«Посвящается 75-летию МАИ и 100-летию со дня рождения А.И.Микояна ПРОЕКТИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ Под общей редакцией проф. Ю.Ю. Комарова – 2005 – УДК 629.735.33 Проектирование, ...»

Функцией усредненной квантили будем называть функцию вида которая представляет собой усредненное значение функции квантили на отрезке [,1). Физический смысл данной функции есть усредненные потери на “хвосте” распределения. В литературе [4] (u ) называют также CVaR-критерием.

Рассмотрим две постановки задачи оптимизации.

1. Квантильная постановка:

2. Интегральная квантильная постановка:

Решения задач (5), (6) зависят от доверительного уровня вероятности.

Более того, не понятно из каких соображений его выбирать. При выборе предлагается руководствоваться одним из нижеперечисленных способов.

1) фиксируется допустимый уровень риска оказаться в убытке:

и решается уравнение относительно : * = max { : P ( u ) p} ;

2) фиксируются допустимые средние убытки:

и решается уравнение относительно : * = max{ : R(u ) m}.

Введение дополнительных условий (7) или (8) можно рассматривать как естественное обобщение постановки Марковица, так как критерий var (дисперсия) заменен на VaR (квантиль), а средний доход – на условные средние потери (8). Ради справедливости отметим также, что возможны и другие обобщения постановки Марковица.

Пусть X 1 и X 2 – независимые случайные величины, имеющие равномерный закон распределения: X 1 ~ R ( 1, a1 ), X 2 ~ R ( 1, a2 ). Для решения сформулированной задачи оптимизации (6) вначале найдем аналитическое выражение для функции вероятности. С этой целью на носителе A вероятностной меры построим доверительные множества При подстановке аналитических выражений для лебеговых мер множеств получим где c = mes [ A] = ( a1 + 1)( a2 + 1) – положительное число, так как a1 > 1, a2 > 1.

Это выражение для функции вероятности справедливо при выполнении определенного условия, связывающего параметры и u :

Утверждение 1. Модель (1) обладает следующими свойствами:

(I) функция P (u ) непрерывна и строго убывает по для любого u U ;

– корень уравнения P (u ) =.

Замечание. Из утверждения 1 следует, что решение задачи квантильной оптимизации при фиксированном ( p*, p* ) эквивалентно решению задачи максимизации функции вероятности при *, *. Поэтому при p*, p* можно заменить задачу (6) на задачу максимизации функции вероятности с последующим поиском оптимального значения критерия ( u ) из условия P (u ) =.

Исследуем поведение функции P (u ).

Утверждение 2. Функция P (u ) P (u0, u1 ) возрастает по u0 для любых, u1 (0,1].

В силу возрастания функции вероятности по одной из переменных, ограниченности и структуры множества допустимых стратегий U можно подставить ограничение u0 + u1 = 1в функцию P (u ) и дальнейшую оптимизацию проводить только по переменной u1 :

Тогда функция вероятности примет вид Таким образом, задача (2.6) эквивалентна задаче Утверждение 3. Функция P ( u1 ), определенная в (11), вогнута по u1 (0,1] для любых.

Из утверждения 3 следует, что функция вероятности P (u1 ) имеет единственный максимум и, следовательно, задача (12) имеет единственное решение на отрезке u1 (0,1]. Аналитически оно не находится в силу необходимости решения трансцендентного уравнения, а численно это решение можно легко найти в силу вогнутости исследуемой функции при использовании какого-нибудь известного метода выпуклой оптимизации.

Таким образом, согласно замечанию к утверждению 1, решение u задачи (6) при ( p*, p* ) можно найти из условия P (u1 ) =. При этом u1 = u1.

Утверждение 4. Функция (v ) (v0,v1 ) не убывает по v0 для любого v1 [0,1].

В силу возрастания функции интегральной квантили по одной из переменных, а также ограниченности и структуры множества допустимых стратегий U можно подставить ограничение v0 + v1 = 1 в функцию (v ) и дальнейшую оптимизацию проводить только по v1 :

Пусть имеются выборки {X 11, X 12,K, X 1n } и {X 2, X 22,K, X 2n }, генерирующие для фиксированного u выборку {F1 (u ), F2 (u ),K, Fn (u )}, где Fi (u ) = F (u, X i ) – i -тая реалиdef зация выборки F (u, X ). Выборка {F1 (u ), F2 (u ),K, Fn (u )} упорядочивается, строится ее вариационный ряд: F1n (u ) F2n (u ) K Fnn (u ). Здесь Fi n (u ) - порядковая статистика с номером i для фиксированного u, i = 1, n.

Оценка функции квантили по выборке Fi (u ), i = 1, n будет иметь вид [1] где [n ] - целая часть числа n. Данная операция означает выбор элемента вариационного ряда выборки Fi (u ) i = 1, n с номером n [ n ].

Оценку функции усредненной квантили по выборке Fi (u ), i = 1, n предлагается осуществлять следующим образом:

Оптимальные стратегии для задач максимизации ( v1 ) по v1 можно найти, решая задачу оптимизации для каждого из (0,1).

1. Kibzun A.I., Kan Yu.S. Stochastic Programming Problems with Probability and Quantile Functions. Chichester: John Wiley, 1996.

2. Kelly J. A new Interpretation of International Rate // Bell System Tec. J., 1956. № 35. PP. 917Кибзун А.И., Кузнецов Е.А. Оптимальное управление стохастической системой с дискретным временем // Автоматика и телемеханика, 2001. № 9. C. 113-120.

4. Rockafellar R.T., Uryasev S. Optimization of conditional value-at-risk // Journal of Risk 2000.

No.2. PP. 21-41.

5. Кибзун А.И. О наихудшем распределении в задачах стохастической оптимизации с функцией вероятности // Автоматика и телемеханика. 1998. № 11. C. 104-116.

';

6. Райк Е. О функции квантили в задачах стохастического нелинейного программирования // Известия АН ЭССР, физика-математика. 1971. 24, № 1. C. 3-8.

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОГНОЗА КЛИЕНТСКИХ ПОТОКОВ

В ТЕКУЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ БАНКА

Содержанием данной научно-исследовательской работы являются построение математической модели оптимизации текущих ежедневных обязательств банка, имеющей целью минимизацию процентных расходов банка, и разработка информационной технологии для оптимизации деятельности банка на рынке межбанковских кредитов при условии поддержания достаточного уровня ликвидности (способности банка отвечать по своим обязательствам), с учетом текущих денежных клиентских потоков и с учетом соблюдения требований соответствующей действующей рабочей инструкции центрального банка Российской Федерации «Об обязательных нормативах банков». Решение и исследование поставленной проблемы было реализовано с помощью построения и исследования математической модели прогноза положения с движением клиентских потоков. Эта модель, с точки зрения банка и с учетом большого числа клиентов, представляется случайной.

Как известно, каждый действующий коммерческий банк имеет систему корреспондентских счетов в других банках для активного проведения расчетных операций. Такая система состоит из следующих компонентов. Корреспондентский счет в центральном банке служит для проведения исключительно рублевых расчетных операций (центральный банк не предоставляет услуг по проведению валютных расчетов). Валютные расчетные операции реализуются через корреспондентские счета в других коммерческих банках. В этом случае одним из определяющих факторов, влияющим на уровень остатков на корреспондентских счетах, является текущая хозяйственная деятельность клиентов банка. В течение дня происходят колебания денежных остатков на корреспондентских счетах под влиянием их поступлений и списаний с клиентских счетов.

При постановке задачи существенным фактором является то, что банк согласно требованиям российского законодательства обязан выполнить требование клиента о перечислении денежных средств не позже, чем на следующий рабочий день. На практике же из-за высокой конкуренции банки прикладывают все возможные усилия для отправки клиентских платежей день в день. Из этого следует, что уровень остатков на корреспондентских счетах банка должен быть не только положительным в течение дня, но и достаточным для осуществления клиентских платежей. Фактически процесс управления остатками на корреспондентских счетах банка сводится к их своевременному пополнению. В то же время остатки на корреспондентских счетах, оставаясь абсолютно ликвидными активами, являются фактически неработающими инструментами, т.е. не приносящими процентный доход. При нормальной экономической обстановке (не в условиях кризиса) кредитная организация не заинтересована в том, чтобы на корреспондентских остатках накапливался остаток больший, чем это необходимо для обслуживания текущих потребностей клиентов, так как уровень ликвидности становится избыточным, что приводит к снижению эффективности работы. В силу этого одной из важных задач банка является уменьшение доли абсолютно ликвидных активов до уровня, достаточного для компенсации ежедневных колебаний клиентских остатков (так называемой нестабильной части клиентских средств), или по-другому – «стерилизация избыточной мгновенной ликвидности». Ежедневная расчетная деятельность банка строится следующим образом. Клиенты банка в течение дня (обычно кредитная организация самостоятельно устанавливает необходимую продолжительность времени по работе с клиентами) дают банку поручения (в письменной или электронной форме) на перевод денежных средств. Подразделение банка, ответственное за работу с корреспондентскими счетами (обычно данные обязанности находятся в сфере ответственности департамента «казначейство»), анализируя текущий остаток средств на корреспондентских счетах и объемы планируемых банком операций (кроме клиентских), принимает решение об использовании тех или иных корреспондентских счетов для осуществления клиентских платежей. В случае необходимости банк направляет в банк-корреспондент поручение на отправку клиентского платежа со своего корреспондентского счета в данной кредитной организации. Порядок работы банка со своим корреспондентским счетом в центральном банке имеет свои серьезные отличия.

Банк производит сеансы связи с расчетным центром этого главного банка пять раз в день (каждая сессия называется «рейсом»), во время которых происходит обмен следующей информацией – банк отправляет в центральный банк файл реестра платежей, который представляет собой электронную таблицу, содержащую информацию обо всех платежах, которые банк намеревается отправить в данном рейсе, и получает в ответ файл, содержащий информацию о поступивших клиентских платежах на корреспондентский счет в главном банке.

Автоматизированная система центрального банка обрабатывает полученный от банка файл реестра последовательно по каждому платежу. При этом, при оценке возможности проведения платежа система оценивает размер остатка на корреспондентском счете (с учетом поступившей на него суммы) и в том случае, если он недостаточен для проведения платежа, останавливает проверку всего файла и отправляет в банк файл, в котором указано, что указанный платеж (и все следующие за ним независимо от их суммы) считается не проведенным из-за недостатка средств на корреспондентском счете. В подобном случае банк должен перенести данные платежи на более поздние рейсы (либо когда есть уверенность в том, что остаток на корреспондентском счете все-таки будет недостаточным – на следующий рабочий день). Если по итогам последнего (пятого рейса) окажется, что остаток денежных средств на корреспондентском счете в центральном банке имеет отрицательное значение, считается, что банк не смог выполнить все свои обязательства перед клиентами. Подобная ситуация приводит к необходимости представления специальной формы, в которой должны быть изложены причины произошедшего и указаны предлагаемые банком меры, направленные на устранение данных причин. Соответствующим предписанием центрального банка эти нарушения должны быть немедленно устранены. В указанной последовательности проводимых банковских операций два первых рейса резервируются под совершение расчетов на межбанковском рынке и рынке ценных бумаг. В то же время в этих рейсах возможно проведение некоторой части клиентских платежей (в основном тех клиентов, с которыми у банка существуют долговременные и стабильные отношения). Обычно к третьему рейсу банк прекращает принимать клиентские поручения и, следовательно, уже обладает фактически полной информацией о сумме клиентских списаний на текущий день.

В случае, когда банк наблюдает снижение остатка на корреспондентских счетах до критических отметок в условиях недостаточности информации о предстоящих клиентских поступлениях (большая часть которых приходится на два последних рейса), уполномоченными сотрудниками может быть принято решение о привлечении средств на межбанковском рынке для поддержания соответствующего дневного уровня ликвидности, т.е. происходит принятие на себя новых обязательств для исполнения текущих. Зачастую к четвертому рейсу выясняется, что из-за неожиданно высокого уровня клиентских приходов образуется избыточный остаток средств на корреспондентском счете. В подобной ситуации обычно принимается решение о размещении избытка денежных средств на межбанковском рынке. В этом случае наблюдается противоречивая ситуация: банк привлекает ресурсы, стоимость которых выше, чем плата за ресурсы, которые банк размещает. Эта ситуация носит название «плата за снижение риска ликвидности». Причины появления подобной ситуации кроются в самой природе банковской деятельности. Банк, привлекая денежные средства населения и корпоративных клиентов, целенаправленно идет на создание дисбаланса в сроках привлечения и размещения средств в сторону увеличения сроков размещения для увеличения суммы получаемых доходов – ведь при нормальной ситуации ставка на размещения находится в прямой зависимости от срока такого размещения (так как уровень неопределенности возрастает). Однако, как уже отмечалось, структура привлеченных средств банка характеризуется значительным уровнем неоднородности как по видам источников (корпоративные клиенты, физические лица, банки), так и по срокам привлечения (остатки на текущих счетах, депозиты, выпущенные ценные бумаги, межбанковские кредиты).

Стабильность различных источников привлеченных средств варьируется в широких пределах. Например, в случае негативных изменений в банковском секторе стабильность привлеченных средств физических лиц становится крайне низкой, так как независимо от срока договора физическое лицо имеет право досрочно, в одностороннем порядке расторгнуть договор банковского вклада и изъять денежные средства. В своей повседневной работе при стабильной ситуации банк может рассчитывать на то, что часть привлеченных средств клиентов является малоподвижной и вероятность ее изъятия крайне незначительна.

Однако даже в стабильной обстановке возможны значительные колебания объемов клиентских средств. Обычно это актуально для средних и мелких банков, клиентская база которых недостаточно диверсифицирована (то есть у банка среди клиентов есть такие, оборот по счетам которых превышает уровень общего оборота по клиентским счетам). Подобные клиенты привлекательны для банка с точки зрения объема получаемого дохода в виде комиссии за расчетное обслуживание, однако обслуживание их сопряжено с высоким риском потери текущей дневной ликвидности, что требует дополнительных усилий и, возможно, дополнительных расходов. Таким образом, финансовая устойчивость банка напрямую зависит от текущей деятельности клиентов, которая, с точки зрения банка, и с учетом большого числа клиентов на первый взгляд представляется случайной. Для нивелирования риска банку приходится привлекать дорогие короткие ресурсы, размещать значительную часть средств в «портфель» ценных бумаг, которые возможно использовать в качестве залога для обеспечения привлекаемых межбанковских кредитов. В связи с вышеизложенным можно сделать вывод об актуальности задачи прогнозирования клиентских приходов как инструменте оптимизации деятельности банка на рынке межбанковских кредитов, состоящей в том, чтобы уменьшить зачастую избыточный объем привлечения и, следовательно, минимизировать расходы при сохранении достаточного уровня структурной ликвидности.

Для реализации данной задачи была построена математическая модель, параметрами которой являются параметры клиентских поступлений и остатков на счетах в течение рассматриваемого рабочего дня, занимаемые и выдаваемые суммы на межбанковском уровне, текущие данные по рейсам и прогнозируемые величины сумм приходов на конец рабочего дня. При этом случайной величиной является прогнозируемый остаток на конец этого дня. На основе рассматриваемых величин была сформирована математическая модель задачи минимизации убытка банка с учетом некоторого обозначенного лимита, ниже которого банк не располагает возможностью проведения необходимых в крайнем случае расчетов. Этот лимит определяется стоимостью ценных бумаг, которыми владеет банк. На основе статистики клиентских приходов и уходов за прошедший расчетный период была проведена оценка корреляции рядов клиентских потоков. На основе преобразования рассматриваемой математической модели в квантильную форму, затем алгоритмизации задачи, разработки соответствующего программного обеспечения и его реализации получено решение задачи о минимизации убытка банка. Это решение позволило построить распределение случайной величины прогнозируемого остатка на корреспондентском счете на конец рабочего дня и получить оценку вероятности стабильной работы банка в течение года. Программа реализации поставленной задачи позволяет автоматически загружать статистику клиентских приходов и уходов, величина же периода надежности вводится пользователем с экрана монитора.

Результаты, полученные в данной научной работе, прошли практическую апробацию и показывают возможность их широкого использования в текущей банковской деятельности с целью прогноза клиентских потоков, минимизации затрат банка для поддержания его ликвидности с учетом полного соблюдения соответствующих нормативных актов и действующих инструкций.

1. Пугачев В.С. Теория вероятностей и математическая статистика. –М.: Наука, 1979.

2. Кибзун А.И. Курс лекций по теории вероятностей и математической статистике. – М.:

Изд–во МАИ, 1999.

3. Вайну Я.Я. Корреляция рядов динамики. –М.: Статистика, 1977.

4. Кочетков Е.С., Осокин А.В. Случайные величины. –М.: Изд–во МАИ, 1999.

5. Батракова Л.Г. Экономический анализ деятельности коммерческого банка. –М.: Логос, 1999.

Технологическая подготовка Московский авиационный институт (государственный технический университет)

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ

ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ СВАРНЫХ ШВОВ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

И СТАЛЕЙ

Сборочные работы в самолетостроении весьма трудоемки, причем основная доля труда затрачивается на выполнение различного рода соединений.

Выбор способа соединения элементов конструкции в первую очередь определяется требованиями обеспечения качества, надежности и ресурса конструкции. Вместе с тем необходимо учитывать технологическое совершенство соединения, зависящее в основном от трудоемкости его выполнения в серийном производстве.

Соединение деталей, узлов, панелей и агрегатов самолета осуществляется с помощью болтов, клеями, клееклепкой, сваркой и пайкой.

Одним из ведущих технологических процессов, широко используемых в самых разных отраслях промышленности, в том числе и авиационной, является сварка. При производстве современных воздушных ЛА сварку применяют для изготовления фюзеляжей, панелей, крыльев, двигателей, топливных баков, трубопроводов, узлов шасси, деталей приборов и т. П. При ремонте авиационной техники около 60% всех деталей и узлов может быть восстановлено с помощью сварки.

Сварка, как один из основных методов получения неразъемных соединений деталей и узлов самолета, перед другими способами получения неразъемных соединений, такими, как клепка, вальцовка, литье и т.п. имеет следующие преимущества:

1) возможность получения монолитных соединений с высокими механическими характеристиками в различных условиях эксплуатации, одновременно образуя прочно-плотные соединения, обеспечивая полную герметичность;

2) уменьшение веса изделий за счет полного использования рабочих сечений деталей сварных узлов;

3) снижение стоимости изготовления конструкции за счет высокой механизации сварочных работ, а также за счет уменьшения расходов на металл изделий и крепежные детали (заклепки, связующие элементы и т.п.);

4) снижение трудоемкости изготовления сварных узлов по сравнению, например, с клепаными, ввиду отсутствия операции сверловки, зенковки.

В последние годы объем применения сварки в самолетных конструкциях резко увеличился.

Технологичность вновь создаваемых конструкций закладывается при проектировании новых изделий и должна обеспечивать возможность производства этих изделий в заданных количествах с минимальными затратами по себестоимости, трудоемкости и высоким коэффициентом использования материалов.

Преимуществом процесса сварки является ее технологичность. В сварной конструкции имеется принципиальная возможность соединить в одном узле металлы и сплавы разных марок с разными физическими и механическими свойствами, чем обеспечивается максимальное соответствие свойств материала условиям его работы в каждом отдельно взятом элементе конструкции.

Наиболее часто применяемым видом сварки является точечная электрическая сварка (ТЭС).

Сварное соединение при точечной сварке образуется следующим образом. После включения тока в контакте между деталями, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами, металл начинает плавиться, образуя жидкую фазу. Этот расплавленный металл называют ядром сварной точки. При прохождении тока размер ядра увеличивается. Максимальная температура в ядре лишь на 15-20% превышает температуру ликвидуса сплава.

Ядро окружено уплотняющим пояском, т.е. слоем нагретого, но не расплавленного металла. В результате расширения жидкого металла возникают внутренние силы. Увеличение объема по оси z (см. рис.) сдерживается холодной массой соседних слоев металла. Поэтому возникают дополнительные сжимающие усилия во внутренних слоях и ядре точки. Таким образом, пластическая деформация при точечной сварке вызывается внешними усилиями, приложенными к электродам, и внутренними напряжениями, возникающими при несвободном расширении нагретого металла.

Основная роль пластической деформации при сварке заключается в формировании электрического контакта, в образовании пластического (уплотняющего) пояска для удержания расплавленного металла от выплеска и ограничения растекания сварочного тока во внутреннем контакте, в уплотнении металла на стадии охлаждения.

При достижении заданных размеров ядра точки сварочный ток выключают, и начинается кристаллизация жидкого металла ядра. Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями нагрева, и уже через 0,2-0,08 с ядро полностью кристаллизируется.

В большинстве случаев структура ядра сварочной точки дендритная. Литой металл ядра сварочной точки отличается низкой пластичностью и характеризуется неравномерностью состава. В некоторой степени структуру и химическую неоднородность можно регулировать режимами сварки.

Пластическая деформация при точечной сварке В околошовной зоне наблюдаются изменения исходной структуры и свойств сплава в результате развития фазовых и структурных превращений, обусловленных термическим циклом (отпуск, закалка, рекристаллизация, оплавление легкоплавких составляющих, выделение фаз по границам зерен и т.п.).

Основные параметры режимов точечной сварки:

сварочный ток (iсв);

время сварки (tсв);

усилие на электродах (Fсв);

диаметр рабочей поверхности электрода (dэл).

Материалы для авиационных конструкций должны сочетать взаимоисключающие свойства, обеспечивающие максимальную эксплуатационную надежность изделия при высокой массовой эффективности.

В наибольшей степени поставленным требованиям отвечают такие конструкционные материалы, как алюминиевые сплавы, титан и его сплавы, высокопрочные стали.

Таким образом, материалы, обладающие той или иной стойкостью к воздействию внешней среды, после ТЭС теряют эту способность. Следовательно, такой сварной шов необходимо защитить от воздействия внешней среды.

Совместно с ФГУП РСК «МиГ» ИЦ ОКБ им. А.И. Микояна ВИАМ (Всероссийский Институт Авиационных материалов) проводит исследовательскую работу по разработке технологии нанесения, а также по изучению свойств и влияния пасты ПСП-2 в реальных авиационных конструкциях. Данный состав представляет собой пасту, предназначенную для защиты от коррозии (во всех климатических условиях) внутренней полости сварного шва, образующегося при ТЭС алюминиевых сплавов и сталей.

В состав сварочного состава входят ингибиторы коррозии, которые защищают полость сварного шва от коррозии и токопроводящие наполнители, которые не только не препятствуют процессу сварки, а наоборот способствуют.

Также данный состав обладает высокими демпфирующими свойствами, стойкостью к гальваническим растворам, что позволяет наносить дополнительную гальваническую защиту на сварные конструкции. Применение вышеуказанного состава является актуальной задачей для авиационной промышленности в целом.

Таким образом, в настоящей работе был выполнен комплекс исследований по определению свойств сварочного состава на образцах из алюминиевых сплавов и сталей. После проведения ряда дополнительных научноисследовательских мероприятий, будет выработана технология нанесения данного состава, подобраны оптимальные режимы ТЭС. Предполагается внедрение на серийном производстве «Технологической Рекомендации по применению сварочного состава для защиты от коррозии полостей сварных швов в авиационных конструкциях».

1. Фролов В.А., Пашков В.В., Коломенский А.Б., Казаков В.А.. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении. – М.: Интермет инжиниринг, 2002.

2. Рекомендации по технологичности самолетных конструкций. – М.: Изд-во НИАТ, 1988.

3. Контактная точечная сварка алюминиевых и магниевых сплавов с применением клев, грунтов и паст. – М.: Изд-во НИАТ, 1976.

4. Сварка контактная точечная с применением клеев, грунтов и паст. – М.: Изд-во НИАТ, 1982.

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАВЛЕНИЯ ПРОВОЛОКИ

В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ

В ПРОЦЕССЕ НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Одной из областей применения генераторов сверхзвуковых струй является напыление покрытий. В процессе напыления покрытий важно получать качественные покрытия и высокую производительность установки.

Задачами работы явились разработка модели расчета плавления проволоки, которая является материалом наносимого покрытия, и определение с помощью данной модели режимов напыления, близких к оптимальным.

Сам процесс физически можно описать следующим образом. Тепловая мощность генератора определяется химической энергией, выделяющейся при горении топлива. Химическая реакция компонентов топлива с выделением энергии происходит в специальной камере сгорания (рис. 1), имеющей суживающееся сопло, в котором продукты сгорания разгоняются до звуковой скорости. Проволока подается через центральное отверстие сопла; нагревается, проходя зону нагрева при взаимодействии с потоком продуктов сгорания, и расплавляется в зоне плавления, а образовавшиеся капли разгоняются. Подача проволоки осуществляется электродвигателем. Снабжение проволокой должно быть точно синхронизировано со скоростью ее плавления.

Рис. 1. Принципиальная схема процесса плавления проволоки:

1 – газогенератор; 2 – проволока; 3 – поток продуктов сгорания уже с частичками расплава Экспериментально установлено, что качество покрытия резко ухудшается, если проволока не успевает расплавиться до критического сечения газогенератора. В этом случае визуально можно контролировать наличие непроплавленных частиц. Производительность установки определяется скоростью подачи проволоки. Таким образом, в расчетах по разработанной модели находилась максимальная скорость при соблюдении следующего ограничения. Вершина конуса плавления проволоки не должна находиться дальше критического сечения генератора.

При моделировании процесса были приняты следующие допущения.

1. Проволока представляется как полубесконечный цилиндр, торец которого поступательно подается в камеру сгорания.

2. На нагрев, расплавление и унос частиц материала проволоки не затрачивается энергия продуктов сгорания.

3. Проволока начинает контактировать с продуктами сгорания только с момента выхода из проволочного питателя.

В процессе решения задачи было рассмотрено восемь моделей, и выбор был сделан в пользу конечно-элементной модели плавления проволоки. Проволоку можно представить как цилиндр конечных размеров, находящийся в какой-либо среде, с которой осуществляется конвективный теплообмен. Запишем уравнение теплопроводности применительно к цилиндру конечных размеров в цилиндрической системе координат [1]:

где > 0 - время наблюдения; 0 < r < R - радиус цилиндра; 0 < x < L - ось параллельная оси цилиндра; A - в дальнейшем, в зависимости от пространственного коэффициента теплопередачи, удельной теплоемкости cP и плотности продуктов сгорания, а также радиуса поволоки rпр, либо – коэффициент температуропроводности.

При использовании явных конечных элементов (КЭ) достигается довольно высокая скорость расчетов, так как новая температура элемента ищется по исходным температурам окружающих элементов и его самого:

динат n мерного пространства. Во время исследований стало невозможно соблюсти данное ограничение, что привело к нарушению первого закона термодинамики (рис. 2) [2]. Поэтому был осуществлен переход на неявные конечные элементы, которые не имеют ограничений, но расчеты по ним крайне продолжительны по времени, так как для нахождения новой температуры конечного элемента необходимо совместно решить систему уравнений типа (3) для всей сетки элементов.

Созданная модель представляет собой самостоятельный программный продукт, написанный на Delphi. Перед расчетом пользователь вводит более параметров в качестве исходных данных, большинство которых необходимо для поиска коэффициентов теплопередачи и температуропроводности. Эти коэффициенты имеют определяющее значение для процесса нагрева и плавления проволоки:

Рис. 2. Зависимости температуры конечного элемента от шага расчета:

плавная линия – ограничение соблюдено, ломаная линия – ограничение не соблюдено Во время расчета можно наблюдать такой видеоряд: как происходят процессы нагрева, начала плавления с формированием конуса и получения установившегося процесса плавления. Результаты после каждого шага автоматизировано заносятся в файл формата Excel в виде значений температур элементов, который после окончания расчета может быть просмотрен.

На рис. 3 приведены графики температур в горизонтальных рядах элементов. Чем выше график, тем дальше от оси проволоки находится сечение.

При расчете на радиусе проволоки находилось пять элементов, отсюда и пять графиков. Каждая из линий резко уходит вверх, что объясняется окончанием элементов проволоки в ряду и началом среды, имеющей температуру двукратно превышающую температуру плавления алюминия.

Температурное распределение можно графически отобразить и для поперечных сечений. На рис. 4 показано несколько таких зависимостей с шагом по горизонтали в четыре элемента. Верхняя линия соответствует месту «стыковки» конуса плавления и основного цилиндра проволоки. Результаты возможно сохранять также в виде эпюр распределения температур.

Одним из критериев правильности конечно-элементной модели является ее устойчивость к изменению масштаба сетки при прочих равных условиях. Такая зависимость представлена на рис. 5, по горизонтальной оси отложено количество элементов на первом шаге расчета. Видно, что вылет проволоки при различном разбиении неодинаков, но стабилизируется с увеличением количества конечных элементов. Вместе с увеличением разбиения увеличивается и время, затрачиваемое на расчет.

Рис. 3. Распределения температур КЭ по Рис. 4. Распределения температур КЭ по попепродольным сечениям проволоки речным сечениям проволоки Был смоделирован эксперимент и проведено исследование изменения скорости подачи проволоки по коэффициенту избытка окислителя (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость величины вылета Рис. 6. Изменение скорости Vпр проволоки от масштаба сетки Коэффициент избытка окислителя OK оказывает большое влияние на процессы протекающие в камере сгорания, главным образом на температуру горения, которая напрямую влияет на скорость нагрева и плавления проволоки.

Значит, OK определяет скорость подачи проволоки при фиксированном положении вершины конуса и прочих равных условиях. Оптимальным значением коэффициента избытка окислителя будем считать то, при котором скорость подачи проволоки Vпр максимальна.

Из рис. 6 видно, что максимальное значение скорости подачи проволоки достигается при OK, близком к единице. Данное явление объясняется наличием максимумов по температуре в камере сгорания, удельной теплоемкости продуктов сгорания и их динамической вязкости. Все эти величины оказывают влияние на коэффициент теплопередачи [3] и обуславливают его максимальное значение при OK, близком к единице. Коэффициент в значительной степени определяет количество передаваемого проволоке тепла, а значит, и скорость ее плавления.

На основании проведенных исследований можно рекомендовать стремиться задавать расходы компонентов топлива, соответствующие близкому к единице OK, использовать топливные пары с как можно большей температурой горения и применять проволоку из материала с большей температуропроводностью. Все это значительно повысит скорость подачи проволоки, а значит, и производительность установки по напылению покрытий. Разработанный метод позволяет оценить эффективность использования ГСС для данной технологической операции на стадии разработки технологического процесса.

1. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1966.

2. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности / Перев. с англ. М.С. Смирнова, Б.И. Колтового и Н.М. Муромцевой; Под. ред. А.В. Лыкова. – М.: Иностранная литература, 1960.

3. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под. ред. В.М. Кудрявцева. – М.: Высшая школа, 1975.

Саратовский государственный технический университет

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ КОРТЕЖЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПЕРЕХОДОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ

МЕХАНООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ

Проектирование технологических процессов механообработки остается до сих пор одним из самых слабых звеньев в системах автоматизированного проектирования и технологической подготовки производств. Особенно это актуально в случаях разработки техпроцессов для серийных и мелкосерийных производств, которые преобладают сейчас в машиностроении. Это связано с тем, что данный этап проектирования является наименее формализованным и поэтому трудно реализуемым в автоматизированных системах проектирования.

Существующие системы используют для проектирования методы разработки технологических процессов, не в полной мере позволяющие учесть особенности конкретной производственной системы, либо предлагают технологу проектирование технологического процесса в диалоговом режиме, когда система выступает в качестве автоматизированного справочника и является средством оформления технологической документации для разрабатываемого процесса.

Выходом из складывающейся ситуации является разработка новых подходов к проектированию в условиях многономенклатурного производства, автоматизация производства; разработка САПР, АСТПП, АСУ, удовлетворяющих современным задачам, призванных решать вышеперечисленные проблемы. Поэтому совершенствование форм и методов создания технологии на основе новых принципов, ориентированных на возможность глубокой формализации проектных действий, обеспечивающих разработку ТП в условиях конструктивного и технологического многообразия деталей на реальных данных о состоянии производственной системы, является актуальной задачей на современном этапе развития машиностроения, без решения которой невозможно создание высокоэффективных производств.

Целью работы является создание информационной системы, позволяющей на основе базы данных о технологическом оборудовании и номенклатуре выпускаемых производственной системой изделий сформировать последовательности кортежей технологических переходов для всех поверхностей деталей, входящих в производимые изделия.

В работе решается проблема построения системы, обеспечивающей на основе концепции гибких технологических процессов создание последовательностей кортежей технологических переходов, позволяющих учитывать особенности многономенклатурного технологического производства и реально складывающуюся производственную ситуацию.

Основные эксплуатационные свойства поверхности формируются на протяжении всего периода обработки деталей, при этом отдельные свойства и характеристики переходят от операции к операции. Следовательно, имеет место технологическая наследственность, причем она находится во взаимосвязи с характеристиками ТП. Процессом технологического наследования можно управлять, с тем, чтобы положительно влияющие на качество детали свойства сохранять в течение всего ТП, а отрицательно влияющие – ликвидировать уже в самом его начале. Добиться этого возможно, если строго соблюдать следующее правило: показатели, регламентирующие качество поверхности на предыдущем по ходу ТП технологическом переходе, должны соответствовать требованиям, предъявляемым к заготовке на последующем этапе обработки, или превышать их, последовательно приближаясь к запланированным показателям качества готовой детали. Принимая за базовую абстрактную структурную схему ТП (см.

рисунок), которая предусматривает определенную последовательность технологических переходов 1, 2,... n, проанализируем процесс временного преобразования наследственной информации в ходе ТП, носителями которой является материал детали и ее поверхность.

В пределах одного технологического перехода наследственную информацию создают технологические параметры Tk, набор которых на каждой стадии зависит от выбранного метода воздействия на обрабатываемую поверхность ( tk, tk2,..., tkm Tk ). Их можно разделить на две группы, согласно работам А.М.

Дальского, П.И. Ящерицына и др., с целью описания видов технологической наследственности в формализованной форме: параметры, принимающие постоянные значения в начале ТП и не изменяющие их во время его протекания, и параметры, изменяющие свои значения в ходе процесса.

Управляющие параметры характеризуются конечным числом выходных параметров изделия i ( i = 1,..., S ), полностью описываемых состоянием поверхности на всех переходах ТП. Вектор X, определяющий качество поверхности, называется вектором качества:

где K = J i – пространственное состояние качества поверхности – есть деi = картово произведение областей допусков J i каждого из параметров i.

Задачей создания схемы обработки элементарной поверхности считается формирование возможных вариантов перемещения вектора X в пространственное состояние поверхности из некоторого начального положения X Н K в конечное X К K по траекториям L j, отражающим путь j -го варианта и лежащим в области X N. При этом соблюдается L X N как ограничительное условие. Переход элементарной поверхности из X Н в X К осуществляется при прохождении изделием N j технологических переходов (по j -му варианту), каждый из которых “перемещает” качественную характеристику поверхности по области X N.

Информационная база данных системы планирования ТП построена таким образом, что для каждого внесенного в нее вида оборудования сформированное множество, включающее наборы характеристик элементарных поверхностей, получаемых после обработки, связано с множеством, определяющим предельные исходные характеристики этих поверхностей. Области характеристик элементарных поверхностей, получаемых после обработки, можно представить как области выходных параметров технологических переходов в виде матрицы (для j -го варианта ТП на k -м технологическом переходе):

а области исходных характеристик поверхностей – как области входных параметров технологических переходов в виде матрицы Учитывая, что при создании ТП необходимо стремиться к максимальному использованию возможностей технологического оборудования, которое реализуется при достижении максимальной разницы между исходными и результирующими характеристиками поверхности на k -м технологическом переходе, max{ j (k ) j (k )}. Регулировать эту разницу целесообразно за счет j (k ), так как проектирование ТП ведется от конечной к начальной стадии обработки поверхности.

Матрица j (k ) преобразуется в матрицу предельных входных параметров технологических переходов Тогда процесс выбора очередного этапа обработки при проектировании ТП заключается в определении технологического перехода, у которого все характеристики ij (k ) соответствуют или превосходят ji (k + 1). Это требование справедливо и для всего ТП обработки элементарной поверхности:

выходные параметры входные параметры когда для одного из показателей качества поверхностного слоя справедливо условие ij (k ) > ji (k ).

Знак “ > ” в данном случае связан не со значением конкретного показателя, а определяет повышение качества поверхности по данному показателю.

Формирование схем обработки элементарных поверхностей деталей производится от поверхности готовой детали, путем анализа данных о технологических возможностях оборудования, представленных в виде вариантов возможных технологических переходов, к поверхности заготовки. Технологические переходы включаются в последовательность обработки на основании удовлетворения критериям: получения необходимых характеристик выходной поверхности, выполнения требований к исходной поверхности и возможности базирования заготовки для выполнения перехода. В результате формируются все возможные варианты обработки элементарных поверхностей деталей на технологическом оборудовании, использующемся в производственной системе, из которых в дальнейшем выбираются наиболее оптимальные.

Формирование кортежей технологических переходов происходит путем направленного перебора всех возможных сочетаний технологических переходов, входящих в схемы обработки элементарных поверхностей деталей. Для учета условия соблюдения последовательности обработки каждой элементарной поверхности и сокращения количества операций на выполнение поиска отказываемся от нахождения всех возможных перестановок и включаем в кортеж только первые по порядку в схемах обработки элементарных поверхностей технологические переходы, не включенные в последовательность кортежей технологических переходов.

Т.е. в этом случае мы находим не все возможные перестановки технологических переходов, а только все возможные перестановки схем обработки элементарных поверхностей, которые включаются в последовательность столько раз, сколько в схеме обработки элементарных поверхностей технологических переходов. Это сократит количество проверок на включение в последоваn!

тельность технологического перехода с n!, до m.

Здесь n – число технологических переходов во всех схемах обработки элементарных поверхностей; m – число схем обработки элементарных поверхностей; ni – число технологических переходов в каждой схеме обработки элементарных поверхностей.

При этом в кортеж включаются только те технологические переходы, у которых технологическая оснастка и технологическая база одинаковы. Еще на стадии генерации отбрасываются варианты последовательностей кортежей технологических переходов с наихудшими показателями концентрации технологических операций. После генерации последовательностей отбрасываются последовательности, которые не удовлетворяют конструкторским требованиям и с большим количеством поверхностей, используемых как базовые. В результате формируются все возможные рациональные последовательности кортежей технологических переходов, из которых в дальнейшем выбираются оптимальные.

Разработанная информационная система построена по архитектуре клиент-сервер. На стороне клиента находится средства обработки данных и визуального отображения полученных результатов, а на стороне сервера размещается база данных системы. Клиентское приложение реализовано на языке Object Pascal с помощью среды разработки Borland Delphi 7.0. В качестве сервера выступает СУБД Microsoft SQL Server 2000.

В базе данных хранится информация о технологическом оборудовании, используемом в производственной системе, номенклатуре производимых изделий, заготовках и сформированных последовательностях технологических переходов.

Разработанная информационная система позволяет формировать варианты последовательностей кортежей технологических переходов, пригодных для дальнейшего синтеза технологических операций механообработки и многономенклатурных маршрутных технологических процессов в системах автоматизированного проектирования технологических процессов и автоматизированных системах технологической подготовки производства. Формирование последовательностей технологических переходов производится на основе концепции гибких технологических процессов, что позволяет учесть при разработке технологических процессов особенности конкретной производственной системы, а следовательно, ведет к снижению затрат на производство деталей, повышению эффективности использования технологического оборудования, способствует повышению надежности производства в целом за счет многовариантной реализации ТП.

Создание динамических автоматизированных систем технологической подготовки производства с использованием реализованной информационной системы, позволяющих оперативно реагировать на изменение производственной ситуации, является новым направлением в методике проектирования маршрутных технологических процессов и позволяет на основе формализованного описания технологии разработки ТП автоматизировать процесс проектирования.

1. Бауман В.А. Влияние технологической наследственности на качество поверхности после обработки ПДД. – Брянск, 1972.

2. Бочкарев П.Ю. Проектирование маршрутов многономенклатурных технологических процессов механообработки. – Саратов: СГТУ, 1996.

3. Бочкарев П.Ю., Кочедаев А.В., Пластинкин А.В. Архитектура программно-информационного комплекса планирования технологических процессов механообработки // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: Межвуз. науч. сб. – Саратов: СГТУ, 2002. С. 18-22.

4. Королев А.В., Бочкарев П.Ю. Исследование эффективности использования альтернативных операции в технологическом процессе для ГПС // Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении: Тез. докл. научно-практ. конф. – Волгоград:

ВПИ, 1989.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА

В РАМКАХ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИЕЙ

Одной из задач, решаемых с помощью компьютерных технологий, является автоматизация управления и подготовки технической документации (ТД), которая делится на конструкторскую и технологическую. Это позволяет предприятию сократить время и экономические затраты на разработку нового изделия, а следовательно, более гибко реагировать на требования рынка и максимально быстро корректировать производственные приоритеты в соответствии с конкретными нуждами заказчика.

При автоматизации подготовки производства следует решить ряд организационных вопросов:

выбор программного продукта для оформления конструкторской документации;

выбор программного продукта для оформления технологической документации;

организация хранения наработанных данных;

автоматизация процесса согласования документов.

Эти вопросы помогает решить система управления технической документацией (СУТД). Важным моментом при выборе системы является возможность интеграции с ней программ, используемых при оформлении технической документации.

Данные системы позволяют пользователям хранить, управлять и совместно использовать информацию, относящуюся к некоторому конструкторскому проекту. Среди отечественных производителей можно выделить следующие продукты: T-Flex DOC’s (ТопСистемы); Лоцман (Аскон).

На предприятии ОАО «ТЕПЛОПРИБОР» внедряется комплекс программных продуктов ЗАО «ТопСистемы», где в качестве СУТД выступает T-Flex DOC’s.

Система T-Flex DOC’s полностью интегрирована с пакетами T-FLEX CAD, предназначенными для автоматизации проектирования изделий. Технология T-FLEX позволяет осуществлять технологическую подготовку производства. Использование связки этих пакетов предоставляет возможность построения комплексной системы сквозного проектирования. T-Flex DOC’s реализован на базе стандартного промышленного SQL Сервера, что позволяет организовать работу как в пределах одного компьютера, так и в локальной сети.

В T-Flex DOC’s хранилище документов может быть организовано совершенно произвольно. Система позволяет создавать архивы и папки с документами в любой иерархии, не накладывая никаких ограничений ни на их количество, ни на глубину вложения. Таким образом, была создана структура электронного хранилища, дублирующего и дополняющего бумажный архив (рис. 1).

Хранение наработанной информации производится централизованно, что позволяет работнику предприятия пользоваться ей, находясь на любом рабочем месте. Также очень важно, что при работе под управлением данной СУТД можно организовать справочники материалов и другой информации, используемой при проектировании, например архива стандартных элементов, ограничительных перечней и т.д. Эти данные могут быть применены в программах, интегрированных с системой.

Автоматизация процесса согласования документов реализуется в T-Flex DOC’s с помощью – механизма маршрутизации, позволяющего автоматизировать контроль над ходом всех традиционных цепочек работы над документом.

Кроме этого, система T-Flex DOC’s предоставляет в распоряжение пользователя средства настройки механизма назначения доступа.

Есть несколько подходов по созданию механизма маршрутизации на предприятии.

1. Создается общий маршрут, учитывающий всех возможных пользователей, согласование которых может потребовать документ, входящий в техническую документацию.

2. Маршрут состоит из двух составляющих:

основной маршрут - запускается на уровне руководителей предприятия, подразделений, бюро, рабочих групп и т.д.;

подмаршрут - запускается внутри бюро, группы и т.д.

Рис.1. Электронный архив, организованный в T-Flex DOC’s на предприятии При использовании маршрутов в процессе согласования документов на каждый этап назначается свой исполнитель или исполнители, которые наделяются правами, необходимыми для выполнения производственного задания. Например: технолог – правом просмотра чертежей конструктора, возможностью создания технологического процесса и простановкой подписи в графе «Разработал» и т.д.; руководитель бюро – правом на выдачу технического задания, назначение исполнителя на этапы маршрута, аннотацию проверяемых чертежей и простановку подписи «Утверждаю» и т.д.

Для организации процесса хранения информации, т.е. электронного архива, в T-Flex DOC’s предусмотрены стадии объектов, находясь на которых документ приобретает дополнительные свойства (например: стадия хранения запрещает редактирование объектов, без зарегистрированного на это изменения;

стадия проверки требует от исполнителя утверждающей или отказывающей подписи, не допускает редактирования и изменения состава вложенных документов). Проставлять стадию можно как в автоматизированном режиме (в зависимости от этапа маршрута), так и в ручном, т.е. по желанию пользователя.

Особенностью маршрутизации является то, что вышестоящий начальник может проверить, на каком этапе находится выполнение производственного задания нижестоящих работников, просмотреть наработки и в случае необходимости самостоятельно оценить обоснованность невыполнения плана работ на конкретном этапе проектирования.

Автоматизация процесса согласования документов на ОАО «ТЕПЛОПРИБОР» находится в процессе тестирования. Для этого создаются все варианты маршрутов в соответствии с разделением, описанным выше, т.е. общие, основные маршруты и подмаршруты для каждого подразделения, принимающего участие в процессе создания технической документации. При этом, независимо от назначаемого в будущем исполнителя, этапы наделяются необходимыми правами.

Рис. 2. Подмаршрут для конструкторского бюро спецтехнологической оснастки и штампов Рассмотрим подробнее организацию технологического документооборота. К нему относятся следующие направления работ [Л]:

обеспечение технологичности конструкции изделия;

разработка технологических процессов;

проектирование и изготовление средств технологического оснащения;

управление процессом технологической подготовки производства изделия.

В соответствии с этим разделением был создан подмаршрут, для конструкторского бюро спецтехнологической оснастки и штампов отдела главного технолога (рис. 2). Этот маршрут показывает этапы, которые проходит документ до его отправки в ОНТД для проверки на соответствие ГОСТ:

постановка задачи;

утверждение;

регистрация;

разработка;

утверждение;

сдача в ОНТД.

Таким образом, можно выделить следующие положительные моменты от внедрения СУТП T-Flex DOC’s.

1. Создание единой справочной системы в рамках предприятия.

2. Организация централизованного хранилища.

3. Ускорение процесса согласования документов, за счет использования механизма маршрутизации.

4. Организация прав доступа к наработанной информации.

5. Использование информации в комплексе с интегрированными с ней программными продуктами.

ГОСТ 14.004 – 74. Единая система подготовки производства. Терминология. Основные положения. Термины и определения основных понятий.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ

НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АКТИВНОМ УГЛЕ

В ходе экспериментальных исследований, проведённых на ФГУП РСК «МиГ», был изучен процесс сорбции растворённых органических загрязнений на активном угле. Результаты исследований показали возможность снижения концентрации органических загрязнений на стадии доочистки сточных вод по ХПК на 84-90%. Методика адаптирована для оценки качества сточных вод, загрязнённых нефтепродуктами (преимущественно СОТС), на машиностроительном предприятии в цехах механообработки.

Эффективным методом доочистки сточных вод от растворённых органических загрязнений, в том числе биохимически неокисляемых, является сорбция на активном угле. Этот метод даёт возможность на стадии доочистки сточных вод снизить концентрацию органических загрязнений на 90-99% [1].

Сорбция органических загрязнений на активных углях применяется как завершающая стадия доочистки сточных вод [2] после их биохимической очистки или после предварительной очистки физико-химическими методами.

Сточные воды машиностроительных производств после доочистки на активном угле полностью обесцвечиваются, показатели ХПК и БПК снижаются на 80 – 85% и на 90-98% соответственно.

В качестве сорбентов можно использовать не только активный уголь, но и бентонит и циолиты [3], дающие положительные результаты при обесцвечивании сточных вод машиностроительных предприятий. Данную методику можно использовать при определении сорбционных свойств как активного угля, так и других сорбентов (зола, торф, коксовая мелочь).

В работе использованы следующие оборудование и материалы: уголь активный (или любой другой марки БАУ, АГ-3, АГ-5) - 5 г; колбы конические КН 1 250, 500 мл – 10 шт.; сточная вода – 5 л; бумажные фильтры – 10 шт.; лабораторная мешалка МЛ-2, концентратомер со встряхивателем АН-2.

Эксперимент выполняется со сточными водами, содержащими ПАВ и масла, после предварительной очистки биохимическим методом или каким – либо физико-химическим методом [4]. Если предполагается использование активного угля в сорбентах с плотным слоем загрузки, то сточные воды после первой стадии очистки необходимо практически освободить от взвешенных веществ и концентрация не должна превышать 5 мг/л. Объём воды, необходимый для эксперимента, - 5 л. Предварительно в сточной воде определяются концентрации загрязнений по ХПК.

Изучение кинетики адсорбции загрязнений из сточных вод проводится с целью определения влияния структуры, пористости и размеров частиц активного угля на кинетику насыщения их адсорбционного потенциала.

Опыт выполняется на аппарате для встряхивания при интенсивном перемешивании определённой дозы угля с постоянным объёмом сточной воды. В каждую колбу со сточной водой добавляют активный уголь из расчёта 10 г/л.

Период контакта активного угля определённой марки со сточной водой составляет: 0,33; 0,66; 1; 2 ч. Полученные данные записывают в табл. 1 по определению эффекта сорбции на активном угле. По истечении указанных периодов времени вода отфильтровывается через бумажный фильтр, и в фильтрате определяется показатель ХПК.

В соответствии с полученными данными строят кинетическую кривую адсорбции загрязнений из сточных вод. Первый из участков характеризует протекание процесса адсорбции с момента начала контакта фаз до насыщения сорбента на 70-95%, второй – скорость насыщения оставшегося объёма.

Первый участок характеризует формирование зоны массопередачи в проточном аппарате. Чем она меньше, тем меньше слой угля между зонами полного и нулевого насыщения в аппарате с неподвижной загрузкой угля.

При построении изотерм адсорбции органических загрязнений на активном угле методика эксперимента следующая: одновременно интенсивно перемещают несколько проб сточной воды определённого качества с различными навесками активного угля (0,05 г, 0,25 г, 1 г, 2 г ), например, БАУ или АГ-3 (или другим изучаемым сорбентом). По истечении 24 часов встряхивания (или просто контакта) уголь отделяют от воды с помощью бумажного фильтра и определяют показатель ХПК фильтрата, данные заносят в табл. 2 по определению величины адсорбции на активном угле.

Величина адсорбции определяется в соответствии с уравнением Гиббса:

где V- объём пробы, л; m – доза угля в объёме пробы, г; Снач и Сравн – начальная и равновесная величина показателя ХПК в сточной воде, мг/л.

При выполнении экспериментальной работы подразумевалось, что по уравнению Гиббса рассчитывается величина удельной адсорбции органических веществ доочищенных сточных вод для заданной равновесной концентрации раствора по показателю ХПК. Результаты представлены на рис. 1-5.

С увеличением времени взаимодействия активного угля с загрязнителями в сточной воде повышается эффект сорбции, выраженный в ХПК, с 84 до 90% при увеличении времени нахождения в три раза (с 0,33 до 1 часа). При дальнейшем увеличении времени контакта (в два раза, т.е. до двух часов) активного угля со сточной водой прогнозируемый эффект сорбции по ХПК может вырасти до 95-98%. При дальнейшем увеличении времени смешивания происходит стабилизация очистки на уровне 95-98%.

В свою очередь, необходимо отметить, что время работы активного угля с эффективностью очистки 95-98% в сорбционном аппарате ограничено, поэтому целесообразно ограничить время контакта активного угля со сточной водой до 1,5-2 ч. При этом скорость фильтрования заметно снизится.

Чтобы скорость фильтрования оставалась высокой, а степень очистки была на уровне 90-98%, возможна установка двух или более адсорбционных колонок.

В результате лабораторных опытов и теоретических исследований были выявлены недостатки применяемого способа очистки: дороговизна использования оборудования; сложность при эксплуатации. Преимущества адсорбции:

возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей; высокая степень очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод; возможность улавливания токсичных веществ при невысокой их концентрации; весьма эффективный метод для извлечения из сточных вод ценных растворённых веществ с их последующей утилизацией; рекуперация («доиспользование») извлечённых веществ. Следует отметить возможность регенерации активного угля и дальнейшей его эксплуатации.

Рис. 1. Зависимость равновесной концентрации от величины адсорбции Рис. 2. Зависимость равновесной концентрации от массы угля Рис. 3. Зависимость величины адсорбции от массы активного угля Рис. 5. Зависимость химического потребления кислорода от времени сорбции С увеличением времени сорбции химическое потребление кислорода после сорбции уменьшилось на 80-90%.

С увеличением массы сорбента (активного угля) возрастает количество поглощённого загрязнителя и, следовательно, увеличивается равновесная величина показателя ХПК в сточной воде (Сравн.).

При уменьшении Сравн) увеличивается величина адсорбции.

При увеличении массы активного угля величина адсорбции уменьшается.

1. Кагановский А.М., Левченко Т.М., Рода И.Г. Адсорбционная технология очистки сточных вод. – Киев: Техника, 1981.

2. Родионов А.И., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. – Калуга, Издательство Бочкаревой Н., 2000.

3. Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности. – М.: Высшая школа, 2001.

4. Калицун В.И., Ласков Ю.М. Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод. – М.: Стройиздат, 1995.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ

НЕФТЕПРОДУКТОВ НА БИОЛОГИЧЕСКОМ ФИЛЬТРЕ

Для изучения процессов очистки сточных вод от нефтепродуктов (преимущественно СОТС) в цехах механообработки машиностроительного предприятия были проведены экспериментальные исследования по определению эффекта работы биологического фильтра. За основу была взята методика по проведению лабораторных работ [4] и адаптирована к особенностям сточных вод конкретного предприятия ФГУП «РСК «МиГ». Результаты лабораторных исследований на биофильтре по показателям БПК5 и количеству взвешенных веществ свидетельствует о том, что биофильтр может использоваться на одной из первых ступеней очистки в системе переработки сточных вод машиностроительного предприятия.

В биологических фильтрах сточная вода фильтруется через крупнозернистый материал [1], покрытый биологической плёнкой, образованной колониями аэробных микроорганизмов. Взвешенные вещества, коллоидные и растворённые органические вещества, содержащиеся в неочищенной сточной жидкости, при фильтрации через загрузку биофильтра сорбируются биологической плёнкой, которая вымывается протекающей сточной водой из тела биофильтра.

Наиболее широкое применение в практике строительства очистных сооружений получили капельные и высоконагруженные биофильтры [2]. Отличительной особенностью капельных биофильтров являются небольшой (12-25мм) размер фракций загрузочного материала, а также низкая гидравлическая нагрузка – от 0,5 до 1 м3 сточной воды на 1 м3 загрузочного материала в сутки.

Высота слоя загрузки составляет 1,5-2 м. Высоконагружаемые биофильтры имеют крупность загрузочного материала 40-60 мм, высоту слоя загрузки от до 4 м. Величина гидравлической нагрузки составляет 4-6 м3/ (м3·сут) [3].

В работе использованы следующие оборудование и материалы: фильтршт.; цилиндр мерный 500 мл – 1шт.; гранитный щебень (крупность 15-25 мм, общий объём загрузки – 12 дм3 ); колбы конические КН 1 250, 500 мл – 10 шт.;

металлический штатив – 1 шт.; пипетки измерительные – (5, 10 мл) – 2 шт.; решётка металлическая – 1 шт.; сточная вода – 5 л.

Работа проводилась на модели зернистого фильтра с внутренним диаметром 0,1 м. Корпус фильтра выполнен из органического стекла [4]. В него загружен гранитный щебень с крупностью фракций 15-25 мм. Снизу загрузочный материал поддерживается решёткой. Неочищенная сточная вода из бутыли подаётся в опрокидывающийся жёлоб. При наполнении сточной водой жёлоб опрокидывается, и вода поступает на фильтр. Пройдя сквозь слой загрузочного материала, очищенная вода поступает в эксикатор.

Расход сточной воды регулируется с помощью крана. Высота слоя загрузочного материала в модели фильтра 1,5 м, общий объём загрузки 12 дм3. Модель зернистого фильтра работает круглосуточно с гидравлической нагрузкой 30 м3 сточной воды на 1 м3 объёма фильтра.

Замеряют расход неочищенной сточной воды, поступающей из градуированной бутыли. Эксикатор тщательно промывают и устанавливают под модель биофильтра. В него отбирают примерно 1 л очищенной сточной воды, которая отстаивается в нём 1 ч, после чего из осветлённой воды на анализ отбирают 300-400 мл.

Для анализа неочищенной сточной воды из бутыли отбирают 200-300 мл.

В анализируемых водах определяют содержание взвешенных веществ и концентрацию органических загрязнений по БПК5. Результаты оценки показателей работы биофильтра заносят в табл. 1.

На основании полученных результатов определений санитарнохимических показателей подсчитывают эффект снижений концентрации загрязнений и составляют табл. 2 по определению окислительной мощности биофильтра.

Результаты определений показателей работы биофильтра Марка СОТС Показатели Окислительная мощность биологического фильтра Гидравлическая нагрузка в м3/ (м3·сут) определяется по формуле где а – расход сточной воды, мл/мин.; 0,00144 – переводной коэффициент;

W - объём загрузочного материала, м3.

При W=0,012 м3 формула (1) принимает вид Нагрузка по взвешенным веществам, г/(м ·сут) на единицу объёма биофильтра где В1- концентрация взвешенных веществ в неочищенной сточной воде, г/м.

Нагрузка по БПК5, г / (м3*сут):

где L1 – БПК 5 неочищенной сточной воды, г / м.

Затем определяется окислительная мощность ОМ, г/(м3*сут), биофильтра по снятой БПК5 :

где L2 - БПК5 очищенной сточной воды, г / м.

Задание по выполнению экспериментальной работы:

Определить санитарно-химические показатели.

Рассчитать гидравлическую нагрузку на биофильтр, нагрузку по взвешенным веществам и нагрузку по БПК5.

Рассчитать окислительную мощность биофильтра.

Определить расход сточной воды.

Определить эффект работы биофильтра для различных марок СОТС.

Результаты работы представлены на рис. 1-5.

Рис. 1. Зависимость нагрузки по взвешенным веществам на единицу объёма фильтра от концентрации взвешенных веществ в неочищенной воде P1(B1) Рис. 2. Зависимость нагрузки по БПК5 от БПК5 неочищенной сточной воды, Р2(L1) Рис. 3. Зависимость окислительной мощности фильтра от разности по БПК5 очищенной и Рис. 4. Показатели БПК5 до и после очистки на биофильтре L1,L2 (мг/л) Рис. 5. Показатели взвешенных веществ до и после очистки на биофильтре В1,В2 (мг/л)а В результате обработки сточных вод, содержащих нефтепродукты, в частности СОТС, и механические примеси, на биофильтре показатель БПК5 снизился на 87,59 - 91,11%; количество взвешенных веществ снизилось на 95,67 Это свидетельствует о том, что биофильтр может использоваться на одной из первых ступеней очистки в системе переработки сточных вод машиностроительного предприятия.

Результаты проведённых опытов показали перспективность использования биофильтра и выявили ряд преимуществ и недостатков данного способа очистки. Преимущества биофильтра состоят в простоте эксплуатации; высокой производительности (0,9 – 280 тыс. м3/сут); универсальности способа удаления растворённых органических веществ, обеспечивающей высокое качество воды.

К недостаткам рассмотренного метода очистки относится невозможность утилизации компонентов СОТС; громоздкость оборудования; в ряде случаев необходима доочистка сточных вод до требуемых нормативов.

Биофильтры используются особенно эффективно для очистки от механических примесей, но при ограничении концентрации взвешенных веществ в сточной воде (не более 4-5 г/л). Для более эффективной очистки СВ от нефтепродуктов, в частности от СОТС, и механических примесей на предварительной стадии очистки необходимо использовать в комплексе с биофильтром нефтеловушки, песколовки или другие механические уловители, что повысит срок работы биофильтра без регенерации загрузочного материала.

Для выполнения норм и требований, предъявляемых «Мосводоканалом»

и «Мосводостоком» к промышленным сточным водам (t=40 0C, БПК – 500 мг О2/л, БПК5 – 120 мг/л, ХПК – 800 мг/л, ПДК взвешенных и всплывающих веществ 500 мг/л), сбрасываемым в городскую канализацию, необходимо озонирование или доочистка сточной воды, например, на адсорберах, при этом в качестве загрузочного материала (адсорбента) может служить АУ, торф, глины, отходы из стройматериалов и др.

Для повышения эффекта работы биофильтра целесообразно применение меньшего размера фракций гранитного щебня (например, капельных фильтров, в которых используются более мелкие фракции гранитного щебня). Однако это вызовет снижение производительности биофильтра, а следовательно, увеличит затраты на очистку 1 м3 сточной воды.

Так как биофильтры обладают высокой пропускной способностью, и, следовательно, могут очищать большие объемы сточных вод, то экономически целесообразно обеспечивать очистку сточных вод городских и муниципальных предприятий, в том числе машиностроительных.

1. Родионов А.И., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. – Калуга, Издательство Бочкаревой Н., 2000.

2. Григоренко В.А. Очистка сточных вод от нефтепродуктов. – М.: ЦНИИ «РУМБ», 1990.

3. Справочник. Очистка природных и сточных вод. – М.: Высшая школа, 1994.

4. Калицун В.И., Ласков Ю.М. Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод. – М.: Стройиздат, 1995.

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ

АНТЕННЫ ДИАМЕТРОМ 13М

Одним из основных путей повышения технологичности и снижения стоимости антенн является их унификация, в частности за счёт их использования в нескольких частотных диапазонах. В работе проведён анализ конструкции рефлектора параболической антенны, работающей на прием и передачу сигнала по спутниковому каналу, с целью оценки возможности её применения в более высоком частотном диапазоне (С – диапазон). Это соответствует в режиме на прием частоте 6,3ГГц, в режиме на передачу - 4ГГц. Ширина диаграммы направленности антенны по половинной мощности определяется по формуле где – длина волны, м; D – диаметр рефлектора, м.

Для рефлектора диаметром 13000мм и фокусным расстоянием 5500мм ширина диаграммы направленности по половинной мощности составляет 15.

Исходная конструкция рефлектора состоит из центральной несущей части и периферии. Центральная несущая часть представляет собой сварную конструкцию из труб круглого сечения. Силовая конструкция в центральной части представляет собой сварную конструкцию из труб диаметром 525мм и толщиной 8мм в форме тора. Наружный размер тора 3480мм, поэтому из соображений транспортировки тор разрезной. К тору привариваются по периметру с шагом 15 вертикальные трубы, соединенные между собой сверху и снизу горизонтальными трубами. Верхние и нижние горизонтальные трубы образуют пояса, которые предназначены для передачи усилий с периферийных ферм на силовой тор. По краям вертикальных труб вварены пластинки толщиной 8мм, к ним крепится периферийная часть. Для крепления первого ряда панелей отражателя используется специальное кольцо с наружным диаметром 1120мм, которое крепится к центральной несущей части 12 фермами. Фермы, в свою очередь, выполнены из труб квадратного сечения.

Периферийная часть выполнена в виде каркаса и отражателя. Отражатель состоит из панелей с отбортовками. Панели снабжены ребрами жесткости.

Крепление алюминиевых панелей к стальному силовому каркасу осуществляется с помощью переходных элементов, которые обеспечивают температурную развязку. Каркас состоит из радиальных ферм и кольцевых поясов, связанных стойками и раскосами. Габаритная высота конструкции рефлектора 3620мм.

Вся центральная несущая часть и каркас изготовлены из материала марки Ст3. Отражатель изготовлен из алюминиевого сплава Амг3.

Предполагается азимутальная монтировка с использованием линейного привода. Крепление рефлектора к опорно-поворотному устройству осуществляется в трех точках, расположенных под углом 120. Угломестная ось проходит через две нижние точки, а угломестный привод крепится к верхней точке.

Нижние точки смещены относительно оси Х на расстояние 700мм и отстоят друг от друга на расстоянии 2400мм. Верхняя точка смещена относительно оси Х на расстояние 1390мм. Опора представляет собой конструкцию из трубы диаметром 325мм, вваренную в тор. С одной стороны трубы приварен фланец диаметром 400мм, к которому крепится ответный фланец с кронштейном.

На рефлектор действует нагрузка от собственного веса и от ветра. Рабочая скорость ветра – 25м/с. Предельная скорость ветра 45м/с. Расчет ветровой нагрузки производится для двух случаев: когда ветер дует вдоль фокальной оси и когда ветер дует под углом 120 относительно фокальной оси. По данным ЦНИИПСК [1], коэффициенты аэродинамической нагрузки на рефлектор принимаются в соответствии с графиками на рис. 1.

Разработка конечно-элементной модели. Тор, пластины и листы согласно [2] разбиты на четырехугольные элементы толщиной 8мм (рис. 2). Вертикальные и горизонтальные трубы разбиты на четырехугольные элементы толщиной 5мм, кольцо на четырехугольные элементы толщиной 16мм. Фермы представлены в виде стержневых элементов, работающие на растяжение– сжатие. Каркас представлен в виде стержневых элементов. Радиальные пояса и стойки работают на все виды нагрузок. Кольцевые пояса и раскосы работают на растяжение–сжатие.

Поверхность панелей отражателя разбита на четырехугольные элементы общего назначения толщиной 2,5мм. Крепление панелей отражателя к каркасу представлено в виде стержневых элементов, работающих на все виды нагрузок.

Рис. 1. Аэродинамические коэффициенты параболической антенны Граничные условия. Поверхность опоры разбита на четырехугольные элементы общего назначения толщиной 8 мм. Фланцы и кронштейн представлены в виде объемных элементов. Верхний опорный узел фиксирует перемещение относительно оси Z. Один из нижних опорных узлов фиксирует перемещение относительно оси Y и оси Z. Второй нижний опорный узел фиксирует перемещение по всем трем осям.

Нагрузка. Нагрузка от собственного веса распределена по всей конструкции рефлектора. Ветровая нагрузка в случае, когда рефлектор смотрит в горизонт и ветер дует вдоль фокальной оси, представлена в виде давления ветрового потока на поверхность панелей отражателя. При направлении ветра под углом 120 относительно фокальной оси нагрузка, приложенная к панелям отражателя, распределена по линейно-квадратичному закону.

Анализ результатов расчета. Напряженно-деформированное состояние модели рефлектора от собственного веса, действующего вдоль оси Z (симметричная нагрузка), в соответствии с расчётом удовлетворяет требованиям прочности и жёсткости. При этом максимальная деформация рефлектора составляет 0,55 мм, что меньше допустимой, равной 6 мм.

Максимальная деформация рефлектора от собственного веса, действующего вдоль оси Y (кососимметричная нагрузка), превышает предельное значение допустимой и составляет 14 мм. Максимальные напряжения 60 МПа возникают в месте крепления опорной трубы к тору и не превышают допустимого значения. Шкала на рис. 3 отображает напряжения, возникающие в конструкции от действия нагрузки.

По деформированному состоянию центральной несущей части видно, как распределяются усилия, передаваемые от периферийной части.

После анализа напряженно-деформированного состояния было предложено усилить конструкцию центральной части следующим образом (рис. 4).

Рис. 3. Напряженно-деформированное состояние от веса Рис. 4. Доработка конструкции центральной части Между опорами ввести треугольную жёсткую площадку из труб диаметром 114 мм и толщиной 5мм. Вместо листов и пластинок ввести ребра жесткости толщиной 8 мм. Усилить центральную часть кольцом из труб диаметром 114 мм и толщиной 5 мм.

Расчет изменённого варианта конструкции показал: максимальная деформация (на краю рефлектора) от собственного веса, действующего вдоль оси Y, составила 8 мм, что в 1,75 раза меньше, чем у прототипа. Угловая ошибка равна 2,2, что соответствует 1/7 ширины диаграммы на-правленности на максимальной частоте.

Расчёт напряженно-деформированного состояния отражателя от ветровой нагрузки дал следующие результаты.

Рабочая скорость ветра 25м/с. Максимальные деформации на краю отражателя составили 1,5мм при направлении ветрового потока вдоль фокальной оси.

Максимальные деформации на краю отражателя около 5мм при направлении ветрового потока под углом 120 относительно фокальной оси. Азимутальная ошибка равна 1,5, что соответствует 1/10 ширины диаграммы направленности на максимальной частоте.

Предельная скорость ветра 45м/с. Максимальное напряжение центральной несущей части составляет 160МПа, что удовлетворяет условию прочности.

Коэффициент запаса по устойчивости наиболее нагруженных стержневых элементов каркаса равен 18.

Таким образом, доработанная конструкция рефлектора обеспечивает его работу на прием и передачу сигнала по спутниковой системе связи в Сдиапазоне. При работе на частоте 6,3ГГц падение уровня сигнала за счет деформации рефлектора при рабочей скорости ветра 25м/с составляет 0,1 дБ. Составляющие деформации от веса по углу места могут быть компенсированы следящим приводом. Если привод не следящий, то в устройство управления приводом можно задать таблицу поправки на каждый угол места. Максимальные напряжения, возникающие в конструкции рефлектора от ветровой нагрузки (скорость ветра 45м/с), удовлетворяют условию прочности.

1. Поляк В.С., Бервалдс Э.Я. Прецизионные конструкции зеркальных радиотелескопов. – Рига: Зинатне, 1990.

2. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – М.: ДМК Пресс, 2001.

О.Н. Горбатенко, О.И. Крахин, М.В. Прокофьев Московский авиационный институт (государственный технический университет)

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КОЛЛОИДНО-ГРАФИТОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Применение коллоидно-графитовых (КГ) дисперсий для формирования электропроводящих покрытий на диэлектрических материалах актуально при решении ряда научно-технических задач, в частности, при создании элементов измерительных схем, датчиков, нагревательных композиций, при разработке экранирующих и радиопоглощающих материалов [1-5]. В промышленности широко применяются [6-8] технологии металлизации диэлектрических материалов, пластмасс из жидкой и газовой фаз. В отличие от технологий металлизации и физико-химических свойств металлических покрытий, электропроводящие покрытия на основе КГ дисперсий изучены недостаточно. Это связано с отсутствием промышленных технологий получения КГ-дисперсий и с отсутствием исследований процессов осаждения КГ частиц на поверхность диэлектрических материалов, а также свойств электропроводящих покрытий.

На проводимость электропроводящих покрытий диэлектрических материалов: бумага, картон, лавсан, полиимид, поролон и т.д. – влияют физикохимические свойства КГ-дисперсий: размеры частиц, строение мицелл КГ, наличие функциональных групп на поверхности частиц и технологии нанесения покрытий. Свойства диэлектрической поверхности: структура поверхности, пористость, природа твердой поверхности, наличие функциональных групп – влияют как на проводимость покрытий, так и на адгезионные свойства покрытий [1-3].

В технических (поликристаллических) графитовых материалах размеры кристаллов изменяются в очень широких пределах. Кристаллы могут плотно прилегать друг к другу (плотнокристаллические графиты) или иметь форму чешуек, слабо связанных друг с другом (чешуйчатые графиты). Такое разнообразие структуры, а также возможность модификации свойств путем химического воздействия на стадии активации позволяет целенаправленно изменять свойства графитовых материалов в заданном направлении [4,5].

Синтез коллоидно-графитовых препаратов осуществлялся через стадии:

виброизмельчения, окисления графита в смеси концентрированных растворов серной и азотной кислот до образования межслоевых соединений графита, их гидролиза и промывки осадка на фильтре. Стадии термического рафинирования, виброизмельчения влияют на структуру графитовых чешуек, способствуя их расслоению. При этом, чем меньше в чешуйках графита поперечных связей, тем больше вероятность их расслоения. Образование трещин между слоями в чешуйках графита при измельчении позволяет на стадии получения межслоевых соединений улучшить внедрение кислот и затем разделить чешуйки на отдельные диски [9].

Окисленный графит после отмывки приобретает свойство образовывать коллоидные системы, которое можно характеризовать кинетической и агрегативной устойчивостью. Стабилизация частиц графита осуществляется за счет кислородсодержащих функциональных групп типа:

-ОН, -СООН, =С=О, образующихся на поверхности графитовых частиц. Удельная поверхность частиц графита в растворе ТО-3 не менее 1300м2/г [10].

Появление высокой электропроводности и адгезионных свойств в окисленных графитах при последующей термообработке связано с реакцией поликонденсации, сопровождающейся уплотнением покрытий. Как показали исследования, наиболее подходящими для получения электропроводных графитовых пленок из ультрадисперсных суспензий являются графиты Тайгинского месторождения, как наиболее стабильные по технологическим и структурным параметрам. Поэтому в качестве исходного сырья был выбран Тайгинский термически обеззоленный графит с зольностью 0,2%.

На основании проведенных исследований для получения покрытий с максимальной электропроводностью следует использовать графит с временем помола в течение 3-х часов и последующим окислением при 120°С в течение 3-х часов (марки TO-3) [9, 10].

В настоящей работе приведены некоторые способы формирования электропроводящих покрытий с использованием водных и спиртовых дисперсий коллоидно-графитовых частиц, приведены электрофизические, радиотехнические характеристики покрытий на различных диэлектрических подложках.

Известно, что методом пропитки углеродными коллоидными препаратами (КГП) можно получить эффективные радиопоглощающие материалы (РПМ) [1,2]. Возможность применения таких РПМ для экранирования кромок антенны с целью уменьшения боковых лепестков существенно зависит от коэффициентов поглощения (отражения), однородности и других свойств покрытия.

Для увеличения эффективной толщины поглощающего слоя РПМ использовалась вискозная нетканая лента «серпянка-строби» в качестве материала подложки. Было установлено, что серпянка обладает высокой окрашиваемостью углеродным раствором, требуемой плотностью и проницаемостью, удовлетворительными механическими свойствами. Измерены механические, оптические и электрофизические свойства пропитанных материалов.

Осаждение коллоидных частиц графита на диэлектрический материалсерпянку осуществлялось технологией пропитки образцов при помещении их в растворы определенной концентрации в течение заданного времени. Помещение диэлектрического материала в раствор с коллоидными частицами графита приводит к протеканию следующих процессов. На границе раздела между твердым телом и раствором происходит адсорбция коллоидных частиц. При этом на распределение и количество адсорбированных на диэлектрическую поверхность мицелл КГ могут влиять как свойства поверхности: структура поверхности, пористость, природа твердой поверхности, наличие функциональных групп, так и физико-химические свойства раствора коллоидных графитовых частиц. На реальный процесс осаждения коллоидно-графитовых частиц, а, следовательно, и на распределение графитовых частиц на поверхности диэлектрических материалов влияют также технологические условия изготовления образцов материалов: температурные условия сушки образцов, вязкость растворов и условия модифицирования поверхности материалов для формирования функциональных групп.

Для исследований свойств электропроводящих покрытий были подготовлены образцы покрытий в два слоя на серпянке. После окунания в спиртовой КГ раствор образцы сушили на воздухе и проводили повторное окунание, затем образцы термообрабатывали.

Процесс осаждения частиц КГ на диэлектрические материалы контролировали весовым методом и по изменению сопротивления исходных растворов переменному электрическому току на частоте 1 кГц.

Толщину серпянки измеряли не менее чем в шести точках покрытия (с последующим усреднением результатов измерений и вычитанием средней толщины подложки) на оптическом микрометре-толщиномере с погрешностью прибора ±0,5 мкм (калибровку толщиномера для устранения абсолютной погрешности выполняли по стеклянным мерам толщины, изготовленным с точностью ±0,2 мкм).

Почернение материала «Серпянка-строби» измеряли при помощи экспонометрического устройства фотоаппарата Olympus C-740. Первоначально определяли экспозиционные параметры съемки для непропитанной серпянки на просвет. Источником света служил специальный медицинский осветитель для рассматривания рентгеновских пленок на просвет. Затем на это же место на экране помещали пропитанный образец серпянки и повторно фиксировали экспозиционные параметры. В результате этих измерений получали возможность определить, какая часть падающего на серпянку света пропущена этим почернением. Найденную величину пересчитывали в единицы оптической плотности D по формуле Найденные величины оптических плотностей характеризуют диапазон почернений и пропорциональны количеству углеродного покрытия ТО-3 на данной подложке. Таким образом, интервал плотностей служит важной характеристикой неоднородности покрытия.

Структура пропитанного материала «Серпянка-строби» показывает, что одной пропитки не достаточно. Это связано, в свою очередь, с неоднородностью самой серпянки, полученной путем прессования.

Более наглядно величины оптической плотности по длине ленты видны на рис. 1. Эти измерения позволили выявить дефектные участки поверхности лент и установить причины возможного брака (неоднородности) при изготовлении лент большой длины.

Оптическая плотность D Рис.1. Изменение оптической плотности материала«Серпянки-строби»

Массу ленты измеряли на электронных весах с поправкой на 8 мг до и после пропитки. Пересчитанное количество углерода на 1 дм2 поверхности составило 0,2 г.

Для измерений удельного сопротивления использовали двухзондовый четырехконтактный метод измерения. Измерения проводили с использованием цифрового измерителя Е7-8 на переменном токе фиксированной частоты 1 кГц.

В частном случае (при исследовании покрытий малой толщины и большой площади), когда слой составляет 3…30 мкм, расстояние между зондами и длина образца значительно больше ширины, причем зонды располагаются приблизительно на средней линии, можно использовать следующие выражения для удельного сопротивления v (формула (2)) и поверхностного сопротивления s (формула (3)):

где I – ток цепи; d- толщина образца; lu - расстояние между потенциальными зондами.

В некоторых случаях применяли упрощенный двухконтактный метод измерений, когда токовые и потенциальные зонды совмещаются. Недостатком этого метода является измерение сопротивления контакта между образцом и электродом, что может привести к значительной погрешности.

Из полученных данных следует, что покрытия характеризуются значительной неравномерностью электрического сопротивления отдельных участков, что прежде всего связано с ручной пропиткой образцов и сушкой.

Для измерения механических свойств ленту подвергали многократным изгибным воздействиям и измеряли электрическое сопротивление трех кусков ленты длиной l=30 см до и после изгиба (n=10 раз) с радиусом закругления R=2,75 см. Расстояние между электродами принимали равным 4 см.

Следовательно, изгибные воздействия не влияют на электрическое сопротивление переменному току частотой 1 кГц, т.е. лента абсолютно устойчива к механическим воздействиям.

Исследовались также радиоэкранирующие свойства образцов серпянки.

Результаты измерений образцов строительной серпянки показали, что их коэффициент экранирования не превышает 3дБ во всем измеряемом ДДВ.

Величину экранирующего эффекта К (дБ) для образцов материалов определяли как логарифмическое отношение мощности СВЧ волны, падающей на образец Кпад, к мощности волны, прошедшей через образец Inp. Эта величина зависит от радиофизических параметров материала (комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей) и толщины образца. При увеличении проводимости материала возрастает как отражение электромагнитной энергии от проводящей поверхности, так и рассеяние энергии в объеме образца, следовательно, возрастает и величина экранирования К. Измерения коэффициентов отражения (КО) проводились в свободном пространстве при нормальном падении электромагнитной волны на образец, расположенный на металлической поверхности на длинах волн 0.8..15 см. Измерения базируются на прямом измерении отношения мощностей отраженного сигнала от эталона (металлической пластины) и исследуемого образца на фиксированной длине волны при нормальном падении волны, сфокусированной рупорной антенной.

Результаты измерений образцов строительной серпянки показали, что они не могут использоваться как самостоятельные РЭМ, но могут найти применение в конструкциях РПМ в широком ДДВ. Для сравнительной оценки материалов в идентичных условиях испытывали радиопоглощающий материал на основе картона.

Графит, нанесенный на бумагу, обладает относительно хорошими поглощающими свойствами. Процент поглощения таких защитных материалов практически не зависит от частоты. По всей вероятности, подобрав основу для покрытия и пропитывая ее КГП марки TO-3, TO-6 или их смесью в определенных пропорциях, можно добиться полного поглощения радиоволн при минимальной толщине материала. Сплошность (т.е. отсутствие разрывов в поверхностном слое) покрытия обеспечивает высокую электропроводность покрытия.

Электрическое сопротивление образцов из картона измеряли аналогично образцам серпянки. На рис. 2 приведены результаты измерения электросопротивления картона и серпянки по длине после двукратной пропитки раствором ТО-3. Из графика видно, что образцы из серпянки обладают меньшим электросопротивлением, чем образцы из картона, а также отклонения сопротивлений от среднего значения в пределах образца у серпянки значительно ниже.

Электросопротивление кОм Рис. 2. Изменение электросопротивления картона и «Серпянки-строби» по длине ленты Поглощающие свойства материалов в значительной степени зависят от свойств основы, на которую наносят графитовое покрытие. Пористая структура бумажной основы обладает большой сорбционной емкостью по отношению к графиту, и полученные материалы, соответственно, обладают большими поглощающими свойствами по сравнению с покрытиями на гладкой основе при относительно тонком (десятки микрон) слое. Образцы с несколькими слоями графита, нанесенными на бумагу, имея толщину значительно меньшую, чем 0,05 мм, обладают неплохими поглощающими свойствами: поглощают 50% от падающей на образец мощности.

Покрытия на поролоне и войлоке, которые используются для экранировки помещений от электромагнитных излучений, обладают меньшими удельными (на единицу толщины) значениями поглощающих свойств. Эти образцы имеют значительно большую толщину по сравнению с бумагой: 5 и 10 мм соответственно.

Отражающие свойства зависят в основном от марки КГП и толщины покрытия. По отражающим свойствам графит ТО-3 приближается к металлу.

Таким образом, из представленных данных видно, что свойства материалов с графитовыми покрытиями в СВЧ изменяются в широком диапазоне значений, зависящем от состава покрытия, технологии его нанесения, состава и структуры подложки: качества поверхности, сплошности или пористости материала, на который наносят покрытие.

– удельные сопротивления образцов покрытий близки к значениям монокристаллического графита и высокочистых углеродных материалов графитовой структуры;

– удельное электрическое сопротивление поверхности с увеличением концентрации КГП уменьшается, а сопротивление по объему - возрастает;

– технология изготовления графитовых материалов существенным образом влияет на свойства нанесенных на диэлектрические подложки слоев и позволяет варьировать их удельное поверхностное сопротивление в широких пределах;

– анализ полученных результатов и возможностей технологии показал, что возможно изготовление экспериментальных образцов с заданными радиотехническими характеристиками. При этом экспериментальные образцы могут выступать в качестве самостоятельных РПМ, а образцы, полученные с применением более высоких концентраций целесообразно использовать как высокопроводящие экранирующие материалы;