего инструмента и образца
приводит к увеличению контактных давлений. В табл. 4 приведены величины эквивалентного напряжения в зоне внеконтактной деформации и давление в очаге деформации.
Таблица 3
Размеры пластической волны при разных схемах обработки
Table 3
Plastic wave dimensions at various machining patterns
Схема обработки / Machining pattern
ℎв , мм / mm
𝑙в , мм / mm
Обкатывание с вращением относительно оси y-y /
0,05
2,178
Burnishing with rotation about the y-y axis
0,09
2,673
Обкатывание без вращения / Burnishing without rotation
Обкатывание с вращением относительно оси z-z / Burnishing with rotation about the z-z axis:
одним роликом / by one roller
0,08
2,228
0,18
2,475
двумя роликами / by two rollers
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
45
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
а
b
Рис. 7. Изолинии распределения контактных давлений (см. рис. 1): а – схема а; b – схема d
Fig. 7. Isolines of contact pressure distribution (refer to fig.1): a – scheme a; b – scheme d
Таблица 4
Эквивалентное напряжение в зоне внеконтактной деформации
и контактное давление в очаге деформации (см. рис. 6)
Table 4
Equivalent stress in the non-contact deformation zone and contact pressure
in the deformation zone (refer to fig. 6)
𝜎А , МПа*/
MPa
Схема обработки / Machining pattern
𝜎В , МПа**/
MPa
Р, Мпа*** /
MPa
Обкатывание с вращением относительно оси y-y /
492
372
1923
Burnishing with rotation about the y-y axis
Обкатывание без вращения /
951
597
1980
Burnishing without rotation
Обкатывание с вращением относительно оси z-z / Burnishing with rotation about the z-z axis:
одним роликом / by one roller
716
507
1971
двумя роликами / by two rollers
1332
693
4271
*𝜎А – напряжение в точке контакта индентора с внеконтактной волной / stress in the contact point of the indentor and
the non-contact wave;
**𝜎В – напряжение в вершине волны / peak stress;
*** Р – контактное давление / contact pressure.
По данным3 [8], размеры пластической волны в продольном (главном)
направлении движения значительно больше, чем в поперечном. Поэтому для рассмотрения напряженного состояния в пластической волне достаточно двух характерных точек (точки А и В на рис. 6). В трех
первых схемах, представленных на рис. 1
(схемы а, b, c), площади контакта практически не изменяются, следовательно, контактное давление почти не отличается. При
нагружении детали по схеме d (см. рис. 1)
уменьшение профильного радиуса ролика
в 2 раза приводит к резкому увеличению
давления в зоне контакта.
Проведенное исследование показало, что условие контакта и характер взаимодействия деформирующего инструмента
с деталью в процессе обработки оказывают
большое
влияние
на
напряженодеформированное состояние поверхностного слоя.
Выводы
1. Предложена новая кинематика
движения деформирующего инструмента,
обеспечивающая эффективное искажение
структуры поверхностного слоя материала.
2. Выполнено конечно-элементное
динамическое моделирование локального
___________________________
3
Алексеев П.Г. Технология упрочнения деталей машин поверхностной пластической деформацией: учеб. пособие. Тула: Изд-во Тульского политехн. ин-та, 1978. 80 с. / Alekseev P.G. Technology of machinery parts hardening by
surface plastic deformation. Tula, Tula Politecnical Institute Publ., 1978, 80 p.
46
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
поверхностного пластического деформирования, учитывающее реальную кинематику
процесса обработки.
3. Для традиционных и предложенных схем локального упрочнения получены
поля временных напряжений в очаге деформации, определена глубина пластически деформированного слоя и размеров
упругопластических внеконтактных зон,
установлен оптимальный размер между
осями пластических отпечатков.
4. Выявлено, что описанная выше
конструкция профиля рабочей части обкатного ролика позволяет увеличить давление
в зоне контакта в 2,2 раза. Но при этом высота внеконтактной волны увеличивается в
2–3,6 раза, глубина наклепа уменьшается в
1,2 раза.
Библиографический список
1. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка
состояния при стесненных условиях локального
поверхностным пластическим деформированием.
нагружения // Упрочняющие технологии и покрытия.
М.: Машиностроение, 1987. 152 с.
2016. № 10. С. 6–9.
2. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей по6. Зайдес С.А., Исаев А.Н. Технологическая механиверхностным пластическим деформированием:
ка осесимметричного деформирования: моногафия.
спрвочник. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 432 с.
3. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин: 2-е изд.,
7. Мяченков В.И., Мальцев В.П., Майборода В.П. [и
перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. 184 с.
др.]. Расчеты машиностроительных конструкций
4. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг Интенсификация
методом конечных элементов: справочник. М.: Манапряженно-деформированного состояния в очаге
шиностроение, 1989. 520 с.
деформации при стесненных условиях нагружения //
8. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей
Вестник ИрГТУ. 2015. № 7 (102). С. 55–59.
поверхностным пластическим деформированием.
5. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг. Оценка напряженного
М.: Машиностроение, 2002. 300 с.
References
1. Papshev D.D. Otdelochno-uprochnyayushchaya
nogo sostoyaniya pri stesnennykh usloviyakh lokal'nogo
obrabotka poverkhnostnym plasticheskim deformironagruzheniya [Evaluation of stress state in cramped
vaniem [Hardening finishing by surface plastic deforconditions of local loading]. Uprochnyayushchie
tekhnologii i pokrytiya [Strengthening Technologies and
mation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 152 p.
(In Russian)
Coatings]. 2016, no. 10, pp. 6–9. (In Russian)
2. Odintsov L.G. Uprochnenie i otdelka detalei poverkh6. Zaides S.A., Isaev A.N. Tekhnologicheskaya menostnym plasticheskim deformirovaniem [Part hardenkhanika osesimmetrichnogo deformirovaniya: monogafiya [Technological mechanics of axis-symmetric deforing and finishing by surface plastic deformation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 328 p. (In Russian)
mation]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2007, 432 p. (In Russian)
3. Balter M.A. Uprochnenie detalei mashin [Machine
7. Myachenkov V.I., Mal'tsev V.P., Maiboroda V.P.
[i dr.]. Raschety mashinostroitel'nykh kon-struktsii
parts hardening]. Moscow, Mashinostroenie Publ.,
metodom konechnykh elementov: spravochnik [Engi1978, 184 p. (In Russian)
4. Zaides S.A., Ngo Kao Kyong Intensifikatsiya napryaneering structure calculation using finite element methzhenno-deformirovannogo sostoyaniya v ochage deod: Reference book]. Moscow, Mashinostroenie Publ.,
formatsii pri stesnennykh usloviyakh nagruzheniya
1989, 520 p. (In Russian)
8. Smelyanskii V.M. Mekhanika uprochneniya detalei
[Stress-strain state intensification in deformation zone
under constraint loading conditions]. Vestnik IrGTU
poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Me[Proceedings of Irkutsk State Technical University].
chanics of part hardening by surface plastic defor2015, no. 7 (102), pp. 55–59. (In Russian)
mation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2002, 300 p.
5. Zaides S.A., Ngo Kao Kyong. Otsenka napryazhen(In Russian)
Критерии авторства
Нго Као Кыонг, Зайдес С.А. имеют на статью равные
авторские права и несут равную ответственность за
плагиат.
Authorship criteria
Ngo Kao Kyong, Zaides S.A. have equal author’s rights
and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 15.02.2017 г.
The article was received 15 February2017
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
47
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 66.041.3-65:691.365
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-48-58
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА УПРОЧНЕНИЯ ВЕРМИКУЛИТА В ПОТОКЕ ВОЗДУХА
ДЛЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ РАЗЛИЧНОГО ТИПА
© А.С. Худченко1, Д.В. Кокоуров2
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Создание эффективного устройства для упрочнения вермикулита путем его охлаждения в потоке воздуха. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Работа основана на аналитическом методе исследований изучаемого
объекта. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработано охладительное устройство для упрочнения вермикулита
в потоке воздуха после обжига в электрических печах. Показана возможность создания нового технологического
процесса при переработке вермикулитовых концентратов, направленного на быстрое охлаждение и упрочнение
вермикулитовых зерен. ВЫВОДЫ. Полученные результаты показывают, что создание эффективных устройств
охлаждения вермикулита во встречном потоке воздуха для электрифицированных энерготехнологических агрегатов любых типов возможно.
Ключевые слова: вермикулит, охлаждение, эффективность, энерготехнологический агрегат, концентрат,
электрическая печь, вспученный вермикулит.
Формат цитирования: Худченко А.С., Кокоуров Д.В. разработка устройства упрочнения вермикулита в потоке
воздуха для энерготехнологических агрегатов различного типа // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 48–58. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-48-58
DEVELOPING A VERMICULITE AIR HARDENING DEVICE FOR POWER TECHNOLOGICAL UNITS
OF DIFFERENT TYPES
A.S. Khudchenko, D.V.Kokourov
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to develop an effective device for vermiculite hardening by cooling it in the
air stream. METHODS. The work is based on the analytical method of the investigated object research. RESEARCH
RESULTS. A cooling device has been developed for vermiculite hardening in the air stream after its roasting in electric
furnaces. It is shown that there is an opportunity to create a new technological process when processing vermiculite co ncentrates aimed at fast cooling and hardening of vermiculite grains. CONCLUSIONS. The received results show that it is
possible to create effective devices for vermiculite cooling in the counter air stream for the electrified power technologica l
units of any types.
Keywords: vermiculite, cooling, efficiency, power technological unit, concentrate, electric furnace, bloated vermiculite
For citation: Khudchenko A.S., Kokourov D.V. Developing a vermiculite air hardening device for power technological
units of different types. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 48–58. (In Russian)
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-48-58
Введение
Эволюция электрических модульноспусковых печей для обжига вермикулита
привела к целому ряду новых технических
решений [1–5] и практически завершилась
на отметке удельной энергоемкости обжига
~ 170 мДж/м3.
___________________________
1
Худченко Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры строительных, дорожных машин
и гидравлических систем, e-mail: Alex122809@rambler.ru
Aleksandr S. Khudchenko, Senior Lecturer of the Department of Construction, Road Machinery and Hydraulic systems,
e-mail: Alex122809@rambler.ru
Кокоуров Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных, дорожных машин
и гидравлических систем.
Dmitriy V. Kokourov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Construction,
Road Machinery and Hydraulic systems.
48
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Следующее поколение – электрические печи с подвижными подовыми платформами позволяют почти втрое уменьшить потребление электроэнергии при
неизменной производительности [6]. Кроме
того, они могут использоваться для термоактивации различных сыпучих материалов
[7].
Режим нагревания вермикулита в
печах определяет не только его структуру и
насыпную плотность, но и прочность – важнейший показатель качества продукта,
особенно в случаях его использования в
качестве пористого наполнителя в различных строительных и жаростойких растворах. При «термоударе» наблюдается
бóльшее вспучивание разделившихся слоев, становится больше крупных пор [8], работу вспучивания совершает не только химически связная вода, но и межслоевая.
При выборе параметров процесса
следует учитывать, что температура, длительность обжига, а также режим охлаждения влияют на прочность и хрупкость вер-
микулитовых зерен.
На рис. 1. показано изменение относительной прочности зерен вермикулита от
температуры их нагрева. При увеличении
времени обжига от 1 до 6–10 минут – в
графике 1, 2, 3 и 4, в диапазоне температур
от 400 до 750°С происходит снижение относительной прочности от 95 до 65%. При
более высоких температурах (зона А) прочность зерен снижается скачкообразно из-за
необратимого изменения минералогической структуры вермикулита, сопровождающегося значительным увеличением его
хрупкости [9].
График на рис. 2 показывает тенденцию изменения прочности вермикулита
при увеличении времени обжига: длительное нагревание приводит к снижению прочности зерен [9]. Очевидно, что режимная
точка на временной шкале должна лежать
в области минимальных значений. Для
электрических модульно-спусковых печей и
с подвижными подовыми платформами это
время равно 2,5–3 с [1, 4, 5].
%
1
А
2
80
3
4
60
40
20
Т = 700...825 С
200
400
600
800
0
Т, С
Рис. 1. Графики изменения относительной прочности зерен (%) от температуры
их нагрева: 1 – 1 мин; 2 – 10 мин; 3 – 30 мин; 4 – 60 мин
Fig. 1. Diagrams of change of relative durability of grains (%) from temperature of their heating:
1 – 1 minutes; 2 – 10 minutes; 3 – 30 minutes; 4 – 60 minutes
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
49
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Рис. 2. График зависимости относительной прочности зерен вермикулита
от времени обжига
Fig. 2. Graph of vermiculite grain relative durability dependence on the roasting time
На прочность и хрупкость вспученного материала влияет и режим охлаждения [9]. Длительная выдержка обожженного
материала при высокой температуре приводит к увеличению хрупкости и потере
прочности, поэтому при разработке энерготехнологических агрегатов необходимо
предусматривать быстрое выведение материала из зоны обжига и охлаждение. Это
залог высокого качества вспученного продукта.
Целью данной работы является создание эффективного устройства упрочнения вермикулита путем его охлаждения в
потоке воздуха для электрифицированных
энерготехнологических агрегатов обоих
типов.
Обзор аналогов
Все ранее предложенные системы
охлаждения таковыми не являлись. Решалась задача отделения потоком воздуха
вспученного вермикулита от инертного,
невспучивающегося материала – гидрослюд, песка, мелкого каменного гранулята, пылевидного глинистого шлама и органических включений, что тоже является
важной задачей повышения качества вермикулита [10–14]. Но это сопутствующая
технологическая операция.
50
Одна из таких систем показана на
рис. 3. Вермикулит вместе с инертными частицами из печи выпадает в бункер 1 по
клиновидному лотку 2, далее – по вертикальному каналу 3. Двигаясь вдоль трубы
4, перфорированной отверстиями 5, весь
поток подвергается обдуву воздухом, выходящим из них. Легкие зерна вермикулита,
обладающие высокой парусностью, отбрасываются в периферийные части бункера,
а тяжелый инертный материал, немного
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
отклоняемый воздушными струями, падает
в раструб 6 и по трубе 7 выводится наружу.
Подачу воздуха Q1 в перфорированную
трубу 4 осуществляет вентилятор 8, а вентилятор 9, с производительностью Q2,
обеспечивает отсос запыленного воздуха
из бункера. При этом Q2 > Q1, чтобы мелкодисперсные частицы вермикулита не выбрасывались за пределы бункера.
Рис. 3. Устройство воздушного отделения
вспученного вермикулита от инертных материалов
Fig. 3. Device of bloated vermiculite air separation
from inert materials
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
51
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
В рассмотренном устройстве охлаждение все же происходит, однако продолжительность процесса недостаточна. Кроме того, вермикулит скапливается в горячем состоянии и до полного заполнения не
выводится в холодную зону. Здесь за время наполнения бункера 1 вспученные зерна
теряют прочность, хотя и в меньшей степени, чем в печи с обычным бункером.
Только одно специализированное
устройство – охладитель, предназначенное
для повышения прочности и снижения
хрупкости, было предложено ранее [14], но
исследований по динамике технологических потоков частиц и теплоотдаче не проводилось. Данное устройство является
прототипом рассматриваемой ниже охладительной системы.
Устройство и работа специального охладителя
Специфика задачи состоит в том,
что все вермикулитовые концентраты имеют свои размерности. Так, концентраты Ковдорского месторождения по крупности делятся на марки: мелкие – КВК-0,5 и КВК-1,
средние – КВК-2 и КВК-4, крупные – КВК-8 и
КВК-16. Концентраты других месторождений имеют подобное распределение по
крупности.
Очевидно, что устройство охлаждения должно обеспечивать свою эффективность при работе с вермикулитом любой
крупности. Но следует учесть и то, что да-
же в одной размерной группе имеются частицы, отличающиеся друг от друга в
условном диаметре в 6–10 раз. На рис. 4
показано распределение размеров частиц
в ковдорском концентрате КВК-4. Здесь
присутствуют частицы с Dус = 0,8 мм и
Dус = 8,0 мм. С учетом этого обстоятельства
повышение качества обжига и охлаждения
вспученного материала может быть достигнуто за счет предварительного узкополосного фракционирования поступающего сырья [1, 2].
Рис. 4. Распределение размеров частиц в ковдорском концентрате КВК-4
Fig. 4. Particle size distribution in the Kovdor concentrate КVК-4
52
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Поэтому вопросы технологической
динамики вспученных частиц еще только
предстоит изучать, но возможность
настройки устройства охлаждения – это
одно из главных условий к разрабатываемой конструкции.
Рассмотрим работу устройства в
едином энерготехнологическом агрегате на
примере трехмодульной электрической печи (рис. 5). Он содержит электрическую модульно-спусковую печь, систему пылеулавливания и систему охлаждения. Подаваемый барабанным дозатором 1 концентрат
по лотку 2 поступает в наклонные модули
обжига, имеющие замкнутые пространства
обжига 3, огнеупорное основание 4, термокрышки 5 и установленные продольно полосовые нихромовые нагреватели 6. Вермикулитовый концентрат, пересыпаясь с
одного модуля на другой, подвергается высокотемпературному обжигу, дегидратирует
и уже вспученным поступает в пневмоохладитель, который установлен между
нижним модулем и ленточным конвейером
7. Вентилятор 8, снабженный шибером 9 во
всасывающей трубе, подает холодный воздух (~ 20°С) с небольшим избыточным
Рис. 5. Энерготехнологический агрегат на основе
электрической модульно-спусковой печи с системами пылеулавливания и охлаждения
Fig. 5. Electric modular-trigger kiln-based power technological unit with the dust collection
and cooling systems
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
53
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
давлением Ризб в канал 10, а в канале 11 вытяжной вентилятор системы пылеулавливания 12 создает разряжение Рр.
Так как перепад давлений в каналах 10 и 11
максимален, то бóльшая часть воздушного
потока идет через канал 13, снабженный
тормозными лопастями 14, и далее в канал
11. Параметры вентиляторов и охладительного устройства подобраны так, что
скорость воздуха в канале 13 несколько
меньше скорости витания вспученных зерен вермикулита. При таком режиме течения воздуха легкие мелкодисперсные частицы уносятся в бункеросадитель 15, который может быть дополнен гравитационно-инерционным разделителем, а полноценные зерна поступают на ленточный конвейер 7. Встречный поток воздуха охлаждает ссыпающийся вермикулит. Эффективность охлаждения тем выше, чем больше перепад высот между каналами 10 и 11,
и чем сильнее скорость воздуха: вопервых, из-за более эффективного обдува,
во-вторых, из-за снижения скорости падения вспученных зерен и увеличения времени пребывания зерен в восходящем потоке
воздуха.
Так как в канале 16 охладительного
устройства создается небольшое разряже-
ние, между корпусом устройства и торцом
нижнего модуля выдержан зазор, исключающий подсос горячего воздуха из пространства его обжига.
Нижний канал 17 находится под незначительным избыточным давлением, которое способствует ускорению вспученных
зерен, вышедших из канала 13. Чтобы
уменьшить здесь скорость движения воздуха, канал 17 заужен в нижней части.
Пылеулавливающая система собирает мелкодисперсный вермикулит, который также является ценным сырьевым ресурсом. Система включает пылеуловители
18, установленные в торцевых частях модулей, куда за счет перепада температур
выносятся мелкодисперсные частицы и
трубопроводы 19, подведенные к бункеруосадителю 15. За счет разряжения, создаваемого в бункере вентилятором 12, пылевидный вспученный материал выбрасывается из трубопроводов 20 и 21. Оказываясь
в большом пространстве бункера, мелкодисперсные частицы быстро теряют скорость и выпадают на дно, откуда периодически ссыпаются через затвор 22, но не до
полного опорожнения бункера.
На рис. 6 показаны поперечные сечения корпуса охлаждающего устройства.
Рис. 6. Сечения охлаждающего устройства
Fig. 6. Cooling device sections
54
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Предварительный анализ
При скоростях падения вермикулитовых зерен, соизмеримых со скоростями
их витания, сила сопротивления F пропорциональна квадрату скорости [15]:
F   x,
(1)
где x – скорость частицы, м/с; α – коэффициент вязкого сопротивления, кг/м, определяемый как [15]:
α = к γв πD2/4,
(2)
где к – коэффициент формы зерен;
γв – плотность воздуха (в нормальных
условиях) γв ~ 1,26 кг/м3); D – условный
диаметр зерна, м, равный:
D  3 a1  a2  a3 ,

m
V  Vпр 1  e
x2 ,
(4)
2 gh
2
Vпр
(5)
,
где Vпр – предельное значение скорости, к
которому асимптотически приближается
скорость падающего зерна:
Vпр 
4mg
.
 в D 2
(6)
Для определения массы зерен
найдем истинный удельный вес, Н/м3:
(3)
где а1, а2 и а3 – линейные размеры зерна,
взятые по координатам х, у и z.
Для вермикулита с его конфигурацией коэффициент к можно принять равным 0,61 [2].
Баланс сил, действующих на отдельные падающие зерна, описывается
дифференциальным уравнением:
xg
где m – масса частицы, кг.
Приведенное уравнение имеет точное решение, позволяющее получить зависимость скорости частицы от высоты падения h [16]:
u 
н
1  кпор
(7)
,
где γн – удельный вес в насыпном состоянии, Н/м3; кпор – коэффициент пористости
массива зерен.
Для зерен, вспученных из концентратов различных размерных групп, получены и приведены в таблице значения массы (1) и истинного объемного веса (2).
Объем и масса рассчитывались для зерна
шарообразной формы.
Результаты расчетов
Calculation results
Условный
диаметр, мм /
Nominal
diameter, mm
Насыпная
плотность, кг/м3 /
Bulk density, kg/m3
Истинная
плотность, кг/м3 /
True density, kg/m3
Масса
зерна, кг /
Grain weight,
kg
Предельная
скорость, м/с /
Critical velocity,
m/s
1,0
130
204,7
0,11 · 10-6
1,32
2,0
100
157,5
0,66 · 10-6
1,64
4,0
80
133,8
4,48 · 10-6
2,11
8,0
65
102,3
27,4 · 10-6
2,64
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
55
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
Увеличение предельной скорости,
примерно равной скорости витания для зерен одной размерной группы (КВК-4), равно
двум. Если устройство охлаждения будет
настроено на скорость падения мелких зерен, равную:
vп = 1,2 Vпр,
(8)
то скорость крупных зерен в канале 13 (см.
рис. 5) будет вдвое больше и им не хватит
времени для полного остывания. Поэтому в
канале 13 под углом 45° установлены тормозные лопасти, при пересыпании по которым скорости зерен будут нивелированы за
счет механического трения.
Другим эффективным способом еще
больше уравнять скорости является узкополосное фракционирование концентратов
перед обжигом, которое к тому же приводит
к увеличению суммарного объема вспученного вермикулита [2].
Но это лишь предварительный анализ возможности создания нового технологического процесса при переработке концентратов, направленного на быстрое
охлаждение и упрочнение вермикулитовых
зерен. Получить надежные результаты
можно будет после выполнения комплексного исследования аналитической и физической моделей охладительного устройства. Для этого предстоит решить несколько исследовательских задач:
– провести моделирование процесса
теплопереноса из глубинных слоев вспученных зерен к периферии;
– исследовать модель температуропроводности зерен;
– исследовать динамику падения
всученных зерен разных размеров в условиях встречного воздушного потока;
– провести исследования процесса
охлаждения вспученного материала на физической модели охладительного устройства;
– установить зависимости между
величинами рабочего процесса и параметрами охладительного устройства с прочностью зерен.
Выводы
Предварительный анализ возможности осуществления процесса упрочнения
вермикулита в потоке холодного воздуха
при переработке концентратов показал его
реализуемость. Но наряду с прочностью
есть и другие свойства, которые приобретает вспученный вермикулит, определяющие его качество и зависящие от режима
охлаждения – это дегидратация и магнитная восприимчивость [9, 17, 18]. Дегидратация – свойство присоединять воду из
атмосферной влаги после обжига, и от нее
зависит гигроскопичность вспученного материала в процессе его дальнейшей экс-
плуатации. Магнитная восприимчивость
характеризует связь между намагниченностью зерен и остаточным магнитным полем
в них, от которого зависит способность
вермикулита связываться с пенополистирольными гранулами или другими сыпучими легковесами и образовывать смеси, обладающие текучестью и отсутствием расслоения [19].
Поэтому создание электрифицированных энерготехнологических агрегатов с
эффективными устройствами охлаждения
вермикулита во встречном потоке воздуха
является актуальной задачей.
Библиографический список
1. Нижегородов А.И. Адаптированный технологиче3. Нижегородов А.И. Совершенствование технолоский комплекс для подготовки и обжига вермикулигии обжига вермикулита в электрических модульнотовых концентратов с высоким содержанием инертспусковых печах // Строительные материалы:
ного материала // Строительные и дорожные машиtechnology. 2011. № 5. С. 62–64.
ны. 2009. № 12. С. 28–31.
4. Нижегородов А.И. Исследование теплопереноса в
2. Нижегородов А.И. Узкополосное фракционироваэлектрических модульно-спусковых печах для обжиние как фактор качества вермикулитовых конценга вермикулита с учетом свойств поглощающей
тратов // Строительные материалы. 2009. № 9.
среды // Огнеупоры и техническая керамика. 2014.
С. 68–69.
№ 11–12. С. 29–36.
56
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
5. Нижегородов А.И. Опыт эксплуатации электрических модульно-спусковых печей различных модификаций для обжига вермикулитовых концентратов //
Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9.
С. 27–34.
6. Брянских Т.Б. Трехмодульная электрическая печь
для обжига вермикулита и других сыпучих материалов с вибрационной подачей сырья // Вестник
ИрГТУ, 2016. № 5. С. 10–18.
7. Кременецкая И.П., Беляевский А.Т., Васильева
Т.Н. Аморфизация серпентиновых минералов в технологии получения магнезиально-силикатного реагента для иммобилизации тяжелых металлов // Химия в интересах устойчивого развития. 2010. № 1.
С. 41–49.
8. Производство и применение вермикулита / под
ред. Н.А. Попова. М.: Стройиздат, 1964. 128 с.
9. Кальянов Н.Н., Мерзляк А.Н. Вермикулит и перлит
– пористые заполнители для теплоизоляционных
изделий и бетонов. М.: Гос. изд-во по строительству,
архитектуре и строительным материалам, 1961. 154
с.
10. Пат. 120203, Российская Федерация, МПК F 27 B
15/00. Технологический комплекс для обжига и дообогащения вермикулита / А.И. Нижегородов; заявитель и патентообладатель ГОУ ИрГТУ г. Иркутск.
№ 2012113676/02; заявл. 06.04.12; опубл.
10.09.2012, Бюл. № 22. 3 с.
11. Пат. 135782, Российская Федерация, МПК F 27 B
15/00. Технологический комплекс для переработки
вермикулито-песочных конгломератов / А.И. Нижегородов; заявитель и патентообладатель ГОУ
ИрГТУ г. Иркутск. № 2013120676/02; заявл. 06.05.13;
опубл. 20.12.2013, Бюл. № 35. 3 с.
12. Пат. 135783, Российская Федерация, МПК F 27 B
15/00. Технологический комплекс для переработки
вермикулито-песочных конгломератов / А.И. Нижегородов, И.А. Ядров; заявитель и патентообладатель ГОУ ИрГТУ г. Иркутск. № 2013136628/02; заявл. 05.08.13; опубл. 20.12.2013, Бюл. № 35. 3 с.
13. Пат. 162418, Российская Федерация, МПК F 27 B
9/06. Электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов и конгломератов / А.И. Нижегородов, А.В. Звездин; заявитель и патентообладатель
ГОУ ИрГТУ г. Иркутск. № 2015155497/02; заявл.
23.12.15; опубл. 10.06.2016, Бюл. № 16. 3 с.
14. Пат. 110468, Российская Федерация, МПК F 27 B
9/06. Электрическая печь для обжига вермикулита /
А.И. Нижегородов; заявитель и патентообладатель
ГОУ ИрГТУ. № 2011125508/02; заявл. 21.06.11;
опубл. 20.11.2011, Бюл. № 32. 3 с.
15. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины.
3-е изд. М.: Машиностроение, 1974. 431 с.
16. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической
механики: в 2 т. М.: Наука, 1983. Т. 2: Динамика.
640 с.
17. Хвостенков С.И., Туркин А.Ф. Исследование физико-химических свойств ряда флогопит-вермикулит
Ковдорского месторожения // Горнометаллургический институт Кольского филиала АН СССР: сб.
науч. трудов. 1966. С. 32–57.
18. Хвостенков С.И., Залкинд О.А. О теплоте гидратации и магнитной восприимчивости вермикулита //
Горнометаллургический институт Кольского филиала АН СССР: сб. науч. трудов. 1966. С. 90–100.
19. Нижегородов А.И. Производство и применение
полистирол-вермикулитовых смесей // Строительные материалы, 2015. № 7. С. 41–45.
References
1. Nizhegorodov A.I. Adaptirovannyi tekhnologicheskii
for vermiculite burning in regard to properties of absorbkompleks dlya podgotovki i obzhiga vermikulitovykh
ing medium]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika
kontsentratov s vysokim soderzhaniem inertnogo mate[Refractories and engineering ceramics]. 2014, no. 11–
riala [Adapted technological complex for preparation
12, рр. 29–36. (In Russian)
5. Nizhegorodov A.I. Opyt ekspluatatsii elektricheskikh
and burning of vermiculite concentrates with a high content of inert material]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny
modul'no-spuskovykh pechei razlichnykh modifikatsii
dlya obzhiga vermikulitovykh kontsentratov [Experience
[Conseruction and cars]. 2009, no. 12, рр. 28–31. (In
Russian)
of operating electrical furnaces of different modifications
2. Nizhegorodov A.I. Uzkopolosnoe fraktsionirovanie
equipped with releasing units and intended for burning
kak faktor kachestva vermikulitovykh kontsentratov
vermiculite concentrates] Ogneupory i tekhnicheskaya
keramika [Refractories and engineering ceramics].
[Narrow band fractioning as a quality factor of vermiculite concentrates]. Stroitel'nye materialy [Construction
2014, no. 9, рр. 27–34. (In Russian)
6. Bryanskikh T.B. Trekhmodul'naya elektricheskaya
materials], 2009, no. 9, рр. 68–69. (In Russian)
3. Nizhegorodov A.I. Sovershenstvovanie tekhnologii
pech' dlya obzhiga vermikulita i drugikh sypuchikh maobzhiga vermikulita v elektricheskikh modul'noterialov s vibratsionnoi podachei syr'ya [A triple unit
spuskovykh pechakh [Improving vermiculite roasting
electric kiln with vibratory feed of raw materials used for
vermiculite and other bulk materials roasting]. Vestnik
technology in electric kilns with module release].
Stroitel'nye materialy [Construction materials], 2011,
IrGTU [Proceedings of Irkutsk Technical University],
no. 5, рр. 62–64. (In Russian)
2016, no. 5, рр. 10–18. (In Russian)
4. Nizhegorodov A.I. Issledovanie teploperenosa v
7. Kremenetskaya I.P., Belyaevskii A.T., Vasil'eva T.N.
elektricheskikh modul'no-spuskovykh pechakh dlya
Amorfizatsiya serpentinovykh mineralov v tekhnologii
obzhiga vermikulita s uchetom svoistv pogloshchayushpolucheniya magnezial'no-silikatnogo reagenta dlya
chei sredy [Studies of heat transposition in electrical
immobilizatsii tyazhelykh metallov [Amorphization of
furnaces supplied with unit-type releasing and intended
serpentine minerals in the technology of obtaining mag-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
57
Машиностроение и машиноведение
Mechanical Engineering and Machine Science
nesia-silicate reagent for heavy metal immobilization].
Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya [Chemistry
for Sustainable Development]. 2010, no. 1, рр. 41–49.
(In Russian)
8. Proizvodstvo i primenenie vermikulita / pod red.
N.A. Popova. [Production and use of vermiculite], Moscow, Stroiizdat Publ., 1964, 128 р. (In Russian)
9. Kal'yanov N.N., Merzlyak A.N. Vermikulit i perlit –
poristye zapolniteli dlya teploizolyatsionnykh izdelii i
betonov [Vermiculite and perlite as porous fillers for
thermal insulation products and concretes]. Moscow,
Gos. izd-vo po stroitel'stvu, arkhitekture i stroitel'nym
materialam, 1961, 154 р. (In Russian)
10. Nizhegorodov A.I. Tekhnologicheskii kompleks dlya
obzhiga i doobogashcheniya vermikulita [Technological
complex for vermiculite roasting and repreparation].
Patent RF, no. 120203, 2012.
11. Nizhegorodov A.I. Tekhnologicheskii kompleks dlya
pererabotki vermikulito-pesochnykh konglomeratov
[Technological complex for vermiculite-sand conglomerate processing]. Patent RF, no. 135782, 2013.
12. Nizhegorodov A.I., Yadrov I.A. Tekhnologicheskii
kompleks dlya pererabotki vermikulito-pesochnykh
konglomeratov [Technological complex for vermiculitesand conglomerate processing]. Patent RF, no. 135783,
2013.
13. Nizhegorodov A.I., Zvezdin A.V. Elektricheskaya
pech' dlya obzhiga vermikulitovykh kontsentratov i
konglomeratov [Electric furnace for vermiculite concentrate and conglomerate roasting]. Patent RF,
no. 162418, 2015.
14. Nizhegorodov A.I. Elektricheskaya pech' dlya obzhiga vermikulita [Electric oven for vermiculite roasting].
Patent RF, no. 110468, 2011.
15. Vainson A.A. Pod’emno-transportnye mashiny
[Hoisting-and-transport machines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1974, 431 р. (In Russian)
16. Loitsyanskii L.G., Lur'e A.I. Kurs teoreticheskoi
mekhaniki [Course of theoretical mechanics]. Moscow,
Nauka Publ., 1983, 640 р. (In Russian)
17. Khvostenkov S.I., Turkin A.F. Issledovanie fizikokhimicheskikh svoistv ryada flogopit-vermikulit Kovdorskogo mestorozheniya [Studying physico-chemical
properties of phlogopite-vermiculite series of the Kovdorskoe deposit]. Sbornik nauchnykh trudov Gornometallurgicheskogo instituta Kol'skogo filialala AN SSSR
[Collection of scientific articles Mining and Metallurgical
institute of the Kola branch of the USSR Academy of
Sciences:], 1966. рр. 32–57. (In Russian)
18. Khvostenkov S.I., Zalkind O.A. O teplote gidratatsii i
magnitnoi vospriimchivosti vermikulita [On vermiculite
hydration heat and magnetic susceptibility]. Sbornik
nauchnykh trudov Gornometallurgicheskogo instituta
Kol'skogo filialala AN SSSR [Mining and Metallurgical
institute of the Kola branch of the USSR Academy of
Sciences: Collection of scientific articles], 1966, рр. 90–
100. (In Russian)
19. Nizhegorodov A.I. Proizvodstvo i primenenie
polistirol-vermikulitovykh smesei [The production and
application
of
polystyrene-vermiculite
mixes].
Stroitel'nye materialy [Construction materials], 2015,
no. 7, рр. 41–45. (In Russian)
Критерии авторства
Худченко А.С., Кокоуров Д.В. Предложили устройство для упрочнения вермикулита путем его охлаждения в потоке воздуха. Худченко А.С., Кокоуров
Д.В. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Khudchenko A.S., Kokourov D.V. have introduced a
device for vermiculite hardening by its cooling in the air
stream. Khudchenko A.S., Kokourov D.V. have equal
authors’ right and share responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 28.02.2017 г.
The article was received 28 February 2017
58
ВЕСТНИК ИрГТУ Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Оригинальная статья / Original article
УДК 519.862.6
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-59-72
МЕТОДИКА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА ЛЯМБДА-ПАРАМЕТРА
В МОДЕЛИ ПАРНОЙ ЛИНЕЙНОЙ РЕГРЕССИИ СО СТОХАСТИЧЕСКИМИ ПЕРЕМЕННЫМИ
© М.П. Базилевский1
Иркутский государственный университет путей сообщения,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработка методики многокритериального выбора неизвестного соотношения дисперсий ошибок исследуемых признаков, так называемого лямбда-параметра, в модели регрессии со стохастическими переменными. МЕТОДЫ. Для достижения цели использованы математические и статистические методы. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложена общая методика многокритериального выбора лямбда-параметра. Рассмотрен частный случай этой методики, предполагающий выбор лямбда-параметра по следующим критериям адекватности: критерию детерминации, Фишера, Дарбина – Уотсона, согласованности поведения, средней относительной ошибки
аппроксимации, максимальной ошибки регрессии. Предложен критерий детерминации-автокорреляции, одновременно характеризующий точность модели и автокорреляцию в её остатках. Рассмотрен алгоритм выбора
оптимального по критерию детерминации-автокорреляции значения лямбда-параметра. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанная методика существенно расширяет полноту оценивания качества регрессии со стохастическими переменными.
Ключевые слова: модель парной линейной регрессии, стохастические переменные, полный метод наименьших
квадратов, лямбда-параметр, регрессия Деминга, многокритериальная задача, критерий детерминацииавтокорреляции.
Формат цитирования: Базилевский М.П. Методика многокритериального выбора лямбда-параметра в модели
парной линейной регрессии со стохастическими переменными // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 59–72. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-59-72
METHODOLOGY OF LAMBDA-PARAMETER MULTI-CRITERIA SELECTION IN THE MODEL
OF A PAIRWISE LINEAR REGRESSION WITH STOCHASTIC VARIABLES
M.P. Bazilevskiy
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to develop a methodology of multi-criteria selection of an unknown variance
ratio of the investigated characteristics, a so-called lambda-parameter, in a regression model with stochastic variables.
METHODS. Mathematical and statistical methods are used to achieve the purpose. RESULTS. A general methodology
of lambda-parameter multi-criteria selection is proposed. The paper deals with the special case of this methodology involving lambda-parameter selection by the following adequacy criteria: the criterion of determination, Fischer, DurbinWatson, consistency of conduct, mean relative error of approximation, maximum error of regression. The criterion of determination-autocorrelation is introduced that describes both the model accuracy and residual autocorrelation. A selection
algorithm of the lambda-parameter value optimum by the criterion of determination-autocorrelation is considered. CONCLUSION. The developed methodology significantly expands the evaluation completeness of the quality of a regression
with stochastic variables.
Keywords: model of a pairwise linear regression, stochastic variables, total least squares, lambda-parameter, Deming
regression, multi-criteria problem, determination-autocorrelation criterion
For citation: Bazilevskiy M.P. Methodology of lambda-parameter multi-criteria selection in the model of a pairwise linear
regression with stochastic variables. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 59–72.
(In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-59-72
___________________________
1
Базилевский
Михаил
Павлович,
кандидат
технических
наук,
доцент
кафедры
математики,
e-mail: mik2178@yandex.ru
Mikhail P. Bazilevskiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mathematics,
e-mail: mik2178@yandex.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
59
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Введение
Регрессионный анализ является признанным инструментом построения математических моделей статистического типа. Чаще других при построении регрессионных моделей используется метод наименьших квадратов (МНК). В силу теоремы Гаусса – Маркова одной из
предпосылок МНК является то, что значения объясняющих переменных должны быть детерминированы (неслучайны). Однако в практике статистических исследований и эконометрического моделирования объясняющие переменные могут иметь и стохастическую (случайную)
природу, что может быть вызвано, например, неточностями, допущенными при регистрации их
значений. В этом случае теряются некоторые свойства МНК-оценок неизвестных параметров
[1, 2].
Регрессионные модели со стохастическими объясняющими переменными (errors-invariables models, EIV) впервые упоминаются в работах Р. Эдкока и К. Куммеля [3–5]. Оценивание этих моделей осуществляется с помощью полного метода наименьших квадратов [6]. Основная проблема при использовании этого метода заключается в том, что необходимо знать
соотношение дисперсий ошибок исследуемых признаков, так называемый лямбда-параметр
(  -параметр), от которого зависят все оценки неизвестных параметров моделей со стохастическими переменными. Если лямбда-параметр известен, то имеем регрессию Деминга [7], для
которой без труда можно найти оценки неизвестных параметров. Но на практике значение
 -параметра практически всегда неизвестно. Настоящая статья и посвящена решению проблемы выбора  -параметра.
Сделаем одно очень важное замечание. По мнению известного специалиста по анализу данных С.А. Айвазяна, существует два подхода к интерпретации и анализу исходных статистических данных: вероятностно-статистический и логико-алгебраический [8]. В первом из них
данные интерпретируются как выборка из некоторой генеральной совокупности. При этом одной из главных задач является выбор метода статистической обработки, который дает наиболее точные (несмещенные, состоятельные и эффективные) оценки неизвестных параметров
генеральной совокупности. Второй подход предполагает, что либо нет никаких априорных
сведений о вероятностной природе анализируемых данных, либо данные вообще не могут
быть интерпретированы как выборка из генеральной совокупности. При этом исследователь
уже не вправе судить о качественных свойствах оценок неизвестных параметров. Однако и в
том и в другом подходе выбор наилучшего метода моделирования данных производится в соответствии с некоторым критерием адекватности.
Настоящая работа выполнена в рамках логико-алгебраического подхода к анализу
данных.
Модель парной линейной регрессии со стохастическими переменными
Рассмотрим простейший случай модели со стохастическими переменными – модель
парной линейной регрессии, в которой объясняемая переменная y зависит от объясняющей
переменной x . Пусть в результате n опытов или наблюдений получены пары чисел  xi , yi  ,
i  1, n , содержащие некоторого рода неконтролируемые ошибки. Это означает, что фактиче-
ски вместо пар  xi , yi  фиксируются значения
xi  xi*   xi , i  1, n ;
(1)
yi  yi*   yi , i  1, n ,
(2)
где  xi* , yi*  – расчетные значения переменных;  x и  y – ошибки регрессии.
60
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Предположим, что истинная связь между переменными задается простейшей линейной
зависимостью
(3)
yi*  a  bxi* , i  1, n ,
где a и b – неизвестные параметры.
Используя соотношения (1), (2) и равенство (3), перейдем к регрессии со стохастическими переменными:
 yi  a  bxi*   yi ,
(4)

*
 xi  xi   xi ,
где xi* – неизвестные расчетные значения объясняющей переменной.
Для оценивания неизвестных параметров модели (4) применяется полный метод
наименьших квадратов, состоящий в минимизации функционала:
S    xi  xi*  
n
2
i 1
  y  a  bx 

1
n
* 2
i
i
i 1
 min ,
(5)
где    0,   – лямбда-параметр, от которого зависят оценки неизвестных параметров a , b ,
xi* , i  1, n . В зависимости от значения  -параметра выделяют следующие частные случаи
регрессии (4):
 обратная регрессия – если   0 ;
 прямая регрессия – если    ;
 ортогональная регрессия – если   1 ;
D
 диагональная регрессия – если   y .
Dx
Для известного значения лямбда-параметра оценки неизвестных параметров модели
(4) находятся по формулам:
D
bˆ 
y
  Dx  
D
  Dx   4 K xy2
2
y
2 K xy
;
ˆ ;
â  y  bx
xˆi*  xi 
(7)
bˆ
ˆ , i  1, n ,
yi  aˆ  bx
i
2
ˆ
 b

(6)

(8)
где Dx , Dy – выборочные дисперсии переменных x и y , y и x – выборочные средние,
K xy – ковариация.
Отметим, что оценка (6) получена из решения квадратного уравнения
K xyb2   Dy   Dx  b   K xy  0 .
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
(9)
61
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Таким образом, варьирование значений  -параметра в функционале (5) приводит к
изменению оценок, а, значит, и изменению качества регрессии со стохастическими переменными.
Методика многокритериального выбора лямбда-параметра
Перейдем к формальному описанию общей методики многокритериального выбора
лямбда-параметра в модели регрессии со стохастическими переменными. Следует отметить,
что в основе предложенной методики лежит технология организации «конкурса» регрессионных моделей, подробно описанная в работах [9, 10].
Как видно, регрессия (4) представляет собой систему двух уравнений, связанных между собой через неизвестные параметры xi* , i  1, n . Поэтому её качество следует оценивать
одновременно и по первому и по второму уравнению. Тогда пусть регрессия со стохастическими переменными характеризуется множеством из l критериев адекватности:
K     K1    , K2    ,..., Kl    ,
(10)
где Ki     wix Kix     wiy Kiy    , i  1, l – это i -й объединенный (агрегированный) критерий
адекватности, представляющий собой линейную свертку локальных критериев Kix    и
Kiy    с разными «весами» по первому (по переменной x) и по второму (по переменной y )
уравнению регрессии (4). Если для i -го объединенного критерия Ki    приоритеты по локальным критериям отсутствуют, то wix  wiy  1 .
Все элементы множества K    зависят от величины лямбда-параметра    0,   . На
основе совокупности объединенных критериев регрессии (4) требуется найти наиболее приемлемое значение параметра  . При этом если все объединенные критерии Ki    , i  1, l во
множестве (10) дифференцируемы по переменной  на интервале  0,  , то значение лямбда-параметра можно получить аналитически. В противном случае, необходимо провести дискретизацию лямбда-параметра, затем для каждого  определить значения критериев адекватности и воспользоваться одним из методов решения многокритериальных задач. Рассмотрим последний случай подробнее.
Для дискретизации лямбда-параметра на интервале    0,   возьмем r точек:
0  1  2  ...  r   . Дополним множество точками 0 (обратная регрессия) и  (прямая
регрессия). Точка r выбирается из соображения, что множество K  r  несколько хуже, чем
множество K    .
Вычислив в каждой точке  j , j  0, r  1 значения объединенных критериев Ki    ,
i  1, l , перейдем к критериальной матрице  :
  Ki   j  , i  1, l , j  0, r  1 .
(11)
Матрица (11) приводится к однородному виду. Будем считать, что для всех j  0, r  1
лучшим вариантом по i –му критерию является тот, который соответствует максимальному
элементу i –й строки матрицы  . Если характер i –го критерия таков, что чем меньше его
62
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
значение, тем лучше модель, то, в силу свойства min Ki      max   Ki     , элементам
строк, соответствующим таким критериям, следует поставить знак «минус».
Таким образом, поставлена многокритериальная задача оптимизации – необходимо
выбрать наилучшее значение лямбда-параметра из конечного множества альтернатив, руководствуясь векторным критерием (10). В теории принятия решений разработано большое количество эффективных алгоритмов решения многокритериальных задач [11, 12]. В нашем
случае количество альтернатив может достигать сотни и даже тысячи, поэтому целесообразно использовать метод «идеальной» точки [9, 12].
Прежде всего, элементы матрицы  нормируются по правилу
Ki   j  
Ki   j   Ki
Ki  Ki
, i  1, l , j  0, r  1 ,
где Ki  min Ki   j  , Ki  max Ki   j  .
«Идеальная» точка K * представляет собой вектор, каждая компонента которого равна
максимальному значению соответствующего критерия, т.е. для нормированной матрицы
K *  1,1,...,1 . Для реальных задач многокритериального выбора обычно отсутствует альтернатива, доставляющая максимум всем критериям одновременно. Поэтому метод «идеальной»
точки предполагает поиск альтернативы, образ которой в критериальном пространстве
наиболее близок в некоторой метрике (например, евклидовой) к точке K * :
 *  arg min  1  Ki     .
l
2
i 1
В представленной выше общей методике многокритериального выбора лямбдапараметра модели регрессии со стохастическими переменными можно использовать любые
критерии адекватности из классического регрессионного анализа. Однако для них необходимо
предварительно получить аналитические зависимости от лямбда-параметра.
Рассмотрим один из возможных случаев реализации методики многокритериального
выбора лямбда-параметра регрессии со стохастическими переменными. Для этого используем следующие критерии адекватности: критерий детерминации R 2 , Фишера F , Дарбина –
Уотсона DW , согласованности поведения SP , среднюю относительную ошибку аппроксимации E , максимальную ошибку регрессии ME . Аналитические зависимости от лямбдапараметра для этих критериев получены и подробно исследованы в работах [13–15]. Кратко
рассмотрим каждый из этих критериев по отдельности.
Критерий детерминации показывает долю вариации зависимой переменной, объясняемую моделью регрессии. Возможные значения этого критерия принадлежат отрезку  0,1 .
Чем ближе значение критерия детерминации к 1, тем выше качество модели. В работе [13]
получены аналитические зависимости для критериев детерминации регрессии Деминга по переменным x и y :
Rx2    
ISSN 1814-3520

K xy2  Dy   Dx 

D
2

Dx   Dy   Dx    Dy   Dx 

ВЕСТНИК ИрГТУ
y
2

  Dx   4 K xy2 

D
y
  Dx 
2

 4 K  4 K 

2
xy
;
(12)
2
xy
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
63
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Ry2    

 Dy2   Dx Dy   Dy   Dx 

2

Dy   Dy   Dx    Dy   Dx 

K
На интервале
2
xy
   0,  
функция
2

  Dx   4 K xy2   2 K xy2 Dy

.
2
2
2 
 Dy   Dx   4 K xy  4 K xy 
Rx2 ( )
D
y
(13)
монотонно возрастает, а функция
Ry2 ( ) – убывает.
Объединенный критерий детерминации (с равными весами) имеет вид:
R2     Rx2     Ry2    .
(14)
В работе [13] показано, что решением задачи R 2     max является точка  
Dy
.
Dx
Критерий Фишера имеет статистический характер и служит для проверки значимости
линейной регрессии в целом. При этом проверяется нулевая гипотеза об одновременном равенстве нулю всех коэффициентов при факторах модели. Если значение этого критерия выше
заданного уровня значимости, то нулевая гипотеза отвергается и модель признается значимой. Согласно определению, критерий Фишера целесообразно вводить только для переменной y регрессии Деминга, поскольку во втором её уравнении для переменной x свободный
член всегда равен 0, а угловой коэффициент 1. В работе [14] получена аналитическая зависимость критерия Фишера от лямбда-параметра по переменной y :
 K

b   xy  b 
 D

y
 n2 ,
Fy   , b   



K xy 
 1  b

Dy 

(15)
где b находится по формуле (6).
На интервале    0,   функция Fy    является монотонно убывающей. При этом
если   0 (обратная регрессия), то Fy      , а если    (прямая регрессия), то
Fy     F , где F 
K xy2
 n  2  – критерий Фишера прямой регрессии.
Dy Dx  K xy2
Таким образом, критерий Фишера не вписывается в общую схему многокритериального
выбора лямбда-параметра регрессии со стохастическими переменными. Однако с его помощью можно попытаться сжать множество возможных значений лямбда-параметра. Для этого
следует применить схему проверки значимости, предложенную в работе [14].
При заданном уровне значимости  находится критическое значение критерия Фишера Fcr  ,1, n  2  .
Находится критерий Фишера прямой регрессии F 
K xy2
Dy Dx  K xy2
 n  2 .
Сравниваются F и Fcr : если F  Fcr , то регрессия является значимой для любого  ,
следовательно, множество значений параметра  сжать не удалось; если F  Fcr , то относи64
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
тельно неизвестной  решается нелинейное уравнение
Fy     Fcr  0 .
(16)
Обозначим решение уравнения (16)  * . Тогда, если    * , то регрессия является значимой, а если    * – незначимой. Следовательно, удалось сжать множество значений
лямбда-параметра до множества  0,  *  .
Критерий Дарбина – Уотсона предназначен для тестирования автокорреляции
остатков регрессии первого порядка. Возможные значения этого критерия принадлежат отрезку  0, 4 . Наилучшим значением критерия считается 2. В работе [14] показано, что аналитические зависимости DWx    и DWy    для критериев Дарбина – Уотсона по переменным x и
y совпадают. Зависимость критерия Дарбина – Уотсона от лямбда-параметра имеет вид:
  A  2bB  b2C 
DW   , b  
n  Dy  K xyb     b 2 
,
(17)
где b находится по формуле (6).
Если   0 (обратная регрессия), то DW     DW1 , где DW1 – критерий ДарбинаУотсона обратной регрессии, а если    (прямая регрессия), то DW     DW2 , где
DW2 – критерий Дарбина-Уотсона прямой регрессии.
Функция DW    имеет точку экстремума:
 
*
Dy z  K xy z 2
Dx z  K xy
,
(18)
где z – любой из корней квадратного уравнения
 BD
x
 CK xy  z 2   CDy  ADx  z  AK xy  BDy  0 ,
n1
n1
n 1
i 1
i 1
i 1
(19)
где A   yi2 , B   yi xi , C   xi2 ; yi  yi  yi1 , xi  xi  xi1 – первые разности переменных y и x .
Для определения области значений функции DW    применяется следующий алгоритм.
 По формуле (18) находится критическая точка  * . Если эта точка принадлежит интервалу  0,  , то по формуле (17) находится значение функции в этой точке DW  * .
 
 Находится
критерий
Дарбина-Уотсона
для
обратной
регрессии
2
2
2
2
K A  2 Dy K xy B  Dy C
Dx A  2 Dx K xy B  K xyC
и
для
прямой
регрессии
.
DW1  xy
DW

2
nDy  Dy Dx  K xy2 
nDx  Dy Dx  K xy2 
 Определяется область значений критерия Дарбина-Уотсона DW      DW  , DW   ,
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
65
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management

  , DW
где DW   min DW1, DW2 , DW  *



 max DW1, DW2 , DW   *  .
Если значение 2 принадлежит области значений функции DW    , то для нахождения
соответствующего лямбда-параметра необходимо решать нелинейное уравнение DW     2 .
Найдем его решение, перейдя для удобства от функции DW    к функции DW  b  . Из выражения (9) имеем:
b  Dy  K xyb 

.
(20)
Dxb  K xy
Подставив выражение (20) в соотношение (17), получим
DW  b  
A  2bB  b2C
.
n  Dxb2  2 K xyb  Dy 
(21)
Приравнивая к двум выражение (21), получим квадратное уравнение относительно b :
 2nDx  C  b2  2  B  2nK xy  b  2nDy  A  0 .
(22)
Корни уравнения (22) имеют вид:
b1,2 
  B  2nK xy  
 B  2nK    2nD
2
xy
x
 C   2nDy  A
2nDx  C
.
(23)
Затем проверяется, попадают ли корни (23) в область возможных значений параметра
b . Если K xy  0 , то область значений параметра b  bпрям , bобр  , а если K xy  0 , то
b  bобр , bпрям  , где bобр , bпрям – угловые коэффициенты обратной и прямой регрессий. Если
корень попадает в область значений параметра b , то подставив его в соотношение (20),
находим значение лямбда-параметра.
Средняя относительная ошибка аппроксимации показывает среднее отклонение
расчетных значений регрессии от фактических и находится по формуле
E
1 n yi  yi*
100% ,

n i1 yi
(24)
где yi , yi* , i  1, n – фактические и расчетные значения зависимой переменной; n – объем
выборки.
Область значений этого критерия E [0, ) . Чем ближе средняя ошибка аппроксимации к нулю, тем выше качество модели.
Присутствие в выражении (24) знака модуля не позволяет получить аналитические зависимости средних относительных ошибок аппроксимации Ex    и E y    от лямбдапараметра регрессии со стохастическими переменными.
Объединенная средняя относительная ошибка аппроксимации имеет вид
66
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
E     Ex     Ey    .
(25)
Для решения задачи E     min необходимо на интервале  0,  проводить дискретизацию лямбда-параметра, вычислять в каждой точке значение объединенного критерия
E    и выбирать оптимальный вариант.
Максимальная ошибка регрессии находится по формуле
ME  max y  y* ,
(26)
где y , y * – векторы фактических и расчетных значений.
Область значений этого критерия ME [0, ) . Чем ближе максимальная ошибка к нулю, тем выше качество модели.
Получить аналитические зависимости максимальных ошибок MEx    и ME y    от
лямбда-параметра также не представляется возможным.
Объединенная максимальная ошибка регрессии имеет вид
ME     MEx     MEy    .
(27)
Для решения задачи ME     min на интервале  0,  необходимо действовать так
же, как и при решении задачи E     min .
Критерий согласованности поведения (СП-критерий) оценивает количество совпадений знаков фактических и расчетных приращений зависимой переменной и находится по
формуле:
n1
SP   sgn  yi  sgn  yi*  ,
(28)
i 1
где yi  yi1  yi , yi*  yi*1  yi* – первые разности переменных y и y * .
Максимальное значение, принимаемое СП-критерием, равно n  1 , что указывает на
полную согласованность знаков фактических и расчетных приращений.
Объединенный критерий согласованности поведения имеет вид
SP     SPx     SPy    ,
(29)
где SPx    и SPy    – аналитические зависимости критериев согласованности поведения по
переменным x и y . В работе [15] экспериментально установлено, что разрывные ступенчатые функции SPx    и SPy    есть соответственно неубывающие и невозрастающие функции на интервале  0,  .
В работе [15] также доказано, что функция SP    не зависит от лямбда-параметра и
есть величина постоянная. Для её вычисления в той же работе предложен специальный алгоритм. Однако здесь приводить его не будем, поскольку если функция SP    есть константа,
то решением задачи SP     max будет любая точка из множества    0,   . СледовательISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
67
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
но, на результат выбора лямбда-параметра регрессии со стохастическими переменными объединенный СП-критерий с равными весами (29) никакого влияния не оказывает. Но всё же,
если у исследователя есть предпочтения по локальным критериям SPx    и SPy    , то можно ввести и использовать объединенный СП-критерий с разными весами:
SP     wx SPx     wy SPy    .
(30)
При этом, если wy  wx , то решением задачи SP     max будет некоторый интервал
   0, 1  , а если wy  wx , то решением будет интервал    2 ,   , где 1 2 находятся через дискретизацию лямбда-параметра.
Вернемся теперь к описанию одного случая реализации методики многокритериального выбора лямбда-параметра. Используя представленную выше информацию об аналитических зависимостях шести основных критериев адекватности, включим во множество (10), характеризующее регрессию со стохастическими переменными, следующие критерии:
K     R2    , DW    , E    , ME    ,
где
R2     Rx2     Ry2   
DW     DWx     DWy   
–
–
объединенный
объединенный
(31)
критерий
критерий
детерминации;
Дарбина
–
Уотсона;
E     Ex     Ey    – объединенная средняя относительная ошибка аппроксимации;
ME     MEx     MEy    – объединенная максимальная ошибка регрессии.
Из-за того, что функции E    и ME    не являются дифференцируемыми по переменной  , необходимо провести дискретизацию лямбда-параметра. Это можно сделать следующими способами:
 На интервале    0,   произвольно выбрать r точек и дополнить их точками 0
(обратная регрессия) и  (прямая регрессия).
 Попытаться сжать множество    0,   по критерию Фишера до множества
   0,  *  через описанную выше процедуру. Если сжатие удалось, то выбрать на этом интервале r точек, например, с равным шагом, и дополнить их точкой 0 (обратная регрессия).
 Выбрать какой-нибудь локальный критерий, например, локальный критерий детерминации Ry2    по переменной y . Найти область его возможных значений Ry2      x0 ,1 . Выбрать на этом отрезке r точек: x0  x1  x2  ...  xr  1 . Затем, используя уравнение (13), для
каждой такой точки найти соответствующее значение лямбда-параметра. Сложность этого
способа состоит в том, что потребуется r разрешать нелинейное уравнение (13) относительно  .
Понятно, что чем больше точек r задаст исследователь, тем точнее получится результат. На практике рекомендуется брать значение r не менее 100. Отсюда возникает необходимость в разработке специализированного программного комплекса, полностью автоматизирующего процесс многокритериального выбора лямбда-параметра регрессии со стохастическими переменными.
После дискретизации лямбда-параметра вычисляются значения объединенных критериев множества (31) и составляется критериальная матрица  (11). После чего эта матрица
приводится к однородному виду. Для этого в силу свойства min Ki      max   Ki     эле68
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
ментам столбцов, соответствующих критериям E    и ME    следует поставить знак «минус». Поскольку критерий DW    принимает значение в интервале  0, 4 и лучшим его значением является 2, следует преобразовать DW    к такому виду:

 DW    , если DW     2,
DW     

4  DW    , если DW     2.
Затем, элементы матрицы  нормируются, составляется «идеальная» точка
K  1,1,1,1 и находится такое значение лямбда-параметра, образ которого в критериальном
*
пространстве наиболее близок к точке K * .
Критерий детерминации-автокорреляции. Как было отмечено выше, если функция от переменной  для i -го объединенного критерия Ki    из множества (10) дифференцируема на интервале  0,  , то наилучшее значение лямбда-параметра для такого критерия
можно получить аналитически, решив соответствующую оптимизационную задачу. При этом
из рассмотренных четырех критериев адекватности для частного случая методики многокритериального выбора только два дифференцируемы на интервале  0,  : объединенный критерий детерминации, для которого решена задача R 2     max , и объединенный критерий
Дарбина – Уотсона, для которого решена задача 2  DW     min . Для решения задачи
выбора наилучшего значения лямбда-параметра одновременно по критериям детерминации и
Дарбина – Уотсона введем критерий детерминации-автокорреляции, представляющий собой
линейную свертку такого вида:
1
CDA     w1Rx2     w2 Ry2     w3 2  DW    ,
2
(32)
где Rx2    , Ry2    – зависимости критериев детерминации по переменным x и y от лямбдапараметра; DW    – зависимость критерия Дарбина – Уотсона от лямбда-параметра; w1  0 ,
w2  0 , w3  0 – весовые коэффициенты.
Если в выражении (32) w3  0 , то имеем объединенный критерий детерминации, а если
w1  w2  0 , то имеем объединенный критерий Дарбина – Уотсона.
Таким образом, критерий (32) одновременно характеризует и точность модели (4) и автокорреляцию в её остатках. В худшем случае значения критериев детерминации Rx2  Ry2  0 ,
значение критерия Дарбина – Уотсона DW  0 или DW  4 , следовательно, значение критерия детерминации-автокорреляции CDA  w3 . В лучшем случае Rx2  Ry2  1 , DW  2 , значит, CDA  w1  w2 . Отсюда область возможных значений критерия CDA   w3 , w1  w2  . Чем
больше значение этого критерия, тем выше качество модели.
Поставим оптимизационную задачу:
1
CDA     w1Rx2     w2 Ry2     w3 2  DW     max , если    0,  
2
(33)
Эта задача представляет собой стандартную задачу нахождения наибольшего значеISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
69
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
ния на интервале. Раскрыв в функционале (33) знак модуля, получим:
  w1Rx2     w2 Ry2     0.5w3 DW     w3  max,

  DW     2,
CDA     
2
2
  w1Rx     w2 Ry     0.5w3 DW     w3  max,

  DW     2.
(34)
В совокупности (34) найдем точки локальных экстремумов, решив задачи:
w1Rx2     w2 Ry2     0.5w3 DW     w3  max
(35)
w1Rx2     w2 Ry2     0.5w3DW     w3  max .
(36)
и
В задачах (35) и (36) удобнее перейти от переменной  к переменной b , используя
соотношение (20). Выполнив данный переход, определив первую производную полученной
функции по переменной b и приравнивая ее к нулю, получим квадратное уравнение:
 b2   b    0 ,
где
(37)
  2w2nK xy Dx  K xy2  Dx Dy   w3Dx Dy  BDx  CK xy  ,
  2nDx Dy  w2  w1   Dx Dy  K xy2   w3Dx Dy CDy  ADx  ,
  w3 Dx Dy  AK xy  BDy   2w1nK xy Dy  Dx Dy  K xy2  .
(1)
(2)
Если решения уравнения (37) существуют, то обозначим их bloc
и bloc
. Вычислив любое
из этих решений, необходимо вновь перейти к переменной  , используя соотношение (20).
(1)
Обозначим данную величину loc
, которая и является решением задачи (35).
Решение задачи (36) находится аналогично. Для этого в уравнении (37), в коэффициентах  ,  и  необходимо заменить параметры: w3 на  w3 . Затем определить значение
(1)
(2)
(2)
или bloc
, по которому определить решение задачи (36) – loc
.
bloc
Тогда алгоритм решения задачи (33) имеет следующие ступени:
1. Находятся значения критерия CDA    при   0 (обратная регрессия) и при
   (прямая регрессия): CDA0 , CDA .
(1)
2. С использованием уравнения (37) определяются точки локальных экстремумов loc
и
(2)
на интервале
loc
 0,  .
Находятся значения критерия CDA    в этих точках: CDA (1) ,
loc
CDA ( 2) .
loc
70
3. Используя соотношения (23), определяются корни уравнения DW     2 на интерВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
вале  0,  . Если они существуют, то обозначим их 1 и 2 . Находятся значения критерия
CDA    в этих точках: CDA1 , CDA2 .
4. Из полученных значений CDA0 , CDA , CDA (1) , CDA ( 2) , CDA1 , CDA2 выбирается
loc
loc
наибольшее.
Заключение
Предложена общая методика многокритериального выбора лямбда-параметра в модели парной линейной регрессии со стохастическими переменными. Описан частный случай методики многокритериального выбора лямбда-параметра. Этот случай подразумевает использование следующих критериев адекватности: критерий детерминации, Дарбина – Уотсона,
Фишера, согласованности поведения, средняя относительная ошибка аппроксимации, максимальная ошибка регрессии. Предложен критерий детерминации-автокорреляции CDA, одновременно характеризующий точность модели и автокорреляцию в её остатках. Рассмотрен
алгоритм выбора оптимального по этому критерию значения лямбда-параметра.
Библиографический список
1. Доугерти К. Введение в эконометрику. М.: ИНФРА-М, 2009. 465 с.
2. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессия. М.: Финансы и статистика, 1981. 303 с.
3. Adcock R.J. Note on the method of least squares // The Analyst. 1877. Vol. 4. P. 183–184.
4. Adcock R.J. A problem in least squares / R.J. Adcock // The Analyst. 1878. Vol. 5. P. 53–54.
5. Kummel C.H. Reduction of observed equations which contain more than one observed quantity // The Analyst. 1879.
Vol. 6. P. 97–105.
6. Golub G.H. An analysis of the total least squares problem // SIAM J. Numer. Anal. 1980. Vol. 17. P. 883–893.
7. Deming W.E. Statistical adjustment of data. New York: Dover Publications, 2011. 288 p.
8. Айвазян С.А., Мхитарян В.С. Прикладная статистика и основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 1998. 1000 с.
9. Носков С.И. Технология объектов с нестабильным функционированием и неопределенностью в данных. Иркутск: РИЦ ГП Облинформпечать, 1996. 321 с.
10. Базилевский М.П., Носков С.И. Технология организации конкурса регрессионных моделей // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. 2009. № 7. С. 77–84.
11. Васильев С.Н., Селедкин А.П. Синтез функции эффективности в многокритериальных задачах принятия решений // Известия АН СССР. Техническая кибернетика. 1980. № 3. С. 186–190.
12. Макаров Н.М. Теория выбора и принятия решений. М.: Наука, 1982. 392 с.
13. Базилевский М.П. Аналитические зависимости между коэффициентами детерминации и соотношением дисперсий ошибок исследуемых признаков в модели регрессии Деминга // Математическое моделирование и численные методы. 2016. № 2 (10). С. 104–116.
14. Базилевский М.П. Аналитические зависимости для некоторых критериев адекватности модели регрессии Деминга // Вестник ИрГТУ. 2016. Т. 20. № 10. С. 81–89. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-81-89
15. Базилевский, М.П. Использование критерия согласованности поведения для оценивания качества модели
регрессии Деминга // Актуальные вопросы научных исследований: сб. науч. тр. по материалам VII Междунар.
науч.-практ. конф. 2016. С. 14–17.
References
1. Dougherty K. Vvedenie v jekonometriku [Introduction to Econometrics] Moscow, INFRA-M Publ., 2009, 465 p.
2. Demidenko E.Z. Linejnaja i nelinejnaja regressija [Linear and nonlinear regression] Moscow, Finansy i statistika Publ.,
1981, 303 p. (In Russian)
3. Adcock R.J. Note on the method of least squares // The Analyst. 1877, vol. 4, рр. 183–184.
4. Adcock R.J. A problem in least squares // The Analyst. 1878, vol. 5, рр. 53–54.
5. Kummel C.H. Reduction of observed equations which contain more than one observed quantity // The Analyst. 1879,
vol. 6, рр. 97–105.
6. Golub G.H. An analysis of the total least squares problem // SIAM J. Numer. Anal. 1980, vol. 17, рр. 883–893.
7. Deming W.E. Statistical adjustment of data. New York: Dover Publications, 2011, 288 p.
8. Ajvazjan S.A., Mhitarjan V.S. Prikladnaja statistika i osnovy jekonometriki [Applied statistics and the foundations of
econometrics]. Moscow, JuNITI Publ., 1998, 1000 р. (In Russian)
9. Noskov S.I. Tehnologija objektov s nestabil'nym funkcionirovaniem i neopredelennost'ju v dannyh [Technology of ob-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
71
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
jects with unstable functioning and data uncertainty]. Irkutsk, RIC GP Oblinformpechat' Publ., 1996, 321 р. (In Russian)
10. Bazilevskij M.P., Noskov S.I. Tehnologija organizacii konkursa regressionnyh modelej [Technology of regression
models competition organization] Informacionnye tehnologii i problemy matematicheskogo modelirovanija slozhnyh system [Information technologies and problems of complex system mathematical modeling]. 2009, no. 7, рр. 77–84. (In
Russian)
11. Vasil'ev S.N., Seledkin A.P. Sintez funkcii jeffektivnosti v mnogokriterial'nyh zadachah prinjatija reshenij [Efficiency
function synthesis in multi-criteria decision-making problems]. Izvestija AN SSSR. Tekhnicheskaya kibernetika [Proceedings of the USSR Academy of Sciences, Engineering Cybernetics]. 1980, no. 3, рр. 186–190. (In Russian)
12. Makarov N.M. Teorija vybora i prinjatija reshenij [The theory of choice and decision-making]. Moscow, Nauka Publ.,
1982, 392 р. (In Russian)
13. Bazilevskij M.P. Analiticheskie zavisimosti mezhdu kojefficientami determinacii i sootnosheniem dispersij oshibok
issleduemyh priznakov v modeli regressii Deminga [Analytical dependences between determination coefficients and the
error variance ratio of the examined characteristics in the Deming regression model]. Matematicheskoe modelirovanie i
chislennye metody [Mathematical modeling and numerical methods]. 2016, no. 2 (10), рр. 104–116. (In Russian)
14. Bazilevskij M.P. Analiticheskie zavisimosti dlja nekotoryh kriteriev adekvatnosti modeli regressii Deminga [Analytical
dependences for some adequacy criteria of Deming regression model]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State
Technical University]. 2016, vol. 20, no. 10, рр. 81–89. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-81-89(In Russian)
15. Bazilevskij, M.P. Ispol'zovanie kriterija soglasovannosti povedenija dlja ocenivanija kachestva modeli regressii
Deminga [Use of the behavior consistency criterion for Deming regression model quality evaluation]. Materialy VII
Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii “Aktual'nye voprosy nauchnyh issledovanij” [Materials of VII International scientific and practical conference “Actual problems of scientific researches”]. 2016, рр. 14–17. (In Russian)
Критерии авторства
Базилевский М.П. разработал методику многокритериального выбора лямбда-параметра в модели парной линейной регрессии со стохастическими переменными, рассмотрел частный случай этой методики, предложил критерий детерминации-автокорреляции, определил для него оптимальное значение лямбда-параметра и написал
рукопись. Базилевский М.П. несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Bazilevskiy M.P. has developed a methodology of lambda-parameter multi-criteria selection in the model of the pairwise
linear regression with stochastic variables, considered a special case of this methodology, proposed a determinationautocorrelation criterion, determined the value of the lambda-parameter optimal for this criterion and wrote the manuscript. Bazilevskiy M.P. bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 15.02.2017 г.
The article was received 15 February 2017
72
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Оригинальная статья / Original article
УДК 519.855: 336
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-73-80
О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЛИЗИНГОВЫХ ПЛАТЕЖЕЙ
© Т.С. Бузина1, А.Э. Бузин2, Р.В. Романов3
1,3
Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского,
Российская Федерация, 664038, г. Иркутск, пос. Молодежный, 1.
2
Санкт-Петербургский государственный университет,
Российская Федерация, 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В задачах оптимизации структуры лизинговых платежей необходимо учитывать динамику некоторых параметров ограничений и особенности их изменения под влиянием различных факторов. В данной работе для моделирования структуры лизинговых платежей предложены оптимизационные задачи с изменяемыми
параметрами, характеризующими сумму, выплаченную лизингодателю за предыдущий период, и остаточную
стоимость предмета лизинга с учетом экономических интересов лизингодателя и лизингополучателя. МЕТОДЫ.
В статье рассмотрены случаи, когда ограничения в левых и правых частях математической модели зависят от
параметров, описывающих изменяемые ставки по кредиту и НДС, а также сумму, выплаченную лизингодателю за
предыдущий период. Подобные задачи решаются методами параметрического программирования, которые поз4
воляют изучать поведение оптимальных планов при изменении параметров . РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Реализация первой модели с изменяемым параметром в правой части ограничения, описывающего ранее
выплаченную лизингодателю сумму, позволила получить множество оптимальных решений с убывающей целе-0,014х
вой функцией, динамику которой можно описать экспоненциальным уравнением вида у = 45758е
. Оптимизация структуры лизинговых платежей позволяет существенно снизить ежемесячный платеж к концу расчетного
периода, за счет чего достигается экономия суммарного платежа по сравнению с усредненными расчетами на
7%. В результате решения второй задачи с учетом дополнительных ограничений, учитывающих коэффициенты
понижения по ставкам НДС и кредиту, наблюдается более спокойное снижение лизинговых платежей в течение
расчетного периода. В то же время существенно сокращается нагрузка на лизингополучателя по ежемесячным
платежам, что в конечном итоге позволяет получить экономию суммарного лизингового платежа на 31% по сравнению с усредненными расчетами. ВЫВОДЫ. Рассмотренные в статье модели позволяют оптимизировать
структуру ежемесячных лизинговых платежей с учетом изменения параметров, характеризующих сумму, выплаченную лизингодателю за предыдущий период, и остаточную стоимость предмета лизинга. В результате решения задачи параметрического программирования значительно снижается нагрузка на лизингополучателя по
ежемесячным выплатам, а суммарные платежи по кредиту по сравнению с усредненными расчетами сокращаются на 38%. Практическая значимость предложенных параметрических моделей заключается в возможности их
применения при выборе экономически обоснованной модели лизинга, обеспечивающей соблюдение интересов
всех его участников.
Ключевые слова: лизинговые платежи, модели оптимизации, задача параметрического программирования,
изменяемые параметры.
Формат цитирования: Бузина Т.С., Бузин А.Э., Романов Р.В. О применении методов параметрического программирования для моделирования структуры лизинговых платежей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 73–80. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-73-80
___________________________
1
Бузина Татьяна Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и математического
моделирования, e-mail: buzinats@mail.ru
Tatiana S. Buzina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Informatics
and Mathematical Modeling, e-mail: buzinats@mail.ru
2
Бузин Андрей Эдуардович, студент, e-mail: andrew.buzin.gm@gmail.com
Andrei E. Buzin, Student, e-mail: andrew.buzin.gm@gmail.com
3
Романов Роман Владимирович, аспирант, e-mail: romka-00@mail.ru
Roman V. Romanov, Postgraduate, e-mail: romka-00@mail.ru
4
Кузнецов А.В., Сакович В.А., Холод Н.И. Высшая математика. Математическое программирование: учебник. 4-е
изд., стер. СПб.: ИД «Лань», 2013. 352 с. / Kuznetsov A.V., Sakovich V.A., Kholod N.I. Higher Mathematics. Mathematical programming. Saint Petersburg, Publishing house “Lan”, 2013. 352 p.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
73
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
ON PARAMETRIC PROGRAMMING METHODS APPLICATION FOR LEASE PAYMENTS STRUCTURE MODELING
T.S. Buzina, A.E. Buzin, R.V. Romanov
Irkutsk State Agricultural University named after A.A. Ezhevsky,
1 Molodezhnyi settlement, Irkutsk, 664038, Russian Federation.
Saint-Petersburg State University,
7-9, Universitetskaya naberezhnaya, Saint-Petersburg, 199034, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The problems of leasing payments structure optimization must take into account the dynamics
of some limitation parameters and their variation features under the influence of different factors. This paper proposes to
simulate the structure of lease payments on the base of the optimization problems with variable parameters cha racterizing the amount paid to the lessor for the previous period and the residual value of the leased asset taking into account
the economic interests of the lessor and lessee. METHODS. The article deals with the cases where restrictions on the
left and right sides of the mathematical model depend on the parameters describing the variable rates on the loan and
VAT, as well as the amount paid to the lessor for the previous period. Such problems are solved by the methods of pa r4
ametric programming, which allow to study the behavior of optimal plans under parameter variation . RESULTS AND
THEIR DISCUSSION. Implementation of the first model with a varied parameter in the right side of the constraint describing the amount previously paid to the lessor allows to receive a plenty of optimal solutions with a decreasing objective
-0.014х
function, the dynamics of which can be described by the following exponential equation у = 45758е
. Optimization of
the lease payments structure can significantly reduce a monthly payment by the end of the settling period and provide a
7% saving of the total payment in comparison with the average estimates. Solution of the second problem with regard to
the additional restrictions taking into account the reduction coefficients of VAT rates and loan leads to a more peaceful
reduction of lease payments during the settling period. It also significantly reduces the lessee’s monthly burden of pa yments which eventually allows a 31% saving of the total lease payment as compared with the average calculations.
CONCLUSIONS. The models described in the article allow to optimize the structure of monthly lease payments considering the variation of parameters characterizing the amount paid to the lessor for the previous period and the residual value
of the leased asset. The solution of parametric programming problem significantly reduces the load of monthly payments
on the lessee, while total payments on the loan will be reduced by 38% as compared with the average calculations. The
practical significance of the proposed parametric models is in the possibility to use them in choosing an economically
sound leasing model ensuring the care agreement for all its participants.
Keywords: lease payments, optimization models, problem of parametric programming, variable parameters
For citation: Buzina T.S., Buzin A.E., Romanov R.V. On parametric programming methods application for lease payments structure modeling. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 73–80. (In Russian)
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-73-80
Введение
Для повышения конкурентоспособности продукции в нашей стране необходимы инвестиции, способствующие подъему производства и формированию оптимальной отраслевой структуры. В последние годы в России особое внимание уделяется такому виду рыночных отношений, как
лизинг, который можно охарактеризовать
как комплекс имущественных отношений,
связанных с приобретением в собственность лизингодателем указанного лизингополучателем имущества у определенного
им продавца и передачей этого имущества
лизингополучателю во временное пользование для предпринимательских целей5.
Под лизинговыми платежами понимается общая сумма платежей по договору
лизинга за весь срок его действия [1]. При
оценке экономической целесообразности
применения той или иной модели лизинга
существенным
является
оптимизация
структуры лизинговых платежей, обеспечивающей погашение стоимости объекта. При
этом лизинговые платежи не могут быть
меньше возвратной стоимости имущества
лизинга, иначе не будет обеспечено его
простое воспроизводство [2].
В результате анализа проблем, связанных с планированием лизинговых отношений, выявлено, что повысить их эффек-
___________________________
5
Боровская М.А Банковские услуги предприятиям: учеб. пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 169 с. /
Borovskaya M.A. Banking services to enterprises. Taganrog: TRTU Publ., 1999, 169 p.
74
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
тивность можно путем оптимизации структуры ежемесячных лизинговых платежей,
обеспечивающей погашение стоимости
объекта лизинга при минимальной сумме
выплат. В этом случае применимы методы
математического программирования. Следует отметить, что в модели необходимо
учитывать экономические интересы обеих
сторон данной финансовой сделки – лизингодателя и лизингополучателя.
Кроме того, в ограничениях модели
необходимо учесть особенности изменения
ежемесячных лизинговых платежей, процентных ставок по кредиту и вознаграждения лизингодателю. Подобная проблема
может быть решена с помощью задачи параметрического программирования, где в
качестве изменяемых параметров выступают коэффициенты, описывающие сумму,
выплаченную лизингодателю за предыдущий период, и остаточную стоимость предмета лизинга.
Применение параметрических моделей для оптимизации структуры
лизинговых платежей
Построение и реализацию параметрической модели оптимизации структуры
лизинговых платежей рассмотрим на следующем примере.
Банк предоставил лизингодателю
кредит в размере 2300000 руб. На сумму
кредита лизингодатель приобретает у поставщика оборудование. Лизингодатель
передает предмет лизинга в пользование
лизингополучателю на срок 24 месяца. Лизингополучатель выплачивает лизингодателю лизинговые платежи раз в месяц, а по
завершении лизингового договора приобретает предмет лизинга по остаточной стоимости. Лизингодатель рассчитывается по
кредиту с банком и платит налоги.
Предположим, что все финансовые
операции, связанные с рассматриваемым
лизинговым договором, происходят в заданные моменты Ti (первое число каждого
месяца), указывающие срок окончания i-го
периода (месяца) от начала действия договора [3]. Лизингополучатель в момент Ti
уплачивает лизингодателю очередной лизинговый платеж, а лизингодатель возвращает банку заранее оговоренную часть
кредита с соответствующими процентами и
платит налоги государству. Годовая процентная ставка за кредит, полученный лизинговой компанией на приобретение
предмета лизинга, – 20%.
За первый год использования лизингового имущества были погашены средства, инвестированные в предмет лизинга,
в сумме 1150000 руб.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Предполагается, что в каждый период лизингодатель получает определенную
сумму из поступающих лизинговых платежей в качестве вознаграждения за услуги
лизингополучателю. Ставка вознаграждения лизингодателя установлена в размере
10% от балансовой стоимости лизингового
имущества.
Величина налога на добавленную
стоимость, а также уплачиваемых процентов по кредиту зависит от производимых
лизинговых платежей, которые и являются
управляющими параметрами рассматриваемого процесса [3]. При этом необоснованный выбор лизинговых платежей способствует увеличению налоговых отчислений и
суммы процентов, выплачиваемых по кредиту.
Возникает необходимость в оптимизации структуры лизинговых платежей с
целью минимизации суммарных расходов
лизингополучателя. При построении модели должны учитываться следующие условия:
– все требуемые выплаты лизингодателя в каждый момент Ti (i = 1, . . ., n)
должны быть выполнены лизингополучателем;
– обеспечивается заданный уровень v приведенной стоимости суммарного
вознаграждения лизингодателя;
– сумма приведенных лизинговых
платежей минимизируется.
Для построения математической
модели введем следующие обозначения
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
75
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
переменных. Пусть xi – лизинговый платеж
в i-й период (1 раз в месяц); ai – плата за
кредитные ресурсы, используемые лизингодателем на приобретение имущества;
di – амортизационные отчисления, начисленные лизингодателем в расчетном году;
bi – сумма, выплаченная лизингодателю за
предыдущий период, в том числе ранее погашенные лизингополучателем средства;
Pi – прибыль за i-й период; yi – доход лизингодателя за i-й период; B – балансовая
стоимость предмета лизинга; Kn – остаточная стоимость предмета лизинга; t – ставка
НДС (0<t<1) за i-й период, n – количество
i периодов, равное 12 месяцам (один календарный год).
Учитывая, что норма амортизации в
процентах к первоначальной (восстановительной) стоимости объекта амортизируемого имущества равна 2,7%, а ставка за
кредит составила 20% годовых, ограничения модели по расчету амортизационных
отчислений и платежам по кредиту в принятых обозначениях имеют вид:
di  0,027  B ;
(1)
ai  0,2  (( B  Kn ) / 2) .
(3)
Расчет прибыли за i-й период осуществляется по формуле
Pi  xi  ai  di .
n
y
i 1
(4)
n
y
i 1
76
ВЕСТНИК ИрГТУ
 ;
(6)
i
 0.
(7)
Для моделирования лизинговых
платежей в нашем случае можно использовать задачу параметрического программирования [4]. Это обусловлено тем, что параметр bi – сумма, выплаченная лизингодателю за предыдущий период (в том числе
ранее погашенные лизингополучателем
средства), увеличивается каждый месяц на
сумму выплаченного ежемесячного платежа xi. Другими словами,
𝑏𝑖+1 = 𝑏𝑖 + 𝑏 ′ (𝑥𝑖 ) ,
(8)
0  bi   ,
(9)
где  – максимально возможная сумма выплаченных лизингодателю платежей, оговариваемая в договоре лизинга.
При этом параметр bi учитывается в
условии модели, характеризующем остаточную стоимость предмета лизинга Kn, которая описывается выражением вида:
𝐾𝑛 = 𝐵 − ∑𝑛𝑖=1 𝑏𝑖 + 𝑏 ′ 𝑖 (𝑥𝑖 ).
(10)
Таким образом, сформулируем математическую модель оптимизации ежемесячных лизинговых платежей. Целевая
функция – минимизировать суммарный лизинговый платеж:
n
 c x  min ,
Доход лизингодателя в i-й период yi
будет задаваться выражением
yi  xi  ai  t  Pi .
i
– суммарный доход лизингодателя
больше 0:
(2)
Вознаграждение лизингодателя за
предоставление имущества по договору
лизинга с учетом ставки комиссионного
вознаграждения, устанавливаемой в процентах от среднегодовой остаточной стоимости имущества (предмета договора) –
10%, запишется выражением
v  0,1 (( B  Kn ) / 2) .
Кроме того, должны соблюдаться условия:
– суммарный доход лизингодателя
за весь период времени должен быть
больше выплаченного ему вознаграждения
за предоставление имущества по договору
лизинга:
i 1
i i
(11)
 vTi
(5)
где ci  e
– коэффициент, учитывающий уменьшение суммы вознаграждения
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
лизингодателя в момент Ti с учетом изменения остаточной стоимости предмета лизинга.
Условия модели, значение которых
приведено выше, запишутся в виде:
(12)
Pi  xi  ai  di ;
yi  xi  ai  t  Pi ;
𝐾𝑛 = 𝐵 − ∑𝑛𝑖=1 𝑏𝑖 + 𝑏 ′ 𝑖 (𝑥𝑖 )
𝑏𝑖+1 = 𝑏𝑖 + 𝑏 ′ (𝑥𝑖 );
di  0,027  B ;
ai  0,2  (( B  Kn ) / 2) ;
v  0,1 (( B  Kn ) / 2) ;
n
y
i
i 1
n
y
i 1
i
 ;
 0;
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
xi , ai , di , vi  0 ;
(21)
0  bi   .
(22)
Решение задачи параметрического
программирования показывает, что при изменении параметра bi,, характеризующего
сумму, выплаченную лизингодателю за
предыдущий период, в указанных пределах
bi  0;  ежемесячный лизинговый платеж уменьшится с 45145 руб. в начале периода до 38912 руб. в конце года. При соблюдении оптимального плана суммарный
лизинговый платеж за год может сократиться на 38235 руб. (или на 7%), а платежи по процентам за кредит снизятся с
345000 до 321248 руб. (табл. 1).
(20)
Таблица 1
Результаты моделирования лизинговых платежей с учетом динамики суммы,
выплаченной лизингодателю за предыдущий период, руб.
Table 1
Results of lease payments modeling based on the dynamics of the amount
paid to the lessor for the previous period, rub.
Амортизационные
Лизинговый
Платеж
Период (номер месяца) /
отчисления /
платеж /
по кредиту /
Period (month number)
Depreciation
Lease payment
Loan payment
allowances
1
45 145
28 750
5 175
2
44 539
28 374
5 175
3
43 941
28 003
5 175
4
43 352
27 636
5 175
5
42 770
27 275
5 175
6
42 197
26 919
5 175
7
41 631
26 567
5 175
8
41 072
26 220
5 175
9
40 521
25 878
5 175
10
39 978
25 540
5 175
11
39 441
25 207
5 175
12
38 912
24 878
5 175
Сумма платежей за год
по усредненным расчетам /
541 734
345 000
62 100
Annual amount of payments
by average estimates
Сумма платежей за год
по оптимальному плану /
503 499
321 248
62 100
Annual amount of payments
by the optimal plan
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
77
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Лизинговый
платеж, руб. /
Lease payment,
48000 rub.
45000
42000
y = 45758e-0,014x
39000
36000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Периоды Ti / Periods Ti
Динамика лизинговых платежей за год с учетом реализации параметрической модели
Annual lease payment dynamics taking into account parametric model implementation
Модель (11)–(22) может быть модифицирована с учетом введения понижающих ставок по кредиту и НДС. Обозначим
коэффициент понижения ставки по кредиту
переменной k, тогда параметр модели (11)–
(22) ai, учитывающий ежемесячный платеж
по кредиту и соответствующее ограничение
(17), запишется в виде:
ai  0,2k  (( B  Kn ) / 2) .
(23)
Пусть α – коэффициент обновления
НДС за анализируемый период, тогда параметр t в модели (11)–(22) будет равен
(24)
t  t  0,18   ,
а ограничение (13) примет вид
yi  xi  ai  t  Pi .
(25)
В табл. 2 представлены результаты
моделирования лизинговых платежей с
учетом введенных коэффициентов обновления.
Таблица 2
Результаты решения задачи оптимизации лизинговых платежей
с учетом коэффициентов обновления ставки по кредиту и НДС, руб.
Table 2
Results of solving the leasing payment optimization problem
taking into account the coefficients of credit interest rate update and VAT, rub.
Период (номер месяца) /
Period (month number)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Сумма платежей за год
до оптимизации /
Annual amount of payments before
the optimization
Сумма платежей за год
по оптимальному плану /
Annual amount of payments
by the optimal plan
78
ВЕСТНИК ИрГТУ
Лизинговый платеж /
Lease payment
32 981
32 616
32 255
31 898
31 545
31 196
30 850
30 509
30 171
29 837
29 507
29 180
Платеж по кредиту /
Loan payment
18 882
18 679
18 477
18 279
18 082
17 887
17 695
17 505
17 317
17 131
16 947
16 765
541 734
345 000
372 547
213 644
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Согласно полученным оптимальным
планам, введение коэффициентов обновления позволит снизить суммарный платеж
за год по сравнению с усредненными рас-
четами платежей на 31%, при этом платежи
за кредит уменьшатся на 38% и составят
213644 руб. в год.
Заключение
Сравнивая результаты моделирования по двум предложенным вариантам,
можно сказать, что оптимизация лизинговых платежей на основе первой модели –
(11)–(22), позволяет существенно снизить
ежемесячный платеж к концу расчетного
периода, за счет чего достигается экономия
суммарного платежа по сравнению с
усредненными расчетами на 7%.
В свою очередь, при реализации
модели с учетом дополнительных ограничений – (23)–(25), наблюдается более спокойное снижение лизинговых платежей в
течение расчетного периода. В то же время
существенно сокращается нагрузка на лизингополучателя по ежемесячным платежам, что в конечном итоге позволяет получить экономию суммарного лизингового
платежа на 31% по сравнению с усредненными расчетами. Кроме того, оптимизация
лизинговых платежей позволяет сократить
суммарные платежи по кредиту с 345000 до
321248 руб. в год при решении задачи с
параметром bi, или до 213643 руб. в год
при реализации модели с учетом коэффициентов обновления.
Таким образом, для оптимизации
лизинговых платежей предложено два варианта параметрической модели – с изме-
няемым параметром суммы, выплаченной
лизингодателю за предыдущий период, и с
учетом коэффициентов обновления ставки
за кредит и налоговой ставки.
Реализация первой модели позволила получить множество оптимальных
планов ежемесячных лизинговых платежей,
согласно которым суммарный лизинговый
платеж за год может сократиться на 7%.
Решение задачи по второму варианту позволит сократить нагрузку по ежемесячным
платежам на лизингополучателя и суммарные платежи по кредиту по сравнению с
усредненными расчетами на 38%.
Практическая значимость предложенных параметрических моделей заключается в возможности применения их при
выборе экономически обоснованной модели лизинга, обеспечивающей соблюдение
интересов всех его участников. Кроме того,
рассмотренные в статье задачи позволяют
оптимизировать структуру ежемесячных
лизинговых платежей на любом этапе планирования лизинговых операций с учетом
изменения параметров, характеризующих
сумму, выплаченную лизингодателю за
предыдущий период, и остаточную стоимость предмета лизинга.
Библиографический список
1. Письмо Министерства финансов Российской Федерации от 7 декабря 2016 г. N 03-03-06/1/72853
[Электронный ресурс] // Контур. Норматив. Справочно-правовая
информация.
URL:
https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&docu
mentId=286501 (17.02.2017)
2. Гинзбург А.И. Прикладной экономический анализ.
СПб.: Питер, 2005. 320 с.
3. Шмырев В.И., Осадчий М.С. Задача оптимизации
лизинговых платежей // Сибирский журнал индустриальной математики. 2001. Т. 4. № 2 (8).
С. 205–211.
4. Бузина Т.С., Иваньо Я.М. Оптимизация взаимодействия участников в региональных агропромышленных кластерах: монография. Иркутск: Изд-во
ИрГАУ, 2015. 148 с.
References
1. Pis'mo Ministerstva finansov Rossiiskoi Federatsii ot
7 dekabrya 2016 g. N 03-03-06/1/72853 [Letter of the
Ministry of Finance of the Russian Federation of De-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
cember 7, 2016 no. 03-03-06/1/72853]. Available at:
https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&docu
mentId=286501 (accessed 17 February 2017).
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
79
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
2. Ginzburg A.I. Prikladnoi ekonomicheskii analiz [Applied Economic Analysis]. Saint-Petersburg, Piter Publ.,
2005, 320 p. (In Russian)
3. Shmyrev V.I., Osadchii M.S. Zadacha optimizatsii
lizingovykh platezhei [The problem of leasing payment
optimization]. Sibirskii zhurnal industrial'noi matematiki
[Siberian Journal of Industrial Mathematics]. 2001,
vol. 4, no. 2 (8), pp. 205–211. (In Russian)
4. Buzina T.S., Ivan'o Ya.M. Optimizatsiya vzaimodeistviya uchastnikov v regional'nykh agropromyshlennykh klasterakh: monografiya [Participant
interaction optimization in regional agro-industrial clusters]. Irkutsk, IrGAU Publ., 2015, 148 p. (In Russian)
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и
оформлении научных результатов и в равной мере
несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and
formalization of scientific results and are equally responsible for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 28.02.2017 г.
The article was received 28 February 2017
80
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Оригинальная статья / Original article
УДК 681.3
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-81-90
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX
ПРИ РАЗРАБОТКЕ МОДЕЛИ КОМБИНИРОВАННОГО КОТЛА
© Ю.В. Жильцов1, В.В. Ёлшин2
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ исследования является разработка методики расчета комбинированного котла, работающего
на природном газе и электрической энергии. МЕТОДЫ. В статье приведена методика расчета горения природного газа в камере сгорания котла. Горение моделировалось в котле с кольцевой топкой, предназначенном для
нагрева жидких сред. Методика расчета процессов горения для очень быстрых реакций рассчитывалась с использованием модели Eddy-dissipation. Лучистый теплообмен рассчитывался с использованием модели Р1.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены результаты, демонстрирующие возможность применения метода конечных элементов
в расчете комбинированного котла. Разработана математическая модель численного метода расчета диффузионного горения газовой смеси в кольцевой камере сгорания с применением программного комплекса
ANSYS CFX. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выполнено численное моделирование температурного режима работы комбинированного котла и получены полноценные картины физических процессов.
Ключевые слова: кинетическая энергия турбулентности, скорость турбулентной диссипации, камера сгорания, теоретический объем воздуха.
Формат цитирования: Жильцов Ю.В., Ёлшин В.В. Использование программного комплекса ANSYS CFX при
разработке модели комбинированного котла // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2017. Т. 21. № 3. С. 81–90. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-81-90
USE OF ANSYS CFX SOFTWARE FOR COMBINED BOILER MODEL DEVELOPMENT
Y.V. Zhiltsov, V.V. Elshin
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the study is development of a design procedure for a combined boiler operating on natural gas and electric energy. METHODS. The article provides the design procedure of natural gas burning in the boiler
combustion chamber. Burning has been simulated in a circular furnace boiler designed for fluid heating. The Eddydissipation model is applied to calculate the design procedure of combustion processes for very fast reactions. The P1
model is used to calculate radiation heat transfer. RESULTS. The results illustrative of the possibility to apply the finite
element method for combined boiler calculation have been obtained. A mathematical model of the numerical calculation
method of gas mixture diffusion combustion in the circular furnace has been developed with the application of ANSYS
CFX software. CONCLUSION. Numerical modelling of a combined boiler operating temperature mode is performed and
fully-featured pictures of physical processes are received.
Keywords: kinetic energy of turbulence, turbulent dissipation speed, combustion chamber, theoretical air volume
For citation: Zhiltsov Yu.V., Elshin V.V. Use of ANSYS CFX software for combined boiler model development. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 81–90. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-35202017-3-81-90
Введение
Развитие CFD-технологий (CFD –
Computational Fluid Dynamics) в последние
годы позволило увеличить объем расчетов
и моделировать рабочие процессы в сжатые сроки, при этом повысить точность
расчетов в сравнении с применением тра-
___________________________
1
Жильцов Юрий Вадимович, инженер НИЧ, e-mail: yr25m@mail.ru
Yuri V. Zhiltsov, Engineer of the Research Department, e-mail: yr25m@mail.ru
2
Ёлшин Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации производственных
процессов.
Viktor V. Elshin, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automation of Manufacturing Processes.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
81
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
диционных методик. В связи с появлением
мощных вычислительных систем и программного обеспечения, основанного на
решении уравнений Навье – Стокса, а также различных моделей турбулентности и
горения становится возможным расчет газодинамических параметров течений потоков на новой современной базе. В статье
рассматривается методика расчета горения
природного газа в камере сгорания котла с
кольцевой топкой с использованием CFD
пакета ANSYS СFX с целью дальнейшей
разработки комбинированного котла, работающего на природном газе и электрической энергии, служащего для нагрева жидких сред.
Программный продукт ANSYS СFX
позволяет выполнять инженерные расчеты
процессов горения, используя метод ко-
нечных элементов, а также производить
запись химических реакций с учетом стехиометрического соотношения компонентов
топлива и свободных радикалов.
Перечень решаемых задач:
1. Создание в системе автоматизированного проектирования (САПР) расчетной геометрии, которая является основой
для сеточной математической модели.
2. Проведение расчетного исследования процесса горения природного газа с
выбором математических моделей.
3. Сокращение натурных экспериментальных исследований при проектировании и доводке комбинированных котлов,
использующих в качестве основного топлива природный газ.
4. Получение результатов расчетов
в цифровом формате.
Разработка расчетной геометрии
Расчетная геометрия, являющаяся
лась в графической СAD- системе Autodesk
основой для сеточной математической моInventor, которая позволяет экспортировать
дели, представляет собой десятиградусный
геометрию в ANSYS СFX в формате
расчетный сектор или 1/36 от общей конParasolid (*x._t) [1]. Общий вид расчетной
струкции котла. Геометрия разрабатывагеометрии котла приведен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид расчетной геометрии котла
Fig. 1. General view of boiler calculation geometry
82
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Выбор математических моделей для моделирования процесса горения
Первый этап моделирования процесса горения сводится к выбору основных
математических моделей, которые будут
применяться в расчете.
Перечень основных моделей:
 модель лучистого теплообмена;
 модель переноса энергии;
 модель горения;
 модель движения газообразной и
нагреваемой среды.
Модель лучистого теплообмена.
Лучистый теплообмен рассчитывался с использованием модели Р1. Данная модель
экономичнее универсального метода Монте-Карло и представляет радиационный
перенос энергии как диффузионный процесс [2]. Она предполагает:
– локальное термодинамическое
равновесие в среде;
– изотропное поле излучения;
– изотропное рассеяние.
Уравнение радиационного переноса
имеет вид
4
1
∇(−
∇Е ) = 4𝛼𝑠𝑝𝑒𝑐 (𝐸𝑒𝑞 − 𝐸𝑟 ),
3 𝛼𝑠𝑝𝑒𝑐 + 𝛽 𝑟
где Еeq – равновесная плотность энергии
излучения, Вт/м2; Еr – плотность энергии
излучения, Вт/м2; αspec – интегральный (по
спектру) коэффициент поглощения, м-1;
β – интегральный (по спектру) коэффициент рассеяния, м-1.
Модель переноса энергии. Модель
переноса энергии total energy [1] используется для жидкой или газообразной среды,
интегрирует уравнение энергии в зависимости от заданного исходного состояния
вещества в расчетной области. Для твердого тела использовалась модель thermal
energy [1].
Обобщенно для жидкого или газообразного вещества уравнение энергии имеет
вид:
𝜕(ℎ𝑡𝑜𝑡 ) 𝜕𝑝
− + 𝛻(𝑈ℎ𝑡𝑜𝑡 ) =
𝜕𝑡
𝜕𝑡
= 𝛻(𝛻Т) + 𝛻(𝑈𝜏) + 𝑈𝑆𝑀 + 𝑆𝐸 ,
где  – плотность вещества, кг/м3;  – молекулярная теплопроводность, кг∙м/с3∙K;
U – скорость, м/с; P – статическое (термоISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
динамическое)
давление,
кг/м∙с2;
htot
–
полная
энтальпия,
м2/с2;
τ – касательное напряжение, кг/м∙с2;
SE – объемный источник энергии, кг/м∙с3;
SМ – величина начального импульса,
кг/м2∙с2; Т – относительная температура, К.
Уравнение энергии для твердого тела имеет вид:
∂(htot )
= −∇Jq + Q rad + Q user ,
∂t
где Jq – удельный тепловой поток (вектор),
кг/м∙с3; Qrad – объемный источник энергии
за счет излучения, кг/м∙с3; Quser – пользовательский объемный источник энергии,
кг/м∙с3;  – плотность вещества, кг/м3;
htot – полная энтальпия, м2/с2.
Модель горения. Eddy-dissipation
(EDM) – модель диссипации вихря, предложенная Сполдингом и доработанная
Магнуссеном [3], основана на представлении о времени τ «жизни вихрей»:
𝑘
τ= ,
ε
где k – кинетическая энергия турбулентности, м2/с2; ε – скорость турбулентной диссипации, м2/с3.
В модели EDM описана инженерная
методика расчета процесса горения для
очень быстрых реакций, в которых скорость
образования продуктов сгорания определяется критерием, связанным с временем
протекания процессов смешения горючего
и окислителя. В турбулентном потоке таким
критерием выступит связь параметров ε и
k. Высокая температура, давление и степень турбулентности в камере сгорания исследуемого котла позволяют не учитывать
конечную скорость реакции, так как ее величина бесконечно большая [4]. Особое
внимание стоит уделить течению в пристеночной области, где температура значительно ниже, а время реакции больше. Однако в пограничных слоях интенсивность
турбулентности значительно ниже, чем в
основном потоке, следовательно, время
смешения больше, и рассчитываемая по
модели EDM скорость реакции будет заметно ниже, чем в ядре потока. Таким об-
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
83
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
разом, учитывается неравновесность состава продуктов сгорания:
𝑅𝑖 = min(𝑅𝑖(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡) , 𝑅𝑖(𝑝𝑟𝑜𝑑) ) ;
𝜀 𝑌𝑖
𝑅𝑖(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡) = ν𝑖 𝑀𝑤𝑖 𝐴 (
);
𝑘 ν𝑖 𝑀𝑤𝑖
𝜀 ∑ 𝑝 𝑌𝑝
𝑅𝑖(𝑝𝑟𝑜𝑑) = ν𝑖 𝑀𝑤𝑖 𝐴𝐵 ( 𝑁
),
𝑘 ∑𝑗 ν𝑗 𝑀𝑤𝑗
где Ri (react ) – скорость расходования реагентов, кг/м3∙с; Ri (prod ) – скорость образования продуктов реакции, кг/м3∙с; Mwi – молекулярная
масса
реагента,
кг/моль;
Mwj – молекулярная масса продукта реакции, кг/моль; Yi – массовая доля реагента;
Yp – массовая доля продукта реакции;
vi – стехиометрический коэффициент реагента; vj – стехиометрический коэффициент
продукта реакции; ρ – плотность, кг/м3; A и
B – эмпирические коэффициенты (A = 4,
B = 0,5).
В данной работе исследуется методика моделирования процесса горения
природного газа с коэффициентом избытка
воздуха α = 1,05. Состав газовой смеси
приведен в табл. 1.
Уравнения реакций будут записаны
следующим образом:
CH4 + 2(O2 + 3,76N2 ) =
= CO2 + 2H2 O + 2 ∙ 3,76N2 ;
C2 H6 + 3,5(O2 + 3,76N2 ) =
= 2CO2 + 3H2 O + 3,5 ∙ 3,76N2 ;
C3 H8 + 5(O2 + 3,76N2 ) =
= 3CO2 + 4H2 O + 5 ∙ 3,76N2 .
По данным уравнениям определено,
что при сгорании 1 м3 метана образуется
1 м3 СО2, 2 м3 Н2О и 2∙3,76 м3 N2; при сгорании 1 м3 этана образуется 2 м3 СО2, 3 м3
Н2О и 3,5∙3,76 м3 N2; при сгорании 1 м3 пропана образуется 3 м3 СО2, 4 м3 Н2О и 5∙3,76
м 3 N2 .
Суммарный теоретический объем
воздуха, необходимый для сгорания 1 м3
природного газа, определялся с учетом
процентного состава каждого горючего
компонента (табл. 2).
Таблица 1
Состав природного газа
Table 1
Composition of natural gas
Массовая доля /
Компонент / Component
Mass fraction
Метан / Methane (СН4)
0,536
Этан / Ethane (С2Н6)
0,054
Пропан / Propane (С3Н8)
0,040
Углекислый газ / Carbon dioxide (СО2)
0,370
Объемная доля /
Volume fraction
0,75
0,04
0,02
0,19
Таблица 2
Определение суммарного теоретического объема воздуха
Компонент /
Component
Table 2
Determination of total theoretical air volume
Теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания 1 м3
природного газа / Theoretical air volume required for the combustion 1 m 3
of natural gas
Метан / Methane
7,143
(СН4)
Этан / Ethane (С2Н6)
0,667
Пропан / Propane
0,476
(С3Н8)
Суммарный теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания 1 м3 природного газа
составит, м3 / Total theoretical volume of air necessary for the combustion of 1 m3 of natural gas
is: V0 = 7,143 + 0,667 + 0,476 = 8,286 m3
84
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Горение протекает с коэффициенВажно помнить, что в программном
том избытка воздуха α = 1,05, следовапродукте ANSYS СFX используется энтельно, действительный объем воздуха Vд,
тальпия горения (∆Н) [2].
который будет использован в расчете для
Модель движения газообразной и
сгорания 1 м3 природного газа, составит:
нагреваемой среды. В качестве модели
Vд = V0 α = 8,286∙1,05 = 8,700 м3.
турбулентности использовалась RNG разновидность модели k – ε [5]. Из всего арсеОсновываясь на составе газовой
смеси, приведенной в табл. 1, для расчета
нала моделей турбулентности CFX она
тепловой мощности необходимо вычислить
позволяет более точно описывать сложные
суммарную теплоту сгорания (QM, QV), копространственные течения и оптимально
торая определяется как сумма произведеподходит для моделирования потока в каний теплоты горения каждого горючего
мере сгорания рассматриваемой расчетной
компонента на его массовую или объемную
геометрии. В каналах циркуляции нагревадолю в смеси. Суммарная расчетная тепемого теплоносителя использовалась молота горения газовой смеси приведена в
дель турбулентности SST [6].
табл. 3.
Результаты численного моделирования
Граничные и начальные условия.
Расчетная геометрия с расстановкой граничных условий, приведенная на рис. 2,
состоит из следующих фрагментов:
– три канала, где движется нагре-
ваемая жидкость;
– индукционный нагревательный
элемент;
– камера сгорания природного газа;
– пять стальных стенок.
Таблица 3
Суммарная расчетная теплота горения газовой смеси
Table 3
Total estimated calorific value of gas mixture burning
Компонент/
Component
Метан / Methane
(СН4)
Этан / Ethane
(С2Н6)
Пропан / Propane
(С3Н8)
Теплота сгорания единицы
массы QM, МДж/кг /
Calorific value of a unit
of mass QM, МJ/kg
Теплота сгорания единицы
объема QV, кДж/м3 /
Calorific value of a unit
of volume QV, kJ/m3
Энтальпия
горения ∆Н,
Дж/моль /
Enthalpy
of burning
∆Н, J/mol
50,037
35741
-800000,6
47,637
63797
-1429000,1
46,491
91321
-2045000,6
Суммарная расчетная теплота сгорания единицы массы составит, МДж/кг /
Total calculated calorific value of the unit of mass is:
ΣQМ = 50.037∙0.536 + 47.637∙0.054 + 46.491∙0.04=31.252 МJ/kg.
Суммарная расчетная теплота сгорания единицы объема составит, кДж/м3 /
Total calculated calorific value of the unit of volume is:
ΣQV = 35741∙0.75 + 63797∙0.04 + 91321∙0.02=31184 kJ/m3.
Теплота горения численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку /
Calorific value numerically equals the enthalpy of combustion, but is opposite in sign.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
85
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Рис. 2. Расчетная геометрия с расстановкой граничных условий
Fig. 2. Calculated geometry with boundary conditions arrangement
В данной работе моделируется процесс нагрева воды с начальной температурой 293 К. Входные параметры для жидкости приведены в табл. 4.
Расчетная задаваемая тепловая
мощность P, выделяемая от сгорания природного газа, составляет 300000 Вт. Входные начальные параметры для газовой
смеси приведены в табл. 5.
Таблица 4
Входные параметры нагреваемой жидкости
Table 4
Input parameters of heated liquid
Параметр / Parameter
Начальная температура, К / Initial temperature, К
Начальная скорость жидкости в канале № 1, м/с /
Initial speed of liquid in the channel no. 1, m/s
Расход жидкости в каналах № 1–3, м3/ч /
Liquid flow rate in channels no. 1–3, m3/h
86
ВЕСТНИК ИрГТУ
Значение / Value
293
0,00012482
6
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Таблица 5
Входные параметры газовой смеси
Table 5
Gas mixture input parameters
Параметр / Parameter
Значение / Value
0,0095994
(Fm= P/ ΣQM = 300000/31252000 =
= 0,0095994)
0,0096203
(Fgaza= P/ ΣQV = 300000/31184000 =
= 0,0096203)
0,00083697
(Fvozd= Fgaza ∙Vпрактич = 0,0096203∙8,7=
= 0,00083697)
Массовый расход природного газа, Fm, кг/с /
Mass rate of natural gas flow, Fm, kg/s
Объемный расход природного газа, Fgaza, м3/с /
Volumetric flow of natural gas, Fgaza, m3/s
Объемный расход воздуха, Fvozd, м3/с /
Air flow rate, Fvozd, m3/s
Начальная температура газовой смеси, Тнач, К /
Initial temperature of a gas mixture, Тini, К
Площадь сечения входного канала
для природного газа, Sgaza, м2 /
Natural gas inlet section area, Sgaza, m2
293
0,001824057
5,2741
(Vgaza = Fgaza/Sgaza =
= 0,0096203 / /0,001824057 = 5,2741)
Начальная скорость природного газа, Vgaza, м/с /
Initial speed of natural gas, Vgaza, m/s
Площадь сечения входного канала
для воздуха, Svozd, м2 / Air inlet section area, Svozd, m2
Начальная скорость воздуха, Vvozd, м/с /
Initial air speed, Vvozd, m/s
Расчетная суммарная тепловая
мощность Pind индукционного нагревательного элемента, рассчитанная с использованием программного комплекса ANSYS
Emag, составляет 300000 Вт. Особенность
индукционного нагревательного элемента
заключается в том, что тепловая мощность
в нем распределяется в следующем соот-
0,017311
4,835
(Vvozd= Fvozd/Svozd =
= 0,00083697/0,017311 = 4,835)
ношении [5]: 38% мощности выделяет обмотка индуктора; 37% – внутренняя стальная стенка; 25% – наружная стальная стенка.
Начальные параметры исходного
состояния индукционного нагревателя,
вводимые в ANSYS СFX, приведены в
табл. 6.
Таблица 6
Параметры индукционного нагревателя
Table 6
Induction heater parameters
Параметр / Parameter
Начальная температура, К / Initial temperature, К
Тепловой поток для обмотки индуктора, Вт/м2 /
Heat flow for inductor winding, W/m2
Тепловой поток для внутренней стальной стенки, Вт/м2 /
Heat flow for internal steel wall, W/m2
Тепловой поток для наружной стальной стенки, Вт/м2 /
Heat flow for external steel wall, W/m2
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Значение / Value
293
3630
4612
2368
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
87
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
В программном продукте ANSYS
СFX физические свойства компонентов газовой смеси, твердых материалов и жидкой
воды вводились с использованием табличных данных с зависимостью от температуры.
Расчетная сетка. Расчетная область является частью рассматриваемой
конструкции котла с разворотом 10°. На основе предварительного анализа сходимости в ней была построена сеточная математическая модель (рис. 3), состоящая из
5850000 гексаэдральных элементов и
1211000 тетраэдральных элементов. Выбор сектора с разворотом в 10° обусловлен
оптимизацией расчетного времени.
Цветовые карты. Общая цветовая карта температурных полей расчетной
геометрии и фрагмента индукционного
нагревателя показана на рис. 4. Видно, что
около огневого днища происходит только
часть химических превращений, а основная
доля горючего вступает в реакцию с окислителем уже в середине и конце длины камеры сгорания, что приводит к высоким неравномерностям температурного поля.
Температурные поля фрагмента сечения
индукционного нагревателя позволяют
оценить температуру медной жилы и изоляции индуктора. На основе полученных
данных повторно выполняется численное
моделирование электромагнитных полей в
среде ANSYS Emag с целью корректировки
тепловой мощности Pind.
Цветовые карты распределения
массовой доли атомарного кислорода, углекислого газа, водяного пара, метана,
пропана, этана приведены на рис. 5. Данные цветовые карты наглядно показывают,
что массовые доли метана, пропана и этана на выходе из расчетной области стремятся к нулю, что свидетельствует о достаточном количестве воздуха в камере сгорания. Недостаток воздуха может привести к
неполному сгоранию газа, а избыток – к
чрезмерному охлаждению температуры
пламени. Максимальная температура факела в расчете составила 1763°С, в справочной литературе при данных условиях
температура реакции горения газовой смеси составляет около 1800°С, с учетом данного обстоятельства очевидно, что в проводимом расчете температура пламени
имеет приемлемое значение.
Рис. 3. Фрагмент расчетной сетки
Fig. 3. Fragment of a computational grid
88
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
a
b
Рис. 4. Общая цветовая карта температурных полей расчетной геометрии (a);
цветовая карта температурных полей фрагмента индукционного нагревателя (b)
Fig. 4. General colour card of the temperature fields of calculated geometry (a);
colour card of temperature fields of a fragment of an induction heater (b)
a
b
c
d
e
f
Рис. 5. Карта распределения массовых долей: a – углекислого газа; b – водяного пара;
c – метана; d – кислорода; e – этана; f – пропана
Fig. 5. Map of mass fraction distribution: a – carbon dioxide; b – water vapor; c – methane;
d – oxygen; e – ethane; f – propane
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
89
Информатика, вычислительная техника и управление
Information Science, Computer Engineering and Management
Заключение
Приведенная методика демонстривозможность анализа изделий с любой
рует, что запись реакции горения для стегеометрией, при любых параметрах ввода
хиометрических соотношений компонентов
топлива и различных нагрузках индукционтоплива при работе с моделью Eddyного нагревателя. В статье представлен
dissipation позволяет получать наиболее
частичный анализ расчетной геометрии
полные данные о составе газовой смеси и
комбинированного котла. CFD пакет ANSYS
максимальной температуре факела по
СFX позволяет производить полный анализ
сравнению с термодинамическим расчетом.
процесса распределения суммарной тепМетодика позволяет оценивать конструкловой мощности в камере сгорания, в инцию камеры горения и режимные параметдукционном нагревательном элементе и в
ры на ранних стадиях проектирования.
каналах, где движется нагреваемая жидОчевидным преимуществом исполькость.
зования CFD пакета ANSYS СFX является
Библиографический список
1. User's Manual ANSYS CFX-Solver Modeling Guide.
2011. № 2 (30). С. 67–69.
ANSYS CFX Release 14.5. Canonsburg: ANSYS, Inc.,
5. Tennekes H., Lumley J.L. A first course of turbu2013.
lence. Boston: MIT Press, 1972. Vol. 4. P. 17−25.
2. Townsend A.A. The structure of turbulent shear flow
6. Mathieu J., Scott J. An introduction to turbulent flow.
(second edition). Cambridge: Cambridge University
Cambridge: Cambridge University Press, 2000. No. 1.
Press, 1976. No. 3. P. 28–35.
P. 18–35.
3. Ёлшин В.В., Жильцов Ю.В. Моделирование про7. Simulation and Modeling of Turbulent Flows (Eds.,
цесса сопряженного теплообмена с использованием
N.B. Gatski, M.Y. Hussaini and J.L. Lumley). Oxford:
программного комплекса ANSYS CFX // Вестник
Oxford University Press. No. 3. P. 5–7.
ИрГТУ. 2011. № 10 (57). С. 186–189.
8. Pope S.B. Turbulent Flows. Cambridge: Cambridge
4. Ёлшин В.В., Жильцов Ю.В. Моделирование проUniversity Press, 2000. Vol. 48. P. 47−74.
цесса индукционного нагрева с использованием
9. Hilsenrath [et al.]. Tables of Thermal. Properties of
программного комплекса ANSYS // Современные
Gases. National Bureau of Standards Circular 564,
технологии. Системный анализ. Моделирование.
1955. Vol. 10. P. 77−80.
References
gramme complex]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi
1. User's Manual ANSYS CFX-Solver Modeling Guide.
analiz. Modelirovanie [Modern technologies. System
ANSYS CFX Release 14.5. Canonsburg: ANSYS, Inc.,
2013.
analysis. Modeling]. 2011, no. 2 (30), pp. 67–69. (In
2. Townsend A.A. The structure of turbulent shear flow
Russian)
(second edition). Cambridge: Cambridge University
5. Tennekes H., Lumley J.L. A first course of turbuPress, 1976, no. 3, pp. 28–35.
lence. Boston: MIT Press, 1972, Vol., 4, pp. 17−25.
3. Elshin V.V., Zhil'tsov Yu.V. Modelirovanie protsessa
6. Mathieu J., Scott J. An introduction to turbulent flow.
sopryazhennogo teploobmena s ispol'zovaniem proCambridge: Cambridge University Press, 2000, no. 1,
grammnogo kompleksa ANSYS CFX [Modeling of the
pp. 18–35.
process of conjugate heat transfer with the use of the
7. Gatski N.B., Hussaini M.Y. and Lumley J.L. Simulasoftware complex ANSYS CFX]. Vestnik IrGTU [Protion and Modeling of Turbulent Flows. Oxford: Oxford
ceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011,
University Press, no. 3, pp. 5–7.
no. 10, pp. 186–189. (In Russian)
8. Pope S.B. Turbulent Flows. Cambridge: Cambridge
4. Elshin V.V., Zhil'tsov Yu.V. Modelirovanie protsessa
University Press, 2000, vol. 48, pp. 47−74.
induktsionnogo nagreva s ispol'zovaniem pro9. Hilsenrath [et al.]. Tables of Thermal. Properties of
grammnogo kompleksa ANSYS [The modeling of the
Gases. National Bureau of Standards Circular 564,
process of inductional heating using of the ANSYS pro1955, vol. 10, pp. 77−80.
Критерии авторства
Authorship criteria
Жильцов Ю.В., Ёлшин В.В. разработали методику
Zhiltsov Yu.V., Elshin V.V. have developed the method
расчета комбинированного котла, работающего на
to calculate a combined boiler operating on natural gas
природном газе и электрической энергии, обобщили
and electric energy, summarized the results and preрезультаты и подготовили статью. Жильцов Ю.В.
pared the article. Zhiltsov Yu.V. bears the responsibility
несет ответственность за плагиат.
for plagiarism.
Конфликт интересов
Conflict of interests
Авторы заявляют об отсутствии конфликта
The authors declare that there is no conflict of interests
интересов.
regarding the publication of this paper.
Статья поступила 01.02.2017 г.
The article was received 01 February 2017
90
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.316.9:683.06
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-91-99
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПО СХЕМЕ
«ДВА ПРОВОДА – ЗЕМЛЯ»
© Н.С. Бурянина1, Ю.Ф. Королюк2, Е.В. Лесных3
1
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова,
Российская Федерация, Республика Саха (Якутия), 677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58.
2
Чукотский филиал Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова,
Российская Федерация, Чукотский автономный округ, 689000, г. Анадырь, ул. Студенческая, 1.
3
Сибирский государственный университет путей сообщения,
Российская Федерация, 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе проведены исследования линий электропередачи, работающих в режиме
«два провода – земля» (ДПЗ), рассмотрены температурные режимы заземлителей, определены зависимости
потерь электроэнергии от режимов линий ДПЗ. МЕТОДЫ. Исследования выполнены по программам в фазных
координатах, позволяющих моделировать коммутации на отдельных фазах линии, учитывать неравную нагрузку
по фазам. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Показано, что линии ДПЗ имеют меньшие потери электроэнергии
при передаче ее потребителям и тем больше, чем больше передаваемая мощность и длина линии. Рассмотрены
режимы четырехфазных линий электропередач, в том числе пятипроводных. Рекомендовано симметрирование
напряжений конденсаторными батареями, мощность которых составляет 0,05–0,07 МВАр от передаваемой полной мощности. ВЫВОДЫ. Использование линий электропередачи по схеме «два провода – земля» в современных условиях экономически целесообразно ввиду существенно меньших потерь мощности в них по сравнению с
трехпроводными линиями, что особенно эффективно при напряжении 6–35 кВ, а также при использовании четырехфазных линий электропередачи, состоящих из двух ДПЗ, напряжения на одноименных фазах которых противоположны по направлению.
Ключевые слова: линии электропередачи «два провода – земля» (ДПЗ), температурный режим заземлителей,
снижение потерь электроэнергии, симметрирование напряжений.
Формат цитирования: Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В. Использование линий электропередачи по
схеме «два провода – земля» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21.
№ 3. С. 91–99. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-91-99
USING “TWO WIRES – EARTH” POWER TRANSMISSION LINES
N.S. Buryanina, Y.F. Korolyuk, E.V. Lesnykh
Ammosov North-Eastern Federal University,
58, Belinsky St., Yakutsk, Sakha Republic (Yakutia), 677000, Russian Federation.
Chukotka branch of Ammosov North-Eastern Federal University,
1, Studencheskaya St., Anadyr, Chukotka Autonomous District, 689000, Russian Federation.
Siberian State Transport University,
191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The paper deals with transmission lines operating in a mode of “two wires – earth” (TWE). It
studies the temperature modes of grounding, determines power loss dependence on the modes of TWE lines.
METHODS. The research is carried out by phase coordinates in the programs allowing to simulate switching on separate
___________________________
1
Бурянина Надежда Сергеевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой электроснабжения,
e-mail: bns2005_56@mail.ru
Nadezhda S. Buryanina, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Power Supply,
e-mail: bns2005_56@mail.ru
2
Королюк Юрий Федорович, кандидат технических наук, профессор, и.о. заведующего кафедрой общих
дисциплин, e-mail: kuf2005_41@mail.ru
Yuriy F. Korolyuk, Candidate of technical sciences, Professor, Acting Head of the Department of General Studies,
e-mail: kuf2005_41@mail.ru
3
Лесных Елена Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники, диагностики
и сертификации, e-mail: abbiel@mail.ru
Elena V. Lesnykh, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering,
Diagnostics and Certification, e-mail: abbiel@mail.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
91
Энергетика
PowerEngineering
phases of a line considering unequal phase loads. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. TWE lines are shown to have
lower power losses under transmission of power to consumers. However, the losses increase with the growth of the
transmitted power and line length. The study is given to the modes of four-phase transmission lines including five-wire
lines. It is recommended to carry out voltage balancing by capacitor banks with the capacity of 0.05–0.07 MVAr from the
transferred full power. CONCLUSIONS. The use of “two wires – earth” power lines is economically feasible in modern
conditions due to much lower power losses as compared with the three-wire lines. This is especially effective at the voltage of 6–35 kV as well as under the use of four-phase power lines consisting of two TWE the voltages at the same
phase of which are opposite in direction.
Keywords: “two wires – earth” (TWE) power lines, ground wire temperature mode, reducing power losses, voltage balancing
For citation: Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V. Using “two wires – earth” power transmission lines. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 91–99. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-20173-91-99
Введение
Линии электропередачи «два провода – земля» (ДПЗ), на наш взгляд, незаслуженно забыты. Широко используемые в
30–50-х годах прошлого столетия они решали проблему дефицита провода при
строительстве электрических сетей с изолированной нейтралью [1, 2]. Линии ДПЗ
рекомендовались в основном для электрификации объектов сельского хозяйства от
местных электростанций на напряжении
6 кВ, и длина их не превышала нескольких
километров. Рассматривая линии ДПЗ,
проектировщики и эксплуатационники проводили расчеты режимов при сопротивлениях контуров заземления приемных и передающих подстанций на уровне 4–5 Ом.
Поэтому преимущество линий ДПЗ ограни-
чивалось экономией только проводов. По
этой причине сопротивления заземлителей
в сумме превышали сопротивления фаз
линий, и осталось незамеченным такое
преимущество линий ДПЗ, как существенно
меньшие потери электроэнергии. Следует
отметить, что высшим напряжением большинства подстанций в 1930-х годах было
35 кВ, и, следовательно, сопротивление
контуров заземления подстанций не регламентировалось сопротивлением 0,5 Ом,
которое в настоящее время определено в
п. 1.7.90 «Правил устройства электроустановок»1. Значительная доля линий 35 кВ
сегодня получает питание именно от таких
подстанций.
Исходные данные и методы исследования
Рассматривая режимы ДПЗ, следует
ограничить сопротивление заземления исходя из его температурного состояния.
Верхняя температура не должна превышать температуры кипения воды. Связь
тока, протекающего через заземлитель, с
его сопротивлением и установившейся
температурой выражается уравнением
Оллендорфа [3]:
𝛾
𝐼 ∙ 𝑅 = √2 ∙ 𝜌 ∙ (𝜏2 − 𝜏1 ) ,
(1)
где I – ток в заземлителе; R – сопротивление заземлителя; коэффициент теплопроводности грунта; удельная проводимость грунта; установившиеся температуры грунта без тока в заземлители и с
током в нем.
В табл. 1 и 2 приведены средние
значения удельного сопротивления и коэффициент теплопроводности грунтов, характерных для большей части территории
России. Если исключить сухие грунты, то
___________________________
1
Правила устройства электроустановок: 7-е изд.; утв. приказом Минэнерго России от 08.07.2002 г. № 204 / Rules
of Electrical Installations; 7th edition; approved by the Order of the Ministry of Energy of Russia from 8 July 2002, no. 204.
92
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
среднее значение удельного сопротивления можно принять на уровне 60–600 Ом·м,
а коэффициент теплопроводности –
0,9–1,5 Вт/м·К.
Задаваясь разностью температур,
меньшей температуры кипения воды, при
заданном токе в заземлителе можно определить его допустимое сопротивление. При
температурах грунта вокруг заземлителя,
равных 10 и 95оС, без протекания и с протеканием токов сопротивление заземлите-
ля равно:
𝛾
𝑅=
√2 ∙ 𝜌 ∙ 85
𝐼
.
(2)
На рис. 1 представлена зависимость
допустимой длины линии электропередачи
от передаваемой мощности при условии
10% потери напряжения, что хорошо согласуются с данными, приведенными в работе
[4].
Таблица 1
Среднее значение удельного сопротивления грунтов
Table 1
Mean value of soil specific resistance
Среднее значение удельного
Грунт / Soil
сопротивления, Ом·м /
Mean value of specific resistance, Ohm·m
Песок, сильно увлажненный грунтовыми
10–60
водами / sand strongly moistened by groundwater
Песок, умеренно увлажненный /
60–130
Moderately moistened sand
Песок влажный / Wet sand
130–400
Песок слегка влажный / Slightly moistened sand
400–1500
Супесь (супесок) / Sandy loam (speak)
150
Глина влажная / Wet clay
20
Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми
водами / Clay loam strongly moistened
10–60
by groundwater
Суглинок полутвердый, лесовидный /
100
Semi-solid loess loam
Таблица 2
Среднее значение теплопроводности грунтов
Table 2
The average value of soil thermal conductivity
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К /
Грунт / Soil
Coefficient of thermal conductivity, W/m·K
Грунт 10% воды / Soil containing 10% of water
Грунт 20% воды / Soil containing 10% of water
Грунт сухой / Dry soil
Грунт утрамбованный / Compacted soil
Песок / Sand:
0% влажности / 0% humidity
10% влажности / 10% humidity
20% влажности / 20% humidity
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
1,75
2,1
0,4
1,05
0,33
0,97
1,33
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
93
Энергетика
PowerEngineering
а
b
Рис. 1. Зависимость допустимой длины линии электропередачи от передаваемой мощности
при условии 10% потери напряжения: a – линия номинальным напряжением 10 кВ;
b – линия номинальным напряжением 35 кВ
Fig. 1. Dependence of power line permissible length on transmitted power provided 10%
voltage drop: a – 10 kV rated voltage line; b – 35 kV rated voltage line
Оценим температурные режимы заземлителей при передаваемых мощностях
в диапазоне от 0,5 до 3 МВА в сетях
напряжением 10 кВ и при передаваемых
мощностях в диапазоне от 5 до 30 МВА в
сетях напряжением 35 кВ. На рис. 2 приведены зависимости необходимых величин
сопротивлений заземлителей от передаваемых по линиям ДПЗ 35 и 6 кВ мощностей.
Сырой грунт и влажный песок обеспечивают температуру вокруг заземлите-
лей во всем диапазоне передаваемых
мощностей при сопротивлении заземлителя больше 0,5 Ом. Эти режимы тем более
осуществимы, если длина вертикального
заземлителя обеспечивает глубину до
грунтовых вод, находящихся на большей
территории страны на глубине 10–15 м. То
есть обеспечить температурный режим заземлителей на территории, не охваченной
вечной мерзлотой, не вызовет затруднений.
а
b
Рис. 2. Зависимость необходимых величин сопротивлений заземлителей от мощностей,
передаваемых по линиям ДПЗ 35 кВ (а) и 6 кВ (b), при условии непревышения температуры грунта
о
вблизи заземлителя выше 95 С.
1 – сырой грунт; 2 – песок; 3 – супесь
Fig. 2. Dependence of required ground wire resistance values on the power transmitted by 35kV
“two wires – earth” line (a) and 6 kV line (b) provided soil temperature not exceeding 95°C near the ground wire.
1 – wet soil; 2 – sand; 3 – sandy loam
94
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Потери мощности зависят не только
от сопротивлений заземлителей, но и от
длины линии электропередачи: чем меньше разница в сопротивлениях проводов
линии и земли, тем меньше снижение потерь мощности в линии ДПЗ по сравнению
с трехфазной трехпроводной линией. При
существенном сопротивлении заземлителей сопротивление заземленной фазы может быть больше сопротивлений фаз, образованных проводами линии. Эти ситуации имели место в 1930–50-х годах, когда
линии ДПЗ не рассматривались с позиций
снижения потерь мощностей. Эту особенность линий ДПЗ иллюстрируют графики,
представленные на рис. 3: сравниваются
потери мощности в линиях 35 кВ различной
длины – от 5 до 30 км, при передаваемой
мощности 12 МВА.
При длине линии 5 км и сопротивлении заземлений, равном 0,5 Ом, отношение
потерь в трехфазной линии к потерям в линии ДПЗ при передаваемой мощности
12 МВА составляет 1,05, а при длине 30 км
– 1,53. Более глубокого снижения потерь
мощности можно добиться, заземлив в
трехфазной трехпроводной линии одну фазу, не отключая ее от сети. Этот режим
можно назвать вариантом ДПЗ трехпро-
водной линии с заземлением фазы. Одна
фаза такой линии будет включена через
сопротивление, образованное проводом
линии и землей. Не останавливаясь на выводе уравнений, приведем сравнение потерь мощности при передаче мощности 12
МВА по линиям длиной 30 км: трехпроводной, ДПЗ и трехпроводной с заземление
фазы по концам. Потери в трехпроводной
линии составляют 2,92 МВт, в линии ДПЗ –
1,72 МВт (или в 1,47 раза меньше, чем в
трехпроводной линии), в линии с заземленной фазой – 1,47 МВт (или меньше в 1,72
раза, чем в трехпроводной линии) (рис. 4).
Снижение потерь мощности особенно важно при использовании данной технологии на территориях с вечной мерзлотой.
Несмотря на то что в зимний период заземлена одна фаза линии, потери мощности определены потерями трехпроводной
линией в традиционном включении. С оттаиванием почвы вода сосредотачивается
над вечной мерзлотой, и сопротивление
заземлителя определяется сопротивлением слоя воды, что значительно меньше
0,5 Ом. Следовательно, потери мощности
существенно снижаются, то есть в летний
период такие линии по существу работают
в режиме ДПЗ.
Рис. 3. Потери мощности в линиях в зависимости от их длины:
1 – трехфазная трехпроводная линия; 2 – ДПЗ
Fig. 3. Transmission line length dependent power losses:
1 – three-phase line; 2 – two wires – earth line
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
95
Энергетика
PowerEngineering
Рис. 4. Зависимость потерь мощности от передаваемой мощности в линии 35 кВ длиной 30 км:
1 – трехфазная линия; 2 – ДПЗ; 3 – ДПЗ с заземлением фазы
Fig. 4. Power loss dependence on the power transmitted by the 35 kV line of 30 km length:
1 – three-phase line; 2 – two wires – earth; 3 – two wires – earth with the phase grounding
Линии ДПЗ с заземленной фазой
могут применяться для снабжения электроэнергией технологических потребителей
сопровождения железнодорожных составов. Это маломощные, большей частью
однофазные потребители вдоль дороги
(сигнализация, автоматика, блокировки и
пр.). Этих потребителей много, и линии,
снабжающие их, достаточно длинные. РасГруппа соединения
обмоток – 11 /
Phase displacement
group – 11
четы показывают, что снижение потерь
мощности в питающих линиях достигает
15–20%.
Существенно снизить токи в земле,
по крайней мере со стороны одной из подстанций, можно, применив схему четырехфазной линии электропередачи [5–8]. Четырехфазная линия состоит из двух цепей
ДПЗ (рис. 5).
Фаза С1
Phase С1
Фаза В1
Phase B1
Фаза А1
Phase А1
Фаза А1
Phase А1
Фаза А2
Phase А2
Группа соединения
обмоток – 5 /
Phase displacement
group – 5
Нагрузка
Load
Фаза В2
Phase B2
Фаза А2
Phase А2
Нагрузка
Load
Фаза С2
Phase C2
Рис. 5. Схема четырехфазной линии электропередачи
Fig. 5. Four-phase power line circuit
96
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Напряжения одноименных фаз разных ДПЗ имеют противоположные знаки.
При одинаковых нагрузках обеих цепей токи в земле отсутствуют. Соответственно, в
заземляемых фазах потерь мощности нет.
Такая схема может быть применена на
территориях, не охваченных вечной мерзлотой. Данное обстоятельство актуально, в
связи с чем в последнее время намечается
активное освоение и развитие северных
территорий, находящихся в зоне вечной
мерзлоты. Так же остро встает вопрос применения новых технологий при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения в подобных климатических условиях
[9, 10].
На территориях с вечной мерзлотой
в зимний период сопротивление заземленной фазы может иметь активную составляющую в десятки Ом. И токи в проводах
каждой линии ДПЗ будут практически противоположны по направлению, то есть коэффициент несимметрии токов будет равен единице. Чтобы исключить это, предлагается добавить в четырехфазную линию
пятый провод, заземлив его, по крайней
мере, по концам и подключив к нему заземляемые обмотки всех трансформаторов
нагрузок [11] (рис. 6).
На рис. 7 приведены зависимости
несимметрии напряжений на нагрузке,
включенной через трансформаторы от четырехфазной линии длиной 30 км без симметрирования и с симметрированием.
Симметрирование осуществлялось включением между фазами В и С емкости мощностью 1 МВАр. Симметрирование одним
МВАр обеспечивает допустимую несимметрию напряжений в 2%.
Нагрузка
Load
Группа соединения
обмоток – 11 /
Phase displacement
group – 11
Фаза C1
Phase C1
Нагрузка
Load
Фаза B1
Phase B1
Фаза А1
Phase А1
Фаза А1
Phase А1
Фаза А2
Phase А2
Группа соединения
обмоток – 5 /
Phase displacement
group – 5
Фаза А2
Phase А2
Фаза B2
Phase B2
Нагрузка
Load
Фаза C2
Phase C2
Нагрузка
Load
Рис. 6. Схема четырехфазной пятипроводной линии электропередачи
Fig. 6. Four-phase five-wire power line circuit
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
97
Энергетика
PowerEngineering
Рис. 7. Зависимость несимметрии напряжений на нагрузке от передаваемой по четырехфазной линии
мощности: 1 – без симметрирования; 2 – с симметрированием
Fig. 7. Dependence of voltage unbalance on the load of the power transmitted by a four-phase line:
1 – without balancing; 2 – with balancing
Аналогичные зависимости получаются и при передаче мощности по пятипроводной четырехфазной линии. Потери
мощности и несимметрия напряжений в
последнем случае меньше.
Выводы
1. Использование линий напряжением 6–35 кВ по схеме «два провода – земля» в современных условиях экономически
целесообразно виду существенно меньших
потерь мощности в них по сравнению с
трехпроводными линиями.
2. Целесообразно заглублять вертикальные заземлители до водоносных слоев
почвы с грунтовыми водами. Этим обеспечиваются низкие потери мощности в контурах заземления подстанций.
3. Линии ДПЗ тем эффективнее, чем
длиннее.
4. Дополнительное снижение потерь
мощности достигается заземлением провода трехпроводной линии, включенной по
схеме ДПЗ.
5. Несимметрия напряжений на
нагрузках устраняется включением между
фазами емкости примерно 0,05–0,07 от
мощности нагрузок.
6. Ток в земле можно существенно
снизить, используя четырехфазные линии
электропередачи, состоящие из двух ДПЗ,
у которых напряжения на одноименных фазах противоположны по направлению.
Библиографический список
1. Бенар П.П. Электропередача «два провода –
даваемой мощности в сетях 0,38–110 кВ // Труды
земля» // Электричество. 1933. № 20. С. 13–20.
Кольского научного центра РАН. 2011. № 5.
2. Орешкинский П.С. Передача энергии трехфазным
С. 155–163.
током по системе «два провода – земля». М.: Изд-во
5. Андреев В.В. Четырехфазная схема электропеАкадемии наук СССР, 1935. 303 с.
редачи с трехфазными трансформаторами // Элек3. Эбин Л.Э. Сети с использованием земли в качетричество 1952. № 1. С. 15–17.
стве одного из проводов // Электрические станции.
6. Фильштинский А.А. Четырехпроводная электро1939. № 8. С. 17–23.
передача как средство повышения экономичности и
4. Смоловик С. В., Халилов Ф. Х. Выбор оптимальнадежности высоковольтных сетей // Электриченых длин и сечений, рабочего напряжения и перество. 1952. № 1. С. 17–22.
98
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
7.
Пат.
2256273,
Российская
Федерация,
МПК7 Н 02 J 3/00, 3/04. Электрическая система /
Н.С. Бурянина, Е.В. Бурянина, Ю.Ф. Королюк,
В.Л. Олесова, Л.А. Олесов; заявитель и патентообладатель Н.С. Бурянина, Е.В. Бурянина, Ю.Ф. Королюк. № 2003132023/09; заявл. 31.10.2003;
опубл. 10.07.2005. Бюл. № 19.
8. Бурянина Н.С. Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Шеметов А.И. Четырехфазные линии электропередачи.
Больше мощность, меньше потери // Новости электротехники. Информационно-справочное издание.
2005. № 1 (31) С. 65–68.
9. Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N.,
Styczynsky Z.A. Isolated power system in Russia: a
chance for renewable energies? // Renewable Energy.
2016. Vol. 90. P. 532–541.
10. Suslov K. Development of isolated systems in Russia // IEEE Conference PowerTech. Grenoble, 2013.
Р. 21–28.
11. Патент № 2558697, Российская федерация,
МПК H2J 3/00 (2006.01). Устройство отбора мощности от линии электропередачи / Н.С. Бурянина,
Ю.Ф. Королюк, Е.В. Лесных; заявитель и патентообладатель Н.С. Бурянина, Ю.Ф. Королюк, Е.В. Лесных. № 2014105406/07; заявл. 13.02.2014;
опубл. 10.08.2015. Бюл. № 22.
References
1. Benar P.P. Elektroperedacha “dva provoda – zemlya”
nosti i nadezhnosti vysokovol'tnykh setei [Four-wire
[Power Transmission “two wires – land”]. Elektrichestvo
power transmission as a means to improve high-voltage
network efficiency and reliability]. Elektrichestvo [Elec[Electricity]. 1933, no. 20, pp. 13–20. (In Russian)
2. Oreshkinskii P.S. Peredacha energii trekhfaznym
tricity]. 1952, no. 1, pp. 17–22. (In Russian)
tokom po sisteme “dva provoda – zemlya” [Three-phase
7. Buryanina N.S., Buryanina E.V., Korolyuk Yu.F., Olesova V.L., Olesov L.A. Elektricheskaya sistema [Electricurrent power transmission in the system “two wires –
land”]. Moscow, Akademiya nauk SSSR Publ., 1935,
cal system]. Patent RF, no. 2256273, 2005.
303 p. (In Russian)
8. Buryanina N.S. Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V.,
3. Ebin L.E. Seti s ispol'zovaniem zemli v kachestve
Shemetov A.I. Chetyrekhfaznye linii elektroperedachi.
odnogo iz provodov [Networks using the land as one of
Bol'she moshchnost', men'she poteri [Four-phase powthe wires]. Elektricheskie stantsii [Electrical stations].
er transmission lines. The more power – the less losses].
Novosti
elektrotekhniki.
Informatsionno1939, no. 8, pp. 17–23. (In Russian)
4. Smolovik S. V., Khalilov F. Kh. Vybor optimal'nykh
spravochnoe izdanie [Electrical Engineering News. Indlin i sechenii, rabochego napryazheniya i peredaformation and reference edition]. 2005, no. 1 (31),
vaemoi moshchnosti v setyakh 0,38–110 kV [The
pp. 65–68. (In Russian)
choice of optimal lengths, cross sections, operating
9. Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N.,
voltage and transmission capacity in the networks of
Styczynsky Z.A. Isolated power system in Russia: a
0.38-110KV]. Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN
chance for renewable energies? Renewable Energy,
[Proceedings of the Kola Science Center RAS]. 2011,
2016, vol. 90, pp. 532–541.
no. 5, pp. 155–163. (In Russian)
10. Suslov K. Development of isolated systems in Rus5. Andreev V.V. Chetyrekhfaznaya skhema elsia. IEEE Conference PowerTech. Grenoble, 2013,
ektroperedachi s trekhfaznymi transformatorami [Fourpp. 21–28.
phase power transmission circuit with three-phase
11. Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V.
transformers]. Elektrichestvo [Electricity]. 1952, no. 1,
Ustroistvo otbora moshchnosti ot linii elektroperedachi
pp. 15–17. (In Russian)
[Power line power take-off device]. Patent RF,
6. Fil'shtinskii A.A. Chetyrekhprovodnaya elno. 2558697, 2015.
ektroperedacha kak sredstvo povysheniya ekonomichКритерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и
оформлении научных результатов и в равной мере
несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and
formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 09.01.2017 г.
The article was received on 9 January 2017
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
99
Энергетика
PowerEngineering
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.311, 621.331
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-100-109
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
© В.П. Закарюкин1, А.В. Крюков2, Е.А. Алексеенко3
1,2
Иркутский государственный университет путей сообщения,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
2
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
3
Восточно-Сибирская дирекция по энергообеспечению – структурное подразделение
Трансэнерго – филиала ОАО «Российские железные дороги»,
Российская Федерация, 664013, г. Иркутск, ул. Образцова, 20.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработка методов и средств адекватного моделирования аварийных режимов в тяговых сетях 125 и 225 кВ. МЕТОДЫ. Для достижения цели использовались методы моделирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) и систем электроснабжения железных дорог в фазных координатах, разработанные
в Иркутском государственном университете путей сообщения. В основу методов положены модели многопроводных элементов ЭЭС в виде решетчатых схем замещения из RLC-элементов, соединенных по схемам полных
графов. Методика моделирования реализована на базе программного комплекса Fazonord, предназначенного
для определения режимов ЭЭС и систем тягового электроснабжения переменного тока (125, 225 кВ и новых
типов), а также для расчетов токов коротких замыканий с совместным учетом систем тягового и внешнего электроснабжения. РЕЗУЛЬТАТЫ. Программная реализация методики позволяет наряду с определением токов и
напряжений рассчитывать магнитные поля, создаваемые многопроводными тяговыми сетями многопутных участков в аварийных режимах. Величины токов в тяговой сети 225 кВ при замыканиях контактной подвески или питающего провода на рельсы соизмеримы по величине, а при замыкании контактной подвески и питающего провода между собой токи примерно в два раза меньше. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработана методика моделирования
аварийных режимов в тяговых сетях 125 и 225 кВ, позволяющая рассчитывать токи короткого замыкания и создаваемые в аварийных режимах магнитные поля. Компьютерное моделирование показало применимость предлагаемой методики при решении задач, возникающих при проектировании и эксплуатации систем тягового электроснабжения.
Ключевые слова: железная дорога, система электроснабжения, аварийный режим, моделирование.
Формат цитирования: Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Моделирование аварийных режимов в тяговых сетях железных дорог переменного тока // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 100–109. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-100-109
___________________________
1
Закарюкин Василий Пантелеймонович, доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики
транспорта, e-mail: zakar49@mail.ru
Vasiliy P. Zakaryukin, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Transport Electric Engineering,
e-mail: zakar49@mail.ru.
2
Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, академик Российской академии транспорта, член-корр.
АН ВШ РФ и Российской инженерной академии, заслуженный энергетик Республики Бурятия, профессор кафедры
электроснабжения и электротехники ИРНИТУ; профессор кафедры электроэнергетики транспорта ИрГУПС,
e-mail: and_kryukov@mail.ru
Andrei V. Kryukov, Doctor of technical sciences, Academician of the Russian Academy of Transport, Corresponding
Member of the Academy of Sciences of the Higher School of the Russian Federation and Russian Engineering Academy,
Honored Power Engineer of the Buryat Republic, Professor of the Department of Power Supply and Electrical
Engineering at Irkutsk National Research Technical University, Professor of the Department of Transport Electric
Engineering at Irkutsk State Transport University, e-mail: and_kryukov@mail.ru.
3
Алексеенко Евгения Алексеевна, магистр техники и технологии, энергодиспетчер Иркутской дистанции
электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции по энергообеспечению – структурного подразделения
Трансэнерго ОАО «РЖД», e-mail: alev_ia@mail.ru
Evgeniya A. Alekseenko, Master’s Degree Student in Engineering and Technology, Electric Power Dispatcher of Irkutsk
power supply distance of the East Siberian power supply directorate – a structural subdivision of Transenergo branch
of Russian Railways “JSC”, e-mail: alev_ia@mail.ru
100
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
EMERGENCY MODE SIMULATION IN RAILROAD AC TRACTION NETWORKS
V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov, E.A. Alekseenko
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
East Siberian Directorate on power supply – a structural subdivision of Transenergo, a branch of Russian Railways JSC,
20, Obraztsov St., Irkutsk, 664013, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to develop the methods and means of adequate modeling of emergency
modes in traction networks of 125 and 225 kV. METHODS. The set objective is achieved through the use of the modeling methods of electrical power system (EPS) and railroad power supply system modes in phase coordinates developed at the Irkutsk state transport university. The methods are based on the models of EPS multi wire elements in the
form of lattice equivalent circuits from full-connected RLC-elements. Modeling technique is implemented on the base of
the program Fazonord complex designed for the determination of EPS and AC traction power supply systems (125,
225 kV and new types) modes. Fazonord can also be used for the calculations of short circuit currents with accounting
of traction and external power supply systems. RESULTS. Technique software implementation allows currents and voltage determination as well as enables the calculation of magnetic fields induced by multi wire traction networks of multi
railway sections in emergency modes. The values of currents in the 225 kV traction network under contact wire or power line ground to rails are commensurable, whereas the currents are approximately twice less in case of contact wire to
power line short circuit. CONCLUSION. The modeling technique of emergency modes in 125 and 225 kV traction networks has been developed. It allows to calculate the short circuit currents and magnetic fields produced in the emerge ncy modes. Computer modeling has showed the applicability of the proposed technique when solving the problems arising
in designing and operation of traction power supply systems.
Keywords: railroad, power supply system, emergency mode, modeling
For citation: Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Alekseenko E.A. Emergency mode simulation in railroad AC traction networks. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 21, no. 3, pp. 100–109. (in Russian)
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-100-109
Введение
Система электроснабжения железной дороги (СЭЖД) переменного тока
включает три сложные подсистемы [1]:
 питающую электроэнергетическую
систему (ЭЭС), примыкающую к тяговым
подстанциям (ТП);
 систему тягового электроснабжения (СТЭ) 125, 225 кВ или повышенного
напряжения;
 районы электроснабжения (РЭС)
нетяговых потребителей, включающие технологические
линии
электропередачи
«провод – рельс» и «два провода – рельс».
В первой и третьей подсистемах могут возникать аварийные режимы, связанные с короткими замыканиями (КЗ) и обрывами фазных проводов. Аварийные режимы в СТЭ 125 кВ могут быть вызваны замыканием контактной подвески (КП) на
рельсы. В тяговых сетях 225 кВ дополнительно имеют место замыкания питающего
провода (ПП) на рельсы, а также КЗ между
КП и ПП.
Для решения задач проектирования
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
и эксплуатации СЭЖД необходимы методы
и алгоритмы, обеспечивающие моделирование аварийных режимов во всех подсистемах: СВЭ, СТЭ и РЭС. Эти методы, по
мнению авторов, должны удовлетворять
следующим требованиям:
 адекватность моделирования;
 точность и надежность получения
необходимого результата;
 универсальность.
Адекватность моделирования может
быть обеспечена на основе корректного
использования законов электротехники и
учета всех факторов, влияющих на процессы в СЭЖД при возникновении аварийного
режима. Критерии точности и надежности
получения результата являются взаимосвязанными и обеспечиваются при использовании математических моделей, сводящихся к хорошо обусловленным системам
линейных уравнений или системам нелинейных уравнений с хорошо обусловленными матрицами Якоби. Критерий универсальности имеет три аспекта: структурный;
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
101
Энергетика
PowerEngineering
конструктивный; режимный.
Структурный аспект подразумевает реализацию единого методического подхода к определению аварийных режимов в
СВЭ, СТЭ и РЭС. Конструктивная универсальность связана с возможностью моделирования систем различного исполнения,
например, СТЭ повышенного напряжения
или СВЭ, выполненных с использованием
многофазных ЛЭП [2]. Под режимной универсальностью можно понимать возможность моделирования различных аварийных режимов без модификации алгоритмов
и программного обеспечения: КЗ, обрывов
фаз, синхронных качаний генераторов
и т. д.
Методика моделирования аварийных режимов
Для решения задач определения
аварийных режимов в СЭЖД предложено
немалое количествоных методов и алгоритмов [3–5], большинство из которых основано на применении метода симметричных составляющих или его модификаций,
использующих другие диагонализирующие
преобразования матриц сопротивлений и
проводимостей. Эти методы обеспечивают
выполнение критериев адекватности, точности и надежности получения результатов. Однако критерий универсальности выполняется далеко не всегда. Так, например, хорошо проработанная методика, опи-
санная в работе [6], предназначена только
для определения режимов КЗ в системах
внешнего электроснабжения. Методы,
предложенные в работах [4, 5], предназначены для расчета токов КЗ только в СТЭ.
Универсальный метод определения
аварийных режимов в СЭЖД может быть
реализован на основе применения фазных
координат [7–10]. В основу методов положена идея представления многопроводных
ЛЭП и многообмоточных трансформаторов
в виде решетчатых схем замещения из
RLC-элементов, соединенных по схемам
полных графов.
Результаты моделирования
Тяговые сети 125 кВ. Для иллюстрации технологий моделирований аварийных режимов в тяховых сетях 115 кВ
выполнены расчеты токов КЗ применительно к схеме СЭЖД 125 кВ двухпутного
участка, показанной на рис. 1. Тяговая сеть
выполнена проводами ПБСМ-95+МФ-100,
обратный тяговый ток протекает по рельсам Р-65. Протяженность межподстанционных зон (МПЗ) составляет 50 км. На тяговых подстанциях установлены трансформаторы ТДТНЖ-40000/230/27,5/10.
Результаты расчета токов КЗ в тяговой сети МПЗ-1 при двустороннем питании
контактной сети (КС) проиллюстрированы
графиками, представленными на рис. 2, из
которых видно, что зависимость тока от
расстояния между ТП1 и точкой КЗ имеет
минимум в середине межподстанционной
зоны.
Результаты расчетов токов КЗ в тя102
ВЕСТНИК ИрГТУ
говой сети (ТС) при консольном питании КС
от ТП1 и ТП2 представлены на рис. 3, а,
аналогичные результаты при двустороннем
питании КС и наличии пункта параллельного соединения (ППС) – на рис. 3, b. Сравнение этих данных позволяет сделать вывод о том, что наличие ППС приводит к некоторому увеличению токов КЗ и образованию локального максимума зависимости
I = I(L) в середине межподстанционной зоны (МПЗ).
Распределение остаточных напряжений контактной сети при КЗ вблизи ТП1 и
двустороннем питании КС представлено в
табл. 1, где виден линейный характер зависимости напряжения от расстояния между
ТП1 и точкой КЗ. При этом положение выключателя ППС (то есть наличие перемычки между контактными сетями путей) на
распределении напряжений не сказывается.
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
ЛЭП1 PL1
220 кВ
100
ЛЭП2 PL2
АС-240
ЛЭП3 PL3
50
50
ТП1
TS1
10 kV
10 кВ
b
100
ТП2
TS2
10 kV
10 кВ
a
c
ТП3
TS3
10 kV
10 кВ
a
c
b
a
КС
U ac
ЛЭП4 PL4
А
В
С
МПЗ-1 50 км
intersubstation zone 1
Рельсы Rails
U bc
b
c
27.5 кВ
МПЗ-2 50 км
intersubstation zone 2
Рис. 1. Схема типовой системы электроснабжения 125 кВ
Fig. 1. Circuit of the standard 1 25 kV system of power supply
Рис. 2. Зависимости токов КЗ от расстояния между ТП1 и точкой КЗ
при двустороннем питании КС:
I L – ток, подтекающий от ТП1; I R – ток, подтекающий от ТП2;
I  – ток в месте КЗ; L – расстояние от точки КЗ до ТП1
Fig. 2. Dependences of short circuit currents on the distance between the TS1
and the short circuit point under two-way power supply of a catenary system:
I L – TS1 current; I R – TS2 current;
I  – current in the short circuit location; L – distance from the short circuit point to TS1
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
103
Энергетика
PowerEngineering
а
b
Рис. 3. Зависимости тока КЗ от расстояния между ТП1 и точкой КЗ:
а – консольное питание КС, I L – ток в месте КЗ при питании от ТП1
I R – ток в месте КЗ при питании от ТП2; b – двустороннее питании КС и наличие ППС
Fig. 3. Dependences of the short circuit current on the distance between the TS1 and the short circuit point:
a – console power supply of the catenary system, I L – current in the short circuit location under power supply
from TS1,
I R – current in the short circuit location under power supply from TS2; b – two-way power supply
of the catenary system and the availability of a parallel connection point
Таблица 1
Распределение остаточных напряжений контактной сети, кВ,
при КЗ вблизи ТП1 и двустороннем питании МПЗ
Table 1
Distribution of catenary system residual voltages, kV, under the short circuit
close to TP1 and two-way power supply of the inter substations zone
Выключатель ППС отключен /
Выключатель ППС включен /
The circuit breaker of the parallel
The circuit breaker of the parallel
L, км /
connection point is open
connection point is closed
L, km
Первый путь /
Второй путь /
Первый путь /
Второй путь /
First railway
Second railway
First railway
Second railway
0,0
0,07
0,07
0,07
0,07
12,25
4,55
4,55
4,55
4,55
25,0
9,09
9,09
9,09
9,09
37,75
13,63
13,63
13,63
13,63
50,0
18,16
18,16
18,16
18,16
Технология моделирования режимов ЭЭС и СЭЖД в фазных координатах,
разработанная в Иркутском государственном университете путей сообщения, позволяет после определения режима выполнить расчеты электромагнитных полей, создаваемых многопроводными ЛЭП и ТС. На
104
ВЕСТНИК ИрГТУ
рис. 4 представлены результаты расчета
напряженности магнитного поля, возникающего вблизи трассы железной дороги при
КЗ у ТП1. Моделирование выполнено для
ситуации двустороннего питания МПЗ и
наличия ППС. Напряженность поля рассчитывалась на высоте 1,8 метра.
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Рис. 4. Напряженность магнитного поля на высоте 1,8 метра при КЗ вблизи ТП1:
HX , HY – соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие;
Hmax – амплитудное значение вектора напряженности
Fig. 4. Magnetic field intensity at 1.8 meter height under the short circuit near TS1:
HX, HY – horizontal and vertical components respectively;
Hmax – amplitude of the intensity vector
Таким образом, программная реализация методики дает возможность моделирования аварийных режимов и позволяет
наряду с определением токов и напряжений рассчитывать магнитные поля, создаваемые при КЗ многопроводными тяговыми
сетями многопутных участков.
Тяговые сети 225 кВ. Возможности моделирования аварийных режимов в
тяговых сетях 225 кВ показаны на сравнительно простой расчетной модели про-
граммного комплекса Fazonord с нетрадиционным питанием тяговой сети (рис. 5).
Два автотрансформатора (АТ) – АТ1 и АТ3,
расположены на тяговых подстанциях и
обеспечивают получение напряжения 55
кВ. Один автотрансформатор (АТ2) расположен посередине МПЗ длиной 50 км. Контактная подвеска однопутного участка выполнена проводами ПБСМ-95+МФ-100. На
опорах КС смонтирован питающий провод
А-185.
Рис. 5. Расчетная схема СЭЖД
Fig. 5. Railway power supply system design model
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
105
Энергетика
PowerEngineering
Результаты расчета токов КЗ при
замыкании КП на рельсы приведены в
табл. 2 и проиллюстрированы на рис. 6.
Результаты расчета токов КЗ при
замыкании ПП на рельсы в узлах 18, 20, 22,
15, 28, 30, 25 приведены на рис. 7.
Таблица 2
Результаты расчета токов КЗ при замыкании контактной подвески на рельсы
Table 2
Calculation results of contact wire to rail short circuit currents
Токи, кА, протекающие через АТ /
L, км /
Ток в месте КЗ, кА /
Autotransformer currents, kA
L, km
Short circuit current, kA
AT1
AT2
AT3
0
6,51
0,70
1,52
0,70
10
4,06
0,10
0,66
0,58
20
4,11
0,61
1,34
0,73
25
4,85
1,03
1,98
0,96
30
4,07
0,79
1,33
0,54
40
3,95
0,62
0,65
0,06
50
6,07
0,74
1,42
0,74
а
b
Рис. 6. Зависимости токов от расстояния между ТП1 и точкой КЗ
при замыкании контактной подвески на рельсы:
а – ток в месте КЗ; b – токи, протекающие через АТ
Fig. 6. Dependences of currents on the distance between the TS1 and the short circuit point
under contact wire short circuit to rails:
a – current in the short circuit location; b – autotransformer currents
а
b
Рис. 7. Зависимости токов от расстояния между ТП1 и точкой КЗ
при замыкании питающего провода на рельсы:
а – ток в месте КЗ; b – токи, протекающие через АТ
Fig. 7. Dependences of currents on the distance between the TS1 and the short circuit point
under power line short circuit to rails:
a – current in the short circuit location; b – autotransformer currents
106
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Несколько сниженные по сравнению
с предыдущим вариантом токи объясняются питанием места КЗ через автотрансформаторы подстанций, что обусловливает
также и большие токи АТ. Этот эффект
связан со специфической схемой питания
МПЗ.
Результаты расчета токов КЗ при
замыкании между контактной подвеской и
питающим проводом приведены на рис. 8.
Результирующая диаграмма, на которой представлены зависимости токов от
расстояния между ТП1 и точкой КЗ для
всех рассмотренных повреждений, показана на рис. 9.
На основе полученных результатов
можно сделать следующие выводы:
 величины токов КЗ при замыканиях
КП или ПП на рельсы соизмеримы по величине;
 при замыкании КП и ПП токи
в полтора-два раза меньше, чем при замыканиях на рельсы; в этом случае наблюдается единственный минимум зависимости
тока от координаты.
а
b
Рис. 8. Зависимости токов от расстояния при замыкании между
контактной подвеской и питающим проводом:
а – ток в месте КЗ; б – токи, протекающие через АТ
Fig. 8. Dependences of currents on the distance under contact wire to power line short circuit;
a – current in the short circuit location; b – autotransformer currents
Рис. 9. Зависимости тока в месте КЗ от расстояния между ТП1 и точкой КЗ
Fig. 9. Dependences of current in the short circuit location on the distance
between the TS1 and the short circuit point
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
107
Энергетика
PowerEngineering
Заключение
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Разработанная методика моделирования КЗ в тяговых сетях 125 и 225 кВ
позволяет определять аварийные режимы
с учетом системы внешнего электроснабжения и возможных модификаций тягового
электроснабжения.
2. Программная реализация методики дает возможность наряду с определением токов и напряжений рассчитывать магнитные поля, создаваемые многопровод-
ными тяговыми сетями многопутных участков.
3. Величины токов при коротких замыканиях контактной подвески или питающего провода на рельсы соизмеримы по
величине, а при замыкании контактной
подвески и питающего провода токи в полтора-два раза меньше. Наличие автотрансформаторов в системе тягового электроснабжения 225 кВ приводит к появлению локальных максимумов токов КЗ вблизи автотрансформаторов..
Библиографический список
1. Бардушко В.Д., Закарюкин В.П., Крюков А.В.
режимах в электрических системах. М.: ГосэнергоПринципы построения систем электроснабжения
издат, 1963. 416 с.
железных дорог. М.: Теплотехник, 2014. 166 с.
7. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесиммет2. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Mathematical Model
ричные режимы электрических систем. Иркутск:
of Multiphase Power Transmission Line // The power
Изд-во Иркутского гос. ун-та. 2005. 273 с.
grid of the future / Proceeding № 3. Otto-von-Guericke
8. Крюков А.В., Закарюкин В.П. Методы совместного
University Magdeburg. Magdeburg. 2013. P. 70–74.
моделирования систем тягового и внешнего элек3. Герман Л.А., Шаров А.В. Расчет токов короткого
троснабжения железных дорог переменного тока:
замыкания в тяговых сетях переменного тока жемонография. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. 160 с.
лезных дорог // Электричество. 2003. № 3. С. 27–34.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Мультифункцио4. Марквардт К.Г., Косарев Б.И., Косолапов Г.Н.,
нальный подход к моделированию электроэнергетиЧернов Ю.А. Расчет токораспределения при коротческих систем // Современные технологии. Системких замыканиях в тяговых сетях // Электричество.
ный анализ. Моделирование. 2013. № 4 (40).
1979. № 3. С. 30–34.
С. 100–107.
5. Руководящие указания по релейной защите си10. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Intelligent Traction
стем тягового электроснабжения. М.: Трансиздат,
Power Supply System // The power grid of the future /
2005. 216 с.
Proceeding № 2. Otto-von-Guericke University Magde6. Чернин А.Б. Вычисление электрических величин и
burg. Magdeburg. 2013. P. 44–48.
поведение релейной защиты при неполнофазных
References
calculation at short circuits in traction networks]. El1. Bardushko V.D., Zakaryukin V.P., Kryukov A.V.
Printsipy postroeniya sistem elektrosnabzheniya
ektrichestvo [Electricity]. 1979, no. 3, pp. 30–34.
zheleznykh dorog [Design principles of railroad power
(In Russian)
5. Rukovodyashchie ukazaniya po releinoi zashchite
supply systems]. Moscow, Teplotekhnik Pul., 2014,
sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Guidelines on
166 p. (In Russian)
2. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Mathematical Model
relay protection of traction power supply systems].
of Multiphase Power Transmission Line. The power grid
Moscow, Transizdat Publ., 2005, 216 p. (In Russian)
6. Chernin A.B. Vychislenie elektricheskikh velichin i
of the future / Proceeding № 3. Otto-von-Guericke Unipovedenie releinoi zashchity pri nepolnofaznykh
versity Magdeburg. Magdeburg, 2013, pp. 70–74.
3. German L.A., Sharov A.V. Raschet tokov korotkogo
rezhimakh v elektricheskikh sistemakh [Calculation of
zamykaniya v tyagovykh setyakh peremennogo toka
electrical quantities and relay protection behavior in
zheleznykh dorog [Short-circuit currents calculation in
case of open-phase modes in electrical systems]. Mosrailroad AC traction networks]. Elektrichestvo [Electricicow, Gosenergoizdat Publ., 1963, 416 p. (In Russian)
7. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Slozhnonesimmetty]. 2003, no. 3, pp. 27–34. (In Russian)
richnye rezhimy elektricheskikh sistem [Complex
4. Markvardt K.G., Kosarev B.I., Kosolapov G.N., Chernov Yu.A. Raschet tokoraspredeleniya pri korotkikh
asymmetrical modes of electrical systems]. Irkutsk: Irzamykaniyakh v tyagovykh setyakh [Current distribution
kutskii gosudarstvennyi universitet Publ., 2005, 273 p.
108
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
(In Russian)
8. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P. Metody sovmestnogo
modelirovaniya sistem tyagovogo i vneshnego elektrosnabzheniya zheleznykh dorog peremennogo toka
[Combined simulation methods for traction and external
power supply systems of AC railroads]. Irkutsk, IrGUPS
Publ., 2011, 160 p. (In Russian)
9. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Mul'tifunktsional'nyi
podkhod k modelirovaniyu elektroenergeticheskikh sis-
tem [Electrical Power System Modeling – Multifunctional Approach]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling]. 2013, no. 4 (40), pp. 100–107. (In Russian)
10. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Intelligent Traction
Power Supply System // The power grid of the future /
Proceeding № 2. Otto-von-Guericke University Magdeburg. Magdeburg, 2013, pp. 44–48.
Критерии авторства
Закарюкин В.П. разработал алгоритмы и программный комплекс для моделирования режимов систем
электроснабжения железных дорог. Крюков А.В.
участвовал в разработке методов моделирования
режимов систем электроснабжения железных дорог
в фазных координатах и математических моделей
электроэнергетических систем. Закарюкин В.П. и
Крюков А.В. несут ответственность за плагиат.
Алексеенко Е.А. участвовала в проведении компьютерного моделирования.
Contribution
Zakaryukin V.P. has developed the algorithms and the
program complex for railroad power supply system
mode modeling. Kryukov A.V. has participated in the
development of modeling methods of railroad power
supply system modes in phase coordinates and mathematical models of electrical power systems. Zakaryukin V.P. and Kryukov A.V. bear responsibility for plagiarism. Alekseenko E.A. has taken part in computer
modeling.
Конфликт интересов
Авторы заявляет об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 09.01.2017 г.
The article was received 9 January 2017
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
109
Энергетика
PowerEngineering
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.184
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-110-122
ОЦЕНКА ДОЛИ ОКСИДОВ СЕРЫ, СВЯЗЫВАЕМЫХ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛОЙ,
ПРИ СЖИГАНИИ МУГУНСКОГО И ИРБЕЙСКОГО УГЛЕЙ В КОТЛОАГРЕГАТАХ
НОВО-ИРКУТСКОЙ ТЭЦ
© А.Н. Кудряшов1, А.В. Елманов2, И.И. Киселева 3, Ю.Д. Бибикова4
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Основной целью испытаний являлось определение связывания органических соединений серы
мугунского угля в процессе сжигания в смеси с ирбейским углем в котлоагрегатах Ново-Иркутской ТЭЦ. МЕТОДЫ. Проведены опытно-промышленные испытания на котлоагрегатах с использованием приборов визуального
контроля и расчетных характеристик. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Обобщены данные по составу и характеристикам мугунского и ирбейского углей, используемых в топливном балансе Ново-Иркутской ТЭЦ. Представлены результаты технологических испытаний при проведении опытного сжигания смеси ирбейского и мугунского бурых углей в котлах БКЗ-420-140-6 и БКЗ-500-140-1 в соотношении, %: 80/20; 50/50; 20/80. Приведены технико-экономические и экологические показатели работы котлов. ВЫВОДЫ. Использование ирбейского угля при
смешивании с мугунским позволяет снизить общее содержание серы в топливе, подаваемом в бункеры сырого
угля котлов, а высокое содержание СаО и MgO в ирбейском угле позволяет частично связать оксиды серы летучей золой.
Ключевые слова: котлоагрегат, бурый уголь, зола уноса, избыток воздуха, присосы воздуха, оксиды серы,
температура, паропроизводительность, пылесистема, минеральная часть золы, выбросы вредных веществ.
Формат цитирования: Кудряшов А.Н., Елманов А.В., Киселева И.И., Бибикова Ю.Д. Оценка доли оксидов серы,
связываемых летучей золой, при сжигании мугунского и ирбейского углей в котлоагрегатах Ново-Иркутской
ТЭЦ // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 110–122.
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-110-122
ESTIMATION OF SULFUR OXIDE PROPORTION BOUND BY FLY ASH UNDER MUGUNSKY
AND IRBEISKY COAL COMBUSTION IN NOVO-IRKUTSK CHP BOILER UNITS
A.N. Kudryashov, A.V. Elmanov, I.I. Kiseleva, I.D. Bibikova
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The main purpose of the tests is to determine the binding of organic sulfur compounds under
the combustion of Mugunsky and Irbeisky coal mixture in Novo-Irkutsk CHP boiler units. METHODS. Pilot tests have
been conducted on boiler units using visual monitoring devices and design parameters. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The data on the composition and characteristics of Mugunsky and Irbeisky coals used in the fuel balance of
the Novo-Irkutsk CHP have been generalized. The paper presents the results of technological tests under the pilot combustion of the mixture of Mugunsky and Irbeisky brown coals at the ratio of 80/20%, 50/50%, 20/80% in BKZ-420-140-6
and BKZ-500-140-1 boiler units. Technical and economic indexes of boiler operation are provided as well as their environmental performances. CONCLUSIONS. The use of Irbeisky coal in the mixture with Mugunsky coal allows to reduce
the total sulfur content in the fuel fed to the raw coal hoppers of boilers while high content of CaO and MgO in Irbeisky
coal allows partial binding of sulfur oxides by fly ash.
___________________________
1
Кудряшов Александр Николаевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой теплоэнергетики Института
энергетики, e-mail: kan@istu.irk.ru
Aleksandr N. Kudryashov, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Heat Power Engineering
of the Institute of Power Engineering, e-mail: kan@istu.irk.ru
2
Елманов Андрей Викторович, магистрант Института энергетики, e-mail: elmanov-a@mail.ru
Andrei V. Elmanov, Master’s Degree Student of the Institute of Power Engineering, e-mail: elmanov-a@mail.ru
3
Киселева Ирина Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительно-дорожных машин
и гидравлических систем, e-mail: irinakis2001@mail.ru
Irina I. Kiseleva, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Road-making Machinery
and Hydraulic Systems, e-mail: irinakis2001@mail.ru
4
Бибикова Юлия Дмитриевна, студентка Института архитектуры и строительства, e-mail: ubibikova@rambler.ru
Iulia D. Bibikova, Student of the Institute of Architecture and Construction, e-mail: ubibikova@rambler.ru
110
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Keywords: boiler unit, brown coal, fly ash, excess air, air suction, sulfur oxides, temperature, steaming power, pulverized
coal system, ash mineral part, emissions of harmful substances
For citation: Kudryashov A.N., Elmanov A.V., Kiseleva I.I., Bibikova I.D. Estimation of sulfur oxide proportion bound by
fly ash under Mugunsky and Irbeisky coal combustion in Novo-Irkutsk CHP boiler units. Proceedings of Irkutsk State
Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 110–122. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-110-122
Введение
Как известно, одним из основных загрязнителей атмосферы является двуокись
серы, выбрасываемая с дымовыми газами
ТЭС, работающими на сернистом твердом
или жидком топливе. Диоксид серы наносит
большой вред здоровью людей, отрицательно действует на растительный и животный мир, способствует усилению коррозии металлических конструкций, разрушающе действует на памятники архитектуры
[1]. Проблема снижения содержания диоксида серы в дымовых газах угольных ТЭЦ
весьма актуальна для отечественной энергетики, особенно для регионов страны,
природа которых наиболее подвержена отрицательному воздействию этого вещества
[1–3]. В настоящее время в котлоагрегатах
сжигаются непроектные угли как в чистом
виде, так и виде смесей. Поэтому исследования по снижению выбросов оксидов серы
за счет их связывания в процессе горения в
котлоагрегатах являются, несомненно, актуальными.
Материалы, цель и методы исследования
Сера заключена как в горючей, так и
в минеральной части топлива. Степень
связывания серы зависит от содержания
оксидов кальция в золе уноса1,2 [4]. Одним
из основных параметров, влияющих на
процесс связывания серы в топке, является
стехиометрическое соотношение содержания оксидов кальция в золе уноса к содержанию серы в топливе – СаОзл-ун/Std: чем
выше это соотношение, тем выше степень
связывания
серы.
При
отношении
d
СаОзл-ун/St >2 и температуре 850°С связывается вся сера топлива. При температурах
выше 900°С, что соответствует условиям
горения в топках котлов, эффект связывания существенно снижается из-за диссоциации карбоната кальция.
На ряде ТЭЦ ПАО «Иркутскэнерго»
сжигаются угли с повышенным содержанием серы3,4, к которым относится мугунский
бурый уголь. Также в котлах ТЭЦ сжигается
ирбейский бурый уголь.
Бурые угли Мугунского месторождения марки 3Б отрабатываются на разрезе
«Мугунский», который находится в Тулунском районе Иркутской области, с каче-
___________________________
1
Померанцев В.В., Арефьев К.М., Ахмедов Д.Б. и др. Основы практической теории горения: учеб. пособие для
вузов; 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 312 с. / Pomerantsev V.V., Arefiev K.M., Akhmedov D.B.
et al. Fundamentals of the practical combustion theory. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1986, 312 p.
2
Григорьев К.А., Рундыгин Ю.А., Тринченко А.А. Технология сжигания энергетических топлив. Энергетические
топлива: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. университета, 2006. 92 с. / Grigoriev K.A., Rundygin Yu.A., Trinchenko A.A. Power fuel combustion technology. Power-generating fuels. St. Petersburg, Polytechnical University Publ.,
2006, 92 p.
3
ГОСТ 25543-82. Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам (с Изменениями № 1, 2); утв. постановл. Госкомитета СССР по стандартам от 06.06.1988 г. № 1273/ GOST
25543-82. Brown, bituminous and anthracite coals. Classification by genetic and technological parameters (as amended
in no. 1, 2); adopted by the Decree of the State Committee of the USSR on standards of 6 June 1988 no. 1273.
4
Тепловой расчет котлов (нормативный метод); 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. 256 с. /
Thermal calculation of boilers (normative method); 3rd edition, revised and enlarged. St. Petersburg: NPO CKTI Publ.,
1998, 256 p.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
111
Энергетика
PowerEngineering
ственными характеристиками, приведенными в табл. 1.
Ирбейский бурый уголь представлен
Латынцевским пластом и пластом «Спут-
ник» с качественными характеристиками,
приведенными в табл. 2. Содержание СаО
и MgO в углях ирбейского разреза достигает 25%.
Таблица 1
Качество угля среднего состава разреза «Мугунский»
Wr, %
21,2
SiO2
52,3
Table 1
Quality of average composition coal from the “Mugunsky” open-pit
Теплотехнические характеристики угля / Coal thermotechnical characteristics
Qsdaf,
Qir,
daf
daf
daf
V ,
С ,
N ,
кДж/кг /
кДж/кг /
Аd, %
Нdaf, % Std, %
Odaf, %
Qsdaf,
Qir, kJ/kg
%
%
%
kJ/kg
23,2
49,0
73,4
5,5
0,90
1,30
18,45
29750
17180
Химический состав (на бессульфатную массу), %,
и плавкостные характеристики зольного остатка /
Chemical composition (per sulfate-free bulk), %, and ash fusibility characteristics
Al2O3
Fe2O3
TiO2
CaO
MgO
K2O
Na2O
tв °C
tс °C
34,5
3,5
1,1
6,2
1,6
0,8
0,1
1490
>1500
Таблица 2
Качество угля, добываемого на разрезе «Ирбейский», по пластам
Table 2
Quality of coal produced at the “Irbeisky” open-pit by horizons
Теплотехнические характеристики угля / Coal thermotechnical characteristics
Wr, %
Аd, %
Vdaf, %
Сdaf, %
Нdaf, %
St d , %
Ndaf, %
Odaf, %
Qir, кДж/кг/
Qir, kJ/kg
Пласт «Латынцевский» / “Latyntsevsky”horizon
32,0
8,8
44,8
73,7
4,8
0,35
0,94
20,21
16340
Пласт «Спутник» / “Sputnik”horizon
28,2
14,9
47,9
74,6
5,0
0,49
0,87
19,04
16970
По разрезу в целом / In the open-pit in general
30,7
10,4
45,6
73,9
4,9
0,39
0,92
19,89
16550
Химический состав на бессульфатную массу, %,
и плавкостные характеристики зольного остатка /
Chemical composition per sulfate-free bulk, %, and ash fusibility characteristics
tв, °C
tс, °C
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2
CaO
MgO
K2O
Na2O
Пласт «Латынцевский» / “Latyntsevsky”horizon
47,9
8,9
14,5
0,5
19,6
6,6
0,2
0,2
1220–1240 1240–1260
Пласт «Спутник» / “Sputnik” horizon
59,7
9,7
17,5
0,5
8,3
2,9
0,6
0,2
1320–1380 1380–1420
По разрезу в целом / In the open-pit in general
50,9
9,1
15,3
0,5
16,7
5,7
0,3
0,2
1250–1280 1280–1300
112
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Рассматриваемые угли относятся к
III-й группе взрывоопасности по шкале
ВТИ5 [5].
В октябре 2011 г. на котлоагрегатах
БКЗ-420-140-6 ст. № 4 и БКЗ-500-140-1 ст.
№ 7 Ново-Иркутской ТЭЦ ПАО «Иркутскэнерго» было проведено опытное сжигание
смеси ирбейского и мугунского углей в соотношении,%: 80/20; 50/50; 20/80. Основной
целью испытаний являлось определение
связывания органических соединений серы
в процессе сжигания мугунского угля в смеси с ирбейским углем.
Испытания котлоагрегата ст. № 4
Котельный агрегат БКЗ-420-140-6 –
однобарабанный, вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией, с твердым шлакоудалением и проектными параметрами: Dка=420 т/ч; Рпп=13,8 МПа,
Tпп=560°С, Tпв=230°С, Tух=139°С. Он предназначен для сжигания азейского бурого
угля, используемого в качестве основного
топлива и имеющего следующие теплотехнические характеристики, %: Ар=12,8;
Wp=25; Sp=0,4; Np=0,9; Op=11,6; Hp=3,3;
Сp=46; Vг=46; Qрн=18185 кДж/кг.6,7. Котлоагрегат БКЗ-420-140-6 реконструирован на
сжигание ирша-бородинского бурого угля.
Перед началом испытаний котлоагрегат ст. № 4 отработал 61 час на мугунском буром угле. Поверхности нагрева топки и конвективной шахты котла ст. № 4
находились в эксплуатационно-чистом состоянии. Испытания и расчеты проводились по общепринятой методике «Союзтехэнерго»8 [6, 7].
Во время предварительных измерений были определены присосы холодного
воздуха в топочную камеру и газоходы кот-
ла (значения приведены к номинальной
нагрузке): топочная камера – ∆αт = 5%
(норма 8%); конвективная шахта –
∆αкш = 8% (норма 10%); участок тракта от
ВЗП до дымососов – ∆αзуу = 8% (норма
10%).
10.10.2011 г. котел ст. № 4 был переведен на сжигание ирбейского бурого
уголя, а затем на сжигание смеси ирбейского и мугунского углей в соотношении:
11.10.2011 г. – 80/20%, 12.10.2011 г. –
50/50%, 13.10.2011 г. – 20/80%. 14 октября
2011 г. котел ст. № 4 был переведен на
сжигание мугунского угля в чистом виде.
Испытания на котле ст. № 4 проводились в диапазоне приведенных нагрузок
395–429 т/ч в зависимости от температуры
питательной воды, tпв, которая составляла
от 191 до 203°С. В работе находились 4
пылесистемы, коэффициент избытка воздуха, кпп , за конвективным пароперегревателем был равен 1,22–1,27. Степень открытия направляющих аппаратов дутьевых
вентиляторов составляла 50–70%, шиберов дымососов – 54–77%; токовая нагрузка
___________________________
5
РД 153-34.1-03.352-99. Правила взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания
пылевидного топлива; утв. РАО «ЕЭС России» 14.09.1999 г. [Электронный ресурс]. / Помощь по ГОСТам. URL:
http://www.gosthelp.ru/text/RD1533410335299Pravilavzr.html (12.01.2017) / RD 153-34.1-03.352-99. Explosion safety
rules of fuel supply and installations for pulverized fuel preparation and combustion; adopted by RAO “UES of Russia” on
September 14, 1999 / GOST Assistance. Available at: http://www.gosthelp.ru/text/RD1533410335299Pravilavzr.html (аccessed date 12 January 2017)
6
ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. М.:
Госстандарт России, 1996. 27 с. / GOST P 50831-95. Boiler installations. Thermomechanical equipment. General technical requirements. Moscow, Gosstandart of Russia Publ., 1996, 27 p.
7
Федоров А.И. Пособие по эксплуатации барабанных котлов среднего и высокого давления. М.: Изд-во ОАО
«ВТИ», 2006. 188 с. / Fedorov A.I. Manual on medium and high pressure drum-type boiler operation. Moscow, “VTI” JSC
Publ., 2006, 188 p.
8
РД 34.09.155-93. СПО ОРГРЭС Методические указания по составлению и содержанию энергетических характеристик оборудования тепловых электростанций (с Изменением № 1). М., 1993. 156 с. / RD 34.09.155-93. SPO ORGRES Methodology guidelines on the compilation and content of energy characteristics of thermal power plant equipment
(as amended in no. 1). Moscow, 1993, 156 p.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
113
Энергетика
PowerEngineering
электродвигателей дутьевых вентиляторов
– 60–66 А, дымососов – 32–48 А, мельниц –
28–30 А [8]. Режим на котле выдерживался
согласно действующей режимной карте.
Связывание серы (баланс серы) в
котле БКЗ-420-140-6 ст. № 4 при сжигании
мугунского и ирбейского углей в чистом ви-
де и в виде смесей этих углей представлен
в табл. 3 (по данным ЛАК ООО «ИЦ «Иркутскэнерго»).
На рис. 1 представлена зависимость
степени связывания серы от содержания
оксидов кальция в золе уноса.
Таблица 3
Степень связывания серы
Table 3
Sulfur binding degree, %
Содержание СаО, % /
Content of СаО, %
Топливо / Fuel
Ирбейский уголь /
Irbeisky coal 100%
80/20
50/50
20/80
Мугунский уголь /
Mugunsky coal 100%
в шлаке /
in slag
в золе уноса /
in fly ash
5,3±0,43
4,3±0,27
Std
Содержание
в угле, % /
Content of Std
in coal, %
Содержание
SO2
за дымососом,
мг/нм3 /
Content of SO2
outside the induced draft fan,
mg/nm3
Степень
связывания
серы η, % /
Degree
of sulfur
binding η, %
3099
0,86
1,49
Ирбейский / мугунский угли в соотношении, % /
Irbeisky / Mugunsky coals at the ratio,%:
4,8±0,27
5,9±0,43
1,59
3,0±0,27
4,5±0,27
1,38
3,1±0,27
4,9±0,27
1,72
3390
3450
4308
1,32
1,38
0,59
5,1±0,43
4340
1,13
5,6±0,43
1,68
Степень связывания серы, % /
Degree of sulfur binding, %
2
1,5
1
0,5
0
3
4
5
6
7
Содержание оксидов кальция в золе уноса, % /
Calcium oxide content in fly ash, %
Рис. 1. Зависимость степени связывания серы от содержания оксидов кальция в золе уноса.
Используемое топливо (уголь):
– ирбейский 100%;
– ирбейский/мугунский 80/20%;
– ирбейский/мугунский 50/50%;
– ирбейский/ мугунский 20/80%;
– мугунский 100%
Fig. 1. Dependence of sulfur binding degree on calcium oxide content in fly ash. Used fuel (coal):
– Irbeisky 100%;
– Irbeisky/Mugunsky 80/20%;
– Irbeisky/Mugunsky 50/50%;
– Irbeisky/Mugunsky 20/80%;
– Mugunsky 100%
114
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Как видно из рис. 1, с увеличением
содержания оксидов кальция в золе уноса
возрастает степень связывания серы.
Как было отмечено выше, одним из
параметров, влияющих на процесс связывания серы в топке, является стехиометрическое соотношение содержания оксидов
кальция в золе уноса к содержанию серы в
топливе – СаОзл-ун/Std. На рис. 2 представлена зависимость степени связывания серы от отношения СаОзл-ун/Std при различных
соотношениях углей.
Из рис. 2 следует, что степень связывания серы увеличивается с ростом отношения СаОзл-ун /Std.
В табл. 4 представлены показатели
выбросов оксидов азота и серы, а также
содержание в минеральной части золы
SiO2, Al2O, Fe2O3 во время испытаний на
котле ст. № 4 (данные ЛАК ООО «ИЦ «Иркутскэнерго»).
На рис. 3 представлены изменения
содержания серы во время испытаний котла ст. № 4.
Степень связывания серы, % /
Degree of sulfur binding
2
1,5
1
0,5
0
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
d
Отношение СаОзл-ун /St / Ratio of СаОfly ash /St
5,00
d
d
Рис. 2. Зависимость степени связывания серы от отношения СаО зл-ун /St .
Используемое топливо (уголь):
– ирбейский 100%;
– ирбейский/ мугунский 80/20%;
– ирбейский/ мугунский 50/50%;
– ирбейский/ мугунский 20/80%;
– мугунский 100%
d
Fig. 2. Dependence of the sulfur binding degree on the ratio of СаОfly ash/St . Used fuel (coal):
– Irbeisky 100%;
– Irbeisky/Mugunsky 80/20%;
– Irbeisky/Mugunsky 50/50%;
Irbeisky/Mugunsky 20/80%;
– Mugunsky 100%
Таблица 4
Выбросы оксидов азота и серы и содержание в минеральной части золы
SiO2, Al2O, Fe2O3 во время испытаний на котле ст. № 4
Table 4
Emissions of nitrogen and sulfur oxides and the content of SiO2, Al2O, Fe2O3
in the ash mineral part during the boiler tests at st. no.4
Смесь ирбейского и мугунского углей
в соотношении, % /
Мугунский уголь /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coals
Mugunsky coal
in the ratio of, %
100%
80/20
50/50
20/80
Содержание выбросов, мг/нм3 / Content of emissions, mg/nm3:
NOх
1055
1148
1134
1147
1143
SO2
3099
3390
3450
4308
4340
Содержание минеральной части золы, % / Content of the mineral part of ash, %:
SiO2
51,0±0,71
50,7±0, 71
54,4±0,71
59,0±0,71
48,9±0,71
Al2O
22,6±0,71
27,4±0,71
27,9±0,71
28,5±0,71
30,5±0,71
Fe2O3
8,6±0,27
11,0±0,35
11,9±0,35
12,4±0,35
9,1±0,27
Наименование
элемента /
Element name
ISSN 1814-3520
Ирбейский
уголь /
Irbeisky coal
100%
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
115
Энергетика
PowerEngineering
1,8
1,6
1,4
S, %
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
2
3
4
5
Рис. 3. Зависимость содержания серы от соотношения смесей ирбейского и мугунского углей:
– количество серы в топливе;
– количество серы, перешедшей в газообразное состояние;
– количество серы в шлаке;
– количество серы в золе уноса.
Используемое топливо (уголь): 1 – ирбейский 100%; 2 – ирбейский/мугунский 80/20%;
3 – ирбейский/мугунский 50/50%; 4 – ирбейский/мугунский 20/80%; 5 – мугунский 100%
Fig. 3. Dependence of sulfur content on the ratio of Irbeisky and Mugunsky coal mixtures:
– amount of sulfur in fuel;
– amount of sulfur transformed into gaseous state;
– amount of sulfur in slag;
– amount of sulfur in fly ash
Used fuel (coal): 1 – Irbeisky 100%; 2 – Irbeisky/Mugunsky 80/20%; 3 – Irbeisky/Mugunsky 50/50%;
4 – Irbeisky/Mugunsky 20/80%; 5 – Mugunsky 100%
Испытания котлоагрегата ст. № 7
Котельный агрегат БКЗ-500-140-1,
однобарабанный, вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией, с твердым шлакоудалением, имеет следующие
проектные
параметры:
Dка=500
т/ч;
Рпп=13,8 МПа; Tпп=560°С; Tпв=230°С;
Tух=158°С 6,7. Данный котлоагрегат предназначен для сжигания ирша-бородинского
угля, имеющего следующие теплотехнические характеристики, %: Аp=6; Wp=33;
Sp=0,2; Np=0,6; Op=13,5; Hp=3,0; Сp=43,7;
Vг=48; Qрн=15670 кДж/кг. В настоящее время котлы работают на мугунском и ирбейском бурых углях.
Перед началом испытаний котлоагрегат ст. № 7 отработал 135 часов на
мугунском буром угле. Поверхности нагрева топки и конвективной шахты котла находились в эксплуатационно-чистом состоянии. Во время предварительных измерений
были определены присосы холодного воздуха в топочную камеру и газоходы котла
(значения приведены к номинальной
нагрузке): топочная камера – ∆αт = 11%
(норма 2%); конвективная шахта –
∆αкш = 10% (норма 10%); участок тракта от
116
ВЕСТНИК ИрГТУ
ВЗП до дымососов – ∆αзуу = 23% (норма
10%).
04.10.2011 г. котел ст. № 7 был переведен на ирбейский бурый уголь, в последующие дни – на смесь ирбейского и
мугунского углей в соотношении, %:
06.10.2011 г. – 80/20; 07.10.2011 г. – 50/50;
10.10.2011 г. – 20/80. 11.10.2011 г. котел ст.
№ 7 был переведен на сжигание мугунского
угля в чистом виде.
Испытания на котле ст. № 7 проводились в диапазоне приведенных нагрузок
от 423 до 454 т/ч в зависимости от температуры питательной воды, tпв, которая колебалась в пределах 203–208°С. В работе
находились 3 пылесистемы, один дымосос
рециркуляции газов. Коэффициент избытка
воздуха кпп за конвективным пароперегревателем равнялся 1,17–1,28. Степень открытия направляющих аппаратов дутьевых
вентиляторов составляла 72–98%, шиберов дымососов – 58–95%; токовая нагрузка
электродвигателей дутьевых вентиляторов
равнялась 32–36 А, дымососов – 50–78 А,
дымососа рециркуляции газов – 30–32 А,
мельниц – 42–49 А [8]. Режим на котле вы-
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
держивался согласно действующей режимной карте.
Связывание серы (баланс серы) в
котле БКЗ-500-140-1 ст. № 7 при сжигании
мугунского, ирбейского углей в чистом виде
и в виде смесей данных углей представле-
но в табл. 5 (данные ЛАК ООО «ИЦ «Иркутскэнерго»).
На рис. 4 представлена зависимость
степени связывания серы от содержания
оксидов кальция в золе уноса.
Таблица 5
Степень связывания серы, %
Table 5
Sulfur binding degree, %
Содержание СаО, % /
Content of СаО, %
Топливо / Fuel
Ирбейский уголь /
Irbeisky coal 100%
Ирбейский уголь /
Irbeisky coal 100%
80/20
50/50
20/80
Мугунский уголь /
Mugunsky coal 100%
Содержание
Std в угле, % /
Content of Std
in coal, %
Содержание SO2
за дымососом,
мг/нм3 /
Сontent of SO2
outside the
induced draft fan,
mg/nm3
Степень
связывания
серы η, % /
Degree
of sulfur
binding
η, %
в шлаке /
in slag
в золе
уноса /
in fly ash
5,0±0,27
4,8±0,27
1,18
1953
1,9
5,0±0,27
4,9±0,27
1,16
2474
3,47
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coal in the ratio of, %:
4,4±0,27
4,4±0,27
1,68
5062
4,6±0,27
4,4±0,27
1,43
4049
4,0±0,27
3,2±0,27
1,63
2882
3,27
2,26
1,92
5,4±0,43
5,2±0,43
1,69
4340
3,23
Степень связывания серы, % / S
ulfur binding degree, %
5
4
3
2
1
2
3
4
5
6
Содержание оксидов кальция в золе уноса, % /
Content of calcium oxides in fly ash,%
Рис. 4. Зависимость степени связывания серы от содержания оксидов кальция в золе уноса.
Используемое топливо (уголь):
– ирбейский 100%;
– ирбейский/мугунский 80/20%;
– ирбейский/мугунский 50/50%;
– ирбейский/ мугунский 20/80%;
– мугунский 100%
Fig. 4. Dependence of the sulfur binding degree on the content of calcium oxides in fly ash.
Used fuel (coal):
– Irbeisky 100%;
– Irbeisky/Mugunsky 80/20%;
– Irbeisky/Mugunsky 50/50%; Irbeisky/Mugunsky
20/80%;
– Mugunsky 100%
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
117
Энергетика
PowerEngineering
ношения СаОзл-ун/Std .
В табл. 6 представлены показатели
выбросов окислов азота и серы и содержание в минеральной части золы SiO2, Al2O,
Fe2O3 во время испытаний на котле ст. № 7
(данные ЛАК ООО «ИЦ «Иркутскэнерго»).
На рис. 6 представлены изменения
содержания серы во время испытаний котла ст. № 7.
Как видно из рис. 4, с увеличением
содержания оксидов кальция в золе уноса
возрастает степень связывания серы.
На рис. 5 представлена зависимость
степени связывания серы от стехиометрического соотношения содержания оксидов
кальция в золе уноса к содержанию серы в
топливе СаОзл-ун/Std.
Из рис. 5 следует, что степень связывания серы увеличивается с ростом отСтепень связывания серы, % /
Degree of sulfur binding, %
5
4
3
2
1
1,00
2,00
3,00
4,00
d
5,00
Отношение СаОзл-ун /St / Ratio of СаОfly ash /St
d
Рис. 5. Зависимость степени связывания от отношения содержания оксидов кальция
в золе уноса к содержанию серы в топливе. Используемое топливо (уголь):
– ирбейский 100%;
– ирбейский/мугунский 80/20%;
– ирбейский/мугунский 50/50%; – ирбейский/мугунский 20/80%;
– мугунский 100%
Fig. 5. Dependence of the binding degree on the ratio of the calcium oxide content in fly ash
and the sulfur content in fuel. Used fuel (coal):
– Irbeisky 100%;
– Irbeisky/Mugunsky 80/20%;
– Irbeisky/Mugunsky 50/50%;
Irbeisky/Mugunsky 20/80%;
– Mugunsky 100%
Таблица 6
Выбросы окислов азота и серы и содержание в минеральной части золы
SiO2, Al2O, Fe2O3 во время испытаний на котле ст. № 7
Table 6
Emissions of nitrogen and sulfur oxides and the content
of SiO2, Al2O, Fe2O3 in the ash mineral part during boiler tests at st. no. 7
Смесь ирбейского и мугунского
Мугунский
углей в соотношении, % /
Наименование
уголь /
Mixture of Irbeisky
элемента /
Mugunsky coal
and Mugunsky coal at the ratio of, %:
Element name
100%
80/20
50/50
20/80
Содержание выбросов, мг/нм3 / Content of emissions, mg/nm3:
NOх
688
634
775
761
762
1143
SO2
1953
2474
5062
4049
2882
4340
Содержание минеральной части золы, % / Content of the ash mineral part:
SiO2
54,1±0,71
51,2±0,71
58,1±0,71
54,4±0,71
55,0±0,71
52,8±0,71
Al2O
24,1±0,71
21,8±0,71
23,7±0,71
25,7±0,71
22,6±0,71
27,6±0,71
Fe2O3
13,6±0,35
14,7±0,35
11,4±0,35
8,4±0,35
10,5±0,35
13,6±0,35
Ирбейский
уголь /
Irbeisky coal
100%
118
ВЕСТНИК ИрГТУ
Ирбейский
уголь /
Irbeisky coal
100%
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
S, %
Энергетика
PowerEngineering
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
2
3
4
5
Рис. 6. Зависимость содержания серы от соотношения смесей ирбейского и мугунского углей.
Количество серы:
– в топливе;
– в шлаке;
– в золе уноса;
– количество серы, перешедшей в газообразное состояние.
Используемое топливо (уголь): 1 – ирбейский 100%; 2 – ирбейский/мугунский 80/20%;
3 – ирбейский/мугунский 50/50%; 4 – ирбейский/мугунский 20/80%; 5 – мугунский 100%
Fig. 6. Dependence of the sulfur content on the ratio of mixtures of Irbeisky and Mugunsky coals.
Amount of sulfur:
– in fuel;
– in slag;
– in flue ash;
– amount of sulfur transformed into gaseous state
Used fuel (coal): 1 – Irbeisky 100%; 2 – Irbeisky/Mugunsky 80/20%; 3 – Irbeisky/Mugunsky 50/50%;
4 – Irbeisky/Mugunsky 20/80%; 5 – Mugunsky 100%
Обобщающие результаты исследования
Результаты исследований, проведенных на котлах БКЗ-420-140-6 и БКЗ-500140-1, наглядно отражены в табл. 7–10.
Значения приведены по данным химлаборатории Ново-Иркутской ТЭЦ.
Таблица 7
Теплотехнические свойства топлива
Table 7
Fuel thermotechnical properties
Топливо / Fuel
Ирбейский уголь /
Irbeisky coal 100%
80/20
50/50
20/80
Мугунский уголь /
Mugunsky coal 100%
r
d
daf
d
W,%
A,%
V ,%
S,%
Котлоагрегат ст. № 4 / Boiler unit of the st. no. 4
20,02
16898
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coal at the ratio of, %:
20,13
23,29
50,53
1,59
19,94
23,79
50,46
1,38
20,23
24,0
49,7
1,72
16379
17015
16974
22,16
50,72
r
1,49
19,45
24,57
r
Q i, кДж/кг / Q i, J/kg
49,18
1,68
17778
1,16–1,18
15855–16031
Котлоагрегат ст. № 7 / Boiler unit of the st. no. 7
Ирбейский уголь /
Irbeisky coal 100%
80/20
50/50
20/80
Мугунский уголь /
Mugunsky coal 100%
ISSN 1814-3520
23,54–23,55
24,82–24,89
50,62–52,03
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coal at the rate of, %:
20,75
26,92
53,68
1,68
19,97
19,73
49,13
1,43
18,72
25,26
50,96
1,63
18,98
ВЕСТНИК ИрГТУ
19,66
49,42
1,69
16215
18126
16844
18625
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
119
Энергетика
PowerEngineering
Таблица 8
Содержание оксидов кальция в золе уноса, %
Table 8
Content of calcium oxides in fly ash, %
Котлоагрегат ст. № 4 /
Котлоагрегат ст. № 7 /
Boiler unit of st. no. 4
Boiler unit of st. no. 7
Ирбейский уголь / Irbeisky coal 100%
4,3±0,27
(4,8–4,9)±0,27
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Мixture of Irbeisky and Mugunsky coal at the rate of, %:
80/20
5,9±0,43
4,4±0,27
50/50
4,5±0,27
4,4±0,27
20/80
4,9±0,27
3,2±0,27
Мугунский уголь / Mugunsky coal 100%
5,6±0,43
5,2±0,43
Топливо / Fuel
Таблица 9
Содержание серы и диоксида серы в дымовых газах
Table 9
Sulfur and sulfur dioxide content in flue gases
Содержание Std , % / Content of Std, %
Топливо / Fuel
в угле /
в шлаке /
в золе уноса /
in coal
in slag
in fly ash
Котлоагрегат ст. № 4 / Boiler unit of st. no. 4
Ирбейский уголь / Irbeisky coal 100%
1,49
0,28
0,04
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coal at the ratio of, %:
80/20
1,72
0,08
0,04
50/50
1,38
0,08
0,08
20/80
1,59
0,28
0,08
Мугунский уголь / Mugunsky coal 100%
1,68
0,20
0,08
Котлоагрегат ст. № 7 / Boiler unit of st. no. 7
Ирбейский уголь / Irbeisky coal 100%
1,16–1,18
0,20–0,28
0,08–0,16
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coal at the rate of, %:
80/20
1,63
0,20
0,12
50/50
1,43
0,24
0,16
20/80
1,68
0,28
0,20
Мугунский уголь / Mugunsky coal 100%
1,69
0,24
0,28
SO2, мг/нм3 /
SO2, mg/nm3
3099
4308
3450
3390
4340
1953–2474
2882
4049
5062
4340
Таблица 10
Степень связывания серы в топке и газоходе, %
Table 10
Sulfur binding degree in the furnace and flue, %
Котлоагрегат ст. № 4 /
Котлоагрегат ст. № 7 /
Топливо / Fuel
Boiler unit of st. no. 4
Boiler unit of st. no. 7
Ирбейский уголь / Irbeisky coal 100%
0,86
1,9–3,47
Смесь ирбейского и мугунского углей в соотношении, % /
Mixture of Irbeisky and Mugunsky coal at the ratio of, %:
80/20
1,32
3,27
50/50
1,38
2,26
20/80
0,59
1,92
Мугунский уголь / Mugunsky coal 100%
1,13
3,23
120
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Выводы
По результатам проведенных испытаний можно сделать следующие выводы.
1. Степень связывания серы и выбросы оксидов серы зависят:
– от содержания оксидов кальция в
золе уноса: с увеличением содержания оксидов кальция в золе уноса возрастает
степень связывания серы;
– отношения СаОзл-ун/Std: с ростом
отношения СаОзл-ун/Std степень связывания
серы увеличивается.
2. При работе котлов БКЗ-420-140-6
и БКЗ-500-140-1 увеличение доли ирбейского угля в смеси ирбейского и мугунского
углей за счет повышения оксидов кальция
в золе уноса увеличивает степень связывания серы, то есть выбросы оксидов серы
в атмосферу уменьшаются.
3. Установлено, что основные проблемы при сжигании мугунского угля связаны с высоким содержанием серы в нем.
Увеличение содержания серы в угле приводит к возрастанию концентрации оксидов
серы в уходящих газах от котла. Использование ирбейского угля при смешивании с
мугунским позволяет снизить общее содержание серы в топливе, подаваемом в
бункеры сырого угля котлов, а высокое содержание СаО и MgO в ирбейском угле
позволяет частично связать оксиды серы
летучей золой8 [9].
Топливный баланс ПАО «Иркутскэнерго» на 100% состоит из углей ООО
«Компания «Востсибуголь» (КВСУ). В связи
с прогнозируемым КВСУ ухудшением качества углей предполагается рост экологических платежей [9]. Необходимо выполнение
экспертной оценки ожидаемых затрат с
учетом перспективного топливного баланса
с разными сценариями изменения качества
топлива.
___________________________
8
РД 34.02.305-98. Методика определения валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных
установок ТЭС. М.: АООТ ВТИ, 1998. 36 с. / RD 34.02.305-98. Determination methods of gross emissions of pollutants
into the atmosphere from TPP boiler units. Moscow, AOOT VTI, 1998, 36 p.
Библиографический список
1. Некрасов Б.В., Федоров С.К., Епихин А.Н., Угначев В.И., Володин А.М. Решение проблемы снижения выбросов диоксида серы с дымовыми газами
тепловых электростанций // Электроэнергетика России – 2008 / RUSSIA POWER 2008: доклад на VI
Московской междунар. выставке-конф. (Москва, 15–
17 апреля 2008 г.). [Электронный ресурс] // Тригенерация, ру. Портал по тригенерации, когенерации и
мини-ТЭЦ. URL: http://www.combienergy.ru/stat/956Reshenie-problemy-snijeniya-vybrosov-dioksida-sery
(12.01.2017).
2. Арбузов В.А., Исанова Б.Х., Белякова М.О., Задиранов А.Н. Очистка дымовых газов ТЭЦ от оксидов
серы и азота // Литье и металлургия. 2009. № 3 (52).
С. 99–103.
3. Варламова Л.М., Самаркина А.Н., Петров А.В.,
Самаркина Е.В. Анализ воздействия ТЭЦ на окружающую среду // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Иркутск, 2016. С. 199–202.
4. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. М.: Наука, 1977. 344 с.
5. Skolyarow J.N., Elizarov V.V., Kushnarenko V.V. The
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Problem of Explosion-Proof Security of the PilverijingCoal Systems // XXVI Kraftwerktechnische Kolloquium
“KRAFTWARME-KOPPLUNG beim energiewirtschaftlichen Umbau in den neuen Bundeslandern und in Osteuropa”. 8–9 November 1994, Dresden.
6. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок: 2-е
изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991.
416 с.
7. Пеккер Я.Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива (обобщенные
методы): 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1977.
256 с.
8. Кудряшов А.Н., Шкуринский Н.И., Елманов А.В.,
Кулагин Н.В., Синицкая А.В. Результаты испытаний
систем пылеприготовления к/а БКЗ-420-140 ПТ-2 //
Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы
Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием.
Иркутск, 2016. С. 136–141.
9. Кудряшов А.Н., Байбурин Р.Р., Елманов А.В., Кулагин Н.В. Снижение доли оксидов серы путем связывания их летучей золой при сжигании мугунского
и ирбейского углей в котлоагрегатах Ново-Иркутской
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
121
Энергетика
PowerEngineering
ТЭЦ // Повышение эффективности производства и
использования энергии в условиях Сибири: матери-
алы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Иркутск, 2016. С. 207–211.
References
6. Trembovlya V.I., Finger E.D., Avdeeva A.A. Tep1. Nekrasov B.V., Fedorov S.K., Epikhin A.N., Ugnachev V.I., Volodin A.M. Reshenie problemy snizheniya
lotekhnicheskie ispytaniya kotel'nykh ustanovok [Thervybrosov dioksida sery s dymovymi gazami teplovykh
motechnical tests of boiler plants]. Moscow, Enerelektrostantsii [Solving the problem of reducing sulfur
goatomizdat Publ., 1991, 416 p. (In Russian)
7. Pekker Ya.L. Teplotekhnicheskie raschety po privedioxide emissions with flue gases of thermal power
dennym kharakteristikam topliva (obobshchennye
plants].
Available
at:
metody) [Thermotechnical calculations by given fuel
http://www.combienergy.ru/stat/956-Reshenieproblemy-snijeniya-vybrosov-dioksida-sery (accessed
characteristics (generalized methods]. Moscow, Ener12 January 2017).
giya Publ., 1977, 256 p. (In Russian)
2. Arbuzov V.A., Isanova B.Kh., Belyakova M.O., Za8. Kudryashov A.N. , Shkurinskii N.I., Elmanov A.V.,
diranov A.N. Ochistka dymovykh gazov TETs ot oksiKulagin N.V., Sinitskaya A.V. Rezul'taty ispytanii sistem
dov sery i azota [Cleaning of CHP flue gases from sulpyleprigotovleniya k/a BKZ-420-140 PT-2 [Test results
fur and nitrogen oxides]. Lit'e i metallurgiya [Casting
of dust preparation systems k/a BKZ-420-140 PT-2].
Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferand Metallurgy]. 2009, no. 3 (52), pp. 99–103. (In Rusentsii s mezhdunarodnym uchastiem Povyshenie effeksian)
tivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v uslovi3. Varlamova L.M., Samarkina A.N., Petrov A.V., Samarkina E.V. Analiz vozdeistviya TETs na okruzhayyakh Sibiri [Materials of All-Russia scientific and practiushchuyu sredu [Analysis of CHP environmental effect].
cal conference with international participation “ImprovMaterialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konfering the efficiency of production and use of energy in
entsii s mezhdunarodnym uchastiem “Povyshenie effekSiberia”]. Irkutsk, 2016, pp. 136–141. (In Russian)
tivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v uslovi9. Kudryashov A.N. , Baiburin R.R., Elmanov A.V., Kuyakh Sibiri” [Materials of All-Russia scientific and practilagin N.V. Snizhenie doli oksidov sery putem
svyazyvaniya ikh letuchei zoloi pri szhiganii
cal conference with international participation “Improvmugunskogo i irbeiskogo uglei v kotlo-agregatakh Noing the efficiency of production and use of energy in
vo-Irkutskoi TETs [Decreasing the proportion of sulfur
Siberia”]. Irkutsk, 2016, pp. 199–202. (In Russian)
4. Ravich M.B. Effektivnost' ispol'zovaniya topliva [Effioxides by binding them with fly ash under Mugunsky
ciency of fuel use]. Moscow, Nauka Publ., 1977, 344 p.
and Irbeisky coal combustion in Novo-Irkutsk TPP boiler
units]. Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi
(In Russian)
konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem. “Pov5. Skolyarow J.N., Elizarov V.V., Kushnarenko V.V. The
yshenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya enerProblem of Explosion-Proof Security of the Pilverijinggii v usloviyakh Sibiri” [Materials of All-Russia scientific
Coal Systems. XXVI Kraftwerktechnische Kolloquium
“KRAFTWARME-KOPPLUNG beim energiewirtschaftliand practical conference with international participation
chen Umbau in den neuen Bundeslandern und in Ost“Improving the efficiency of production and use of enereuropa”. 8–9 November 1994, Dresden.
gy in Siberia”]. Irkutsk, 2016, pp. 207–211. (In Russian)
Критерии авторства
Кудряшов А.Н., Елманов А.В., Киселева И.И., Бибикова Ю.Д. выполнили оценку сжигания непроектных
ирбейского и мугунского бурых углей с целью определения связывания органических соединений серы
на котлоагрегатах Ново-Иркутской ТЭЦ, провели
обобщение и написали рукопись. Елманов А.В.
несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Kudryashov A.N., Elmanov A.V., Kiseleva I.I.,
Bibikova I.D. have evaluated the combustion of nonproject Irbeisky and Mugunsky brown coals in order to
determine the binding of organic sulfur compounds in
the boilers of Novo-Irkutsk CHP, summarized the material and wrote the manuscript. Elmanov A.V. bears the
responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 21.01.2017 г.
The article was received 21 January 2017
122
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Оригинальная статья / Original article
УДК 662.2.01
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-123-132
О ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ
ОАО «РУСАЛ БРАТСК»
© Е.Ю. Зенкин1, А.А. Гавриленко2, Н.В. Немчинова3
1,2
ОАО «РУСАЛ Братск» ОК «РУСАЛ»,
Российская Федерация, 665716, Иркутская область, г. Братск.
3
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Изучение свойств техногенных отходов ОАО «РУСАЛ Братск» и разработка технологий их переработки с целью извлечения ценных компонентов и их возврата в технологический процесс электролиза.
МЕТОДЫ. Изучены основные физико-химические свойства пыли электрофильтров, проведены экспериментальные и опытно-промышленные испытания технологий совместной переработки шлама газоочистки и угольной
пены методом флотации, а также получения регенерационного криолита с пониженным содержанием сульфатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведено изучение химического и гранулометрического составов пробы пыли электрофильтров.
В результате проведенных исследований по совместной переработке угольной пены и шлама газоочистки методом флотации показана принципиальная возможность утилизации данных отходов. Также разработана технология получения регенерационного криолита с пониженным содержанием сульфат-иона, которая предусматривает
промывку сгущенного криолита конденсатом при Ж : Т = 7 : 1 и температуре 75°С в течение 45–60 минут, в результате чего достигнуто снижение содержания сульфат-иона в среднем на 59,6% и повышение содержания
фтора во вторичном криолите на 7,44%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведены работы по совместной переработке пыли,
шлама газоочистки с угольной пеной методом флотации, которые позволили достичь улучшенных показателей
по выходу фторглиноземного концентрата (на 10%) и содержанию углерода в хвостах флотации (до 88,0 % мас.).
Также определены оптимальные параметры технологии получения регенерационного криолита с пониженным
содержанием сульфатов, что приводит к снижению расхода фтористого алюминия на 626,4 т/год.
Ключевые слова: производство алюминия, фторуглеродсодержащие отходы, пыль электрофильтров, шлам
газоочистки, флотация, сульфаты.
Формат цитирования: Зенкин Е.Ю., Гавриленко А.А., Немчинова Н.В. О переработке отходов производства
первичного алюминия ОАО «РУСАЛ Братск» // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2017. Т. 21. № 3. С. 123–132. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-123-132
ON RUSAL BRATSK JSC PRIMARY ALUMINUM PRODUCTION WASTE RECYCLING
E.Yu. Zenkin, A.A. Gavrilenko, N.V. Nemchinova
RUSAL Bratsk JSC, UC RUSAL,
Bratsk, Irkutsk region, 665716, Russian Federation.
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is studying the properties of JSC RUSAL Bratsk technogenic wastes and
technology development for their recycling in order to extract valuable components and return them to the technological
process of electrolysis. METHODS. The main physico-chemical properties of dust from electrostatic precipitators have
been studied. The experimental and pilot-scale tests of the technology of gas cleaning sludge and coal foam co-flotation
as well as the production technology of regenerative cryolite with a reduced sulphate content have been carried out. RESULTS. The chemical and granulometric compositions of the electrostatic precipitator dust sample have been studied.
The studies of coal foam and gas treatment sludge co-flotation have showed the principle possibility of these wastes utilization. Moreover, a production technology of a regenerative cryolite with a reduced content of the sulphate ion has been
developed. It involves washing of the thickened cryolite with a condensate at the liquid-to-solid ratio L:S = 7: 1 and a
___________________________
1
Зенкин Евгений Юрьевич, управляющий директор, e-mail: Evgeniy.Zenkin@rusal.com
Evgeniy Yu. Zenkin, Managing Director, e-mail: Evgeniy.Zenkin@rusal.com
2
Гавриленко Александр Александрович, директор по экологии и аналитическому контролю производства,
e-mail: Aleksandr.Gavrilenko@rusal.com
Aleksandr A. Gavrilenko, Director for Ecology and Production Analytical Control, e-mail: Aleksandr.Gavrilenko@rusal.com
3
Немчинова Нина Владимировна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой металлургии
цветных металлов, e-mail: ninavn@yandex.ru
Nina V. Nemchinova, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Non-Ferrous Metals Metallurgy,
e-mail: ninavn@yandex.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
123
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
temperature of 75°C within 45-60 minutes. As a result, the content of the sulphate-ion has reduced on average by 59.6%,
whereas the content of fluorine in the secondary cryolite increased by 7.44%. CONCLUSION. Conducted works on coflotation of dust, gas treatment sludge and coal foam allowed to achieve improved values of the fluorine-alumina concentrate output (by 10%) and carbon content in flotation tailings (up to 88.0% by weight). Optimum parameters of the technology for regenerative cryolite production with a reduced content of sulphates decreasing the consumption of aluminum
fluoride by 626.4 tons a year are also determined.
Keywords: aluminum production, fluorine-and-carbon containing wastes, dust of electrostatic precipitators, gas treatment
sludge, flotation, sulphates
For citation: Zenkin E.Yu., Gavrilenko A.A., Nemchinova N.V. On «RUSAL Bratsk» JSC primary aluminum production
waste recycling. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 123–132. (In Russian)
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-123-132
Введение
Россия является одним из крупнейших в мире производителей глинозема,
первичного алюминия и изделий из него.
Алюминиевая промышленность является
стратегически важной отраслью экономики
[1].
Первичный алюминий производят
электролизом криолито-глиноземного расплава4 [2–4]. Вновь строящиеся корпуса
электролиза оснащаются более экологичными ваннами с предварительно обожженными анодами (ОА), однако в российской
алюминиевой промышленности преобладают ванны с анодом Содерберга (рис. 1),
характеризующиеся образованием значительного количества отходов. В связи с
этим развитие процесса электролиза с
улучшением экологических показателей
идет по пути совершенствования конструкции ванн [5], снижения выбросов вредных
веществ [6, 7] и разработки и внедрения
наилучших доступных технологий, в том
числе и по переработке отходов5,6 [8, 9].
а
b
Рис. 1. Виды электролизеров для получения алюминия:
a – с анодом Содерберга; b – с обожженными анодами
Fig.1. Types of electrolytic baths for aluminum production:
a – with the Soderberg anode; b – with baked anodes
___________________________
4
Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиразутдинов Г.А. Металлургия алюминия: технология, электроснабжение, автоматизация: учеб. пособие. М.: Наука, 2008. 527 с. / Galevskii G.V., Kulagin N.M., Mintsis M.Ya., Sirazutdinov G.A. Aluminum Metallurgy: technology, power supply, automation. Moscow, Science Publ., 2008, 527 p.
5
Немчинова Н.В., Шумилова Л.В., Салхофер С.П., Размахнин К.К., Чернова О.А. Комплексное устойчивое управление отходами. Металлургическая промышленность: учеб. пособие М.: ИД «Академия Естествознания», 2016.
494 с. / Nemchinova N.V., Shumilova L.V., Salhofer S.P., Razmahnin K.K., Chernova O.A. Integrated sustainable waste
management. Metallurgical industry. Moscow, Academy of Natural Sciences Publ., 2016, 494 p.
6
Гавриленко Л.В. Повышение эффективности производства вторичного криолита из отходов алюминиевых заводов (на примере ОАО БрАЗ компании «РУСАЛ»): автореф. дисс. … канд. техн наук. Иркутск, 2005. 16 с. / Gavrilenko L.V. Increasing the efficiency of secondary cryolite production from aluminum smelters waste (for example, JSK BrAZ
of «RUSAL» company). Extended abstract of candidate of techn. Sci. Irkutsk, 2005, 16 p.
124
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
На рис. 2 приведена схема образования отходов при производстве алюминия
в корпусах, оснащенных электролизерами с
анодом Содерберга. Процесс электролитического получения алюминия сопровождается выделением анодных газов, содержащих пыль и газы. Состав газа изменяется в
пределах, мг/нм3: по фтористому водороду
– 100–500, диоксиду серы – 200–600; содержанию пыли – 200–1000. Также в составе отходящих газов содержится большое
количество других компонентов – перфторуглеродистые соединения, смолистые
вещества (полиароматические углеводороды) и т.д.
Рис. 2. Схема образования фторуглеродсодержащего техногенного сырья
при производстве алюминия на электролизерах с анодом Содерберга
Fig. 2. Block diagram of fluorine-carbon containing technogenic raw material formation under aluminum production in electrolytic baths with a Soderberg anode
Физико-химические характеристики пыли электрофильтров
Сухая пыль электрофильтров представляет собой мелкодисперсный порошок
темно-серого цвета, при увлажнении цвет
пыли меняется на ярко-черный. Пыль образуется из выносимых газами частичек
загружаемого в электролизер сырья (глинозем и фторсоли), а также твердых частичек
эрозии угольного анода. В пыли присутствуют сконденсировавшиеся при охлаждении продукты испарения электролита, а
также капельки электролита, увлеченные
потоками газа.
Объем и состав пыли могут значительно различаться в зависимости от состояния газоходного хозяйства, способов
подачи сырья в электролизер, организации
отвода отходящих газов от электролизера.
ISSN 1814-3520
Удельный объем образования пыли электрофильтров варьируется в пределах
13–20 кг/т Al-сырца, т.е. ежегодный объем
образования пыли в ОАО «РУСАЛ Братск»
оценивается в десятки тысяч тонн.
В состав пыли электрофильтров
входят следующие основные соединения:
оксид алюминия, фтористые соли (криолит
(Na3AlF6), хиолит (Na5Al3F14)), углерод. Также присутствуют фториды кальция, магния,
сульфат натрия и др. [8]. Содержание фтора в пыли электрофильтров находится в
прямой зависимости от криолитового отношения электролита; так, на некоторых
заводах содержание фтора может достигать 23%. Средний химический состав пыли
электрофильтров представлен в табл. 1.
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
125
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Таблица 1
Химический состав пыли электрофильтров
Table 1
Chemical composition of dust of electric filters
Составляющие /
Compounds
F
Na
Al
Ca
Mg
SO4
Содержание, % мас. /
Contents, % wt
13–23
9–13
9–19
0,4–2
0,1–1,1
1,5–4,5
Составляющие /
Compounds
Fe
Si
C
К
Смолистые вещества /
Tarry substances
Содержание, % мас. /
Contents, % wt
1,0–2,1
0,07–0,3
20–34
0,5–1,5
3–8
4×107–108 Ом×см при точке росы от 10 до
40°С. Истинная плотность в среднем составляет 2,92 г/см3. Насыпная плотность
образцов сухой пыли электрофильтров варьируется от 0,86 до 1,15 г/см3. Угол естественного откоса изменяется в пределах
35–40°.
Анализ приведенных выше данных
показывает, что пыль электрофильтров является ценным фторсодержащим сырьем,
комплексная переработка которого позволит снизить потребление фторсодержащих
солей алюминиевым производством, а также улучшить экологическую обстановку в
районах расположения алюминиевых заводов.
Опыты по переработке пыли электрофильтров проводились неоднократно,
можно выделить следующие основные
предлагаемые способы переработки: выщелачивание; обжиг; спекание с последующим выщелачиванием спека; пиролитические способы; микробиологическое разложение; использование при производстве
красителей, кирпичей, цемента, бетона,
керамики; вовлечение для производства
анодной массы.
Присутствие оксида железа в пыли
электрофильтров объясняется коррозией
газоходного тракта, горелочных устройств,
секций газосборного колокола электролизера, изготовляемых из чугуна и стали.
По данным спектрального полуколичественного анализа, в пыли электрофильтров зафиксировано повышенное содержание тяжелых цветных и черных металлов,
% мас., соответственно: Be – 0,001–0,003;
V – 0,01-0,03; W – 0,01–0,03; Ga – 0,03–
0,10; Fe – 0,1–1,5; Si – 0,01–0,1; Mg – 0,1–
0,3; Mn – 0,001– 0,003; Cu – 0,001–0,003;
Mo – 0,001–0,003; Ni – 0,003– 0,01; Pb –
0,1–0,3; Ti – 0,003–0,1; Cr – 0,001–0,03, и
др.
Пыль электрофильтров – это довольно тонкодисперсный вид отходов,
средний размер частиц которого варьируется от 10 до 25 мкм, средний размер частиц – 22,9 мкм (табл. 2). Дисперсный состав пыли электрофильтров зависит от
крупности используемого сырья, величин
разрежения в системе газоотсоса и объема
отходящих газов.
Удельное электросопротивление частиц пыли электрофильтров составляет
Таблица 2
Гранулометрический состав пыли электрофильтров
Table 2
Electrostatic precipitator dust particle size composition
Класс крупности, мкм / Particle-size class, μm
0–1
1–2
2–3
3–4
4–6
6–8
8–12
12–16
16–24
24–32
32–48
48–64
64–192
24,9
4,5
16,5
Содержание класса, % / Сlass contents, %
0
126
4,9
2,4
0
5,5
3,0
9,0
0
27,0
2,3
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
В настоящее время по ряду различных причин (низкая эффективность, сложность аппаратурного оформления, ухудшение качественных характеристик выпускаемого конечного продукта, экономическая
нецелесообразность и др.) ни один из существующих способов переработки пыли
электрофильтров не доведен до внедрения
в промышленном масштабе, в связи с этим
данный вид отходов производства первичного алюминия продолжает кумулятивно
накапливаться на шламовых полях алюминиевых предприятий.
Опыт переработки фторуглеродсодержащих материалов методом флотации
Бóльшая часть фторуглеродсодерИз системы газоочистки раствор,
жащих отходов, размещаемых на шламосодержащий NaF, Na2CO3, NaHCO3, Na2SO4
вых полях алюминиевых предприятий, оби шламы газоочистки, поступает в цех ПФС
разуется при производстве вторичного
в количестве 172 м3/ч для получения регекриолита (ВК) [8]. ВК – это смешанный пронерационного криолита по реакции:
дукт флотационного (при переработке
угольной пены) и регенерационного (при
12NaF + 1,5Na2O.Al2O3 +
переработке растворов «мокрой» газо+ 9NaHCO3→9Na2CO3 +
очистки) видов криолита, возвращаемого в
+ 2Na3AlF6 + 4,5H2O.
(5)
процесс электролиза.
Объем
газа
с
температурой
В УФС и ТГ ОАО «РУСАЛ Братск» в
промышленном
объеме освоена техноло85–150С, поступающий на газоочистку,
3
гия переработки шлама газоочистки путем
составляет 80–100 тыс. нм /ч. В пенные
совместной флотации с угольной пеной.
аппараты для улавливания фтористого воПроведенные эксперименты показали ходорода и диоксида серы с участка фторирошие технико-экономические результаты,
стых солей и транспортировки глинозема
в первую очередь по извлечению фтора во
(УФС и ТГ) подается свежеприготовленный
вторичный криолит и содержанию углерода
3–5%-ный раствор кальцинированной соды.
в хвостах флотации. Основной проблемой
Концентрация основного вещества рассчипри флотировании шлама явилось повытывается исходя из условия, чтобы в
шенное содержание в нем смолистых веосветленном растворе соотношение конществ (в среднем до 7%). После продолжицентраций NaHCO3 / NaF находилось в
тельных лабораторных исследований были
пределах 1,4–1,8.
подобраны оптимальные технологические
Процесс абсорбции HF, SO2, CO2
параметры. Разработанная технологичепротекает в пенном слое по следующим
ская схема включает отмывку пыли горячей
химическим реакциям [8]:
промывной водой после репульпации регенерационного криолита, измельчение в
Na2CO3 + HF = NaF + NaHCO3;
(1)
шаровой мельнице совместно с угольной
NaHCO3 + HF = NaF + H2O + CO2;
(2)
пеной, флотацию пульпы в три стадии. В
Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3;
(3)
табл. 3 приведены усредненные данные по
Na2CO3 + SO2 + 0,5O2 = Na2SO4 + CO2. (4)
результатам совместной флотации шлама
газоочистки и угольной пены.
Эффективность работы пенного апВнедрение данной технологии позпарата с трубчатой решеткой и стабилизаволило:
тором пены составляет, %: по HF – 98; по
– снизить расход керосина на 50%,
SO2 – 90–95; по пыли – до 50; по смолифлотационного масла – на 40%;
стым веществам – 50. Отработанный содо– повысить выход фторглиноземновый раствор с содержанием HF 12–15 г/л
го концентрата на 10%.
откачивается на переработку в отделение
регенерации.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
127
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Таблица 3
Результаты совместной флотации шламов газоочистки с угольной пеной
Table 3
The results of a combined flotation of gas cleaning slimes and coal foam
Содержание, % мас. / Contents, % wt
Продукт / Product
F
C
Al
Fe2О3
Исходный / Initial
23,16
27,74
16,16
1,88
Концентрат / Concentrate
45,0
0,5
32,0
3,1
Хвосты / Tailings
6,0
88,0
12,0
2,1
Экспериментальные исследования по снижению содержания сульфатов
в регенерационном криолите
Технология получения криолита
включает смешение фторсодобикарбонатного и алюминатного раствора в непрерывном режиме, кристаллизацию, обезвоживание и сушку криолита [8]. Недостатком данной технологии является получение криолита с высоким содержанием сульфата
натрия, который образуется при взаимодействии диоксида серы, содержащегося в
отходящих газах, с кальцинированной содой по реакции (4).
При кристаллизации криолита из
фторсодобикарбонатных растворов сульфаты адсорбируются на поверхности регенерационного криолита. Вредной примесью
является калий, который также адсорбируется на кристаллах криолита. Повышенное
содержание сульфатов в регенерационном
криолите приводит к снижению технологических показателей производства алюминия (снижение выхода по току, повышение
расхода фтористого алюминия).
Повышенный расход AlF3 в процессе
электролиза наблюдается из-за протекания
в электролите следующих побочных реакций:
3Na2SO4 + 2AlF3 + 2CO = 6NaF + Al2O3 +
+ 3CO2 + 3SO2;
(6)
3Na2SO4 + 2AlF3 + 1,5С = 6NaF + Al2O3 +
+ 1,5CO2 + 3SO2.
(7)
Все предлагаемые способы основаны на удалении сульфатов из растворов и
требуют сложной, громоздкой аппаратурнотехнологической схемы, больших энергоза128
трат; при этом остаточная концентрация
сульфат-иона составляет 35 г/л.
На УФС и ТГ ОАО «РУСАЛ Братск»
решение поставленной задачи достигается
двумя путями:
– кристаллизацией Nа2SO4 из растворов газоочистки с получением десятиводного сульфата натрия [10];
– отмывкой регенерированного
криолита горячим водным раствором.
Снижения концентрации сульфатов
в регенерационном криолите можно добиться за счет десорбции сульфат-ионов с
поверхности кристаллов криолита и растворения кристаллов сульфата натрия,
осевших совместно с натриевым криолитом.
Поставленная задача решается благодаря тому, что растворимость в воде
криолита значительно ниже, чем растворимость сульфата натрия. С повышением
температуры растворимость солей возрастает, поэтому важно найти оптимальные
температурные условия, при которых происходит эффективная десорбция сульфатионов с поверхности криолита и растворение сульфата натрия, но при этом необходимо свести к минимуму растворение ценного криолита, то есть переход в раствор
фтора.
Предлагаемая новая технология
включает дополнительную операцию отмывки, которая производится в бакемешалке при смешении пульпы регенерационного криолита и чистой воды, в качестве которой предложено использовать
конденсат от подогрева растворов в реак-
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
торе варки криолита. В конденсате не содержится сульфат-ионов, и поэтому из кристаллов криолита происходит десорбция
сульфатов и их растворение в данном растворе.
На процесс отмывки регенерационного криолита оказывают влияние следующие факторы: разбавление пульпы конденсатом – R (отношение Ж:Т), температура,
продолжительность отмывки. В ходе лабораторных исследований нами было изучено
влияние основных факторов на изменение
содержания сульфатов и фтора в криолите.
Установлено, что с повышением
температуры степень отмывки криолита
повышается, но при температуре выше
85°С снижается и содержание фтора в
криолите (рис. 3). В промывных водах повышается концентрация NaF, что свидетельствует о растворении криолита, а это
явление весьма нежелательно.
Кроме этого было выявлено, что с
увеличением продолжительности отмывки
содержание сульфатов в криолите снижается. Однако при проведении операции отмывки более 60 мин в криолите снижается
и содержание фтора, что также нежелательно. Поэтому была принята оптимальная продолжительность промывки криолита
конденсатом – в пределах 50–60 мин.
На рис. 4 приведены данные по влиянию R на степень отмывки от сульфатов и
повышения содержания фтора в регенерационном криолите. С повышением R до 7
(Ж:Т = 7:1) данные показатели возрастают,
но с дальнейшим увеличением R уменьшается степень перехода сульфат-иона и
фтора в раствор, поэтому оптимальное
значение R принято равным 7.
В результате внедрения схемы горячей отмывки регенерационного криолита
от сульфатов в УФС и ТГ ОАО «РУСАЛ
Братск» (при объеме производства ВК
50532 т/год) достигнуты следующие показатели (табл. 4).
Рис. 3. Зависимость содержания в криолите (при его отмывке)
сульфатов (1) и фтора (2) от температуры
Fig. 3. Temperature dependence of sulphate (1) and fluorine (2) content
in cryolite (under washing)
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
129
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Рис. 4. Зависимость содержания в криолите (при его отмывке) сульфатов (1) и фтора (2)
от отношения Ж:Т в пульпе
Fig. 4. Dependence of sulphate (1) and fluorine (2) content in cryolite (under washing)
on the pulp liquid-to-solid ratio
Таблица 4
Технологические показатели процесса электролиза при использовании
вторичного криолита, полученного с организацией стадии отмывки
Table 4
Electrolysis process parameters when using secondary cryolite (SC)
obtained through washing stage organization
До применения
отмывки /
Before washing
После применения
отмывки /
Содержание фтора в ВК,
% мас. / Fluorine content
in SC, % wt.
44,06
47,34
+3,28
Содержание SO4-2 в ВК,
% мас. / SO4-2 content in
SC, % wt.
3,94
1,62
-2,32
Криолитовое отношение
ВК / Cryolite ratio of SC
2,82
2,74
-0,8
Расход AlF3, т/год / AlF3
consumption, ton in year
1602,0
975,6
-626,4
Показатель / Indicator
130
After washing
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
Эффективность /
Efficiency
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
В результате проведенных исследований разработана технология получения
регенерационного криолита с пониженным
содержанием
сульфат-иона,
которая
предусматривает промывку сгущенного
криолита конденсатом при Ж:Т = 7:1 и тем-
пературе 75°С в течение 45–60 мин, в результате чего достигнуто снижение содержания сульфат-иона в среднем на 59,6% и
повышение содержания фтора во вторичном криолите на 7,44%.
Заключение
Производство алюминия сопровождается образованием значительного количества отходов, содержащих ценные компоненты. В ОАО «РУСАЛ Братск» ведутся
работы, направленные на переработку техногенного сырья с целью извлечения ценных компонентов и возврата их в технологический процесс. Проведены работы по
совместной переработке пыли, шлама газоочистки с угольной пеной методом фло-
тации, которые позволили достичь улучшенных показателей по выходу фторглиноземного концентрата (на 10%) и содержанию углерода в хвостах флотации (до
88,0% мас.). Также определены оптимальные параметры технологии получения регенерационного криолита с пониженным
содержанием сульфатов, что приводит к
снижению расхода фтористого алюминия
на 626,4 т/год.
Библиографический список
1. Сизяков В.М., Власов А.А., Бажин В.Ю. Стратегиская Е.В. Технологические, экономические и эколоческие задачи металлургического комплекса
гические аспекты переработки техногенного сырья
России // Цветные металлы. 2016. № 1. С. 32–38.
горно-металлургических предприятий // Новые тех2. Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Школьников С.Н.
нологии обогащения и комплексной переработки
Электрометаллургия алюминия и магния. М.: Метруднообогатимого природного и техногенного миталлургия, 1987. 320 с.
нерального сырья: материалы Междунар. совещ.
3. Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин
«Плаксинские чтения 2011». Верхняя Пышма, 2011.
Н.М., Минцис М.Я., Сиразутдинов Г.А. Металлургия
С. 6–12.
алюминия. Новосибирск: Наука, 1999. 438 с.
8. Куликов Б.П., Истомин С.П. Переработка отходов
4. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to Aluminium
алюминиевого производства. Красноярск: Классик
Electrolysis // Dusseldorf Aluminium Verlag, 1993.
Центр, 2004. 480 с.
260 p.
9. Гавриленко Л.В., Гавриленко А.А. Колонная фло5. Пингин В.В., Третьяков Я.А., Радионов Е.Ю.,
тация угольной пены на БрАЗе // Материалы межреНемчинова Н.В. Перспективы модернизации ошигион. науч.-практ. конф. Братск, 2004. С. 147–148.
новки электролизера С-8БМ (С-8Б) // Цветные ме10. Пат. 2215689 РФ, МПК 7 C01D5/00, C22B7/00.
таллы. 2016. № 3. С. 35–41.
Способ кристаллизации сульфата натрия из раство6. Buzunov V., Mann V., Chichuk E., Frizorger V.,
ров газоочистки электролитического производства
Pinaev A., Nikitin E. The First Results of the Industrial
алюминия / А.Г. Баранцев, Л.В. Гавриленко,
Application of the EcoSoderberg Technology at the
В.В. Чупров: заявитель и патентообладатель ОАО
Krasnoyarsk Aluminium Smelter // Light Metals, 2013.
«Братский алюминиевый завод». № 2001121334/02;
P. 573–576.
заявл. 30.07.2001; опубл. 10.11.2003.
7. Рудой Г.Н., Волкова Н.А., Шадрунова И.В., ЗелинReference
1. Sizyakov V.M., Vlasov A.A., Bazhin V.Yu. Strate[Aluminum metallurgy]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1999,
gicheskie zadachi metallurgicheskogo kompleksa Ros438 p. (in Russian)
sii [Strategic tasks of a Russian metallurgical complex].
4. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to Aluminium
Tsvetnye metally [Non-ferrous metals]. 2016, no. 1,
Electrolysis // Dusseldorf Aluminium Verlag, 1993,
pp. 32–38. (In Russian)
260 p.
2. Vetyukov M.M., Zyplakov A.M., Shkol'nikov S.N.
5. Pingin V.V., Tretyakov Ya.A., Radionov E.Yu., NemJelektrometallurgija aljuminija i magnija [Aluminum and
chinova N.V. Perspektivy modernizacii oshinovki
jelektrolizera S-8BM (S-8B) [Modernization perspecmagnesium electric metallurgy] Moscow, Metallurgija
tives for the bus arrangement of S-8BM (S-8B)]. TsvetPubl., 1987, 320 p. (in Russian)
nye metally [Non-Ferrous Metals]. 2016, no. 3,
3. Borisoglebskij Ju.V., Galevsky G.V., Kulagin N.M.,
Mintsis M.J., Sirazutdinov G.A. Metallurgija aljuminija
pp. 35–41. (in Russian)
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
131
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
6. Buzunov V., Mann V., Chichuk E., Frizorger V.,
Pinaev A., Nikitin E. The First Results of the Industrial
Application of the EcoSoderberg Technology at the
Krasnoyarsk Aluminium Smelter. Light Metals, 2013,
рр. 573–576.
7. Rudoi G.N., Volkova N.A., Shadrunova I.V., Zelinskaya E.V. Tekhnologicheskie, ekonomicheskie i
ekologicheskie aspekty pererabotki tekhnogennogo
syr'ya gorno-metallurgicheskikh predpriyatii [Technological, economic and environmental aspects of the
processing of technogenic raw materials of mining and
metallurgical enterprises]. Novye tekhnologii obogashcheniya i kompleksnoi pererabotki trudnoobogatimogo prirodnogo i tekhnogennogo mineral'nogo syr'ya:
materialy Mezhdunarodnogo Soveshchaniya “Plaksinskie chteniya 2011” [New technologies of enrichment
and processing of refractory complex of natural and
technogenic mineral raw material: materials of international meetings “Plaksin readings 2011”]. Verkhnyaya
Pyshma, 2011, pp. 6–12. (In Russian)
8. Kulikov B.P., Istomin S.P. Pererabotka otkhodov
alyuminievogo proizvodstva [Recycling of aluminum
production wastes]. Krasnoyarsk, Klassik Centr Publ.,
2004, 480 p. (In Russian)
9. Gavrilenko L.V., Gavrilenko A.A. Kolonnaya flotatsiya
ugol'noi peny na BrAZe [Column flotation of coal foam
in BrAZ]. Materialy Mezhdunarodnoi nauchnoprakticheskoi konferentsii [Materials of interregional
scientific-practical
conference].
Bratsk,
2004,
pp. 147–148. (In Russian)
10. Barantsev A.G., Gavrilenko L.V., Chuprov V.V.
Sposob kristallizacii sul'fata natrija iz rastvorov gazoochistki jelektroliticheskogo proizvodstva aljuminija The
method of crystallization of sodium sulfate from gas
cleaning solutions of electrolytic aluminum production].
Patent RF, no. 2215689, 2003.
Критерии авторства
Зенкин Е.Ю., Гавриленко А.А., Немчинова Н.В. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Zenkin E.Yu., Gavrilenko A.A., Nemchinova N.V. have
equal authorship rights and responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests.
конфликта
Статья поступила 28.02.2017 г.
132
The article was received 28 February 2017
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Оригинальная статья /Original article
УДК 628.33
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-133-144
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
В ПРОЦЕССАХ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ
ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
© Т.И. Халтурина1, Н.И. Маркин2, Е.А. Сысоева3
Сибирский федеральный университет,
Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований процесса извле6+
2+
2+
2+
чения компонентов – ионов Cr , Cu , Zn , Ni , из сточных вод гальванических производств при использовании
раствора, полученного из гранулированного металлургического шлака, а также данные по изучению состава об6+
2+
2+
разующегося осадка. Цель исследования – изучение процесса извлечения компонентов – ионов Cr , Cu , Zn ,
2+
Ni , из стоков, содержащих ионы цветных и тяжелых металлов, при применении раствора смешанного коагулянта, полученного из гранулированного шлака, что является актуальным, так как позволяет решать проблемы снижения техногенного воздействия на окружающую природную среду. МЕТОДЫ. Концентрация ионов, перешедших
в раствор при обработке шлака серной кислотой, была определена с помощью атомно-эмиссионного спектро6+
2+
2+
2+
метра с индуктивно-связанной плазмой ICAP-6500. Концентрацию ионов Cr , Cu , Zn , Ni определяли на
атомно-абсорбционном спектрометре 3300 производства фирмы Perkin-Elmer с пламенным атомизатором. Анализ химического состава осадка был выполнен термогравиметрическим методом на приборе NETZSCHSTA
449F1 в режиме ДСК–ТГ, в атмосфере АZ, в диапазоне 30/20.0 (К/мин)/1000, при использовании программного
обеспечения NETZSCH Proteus. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Для получения математической модели и
выявления оптимальных режимов извлечения ионов хрома при реагентной обработке смешанным коагулянтом
хромсодержащих стоков был проведен плановый эксперимент по методу Бокса – Хантера. Графические интер6+
претации в виде поверхностей для регулирования процесса извлечения ионов Cr , с учетом техникоэкономических показателей, были сделаны в программе Mathcad. Учитывая, что на предприятиях в гальваниче2+
2+
2+
ском производстве образуются стоки, содержащие также ионы Cu , Zn , Ni , была изучена возможность их
совместной обработки с хромстоками с использованием раствора, полученного из гранулированного шлака металлургического производства. В ходе исследований была проведена сравнительная оценка эффективности
6+
2+
2+
2+
процесса извлечения компонентов – ионов Cr , Cu , Zn , Ni , при различных условиях обработки. Были иссле6+
2+
дованы свойства и состав осадка, образующегося после обработки сточных вод, содержащих ионы Cr , Cu ,
2+
2+
Zn , Ni , раствором реагента, полученным из гранулированного металлургического шлака для разработки технологии его утилизации. ВЫВОДЫ. Установлено, что для технологического процесса извлечения ионов хрома
смешанным коагулянтом, полученным из металлургического шлака, оптимальными условиями являются: величина pH = 2,5, доза реагента = 7,3 г на 1 г шестивалентного хрома, что в 1,6 раз меньше по сравнению с товар6+
2+
2+
2+
ным реагентом FeSO4. Выявлено, что наибольший эффект извлечения компонентов – Cr , Cu , Zn , Ni , достигается при следующих условиях проведения процесса обработки сточных вод: pH=2,08 с последующей корректи3
3
6+
2+
ровкой величины до 8,04; доза реагента = 546 мг/дм при концентрации компонентов, мг/дм : Cr – 120; Cu – 84;
2+
2+
Zn – 10; Ni – 12; время протекания реакции – 10 мин, при аэрации в течение 30 мин. Анализ химического состава осадка показал содержание различных форм железа (Fe 2O3, FeO·Fe2O3, FeOOH) и алюминия (Al2O3∙H2O),
которые имеют более высокую внутреннюю и поверхностную энергию и, следовательно, сорбционную способность для осуществления глубокого извлечения компонентов из сточных вод.
6+
2+
2+
,2+
Ключевые слова: сточные воды; гальваническое производство; извлечение ионов Cr , Cu , Zn , Ni ; металлургический шлак; термограммы.
___________________________
1
Халтурина Тамара Ивановна, кандидат химических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий
и сооружений Инженерно-строительного института, e-mail: THal1965@yandex.ru
Tamara I. Khalturina, Candidate of Chemical sciences, Professor, a professor of the Department of engineering systems
of buildings and structures, e-mail: THal1965@yandex.ru
2
Маркин Николай Игоревич, магистрант, е-mail: hawk1409@yandex.ru
Nikolay I. Markin, a master degree student, е-mail: hawk1409@yandex.ru;
3
Сысоева Екатерина Андреевна, магистрант, е-mail: kateandr16@mail.ru
Ekaterina A. Sysoeva, a master degree student, е-mail: kateandr16@mail.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
133
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Формат цитирования: Халтурина Т.И., Маркин Н.И., Сысоева Е.А. Использование отходов металлургического
производства в процессах обезвреживания сточных вод гальванических предприятий машиностроения // Вестник
Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 133–144 DOI: 10.21285/1814-35202017-3-133-144
USE OF METALLURGICAL WASTE WHEN DECONTAMINATING WASTEWATER AT ELECTROPLATING
MACHINE BUILDING ENTERPRISES
T.I. Khalturina, N.I. Markin, E.A. Sysoeva
Siberian Federal University,
79, Svobodny Prospect, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation.
6+
2+
2+
ABSTRACT. PURPOSE. The paper presents the results of experimental studies of extraction of ions Cr , Cu , Zn ,
2+
Ni from wastewater of electroplating industries using a solution of granulated slag as well as data on the composition of
6+
2+
2+
2+
the generated slag. The research aims to study extracting ions Cr , Cu , Zn , Ni from wastewater containing ions of
non-ferrous and heavy metals using the solution of granulated slag. It allows to solve the problem of reducing technogenic impact on the environment. METHODS. The concentration of ions transformed into the solution when processing slag
with sulfuric acid, was determined using an atomic emission spectrometer with an inductively coupled plasma ICAP6+
2+
2+
2+
6500. The concentration of ions Cr , Cu , Zn , Ni was determined using an atomic absorption spectrometer 3300
Perkin-Elmer with a flame atomizer. The chemical composition of the sludge was analyzed using a thermal gravimetric
method with NETZSCH STA 449F1 in mode DSC–TG, in atmosphere AZ, in range 30/20.0 (K / min) / 1000 using NETZSCH Proteus software. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. To generate a mathematical model and identify the
optimal conditions of extraction of chromic ions during the reactant treatment of chromic wastewater with mixed coagulant a planned experiment according to the method of Box-Hunter was conducted. Graphic interpretations as surfaces for
6+
controlling extraction of ions Cr based on technical and economic indicators were generated in Mathcad. Given that the
2+
2+
2+
electroplating industries also produce wastewater containing ions Cu , Zn , Ni , the possibility of the combined treatment with chromic wastewater using the solution of granulated metallurgical slag was studied. The comparison of effi6+
2+
2+
2+
ciency of Cr , Cu , Zn , Ni extraction under different treatment conditions was carried out. Properties and composi6+
2+
2+
2+
tion of wastewater containing Cr , Cu , Zn , Ni were studied using a reactant solution of granulated metallurgical
slag in order to develop a utilization method. CONCLUSIONS. The optimal extraction conditions for chromium ions using
mixed coagulant generated from metallurgical slag are as follows: pH = 2.5, a reactant dose = 7.3 g per 1 g hexavalent
6+
2+
2+
2+
chromium, which is 1.6 times less compared to a trademark reactant FeSO 4. The best results of Cr , Cu , Zn , Ni
3
extraction are achieved under the following conditions: pH = 2.08, a reactant dose = 546 mg/dm with concentration of
3
6+
2+
2+
2+
components, mg/dm : Cr – 120, Cu – 84, Zn – 10, Ni – 12; a reaction time is 10 min. and then adjusting the
magnitude pH = 8,04 under aeration for 30 min. The analysis of the chemical composition of a sediment by a thermogravimetric method using NETZSCH STA 449F1 showed the content of different iron (Fe 2O3, FeO Fe 2O3, FeOOH) and
aluminum (Al2O3∙H2O) types which have higher internal and surface energy and sorption capacity for waste water treatment.
Keywords: wastewater; electroplating production, extraction of ions Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ni,2+; metallurgical slag;
thermogram
For citation: Khalturina T.I., Markin N.I., Sysoeva E.A. Use of metallurgical waste when decontaminating wastewater at
electroplating machine building enterprises. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3,
pp. 133–144. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-133-144
Введение
В гальванических производствах
предприятий машиностроения образуются
стоки, содержащие ионы тяжелых и цветных металлов, соединения которых используются в качестве ингредиентов технологических растворов в процессе нанесения защитных или декоративных покрытий. Компоненты таких сточных вод обладают широким спектром токсического действия с многообразными проявлениями и с
долговременными последствиями, поэтому
требования к их обезвреживанию высоки
134
[1–3]. Отходы производств защитных покрытий также наносят экономический
ущерб, поскольку являются ценным химическим сырьем [4]. В настоящее время известны совершенные методы извлечения
компонентов стоков, содержащих ионы
цветных и тяжелых металлов, однако на
многих предприятиях продолжают использовать реагентную обработку [5]. Так как
процесс обезвреживания носит непрерывный характер, это затрудняет установку современного технологического оборудова-
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
ния на старых площадях. В связи с этим
совершенствование существующих методов для извлечения компонентов – ионов
тяжелых и цветных металлов, из сточных
вод гальванического производства является актуальным.
Цель настоящего исследования –
изучение процесса извлечения компонен-
тов – ионов Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ni,2+, из стоков
гальванических производств при применении раствора смешанного коагулянта, полученного из гранулированного шлака. Тема является актуальной, поскольку позволяет решать проблемы снижения техногенного воздействия на окружающую природную среду.
Методы и результаты исследования
Состав металлургического гранулированного шлака был определен с помощью рентгенофазового (РФА) и рентгеноспектрального анализов (РСА) [6]. В табл. 1
представлен химический состав образца
шлака (по данным РСА).
Проведенные ранее исследования о
возможности получения реагента из гранулированного металлургического шлака путем обработки его серной кислотой (Н 2SО4)
позволили найти оптимальные режимы
процесса: расход кислоты на г. шлака –
0,6–0,8 г; продолжительность обработки –
1,5–3 часа; температура обработки – 35–
50ºС [7].
Концентрация ионов, перешедших в
раствор при обработке шлака, была определена с помощью атомно-эмиссионного
спектрометра
с
индуктивно-связанной
плазмой ICAP-6500. Данные исследований
показали, что в растворе в значительном
количестве содержатся ионы Fe2+, Al3+ и
активная кремниевая кислота, что характеризует его как смешанный коагулянт. Как
известно, смешанный коагулянт обладает
более эффективными коагулирующими
свойствами, позволяющими заметно снизить чувствительность процесса коагуляции к солевому составу и расширить ее зоны. На первом этапе для выявления возможности использования смешанного коагулянта в процессе извлечения ионов хрома проводился плановый эксперимент по
методу Бокса – Хантера, что позволило
выявить оптимальные режимы.
Для основных варьируемых факторов, от которых зависит процесс извлечения ионов хрома, были приняты следующие обозначения: X1 – исходная концентрация ионов Cr6+ в стоках; мг/дм3; X2 – рН;
X3 – доза реагента, мг/дм3 (табл. 2). Оценочными критериями являлись: Y1 – остаточная концентрация ионов хрома, мг/дм3;
Y2 – объем осадка, %.
Таблица 1
Химический состав шлака,% мас.
Table 1
Chemical composition of slag, % mas.
Элемент /
Element
O
Fe
Si
C
Ca
Al
S
Na
Концентрация /
Concentration
35,9435
27,8176
17,5664
3,8917
3,8464
3,6342
2,3717
1,5378
ISSN 1814-3520
Элемент /
Element
Mg
K
F
Ti
Cu
Ni
Co
Cr
Концентрация /
Concentration
1,3917
0,8663
0,3009
0,196
0,1907
0,1182
0,0958
0,0628
Элемент /
Element
Mn
Ba
P
Zn
Sr
Cl
Rb
Концентрация /
Concentration
0,0561
0,0401
0,0186
0,0216
0,0149
0,0127
0,0043
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
135
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Таблица 2
Факторы, интервалы и уровни варьирования
Table 2
Factors, intervals and levels of variation
Уровень варьирования / level of variation
Фактор /
Factor
Интервал варьирования /
Intervalof variation
-1,68
-1
0
+1
+1,68
Х1
30
40,6
65
95
125
145,4
Х2
0,5
1,66
2,0
2,5
3,0
3,34
Х3
1,4
1,2
2,2
3,6
5,0
6,0
Планирование эксперимента при исследовании технологического процесса извлечения ионов хрома из сточных вод позволило получить математическую модель
для выявления значимости факторов и
степени их взаимодействия. Уравнения регрессии в безразмерном масштабе имеют
вид:
– для остаточной концентрации
ионов хрома:
2
Y1 =0,952+7,518∙X1-10,251∙X3+2,65∙X1 - 0,487∙X22+6,515∙X32-8,977∙X1∙X3;
– для объема осадка:
Y2 =19,348-0,68∙X2+1,026∙X3-0,519∙X12- 0,856∙X32+1,338∙X1∙X2.
Уравнения регрессии в натуральном
масштабе имеют вид:
– для остаточной концентрации
ионов хрома:
Y1 = 1,065+0,423∙Z1-10,423∙Z3+
+3,145∙10-3∙Z12-0,109∙Z22+
+3,258∙Z32-0,214∙Z1∙Z3;
– для объема осадка:
Y2 = 21,899-7,449∙Z2+3,87∙Z3-8,045∙10-4∙Z12- 0,435∙Z32+0,064∙Z1∙Z2.
Анализ уравнений регрессии показал, что эффективность процесса извлечения в большей степени зависит от дозы реагента и исходной концентрации ионов ше136
стивалентного хрома и меньше – от рН. На
объем осадка наибольшее влияние оказывает доза реагента и в меньшей степени
рН.
Данные эксперимента также были
обработаны по методу Брандона (для
определения оптимальных условий процесса извлечения) и позволили получить
нелинейную функцию вида
y=kf1(Х1) f2(Х2) f3(Х3),
где у – значение выборки; fк(Хк) – зависимость выходного параметра от параметра
входа; k – поправочный коэффициент, численно близкий к среднему значению;
После обсчета и графического построения были получены соотношения:
– по остаточной концентрации ионов
хрома:
у=1,28·(-0,9925x2+4,8934x-4,8004)·(0,00003x2-0,0319x+8,9052)·(0,0004x2-0,0592x+1,9655);
– по объему осадка:
y=1,28·(0,000002x2+0,0016x+
+0,6085)·(0,0213x2-0,1912x+1,4675)·(0,000001x2-0,0003x+0,9392).
На рис. 1 представлена зависимость
нормализованных значений остаточной
концентрации ионов хрома от дозы реагента.
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
6,000
У1, мг/дм3 / mg/dm3
5,000
4,000
y = 0,00003x2 - 0,0319x + 8,9052
3,000
2,000
1,000
0,000
0
-1,000
200
400
600
800
Доза реагента, мг/дм3 / Dose of reagent, mg/dm3
Рис. 1. Зависимость нормализованных значений остаточной концентрации ионов хрома
от дозы реагента
Fig. 1. Dependence of the normalized values of the residual concentration of chromium ions on the dose
of reagent
Графические интерпретации в виде
поверхностей регулирования процесса реагентной обработки с целью извлечения
ионов
хрома,
с
учетом
техникоэкономических показателей, были сделаны
в программе Mathcad для минимизации
оценочных критериев и последующей
автоматизации. Регулировочные диаграммы представлены на рис. 2.
Результаты исследований процесса
извлечения ионов хрома из сточных вод с
помощью планирования эксперимента по
методу Бокса – Хантера и обсчет полученных данных по методу Брандона позволили
определить оптимальные режимы по величине pH, равной 2,5, и дозе реагента, равной 475 мг/дм3, для концентрации ионов
хрома 65 мг/дм3. То есть на 1 г шестивалентного хрома удельный расход реагента
составляет 7,3 г, что в 1,6 раза меньше по
сравнению с товарным реагентом.
После
реагентной
обработки
хромстоков и последующей корректировки
величины рН образовался осадок.
Для анализа химического состава
осадка наряду с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) был применен термогравиметрический метод (ТГ),
основанный на изменении массы используемых образцов при нагревании в зависимоISSN 1814-3520
сти от температуры. Исследования проводились на приборе NETZSCHSTA 449F1 в
режиме ДСК–ТГ, в атмосфере АZ, в диапазоне 30/20.0 (К/мин)/1000, при использовании
программного
обеспечения
NETZSCH Proteus. Термограмма представлена на рис. 3 в виде кривых дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК),
мкВ/мг; дифференциально-термогравиметрического (ДТГ) анализа, %/мин, и термовесовой (ТГ) кривой, %. Из термограммы
видно, что при t = 109С возникает
эндоэффект, который объясняется дегидратацией (потерей адсорбированной воды).
Термоэффект при t = 183,8С характерен
как для кристобалита (α-SiO2), так и для
гетита
(α-FeOOH).
Экзоэффект
при
t = 336,3С связан с дегидратацией гетита и
переходом его в магнетит. При этом возможно образование промежуточного продукта бемита (Al2O3·H2O) и мало гидратированного оксида хрома (Cr2O3·H2O). При
дальнейшем увеличении температуры до
552 и 660,9С наблюдается полиморфное
превращение α-Fe2O3 в γ-Fe2O3, а также
возможно выделение конституционной воды, образование γ-Al2O3 и феррита хрома
(FeO·Cr2O3).
Термоэффект
при
t = 912,9C объясняется наличием в образце магнетита (FeO·Fe2O3) [8].
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
137
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
а
b
c
Рис. 2. Регулировочные диаграммы процесса извлечения ионов хрома из сточных вод
6+
3
при исходной концентрации ионов Cr , мг/дм : 40,6 (а); 95 (b); 125 (с)
Fig. 2. Regulatory diagrams of extraction of chromium ions from wastewater
6+
3
at the initial concentration of Cr ions, mg / dm : 40.6 (a); 95 (b); 125 (c)
138
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Рис. 3. Термограмма осадка хромсодержащих сточных вод
Fig. 3. The thermogram of a sediment chrome-based wastewater
Таблица 3
Характеристика осадка хромсодержащих стоков
Table 3
Characteristics of chromium wastewater sludge
Сухой
остаток
Влажность,
Плотность,
W, % /
ρ, г/см3 /
(105С), г/дм3 /
3
Wetness, % Density, g/cm
Dryresidue
(105С), g/dm3
98
0,97
25,8
Остаток после
прокаливания
(900С), г/дм3
Residue after
calcination
(900С), g/dm3
15,2
ППП / LOI
Зольность,
%/
Ash, %
г/дм3 /
g/dm3
%
r, см/г /
cm/g
58,9
10,6
41,09
94,4·1010
Примечание. ППП – потери при прокаливании; r – удельное сопротивление осадка фильтрации.
Note. LOI – loss on ignition; r – resistivity of the filtration sludge.
Данные по изучению свойств осадка можно использовать для разработки технологии утилизации / Data on properties of the precipitate can be used to develop utilization methods
В табл. 3 дана характеристика осадка хромсодержащих стоков.
Учитывая, что на предприятиях в
гальваническом производстве образуются
стоки, содержащие не только ионы шестивалентного хрома, но и ионы Cu2+, Zn2+,
ISSN 1814-3520
Ni,2, была изучена возможность их совместного извлечения при применении раствора смешанного коагулянта, полученного
из гранулированного шлака металлургического производства. Ранее в работе [6] были представлены результаты по изучению
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
139
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
процесса извлечения ионов меди из сточных вод с использованием раствора реагента, являющегося смешанным коагулянтом. При этом было установлено, что
удельный расход ионов железа для удаления из сточных вод 1 г ионов меди составлял 5,1 г, что в 2,9 раза меньше, чем доза
товарного реагента (FeSO4).
Концентрацию ионов Cr6+, Cu2+, Zn2+,
2+
Ni
также определяли на атомноабсорбционном спектрометре 3300 производства фирмы Perkin-Elmer с пламенным
атомизатором, описанном в работе [9]. Реагентная обработка для совместного извлечения компонентов проводилась аналогичным образом: сточная вода, содержащая ионы, мг/дм3: Cr6+– 120, Cu2+– 84,
Zn2 +– 10, Ni2+– 12, помещалась в емкость,
куда подавали раствор реагента при дозе
564 мг/дм3. Перемешивание с помощью
магнитной мешалки осуществляли в течение 10–15 мин, при этом определялась величина рН с помощью рН-метра производства HANNA Instruments. Величина рН после реагентной обработки жидкости доводилась до значения 8,02–8,5 при добавлении раствора NaOH для последующего отделения осадка. В отличие от предыдущих
исследований некоторые пробы подвергались аэрации в течение 30 мин, после чего
осуществляли отстаивание. Результаты
исследований представлены в табл. 4, эффективность процесса извлечения компонентов наглядно продемонстрирована на
гистограмме (рис. 4).
Как видно из рис. 4, наибольший
эффект извлечения компонентов при обработке сточных вод, содержащих ионы Cr6+,
Cu2+, Zn2+, Ni2+, достигается при: pH=2,08 с
последующей корректировкой величины до
8,04; дозе реагента – 564 мг/дм3; времени
протекания реакции – 10 мин; аэрации в
течение 30 мин. Эти условия позволяют
осуществить глубокое обезвреживание стоков с целью снижения техногенной нагрузки
на окружающую среду и их использование
в оборотной системе водоснабжения при
утилизации отходов металлургического
производства.
Авторами также была изучена динамика процесса седиментации сточных
вод, содержащих ионы Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ni2+,
результаты данных эксперимента приведены в табл. 5, где у – объем осадка, %;
х – продолжительность отстаивания, мин.
Таблица 4
Результаты исследования процесса реагентной обработки стоков
Table 4
The research results for reagent treatment of wastewater
pH
исх. /
pH
initial
рН
после
обработки /
pH
After
processing
Время
протекания
реакции,
мин /
Reaction time,
min
Аэрация /
Aeration
1
2,8
8,47
15
есть
yes
2
1,95
8,46
15
3
2,8
8,50
4
2,08
5
2,05
Номер
пробы /
Sample
number
140
3
Время
проведения
аэрации,
мин /
Time
of aeration,
min
Остаточная концентрация ионов, мг/дм /
3
Residualion concentration, mg/dm
Cu
Ni
Zn
Cr
30
0,009678
0,029727
0,000799
0,0022
есть
yes
30
0,001230
0,038375
0,001032
0,0021
15
нет
no
–
0,00227
0,031782
0,000854
0,0075
8,06
10
есть
yes
30
0,000951
0,022571
0,000607
0,0024
8,02
10
нет
no
–
0,003218
0,17853
0,004800
0,0071
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
100
99,5
99
98,5
98
97,5
Cu Ni Zn Cr
1
Cu Ni Zn Cr
2
Cu Ni Zn Cr
3
Cu Ni Zn Cr
4
Cu Ni Zn Cr
5
Рис. 4. Зависимость эффективности извлечения компонентов от условий проведения
6+
2+
2+
2+
Процесса обработки сточных вод, содержащих ионы Cr , Cu , Zn , Ni :
1 – время протекания реакции – 15 мин; pH=2,8 с последующей корректировкой величины до 8,4;
аэрация в течение 30 мин;
2 – время протекания реакции – 15 мин; pH=1,95 с последующей корректировкой величины до 8,4;
аэрация в течение 30 мин;
.
3 – время протекания реакции – 15 мин; pH=2,8 с последующей корректировкой величины до 8,4;
.
4 – время протекания реакции – 10 мин; pH=2,08 с последующей корректировкой величины до 8,04;
аэрация в течение 30 мин;
.
5 – время протекания реакции – 10 мин; pH=2,05 с последующей корректировкой величины до 8,02.
Fig. 5. Dependence of the effect extraction efficiency components on the conditions of sewage treatment
6+
2+
2+
2+
containing ions Cr , Cu , Zn , Ni :
1 – reaction time – 15 min; pH=2.8 followed by adjustment to 8.4; aeration for 30 min;
2 – reaction time – 15 min; pH=1.95 followed by adjustment to 8.4; aeration for 30 min;
3 – reaction time – 15 min; pH=2.8 followed by adjustment to 8.4;
4 – reaction time – 10 min; pH=2.08 followed by adjustment to 80.4; aeration for 30 min;
5 – reaction time – 10 min; pH=2.05 followed by adjustment to 8.02
Таблица 5
Объем осадков при различной продолжительности отстаивания
Table 5
The volume of precipitation for different precipitation periods
Объем
осадка, V, % /
Volume
of precipitation, %
у1
у2
у3
у4
у5
Объем
осадка, V, % /
Volume
of precipitation, %
у1
у2
у3
у4
у5
ISSN 1814-3520
Продолжительность отстаивания, х, мин /
Period of precipitation, x, min
0
1
2
3
3,5
100
100
100
100
100
94,55
98,00
96,15
98,08
94,23
10
15
20
30
40
29,09
77,00
31,73
90,38
42,31
52,45
64,00
29,62
84,62
34,62
22,73
56,00
24,00
76,92
32,69
18,18
44,00
22,00
62,50
26,92
17,00
36,00
21,50
55,00
22,00
4
4,5
5
6
45,45
92,00
63,46
94,23
59,61
41,82
91,00
58,65
94,23
59,61
37,28
88,00
52,88
94,23
52,88
60
80
120
16,00
32,00
21,00
42,00
20,00
15,00
28,00
20,50
32,00
19,50
14,55
22,00
20,19
24,04
18,27
85,46
80,77
69,23
49,09
96,00
94,00
94,00
93,00
91,35
78,85
67,31
67,31
96,15
96,15
95,19
94,23
89,42
67,30
67,30
67,30
Продолжительность отстаивания, х, мин /
Period of precipitation, x, min
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
141
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
Как видно из представленных данных, при оптимальном расходе реагента –
Др = 564 мг/дм3, объем образующегося
осадка составляет 20%. Осадок уплотняется в течение 50 мин.
По данным, представленным в табл.
5, с помощью табличного процессора Excel
были получены следующие уравнения аппроксимации:
дифференциальная сканирующая калориметрия, мкВ/мг; ТГ – кривая изменения
массы, %; ДТГ – дифференциальная термогравиметрическая кривая, %/мин (рис. 5).
Как видно из термограммы (см. рис.
5), на кривой ДСК наблюдается три
эндоэффекта
и
один
экзоэффект.
Эндоэффект, отмеченный при температуре
138,9ºС, связан с дегидратацией. Термоэффект при температуре 186,2ºС также
объясняется удалением воды, занимающей
по характеру связи промежуточное положение между адсорбционной и химически
связанной и указывает на тонкодисперсный
гетит (α-FeOOH). При t =374,3ºС экзоэффект характерен для разрушения структуры гетита и образования гематита (αFe2O3), при этом возможно также образование
бемита(Al2O3∙H2O).
Пик
при
t =712,9ºС указывает на обратимое полиморфное
превращение
α-Fe2O3
в
γ-Fe2O3.Термогравиметрические
кривые
показывают, что основные тепловые эффекты сопровождаются изменением массы
образца в зависимости от температуры,
при этом остаточная его масса составляет
85,5%. Различные формы железа (Fe2O3,
FeOFe2O3, FeOOH) и алюминия (Al2O3∙H2O)
имеют более высокую внутреннюю и поверхностную энергию и, следовательно,
более высокую сорбционную способность.
у1 = 0,0235х3– 3,0312х2– 2,8246х + 102,25;
R2 = 0,976;
3
у2 = -0,0001х + 0,433х2 – 11,185х + 105,68;
R2= 0,0056;
3
у3 = -0,0029х + 0,433х2– 0,6696х + 98,616;
R2 = 0,988;
3
у4 = 0,0002х – 0,0238х2 – 0,6696х + 98,616;
R2 = 0,999
3
у5 = -0,0013х + 0,2104х2– 7,3399х + 97,181;
R2 = 0,9635.
Характеристика осадка сточных вод,
содержащих ионы Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ni2+,
представлена в табл. 6.
Для определения состава осадка
сточных вод, содержащих ионы Cr.6+, Cu2+,
Zn2+, Ni,2+ , была снята термограмма с помощью термогравиметрического анализа.
Анализ проводился на приборе NETZSCHSTA 449F1 в диапазоне 30/100
(К/мин)/1000, в режиме ДСК–ТГ, где ДСК –
Таблица 6
Характеристика осадка сточных вод, содержащих ионы Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ni2+
Table 6
Characteristics of sewage sludge containing ions Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ni2+
Влажность,
W, % /
Wetness, %
95,9
Плотность,
ρ, г/см3 /
Density,
g/cm3
0,98
Сухой остаток
(105С), г/дм3 /
Dryresidue
(105С), g/dm3
40,66
Остаток после
прокаливания
(900С), г/дм3 /
Residue after
calcination
(900С), g/dm3
Зольность,
%/
Ash, %
4,91
12,1
ППП / LOI
r, см/г /
cm/g
г/дм3 /
g/dm3
%
35,75
87,9
62,1∙1010
Примечание. ППП – потери при прокаливании; r – удельное сопротивление осадка фильтрации. /
Note. LOI – loss on ignition; r – resistivity of the filtration sludge.
142
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
.6+
2+
2+
Рис. 5. Термограмма осадка сточных вод, содержащих ионы Cr , Cu , Zn , Ni
6+
2+
2+
2+
Fig. 5. The thermogram of sewage sludge containing ions Cr , Cu , Zn , Ni
,2+
Заключение
В результате проведенных исследований:
– установлено, что для технологического процесса извлечения ионов хрома
смешанным коагулянтом, полученным из
металлургического шлака, оптимальными
условиями являются: величина pH = 2,5,
доза реагента – 7,3 г на 1 г шестивалентного хрома, что в 1,6 раз меньше по сравнению с товарным реагентомFeSO4;
– выявлено, что наибольший эффект извлечения компонентов – Cr6+, Cu2+,
Zn2+, Ni2+, достигается при следующих
условиях проведения процесса обработки
сточных вод: pH=2,08 с последующей корректировкой величины до 8,04; доза реагента – 546 мг/дм3; концентрация компонентов, мг/дм3: Cr6+– 120, Cu2+– 84, Zn2 +–
10, Ni2+– 12; время протекания реакции – 10
мин, аэрация в течение 30 мин.
– анализ химического состава осадка показал содержание различных форм
железа (Fe2O3, FeOFe2O3, FeOOH) и алюминия (Al2O3∙H2O), которые имеют более
высокую внутреннюю и поверхностную
энергию и, следовательно, сорбционную
способность для осуществления глубокого
извлечения компонентов из сточных вод.
Библиографический список
1. Виноградов С.С. Экологическое безопасное гальЕкатеринбург, 2007. С. 66–71.
ваническое производство; 2-е изд., перераб. и доп.
4. Губская Е.С. Утилизация отходов гальванического
М: Глобус, 2002. 352 с.
производства, содержащих хром (VI) // Экотехноло2. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочгии и ресурсосбережение. 2005. № 2. С. 33–36.
ник; в 3 т. Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003.
5. Халтурина Т.И., Бобрик А.Г., Чурбакова О.В. Реа2825 с.
гентная очистка хромсодержащих сточных вод //
3. Борисова Г.Г., Чукина Н.В., Малева М.Г. АккумуВестник ИрГТУ. 2014. № 6 (89). С. 128–133.
ляция гидрофитами тяжелых металлов в зависимо6. Халтурина Т.И. К вопросу утилизации металлурсти от их содержания в водной среде // Чистая вода
гического шлака никелевого производства // Вестник
России–2007: материалы IX Междунар. симпозиума
ИрГТУ. 2016. № 3 (110). С. 124–130.
и выставки (Екатеринбург, 17–20 апреля 2007 г.).
7. Халтурина Т.И., Пазенко Т.Я., Пчелкин А.Г. Воз-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
143
Металлургия и материаловедение
Metallurgy and Materials Science
можность применения отходов металлургического
производства для получения реагента // Мелиорация и водное хозяйство. Серия: Комплексное использование и охрана водных ресурсов. 1989. № 12.
С. 49–55.
8. Иванова В.П., Касатов Б.П., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и гор-
ных пород. М.: Недра, 1974. 399 с.
9. Халтурина Т.И., Чурбакова О.В., Бобрик А.Г. Интенсификация процессов очистки сточных вод гальванического производства предприятий машиностроительного профиля // Вестник ИрГТУ. 2016. № 4
(111). С. 178–186. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4178-186.
References
1. Vinogradov S.S. Ekologicheskoe bezopasnoe
6. Khalturina T.I. K voprosu utilizatsii metallurgal'vanicheskoe proizvodstvo [Environmentally friendly
gicheskogo shlaka nikelevogo proizvodstva [On the
utilization of smelter slag of nickel industry]. Vestnik
electroplating industry]. Moscow, Globus Publ., 2002,
IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical Universi352 p. (In Russian)
2. Timonin A.S. Inzhenerno-ekologicheskii spravochnik
ty]. 2016, no. 3 (110), pp. 124–130. (In Russian)
[Engineering and ecological guide]. Kaluga, N. Bochka7. Khalturina T.I., Pazenko T.Ya., Pchelkin A.G.
Vozmozhnost'
primeneniya
otkhodov
metallurreva Publ., 2003, 2825 p. (In Russian)
3. Borisova G.G., Chukina N.V., Maleva M.G. Akkumulgicheskogo proizvodstva dlya polucheniya reagenta
yatsiya gidrofitami tyazhelykh metallov v zavisimosti ot
[Possibility to use wastes of metallurgical industry in
ikh soderzhaniya v vodnoi srede [Hydrophyte-based
reactant production]. Melioratsiya i vodnoe khozyaistvo.
Seriya: Kompleksnoe ispol'zovanie i okhrana vodnykh
accumulation of heavy metals depending on their content in waters]. Materialy IX Mezhdunarodnogo simresursov [Melioration and water industry. Complex use
poziuma i vystavki “Chistaya voda Rossii–2007” [Proand water protection]. 1989, no. 12, pp. 49–55. (In Rusth
ceedings of the 9 International Symposium and Exhibisian)
tion “Pure water of Russia-2007”]. Ekaterinburg, 2007,
8. Ivanova V.P., Kasatov B.P., Krasavina T.N., Rozinova E.L. Termicheskii analiz mineralov i gornykh porod
pp. 66–71. (In Russian)
4. Gubskaya E.S. Utilizatsiya otkhodov gal'vanich[Thermical analysis of minerals and rocks]. Moscow,
eskogo proizvodstva, soderzhashchikh khrom (VI)
Nedra Publ., 1974, 399 p. (In Russian)
9. Khalturina T.I., Churbakova O.V., Bobrik A.G. Intensi[Chrome-containing waste utilization at electroplating
enterprises]. Ekotekhnologii i resursosberezhenie [Ecofikatsiya protsessov ochistki stochnykh vod gal'vanicheskogo proizvodstva predpriyatii mashinostroitel'nogo
technologies and resource-saving]. 2005, no. 2,
profilya [Intensification of waster water purification at
pp. 33–36. (In Russian)
5. Khalturina T.I., Bobrik A.G., Churbakova O.V. Reaelectroplating machine building enterprises]. Vestnik
gentnaya ochistka khromsoderzhashchikh stochnykh
IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical Universivod [Reactant purification of chromic wastewater].
ty]. 2016, no. 4 (111), pp. 178–186. DOI:
Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical
10.21285/1814-3520-2016-4-178-186. (In Russian)
University]. 2014, no. 6 (89), pp. 128–133. (In Russian)
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и
оформлении научных результатов и в равной мере
несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors have equal authorship rights and responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interests.
конфликта
Статья поступила 21.12.2016 г.
144
The article was received on 21 December 2017
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 665/075
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-145-154
РАНЖИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ОКАЗЫВАЮЩИХ
НЕГАТИВНОЕ ВЛИЯНИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
© С.П. Озорнин1, И.Е. Бердников2
Забайкальский государственный университет,
Российская Федерация, 672039, Забайкальский край, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Существующие системы технического обслуживания и ремонта машин не учитывают в полной
мере условия эксплуатации, которые характеризуются определенной группой факторов. Проблема индивидуализации и оперативного корректирования режимов технического обслуживания и ремонта машин с учетом условий
их эксплуатации весьма актуальна. Целью работы являлось ранжирование факторов условий эксплуатации машин для выявления наиболее значимых. МЕТОДЫ. В работе использован метод априорного ранжирования и
методика оценки неслучайности согласия экспертов. РЕЗУЛЬТАТЫ. Выявлены четыре фактора: климатические
условия, система и культура обслуживания, категория грунтов, интенсивность эксплуатации, оказывающие
наибольшее влияние на изменение технического состояния транспортно-технологических машин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате экспертного опроса собраны данные для априорного ранжирования факторов. С помощью
методики априорного ранжирования выявлена группа факторов условий эксплуатации, оказывающих наибольшее влияние на изменение технического состояния транспортно-технологических машин.
Ключевые слова: экспертный опрос, априорное ранжирование, условия эксплуатации, факторы, ранг, жесткость условий эксплуатации.
Формат цитирования: Озорнин С.П., Бердников И.Е. Ранжирование факторов условий эксплуатации, оказывающих негативное влияние на изменение технического состояния транспортно-технологических машин // Вестник
Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С.145–154. DOI: 10.21285/1814-35202017-3-145-154
RANKING OPERATION CONDITION FACTORS AFFECTING NEGATIVELY ON TRANSPORT
AND TECHNOLOGICAL MACHINERY TECHNICAL CONDITION
S.P. Ozornin, I.E. Berdnikov
Zabaikalskiy State University,
30, Aleksandro-Zavodskaya St., Chita, Transbaikal region, 672039, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The existing systems of vehicle maintenance and repair do not give due attention to machinery
operation conditions that are characterized by the specific group of factors. The problem of individualization and prompt
correction of vehicle maintenance and repair modes in accordance with their operation conditions is extremely relevant.
The purpose of this research is ranking of factors describing vehicle operation conditions in order to find the most important of them. METHODS. The study uses the a priori ranking method and the estimation procedure of the nonaccidental agreement of experts’ opinions. RESULTS. Four factors having the greatest effect on the change in the technical condition of transport and technological machinery have been revealed during the research. They are the climatic
conditions, system and efficiency of servicing, category of soils and intensity of operation. CONCLUSION. The expert
survey allowed to collect some data for the a priori ranking of factors, which in its term revealed a group of operation
condition factors having the greatest effect on the change in the technical condition of transport and technological veh icles.
Keywords: expert survey, a priori ranking, operation conditions, factors, rank, severity of operation conditions
For citation: Ozornin S.P., Berdnikov I.E. Ranking operation condition factors affecting negatively on transport and technological machinery technical condition. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3,
pp. 145–154. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-145-154
___________________________
1
Озорнин Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры строительных и дорожных машин,
e-mail: s.ozornin2013.s@ya.ru
Sergey P. Ozornin, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Construction and Road-Making Machinery, e-mail: s.ozornin2013.s@ya.ru
2
Бердников Илья Егорович, аспирант, e-mail: berdnikov_ie@mail.ru
Ilia E. Berdnikov, Postgraduate, e-mail: berdnikov_ie@mail.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
145
Транспорт
Transport
Введение
Современный этап развития механизации строительного производства характеризуется отсутствием возможности
быстрого обновления изношенного парка
транспортно-технологических машин (ТТМ).
В связи с этим важной и актуальной задачей является повышение технической готовности ТТМ и эффективности их использования. Одним из основных направлений
решения этой задачи является учет технической готовности при планировании этапов и объемов технического обслуживания.
Причем в большинстве случаев внедрение
дорогостоящих средств диагностики основных узлов и агрегатов ТТМ является нецелесообразным. При планировании этапов
технического обслуживания актуальным
является совершенствование методов мониторинга условий эксплуатации ТТМ и
разработка методов учета их изменения.
Повышение конкурентоспособности
любого эксплуатационного предприятия
неразрывно связано с необходимостью
широкого внедрения ресурсосберегающих
технологий. Основным направлением решения этой задачи также является повышение эффективности использования машин.
Условия использования ТТМ характеризуются
постоянно
меняющимися
нагрузочными режимами, варьированием в
широких пределах климатических факторов
условий эксплуатации. В случае невозможности внедрения методов контроля основных технико-эксплуатационных характеристик и сложности реализации непосредственной диагностики целесообразно использование методов опосредованного
контроля технической готовности ТТМ. Существует требующая решения актуальная
проблема индивидуализации и оперативного корректирования режимов технического
обслуживания (ТО) и ремонта машин с учетом условий их эксплуатации. Но традиционные и ранее описанные методы не позволяют выйти на решение этой проблемы.
Методы и результаты
Выбор метода исследования. Авторами выполнено исследование, направленное на оценку влияния различных эксплуатационных факторов на техническое
состояние ТТМ. По предположению авторов, изучение значимости факторов условий эксплуатации, оказывающих негативное влияние на изменение технического
состояния ТТМ в эксплуатации, на начальном этапе может быть организовано с использованием метода экспертного опроса.
Экспертный опрос – разновидность
социологического опроса, в ходе которого
респондентами выступают компетентные
лица – эксперты, имеющие глубокие знания
о предмете или объекте исследования [1].
По мнению авторов, основное
назначение метода экспертного опроса –
выявление наиболее существенных, сложных аспектов исследуемой проблемы, повышение надежности, обоснование информации, выводов и практических рекомендаций благодаря использованию зна146
ВЕСТНИК ИрГТУ
ний и опыта экспертов [2].
Целью данного исследования определено изучение значимости факторов
условий эксплуатации, оказывающих негативное влияние на изменение технического
состояния (ТС) технологических (землеройно-транспортных) машин в эксплуатации.
В проведении опроса приняли участие восемь экспертов из трех крупнейших
вузов Сибири: Сибирского государственного аэрокосмического университета имени
академика М.Ф. Решетнева, Иркутского
национального исследовательского технического университета, Забайкальского государственного университета, занимающие
должности доцентов (кандидаты технических наук) и профессоров (доктора технических наук).
На рис. 1 представлена классификация условий эксплуатации, оказывающих
влияние на изменение технического состояния ТТМ.
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Условия движения машины /
Vehicle driving conditions
Тип и состояние рельефа
местности / Type and
condition of surface relief
Продольный рельеф /
Vertical alignment
Климатические условия /
Climatic conditions
tо окружающего воздуха /
environment temperature
Запыленность воздуха /
Dust content of the air
Влажность / Humidity
Атмосферное давление /
Air pressure
Наличие снега /
Snow status
Поперечный рельеф /
Cross alignment
Солнечная радиация /
Solar radiation
Категория грунтов /
The category of soils
Скорость и направление
ветра / Wind speed and
direction
Сопротивление движению
машины / Resistance
to the car movement
Организационно-технологические
факторы / Organization
and technological factors
Разномарочность подвижного
состава / Variability of rolling
stock makes
Агрессивность среды /
Environmental
aggressiveness
Количество выпадающих
осадков / Amount of
precipitation
Квалификация ремонтных
работ / Repair qualification
Инфраструктура ремонтной
базы / Maintenance depot
infrastructure
Способ межсменного
хранения / Inter-shift storage
method
Условия эксплуатации, оказывающие влияние на изменение ТС технологических машин /
Operating conditions affecting the changes in technological machine technical condition
Режим работы /
Operation intensity
Качество управления машиной /
Vehicle driving quality
Уровень нагрузочного
воздействия / Level of load
influence
Приемы управления
машиной / Vehicle driving
methods
Скорость движения /
Driving speed
Квалификация оператора /
Operator’s qualifications
Интенсивность
эксплуатации / Operation
intensity
Стаж работы оператора /
Operator’s working experience
Организационная
документация / Organizational
documentation
Система и культура
обслуживания / System
and culture of service
Своевременное проведение
ТОиР / Timely vehicle
maintenance and repair
Качество выполнения ТОиР /
Quality of vehicle maintenance
and repair
Рис. 1. Классификация условий эксплуатации, оказывающих влияние
на изменение технического состояния технологической машины
Fig. 1. Classification of operating conditions affecting the changes in technological machine technical condition
Совокупность внешних воздействующих факторов, влияющих на изделие при
его эксплуатации, формирует условия эксплуатации3.
Из классификационных групп условий эксплуатации ТТМ отобрано десять ос-
новных факторов, оказывающих, по мнению авторов, наиболее существенное влияние на изменение технического состояния
ТТМ. Эти факторы сведены в анкету
(табл. 1), которая использовалась при анкетировании экспертов.
___________________________
3
ГОСТ 25866-83. Эксплуатация техники. Термины и определения; введ. 01.01.1985. М.: Изд-во стандартов, 1983 /
GOST 25866-83. Machinery Operation. Terms and Definitions. Introduced 1 January 1985. Moscow, Standards Publ.,
1983.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
147
Транспорт
Transport
Таблица 1
Перечень факторов для анкетирования экспертов
Table 1
List of factors for questioning experts
Номер
фактора
/ Factor
no.
Ранг /
Rank
Ф1
…
Ф2
…
Ф3
…
Скорость движения / Driving speed
Ф4
…
Нагрузка на двигатель и рабочее оборудование /
Load on engine and machinery equipment
Ф5
…
Характер управления машиной / Driving style
Ф6
…
Ф7
…
Ф8
…
Ф9
…
Ф10
…
Наименование и обозначение факторов /
Factor name and designation
Климатические условия (из Положения о ТО и ремонте /
Climatic conditions (form the Provision on Maintenance and Repair)
Тип и состояние рельефа местности /
Type and condition of surface relief
Категория грунтов (1, 2, 3, 4 категория) /
Category of soils (1st,2nd,3d, 4th category)
Интенсивность эксплуатации (режим работы: 1; 1,5; 2 смены
И круглосуточно) / Operation intensity
(operation mode: 1; 1,5; 2 shifts and on a 24-hour basis)
Система и культура обслуживания
(своевременное и качественное проведение ТО и ремонта) /
System and culture of servicing
(modern and quality performance of maintenance and repair)
Организационно-технологические факторы /
Organization and technological factors
Квалификация машиниста (оператора) /
Operator’s (drver’s) Qualification of the driver
Ранжирование факторов. Анкета,
разработанная авторами, были направлена
экспертам с предложением расставить
факторы по уровню значимости. Для обработки полученных результатов априорного
ранжирования использовалась методика
Е.С. Кузнецова4. Методика реализована в
следующей последовательности:
♦ В таблицу априорного ранжирования (табл. 2) сведены индивидуальные
оценки всех экспертов (по вопросам анкеты, представленным в табл. 1).
♦ Определена сумма рангов всех
экспертов по каждому фактору:
m
 k   akm ,
m1
(1)
где m – число экспертов; k – число факторов.
Например, по фактору «Климатические условия» (табл. 2) сумма рангов всех
экспертов равна
8
1   a1m 
m1
 1  2  2  2  1  2  2  1  13,
где aim – ранг, присвоенный i-му фактору
___________________________
4
Кузнецов Е.С. Управление техническими системами: учеб. пособие. М.: МАДИ (ГТУ), 2003. 247 с. / Kuznetsov E.S.
Control of technical systems. Moscow, MADI Publ., 2003, 247 p.
148
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
m-ым экспертом.
♦ Проверена правильность заполнения таблицы:
– максимальный ранг по конкретному фактору akm не может быть больше чис-
ла сравнительных факторов k;
akm  k ;
(2)
(10 ≤ 10k).
4
5
6
7
8
k
Ранги оценки, akm /
Assessment ranks, akm
Климатические
условия /
Climatic
conditions
Тип и состояние рельефа
местности /
Type
and condition
of surface relief
Категория
грунтов /
Category of soils
Скорость
движения /
Driving Speed
Нагрузка
на двигатель
и рабочее
оборудование /
Load on engine
and machinery
equipment
ISSN 1814-3520
Вес показателя /
Index importance
3
Место / Location
2
Квадрат отклонения /
Squared deviation
1
Отклонение суммы рангов /
Variation of the sum of ranks
Наименование
факторов /
Factors
Сумма рангов /
Sum of ranks
Таблица 2
Результаты априорного ранжирования факторов условий эксплуатации,
оказывающих негативное влияние на изменение технического состояния ТТМ
Table 2
Results of a priori ranking of operating conditions having an adverse effect on changes in the
vehicle technical condition
Условные номера экспертов, m /
Reference numbers of experts, m
' k
(  k )2
'
M
qk
1
2
2
2
1
2
2
1
13
-31
961
1
0,18
7
10
5
7
10
9
8
8
64
20
400
9
0,04
4
1
3
4
2
3
4
4
25
-19
361
3
0,15
9
8
9
10
9
10
7
10
72
28
784
10
0,02
5
5
6
9
5
5
6
9
50
6
36
6
0,09
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
149
Транспорт
Transport
Характер
управления
машиной /
Character
of vehicle driving
Интенсивность
эксплуатации /
Operation
Intensity
Система
и культура
обслуживания /
System
and culture
of servicing
Организационно- технологические факторы
/ Organization
and technological factors
Квалификация
машиниста /
Operator’s
qualification
Итого / Total
8
9
7
6
8
7
9
7
61
17
289
8
0,05
2
4
4
5
4
1
1
5
26
-18
324
4
0,13
3
3
1
1
3
4
3
2
20
-24
576
2
0,16
6
7
8
3
6
8
5
6
49
5
25
5
0,11
10
6
10
8
7
6
10
3
60
16
256
7
0,07
55
55
55
55
55
55
55
55
440
–
4012
–
1,0
– максимальное значение суммы
рангов по любому фактору не может быть
больше произведения максимально возможного ранга на число экспертов, т.е.
(k )max  (akm )max  m,
(k )max  3  72
(3)
80  10  8;
(k )min  1  13  8  1 8.
Все три условия выполнены.
150
ВЕСТНИК ИрГТУ
k

k 1
k

k
k
 1   2  ...   n ;
 13  64  25  72  50 
k1
61  26  20  49  60  440;
– минимально возможная сумма
рангов по любому фактору не может быть
меньше минимального ранга, умноженного
на число экспертов, т.е.
(k )min  (akm )min  m,
♦ Определены:
– общая сумма рангов:
(4)
– средняя сумма рангов:
k
;
k
k 1
k


440
 44.
10
♦ Проверена правильность определения суммы рангов
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Соответственно
k
  k  m  k  a,
 p2  0,76  8  (10 1)  54.
k 1
где a – средний ранг оценки факторов
каждым экспертом:
k

a
a
k

k
k 1
K
 p2   т2 ;
k
;
54 21,7.
55
 5,5;
10
 8 10  5,5  440,
k1
что соответствует формуле (4).
♦ Определено отклонение суммы
рангов каждого фактора от средней суммы
рангов:
'k  k  .
Отклонение суммы рангов первого
фактора составило
'k  13  44  31.
♦ С помощью коэффициента конкордации Кэнделла W оценена степень согласованности мнений экспертов:
W
12  S
,
m  (k 3  k )
2
где k – число факторов; m – число экспертов; S – сумма квадратов отклонений.
Таким обьразом,
W
12  4012
 0,76.
8  (103  10)
2
Коэффициент конкордации Кэнделла может изменяться от 0 до 1, при этом,
чем ближе значение коэффициента к 1, тем
теснее степень согласованности экспертов.
В данном случае можно сделать вывод, что
между мнениями экспертов имеется определенное согласие.
♦ При W ≥ 0,5 проверена гипотеза о
неслучайности согласия экспертов, для
этого использован критерий Пирсона, который определяется по формуле
 p2  W  m  (k  1),
где k – число степеней свободы (k-1).
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Расчетное значение коэффициента
сравнивается с табличным, определенным
при числе степеней свободы k-1 и уровне
значимости 0,01:
Выполненное сравнение свидетельствует о наличии существенного сходства
мнений экспертов, значимости коэффициента конкордации и неслучайности совпадения мнений экспертов. Отсюда можно
сделать вывод, что результаты, полученные априорным ранжированием, могут
быть признаны удовлетворительными и
адекватными.
♦ По сумме рангов ∆k произведено
ранжирование факторов. Минимальной
сумме рангов (∆k)min соответствует наиболее важный фактор, далее факторы располагаются по мере возрастания суммы рангов.
Таким образом, по результатам выполненного исследования можно утверждать, что факторы условий эксплуатации,
оказывающие негативное влияние на изменение технического состояния технологических ТТМ, по степени влияния распределились следующим образом:
1-е место – климатические условия
– Ф1 (∆k=13);
2-е место – система и культура обслуживания – Ф8 (∆k=20);
3-е место – категория грунтов – Ф3
(∆k=25);
4-е место – интенсивность эксплуатации – Ф7 (∆k=26);
5-е место – организационнотехнологические факторы – Ф9 (∆k=49);
6-е место – нагрузка на двигатель и
рабочее оборудование – Ф5 (∆k=50);
7-е место – квалификация машиниста – Ф10 (∆k=60);
8-е место – характер управления
машиной – Ф6 (∆k=61);
9-е место – тип и состояние рельефа местности – Ф2 (∆k=64);
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
151
Транспорт
Transport
10-е место – скорость движения –
Ф4 (∆k=72).
♦ Для наглядности представления
весомости факторов построена априорная
диаграмма рангов (рис. 2).
♦ Определены удельные веса показателей по степени их влияния на исследуемую систему по формуле
qk 
2  (k  M  1)
,
k  (k  1)
(12)
где М – место фактора по результатам
ранжирования.
Удельный вес показателя для первого фактора составляет
qk 
2  (10  1  1)
 0,18.
10  (10  1)
Все остальные результаты сведены
в табл. 2.
Из диаграммы априорного ранжирования факторов можно сделать вывод о
том, что четыре фактора, такие как климатические условия, система и культура
обслуживания, категория грунтов, интенсивность эксплуатации оказывают
наибольшее влияние на изменение технического состояния ТТМ.
На рис. 3 приведена ранее разработанная схема [3, 4] для оценки влияния
различных факторов, которая позволяет
разграничить уровни жесткости условий
эксплуатации технологических машин. Под
жесткостью условий эксплуатации понимается совокупность внешних воздействий
и условий функционирования, вызывающих
изменение технического состояния машин.
На схеме выделено четыре уровня
жесткости условий эксплуатации машин:
приемлемый, усредненный, увеличенный и
критический. Результаты априорного ранжирования факторов условий эксплуатации
подтвердили предположение о существовании нескольких уровней жесткости условий эксплуатации ТТМ.
Непрерывный контроль условий эксплуатации ТТМ и соблюдения основных
правил эксплуатации невероятно сложен. В
существующей системе технического обслуживания ТТМ, в том числе и при техническом сервисе, учитывается действие постоянных или почти неизменных факторов
условий эксплуатации. Это является одним
из основных недостатков обслуживающих
систем.
Рис. 2. Априорная диаграмма рангов
Fig. 2. A priori diagram of ranks
152
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Условия эксплуатации землеройно-транспортных машин /
Operating conditions of earth moving machines
Система и культура обслуживания
/ System and culture of servicing
Режим использования
по временим / Mode of use
in time
1 смена /
1 shift
1,5 смены /
1.5 shift
2смены /
2 shifts
ТОиР в полном
объеме и в срок
/ timely and
complete vehicle
maintenance and
repair
Круглосуточно /
24 hour
ТОиР в полном
объеме, но с нарушением периодичности / Complete
vehicle maintenance
and repair with
broken periodicity
Жесткость эксплуатации
землеройно-транспортных
машин / Severity of earth
moving machine operation
Природно-климатические
условия (климат)/ Climatic
conditions (climate)
Умеренный / Mild
Умеренно теплый, умеренно
теплый влажный, теплый
влажный / Mild warm, mild
warm humid, warm and humid
Жаркий сухой, очень жаркий
сухой /Dry hot, very dry and hot
Умеренно холодный /
Mild cold
Приемлемая /
Acceptable
Усредненная /
Average
Увеличенная /
Enlarged
Критическая /
Critical
Холодный /Cold
ТОиР частично,
с нарушением
периодичности /
Incomplete vehicle maintenance
and repair with
broken
periodicity
ТОиР не проводится / Maintenance and repair
is not performed
Природно-климатические
условия (климат)/ Climatic
conditions (climate)
I категория (песок, супесь,
растительный грунт, торф) /
The first category (sand, sand
clay, vegetable soil, peat)
II категория (легкий
суглинок, гравий, песок со
щебнем) / The second category
(light loam, gravel, breakstone
sand)
III категория (жирная глина, гравий
крупный, суглинок со щебнем или
галькой) / The third category (rich
clay, rounded coarse aggregate, clay
loam with broken stone)
VI категория (тяжелая глина,
жирная глина со щебнем,
сланцевая глина) / The fourth
category (heavy clay, clay with
broken stone, shale)
Очень холодный / Very cold
Рис. 3. Схема влияния различных факторов на жесткость условий
эксплуатации машин
Fig. 3. Diagram of various factors effect on the severity of machine operation conditions
Заключение
В результате экспертного опроса
собраны данные для априорного ранжирования факторов. С помощью методики
априорного ранжирования выявлено, что
наибольшее влияние на изменение технического состояния технологических машин
оказывают четыре основных фактора, та-
кие как климатические условия, система и
культура обслуживания, категория грунтов,
интенсивность эксплуатации. Схема влияния различных факторов на жесткость
условий эксплуатации машин получила
практическое подтверждение.
Библиографический список
1. Добреньков В.И., Кравченко А.И. Методы социоволжский регион. Общественные науки. 2012. № 1
логического исследования. М.: ИНФРА-М, 2004.
(21). С. 98–107.
768 с.
3. Озорнин С.П., Бердников И.Е. Оценка жесткости
2. Кошевой О.С., Голосова Е.С., Сеидов Ш.Г. Оргаусловий эксплуатации строительных машин // Новая
низация экспертного опроса с привлечением специнаука. Теоретический и практический взгляд: межалистов государственного и муниципального управдунар. науч. период. изд. по итогам Междунар.
ления // Известия высших учебных заведений. Понауч.-практ. конф. В 3 ч. (г. Стерлитамак, 14 ноября
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
153
Транспорт
Transport
2015 г.). Стерлитамак: Изд-во РИЦ АМИ, 2015. Ч. 2.
С. 181–186.
4. Озорнин С.П., Бердников И.Е. Обеспечение процессов функционирования технического сервиса
мобильных транспортно-технологических машин с
использованием диагностико-информационной системы // Наземные транспортно-технологические
средства: проектирование, производство, эксплуатация: материалы I Всерос. заочной науч.-практ.
конф. Чита: Изд-во ЗабГУ, 2016. С. 154–164.
References
1. Dobren'kov V.I., Kravchenko A.I. Metody sotsiologentific periodical edition on the results of the Internaicheskogo issledovaniya [Methods of sociological retional Scientific and Practical Conference “New Scisearch]. Moscow, INFRA-M Publ., 2004, 768 p. (In
ence. Theoretical and practical view“]. Sterlitamak: RITs
Russian)
AMI Publ., 2015, part 2, pp. 181–186. (In Russian)
2. Koshevoi O.S., Golosova E.S., Seidov Sh.G. Organi4. Ozornin S.P., Berdnikov I.E. Obespechenie
zatsiya ekspertnogo oprosa s privlecheniem spetsialisprotsessov funktsionirovaniya tekhnicheskogo servisa
tov gosudarstvennogo i munitsipal'nogo upravleniya
mobil'nykh transportno-tekhnologicheskikh mashin s
ispol'zovaniem diagnostiko-informatsionnoi sistemy
[Expert survey organization with state and municipal
government specialists involvement]. Izvestiya vysshikh
[Ensuring maintenance servicing of mobile transport
uchebnykh zavedenii. Povolzhskii region. Oband technological machines with the use of a diagnostic
shchestvennye nauki [Proceedings of Higher Educaand information system]. Materialy I Vseros. zaochnoi
nauch.-prakt.
konf
“Nazemnye
transportnotional Institutions. The Volga region. Social Sciences].
tekhnologicheskie sredstva: proektirovanie, proizvod2012, no. 1 (21), pp. 98–107. (In Russian)
3. Ozornin S.P., Berdnikov I.E. Otsenka zhestkosti
stvo, ekspluatatsiya” [Materials of the I All-Russia coruslovii ekspluatatsii stroitel'nykh mashin [Evaluation of
respondence scientific and practical conference
construction machinery operating conditions severity].
“Ground transport and technological machinery: designMezhdunarodnoe nauchnoe periodicheskoe izdanie po
ing, manufacture, operation”]. Chita: ZabGU Publ.,
itogam Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. “Novaya nauka.
2016, pp. 154–164. (In Russian)
Teoreticheskii i prakticheskii vzglyad” [International sciКритерии авторства
Озорнин С.П., Бердников И.Е. имеют на статью равные авторские права, за плагиат несет ответственность Озорнин С.П.
Authorship Criteria
Ozornin S.P., Berdnikov I.E. have equal author’s rights,
Ozornin S.P. bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 27.12.2016 г.
The article was received 27 December 2016
154
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 656.11
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-155-165
СОСТОЯНИЕ ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНОГО ТРАВМАТИЗМА
В РЕСПУБЛИКЕ ТАДЖИКИСТАН
© Ж.Т. Пиров1, Т.А. Копылова2, Р.Н. Горбунов3
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. В статье представлены результаты анализа состояния дорожного травматизма в Республике Таджикистан и приняты предложения по комплексу мероприятий относительно повышения безопасности дорожного
движения. МЕТОДЫ. Для обработки используемых данных статистики дорожно-транспортных происшествий использовались методы динамического и графического изменения состояний аварийности. РЕЗУЛЬТАТЫ. По сведениям Управления ГАИ МВД РТ в 2015 г. в Таджикистане зарегистрировано 1475 ДТП, в результате которых 449
чел. погибло и 1576 получили травмы. По сравнению с 2014 г. количество ДТП сократилось на 39 (2,6%), число
травмированных (пострадавших) – на 170 чел. (9,7%), число погибших увеличилось на 3 чел. (0,7 %). В 2015 г. 38
ДТП произошло по вине водителей в нетрезвом состоянии, т.е. увеличилось на 1 происшествие (2,6 %). Пик ДТП
в 2015 г. пришелся на июнь–август и составил 438 происшествий. Тяжесть последствий при авариях в 2015 г.
составила 22,1 чел. на 100 пострадавших, что на 1,9 больше показателя за предыдущий год.
Ключевые слова: дорожно-транспортный травматизм, дорожно-транспортные происшествия, транспортное средство, участники дорожного движения, безопасность дорожного движения, правила дорожного движения, наезд на пешеходов, столкновение транспортных средств.
Формат цитирования: Пиров Ж.Т., Копылова Т.А., Горбунов Р.Н. Состояние дорожно-транспортного травматизма в Республике Таджикистан // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21.
№ 3. С. 155–165. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-155-165
THE STATE OF ROAD TRAFFIC INJURY IN THE REPUBLIC OF TAJIKISTAN
Zh.T. Pirov, T.A. Kopylova, R.N. Gorbunov
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The article introduces the analysis results of the state of road injuries in the Republic of Tajikistan and fo rwards the proposals on a set of measures in order to improve the road traffic safety. METHODS. The methods of dynamic and graphical change of the accident states are used for the processing of the used statistical data on road accidents.
REZULTS. According to the State Automobile Inspection Department of the Ministry of Internal Affairs of the Republic of
Tajikistan it was registered 1475 road accidents as a result of which 449 people died and 1576 were injured. As compared to 2014, the number of accidents decreased by 39 (2.6%), the number of injured people decreased by 170 persons (9.7%), the number of deaths increased by 3 people (0.7%). In 2015, 38 road accidents were caused by drunk dri vers, i.e. the number of this type of road accidents increased by 1 accident (2.6%). In 2015 the peak of the road accidents
was in June-August and amounted to 438 accidents. The severity of accident consequences was 22.1 persons per 100
victims. It is 1.9 more than the last year's figure.
Keywords: road traffic injuries, road accidents, vehicle, road users, road safety, traffic safety, traffic regulations, collisions
involving pedestrians, collision of vehicles
For citation: Pirov Zh.T., Kopylova T.A., Gorbunov R.N. The state of road traffic injury in the republic of Tajikistan// Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 155–165. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-35202017-3-155-165
___________________________
1
Пиров Жахонгир Тиллоевич, аспирант, e-mail: Vilia-7@mail.ru
Zhakhongir T. Pirov, Postgraduate Student, e-mail: Vilia-7@mail.ru
2
Копылова Татьяна Александровна, аспирант, e-mail: kopylovat.irkutsk@gmail.com
Tatiana A. Kopylova, Postgraduate Student, e-mail: kopylovat.irkutsk@gmail.com
3
Горбунов Роман Николаевич, аспирант , e-mail: gorbunow@list.ru
Roman N. Gorbunov, Postgraduate Student, e-mail: gorbunow@list.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
155
Транспорт
Transport
Введение
Дорожный травматизм является одной из важнейших медико-социальных проблем современности не только для Таджикистана, но и для многих других стран мира. Ежегодно на планете в результате дорожно-транспортных происшествий (ДТП)
погибает свыше 1,2 млн чел. и от 20 до 50
млн жителей планеты получают в ДТП различные травмы. Большинство из них – молодые люди в возрасте от 15 до 30 лет [1].
На современном этапе развития
Республики Таджикистан автомобильный
транспорт занимает доминирующее место
в единой транспортной системе республики, на его долю приходится более 95%
объема перевозок грузов и пассажиров.
Вместе с тем развитие автомобильного
транспорта в республике сопровождается
ДТП [2]: на территории Таджикистана ежегодно погибает более 447 чел. [3], причем в
ДТП попадают в основном люди трудоспособного возраста. Кроме того, ежегодно
гибнут и становятся инвалидами дети, которые являются будущим любой страны.
Анализ состояния безопасности дорожного движения в Таджикистане показывает, что происходящие на протяжении нескольких последних лет изменения, в том
числе снижение основных показателей
аварийности, не оказало существенного
влияния на изменение тенденции социально-экономических потерь от ДТП. Значение
показателей, характеризующих уровень
дорожно-транспортной аварийности в Таджикистане, продолжает оставаться высоким4.
Статистика ДТП в Таджикистане
В 2015 г. на территории Республики
Таджикистан зарегистрировано 1475 ДТП, в
результате которых 449 чел. погибло и
1576 получили ранения (рис. 1).
Рис. 1. Количество ДТП
Fig. 1. Number of road accidents
___________________________
4
Жданов В.Л. Организация и безопасность движения: конспект лекций. Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2012. 110 c. /
Zhdanov V.L. Traffic organization and safety: a summary of lectures. Kemerovo, KuzGTU Publ., 2012. 110 р.
156
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Простые подсчеты показывают, что
каждый день в одной из семей Таджикистана происходит несчастье, причиной которого является ДТП. В среднем каждый день в
Таджикистане в ДТП погибает как минимум
1 чел. и 3–4 чел. получают ранения.
Статистика по районам и городам
Республики представлена в табл. 1, при
этом в некоторых из них наблюдается увеличение количества ДТП по разным причинам (рис. 2).
Таблица 1
Сравнительный анализ ДТП, погибших и раненых в районах и городах за 2014–2015 гг.
Table 1
Comparative analysis of road accidents, dead and injured in the regions and cities
for the period from 2014 to 2015
Название
районов
и городов /
Regions
and cities
Шохмансур /
Shohmansur
Сино-1 /
Sino-1
Сино-2 /
Sino-2
Фирдавси /
Firdavsi
Душанбе /
Dushanbe
Исфара /
Isfara
Шахристан /
Shahristan
Айни / Aini
Панджакент /
Pandjakent
Истиклол /
Istiklol
Кайракум /
Kairakum
Худжанд /
Hudjand
Согдийская
область /
Sughd region
Бальджуван /
Baljuvan
Хамадони /
Hamadoni
Яван / Yavan
Н. Хусрав /
N.Husrav
Джиликуль /
Jilikul
Кабадиян /
Kabadian
Дангара /
Dangara
Количество ДТП /
Number
of road accidents
Число погибших /
Death toll
Число раненых /
Number of injured
2015 г.
2014 г.
%
2015 г.
2014 г.
%
2015 г.
2014 г.
%
56
52
7,7
7
3
133,3
52
55
5,5
58
53
9,4
8
1
700
53
58
-8,6
65
63
2
7
8
-12,5
68
67
1,5
75
67
11,9
12
5
140
68
73
-6,8
294
292
0,7
40
25
60,0
281
314
-10,5
20
14
42,9
5
6
-16,7
21
9
133
17
12
41,7
9
6
50,0
24
18
33,3
19
17
11,8
14
10
40,0
24
23
4,3
30
25
20,0
18
9
100
22
22
0,0
3
2
50,0
1
0
+
3
2
50,0
5
4
25,0
1
1
0,0
6
4
20,0
3
2
50,0
1
0
+
3
2
50,0
346
358
-3,4
137
125
9,6
363
367
-1,1
3
1
200
2
0
+
1
1
0,0
5
2
150
4
1
300
4
2
100
37
23
60,9
8
4
100
43
32
34,4
6
4
50,0
2
1
100
6
4
50,0
7
5
40,0
3
3
0,0
12
2
500
18
13
38,5
3
2
50,0
17
13
30,8
59
43
37,2
17
22
-22,7
84
54
55,6
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
157
Транспорт
Transport
Муминабод /
Muminabod
Пяндж /
Panj
Фархар /
Farhar
Дж. Руми /
J. Rumi
Хатлонская
область /
Khatlon
region
Рошкала /
Roshkala
Дарваз /
Darvaz
Рушон /
Rushon
ГБАО
Файзабад /
Faizabad
Рудаки-1 /
Rudaki-1
Вахдат /
Vakhdat
Г и РРП
Всего /
Total
6
5
20,0
3
1
200
5
9
-44,4
7
6
16,7
3
2
50,0
5
5
0,0
13
12
8,3
7
4
75,0
9
13
-30,8
30
29
3,4
19
10
90,0
20
25
-20,0
439
436
0,7
154
145
6,2
450
495
-9,1
2
1
100
0
0
0,0
8
1
700
12
6
100
5
4
25,0
11
8
37,5
6
4
50
1
1
0,0
5
4
25,0
42
44
-4,5
19
28
-32,1
52
83
-37,3
37
25
48,0
7
5
40,0
50
36
38,9
58
56
3,6
22
28
-21,4
63
44
43,2
99
85
16,5
17
15
13,3
122
126
-3,2
22
27
18,5
9
10
-10,0
23
23
0,0
1475
1514
-2,6
449
446
0,7
1576
1746
-37,3
Рис. 2. Количествово ДТП на территории Республики Таджикистан в 2015 г.
Fig.2. Number of road accidents in Tajikistan
158
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
По государственной статистике степень тяжести ДТП в Республике Таджикистан также оценивается числом погибших
на 100 пострадавших и определяется следующим образом4:
𝑲т = 𝒏
𝒏𝒅
𝒅 +𝒏𝒓
∙ 𝟏𝟎𝟎,
где 𝑛𝑑 − число погибших в ДТП за определенный период времени; 𝑛r – число раненых в ДТП за тот же период времени.
По сравнению с 2014 г. в 2015 произошло на 39 ДТП меньше (2,6%), число
раненых сократилось на 170 чел. (9,7%), а
число погибших, напротив, возросло на 3
чел. (0,7%) [3]. Тяжесть последствий при
авариях в 2015 г. составила 22,1 на 100 пострадавших, что на 1,9 больше показателей за предыдущий год (табл. 2).
В 2015 г. 38 ДТП произошло по вине
водителей, находившихся за рулем в состоянии алкогольного опьянения. Подавляющее большинство происшествий совершено по причине нарушения правил дорожного движения водителями транспортных средств (ТС): неправильный выбор
скоростного режима – 735 ДТП; выезд на
полосу встречного движения – 246; несоблюдение дорожных знаков – 22; несоблюдение правил перевозки пассажиров – 1;
нарушение правил маневрирования автомобиля – 191; нарушение правил проезда
пешеходных переходов – 26; неправильное
использование световых приборов – 4; эксплуатация технически неисправного ТС – 3;
несоблюдение дистанции – 20 и др. [3].
По вине пешеходов было зарегистрировано 32 ДТП, в результате 9 пешеходов погибли и 24 получили ранения.
Зачастую участниками ДТП становятся дети и подростки. В результате 449
происшествий, произошедших в республике в 2015 г., погибло 93 ребенка и 398 детей получили ранения. При этом в качестве
пассажиров дети участвовали в 142 авариях, в 169 ДТП – в качестве пешеходов, в
117 – дети были водителями, в 21 ДТП – в
качестве велосипедистов.
Основными видами происшествий
по-прежнему остаются: наезд на пешехода,
столкновение ТС и опрокидывание ТС, которые в совокупности составляют 87% от
общего числа ДТП (рис. 3). Отметим, что
при наезде на пешехода (этот вид происшествий составляет около половины всех
ДТП) в 2015 г. погибло 168 пешеходов (что
составило 37% от общего количества ДТП
данного вида), и 610 чел. получили ранения
[8] (табл. 3).
Таблица 2
Сравнительный анализ ДТП за 2014–2015 гг.
Tablе 2
Comparative analysis of road accidents for the period from 2014 to 2015
Год /
Year
Количество
ДТП /
Number
of accidents
Погибло,
чел. /
Death toll
Ранено,
чел. /
Injured, pers.
Несчастный
случай, чел. /
An accident,
pers.
Коэффициент
тяжести /
The severity
coefficient
2015
1475
449
1576
38
22, 1
2014
1514
446
1746
37
20,2
Изменение
+/- /
Changes
+/-
-39
+3
-170
+1
+1,9
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
159
Транспорт
Transport
Рис. 3. Количество ДТП по видам аварий в 2015 г.
Fig. 3. Number of road accidents per accident type in 2015.
Таблица 3
Сравнительный анализ ДТП по видам за 2014–2015 гг.
Table 3
Comparative analysis of road accidents by their types for the period from 2014 to 2015
Вид ДТП /
Accident type
Наезд
на пешехода /
Collisions
involving
pedestrians
Столкновение ТС /
Collision
of vehicles
Опрокидывание ТС /
Vehicle roll-over
Наезд
на неподвижное
препятствие /
Collision with
a stationary object
Наезд
на велосипедиста /
Collision involving
a cyclist
Наезд на стоящее
транспортное
средство /
Collision with
a parked vehicle
Прочие
происшествия /
Other accidents
Всего /
Total
160
Количество ДТП /
Number
of road accidents
2015 г.
2014 г.
Число погибших /
Death toll
Число раненых /
Number of injured
%
2015 г.
2014 г.
%
2015 г.
2014 г.
%
720
677
6,3
168
144
16,7
610
590
20,3
373
428
-12,8
108
130
-16,9
547
640
-14,5
187
206
-9,2
107
116
-7,7
212
273
-22,3
94
106
-11,3
34
28
21,4
115
134
-14,2
74
70
5,7
19
16
18,7
62
67
-7,5
17
18
-5,6
7
9
-22,2
22
28
-21,4
5
3
66,7
4
1
300
1
6
-83,3
1475
1514
-2,6
449
446
0,7
1576
1746
-9,7
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
По данным, представленным в табл.
4 и на диаграмме распределения ДТП по
месяцам (рис. 4), видно, что количество
ДТП увеличивается в основном с наступлением летнего периода и продолжается до
октября, что связано, в первую очередь, с
открытием дачного сезона, то есть рост
ДТП приходится на тот момент, когда значительно увеличивается поток автомототранспортных средств на автомобильных
дорогах. В 2015 г. максимальное количество ДТП было зарегистрировано в период
июнь–август: число происшествий составило 437 (пик пришелся на июль месяц),
наименьшее – в феврале 82 (рис. 5).
Распределение количества ДТП по
дням недели имеет выраженную специфику
(рис. 6). В 2015 г. наибольшее число ДТП
произошло во вторник, среду, пятницу–
воскресенье и составило 73,8% от общего
числа; наименьшее – в понедельник и четверг – 26,4%. Наибольшее число погибших
приходится на последний рабочий день недели и выходные дни, то есть на пятницу–
воскресенье, и составляет 49% от общего
количества ДТП. Высокий уровень аварийности по итогам 2015 г. наблюдается в субботу – 244 происшествия (16,6%) от общего
количества ДТП, наибольшее число раненых – в субботу и воскресенье и составляет
33,2% от общего количества ДТП.
Таблица 4
Сравнительный анализ ДТП по месяцам погибших и раненых за 2014–2015 гг.
Table 4
Comparative analysis of road accidents by months in 2014–2015
Месяц /
Month
Январь /
January
Февраль /
February
Март /
March
Апрель /
April
Май /
May
Июнь /
June
Июль /
July
Август /
August
Сентябрь /
September
Октябрь /
October
Ноябрь /
November
Декабрь /
December
Всего /
Total
Количество ДТП /
Number of accidents
Число погибших /
Death toll
Число раненых /
Number of injured
2015 г.
2014 г.
%
2015 г.
2014 г.
%
2015 г.
2014 г.
%
90
93
-3,2
27
22
22,7
96
123
-21,9
82
68
20,6
29
28
3,6
79
84
-5,9
115
103
11,6
34
25
36,0
125
111
12,6
93
86
8,1
20
23
-13,0
108
88
22,7
123
127
-3,1
39
48
-18,7
125
135
-7,4
140
150
-6,7
48
41
17,1
152
194
-21,5
158
143
10,5
44
38
15,8
182
187
-2,7
139
180
-22,8
52
48
8,4
155
203
-23,6
134
166
-19,3
40
49
-18,4
126
166
-24,1
140
154
-9,1
43
47
-8,5
150
195
-23,1
130
103
26,2
40
39
2,5
130
105
23,8
131
141
-7,1
33
38
-13,1
148
155
-4,5
1475
1514
-2,6
449
446
0,7
1576
1746
-9,7
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
161
Транспорт
Transport
Рис. 4. Количество ДТП по месяцам в 2015 г. в сравнении с 2014 г.
Fig.4. Number of road accidents by the months of 2015 in comparison with 2014
Рис. 5. Количество ДТП, раненых и погибших по месяцам в 2015 г.
Fig.5. Number of road accidents, injured and dead by the months of 2015
Рис. 6. Количество ДТП, раненых и погибших по дням недели за 12 месяцев 2015 г.
Fig.6. Number of road accidents, injured and dead by the days of the week per 12 months of 2015
162
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Заключение
Дорожно-транспортный травматизм
и аварийность на дорогах связаны со многими объективными факторами: нарастающей диспропорцией между количеством ТС
и не рассчитанной на современную интенсивность движения дорожной сетью, ростом автомобилизации населения, улучшением скоростных качеств автомобилей.
Однако ведущим фактором в системе «водитель – автомобиль – дорога –
среда» в генезе автодорожного происшествия является субъективный фактор – человек, его здоровье и психофизиологическое состояние. Будь это пешеход, пассажир, велосипедист или водитель – основной причиной происшествий является низкая дисциплина участников дорожного движения. Поэтому основой всех профилактических мероприятий по снижению уровня
дорожно-транспортного травматизма является выработка внутренней дисциплины
безопасного поведения всех участников
движения [4].
В целях повышения эффективности
подготовки водителей со стороны народного образования и науки, Министерства
внутренних дел, а также здравоохранения
Республики Таджикистан целесообразно
рассмотреть вопрос оценки и контроля психологических и психофизиологических качеств будущих водителей автотранспортных средств. При этом необходимо определить содержание, организацию и порядок
проведения психофизиологического освидетельствования кандидатов в водители и
водителей транспортных средств, описать
процедуры обследования для выявления
психологических портретов водителей разных психотипов, нормативы их профессионально значимых показателей и технологию принятия решения о профессиональ-
ном допуске водителя.
Необходимо также совершенствовать всю систему подготовки (переподготовки)
водителей
автотранспортных
средств: определить и разработать образовательные программы подготовки водителей автотранспортных средств с учетом
психологических и психофизиологических
качеств будущих водителей5.
С учетом этого фактора система
профилактики ДТП должна быть нацелена
на организацию деятельности, которая
способствует обеспечению безопасности
дорожного движения. Необходим широкий
спектр конкретных мер по совершенствованию законодательной базы в области безопасности дорожного движения, проектированию, созданию и обеспечению эффективно функционирующей транспортной системы с заданными параметрами безопасности дорожного движения, развитию дорожной инфраструктуры, производству более безопасных автотранспортных средств,
обеспечению высокого образовательного и
культурного уровня всех участников дорожного движения, воспитанию чувства дисциплины и ответственности у каждого участника дорожного движения, улучшению
оснащения медицинской базы по оказанию
первой помощи потерпевшим в ДТП [5, 6].
Следующая проблема заключается
в том, что несмотря на требования закона
Республики Таджикистан «О дорожном
движении»6, многие школьные и дошкольные учреждения принимают недостаточно
неэффективные меры по формированию у
детей адекватного восприятия дорожной
обстановки, а также соблюдения требований правил дорожного движения. Именно в
общеобразовательной школе ребенок может получить необходимые знания и навы-
___________________________
5
Колганова С.В. Основы квалификационной подготовки специалистов автомобильного транспорта: учеб. пособие;
3-е изд., перераб. и доп. Иркутск: ИрГТУ, 2005. 335 с. / Kolganova S.V. Fundamentals of road transport professionals
qualification training. Irkutsk, IrGTU Publ., 2005, 335 р.
6
О безопасности дорожного движения: федер. Закон Республики Таджикистан от 04.11.1995 г. № 196. / On road
safety. The Federal Law of the Republic of Tajikistan of 04 November 1995 no.196.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
163
Транспорт
Transport
ки поведения на дороге в случае ДТП. Чем
разнообразнее формы работы по обучению
детей правилам безопасного поведения на
дороге, тем активнее эти правила будут
входить в привычку каждого ребенка [2]. В
связи с этим в образовательных учреждениях республики должны организовываться
следующие направления профилактической работы:
 повышение квалификации педагогических кадров, проводящих работу по
предупреждению
детского
дорожнотранспортного травматизма;
 активизация совместной деятельности образовательных учреждений, сотрудников ГАИ, ОВД и организация работы
с родителями;
 практическое закрепление полученных в процессе обучения знаний, умений, навыков;
 обучение детей правилам дорожного движения и воспитание у них навыков
культуры поведения на дороге и в обще-
ственном транспорте.
Работа по формированию и обеспечению безопасного движения всех участников дорожного движения, в том числе детей
и подростков в возрасте до 18 лет должна
оставаться главной задачей государственной транспортной политики и получить свое
дальнейшее развитие. Эта работа должна
проводиться в соответствии с требованием
закона Республики Таджикистан «О дорожном движении» со всеми возрастными
группами, но наибольшее внимание при
этом должно быть уделено детям и подросткам, как наиболее уязвимым участникам дорожного движения [7].
Реализация этих мероприятий может обеспечить в долгосрочной перспективе формирование транспортной культуры и
соблюдение безопасных норм поведения у
основной массы участников дорожного
движения и привести к снижению уровня
дорожно-транспортного травматизма на
территории Таджикистана.
Библиографический список
1. Нуралиев Б., Юнусов М.Ю., Зиёев Б.А., Хусейнов
Х.Б., Бодурбеков Ф. Состояние детского дорожнотранспортного травматизма в Таджикистане //
Транспортные и транспортно-технологические системы: материалы Междунар. науч.-техн. конф.
(Тюмень, 16 апреля 2015 г.) Тюмень: Изд-во Тюменского индустриального университета, 2015. С. 245–
248.
2. Никитин Р.Н., Османов Э.М. Состояние дорожнотранспортного травматизма в Тамбовской области //
Вестник ТГУ. 2011. Т. 16, № 1. С. 405–409.
3. Всемирный доклад о предупреждении дорожнотранспортного травматизма / под ред. Марджи Педен и др. // ВОЗ. М.: Весь Мир, 2004. 153 с.
4. Справочник по безопасности дорожного движения. М.: Росавтодор, 2010. 384 с.
5. Михайлов А.Ю. Интегральный критерий оценки
качества функционирования улично-дорожных сетей // Известия БГУ. 2004. № 2. С. 50–53.
6. Михайлов А.Ю., Головных И.М. Современные
тенденции проектирования и реконструкции уличнодорожных сетей городов. Новосибирск: Наука, 2004.
267 с.
7. Ременцов А.Н., Давлетшоев Р.А., Тошев Д.Ш.
Анализ состояния аварийности на горных автомобильных дорогах Республики Таджикистан // Вестник Таджикского политехнического университета.
2015. № 2 (30). С. 54–57.
References
transportnogo travmatizma v Tambovskoj oblasti [The
1. Nuraliev B., Junusov M.Ju. Zieev B.A., Khuseinov
Kh.B., Bodurbekov F. Sostojanie detskogo dorozhnostate of road accidents in the Tambov region]. Vestnik
transportnogo travmatizma v Tadzhikistane [State of
TGU [Bulletin of the Tambov University]. 2011, vol. 16,
traffic accidents involving children in Tajikistan]. Materino. 1, рр. 405–409. (In Russian)
aly mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konfer3. Vsemirnyj doklad o preduprezhdenii dorozhnoentsii “Transportnye i transportno-tekhnologicheskie
transportnogo travmatizma [The world report on the
sistemy” [Materials of the International Scientific and
prevention of road accidents]. Moscow, Ves' Mir Publ.,
Technical Conference “Transport and transport and
2004, 153 р. (In Russian)
4. Spravochnik po bezopasnosti dorozhnogo dvizhenija
technological sistems”]. Tyumen', Tymen Industrial University Publ., 2015, pp. 245–248/ (In Russian)
[A handbook on road safety]. Moscow, Rosavtodor
2. Nikitin R.N., Osmanov Je.M. Sostojanie dorozhnoPubl., 2010, 384 р. (In Russian)
164
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
5. Mihajlov A.Ju. Integral'nyj kriterij ocenki kachestva
funkcionirovanija ulichno-dorozhnyh setej [Integral criterion for assessing the quality of street and road network
operation]. Izvestija IGJeA [Bulletin of Baikal State University]. 2004, no. 2, pр. 50–53. (In Russian)
6. Mihajlov A. Ju., Golovnyh I.M. Sovremennye tendencii proektirovanija i rekonstrukcii ulichno-dorozhnyh
setej gorodov [Modern tendencies in designing and
reconstruction of urban street and road networks]. No-
vosibirsk, Nauka Publ., 2004, 267 р. (In Russian)
7. Rementsov A.N., Davletshoev R.A., Toshev D.Sh.
Analiz sostoyaniya avariinosti na gornykh avtomobil'nykh dorogakh Respubliki Tadzhikistan [Aссident
rate analysis on the mountain roads of the Republic of
Tajikistan]. Vestnik Tadzhikskogo politekhnicheskogo
universiteta [Bulletin of the Tajik Polytechnical University]. 2015, no. 2 (30), рр. 54–57.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и
оформлении научных результатов и в равной мере
несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and
formalization of scientific results and are equally responsible for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 19.01.2017
The article was received 19 January 2016
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
165
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 629.113:62-592
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-166-173
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
ВРАЩЕНИЯ КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ НА ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СТЕНДАХ
С БЕГОВЫМИ БАРАБАНАМИ С ПОМОЩЬЮ РОЛИКА СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ
© А.С. Потапов1, О.А. Свирбутович2, В.В. Винокуров3
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Исследовать погрешность измерения угловой скорости в зависимости от скорости
автотранспортного средства на стенде с беговыми барабанами. Получить функциональные зависимости погрешности измерения при увеличении скорости вращения колеса. МЕТОДЫ. Проанализированы метрологические
параметры системы измерения скорости вращения колес диагностируемого автомобиля на стендах с беговыми
барабанами при помощи следящих роликов. Проведены экспериментальные исследования с измерением скорости вращения колес диагностируемого автомобиля на стендах с беговыми барабанами при помощи следящих
роликов. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Показана зависимость относительной погрешности измерения
угловой скорости колеса автомобиля при помощи ролика следящей системы при увеличении скорости вращения.
Получена зависимость фазовой задержки ролика следящей системы. ВЫВОДЫ. Определены возможности снижения относительной погрешности измерения скорости вращения колес на стендах с беговыми барабанами. Указаны перспективные направления в решении задачи повышения точности измерения угловой скорости колес
автомобилей на стендах с беговыми барабанами.
Ключевые слова: ролик следящей системы, колесо автомобиля, стенд с беговыми барабанами, погрешность
измерения угловой скорости.
Формат цитирования: Потапов А.С., Свирбутович О.А., Винокуров В.В. Исследование погрешности измерения
угловой скорости вращения колес автомобиля на диагностических стендах с беговыми барабанами с помощью
ролика следящей системы // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3.
С.166–173. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-166-173
STUDY OF THE MEASUREMENT ERROR OF VEHICLE WHEEL ROTATION ANGULAR SPEED ON DIAGNOSTIC
TEST BENCHES WITH CHASSIS DYNAMOMETERS BY MEANS OF A FOLLOW SYSTEM ROLLER
A.S. Potapov, O.A. Svirbutovich, V.V. Vinokurov
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to study the uncertainty of angular speed measurement depending on the
vehicle speed on the roller dynamometer test bench and receive functional dependences of the measurement error under the increased speed of wheel rotation. METHODS. The analysis is given to the metrological parameters of the measurement system of the diagnosed vehicle wheel rotation speed on roller dynamometer test benches equipped with roller
followers. Experimental studies are carried out with the measurement of the wheel rotation speed of a diagnosed vehicle
on roller dynamometer test benches equipped with roller followers. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. It is shown
that there is a dependence of the relative error of vehicle wheel angular speed measurement by means of a follow system roller with the increase in the rotation speed. The dependence of the phase delay of the follow system roller is received. CONCLUSIONS. The possibilities to reduce the relative error of the wheel rotation speed on a roller dynamometer test benches are determined. The promising directions in the solution of tasks of improving the accuracy of vehicle
wheel angular speed measurement on roller dynamometer test benches are specified.
___________________________
1
Потапов Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта,
e-mail: batoha32303@rambler.ru
Anton S. Potapov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Automobile Transport Department,
e-mail: batoha32303@rambler.ru
2
Свирбутович Ольга Александровна, кандидат социологических наук, доцент кафедры автомобильного
транспорта, e-mail: zazetta77@mail.ru
Olga A. Svirbutovich, Candidate of Sociological Sciences, Associate Professor of the Automobile Transport Department,
e-mail: zazetta77@mail.ru
3
Винокуров Виктор Викторович, студент, e-mail: viktor_vinokurov_97@mail.ru
Viktor V. Vinokurov, Student, e-mail: viktor_vinokurov_97@mail.ru
166
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Keywords: follow system roller, vehicle wheel, roller dynamometer test bench, angular speed measurement error
For citation: Potapov A.S., Svirbutovich O.A., Vinokurov V.V. Study of the measurement error of vehicle wheel rotation
angular speed on diagnostic test benches with chassis dynamometers by means of a follow system roller/ Proceedings of
Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no 2, pp. 166–173. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-166173
Введение
Контроль технического состояния
автотранспортных средств (АТС) в условиях эксплуатации выполняется, как правило,
на диагностических стендах с беговыми
барабанами [1].
Стенды
позволяют
устранять
негативное
влияние
на
качество
обследования АТС внешних факторов,
таких как природные явления, погода и т.п.
Кроме того, с их помощью можно
исследовать
системы
и
агрегаты
неподвижного АТС, что принято называть
принципом обратимости движения [1].
Однако,
как
известно,
одним
из
недостатков диагностирования автомобилей на стендах с беговыми барабанами
является погрешность измерения угловой
скорости колес. Поэтому целью данной работы является исследование погрешности
измерения угловой скорости в зависимости
от скорости автотранспортного средства на
стенде с беговыми барабанами, а также
получение функциональной зависимости
погрешности измерения при увеличении
скорости вращения колеса.
Методы исследования и результаты
На осциллограммах, представленных на рис. 1, показаны изменения угловой
скорости ωк колеса и сигнала ωд от
системы измерения этой угловой скорости
со следящим роликом на диагностическом
стенде с беговыми барабанами [1].
Эти зависимости были получены
профессором кафедры «Автомобильный
транспорт» ИРНИТУ А.И. Федотовым с помощью математического моделирования.
Чтобы проверить его результаты, было
принято решение исследовать процессы и
подтвердить экспериментально функциональные зависимости, приведенные в работе [1]. Для этого была разработана
методика проведения экспериментального
исследования, суть которой заключается в
сравнении полученных результатов измеренной угловой скорости вращения роликов
следящей системы и колес автомобиля.
Экспериментальное исследование
проводилось при экстренном затормаживании и последующем растормаживании колеса автомобиля. При этом записывались
два сигнала: первый - от индуктивного
датчика ролика следящей системы [2],
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
второй – от штатного индуктивного датчика
колеса автомобиля. Сигналы с датчиков
поступали через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на персональный компьютер и обрабатывались в среде Zet Lab.
После обработки результатов экспериментального исследования были получены осциллограммы зависимости угловой скорости автомобильного колеса от времени
(рис. 2–5).
На осциллограмме, представленной
на рис. 1, можно увидеть, что при небольшой скорости разгона, около 20 км/ч, и экстренном затормаживании ролик следящей
системы практически не запаздывает. При
растормаживании и последующем разгоне
до 5 км/ч без воздействия на педаль газа
наблюдается его незначительное запаздывание – на ∆tр=0,5 с, при этом разность угловых скоростей, измеренных с помощью
штатного датчика и датчика ролика следящей системы, составляет ∆ωр=0,01 с-1.
При дальнейшем увеличении скорости автомобиля можно заметить, что запаздывание вращения ролика увеличивается.
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
167
Транспорт
Transport
а
b
Рис. 1. Осциллограммы изменения угловой скорости колеса ωк и сигнала ωд
от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом на диагностическом стенде
с беговыми барабанами при начальной скорости 15,5 км/ч:
а – в режиме затормаживания колеса; b – в режиме растормаживания
Fig. 1. Waveforms of wheel angular speed ωк and signal ωд variation from the measurement system
of this angular velocity with a roller follower on a diagnostic test bench with chassis dynamometers
under initial speed of 15.5 km/h:
а – in the wheel braking mode; b – in the brake release mode
Рис. 2. Осциллограмма измерения угловой скорости колеса автомобиля с помощью штатного
колесного датчика и сигнала от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом
на диагностическом стенде с беговыми барабанами при начальной скорости затормаживания 19 км/ч
и последующем растормаживании и выбеге без воздействия на педаль газа до 5 км/ч:
1 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью штатного колесного датчика автомобиля;
2 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью ролика следящей системы диагностического
стенда с беговыми барабанами
Fig. 2. Waveform for measuring the vehicle wheel angular speed by means of a standard wheel sensor
and a signal from the measurement system of this angular velocity with a roller follower on the diagnostic test
bench with chassis dynamometers under the initial braking speed of 19 km/h and subsequent brake release
and overrun without affecting the accelerator pedal up to 5 km/h: 1 – wheel angular velocity measured by means
of a standard vehicle wheel sensor; 2 – wheel angular velocity measured by means of the follow system roller
of the diagnostic test bench with chassis dynamometers
168
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Так, на осциллограмме, представленной на рис. 3, видно, что при разгоне до
27 км/ч и экстренном торможении ролик
запаздывает на ∆tт=0,02 с. При этом разность угловых скоростей, измеренных с помощью штатного датчика и датчиком ролика следящей системы, уже составляет
∆ωт=0,9 с-1.
При растормаживании следует отметить, что запаздывание ∆tр=0,1 с сократилось, а ∆ωр=3 с-1 выросло.
Сокращение ∆tр связано с увеличением начальной скорости затормаживания
автомобиля при экспериментальном исследовании.
На осциллограмме, представленной
на рис. 4, показатели запаздывания следующие: ∆tт=0,03 с и ∆ωт=2 с-1; ∆tр=0,05 с и
∆ωр=16 с-1.
На осциллограмме, представленной
на рис. 5, показатели запаздывания также
выросли: ∆tт=0,11 с и ∆ωт=2 с-1; ∆tр=0,08 с
и ∆ωр=16 с-1.
Расчитаем
относительную
погрешность измерения угловой скорости
колеса автомобиля по формуле [3]
 

max
100% ,
где Δ – относительная погрешность
измерения угловой скорости колеса автомобиля; ωmax – реальная скорость колеса,
измеренная с помощью штатного датчика
автомобиля, с-1; Δω – разность значений
угловых скоростей, измеренных с помощью
штатного датчика и ролика следящей системы, с-1.
Рис. 3. Осциллограмма измерения угловой скорости колеса автомобиля с помощью штатного
колесного датчика и сигнала от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом
на диагностическом стенде с беговыми барабанами при начальной скорости затормаживания 27 км/ч
и последующем растормаживании и выбеге без воздействия на педаль газа до 18 км/ч:
1 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью штатного колесного датчика автомобиля;
2 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью ролика следящей системы диагностического
стенда с беговыми барабанами
Fig. 3. Waveform for measuring the vehicle wheel angular speed by means of the standard wheel sensor
and a signal from the measurement system of this angular velocity with a roller follower on the diagnostic test
bench with chassis dynamometers under the initial braking speed of 27 km/h and subsequent brake release
and overrun without affecting the accelerator pedal up to 18 km/h: 1 – wheel angular velocity measured
by means of a vehicle standard wheel sensor; 2 – wheel angular velocity measured by means of the follow
system roller of the diagnostic test bench with chassis dynamometers
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
169
Транспорт
Transport
Рис. 4. Осциллограмма измерения угловой скорости колеса автомобиля с помощью штатного
колесного датчика и сигнала от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом
на диагностическом стенде с беговыми барабанами при начальной скорости затормаживания 40 км/ч
и последующем растормаживании и выбеге без воздействия на педаль газа до 28 км/ч:
1 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью штатного колесного датчика автомобиля;
2 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью ролика следящей системы диагностического
стенда с беговыми барабанами
Fig. 4. Waveform for measuring the vehicle wheel angular speed by means of the standard wheel sensor
and a signal from the measurement system of this angular velocity with a roller follower on the diagnostic test
bench with chassis dynamometers under the initial braking speed of 40 km/h and subsequent brake release
and overrun without affecting the accelerator pedal up to 28 km/h: 1 – wheel angular velocity measured
by means of a vehicle standard wheel sensor; 2 – wheel angular velocity measured by means of the follow
system roller of the diagnostic test bench with chassis dynamometers
Рис. 5. Осциллограмма измерения угловой скорости колеса автомобиля с помощью штатного
колесного датчика и сигнала от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом
на диагностическом стенде с беговыми барабанами при начальной скорости затормаживания 56 км/ч
и последующем растормаживании и выбеге без воздействия на педаль газа до 42 км/ч:
1 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью штатного колесного датчика автомобиля;
2 – угловая скорость колеса, измеренная с помощью ролика следящей системы диагностического
стенда с беговыми барабанами
Fig. 5. Waveform for measuring the vehicle wheel angular speed by means of the standard wheel sensor
and a signal from the measurement system of this angular velocity with a roller follower on the diagnostic test
bench with chassis dynamometers under the initial braking speed of 56 km/h and subsequent brake release
and overrun without affecting the accelerator pedal up to 42 km/h: 1 – wheel angular velocity measured
by means of a vehicle standard wheel sensor; 2 – wheel angular velocity measured by means of the follow
system roller of the diagnostic test bench with chassis dynamometers
170
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Осциллограммы погрешности измерения угловой скорости колеса автомобиля
на диагностическом стенде с беговыми барабанами при экстренном затормаживании
представлены на рис. 6.
На рис. 7 представлены аналогич-
а
ные результаты, но уже при растормаживании.
Также были построены осциллограммы изменения времени задержки ролика Δt от начальной и конечной скорости
колеса (рис. 8).
b
Рис. 6. Осциллограммы изменения погрешности измерения с помощью ролика следящей системы
угловой скорости колеса автомобиля от начальной скорости затормаживания:
а – погрешность, выраженная как относительная разность значений угловых скоростей ω р,
измеренных с помощью штатного датчика и ролика следящей системы; b – погрешность,
выраженная в процентах
Fig. 6. Variation waveforms of the error of measurement performed by the follow system roller of the vehicle
wheel angular speed from the initial braking speed: a – error expressed as a relative difference between
the values of angular velocities ωр measured by means of a standard sensor and the follow system roller;
b – error expressed as a percentage
а
b
Рис. 7. Осциллограммы изменения погрешности измерения с помощью ролика следящей системы
угловой скорости колеса автомобиля, при его растормаживании и последующем выбеге
без воздействия на педаль газа: а – погрешность, выраженная как относительная разность значений
угловых скоростей ωр, измеренных с помощью штатного датчика и ролика следящей системы;
b – погрешность, выраженная в процентах
Fig. 7. Variation waveforms of the error of measurement performed by the follow system roller of the vehicle
wheel angular velocity under vehicle braking and subsequent overrun without affecting the accelerator pedal;
a – error expressed as a relative difference between the values of angular velocities ωр measured by means
of the standard sensor and the follow system roller; b – error expressed as a percentage
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
171
Транспорт
Transport
а
b
Рис. 8. Осциллограммы изменения времени задержки ролика Δt от начальной и конечной скорости
колеса: а – при затормаживании; b – при растормаживании
Fig. 8. Waveforms of roller delay time Δt variation depending on the initial and final wheel speed:
a – under braking; b – under brake release
Заключение
Итак, на основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Существующие системы измерения угловой скорости колес АТС на стендах
с беговыми барабанами, имеющие прижимные следящие ролики, удовлетворительно выполняют свои функции только
при малых (до 5 км/ч) скоростях [1], что
подтверждается экспериментальными исследованиями.
2. Увеличение начальной скорости
выше 5 км/ч приводит к большим погрешностям измерения угловой скорости, величина которых может достигать 85% и выше.
3. Наиболее перспективным направлением в решении задачи повышения точности измерения угловой скорости колес
АТС на стендах с беговыми барабанами
следует считать применение бесконтактных
(в том числе лазерных) методов измерений
[1].
Библиографический список
1. Федотов А.И., Хамуев А.А. Совершенствование
системы измерения скорости вращения колес автомобиля на диагностических стендах с беговыми барабанами // Вестник ИрГТУ. 2014. № 12. С. 63–71.
2. Пат. № 2375218, Российская федерация, МПК
В60Т17/22, G01L5/28. Способ динамического диагностирования антипробуксовочных систем автомобилей и устройство для его осуществления / А.И.
Федотов, И.М. Григорьев, А.С. Потапов; заявитель и
патентообладатель Иркут. гос. техн. ун-т.
№ 2008124862/11; заявл. 17.06.2008; опубл.
10.12.2009.
3. Федотов А.И., Бойко А.В., Потапов А.С. О повторяемости измерений параметров процесса торможения автомобиля на стенде с беговыми барабанами // Вестник ИрГТУ. 2008. № 1. С. 63–71.
References
1. Fedotov A.I., Khamuev A.A. Sovershenstvovanie
sistemy izmereniya skorosti vrashcheniya koles avtomobilya na diagnosticheskikh stendakh s begovymi
barabanami [Improving the measuring system of vehicle
wheel rotation speed on diagnostic chassis dyno rollers]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2014, no. 12, pp. 63–71. (In Russian)
2. Fedotov A.I., Grigor'ev I.M., Potapov A.S. Sposob
dinamicheskogo
diagnostirovaniya
antiprobuksovochnykh sistem avtomobilei i ustroistvo dlya ego
172
ВЕСТНИК ИрГТУ
osushchestvleniya [The method of dynamic diagnosing
of the vehicle traction control system and the device for
its implementation]. Patent RF, no. 2375218, 2009.
3. Fedotov A.I., Boiko A.V., Potapov A.S. O povtoryaemosti izmerenii parametrov protsessa tormozheniya
avtomobilya na stende s begovymi barabanami [On
repeatability of vehicle braking parameter measurement
on the chassis dynamometer test bench]. Vestnik IrGTU
[Proceedings of Irkutsk State Technical University].
2008, no. 1, pp. 63–71. (In Russian)
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Критерии авторства
Потапов А.С., Свирбутович О.А., Винокуров В.В.
исследовали погрешность измерения угловой
скорости
в
зависимости
от
скорости
автотранспортного средства на стенде с беговыми
барабанами, провели обобщение и написали рукопись. Потапов А.С., Свирбутович О.А., Винокуров
В.В. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Potapov A.S., Svirbutovich O.A., Vinokurov V.V. have
researched the error of angular velocity measurement
depending on the vehicle speed on a roller dynamometer test bench, summarized the material and wrote the
manuscript. Potapov A.S., Svirbutovich O.A., Vinokurov
V.V. have equal author’s rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 09.01.2017 г.
The article was received 9 January 2017
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
173
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 629.113
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-174-183
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПОТРЕБНОСТИ В ЗАПАСНЫХ ЧАСТЯХ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
© В.М. Терских1, В.Н. Катаргин2, А.А. Сбитнева3, Е.С. Михайлова4
Сибирский федеральный университет,
Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, 79.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В статье авторами выдвигается гипотеза о том, что потребность в автомобильных запасных
частях у крупных компаний представляет собой смесь вероятностных распределений. Предлагается метод прогнозирования данной потребности на основе расщепления смеси на отдельные компоненты по категориям потребителей. Приводятся ограничения области применения данного метода и перспективы его использования на
практике. МЕТОДЫ. Предлагаются методики оценки значений параметров функции смеси вероятностных распределений и проверки на согласованность полученных на ее основе значений потребности в запасных частях с
эмпирическими данными. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Выполненное частотное сравнение для теоретических и эмпирических распределений потребности свидетельствует о том, что они хорошо согласуются между
собой, и предлагаемая методика может применяться для прогнозирования потребности в автотранспортных запасных частях на практике. ВЫВОДЫ. Представление потребности в автомобильных запасных частях в виде
функции смеси вероятностных распределений позволяет сделать ее точный прогноз.
Ключевые слова: автомобильный транспорт, запасные части, техническая эксплуатация, управление запасами, склад, прогнозирование спроса.
Формат цитирования: Терских В.М., Катаргин В.Н., Сбитнева А.А., Михайлова Е.С. Формализация потребности
в запасных частях при эксплуатации автотранспортных средств // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 174–183. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-174-183
FORMALIZATION OF THE DEMAND IN SPARE CAR PARTS WHEN USING MOTOR VEHICLES
V.M. Terskikh, V.N. Katargin, A.A. Sbitneva, E.S. Mikhailova
Siberian Federal University,
79 Svobodnii pr., 660041 Krasnoyarsk, Russian Federation.
SUMMARY. PUPROSE. The paper suggests that the demand of large companies in car parts is a mixture of probability
distributions. The authors developed the method for predicting that demand by splitting the mixture into separate components by consumer categories. The authors specify limitations on the application of this method and prospects for practical use. METHODS. The authors suggest the methods for assessing the values of function parameters of a mixture of
probability distributions and consistency checking of this values with empirical data. RESULTS AND ITS DISCUSSION.
Frequency comparison of theoretical and empirical distributions of the demand shows that they are in agreement with
each other, therefore the proposed method can be used for demand prediction in practice. CONCLUSION. The demand
representation for spare car parts as a function of the mixture of probability distribution enables to make its accurate pr ediction.
Keywords: motor vehicles, spare parts, technical maintenance, inventory management, warehouse, demand forecasting
___________________________
1
Терских Виктор Михайлович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Транспорт»,
e-mail: terskich_vm@mail.ru
Viktor M. Terskikh, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Transport,
e-mail: terskich_vm@mail.ru
2
Катаргин Владимир Николаевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Транспорт»,
e-mail: katargin@gmail.com
Vladimir N. Katargin, Candidate of Technical Sciences, Professor of the Department of Transport,
e-mail: katargin@gmail.com
3
Сбитнева Анастасия Андреевна, студентка Института космических и информационных технологий,
e-mail: sbitneva300996@mail.ru
Anastasia A. Sbitneva, a student of Space and Information Technologies Institute of the SFU,
e-mail: sbitneva300996@mail.ru
4
Михайлова Екатерина Сергеевна, студентка Института космических и информационных технологий,
e-mail: mikhaylova0402@gmail.com
Ekaterina S. Mikhailova, a student of Space and Information Technologies Institute of the SFU,
e-mail: mikhaylova0402@gmail.com
174
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
For citation: Terskikh V.M., Katargin V.N., Sbitneva A.A., Mikhailova E.S. Formalization of the demand in spare car part
demand when using motor vehicles. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 174–183.
(In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-174-183
Введение
Главной проблемой управления складами автомобильных запасных частей является
прогнозирование спроса на них в будущем [1]. Известные способы прогнозирования на основе
построения трендов и сезонных колебаний спроса в данном случае не приводят к удовлетворительным результатам. Специально разработанные методики на основе теории надежности
очень сложны и трудоемки, также для них зачастую невозможно собрать все необходимые
статистические данные.
Анализ многочисленных данных показал, что статистику потребления запасных частей
на предприятиях, обслуживающих или эксплуатирующих автомобильный транспорт, в большинстве случаев невозможно описать с помощью известных законов распределения случайных величин. Это объясняется неоднородностью статистических данных потребления запасных частей, так как в зависимости от типа предприятия спрос на них может представлять собой смесь вероятностных распределений. На рис. 1 представлены гистограммы распределения суточного расхода некоторых наиболее типичных запасных частей на предприятии города
Красноярска «Техавтоцентр» официального дилера марки «КамАЗ». Как видно из графиков,
за один день со склада может быть реализовано любое количество единичных деталей либо
комплектов деталей. Становится очевидным факт наличия различных категорий потребителей.
a
b
c
d
Рис. 1. Динамика продаж запасных частей: а – шланг масляного датчика 5320-3829040;
b – шпилька 853308 колеса; c – манжета 14216816 задней ступицы 864130-02;
d – топливный насос низкого давления 323-1106010
Fig. 1. Sales dynamics for spare parts: a – an oil sensor hose 5320-3829040; b – a pin 853308;
c – a boot 14216816 of the rear hub 864130-02; d – a low-pressure fuel pump 323-1106010
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
175
Транспорт
Transport
Целью исследования являлась разработка методики для определения теоретического
распределения случайной величины потребности в запасных частях на предприятиях автомобильного транспорта.
Постановка задачи
Исходя из вышесказанного, докажем, что спрос на автомобильные запасные части
можно представить в виде функции смеси вероятностных распределений. Компонентами смеси является спрос на запасные части различных потребительских групп, который является однородным внутри одной группы. В общем виде уравнение плотности смеси вероятностных
распределений можно представить как [2]:
f ( x)  p1 f1 ( x)  p2 f 2 ( x)  ...  pn f n ( x) ,
(1)
где p1, p2, … , pn – априорные вероятности появления наблюдений именно из данного компонента смеси; f1(x), f2(x), … , fn(x) – функции плотности распределения компонентов смеси;
n – число компонентов смеси.
Для различных автомобильных деталей значения n могут варьироваться, но, как показала практика, число компонентов смеси редко превышает 4. Рассмотрим случай, когда n = 4
(рис. 2), условно назовем эти четыре компоненты: розница, мелкий опт, средний опт и крупный
опт. Тогда p1, p2, p3, p4 – это вероятности появления соответственно розничного покупателя,
мелкого, среднего и крупного оптовика. В свою очередь p1, p2, p3, p4 могут также подчиняться
какому-либо закону распределения случайных величин.
e  '2  2y
e   p`2 (y) 
p`1 (y) 
,
y!
y!
0,7
Вероятность / Probability, p(y)
  `1
y
1
e  '3  3y
p`3 (y) 
y!
e  '4  4y
p`4 (y) 
y!
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1 2 3
4 5 6
7 8 9
10 11 12
13 14
15 16 17
18 19 20
Количество деталей, приобретаемых одним клиентом
за раз / The number of items purchased by one customer at once, y
p`1
p`2
p`3
p`4
Рис. 2. Распределение спроса на запасные части в группах потребителей
Fig. 2. Distribution of spare parts demand in consumer groups
176
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Очевидно, что область применения предлагаемого метода ограничивается идентифицируемостью компонентов в смеси распределений. Согласно [3], различимыми являются конечные смеси из распределений: 1) нормальных (в том числе многомерных); 2) экспоненциальных; 3) пуассоновских; 4) распределений Коши. Для нашей задачи единственным подходящим дискретным вероятностным распределением из перечисленных является пуассоновское. Его использование на практике ограничено условиями возникновения пуассоновского
потока случайных событий [4]:
1) заявки должны поступать поодиночке, а не группами по два, три и т. д. (в реальной
практике это условие, как правило, всегда выполняется);
2) поступление заявок за день (интервал времени) не должно зависит от того, сколько
было заявок в другие дни (данное требование на практике обычно также соблюдается: покупатели в магазин приходят случайно, отказы автомобилей также возникают через случайные
интервалы времени);
3) среднее число заявок (спрос) на запасные части за единицу времени должно быть
постоянно. Проблема сезонности спроса на некоторые запасные части и другие факторы,
приводящие к тому, что среднее потребление запасных частей может с течением времени изменяться, решается корректировкой данной величины для каждого сезона, в течение которого
потребление можно условно считать постоянным.
Таким образом, случайные события появления покупателей запасных частей за определенный период времени подчиняются пуассоновскому закону распределения с параметром
λ, а количество разово приобретаемых ими деталей – пуассоновскому закону распределения
с параметром λ`. Тогда вероятности появления x покупателей для каждой группы определяются по формулам:
p1(x) 
e λ1  λ1x
e λ2  λ2x
e λ1  λkx
p
p
(x)
(x)


;
; …; k
,
2
x!
x!
x!
(2)
где λ1, λ2, …, λk – параметры функций распределения вероятностей появления покупателей
первой, второй, …, k-ой группы соответственно; x – количество покупателей.
А вероятности покупки y деталей за одну покупку покупателями первой, второй, …, k-ой
группы: p`1(y), p`2(y), …, p`k(y), соответственно равны:
e  `1   `1у
p`1 ( y ) 
;
y!
e 2   `2у
e 1   `kу
p2 ( y ) 
; …; pk ( y ) 
,
y!
y!
(3)
где λ`1, λ`2, …, λ`k – параметры функций распределения количества запасных частей приобретенных покупателями первой, второй, …, k-ой группы соответственно; y – количество деталей,
купленных одним покупателем.
Тогда функцию плотности смеси вероятностных распределений потребности в запасных частях можно представить в виде:
n
m  k

f ( x)    p(nij )  p( Sij )  ,
q 1  j1 i 1
q
(4)
где m – количество всех возможных вариантов наборов значений Sij,; pij – вероятность появления только i-го количества покупателей j-ой группы за определенный период времени;
p(Sij) – вероятность покупки S деталей i-м покупателем j-ой группы за один раз.
Учитывая, что вероятность появления определенного количества покупателей и приISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
177
Транспорт
Transport
обретения ими определенного количества деталей подчиняется закону Пуассона, выражение
(4) можно представить в виде:
 k n e  j   jz j

f ( x)    
 f ( Sij )  ,


zj!
q 1  j 1 i 1
q
m
(5)
где zj – количество покупателей j-ой группы; λj – параметр пуассоновского распределения вероятности появления определенного количества покупателей j-ой группы за определенный
период времени.
Подробное доказательство формул (4) и (5) было рассмотрено нами в работе [5].
Методы исследования
Для формализации потребности в запасных частях при эксплуатации автотранспортных средств была использована специально разработанная программа для ЭВМ, состоящая
из: модуля сбора и обработки статистических данных о реализации запасных частей со склада; модуля расчета параметров функции смеси вероятностных распределений случайного
спроса; модуля генерации случайных величин спроса по полученным значениям параметров
спроса (прогноз потребления).
Определение значений параметров функции смеси распределения случайных величин
спроса происходит следующим образом: задается область допустимых значений для каждого
из параметров λ1, λ2, …, λk , λ`1, λ`2, …, λ`k. Последовательным перебором с шагом итераций h
в области допустимых значений λ1 и λ`1, принимая λ2 = 0, λ3 = 0, …, λk = 0, λ`2 = 0, λ`3 = 0, …, λ`k
= 0, находятся начальные приближения λ1 и λ`1, при которых отклонение между моделируемым
и фактическим распределениями спроса будет минимально. Далее аналогичным образом последовательно находятся приближенные значения остальных параметров. Уменьшая область
значений параметров и шаг вдвое, таким образом, чтобы полученные приближенные значения
параметров становились серединой новых интервалов; далее уточняются λ 1, λ2, …, λk , λ`1, λ`2,
…, λ`k до тех пор, пока отклонение не достигнет заданного значения точности ζ (табл. 1).
Имея необходимые значения параметров функции спроса, методом обратного преобразования из теоретической функции генерируем случайные значения и таким образом получаем прогноз потребности в запасных частях.
Далее возникает задача сравнения моделируемых значений потребности и фактических данных спроса. Для этого воспользуемся надежным подходом к сравнению моделируемых значений фактических данных, изложенном в работе [6]. Выбираем m независимых наборов данных о продаже запасных частей и n независимых сгенерированных значений прогноза
спроса из функции смеси вероятностных распределений. Пусть Xj будет средним значением
наблюдений в наборе данных склада, а Yj – средним значением в наборе модельных данных.
Кроме того, Xj – независимые и одинаково распределенные величины со средним значением
µX = E(Xj), а Yj – независимые и одинаково распределенные величины со средним значением
µY = E(Yj). Будем сравнивать модель с реальной системой, создав доверительный интервал
для ζ = µX - µY (рис. 3). Причины, по которым создание доверительного интервала для ζ предпочтительнее проверки нулевой гипотезы H0 (µX = µY) приведены в [6].
После этого строится 100(1-α)-процентный доверительный интервал для ζ с помощью
метода двустороннего t-критерия. Пусть l(α) и u(α) будут соответственно верхней и нижней конечными точками доверительного интервала. Если 0  [l(α), u(α)], любая наблюдаемая разность
не будет статистически значимой на уровне α и может быть объяснена выборочными флуктуациями (табл. 2).
178
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Таблица 1
Эмпирическое и теоретическое распределения спроса
Table 1
Empirical and theoretical demand distribution
x
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
x
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1. Данные по клапану перепускному /
Bypass valve data
Эмпирические /
Теоретические /
Empirical
Theoretical
hj
rj
λk , λ`k
0,5852
0,5758
0,2033
0,1982
0,0824
0,0823
0,0247
0,0243
0,0165
0,0182
0,0165
0,0155
λ1 = 0,4612
0,0137
0,0114
λ`1 = 0,2532
0,0110
0,0071
λ 2 = 0,0734
0,0027
0,0053
λ`2 = 3,7564
λ3 = 0,0483
0,0055
0,0051
λ`3 = 8,5729
0,0082
0,0058
λ4 = 0,0151
0,0082
0,0056
λ`4 = 14,637
0,0055
0,0049
0,0027
0,0041
0,0027
0,0030
0,0055
0,0030
0,0027
0,0030
0,0027
0,0027
2. Данные по кольцу форсунки /
Ring sealing nozzle data
Эмпирические /
Теоретические /
Empirical
Theoretical
hj
rj
λk , λ`k
0,3764
0,3422
0,1236
0,0994
0,0852
0,0933
0,0577
0,0587
0,0604
0,0569
0,0714
0,0489
λ1 = 0,4253
0,0549
0,0431
λ`1 = 0,2942
0,0330
0,0321
λ 2 = 0,0697
0,0220
0,0254
λ`2 = 4,8523
λ3 = 0,0483
0,0220
0,0197
λ`3 = 8,9401
0,0220
0,0189
λ4 = 0,0274
0,0192
0,0165
λ`
4 = 14,119
0,0220
0,0143
0,0137
0,0113
0,0055
0,0075
0,0055
0,0058
0,0027
0,0046
0,0027
0,0036
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
x
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
x
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
3. Данные по паре плунжерной /
Plunger pair data
Эмпирические /
Теоретические /
Empirical
Theoretical
hj
rj
λk , λ`k
0,7005
0,6864
0,0742
0,0708
0,0577
0,0595
0,0302
0,0324
0,0247
0,0218
0,0137
0,0126
λ1 = 0,4490
0,0082
0,0080
λ`1 = 0,3755
0,0055
0,0066
λ 2 = 0,0622
0,0082
0,0102
λ`2 = 4,5712
λ3 = 0,0397
0,0165
0,0140
λ`3 = 8,2209
0,0192
0,0151
λ4 = 0,0235
0,0137
0,0128
λ`4 = 13,651
0,0082
0,0093
0,0055
0,0064
0,0027
0,0033
0,0055
0,0032
0,0027
0,0030
0,0027
0,0025
4. Данные по распылителю форсунки /
Injector data
Эмпирические /
Теоретические /
Empirical
Theoretical
hj
rj
λk , λ`k
0,6374
0,6183
0,1099
0,1044
0,0714
0,0735
0,0330
0,0320
0,0247
0,0245
0,0220
0,0212
λ1 = 0,5514
0,0192
0,0183
λ`1 = 0,3126
0,0137
0,0135
λ 2 = 0,0763
0,0110
0,0111
λ`2 = 4,3523
λ3 = 0,0338
0,0082
0,0093
λ`3 = 7,8723
0,0137
0,0099
λ4 = 0,0246
0,0082
0,0090
λ`
4 = 13,513
0,0082
0,0074
0,0055
0,0057
0,0027
0,0035
0,0055
0,0033
0,0027
0,0030
0,0027
0,0025
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
179
Транспорт
Transport
0,001
0,001
hj
rj
hj
0,01
hj, rj
hj, rj
0,01
rj
0,1
0,1
1
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718
xj
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718
xj
b
a
0,001
0,001
hj
rj
hj
0,01
hj, rj
hj, rj
0,01
rj
0,1
0,1
1
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718
xj
C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718
xj
d
Рис. 3. Частотное сравнение подобранной функции смеси вероятностных распределений
и эмпирических данных о значениях спроса на детали: а – клапан перепускной ТНВД;
b – кольцо уплотнительное форсунки; c – пара плунжерная (ДВС-740); d – распылитель форсунки
Fig. 3. Frequency comparison of the selected function of the mixture of probability distributions
and empirical data on the values of spare parts demand: а – injection pump bypass valve;
b – ring sealing nozzle; c – plunger pair; d – injector
180
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Таблица 2
Эмпирическое и теоретическое распределение спроса,
доверительный интервал для ζ = µX - µY
Table 2
Empirical and theoretical demand distribution,confidence interval for ζ = µX - µY
Номер
эксперимента /
Number of the
experiment
Клапан перепускной /
Injection pump bypass valve
1
2
3
Деталь / Part
Кольцо форсунки /
Пара плунжерная /
Ring sealing nozzle
Pump element
1
2
3
1
2
3
Распылитель
форсунки / Injector
1
2
3
1
1,32
0,93
0,39
1,22
2,42
-1,2
1,42
1,14
0,28
1,83
1,96
-0,13
2
1,25
1,5
-0,25
1,76
1,03
0,73
1,92
1,31
0,61
1,65
1,09
0,56
3
1,55
2
-0,45
1,27
1,79
-0,52
0,79
1,58
-0,79
1,43
1,11
0,32
4
1,31
1,32
-0,01
1,61
1,53
0,08
1,14
2,07
-0,93
1,52
1,61
-0,09
5
1,62
1,46
0,16
1,98
1,18
0,8
2,06
1,84
0,22
1,45
1,4
0,05
6
1,02
1,06
-0,04
1,54
1,74
-0,2
1,17
1,75
-0,58
1,85
1,61
0,24
7
1,69
1,83
-0,14
1,69
1,74
-0,05
1,15
1,79
-0,64
1,94
1,21
0,73
8
1,38
1,73
-0,35
1,87
1,74
0,13
1,19
1,73
-0,54
1,73
1,75
-0,02
9
2,03
0,95
1,08
1,61
1,79
-0,18
1,9
2,02
-0,12
1,59
1,69
-0,1
10
Среднее /
average
1,11
1,26
-0,15
1,65
1,72
-0,07
1,43
1,43
0
1,37
2,1
-0,73
1,43
1,40
0,44
1,62
1,67
0,57
1,42
1,67
0,52
1,64
1,55
0,41
l(α)
–
–
0,30
–
–
0,31
–
–
0,07
–
–
0,34
u(α)
–
–
-0,25
–
–
-0,40
–
–
-0,57
–
–
-0,17
Примечание. 1 – эмпирические данные распределения спроса; 2 – теоретические данные распределения спроса;
3 – доверительный интервал для ζ = µ X - µY / Note. 1 – empirical data of demand distribution; 2 – theoretical data of
demand distribution; 3 – confidence interval of ζ = µX - µY.
Полученная описанным выше способом теоретическая потребность в запасных частях
требует проверки на согласованность подобранного распределения с эмпирическим. Одним
из вариантов сравнения подобранного распределения с истинным, лежащим в основе эмпирических данных, является метод частотного сравнения – графическое сравнение гистограммы данных с функцией плотности подобранного распределения вероятностей. Однако для
реализации процедуры оценки согласованности подобранного распределения с эмпирическим
в автоматическом режиме графический метод не подходит, поэтому для сравнения можно
воспользоваться критерием согласия Колмогорова – Смирнова [7]. Проблемой является то,
что данные потребности в запасных частях не являются непрерывными случайными величинами, как и законы их распределения. Решение данной проблемы видится в использовании
преобразования Смирнова и метода перехода от дискретной функции распределения дискретных величин потребности в запасных частях к непрерывной. Данный метод заключается в
том, что имея функцию распределения некоторой дискретной случайной величины F(x) и
предположив, что Y1 , Y2 , …, Yn – это количество n независимых реализаций случайной величины, равномерно распределенной на [0, 1], полученные рандомизацией в точках разрыва
функции F(x) = P{Xi ≤x} примут вид:
Ui  F ( X i )  Yi  F ( X i )  F ( X i ) ,
(6)
где i = 1,2, …, n; F ( x)  limF ( x  z ) , независимо и случайно распределены на [0, 1].
z 0
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
181
Транспорт
Transport
Статистика Колмогорова [7] представлена как
K n  sup n Fn (x)  F(x) ,
(7)
x <
С помощью функции Ui=F(Xi) преобразуем наблюдаемую выборку X1 , X2 , …, Xn в выборку величин, равномерно распределенных на интервале [0, 1]:
Kn  sup n Fn (u)  u .
0u 1
(8)
После преобразования выборки проверяется гипотеза о согласии с непрерывным законом распределения, при этом нет необходимости модифицировать непараметрические критерии согласия для учета дискретности закона распределения. Проверить степень согласованности эмпирического и теоретического распределения по критерию Колмогорова – Смирнова
можно воспользовавшись оператором kstest2 в программе MATLAB.
В случае не опровержения гипотезы о согласии на требуемом уровне значимости из
подобранного теоретического распределения генерируются случайные значения величины
потребности в запасных частях, и составляется массив исходных данных. Для тех деталей, к
которым невозможно с заданной точностью подобрать теоретическую функцию спроса, можно
использовать методики прогнозирования с помощью известных методов аппроксимации статистических данных, либо используя эмпирическое распределение спроса.
Результаты исследования
По предложенной методике было выполнено частотное сравнение для подобранных
теоретических функций спроса и эмпирических данных для деталей: клапан перепускной
ТНВД, кольцо уплотнительное форсунки, пара плунжерная (ДВС-740), распылитель форсунки
«ЯЗДА» (необходимые расчетные значения hj , rj , λk , λ`k для данных деталей приведены в
табл. 1). Представленные на рис. 3 гистограммы свидетельствуют о том, что подобранные
теоретические распределения хорошо согласуются с эмпирическими данными.
Результаты сравнения моделируемых значений потребности в запасных частях и фактических данных спроса приведены в табл. 2: построенные 90-процентные доверительные интервалы для ζ, l(α) и u(α) — соответственно верхние и нижние конечные точки этих интервалов. Так как для всех деталей 0  [l(α), u(α)], то наблюдаемая разность не будет статистически
значимой на уровне α и может быть объяснена выборочными флуктуациями. Это также подтверждает, что для данных, представленных в табл. 1, подобранных по критерию согласия
Колмогорова – Смирнова, распределения спроса не опровергаются на уровне α = 0,05.
Заключение
В статье изложена методика определения теоретического распределения случайной
величины потребности в запасных частях на предприятиях автомобильного транспорта. Доказано, что спрос на автомобильные запасные части можно представить в виде функции смеси
вероятностных распределений, компонентами которой является спрос определенных групп
потребителей, характеризующийся своей однородностью внутри группы. В качестве обоснования предлагаемого метода была выполнена проверка на согласованность полученных теоретических значений потребности для некоторых запасных частей с эмпирическими данными.
На практике предлагаемая методика может использоваться для прогнозирования потребности
в запасных частях автотранспортных средств.
182
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Библиографический список
1. Katargin V.N., Terskikh V.M. Improving the efficiency of maintenance and repair on enterprises official dealers using
the automated system inventory management. Politechniki Krakowskiej: Technical transaction (Mechanics). 2012. Vol. 4.
Issue 9. Р. 181–185.
2. Katargin V.N., Terskikh V.M. Technique of Creating an Automatic Control System to Control Stocks at the Official Automobile Dealers Enterprises. The proceedings of the 17th International Conference Transport Means 2013 contain selected papers from 6 sections: Automotive Transport, Aviation, Defense Technologies, Intellectualized Transport Systems, Railway Transport, Waterborne Transport. October 24–25, 2013. Kaunas University of Technology, Lithuani. P.
317–321.
3. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификации и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989. 607 с.
4. Князьков А.Н., Махнов Ю.Н. Применение моделирования при управлении складскими запасами // Политранспортные системы: материалы IV Всероссийской науч.-техн. конф. В 2 ч. (г. Красноярск, 22–24 ноября 2006 г.).
Красноярск: Изд-во ИПЦ КГТУ, 2006. Ч. 1. С. 156–161.
5. Катаргин В.Н., Терских В.М. Оценка спроса на автомобильные запасные части на основе модели смеси вероятностных распределений // Вестник ИрГТУ. 2014. № 4 (87). С. 110–114.
6. Лоу А., Кельтон В. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд. СПб.: Питер; Киев: Издательская
группа BHV, 2004. 847 с.
7. Greenwood P.E., Nikulin M.S. A Guide to Chi-Squared Testing. John Wiley & Sons, Inc. 1996. 280 p.
References
1. Katargin V.N., Terskikh V.M. Improving the efficiency of maintenance and repair on enterprises official dealers using
the automated system inventory management. Politechniki Krakowskiej: Technical transaction (Mechanics). 2012, vol. 4,
issue 9, pp. 181–185.
2. Katargin V.N., Terskikh V.M. Technique of Creating an Automatic Control System to Control Stocks at the Official Automobile Dealers Enterprises. The proceedings of the 17th International Conference Transport Means 2013 contain selected papers from 6 sections: Automotive Transport, Aviation, Defense Technologies, Intellectualized Transport Systems, Railway Transport, Waterborne Transport. October 24–25, 2013. Kaunas University of Technology, Lithuani,
pp. 317–321.
3. Aivazyan S.A., Bukhshtaber V.M., Enyukov I.S., Meshalkin L.D. Prikladnaya statistika. Klassifikatsii i snizhenie
razmernosti [Applied statistics. Classifications and dimension reduction]. Moscow, Finansy i statistika Publ., 1989, 607 p.
(In Russian)
4. Knyaz'kov A.N., Makhnov Yu.N. Primenenie modelirovaniya pri upravlenii skladskimi zapasami [Application of modeling in stock control]. Materialy IV Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii “Politransportnye sistemy” [Proceedings of the 4th Annual Scientific and Technical Conference "Polytransport systems"]. Krasnoyarsk, IPTs KGTU Publ.,
2006, part. 1, pp. 156–161. (In Russian)
5. Katargin V.N., Terskikh V.M. Otsenka sprosa na avtomobil'nye zapasnye chasti na osnove modeli smesi
veroyatnostnykh raspredelenii [Estimation of demand for vehicle spare parts based on the model of a mixture of probability distributions]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2014, no. 4 (87), pp. 110–114. (In
Russian)
6. Lou A., Kel'ton V. Imitatsionnoe modelirovanie. Klassika CS [Simulation modeling and analysis. Classic of CS]. SanktPeterburg, Piter Publ.; Kiev, Publishing Group BHV Publ., 2004. 847 p.
7. Greenwood P.E., Nikulin M.S. A Guide to Chi-Squared Testing. John Wiley & Sons, Inc. 1996, 280 p.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors have equal authorship rights and responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила 22.12.2016 г.
The article was received on 22 December 2016
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
183
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 656.1
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-184-192
ВЛИЯНИЕ ФАКТИЧЕСКОЙ МАССЫ ОТПРАВКИ ГРУЗА НА РЕЗУЛЬТАТЫ ПЛАНИРОВАНИЯ
РАБОТЫ АВТОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
© Л.С. Трофимова1
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ),
Российская Федерация, 644080, г. Омск, пр-кт Мира, 5.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе представлены результаты исследования влияния фактической массы отправки груза на результаты планирования работы автотранспортного предприятия с учетом неопределенности и переменного характера спроса на перевозки в междугородном сообщении. МЕТОДЫ. Учитывая, что спрос и периодичность доставки является случайной величиной, для исследования использованы методы теории вероятностей и математической статистики. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Определены значения нижней и верхней
границ доверительного интервала математического ожидания фактической массы отправки с вероятностью 0,95.
Установлено, что зависимость влияния фактической массы отправки груза на выработку в тоннах и тоннокилометрах описывается уравнением параболы квадратичной функции. Определено, что применительно к подвижному составу – седельный тягач МАЗ-5440 и полуприцеп МАЗ-975830-3021, годовая выработка в тоннах и
тонно-километрах имеет: максимальное значение – при массе отправки 10 т, минимальное значение – при массе
отправки 2,4 т. ВЫВОДЫ. Применение полученных значений границ доверительного интервала математического ожидания фактической массы отправки груза позволит определять верхнюю и нижнюю границы выработки в
тоннах и тонно-километрах для практики планирования ресурсов автотранспортного предприятия. Результаты
исследования предназначены для разработки методики планирования работы автотранспортного предприятия с
учетом особенностей перевозок грузов в междугородном сообщении, которая даст возможность руководителю
принять решение, направленное на заключение договоров с целью получения прибыли.
Ключевые слова: автотранспортное предприятие, теория вероятностей, фактическая масса отправки гр уза, междугородние перевозки.
Формат цитирования: Трофимова Л.С. Влияние фактической массы отправки груза на результаты планирования работы автотранспортного предприятия // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2017. Т. 21. № 3. С. 184–192. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-184-192
ACTUAL CARGO WEIGHT EFFECT ON THE RESULTS OF MOTOR TRANSPORT ENTERPRISE OPERATION
PLANNING
L.S. Trofimova
Siberian State Automobile and Highway Academy (SibADI),
5, Mira pr., Omsk, 644080, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The paper presents the study results of the influence of the actual cargo weight on the planning results of motor transport enterprise operation taking into account uncertainty and the variable nature of demand for
long-haul trucking. METHODS. Given the fact that demand and delivery interval are random variables the study uses the
methods of the probability theory and mathematical statistics. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The values of the
lower and upper boundaries of the confidence interval of the mathematical expectation of the actual cargo weight have
been determined with the probability of 0.95. It is found that the dependence of the actual cargo weight influence on production indicators in tonnes and tonne-kilometers is described by the equation of the quadratic function parabola. It is
determined that the annual production in tonnes and tonne-kilometers for the rolling stock of a long-haul truck MAZ-5440
+ a semitrailer MAZ 975830-3021 has the maximum value when the mass of the actual cargo weight is 10 tonnes and
features the minimum value when the mass of the actual cargo weight is 2.4 tonnes. CONCLUSIONS. Application of the
obtained values of the boundaries of the confidence interval of the mathematical expectation of the actual cargo weight
shipment will allow to determine the upper and lower levels of production capacity in tonnes and tonne-kilometers for
motor transport enterprise resource planning. The research results are intended for the development of planning procedure of motor transport enterprise operation considering the features of long-haul trucking which will enable the enter___________________________
1
Трофимова Людмила Семеновна, кандидат технических наук, доцент кафедры организации перевозок
и управления на транспорте, е-mail: trofimova_ls@mail.ru
Lyudmila S. Trofimova, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Logistics
and Transport Management, е-mail: trofimova_ls@mail.ru
184
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
prise head to make a decision aimed at concluding profitable contracts.
Keywords: motor transport enterprise, probability theory, actual weight of cargo shipment, long-haul trucking
For citation: Trofimova L.S. Actual cargo weight effect on the results of motor transport enterprise operation planning.
Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 184–192. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2017-3-184-192
Введение
Работа любой организации, в том
числе и грузового автотранспортного предприятия (АТП), осуществляется согласно
текущему плану. В текущем планировании
работы АТП при перевозке грузов в междугородном сообщении необходимо учитывать, что эксплуатация подвижного состава
связана с выполнением требований к организации работы водителей в соответствии
с действующим «Положением об особенностях режима рабочего времени и времени отдыха водителей автомобилей»2, координацией движения подвижного состава с
работой погрузочно-разгрузочных пунктов,
техническим обслуживанием и ремонтом
(ТОиР).
Исходными данными для составления плана перевозок грузов являются результаты маркетинговых исследований,
позволяющие установить спрос на перевозку и заключить договоры, направленные
на получение прибыли АТП [1]. В договорах
указываются виды грузов, пункты (или районы) их отправления и назначения, объем
перевозок в тоннах и тонно-километрах с
распределением по кварталам3. Д.П. Великанов определил, что ошибка при планировании потребных ресурсов для работы АТП
по существующей методике техтрансфинплана заключается в том, что величины
объема перевозок и грузооборота рассчитываются при помощи показателя «производительность автомобиля на одну среднесписочную автомобиле-тонну» и средней
грузоподъемности всего парка [2].
Планирование является нерациональным, так как отсутствует методика,
позволяющая выделять выработку в тоннах
и тонно-километрах подвижного состава
различного типоразмера в зависимости от
спроса и массы отправки на междугородних
перевозках.
Авторы статьи [3] указывают, что на
результаты деятельности АТП влияет много разнородных факторов. Грузовая автотранспортная система представляет собой
диффузную систему, где идет постоянный
обмен информацией, энергией с внешней
средой. Существенной характеристикой
внешней среды в условиях рынка является
ее неопределенность и переменный характер спроса на перевозки.
Функционирование АТП определяется факторами макросреды, на которые
предприятие не может оказывать прямого
воздействия [4]. Так, А.И. Воркут установил,
что на практике работа транспортнотехнологических
систем
(комплексов)
весьма неопределенна [5]. Размер партии
груза, равный размеру заказа, зависящий
___________________________
2
Об утверждении Положения об особенностях режима рабочего времени и времени отдыха водителей автомобилей" (с изменениями и дополнениями): приказ Минтранса РФ от 20.08.2004 г. № 15 [Электронный ресурс] // ГАРАНТ. Информационно-правовая система. URL: http://base.garant.ru/187478/#ixzz4bY806x9q (10.01.2017) / On the
approval of the Regulation on the features of vehicle driver working hours and rest time (with amendments and additions):
Order no. 15 of the Ministry of Transport of the Russian Federation of 20 August 2004 Available at:
http://base.garant.ru/187478/#ixzz4bY806x9q (accessed 10 January 2017).
3
Билибина Н.Ф., Улицкий М.П., Миротин А.Б. [и др.]. Организация, планирование и управление автотранспортными предприятиями: учебник для вузов по специальности «Экономика и организация автомобильного транспорта»;
под ред. Л.А. Бронштейна, К.А. Савченко-Бельского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986. 360 с. /
Bilibina N.F., Ulitskiy M.P., Mirotin A.B. [et al.]. Organization, planning and management of motor transport enterprises.
Мoscow, Higher School Publ., 1986, 360 p.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
185
Транспорт
Transport
от спроса и периодичности доставки, является величиной переменной и чаще всего
случайной. А.И. Воркут показал, что распределение массы мелких отправок при
междугородных перевозках в смешанном
сообщении с сортировочной станции описывается экспоненциальным законом, но в
некоторых случаях размеры партий грузов
могут описываться законом нормального
распределения или распределением Вейбулла.
В работе [6] определено, что АТП в
современных условиях представляет собой
систему, состоящую из подсистем технической и коммерческой эксплуатации. В связи
с тем что организация производственных
процессов на АТП имеет свои специфические особенности, транспортные средства
выступают как в форме объекта труда (при
выполнении работ по ТОиР), так и в форме
средств труда (при осуществлении транспортного процесса). Основным принципом
деятельности грузовых АТП является
стремление к получению прибыли.
Авторами статьи [7] разработана
математическая модель функционирования
грузового АТП, позволяющая составить
план по коммерческой и технической эксплуатации с применением значения верхнего и нижнего уровня математического
ожидания длины ездки с грузом при перевозке строительных грузов в городах.
Цель и методы исследования. В
ранее выполненных исследованиях не
представлена методика планирования работы АТП с учетом особенностей перевозок грузов в междугородном сообщении. В
связи с этим целью данной работы является исследование влияния фактической
массы отправки груза на результаты работы АТП с учетом неопределенности и переменного характера спроса на перевозки в
междугородном сообщении. Для достижения цели использованы методы теории вероятностей и математической статистики.
Влияние фактической массы отправки груза на результаты планирования работы
автотранспортного предприятия
В работе [8] представлена классификация заказчиков по количеству и регулярности их заявок, согласно которой постоянные заказчики с высоким или средним
уровнем важности заключают годовые договоры на перевозку груза. Эпизодические
заказчики с низким уровнем значимости
для заключения годовых договоров не рассматриваются. Описание практики перевозок грузов в междугородном сообщении
позволило установить, что в современных
условиях бо́льшая часть договоров приходится на перевозку продуктов питания
(77%) [8].
Для исследования влияния фактической массы отправки груза на результаты
планирования деятельности АТП были выполнены наблюдения за работой подвижного состава грузового АТП г. Омска при
перевозке продукции ООО «Торговопромышленная компания «Сладонеж» и
ООО «Торговый дом «Сладуница» (г. Омск)
186
ВЕСТНИК ИрГТУ
(погрузка кондитерских изделий осуществляется на складах названных грузоотправителей). Получатели данного вида груза
расположены в западном, восточном и южном направлениях от г. Омска – это города:
Тюмень, Екатеринбург, Пермь, Челябинск,
Уфа, Самара, Саратов, Оренбург, Ижевск,
Набережные Челны, Казань, Нижний Новгород, Москва, Новосибирск, Томск, Барнаул, Кемерово, Новокузнецк, Красноярск,
Абакан, Братск, Иркутск, Улан-Удэ. По количеству и регулярности заявок были
определены заказчики крупных партий продукции. Основными грузополучателями являются: ЗАО «Тандер», ООО «Лента»,
ООО «Компания Холидей», АО «Дикси
Юг», ООО «Розница-К-1», ЗАО «Торговый
дом «Перекресток», ООО «Ашан».
К перевозке груза предъявляются
особые требования, оказывающие влияние
на формирование массы отправки (табл. 1).
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Таблица 1
Требования, предъявляемые к перевозке груза
Table 1
Trucking requirements
Наименование
требования /
Requirement
Время доставки /
Delivery time
Характеристика требования /
Requirement characteristic
Определяется грузополучателем в течение срока, не превышающего срок реализации продуктов / Determined by a consignee within the period not exceeding the product sell by date
Подвижной
состав /
Rolling-stock
Доставка продуктов питания открытым фургоном запрещена. Настил пола фургона
должен предусматривать возможность использования электропогрузчика при погрузочно-разгрузочных работах. Подвижной состав должен иметь прицеп типа «изотерм» или кузов, закрытый брезентом. Перевозка пищевой продукции осуществляется транспортными средствами в соответствии с условиями перевозки, установленными изготовителями /
Delivery of food by an open wagon is prohibited. Wagon floor deck should provide for
the possibility of using an electric forklift for loading and unloading. Rolling stock shall have
an “isotherm”-type trailer or a tarpaulin-covered body. Transportation of food products is
carried out by vehicles in accordance with the transportation conditions established by the
manufacturers of the product
Габаритные
размеры кузова /
Body dimensions
Высота – не менее 2,3 м, ширина – не менее 2,4 м, высота пола – не менее 1,2 м
от земли / Height – not less than 2.3 m; width – not less than 2.4 m; floor height – not less
than 1.2 m from the ground
Упаковка /
Packaging
Поддоны должны соответствовать европейскому стандарту или ГОСТ 9557-87.
Высота паллета не должна превышать 175 см. Вес паллета не должен превышать
1000 кг. Паллет должен быть плотно обернут стрейч-пленкой по бокам с захватом
поддона. Количество слоев стрейч-пленки зависит от веса груза и габарита паллеты,
но не должно быть менее двух. Стрейч-пленка должна обеспечить надежную фиксацию груза на поддоне. Толщина пленки должна быть не менее 23 мкм /
Pallets must comply with the European standard or to GOST 9557-87. The height of the
pallet must not exceed 175 cm. The pallet weight should not exceed 1000 kg. Pallets
should be tightly wrapped with stretch film on the sides with pan engagement. The number
of stretch film layers depends on the cargo weight and pallet dimensions, but should not
be less than two. The stretch film should provide a reliable cargo fixation on the pallet. The
film thickness should not be less than 23 microns.
Укладка груза /
Stowage
Груз не должен выступать за края поддона. Укладка на поддон должна быть ровной, без кренов. На одном поддоне может находиться только одно наименование
продуктов питания одного производителя, не более чем с двумя датами выработки.
Груз на поддоне должен располагаться таким образом, чтобы можно было легко
просчитать количество рядов на паллете, количество коробок в каждом ряду /
The cargo must not protrude beyond the edge of the pan. Palletization must be flat and
leveled. Only one article of food with no more than two dates of production of one producer can be stowed on one pallet. The cargo on the pallet should be arranged in such a way
as to be easily to calculate the number of rows on the pallet and the number of boxes in
each row
Маркировка /
Marking
На боковой стороне упаковки должен быть размещен штрих-код транспортной упаковки, отличный от штрих-кода товара. Маркировка продуктов питания должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 51074-2003 «Продукты пищевые. Информация
для потребителя. Общие требования» и Федерального Закона РФ от 02.01.2000 г. №
29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» /
The side of the package must contain a barcode of transport packaging other than
goods barcode. Food product labeling must comply with the requirements of GOST R
51074-2003 “Food Products. Consumer information. General requirements” and the Federal Law of January 2, 2000 no. 29-FZ “On quality and safety of food”
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
187
Транспорт
Transport
Решение задач математической статистики предполагает использование выборочной совокупности, которая представляет собой часть генеральной совокупности. К генеральной совокупности в представленных исследованиях следует отнести общее количество ездок с грузом, совершаемых каждой единицей подвижного
состава определенного типоразмера за год.
Теоретической основой распространения
статистических выводов, полученных по
результатам обработки выборки на всю генеральную совокупность изучаемого процесса, является закон больших чисел. Качество выборки определяется репрезентативностью, которая обеспечивается уровнем доверительной вероятности – 0,95,
предельной ошибкой выборки – 0,1. Ввиду
того что наступление события или его отсутствие в наблюдениях имеет равновероятностный характер, оценка генеральной
дисперсии принимается 0,25 4 [9]. Общее
количество наблюдений – 97.
Наблюдения проводились при перевозке груза следующим подвижным составом грузоподъемностью: седельный тягач
МАЗ-5440 + полуприцеп МАЗ-975830-3021,
20 т; КамАЗ-5490 + Krone SDP 24, 30 т;
МАЗ-54323 + Fruehauf Т34С1RА, 25 т;
КамАЗ-5490 + Schmitz SKO SDP 24, 32 т;
DAF-105 FX + Schmitz SKO 24/L-13.4 FP 60
cool, 24 т.
Принимается гипотеза о том, что
статистический ряд фактической массы отправки груза (Мо) достаточно хорошо может быть описан законом нормального распределения. Для подтверждения гипотезы
была определена статистическая функция
распределения каждого типоразмера подвижного состава и построена гистограмма.
А также были определены статистические
числовые характеристики распределения:
математическое ожидание случайной величины, дисперсия математического ожи-
дания случайной величины; среднее квадратическое отклонение случайной величины. Гипотеза о законе нормального распределения Мо подтверждена критерием
Пирсона и критерием Романовского. Величины верхней и нижней границ доверительного интервала математического ожидания с вероятностью 0,95 представлены в
табл. 2.
На основании полученных статистических данных сделано предположение о
наличии корреляции между фактической
массой отправки груза и результатами работы АТП. На рис. 1 представлены регрессионные зависимости фактической массы
отправки груза на годовую выработку подвижного состава, например, седельного
тягача МАЗ-5440 и полуприцепа МАЗ975830-3021.
Проверка правдоподобия гипотезы
об адекватности математической модели
условиям наблюдения производилась с
помощью критерия Фишера:
– применительно к зависимости
влияния фактической массы отправки груза
на выработку в тоннах:
Fоп. = 0,26< Fтабл. = 1,5;
– применительно к зависимости влияния фактической массы отправки груза
на выработку в тонно-километрах:
Fоп. = 0,12< Fтабл.= 1,5.
Величины коэффициентов детерминации (R2Q = 0,92; R2P = 0,93) свидетельствуют о соответствии полученных уравнений эмпирическим данным (см. рис. 1).
___________________________
4
Галушко В.Г. Вероятностно-статистические методы на автотранспорте: учеб. пособие для вузов. Киев: Вища
школа, 1976. 232 с. / Galushko V.G. Probabilistic-statistical methods in motor transportю Kiev, Vishcha shkola Publ.,
1976, 232 p.
188
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Таблица 2
Результаты проверки гипотезы о принадлежности данных
к закону нормального распределения
Table 2
Testing results of the hypothesis on data belonging to the Gaussian law
Показатель /
Indicator
Количество
наблюдений /
Number of observations
Математическое
ожидание /
Mathematical
expectation
Дисперсия /
Dispersion
Среднее
квадратическое
отклонение /
Mean-square deviation
χ2
Критерий
К. Пирсона (>0,05) /
К. Pearson criterion
(>0,05)
Критерий
Романовского (<3) /
Romanovsky criterion
(<3)
Нижняя граница доверительного
интервала
математического
ожидания /
Lower boundary of
the confidence interval of the mathematical expectation
Верхняя граница
доверительного
интервала
математического
ожидания /
Upper boundary of
the confidence interval of the mathematical expectation
ISSN 1814-3520
МАЗ /
MAZ-5440 +
МАЗ / MAZ975830-3021
Марка подвижного состава / Rolling stock make
МАЗ /
КамАЗ /
КамАЗ /
DAF-105 FX +
MAZ-54323 +
KamAZ-5490
KamAZ-5490
Schmitz SKO
Fruehauf
+ Krone
+ Schmitz
24/L-13.4 FP
T34С1RА
SDP 24
SKO SDP 24
60 cool
54323
49
47
38
40
39
11,7
12,7
11,0
12,4
7,44
16,1
11,1
11,2
4,8
9,38
4,0
3,3
3,3
2,2
3,1
5,49
7,04
5,44
6,8
6,16
0,171
0,071
0,171
0,091
0,111
-0,146
0,553
-0,17
0,23
0,050
3,7
6,0
4,3
8,0
1,2
18,7
19,4
17,8
16,8
13,6
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
189
Транспорт
Transport
Qгод,
180
т
160
140
120
100
80
60
40
Q1 = -2,0413Мо2 + 40,606Мо - 62,878
R2 Q 1 = 0,92
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Мо,т
а
Р,
200000
т км
180000
160000
140000
120000
100000
80000
Р2 = -1776,7Мо2 + 35202Мо + 3950
60000
R2 P2 = 0,93
40000
20000
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Мо,т
б
Рис. 1. Аппроксимация опытной ломаной линии зависимости фактической массы отправки груза
на годовую выработку для МаЗ-5440 +МаЗ-975830-3021:
а – в тоннах; b – в тонно-километрах;
– опытная линия;
– линия, выравнивающая опытную; «·» – фактические значения
Fig. 1. Approximation of the pilot polyline of the dependence of actual cargo weight influence
on annual production indicators of the rolling stock MAZ-5440 + MAZ-975830-3021:
a – in tonnes; b – in tonne-kilometers
– pilot line;
– line aligning the pilot line; «·» – measured values
Заключение
Статистический ряд фактической
массы отправки груза при перевозке в
междугородном сообщении описывается
законом нормального распределения. С
вероятностью 0,95 определены значения
нижней и верхней границ доверительного
интервала математического ожидания, которые для конкретного типоразмера по190
ВЕСТНИК ИрГТУ
движного состава составляют не менее
1,2 т и не более 19,4 т. С учетом тарифа на
перевозку груза величина годовой прибыли
будет изменяться от 1152935 до 1391476
руб.
Установлено, что зависимость влияния фактической массы отправки груза на
выработку в тоннах и тонно-километрах
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
описывается уравнением параболы квадратичной функции. Определено, что применительно к подвижному составу МАЗ5440 + МАЗ-975830-3021 годовая выработка в тоннах и тонно-километрах максимальное значение имеет при массе отправки 10 т, минимальное – при массе отправки
2,4 т.
Таким образом, в результате выполненных исследований:
1. Определены значения нижней и
верхней границ доверительного интервала
математического ожидания фактической
массы отправки груза с вероятностью 0,95
для каждого типоразмера подвижного состава, соответствующего требованиям к
перевозке продуктов питания. Применение
полученных значений позволит определять
верхнюю и нижнюю границы выработки в
тоннах и тонно-километрах для практики
планирования ресурсов АТП.
2. Выявлены зависимости, позволяющие в практике работы АТП планировать
выработку в тоннах и тонно-километрах при
изменении фактической массы отправки
груза с доверительной вероятностью 0,95.
3. Методика планирования работы
АТП с учетом особенностей перевозок грузов в междугородном сообщении, разработанная с применением результатов исследования, даст возможность руководителю
принять решение, направленное на заключение договоров с целью получения прибыли.
Библиографический список
1. Бачурин А.А. Планирование и прогнозирование
6. Трофимова Л.С. Современное состояние практидеятельности автотранспортных предприятий. М.:
ки и теории грузовых автомобильных перевозок в
Академия, 2011. 271 с.
текущем планировании: монография. Омск: Изд-во
2. Великанов Д.П., Бернацкий В.И., Боева М.А. [и
СибАДИ, 2014. 123 с.
др.]. Развитие автомобильных транспортных
7. Трофимова Л.С., Анохин В.В. Математическая
средств; под ред. Д.П. Великанова. М.: Транспорт,
модель функционирования грузовых автотранс1984. 120 с.
портных предприятий с учётом взаимосвязи ком3. Резник Л.Г., Смирнова О.Ю. Концепция развития
мерческой и технической эксплуатации для практики
методологии пространственно-временного подхода
планирования // Автотранспортное предприятие.
к функционированию грузовых автотранспортных
2016. № 10. С. 47–51.
систем в условиях переменного характера спроса //
8. Трофимова Л.С., Бекмагамбетова Б.К. Этапы орПрогресс транспортных средств и систем – 2009:
ганизации работы грузового автотранспортного
материалы Междунар. науч.-практ. конф.; в 2 ч. Ч. 2.
предприятия при перевозке грузов в междугороднем
Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2009. С. 71–73.
сообщении // Транспортные системы Сибири. Раз4. Яценко С.А. Методология исследования маркевитие транспортной системы как катализатор роста
тинговой среды функционирования транспортной
экономики государства: сб. трудов Междунар. науч.компании // Вестник ИрГТУ. 2015. № 5 (100).
практ. конф. (Красноярск, 7–8 апреля 2016 г.); в 2 ч.
С. 135–140.
Ч. 1. Красноярск: Изд-во СФУ, 2016. С. 382–388.
5. Воркут А.И. Грузовые автомобильные перевозки.
9. Митропольский А. К. Техника статистических вы2-е изд., перераб. и доп. Киев: Вища школа, 1986.
числений. М.: Наука, 1971. 576 с.
447 с.
References
1. Bachurin A.A. Planirovanie i prognozirovanie
nauchno-prakticheskoi
konferentsii
“Progress
deyatel'nosti avtotransportnykh predpriyatii [Planning
transportnykh sredstv i sistem – 2009” [Materials of the
and forecasting of motor transport enterprise activities].
International scientific and practical conference “ProMoscow, Akademiya Publ., 2011, 271 p. (In Russian)
gress of motor vehicles and systems-2009”]. Volgograd,
2. Velikanov D.P., Bernatskii V.I., Boeva M.A. [i dr.].
VolgGTU Publ., 2009, pp. 71–73. (In Russian)
Razvitie avtomobil'nykh transportnykh sredstv [Motor
4. Yatsenko S.A. Metodologiya issledovaniya marketingovoi sredy funktsionirovaniya transportnoi kompanii
transport development]. Moscow, Transport Publ.,
1984. 120 p. (In Russian)
[Research methodology of transportation company
3. Reznik L.G., Smirnova O.Yu. Kontseptsiya razvitiya
marketing environment]. Vestnik IrGTU [Proceedings of
metodologii prostranstvenno-vremennogo podkhoda k
Irkutsk State Technical University]. 2015, no. 5 (100),
funktsionirovaniyu gruzovykh avtotransportnykh sistem
pp. 135–140. (In Russian)
v usloviyakh peremennogo kharaktera sprosa [Deve5. Vorkut A.I. Gruzovye avtomobil'nye perevozki [Longlopment concept for the methodology of the space-time
haul trucking]. Kiev, Vishcha shkola Publ., 1986, 447 p.
6. Trofimova L.S. Sovremennoe sostoyanie praktiki
approach to freight motor transport systems operation
under variable demand]. Materialy Mezhdunarodnoi
i teorii gruzovykh avtomobil'nykh perevozok v teku-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
191
Транспорт
Transport
shchem planirovanii [Modern state of trucking practice
and theory in current planning]. Omsk, SibADI Publ.,
2014, 123 p. (In Russian)
7. Trofimova L.S., Anokhin V.V. Matematicheskaya
model' funktsionirovaniya gruzovykh avtotransportnykh
predpriyatii s uchetom vzaimosvyazi kommercheskoi i
tekhnicheskoi ekspluatatsii dlya praktiki planirovaniya
[The mathematical model of cargo motor transportation
enterprise operation considering the correlation of
commercial and technical exploitation for the planning
practice]. Avtotransportnoe predpriyatie [Motor transport
enterprise]. 2016, no. 10, pp. 47–51. (In Russian)
8. Trofimova L.S., Bekmagambetova B.K. Etapy organizatsii raboty gruzovogo avtotransportnogo predpriyatiya
pri perevozke gruzov v mezhdugorodnem soobshchenii
[Stages of freight transport enterprise operation organization for long-haul trucking]. Sbornik trudov Mezhdunarodnoi
nauchno-prakticheskoi
konferentsii
“Transportnye sistemy Sibiri. Razvitie transportnoi sistemy kak katalizator rosta ekonomiki gosudarstva” [Proceedings of the International scientific and practical
conference “Siberian transport systems.Transport system development as a catalyst for state economy
growth”]. Krasnoyarsk, SFU Publ., 2016, pp. 382–388.
(In Russian)
9. Mitropol'skii A. K. Tekhnika statisticheskikh vychislenii [Statistical calculation technique]. Moscow, Nauka
Publ., 1971, 576 p. (In Russian)
Критерии авторства
Трофимова Л.С. провела исследование, оформила
научные результаты и несет ответственность за
плагиат.
Authorship criteria
Trofimova L.S. carried out the research, formalized scientific results and bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The author declares that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 16.01.2017 г.
The article was received 16 January 2017
192
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 629.113.001
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-193-203
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА НОРМАЛЬНЫХ И ПРОДОЛЬНЫХ
КАСАТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ В ПЯТНЕ КОНТАКТА ШИНЫ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА
С ПОВЕРХНОСТЯМИ ОПОРНЫХ РОЛИКОВ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО СТЕНДА
© А.И. Федотов1, В.Г. Власов2, О.С. Яньков3
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. Статья посвящена аналитическому исследованию процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины автомобильного колеса с двумя опорными роликами диагностического стенда. МЕТОДЫ. Авторами
данной статьи предлагается производить расчет и построение эпюр нормальных RZ и продольных касательных
RX реакций, распределенных по длине пятен контакта LD шины с опорными роликами, на основе данных о радиальной деформации шины ΔR, а также радиусов качения колеса rK относительно опорных роликов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанное математическое описание дает возможность расчетным путем получать эпюры распределения нормальных RZ и касательных RX реакций, а также производить анализ их количественных изменений при
изменении приложенной к колесу нормальной нагрузки GK.
Ключевые слова: математическая модель, диагностирование, длина пятна контакта шины с опорной поверхностью, нормальная реакция, продольная касательная реакция, коэффициент сцепления, проскальзывание колеса, опорные ролики диагностического стенда, эластичная шина.
Формат цитирования: Федотов А.И., Власов В.Г., Яньков О.С. Математическая модель для расчёта нормальных
и продольных касательных реакций в пятне контакта шины автомобильного колеса с поверхностями опорных
роликов диагностического стенда // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21.
№ 3. С. 193–203. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-193-203
A MATHEMATICAL MODEL TO CALCULATE NORMAL AND LONGITUDINAL TANGENTIAL REACTIONS
IN THE VEHICLE WHEEL TIRE CONTACT PATCH WITH CHASSIS DYNAMOMETER BEARING ROLLER
SURFACES
A.I. Fedotov, V.G. Vlasov, O.S. Yankov
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The paper deals with an analytical study of the processes occurring in the contact patch of the vehicle
wheel elastic tire with two bearing rollers of a chassis dynamometer test bench. METHODS. The authors propose to calculate and build the diagrams of normal RZ and longitudinal tangential RX reactions distributed along the length LD of the
tire/bearing roller contact patch based on the data on tire radial deformation ΔR and the wheel rolling radius rK relative to
bearing rollers. CONCLUSION. The developed mathematical description enables to construct the diagrams of normal RZ
and tangential RX reactions on the basis of calculation as well as to analyze their quantitative changes when the normal
load GK applied to wheel is changed.
Key words: mathematical model, diagnosis, length of the tire/bearing surface contact patch, normal reaction, longitudinal
tangential reaction, friction coefficient, wheel skidding, test bench bearing rollers, elastic tire
___________________________
1
Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильного
транспорта, e-mail: fai@istu.edu.ru
Aleksandr I. Fedotov, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobile Transport,
e-mail: fai@istu.edu.ru
2
Власов Валерий Георгиевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры математики,
e-mail: vlasov@istu.edu
Valerii G. Vlasov, Doctor of physical and mathematical sciences, Professor of Department of Mathematics,
e-mail: vlasov@istu.edu
3
Яньков Олег Сергеевич, аспирант, e-mail: 066813@mail.ru
Oleg S. Yankov, Postgraduate, e-mail: 066813@mail.ru
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
193
Транспорт
Transport
For citation: Fedotov A.I., Vlasov V.G., Yankov O.S. A mathematical model to calculate normal and longitudinal tangential reactions in the vehicle wheel tire contact patch with chassis dynamometer bearing roller surfaces // Proceedings of
Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 193–203. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-193203
Введение
Диагностирование технического состояния систем активной безопасности автотранспортных средств (АТС) в большинстве случаев осуществляется стендовым методом. С этой
целью применяются роликовые силовые стенды, которые обеспечивают очень важный с точки
зрения задания тестовых режимов принцип обратимости движения 4,5 [1, 2].
Несмотря на то, что диагностирование АТС стендовым методом производится в закрытых помещениях и защищено от влияния атмосферы, повторяемость результатов проверок
тормозных систем на роликовых стендах остается крайне низкой [1, 3], что связано с несколькими причинами.
во-первых, при установке АТС на стенд у каждого его колеса появляется по два пятна
контакта шин с опорными роликами в отличие от дорожных условий, где имеется по одному
пятну контакта;
во-вторых, при торможении АТС на стенде происходит смещение колес относительно
опорных роликов [1, 3–6];
в-третьих, значительную погрешность на результаты диагностирования оказывает непараллельность осей АТС относительно осей роликов стенда [3].
Кроме того, на результаты контроля тормозных систем на роликовых стендах значительное влияние оказывает различие геометрических форм плоской опорной поверхностей
дороги и цилиндрических поверхностей опорных роликов стенда [4, 7].
Для повышения качества контроля технического состояния тормозных систем АТС
стендовым методом необходимо учитывать механику взаимодействия эластичных шин с
опорными роликами стенда. С этой целью авторами статьи были подготовлены и проведены
комплексные исследования механики взаимодействия эластичных шин с опорными роликами
стенда.
Для проведения аналитических исследований было разработано математическое описание процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины с цилиндрическими поверхностями опорных роликов диагностического стенда. С целью повышения корректности
математического описания исследуемого процесса в ходе его разработки были использованы
результаты проведенных ранее экспериментальных исследований [4–7].
Описание методики аналитического исследования
Для математического описания процесса взаимодействия шины автомобильного колеса с двумя опорными роликами диагностического стенда воспользуемся схемой, показанной
на рис. 1.
___________________________
4
Федотов А.И. Диагностика автомобиля: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки
бакалавров и магистров «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Иркутск: Изд-во
ИрГТУ, 2012. 476 с. / Fedotov A.I. Vehicle diagnosis. Irkutsk, IrGTU Publ., 2012, 476 р.
5
Федотов А.И. Технология и организация диагностики при сервисном сопровождении: учебник для студентов вузов. М.: ИЦ «Академия», 2015. 352 с. / Fedotov A.I. Diagnostics technology and organization under servicing. Moscow,
Akademija Publ., 2015, 352 р.
6
Бойко А.В. Совершенствование метода диагностики тормозных систем автомобилей в условиях эксплуатации на
силовых стендах с беговыми барабанами: дис. … канд. техн. наук. Иркутск, 2008. 281 с. / Bojko A.V. Improving the
method of vehicle brake system diagnostics under operation on chassis dynamometer test benches. Candidate’s dissertation in technical sciences. Irkutsk, 2008. 281 p.
194
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Рис. 1. Расчетная схема процесса торможения автомобильного колеса с эластичной шиной на двух
кинематически связанных друг с другом опорных роликах диагностического стенда:
1 – колесо с испытуемой шиной; 2 – ось симметрии опорных роликов; 3 – передний опорный ролик;
4 – задний опорный ролик; a – смещение колеса относительно оси симметрии опорных роликов;
ωK – угловая частота вращения колеса; ωР – угловая частота вращения опорных роликов;
GК – нормальная нагрузка, приложенная к колесу; FT – суммарная тормозная сила; rK0 – свободный
радиус колеса; rKF – радиус качения колеса относительно переднего ролика; rKT – радиус качения колеса
относительно заднего ролика; RZF – нормальная реакция на переднем ролике; RXF – касательная
реакция на переднем ролике; RZT – нормальная реакция на заднем ролике; RXT – касательная реакция
на заднем ролике; aW – межосевое расстояние между опорными роликами; rR – радиус опорного ролика;
ΔRF – радиальная деформация шины на переднем опорном ролике; Δ RT – радиальная деформация шины
на заднем опорном ролике
Fig. 1 Design diagram of the vehicle wheel with elastic tire braking on two kinematically-connected bearing
rollers of the chassis dynamometer: 1 – wheel with the test tire; 2 – symmetry axis of bearing rollers;
3 – front bearing roller; 4 – rear bearing roller; a – wheel offset regarding the symmetry axis of the bearing
rollers; ωK – angular rotation rate of the wheel; ωP – angular rotation rate of the bearing rollers; GK – normal load
applied to the wheel; FT – total braking force; rK0 – wheel free radius; rKF – rolling radius of the wheel relative
to the front roller; rKT – rolling radius of the wheel relative to the rear roller; RZF – normal reaction on the front
roller; RXF – tangential reaction on the front roller; RZT – normal reaction on the rear roller; RXT – tangential
reaction on the rear roller; aW – axle spacing between the bearing rollers; rR – radius of the bearing roller;
ΔRF – tire radial deflection on the front bearing roller; ΔRT – tire radial deflection on the rear bearing roller
Эластичная шина автомобильного колеса, установленного на два опорных ролика диагностического стенда, под воздействием приложенной к нему нормальной нагрузки GK будет
деформироваться на величину ΔRF на переднем опорном ролике, а также на величину ΔRT – на
заднем опорном ролике. Эти деформации определим как
 RF 
GK  cos  OF
;
cШ
 RT 
GK  cos  OT
,
cШ
(1)
(2)
где αOF – угол между осью симметрии опорных роликов и линией, соединяющей центр колеса
OK и центр переднего ролика OF; αOT – угол между осью симметрии опорных роликов и линией,
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
195
Транспорт
Transport
соединяющей центр колеса OK и центр заднего ролика OT; сШ – жесткость шины, Н/м.
Радиусы качения колеса на переднем опорном ролике rKF и на заднем опорном ролике
rKT вычислим следующим образом:
rKF  rK 0   RF ;
(3)
rKT  rK 0   RT .
(4)
В процессе торможения шина стремится переместиться в сторону заднего ролика,
вследствие чего возникает неравенство деформаций ΔRF и ΔRT, а соответственно, и радиусов
качения колеса на переднем rKF и заднем rKT ролике.
Для определения радиальной деформации шины на ролике стенда на первом этапе
воспользуемся упрощенной схемой, представленной на рис. 2. На схеме показано взаимодействие шины с одиночным опорным роликом, а индексы, обозначавшие F – передний ролик и
T – задний ролик, заменим на индекс i.
Рис. 2. Расчетная схема определения радиальной деформации шины на ролике стенда:
rK0 – свободный радиус колеса; rKi – радиус качения колеса i-го опорного ролика; Ai и Bi – крайние точки
касания шины с i-м роликом; Li – длина линии касания Ai-Bi шины с i-м роликом; rR – радиус опорного
ролика; ΔNimax – расстояние от линии касания Ai-Bi шины до центра Oi i-го ролика; Xi – точка, лежащая
на поверхности касания шины с i-м роликом; rKix – радиус качения колеса относительно i-го ролика,
соответствующий положению точки Xi; ΔRix – радиальная деформация шины на i-м ролике,
соответствующая положению точки Xi; ΔNix – нормальная деформация шины выше линии Ai-Bi,
соответствующая положению точки Xi; Xix – координата точки Xi; αix – угол между линией OK-Oi,
соединяющей центры колеса и опорного ролика, и линией OK-Xi, соединяющей центр колеса и точку Xi
Fig. 2. Design diagram for the determination of tire radial deflection on the chassis dynamometer roller:
rK0 – free radius of the wheel; rKi – rolling radius of the i-bearing roller wheel; Ai and Bi – extreme points
of the tire contact with the i-roller; Li – contact line length of Ai-Bi tire with the i-roller; rR – radius of the bearing
roller; ΔNimax – distance from the contact line of the Ai-Bi tire to the centre Oi of the i-roller; Xi – point located
on the surface of the tire contact with the i-roller; rKix – wheel rolling radius relative to the i-roller corresponding
to the location of the point Xi; ΔRix – tire radial deflection on the i-roller corresponding to the location of the point
Xi; ΔNix – tire normal deflection above the line Ai-Bi corresponding to the point Xi location; Xix – coordinate
of the point Xi; αix – angle between the line O K-Oi connecting the centers of the wheel and the support roller
and the line OK-Xi connecting the wheel center and the point X i
196
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Для определения радиальной деформации шины ΔRix условно разделим контакт шины
с i-м опорным роликом линией Ai-Bi, длина которой будет составлять Li. Отметим на поверхности касания шины с i-м роликом точку Xi, которая перемещается по этой поверхности из точки
Ai к точке Bi. Расстояние от точки Xi до центра колеса Oi будет равно радиусу качения колеса
rKix, соответствующему положению этой точки. Координата точки Xi будет изменяться в пределах -0,5Li <Xi<0,5Li.
Радиальная деформация шины ΔRix для i-го опорного ролика, соответствующая положению точки Xi, определяется по формуле:
 Rix  rK 0  rKix ,
(5)
где rK0 – свободный радиус колеса, м; rKix – радиус качения колеса относительно i-го ролика,
соответствующий положению точки Xi, м.
Величина радиуса качения колеса rKix, соответствующая положению точки Xi, определяется по формуле
rKix 
rKi  rR   Ni max   Ni x
,
cos  ix
(6)
где rKi – радиус качения колеса, м; rR – радиус опорного ролика, м; ΔNimax – расстояние от линии касания Ai-Bi шины до центра Oi ролика, м; ΔNix – нормальная деформация шины выше
линии Ai-Bi, соответствующая положению точки Xi, м; αix – угол между линией OK-Oi, и линией
OK-Xi в градусах.
Расстояние ΔNimax определяется по формуле
 Ni max  rR2   0,5  Li  ,
2
(7)
где Li – длина линии касания Ai-Bi шины с i-м роликом, м.
Нормальная деформация шины ΔNix выше линии Ai-Bi, соответствующая положению
точки Xi определяется по формуле
 Ni x  rR2  X ix 2   Ni max ,
(8)
где Xix – координата точки Xi, м.
Угол αix находим из выражения
 ix  arctg
X ix
.
rKi   Nix
(9)
Для определения длины Li линии касания Ai-Bi шины с i-м роликом рассмотрим треугольник OK-Bi-Oi, для которого расстояние 0,5Li будет являться высотой, опущенной из вершины Bi. Тогда полупериметр pi треугольника OK-Bi-Oi определится по формуле
pi 
2rR  rKi  rK 0
.
2
(10)
Длина линии касания Li определяется из выражения
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
197
Транспорт
Transport
Li 
4  pi  ( pi  (rKi  rR ))  ( pi  rK 0 )  ( pi  rR )
.
rKi  rR
(11)
Распределение нормального давления шины nix по длине её контакта с поверхностью
опорного i-го ролика определим по выражению [8]
nix  nix  nDix ,
(12)
где nΔix – деформационная составляющая нормального давления шины по длине её контакта
с поверхностью опорного i-го ролика, кН/мм2; nDix – демпфирующая составляющая нормального давления шины по длине её контакта с поверхностью опорного i-го ролика, кН/мм2.
Деформационная составляющая нормального давления шины nΔix определяется по
формуле [8]:
  c ;
nix   Ni Ш
 n max ;
nix  n max
,
nix  n max
если
если
(13)
где nΔmax – максимальное значение нормального давления, кН/мм2.
Демпфирующая составляющая нормального давления шины nDix определяется по
формуле [8]
nDix  X i  kШ ,
(14)
где kШ – коэффициент демпфирования шины, Н∙с/м.
Распределение продольного касательного напряжения шины τix по длине её контакта с
поверхностью опорного i-го ролика определим по выражению [8]
 ix  nix  i  nix  sin ix  nDix ,
(15)
где φШ – коэффициент сцепления колеса с поверхностью i-го опорного ролика.
Длина пятна контакта LCi шины с i-м роликом определяется в соответствии со схемой,
показанной на рис. 3.
Длина пятна контакта LCi определяется формулой
LCix 
  rR  ix
(16)
,
180
где βix – угол между линией Ai-Oi и линией Xi-Oi, град., который в свою очередь определяется
как
2   rR   L2ix
ix  arccos
.
4  rR
2
(17)
Здесь Lix – расстояние от начальной точки касания шины с опорным роликом Ai до точки Xi, м,
определяемое по формуле
Lix  X ix2   2Nix .
198
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
(18)
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Рис. 3. Расчетная схема определения длины LCi пятна контакта шины с i-м роликом стенда:
Xi – точка, лежащая на поверхности касания шины с i-м роликом; Ai и Bi – крайние точки касания шины
с i-м роликом; ΔNix – нормальная деформация шины выше линии Ai-Bi, соответствующая положению
точки Xi; LCix – длина дуги касания шины с поверхностью i-го ролика, соответствующая положению
точки Xi; Lix – расстояние от начальной точки касания шины с опорным роликом Ai до точки Xi;
LCi – длина дуги касания шины с поверхностью i-го ролика; Li – длина линии касания Ai-Bi шины
с i-м роликом; rR – радиус опорного ролика; βix – угол между линией Ai-Oi и линией Xi-Oi;
Xix – координата точки Xi
Fig. 3. Design diagram for the determination of the length LCi of the tire contact patch with the test bench i-roller:
Xi – point located on the surface of the tire contact with the i-roller; Ai and Bi – extreme points of the tire contact
with the i-roller; ΔNix – tire normal deflection above the line A i-Bi corresponding to the location of the point Xi;
LCix – length of the tire contact arc with the i-roller surface corresponding to the location of the point X i;
Lix – distance from the initial tire contact point with the bearing roller A i to the point Xi; LCi – length of the tire
contact arc with the surface of the i-roller; Li – length of the tire contact line Ai-Bi with the i-roller; rR – radius
of the bearing roller; βix – angle between the line Ai-Oi and the line Xi-Oi; Xix – coordinate of the point Xi
Действительная длина пятна контакта LDi несколько меньше длины дуги контакта LCi по
причине неизбежного для шин возникновения сопутствующей радиальной деформации вблизи пятна их контакта с поверхностью опорного ролика (рис. 4).
Тогда действительная длина пятна контакта шины с поверхностью i-го опорного ролика
LDi будет найдена из выражения [9]
LDi  LCi  k.
(19)
Коэффициент k в формуле (19), учитывающий сопутствующую радиальную деформацию профиля шины в пятне её контакта, рассчитывается следующим образом [9]
 r 
k  0,75   R 
 rK 0 
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
0,0214
.
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
(20)
199
Транспорт
Transport
Нормальная реакция RZi, действующая со стороны i-го опорного ролика на шину, определяется из выражения
LDi
RZi   nix dx,
0
(21)
где LDi – длина пятна контакта эластичной шины с поверхностью i-го опорного ролика, м.
Продольная касательная реакция RXi, действующая со стороны i-го опорного ролика на
шину, определяется из выражения
LDi
RXi    ix dx.
0
(22)
Рис. 4. Расчетная схема определения длины LDi пятна контакта шины с i-м роликом с учетом
её сопутствующей радиальной деформации: LCi – длина дуги касания шины с поверхностью i-го
ролика; LDi – действительная длина пятна контакта шины с поверхностью i-го опорного ролика
Fig. 4. Design diagram for the determination of the length LDi of the tire contact patch with the i-roller taking into
account radial deflection accompanying it: L Ci – length of the tire contact arc with the surface of the i-roller;
LDi – actual length of the tire contact patch with the surface of the i- bearing roller
Заключение
Разработанное математическое описание позволяет с приемлемой для практических
целей точностью рассчитывать формы эпюр распределения нормальной RZ и продольной касательной RX реакций в пятне контакта эластичной шины с поверхностями опорных роликов
диагностического стенда, а также рассчитывать их численные значения.
Результаты расчета и эксперимента представлены на рис. 5 и 6. Экспериментальное
исследование производилось на шине марки Amtel Planet типоразмера 175/70 R13 82H. Давление воздуха в шине составляло 2,1 кПа, величина нормальной нагрузки на колесо GK –
3750 Н [9].
Построенное на основе простых зависимостей математическое описание позволяет
расчетным путем получать эпюры распределения нормальных RZ и касательных RX реакций, а
также производить анализ их количественных изменений при варьировании приложенной к
колесу нормальной нагрузки GK.
200
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Нормальная RZ и касательная RX
реакции кН/мм /
Normal RZ and tangential RX reaction,
kN/mm
Нормальные и касательные реакции
кН/мм /
Normal and tangential reactions, kN/mm
Транспорт
Transport
Длина пятна контакта, м /
Length of the contact patch, m
Длина пятна контакта, LD, м /
Length of the contact patch, L D, m
а
б
Нормальные и касательные реакции,
кН/мм /
Normal and tangential reactions, kN/mm
Нормальная RZ и касательная RX
реакции, кН/мм /
Normal RZ and tangential RX reaction, kN/mm
Рис. 5. Эпюры распределения нормальной RZ и касательной RX реакций в пятне контакта эластичной
шины с поверхностью заднего опорного ролика диагностического стенда (1 – нормальной RZ реакции,
2 – касательной RX реакции): а – расчёт; б – эксперимент
Fig. 5. Diagrams of normal RZ and tangential RX reactions in the elastic tire contact patch with the surface
of the rear bearing roller of the test bench (1 – normal reaction RZ, 2 – tangential reaction RX): a – calculation;
b – experiment
Длина пятна контакта, м /
Length of the contact patch, m
а
Длина пятна контакта, LD, м /
Length of the contact patch, L D, m
b
Рис. 6. Эпюры распределения нормальной RZ и касательной RX реакций в пятне контакта эластичной
шины с поверхностью переднего опорного ролика диагностического стенда (1 – нормальной RZ
реакции, 2 – распределение касательной RX реакции): а – расчёт; b – эксперимент
Fig. 6. Diagrams of normal RZ and tangential RX reactions in the elastic tire contact patch with the surface
of the front bearing roller of the testbench (1 – normal reaction RZ, 2 – tangential reaction RX):
a – calculation; b – experiment
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
201
Транспорт
Transport
С научной точки зрения данное математическое описание целесообразно использовать
в расчетах стационарных характеристик эластичных шин. Для исследования динамических
процессов разработанное математическое описание требует доработки, учитывающей динамику взаимодействия эластичной шины с цилиндрическими поверхностями опорных роликов
диагностического стенда.
Библиографический список
1. Федотов А.И., Бойко А.В., Потапов А.С. О повторяемости измерений параметров процесса торможения автомобиля на стенде с беговыми барабанами // Вестник ИрГТУ. 2008. № 1. С. 63–71.
2. Федотов А.И., Портнягин Е.М. К вопросу о тестовых воздействиях на объект диагностирования // Вестник
ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 95–100.
3. Федотов А.И., Бойко А.В. Эффективность стендовых методов контроля тормозных систем автомобилей в
условиях эксплуатации: сб. трудов II Международной научно-практической конференции. Иркутск: Изд-во ИрГТУ,
2009. С. 115–125.
4. Федотов А.И., Бойко А.В., Буранов А.В., Цогт Д. Экспериментальное исследование параметров, характеризующих взаимодействие автомобильного колеса с опорными роликами диагностических стендов // Вестник ИрГТУ.
2009. № 4 (40). С. 72–77.
5. Федотов А.И., Бойко А.В., Яньков О.С., Марков А.С. Экспериментальное исследование радиуса качения колеса
в ведомом режиме на роликовом стенде // Вестник ИрГТУ. 2016 г. № 1 (108). С. 152–157.
6. Яньков О.С. Экспериментальное исследование процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного
колеса с опорными роликами диагностического стенда // Вестник ИрГТУ. 2016. № 2 (109). С. 127–134.
7. Федотов А.И., Бойко А.В., Халезов В.П. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия эластичной шины с беговым барабаном и дорогой // Вестник ИрГТУ. 2012. № 9 (68) С. 157–163.
8. Бойко А.В. Математическая модель для расчtта нормальных и касательных напряжений в пятне контакта эластичной шины с дорогой и беговым барабаном диагностического стенда // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11 (70). С.
128–131.
9. Кнороз В.И. Кленников Е.В. Работа автомобильной шины. М.: Транспорт, 1976. 238 с.
References
1. Fedotov A.I., Bojko A.V., Potapov A.S. O povtorjaemosti izmerenij parametrov processa tormozhenija avtomobilja na
stende s begovymi barabanami [On measurement repeatability of vehicle braking parameters on the chassis dynamometer test bench]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2008, no. 1., рр. 63–71. (In Russian)
2. Fedotov A.I., Portnjagin E.M. K voprosu o testovyh vozdejstvijah na objekt diagnostirovanija [On the test effects on the
object of diagnosis]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011, no. 5 (52), рр. 95–100. (In
Russian)
3. Fedotov A.I., Bojko A.V. Jeffektivnost' stendovyh metodov kontrolja tormoznyh sistem avtomobilej v uslovijah jekspluatacii [Efficiency of test bench methods to control vehicle brake systems under operation]. Sbornik trudov II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Proceedings of the II International Scientific and Practical Conference]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2009, рр. 115–125. (In Russian)
4. Fedotov A.I., Bojko A.V., Buranov A.V., Cogt D. Jeksperimental'noe issledovanie parametrov, harakterizujushhih
vzaimodejstvie avtomobil'nogo kolesa s opornymi rolikami diagnosticheskih stendov [The experimental study of the parameters characteristic of interaction of an automobile wheel with the bearing rollers of diagnostic stands]. Vestnik IrGTU
[Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2009, no. 4 (40), рр. 72–77. (In Russian)
5. Fedotov A.I., Bojko A.V., Jan'kov O.S., Markov A.S. Jeksperimental'noe issledovanie radiusa kachenija kolesa v vedomom rezhime na rolikovom stende [Experimental study of the wheel rolling radius in a slave mode on a roller test
bench]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 1 (108), pp. 152-157. (In Russian)
6. Jan'kov O.S. Jeksperimental'noe issledovanie processa vzaimodejstvija jelastichnoj shiny avtomobil'nogo kolesa s
opornymi rolikami diagnosticheskogo stenda [Experimental study of the wheel elastic tire interaction with test bench support rollers]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 2 (109), рр. 127–134. (In Russian)
7. Fedotov A.I., Bojko A.V., Halezov V.P. Jeksperimental'nye issledovanija processa vzaimodejstvija jelastichnoj shiny s
begovym barabanom i dorogoj [Pilot studies of elastic wheel interaction with chassis dynamometer and road]. Vestnik
IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2012, no. 9 (68), рр. 157–163. (In Russian)
8. Bojko A.V. Matematicheskaja model' dlja raschjota normal'nyh i kasa-tel'nyh naprjazhenij v pjatne kontakta jelastichnoj
shiny s dorogoj i begovym barabanom diagnosticheskogo stenda [Mathematical model to calculate normal and tangential
shearing stresses in elastic tire contact patch with road and chassis dynamometer test bed]. Vestnik IrGTU [Proceedings
202
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
of Irkutsk State Technical University]. 2012, no. 11 (70), рр. 128–131. (In Russian)
9. Knoroz V.I. Klennikov E.V. Rabota avtomobil'noj shiny [Vehicle tire operation]. Moscow, Transport Publ., 1976, 238 р.
(In Russian)
Критерии авторства
Федотов А.И., Власов В.Г., Яньков О.С. предложили метод построения математических моделей и оценки динамических состояний в задачах поиска и разработки способов и средств вибрационной защиты для объектов с
несколькими степенями свободы, провели обобщение и написали рукопись. Федотов А.И., Власов В.Г., Яньков
О.С. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Fedotov A.I., Vlasov V.G., Yankov O.S. have proposed a method for building mathematical model and evaluation of dynamic states in the problems of search and development of techniques and means of vibration protection for the objects
with multiple degrees of freedom. They summarized the material and wrote the manuscript.
Fedotov A.I., Vlasov V.G., Yankov O.S. have equal author’s rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 17.01.2017 г.
The article was received 17 January 2017
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
203
Транспорт
Transport
Оригинальная статья / Original article
УДК 711.4.711.553
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-204-211
СТРУКТУРА ПЕРЕСАДОК НА АВТОВОКЗАЛАХ Г. ХАНОЙ
© Е.В. Щербина1, Хо Тху Фыонг2
Московский государственный строительный университет,
Российская Федерация, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Формирование транспортно-пересадочных узлов (ТПУ) является первоочередной задачей организации общественного транспорта в г. Ханой, направленной на создание удобной и комфортной среды для
пассажиров. Основным видом общественного транспорта, осуществляющего внутригородские и внешние связи с
пригородными районами, служит автобусное сообщение. Существующие автовокзалы и проектируемые станции
метрополитена создают основу для организации современных ТПУ города. В статье приводятся данные натурных обследований пяти ханойских автовокзалов: Жа Лам, Ныок Нгам, Жап Бат, Мй Динь, Йен Нгьия, позволившие определить виды пересадок и сложившуюся структуру транспортных связей, необходимые для составления
прогноза ее изменения с вводом внеуличного скоростного транспорта. МЕТОДЫ. Методика обследования предусматривала анкетирование пассажиров, прибывающих на автовокзалы и отправляющихся с автовокзалов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Результаты обследований показали, что спрос на автобусы и мотоциклытакси больше, чем на остальные виды транспорта. Представлен сопоставительный анализ данных зависимости
выбора видов транспорта от расстояния маршрута. ВЫВОДЫ. Структура пересадок характеризуется пятью видами как для направления «от вокзала», так и «к вокзалу». Преобладающим видом в направлениях «от вокзала»
и «к вокзалу» является пересадка между городскими и пригородными автобусами.
Ключевые слова: транспортные связи, пересадка, автовокзал, транспортно-пересадочный узел, структура
пересадок, расстояниe поездки.
Формат цитирования: Щербина Е.В., Хо Тху Фыонг. Структура пересадок на автовокзалах г. Ханой // Вестник
Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 204–211. DOI: 10.21285/1814-35202017-3-204-211
PASSENGER TRANSIT STRUCTURE AT HANOI BUS STATIONS
E.V. Shсherbina, Ho Thu Phuong
Moscow State University of Civil Engineering,
26, Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. Formation of passenger transfer hubs is a high-priority task of organizing public passenger
transportation in Hanoi aiming at facilitating a comfortable and passenger-friendly environment. Bus is the main public
transportation means to serve the needs of urban and intercity commuters travelling to surrounding areas. Existing intercity bus stations and subway stations being designed will form the basis for organizing the modern passenger transit
hubs in Hanoi. The article reports on the data of on-site investigation of five Hanoi intercity bus stations including Gia
Lam, Nuoc Ngam, Giap Bat, Mi Dinh, Yen Nghia that allowed to determine the types of passenger transits and the exis ting structure of the transportation links required to forecast the changes in the structure resulting from the introduction of
subway. METHODS. The survey methodology included the questioning of passengers arriving to and departing from bus
stations. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The survey data show that demand for buses and motor-taxis is higher
than the one for other transportation means. A comparative analysis of data demonstrates the relation between the travel
distance and the choice of the transportation means. CONCLUSIONS. We distinguish five types in the structure of passenger transfer both “from the bus station” and “to the bus station”. The transfer between urban and intercity buses is a
dominating type of the passenger transit in the direction “from the bus station” as well as “to the bus station”.
Keywords: transportation link, transit (transfer), intercity bus stations, passenger transit hub, structure of passenger transit, travel distance
For citation: Shсherbina E.V., Ho Thu Phuong. Passenger transit structure at Hanoi bus stations // Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 204–211. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-204211
___________________________
1
Щербина Елена Витальевна, доктор технических наук, профессор кафедры архитектуры и градостроительства,
e-mail: ev.scherbina@yandex.ru
Elena V. Shcherbina, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Architecture and Town Planning,
e-mail: ev.scherbina@yandex.ru
2
Хо Тху Фыонг, аспирант, e-mail: hvphuongluv@gmail.com
Ho Thu Phuong, Postgraduate, email: hvphuongluv@gmail.com
204
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Введение
Устойчивое развитие городов – это
приоритетное направление градостроительного планирования, принятое во многих странах мира, при решении задач развития урбанизированных территорий [1].
Наличие развитой транспортной системы
города служит одним из необходимых
условий его устойчивого развития, поэтому
в последние годы в практике проектирования все чаще используется принцип управления доступом к улично-дорожной сети
Transit Oriented Development (TOD) – «Застройка, ориентированная на массовые виды транспорта»3. В настоящее время в
структуре общественного транспорта Ханоя
преобладают автобусы, осуществляющие
связь с пригородами и основными районами города; пересадка с междугородных автобусов дальнего следования на пригород-
ные и внутригородской транспорт осуществляется на пяти автовокзалах, расположенных в центральной части города [2,
3]. Генеральным планом развития г. Ханой
предусматривается строительство метрополитена, который предоставит жителям
новый скоростной вид транспорта, что существенно изменит структуру общественного транспорта и пересадок. В этой связи
существующие автовокзалы и станции метрополитена создают основу для организации современных транспортно-пересадочных узлов (ТПУ) города. Поэтому определение существующей структуры транспортных связей на автовокзалах Ханоя и составление прогноза ее изменения с вводом
метрополитена имеет важное значение для
разработки схемы размещения ТПУ.
Материалы и методы исследования
Для решения сформулированных
задач, относящихся к вопросам градостроительного планирования и проектирования,
наиболее применим метод анкетирования
или опроса населения, который также используется в задачах планирования размещения ТПУ4 [4]. С учетом специфики
проводимого обследования была сформулирована рабочая гипотеза: автовокзалы
города создают хорошие предпосылки для
формирования на их основе транспортнопересадочных узлов. Методика обследования предусматривала анкетирование пассажиров, прибывающих на автовокзалы и
отправляющихся с автовокзалов.
Задачи обследования:
 Установить структуру связей, существующих на автовокзалах г. Ханой.
 Выявить потребности пассажиров,
прибывающих на автовокзалы, на виды
транспорта для продолжения поездки.
 Определить виды транспорта, используемые пассажирами для прибытия на
автовокзалы.
 Определить виды пересадок, производящихся на автовокзалах г. Ханой.
Наиболее распространенными видами транспорта, используемыми пассажирами для прибытия на автовокзал и продолжения поездки, являются: мотоциклтакси, такси, автобус, индивидуальные
транспортные средства, не являются исключением и пешеходные маршруты. Эти
же виды транспорта используются пассажирами для прибытия на автовокзал, что
определило виды пересадок (рис. 1).
___________________________
3
Щербина Е.В., Власов Д.Н., Данилина Н.В. Устойчивое развитие поселений и урбанизированных территорий:
учеб. пособие. М.: НИУ МГСУ, 2016. 128 с. / Shcherbina E.V, Vlasov D.N., Danilina N.V. Sustainable development of
settlements and urban areas. Moscow, NRU MGSU Publ., 2016, 128 p.
4
Самойлов Д.С. Социология в городском и региональном планировании: учеб. пособие. М.: Изд-во МГСУ, 1998.
97 с. / Samoilov D.S. Sociology in urban and regional planning. Moscow, MGSU Publ., 1998, 97 p.
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
205
Транспорт
Transport
Пригородный автобус / Intercity service bus
Рис. 1. Виды пересадок на автовокзалах г. Ханой
Fig. 1. Types of transfers at Hanoi city bus stations
Для проведения обследования были
подготовлены два варианта анкет, содержащих следующие вопросы и возможные
ответы.
Анкета 1. Для пассажиров, прибывших на автовокзал из пригородов и
продолжающих поездку, обозначим это
направление «от вокзала».
1. Пол.
2. Профессия: рабочий, должностное лицо, военный/полицейский, учащийся,
бизнесмен, другая.
3. Расстояние поездки от автовокзала до места назначения (школа, университет, компания, железнодорожный вокзал,
аэропорт, место проживания...): менее 0,5
км; от 0,5 до 3 км; от 3 до 5 км; от 5 до 10
км; более 10 км.
4. Какое транспортное средство Вы
будете использовать, чтобы доехать до места назначения:
автобус, мотоцикл-такси, такси, индивидуальные транспортные средства,
другое (пешком)?
5. Почему Вы выбираете такое
206
ВЕСТНИК ИрГТУ
транспортное средство (удобно, дешево,
нет выбора, другое)?
6. Ваши предложения об организации пересадки на автовокзале?
Анкета 2. Для пассажиров, прибывающих на автовокзал из города, с целью
продолжить поездку на пригородном автобусе, обозначим это направление «к вокзалу».
1. Пол.
2. Профессия: рабочий, должностное лицо, военный/полицейский, учащийся,
бизнесмен, другая.
3. Расстояние поездки для прибытия
на автовокзал: менее 0,5 км; от 0,5 до 3 км;
от 3 до 5 км; от 5 км до 10 км; более 10 км.
4. Какое транспортное средство Вы
использовали: автобус, мотоцикл-такси,
такси,
индивидуальные
транспортные
средства, другое (пешком)?
5. Почему Вы выбираете такое
транспортное средство (удобно, дешево,
нет выбора, другое)?
6. Какие у Вас предложения об организации пересадки на автовокзале?
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Обследование проводилось аспиранткой Хо Тху Фыонг на автовокзалах
г. Ханой: Жа Лам, Ныок Нгам, Жап Бат, Мй
Динь, Йен Нгьия в августе–сентябре 2016 г.
по понедельникам и пятницам. Понедельник – это первый рабочий день недели, характеризующийся наибольшим количеством пассажиров, прибывающих в город,
пятница – последний день рабочей недели,
в который наибольшее количество людей
уезжает из города. Дни проведения обследования: 26 и 29 августа; 2, 5, 9, 12, 16, 19,
23, 26 сентября. В организации анкетирования приняли участие водители автобусов, в задачу которых входило раздать анкеты при входе пассажиров в автобус и со-
брать заполненные анкеты при выходе
пассажиров из автобуса. Было подготовлено 2500 анкет, количество которых учитывало число перевозок, осуществляющихся
на каждом автовокзале. Данные представлены в таблице.
Всего было роздано 2120 анкет. В
опросе было учтено мнение 1009-ти респондентов, прибывающих на автовокзал
из пригородов, и 1003 респондентов, уезжающих на пригородных автобусах, всего
2012 человек (из общего числа анкет 8 не
были возвращены). Таким образом, было
обработано 95% от числа розданных анкет,
что достаточно для достоверной оценки
полученных результатов [5].
Количество участников анкетирования
The number of questionnaire survey participants
Количество розданных анкет /
Number of questionnaire distributed
Название вокзала /
Name of Bus station
Анкета 1 /
Анкета 2 /
distributed 1
distributed 2
Жап Бат /
250
250
Giap Bat
Мй Динь /
250
250
Mi Dinh
Жа Лам /
200
200
Gia Lam
Йен Нгьия /
200
200
Yen Nghia
Ныок Нгам /
160
160
Nuoc Ngam
Всего / Total
1060
1060
Всего /
Total
500
500
400
400
320
2120
Результаты исследования
Результаты обследования показали,
что мужское и женское население имеет
приблизительно равную подвижность; среди пассажиров оказалось 51,5% мужчин и
48,5% женщин. Для дальнейшего передвижения по городу: 42,6% пассажиров выбирают автобус (пересадка 1.1); 39,3% пассажиров выбирают мотоцикл-такси (пере-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
садка 1.2); 9,9% выбирают такси (пересадка 1.3); 9,9% пересаживаются на индивидуальный транспорт (пересадка 1.4); 3,4%
идут далее пешком (пересадка 1.5). При
этом количество женщин, выбирающих индивидуальный транспорт и идущих пешком,
приблизительно в два раза меньше, чем
мужчин (рис. 2).
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
207
Транспорт
Transport
Рис. 2. Структура пересадок пассажиров в направлении «от вокзала»:
по вертикали отмечена доля пассажиров, совершающих пересадку, %
Fig. 2. Structure of transportation transfer “from bus station”: vertical axis shows the percentage
of passengers being transfered,%
Анализ данных анкеты 2 показал некоторые различия в выборе транспортных
средств пассажирами, совершающими поездки на вокзалы. Наряду с городским автобусом, который перевозит 33% пассажиров в направлении «к вокзалу», возросла
доля пассажиров, выбирающих такси или
пользующихся индивидуальным автомоби-
лем, что ведет к изменению структуры пересадок. Доля пересадки 2.1 составляет
33,4%; доля пересадки 2.2 – 25%; доля пересадки 2.3 увеличивается до 14,9 %, а доля пересадки 2.4 увеличивается почти в
пять раз (до 24,2%) по сравнению с пересадкой 1.4 (рис. 3).
Рис. 3. Структура пересадок пассажиров в направлении «к вокзалу»:
по вертикали отмечена доля пассажиров, совершающих пересадку, %
Fig. 3. Structure of transportation transfer “to bus station”: vertical axis shows the percentage
of passengers being transfered,%
208
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
Приведенные данные 2 и 3 показывают, что пересадки 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 и 2.4
имеют преобладающее значение; спрос на
автобусы и мотоциклы-такси больше, чем
на остальные виды транспорта.
Рис. 4. Структура пересадок пассажиров в направлении «от вокзала»:
по вертикали отмечена доля пассажиров, совершающих пересадку, %
Fig. 4. Structure of transportation transfer “from bus station”: vertical axis shows the percentage
of passengers being transfered,%
Рис. 5. Структура пересадок пассажиров в направлении «к вокзалу»:
по вертикали отмечена доля пассажиров, совершающих пересадку, %
Fig. 5. Structure of transportation transfer “to bus station”: vertical axis shows the percentage
of passengers being transfered,%
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
209
Транспорт
Transport
Сопоставительный анализ данных,
представленных на рис. 4 и 5, позволил
выявить зависимость выбора видов транспорта от расстояния маршрута. Необходимость совершать передвижения на большие расстояния определяет предпочтение
выбора автобусов или мотоциклов-такси.
Расстояние в пределах шаговой доступности (до 0,5 км) преодолеваются пешком,
что составляет незначительную долю – до
4% в направлении «от вокзала» и «к вокзалу». В направлении «к вокзалу» (расстояние от 0,5 до 3 км) большее количество поездок осуществляется на мотоциклах-такси
– 11,4% пассажиров (пересадка 2.2), и
17,3% выбирают индивидуальные средства
(пересадка 2.4). Дальнейшее увеличение
длины маршрута определяет преимущественный выбор автобуса.
Выводы
Данные проведенного исследования
показывают, что пассажиры используют все
виды пассажирского общественного и личного транспорта для движения по городу, в
том числе общественный городской транспорт: автобус, мотоцикл-такси, такси. Доля
индивидуального транспорта составляет
5% для передвижений «от вокзала» и возрастает до 24% для передвижений «к вокзалу».
Структура пересадок характеризуется пятью основными видами как для
направления «от вокзала», так и «к вокзалу». Преобладающим видом пересадок на
автовокзалах в направлениях «от вокзала»
и «к вокзалу» является пересадка между
городскими и пригородными автобусами,
которая составляет 42,6 и 33,4% соответ-
ственно. В направлении «к вокзалу» отмечается увеличение количества пересадок с
индивидуального личного транспорта и
такси на автобус.
Для города Ханой характерным видом городского транспорта является мотоцикл-такси, доля пересадок на этот транспорт занимает второе место после автобуса и достигает 38% в общем объеме. Это
является отличительной особенностью
транспортного сообщения города, что
должно найти отражение в разработке планировочных решений транспортно-пересадочных узлов.
Выявлена зависимость предпочтений выбора видов транспорта и соответственно пересадок от длины маршрута в
обоих направлениях.
Библиографический список
1. Sherbina Elena, Danilina Nina, Vlasov Denis City
(21.06.2016).
planning issues for sustainable development // Interna3. Щербина Е.В., Хо Тху Фыонг. Оценка планировочtional Journal of Applied Engineering Research ISSN
ного развития автовокзалов г. Ханой // Научное обо0973-4562 Volume 10, Number 22 (2015).
зрение. 2016. № 9. С. 17–21.
Р. 43131–43138.
4. Власов Д.Н. Методология развития системы
2. Хо Тху Фыонг. Развитие автобусного сообщения в
транспортно-пересадочных узлов на территории
г. Ханое [Электронный ресурс] // Строительство –
городского ядра агломерации (на примере
формирование среды жизнедеятельности: сб. матеМосквы) // Современные проблемы науки и образориалов XIX Междунар. межвуз. науч.-практ. конф.
вания. 2013. № 4. С. 65–76.
студентов, магистрантов, аспирантов и молодых
5. Giuseppe Iarossi. The power of survey design. A
ученых (г. Москва, 27–29 апреля 2016 г.). URL:
user's guide for managing survey, interpreting result,
http://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaand influencing respondents // The World Bank. 2006.
niya/izdaniya-otkr dostupa/2016/stroy_form_2016.pdf
Р. 262.
References
1. Sherbina Elena, Danilina Nina, Vlasov Denis. City
43138.
2. Kho Tkhu Fyong. Razvitie avtobusnogo soobplanning issues for sustainable development. Internashcheniya v g. Khanoe [Development of bus service in
tional Journal of Applied Engineering Research ISSN
Hanoi]. Sbornik materialov XIX Mezhdunarodnoi
0973-4562 Volume 10, Number 22 (2015), pp. 43131–
210
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Транспорт
Transport
mezhvuzovskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii studentov, magistrantov, aspirantov i molodykh ucheenykh
“Stroitel'stvo – formirovanie sredy zhiznedeyatel'nosti”
[Proceedings of XIX International interuniversity scientific and practical conference of students, undergraduates, postgraduates and young scientists “Construction
– Living Environment Formation”]. Available at:
http://mgsu.ru/resources/izdatelskayadeyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr
dostupa/2016/stroy_form_2016.pdf (accessed 21 June
2016).
3. Shcherbina E.V., Kho Tkhu Fyong. Otsenka planirovochnogo razvitiya avtovokzalov g. Khanoi [Assessment of the planning development of Hanoi bust stations]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2016,
no. 9, pp. 17–21. (In Russian)
4. Vlasov D.N. Metodologiya razvitiya sistemy
transportno-peresadochnykh uzlov na territorii gorodskogo yadra aglomeratsii (na primere Moskvy) [The
methodology of development of the transit and transport
terminal system on the territory of the urban agglomeration core (on the example of Moscow)]. Sovremennye
problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of
science and education]. 2013, no. 4, рр. 65–76. (In
Russian)
5. Giuseppe Iarossi. The power of survey design. A
user's guide for managing survey, interpreting result,
and influencing respondents. The World Bank. 2006,
262 р.
Критерии авторства
Хо Тху Фыонг провела обследование пяти ханойских
автовокзалов, позволившее определить виды пересадок и сложившуюся структуру транспортных связей. Щербина Е.В., Хо Тху Фыонг провели обобщение и написали рукопись. Щербина Е.В., Хо Тху
Фыонг имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Ho Thu Phuong has examined 5 Hanoi bus stations and
determined the types of transfers and the existing structure of transport links. E.V. Shcherbina, Ho Thu Phuong
summarized the material and wrote the manuscript.
E.V. Shcherbina, Ho Thu Phuong have equal author’s
rights and share the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
конфликта
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 19.12.2016 г.
The article was received 19 December 2016
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ
Т. 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 23, No. 3 2017
211
Для авторов
Уважаемые коллеги!
Мы приглашаем Вас к участию в нашем журнале в качестве авторов, рекламодателей и читателей и
сообщаем требования к статьям, принимаемым к публикации
I. Статья представляется в электронном и распечатанном видах. Рекомендуемый объем статьи не менее
10 000 знаков.
К статье прилагаются:
1. Экспертное заключение.
2. Название рубрики, в которой должна быть размещена Ваша статья; УДК; название статьи; реферат
(аннотация), количество слов в реферате – не менее 200; ключевые слова (4-5); сведения об авторах:
название учреждения, его адрес; фамилия, имя, отчество (полностью); ученая степень; звание и должность;
контактный телефон и e-mail (вся информация предоставляется одним файлом).
3. Статья должна иметь личную подпись автора; на статьях адъюнктов и аспирантов должна стоять также
подпись научного руководителя.
II. Текст статьи, сведения об авторах, реферат, ключевые слова, адрес учреждения, контактный
телефон и Е-mail должны быть также представлены по электронной почте: pgp@istu.edu в виде файла с
расширением *.DOC – документа, построенного средствами Microsoft Word 97 или последующих версий.
При наборе статьи в Microsoft Word рекомендуются следующие установки:
1) параметры страницы и абзаца: отступы сверху и снизу – 2 см; слева и справа – 2 см; табуляция – 2 см;
ориентация – книжная;
2) шрифт – Times New Roman, размер – 12, межстрочный интервал – одинарный, перенос слов –
автоматический;
3) при вставке формул использовать Microsoft Equation 3 при установках: элементы формулы выполняются
курсивом; для греческих букв и символов назначать шрифт Symbol, для остальных элементов – Times New
Roman. Размер символов: обычный – 12 пт, крупный индекс – 7 пт, мелкий индекс – 5 пт, крупный символ –
18 пт, мелкий символ – 12 пт. Все экспликации элементов формул необходимо также выполнять в виде
формул;
4) рисунки, вставленные в текст, должны быть выполнены с разрешением 300 dpi, B&W – для черно-белых
иллюстраций, Grayscale – для полутонов, максимальный размер рисунка с надписью: ширина 150 мм, высота
245 мм и представлены в виде файла с расширением *.BMP, *.TIFF, *.JPG, должны допускать перемещение
в тексте и возможность изменения размеров. Схемы, графики выполняются во встроенной программе MS
Word или в MS Excel, с приложением файлов (представляемые иллюстрации должны быть четкими и
ясными во всех элементах);
5) библиографические ссылки должны быть оформлены в соответствии с ГОСТ Р7.05 2008.
Внимание! Публикация статьи является бесплатной.
Стоимость дополнительного экземпляра журнала – 500 руб. (без стоимости почтовых расходов).
«Вестник ИрГТУ» включен в Перечень ведущих научных журналов и изданий, в которых должны быть
опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата
наук, в международный каталог периодических изданий «UlrichsPeriodicals Directory», EBSCO, в Научную
электронную библиотеку (eLIBRARY.RU), представлены в Научной электронной библиотеке «КиберЛенинка»
(CYBERLENINKA), рассылается в Российскую книжную палату, ВИНИТИ РАН.
Статьи, опубликованные в журнале «Вестник ИрГТУ», реферируются и рецензируются.
Редакция оставляет за собой право отклонять статьи, не отвечающие указанным требованиям.
По вопросам публикации статей обращаться: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ФГБОУ ВО «Иркутский
национальный исследовательский технический университет», редакционный отдел, Д-215.
Телефон: (3952) 40-57-56 – Привалова Галина Петровна, ответственный за выпуск,
(3952) 40-58-57 – Редакционный отдел.
Факс: (3952) 405-100, е-mail: pgp@istu.edu
212
ВЕСТНИК ИрГТУ
Том 21, № 3 2017 / PROCEEDINGS of ISTU Vol. 21, No. 3 2017
ISSN 1814-3520
Иркутского Государственного Технического Университета
Научный журнал
№ 3 (122) 2017
Редакторы О.А. Терновская, Я.В. Макшанцева
Художественный редактор Е.В. Хохрин
Ответственный за выпуск Г.П. Привалова
Перевод на английский язык В.В. Батицкой, О.А. Крапивкиной
Верстка А.В. Куртовой
Выход в свет 24.03.2017 г. Формат 60х90/8.
Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 27.
Тираж 500 экз. Заказ 87. Поз. плана 3н.
Издание распространяется бесплатно
Иркутский национальный исследовательский технический университет
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
Отпечатано в типографии Издательства
ФГБОУ ВО “Иркутский национальный
исследовательский технический университет”
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
ИЗДАТЕЛЬСТВО
Издательство Иркутского национального исследовательского технического университета, 2017
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ