Раздел 11. Транспортные системы

Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Молодые ученные.pdf

Скачиваний:

137

Добавлен:

17.02.2016

Размер:

41.54 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 99

УДК 656.1(045)
Раздел 11. ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ
	Содержание
Агафонов А. О., Касаткина Е. В. Моделирование логистических систем
с применением методов интеллектуального подхода .........................................				1195
Анджио А. Ф., Безверхов В. А., Победин А. В. Оценка шумности от
транспортного потока в студенческом общежитии ............................................				1199
Белых К. В., Филькин Н. М. Оценка энергетических потерь и КПД
маховичных накопителей энергии ......................................................................				1203
Габдуллин М. Р., Музафаров Р. С., Филькин Н. М. Разработка
динамической модели	движения	автомобиля особо	малого класса	с
комбинированной энергосиловой установкой ....................................................				1207
Гарипов Р. И., Макушин А. А. Изменение технического состояния
механизма сцепления автомобиля КАМАЗ.........................................................				1211
Вахрушев С. Н., Музафаров Р. С. Клиноременный вариаторный
согласующий редуктор комбинированной энергосиловой установки ................				1216
Имангулов А. Р., Филькин Н. М., Музафаров Р. С. Разработка
динамической модели механической трансмиссии гибридного автомобиля
параллельной компоновочной схемы..................................................................				1219
Коваленко Т. В., Вохмянин Н. А. Учѐт скорости движения лесовозных
автопоездов в системе оптимизации транспортного освоения лесных
массивов ..............................................................................................................				1224
Лисов В. Ю. Применение шагающих харвестеров на лесозаготовках ..........				1228
Личко В. В., Клепик Н. К. Уточненный расчет остановочного пути
автомобиля ..........................................................................................................				1232
Макеев В. Ф., Трифонов О. А. Оптимизация парка машин
нефтедобывающего предприятия при эксплуатации месторождений ................				1236
Пенской В. А., Победин А. В. Адаптивная подвеска универсального
многоцелевого трицикла .....................................................................................				1241
Петрова Е. С., Батинов И. В. Разработка математической модели
процесса обработки	отверстия	малого диаметра	сборочного узла
электромеханического усилителя рулевого управления.....................................				1245
Садыков Р. С., Макушин А. А. Изменение технического состояния
элементов маховика дизельного двигателя .........................................................				1249
Симонов Д. В., Котовсков А. В., Потапов П. В. Оценка адекватности
действия механизмов распределения мощности колесной машины...................				1254
Табанакова А. С., Чепикова Т. П. Влияние климатических условий на
производственно-техническую базу автотранспортных предприятий ...............				1259
Хамидуллин Э. Ф., Кулаков А. Т., Макушин А. А. Проблема ремонта
коробки передач грузового автомобиля ..............................................................				1262
Чучков М. В., Филькин Н. М. Исследование и выбор наиболее
оптимального колесного движителя для транспортного средства высокой
проходимости ......................................................................................................				1265

1194

А. О. Агафонов, магистрант

Е.В. Касаткина, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Моделирование логистических систем с применением методов интеллектуального подхода

Логистическая система – это сложная организационно завершенная система, состоящая из взаимосвязанных в едином процессе управления материальными и сопутствующими им потоками элементов-звеньев, совокупность которых, границы и задачи функционирования объединены внутренними и внешними целями организации. Процесс моделирования логистических систем является новой методологией оптимизации и организации рационального размещения производства, позволяющей обеспечивать минимизацию затрат и повышение эффективности. В настоящее время задачи моделирования логистических систем являются наиболее актуальными при построении оптимального управления в различных отраслях хозяйственной деятельности.

В работе в качестве механизма построения логистических систем рассматривается кластерный анализ, суть которого заключается в оптимальном объединении пунктов потребления в группы близко расположенных друг к другу объектов и выделение одного объекта, который будет выступать в качестве пункта производства, при условии минимизации транспортных расходов на перевозку продукции от производителей до потребителей.

Пусть

H hi множество потребителей продукции,

i 1, n ,

n ко-

личество потребителей. Множество близкорасположенных друг к другу


логистических объектов,						образующих	p -й кластер,		обозначается через
T	p	p	p 1,2,...,K ,			K количество кластеров,			j номер объекта в
		h j ,
кластере,			j		, n p количество объектов в кластере.
				1, n p
		Множество объектов логистической системы						H hi разбивается на
кластеры таким образом, чтобы общие затраты Z								(руб./год) на перевозку

продукции от пунктов производства до пунктов потребления были минимальны:

		K np
	Z s hmp , h jp Q jp		min ,	(1)
		p 1 j 1
где	h p объект, в котором планируется		организовать пункт производ-
	m	s h p , h p транспортные затраты на
ства; (центр кластера);		s h p , h p транспортные затраты на		перевозку
		m j
		1195

продукции (руб./ед.) от центра кластера до j-го объекта;

Q p j

годовая

потребность j-го пункта потребления p-го кластера в продукции, ед./год. Процесс моделирования логистических систем состоит из двух этапов:

1.определение оптимального количества кластеров;

2.оптимальное распределение логистических объектов по кластерам.

Для определения оптимального количества кластеров используется

иерархический кластерный анализ [1]. В ходе проведения кластерного анализа строится древовидная диаграмма (дендрограмма), содержащая

M	уровней, каждый из которых соответствует одному из шагов процесса

последовательного укрупнения кластеров. На основе данной дендрограммы определяется оптимальное количество кластеров, которое используется при дальнейшем моделировании.

На рисунке 1 представлена дендрограмма, полученная в ходе реализации иерархического кластерного анализа на примере системы топливоснабжения Дебесского района Удмуртской Республики. Пунктирной линией отмечен допустимый радиус кластера (максимальное расстояние, на которое целесообразно транспортировать топливо) [2].

д. Малая Чепца

д. Лесагурт

д. Старый Кыч

д.

Лесагурт

д. Заречная Медла

д. Лесагурт

д. Удмуртский Лем

д. Малая

Чепца

д. Старый Кыч

д. Варни

д. Верхний

д. Большая

Кизня

Четкер

д. Нижняя

д. Большой Зетым

Пыхта

д. Тольен

д. Такагурт

Зетым

Чепца

д. Сюрногурт

Тольен

Варни

д. Лесагурт

Турнес

д. Котегурт

д. Такагурт

Кыч

с. Тыловай

Четкер

д. Н. Шудзялуд

Уйвай

Медла

Лем

Кизня

Ариково

Пыхта

Удмуртский

д. Старый

Большой

д. Малая

д.

Верхний

д.

Заречная

Большая

Нижняя

д.

Рис. 1. Построение дендрограммы на примере Дебесского района

Для распределения объектов по кластерам применяются итерационные методы кластеризации, например метод k-средних [3]. Кроме традиционных алгоритмов кластеризации можно использовать методы, основанные на применении интеллектуального подхода, такие как генетические алго-

ритмы.

Генетический алгоритм (ГА) – это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путем

1196

случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию.

При использовании ГА параметры оптимизации представляются в виде кодированных значений (генов). Совокупность генов образует хромосому. Из хромосом составляется популяция. Каждой хромосоме ставится в соответствие функция приспособленности, которая выступает мерой качества решения, описываемого данной особью. В качестве функции приспособленности выступает целевая функция (1). После того, как каждой особи поставлено в соответствие значение функции приспособленности, осуществляется отбор особей с целью выбора тех представителей, которые будут участвовать в создании новой популяции (родительские особи). Далее к родительской популяции применяются генетические операторы: скрещивания, мутации и инверсии. В ходе применения данных операторов происходит эволюция исходной популяции путем изменение информации, содержащейся в хромосомах [4]. На рисунке 2 представлена блок-схема работы генетического алгоритма.

Генерация начальной популяции
	Оценивание особей
Нет	Критерий	Да
	Критерий
	остановки
Оператор
скрещивания		Выбор
		Выбор
		“наилучшей”
Оператор мутации		особи
Оператор инверсии		Результат
Формирование
нового
поколения

Рис. 2. Блок-схема генетического алгоритма

Был проведен сравнительный анализ методов кластеризации: метода k- средних и генетических алгоритмов. Данный анализ проводился на основе исследования следующих показателей распределения результатов моделирования логистической системы топливоснабжения Удмуртской Республики альтернативным видом топлива, полученных при многократной реализации различных методов кластеризации: математическое ожидание, дисперсия и среднеквадратичное отклонение. Результаты исследования представлены в таблице.

1197

Таблица Значения показателей распределения при использовании различных ме-

тодов кластеризации

Наименование показателей	Метод k-средних	Генетические алгоритмы
Математическое ожидание	3,31 млн. руб.	2,88 млн. руб.
Дисперсия	269 395 млн. руб.2	4 596 млн. руб.2
Среднеквадратичное откло-	0,52 млн. руб.	0,07 млн. руб.
нение	0,52 млн. руб.	0,07 млн. руб.
нение

На рисунках 3‒4 представлены результаты моделирования логистической системы различными методами при проведении 100 испытаний.

а)

, млн.руб./год

Вероятность

	Номер	б)
		Z , млн.руб./год
	испытания

Рис. 3. Результаты моделирования логистической системы

с применением метода k-средних: а) распределение результатов по испытаниям; б) гистограмма плотности распределения

а)

, млн.руб./год	Вероятность

	Номер	б)
		Z , млн.руб./год
	испытания

Рис. 4. Результаты моделирования логистической системы с применением генетического алгоритма а) распределение результатов

по испытаниям; б) гистограмма плотности распределения

Результаты кластеризации, полученные различными методами, дали практические идентичные результаты (сходство кластеризации свыше 80 %), это позволяет сделать вывод о том, что полученная кластеризация является устойчивой. Однако качественное сравнение результатов, полученных двумя методами при многократном моделировании, говорит о том, что результаты, полученные интеллектуальным методом (генетическим алгоритмом) дает более точный результат, поскольку математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение для данного метода наименьшие.

1198

Список литературы

1.Уиллиамс, У.Т., Ланс, Д.Н. Методы иерархической классификации // Статистические методы для ЭВМ / под ред. Малютова М.Б. – М.: Наука, 1986.

2.Кетова, К.В., Трушкова, Е.В., Кривенков, Р.Ю. Применение кластерного анализа для решения задачи оптимального распределения топливноэнергетических ресурсов // Интеллектуальные системы в производстве. – Ижевск: ИжГТУ, 2010. – № 2 (16). – С. 207–213.

3.Мандель, И.Д. Кластерный анализ. – М.: Финансы и статистика, 1988 –

176 с.

4.Тененев, В.А., Якимович, Б.А. Генетические алгоритмы в моделировании систем: монография. – Ижевск: Издо-во ИжГТУ, 2010. – 308 с.

А. Ф. Анджио, студент, В. А. Безверхов, студент А. В. Победин, профессор

Волгоградский государственный технический университет

Оценка шумности от транспортного потока в студенческом общежитии

Количество автомобилей во всѐм мире непрерывно увеличивается. Например, количество автотранспортных средств в Нигерии составляет около 9 миллионов и продолжает расти [4]. По данным АСМ-Холдинг российский автомобильный парк в 2011 году вырос на 5,4 % и на 1 января 2012 года составил 42 млн. 861,8 тыс. машин [9]. Рост количества автомобилей в столице Китая показан на рис. 1, а в США на рис. 2. Исследованиями установлено, что автомобильный транспорт является основным источником шума в городах и по степени вредности воздействия шуму принадлежит 2-е место после химического загрязнения окружающей среды [2].

Рис. 1. Рост количества автомобилей в Пекине

1199

Рис. 2. Рост количества водителей и автомобилей в США

Шум оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Превышение санитарных норм шума приводит к раздражению, высокому уровню стресса, агрессии, потере слуха, нарушению сна и многим другим проблемам со здоровьем.

Вданной работе сделана попытка исследований по оценке шумового загрязнения от транспортного потока в общежитии № 2 (проспект Ленина,

50)Волгоградского Государственного Технического Университета (ВолгГТУ).

Основными задачами исследования являются статистический анализ шумности транспортного потока у студенческого общежития, оценка спектральных составляющих шума от транспортного потока в жилой комнате студентов и сравнение полученных результатов с санитарными нормами.

Вработе использовался шумомер PAA3, имеющий анализатор спектра с 1/3-октавными полосами частот, корректирующие характеристики «А», «С» и «Лин» и может работать в лабораторных, производственных и полевых условиях, а по метеорологическим параметрам и техническим характеристикам соответствует 2 классу точности по ГОСТ 17187-81 «Шумомеры».

Фасад общежития, где проводили исследование, находится на расстояние 27 м от ближайшей полосы проезжей части. Все замеры проводили в часы пик с 17:00 до 18:00, в рабочие дни, исключая только пятницу. Замеры производили: 1) снаружи у полностью раскрытого окна комнаты третьего этажа; 2) внутри еѐ с закрытым окном и 3) с открытой форточкой.

Микрофон располагался на высоте 7 м от проезжей части.

При измерениях наружного шума применялась характеристика «А» шумомера (т. е. замерялся уровень звука). При регистрации спектра шума использовалась характеристика «Лин» (замер звукового давления).

1200

Результаты измерения звука (всего 280 повторов) от транспортного потока представлены в таблице (в дБА). Статистическая обработка результатов велась в соответствии с методикой обработки случайных величин [1‒3] по разработанной В. А. Безверховым в пакете MatLab программе.

На рис. 3 показаны гистограмма и полигон распределения шумности транспортного потока у общежития № 2 в часы пик. Видно, что в первом приближении шумность транспортного потока можно характеризовать нормальным законом распределения с математическим ожиданием около 76 дБА и среднеквадратическим отклонением около 5 дБА. Наибольшую вероятность (более 70 % случаев, см. рис. 4) имеют значения уровней звука в пределах от 70 до 82 дБА.

Рис. 3. Гистограмма и полигон частот

Рис. 4. Эмпирическая функция распределения

1201

Таблица. Результаты измерений шума транспортного потока, дБА

67,7	67,8	70,1	68,6	70,2	69	69,3	69,3	69,5	69,5
70,1	70,1	71	71,1	71,1	70,3	70,3	70,6	70,7	70,7
70,9	71	71,1	71,7	71,8	71,1	71,2	71,2	71,3	71,3
71,4	71,1	71,6	72,1	72,1	71,8	71,8	71,8	71,8	71,8
71,5	71,4	72	72,4	72,4	72,1	72,1	72,1	72,2	72,2
71,8	71,5	72,4	72,7	72,8	72,4	72,4	72,5	72,5	72,5
72	71,9	72,7	73	73	72,8	72,8	72,8	72,8	72,8
72,3	72	73	73,3	73,3	73,1	73,1	73,1	73,1	73,2
72,3	72,3	73,3	73,7	73,9	73,3	73,4	73,4	73,4	73,5
72,5	72,4	73,7	74,2	74,2	73,9	73,9	73,9	74	74,1
72,6	72,6	74,2	74,7	74,9	74,3	74,4	74,5	74,5	74,5
72,8	72,7	74,7	75,4	75,4	74,9	75	75	75	75
72,9	72,9	75,4	75,9	76	75,4	75,5	75,5	75,6	75,6
73,2	72,9	76,3	77,3	76,6	76	76,1	76,1	76,2	76,2
73,3	73,2	76,5	78,1	77,3	76,6	76,6	76,7	76,9	76,9
73,5	73,3	77	79,9	79,1	77,4	77,4	77,6	77,7	82,7
74,1	73,6	77,9	79,2	79,3	78,3	78,4	78,5	93,3	79,6
74,2	73,6	78,1	80,4	79,9	79,3	78,5	78,6	81,6	86,7
74,6	74,2	78,9	79,4	78,7	79,9	79,4	76,2	80,7	80,7
74,6	74,2	79	81,2	80,4	80,2	80,1	81,5	81,6	76,9
75	74,6	79,8	84,3	82,5	83,2	80,2	85,6	82	79,4
75,2	74,7	82,1	80,5	82,9	81,3	80,2	69,8	83,4	80,1
75,6	75,2	80,3	80,6	85,2	81,3	87,7	70,8	77,7	80,4
80,2	75,3	80,3	88,7	94,5	83,1	81,3	71,4	78	81,3
76,3	75,7	80,9	84,4	70	90,1	81,1	74,1	78,8	77,7
76,3	75,8	81,2	85,9	83,6	74	83,1	76,2	79	81,8
77	81,9	88,2	86,8	77,2	96,2	82,1	76,9	79,7	80,3
80,3	82,1	90,3	85,2	79,9	80,7	83,6	77,7	78,5	80,8

Измерения спектра звукового давления в комнате общежития повторялись по 5 раз. Осредненные 1/3-октавные спектры, которые легко позволяет получать шумомер РАА3, с использованием энергетического сложения были переведены в октавные. Результаты показаны на рис. 5. Видно, что даже в часы пик при закрытых окнах уровни звукового давления во всех полосах частот не превышают допускаемые санитарными нормами (ГОСТ 27296-87 «Защита от шума в строительстве. Звукоизоляция ограждающих конструкций зданий. Методы измерения»). Однако, если открыть только форточку, нормы существенно превышаются.

1202

Рис. 5. Спектры шума при открытом и закрытом окне

Заключение:

1.Определены статистические характеристики шумности транспортного потока у общежития № 2 ВолгГТУ в вечерний час пик.

2.Получены осредненные спектры шума в одной из комнат 3 этажа общежития.

3.Исследования необходимо продолжить для определения распределения статистических характеристик шумности транспортного потока у общежития и в его комнатах по дням недели и по времени суток с целью расчета эквивалентного уровня шума и оценки воздействия его на проживающих.

Список литературы

1.Оценка шумового режима и транспортного потока на транспортной магистрали г. Кирова на базе прибора ВШВ-003. http://otherreferats.allbest.ru/life/00185144_0.html.

2.Автомобиль в России. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Автомобиль_в_России.

3.ГОСТ Р 53188.1-2008. «Шумомеры. Часть 1. Технические требования».

К. В. Белых, магистрант Н. М. Филькин, доктор технических наук, профессор

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Оценка энергетических потерь и КПД маховичных накопителей энергии

Системы использования инерции для движения автомобилей весьма перспективны. Для того, чтобы маховичный аккумулятор эффективно проявил свое свойство сохранять накопленную кинетическую энергию,

1203

движение маховика должно быть приближено к инерционному вращательному движению, что достигается наименьшим значением момента внешних сил. Действие последних обуславливается потерями энергии в маховичном накопителе.

Рассмотрим потери энергии при вращении маховика. При исследовании аэродинамических потерь при вращении маховиков в газовой среде, последняя рассматривается как несжимаемая жидкость [1].

В основе формулы момента аэродинамического сопротивления маховиков лежит зависимость, справедливая для тонкого диска:

M		0,5 c	2	5	,
M	A	0,5 c	ρ ω	R	,
	A	m

(1)

где ρ – плотность газа, ω – угловая скорость вращения маховика, R – радиус маховика, сm – коэффициент момента аэродинамического сопротивления вращения маховика.

Безразмерный коэффициент сm в свою очередь является функцией трех других безразмерных параметров, а именно чисел Рейнольдса Re, Маха М, Кнудсена Kn [2].

Число Рейнольдса является отношением сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости, оно определяет переход от ламинарного течения к турбулентному. Для вращающегося маховика возможно рассчитать, используя выражение [2]:

Re R	2	ω/ν ρ		R	2	/ ,
			g

где ρg – плотность газа, в среде которого вращается маховик; μ – вязкость среды.

Число Маха представляет собой отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде.

Число Кнудсена представляет собой отношение средней длины свободного пробега молекул λ к характерному размеру рассматриваемого объекта.

В том случае, когда число Кнудсена имеет малое значение, например, при вращении маховика при атмосферном давлении, то газ, окружающий маховик, можно рассматривать как сплошную среду. В тех случаях, когда

величина Kn высока, нужно рассматривать свободномолекулярное течение [2].

Расчет упомянутых безразмерных параметров проводится с использованием уравнения состояния газа.

Динамическую вязкость газа (для реальных газов) μ можно вычислить по формуле:

12 g v λ,

где λ – средняя длина свободного пробега; v – средняя скорость:

1204

v	8 K T	.
	π m

где m – масса молекул m = mm/NA (число Авогадро NA=6,023∙10-23 моль-1); К – константа Больцмана, равная R/ NA=1,38∙10-23 Дж/К.

Значения константы R* = R/mm для газов, в среде которых возможно вращение маховика, представлены в таблице наряду с их молекулярной массой mm.

Таблица Параметры для определения чисел Рейнольдса, Маха и Кнудсена в

атмосфере воздуха и других газов

Газ	R*,	mm,	m,	Тс, К	λ, (20°С)
	Дж/(кг∙К)	кг/моль	10-26 кг		10-5 м
Воздух	287,2	0,0288	4,782	113	4,56
О2	259,9	0,032	5,313	132	4,82
N2	296,8	0,028016	4,652	112	4,50
Н2	4124,5	0,002016	0,3347	76	8,81
Не2	2077,2	0,004003	0,6646	79	13,32

Величину коэффициента сm с некоторой погрешностью можно определить из соотношения:

c	0,075Re 0,2.
m

Для расчета момента аэродинамического сопротивления маховика конечной толщины и сложного профиля используют экспериментально обоснованное допущение о постоянстве коэффициента аэродинамического трения по всей поверхности маховика. При этом формула (1) приобретает вид:

MA 0,5 cm ρ 2 R5 cR ,

где cR – коэффициент формы маховика.

Потери в опорах маховика складываются из потерь на трение в подшипниках и в уплотнениях.

Сопротивление в подшипниках при жидкой смазке и наличии системы магнитной разгрузки от силы тяжести маховика целесообразно оценивать по формуле [3]:

30ω

10 7 f

П0

D ,

при

ν n 2000,

М П0 160 10 7 f0 D03 , при

ν n 2000,

М П1 f1 g1 P D03 ,

1205

где D0 – средний диаметр подшипника, мм; f0 – коэффициент, зависящий от типа подшипника и условий смазки; ν – кинематическая вязкость масла, мм2/с; ω – угловая скорость вала, с-1; f1 – коэффициент, зависящий от типа подшипников и степени его нагружения; g1 – коэффициент, зависящий от соотношения радиальной и осевой нагрузок на подшипнике; Р – эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник; n – частота вращения вала, об/мин.

В качестве уплотнительных устройств могут применяться различные типы уплотнений. Например, момент трения в магнито-жидкостном уплотнении может быть определен по соотношению:

M		M			d	ω
M	У	M	0				,
	У		0			ω0
				d0		ω0

где М0 – момент трения при угловой скорости ω0 и радиусе уплотняемого вала 0,5d0, определенный экспериментально.

Суммарный момент сопротивления вращения маховика складывается из суммы составляющих моментов:

МC MA M У M П .

КПД маховичного накопителя можно оценить с учетом энергии, которую возможно преобразовать в полезную. Тогда цикл разрядки можно описать формулой:

			ω		2	NC tp
η			ω			NC tp	,
η		1		min			,
	ex					2
			ωmax			0,5J max

где ωmax, ωmin – максимальная и минимальная угловые скорости маховика в цикле разрядки; NC – средняя за цикл мощность сопротивлений вращению маховика за цикл; tр – длительность цикла разрядки.

Средняя за цикл мощность может быть определена для приближенных расчетов с незначительной погрешностью из выражения [3]:

N	C	M	C	(ω	ср	) ω	ср	,
	C		C		ср		ср

(2)

где ωср=0,5(ωmax+ ωmin) – средняя скорость в цикле; МС (ωср) – момент сопротивления при ωср.

Фактическую энергоемкость маховичного накопителя можно описать выражением:

EФ 0,5 J ω2max ex .

Для оценки эффективности преобразования энергии, подводимой для зарядки накопителя, необходимо использовать КПД рабочего цикла:


			EP						EЗ
ex(n )			EP						EЗ
	1			2		2	1			2	2 ,	(3)
	1			2		2	1			2	2 ,	(3)
		0,5J (ωmax ωmin )						0,5J (ωmax ωmin )
					1206

где EР , ЕЗ

ω	, ω
max	min

– средние потери энергии за цикл разрядки, подзарядки,

– средняя за рабочий цикл максимальная и минимальная угло-

вая скорость маховика.

Для приближенных расчетов формулу (3) преобразуют, считая среднюю мощность сопротивлений вращению маховика в цикле разрядки и подзарядки одинаковой:

где

зоне

C tp

ex(n )

Eex


NC	– средняя мощность сопротивлений вращению маховика в диапа-
ωmax , ωmin , определенная по формуле (2);		2	2
		Eex 0,5J (ωmax ωmin ) ; tp

– полная длительность циклов разрядки; tЗ – полная длительность циклов подзарядки.

Приведенные зависимости позволяют определить оптимальные параметры маховика выбранной формы при определенном значении энергоемкости и параметрах среды в кожухе.

Список литературы

1.Гулиа, Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии. Изд-во ВГУ, Воронеж,

1973. – 240 с.

2.Джента, Дж. Накопление кинетической энергии. Теория и практика современных маховичных систем / Дж. Джента; Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 430 с.

3.Совершенствование методов расчета приводов машин энергетических устройств: сб. науч. тр. МАДИ – М.: Издание МАДИ, 1987. – 130 с.

М. Р. Габдуллин, магистрант

Р. С. Музафаров, кандидат технических наук, профессор Н. М. Филькин, доктор технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Разработка динамической модели движения автомобиля особо малого класса с комбинированной энергосиловой установкой

В настоящее время большинство исследований энергосиловых установок транспортных машин направлено на теоретическое и экспериментальное изучение динамических процессов в их конструкциях при характерных условиях эксплуатации с целью определения влияния различных динамических процессов на тягово-скоростные свойства, топливную экономичность, надежность и др. [1].

Теоретическое изучение динамических процессов происходит при по-

1207

мощи построения имитационных математических моделей позволяющих определять необходимые параметры без предварительного создания экспериментального образца, что существенно уменьшает стоимость исследований.

Перед созданием математической модели необходимо правильно изобразить динамическую модель с расположением всех звеньев, связей между ними и сил действующих в системе. Для этого необходимо рассмотреть особенности конструкции трансмиссии данного транспортного средства.

Рис. 1. Структурная схема автомобиля особо малого класса с комбинированной энергосиловой установкой: ТД – тепловой двигатель, ЭД-Г – электродвигательгенератор, Г – генератор, НЭ – накопитель энергии, ПЧ – преобразующая часть, АМС – автоматическая муфта сцепления, Д – дифференциал,

КВ – клиноременный вариатор, К – колеса

На рис. 1 представлена структурная схема автомобиля особо малого класса с комбинированной энергосиловой установкой. Особенность данной конструкции в том, что тепловой двигатель присоединен к преобразующей части на прямую без коробки передач, а электрический двигатель присоединен к преобразующей части при помощи клиноременного вариатора [1].

На рис. 2 представлена динамическая модель работы автомобиля особо малого класса с комбинированной энергосиловой установкой.

Рис. 2. Динамическая модель работы автомобиля с комбинированной энергосиловой установкой

1208

На рис. 2 приняты следующие обозначения: Mдвс – крутящий момент теплового двигателя; Mэд – крутящий момент электрического двигателя; Mсопр – суммарный момент сопротивления исполнительных органов машины и преодоления сил сопротивления движению; ∆тр1, Cтр1, Kтр1 – соответственно суммарный зазор, коэффициенты угловой жесткости и демпфирования на первом участке трансмиссии; ∆тр2, Cтр2, Kтр2 – соответственно суммарный зазор, коэффициенты угловой жесткости и демпфирования

на втором участке трансмиссии;

J	*	= J		+ J	1
	*				1
	ДВС		ДВС		СЦ

– суммарный момент

инерции теплового двигателя и жестко связанных с ним вращающихся частей автоматического сцепления, приведенный к валу двигателя (Jдвс –

момент инерции вращающихся деталей теплового двигателя, J1 – момент СЦ

инерции вращающихся деталей муфты сцепления жестко связанных с

выходным валом теплового двигателя); J* = J + J – суммарный мо- Ш1 ЭД Ш1

мент инерции электрического двигателя и жестко связанных с ним вращающихся частей ведущего шкива клиноременного вариатора, приведенный к валу двигателя (Jэд – момент инерции вращающихся деталей элек-

трического двигателя,

J1 С Ц

– момент инерции вращающихся деталей веду-

щего шкива клиноременного вариатора жестко связанного с выходным

валом электрического двигателя);	J*	= J	Ш 2	+ J2	– суммарный момент
	Ш 2		Ш 2	СЦ

инерции теплового двигателя и жестко связанных с ним вращающихся частей автоматического сцепления, приведенный к валу двигателя (Jш2 – момент инерции вращающихся деталей ведомого шкива клиноременного

вариатора,

J 2 С Ц

– момент инерции вращающихся деталей муфты сцепле-

ния жестко связанных с ведомым шкивом клиноременного вариатора); Jк

– суммарный момент инерции поступательно движущейся массы автомобиля и вращающихся деталей ее исполнительных органов [2].

Задача моделирования работы машины многоструктурная, т. е. каждый режим работы описывается своей системой дифференциальных уравнений. Проведенный анализ позволил выделить четыре режима, которыми можно полностью описать работу машины:

1)момент начала движения (трогание с места);

2)работа с буксующей муфтой сцепления;

3)работа с блокированной муфтой сцепления.

В начальный промежуток времени работы движитель машины остается неподвижным. Поэтому приведенную массу с моментом инерции Jк заменяем заделкой. Следовательно, для данного режима работы машины схема динамической модели имеет вид, изображенный на рис 3.

Тепловой двигатель в данном случае не участвует в процессе, так как при разгоне двигателя под нагрузкой с отработавшими газами выделяется множество вредных веществ, что в свою очередь загрязняет окружающую среду.

Данная динамическая модель является трехмассовой, что определяет

1209

количество конечных уравнений, входящих в систему, равное трем.

Рис. 3. Динамическая модель автомобиля с КЭСУ в начальный промежуток времени (режим трогания с места)

Работа с буксующей муфтой сцепления представляет собой схему представленную на рис. 2 на данном режиме к потоку мощности от эклектического двигателя начинает прибавляться поток мощности теплового двигателя за счет замыкания муфты сцепления. В результате количество инерционных масс становиться 4 т. е. при создании математической модели необходимо записывать в систему уравнений четвертую составляю-

щую [2].

Режиму работы автомобиля с КЭСУ с блокированной муфтой сцепления соответствует трех массовая динамическая схема, изображенная на рис. 3.

Рис. 4. Динамическая модель работы автомобиля с КЭСУ с блокированной муфтой сцепления

Особенность данной динамической модели в том, что при блокировании муфты сцепления можно считать приведенную массу двигателя и ведомого шкива одним целым так как они жестко сцеплены муфтой сцепления. Это позволяет уменьшить количество инерционных масс тем самым уменьшив количество уравнений в системе.

1210

Участок от двигателя до ведомого шкива на столько мал, что нет необходимости создавать упруго демпфирующие связи на этом участке и усложнят математическую модель.

В результате проделанной теоретической работы по разработке динамических моделей различных режимов движения автомобиля особо малого класса оснащенного КЭСУ было выявлено три режима движения и три динамической модели на базе которых в дальнейшем планируется создать и решить математические модели динамики движения на этих режимах.

Список литературы

1.Умняшкин, В.А., Филькин, Н.М., Музафаров, Р.С., Копотев, Д.А. Матема-

тическое моделирование динамики транспортных машин, оборудованных комбинированными энергосиловыми установками. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2009. – 74 с.

2.Умняшкин, В.А., Филькина, А.Н., Ившин, К.С., Скуба, Д.В. Автомобили особо малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой/ Под общ. ред. В.А. Умняшкина. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. – 138 с.

Р. И. Гарипов, студент

А. А. Макушин, кандидат технических наук, доцент Филиал Казанского (Поволжского) федерального университета,

г. Набережные Челны

Изменение технического состояния механизма сцепления автомобиля КАМАЗ

В данной статье проведен анализ износов, возможных повреждений, отказов и неисправностей механизма сцепления большегрузных автомобилей. Аналогичные конструкции сцеплений используются в строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машинах. Проанализировано изменение состояния элементов сцепления в процессе эксплуатации и их влияние на работоспособность двигателя и трансмиссии.

Сцепление является важным узлом силового агрегата автомобиля, предназначенным для разъединения двигателя и коробки передач во время переключения передач и последующего их плавного соединения, не допуская резкого приложения нагрузки, а также обеспечения плавного трогания автомобиля с места и его остановки без остановки двигателя. При резком торможении без выключения сцепления оно, пробуксовывая, предохраняет трансмиссию от перегрузок инерционным моментом. Во включенном состоянии сцепление должно надежно соединять двигатель с трансмиссией, не пробуксовывая.

До настоящего времени механизм сцепления остается одним из мало

1211

изученных узлов автомобиля по изменению технического состояния сборочных единиц и деталей, входящих в его состав, износов, повреждений и дефектов, образующихся в процессе эксплуатации, причинам их возникновения, влиянию на надѐжность, как отдельных деталей, узлов, так и силового агрегата и трансмиссии автомобиля в целом.

Сцепление при правильной эксплуатации и своевременном обслуживании может работать достаточно надежно. Износ и поломка конструктивных элементов сцепления происходят, в основном, из-за нарушения правил эксплуатации автомобиля.

Что касается автомобилей КАМАЗ, можно отметить, что их производство на Камском объединении по производству большегрузных автомобилей началось в феврале 1976 года. В 1977 году КАМАЗ приступил к созданию заводской системы эксплуатационно-ремонтного обслуживания своих автомобилей, было создано управление запасных частей и открыты первые 17 автоцентров КАМАЗ. В начальный период автоцентры организовывались на базе крупных автомобильных предприятий различных ведомств. За 5 лет количество автоцентров возросло до 200. На первом этапе работы автоцентры взяли на себя функции обеспечения предприятий запасными частями, узлами и агрегатами, создали базу для подготовки специалистов, приступили к обучению ремонтных рабочих, инженеров предприятий. Технические службы автоцентров КАМАЗа вели сбор информации об отказах и неисправностях автомобилей в эксплуатации, контролировали эксплуатацию автомобилей.

На промышленной основе завод-изготовитель КАМАЗ приступил к капитальному ремонту двигателей, коробок передач, главных передач, мостов на головном заводе в Набережных Челнах и на ремонтных заводах, принятых в фирменную систему эксплуатационно-ремонтного обслуживания и расположенных в Донецкой, Кустанайской, Читинской областях [2].

Анализ информации автоцентров КАМАЗа об отказах и неисправностях, а также изучение ремонтного фонда двигателей, агрегатов и узлов, поступающих на ремонтный завод, который в настоящее время называется ОАО РемДизель, позволяет выявить, какие в процессе эксплуатации имеются неисправности, износы, отказы, дефекты различных агрегатов и узлов. Выполненное исследование по механизму сцепления позволило выявить: нарушение регулировки привода, вызывающее неполное выключение и неплавное включение сцепления, пробуксовку дисков, износ фрикционных накладок ведомого диска, подшипника муфты выключения сцепления, манжеты рабочего цилиндра привода сцепления.

Для механизма сцепления характерны образование следующих дефектов:

– для оттяжных рычагов основными дефектами являются износы поверхностей, а также механические повреждения, такие как трещины и обломы, износ рабочей поверхности лапки, ролики настолько сильно продавливают посадочную поверхность, что оставляют следы, вмятины от

1212

роликов легко обнаруживаются визуально (рис. 1).

а)	б)
Рис. 1. Рычаг оттяжной (верхняя часть)	нажимного диска сцепления: а) рычаг

оттяжной (верхняя часть) в сборе с роликами; б) вмятины на посадочной поверхности рычага оттяжного

–обломы, трещины, износ фрикционных накладок до заклепок, коробление фрикционных поверхностей, ослабление заклепок крепления фрикционных накладок крепления ступицы.

–трещины на кожухе, коробление плоскости прилегания кожуха к маховику, износ направляющих плоскостей под нажимные пружины, срыв резьбы, износ сферических поверхностей под регулировочные гайки.

–износ или поломка пружины демпфера. Потеря упругости (изменение упругостных характеристик).

–износ боковых поверхностей шлиц ступицы (более 50 % ширины шлица).

–трещины, обломы ведомых и ведущих дисков.

–неравномерный износ, задиры, прожиги на поверхности трения, и др. Внешними проявлениями нарушения работы сцепления являются рыв-

ки, шум, удары при переключении передач, рывки при трогании автомобиля с места, заметная вибрация в кабине, металлические стуки в сцеплении при работе двигателя на низких оборотах.

Сложным дефектом сцепления является изнашивание сопрягаемых поверхностей пазов маховика, изнашивание и излом шипов ведущих дисков и неразрывно связанное с этим процессом появление радиального смещения ведущих дисков относительно оси вращения (рис. 2). Все это оказывает значительное влияние на надежность как самого сцепления, так и целого ряда деталей, узлов силового агрегата и трансмиссии.

Рис. 2. Характерные износы пазов маховика и шипов ведущих дисков

Причина приведенного механизма изнашивания кроется, прежде всего, в конструктивной особенности самого узла сцепления. Так, даже изна-

1213

чально малое отклонение центрирования по поверхностям паз-шип вызывает прогрессирующий износ этих поверхностей, вследствие перераспределения нагрузок.

Нарушение центрирования среднего и нажимного дисков приводит к их радиальному смещению и, как следствие, образованию и непрерывному росту дисбаланса. Дисбаланс усиливает износные процессы и делает неопределенной центровку дисков, меняются контактирующие поверхности и схема передачи нагрузок. Ведущие диски, перемещаясь в ограниченном маховиком пространстве, разрушают механизмы автоматической регулировки, шипы дисков и пазы маховика.

В завершающей стадии ведущие диски внутренним диаметром упираются на тарелку демпферных механизмов ведомых дисков, а затем ложатся наружной поверхностью на расточку маховика, при этом общее смещение дисков достигает 7 мм, а рассчитанный дисбаланс более 10 кг∙см.

Очевидно, что такой значительный дисбаланс, образующийся в процессе эксплуатации, оказывает негативное воздействие на работоспособность целого ряда деталей и узлов силового агрегата, причем такое воздействие протекает скрыто и обращает на себя внимание лишь в случае явного нарушения работоспособности сцепления.

Смещаясь на значительную величину, средний и нажимной диски ложатся на демпферный механизм, нагружая дисбалансом шлицевую часть ступицы ведомого диска (рис. 3а) и первичного вала коробки передач (рис. 3б). Эти поверхности сильно изнашиваются вплоть до полного исчезновения шлицев.

а) б)

Рис. 3. Ступица ведомого диска и первичный вал: а) износ шлицев ступицы ведомого диска; б) износ шлицев первичного вала

Первичный вал, передавая нагрузку на подшипник в хвостовике коленчатого вала, вызывает износ посадочных поверхностей первичного и коленчатого валов в месте расположения подшипника, может произойти разрушение подшипника (рис. 4а).

После разрушения подшипника, из-за отсутствия доступа к нему и диагностики, узел продолжает длительное время работать без фиксации передней опоры первичного вала. Задний конец первичного вала в подшипниковом узле совершает сложные колебательные и вращательные движения, возникают ударные нагрузки, приводящие к перекосу первичного вала, подшипника первичного вала коробки передач. Сопрягаемые с первичным валом вторичный вал и синхронизатор 4-5 передачи, в свою оче-

1214

редь, изнашиваются. Зачастую это приводит к полному стиранию шлицев вторичного вала, каретки синхронизатора, изменению и разрушению посадки блокирующих пальцев, их изгибу.

Из-за биения первичного вала происходит износ крышки заднего подшипника первичного вала из-за контакта с рычагами, вплоть до ее перерезания (рис. 4б).

Дисбаланс от узла сцепления через маховик передаѐтся на коленчатый вал, создавая дополнительный изгибающий момент коленчатого вала в продольной плоскости, усиливает процесс крутильных колебаний коленчатого вала, что, безусловно, способствует возникновению дефектов, связанных с усталостными процессами, такими, как: поломка коленчатого вала, трещины по отверстиям под болты крепления маховика в хвостовике коленчатого вала.

а) б)

Рис. 4. Подшипник первичного вала и крышка заднего подшипника: а) разрушение сепаратора подшипника первичного вала; б) износ крышки заднего подшипника первичного вала

Воздействие дисбаланса через опоры коленчатого вала на блок цилиндров и кронштейны крепления силового агрегата к автомобилю, способствует повышенному износу сопрягаемых поверхностей, в первую очередь – 5 коренной опоры и усталостным поломкам кронштейнов крепления, вызывает повышенную вибрацию двигателя. Вследствие чего, отмечается повышенное количество поломок коленчатого вала по заднему кривошипу, повышенный износ по коренной шейке и вкладышам, а также упорным полукольцам 5-й коренной опоры.

Таким образом, проведенный анализ конструкции и износов, возможных повреждений, отказов и неисправностей узла сцепления показывает необходимость продолжения работ по повышению надежности существующей конструкции для устранения причин преждевременного выхода из строя элементов силового агрегата и трансмиссии автомобиля.

Список литературы

1.Азаматов, Р.А., Дажин, В.Г., Кулаков, А.Т., Модин, А.И. Восстановление де-

талей автомобилей КамАЗ /Под ред. В.Г.Дажин.– Набережные Челны: КамАЗ,

1994. ‒ 215 с.

2.Макушин, А.А. Фирменный автосервис и автомобильные центры КАМАЗа: годы работы и поиска /Силовым агрегатам КАМАЗ – высокую надежность: Сборник статей. – Набережные Челны: Изд-во Камского гос. политехн. ин-та, 2005. –

205 с.

1215

С. Н. Вахрушев, магистрант

Р. С. Музафаров, кандидат технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Клиноременный вариаторный согласующий редуктор комбинированной энергосиловой установки

Исследование согласующего редуктора комбинированной энергосиловой установки является актуальным в области автомобилестроения. Как правило, такие исследования выполняются в конструкторском бюро завода при создании нового транспортного средства.

Высокая насыщенность автомобилями в мире привела к тому, что при работе они выбрасывают в атмосферу большое количество вредных веществ. Особо ощутимо это проявляется в крупных городах, где загрязнение воздушного бассейна становится самой острой экологической проблемой. В связи с этим в мире непрерывно идут работы над совершенствованием двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также выполняется большой объем исследований по созданию двигателей с альтернативными видами топлива. Одним из направлений уменьшения загрязнения окружающей среды и повышения топливной экономичности является создание комбинированных энергосиловых установок (КЭСУ) [1].

Для согласования работы двух разнотипных двигателей в составе КЭСУ возможно соединение электродвигателя (ЭД) и ДВС последовательно на одном валу или соединение путем введения элемента конструкции, называемого согласующим редуктором (СР) [2].

Для решения данной задачи возможно использования СР, представленного на рис. 1, который кроме согласования двух разнотипных двигателей позволяет создать бесступенчатую автоматическую трансмиссию, исключая коробку передач, повышая пассивную безопасность и комфортабельность управления автомобилем.

Особенностью СР является два ведущих шкива с различным конструктивным исполнением. На рис. 2 и 3 представлены конструктивные схемы ведущих шкивов ДВС и ЭД. Разработанная конструкция позволяет свободно проскальзывать ремню, а ДВС может работать на холостом ходу и при малых частотах вращения коленчатого вала без использования сцепления.

1216

Рис. 1. Функциональная схема СР: 1 – ведущий шкив ДВС; 2 – ведущий шкив ЭД; 3 – ведомый шкив; 4 – ролик-натяжитель; 5 – клиновой ремень

На рис. 4 представлена конструктивная схема ведомого шкива СР, позволяющего изменять передаточное отношение по нагрузке, возникающей со стороны дороги. Функциональная схема (рис. 1) имеет треугольное расположение шкивов, что повышает несущую способность согласующего редуктора. Ролик-натяжитель, представленный на рис. 5, обеспечивает необходимую длину ремня и компенсирует его удлинение, а так же увеличивает дуги обхвата ведущих шкивов клиновым ремнем, поэтому он располагается на небольшом расстоянии от вертикальной оси расположения шкивов 1 и 2.

Рис. 2. Ведущий шкив: 6 – выходной вал ДВС; 7 – неподвижный полудиск; 8 – подвижный полудиск; 9 – ролики; 10 – направляющая центробежного регулятора; 11 – подшипник

1217

Рис. 3. Ведущий шкив: 12 – выходной вал ЭД; 13 – неподвижный полудиск; 14 – подвижный полудиск; 15 – ролики;

16 – направляющая центробежного регулятора

Рис. 4. Ведомый шкив: 17 – выходной вал СР; 18 – неподвижный полудиск; 19 – подвижный полудиск; 20 – пружина; 21 – опора пружины

Рис. 5. Ролик-натяжитель: 22 – ролик; 23 – ось вращения ролика; 24 – направляющая ролика; 25 – опоры направляющей; 26 – пружина

Разработанная конструкция СР позволит создать городской автомо-

1218

биль (квадрицикл), оснащенный комбинированной энергосиловой установкой с автоматической бесступенчатой трансмиссией, позволяющей уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду по расчетным данным на 40‒60 % на режимах трогания с места и разгоне до установившейся скорости движения, что является решением актуальной проблемы – повышения экологических свойств. По данному направлению в «Ижевском государственном техническом университете имени М. Т. Калашникова» на кафедре «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» ведутся активные теоретические и практические исследования.

Список литературы

1.Умняшкин, В.А., Филькина, А.Н., Ившин, К.С., Скуба, Д.В. Автомобили осо-

бо малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой/ Под общ. ред. В.А. Умняшкина. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. – 138 с.

2.Пронин, Б. А., Ревков, Г. А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы) – М.: Машиностроение, 1980.

А. Р. Имангулов, магистрант

Н. М. Филькин, доктор технических наук, профессор Р. С. Музафаров, кандидат технических наук, профессор

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Разработка динамической модели механической трансмиссии гибридного автомобиля параллельной компоновочной схемы

Динамические процессы в трансмиссии автомобиля целесообразно разделить на два вида: переходные процессы, возникающие при неустановившемся режиме движения автомобиля (при включении и выключении муфты сцепления, при переключении передач, при резком торможении, при переезде через различные препятствия и т.д.), и процессы, возникающие при установившемся режиме движения автомобиля, т.е. при постоянной скорости его движения.

Во время протекания неустановившихся переходных процессов детали трансмиссии автомобиля испытывают значительные динамические нагрузки, которые могут привести к поломке деталей и выходу автомобиля из строя. Согласно [1] при резком включении сцепления нагрузки в трансмиссии могут быть в 3‒4 раза больше максимального крутящего момента двигателя.

Так как на сегодняшний день наибольшую популярность приобретают автомобили с гибридными энергосиловыми установками, то и актуальным вопросом является исследование динамических процессов в трансмиссии

1219

гибридного автомобиля. Поэтому возникает необходимость разработки динамической модели механической трансмиссии гибридного автомобиля.

Согласно [2] при схематизации трансмиссии представляются в виде колебательных систем с дискретными параметрами. В системах, приведенных к дискретному виду, все детали заменяются элементами, каждый из которых обладает только одним свойством: инерционным, упругим или диссипативным. При этом считается, что остальные свойства звена не оказывают заметного влияния на результаты расчета.

К инерционным звеньям относят маховик, диски сцепления, зубчатые колеса, фланцы, кольца подшипников, корпуса агрегатов; к упругим звеньям – валы, полуоси, пружины, торсионы; к диссипативным звеньям – элементы, рассеивающие энергию. Чисто диссипативных звеньев не существует. К ним можно отнести, например, амортизаторы автомобиля.

На рис. 1 изображена структурно-кинематическая схема машинного агрегата гибридного автомобиля параллельной компоновочной схемы, которая включает в себя следующие маховые массы с моментами инерции: J’эд – вращающихся масс электродвигателя, J’двс – вращающихся масс двигателя внутреннего сгорания и маховика, Jшк1 – ведущего шкива (на валу электродвигателя) согласующего редуктора, Jшк2 – ведомого шкива (на коленчатом валу) согласующего редуктора и ведущих деталей сцепления, Jвд – ведомых деталей сцепления, Jпв – первичного вала, Jпр – промежуточного вала, Jш1, Jш2, Jш3, Jш5 – шестерен I, II, III, V передач (установленных на вторичном валу), Jс12 – синхронизатора I-II передач, Jс34 – синхронизатора III-IV передач, Jс5 – синхронизатора V передачи, Jвв

– вторичного вала, Jр1 – всей коробки передач и жестко соединенных с ней механизмов и агрегатов (двигателя и сцепления) относительно оси вращения первичного и вторичного валов, Jкв1 – деталей карданной передачи (вилка передняя, крестовина, передний карданный вал), Jкв2 – деталей карданной передачи (вилка задняя, крестовина, задний карданный вал, фланец), Jгп1 – ведущей шестерни главной передачи, Jгп2 – ведомой шестерни главной передачи с дифференциалом, Jр2 – балки ведущего моста относительно оси вращения колес, Jк – полуосей и ведущих колес; упругие звенья с податливостями: E’эд – привода электродвигателя, Eдф –

демпфера, Eпв – первичного вала, Eв1, Eв2, Eв3, Eв4, Eв5 – участков вторичного вала, передающих вращающий момент на I, II, III, IV, V передачах,

Eр1 – упругого крепления коробки передач к раме (корпусу) автомобиля, Eкв – карданной передачи, Eкон – вала ведущей конической шестерни, Eлп – левой полуоси, Eпп – правой полуоси, Eк – шин ведущих колес, Eр2 – упругих элементов подвески на выкручивание; трансформаторные звенья с передаточными числами: iрп – ременной передачи согласующего редуктора, i1, i2, i3, i5 – между ведомыми шестернями вторичного вала 1, 2, 3, 5 передач и соответствующими шестернями промежуточного вала, iп – между шестерней постоянного зацепления промежуточного вала и ведущей шестерней первичного вала, i0 – главной передачи.

1220

Для упрощения математического описания элементы эквивалентной механической колебательной системы необходимо приводить к одному валу (т. е. к одной угловой скорости) или же в некоторых случаях к нескольким. При приведении должны сохраняться равенства кинетических энергий приводимой и приведенной масс, потенциальных энергий деформаций упругих звеньев системы и энергии рассеивания на приводимом и приведенном элементах системы.

Для исследования переходных колебательных процессов в расчетную динамическую систему должны быть введены фрикционные элементы, моделирующие работу сцепления в трансмиссии и сцепление ведущих колес с дорогой, а при расчетах процессов нагружения трансмиссии при переключении передач моделируется работа синхронизаторов в коробке передач.

Рис. 1. Структурно-кинематическая схема машинного агрегата гибридного автомобиля

При решении вопроса об учете в динамической системе реактивных звеньев следует принимать во внимание степень взаимосвязи колебаний масс автомобиля и масс трансмиссии через реактивный контур и влияние реактивных элементов на частоты и формы собственных колебаний системы. При многих видах расчетов бывает достаточно учитывать только реактивный контур ведущего моста [2].

На рис. 2 изображена приведенная к первичному валу динамическая модель трансмиссии гибридного автомобиля параллельной компоновочной схемы. Маховым массам приведенной динамической модели соответствуют моменты инерции: Jэд – вращающихся масс электродвигателя; Jдвс

– вращающихся масс двигателя внутреннего сгорания и маховика; Jрп – ременной передачи согласующего редуктора и ведущих деталей сцепления; J1 – ведомых деталей сцепления; J2 – деталей коробки передач; J3 – деталей карданной передачи; J4 – деталей карданной и главной передач с

1221

дифференциалом; J5 – полуосей и ведущих колес автомобиля; J6 – балки ведущего моста относительно оси вращения колес; J7 – маховика, эквивалентного поступательно движущейся массе автомобиля. Упругим звеньям соответствуют податливости: Eэд – привода электродвигателя; Eдф – демпфера; E1 – первичного вала; E2 – деталей коробки передач; E3 – карданной и главной передач; E4 – полуосей; E5 – шин ведущих колес; E6 – упругих элементов подвески на выкручивание. Диссипативным звеньям соответствуют коэффициенты демпфирования Kэд, K1, K2, K3, K4, K5, K6 определенных упруго-демпфирующих участков. Электродвигатель создает крутящий момент Mэд, а двигатель внутреннего сгорания – момент Mдвс. К массе J1 приложен момент трения сцепления Mc (при буксующем сцеплении). Передаваемый ведущими колесами момент ограничен моментом Mφ. К массе J7 приложен момент сопротивления движению Mψ.

Рис. 2. Приведенная динамическая модель трансмиссии гибридного автомобиля

При исследовании низкочастотных колебаний трансмиссии автомобиля реактивный контур ведущего моста можно не учитывать. Тогда приведенная динамическая модель трансмиссии приобретет вид, изображенный на рис. 3.

Рис. 3. Приведенная динамическая модель трансмиссии гибридного автомобиля без реактивного контура ведущего моста

Приведенная динамическая модель, изображенная на рис. 2, содержит ряд инерционных и упругих звеньев, мало влияющих на протекающие в ней процессы. Следовательно, еѐ можно упростить. Упрощенная приведенная динамическая модель представлена на рис. 4. Маховым массам

1222

упрощенной приведенной динамической модели соответствуют моменты инерции: Jэд – вращающихся масс электродвигателя; Jдвс – вращающихся масс двигателя внутреннего сгорания и маховика; Jрп – ременной передачи согласующего редуктора и ведущих деталей сцепления; J1 – ведомых деталей сцепления; J2 – деталей коробки передач, карданной передачи и ведущего моста; J3 – полуосей и ведущих колес автомобиля; J4 – балки ведущего моста относительно оси вращения колес; J5 – маховика, эквивалентного поступательно движущейся массе автомобиля. Упругим звеньям соответствуют податливости: Eэд – привода электродвигателя; Eдф – демпфера; E1 – деталей коробки передач, карданной и главной передач; E2 – полуосей; E3 – шин ведущих колес; E4 – упругих элементов подвески на выкручивание. Диссипативным звеньям соответствуют коэффициенты демпфирования Kэд, K1, K2, K3, K4 определенных упруго-демпфирующих участков.

Рис. 4. Упрощенная приведенная динамическая модель трансмиссии гибридного автомобиля

Разработка динамических моделей является ответственным этапом при изучении динамических процессов, протекающих в трансмиссиях автомобилей. Далее на основании этих динамических моделей составляются математические модели, описывающие различные режимы работы автомобиля.

Список литературы

1.Конструкция, расчет и эксплуатационные свойства автомобилей: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/ В. К. Вахламов. – М.: Издательский центр

«Академия», 2007. – 560 с.

2.Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник/ Под общ. ред. А.И. Гришкевича. – М.: Машиностроение, 1984. – 272 с., ил.

1223

Т. В. Коваленко, кандидат технических наук, доцент Н. А. Вохмянин, кандидат технических наук, доцент

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова

Учѐт скорости движения лесовозных автопоездов в системе оптимизации транспортного освоения лесных массивов

Опыт предыдущих лет показывает, что проектирование производ- ственно-достаточной транспортной сети остается важнейшей проблемой, стоящей перед как вновь проектируемыми, так и существующими предприятиями лесного комплекса. Последние годы можно охарактеризовать как периоды с аномальными климатическими параметрами. Жаркое лето, поздняя зима с обильным снежным покровом продемонстрировали, что лесозаготовители могут стать заложниками неразвитой транспортной сети, если они не будут обладать инструментом, позволяющим прогнозировать состояние лесных дорог. Таким инструментом может стать система учета климатических факторов при освоении лесосечного фонда предприятия. В качестве одного из универсальных входных параметров данной системы можно рассмотреть скорость движения лесовозного автопоезда.

Скорость движения лесовоза [1; 2]может выступать как центральный индикатор состояния автодороги и использоваться в качестве критерия в системах оптимизации лесотранспортных процессов при освоении арендных лесных массивов.

Для учета изменений условий движения лесовоза в различные сезоны года [3] можно воспользоваться следующей зависимостью (1):

		К	з	К	сез	Д		К
П		К	рс	К	рс	Д	сез	К	и
			рс		рс		сез		и
	сез				365
	сез

(1)

где Крсз – коэффициент обеспеченности расчетной скорости на эталонном участке дороги в эталонных метеоусловиях; Крссез – коэффициент обеспеченности расчетной скорости на эталонном учаКстке дороги, в среднем для сезона; Дсез – продолжительность сезона, сут.; Ки – коэффициент учета неравномерности вывозки в течении года.

Коэффициент обеспечения расчетной скорости [4], в свою очередь, может быть рассчитан по следующей формуле (2):

	V макс
Kрс	ф	,	(2)
Kрс	V б	,	(2)
	V б
	расч

где Vфмакс – максимальная фактическая скорость движения автомобиля; Vрасчб – базовая расчетная скорость движения для данной категории дороги.

1224

Таким образом, приняв за базовые расчетные скорости для лесовозных магистралей Vрасчб = 40 км/ч и для веток Vрасчб = 30 км/ч [3], получим (3‒4):

		V	макс
	маг
K		ф
	рс		40

(3)

		V	макс
	в
K		ф
	рс		30

(4)

В благоприятных условиях (при отсутствии осадков, гололеда, метелей) дорога должна обеспечивать значение Крс = 1,00. В малоблагоприятных условиях (осадки) в весенне-осенний период и зимой Крс = 0,50-0,75; при неблагоприятных же дорожных условиях – Крс < 0,50.

Для комплексной оценки влияния различных климатических факторов следует использоваться среднегодовым коэффициентом обеспеченности расчетной скорости [3]. Для этого, взяв за основу данные климатических справочников, необходимо получить вероятности появления метеорологических явлений. Расчетная зависимость для определения среднегодовой коэффициент обеспеченности расчетной скорости в этом случае выглядит следующим образом (5):

K сс

	K	рс	x A
		рс	T
x

P x dx

(5)

где Крс(х) – коэффициент обеспеченности расчетной скорости по метеофактору х; АТ – оператор времени действия метеофактора; Р(х) – вероятность действия метеофактора х.

Показатель скорости целесообразно применять для оценки степени проходимости лесных дорог в реальном времени. Установив зависимость между скоростным режимом лесной дороги и климатическими факторами, мы получаем возможность оперативно реагировать на негативное влияние климата, своевременно ограничив движение. С другой стороны, появляется возможность предсказывать возможное состояние транспортной сети, имея на руках накопленный массив скоростных данных (как для легких, так и для тяжелых автопоездов, с учетом дорожных конструкций, по которым производится вывозка) и климатические параметры региона, через установление возможных критических периодов, когда существует опасность разрушения дороги лесовозными автопоездами.

В основу предлагаемой методики было положено исследование данных путевых листов лесовозных автопоездов, эксплуатировавшихся в ОАО ЛПК Кипелово (Вологодская область) за 2007-09 гг. В качестве источника метеоданных были использованы записи местной метеостанции (атмосферное давление, влажность воздуха, количество осадков, скорость ветра, средняя суточная температура воздуха) и основные климатические параметры по Вологодской области (альбедо, средняя температура почвы)

[5; 6].

Исследуемые автопоезда были разделены на две группы: «1 группа»

1225

(на базе тягачей типа МАЗ) и «2 группа» (на базе автомобилей типа «Урал»). Дороги были разбиты на следующие категории: 1 – магистральные дороги круглогодового действия; 2 – ветки летнего действия; 3 – ветки зимнего действия.

Таблица Результаты корреляционного анализа между средней скоростью ле-

совоза и климатическими факторами

	Значение коэффициента корреляции (уров-
Фактор	ня значимости)
Фактор	лесовозы	лесовозы
	лесовозы	лесовозы
	группы I	группы II
Альбедо, %	‒0,4627 (0,0000)	‒0,2319 (0,0000)
Влажность воздуха, %	‒0,1388 (0,0065)	‒0,0951 (0,0402)
Атмосферное давление, мм рт. ст.	‒0,0243 (0,6349)	0,1307 (0,0047)
Тип дороги	‒0,2143 (0,0000)	‒0,1269 (0,0061)
Средняя температура почвы, С	0,4653 (0,0000)	0,3036 (0,0000)
Средняя температура воздуха, С	0,3000 (0,0000)	0,1950 (0,0000)
Количество осадков, мм	‒0,0059 (0,9084)	‒0,0443 (0,3395)
Скорость ветра, м/с	‒0,0715 (0,1624)	‒0,1006 (0,0299)

С помощью корреляционного анализа были выбраны факторы, оказывающие наиболее сильное влияние на среднюю скорость движения. К таковым относятся (таблица 1): временной фактор, категория дороги, альбедо поверхности, средняя температура почвы и средняя температура воздуха.

На следующем этапе исследований были получены уравнения, описывающее выделенных влияние климатических факторов.

Для лесовозов группы I уравнение имеет вид (6):

V	0,162814 a 35,8485 k		0,0443855 t	2	0,025966 t	2
		д		п		в
1

(6)

Для лесовозов группы II уравнение имеет вид (7):

V2 0,192589 a 26,5996 kд 0,0409256 tп2 0,0412448 tв2 (7)

где a – альбедо поверхности, %; kд – коэффициент, учитывающий категорию дороги (1,0 – магистрали; 2,0 – ветки летние; 3,0 – ветки зимние); tп – средняя температура почвы, оС; tв – средняя температура воздуха, оС.

Положив в основу уравнения (6), (7) и справочные среднемесячные значения альбедо [5], средней температуры воздуха и почвы [6] для исходного района Вологодской области, был построен график (рис. 1), отображающий изменение средней скорости лесовозных автопоездов 1-й и 2-й групп в течение года.

1226

Средняя скорость, км/ч

70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
						Месяцы

магистраль

ветка летняя

веткая летняя

ветка зимняя

Рис. 1. Изменение средней скорости лесовозных автопоездов 1-й и 2-й групп в течение года

На графике отчѐтливо наблюдается разрыв между скорость движения по магистрали и веткам, а также снижение средней скорости автопоездов в период осенне-весенней распутицы и максимум скорости в летний период, что, очевидно, связано с состоянием дорог в летний и зимний периоды года.

Таким образом, в основе теории организации лесосечно-транспортных процессов с учетом влияния климата должно лежать качественное и количественное описание сущности и закономерностей изменения параметров и характеристик лесосечно-транспортных процессов, происходящих под воздействием климатических факторов.

Скорость движения лесовоза может использоваться в качестве критерия в системах оптимизации лесотранспортных процессов при освоении арендных лесных массивов и выступать как центральный индикатор состояния лесной автодороги.

Целесообразно рассматривать дифференцированные модели учета влияния климатических факторов на среднюю скорость движения лесовоза, в зависимости от его группы и категории лесной дороги.

При создании систем оптимизации транспортного освоения лесных массивов, следует учитывать влияние климатических факторов через среднюю скорость движения автопоездов, сравнивая еѐ с нормативной, установленной для данного участка дороги, что дает возможность судить о состоянии дорожной конструкции и позволит своевременно выводить лесную дорогу из эксплуатации.

1227

Список литературы

1.Васильев, А.П. Состояние дорог и безопасность движения в сложных погодных условиях. – М.: Транспорт, 1976. – 224 с.

2.Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог: ОДН 218.0.006-2002// Гос. служба дор. хоз-ва (Росавтодор) Минтранса России. – М.: Информавтодор, 2002. – 138 с.

3.Справочная энциклопедия дорожника. Т.2: Ремонт и содержание дорог. / Под ред. А.П. Васильева. – М.: Транспорт, 2004. – 507 с.

4.СНиП 2.05.07-91. Промышленный транспорт.

5.Справочник по климату СССР. Выпуск 1. Архангельская и Вологодская области. Карельская и Коми АССР. Часть 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Л.: Гидрометиздат, 1965. – 97 с.

6.Справочник по климату СССР. Выпуск 1. Архангельская и Вологодская области. Карельская и Коми АССР. Часть 2. Температура воздуха и почвы. Л.: Гидрометиздат, 1968. – 361 с.

В. Ю. Лисов, аспирант Санкт-Петербургский государственный лесотехнический

университет имени С. М. Кирова

Применение шагающих харвестеров на лесозаготовках

Колѐсные и гусеничные лесозаготовительные машины в условиях слабого грунта зачастую не обладают достаточной проходимостью и разрушают экологически ранимый почвенный покров. Шагающие машины в меньшей мере разрушают почвенный покров и обладают более высокими возможностями по проходимости. По этой причине в ряде стран (США, Финляндия и др.) ведутся разработки шагающих машин для новых почвосберегающих технологий в лесном хозяйстве.

Важность лесной отрасли для экономики страны непрерывно растет. В последние годы усилилось международное соревнование за повышение конкурентоспособности лесного хозяйства по двум основным направлениям: инновационные лесоматериалы и инновационные технологические процессы.

Снижение техногенной нагрузки на лесную среду при лесозаготовительных работах является одним из приоритетных направлений при создании лесных машин. В последние годы повышенное внимание уделяется разработке качественно новых типов движителей для лесных машин. Это в первую очередь шагающие машины.

Люди давно уже стали сознавать, что ноги – уникальное средство передвижения. Конечно, им не под силу конкурировать с колесом на гладкой дороге, но зато они прекрасно могут обходиться без дорог вообще.

Все чаще в попытке разрешить «вездеходную проблему» конструк-

1228

торы исследуют механизмы «шагания» живой природы. За миллионы лет эволюции природа создала множество оригинальных типов движения, приспосабливая живые существа к различным видам перемещения по земле – ползанию, бегу, прыжкам, ходьбе.

Главное конструкторское отличие шагающих машин от колѐсных и гусеничных состоит в движителе, обеспечивающем перемещение машины за счѐт дискретного взаимодействия опорного звена (ноги) с грунтом, а главное эксплуатационное преимущество – проходимость в тех ситуациях, где колѐсные и гусеничные машины не в состоянии передвигаться [1].

Первый в мире прототип шагающей лесной машины, харвестер Lokkeri, выставлен в музее John Deere Pavilion в городе Молин, штата Иллинойс, США.

Он был изобретен в 1994 году подразделением передовых исследований и разработок Plustech Oy в Финляндии, которое сегодня является частью компании John Deere Forestry Oy. Это был первый шагающий харвестер, оснащенный спиливающей головкой.

Производительная и экологическая лесная машина могла работать на крутых и неровных поверхностях, двигаться в разных направлениях и разворачиваться на месте. Компьютерная система управления равномерно распределяла вес на все шесть лап харвестера. Машина могла перешагивать через препятствия, встречающиеся на пути, а оператор регулировать клиренс и высоту каждого шага.

Шагающий харвестер опередил время, но так и не вышел в серийное производство. Однако, используемые при его создании технологии стабилизирующих автоматических систем получили дальнейшее развитие и сейчас применяются в лесных машинах John Deere. Благодаря инновационной системе контроля и гидравлической трансмиссии современные харвестеры оказывают меньшую нагрузку на грунт.

Одна из самых прогрессивных лесозаготовительных машин в истории лесного машиностроения – уникальный шагающий харвестер Plusjack, представлен на рис. 1.

Харвестер Plusjack был разработан в 1999 году организацией «Plustech», подразделением передовых исследований и разработок компании «Timberjack». Харвестер наглядно демонстрирует преимущества бесколесной конструкции. Он может работать на любых крутых и неровных поверхностях, двигаться в разных направлениях и разворачиваться на месте. При этом машина практически не оставляет следов своего движения на земле. Эта уникальная машина не была запущена в производство, несмотря на то, что у нее есть определенные преимущества перед колѐсными и гусеничными машинами.

В данный момент построенный образец находиться в музеи Lusto в Финляндии [2].

1229

Рис. 1. Шагающий харвестер компании Timberjack

1230

Рис. 2. Распределение уплотнения почвы под движителями колесной (а) и шагающей (б) машин

В сравнении с применяемыми в настоящее время колесными и гусеничными ходовыми системами шагающий движитель [3] имеет следующие преимущества:

−уплотнение почвы происходит не по всей трассе движения машины, а пятнами (рис. 2), что существенно уменьшает эрозию почвы.

−шагающий принцип перемещения позволяет использовать очень широкие и длинные стопы, благодаря чему давление на грунт шагающей машины может быть существенно ниже, чем гусеничной или, тем более, колѐсной.

−отсутствует буксование.

−не происходит сдирание почвы грунтозацепами, поскольку "нога" опускается и поднимается над грунтом при каждом шаге.

−травяной покров меньше страдает благодаря тому, что стопы «наступают» на грунт, а не накатываются на него.

−ноги шагающей машины при ее движении поднимаются над почвой и опускаются на нее, обеспечивая машине поворот в любом направлении. При поворотах не происходит срезание грунта.

−сбалансированная кинематика движения шести ног обеспечивает машине высокую устойчивость и проходимость.

−основание остова машины, еѐ кабины и гидроманипулятора постоянно остаются в горизонтальном положении.

−высокая проходимость машины. Высота просвета под днищем машины может изменяться в диапазоне 0,2…1,2 м, что дает возможность уверенно преодолевать препятствия различной сложности и перемещаться по склонам.

−отсутствие сил сопротивления от перекатывания, которые возникают при движении колесной и гусеничной техники.

−обладает высокой устойчивостью против опрокидывания.

−Недостатком таких машин является:

−малая скорость передвижения, обусловленная несовершенством шагающего движителя. Это в свою очередь отражается на весьма низкой производительности.

1231

− высокая стоимость машины, так как действиями «лап» управляет сложнейшая автоматика.

Потенциальные преимущества шагающих машин перед машинами с традиционными движителями весьма велики. Это вызывает большой интерес к проблеме со стороны учѐных всего мира.

Если раньше создание шагающих машин во многом тормозилось сложностью электронных управляющих систем, то последние достижения в области кибернетики дают основание считать, что в самом ближайшем будущем шагающие машины наконец-то выйдут из стадии опытов.

Список литературы

1.Охоцимский, Д.Е., Голубев, Ю.Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата – М.: Наука, 1984 – 312 с.

2.Валяжонков, В.Д. Зарубежные машины и оборудование для лесозаготовок и лесовосстановления [Текст]: учеб. для вузов / В.Д. Валяжонков, Ю.А. Добрынин, Ю.И. Провоторов и А.К. Редькин и др.– М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2006. – 238 с.

3.Питухин, А.В., Сюнѐв, В.С. Минимизация техногенного воздействия на лесную среду в процессе лесозаготовок // Фундаментальные исследования. – 2005. –

№9. – С. 116-120.

В. В. Личко, студент

Н. К. Клепик, кандидат технических наук, доцент

Волгоградский государственный технический университет

Уточненный расчет остановочного пути автомобиля

Как известно, основными показателями тормозной динамичности автомобиля являются тормозной путь автомобиля SТ и установившееся замедление jуст [1]. В задачах же обеспечения безопасности дорожного движения, в частности, автотехнической экспертизы (АТЭ) дорожнотранспортных происшествий (ДТП) применяется похожий термин «остановочный путь автомобиля», численно равный сумме тормозного пути и расстояния, пройденного автомобилем за время реакции водителя Т1 на возникновение опасной дорожно-транспортной ситуации

( T T

0,5T

)

ОСТ

2 j

уст

(1)

где V0 – начальная скорость торможения, м/с; Т2 – время запаздывания срабатывания тормозной системы, с; Т3 – время нарастания замедления автомобиля, с.

Дифференцированные значения времен Т1, Т2, Т3 и замедления jуст в зависимости от сложности дорожно-транспортной ситуации, конструктивных особенностей той или иной тормозной системы, транспортно-

1232

эксплуатационных качеств дорожного покрытия приведены в специальных таблицах [2] и используются автотехником-экспертом для решения поставленных перед ним задач.

Возникает естественный вопрос – на основании каких допущений или предположений появилась эта приведенная формула. Рассмотрим изменение замедления j и скорости V по времени в процессе торможения автомобиля вплоть до его полной остановки (рис. 1, 2).

Рис. 1. Изменение замедления j по времени

Рис. 2. Изменение скорости V по времени

Делается первое допущение – давление в тормозном приводе растет синхронно на всех осях автомобиля и, соответственно, рост замедления автомобиля чаще всего аппроксимируется линейной зависимостью. Замедление j за время T3 возрастает от 0 до jуст и описывается зависимостью

j -	jуст	t ,	(2)
	T3

Последовательность дальнейших действий такова. Проводим среднюю линию EDF в треугольнике ∆ABC, «нижний » катет AC равен T3, соответственно, AE = EC = 0,5T3. Площади треугольников ∆ADE и ∆DFB равны.

1233

Делается следующее предположение – процесс торможения автомобиля проходит таким образом: за время T1 + T2 + 0,5T3 автомобиль движется с постоянной скоростью V0, а в момент T1 + T2 + 0,5T3 замедление мгновенно возрастает до jуст и в дальнейшем процесс торможения автомобиля вплоть до его полной остановки идет с этим постоянным замедлением.

В этом случае SОСТ будет равен площади прямоугольной трапеции SONKM, которая состоит из площади прямоугольника ONKL и площади треугольника ∆KLM (рис. 2).

V ( T

0,5T

)

V T

(3)

KLM

ОСТ

ONKM

0 1

2 0 Э.Т.

где ТЭ.Т. – время торможения с постоянным замедлением jуст

j		VН VК	V0	;T	V0	.	(4)
	уст
		TЭ.Т.	TЭ.Т	Э.Т.	jуст

Подставляя (4) в (3) получаем формулу (1), традиционно широко используемую во многих задачах АТЭ.

Оценим насколько правомочны сделанные допущения при расчете SОСТ. Для проверки второго предположения разобьем весь процесс торможения на три стадии (рис. 2)

0,при t T

;

jуст

t ,при T T

t T

;

уст

,при t

T .

На первой стадии все достаточно просто

(5)

dV	0;V ( t )	V	сonst

dt	1	0

где V(t)1 – текущая скорость движения в момент времени t,

S1 V0(T1 T2 ) ‒ площадь прямоугольника ONGH (рис. 2). На второй стадии

dV jуст t, dt T2

(6)

V ( t )

уст

dV V ( t )

tdt

V ( t )

jуст

t 2 ‒ текущая скорость торможения автомобиля в мо-

2T3

мент времени t на второй стадии.

В конце стадии t = T3 (точка R на рис. 2)

1234

уст

2 V

2К

Находим площадь фигуры HGQRD – путь,

на второй стадии

у ст

V ( t )

)dt

j	T
	уст	2	,
	2		,
	2

пройденный автомобилем

		j	у ст	t 2	T
V	t		у ст		3
V	t				3
0		6T			0
		6T			0
			2			(7)
						(7)

		j	T	2
		j	T
V T			у ст 3		.
V T					.
0	3		6

На заключительной третьей стадии

j jуст

сonst

‒ равнозамедленное движение.

Пусть S3, пройденный на этой стадии путь, равен площади треугольника ∆RPM

		2		(V	jустT2	)2	2				2

			V2К	0	2			V0		V0T2	jT3
S	2											,	(8)

			2 j		2 j			2 j	2		8

Суммируя (6), (7), (8), окончательно получаем формулу для определения остановочного пути автомобиля S'ОСТ по уточненному варианту

																			j	T			2		V	2
																			j	T						2
S			S		S			S		V	( T T			) V T						у ст		3
S			S		S		2	S	3	V	( T T			) V T											0
	ОСТ		1				2		3	0		1	2			0		2		6					2 j
																				6					2 j
	V T			jT		2										V		2	j	T		2
						2												2	j	T
							V		( T T			0,5T			)					у ст	3			.
	0	3			3		V		( T T			0,5T			)		0							.
	2				8			0		1	2		3			2 j				24
	2				8											2 j				24

(9)

Из сравнения остановочных путей по традиционному и уточненному

j	T		2

вариантам видно, что разница между ними составляет величина	уст	3		.
	24

Геометрически эта дельта равна площади фигуры GKRQ. Оценим эту величину. Для легковых автомобилей категории N1 для сухого асфальто-

бетона jуст = 6,8 м/с2, Т3 = 0,35 с.

jустT32	6,8 0,352
		0,035 м.
24	24

Для более низких коэффициентов сцепления эта величина и того меньше. Для грузовых автомобилей, оснащенных пневматической системой, эта дельта несколько выше за счет несколько больших значений времени срабатывания тормозного привода (T3 = 0,6 c), но в любом случае не превышает 0,09 м. А это подтверждает правомочность сделанного второго предположения и возможность применения формулы (1) для определения остановочного пути автомобиля по традиционному варианту. Хотя и рас-

1235

чет SОСТ по уточненному варианту не может вызывать сколь-нибудь серьезных дополнительных технических трудностей. Следует также отметить, что это предположение используется и при выводе других основополагающих формул автотехнической экспертизы ДТП.

Проверка первого допущения о синхронности повышения давления в тормозном приводе на всех осях автомобиля требует создания более мощного математического аппарата, изучения всех нюансов данного процесса. Но это дело следующих исследований.

Список литературы

1.Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств / А.С. Литвинов, Я.Е. Фаробин. – М.: Машиностроение, 1989. – 240 с.

2.Экспертиза дорожно-транспортных происшествий в примерах и задачах : учеб. пособ. (гриф). Доп. УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов / Комаров Ю.Я., Ганзин С.В., Жирков Р.А., Клепик Н.К., Комаров Д.Ю.. - М. : Горячая линия – Телеком, 2012. -

290 с.

В. Ф. Макеев, магистрант О. А. Трифонов, кандидат технических наук, профессор

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Оптимизация парка машин нефтедобывающего предприятия при эксплуатации месторождений

Технологический транспорт и специальная техника на автомобильном

итракторном шасси занимают лидирующие позиции в процессах строительства, эксплуатации и ремонта скважин. На сегодняшний день общие транспортные издержки составляют в различных и нефтяных компаниях от 30 до 60 % всех затрат на производство. Все это подчеркивает важность проблемы снижения транспортных затрат. Также очень часто спецтехнику «оставляют в тени», относят к «второстепенной». Этим можно объяснить

иотсутствие учебной, справочной, нормативной литературы, которая позволяет обосновать количество применяемой техники, обеспечивать грамотную ее эксплуатацию, рационально организовывать техническое обслуживание и ремонт специальных агрегатов и транспорта. Простои подразделений бурения, нефтедобычи и ремонта скважин из-за отсутствия спецтехники продолжают оставаться высокими и занимают одно из первых мест среди других причин. В подобной ситуации попытки улучшить отдельные количественные показатели транспортного обслуживания основного производства не могут дать желаемого эффекта. Необходимо качественное совершенствование всей системы транспортного обслужива-

1236

ния. Это требует глубокого изучения проблемы на основе системного анализа и проведения не только параметрической, но и структурной оптимизации системы. Конечный результат оптимизации структуры парка машин может быть достигнут с помощью математического аппарата [3].

Известно, что максимальную производительность однотипного подвижного состава можно получить на том маршруте, где будут минимальные затраты времени. Однако критерий, по которому находят оптимальное решение, определяется не только затратами времени, а той целью, которую необходимо достигнуть при решении задачи оптимального варианта проезда. Наиболее часто в качестве критерия принимается минимум суммарного пробега, так как при одинаковых условиях движения на всех участках маршрута план, оптимальный по пробегу, будет оптимальным по затратам времени и стоимости. В автотранспортном предприятии (АТП) далеко не всегда имеются в наличии транспортные средства, которые согласно изложенной методике выбора подвижного состава следует применять для перевозок грузов. Поэтому приходится решать задачу оптимального распределения по маршрутам имеющегося подвижного состава. Необходимость в решении задачи может возникать ежесуточно в связи с изменением условий эксплуатации или в зависимости от той цели, которую необходимо достичь.

Чтобы разобраться в поставленных целях, ниже будет приведен пример задачи, основывающийся на линейном программировании [1].

Пример

Автотранспортное предприятие должно отправить некоторое количество техники с трех автобаз на пять месторождений. На автобазах имеется соответственно 15, 25, 20 единиц специальной техники, а для пяти месторождений требуется соответственно 20, 12, 5, 8 и 12 единиц спецтехники. Стоимость услуги одной спецтехники (в условных единицах) с автобазы на месторождение приведена в таблице [1, 2].

Автобаза		Месторождение
Автобаза	S1	S2	S3	S4	S5
	S1	S2	S3	S4	S5
W1	1	0	3	4	2
W2	5	1	2	3	3
W3	4	8	1	4	3

Как следует спланировать отправку спецтехники для минимизации стоимости? Пусть Xij ‒ количество спецтехники, отправляемой с автобазы на месторождение. Ясно, что Xij ≥ 0, и в силу ограничений на возможности поставки с автобазы (предложение) и спрос месторождениях они удовлетворяют следующим условиям:

X11+X12+X13+X14+X15 = 15

X21+X22+X23+X24+X25 = 25

1237

X31+X32+X33+X34+X35 = 20

(для предложения)

X11+X21+X31 = 20 X12+X22+X32 = 12

X13+X23+X33 = 5 X14+X24+X34 = 8

X15+X25+X35 = 15

(для спроса). Стоимость равная:

С = X11 ‒ 0X12+3X13+4X14+2X15+5X21+…+4X34+3X35

должна быть минимизирована при этих ограничениях.

Эта задача является задачей линейного программирования, но специального вида. В частности, коэффициенты в ограничениях принимают значения 0 или 1, а каждая переменная входит только в два ограничения. На первый взгляд может показаться, что ограничения в виде равенств, определяющих предложение, должны быть заменены на ограничения в виде неравенств со знаком «≤», а ограничения в виде равенств, определяющих спрос на ограничения в виде неравенств, ‒ со знаком «≥». Однако, поскольку суммарный спрос равен сумме поставок, во всех случаях должно выполняться равенство. Заметим также, что сумма по первым трем ограничениям дает тот же результат, что и сумма по последним пяти ограничениям. Поскольку независимых ограничений только 7, а не 8, следовательно, базисное допустимое решение и оптимальное решение будет содержать 7 ненулевых значений Xij. Эти результаты обобщаются на транспортную задачу с т пунктами производства и объемами производства аi (i = 1, 2, . . . , т ), и п пунктами потребления и объемами потребления bj (j =1,..., n), где

m		n
i		i
a		b
i 1		j 1

(1)

Если с ‒ стоимость услуги одной единицы техники из пункта производства i в пункт потребления j, то задача заключается в нахождении хij ≥ 0, удовлетворяющих соотношениям

X11 + X12 + …+ X1n = a1
X 21 + X 22 + …+ X 2n = a2
X 21 + X 22 + …+ X 2n = a2
............................................

X m1 + X m2 + …+ X mn = am	,	(2)
X11 + X12 + …+ X1m = b1	,	(2)
X11 + X12 + …+ X1m = b1
X 21 + X 22 + …+ X 2m = b2
X 21 + X 22 + …+ X 2m = b2
............................................
X1n + X 2n + …+ X mn = bn
X1n + X 2n + …+ X mn = bn
1238

минимизирующих функцию

С = с11 х11 + с12 х12 +… + сmn хmn..

Удобнее не рассматривать ограничения, а работать с массивом транспортных данных в виде, приведенном ниже. Следует разместить неотрицательные переменные в клетках таким образом, чтобы суммы по строкам и столбцам совпадали с указанными правыми частями ограничений в виде равенств примера 1 и чтобы сумма произведений этих переменных на стоимости была (указанные в правом нижнем углу каждой клетки) минимальна. Приведенный на рисунке массив соответствует данным примера 1.

1	0	3	4	2	15
5	1	2	3	3	25
4	8	1	4	3	20
20	12	5	8	15

Рисунок. Массив для примера

Переход к общему случаю очевиден.

Представляя данные в таком виде, легко построить первое базисное допустимое решение задачи. Это можно сделать по правилу «самая дешевая услуга реализуется первой». Поскольку задача состоит в минимизации общей стоимости, находим наименьшую стоимость во всех клетках: 0 в строке 1, столбце 2 и присваиваем переменной X12 значение 12 (наименьшая из сумм по строке и столбцу) Теперь столбец 2 можно удалить, уменьшив сумму по строке на 12, т. е. заменив ее на 3. Потом та же процедура применяется к полученному массиву:

1	12		3	4	2	3
	0
5		1	2	3	3	25
4		8	1	4	3	20
20	12		5	8	15

Затем переменной Х11 присваивается значение 3 (или переменной Х33 ‒ значение 5), удаляется строка 1, сумма по столбцу 1 заменяется на 17 и осуществляется переход к следующему массиву и т. д. После того как последней переменной присвоено значение, суммы по всем строкам и столбцам будут равны 0. Таким образом, получается решение:

3		12					3
	1			3	4	2
		0
5			1	2	3	3	25
4			8	1	4	3	20
17	12			5	8	15
				1239

(значения переменных находятся в левых верхних углах клеток) с семью приводимыми ниже базисными переменными. Остальные переменные равны 0. Для общего массива для m строк и n столбцов получаем m+n‒1 переменных

3		12
	1						3
		0		3	4	2
2					8	15
	5		1				25
				2	3	3
15				5
	4		8				20
				1	4	3
17	12		5		8	15

Полная стоимость, соответствующая этому решению:

С=3×1+12×0+2×5+8×3+15×3+15×4+5×1=147 у. е.

Затем можно попробовать улучшить это решение, уменьшив стоимость С. Пусть Сsr имеет наименьшее значение из всех Сij. Положим Xsr равным наименьшей величине из as и br. Если этой величиной будет as, то удалим строку s, заменим br на br‒as и применим вышеописанную процедуру к оставшемуся массиву. Полученное таким образом базисное решение будет содержать m+n‒1 базисных переменных, и каждая из этих переменных Xij будет задаваться соотношением

X		a		b
ij		p		q

по некоторым строкам p и некоторым столбцам q

Таким образом, можно отметить, что изложенным методом можно решать и другие транспортные задачи. Например, можно определить минимальное число автомобилей, необходимое для перевозки запланированного количества грузов. Для этого нужно отбросить ограничения по количеству автомобилей и ввести расчет по изложенной схеме до тех пор, пока не будет вывезен весь запланированный груз.

Список литературы

1.Банди, Б. Основы линейного программирования: Пер.с англ. - М. Радио и связь, 1989. ‒ 176 с.

2.Бронштейн, И. Н., Семендяев, К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов ‒ М.: Наука, 545 с.

3.Неелов, Ю.В., Данилов, О.Ф. Специальная автомобильная и тракторная техника в нефтяной и газовой промышленности/Справочник (под редакцией Данилова О.Ф.). Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2001. ‒ 456 с.

1240

В. А. Пенской, магистрант А. В. Победин, кандидат технических наук, профессор

Волгоградский государственный технический университет

Адаптивная подвеска универсального многоцелевого трицикла

Вработе рассматривается конструкция задней подвески трицикла 2-мя задними ведущими колѐсами. Подвеска на продольных рычагах соединѐнных поперечным рычагом-стабилизатором.

Трицикл – транспортное средство, представляющее собой мотоцикл с двумя передними или задними колѐсами. Относительно мотоцикла, трицикл обладает лучшими параметрами устойчивости при прохождении поворотов, а также на покрытии с недостаточными сцепными характеристиками. В некоторых конструкциях подвески трициклов реализуется возможность крена остова к центру поворота при большой скорости движения, тем самым увеличивая устойчивость к опрокидыванию в повороте под действием центробежной силы инерции, как при вождении мотоцикла. При этом трицикл движется на трѐх опорах, поэтому, при временной потере сцепления колеса, идущего по внешнему радиусу, не произойдѐт потери устойчивости и опрокидывания транспортного средства.

Эта концепция выбрана для изучения и реализации в данной работе Подвеска трицикла должна быть достаточно простой и компактной,

для того чтобы поместить еѐ в требуемые габариты. Также, она должна быть легкой, так как небольшая масса и размер являются преимуществом данного вида ТС.

Подвеска на продольных рычагах сравнительно проста и часто применяется на переднеприводных автомобилях в качестве задней подвески. Если оси качания продольных рычагов параллельны плоскости дороги, то при ходах сжатия-отбоя колес не происходит никаких изменений колеи, развала и схождения. Лишь база незначительно увеличивается.

Вданной работе рассматривается трицикл с двумя задними ведущими колѐсами. Задняя подвеска на продольных рычагах.

Кинематической особенностью подвески для выбранной концепции является необходимость создания крена остова трицикла к центру поворота на большой скорости и осуществления взаимосвязи относительных перемещения колес при крене трицикла.

Ввыбранной конструкции подвески с каждой стороны трицикла имеется расположенный в направлении движения продольный рычаг с поворотной опорой на поперечине подвески. Продольный рычаг должен воспринимать силы во всех направлениях и испытывать высокие нагрузки на изгиб и кручение, тем не менее, под воздействием вертикальных и боковых сил развал и схождение не должны изменяться. В такой схеме подвески можно осуществлять большие смещения колес в вертикальном направлении для создания крена остова трицикла к центру поворота.

1241

Связь взаимных перемещений рычагов реализуется с помощью поперечного качающегося рычага-стабилизатора, расположенного перпендикулярно продольным рычагам. Поворотная опора этого рычага располагается на определѐнной высоте. Поперечный рычаг соединѐн с продольными рычагами через пружинные амортизаторы. Амортизаторы связаны с продольным и поперечным рычагами с помощью шаровых шарниров. При такой взаимосвязи рычагов происходит обоюдное смещение колес в вертикальном направлении одинаковое по величине, но разное по направлению (рис. 1).

Крен осуществляется к центру поворота. При этом координата центра тяжести системы «трицикл-водитель» (в дальнейшем «система») смещается к центру поворота, вследствие чего увеличивается плечо силы тяжести, действующей на центр тяжести системы. Момент силы тяжести в такой схеме является величиной, препятствующей опрокидыванию ТС. Следовательно, увеличение плеча действия силы тяжести ведѐт к повышению устойчивости и безопасности ТС.

При первичных расчѐтах использованы следующие значения параметров и расчѐтная схема (рис. 1, табл. 1).

Таблица Параметры для расчёта

Снаряженная масса, m, кг	500

Поперечная база, b, мм	1000

Максимальный угол крена, α, градусы	35
Диаметр колеса, Dk, мм	630

1242

Рис. 1. Расчетная схема

Условие устойчивости к опрокидыванию в повороте. Сумма моментов всех сил относительно точки касания

са, идущего по внешнему радиусу равна нулю:						l
M	x	0 F	с l	F	h R	l
	x	т	1	цб	2	1
			1			1

	с опорой коле-
l	2	.
	2

Рассмотрим граничное положение отрыва от опоры колеса идущего по внутреннему радиусу поворота.

Тогда,

c l

0 F

цб

c l

цб

m v

FT m g ,

Fцб

Условие устойчивости по коэффициенту сцепления.

Рассмотрим граничное положение отрыва от опоры колеса идущего по

внутреннему радиусу.
Тогда	R2 0
	F F		F	F	0
	x	цб	тр1	тр2	,
					,
	F	R ,
	тр

где φ – коэффициент сцепления, R – реакция колеса в точке опоры.

Если R2 0 , то весь вес машины приходится на опору, идущую по большему радиусу

1243

Fцб Fтр1 .

Определим реакции колес.
F	F		R R				0
y		T		1	2			,
								,
F		F		R	0
	y		T	1			,
							,
	R	F		m g
	1		T			.
						.

Эффективность конструкции приближѐнно можно оценить из графической зависимости.

Для сравнения рассмотрим два положения трицикла (рис. 1) при прохождении поворота радиусом R = 50 м. Первое положение – при невозможности осуществления крена остова, второе – при крене остова (максимально возможном) (рис. 2).

Полученный график показывает увеличение показателей устойчивости трицикла при применении предложенной конструкции задней подвески.

Кривые 1 и 2 показывают возрастание опрокидывающего момента центробежной силы инерции, действующего на конструкцию с наклонившимся к центру поворота остовом и не наклонившимся соответственно. Линии 3 и 4 показывают уравновешивающий момент силы тяжести действующий на конструкцию с наклонившимся к центру поворота остовом и не наклонившимся соответственно.

В точках пересечения кривых 1 и 3 и 2 и 4 происходит отрыв колеса, идущего по внутреннему радиусу. По заданным выше граничным условиям получим максимальную скорость при прохождении заданного поворота. Из графика видно, что при крене остова трицикла ( кривые 1 и 3) допустимая скорость прохождения заданного поворота больше на 45%.

М,Н м

V,м/с

Рис. 2. Показатели поперечной устойчивости трицикла

Таким образом, применение задней подвески трицикла выбранной схемы позволяет повысить поперечную устойчивость, а значит безопасность этого транспортного средства.

1244

Список литературы

1.Раймпель, Й. Шасси автомобиля: элементы подвески. Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1987. ‒ 288 с.

2.Раймпель, Й. Шасси автомобиля: конструкции подвесок. Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1983. ‒ 356 с.

3.Мамити, Г.И., Льянов, М.С., Плиев, С.Х., Гагкуев, А.Е. Потеря устойчивости колесной машины на повороте // Вестник машиностроения, 2007, № 12. ‒ C. 29‒30.

4.Гагкуев, А.Е. Формирование устойчивости трицикла на стадии проектирования // Материалы международной НПК молодых ученых и аспирантов. Владикавказ, 2008. ‒ C. 90‒91.

Е. С. Петрова, магистрант И. В. Батинов, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Разработка математической модели процесса обработки отверстия малого диаметра сборочного узла электромеханического усилителя рулевого управления

Применение процесса дорнования при отделочной обработке отверстий малого диаметра позволяет достичь высоких требований точности и качества. Обработка не технологичных отверстий малого диаметра сборочных узлов является мало изученной. К таким отверстиям можно отнести отверстие под штифт электромеханического усилителя руля (ЭУР). Обработка таких отверстий является сложной так как вследствие разности физико-механических свойств деталей, входящих в сборочный узел, точность отверстия после обработки не равномерна по глубине [1].

Для описания неоднородных конструкций, состоящих из нескольких конструкций, широко применяется метод конечных элементов. Главной идеей данного метода является моделирование конструкции путем разбиения ее на конечные элементы. Поведение всей конструкции при этом задается отдельным набором функций для перемещения и напряжений, действующих на конечный элемент [2].

Рассматриваемую в данной работе задачу можно отнести к расчету осесимметричного тела. Осесимметричный конечный элемент имеет форму кольца постоянного поперечного сечения. При рассмотрении напряженного состояния поверхностного пластического деформирования отверстия сборочного узла ЭУР в качестве конечного элемента будем использовать осесимметричный элемент с треугольным поперечным сечением. Данный элемент по сравнению с классическими решениями обеспечивает высокую точность [2].

На рис. 1 представлена схема обработки отверстия. Сборочный узел

1245

состоит из кольца, рулевого вала и торсиона. Соотношения для перемещений и сил для охватывающей и охватываемых деталей принимают вид связанных систем уравнений. Затем формируются начальные матрицы жесткости элементов [k1], [k2] [3].

F1 k1 u1		(1)
F2 k2	u2	(2)
F3 k3	u3	(3)

где {F}‒ вектор-столбец сил; [k] ‒ матрица жесткости элемента; {u}‒ век-

тор-столбец перемещений.

Индекс 1 соответствует кольцу, индекс 2 ‒ валу, индекс 3 ‒ торсиону.

Рис. 1. Схема обработки отверстия сборочного узла.

Осесимметричные задачи являются частным случаем пространственной, удобно при их рассмотрении использовать соотношения для плосконапряженных элементов. Исходя из данных условий соотношения напряжений и деформаций для случая осесимметричного треугольного элемента принимают вид [2]:

	r		r




		E

	z		z



rz			rz	(4)

где {σ} ‒ вектор-столбец напряжений; [Е] ‒ матрица механических характеристик материала; {ε} ‒ вектор-столбец деформаций.

Матрица механических свойств материала для упругого изотропного материала принимает вид [2].

1246

		1		0	0		0
				1	0		0
E	E

	1	2			1
1							0
						1	2
			0	0	0

							2

(5)

Чаще всего моделирование процесса дорнования рассматривает обработку деталей с постоянной толщиной стенки, однако данные зависимости не могут использоваться при рассотрении обработки не технологичного отверстия с неравномерной стенкой. При математическом моделировании обработки отверстия сборочного узла ЭУР, поверхность обработки разбивалась на семь участков. Участки 1, 2, 3 равны участкам 7, 6, 5 соответственно, поэтому все зависимости будут приводится для 1, 2, 3 участков. При рассмотрении участков 1 и 7 используются зависимости для деталей с тонкой стенкой. Наиболее важным параметром, для обеспечения заданной точности размера, является остаточная радиальная деформация, которая может быть определена по формуле [4]:


																									2																					mк
																	Tк							R r1 1									1							N Eк
																	Tк							R r1 1									1							N Eк
							N / 2								3			E								2					2		m		2							к					1			1
							N / 2								3			E			к					2		r			2		m	к	2		3				r (1			)			1			1
																					к			R				r						к				Tк 1
																														1
														2
													Nr1									; при					0 R R2 ;
									2 ( R2 r									2 )				; при					0 R R2 ;
									2 ( R2 r									2 )
																1							r1 1																									mвал

																						2
																			R										вал			1									N Eвал
																			R													1									N Eвал
			N / 2						3				Tвва																																						1		1
			N / 2						3																																										1		1
												Eвал												2	r			2				m вал				2			3		r		1		вал
																						R			r																Tвва	1			вал
																											1
U	ост					Nr			2
	ост					Nr			2
								1						; при								R2 R					R3
						2					2			; при								R2 R					R3
						2		r			2
				2 R				r

										1																																							mтор
																				2																													mтор
											Tтто						R					r1 1											1								NE		тор
																						r1 1																			NE
																											тор
		N / 2					3																																													1		1
		N / 2					3																																													1		1
										Eтор														2			2											3
										Eтор														2	r		2					mтор				2		3				r (1 тор )
																					R				r																Tтто		1
																										1
																										1
						2
				Nr1
												; при						R R4
					2				2			; при						R R4
					2	r			2
			2 R			r
																																																							(6)
								1																																															(6)

где R ‒ наружный радиус заготовки; σт ‒ предел текучести материала заготовки; E и μ ‒ коэффициент Пуассона, и модуль упругости материала заготовки; r1 ‒ внутренний радиус заготовки.

После определения остаточной радиальной деформации можно определить наибольший диаметр отверстия в заготовке, обработанной дорнованием [4]:

dd dзаг 2 Uост

(7)

Для формирования граничных условий обработки необходимо опредилить контактное давление в очаге деформации [4].

1247

;

0 R R

l sin

fcos

кол

Tкол

N Eкол

кол

;

R R

6 R

(1 кол )

кол

Tкол 1

кол

вал

N Евал r

Tвал

N Eвал

;

R R

r 1

вал

6 R

(1 вал )

вал

Tвал 1

тор

Етор r

N E

Tтор

;

при

6 R

)

mтор

тор

Tтор 1

тор

(8)

Для определения осевой силы дорнования воспользуемся выражением для осевой силы при дорновании с жидкостным трением, выведенного энергитическим методом баланса работ, поэтому оно обеспечивает наиболее полный учет силовых условий деформации[4].

HB t

;

0 R R

lnA

lnA lnA ;

R R R

(9)

где ρT ‒ радиус границы, разделяющей упругую и пластическую области заготовки; α ‒ угол переднего конуса инструмента; f ‒ коэффициент трения по нормальному давлению.

Параметр А и ρT определим по формулам [4]:

				r
				r
A			Т	1
A		r		N		/ 2
		r		N	д	/ 2
	T		1		д

		N	Д	E r
						1
T						1
	2	3			T

(10)

(11)

Предложенная математическая модель позволяет определять основные важные параметры обработки нетехнологичных отвестий с неравномерной стенкой в сборочных узлах.

Список литературы

1.Проскуряков, Ю.Г., Романов, В.Н., Исаев, А.Н. Объѐмное дорнование от-

верстий. – М.: Машиностроение, 1984. ‒ 223 с.

2.Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер с анг. ‒ М.: Мир,

1984. – 428 с., ил.

1248

3.Клованич, С.Ф. Метод конечных элементов в нелинейных задачах инженерной механики. 9-й выпуск. ‒ З.: ООО «Запорожье», 2009. – 400 с.

4.Янченко, И.И., Тарасов, В.В., Сивцев, Н.С. Технологические основы обра-

ботки точных отверстий дорнованием: В 2 ч. ‒ Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2002. ‒ Ч. 1: Теория управления контактно-кинематическими условиями при дорновании. ‒ 138 с.

Р. С. Садыков, студент

А. А. Макушин, кандидат технических наук, доцент Филиал «Казанского (Приволжского) федерального университета»,

г. Набережные Челны

Изменение технического состояния элементов маховика дизельного двигателя

Эффективность работы автомобильного транспорта базируется на надежности подвижного состава, которая обеспечивается в процессе его производства, эксплуатации и ремонта.

Автомобиль состоит из большого количества деталей, узлов и механизмов. В процессе выполнения транспортной работы значительная часть деталей изнашиваются и теряют свои свойства. Итогом является снижение надежности деталей узлов и механизмов, и снижение надежности автомобиля в целом.

Кроме того, износ узлов и деталей, нарушение регулировочных параметров влияет не только на изменение технического состояния автомобиля, приводящее к ухудшению скоростных и экономических показателей, но и увеличивает его отрицательного воздействия на окружающую среду.

Для поддержания работоспособности автомобиля в целом проводят ремонтно-восстановительные мероприятия.

Ремонтом обеспечивается восстановление и поддержание работоспособности подвижного состава автомобильного транспорта, устранение отказов и неисправностей, возникающих в процессе эксплуатации или выявленных при техническом обслуживании. При ремонте осуществляют замену неисправных агрегатов, узлов (сборочных единиц) и деталей исправными, взятыми из оборотного фонда. Также проводят разборочные, регулировочные, сборочные, слесарные, механические, сварочные, электромеханические и другие виды работ.

Перед проведением ремонта двигателя, агрегата или узла проводится их разборка, а потом дефектовка.

Дефектовка – это фактически оценка технического состояния элемента: годные детали будут установлены обратно в механизм, негодные детали заменятся на новые, а требующие восстановлению детали отправят на ремонт.

Рассмотрим один из важных узлов двигателя автомобиля – маховик

1249

коленчатого вала, которому не уделяется должное внимание при выполнении восстановительных работ, считая что данный механизм не изнашивается.

Сцепление – это устройство для передачи крутящего момента от двигателя, обеспечивающее его подачу и выключение, и плавное переключение передач автомобиля.

Задача сцепления – контролируемо передавать крутящий момент от двигателя к коробке передач.

Сцепление должно быть рассчитано таким образом, чтобы соединение (включение) и разъединение (выключение) было плавным и могло происходить постепенно.

Маховик – цельный, отлитый из серого чугуна СЧ 21…40. Зубчатый обод и втулка выполнены из материала сталь 35.

Рис. 1. Маховик: 1 ‒ маховик в сборе; 2 ‒ обод зубчатый маховика; 3 ‒ манжета в сборе; 4 ‒ кольцо пружинное упорное; 5 ‒ втулка установочная;

6 ‒ сухарь отжимного рычага сцепления; 7 ‒ маховик; 8 ‒ втулка установочная

Маховик можно отнести сразу к нескольким системам двигателя, так как в интересах этих систем он выполняет отдельные функции:

−снижение неравномерности вращения коленчатого вала (маховик ‒ конструктивный элемент кривошипно-шатунного механизма);

−передача крутящего момента от двигателя к коробке передач (маховик – ведущий диск сцепления);

−передача крутящего момента от стартера на коленчатый вал двигателя (маховик – ведомая шестерня редуктора системы запуска).

Маховик крепится в торце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника восемью или шестью болтами.

1250

Рис. 2. Крепление маховика на коленчатый вал

Маховик передает крутящий момент на ведущий диск благодаря зацеплению шипов диска в пазах маховика. Соответственно при эксплуатации возникает износ, как пазов маховика, так и шипов ведущего диска.

Маховик подвергается высоким температурам благодаря трению с ведомым диском. В результате повышается износ торца, появление трещин, происходит изменение в массе, приводящих к изменению инерционных моментов, нарушается балансировка маховика.

При высоких динамических нагрузках не выдерживают резьбовые соединения маховика с кожухом сцепления. В результате происходит срез резьбы, выпадение болтов, повышенное трение маховика о кожух.

Рис. 3. Изношенные пазы с резьбой

При попадании влаги или масляных паров на поверхность детали про-

1251

исходит химическое взаимодействие, что приводит к коррозии металла. Коррозия приводит к быстрому отделению частиц металла с поверхности детали. Частицы работают как абразив, которые приводят к появлению рисок на маховике.

Рис. 4. Действие коррозии на маховик

Обод маховика так же подвергается износу.

Рис. 5. Обод с признаками износа

1252

В зоне зацепления зубьев обода с зубчатым колесом стартера в результате трения происходит стирание поверхностей, что приводит к излому зубьев. Зубчатый венец стартера проворачивается без зацепления, маховик не приводится в круговое движение, вследствие чего двигатель не заводится.

Технические условия на контроль, сортировку и восстановление маховика

Рис. 6. Маховик

Таблица. Виды дефектов

Контролируемые параметры	Действия	Приборы для измерения
Уложить деталь торцом Г (рис. 6) на приспособление с центрированием по отверстию Д
Наличие прижогов, термических трещин	На ремонт	Визуально
на фрикционной поверхности
Размер 1 менее 113,04	Браковать	Штангенглубиномер ГОСТ
		162
Износ пазов 2 под шипы ведущих дисков	На ремонт	Нутрометр 50-100 ГОСТ
более размера 60,2		868
		Концевые меры ГОСТ 9038
		Набор принадлежностей к
		мерам длины ГОСТ 4149
Облом шипов маховика 3	Браковать	Визуально
Забоины на поверхности П	На ремонт	Визуально
Износ отверстий 4 под установочные	На ремонт	Нутрометр 10-18 ГОСТ 868
штифты более диаметра 12,18 мм		Концевые меры ГОСТ 9038
		Набор принадлежностей к
		мерам длины
Износ зубьев обода зубчатого	На ремонт	Микрометр зубомерный

Скол 5 зубьев обода зубчатого	На ремонт	Визуально

Износ, ослабление посадки, отсутствие	На ремонт	Визуально
сухаря 6 отжимного рычага
Ослабление посадки, отсутствие втулки	На ремонт	Визуально
установочной 7
Износ, срыв резьбы 8 (М10×1,25)	На ремонт	Пробка М10х1,25 -6Н

1253

		Окончание таблицы
Контролируемые параметры	Действия	Приборы для измерения
Износ, срыв резьбы 9 (М8-6Н)	На ремонт	Пробка М8х6Н
Износ, срыв резьбы 10 (М8-6Н)	На ремонт	Пробка М8х6Н

Трещины на шипах 11 по месту резьбо-	На ремонт	Визуально
вых отверстий М10×1,25 – 6Н и М8×6Н
Снять, переустановить маховик торцом Г вверх
Проверить размер отверстия Д, более	На ремонт	Нутромер 50-100 ГОСТ 868
диаметра 51,965 мм

В процессе эксплуатации сцепление испытывает колоссальные динамические нагрузки, что в дальнейшем приводит к нарушению работоспособности сцепления и его элементов. Возникают такие неисправности как: пробуксовка, запаздывание включения сцепления, наличие шума при работе и т. д. Все эти неисправности устраняются посредством ремонта. Однако, ремонту подвергаются в основном такие элементы сцепления, как ведомые и ведущие диски, гаситель крутильных колебаний, оттяжные рычаги, но не обращают внимание маховик. Изношенный маховик попросту заменяют новым.

Ремонт маховика осуществляют на ремонтных заводах, так как для восстановления требуются специальные сварные, токарные, фрезеровочные и балансировочные оборудования. Ремонтные мастерские редко могут себе такое позволить. Поэтому вместо восстановления маховик попросту меняют.

Но следует знать, что маховик пригоден к ремонту, этот процесс возможен и экономически целесообразен.

Д. В. Симонов, аспирант

А. В. Котовсков, кандидат технических наук, доцент

П. В. Потапов, аспирант Волгоградский государственный технический университет

Оценка адекватности действия механизмов распределения мощности колесной машины

Оценка адекватности действия механизмов распределения мощности, заключается в определении ошибки выполнения механизмом дифференциальной и распределительной функций.

Анализ работы механизма распределения мощности (МРМ), проводимый по соответствующей методике [1], позволяет построить на поле возможных реализаций условий движения (УД), представляющем собой набор точек с координатами As и Ap, где As ‒ асимметрия проходимых колесами ведущего моста путей, Ap ‒ асимметрия сил сопротивления на этих колесах при условии их равного буксования, дифференциально-

1254

распределительную характеристику конкретного механизма, представляющую собой зависимость асимметрии AM крутящих моментов на полуосях этого МРМ от асимметрии AV теоретических окружных скоростей колес, кинематически связанных с этими полуосями. Указанная характеристика дает возможность понять, как реагирует МРМ на заданныеУД. Соответственно совместное рассмотрение характеристик нескольких МРМ позволяет провести их сравнительный анализ. Однако дифференци- ально-распределительная характеристика только качественно определяет адекватность реакции механизма на конкретные условия движения машины, но не дает количественной оценки степени адекватности, то есть насколько точно выполняется та или иная функция. Для большинства МРМ упомянутая характеристика (индивидуальная для каждого механизма) представляет собой некую кривую, построенную на поле возможных реализаций УД. Точность работы механизмов при УД машины, задаваемых точками этого поля может быть различной. Поэтому необходимо для сравнительного анализа ввести параметры, которые позволят количественно оценить упомянутую точность.

Соотношение асимметрий As и AV характеризует точность выполнения межколесным МРМ дифференциальной функции, поэтому для количе-

ственной оценки этой точности введем параметр

, который

назовем ошибкой выполнения дифференциальной функции. Соотношение

асимметрий A	и	A	характеризует точность выполнения механизмом
P		M

распределительной функции, поэтому для количественной оценки этой точности введем параметр AP AP AM , который назовем ошибкой

выполнения распределительной функции. Ошибки

могут

быть определены для любой точки поля возможных реализаций УД, характеризующей условия движения (заданное соотношение асимметрий

), даже если с ней не совпадает точка дифференциально-

распределительной характеристики (соотношение параметров

и AM ,

получаемое в результате реакции МРМ на конкретные условия движения). Поскольку поле возможных реализаций УД представляется как совокупность точек в плоской системе координат, каждая из которых имеет свои координаты: одна отложена вдоль оси абсцисс и равна соответству-

ющей асимметрии	AS , а другая ‒ вдоль оси ординат и равна соответству-
ющему параметру	AP , то для ошибки выберем ось аппликат, по которой

для каждой упомянутой точки будем откладывать в одном случае соот-

ветствующий параметр

а в другом случае ‒

AP AP AM . В результате характеристика адекватности реакций МРМ

на заданные УД машины будет представлена в пространственной системе координат некой поверхностью из точек с координатами, отложенными по оси абсцисс и оси ординат, характеризующими конкретные УД, пред-

1255

ставленные асимметриями аппликат и равной ошибке

AS и	AP , и с координатой, отложенной по оси
AS	или ошибке AP , характеризующей точ-

ность выполнения конкретным МРМ соответственно дифференциальной или распределительной функций.

Для проведения анализа работы межколесных МРМ была создана математическая модель, реализованная в приложении «Simulink» программного комплекса «MATLAB». В основу математической модели положены уравнения равновесия крутящих моментов и моментов сил, приложенных к МРМ, и уравнения кинематических зависимостей, характерных для каждого из конкретных МРМ. Решение этих уравнений позволяет определять асимметрии AV и AM при задании в любом возможном сочетании

определенных значений параметров

, что позволяет вычислить в

итоге AS и AP . Используя данную математическую модель, был прове-

ден анализ простого и полностью заблокированного дифференциала. На рис. 1, 2 и 3, 4 представлены поверхности адекватности реакций данных МРМ, построенные из точек, каждая из которых соответствует определенной точке поля возможных реализаций условия движения, изображенной на каждом из рисунков в виде горизонтальной плоскости серого цвета.

Рис. 1. Поверхность адекватности реакций с ошибками простого дифференциала

1256

Рис. 2. Поверхность адекватности реакций с ошибками простого дифференциала

Рис. 3. Поверхность адекватности реакций с ошибками полностью заблокированного дифференциала

1257

Рис. 4. Поверхность адекватности реакций с ошибками	AP
полностью заблокированного дифференциала

Получающиеся в результате анализа некие поверхности наглядно

отображают изменение величин AS

и AP

при переходе от точки к точке

поля реализации условий движения, и поскольку высота по оси аппликат точек этой поверхности будет однозначно отражать точность выполнения дифференциальной и распределительной функций, то совокупное рассмотрение таких поверхностей для нескольких МРМ позволит сравнить их по точности реакций на заданные условия движения, представленные

точками поля с соответствующими координатами

Оценивая величины ошибок

и AP

с точки зрения их допустимо-

сти, можно выделить на поле возможных реализаций условий движения области, в которых выбранныймежколесный МРМ ведет себя достаточно адекватно.

Для идеального МРМ, адекватно реагирующего с ошибками AS иAP , равными нулю, на любые возможные условия движения, координа-

ты по оси аппликат точек, из которых строятся поверхности адекватности механизма, равны нулю, и поэтому эти поверхности полностью совпадают с плоскостью поля возможных реализаций условий движения машины.

Разработанная методика сравнительного анализа МРМ с количественной оценкой ошибки выполнения механизмом дифференциальной и распределительной функций позволяет на стадии разработки и проектирования новых МРМ делать вывод об их преимуществах и недостатках в сравнении c уже существующими механизмами.

Список литературы

1. Котовсков, А.В. Методика сравнительного анализа принципов блокирования межколесных механизмов распределения мощности / А.В. Котовсков, П.В. Потапов, Д.В. Симонов // Тракторы и сельхозмашины. ‒ 2011. ‒ №9. ‒ C. 20‒23.

1258

А. С. Табанакова, магистрант

Т. П. Чепикова, кандидат технических наук, доцент Чайковский технологический институт (филиал) ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

Влияние климатических условий на производственно-техническую базу автотранспортных предприятий

Исследование производственно-технической базы (ПТБ) является актуальным в северных районах, так как климатические условия требуют значительных изменений в так называемой пассивной части ПТБ – зданиях и сооружениях автотранспортных предприятий (АТП).

Вусловиях холодного климата к зданиям и сооружениям ПТБ предъявляются повышенные требования по сохранению тепла (теплопередачи конструкции). На удержание заданного температурного режима и создание комфортных условий труда влияют многие факторы: конструкции и капитальность зданий и сооружений ПТБ АТП; площади помещений ПТБ; типы и конструкции системы теплоснабжения и вентиляции [2].

Кроме того, в северных условиях интенсивность и условия эксплуатации изменяются в течение года в широких пределах, следствием чего является вариация потоков требований на проведение технического обслуживания (ТО) и ремонта (ТР). В то же время эти факторы недостаточно учитываются. Для устранения указанного недостатка необходимы специальные исследования [3].

На первом этапе исследований сформулированы следующие принципы:

− число постов ТО и ТР, площади зон зависят от количества и габаритов подвижного состава (ПС), условий и интенсивности его эксплуатации (наличие подъемников, подвесного подъемно-транспортного оборудования и др.).

− толщина стены (из определенных материалов) зависит от климатических условий района строительства.

− материал стен выбирается в зависимости от срока службы здания. − разные материалы стен имеют различное термическое сопротивление. − чем больше объем здания, тем больше затраты на его содержание и

отопление (при прочих равных параметрах).

− затраты на отопление зависят от климатического района строительства и теплопередающих свойств ограждающих конструкций.

Кроме того, выдвинута следующая гипотеза: оптимальные значения параметров ПТБ зависят от количества и свойств подвижного состава, природно-климатических условий, способа застройки, материала здания, системы теплоснабжения.

Всоответствии с поставленной целью и выдвинутой гипотезой предложена целевая функция: существуют такие значения параметров ПТБ,

1259

которым соответствуют минимальные суммарные затраты на строительство, отопление и обслуживание зданий для ТО и ТР автомобилей:

Зстр. + Зотопл. + Зобсл. → min,

где Зстр. – затраты на строительство; Зотопл. – затраты на отопление зданий и сооружений; Зобсл. – затраты на обслуживание и ремонт зданий и сооружений.

Далее устанавливались факторы, влияющие на компоненты суммарных затрат [1].

Затраты на строительство зависят от:

−площади зданий, которые в свою очередь, определяются среднесписочным количеством автомобилей, их габаритами, интенсивностью и условиями эксплуатации и другими факторами;

−района строительства (климатические условия);

−строительных материалов;

−капитальности зданий и сооружений;

−срока службы зданий и сооружений.

Затраты на отопление зависят от:

−климатических условий;

−теплового сопротивления ограждающих конструкций;

−системы отопления;

−вида отопительного оборудования;

−вида энергоносителя отопительной системы;

−цены энергоносителя.

Затраты на обслуживание и ремонт зданий и сооружений зависят от:

−капитальности зданий и сооружений, материалов;

−срока службы зданий и сооружений.

Затраты

Толщина стены

Рис. 1. Иллюстрация к целевой функции:

1 – затраты на строительство; 2 – затраты на обслуживание и ремонт зданий 3 – затраты на отопление; 4 – суммарные затраты

1260

На следующем этапе определена структура автотранспортного предприятия в соответствии с рис. 2. Система разбита на четыре подсистемы:

подсистема 1 «Внешние условия – площади зданий»; подсистема 2 «Внешние условия – затраты на строительство»;

подсистема 3 «Внешние условия – затраты на содержание и ремонт»; подсистема 4 «Внешние условия – затраты на отопление». Рассматриваемая система относится к сложным. Поэтому использова-

ние эмпирического подхода с целью связать входные параметры с выходными позволит найти только частное решение. Для описания работы системы с учетом изменения внешних факторов и внутренних параметров необходимо использовать имитационное моделирование.

Рис. 2. Структура автотранспортного предприятия (АТП)

1261

На основе результатов исследований разработать методику оптимизации параметров производственно-технической базы для технического обслуживания и ремонта автомобилей, использование которой позволит снизить суммарные затраты на строительство и содержание зданий для ТО и ТР автомобилей.

Список литературы

1.Воронов, В.П., Анискин, A.M. Оценка производственно-технической базы автотранспортных предприятий ‒ Учебное пособие М., МАДИ, 1988. ‒ 103 с.

2.Карташев, В.П. Развитие производственно-технической базы автотранспортных предприятий. ‒ М.: Транспорт, 1991. ‒ 151 с.

3.Кузнецов, Е.С., Курников, И.П. Производственная база автомобильного транспорта: Состояние и перспективы. ‒ М.: Транспорт, 1988. ‒ 231 с.

Э. Ф. Хамидуллин, аспирант

А. Т. Кулаков, доктор технических наук, профессор А. А. Макушин, кандидат технических наук, доцент

Филиал Казанского (Приволжского) федерального университета, г. Набережные Челны

Проблема ремонта коробки передач грузового автомобиля

Исследование изменений технического состояния элементов коробки перемены передач является актуальным в области транспортные системы. Значительная часть отказов (60…75 %) обусловлена закономерным изменением технического состояния элементов вследствие процессов изнашивания, усталости, коррозии [1].

Вавтотранспортных предприятиях, а так же в автоцентрах и ремонтных заводах фирменной системы КАМАЗа ведется сбор и анализ информаций об отказах и неисправностях автомобилей и их агрегатов [2]. Эта информация показывает, что коробка передач может иметь следующие отказы и неисправности:

Вэксплуатации автомобилей могут встретиться следующие дефекты деталей коробки передач:

− трещина в картере и его поломка при включении задней передачи − во время движения автомобиля передним ходом; − разрушение переднего роликового подшипника первичного вала;

− износ фиксатора механизма переключения передач; − разрыв диафрагмы редукционного клапана;

− нарушение регулировки положения упора клапана выключения делителя. Выполненный анализ показывает, что при пробеге автомобиля 300 тыс. км и более в коробках передач изнашивается первичный вал делителя передач, внутренний венец шестерни первичного вала основной коробки,

1262

детали синхронизатора переключения 4-й и 5-й передачи. Остальные детали при капитальном ремонте автомобиля пригодны для повторного использования. Количество годных деталей при разборке коробок передач в большой степени зависят от организации и технологии выполнения разборочных работ и соблюдения требований технических условий на разборку.

Наиболее характерные неисправности коробок передач и их приводов приведены в таблице.

Таблица Неисправности коробок передач

Неисправности	Признак неисправно-	Причина неисправности	Способ устра-
	сти		нения
Самовыклю-	Автомобиль	Неисправны фикса-	Заменить
чение	теряет скорость	торы механизма пе-	фиксаторы
передачи		реключения передач
	Двигатель	Ослабление крепле-	Крепление
	развивает	ния вилок переклю-	подтянуть,
	большие обороты	чения передач,	заменить
		износ сухарей	сухари
		Разрегулирован ди-	Отрегулиро-
		станционный привод	вать дистан-
			ционный
			привод
Передача не	Автомобиль не	Разрушение подшип-	Заменить
вкючается	трогается с места	ников шестерен вто-	неисправные
		ричного вала	детали
Включение	Автомобиль резко	Неисправно замковое	Заменить
передач одно-	останавливается,	устройство	неисправные
временно	двигатель глохнет		детали
Повышенный	Шум в коробке	Износ или поломка	Заменить
шум при рабо-	передач повышен-	зубьев шестерен;	неисправные
те коробки	ной тональности	Разрушены	детали;
передач		подшипники	Заменить
Повышенный	Ладонь при при-	Нет масла или	Долить
нагрев короб-	косновении не	его мало;	масло;
ки передач	выдерживает	Разрушение подшип-	Заменить
		ников шестерен или	неисправные
		подшипник валов	детали
Течь масла	Подтеки масла на	Износ или потеря	Заменить
при работе	картере или под	эластичности манжета	манжеты
коробки пере-	машиной	Повышенное давле-	Промыть
дач		ние в картере	сапун
		Нарушение	Подтянуть
		герметичности	крепежные
		по уплотняющим	детали или
		поверхностям	заменить
			прокладки

1263

Окончание таблицы

Неисправности	Признак неисправно-	Причина неисправности	Способ устра-
	сти		нения
При переклю-	Шум в коробке	Повышенное давле-	Отрегулиро-
чении передач	передач повышен-	ние в пневмосистеме	вать
происходят	ной тональности	управления	редукцион-
удары и звон-		делителем	ный клапан
кий шум в
делитель

Режим работы зубчатых редукторов трансмиссии характеризуется высокими нагрузками. Удельное давление на рабочих поверхностях зубьев шестерен достигает 3000 МПа. Кроме того, в них возникают большие динамические нагрузки, особенно при больших суммарных люфтах в зубчатых редукторах. В результате изнашиваются зубья шестерен, подшипники.

Ведущий вал делителя передач может иметь следующие дефекты: трещины или обломы, выкрашивание цементированного слоя на шлицах.

Рис. 1. При повреждении подшип-	Рис. 2. Износ зубьев шестерня 2-й
ника происходит износ шлицев	передачи вторичного вала
первичного вала
	Рис. 3. Износ крышки заднего
	подшипника первичного вала

Дефекты вторичного вала могут быть следующие: трещины или обломы, износ поверхности шеек под втулки и подшипники (под передний роликоподшипник, втулку шестерни 4-й передачи, роликоподшипник шестерни 3-й передачи, втулку шестерни заднего хода, задний шарикоподшипник), износ шлицевой части вала, срыв или износ резьбы под гайку крепления фланца карданного вала. Указанные дефекты валов и шестерен устраняют наплавкой.

Синхронизаторы 2 и 3, 4 и 5-й передачи и синхронизаторов делителя передач могут иметь следующие дефекты:

1264

−трещины или обломы на каретке синхронизатора;

−износ или облом зубьев каретки с торца ее включения;

−износ шлицев и зубьев каретки по толщине;

−износ внутренней поверхности конусного кольца;

−наволакивание металла на поверхность конусного кольца. Неисправные синхронизаторы заменяются, восстановление их не про-

изводится.

Таким образом, выполненный анализ показывают, что изнашивание деталей агрегатов автомобиля приводит к изменению геометрических форм деталей и повышает вероятность недопустимых повреждений деталей (задир поверхности, износ шлицев, поломки зубьев и другие), что является целью дальнейших исследований.

Список литературы

1.Азаматов, Р.А., Денисов, А.С., Кулаков, А.Т., Курдин, П.Г. Восстановление деталей силового агрегата КАМАЗ. ‒ 107 c.

2.Румянцев, С.И. Ремонт автомобилей. ‒ М.: Транспорт, 1981. ‒ 462 с.

М. В. Чучков, студент

Н. М. Филькин, доктор технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Исследование и выбор наиболее оптимального колесного движителя для транспортного средства высокой проходимости

Грузовые и технологические автомобили на шасси повышенной проходимости оказывают наиболее значительное разрушающее воздействие на человека и природу, так как именно они выполняют основные транспортные и технологические операции на полях, в лесах, на всевозможных грунтовых дорогах и в условиях бездорожья.

При эксплуатации таких транспортных средств на деформируемых грунтах образуются колеи глубиной 0,1 – 0,15 м, иногда на грунтах с низкой несущей способностью даже до 0,3 – 0,4 м. При этом колеса не только затрагивают, а еще и разрушают самые ценные слои земельных угодий, непосредственно обеспечивающих урожайность.

В данной статье рассмотрена теория движения колеса, представлен ряд колесных движителей для транспортных средств повышенной проходимости и обозначены основные их конструктивные параметры, позволяющие добиться менее пагубного воздействия на экосистему.

Рассматривая процесс качения колеса по грунту воспользуемся выражением для определения зависимости удельного давления q сопротивления вдавливанию в грунт штампа от глубины его погружения h:

1265

q c h ,

(1)

где: c – параметр, характеризующий начальное сопротивление грунта вдавливанию штампа; µ – показатель степени, характеризующий закон изменения сопротивления грунта вдавливанию.

Основным недостатком уравнения (1) является зависимость величин c и µ от формы и размеров штампа (в нашем случае колеса), что снижает точность расчетов, проведенных на основе использования табличных значений c и µ.

В процессе исследования колесной спецтехники, используемой в нестандартных условиях движения, более достоверными будут зависимости для оценки деформации грунта, учитывающие его неоднородность и различные конфигурации прочности слоев грунта описанные в работе [1]. Эти зависимости являются более сложными, требуют большего количества характеристик грунта, но более точно отражают физические процессы при движении колесной спецтехники. В основе зависимостей лежат такие параметры, как модуль деформации грунта Е и несущая способность грунта Рs . На рис. 1 изображена расчетная схема качения эластич-

ного колеса по деформируемому грунту [1].

Рис. 1. Расчетная схема качения эластичного колеса по деформируемому грунту

Под действием приложенных к оси катящегося колеса силовых факторов – нормальной нагрузки Gк, продольной силы Рк, крутящего момента Мк – происходят деформации как оболочки эластичной шины, так и опор-

1266

ной поверхности, нередко сопровождающиеся скольжением, т. е. относительным перемещением контактирующих с точками опорной поверхности точек поверхности колеса.

Очертание контактной линии колеса меняется в зависимости от условий движения и режима работы колеса. Зависимость прогиба шины hz от нормальной нагрузки имеет следующий вид:

h			G
			k
z	K		p		c
		pw		w		w

где Кpw – эмпирический коэффициент; Pw – внутреннее давление воздуха в шине; Cw – значение радиальной жесткости шины при минимальном внутреннем давлении воздуха.

Взаимосвязь между деформационными характеристиками колеса и грунта в плоской зоне контакта определится из соотношения [1]:

c	h
r	zгр

c Fш

Н

где Fш – площадь плоской зоны контакта шины с грунтом; cr – радиальная жесткость шины (Н/мм); H* ‒ глубина колеи, которая образовалась бы при проходе жесткого колеса диаметром 2ro; Н – глубина колеи, образуемая колесом, определяемая по формуле:

H H hz

Очевидно, что колея наименьшей глубины, оказывающая наименьшее пагубное воздействие на грунтовую поверхность, образуется при максимально допустимых прогибе шины hz и площади плоской зоны контакта шины с грунтом Fш.

Сопротивление грунта качению колеса при увеличении наружного диаметра шин D снижается на всех видах грунта, увеличивается высота преодолеваемых препятствий. Однако при этом возникают отрицательные последствия, такие как увеличение массы и момента инерции колеса, повышение центра тяжести машины, повышается допустимая по нагреву скорость движения.

Увеличение ширины профиля В по сравнению с увеличением наружного диаметра D, при условии равенства объемов колес, существенно эффективнее на заболоченном грунте, но менее эффективнее на снегу.

Форму профиля шины можно охарактеризовать параметром Н/В. На рис. 2 изображены формы профиля шины в недеформированном состоянии при значениях Н/В=1; 0,75; 0,5; 0,25 и изменение некоторых эксплуатационных показателей в зависимости от формы профиля. С уменьшением параметра Н/В усиленно возрастает жесткость шины, увеличивается относительная ширина контакта. При снижении Н/В от 1 до 0,5 площадь контакта увеличивается на 30 %, а относительная эластичность уменьшается на 65 %. Таким образом, при сохранении периметра профиля и наружного диаметра неизменными можно увеличить площадь контакта, снижая параметр Н/В до 0,5, но это приводит к уменьшению нормальной

1267

эластичности шины. При Н/В 0,5 площадь контакта не увеличивается, но очень резко снижается эластичность [1; 2; 3].

Из графика на рис. 2б можно заметить, что наибольшая проходимость по размокшей грунтовой дороге получается при Н/В = 1, а лучшая экономичность ‒ при Н/В = 0,25.

Рис. 2. Влияние формы профиля шины на эксплуатационные показатели.

а – форма профиля при различных значениях Н/В: 1 ‒ Н/В = 0,25; 2 – Н/В=0,5; 3 – Н/В = 0,75; 4 – Н/В = 1; б – зависимость показателей проходимости от Н/В на размокшей грунтовой дороге

Промышленностью в настоящее время предлагаются и выпускаются следующие вездеходные шины (рис. 3). На данном рисунке показаны так же размеры площади контакта при номинальном и минимальном значениях внутреннего давления воздуха. В таблице приведены основные сравнительные показатели по этим шинам.

Рис. 3. Вездеходные шины: а – низкого давления; б – тороидная с регулируемым давлением; в – широкопрофильная с регулируемым давлением;

г – арочная; д – пневмокаток

1268

Таблица Основные сравнительные показатели

		Тип шин
Параметры	Тероидные с	широкопро-
Параметры	регулируемым	широкопро-	арочные	пневмокатки
	регулируемым	фильные	арочные	пневмокатки
	давлением	фильные
	давлением
H/B	1	0,7	0,37	0,32
D/B	3	2,5	1,6	1,0
BF/B	0,75	0,8	1,0	1,0
hпр/H	0,1	0,12	0,3	0,2
fш	0,015	0,012	0,020	0,028
Сш, кН/м	400	500	330	160
Кх/rp, 1/кН	0,008	0,004	0,015	0,007
pmax/pmin,, МПа	0,35/0,09	0,35/0,08	0,2/0,08	0,08/0,03
kH	0,4	0,35	0,2	0,1
YK/GK, м2/кН	0,0246	0,0182	0,0267	0,0630
G*шGK	0,05	0,028	0,037	0,05

У шин с регулируемым давлением, применяемых на современных автомобилях, минимальные удельные давления на грунт составляют около 0,09 МПА. Для того, чтобы получить еще меньшие удельные давления, необходимо увеличивать размеры профиля.

Весьма наглядно реализация этого критерия отражается в широкопрофильной шине называемой пневмокатком. Пневмокатки имеют наибольшую ширину профиля при сравнительно небольшом наружном и очень малом внутреннем диаметрах. Для пневмокатков характерны самые малые удельные давления на грунт и самая высокая нормальная эластичность за счет увеличения размеров профиля в ширину и высоту.

Таким образом, проведенные теоретические исследования позволяют более точно подобрать конструктивные параметры колеса для транспортного средства. В нашем случае, для транспортного средства высокой проходимости, осуществляющего сбор разлитой нефти в условиях заболоченной местности, рекомендуется использовать шины – пневмокатки со средним или малым коэффициентом насыщенности рисунка протектора, и внутреннем давлении в шинах 0,05 МПа.

Список литературы

1.Шухман, С.Б., Соловьев, В.И., Прочко, Е.И. Теория силового привода колес автомобилей высокой проходимости. – М.: Агробизнесцентр, 2007. – 336 с.

2.Агейкин, Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. М.: Машиностроение, 1972. – 184 с.

3.Агейкин, Я.С. Проходимость автомобилей. – М.: Машиностроение, 1981. –

232с., ил.

1269

УДК 620.9(045)
Раздел 12. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Содержание
Абрамов Н. В., Плотников Д. А. Разработка методик и программ для
оценки эффективности энергосберегающих мероприятий .................................	1272
Ардаширова Э. А., Четверткова О. В., Ризванов Р. Г., Исследование
влияния конструктивных параметров на эффективность теплообмена в
кожухотрубчатом теплообменнике .....................................................................	1276
Аристова Е. А., Изюрьева И. А. Применение энергоэффективных и
ресурсосберегающих технологий в строительстве коттеджного поселка для
ОАО «РЖД» в городе Агрыз республики Татарстан ..........................................	1279
Архипов С. С., Варфоломеева О. И., Хворенков Д. А. Расчет
температурного поля открыто проложенных лотковых каналов для слива
мазута ..................................................................................................................	1283
Богачева А. А., Королев С. А. Расчет и анализ теплового баланса здания.....	1287
Борминский С. А., Скворцов Б. В. Установка ядерно-магнитной
селективной модификации жидких энергоносителей .........................................	1291
Вавилов В. Е., Дуракова В. С., Исмагилов Ф. Р., Хайруллин И. Х.
Стартер-генераторы автономных объектов на магнитных подшипниках ..........	1296
Дюпин А. В., Корепанов Е. В. Исследование температурного режима
помещения при применении теплоакумулирующих материалов при
периодической системе отопления .....................................................................	1299
Запольских А. В., Королев С. А. Анализ энергоэффективности и расчет
потенциала энергосбережения типовых серий жилых и общественных
зданий..................................................................................................................	1303
Злобина К. А., Корепанов Е. В. Методы оценки систем отопления
малоэтажных зданий ...........................................................................................	1307
Иванов А. А., Морозов В. А. Модель защиты электрического двигателя
в среде графического программирования LabVIEW...........................................	1310
Калмаков Д. В., Заболотских В. И. Функции блока управления
импульсного источника питания для силовой электроники ...............................	1313
Кашин Е. М., Диденко В. Н. Основные методы интенсификации
процессов газификации топлива .........................................................................	1317
Кашменских В. В., Стародубцева В. А. Аналитическое исследование
процесса коммутации в мостовом инверторе......................................................	1322
Кононов И. А., Плетнев М. А. Перспектива развития технологии
получения и применения газогидратов для транспортировки попутных
нефтяных газов....................................................................................................	1326
Коньшин М. П., Стерхов В. А. Экспериментально-теоретическое
исследование процессов совершения работы газом при его расширении ..........	1331
Кузнецова М. С., Пушкарев А. Э., Поиск путей повышения надежности
и энергоэффективности системы вентиляции деревообрабатывающего
завода...................................................................................................................	1334
Кутявина М. Л., Корепанов Е. В. Утилизация теплоты сточных вод с
помощью тепловых насосов ................................................................................	1336

1270

Ложкин А. П., Заболотских В. И. Моделирование ПИД-регулятора в
программных средах Micro-Cap и Multisim ........................................................	1339
Манохина А. М., Краснов А. С. Постановка и решение задачи
теплогидравлического расчета внутриквартальных тепловых сетей..................	1344
Мирзаянова А. Н., Королев С. А., Никитина И. С. Анализ
эффективности тепловой защиты зданий............................................................	1348
Морозов А. В., Морозов В. А., Барсуков В. К. Источники питания для
испытаний танталовых конденсаторов ...............................................................	1352
Муранова М. М., Мжельская О. Ю., Щѐлоков А. И. Использование
газонаполненного пористого материала для теплоизоляции ..............................	1355
Наумова К. А., Степанов В. Е. Исследование теплотворной
способности бурого угля из Харбалахского угольного разреза республики
Саха .....................................................................................................................	1358
Некротюк А. В., Корепанов Е. В. Системный анализ средств
обеспечения параметров микроклимата рабочего места монтажника
радиоэлектронной аппаратуры............................................................................	1361
Перевозчикова М. Д., Плетнѐв М. А. Коррозия стальных трубопроводов
водоснабжения: проблемы и пути решения ........................................................	1365
Попков П. С., Плотников Д. А. Анализ применения когенерационных
установок малой мощности для тепло- и электроснабжения частного дома......	1369
Попова А. Ю., Изюрьева И. А. Энергоаудит в современном
строительстве ......................................................................................................	1371
Ральников А. Н., Стародубцева В. А. Использование архитектурного
освещения на объектах города Ижевска .............................................................	1374
Решетникова В. И., Попов Д. Н. Расчет процессов подогрева тяжелых
жидких топлив с переменными вязкопластичными свойствами ........................	1378
Солнцева А. В., Скворцов Б. В. Способ оперативного контроля
качественных характеристик жидких углеводородных энергоносителей ..........	1382
Соломин А. В., Чепкасова М. А., Новоселов М. Л., Барсуков В. К.
Разработка стенда для тестирования танталовых чип-конденсаторов
импульсным током ..............................................................................................	1386
Степанов А. С., Морозов В. А. Компьютерное моделирование
микропроцессорного комплекта защиты отходящих линий 6‒35 кВ в среде
графического программирования LABVIEW .....................................................	1390
Фиотович Ю. А., Ризванов Р. Г. Утилизация низкопотенциальной
теплоты с помощью термосифонного теплообменника......................................	1394
Холмогорова Т. Л., Русяк И. Г. Постановка и решение задачи
теплогидравлического расчета системы отопления здания ................................	1398
Черных А. М., Плотников Д. А. Биогаз, ветро- и гелиоэнергетика.
Комплексное использование для частного дома.................................................	1403
Шутов В. С., Хворенков Д. А., Варфоломеева О. И., Желтышева Е. В. К
вопросу о повышении теплоэффективности работы теплогенерирующих
установок за счет снижения потерь с уходящими газами...................................	1406
Шушакова О. В., Плотников Д. А. Анализ целесообразности
использования биогаза, получаемого на полигонах захоронения бытовых
отходов ................................................................................................................	1410

1271

Н. В. Абрамов, магистрант, Д. А. Плотников, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Разработка методик и программ для оценки эффективности энергосберегающих мероприятий

Исследование эффективности энергосберегающих мероприятий является актуальным в области энергетики. В современном мире необходимым условием сохранения жизни и развития цивилизации стало обеспечение человечества достаточным количеством энергии и топлива. Проблема ограниченных запасов природных топливно-энергетических ресурсов вызвала необходимость разработки программ по энергосбережению. В настоящее время для заполнения энергетических паспортов организаций требуется большое количество расчетов по энергосберегающим мероприятиям. Вручную производить расчеты сложно, а так же в этом случае возможны ошибки.

Целью исследования является разработка программ для расчета экономии и сроков окупаемости при реализации, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов.

Наибольшее количество затрат приходящихся на организацию в основном приходится на тепловую энергию, поэтому энергосберегающие мероприятия в этой сфере наиболее актуальны. Рассмотрим некоторые из них.

Утепление наружных ограждающих конструкций теплоизоляционными материалами. В настоящее время требования к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций увеличены по сравнению с прошлым веком, до 1990 года они подбирались из условия комфортности, и для их улучшения необходимо утепление, тем самым увеличить термическое сопротивление стен. По опытным данным, экономия составляет от 5 до 40%. Стоимость такого утепления около 1,5 тыс. рублей за 1 квадратный метр, поэтому зная площадь стен можно найти общую сумму затрат. Найдя отношение общих затрат на количество экономии в денежном эквиваленте находим срок окупаемости данного мероприятия. Срок окупаемости затрат при этом составляет от 3 до 5 лет в зависимости от изначального состояния здания.

Изоляция труб тепловых сетей так же играет немаловажную роль в энергосбережении [2]. В настоящее время тепловая изоляция труб очень сильно изношена, либо находится в неудовлетворительном состоянии. В России повреждения составляют примерно 60 случаев из 100 километров тепловых сетей, поэтому потери при транспортировке колоссальны. При

1272

нарушении тепловой изоляции труб теплопотери в тепловых сетях достигают 50 % и более. Для устранения необходимо произвести изоляцию труб или заменить старые сети на более современные трубы с предварительно нанесенным теплоизоляционным покрытием. Стоимость утепления на 1 кубический метр изоляции составляет 1400 рублей, так же это увеличит и срок службы труб, благодаря гидроизоляционной защите. При этом средний срок окупаемости затрат составляет 5-10 лет, при сроке службы трубы до 20 лет экономический эффект будет очевиден.

Снятие декоративных ограждений с радиаторов отопления и установка теплоотражателей за радиаторами позволит сэкономить до 15% тепловой энергии. Большое количество тепла уходит на обогрев задней части стены за радиатором. Получается, что мы обогреваем улицу, поэтому необходимо установить теплоотражающие экраны за радиаторами отопления, что поможет уменьшить теплопотери и увеличить теплоотдачу в помещение. По опытным данным это мероприятие повысит температуру в помещении в среднем на 10С. При этом затраты минимальны, так как стоимость 1 квадратного метра такого экрана составляет примерно 30 руб/м2. Соответственно, срок окупаемости так же будет недолгим, до 1 года.

Автоматизация систем теплоснабжения зданий посредством установки индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) [3]. Это мероприятие очень актуально в наше время, так как в офисах и производственных помещениях люди находятся не целыми сутками и не повседневно, но при этом помещения постоянно отапливаются. Поэтому необходимо установка ИТП с дежурным отоплением для снижения отпуска теплоты в помещения до минимального в ночное время и нерабочие дни, а в рабочие – для поддержания необходимой для комфортного пребывания людей температуру. Так же необходимо погодозависимое регулирование системы отопления, для устранения перетопа зданий в осенне-весенний период. Экономия от внедрения этого мероприятия – до 30% от потребления тепловой энергии. Стоимость установки ИТП составляет около 300 тыс. рублей. Срок окупаемости при этом до 10 лет в зависимости от объема отапливаемых помещений и количество рабочих смен.

Оценка энергоэффективности в сфере потребления электрической энергии так же не маловажно. Электропотребляющие установки в большинстве своем уже устарели и имеют маленький коэффициент полезного действия. В настоящее время необходима их замена на более современные с меньшим количеством потребления электрической энергии, но при этом не уступающие по своим качественным характеристикам предшествующим.

Сокращение области применения ламп накаливания и замена их люминесцентными, переход на другой тип источника света с более высокой светоотдачей. В настоящее время появились множество энергосберегающих ламп, не уступающих по своим качественным характеристикам предшествующим, но потребляющие при этом до 5 раз меньше электро-

1273

энергии. Экономию электричества при их эксплуатации можно занести в таблицу [1].

Таблица. Возможная экономия электрической энергии (ЭЭ) при переходе на

более эффективные источники света (ИС)

При замене ИС	Средняя экономия ЭЭ, %

ЛН на КЛЛ	40 ‒ 60

ЛН на ЛЛ	40 ‒ 54

ЛН на ДРЛ	41 ‒ 47

ЛН на МГЛ	54 ‒ 65

ЛН на НЛВД	57 ‒ 71

ЛЛ на МГЛ	20 ‒ 23

ДРЛ на МГЛ	30 ‒ 40

Стоимость одной компактной люминесцентной лампы составляет 150 рублей. Примерный срок окупаемости – до 1 года, в зависимости от количества наработанных часов.

Применение частотного регулирования насосов систем водоснабжения [3]. Потребление воды в жилых зданиях, так и на производстве неравномерно в течения дня, соответственно расход подаваемый насосом должен быть тоже неравномерным. Регулировка частоты вращения электродвигателя насоса обеспечивает поддержание давления в системе водоснабжения при переменном расходе, а также предотвращение гидроударов и провалов давлений. Принцип работы частотного регулирования основан на изменении производительности насоса за счет изменения его частоты вращения при постоянном моменте на валу электродвигателя этого насоса. Такой способ регулирования обеспечивает возможность плавного изменения напора и расхода в насосной системе. Регулировка частоты вращения электродвигателя насоса обеспечивает поддержание давления в системе водоснабжения при переменном расходе, а также предотвращение гидроударов и провалов давлений. При применении такого регулирования можно сэкономить до 50% потребляемой электроэнергии и при этом увеличить срок службы насосных установок.

Рассмотрим принцип расчета экономии тепла в программе на примере утепления наружных ограждающих конструкций теплоизоляционными материалами.

Необходимая толщина утепляющего слоя δy определяется по формуле:

req

δi

м,

(1),

δ y λ y R

αint

λi

i 1

αext

1274

где δi – толщина i-го слоя ограждения, м; λy – коэффициент теплопроводности рассматриваемого утепляющего слоя, Вт/(м·°С).

Определяются среднегодовые нормативные потери тепла для ограждающей конструкции до Q1факт и после Q2факт утепления по формуле:

Q		k A	sum	t		t		n 24 z
			sum
	факт				int		ht			ht
				116310					3
									3

, Гкал/год

(2),

где k – коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции,

Вт/(м2·°С, определяется как

1 R

; n – коэффициент, принимаемый в

зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху.

По формуле 3 находится годовая экономия тепловой энергии Q от внедренного мероприятия.

факт	факт	, Гкал/год
Q Q1	Q2	, Гкал/год

Годовая экономия в денежном эквиваленте P будет находиться по формуле 4.

(3),

P Q C0

, руб./год

(4),

где С0 – стоимость единицы тепловой энергии, руб/Гкал.

Таким образом можно сделать вывод, что предлагаемая к разработке программа есть усовершенствованная методика технико-экономической оценки эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий, учитывающей экономический эффект от снижения потребности во вводе в

строй новых энергосберегающих мероприятий, и стоимостную оценку экологического эффекта от снижения эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу.

Предлагаемая к разработке методика и программа могут быть использованы проектными и научно-исследовательскими организациями при проектировании новых энергоэффективных зданий, а также при модернизации уже действующих, и в энергоаудиторских компаниях для расчетов при разработке энергетических паспортов предприятий.

Список литературы

1.МДК 1-01.2002. Методические указания по проведению энергоресурсоаудита в жилищно-коммунальном хозяйстве.–М.: Госстрой России, 2001. №81.

2.Андрижиевский, А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент: учеб. пособие/ А.А. Андрижиевский, В.И. Володин.–2-е изд., испр.–Мн.: Выш. шк., 2005.–294с. –ISBN 985-06-1128-6.

3.Данилов, О.В. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов./ В семи разделах. Под общей редакцией д.т.н. О.Л. Данилова, П.А. Костюченко, 2006.– 668 с. – ISBN 5-86472-63-8.

1275

Э. А. Ардаширова, магистрант; О. В. Четверткова, аспирант

Р. Г. Ризванов, доктор технических наук, профессор Уфимский государственный нефтяной технический университет

Исследование влияния конструктивных параметров на эффективность теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации тепла.

Кожухотрубчатые теплообменники являются наиболее широко применяемым типом теплообменного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Это обусловлено надежностью конструкции и разнообразием типов и вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

Характер течения в межтрубном пространстве с поперечными перегородками чрезвычайно сложен, зависит от множества параметров. Конструктивные зазоры между кожухом и поперечными перегородками, а также между трубами и отверстиями в перегородках являются причиной возникновения перетечек – байпасных потоков, доля которых может достигать 40% [1]. Величина конструктивных зазоров определяется технологией сборки. Для получения малых зазоров необходимо повышать точность периметра и формы корпуса, что оказывает существенное влияние на стоимость изготовления аппарата.

Все опубликованные методы расчета коэффициента теплопередачи в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменного аппарата (КТА) можно разделить на несколько групп: методы, основанные на исследованиях обтекания идеальных пучков или одиночных труб; «интегральный» подход, в котором учитывается обтекание перегородок потоком теплоносителя, но не учитывается влияние перетечек и байпасирования; методы анализа потоков на основе модели Тинкера; метод вычислительной гидродинамики.

Наиболее точно течение в межтрубном пространстве описывает многопотоковая модель Тинкера, по которой теплоноситель разделяется на потоки: А – обводное течение через зазоры между отверстиями в трубных перегородках и теплообменными трубами; B – основной поперечный поток; С – обводное течение между трубным пучком и стенкой кожуха; E – обводной поток через зазор между стенкой кожуха и поперечной перегородкой. Методы, основанные на модели Тинкера, позволяют получить значительно более точные результаты по сравнению с методами, основанными на исследованиях обтекания идеальных пучков или одиночных труб.

Наиболее точным методом исследования процессов гидродинамики и теплообмена в настоящее время является метод вычислительной гидроди-

1276

намики, реализованный в программных системах конечно-элементного анализа. Преимуществами вычислительной гидродинамики является точность, полнота полученных данных и высокая скорость расчета.

В настоящей работе приведены результаты моделирования теплообмена в кожухотрубчатом теплообменном аппарате (КТА) с применением программного комплекса ANSYS CFX.

Для решения данной задачи использовалась расчетная модель, представляющая собой проточную часть межтрубного и трубного пространства КТА. Внутренний диаметр корпуса аппарата составил 400 мм, длина

– 1500 мм (рис. 1). Теплообменные трубки имели наружный диаметр 20 мм и толщину стенки 2 мм, расположены по вершинам равностороннего треугольника с шагом 26 мм. Аппарат снабжен пятью сегментными перегородками, расположенными на расстоянии 200 мм. Высота окна сегментной перегородки составляла 132 мм. Узлы ввода и вывода теплоносителей в данной задаче не рассматривались.

Рис.1. Расчетная модель

Вкачестве горячего и холодного теплоносителя использовалась вода, материал теплообменных труб – сталь.

Температура жидкости на входе в межтрубное пространство составляла 50°C, скорость 1 м/с. Температура жидкости на входе в трубное пространство 135°C, скорость 1 м/с. Массовый расход воды в трубном и межтрубном пространстве был одинаковым и составил 10,53 кг/с.

Врезультате расчета были получены следующие характеристики. Потери давления в межтрубном пространстве составили 12950 Па; в трубном пространстве – 2000 Па. Температура на выходе из межтрубного про-

странства равна 74,1 °C; из трубного пространства 121,5 °C. Коэффициент теплопередачи 2489 Вт/(м2·К).

На рисунке 2 показано поле температуры в межтрубном пространстве. Из рисунка видно, что по ходу движения потока за поперечными перегородками образуются застойные зоны.

1277

Рис.2. Поле температуры в межтрубном пространстве (вход справа)

Было рассмотрено влияние конструктивных зазоров на эффективность теплообмена в КТА и проведены расчеты для следующих значений конструктивных зазоров, допускаемых нормативно-технической документацией для КТА [2]: между поперечными перегородками и кожухом R: 0, 1, 2, 3 и 4 мм и два значения зазора между трубами и отверстиями в перегородках r: 0 и 0,5 мм.

В результате решения серии задач были определены доли байпасных потоков A и Е и основного потока B. На рисунке 3 показан график изменения долей потоков А, Е и В в зависимости от величины зазоров между поперечными перегородками и кожухом ΔR и между трубами и отверстиями в перегородках r.

Рис. 3. График изменения долей потоков А, Е и В

На рис. 4 показаны графики изменения коэффициента теплопередачи в зависимости от величины зазоров.

Для кожухотрубчатого теплообменного аппарата диаметром 400 мм, имеющего максимально допустимый радиальный зазор ΔR и зазор Δr, суммарная доля байпасных потоков составила около 37%. Коэффициент теплопередачи уменьшился на 17%. Следовательно, конструктивные зазоры существенно снижают тепловую эффективность КТА.

Также было рассотрено влияние расстояния между перегородками на тепловую эффективность. Были получены зависимости температуры на

1278

выходе теплообменника от величины расстояния между поперечными перегородками.

Рис. 4. График изменения коэффициента теплопередачи

Таким образом, разработанная расчетная модель позволяет оценить влияние конструктивных особенностей кожухотрубчатого теплообменного аппарата на эффективность теплообмена, что практически невозможно сделать с помощью аналитических методов и натурных экспериментов.

Список литературы

1.Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.: ил.

2.Никифоров, А.Д. Точность в химическом аппаратостроении. / А.Д. Никифоров – М.: «Машиностроение», 1969 г. – 216 с.

Е. А. Аристова, магистрант

И. А. Изюрьева, кандидат культурологии, доцент Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Применение энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий в строительстве коттеджного поселка для ОАО «РЖД» в городе Агрыз республики Татарстан

Исследование методов и способов объемно-планировочных и конструктивных решений, обеспечивающих повышение тепловой эффективности здания и ресурсосбережение является актуальным в области энергоэффективности и ресурсосбережения в строительстве. Как правило, такие исследования выполняются в рамках перспективной исследовательской и практической программы.

1279

На сегодняшний день можно выделить три основные позиции требований потребителей к жилью: доступность по стоимости, комфортность для проживания и высокоэкологичность. С принятием закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» можно выделить четвертый критерий: жилье должно удовлетворять требованиям энергоэффективности [1].

Для удовлетворения выше указанных потребностей, включая быстовозводимость зданий, строительство должно вестись организованно, исключая вид точечной застройки. Оптимальным вариантом для решения данной задачи является строительство коттеджных поселков. Комплексный вид строительства начинает развиваться в г. Агрыз республики Татарстан. Рассмотрим разрабатываемый проект строительства коттеджного поселка в г. Агрыз для ОАО «РЖД» с применением энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий.

Инфраструктура коттеджного поселка включает в себя управляющую компанию (эксплуатационная и административная служба поселка), рекреационную зону, общественно-торговый центр, детский сад и 25 энергоэффективных малоэтажных дома блокированного типа с приусадебными участками площадью 7,5 Га.

Энергоэффективное здание представляет собой совокупность архитек- турно-конструктивных и инженерных решений, максимально сокращающих расход энергии на обеспечение микроклимата в помещениях [2]. Таким образом, при проектировании необходимо решить задачу по снижению теплопотерь, а также минимизировать эксплуатационные расходы.

Система энергоэффективного дома включает в себя следующие подсистемы:

Архитектура дома. Опыт ведущих стран показал, что для комфортного проживания и психологического здоровья проживающих, архитектура дома должна соответствовать местным градостроительным нормам, быть выдержанной в соответствующем стиле. В плане ориентации здания архитекторы выбирают южное, восточное и западное направление для окон, а так же учитывают розу ветров для правильного расположения входа в дом.

Конструктивные решения корпуса. Направлены на создание герметичной оболочки здания.

В Германии г. Дармштадте, р-н Кранихштайн построен жилой дом с конструктивными решениями [3]:

Кровля ‒ Зеленая крыша ‒ гумус; фильтрующий слой; древесностружечная плита без формальдегида, легкие деревянные балки (двутавровые балки из дерева, поперечные перемычки из прочной древесноволокнистой плиты); обрешетка; склеенная без зазоров, воздухонепроницаемая оболочка из полиэтиленовой пленки; гипсокартон; трехслойные обои под покраску; слой водоэмульсионной краски; пространство между балками заполнено минеральной ватой.

1280

Зеленая крыша не эффективна для климата средней полосы России, в проекте рекомендуется использовать двухскатную крышу выполненной из деревянных стропил (пиломатериалы хвойных пород влажностью не более 20 %); кровельное покрытие – металлочерепица с полимерным покрытием (тип профиля МЧ-49); пароизоляция и гидроизоляция – полиэтиленовая пленка; теплоизоляция – утеплитель экструдированный пенополистирол; гипсокартон и обои под покраску.

Наружные стены ‒ минеральная наружная штукатурка с армированием стеклосеткой; теплоизоляция из пенополистирола EPS ‒ 275; кладка из силикатного кирпича; внутренняя, сплошная гипсовая штукатурка; трехслойные обои под покраску; водоэмульсионная краска.

Наружные стены должны удовлетворять соотношению теплоаккумулирующих и теплоизолирующих свойств для г. Агрыз. Рекомендуется использовать, как и в Германии многослойные конструкции, а именно: фасадную штукатурку, кладку из кирпича, утеплитель ‒ экструдированный пенополистирол λ = 0,031 Вт/(м·°С), керамзитовый блок, штукатурка, обои под покраску и водоэмульсионная краска.

Перекрытие над подвалом ‒ шпатлевка по стеклосетке; теплоизоляция из пенополистирольных плит; железобетон; звукоизоляция от ударного шума из пенополистирола; цементная стяжка; приклеенный; заделка швов без растворителя.

В нашем проекте рекомендуется сборный железобетонный фундамент из блоков для стен подвалов и фундаментных плит, на естественном основании, глубиной заложения 3,2 м, а также гидроизоляция фундамента 1 слой. Предусматривается подвал, его утепление пенополистерол.

Перекрытие над подвалом: паркетная доска, половые доски, брус деревянный (2 слоя), утеплитель экструдированный пенополистирол, гидроизоляция (1 слой), фундаментная плита.

Перекрытие между этажами: паркетная доска, влагостойкая фанера (2 слоя), саморастекающаяся стяжка, плита перекрытия.

Окна ‒ тройное остекление с двумя низкоэмиссионными покрытиями с заполнением камер криптоном. Коэффициент теплопередачи остекления Ug= 0,7 Вт/(м2K) или R0 = 1,43 (м2ºС)/Вт. Деревянные рамы с теплоизоляцией из пенополиуретана (вспененный CO2,без фтор-хлор-углеводородов, выполнено по индивидуальному заказу).

Для проекта поселка выбираем тройное остекление с двумя низкоэмиссионными покрытиями и заполнением инертным газом, при этом качественно теплоизолированное соединение остекления к оконной раме, с использованием специализированный дистанционных рамок по краям стеклопакета, а также теплоизолированные оконные рамы.

Система отопления. Снижение уровня энергопотребления возможно при использовании нетрадиционных систем теплоснабжения, позволяющее снизить потери в тепловых сетях. Таким образом, рекомендуется в проекте использовать систему теплый пол и конденсационный котел.

1281

Суть этой системы заключается в равномерном распределении тепла при использовании низких температур теплоносителя. Конденсационные котлы в свою очередь, способны отбирать из продуктов сгорания так называемую «скрытую» теплоту конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, для последующего их использования.

Система вентиляции. Естественная инфильтрация воздуха затруднительна в домах с герметичной оболочкой, кроме того, при естественной вентиляции происходит до 40 % потери тепла. Предполагается, для решения данных задач использование рекуператора, который представляет собой теплообменник поверхностного типа для использования теплоты отходящих газов. В теплообменнике происходит непрерывный теплообмен между теплоносителями через разделяющую стенку, предотвращающей смешивание воздуха.

Система водоснабжения. Водоснабжение будет обеспечиваться централизованной системой водоснабжения. Для снижения потребления воды в энергоэффективном доме следует использовать водосберегающие приборы, сбор дождевой воды и повторное использование очищенной воды для технических нужд.

Система электроснабжения. В качестве схемы электроснабжения выбираем совместную работу фотоэлектрической системы с общей энергосетью. Согласно расчету системы автономного энергоснабжения с использованием фотоэлектрических преобразователей, проведенным нами для г. Агрыз, автономная система фотоэлектрических преобразователей не может быть осуществлена. Но для полного отказа от общей энергосети возможно создание фотоэлектрической солнечной электростанции на весь поселок.

Переработка и утилизация бытовых отходов. Разделение отходов в доме ‒ важная часть образа жизни в энергоэффективном доме. Органическую часть необходимо перерабатывать биологическими методами в компост, который используется на приусадебном участке. Не перерабатываемую часть (стекло, пластмасса, металл и др.) следует разделить, накопить и сдать в чистом состоянии для переработки и вторичного использования на специализированное предприятие (будет организован вывоз мусора). Органические отходы перерабатываются в специальных биореакторах на участке методом компостирования с последующей утилизацией на ботанической площадке участка.

В условиях климата средней полосы России возможна реализация проекта строительства коттеджного поселка с энергоэффективными и ресурсосберегающими домами. Теоретические результаты работы могут быть использованы для моделирования принципиально новых объектов жилищного строительства в приоритетных направлениях, таких как энергоэффективность, ресурсосбережение, экологическая безопасность и комфортность для проживания.

1282

Список литературы

1.Поляков, Л. А. Тенденции современного коттеджного домостроения/ Л. А. Поляков// ЖКХ и строительство. – 2006. – №11. – С. 16.

2.Черешнев, И. В. Повышение энергоэффективности жилых зданий /И. В. Черешнев// Жилищное строительство. – 2007. – №8. – С. 8-10.

3.Файст, В. Снижение энергопотребления в 10 раз стало реальностью [Электронный ресурс]/В. Файст//Институт пассивного дома 2006, – Режим доступа: http://passiv-rus.ru/stati, свободный. – Загл. с экрана.

С. С. Архипов, магистрант О. И. Варфоломеева, кандидат технических наук, доцент

Д. А. Хворенков, старший преподаватель Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Расчет температурного поля открыто проложенных лотковых каналов для слива мазута

По причине высокой вязкости поставляемого железнодорожным транспортом мазута при его сливе возникают значительные трудности, связанные с необходимостью больших затрат тепловой энергии. В настоящее время, когда жидкое и газообразное топливо имеют высокую стоимость, эффективность теплотехнических схем мазутных хозяйств становится особенно актуальной.

Чтобы обеспечить ускоренный слив мазута в регламентируемые нормативными документами сроки, требуется подогреть его до 30°С для мазута марки М40 и 60°С для мазута марки М100 [1].

Целью работы является оценка необходимости применения системы подогрева мазута в сливных лотках и эффективности применения данной системы.

Метод исследования ‒ численный расчет температурных полей в расчетных областях сливного канала прямоугольного сечения.

Этапы исследования:

1) Разрабатывается трехмерная геометрическая модель расчетной области (рис.1). Рассматриваемый участок сливного лотка, в соответствии с [2], представляет собой монолитный межрельсовый желоб-лоток шириной 900 мм, длиной 15 м; дно лотка имеет уклон 2% в сторону границы выхода. На дно лотка уложен трубчатый подогреватель мазута выполненный из пяти труб диаметром dy=50 мм.

Рассматриваются два расчетных случая течения мазута в лотке при климатических условиях г. Ижевск:

при отключенных трубчатых паропроводах-подогревателях мазута;

при включенных трубчатых паропроводах-подогревателях мазута.

1283

2) Разрабатывается математическая модель для численного моделирования динамических и теплообменных процессов в плоском наклонном канале, с помощью которой определяются поля температур в расчетной области.

Расчет проводится с учетом действия гравитационных сил. Течение в лотке и теплообмен описываются системой уравнений, включающей уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости в трехмерной постановке:

V		P	1		T		ρ	hyd
V	(V V )	P	1	(μ+μ	T	) (1		hyd	)g,
	(V V )			(μ+μ	)( V ( V )	) (1			)g,
dt		ρ	ρ	t				ρ
dt		ρ	ρ					ρ
V 0

уравнение энергии:

(Vh)

а также уравнение переноса функции заполнения F:

	F	V F
	t	V F
	t

Коэффициенты μ, λ, D, Сp b и плотность со следующей формулой:

f Ff f

ρ вычисляются в соответствии

Теплофизические свойства расчетной области (мазута марки М100) были заданы в виде констант, а также зависимостей от температуры и (или) давления, согласно [2].

Решение задачи осуществляется с помощью вычислительного программного комплекса FlowVision.

Рис. 1. Расчетная область наклонного лоткового канала

3) В качестве начальных условий для расчетной области устанавливаются значения параметров:

tнач 0 С	;	Pатм 101325	Па

4)Задаются граничные условия, представленные в таблице.

1284

Таблица. Граничные условия

Тип границы

ГУ1. Стенка паропровода

ГУ2. Вход мазута

ГУ3. Стенки и дно лотка

ГУ4. Стенка с проскальзыванием

ГУ5. Выход мазута

Граничное условие

С отключенными паропроводами

qгр 0 Вт

;

0, 5 10

гр

60 С

v 0, 3м/с

гр

34 С

5 10

tгр 34 С

0м

p p

атм

С включенными паропроводами

tгр 165 С

k	э			0, 5 10		3	м
k				0, 5 10			м

		tгр 60 С
		v 0, 3м/с
	t	гр		34 С
		гр
k э 5 10 3м
	tгр 34 С
			k	э	0м
				э
				dt	0
			dx		0
			dx
			p p
					атм

5) Создается прямоугольная ортогональная равномерная расчетная сетка, шаг которой составляет:

по оси x ‒ 0,075 м;

по оси y ‒ 0,02 м;

по оси z ‒ 0,045 м.

6) В результате проведенных расчетов получены поля температур в расчетных областях для двух рассматриваемых случаев (рис. 2, 3).

На рис. 2, в случае с отключенными подогревателями, по мере движения мазута от границы входа к границе выхода наблюдается значительное снижение его температуры во всем нормальном сечении в целом, и особенно вдоль стенок канала. Это приводит к недопустимому увеличению времени слива мазута, либо даже к полной остановке процесса слива по причине застывания мазута в лотке. Данный способ слива не может быть применен в рассматриваемых климатических условиях.

а)

1285

б)

Рис. 2. Распределение температуры мазута при отключенных паропроводах на расстоянии X=0,5 м (а) и X=14,5 м (б) от плоскости входа (ГУ2)

На рис. 3, в случае с включенными подогревателями, наблюдается рост температуры в центральной области течения при движении мазута от границы входа к границе выхода, однако в пристенных областях наблюдается понижение температуры мазута, которое может привести к образованию неподвижного приграничного слоя при снижении температуры в этих областях до значений около 25°С. Это свидетельствует о необходимости оптимизации конструктивных решений системы подогрева мазута, например, путем размещения дополнительных паропроводов в угловых зонах сливного лотка.

а)

б)

Рис. 3. Распределение температуры мазута при включенных паропроводах на расстоянии X=0,5 м (а) и X=14,5 м (б) от плоскости входа (ГУ2)

1286

Результаты проведенного расчета показывают, что в каждом конкретном случае температурное поле сливаемого мазута будет различным, т.к. на него в основном влияют климатические условия, протяженность сливных лотков, конструктивные особенности элементов системы слива.

Оптимизация теплопотерь в окружающую среду и уменьшение времени слива могут быть произведены, в первую очередь, за счет оптимизации конструктивных решений.

Список литературы

1.Строительные нормы и правила: Котельные установки: СНиП II-35-76*: Утв. Постановлением Госстроя СССР от 31.12.1976 N 229: -М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2000.

2.Назмеев, Ю. Г. Мазутные хозяйства ТЭС / Ю. Г. Назмеев. М.: Издатель-

ство МЭИ, 2002. 612 с.

3.Геллер, З. И. Мазут как топливо / З. И. Геллер. М.: Недра, 1965.

4.Ляндо, И. М. Эксплуатация мазутного хозяйства котельной промышленного предприятия / И. М. Ляндо. М.: Энергия, 1968.

А. А. Богачева, магистрант

С. А. Королев, кандидат физико-математических наук, доцент Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Расчет и анализ теплового баланса здания

Математическое моделирование системы теплоснабжения и разработка алгоритмов влияния на нее с целью оптимизации параметров, начиная от теплоисточников и заканчивая потребителями тепловой энергии, необходимо для снижения объемов расходования тепловой энергии.

В жилых, общественных и промышленных зданиях необходимо поддерживать благоприятный для работы и жизни микроклимат. Температура помещения зависит от тепловой мощности системы отопления, расположения отопительных приборов, теплозащитных свойств наружных ограждений, интенсивности других источников поступления и потерь тепла. Учет всех источников поступления и потерь тепла необходим при составлении теплового баланса помещений здания [1].

В разработанном программном комплексе реализован алгоритм расчета теплового баланса здания, который позволяет оценить отношение тепловых потерь в доме и поступающего тепла. Нелинейная система уравнений теплового баланса решается методом последовательного приближения.

Определение значений равновесных температур основывается на совместном решении задачи расчета температуры теплоносителя в отопительной системе здания и системы уравнений теплового баланса помещений (в установившемся режиме теплообмена теплоприход от источников

1287

теплоты равняется тепловым потерям). В жилых помещениях теплоприход, главным образом, определяется как сумма теплоотдачи от отопительных приборов и трубопроводов системы отопления, расположенных в помещении.

Тепловые потери помещения определяются суммой тепловых потерь через стеновые, оконные ограждения, теплопотери через двери, пол, потолок.

В соответствии с формулами расчета теплоотдачи отопительных приборов и теплопотерь через ограждающие конструкции балансовое урав-

нение для расчета температуры в помещении ( t	в	) в общем виде может
нение для расчета температуры в помещении ( t		) в общем виде может
быть записано следующим образом:

огр

K j

) Km

tm )

j 1

m 1

n 1

пр

тр

(ti

)

(ts

)

i 1

s 1

(1)


где	огр	– коэффициент теплопередачи через j-ю наружную ограждаю-
	K j
щую конструкцию;			огр	– коэффициент теплопередачи через m-ю внут-
			Km

реннюю ограждающую конструкцию, граничащую с другими помещениями; j0 количество наружных ограждающих конструкций помещения;

m0 количество внутренних ограждающих конструкций помещения, граничащих с другими помещениями, равновесная температура которых рав-


на	в	пр	– коэффициент теплоотдачи i-го отопительного прибора;			тр
на	tm ;	Ki	– коэффициент теплоотдачи i-го отопительного прибора;			Ks
– коэффициент теплоотдачи s-го трубопровода в помещении;				i0	и	s0

количество тепловых приборов и трубопроводов в помещении соответ-

ственно;			пр	температура теплоносителя в i-ом отопительном приборе;
ственно;			ti	температура теплоносителя в i-ом отопительном приборе;
тр	температура теплоносителя в s-ом трубопроводе.
ti	температура теплоносителя в s-ом трубопроводе.
	Коэффициент теплопередачи через ограждающие конструкции равен
				K	огр	F	n ,		(2)
					огр
						R
						R
где	F	– площадь поверхности ограждения;						R	– приведенное сопротив-

ление теплопередачи ограждающей конструкции; n –поправочный коэффициент, зависящий от типа поверхности ограждения; β – поправочный

коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности ограждения относительно сторон света [2]. Для внутренних ограждающих конструкций

коэффициенты n и β принимаются равными единице.

Коэффициент теплоотдачи отопительного прибора и трубопровода определяется по формуле [3]:

1288

где

qном

		1	n 1	G	p
K q					сF ,	(3)

	ном	70		360

– номинальная плотность теплового потока отопительного при-

бора или трубопровода;	G	– расход воды через отопительный прибор или
трубопровод; n , p , c	–	коэффициенты, зависящие от типа прибора и
схемы его присоединения;		F – площадь поверхности отопительного при-
бора или трубопровода.
При определении температуры помещения ( t			в	) из уравнения (1), в
При определении температуры помещения ( t				) из уравнения (1), в
				в

общем виде, температуры в граничащих помещениях

являются неиз-

вестными величинами, поэтому для определения равновесных температур необходимо решение системы уравнений теплового баланса, составленных для каждого помещения.

Нелинейная система уравнений теплового баланса (1) решается методом последовательных приближений.

Температура теплоносителя t пр и t тр , помимо прочих факторов, являются функцией от равновесных температур помещений, по которым проходят стояки отопительной системы здания, поэтому решение системы

(1) осуществляется совместно с задачей расчета температуры теплоносителя по стоякам. На внешнем цикле решается система уравнений теплового баланса, а на внутреннем - определяется температура теплоносителя.

Для анализа теплового баланса помещения рассчитаем количество тепловых потерь и теплопоступлений пятиэтажного 4-х подъездного жилого дома г. Ижевска. В табл. 1 представлены самые «теплые» и «холодные» квартиры здания.

Таблица 1. Результаты расчета теплообмена квартир жилого дома

№ квар-	Расчетная тем-	Расчетное коли-	Требуемое количе-	Расчетная
тиры	пература, °С	чество тепла, Вт	ство тепла, Вт	разность, %
5	12,3	4 041	5 128	-21,2
21	13,5	3 051	3 877	-9,5
19	24,5	2 661	2 267	17,4
23	23,5	4 815	4 294	12,2

Расчетная температура квартир здания и расчетное количество тепла, представленные в табл. 1, определялись в результате решения системы уравнений теплового баланса. Требуемое количество тепла определялось при условии поддержания нормативной температуры в помещениях, равной 21 °С для жилых зданий [4].

По результатам расчета отмечается значительное отклонение расчетного и требуемого количества тепла для отдельных квартир здания. Дефицит или избыток тепла в квартире может быть связан с низкими теплозащитными свойствами ограждающих конструкций или неудовлетворительным состоянием системы отопления, когда тепловая мощность системы используется неэффективно.

1289

Снижение отпускаемого тепла при избытке количества теплоты в квартире, может быть достигнуто за счет уменьшения тепловой мощности отопительных приборов. Для уменьшения тепловых потерь и повышения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций можно применить комплекс мероприятий для повышения тепловой защиты.

Расчет теплообмена (табл. 1) показал, что в квартире № 5 дефицит тепла составляет 21,2%. Для устранения этого дефицита, необходимо применить к квартире комплекс утеплительных мероприятий. При этом были рассмотрены следующие энергосберегающие мероприятия:

1)замена окон на современные энергосберегающие окна с многокамерными стеклопакетами;

2)теплоизоляция входных дверей квартиры;

3)установка теплоотражающих экранов за отопительными приборами. Разработанные методика и программный комплекс позволяют рассчи-

тать количество тепловых потерь до и после проведенных утеплительных мероприятий. В табл. 2 представлены результаты расчета тепловых потерь до и после утепления для квартиры № 5.

Таблица 2. Сравнение тепловых потерь до и после проведения утеплительных

мероприятий в квартире № 5

Ограждающие кон-	До утепле-	После	Экономия	Экономия
струкции	ния, Вт	утепления, Вт	тепла, Вт	тепла, %
Теплопотери через	1 754,0	1 712,9	41,1	0,67
стены
Теплопотери окон	1 559,3	810,0	749,3	12,1
Инфильтрация че-	2 816,2	281,6	2 534,6	41,0
рез окна
Теплопотери дверей	45,2	37,7	7,5	0,12
Итого	6 174,7	2 842,2	3332,5	53,9

Из табл. 2 видно, что количество тепла, теряемое квартирой № 5, после проведения утеплительных мероприятий значительно уменьшилось за счет установки многокамерного стеклопакета. А за счет установки на внутренние стены за радиаторами отражающей теплоизоляции, уменьшилось количество тепловых потерь через стены.

Разработанный программный комплекс также включает в себя трехмерные виртуальные модели жилых зданий. Трехмерное моделирование позволяет дать более полное представление объекта моделирования, максимально приближенное к реальности. Модели жилых домов, созданные в системе 3ds MAX, позволяют отображать внешний вид здания, внутренние планировки помещений, а также расположение элементов системы отопления в здании.

Разработанный программный комплекс позволяет проводить комплексный анализ теплового баланса зданий и облегчает подготовку оптимальных управленческих решений в штатных и аварийных ситуациях с

1290

целью экономии тепловых ресурсов и количественного учета потребления тепловой энергии.

Список литературы

1.Каменев, П. Н., Сканави, А. Н., Богословский, В.Н. Отопление и вентиляция

[Текст]. В 2 ч. Ч. 1. Отопление /Петр Каменев. - М.: Стройиздат, 1975. – 483 с.

2.Малявина, Е.Г. Теплопотери здания [Текст]: справочное пособие / Е. Г. Малявина - М.: АВОК–ПРЕСС, 2007.-144, [1] с. : ил. ; 25 см – Библиогр.: с. 106 —

112.– 2000 экз. – ISBN 978-5-98267-030-4.

3.Богословский, В.Н., Сканави А.Н. Отопление [Текст] / Вячаслав Богослов-

ский - М.: Стройиздат, 1991.-736, [1] с. : ил. ; 20 см – 43000 экз. – ISBN 5-274- 01527-1.

С. А. Борминский, докторант

Б. В. Скворцов, доктор технических наук, профессор Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика

С. П. Королева, Самара

Установка ядерно-магнитной селективной модификации жидких энергоносителей

Задачи энергосбережения требуют создания новых высокоэффективных систем производства топлив из органического сырья. Существуют разработки, связанные с модификацией нефтепродуктов методами электрической, магнитной, электромагнитной, оптической, и радиационной обработки нефтепродуктов [1]. Однако ни один из них не приводит к требуемым результатам по улучшению основных показателей качества, в частности детонационной стойкости, теплоты сгорания, температуры воспламенения. Это связано с тем, что воздействие излучения производится на интегральный состав продукта, что изменяет все его показатели качества, в том числе не только в лучшую сторону. При этом режимы технологических установок подбираются эмпирическим путем, не имеют достаточного теоретического описания, и, как правило, сочетаются с другими видами физико-химической обработки топлива, что в итоге не приводит к рентабельности по критерию качество/энергозатраты.

В предлагаемом способе впервые предлагается идея селективной модификации нефтепродукта, сущность которой заключается в том, чтобы импульсом электромагнитного излучения разорвать любую связь в любой молекуле и тем самым получить, в частности, практически н е- ограниченный ассортимент свободных радикалов, способных создавать новые молекулы. Если подобрать частоту электромагнитного сигнала в реакторе таким образом, чтобы она была резонансной для конкретной молекулы многокомпонентной смеси, то можно целенаправленно изме-

1291

нять и получать нужные свойства нефтепродукта практически без отходов производства.

Модификация среды электромагнитным методом основана на энергетическом взаимодействии молекулы с излучением. Молекула углеводородной среды представляется в виде шаров разной массы, соответствующих атомам, и пружин различной жесткости, соответствующих химическим связям. При этом различают два основных типа колебаний молекул: валентные, при которых расстояние между атомами уменьшается или увеличивается, но атомы остаются на оси валентной связи, и деформационные, при которых атомы отходят от оси валентной связи. Частота валентного колебания связана с массами двух атомов, входящих в связь и силовой постоянной следующим образом:


ω	1	K (M1 M 2 ,	(1)
ω	2π	M1M 2

где М1, М2 – массы взаимодействующих атомов, кг, К – силовая постоянная связи, н/м.

Несколько другой механизм модификации углеводородной молекулы имеет место при помещении углеводородного продукта в постоянное магнитное поле. В этом случае в среде создаются условия для возникновения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [2, 3]. ЯМР возникает как результат поглощения радиочастотного излучения веществом, находящимся в магнитном поле. Спектроскопия ЯМР позволяет различить атомы водорода в молекуле, находящиеся в различном химическом окружении. Основное уравнение, определяющее частоту ядерного магнитного резонанса, имеет вид:

ω	γ	H	,
			,

	2π	0
	2π

где γ – гиромагнитное отношение, характеризующее данный вид ядер. Оно находится из уравнения:

		2π
	γ	,
	γ	hI
		hI

(2)

(3)

где μ – магнитный момент ядра, значение которого можно найти в справочниках по физике.

Это соотношение является основным уравнением ядерного магнитного резонанса. Таким образом, для создания ядерного магнитного резонанса необходимо поместить образец в сильное однородное магнитное поле Но и подействовать на него излучением с частотой ω, удовлетворяющей уравнению (3). При этих условиях будут происходить переходы с одного ядерного магнитного уровня на другой. Вероятность переходов на верхний и на нижний уровни одинакова.

Ядерный магнитный резонанс обычно используют только для анализа химического состава органических соединений, в том числе и нефтепродуктов [2, 3]. Однако явление ЯМР целесообразно применять для элек-

1292

тромагнитной модификации нефтепродуктов. Поглощая квантованную порцию электромагнитного сигнала, ядро атома изменяет магнитный спин на противоположный. Изменение спина ядра неизбежно приведет к синхронному изменению спина собственного электрона атома водорода. Это связано с тем, что происходит взаимодействие спина атомного ядра с магнитным полем электрона. Таким образом, два электрона, находящиеся на гибридных орбиталях, соединяющих атомы углерода и водорода станут не совместимы по спину. В данном месте молекулярная связь разорвется. Молекула на некоторое время превратиться в два активных радикала, которая в процессе хаотического движения может найти электрон нужного спина, чтобы превратиться в молекулу такого же химического состава, но другой структуры. Для примера приведем ЯМР – спектр н – гексана (рис. 1), который помогает найти нужные частоты при модификации нефтепродукта. Спектр получен с помощью программы RIO-DB [4]. Анализ графиков показывает, на каких частотах реагирует каждое каждая молекулярная группа гексана.

Рис. 1. ЯМР – спектр н-гексана

Реальные частоты, на которых имеет место резонанс, определяются по формуле:

ω ω	(110	6	δ)

0

(4)

Для приведенных графиков ω0 = 89,56 ·106 Гц. Из графика на рис. 1 хорошо видно, что каждая радикальная составляющая молекулы отзывается на определѐнной частоте. Например для разрушения молекулы гексана в точке связей СН2 – СН2 (А – В) необходимо приложить частоту ω =89560114 Гц. Для того, чтобы оторвать крайний радикал СН3 (А-С) необходимо подать частоту ω =89560179 Гц. Задача формирования и удержания такой частоты с точностью ±5 Гц технически довольно слож-

1293

на, но решаема с применением новейшего генераторного оборудования с цифровым управлением.

Модификация есть динамический процесс, состоящий из двух этапов, первый из которых разрыв молекулы в месте С2 – С3. В этот момент молекула превращаются в два взаимодействующих радикала R1 = СН3СН2 и R2 = CH2CH2CH2CH3, которые в процессе хаотического движения могут перехлеснуться освободившимися орбиталями углерода с орбиталями водорода, спины которых позволяют это сделать. Длительность этого процесса составляет наносекунды, управлять которым трудно, но возможно. Методы управления процессом рекомбинации свободных редикалов выходят за рамки данной статьи.

При модификации многокомпонентной смеси, например бензина, каждая молекула имеет свой резонансный набор частот, который позволяет селективно модифицировать именно тот компонент, который определяет заданный показатель качества.

Авторами статьи разработана структурная и принципиальная схемы технологической установки, реализующая предложенную методику модификации на основе ядерного магнитного резонанса.

Установка модификации нефтепродуктов должна состоять из двух частей: формирователя постоянного магнитного поля и источника переменного электромагнитного поля. Для достижения постоянного магнитного поля с напряженностью 1,4 Тл необходимо применить мощный электромагнит с сердечником из специальной трансформаторной стали с высоким уровнем магнитного насыщения. Переменное поле в емкости с нефтепродуктом целесообразнее получать с помощью индуктора.

На основе структурной схемы разработана функциональная схема, приведенная на рис. 2. Основным управляющим элементом схемы является главный микроконтроллер установки. Микроконтроллер обеспечивает интерфейс с пользователем и общее управление установкой, а также получение данных с аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), обработка полученных данных (напряжение на выходе генератора и входе индуктора, сдвиг фаз).

На основе полученных данных о напряжениях и фазах производится автоматическое регулирование, в частности подстройка амплитуды и частоты на выходе генератора, аварийное ограничение тока в случае короткого замыкания. Частота генератора может быть задана как вручную, так и найдена в автоматическом режиме. При этом критерием поиска является максимум поглощения, которое возникает в веществе.

Формирование требуемого сигнала осуществляется с помощью задающего генератора ‒ синтезатора частот. Управляемый усилитель увеличивает выходную мощность до необходимого значения, при этом коэффициент усиления задается микроконтроллером.

Измерение напряжения переменного высокочастотного сигнала производится классическим методом – с помощью детектора и схемы фильтра-

1294

ции. Напряжение измеряется сразу на выходе генератора и после шунтирующего резистора. Также оба напряжения подаются на фазовый детектор (на рисунке обведен пунктиром), который определяет сдвиг фаз.

Рис. 2. Функциональная схема установки модификации

Разработанная схема позволит получить установку с максимальными функциональными возможностями для поиска эффекта ядерного магнитного резонанса в веществе и использовании данного эффекта для изомеризации нефтепродуктов.

Список литературы

1.Карпов, С.А. Исследование микроволновой обработки автомобильных топлив // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2007 [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. – URL: http://www.ogbus.ru/authors/KarpovSA/KarpovSA_4.pdf (дата обращения 20.01.2013)

2.Калабин, Г.А. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки / Г.А.Калабин, Л.В.Каницкая, Д.Ф.Кушнарев. – М.: Химия, 2000. – 408 с.

3.Нифантьев, И.Э. Практический курс спектроскопии ЯМР / И.Э.Нифантьев,

П.В.Ивченко. – М.: МГУ, 2006. – 200 с.

4.RIO-DB. База данных исследований – 2001 [Электронный ресурс]. Дата об-

новления: 11.01.2013. – URL: http://riodb.ibase.aist.go.jp/ (дата обращения 20.01.2013).

1295

В. Е. Вавилов, аспирант; В. С. Дуракова Ф. Р. Исмагилов, доктор технических наук

И. Х. Хайруллин, доктор технических наук, профессор Уфимский государственный авиационный технический университет

Стартер-генераторы автономных объектов на магнитных подшипниках

Обязательной составной частью автономных транспортных объектов, далее АО, основанных на двигателях внутреннего сгорания или реактивных двигателях, являются системы запуска двигателя и системы генерации электрической энергии. Важной задачей, стоящей перед производителями АО, является снижение массы силовой установки и обслуживающих

еесистем, что позволит повысить грузоподъемность или скорость АО, а также снизить количество потребляемого ими топлива. Одним из решений позволяющим уменьшить массу силовой установки АО является комбинирование системы запуска двигателя и генерации электрической энергии в одном устройстве– стартер-генераторе, далее СГ [1].

Анализ современных электромеханических преобразователей энергии, проведенный отечественными и зарубежными авторами [2–4], показал, что наиболее перспективными для применения в качестве СГ АО являются быстроходные магнитоэлектрические машины далее БММ ввиду того, что они обладают минимальной удельной мощностью (m/P, где m – масса СГ, P – мощность СГ) и высокой надежностью [5]. Кроме того развитие современной промышленности в последнее десятилетие позволило создать высокоэнергетические постоянные магниты низкой стоимости, в частности NdFeB. Что повышает экономическую привлекательность использования БММ в качестве СГ АО.

Встартерном режиме скорости вращения ротора БММ сравнительно небольшие, до 10 000 об/мин, но для увеличения полезной мощности БММ в генераторном режиме приходится увеличивать скорость вращения

ееротора, что приводит к увеличению трения в ее подшипниках. Трение является причиной тепловых и механических потерь, а также приводит к увеличению нагрузки на подшипники БММ, снижению их долговечности и выходу их из строя.

Вданных условиях разработчикам приходиться искать оптимум между скоростью вращения и мощностью БММ с одной стороны и характеристиками применяемых в ней подшипников с другой, жертвую при этом либо повышенной мощностью и пониженными массогабаритными показателями, либо надежностью.

Решением обозначенных выше проблем трения в подшипниках БММ является применение бесконтактных гибридных магнитных подшипников, далее ГМП, что позволит повысить частоту вращения ротора БММ, а

1296

следовательно и ее мощность, в генераторном режиме при одновременном сохранении надежности ее подшипников и повышении их долговечности. [6].

При работе БММ на ГМП в генераторном режиме основные нагрузки на ГМП за исключением аварийных ситуаций и без учета внешних воздействий, можно считать изменяющимися в узких пределах, которые определяются пределами изменения частоты вращения в генераторном режиме БММ, заданными ГОСТ, односторонним магнитным натяжением ротора и моментом необходимым для разгона БММ до номинальной частоты вращения. Например для БММ мощностью 100 кВт и скоростью вращения 60000 об./мин, при КПД 0,9 номинальный момент составляет

17–18

При работе БММ на ГМП в стартерном режиме нагрузки на ГМП являются кратковременными, изменяющимися в широких пределах. Пределы изменения нагрузок определяются в зависимости от промежутка изменения момента. Например, для систем запуска авиационных двигателей максимум момента составляет 200 Н·м,что в 11 раз превышает величину момента в генераторном режиме [7].

Из выше изложенного можно сделать вывод, что силы, действующие на ГМП в стартерном и генераторном режимах БММ различны. В связи с этим целью данной работы является определение нагрузок на ГМП в зависимости от режима работы СГ и анализ возможности использования ГМП в СГ.

Для численной оценки разности между нагрузками на ГМП в стартерном и генераторных режимах, рассматривается эскиз ротора БММ, рис. 1. При этом влияние сил инерции не учитывается.

Рис. 1. Эскиз ротора БММ

При пуске БММ в генераторном режиме происходит быстрое нарастание скорости и момента до номинальных значений. С учетом того, что момент и скорость при пуске в генераторном режиме ниже номинальных значений принимается, что силы действующие на ГМП в генераторном режиме незначительно изменяются во всем временном промежутке.

При пуске в стартерном режиме происходит нарастание момента до номинального значения, после чего наступает сам запуск двигателя силовой установки, и отключение стартера.

1297

Согласно изложенному алгоритму работы СГ в стартерном и генераторном режимах, были произведены численные расчеты в программном комплексе Mathcad 15.0. При расчетах использовались следующие параметры СГ, таблица 1 и моментные характеристики авиационного двигателя представленные в [7]. Также предполагалось, что СГ соединен с двигателем силовой установки посредством шлицевого соединения, коэффициент механической передачи принимался равным 1,05.

В результате расчетов были получены изменения действующих на ГМП сил в стартерном и генераторном режимах на примере авиационного двигателя, рис. 2.

Таблица 1. Технические параметры СГ

Параметр	Значение
Генераторный режим
Мощность, кВт	240
Частота вращения, об./мин	60000
Масса ротора, кг	12
Максимальный момент, Н·м	38,2
Стартерный режим
Мощность на валу, кВт	100
Максимальная частота вращения,	9600
об./мин
Максимальный момент, Н·м	200

Рис. 2. Изменение во времени сил действующих на ГМП в генераторном и стартерном режиме работы БММ

Анализ зависимостей, рис. 2, показал, что разность сил действующих на ГМП в стартерном и генераторном режимах работы составляет от 1,2 до 4,7 раза.

Таким образом, при использовании ГМП в СГ АО, необходимо либо рассчитывать их на максимальную нагрузку стартерного режима, что зна-

1298

чительно увеличит и массогабаритные показатели постоянных магнитов, и электромагнитной системы управления, либо не использовать в стартерном режиме БММ ГМП. Последнее может быть достигнуто посредством страховочных подшипников ГМП, при использовании их в качестве основных при запуске в стартерном режиме.

Список литературы

1.Кузнецов, В. А. Николаев, В. В. Стратегия проектирования вентильноиндукторного стартер-генератора [Текст]/ В. А. Кузнецов, В. В. Николаев // Электротехника. 2005.– № 4 .– С. 46-51.

2.Кузьмичев, Р. В. Генератор в системе электроснабжения самолета с повышенным уровнем электрификации // [Электронный ресурс]

URL:http://www.uacrussia.ru/ru/common/img/news/con/Kuzmichev.pdf (дата обращения 21.07.2012).

3.Moore, M. J. «Micro-turbinegenerators» – Professional Engineering. Printedinthe USA. 2002 – 113 с.

4.Мишин, С. В., Голованов, И. Г. Проблемы генерирования электрической энергии переменного тока постоянной частоты на современных воздушных судах

//Научный вестник МГТУ ГА, серия «Авионика и электротехника». –2007.–

№ 115. – С. 52‒55.

5.Власов, А. И. Выбор типа стартер-генератора для автономных подвижных объектов [Текст] / Власов А. И., Волокитина Е. В.// Электроника и электрооборудование транспорта– 2008.– № 5. – С. 2‒6.

6.Герасин, А.А. Имитационная модель электромеханических преобразователей энергии с учетом процессов в подшипниковых опорах [Текст]/ Герасин А.А., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Зюков М.М., Вавилов В.Е.. // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2013. – № 2.– С. 35–39.

7.Волокитина, Е.В. Исследования по созданию системы генерирования и запуска маршевого двигателя в концепции создания полностью электрифицированного самолета. Часть 1 [Текст] // Электроснабжение и электрооборудование. 2011.

– № 4.– С. 29‒33.

А. В. Дюпин, аспирант Е. В. Корепанов, кандидат технических наук, доцент,

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Исследование температурного режима помещения при применении теплоакумулирующих материалов

при периодической системе отопления

Исследование применения материалов со свойствами регенерации энергии в строительной отрасли в последнее время является актуальным. Накопление и расходование энергии происходит за счет фазового перехода теплоаккумулирующих материалов. Применение теплоаккумулирую-

1299

щих материалов в ограждающих конструкциях помещения дает возможность уменьшить потребление энергии для нагрева (охлаждения), а также более эффективно использовать альтернативные источники энергии (солнечная энергия, тепловые насосы). Особенно остро вопрос стоит в весенний и осенний период года при применении периодической системы отопления, так как за счет применения теплоаккумулирующих материалов время на сохранение комфортной температуры внутреннего воздуха в условиях отключенной системы отопления увеличивается.

Математическая модель теплового режима помещения включает: ‒ уравнение теплового баланса помещения:

c ρ V

T T

ок

в п

oк

вi

луч

‒ уравнение теплопроводности ограждений (наружная стена тия, межквартирные и межкомнатные перегородки):

Fi ;

, перекры-

		T			T
					2
c ρ		i	λ			i
c ρ	i		λ	i		2
i	i	τ		i	x	2
		τ			x

;

‒ граничные условия для наружной стены:

λ	T
λ	i
	i
	i
	x	x δ
	i	x δ

Ti
λi x
i		x 0
i		x 0

αн Ti Tн

αвi Tв Ti

;

αлуч Ti TR ;

‒ граничные условия для перегородок:

	λ	T
	λ	i
		i
		i
		x
		i

Tλi xi i

α	вi	T T α		луч	T
	вi	в	i	луч	i
x 0
0		;
x δ 2

‒ уравнение двухфазового состояния теплоаккумулирующего слоя в одномерной постановке:

cρ

, τ 0

тв

, ξ τ x δ

ас

тв

сρ

x ξ τ , τ 0 ,

, 0

ж τ

dξ

, x ξ τ ,

тв x

ξ 0

тв

ф dτ

T ξ 0 T ξ 0 Tф .

1300

Здесь cв, ρв – теплоемкость и плотность воздуха соответственно; Vп – объем помещения; Fок, Fi ‒ площадь окон и ограждений; Tн, Tв, TFi, TR – температура наружного воздуха, внутреннего воздуха, внутренней поверхности ограждения и радиационная температура помещения; αвi, αн – коэффициент теплоотдачи на внутренней и наружной поверхности ограждений; αлуч – эквивалентный коэффициент лучистого теплообмена; kок – коэффициент теплопередачи окна; λтв, λж, (сρ)тв, (сρ)ж – коэффициенты теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность теплоаккумулирующего материала в твердом и жидком состоянии; Тф, qф – температура и теплота фазового перехода; δ – толщина ограждения; δас – толщина теплоаккумулирующего слоя.

До начала процесса принят стационарный тепловой режим.

Проведен эксперимент, при котором помещение начинает охлаждаться (система отопления отключена) при начальной температуре внутреннего воздуха 22,7 °С. После 8 часов включается система отопления с мощностью q = 500 Вт до 16 часов. По результатам эксперимента (рис. 1) видны 2 «полки», т.е. линии с одинаковой температурой поверхности. Первая с 0,4 часа до 2 часов, вторая с 9,3 часа до 16,1 часа. Так как в начальный момент времени материал расплавлен, то первая «полка» означает твердение материала при охлаждении. После включения системы отопления, материал плавится при одинаковой температуре, о чем свидетельствует вторая «полка». После отключения системы отопления материал отвердевает. На данном графике видно, что температура воздуха повторяет изменение температуры поверхности.

Рис. 1. Температура внутреннего воздуха и поверхности теплоаккумулирующего слоя ограждающей конструкции при периодической системе отопления

(отопление включается с 8 до 16 часов q = 500 Вт)

1301

При увеличении мощности отопления до 750 Вт, теплоаккумулирующий материал при нагревании с 8 до 16 часов полностью плавиться и далее процесс теплопроводности в ограждающей конструкции идет при полностью расплавленном материале (рис. 2).

Одним из вариантов периодической системы отопления является включение отопление не по часам, а по достижению определенной температуры внутреннего воздуха (диапазон допустимых температур 18-22 С°). Таким образом, система отопления включается при достижении внутренней температуры воздуха 18 °С и выключается при достижению комфортной температуры 22 °С.

Рис. 2. Температура поверхности помещения с и без телпоаккумулируюшего слоя при периодической системе отопления (q = 750 Вт, включается с 8 до 16 часов)

По результатам исследования очевидно, что применение теплоаккумулирующих материалов в ограждающих строительных конструкциях особенно эффективно при использовании периодической системы отопления. Включение и отключение системы происход по времени, а также может происходить достижении температуры внутреннего воздуха допустимых параметров (18‒24 °С). В помещении с ограждающими конструкциями, включающими слой теплоаккумулирующего материала, температура внутреннего воздуха изменяется с учетом плавления и твердения (фазовых переходов), тем самым дольше по времени обеспечивая температуру внутреннего воздуха в допустимых пределах. Изменяя толщину теплоаккумулирующего слоя и мощность системы отопления можно добиться полного плавления теплоаккумулирующего материала и нахождение че-

1302

ловека в оптимальных для него условиях при экономии энергии на нагрев помещения.

Список литературы

1.Богословский, В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов / В.Н. Богословский. – 2 изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1982. – 415 с.

2.Делль, Р.А. Гигиена одежды / Р.А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова.

–М.: Легпромбытиздат, 1991. – 160 с.

3.Исаченко, В.П. Теплопередача /В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Суко-

мел. – М. : Энергия, 1975. – 488 с.

4.Серов, С. Ф. Системы аккумуляции теплоты в системах теплоснабжения индивидуальных домов /С.Ф. Серов, Н.С. Дегтярев // Промышленное и гражданское строительство. – 2010. – № 10. – С. 36‒39.

5.Glück, Bernd. Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung [Электронный ресурс] / Bernd Glück. – Bericht der RUD. OTTO MEYER-Umwel-Stiftung. – Hamburg, 2004/05. – С. 231-233. – Режим доступа: http://rom-umwelt-stiftung.de, свободный.

А. В. Запольских, магистрант

Анализ энергоэффективности и расчет потенциала энергосбережения типовых серий жилых и общественных зданий

Исследование тепловых потерь зданий и их расчет и анализ является актуальным в области жилищно-коммунального хозяйства. Контроль тепловых потерь способствует экономии энергии при обеспечении сани- тарно-гигиенических и оптимальных параметров микроклимата помещений и долговечности ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Методика расчета показателей энергоэффективности включает в себя расчет тепловых потерь через различные типы ограждающих конструкций здания. В качестве составляющих тепловых потерь выделим следующие [1]:

1)теплопотери через стеновые ограждения помещений;

2)теплопотери через чердачные перекрытия;

3)теплопотери через подвальные перекрытия.

4)теплопотери через оконные ограждения помещений (за счет теплопроводности и инфильтрации);

5)теплопотери через двери помещений (за счет теплопроводности и инфильтрации).

Теплопотери через стеновые ограждения, чердачные и подвальные перекрытия (инфильтрацией через стеновые ограждения можно пренебречь)

1303

определяются исходя из площади ограждений, приведенного сопротивления теплопередачи ограждения, разницы температур внутреннего и наружного воздуха и поправочных коэффициентов [2].

Кондуктивные потери тепла через окна и наружные двери определяются аналогично тепловым потерям через стены и перекрытия.

Теплопотери на нагревание наружного воздуха, поступающего путем инфильтрации через окна зависят от расчетной площади окон, удельной массовой теплоемкости воздуха, количества воздуха, поступающего путем инфильтрации и поправочного коэффициента, определяемого типом оконной конструкции.

Тепловая защита зданий определяется следующими показателями [3]: а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов

ограждающих конструкций здания; б) санитарно-гигиенический, включающий температурный перепад

между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности выше температуры точки росы;

в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания.

Для определения того, нужны ли утеплительные мероприятия надо сравнить фактические значения показателей тепловой защиты с нормативными. В табл. 1 представлены результаты расчета показателей тепловой защиты 5-ти этажного кирпичного здания, расположенного в г. Ижевске.

Таблица 1. Сравнение фактических и нормируемых значений сопротивления

теплопередаче

	Фактическое значе-	Фактическое зна-
Ограждающая	Фактическое значе-	чение после утеп-	Нормируемое
Ограждающая	ние до утеплитель-	чение после утеп-	Нормируемое
конструкция	ние до утеплитель-	лительных меро-	значение
конструкция	ных мероприятий	лительных меро-	значение
	ных мероприятий	приятий
		приятий
	Сопротивления теплопередаче, (м2·°С/Вт)
Стена наружная	0,84	3,53	3,47
Перекрытие	0,93	4,58	4,56
подвальное
Перекрытие	0,93	4,58	4,56
чердачное
Окна	0,40	0,77	0,74
Двери	0,60	0,93	0,90
Удельный расход тепловой энергии на отопление здания

На ед-цу объема,	56,77	20,24	31,0
кДж/(м3·°С·сут)
На единицу	133,0	47,9	85,0
площади,
кДж/(м2·°С·сут)

1304

Суммарное потребление тепловой энергии до проведения утеплительных мероприятий и после по типам ограждающих конструкций приведено в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение тепловых потерь до и после проведения утеплительных

мероприятий

Ограждающие	Теплопотери до	Теплопотери	Экономия,	Экономия,
Ограждающие	утепления,	после утепления,	Экономия,	Экономия,
конструкции	утепления,	после утепления,	Гкал/год	%
конструкции	Гкал/год	Гкал/год	Гкал/год	%
	Гкал/год	Гкал/год
Стены	279,50	82,40	197,10	16,41
Окна	334,20	173,60	160,60	13,37
Окна (инфиль-	524,90	52,50	472,40	39,33
трация)
Чердачное пере-	10,90	6,40	4,50	0,37
крытие
Подвальное пе-	37,90	8,70	29,20	2,43
рекрытие
Двери	13,80	11,80	20	0,17
Итого	1201,20	335,40	865,80	72,08

Можно сделать вывод, что наиболее эффективным является мероприятие по снижению инфильтрации через оконные проемы. Это объясняется тем, что окна являются наиболее уязвимыми элементами здания и теплообмен инфильтрацией составляет значительную часть теплопотерь наружу. Данное мероприятие позволяет снизить теплопотери через окна почти в 2 раза. Экономия тепловой энергии после утепления всех ограждающих конструкций составила 72,08 %.

На рис. 1 представлены полученные результаты в виде диаграммы изменения теплопотерь до и после утепления.

Для расчета и анализа энергоэффективности типовых серий жилых и общественных зданий был разработан программный комплекс. База данных программного комплекса включает следующую информацию:

справочные данные для расчета тепловых потерь;

информация о технологиях тепловой защиты зданий;

теплотехническая информация по типовым сериям зданий;

информация о помещениях здания.

Структура базы данных приведена на рис. 2.

Таким образом, анализ структуры тепловых потерь (по элементам ограждающих конструкций) для зданий различных серий позволяет дать оценку утеплительным мероприятиям жилого здания.

1305

Рис.1. График изменения теплопотерь до и после проведения утеплительных мероприятий пятиэтажного кирпичного жилого дома:

1 – теплопотери через стены; 2 – теплопотери через окна; 3 – инфильтрация через окна; 4 – теплопотери через чердачное перекрытие; 5 – теплопотери через подвальное перекрытие; 6 – теплопотери через двери.

	Справочная
	информация
Технологии
тепловой	БД	Здания
защиты
	Помещения

Рис. 2. Структура базы данных тепловых потерь зданий

Предполагается, что анализ энергоэффективности и расчет потенциала энергосбережения типовых серий зданий будет способствовать правильному и эффективному определению утеплительных мероприятий, что является целью дальнейших исследований.

Список литературы

1.Кудинов, А. А. Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций зданий [Текст]: методические указания / А. А. Кудинов. – Ульяновск:

УлГТУ, 2000. – 31 с.

2.Малявина, Е. Г. Теплопотери здания [Текст]: справочное пособие / Е. Г.

Малявина. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. – 144, [1] с. : ил. ; 25 см – Библигр.: с. 106 –

112.– 2000 экз. – ISBN 978-5-98267-030-4.

1306

3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий [Текст] : строит. нормы и правила : утв. Госстроем России 26.06.2003 : взамен СНиП II-3-79* : дата введ. 01.10.2003. – М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. – 45 с.

К. А. Злобина, магистрант Е. В. Корепанов, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Методы оценки систем отопления малоэтажных зданий

Актуальной проблемой на сегодняшний день является поиск методов и средств выбора наиболее эффективной и экономичной системы отопления малоэтажных зданий. Как известно, дома коттеджного типа на настоящий момент набирают популярность, но заказчики, вследствие своей некомпетентности, часто не знают, какую систему отопления из существующего многообразия выбрать при строительстве нового дома.

Объектом исследования является система отопления малоэтажных зданий. Предметом исследования является технико-экономическое сравнение систем отопления малоэтажных зданий.

Цель исследования – сравнение технических и экономических показателей систем отопления и проектирование наиболее энергоэффективной и экономичной системы отопления малоэтажного здания. Для решения этой цели нужно решить следующие задачи:

1.Сравнение технических параметров систем отопления с точки зрения энергоэффективности.

2.Сравнение экономических параметров систем отопления с точки

зрения экономичности.

В качестве методов исследования используются техникоэкономическое исследование и математическое моделирование. Виды систем отопления, которые сравниваются в данном исследовании:

–водяная централизованная;

–водяная с котлом (автономная система);

–водяная с тепловым насосом (автономная система);

–воздушная.

В централизованной системе тепло производится вне жилого помещения и попадает в здание по специальным трубопроводам. В автономной системе генератор тепла находится непосредственно в отапливаемом здании. Чаще всего этот генератор является многофункциональным устройством и, помимо обогрева воздуха внутри помещения, снабжает весь дом горячей водой.

ВРоссии наиболее широко распространено водяное централизованное

иавтономное отопление. В этих отопительных системах нагретый до определенной температуры жидкий теплоноситель (вода), проходя по си-

стеме трубопровода и через отопительные приборы, постепенно отдает

1307

свое тепло воздуху в помещении. Как известно, традиционная водяная система состоит из следующего оборудования: котлы отопления, горелки, системы разводки трубопроводов, расширительные баки и отопительные приборы. На систему разводки труб влияние оказывает не только место прокладки магистрали и способ соединения приборов, но и схема прокладки магистрали. К тому же система может снабжаться автоматикой и циркуляционными насосами (системы с принудительной циркуляцией).

Причина популярности этого вида отопления кроется в невысокой стоимости системы и малом расходе используемых для обогрева материалов. Помимо этого жидкий теплоноситель имеет очень высокую теплоемкость и с его помощью комфортный для людей режим создается значительно быстрее, чем при использовании других видов теплоносителей. К недостаткам, которые имеет водяное отопление, относятся сложная схема монтажа, невозможность создания такой системы своими руками, если вы не специально обученный человек, и постоянный контроль хода процесса отопления. Монтаж такой системы возможен только на этапе строительства или капремонта дома.

На втором месте по популярности в загородных домах, расположенных на территории России, находится воздушное отопление (печи, камины и т.п.). В этих системах теплоноситель – нагретый воздух, образующийся в теплогенераторе и передающийся по специально вмонтированным калориферам. К достоинствам воздушной системы отопления можно отнести хорошую проникающую способность и высокую быстроту нагрева воздуха в помещении. А к недостаткам – высокую стоимость, большие размеры и негативное влияние на окружающую среду [1].

Систему отопления выбирают на основании технико-экономического сравнения различных вариантов, допустимых по санитарногигиеническим показателям, с учетом эксплуатационных особенностей. К техническим показателям, прежде всего, относятся характеристики систем и применяемых в них теплоносителей. Важным показателем является надежность системы, т. е. свойство обеспечивать заданную теплоподачу в помещении в течение требуемого периода времени. Наибольшей надежностью, которая обусловлена прежде всего безотказностью (непрерывным сохранением работоспособности), а также сравнительной долговечностью, обладают системы водяного отопления (срок службы 30—35 лет), управляемые и безопасные в эксплуатации. Невысокую надежность имеют системы центрального воздушного отопления из-за возможности нарушения распределения воздуха по помещениям, поскольку воздуховоды из кровельной и тонколистовой стали недолговечны, а из кирпича, блоков, плит, листов и тому подобных материалов недостаточно плотны. Стоимость устройства центральных систем воздушного отопления выше (с учетом стоимости объема зданий, занимаемого оборудованием) затрат на создание систем водяного отопления, а расход металла в связи с возможностью изготовления воздуховодов из асбестоцемента и других стро-

1308

ительных материалов часто оказывается даже ниже, чем в других системах отопления [3].

Существуют программы для математического моделирования систем отопления, например, программа математического моделирования теплогидравлических режимов работы водяных систем отопления зданий, в которой задача нелинейного программирования решается численным методом нулевого порядка Хука-Дживса. Но в ней рассматривается только водяная система отопления.

Математическая модель рассматриваемой задачи представлена в виде функционала, включающего в себя теплогидравлический баланс отопительной системы комнаты и аэродинамический баланс приточновытяжной системы естественной вентиляции. Процедура решения данной задачи: разработаны алгоритм и компьютерная программа расчета. Программа позволяет не только подобрать оптимальный вариант нового нагревательного прибора, но и оценить влияние его установки на температуру теплоносителя, входящего в смежное помещение этажестояка. Еще одной особенностью данной программы является возможность моделирования процесса инфильтрации наружного воздуха и его влияния на температурный режим помещения. При этом становится возможным детально оценить техническую и финансовую стороны реконструкции [2].

Предполагается, что путем создания математической модели, связывающей параметры теплоносителя и стоимость различных систем отопления, удастся найти систему отопления, наилучшим образом отвечающую требованиям заказчика.

Результаты исследования предполагается использовать при проектировании систем отопления малоэтажных зданий и при капитальном ремонте.

Список литературы

1)Системы отопления коттеджей и загородных домов [Электронный ресурс] / Строительство и ремонт своими руками – Режим доступа: http://chonemuzhik.ru/sistemy-otopleniya-kottedzhej-i-zagorodnyx-domov.html

2)Математическое моделирование теплогидравлических режимов работы во-

дяных систем отопления зданий [Электронный ресурс]/Национальная ассоциация энергетиков России – Режим доступа: http://nacep.ru/analitika/matematicheskoe- modelirovanie-teplogidravlicheskix- rezhimov-raboty-vodyanyx-sistem-otopleniya- zdanij.html

3)Технико-экономическое сравнение систем отопления [Электронный ресурс]/ГосЭнергоНадзор – Режим доступа: http://gosenergonadzor.flybb.ru/topic172.html.

1309

А. А. Иванов, магистрант В. А. Морозов, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Модель защиты электрического двигателя в среде графического программирования LabVIEW

Современные мировые стандарты предъявляют всѐ более высокие требования к безопасной эксплуатации электродвигателей. Высокие показатели надежности и долговечности асинхронных двигателей (АД) возможны только при условии их работы при номинальных или близких к ним режимах, что можно обеспечить лишь установкой надлежащей защиты. Необходимость в постоянном мониторинге работы дорогостоящего оборудования усиливает потребность в использовании высококачественной, надежной и комплексной защиты электродвигателей.

Аппаратное выполнение защит электродвигателей весьма разнообразно: от сборных шин на электромеханических реле (РТ-40, РТ-80, РНТ-565, ДЗТ41 и др.) на микроэлектронных реле (РСТ-13, РТ3-51 и др.), до специальных комплектных устройств типа ЯРЭ 2201 и микропроцессорных цифровых защит [1].

В настоящее время микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ) являются основным направлением развития релейной защиты. Помимо основной функции ‒ аварийного отключения энергетических систем, МУРЗ имеют дополнительные функции по сравнению с устройствами релейной защиты других типов (например, электромеханическими реле) по регистрации аварийных ситуаций [2].

Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы АД, сократит расход электроэнергии, а так же эксплуатационные расходы. Но для того, чтобы выбрать эту защиту, необходимо знать, как и от чего необходимо защищать АД, а также специфику процессов, протекающих в нем при возникновении аварийных ситуаций. Это обусловливает создание виртуального лабораторного комплекса, который соответствует реальной физической системе электропривода.

Использование метода математического моделирования при исследовании систем электропривода имеет ряд неоспоримых преимуществ, например, таких как возможность уточнения параметров системы регулирования, а так же выбора оптимальных уставок и настроек защит на этапе предшествующем настройке и регулировке реальной системы.

Один из наиболее подходящих программных пакетов для разработки таких виртуальных стендов ‒ программный пакет LabVIEW, имеющий весьма удобный пользовательский интерфейс и мощные средства графи-

1310

ческого программирования. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) позволяет разрабатывать прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппаратурой, сбора, обработки и отображения информации и результатов расчетов, а также моделирования, как отдельных объектов, так и автоматизированных систем в целом [3].

Вкачестве базы для модели был выбран микропроцессорный терминал «Сириус-Д» ЗАО «Радиус Автоматика».

Функции защиты, выполняемые терминалом:

‒ трехступенчатая максимальная токовая защита от междуфазных повреждений;

‒ защита от перегрева электродвигателя на основании тепловой модели; ‒ защита от затянутого пуска; ‒ защита от блокировки ротора;

‒ защита синхронных двигателей от асинхронного хода; ‒ минимальная токовая защита; ‒ защита минимального напряжения; ‒ защита обратной мощности;

‒ защита от обрыва фазы питающего фидера и от несимметричных режимов;

‒ защита от однофазных замыканий на землю.

Вкачестве примера рассмотрим работу защиты минимального напряжения (ЗМН) на примере микропроцессорного устройства релейной защиты «Сириус-Д» и «Сириус-21-Д». Она имеет одноступенчатую независимую характеристику с одной выдержкой времени. ЗМН срабатывает при понижении сразу всех трех линейных напряжений ниже порога, задаваемого уставкой UЗМН[4].

Функциональная логическая схема построения ЗМН приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная логическая схема построения ЗМН

Алгоритм работы ЗМН двигателя выглядит следующим образом:

1.C вторичных обмоток трансформаторов напряжения (ТН), подключенных к защищаемой цепи, в режиме реального времени снимаются амплитудные значения вторичных напряжений фаз A, B, C;

2.Миниселектором определяется минимальное напряжение среди вторичных токов фаз A, B, C;

3.Найденное минимальное напряжение сравнивается с уставкой напряжения;

1311

4 . Если минимальное напряжение становится меньше напряжения уставки, запускается таймер отсчета времени снижения минимального напряжения ниже напряжения уставки;

5 . Если за время отсчета, не превышающее время уставки, минимальное напряжение станет больше напряжения уставки, таймер сбрасывется в «0»; 6. Если время, в течение которого минимальное напряжение было ниже напряжения уставки, превысило время уставки, формируется сигнал на отключение выключателя и загораются индикаторы «Отключение выклю-

чателя ЗМН» и «Авария».

На основе функциональной логической схемы в среде графического программирования LabVIEW была составлена блок-диаграмма, моделирующая работу ЗМН двигателя.

Рис. 2 Блок-диаграмма ЗМН в программной среде LabVIEW

Результатом магистерской работы должна стать виртуальная модель микропроцессорной релейной защиты электродвигателя, которая позволит детально проанализировать процессы, протекающие как в первичных силовых цепях энергосистем, так и в цепях релейных защит, что имеет значение не только для научного, но и для образовательного процесса.

Блочный принцип построения модели, позволяющий, в отличие от лабораторного стенда, изменять не только параметры сети, но и саму еѐ конфигурацию позволит проводить анализ различных дополнительных функций микропроцесорных комплектов релейных защит, позволяя добиться оптимальных конструкционных параметров. Одной из ключевых особенностей такой виртуальной модели является возможность исследования достаточно широкого диапазона режимов работы системы, в том числе и аварийных, что часто невозможно или нецелесообразно выполнить на реальной установке.

1312

Данные особенности модели обуславливают возможность ее применения в образовательном процессе, особенно в условиях дистанционного обучения, а так же при подготовке и повышении квалификации обслуживающего персонал.

Список литературы

1.Александров, А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ [текст] : Методические указания с примерами. / А.М. Александров - Изд. 3-е. - Санкт-Петербург, ПЭИПК, 2000. – 56 с.

2.Гуревич, В. И. Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы [текст] : учебно-практическое пособие / В. И. Гуревич . – М. : Инфра-

Инженерия, 2011. – 336 с. - ISBN 978-5-9729-0043-5

3.Виноградова, Н.А. Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW [текст]: Учебное пособие / Н.А. Виноградова, Я.И. Листратов, Е.В.Свиридов — М.: Издательство МЭИ, 2005. — 49 с.

4. Микропроцессорное	устройство	защиты	электродвигателя
Сириус-Д, Сириус-21-Д. Руководство по эксплуатации			БПВА.656122.046 РЭ.
URL: http://rza.ru/techrew/sirius-d-2010.pdf.

Д. В. Калмаков, магистрант

В. И. Заболотских, доктор технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Функции блока управления импульсного источника питания для силовой электроники

Схему любого источника вторичного электропитания (ИВЭ) можно разделить на две основные части: силовую и управляющую. В задачи первой входит получение требуемых величин напряжения, тока, мощности, частоты и т.п. Задачей второй части является преобразование различных управляющих параметров в электрические сигналы, получение требуемых законов управления токами и напряжениями, формирование управляющих, измерительных и других сигналов и команд для силовой части [1]. В большинстве случаев работа управляющей части связана с обработкой информации, представленной как в аналоговой, так и в цифровой форме, что вызывает необходимость ее преобразования для обеспечения возможности взаимодействия аналоговых подсистем с цифровыми подсистемами.

Перечислим основные функции системы управления силовыми транзисторными преобразователями в современных мощных ИВЭ:

− устойчивая стабилизация выходного напряжения, тока (иногда мощности) в заданных пределах изменения входного напряжения. Для мощ-

1313

ных импульсных ИВЭ, в зависимости от условий эксплуатации, обычно задаются следующие пределы для переменного напряжения 220 В: ±15% (~187…253 В), ±20% (~176…264 В). Гораздо реже выдвигается требование обеспечения так называемого «универсального» входа, т.е. способности сохранять работоспособность при изменении питающего напряжения в диапазоне ~85 (90)…264 В. Заметим, что в случае использования корректора коэффициента мощности (ККМ) при универсальном входе основное значение для стабилизации напряжения имеет работа ККМ, а основной преобразователь работает в «комфортном» режиме. При питающей трѐхфазной сети, когда ККМ не используется, универсальность питания должен обеспечивать сам преобразователь [1,2];

−генерация повышенной частоты преобразования (коммутации сило-

вых ключей) fпр = 80…250 кГц (ранее частота преобразования составляла

20…50кГц);

−формирование закона управления силовыми ключами: ШИМ или ЧИМ;

−плавное включение (пуск) и выключение ИВЭ в штатных и нештатных режимах работы, например, при несанкционированном выключение питающей сети;

−организация выполнения всего комплекса защитных мер при возникновении различных аварийных ситуаций вне ИВЭ (у потребителя) и внутри самого источника:

– защита от токовых перегрузок на выходе источника, а также ККМ (если он есть в составе ИВЭ);

– защита от коротких замыканий (КЗ) на выходе источника. Ввиду большой мощности источника, как правило, защита осуществляется с устойчивым запиранием силовых ключей; кроме того, при этом должен быть выдан сигнал на отключение источника от питающей сети входным пускателем;

– защита потребителя от перенапряжений на выходе источника;

– тепловая защита от перегрева основных силовых компонентов: силовых ключей (транзисторов), силового трансформатора и источника в целом;

– защита от недопустимой мгновенной мощности на силовых ключах;

– недопустимого изменения входного напряжения переменного тока. Напомним, что стандартное время удержания выходного напряжения составляет 20 мс (если не оговорено иное) и обеспечивается в основном большой ѐмкостью конденсатора сетевого выпрямителя (или выходного конденсатора ККМ);

– теплового перегрева силовых компонентов и источника в целом;

– «небольшой» (+15…+35%) токовой перегрузки (% перегрузки и время срабатывания защиты согласуются с заказчиком);

– «небольшого» (+5…+15%) перенапряжения на выходе источника (% перенапряжения и время срабатывания защиты согласуются с заказчиком);

– быстродействующие виды защит (быстродействие – доли/единицы микросекунд);

1314

–превышения входного тока ККМ;

–превышения тока силовых транзисторов в преобразователе напряжения; например, для некоторых биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) или интегрированных модулей на их основе допускается 100-кратная токовая перегрузка в течение не более 10 мкс, при этом через 5 мкс напряжение на его затворе должно быть снижено вдвое;

–превышения мгновенной мощности силовых ключей (в зависимости от выполнения схемотехники преобразователя). Заметим, что система управления ИВЭ должна выполнять защитные функции с необходимым быстродействием и надѐжностью. По времени срабатывания схемы защиты разделяются на «медленные» (десятки и сотни миллисекунд) и «быстрые» (единицы микросекунд);

− выравнивание выходных токов источников при параллельной работе для получения большей мощности;

− формирование вида требуемой выходной характеристики или обеспечение требуемой зависимости максимальной выходной мощности от уровня напряжения в сети;

− возможность дистанционного управления (интерфейс с системой управления верхнего уровня);

− запись и индикация некоторых режимов и параметров работы. Например, иногда требуется запись состояния сети питания (мониторинг среднего значения, а также скачков и провалов напряжения) в целях диагностики и профилактики возможных отказов и т.д. Запись состояния сети может осуществляться циклически во время функционирования источника (например, каждые 8, 12 или 24 ч).

Самым большим рынком для приборов силовой электроники является электропривод. На рис. 1 приведена классическая функциональная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Входное напряжение поступает на мостовой диодный выпрямитель (1), вход которого защищѐн ограничителями перенапряжений (8). К выходу выпрямителя подключаются фильтровая ѐмкость шины постоянного тока со схемой «мягкого» заряда (9) и мостовой инвертор напряжения на IGBT транзисторах (4), к выходу которого подключается нагрузка – двигатель переменного тока (6). В приводах малой и средней мощности к шине постоянного тока подключается схема торможения (5) и левая часть (4). Силовая часть преобразователя содержит также датчики тока (2) и температуры (3). Схема управления содержит драйверы (12) для управления транзисторами инвертора и тормоза со схемами защит (10, 13), контроллер управления (14)

иисточники питания для собственных нужд (11).

В настоящее время управление мощными импульсными ИВЭ (ККМ, ПН) все-таки в большей степени осуществляются системами на основе аналоговых компонентов: микросхем ШИМ-, ЧИМ- и ККМ-контроллеров, операционных усилителей (ОУ), управляемых источников опорного напряжения (ИОН), компараторов, таймеров и др. [2,3]. Внешний интер-

1315

фейс обеспечивается АЦП и ЦАП. Для повышения уровня интеграции некоторые из аналоговых микросхем выбираются многоканальными.

Следует отметить, что задача управления мощными ИВЭ стала упрощаться с появлением нового класса мощных полупроводниковых приборов – интеллектуальных (интегрированных) силовых модулей – Integrated Power Modules (IPM) [4].

Рис. 1. Функциональная схема преобразователя частоты

Появление МОП-управляемых приборов, требующих малых мощностей управления, а также высокая стойкость IGBT транзисторов к перегрузкам и лѐгкость управления ими в аварийных режимах позволили объединить в едином корпусе IMP и силовую часть преобразователя (4), и мостовой диодный выпрямитель (1), и схемы драйверов, диагностики и защит (10), (12), (13) (рис. 1).

Функциональная схема таких модулей приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема интеллектуального модуля

1316

В качестве схем драйверов применяются высоковольтные силовые интегральные схемы, обеспечивающие, кроме формирования импульсов управления на затворы IGBT (5), также функции защиты силовых ключей от перегрузок по току (ОС – Over Current) – (6), включая короткое замыкание (SC – Short Current) – (7), защиту от перегрева (OT – Over Temperature) – (9), от аварии (недопустимого понижения) напряжения питания драйверов (UV – Under Voltage) – (8). В отдельных IPM добавлены гальваническая развязка управляющих сигналов (3), источники питания драйверов (2). В следующих поколениях планируется включать в состав IPM также и контроллер управления (1). Внешними для IPM являются шина постоянного тока (выпрямитель 11) и нагрузка (двигатель 12).

Управление импульсными источниками питания ранее традиционно осуществлялось чисто аналоговыми схемами.

Появление недорогих высококачественных цифровых сигнальных контроллеров обеспечило оптимальный способ реализации преимуществ цифровых источников питания в следующих областях [4]:

–уменьшение стоимости используемых компонентов по сравнению с аналоговыми источниками питания;

–гибкость управления, в том числе возможность управления усовершенствованными топологиями;

–реализация дополнительных функций без повышения стоимости.

Список литературы

1.Удинцев, В.Н. Источники вторичного электропитания: Методические указания к курсовой работе по курсу «Силовая электроника» / В.Н. Удинцев, В.С. Проскуряков – Екатеринбург, 2004. – 41 с.

2.Флоренцев, С. Современное состояние и прогноз развития приборов сило-

вой электроники / С. Флоренцев // Современные технологии автоматизации, №2,

2004. – С. 25–28.

3.Мелешин, В. Применение микропроцессоров в системах управления транзисторных выпрямителей / В. Мелешин, Д. Овчинников // Силовая электроника, №4, 2005. – С. 50–53.

4.Владимиров, Е. Импульсные источники питания большой мощности с микропроцессорным управлением / Е. Владимиров, В. Ланцов // Современная электроника, №1, 2009. – С. 21–24.

Е. М. Кашин, аспирант В. Н. Диденко, доктор технических наук, профессор

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Основные методы интенсификации процессов газификации топлива

Рост цен на нефть в 1970-х привел к возобновлению интереса к технологии газификации дерева. Необходимость развития этого направления

1317

обусловлена повышением энергетических потребностей человечества с одной стороны и пониманием неизбежности исчерпания природных углеводородов в ближайшем будущем с другой.

Существующие современные технологии газификации органического топлива основаны в большей степени на технологиях газификации 1-ой половины XX века. С тех пор значимых «научных прорывов» в рамках этой области практически не произошло. Но существуют некоторые мероприятия, позволяющие повысить эффективность процесса газификации в газогенераторах. Условно их можно разделить на следующие группы:

I. Мероприятия, проводимые в отношении газифицирующего агента:

1.Повышение концентрации газифицирующего агента, путем обогащения воздуха кислородом или применением паро-кислородного дутья для газогенераторных процессов [1, 2].

С повышением доли газифицирующего агента, например кислорода, в реагирующем газе увеличивается скорость реакции и поднимается температура процесса. Увеличение скорости реакции обуславливается не только ростом концентрации газифицирующего агента, но и резким возрастанием константы скорости реакции.

Использование вместе с воздушным дутьем водяного пара в умеренном количестве также способствует более интенсивному горению и интенсификации процесса газификации. Но чрезмерно большие концентрации водяного пара уменьшают степень разложения водяного пара в связи со снижением температуры и тем самым препятствуют интенсификации процессов.

2.Применение высокого давления [1, 2].

Немаловажным фактором для интенсификации газогенераторных процессов служит повышение давления в реакционном объеме, позволяющее увеличить количество реагирующего газа в единице объема, снизить линейную скорость движения газового потока и тем самым увеличить время контакта между газифицирующим агентом и топливом. Это позволяет сократить размеры реакционной зоны, резко повысить теплонапряженность газогенераторов и уменьшить объем. С повышением давления падает коэффициент молекулярной диффузии кислорода к поверхности частиц топлива, но повышение температуры значительно компенсирует этот отрицательный эффект давления.

3. Увеличение скорости потока газов внутри газогенератора, приводящее к росту газопроницаемости.

В слоевых процессах скорость горения насколько высока и потребление кислорода в гетерогенных реакциях происходит так быстро и так активно, что длина кислородной зоны измеряется 2—3 диаметрами частиц, причем с повышением расхода дутья интенсивность горения углерода пропорционально возрастает [2]. На практике скорость реагирования твердого топлива в слое ограничивается только скоростью дутья и, следовательно, устойчивостью слоя кусков. Огромные скорости реакции твер-

1318

дых топлив, обеспечиваются высокими относительными скоростями между газом и частицами топлива. Высокие скорости обтекания газом кусков топлива, наряду с непрерывным подводом кислорода к реакционной поверхности, способствуют отводу продуктов сгорания, в том числе и таких, как окись углерода, оказывающая тормозящее действие на горение углерода, и тем самым интенсифицируют слоевой процесс [1].

4.Выравнивание скоростей газового потока по сечению шахты и равномерный ход процесса.

Пределом скорости реакции в слое является переход в кинетический режим, когда суммарная скорость реакции будет определяться не скоростью подвода окислителя, а скоростью химической реакции. Однако этого предела в кислородной зоне обычно достигнуть не удается, и практически суммарная скорость реакции в слое определяется, такой скоростью подвода газифицирующего агента, при которой сохраняется устойчивость залегания кусков топлива в слое [1]. Поэтому равномерность хода процесса полностью определяется равномерным распределением скоростей газового потока внутри газогенератора.

5.Повышенное качество дутья и хорошее перемешивание компонентов паро-воздушного или паро-кислородного дутья.

При некачественном перемешивании элементов газифицирующей смеси в объѐме топлива могут образоваться зоны с различными, протекающими внутри реакциями. Всѐ определяется тем в какую зону попадѐт тот или иной компонент газифицирующего агента. А существование различий

вреакциях обуславливает снижение эффективности процесса газификации в целом.

II. Мероприятия, осуществляемые в отношении топлива:

1.Увеличение реакционной поверхности используемого топлива путем его измельчения [1, 2];

Уменьшение размеров кусков в слое твердого топлива приводит к увеличению реакционной поверхности в единице объема слоя и уменьшению времени их прогорания.

2.Применение сортированных, узкофракционированных топлив и сочетание дутья с перерабатываемым топливом;

Наилучшие результаты в слоевых процессах достигаются при сжигании или газификации топлива одинакового или мало отличающегося фракционного состава. По этой причине размеры куска ограничивают определенной величиной, значение которой в свою очередь определяется его устойчивостью в слое. Использование мелкозернистого топлива провоцирует унос частиц и способствует повышению аэродинамического сопротивления газогенератора, приводящие к ухудшению газопроницаемости и снижению эффективности процесса газификации в целом, а также необходимости использовать более мощные вентиляторы для дутья.

3.Регулирование подачи и распределения топлива по сечению шахты генератора в зависимости от крупности газифицируемого топлива и об-

1319

легчение движения топлива.

Для равномерности распределения активных зон внутри газогенератора и для облегчения движения топлива применяют различные методы перемешивания, в том числе путем вращательного движения и создания вибраций. Перемешивание позволяет избежать наличия уплотнений и воздушных прослоек, снижающих эффективность аппарата в целом.

4. Поддержание постоянной высоты слоя топлив (сочетание движения топлива по высоте шахты и многосторонний отвод шлаков)

По мере прогорания нижних слоев топлива происходит естественное движение верхних слоев, вызванное действием силы тяжести. Прогорание топлива в совокупности с его движением приводит к уменьшению толщин активных зон (зоны сушки, пиролиза и восстановления) и к их возможному исчерпанию. Для избежания этого необходимо постоянно поддерживать их определенную толщину, посредством своевременной загрузки новой порции топлива.

III. Мероприятия, связанные с минимизацией вредного воздействия продуктов сгорания на ход газогенераторного процесса:

1. Эффективный отвод шлаков и золы.

Зола образует на поверхностях нагрева отложения, ухудшающие коэффициент теплопередачи, увеличивает гидравлическое сопротивление энергетических установок и износ поверхностей нагрева. Частицы золы различны по размерам. В наибольшей степени образуют отложения мелкие частицы, размеры которых не превышают 30 мкм. Частицы более крупные, ударно воздействуя на образовавшиеся скопления золы, способствуют их разрушению, но одновременно производят и истирание поверхностей нагрева корпуса.

IV. Конструктивные мероприятия [1]:

1. Рациональный выбор размера (диаметра) камеры газификации. Диаметр камеры газификации по фурменному поясу определяет

напряжѐнность горения, качество газа и содержание смолы в газе. С увеличением диаметра камеры центральная часть еѐ становится трудно достижимой не только для кислорода воздуха, но и для раскалѐнных продуктов сгорания топлива. Температура в центре такой камеры невысока. Та часть высококалорийных газов сухой перегонки и смол, которая проходит через центральную зону камеры, в меньшей степени способна сгорать с кислородом воздуха или крекироваться в условиях высокой температуры. В результате этого в камере увеличенного диаметра продукты сухой перегонки, не изменившись химически, смешиваются с газом основного процесса, тем самым увеличивая содержание СО и Н2 и в результате повышается теплота сгорания газа [4]. Подтверждением такой точки зрения могут служить анализы смолосодержания в газе, производившиеся в опытах. Согласно замерам, при увеличении диаметра цилиндрической камеры содержание смолы в газе возрастает [4].

Однако недопустимость высокого смолосодержания в газе обязывает соблюдать при выборе этого диаметра известные пределы. Размер диа-

1320

метра камеры должен быть строго увязан с величиной горловины, понижающей смолосодержание.

2. Соответствие параметров дутья и гидравлического затвора генератора (при его наличии);

При одновременном использовании дутья и гидравлического затвора необходимо их правильное и безопасное друг относительно друга функционирование, достигаемое более детальным конструированием и тщательным проектированием. Разработчики конструкций газогенераторов должны проектировать систему дутья так, чтобы она не нарушала работу гидравлического затвора и наоборот. Системы должны дополнять друг друга, а не уничтожать.

3. Конструктивное оформление устройств, например, путем уменьшения прямой отдачи с помощью отражательных сводов, уменьшения поверхности тепловоспринимающих экранов в топках и т. п.

Эта мера приводит к повышению температуры процесса. Повышение температурного уровня процесса горения и газификации твердых топлив в определенных условиях сказывается на увеличении скорости реакции, устранении вредного влияния золы, тормозящей подвод кислорода, улучшении состава газа, повышении коэффициента полезного действия и стабильности процесса воспламенения.

V. Эксплуатационные мероприятия [1]:

1. Автоматическое регулирование технологического режима в газогенераторе.

Наибольшей эффективности процесса газификации удается достичь при использовании автоматизированной системы управления, контролирующей не только ход основных процессов в газогенераторе, но и управляющей ими, с помощью воздействия на те или иные параметры.

2. Организация непрерывного протекания процесса газификации [2]. Любые перебои в работе установок для газификации топлива сказы-

ваются на конечном составе генераторного газа. Поэтому для получения газа желаемого состава необходимо избегать сбоев в работе газогенератора.

3. Подогрев дутьевого воздуха.

Как и в любом энергетическом аппарате на подогрев подаваемого воздуха, необходимого для горения, затрачивается некоторое тепло. Величина этого тепла пропорционально уменьшается с ростом температуры подаваемого воздуха.

4. Увеличение расхода топлива в единицу времени.

Увеличение производительности газогенератора приводит к тому, что необходимая высота слоя для сушки и пиролиза щепы может не образоваться. Этот слой сжимается, так как при увеличении расхода дутья общий слой щепы остается неизменным, a высота раскаленного слоя растет. При сжатии этого слоя время для сушки щепы и ее пиролиза сокращается, что может привести к заметному уменьшению выхода смолы и других жидких продуктов [3].

1321

Список литературы

1.Канторович, Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович, – М.: Издательство академии наук СССР, Институт горючих ископаемых, 1958. – 600 с.

2.Канторович, Б.В. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович, – М. : Государственное издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1960. – 355 с.

3.Лямин, В.А. Газификация древесины. / В.А. Лямин, – М. : Лесная промыш-

ленность, 1967. ‒ 263 с.

4.Мезин, И.С. Транспортные газогенераторы : в 2 ч. Ч.1. Рабочий процесс газогенератора / И.С. Мезин, – М. : ОГИЗ СЕЛЬХОЗГИЗ, Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. – 211 с.

В. В. Кашменских, магистрант

В. А. Стародубцева, кандидат технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Аналитическое исследование процесса коммутации в мостовом инверторе

Статические преобразователи частоты на базе полупроводниковых приборов – тиристоров имеют хорошие энергетические и массогабаритные показатели, надежны в работе и удобны в эксплуатации [1]. Именно поэтому они нашли широкое применение в системах электропривода переменного тока.

Учитывая, что для обеспечения законов частотного регулирования асинхронного двигателя необходимо осуществлять одновременное регулирование частоты, напряжения и момента чаше всего в электроприводах используются автономные инверторы. Принудительное отключение тиристоров осуществляется с помощью устройств искусственной коммутации,

вкоторых в большинстве случаев используются конденсаторы. В отличие от выпрямителей, наличие конденсатора в коммутирующем контуре инвертора существенно меняют характер переходного процесса при переключении тиристоров.

На рис. 1 представлен контур коммутации мостового инвертора. Переход тока с одной фазы нагрузки на другую может начаться лишь

вмомент равенства напряжения на вентиле вступившей в работу фазы нулю. Запишем основные уравнения коммутации в операторной форме.

I I	2	Id	.	(1)

1		p

1322

где

Uc0

( p) I

Lp I R

эА

эВ

1 к

напряжение на конденсаторе в начале коммутации.

I	2	R
	2	к

(2)

Рис. 1. Контур коммутации в инверторе тока с пофазной коммутацией.

Коммутация начинается при t 0				,
U	с0	U	эВ0

когда:

U	эА0	I	d	R
	эА0		d	к

(3)

Линейное напряжение Uл UэВ0 UэА0 сдвинуто относительно начала

коммутации на угол

	2	γ
э	3	γ
э

[2]. Следовательно, можно записать

U	эВ	U	эА		6U	э	sin(	э
	эВ		эА			э		э

2 3

γ ωt)

(4)

где	U э фазное напряжение на момент начала коммутации. Подставив

выражение (4) в уравнение (3), получим:

Uс0

	6U	э	sin(	э
		э		э

2	γ ωt) I		R
		d
3			к

(5)

Во время перехода тока с одного вентиля на другой в коммутирующем контуре действуют следующие напряжения:

1. Постоянное напряжение

Uс0

;

2.Синусоидальное напряжение U АВ ;

3.Линейно-возрастающее напряжение U .

1323

Для определения коммутирующего тока в контуре (рис. 1) можно найти токи от каждой действующей э.д.с., а затем сложить их алгебраически. Рассмотрим каждую составляющую тока коммутации.

1. От постоянного напряжения

Отсюда ток

	i	E
	i	Z
		Z

Uс0		:
						рt
Uс0					Е е	рt	dt
Uс0					Е е		dt
			0
	U	c0				1
		c0
	p
	p			pL R
				pL R
						к

1 pC

(6)

(7)

После преобразования получим составляющую тока коммутации от напряжения Uс0 .

sin(

γ ωt)

αt

к1

t ,

ω0 L

sin ω

где

;

2LC

(2L)

iк1

(8)

2. От синусоидального напряжения

U	AB		6U	э
	AB			э

Отсюда

U АВ :


sin
	э

2 3

γωt

(9)

sin(

γ ωt)

sin(

γ ψ)

к2

sin(

γ ψ

)

αt

cos ω

αt

sinω

ωω

αt

sin(

γ ψ) sinω

(10)

ωL

. Угол

ωC

В этой формуле

tgψ

ψ arctg

ωC

Rк

пределах

. Знак ψ зависит от значений C и L,

ψ когда C > L, и ψ при соотношении C < L. 1324

лежит в

угол равен

3. От линейно-возрастающего напряжения U

t .

к3

Id Rк

e αt sin ωt I

e αt cos ω

t I

(11)

2Lω0

iк

Полный

i	i
к1	к2

ток

iк3

коммутации

iк

равен сумме отдельных составляющих

Для надежности и быстродействия инвертора требуется точный расчет напряжения на коммутирующем конденсаторе. Его можно определить из выражения тока коммутации iк . Определение напряжения на конден-

саторе Uc из полной формулы iк , связано со значительными трудностями. Гораздо удобнее U c , подобно току коммутации разложить на составляющие, а затем сложить их алгебраически. Напряжение на конденсаторе, возникающее от тока коммутации iк имеет следующие составляющие: 1. От постоянной э.д.с. U c0 .

sin(

γ) I

αt

sin(

γ) I

(cos ω

sinω

t).

2ω0 L

(12)

2. От синусоидального напряжения

U АВ

6U э

sin(

γ ψ

ωt)

6U э

ωC

e αt

sin(

γ ψ

) (cos ω

t sinω

ωC

6U э

sin(

γ ψ) sinω

t e

αt

ω0C

3. От линейно-возрастающего напряжения

t .

e αt sinω

t I

t (ω

)

4ω0 L

e αt cos ω

t I

R .

4. Напряжение на конденсаторе от тока

Id :

UcA

Id dt

t .

(13)

(14)

(15)

Напряжение на конденсаторе равно алгебраической сумме вышерассмотренных составляющих:

1325

U U	cA	U	c1	U	c2	U	c3	U	c0
c

После подстановки получим:

(16)

sin(

γ ψ

ωt)

ωC

6U э sin( э

γ) I d Rк

sin( э

γ ψ

)

ωC

αt

(cos ω

sinω

sin(

γ ψ)

2ω

(cos ω

t sinω

6U э

sin(

ψ) sinω

t e

αt

sinω

(ω

) I

cos ω

t I

4ω

(17)

Из формулы (14) видно, что напряжение на коммутирующем конденсаторе зависит не только от частоты, но и от параметров электродвигателя. А напряжение на конденсаторе в свою очередь влияет на время выключения вентиля, которое равно времени разряда конденсатора.

Список литературы

1.Ситник, Н. Х. Автономные инверторы на тиристорах с отделенными от нагрузки конденсаторами [Текст] / Н. Х. Ситник, Л. Т. Некрасов, Е. И. Беркович, С. М. Ягупов. - Москва : Энергия, 1968. – 96 с.

2.Араничий, Г. В. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов [Текст] / Г. В. Араничий, Г. Г.Жемеров, И. И. Эпштейн. - Москва

:Энергия, 1968. – 128 с.

3.Лунц, Г. Л. Функции комплексного переменного [Текст] : учебник для вузов / Г. Л. Лунц, Л. Э. Эльсгольц. - 2-е изд. – СПб. : Лань, 2002. – 304 с.

И. А. Кононов, магистрант М. А. Плетнев, доктор химических наук, профессор

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Перспектива развития технологии получения и применения газогидратов для транспортировки попутных нефтяных газов

Газы нефтяные попутные ‒ это природные газы растворенные в нефти и выделяющиеся при ее добыче и переработке. Состав попутных газов включает метан, этан, пропан, бутаны, а так же пары более тяжелых углеводородов. Во многих попутных газах присутствуют сероводород и него-

1326

рючие компоненты: азот, углекислый газ, а также редкие газы - He, Ar. Последние содержатся в количествах, редко представляющих промышленный интерес. К нефтяным газам также относят газы крекинга нефти, состоящие из предельных и непредельных (этилена, ацетилена) углеводородов.

Практика применения факельного сжигания для переработки НПГ в течение долгого времени имела широкое распространение среди нефтедобывающих компаний, однако рост потребности в электроэнергии и обострение экологической обстановки в районах нефтяных промыслов привели к потребности избегать подобного расточительного использования природных ресурсов. С технической точки зрения существуют несколько возможностей работы с нефтяными газами [2]:

‒закачивание газа обратно в пласт для последующей добычи;

‒переработка НПГ в нефтехимическое промышленное сырьѐ;

‒переработка газа в жидкость или в твѐрдое состояние;

‒подготовка НПГ в качестве топлива в различных формах (сухой трубопроводный газ, сжиженный нефтяной газ) и экспортирование по трубопроводу;

‒выработка электроэнергии для подачи в сеть или для собственных эксплуатационных нужд;

‒выработка тепла для централизованного теплоснабжения или собственных эксплуатационных нужд;

‒переработка сжиженного природного газа или сжиженного нефтяного газа для транспортировки в танкерах.

Использование газа в энергетике позволяет решить проблему теплоэнергоснабжения нефтяных компаний и за одно улучшить экологическую обстановку. Экономическим обоснованием использования НПГ для выработки электроэнергии может служить постоянный рост тарифов и доли себестоимости электроэнергии в производстве продукции. Учитывая высокую энергозатратность нефтедобычи, во всѐм мире существует практика использования НПГ для выработки электроэнергии для промысловых нужд. Использование попутного нефтяного газа в газопоршневых электростанциях (ГПЭС) широко применяется всеми ведущими мировыми компаниями. Постепенно этот опыт внедряется и в нашей стране.

Однако, большинство нефтедобывающих компаний, действующих на территории Удмуртии, не достигли целевого показателя по утилизации попутного нефтяного газа. Это объясняется тем, что на значительном количестве месторождений, расположенных на территории республики, требования о достижении утилизации попутного нефтяного газа (95 %) невыполнимы по причине отсутствия системы нефтепроводов и осуществления добычи одиночными скважинами [2].

Отсутствие нормативно-правовой базы мероприятий необходимых при разработке нефтяных месторождений и их не рентабельность являются основной причиной сжигания нефтяных газов в факелах. Факельное сжигание НПГ при нарушении оптимальных режимов приводит к недо-

1327

жогу и выбросу разнообразных химических веществ в атмосферу. Однако с точки зрения экологии сжигание попутного газа в энергогенерирующих установках ничем не отличается от сжигания на факелах.

Попутный нефтяной газ, разрабатываемый на месторождениях ОАО «Удмуртнефть», ОАО «Белкамнефть» характеризуется высоким содержанием азота (до 90 %), малым количеством метана (3,5‒32 %) и низкой теплотворной способностью (2300‒5000 ккал/м3). По этим физикохимическим свойствам он не соответствует ГОСТ 5542-87 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения», то есть, по сути, является некондиционным, что ограничивает эффективность использования ПНГ[5].

Главной сложностью при переработке и утилизации ПНГ является высокое содержание тяжелых углеводородов. Для повышения качества ПНГ существуют технологии позволяющие избавится от значительной части тяжелых углеводородов. Одна из них ‒ подготовка ПНГ с помощью мембранных установок. При применении мембран метановое число газа значительно повышается, низшая теплотворная способность, тепловой эквивалент и температура точки росы (как по углеводородам, так и по воде) снижаются.

Из рис. 1 видно, что мембранные углеводородные установки позволяют значительно снизить концентрацию сероводорода и диоксида углерода в потоке газа, что позволяет использовать их для очистки газа от кислых компонентов [4].

Рис. 1. Принцип работы мембранной углеводородной установки [4]

1328

Следующим этапом получения ПНГ высокого качества является гидратообразование. Газовые гидраты – твердые кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды (водного раствора), льда, водяных паров и низкомолекулярных газов (в

том числе О2, Н2, N2, CO2, CH4, С2Н6, С3Н8 H2S, Ar и др.). По внешнему виду напоминают лед или снег. Относятся к клатратным соединениям.

Каждый отдельный компонент ПНГ имеет определенную критическую температуру, выше которой гидраты данного компонента не образуются. Такая температура определяется точкой пересечения равновесной кривой гидратообразования с кривой упругости паров данного компонента. Метан и азот, а также инертные газы не имеют критической температуры гидратообразования, так как линия упругости их паров заканчивается в критической точке газа до соприкосновения с кривой упругости паров гидрата [1].

Рис. 2. Условия образования гидратов различных газов, входящих в состав НПГ

Из рис. 2 видно, что наибольшую критическую температуру имеет сероводород, который может образовывать гидраты при температуре 29,5°С и давлении 21 атм. С увеличением содержания в газе, так называемых, не гидратообразующих компонентов (N2, H2 ,Не) давление образования гидратов повышается и при наличии их в смеси более 50 % образование гидратов данной смеси становится невозможным.

Таким образом, при необходимых параметрах гидратообразования метана гидрат азота и других газов образоваться не будет. Данную техноло-

1329

гию можно использовать как совместно, так и раздельно от мембранных установок поскольку она позволяет полностью очистить от примесей содержащийся НПГ метан.

Преимущества газогидратной технологии [3]:

1.Уменьшение стоимости газа для конечного потребителя.

2.Попутный газ с месторождений можно перевести в гидратное состояние и транспортировать по трубопроводам или на нефтяном танкере в виде пульпы с охлажденной нефтью.

3.В местах труднодоступных для прокладки трубопроводов гидрат

может поставляться при помощи авторефрижератора при атмосферном давлении и температуре ‒20Со.

4.При необходимости хранения газа его так же можно перевести в гидратное состояние и хранить охлажденным при атмосферном давлении.

5.При переводе метана в гидратное состояние из состава газа могут быть извлечены азот, углекислый газ и сероводород.

6.Процесс гидратообразования можно использовать для опреснения соленой воды и выделения из нее биологических материалов.

Рис. 3. Опытный образец для синтеза газовых гидратов в лабораторных условиях: 1 ‒ баллон СУГ, 2 ‒ эл. двигатель, 3 ‒ редуктор,

4 ‒ кран шаровый, 5 ‒ кран под манометр, 6 ‒ гибкий вал, 7 – сальник, 8 ‒ герметичная крышка, 9 – защелка или струбцина, 10 – манометр, 11 – американка, 12 ‒ термометр, 13 – посадочное место, 14 – вал, 15 – перемешивающие лопасти,

16– перегородка, Р1 ‒ трубопровод СУГ, В1 ‒ трубопровод ХВС.

Впоследнее время экологическая проблема, а так же проблема эффективного использования энергоресурсов стоят наиболее остро, чем когда либо. Утилизация попутного нефтяного газа при помощи технологии газовых гидратов позволит: более эффективно использовать природные

1330

ресурсы, значительно снизить эксплуатационные затраты на выработку нефтяных месторождений, а также избавиться от вредных выбросов в атмосферу продуктов горения НПГ при сжигании в факеле.

Список литературы

1.Бык, С.Ш. Газовые гидраты [Текст] / С.Ш.Бык, Ю.Ф.Макогон, В.И.Фомина; Под ред. С.Ш.Быка. – М. : Химия, 1980. – 296 с.

2.Бакиров, А.А. Геология и геохимия нефти и газа [Текст] : учеб.для вузов по

специальности «Геология нефти и газа» / А.А. Бакиров, М.В. Бордовская, В.И. Ермолкин и др.; Под ред. В.И.Ермолкина. - М. : Недра, 1993. – 287 с.

3.Трофимчук, А.А. Гидраты – новый источник углеводородов/ А.А. Трофимчук, Н.В. Черский, В.П. Царев // Природа. – 1979. №1. – С.13–16.

4.ЗАО «Грасис». Технологии компании «Грасис» для подготовки природного

ипопутного газов к транспорту/ ЗАО «Грасис»// Газовая промышленность. - 2001 №667. – С. 15–18.

5.Звонкая, А. За нарушение утилизации попутного газа нефтяные компании Удмуртии оштрафованы на 1,8 млн. / А. Звонкая // [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.aifudm.net.

М. П. Коньшин, магистрант В. А. Стерхов, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Экспериментально-теоретическое исследование процессов совершения работы газом при его расширении

Исследование процессов совершения работы газом при его расширении является актуальным в таких областях, как: обрушение сыпучих материалов, спасательной деятельности, исследование взаимодействия движущихся твердых тел с твердыми преградами, например, воздействие посторонних предметов на элементы конструкций летательных аппаратов.

Исследование выполняется с использованием ударной трубы, представляющей собой длинную трубу, перегороженную разрываемой мембраной.

Ударная труба состоит из секции высокого давления и более длинной секции низкого давления, которые разделены между собой тонкой непроницаемой мембраной. В секцию, находящуюся за мембраной подается газ под высоким давлением.

Схема ударной трубы представлена на рис. 1.

В спроектированной экспериментальной установке – ударной трубе – подъем давления в камере высокого давления осуществляется при истечении углекислоты СО2, из стандартного баллончика массой 12 грамм. Во

1331

вторую секцию, камеру низкого давления, помещается тело, скорость выхода которого из установки является измеряемым параметром.

Рис. 1. Схема ударной трубы

Скорость выхода измеряется спроектированным и изготовленным бесконтактным индукционным датчиком, представляющим собой две катушки индуктивности, устанавливаемые по траектории движения тела на базовом, в один метр, расстоянии. Твердое тело выполнено из дерева, имеет массу 100 грамм и в него вмонтирован постоянный магнит, прохождение которого внутри катушки индуктивности вызывает в ней ЭДС индукции.

Бесконтактный индукционный датчик подключен к персональному компьютеру. Компьютер фиксирует время прохождения снаряда сначала через первую катушку индуктивности, расположенную на выходе камеры низкого давления ударной трубы, а затем через вторую катушку, расположенную на базовом расстоянии. На рис. 2. показаны импульсы, полученные с датчика в ходе тестирования.

Рис. 2. Импульсы, полученные при прохождении снаряда через датчик

По времени между импульсами и по величине базового расстояния между катушками индуктивности датчика рассчитывается средняя скорость движения тела на базовом расстоянии.

При накалывании баллончика с углекислотой, находящейся в жидкой фазе, происходит ее истечение и испарение в камере высокого давления. При достижении в камере давления, равного давлению разрыва мембраны, происходит ее разрушение, в результате чего работа расширения газа превращается в кинетическую энергию твердого тела.

На начальную скорость выхода твердого тела из камеры низкого давления влияет большое количество независимых факторов. Предваритель-

1332

ный анализ влияния различных факторов позволил их ранжировать и выделить значимые, с целью определения плана проведения экспериментальных исследований в соответствии с теорией планирования эксперимента. В результате выбрана модель функции отклика имеющей вид:

где

(W ,t, S, ) ,

‒ отклик, в отведенной для экспериментирования локальной области

факторного пространства, для проводимого эксперимента это скорость выхода твердого тела из камеры низкого давления установки; W ‒ объем камеры высокого давления, являющейся испарительной камерой углекислоты; t ‒ температура окружающей среды, т. е. температура установки, баллончика с углекислотой и твердого тела; S ‒ площадь мембраны, определяющая давление ее разрыва; δ ‒ толщина мембраны.

В результате выбран полный факторный план экспериментальных исследований, состоящий из 81 опыта.

Точность результатов, полученная вышеприведенным методом, зависит от: скорости снаряда, расстояния между катушками индуктивности датчика и частоты записи сигнала.

При частоте записи сигнала в 44100 Hz шаг оцифровки составляет 0,00002 секунды. За это время снаряд (твердое тело) при скорости в 50 м/с преодолевает 0,001м и, следовательно, при расстоянии между катушками индуктивности в 1м, относительная погрешность по расстоянию составит не более 0,1 %, что позволяет получить погрешность 50 ± 0,5 м/с. Увеличение частоты записи сигнала позволяет повысить точность измерений. Увеличение базового расстояния между катушками индуктивности с одной стороны повышает точность измерений, а с другой стороны, ее снижает, т. к. расчетом определяется средняя скорость движения тела на базовом расстоянии.

Для проведения экспериментов собрана установка, которая жестко закреплена на неподвижной станине, чтобы исключить влияние такого фактора, как отдача, при разрыве мембраны и истечении газа в камеру низкого давления. Схема установки изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки для проведения экспериментов:

1 – баллон с углекислотой; 2 – испарительная камера; 3 – разрывная мембрана; 4 – камера низкого давления; 5 – катушки индуктивности;

6 – рычаг приведения установки в действие.

1333

Обработка результатов экспериментальных исследований и получение полиномиальной математической модели четвертой степени позволит выбирать величины переменных факторов при экспериментальном исследовании процессов взаимодействия твердых тел с различными преградами.

Список литературы

1.Зедгенидзе, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем [Текст] / И.Г. Зедгенидзе; М.: Наука, 1976. – 390 с.

2.Налимов, В.В Голикова ,Т.И. Логические основания планирования эксперимента [Текст] / В.В. Налимов, Т.И. Голикова. – 2-е изд. - М.: Металлургия, 1981. – 152 с.

М. С. Кузнецова, магистрант

А. Э. Пушкарев, доктор технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Поиск путей повышения надежности и энергоэффективности системы вентиляции деревообрабатывающего завода

Актуальной проблемой на сегодняшний день является обеспечение оптимальных параметров микроклимата. Гигиеническое нормирование производственного микроклимата предусмотрено [1]; оно распространяется на рабочую зону, под которой понимается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которых находятся места постоянного или временного пребывания работающих. В соответствии с [1], различаются оптимальные и допустимые параметры микроклимата. И те, и другие величины температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха для рабочей зоны производственных помещений устанавливаются в зависимости от тяжести выполняемой работы, периода года и количества избытков явного тепла в помещении. Оптимальными микроклиматическими условиями считаются такие сочетания параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения реакций терморегуляции, создают ощущение теплового комфорта и способствуют поддержанию высокого уровня работоспособности. Допустимыми условиями считаются такие параметры микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма и напряжение реакций терморегуляции, не выходящих за пределы физиологических приспособительных возможностей; при этом не возникает нарушений здоровья, но могут наблюдаться дискомфортные теплоощущения и понижение работоспособности.

1334

Системы вентиляции выполняют важную роль в обеспечении допустимых параметров микроклимата и достижения оптимальных параметров, в первую очередь чистоты воздуха и его температуры. Системы вентиляции удаляют из помещения загрязненный и (или) нагретый воздуха и подают в него чистый.

Объектом исследования является система вентиляции промышленных зданий, предметом исследования – надежность и энергоэффективность систем вентиляции деревообрабатывающего завода.

Согласно [2], основная часть деревообрабатывающих предприятий в нашей стране строилась в первые пятилетки двадцатого века, это например, домостроительные комбинаты, мебельные фабрики, лесопильные и фанерные производства, спичечные фабрики, деревообделочные заводы и т.д. На протяжении всего двадцатого столетия не уделялось значительного внимания энергосбережению и эффективности, на первом месте были количество и качество выпускаемой продукции.

В настоящее время [3] в стране проводится политика энергосбережения и промышленные здания подвергаются модернизации. Кроме того, начиная с конца двадцатого века [2], повысился спрос на мебель, тару, различный инвентарь и т.д. Старые деревообрабатывающие заводы модернизируются, в деревообрабатывающих технологиях появляются более токсичные материалы. Все эти изменения влекут за собой необходимую реконструкцию системы вентиляции.

Целью исследования является разработка и обоснование максимально надежной и энергосберегающей системы вентиляции деревообрабатывающего завода. Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1)провести анализ структуры и параметров вентиляции деревообрабатывающего завода;

2)провести синтез структуры и параметров вентиляции деревообрабатывающего завода.

Предполагается, что энергоэффективность деревообрабатывающего завода можно повысить путем:

– применения современной теплоизоляции воздуховодов, выполненной из вспененного материала;

– рекуперации воздуха;

– использования альтернативных источников энергии;

– применения современных воздухораспределительных устройств, имеющих улучшенные аэромеханические характеристики и расположенных в наиболее рациональном месте.

Предполагается, что надежность деревообрабатывающего завода можно обеспечить путем:

– резервирования оборудования;

– установки местных вытяжных отсосов над локальными источниками загрязнений;

1335

–наиболее рациональной трассировки воздуховодов, обеспечивающей оптимальную циркуляцию воздуха внутри помещения;

–правильно выбранного материала воздуховодов;

–установки водяных фильтров для уменьшения вероятности попадания пыли в оборудование.

Для исследования предполагается использовать следующие методы: 1) функционально-стоимостной анализ систем вентиляции;

2) математическое моделирование в программах «STAR-CD», «FLUENT» или «ANSYS/FLOTRAN», основанное на законах теоретической механики, аэродинамики, гидравлики.

Результаты исследования предполагается использовать при изготовлении и монтаже системы вентиляции деревообрабатывающего завода.

Список литературы

1.СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1997.

2.Боровой, В. Я. Деревообрабатывающая промышленность // Большая советская энциклопедия / под ред. А.М. Прохорова. – М., 1978, том 8.

3.Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». – Российская газета, 2009. – 27 ноября. – № 5050.

М. Л. Кутявина, магистрант

Е. В. Корепанов, кандидат технических наук, доцент Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Утилизация теплоты сточных вод с помощью тепловых насосов

Исследование вопроса утилизации теплоты сточных вод является актуальным в области теплоснабжения. Для оценки эффективности использования теплоты канализационных стоков в системах теплоснабжения следует произвести необходимые расчеты. Для разработки методики расчета используются методы математического моделирования.

Сточные канализационные стоки имеют температуру 20…30 С (что значительно больше, чем температура грунта) и из-за высокой теплоемкости воды, являющейся основным компонентом канализационных стоков, обладают большим запасом низкопотенциальной теплоты, которую можно использовать в системах теплоснабжения зданий.

Схема отбора теплоты канализационных стоков приведена на рис. 1. Теплоноситель теплообменника контура испарителя теплового насоса,

1336

движется по U-образной трубе, размещенной в трубе канализационного коллектора. Движение теплоносителей происходит по прямоточнопротивоточной схеме.

Рис. 1. Схема размещения теплообменника в коллекторе сточных вод

Для оценки потенциала этой теплоты с ограничением по минимально возможному снижению температуры канализационных соков во избежание замораживания канализационного коллектора разработана методика расчета теплообменника испарительного контура теплового насоса на основе NTU- метода [1, 2] .

В прямоточной части изменение температуры греющего теплоносителя (после первого хода) определяется по формуле:

t1x 1

t 1

t		прям
2		прям

(1)

Изменение температуры нагреваемого теплоносителя:

1x	*				R прям ,
t2	t2	t2	t1	t2	R прям ,

(2)

а конечная температура нагреваемого теплоносителя

	t*	t t t R		прям
	2 2 1 2
Безразмерная теплопроизводительность при прямотоке
ляется выражением:			1 exp NTU 1 R

	прям		1 R

прям

(3)

опреде-

(4)

Здесь	t	– температура греющей воды на входе в теплообменник;		t	–
	1			2
начальная температура нагреваемого теплоносителя;			NTU kF W1 – чис-

ло единиц переноса; k – коэффициент теплопередачи через стенку трубы теплообменника испарительного контура теплового насоса; F – площадь поверхности теплообменника испарительного контура теплового насоса; W1 – водный эквивалент теплоносителя в коллекторе; W2 – водный экви-

валент теплоносителя в теплообменнике; R W1 W2 – отношение водя-

ных эквивалентов теплоносителей.

В противоточной части изменение температуры греющего теплоносителя (после второго хода) определяется по формуле:

1337

t 2x 1

а нагреваемого теплоносителя

t 2x t
2	2

t	t*
1	2
t*	t
2	1



прот ,
t	*	R
	2		прот

(5)

(6)

Безразмерная теплопроизводительность при противотоке
прот	1 exp NTU 1 R		.
	1	Rexp NTU 1 R

(7)

Общее изменение температуры нагреваемого теплоносителя с учетом нагрева при прямоточном и противоточном ходах:

				прям прот прям прот R R .	(8)
t2 t2	t2	t1	t2	прям прот прям прот R R .	(8)

Конечная температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника:

				прям прот прям прот R .	(9)
t1 t2	t2	0,5 t1	t2	прям прот прям прот R .	(9)

Тепловой поток, передаваемый от теплоснабжения равен

Q W2

канализационных стоков системе

t2 .

(10)

Результаты расчетов приведены на рис. 2. В расчетах принято: диаметр канализационной трубы 500 мм. С наполнением 0,7; в канализационной трубе размещено два U-образных теплообменника контура испарителя теплового насоса длиной 20 м.; скорость канализационных стоков 0,7 м/с; начальная температура канализационных стоков 20 С.

Из анализа результатов расчета видно, что даже при принятой длине теплообменников теплового насоса удается получить тепловую мощность от 10 до 60 кВт, что достаточно для теплоснабжения коттеджа. При этом температура канализационных стоков уменьшается менее чем на 1 С, что не приведет к замораживанию канализационного коллектора.

Q , кВт

60
		V=0,3 м/с
50		V=0,5 м/с
		V=0,5 м/с
40		V=0,7 м/с
40		V=1,0 м/с
		V=1,0 м/с
30
20
10
0
25	30	35	40	45	50

d т, мм

t , oC

16	V=0,3 м/с
	V=0,3 м/с
	V=0,5 м/с
14	V=0,7 м/с
	V=1,0 м/с

d т, мм

Рис. 2. Теплопроизводительность Q и температура на выходе из теплообменника испарительного контура теплового насоса

Таким образом, разработанная методика может применяться для оцен-

1338

ки использования теплоты сточных вод с целью повышения энергоэффективности теплонасосных систем теплоснабжения.

Список литературы

1.Мартыненко, О. Г. Справочник по теплообменникам. В 2 т. Т. 2. / О. Г. Мартыненко, А. А. Михалевич. – М. : Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.

2.Фраас, А. Расчет и конструирование теплообменников: пер. с англ. / А. Фраас, М. Оцисик . – М. : Атомиздат, 1971 . – 356 с.

А. П. Ложкин, магистрант В. И. Заболотских, доктор технических наук,

старший научный сотрудник, профессор Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Моделирование ПИД-регулятора в программных средах Micro-Cap и Multisim

В системах автоматизации индивидуальных тепловых пунктов применяются регуляторы температуры, исполнительным механизмом которых являются трехходовые смесительные клапаны. Статья посвящена исследованию алгоритмов работы регулятора температуры с применением ПИД-регулятора, смоделированного на базе операционных усилителей [1,2]. Необходимым условием создания регулятора является использование замкнутой системы регулирования (обратная связь) рис. 1.

Рис. 1. Схема регулирования: f – внешнее воздействие; g – управляющее воздействие; Х – входное значение функции; Y ‒ выходное значение функции

Моделирование системы регулирования

Приведенная на рис. 2 внешняя (разгонная) характеристика получена путем снятия изменения температуры в течение заданного интервала при открытии смесительного клапана из состояния «закрыто». Полное открытие составляет 1,57 рад (90°). Скорость открытия клапана: 0,013 рад/сек (0,75 °/сек). Данная характеристика описывается законом апериодического звена первого порядка. Передаточная функция имеет вид:

1339

W ( p)	K

	1 Tp	.
		.
		t
Переходная характеристика имеет вид:		h(t) K (1 e T	)	.
Переходная характеристика имеет вид:				.

Так как нарастание температуры (инерционность системы) сравнимо с медленным открытием клапана, то при составлении передаточной характеристики будем учитывать суммарный закон изменения разгонной характеристики.

Рис. 2. Разгонная характеристика объекта управления: коэффициент К ( средний динамический коэффициент усиления определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению входного за интервал

регулирования). К = 1 °С/сек; – постоянная времени: Т = 6сек.

Следовательно передаточная функция имеет вид :

	W ( p)	1
	W ( p)	6 p
	1	6 p

Для того чтобы исследовать данную функцию, воспользуемся симулятором Micro-Сap 9 и выберем управляемый источник напряжения по напряжению (рис. 3). В данном случае это и есть объект управления (Е1). Элемент сравнения выполнен в виде двух операционных усилителях (Х1, Х2). Суммарный коэффициент – на ОУ Х3 и резисторах R4, R5. Пропорциональная составляющая (П-составляющая) – на ОУ Х4 и резисторах R8, R9. Интегральная составляющая (И-составляющая) – на ОУ Х5, конденсаторе С1 и резисторе R10. Дифференциальная составляющая (Д- составляющая) – на ОУ Х7, конденсаторе С2 и резисторе R14.

Формула ПИД-регулятора, где (Т1‒Т2) – ошибка рассогласования [3]:

t К ((T1	T2) КП Кd	dT	1	(T1	T2)dt)
		dt	КИ			.

где KΣ ‒ коэффициент усиления суммарный; KП ‒ коэффициент пропорци-

1340

ональной составляющей; Kd ‒ коэффициент дифференциальной составляющей; KИ ‒ коэффициент интегральной составляющей.

Снимем переходные процессы при различных настройках каждого звена (см. рис. 4, 5, 6, 7).

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная ПИД-регулятора

Рис. 4. Переходные процессы при различных значениях Кп = 1;6

Рис. 5. Переходные процессы при различных значениях Ти=0,01 с; 0,005 с; 10-5 с

Рис. 6. Переходные процессы при различных значениях Td = 0,001 с; 0,5 с

Наиболее оптимальный переходный процесс (рис. 7) имеет следующие коэффициенты: Кп = 20; Ки = 20 (Ти = 0,05 с); Тd = 0,0035 с (рис. 7).

1341

Рис. 7. Оптимальный переходный процесс

Состав ПИД-регулятора. Исследование характеристик элементов регулятора.

Рассмотрим в отдельности каждое звено ПИД-регулятора (рис. 3). Работа П-составляющей заключается в том, что выходной сигнал

прямо-пропорционален отклонению регулируемой величины от заданного значения (рис. 8, 9).

XFG1

	XBP1		4	U1
		R1	4	U1
		R1
			1
IN	OUT	100Ω		3
			2
V1			5	3288RT
			5	3288RT
5 Vpk
10 Hz
0°		R3	R2
		R3	R2
		10kΩ	200kΩ

Рис. 8. П-составляющая

Рис. 9. АЧХ П-составляющей

Следовательно: 20lgKп=26dB, Kп=20.

И-составляющая: выходной сигнал пропорционален интегралу от отклонения регулируемой величины от заданного значения. Регулятор позволяет со временем учесть статическую ошибку, которая возникает при работе П-регулятора (рис. 10,11). Из графика (рис. 11) видно, что частота среза Fср = 20 Гц, следовательно Ки=20 и Ти=1/Ки=0,05 сек.

Д–составляющая: пропорциональна скорости изменения отклонения регулируемой величины. Регулятор позволяет прогнозировать поведение регулируемой величины и помогает вовремя ограничивать ее нарастание, тем самым уменьшая колебательный процесс (рис. 12, 13).

1342

	XBP1		4	U1
		R1	4	U1	XFG1
		R1
			1
			1
IN	OUT	100Ω		3
			2
V1			5	3288RT
			5	3288RT
5 Vpk
10 Hz
0°		R3	C1
		R3
		10kΩ	700nF
			700nF

Рис. 10. И-составляющая

Рис. 11. АЧХ И-составляющей

	XBP1		4	U1
		R1	4	U1	XFG1
		R1
			1
			1
IN	OUT	100Ω		3
			2
V1			5	3288RT
			5	3288RT
5 Vpk
10 Hz
0°		R3	C1
		R3
		10kΩ	700nF
			700nF

Рис. 12. Д-составляющая

Рис. 13. АЧХ Д-составляющей

Из графика (рис. 13) видно, что частота среза Fср = 285Гц, следова-

тельно Кd = 0,0035, следовательно Тd = Кd = 0,0035сек.

Так как замеры параметров для моделирования системы регулирования были сделаны с работающего объекта, то целью было сравнение характеристик реального объекта с моделируемым. Для сравнения представлены настройки реального ПИД-регулятора: Кп = 29; Ки = 20. Отсутствие дифференциальной составляющей объясняется использованием ПИрегулятора. В рассмотренном случае существенного вклада от Д- составляющей не наблюдается. В целом проведенное моделирование подтвердило практические настройки регулятора.

1343

Список литературы

1.Иващенко, Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем / Н.Н. Иващенко. – М.: Машиностроение, 1973. – 606 с.

2.Чистович, С.А. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.А. Темпель, С.И. Быков. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-е, 1987. – 248 с.

3.Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.И. Попов. – СПб, Изд-во «Профессия», 2003. – 752 с.

А. М. Манохина, магистрант

А. С. Краснов, старший преподаватель Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Постановка и решение задачи теплогидравлического расчета внутриквартальных тепловых сетей

Теплогидравличкий расчет внутриквартальной тепловой сети позволяет определить различные гидравлические и тепловые характеристики, на основании которых возможно проведение анализа состояния системы теплоснабжения. В статье приводится методика проведения теплового и гидравлическго расчета внутриквартальной теплосети, включая теплогидравлический расчет систем теплоснабжения зданий.

Программная реализация теплогидравлического расчета позволит повысить эффективность функционирования тепловых сетей, а также оценить энергетическую эффективность системы теплоснабжения на всех ее участках, сделать оптимальный выбор теплоизолирующих материалов, подобрать элеваторные узлы для потребителей и т.д.

Процесс решения задачи теплогидравлического расчета внутриквартальной тепловой сети делится на два основных этапа – гидравлический и тепловой расчет.

Гидравлический расчет.

В ходе выполнения гидравлического расчета определяется расходы теплоносителя на участках сети и давление в различных точках системы. При реализации гидравлического расчета в качестве допущения принимается, что движение теплоносителя по тепловой сети проходит в установившемся режиме.

Гидравлический расчет системы теплоснабжения внутриквартальной тепловой сети начинается с создания расчетной схемы гидравлической цепи. Под гидравлической цепью понимается совокупность элементов тепловой сети, а именно труб и домов, осуществляющие транспортировку воды. Расчетная схема цепи геометрически отображает конфигурацию водоснабжения объекта и картину направления движения, разделение по-

1344

токов теплоносителя в трубах [1]. Схема расчетной цепи представлена на рис. 1.

	Узлы	Ветви-
	Узлы	трубопроводы
		трубопроводы
		Ветви-
Ветвь-		потребители
источник

Рис.1. Расчетная схема гидравлической цепи микрорайона

В расчетной схеме цепи в качестве ветвей принимаются участки сети, включающие различные местные сопротивления, т.е. дома и трубопроводы, в качестве узлов – соединения ветвей, включающие расположения источников расхода (притоков) и потребителей (стоков).

Гидравлический расчет проводится по характеристикам сопротивления, для этого определяются гидравлические сопротивления ветвей (Si). Сопротивление ветвей складывается из гидравлических сопротивлений трения по длине трубопровода и местных сопротивлений и вычисляется по формуле:

Si Ski

	A

	ki
k		dвн

l
l
	пр
		ki
		ki

(1)

где lпр = l+lэ – приведенная длина участка, lэ – эквивалентная длина местных сопротивлений, l – длина трубопровода; A – удельное динамическое давление на i-ой ветви, Па/(кг/ч)2, вычисляемое по формуле:

A	6,25	,	(2)
	108 dвн4

где ρ – плотность жидкости, кг/м3; dвн – внутренний диаметр трубы на соответствующем участке, м; λ – коэффициент сопротивления трения соответствующего участка.

Гидравлическое сопротивление ветви, в которую входит здание с элеваторным узлом, вычисляется по формуле:

Sp									S	c	(1 u)2								, (3)
										c
		f							1			f		u 2 2		f
		f										f				f
	2		p1	2		2							p1		2		p1	1 u 2
	2			2	2	2	2								2			1 u 2
1		f 3			2		2		2			f2			3	f2
		f 3							2			f2				f2
								4

где u – коэффициент инжекции; Sc – сопротивления отопительной системы; fp2 , fн2 , f3 – сечения рабочего и инжектируемого потоков при входе

в камеру смешения и смешанного потока на выходе из камеры смешения;1 , 2 , 3 , 4 – коэффициенты скорости рабочего сопла, камеры сме-

1345

шения, диффузора, входного участка камеры смешения, учитывающие потери на трение в соответствующих элементах проточной системы

(

	0,95;
1

	2	0,975;
	2

	3	0,9;
	3

0,925

Алгоритм гидравлического расчета внутриквартальной тепловой сети выполняется в несколько последовательных этапов:

1) Создается ориентированный граф, т. е. расчетная схема цепи; 2) На расчетной схеме выделяют подмножество деревьев и хорд;

3) Строятся матрицы соединений узлов и ветвей А, контуров B и пу-

тей Rд.;

4) Задаются расход воды и величина давления на входе в отопительную систему микрорайона;

5) Находим сопротивления ветвей Si:

5.1) Для ветвей, которые являются домами, производится гидравлический расчет отопительной системы дома с произвольными значениями расходов воды G для определения общего сопротивление дома S. Затем, если в доме есть элеваторный узел, рассчитывается сопротивление дома с элеваторным узлом по формуле (3), которое и будет являться сопротивлением ветви;

5.2) Рассчитывается сопротивление для ветвей, являющихся магистральными трубами;

6) Решается система уравнений обобщенным методом контурных расходов относительно неизвестных вектора расхода на ветвях x и вектора перепада давлений y:

Ax G,

By 0, (4)

y H SXx.

7) Определяется вектор давлений P в узлах по формуле:

P eP '	R Y	(5)
m	д д

где Pm' – известное давление узле m; e – единичный вектор размерности

(m-1); yдв – перепад давления на ветвях дерева.

После проведения гидравлического расчета осуществляется проверка работоспособности системы с помощью закона сохранения энергии Бернулли.

Тепловой расчет

Тепловой расчет внутриквартальной тепловой сети выполняется последовательно по участкам в расчетной цепи по ходу движения теплоносителя от источника по потребителям. Расчет теплопотерь системы отопления и перепада температур на участках-домах участках-трубопроводах выполняется по разным методикам.

1346

Теплоотдача водопроводных труб Qтр на участке тепловой сети длиной lтр определяется по формуле:

Qтp qтрlтp ,

(6)

где qтр ‒ теплоотдача трубы единичной длины.

Количество теплоты, проходящее сквозь цилиндрическую стенку, отнесенное к единице длины трубы, определяем по формуле [2]:

тp

нар

вн

тр

вн

нар

(7)

где α1 – коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке трубы; α2 – коэффициент теплоотдачи от внешней стенки трубы к воздуху; tв – температура воды в трубе; tж – температура воздуха; λтр – коэффициент теплопроводности трубы (сталь); dвн, dнар – внутренний и внешний диаметры трубы, R – термическое сопротивление теплопроводов, которое определяется по формуле:

R= Rв +Rт +Rи +Rн +Rпк+Rк +Rг .

(8)

где Rв – термическое сопротивление теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности трубы; Rт – термическое сопротивление теплопроводности стенки трубы; Rи – термическое сопротивление теплопроводности антикоррозионного покрытия, основного и покровного слоев изоляции; Rн – термическое сопротивление теплоотдачи от наружной поверхности изоляции в окружающую среду; Rпк – термическое сопротивление теплоотдачи от воздуха в канале к внутренней поверхности стенок канала; Rк – термическое сопротивление теплопроводности стенок канала; Rг – термическое сопротивление теплопроводности грунта.

Приведем алгоритм определения теплоотдачи трубопроводов:

1)Определяется значения чисел Нуссельта для вынужденной конвекции Nu1 и для свободной конвекции Nu2 по формулам;

2)Находится коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке трубы

α1 и коэффициент теплоотдачи от внешней стенки трубы к воздуху

α2;

3)Определяется термическое сопротивление трубопроводов R по формуле (8);

4)Определяется количество теплоты, проходящее сквозь цилиндри-

ческую стенку, отнесенное к единице длины трубы qтр по формуле

(7);

5)вычисляется теплоотдача трубы Qтр по формуле (6).

Тепловой расчет для участков-домов производится отдельно и состоит из определения теплоотдачи водопроводных труб, который производится аналогично расчету теплоотдачи трубопроводов для микрорайона, и расчета теплоотдачи отопительных приборов. Начальной температурой на входе в дом будет температура выхода из магистральной трубы, входящей в этот дом.

1347

Теплогидравлический расчет позволяет выполнить анализ системы теплоснабжения внутриквартальной сети и выработать комплекс мероприятий по ее улучшению с целью повышения эффективности и снижения затрат на конструирование и эксплуатацию.

Список литературы

1.Богословский, В. Н. Отопление [Текст] : учебник для вузов / В. Н. Богословский, А. Н. Сканави. – М.: Стройиздат, 1991. – 735 c.

2.Сканави, А. Н. Отопление [Текст] : учебник для вузов / А. Н. Сканави, Л.

М. Махов. – М.: ACB, 2002. – 576 с.

А. Н. Мирзаянова, магистрант

С. А. Королев, кандидат физико-математических наук, доцент

И. С. Никитина, аспирант Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Анализ эффективности тепловой защиты зданий

Исследование эффективности тепловой защиты зданий с целью снижения потерь энергии, является актуальным в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Как правило, такие исследования выполняются при реконструкции, модернизации и капитальном ремонте зданий различного назначения. Существуют математические модели, необходимые для расчета показателей энергетической эффективности зданий.

При проектировании тепловой защиты зданий рассчитываются показатели энергетической эффективности. При этом производится расчет тепловых потерь через различные типы ограждающих конструкций: стены, потолки, полы, окна и двери.

В качестве составляющих тепловых потерь выделим следующие [1]:

1.теплопотери через стеновые ограждения;

2.теплопотери через подвальные и чердачные перекрытия;

3.теплопотери через дверные и оконные конструкции (за счет теплопередачи и инфильтрации).

Тепловые потери через ограждения за счет теплопередачи рассчитываются по формуле [1]:

Qtr =	Fi		-	text	nβ	tr	-	text	,	(1)

i		tint				Ki tint
	Ri

Где Fi – площадь поверхности ограждения (стена, пол, потолок, окно, дверь); tint – температура внутреннего воздуха в помещении; text – температура наружного воздуха; n – табличный поправочный коэффициент, зави-

1348

сящий от типа поверхности ограждения;

– поправочный коэффициент,

учитывающий ориентацию поверхности ограждения относительно сторон

света;

Ktr i

– коэффициент теплопередачи через ограждение; Ri – приве-

денное сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции:

Ri = Rint Riz R j Rext ,

(2)

где Riz – термическое сопротивление дополнительного утепляющего слоя (пол, потолок, стена); Rj – термические сопротивления слоев ограждающей конструкции; Rint и Rext – сопротивление теплопередаче внутренней и внешней поверхностей ограждающей конструкции:

Rint	1	,
Rint		,

	int

Rext	1	,
Rext		,

	ext

(3),(4)

где αint – суммарный коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждающих конструкций; αext – суммарный коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции.

Тепловые потери на нагревание наружного воздуха, поступающего путем инфильтрации через окна и двери рассчитываются по формуле:

inf

= A

tint text

(5)

где A	inf	– поправочный коэффициент, учитывающий встречный тепло-
где A	i	– поправочный коэффициент, учитывающий встречный тепло-
	i
вой поток;			F i	– расчетная площадь поверхности ограждения; c – удель-

ная массовая теплоемкость воздуха;

Kinf i

– коэффициент теплопередачи

через поверхность ограждения за счет инфильтрации воздуха;

Ginf i

– ко-

личество воздуха, поступающего путем инфильтрации:

inf

(

)

Rinf

где

inf

– сопротивление инфильтрации оконного ограждения;

(6)

P0 –

разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждения, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию (инфильтрации); Pi – расчетная разность давлений воздуха.

Для каждого типа здания и ограждающих конструкций существуют свои технологии по повышению энергетической эффективности [2]. Комплекс мероприятий тепловой защиты зданий представлен на рис. 1.

Выбор конкретных мероприятий следует производить исходя из особенностей ограждающих конструкций, природно-климатических и эксплуатационных условий и на основе оценки технико-экономической целесообразности их применения [3]. При этом информация об объектах тепловой защиты, мероприятиях, технологиях, материалах, а также проектах тепловой защиты хранится в базе данных.

1349

	Тепловая
	защита
Стена		Перекрытия
Утепление	Утепление	Чердачное	Подвальное
снаружи	изнутри	перекрытие	перекрытие
Вентилируемый	Теплые обои
фасад	Теплые обои
фасад
Штукатурный	Экраны за	Плиты, маты
Штукатурный	Экраны за
фасад	батареями	Заливка
		Засыпка
Окно		Двери
Остекление	Оконная	Эффективные
Остекление	Оконная	уплотнители
	рама	уплотнители
	рама
Многокамерные		Эффективные
стеклопакеты	Эффективные	утеплители
стеклопакеты		утеплители
Заполнение	уплотнители
Заполнение
камер газами	Многокамерный
Низкоэмиссионное	профиль
Низкоэмиссионное
покрытие стекол

Рис. 1. Комплекс мероприятий тепловой защиты зданий

Разработанный программный комплекс позволяет проводить расчет и анализ показателей энергетической эффективности зданий, проектировать эффективную тепловую защиту и определять экономические показатели проекта. Результаты расчета тепловых потерь для типового жилого здания, расположенного по адресу г. Ижевск, ул. 9 Января, д. 161, представлены в таблице.

Таблица Мероприятия тепловой защиты жилого здания

Ограждающие	Технологии	Материал	R0 ,	R1 ,
		( δ ,м; λ , Вт/м ºС)
конструкции	тепловой защиты		м2 сС/Вт	м2 сС/Вт
Стены	Штукатурный	Плиты минерало-	0,84	3,51
	фасад	ватные (0,16; 0,087)

Окна	Энергоэффек-	Многокамерные	0,40	0,74
	тивное окно	стеклопакеты

Чердачное	Теплоизоляция	Маты минераловат-	0,93	4,59
перекрытие	перекрытий	ные (0,19; 0,052)

Подвальное	Теплоизоляция	Плиты минерало-	0,93	4,58
перекрытие	перекрытий	ватные (0,19; 0,087)

В таблице приведены параметры теплоизоляции: толщина слоя δ, теплопроводность материала λ, сопротивление теплопередаче ограждения до проведения утеплительных мероприятий R0 и после проведения утеплительных мероприятий R1.

Структура тепловых потерь здания до и после проведения утепленных мероприятий представлена на рис. 2.

1350

Рис. 2. Структура тепловых потерь здания до и после проведения утеплительных мероприятий

Общая экономия тепловой энергии при проведении комплекса утеплительных мероприятий для типового жилого здания с учетом современных требований по энергетической эффективности составляет 60‒70%.

Разработанный программный комплекс предназначен для расчета и анализа мероприятий тепловой защиты зданий. База данных программного комплекса содержит информацию о современных технологиях, методиках и материалах энергосбережения и может пополняться в процессе работы; позволяет проводить быстрый поиск, просмотр и вывод необходимой информации, что значительно повысило эффективность обработки большого объема информации. Реализованная расчетная методика учитывает основные факторы тепловой защиты и позволяет получить достаточно точные оценки экономии тепловой энергии, а также рассчитать основные технико-экономические показатели проекта.

Список литературы

1.Малявина, Е. Г. Теплопотери здания [Текст] : справочное пособие / Е. Г. Малявина. - М. : АВОК-ПРЕСС, 2007. - 142 с. : ил., табл. - (Техническая библиотека НП «АВОК»). - Библиогр.: с. 135-136 (43 назв.).

2.Фокин, В. М. Основы энергосбережения и энергоаудита [Текст] : монография / В. М. Фокин. - М. : Машиностроение-1, 2006. - 255 с. - Библиогр.: с. 233-236.

-300 экз. - ISBN 5-94275-279-6.

3.Матросов, Ю. А. Энергосбережение в зданиях. Проблема и пути ее решения [Текст] : монография / Ю. А. Матросов. - М. : Изд-во НИИ строительной физики РААСН, 2008 (Казань). ‒ 495 с. : ил. - Библиогр. в конце глав. - 500 экз. - ISBN 978-5-902630-06-7.

1351

А. В. Морозов, аспирант

В. А. Морозов, кандидат технических наук, доцент В. К. Барсуков, кандидат технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Источники питания для испытаний танталовых конденсаторов

Проблема испытания готовых изделий является актуальной при производстве электронных компонентов. Появившиеся около полувека назад танталовые конденсаторы, диэлектриком которых является оксид тантала Та2О5, с тех пор непрерывно совершенствуются в целях увеличения их удельной емкости. Конденсаторы, изготовленные с внутренними дефектами, становятся причиной отказов оборудования.

Один из видов испытаний танталовых конденсаторов предполагает подачу на них напряжения, имеющего постоянную и переменную составляющие, как и при включении в цепь обычных электролитических конденсаторов. При этом контролируется величина электрической емкости конденсатора и тангенс угла диэлектрических потерь, которые должны находиться в интервале допустимых отклонений. Переменная составляющая напряжения с частотой 50 Гц не должна иметь искажений формы синусоиды, как этого требуют условия проведения испытаний. По этой причине нельзя использовать сетевое напряжение, потому что оно может быть искажено работой нелинейной нагрузки в сети.

Особенностью устройства для испытания конденсаторов является работа устройства на реактивную нагрузку с небольшой активной составляющей потерь мощности в диэлектрике. Целью разработки является создание энергоэффективного автономного инвертора напряжения и оптимальная реализация цепей нагрузки для работы инвертора в режиме близком к режиму холостого хода. На рис. 1 представлена принципиальная схема подачи напряжений на испытуемых конденсатор С1 от двухполяного ШИМ генератора и источника постоянного напряжения Е1. Элементы L1 и R2 образуют выходной фильтр низких частот. С шунта сопротивлением R1 снимается сигнал для контроля тока, протекающего через конденсатор. Конденсатор С2 исключает влияние переменного напряжения на источник Е1. В случае пробоя испытуемого конденсатора С1 блок защиты отключает напряжения в схеме.

Формировать синусоиду питающего напряжения можно с помощью различных усилительных каскадов. Как показала практика, работа усилителей в режимах классов А и В характерна большим выделением тепла в транзисторах и низким КПД устройства. Эти недостатки устраняются с применением импульсных каскадов, работающих в режиме класса D (импульсномодулированное напряжение).

1352

Рис. 1. Принципиальная схема подключения конденсатора

Для формирования синусоидального напряжения предлагается использовать импульсно модулированный сигнал частотой около 27 кГц. Возможны два варианта устройства:

‒генератор ШИМ напряжения,

‒генератор амплитудно-широтно импульсного модулированного напряжения.

Рис. 2. Структурная схема ШИМгенератора

Генератор ШИМ напряжения реализуется с помощью ИС tl494 (К1114ЕУ4), широко применяемой в различных импульсных источниках питания. Данная микросхема позволяет получать широтно модулированный импульсный сигнал управления силовыми ключами.

1353

Рис. 3. Моделирование устройства в Multisim 11.0

Оконечный каскад схемы построен на полевых транзисторах с изолированным затвором. Транзисторы получают питание от двухполярного источника постоянного напряжения. Каждый транзистор работает в ключевом режиме и формирует свою полуволну синусоиды 50 Гц. Частота работы ШИМ контроллера выбирается из условия минимального влияния частоты модуляции на работу устройства. Элементы схемы выбираются таким образом, чтобы получить максимальную скорость нарастания и спада управляющих импульсов.

На рис. 2 представлена блок-схема ШИМ генератора с управлением сетевым напряжением частотой 50 Гц, очищенного от помех с помощью

1354

полосового фильтра. Устройство содержит каскад предварительного усиления на биполярных транзисторах VT1 и VT2 и оконечный каскад на полевых транзисторах VT3 и VT4.

Работа схемы была смоделирована в программе Multisim 11.0, см. рис. 3. Функцию ШИМ-контроллера выполняет компаратор U2. Усилитель без обратной связи U3 формирует сигнал управления ключами Q3 и Q4, инвертор U1 создает прямоугольные импульсы отрицательной полярности. В качестве выходных ключей используются транзисторы Q1 и Q2. На экране виртуального осциллографа приведена диаграмма восстановленного RC фильтром синусоидального напряжения.

На основе генератора напряжения с ШИМ преобразователем спроектировано устройство для испытания танталовых конденсаторов. Таким образом, для улучшения массогабаритных показателей оборудования за счет повышения его КПД, целесообразно использование импульсных преобразователей напряжения [1].

Список литературы

1.Розанов, Ю.К. Основы силовой электроники [Текст] / Ю.К. Розанов. ‒ Москва: Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.

2.Мицык, Г.С. О влиянии структурноалгоритмической организации инверторов напряжения на их показатели качества [Текст]/ Г.С.Мицык, Пью Мьинт Тхейн, Хлаинг Мин У // Практическая силовая электроника. ‒ 2012. ‒ № 4 (48). – С. 25‒33.

М. М. Муранова, ассистент; О. Ю. Мжельская, студент

А. И. Щѐлоков, доктор технических наук, профессор Самарский государственный технический университет

Использование газонаполненного пористого материала для теплоизоляции

Одним из направлений повышения энергоэффективности транспортировки тепловой энергии является снижение тепловых потерь. Чем выше температура теплоносителя, тем более важным становится вопрос применения эффективной теплоизоляции, внедрение которой позволит существенно снизить потери.

Известно, что газы естественного или искусственного происхождения имеют низкие значения теплопроводности. Рассмотрим некоторые газы, которые наиболее доступны и распространены. Такими являются воздух, азот, диоксид углерода, продукты сгорания природного газа, гексан. Из приведенного ниже графика (рис.1) видно, что коэффициент теплопро-

водности у диоксида углерода λ(t=20 ºC)CO2 = 0,0162 Вт/м·К, что почти в 1,5 раза ниже, чем теплопроводность воздуха и азота при той же темпера-

туре (λ(t=20º C)воздух = 0,026 Вт/м·К и λ(t=20º C)N2 = 0,0253 Вт/м·К).

1355

Рис. 1. График изменения теплопроводности газов от их температуры

Именно поэтому было предложено использовать углекислый газ в качестве заполнителя теплоизоляционного материала. Слоистая теплоизоляция представляет собой систему замкнутых герметичных пор, которые заполнены диоксидом углерода. Процесс приготовления материала представляет собой заполнение полимерного рукава [2‒3] (в данном случае это полиэтилен высокой плотности ПЭВП) диоксидом углерода, после чего рукав заваривается с образование полусфер. После получения газонаполненной пленки ее можно применять как готовый материал для теплоизоляции трубопроводов. В зависимости от диаметра трубопровода и температуры теплоносителя на трубопровод наносится нужное количество слоев теплоизоляции (рис. 2).

Рис. 2. Схема нанесения слоистой теплоизоляции на трубу

Благодаря герметичности каждой полусферы вся системы пор устойчива к повреждениям. Слоистая теплоизоляция имеет закрытую ячеистую структуру, что обеспечивает высокую степень сопротивления к проникновению влаги.

Для обоснования выбора тепловой изоляции были определены тепловые потери в 1м трубопровода с разными видами теплоизоляционных материалов (газонаполненной слоистой теплоизоляции, пенополиуретановой изоляции и изоляции на основе минеральной ваты).

1356

Удельные тепловые потери через слоистую теплоизоляцию получим qСТИ = 92,45 Вт/м при δСТИ = 20 мм. Для пенополиуретановой изоляции толщиной δППУ = 20 мм и теплопроводностью λППУ = 0,028 Вт/(м·К) удельные тепловые потери составляют qППУ = 169,02 Вт/м, а для изоляции на основе минеральной ваты толщиной δМВ = 20 мм и теплопроводностью

λППУ = 0,04 Вт/(м∙К) – потери qМВ = 235,24 Вт/м.

Как видно, при сопоставимых толщинах теплоизоляционных материалов, удельные тепловые потери различаются в 1,82 и 2,54 раза соответственно.

Согласно нормам [4], плотность теплового потока через поверхность изоляции оборудования и трубопроводов с положительными температурами должна соответствовать 91 Вт/м при заданных диаметре трубопровода и температуре теплоносителя. Подберем и рассчитаем нужную толщину теплоизоляционного материала для этих параметров.

Таблица Удельные тепловые потери материалов в зависимости от их толщи-

ны и коэффициента теплопроводности

	Теплопроводность			Теплопроводность изоляции
δ, мм	пенополиуретановой изоляции,		δ,	на основе минеральной ваты,
	Вт/м·К		мм		Вт/м·К
	λППУ = 0,028	λППУ = 0,032		λМВ = 0,04		λМВ = 0,045

20	169,02	191,5	20	235,24		261,87
25	139,22	158,01	25	194,79		217,29
30	118,88	135,1	30	166,94		186,47
35	104,13	118,42	35	146,59		163,91
40	92,92	105,7	40	131,2		146,67
45	84,12	95,78	45	118,84		133,07
50	77,02	87,74	50	108,94		122,02
			55	100,77		112,95
			60	93,61		104,91

Полученные данные (таблица) позволяют сделать вывод о целесообразности дальнейшего исследования, внедрения и использования газонаполненной слоистой теплоизоляции.

Список литературы

1.Вагин, Г.Я. Экономия энергоресурсов в промышленных установках: спра- вочно-методическое пособие / Г.Я. Вагин, Л.В. Дудникова, Е.А. Зенютич, НГТУ, НИЦЭ – Н.Новгород, 2001. – 296 с.

2.Пат. 2190321 РФ, МПК B65D65/40. Слоистый упаковочный матариал /

Ананьев В.В., Легонькова О.А.,Чалых А.Е. - 2001105839/13; заявл. 02.02.2001; опубл. 10.03.2002.

3.Пат. 2332303 РФ, МПК B29C51/22. Устройство для непрерывного изготовления воздушно-пузырчатого амортизационного материала / ЖучковА.В., Неболь-

1357

син А.Е., Станиславский С.В. – 2007113085/11; заявл. 10.04.2007; опубл.

27.08.2008.

4. СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

К. А. Наумова, аспирант

В. Е. Степанов, доктор физико-математических наук, профессор Северо-Восточный федеральный университет

имени М. К. Аммосова, Якутск

Исследование теплотворной способности бурого угля из Харбалахского угольного разреза республики Саха

Поглощение веществом ионизирующего излучения приводит к поглощению энергии веществом в виде тепловой энергии и соответствующим повышением температуры. Поглощение радиации веществом сопровождается не только ионизацией воздуха в эталонной камере в счетчике Гейгера внутри дозиметра, но и повышением температуры вещества. Следовательно, измеряя повышение температуры можно определять дозы радиации. Такой метод можно применить для определения энергетического выхода сжигаемых в ядерных реакторах на быстрых нейтронах радиоактивных отходов.

С другой стороны, для термодинамически неравновесных систем, в которых происходят процессы выделения и потери тепловой энергии (это не только ядерные реакторы, но и любые отопительные системы от котлов до кирпичных печей), акцент можно перенести на явление повышения температуры. Таким образом, мы приходим к необходимости введения температурной дозы [5].

Пусть имеется отопитель (печи, котлы и т. д), потребляющий различные топлива (дрова, уголь, резина и т. д). На плиту отопителя можно поставить сосуд с водой и нагревать, измеряя температуру воды через определенные интервалы. Составим график изменения во времени температуры воды в теплоприемнике. Откладывая по оси ординат температуру, а по оси абсцисс время, мы получим график этого процесса. Площадь под кривой на этом графике назовем температурной дозой и обозначим S. Понятие температурной дозы подобно понятию экспозиционной дозы, поскольку площадь температурного графика будет пропорционально количеству поглощенного водой количества теплоты при сгорании определенной массы топлива (дров) в топке печи. В системе СИ температурная доза будет в единицах градус (по Цельсию) на секунду (град∙с). Для удобства обработки данных введем внесистемную единицу температурной дозы (град∙мин), и еѐ назовем стефаном, в честь великого теоретика - теплофизика Йозефа Стефана, сокращенно будем обозначать Ст [1]. Видно, что 1 Ст равен 60 град∙сек.

1358

Например, берем 1 литр воды и даем дозу в 1 Зв (1 Зиверт эффективной эквивалентной дозы) в течении часа. Через час вода получила дозу равную 1 Зв и эта доза соответствует поглощенной дозе 1 Гр (Грей), которая равна энергии в 1Дж/кг в системе СИ. В системе СИ энергия в 1Дж равна 4,38 калорий тепловой энергии. Если вода имела начальную температуру в 0 °C, то она нагреется до 0,00138 °C. При этом 1 литр воды получила дозу равную 0,05 Ст [4].

Для измерения теплотворности были изготовлены антирадоновые керамические газогенераторные печи с высоким коэффициентом полезного действия (10 литров воды закипает за 13 минут при отоплении сухой лиственницей).

Для определения температурной дозы составим основное уравнение баланса [2] для процесса нагрева воды при сгорании некоторого количества топлива m:

S kHm t

(1)

где S -температурная доза, k ‒ коэффициент теплообмена печи, учитыва-

ющий уход тепла с дымовыми газами,	H ‒ теплотворность топлива
(Дж\кг), m ‒ масса топлива(кг), t t2 t1	полное время горения топлива.

Из основного уравнения баланса для температурной дозы находим значение теплотворности угля:

H		11,3510	6	Дж/кг 2,8375 10	6	Дж/кг
	угля

(2)

теплотворности смеси уголь+лиственница:

H	лист-ца уголь	10,2 10	6	Дж/кг 2,505 10	6	Дж/кг

(3)

теплотворности пластмассы:

H		37,2 10	6	Дж/кг 9,35 10	6	Дж/кг
	пластмассы

теплотворности смеси лиственница+пластмасса:

H	листв-ца пластмассы	11 10	6	Дж/кг 2,75 10	6	Дж/кг

теплотворности резины:

H		25,31 10	6	Дж/кг 6,3275 10	6	Дж/кг
	резины

теплотворности смеси лиственница+резина:

H	резины листв-ца	12,2 10	6	Дж/кг 3,05 10	6	Дж/кг

теплотворности отработанного масла:

H		19,810	6	Дж/кг 4,95 10	6	Дж/кг
	масла

теплотворности смеси масло+лиственница:

H	масло листв-ца	10,9 10	6	Дж/кг 2,725 10	6	Дж/кг

теплотворности Харбалахского бурого угля:

HХарбалахскийуголь 14,8 106 Дж/кг 2,8 106 Дж/кг

теплотворности смеси лиственница+Харбалахский бурый уголь:

1359

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

H	Харбалахскийуголь листв-ца	18,6 10	6	Дж/кг 4,5 10	6	Дж/кг

(11)

Данные результаты получены при следующих соотношениях компонент:

лиственница : уголь 2,3:1; лиственница : резина (автомобильная камера) 4,2:1 ;

лиственница : пластмасса (пластиковые бутылки, посуда) 19:1; лиственница : отработанное масло 6,5:1; лиственница : Харбалахский бурый уголь 4:1.

Полученные результаты отражены на рисунке.

Рисунок. Таблица теплотворных способностей

Из графика видно, что теплотворности топливных композиций больше теплотворности дров, но меньше теплотворности угля, резины и пластмассы. Смесь лиственница и пластсмасса имеет теплотворность, немного превосходящую теплотворность дерева. Причина в том, что масса пластстмассы в композиции 19 раз меньше массы дерева. Увеличение доли пластмассы приведет к соответствующему увеличению теплотворности топливной композиции.

Выводы:

1.Вперые разработана новая общая теория радиационноиндуцированной температурной дозиметрии для неравновесных тепловых процессов [3].

2.Методом температурной дозиметрии определены теплотворые способности топливных композиций.

Список литературы

1. Наумова, К.А., Степанов, В.Е. Новое понятие температурной дозиметрии для определения теплотворной способности топливных композиций / К.А. Наумо-

1360

ва, В.Е. Степанов //Труды Всеросс. конференции молодых ученых «Проблемы и перспективы управления энергетическими комплексами и сложными техническими системами в арктических регионах»: сб. науч.тр. / Изд-во «Компания Дани АлмаС» ‒ Якутск, 2012. ‒ С.49‒52.

2.Наумова, К.А., Степанов, В.Е. Разработка теории экспериментальной методики для температурной дозиметрии для неравновесных процессов /К.А. Наумова, В.Е. Степанов // Материалы Всеросс. конференции молодых ученых «Эрэл-2011»: сб. науч. тр. / Изд-во ООО «Цумори Пресс» ‒ Якутск, 2012. ‒ Том 1. С. 117‒120.

3.Наумова, К.А., Степанов, В.Е. Экспериментальное исследование теплотворности топливных композиций методом температурной дозиметрии /К.А. Наумова,

В.Е. Степанов // Новый взгляд на физику: Ассамблея учителей физики: сб. науч. тр./ СМИК-Мастер. – Якутск, 2012.С. 53‒55.

4.Наумова, К.А., Степанов, В.Е. Метод температурной дозиметрии для неравновесных тепловых процессов /К.А. Наумова, В.Е. Степанов // Физика и физическое образование: Республиканская научно-практической конференции, посвященной 100-летию доцента М.А. Алексеева: сб. науч. тр./ Издательский дом СВФУ. – Якутск, 2012. С. 141‒146.

5.Stepanov, V.E., Naumova, K.A. Fundamental theory of thermal dosimetry and

its application for the disposal of organic waste / V.E. Stepanov, K.A. Naumova

//International Symposium European Environmental Forum «Euro-Eco-2012»: pragramm abstracts/ European Academy of Natural Sciences. – Hannover, Germany. 2012, P. 87‒89.

А. В. Некротюк, аспирант

Е. В. Корепанов, кандидат технических наук, доцент Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Системный анализ средств обеспечения параметров микроклимата рабочего места монтажника радиоэлектронной аппаратуры

Исследование является актуальным в области отопления, вентиляции и кондиционирования промышленных зданий приборостроительной отрасли. Как правило, такие исследования выполняются с целью обеспечения требуемых параметров микроклимата в чистых помещениях и обеспечения комфортных условий труда монтажников радиоаппаратуры. Существующие методы исследований в данной области основаны как на экспериментальных работах, так и на методах математического моделирования. Для построения адекватных имитационных моделей требуется систематизация факторов, влияющих на процессы в чистых помещениях [1].

Согласно требованиям ОСТ92-8605-2008. «Помещения производственные для изготовления микроэлектронных изделий и печатных плат. Общие требования» для удовлетворения санитарно-гигиеническим нормам на рабочем месте монтажника радиоэлектронной аппаратуры необходимо обеспечение следующих параметров микроклимата:

1361

‒ Класс 8 ИСО по запыленности – не более 3 520 000 частиц размером 0,5 мкм, 832 000 частиц размером 1 мкм, 29 300 частиц размером 5 мкм в

1м3 воздуха.

‒Класс 3 по точности поддержания температуры: в летний период (23

± 2) ºС и в зимний период (20 ± 2) ºС.

‒Класс 3 по точности поддержания относительной влажности воздуха

– (50 ± 10) % .

При выборе систем обеспечения параметров микроклимата должен быть использован метод системного анализа позволяющий принять решение в условиях, когда выбор альтернативы требует сложного анализа.

В общем виде математическое описание исследуемой системы может быть выражено зависимостью:

{Y}=Ф[{X},{Z},{V}],

где {Y}=(Y1,Y2,…,Yi,) – множество векторов выходных переменных системы.

В качестве выходных переменных, как правило, используются критерии, отражающие цели исследования. Под критерием понимают целевые функции, параметры оптимизации и т.д. В общем случае множество вход-

ных переменных подразделяют на три класса: {X}=(X1,X2,…,Xm,) – множество векторов входных контролируемых управляемых независимых пере-

менных (факторов), действующих на процессы; {Z}=(Z1,Z2,…,Zk) - множество векторов входных контролируемых, но неуправляемых независимых

переменных; {V}=(V1,V2,…,Vk) – множество векторов неконтролируемых возмущающих воздействий; Ф – оператор системы, определяющий связь между указанными величинами [2].

В рассматриваемой системе возникают возмущения параметров воздушной среды, которые необходимо компенсировать рациональными средствами до уровня их нормативных значений. Исходя из этого, на рис.

1представлена схема возмущающих факторов и систем их компенсирующих [3].

Внешние возмущения проявляются через ограждающие конструкции помещения. Они зависят конструкции ограждений, теплофизических характеристик материалов слоев ограждений, степени герметичности ограждений, а также от конструктивно-планировочных решений.

Внутренние возмущения определяются жизнедеятельностью людей и технологическими процессами. В рассматриваемой системе можно выделить следующие внутренние возмущения:

‒избыточная теплота;

‒избыточные водяные пары – влага;

‒вредные газы и пары;

‒пыль.

Конструкция системы обеспечения микроклимата на рабочем месте монтажника и режимные параметры ее работы являются определяющими факторами как для обеспечения комфортных условий труда, так и для

1362

минимизации энергопотребления системы. Если пайка производится оловом, для удаления вредностей можно ограничиться общеобменной вытяжкой, предпочтительнее, однако, местные отсосы. При пайке же сплавами свинца, что наиболее распространено, местные отсосы необходимы во всех случаях [4, 5].

Рис. 1. Иерархическая структура систем компенсации возмущений параметров воздушной среды в помещении.

При пайке на столах применяются местные отсосы в виде воронок. Воронки достаточно эффективны даже при небольших количествах удаляемого воздуха при условиях, что устье приемника находится вблизи места пайки. Весьма существенно, чтобы электропаяльник, от которого по окончании пайки все еще выделяются вредности, находился бы поблизости от воронки, а еще лучше внутри ее.

Указанные условия достигаются при строго фиксированных местах пайки небольших изделий на специальных «стендах», располагаемых возле всасывающей воронки, как это показано на рис. 2.

1363

Рис. 2. Оборудование мест пайки:

1 – стенд для пайки; 2 – флюс; 3 – паяльник; 4 – всасывающая воронка

Метеорологические параметры обеспечиваются как за счет рационального расхода приточного воздуха с учетом его термодинамических параметров, так и за счет тепловлажностной обработки приточного воздуха [3], что может быть обеспечено конструктивными параметрами системы кондиционирования воздуха, которая обеспечивает весь комплекс требуемых параметров воздушной среды.

В качестве критерия выбора режимных и конструктивных факторов местного отсоса на рабочем месте монтажника, наряду с требованиями энергетической эффективности следует учитывать энергозатраты человека и зависимость теплоощущений человека, находящегося в струе вытяжного воздуха: на теплоощущение влияет не только температура, но и скорость потока воздуха. Дискомфорт может возникать и при повышенных локальных теплопотерях, например, на поверхности руки.

Таким образом, оптимальным вариантом решения поставленной задачи следует признать систему кондиционирования воздуха в сочетании с местными отсосами для каждого рабочего места. Однако, выбор режимов функционирования требует имитационного моделирования процессов в среде «система вентиляции рабочего места-человек». Применение методов математического моделирования будет способствовать определению режимов функционирования и конфигурации оборудования с точностью достаточной для обеспечения заданных параметров с наименьшими затратами энергопотребления.

Список литературы

1.Федотов, А.Е. Чистые помещения / А.Е. Федотов, Г.Г. Шихт, А.А. Шутов, и др.; под ред. А.Е. Федотова – Москва: АСИНКОМ, 2003. – 576 с.

2.Антонов, А.В. Системный анализ. Учебник для вузов / А.В. Антонов – Москва: Высшая школа, 2004. – 454 с.

3.Рымкевич, А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции

икондиционирования воздуха / А.А. Рымкевич; под ред. С.И. Погудиной – Москва: Стройиздат, 1990. – 300 с.

1364

4.Молчанов, Б.С. Проектирование промышленной вентиляции. / Б.С. Молчанов; под ред. С. А. Абрамовича – Ленинград: Стройиздат, Ленинградское отделе-

ние, 1970 – 239 с.

5.Батурин, В.В. Основы промышленной вентиляции. / В.В. Батурин – Москва:

Профиздат, 1990. – 448 с.

М. Д. Перевозчикова, магистрант

М. А. Плетнѐв, доктор химических наук, профессор Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

Коррозия стальных трубопроводов водоснабжения: проблемы и пути решения

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозия металлов – процесс самопроизвольный, всегда негативный с точки зрения промышленной практики.

На скорость протекания внутренней коррозии стального трубопровода и на величину электродного потенциала большое влияние оказывает кислород: с увеличением концентрации кислорода в растворе или облегчением его переноса с поверхности железа потенциал его становится положительнее, т.е. уменьшается степень катодного процесса. Корродируя, железо переходит в раствор двухвалентных ионов[1]:

Fe mH	2
Fe mH	O Fe
2

mH	O 2e
2

(1)

которые образуют труднорастворимый гидрат закиси железа Fe(OH)2, далее Fe(OH)3 и при дальнейшем превращении этих продуктов образуются сложные гидратированные оксиды FeO×Fe2O3×nH2O – ржавчина. Далее, в нейтральных средах наблюдается местная (язвенная и точечная) коррозия.

Современные представления о почвенной коррозии металлов основываются на электрохимической теории. По этой теории, помещенная в почву или грунт, металлическая труба вместе с окружающим еѐ почвенным раствором рассматривается как многоэлектродный элемент. Разрушение металла коррозией происходит вследствие действия гальванических тонов, возникающих в конструкции в силу электрохимической неоднородности еѐ поверхности.

Под электрохимической неоднородностью поверхности металла понимается неравенство электродных потенциалов в различных еѐ точках, обусловленное неоднородностью самого металла и окружающей его почвенной среды, в частности, почвенного раствора. В хорошо проветриваемых почвах легкого механического состава коррозия распределяется не-

1365

равномерно: она сосредотачивается в отдельных точках и на поверхности трубы возникают язвы, пятна и другие формы местной коррозии. Наоборот, в почвах тяжелого механического состава, где аэрация затруднена, коррозионные разрушения распределяются более равномерно [2].

Согласно [3] нормативный срок службы стального трубопровода составляет 40 лет. На практике стальные трубопроводы начинают системно рваться уже через 5‒7‒12 лет работы, что приносит колоссальный совокупный ущерб. Возникает потребность в удвоении или даже утроении расходов на один и тот же участок трубопровода, включая к дополнительным материалам весь комплекс ремонтных, иногда очень дорогостоящих работ (проводимых в критические ситуации), затрат на демонтаж и новый монтаж труб и элементов трубопровода [4].

Современный рынок предлагает обилие полимерных (полиэтиленовых, полипропиленовых) труб. Тем не менее, полностью уйти от стальных трубопроводов не представляется возможным. В соответствии с [5] ввод водопровода должен быть заменен на стальные трубы.

Ещѐ одна актуальная проблема состоит в ухудшении органолептических свойств воды. На выходе из очистных водопроводных сооружений, вода соответствует требованиям [6], в процессе прохождения воды по трубопроводам, подвергающимся коррозии, вода насыщается ионами железа с превышением допустимых ПДК. Такая, насыщенная железом, вода доходит до потребителя. По данным медучреждений, в результате длительного потребления такой воды у человека появляются проблемы со здоровьем (физическая слабость, потеря веса, утомляемость, заболевания печени и почек).

Спроблемой внутренней коррозии можно справиться методами подготовки воды. Под подготовкой воды понимается понижение концентрации или удаление стимуляторов коррозии [2].

Подготовка агрессивной среды, которой является вода, в значительной степени зависит от еѐ состава и планируемой технологией применения. Кроме удаления концентрированных кислот, нитратов, цианидов и органических примесей самого различного состава, характерных преимущественно промышленного, сточных вод, подготовка сырой воды обеспечивает получение питьевой воды и оказывает влияние на защиту от коррозии сооружений систем водоснабжения. Различные возможности при водоподготовке питьевой и промышленных вод представлены на рис. 1 [7].

Спроблемой почвенной коррозии, в соответствии с [8], может справиться способ «правильного» выбора трассы. Этот способ подразумевает собой прокладку сетей водоснабжения в таких грунтах, где стальные трубопроводы наименее подвержены коррозии. Однако в современных условиях городского строительства о таком способе можно забыть из-за насыщенности сетей инженерными коммуникациями.

1366

Рис. 1. Возможности подготовки питьевых и промышленных вод

Исследования в области коррозии стальных трубопроводов актуальны в области коммунального хозяйства, также это научная и экономическая проблема в промышленно развитых странах.

Коррозия стальных трубопроводов наносит огромный ущерб, помимо прямых потерь (потери стоимости выбывших из строя фондов, затраты на антикоррозионную защиту, на капитальные и текущие ремонты по причине коррозии), косвенные (убытками за счет временного прекращения функционирования инженерных систем, затратами на предотвращение аварий и др.). Часть этих затрат неизбежна, было бы нереально полностью исключить все коррозионные разрушения. Однако можно значительно сократить коррозионные потери за счет лучшего использования на практике накопленных знаний о коррозионных процессах и методов защиты от коррозии, которыми располагают на данный момент [9].

Весьма важной проблемой является проблема своевременного прогноза динамики распространения коррозии. Выбор проблемного участка магистрального трубопровода, который действительно бы нуждался в срочном ремонте, является сложной задачей. Как правило, эта проблема решается уже после возникновения аварийной ситуации (свищ, порыв и т. д.). Для обеспечения безаварийной работы системы водоснабжения «проще всего» выполнять замену участков трубопровода, срок службы которых приближается к нормативному или уже исчерпан. Но на восстановление тысяч километров стальных магистралей не хватит средств и технических возможностей.

Актуальная тема – задачи «виртуального» контроля, основанного на моделировании процесса нарастания напряжений в трубе в процессе еѐ эксплуатации с учѐтом развития коррозии.

Прогнозирование коррозионных повреждений трубопровода может

1367

быть рассмотрено с двух позиций:

1.На основе анализа физической сущности системы, формирования качества сооружаемого трубопровода и его эксплуатации (с учетом рабочих параметров элементов трубопровода, способов сооружения) внешних условий, режимов работы.

2.На основе использования статистических методов обработки данных об отказах (ретроспективный метод прогнозирования).

Предполагается, что с помощью «виртуального контроля» можно будет указать те участки сети, эксплуатация которых в дальнейшем опасна, либо требуется их замена, либо переход работы на неполный режим, что является целью дальнейших исследований.

Список литературы

1.Кофанова, Н.К. Коррозия и защита металлов [Текст]: учеб. пособие для студентов технических специальностей/ Н.К. Кофанова. – Алчевск, 2003. – 181 с.

2.Рейзин, Б.Л. Коррозия и защита коммунальных водопроводов металлов [Текст]: справочн. пособие/ Б.Л. Рейзин, И.В. Стрижевский, Ф.А. Шевелев; под общ. ред. Р.Х. Исеевой. – М. : Стройиздат, 1985. – С. 39–40.

3.Инструкция по технической инвентаризации основных фондов предприятий объединенных котельных и тепловых сетей системы Минжилкомхоза РСФСР [Текст]: утв. приказом Минжилкомхоза РСФСР от 29 декабря 1971г. №576.: по состоянию на 23 января 2008г. – М. : Изд-во стандартов, 2008. – 35 с.

4.Проблема коррозии стальных трубопроводов/ ГК СТС Изоляция// [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.stscom.ru

5.Технический регламент о требованиях пожарной безопасности [Текст]: федер. закон: [принят Гос. Думой 4 июля 2008г. : одобр. Советом Федерации 11 июля 2008]. – М. : Изд-во стандартов, 2008. – 140 с. – (Актуальный закон).

6.СаНПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества [Текст]: утв. Главным государственным санитарным врачом Российской Федера-

ции 26 сентября 2001г. : ввод. в действие с 1 января 2002 г. – М. : ЭНАС, 2002. –

164с.

7.Morbe, K. Praktischer Korrosionsschutz. Korrosionsschutz wasserfuhrender Anlagen. [Текст]: VEB Verlag fur Bauwessen/ K. Morbe, W. Morenz, G.-W. Pohlmann, G. Werner. - Berlin, 1990. – 264 с.

8.ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требовании к защите от коррозии [Текст]. – Введ. 1999-07-01. – М. : Изд-во стандартов,

1998. – 36 с.

9.Управление Роспотребнадзора по УР. За три последних года качество водопроводной воды в Ижевске ухудшилось/ Управление Роспотребнадзора по УР// [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.izhcommunal.ru.

10.ГОСТ 9.908-85. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости [Текст]. – Введ. 1987-01-01. – М. : Изд-во стандартов, 1999. – 17 с.

1368

П. С. Попков, магистрант Д. А. Плотников, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Анализ применения когенерационных установок малой мощности для тепло- и электроснабжения частного дома

Исследование автономных энергоисточников с комбинированным производством электрической и тепловой энергии с комплексной глубокой утилизацией отведенной теплоты является актуальным в области энергетики. Такие исследования позволяют определить лучшие экономические показатели различных источников и разработать оптимальные схемные решения с учетом требований при строительстве частного дома, что в свою очередь позволит создать альтернативу теплоснабжения частных домов с помощью бытовых котлов и электроснабжения от сети.

На фоне катастрофического состояния современной российской электроэнергетики малая энергетика становится одним из главных рычагов развития нашей страны. Увеличение потребления мощности без развития основной сети и увеличения собственной генерации приведет к перегрузке элементов сети, невозможности проведения ремонтов оборудования без ограничения потребителей, нарушению устойчивости при аварийных отключениях. И на Западе, и на Востоке активно строятся малые электростанции, как в дополнение к большим станциям, так и вместо них. В Европе сектор когенерации наиболее развит в Дании, Нидерландах и Финляндии. Согласованная и ясная стратегия развития и последовательные действия правительств данных стран по стимулированию внедрения когенерационных технологий привели к ожидаемым результатам. Лидер по развитию когенерации в Европе – Дания, где более 45% электричества и практически 80% тепла вырабатывается в совместном режиме.

Когенерация имеет положительные аспекты, основные из них:

‒Одновременное производство тепла и электроэнергии ведет к значительной экономии потребляемого топлива, что является одним из основных стимулов для внедрения этой технологии.

‒Возможность расположения мини-теплоэлектростанций вблизи точки потребления энергии позволяет снизить нагрузку на сеть и избежать вложений в новые теплотрассы и электрические сети.

‒Делая ставку на строительство крупных электростанций, мы вынуждены строить протяженные сети для передачи энергии. Их стоимость, обслуживание, а также потери при передаче приводят к увеличению тарифа

в4‒5 раз, по сравнению с себестоимостью произведѐнной энергии.

‒Время строительства малых энергообъектов существенно меньше по сравнению с крупными электростанциями, что ведет к оперативному реагированию на рост потребления энергии в регионе.

1369

‒Потребитель приобретает энергетическую независимость от сбоев в электроснабжении и аварий в системах теплоснабжения.

Вышеизложенные аргументы в пользу когенерации, должны стимулировать владельцев на вложение в когенерацию, особенно учитывая тот факт, что период окупаемости проекта составляет около 4–6 лет. Однако практика российских реалий далека от теоретических рассуждений о положительных эффектах внедрения комбинированного производства электроэнергии и тепла. Тормозящие факторы развития данного сектора в России, давно известны. Это и отсутствие тщательно проработанной законодательной базы, и административные барьеры, и сложности в получении доступа к газовым сетям, а так же низкое качество проектов, ведущие к неэффективности эксплуатации и сервису. Несмотря на то, что необходимость развития малой энергетики упоминается в постановлениях правительства и поручениях президента с 2007 года, многие правовые аспекты и практические вопросы так и остались неразрешенными.

В республике разработан проект Программы «Строительство когенерационных энергогенерирующих объектов малой энергетики на территории Удмуртской Республики на 2008–2010 годы». В ее рамках предлагается разработать и реализовать инвестиционные проекты по созданию сети из 38 мини-ТЭЦ в 14-ти муниципальных образованиях Удмуртской Республики суммарной установленной электрической мощностью 262 МВт.

Перспективы применения когенерационной технологии выработки тепловой и электрической энергии в республике позволяют решить ряд проблем:

‒Уменьшить энергетическую зависимость удмуртской энергосистемы от состояния на оптовом рынке;

‒Заменить и модернизировать котельные с низким КПД;

‒Решить проблему несоответствия пропускной способности части распределительных сетей;

‒Сократить потери электрической энергии.

По прогнозам специалистов, к 2020 году ожидается неизбежный рост спроса на электроэнергию этому способствует дозагрузка основных промышленных потребителей, уплотнение графика нагрузки, замена технологии на более энергоемкие и новое строительство. Именно поэтому необходимо увеличивать объемы собственной генерации и развивать технологии когенерации малых мощностей. Спрос на газопоршневые электростанции в частном секторе, безусловно, высок, введу наличия слесарей мотористов в каждом сельском поселении, которые смогут отремонтировать поршневой двигатель без вмешательства дорогих сервисных компаний. На рынке газопоршневых установок среди импортных производителей можно выделить немецкую компанию Buderus газопоршневая электростанция Buderus Loganova тепловой мощностью 81‒363 кВт, американскую компанию Caterpillar газопоршневые установки от 84 кВт тепло-

1370

вой мощности, китайскую компанию Shengdong и Yanmar японский производитель газовых электростанций электрической мощностью 5‒25 кВт и 9,6‒38,4 кВт тепловой мощностью. Среди отечественных производителей для населенных пунктов практичнее используются установки ЗАО ФПК «Рыбинсккоплект» из-за широкого модельного ряда с диапазоном электрических мощностей 30‒385 кВт.

Для обеспечения эффективного использования энергетических ресурсов в дальнейшем выполняется проект когенерационной установки в коттедже. Тепловая нагрузка здания составляет 90 кВт, электрическая 15 кВт. В целом основа для развития малой генерации заложена, необходимо работать над преодолением барьеров. Внедрять технологии непосредственно для частного жилья, заинтересовывать владельцев загородных домов, предоставлять налоговые льготы или освобождение от налогообложения земельных участков и недвижимости владельцев использующих выработку электроэнергии в совместном режиме. Так же предоставлять кредитные программы на строительство энергосберегающих проектов. Развивать сферу когенерации, обучать специалистов, принимать опыт европейских компаний, улучшать качество проектной работы, разрабатывать нормативные документы, усовершенствовать сферу обслуживания когенерационных установок.

Список литературы

1. Когенерация.ру [Электронный ресурс]: Каталог оборудования. - Режим доступа: http://www.cogeneration.ru/equipment/

А. Ю. Попова, магистрант И. А. Изюрьева, кандидат культурологии, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Энергоаудит в современном строительстве

Энергетическое обследование зданий, которое проводится в обязательном порядке или по требованию самой организации, позволяет рационализировать расходы энергии, сэкономить ресурсы в течение всего года и эффективно использовать энергию. Это важно для любого предприятия, независимо от рода деятельности и масштабов.

Энергоаудит представляет собой сбор и обработку информации об использовании энергетических ресурсов в целях получения достоверной информации об объеме используемых энергетических ресурсов, о показателях энергетической эффективности, выявления возможностей энергосбережения и повышения энергетической эффективности с отражением полученных результатов в энергетическом паспорте [1].

1371

Сегодня энергоаудит в России включает множество аспектов. Командой специалистов проводится энергетическое обследование предприятий, разрабатывают энергопаспорт предприятия и индивидуальную программу по сбережению энергии. В результате этой работы предприятию может быть предложен альтернативный источник энергии. Цель проводимых исследований заключается в повышении энергетической эффективности, снижении затрат и экономии энергоресурсов.

Согласно Федеральному закону № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» от 23 ноября 2009 г. (ст. 16, п. 1) для ряда организаций проведение энергетического обследования является обязательным.

Энергоаудит обязателен для:

1.органов государственной власти, органов местного самоуправления, наделенных правами юридических лиц;

2.организаций с участием государства или муниципального образо-

вания;

3.организаций, осуществляющих регулируемые виды деятельности;

4.организаций, осуществляющих производство и (или) транспортировку воды, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии,

добычу природного газа, нефти, угля, производство нефтепродуктов, переработку природного газа, нефти, транспортировку нефти, нефтепродуктов;

5. организаций, совокупные затраты которых на потребление природного газа, дизельного и иного топлива, мазута, тепловой энергии, угля, электрической энергии превышают десять миллионов рублей за календарный год;

6. организаций, проводящих мероприятия в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, финансируемые полностью или частично за счет средств федерального бюджета, бюджетов субъектов РФ, местных бюджетов.

Также энергетическое обследование осуществляется и в добровольном порядке [2].

Процедуру энергоаудита могут выполнять только члены саморегулируемой организации (СРО) в области проведения энергетических обследований, имеющей в своем штате не менее 4 энергоаудиторов, обученных по программе «Проведение энергетических обследований с целью повышения энергоэффективности и энергосбережения».

Начинается энергоаудит здания со сбора исходных данных о состоянии его теплоэнергетического хозяйства. Необходимые исходные данные должны содержать следующие основные элементы: теплотехнические характеристики строительных материалов, конструкций стен, полов, потолков, окон, дверей и пр., собирается информация об инженерных системах здания и прочем энергопотребляющем оборудовании, изучается состояние внутреннего микроклимата в помещениях, квалификация обслуживающего персонала.

1372

Отчет по энергоаудиту с расчетами и итоговыми значениями необходимых показателей является основанием для внедрения энергосберегающих мероприятий. В нем должны быть отражены технические и экономические возможности по энергосбережению в здании, а также экономические, энергетические, экологические и прочие последствия от внедрения этих мероприятий.

Для выполнения точных энергетических и экономических расчетов необходимы точные измерительные приборы, прошедшие поверку. При внедрении энергосберегающих мероприятий нужно уделить внимание внедрению системы эксплуатации и обслуживания, подготовке обслуживающего персонала. Для увеличения точности необходимо провести большое число измерений в разные периоды (сезоны).

Каждое здание уникально, поэтому каждый проект по энергоаудиту должен разрабатываться индивидуально. Возможно, для одних зданий потребуются незначительные энергосберегающие мероприятия, для других крупномасштабная реконструкция, а для третьих что-то промежуточное. Всю проверку необходимо провести тщательно, с достаточной точностью. На основе полученной информации можно рассчитать требуемые капитальные затраты и предполагаемые эксплуатационные расходы, прибыльность, окупаемость мероприятий и прочее.

Важное значение имеет прибыльность от экономии энергии после внедрения мероприятий по энергосбережению, а также обеспечение расчетного уровня энергосбережения в течение длительного времени. Необходимо обеспечить внешний контроль эксплуатации и обслуживания в здании энергосберегающего оборудования.

В результате расчетов должны появиться следующие основные сведения: экономия энергии за год (в кВт/(м2·год)); экономия (в руб./год); общая стоимость энергосберегающих мероприятий; в рыночных условиях важно знать срок окупаемости и прибыльность мероприятий по энергосбережению.

Возможны следующие направления по энергосбережению для существующего, реконструируемого и проектируемого зданий, в каждом направлении свои конкретные мероприятия: 1 – архитектурнопланировочные и конструктивные; 2 – мероприятия по инженерным системам; 3 – мероприятия по использованию вторичных и возобновляемых источников энергии. В инженерных системах внимание уделяется оборудованию [3].

Результатом выполнения законодательных требований по обязательному энергоаудиту, является зарегистрированный энергетический паспорт. Энергетический паспорт – это свод сжатой информации, отражающей достоверный объем потребления энергетических ресурсов, показатели эффективности их использования и возможности их повышения. Область применения: здания, строения, сооружения производственного или непроизводственного назначения, энергетическое оборудование, технологические процессы и пр. Это официальный документ, требования к которому устанавливаются уполномоченным федеральным органом исполни-

1373

тельной власти. Там же вновь составленные энергетические паспорта проходят определенную процедуру учета.

Форма энергетического паспорта принята 7 июня 2010 года Приказом Минэнерго № 182 от 19 апреля 2010 г.

После выполненного энергетического обследования можно приступать к реализации мероприятий по повышению энергоэффективности и энергосбережения

Существует множество факторов, определяющих важность и целесообразность проведения энергетического обследования, объясняющих, почему энергопользователю следует доверять его результатам. Особенно важным аспектом при проведении энергоаудита является дополнительная выгода от того, что исследование проводится квалифицированным специалистом, а не случайным работником компании. Чаще всего большим доверием у руководителей пользуются рекомендации профессионального консультанта, а не советы персонала. В результате энергоаудита организация только выигрывает, ведь экономия ресурсов и следование рекомендациям экспертов помогают существенно сократить расходы.

Список литературы

1.Фокин, В.М. Основы энергосбережения и энергоаудита/ В.М. Фокин// М.: Издательство «Машиностроение - 1». ‒ 2006. ‒ С. 126.

2.Федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» от 23 ноября 2009 г. (ст. 16, п.1).

3.Электронный журнал энергосервисной компании ‒ Режим доступа: http://esco-ecosys.narod.ru/2002_2/art48.htm , свободный.

А. Н. Ральников, магистрант

Использование архитектурного освещения на объектах города Ижевска

С наступлением вечерних сумерек в городе зажигаются уличные светильники, окна домов и витрин, разноцветием сверкает реклама, активнее читаются информационные световые табло и сигналы светофоров.

Освещение автомагистрали, зелень скверов и парков, фасады зданий и сооружений и прочие, образуют городскую световую среду. Искусственное освещение формирует облик города в темное время суток, который в значительной степени отличается от дневного.

Задача архитекторов, инженеров – проектировщиков, светодизайнеров заключается в создании гармоничной, сбалансированной световой среды города.

1374

Под архитектурным освещением понимается искусственное освещение фасадов зданий, сооружений, произведений монументального искусства, элементов городского ландшафта, отвечающее эстетическим требованиям зрительного восприятия.

При создании вечернего образа объекта возможны два принципиально разных подхода: обеспечение ассоциативного подобия объекта его «дневному» образу или создание ночного, декоративно - театрального «контробраза», отличающегося от дневного и обладающего собственными выразительными качествами.

В реальных условиях освещенные объекты в большинстве случаев сочетают в той или иной мере признаки обоих подходов, но для памятников истории и архитектуры, зрительно – образные стереотипы которых уже сложились в нашем сознании, более естественен первый путь, для современных построек более продуктивен второй подход [1].

Архитектор и инженер – светотехник имеют набор следующих технических приѐмов для создания художественного образа объекта или целого ансамбля в вечернее время суток:

‒общее заливающее освещение;

‒локальное освещение;

‒светящиеся фасады;

‒силуэтное освещение;

‒световая графика;

‒иллюминационное освещение;

‒контурное освещение;

‒ландшафтное освещение;

‒динамическое цветное освещение.

Выбор приема архитектурного освещения зависит от градостроительной ситуации, характера объекта, его назначения, возможности расположения оптических приборов, условий адаптации наблюдателей, творческого замысла авторов, технико – экономических возможностей.

Общее заливающее освещение фасадов или трехмерных объемов с заданной равномерностью обеспечивается оптическими приборами прожекторного типа, расположенными на значительных и средних расстояниях от объекта. Такой прием архитектурного освещения, как правило, сохраняет подобие вечернего образа объекта дневному.

Локальное (местное) освещение используется для фрагментной подсветки объекта, его тектонических и декоративно - пластических элементов с размещением оптических приборов непосредственно на освещаемом объекте или на близком от него расстоянии. Локальное освещение осуществляется с помощью малогабаритных оптических приборов, рассчитанных на работу с металлогалогенновыми лампами мощностью 35 – 150 Вт.

Свет от освещенных интерьеров, проходящий через неэкранированированные или незашторенные остекленные светопроемы в зданиях и сооружениях, создает эффект светящих фасадов. С помощью

1375

силуэтного освещения достигается необходимый контраст между затемненными или архитектурными элементами и их композициями и освещенным, как правило светлым, фасадом здания.

Световая графика подразумевает группировку на фасадах зданий и сооружений оптических приборов, образующих характерный светографический рисунок в виде скопления светящих, возможно разноцветных точек, пятен, пунктирных и сплошных контурных линий.

Иллюминационное освещение – декоративное освещение с помощью гирлянд и световых шнуров с цветными источниками света малой мощности или светодиодами. Такое освещение применяют для создания светящих протяженных форм и украшений на мостах, эстакадах, улицах.

Контурное освещение используется для выделения основных архитектурных деталей зданий и сооружений. Контуры проявляются в форме световых линий на фоне слабо освещенных и светящихся фасадов.

Ландшафтное освещение – это декоративное и функциональное освещение зеленых насаждений, элементов ландшафта и благоустройства. К техническим средствам ландшафтного освещения относятся декоративные опоры с кронштейнами, венчающие светильники.

Динамическое архитектурное освещение – это, прежде всего использование цвета, светоцветовой динамики, а также создание световых эффектов с помощью лазерных и прожекторных пучков света [2].

Рассмотрим применение архитектурных (технических) приемов на объектах города Ижевска.

Свято-Михайловский Собор.

Данный проект представляет собой решение подсветки СвятоМихайловского Собора города Ижевска республики Удмуртия. Авторы проекта использовали узконаправленные прожекторы, выделили храм на фоне темнеющего неба, подчеркнув великолепие и устремленность в высь. Также проект затронул и освещение прилегающей территории, подсветив мягким рассеянным светом дорожки проходящие вокруг храма, добавив очарования в раскинувшийся рядом парк. В проекте предусмотрен также экономический режим работы осветительного оборудования. В этом режиме лампы работают в половину мощности. Быстро поднимающаяся кирпичная кладка Свято-Михайловского Собора уже видна издалека, напоминая, что, когда храм встанет в полный рост, он превратится в самое высокое здание Ижевска с учетом того, что расположен на высоком насыпном холме. Будет маяком города, памятником духовности, красоты, традиций.

Для реализации освещения фасадов использовались прожекторы с очень узким лучом и с рефлекторами для эллиптического распределения света. Прожекторы MaxiWoody Sspot. Для создания заливающего освещения верхнего уровня предлагается использовать прожекторы

MaxiWoody 5658 (S/Spot 150 W HIT-T).

1376

Для создания заливающего освещения нижнего уровня предлагается использовать прожекторы MaxiWoody 5658 (S/Spot+Rifrattore 150 W HIT-T).

В целях исключения теней на центральном барабане от малых куполов применяются прожекторы Platea 7698 (70W HIT-DE) и Aeas Aero (70 W HST).

Для освещения галереи предлагается использовать светильники Ораниенбаум и натриевые лампы, дающие более теплый оттенок света. Для подсветки икон предлагается использовать прожектора Style AS 70W с металлогалогеновыми лампами теплого оттенка.

Освещение территории парка, ступеней лестницы, подсветка мемориала соответсвенно светильниками «Ораниенбаум» на опорах «Segeha» высотой 3,5 м, светильниками «Ораниенбаум» с опаловым стеклом на опорах «Neva» высотой 4 м, прожекторами «Aero» SM 150W на опорах «Segeha» высотой 4 м [3].

Рис. 1. Архитектурное освещение Свято-Михайловского собора

Монумент Навеки с Россией.

Данный проект представляет собой архитектурное освещение и ландшафтного благоустройства прилегающей территории Монумента «Навеки с Россией». Авторы проекта использовали узконаправленные прожекторы, выделили монумент на фоне темнеющего неба. Также проект затронул и освещение прилегающей территории, подсветив еѐ мягким рассеянным светом.

Памятник высотой с 14 этажный дом освещают прожекторные батареи расположенные на опорах HIGHTWAY высотой 10 м. Для создания заливающего освещения верхнего уровня предлагается использовать прожекторы MaxiWoody 5658 (S/Spot 150 W HIT-T).

Освещение прилегающей территории осуществляется с использованием светильников «Мартини» мощностью 125 Вт, расположенные на стальной опоре «Ушба» длинной 4,2 м [3].

1377

Рис. 2. Архитектурное освещение Монумента «Навеки с Россией»

Список литературы

1.Айзенберг Ю. Б. Справочная книга по светотехнике [Текст]. / Ю. Б. Айзенберг. – Москва: ТИПОГРАФИЯ КЕМ, 2008. – 951 с: ил.

2.Расчетный практикум для проектирования осветительных установок [Текст] : учеб. Пособие / В. Д. Никитин, Т. В. Гречкина [и др.] ; под общ. ред. В. Ю. Яковлева. - Томск : ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2009. – 152 с.

3.Справочная книга для проектирования электрического освещения [Текст] : Г. М. Кнорринг, И. М. Фадин, В. Н. Сидоров [и др.] ; под общ. ред. Ю. В. Долгополова. – Санкт – Петербург : Энергия, 1976. – 448 с.

В. И. Решетникова, магистрант

Д. Н. Попов, кандидат технических наук, доцент Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Расчет процессов подогрева тяжелых жидких топлив с переменными вязкопластичными свойствами

В настоящее время все большее распространение получает метод высокочастотного индукционного подогрева тяжелых жидких топлив (рис. 1). Вместе с тем, эффективность данного способа можно повысить, используя нагревательные элементы, расположенные непосредственно в трубопроводе (рис. 2). Такие элементы, хотя и создают дополнительные сопротивления потоку, но в тоже время способствуют более интенсивному теплообмену. Положение усугубляется еще и тем, что некоторые виды нефтепродуктов (например, мазут М100) в определенном диапазоне температур приобретают неньютоновские свойства. Указанные обстоятельства предопределяют необходимость настоящего расчетного исследования. Для расчета процессов гидродинамики и теплообмена, происходящих в классических системах хранения и подачи жидкого топлива, авторами

1378

применялась математическая модель [1], разработанная на основе двухмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса, записанных в естественных (скорость-давление) переменных. В настоящей статье рассматривается несколько иной подход, основанный на использовании уравнений динамики несжимаемой (ρ = const) неньютоновской жидкости в преобразованных ( ‒ завихренность, ‒ функция тока) переменных и сте-

пенного реологического закона:

Рис. 1. Традиционная схема подогрева

а)

t

б)

Рис. 2. Предполагаемые схемы подогрева

а– нагревательные элементы в виде выступов;

б– нагревательные элементы в виде центрального тела.

eff

y eff

y y eff

g y

1379

где

y ,

(1)

yvT

eff

‒ проекции вектора скорости по осям

соответственно;

‒ температура;

, и

‒ коэффициенты температуропроводно-

сти, теплоемкости и температурного расширения жидкости; c ‒ теплоем-

кость	eff	k	0,5 n 1	‒	эффективная		вязкость;

k exp10	exp10	9,855 3,745lgT 0,8 10			6	и

n n	n	n	(323 T )
	T 323K	T 298K
T 323K	323	298

‒ мера консистенции и пока-

затель

неньютоновского

поведения

жидкости;

‒ интенсивность

сдвиговых деформаций;

nT 323K

nT 298K

‒ показатели степени, которые

для мазута марки М100 со средним парафиносодержанием составляют соответственно 1 и 0,783.

За счет введения новых независимых переменных и

система (1) с

коэффициентами

, xx ,

(где


		x		x

и т. д.) адаптирована

для расчетных областей покрытых прямолинейной ортогональной неравномерной сеткой со сгущением узлов в продольном и поперечном направлениях в местах, где ожидаются большие градиенты искомых величин. Кроме того, система уравнений дополняется начальными и граничными условиями.

Расчетная модель тестировалась на основе аналитических решений течения неньютоновской теплопроводной жидкости в прямолинейном трубопроводе. Во всех вариантах сравнения относительная погрешность результатов не превышала 0,15 %.

1380

2,5
2									n=1
2									n=0,9
									n=0,9
									n=0,8
1,5									n=0,7
1
0,5
0
0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
-0,5

Рис. 3. Изменение продольной скорости по радиусу трубы за препятствием в виде выступа

2
1,5			n=1
1,5			n=0,9
			n=0,9
			n=0,8
1			n=0,7
			n=0,7
0,5
0
0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
-0,5
-1

Рис. 4. Изменение продольной скорости по радиусу трубы за препятствием в виде центрального тела

Как следует из рис. 3, при снижении показателя n наблюдается увеличение осевой составляющей скорости примерно до уровня среза препятствия. В силу баланса массового расхода это приводит увеличению циркуляционной области в продольном направлении. При движении жидкости за цилиндрическим центральным телом уменьшение n приводит к более существенным градиентам скорости вблизи стенки, в то время как аналогичные изменения вблизи оси симметрии в области возвратноциркуляционного течения становятся менее заметными, начиная с n 0,8 .

Рис. 5 Распределение температуры в	Рис. 6. Распределение температуры в
области с подогреваемой вставкой	области с подогреваемым выступом

1381

На рис. 5‒8 показаны распределения температуры для различных случаев подогрева мазута с переменными k и n . Из них следует, что для вариантов с местными сопротивлениями в виде выступа или центрального тела распространение тепла происходит более интенсивно. Особенно рациональным для подогрева мазута представляется комбинирование рассмотренных способов.

Рис. 7. Температурное поле в области с	Рис. 8. Температура поле при комби-
подогреваемым центральным телом	нированном подогреве

Так, использование подогреваемой вставки совместно с центральным телом позволяет исключить непрогретые зоны.

Список литературы

1.Варфоломеева, О. И. Численное моделирование неизотермических течений жидкого топлива с переменной вязкостью в теплоэнергетическом оборудовании / О. И. Варфоломеева, Д. Н. Попов / Промышленная энергетика. ‒ №12. ‒ 2011. ‒ С. 11‒13.

2.Дурст Ф. Турбулентное течение за двумерными перегородками / Турбулентные сдвиговые течения/ Дурст Ф., Растоги А. К. ‒ М.: Машиностроение, 1983. С. 229‒246.

А. В. Солнцева, аспирант

Б. В. Скворцов, доктор технических наук, профессор Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева

Способ оперативного контроля качественных характеристик жидких углеводородных энергоносителей

Оперативный контроль качественных характеристик жидких углеводородных энергоносителей без сжигания является актуальной задачей нефтехимической промышленности России.

1382

Основная характеристика жидких углеводородных энергоносителей – детонационная стойкость. Ее мерой являются октановое число для бензинов и цетановое число для дизельных топлив. Известны методы и устройства, основанные на контроле диэлектрической проницаемости углеводородных топлив, косвенно связанной с показателями детонационной стойкости [1]. Недостатки известных методов состоят в том, что они не позволяют контролировать достоверность топлива, т.е. наличие в нем запрещенных стандартом кислородных и металлосодержащих присадок, с одной стороны, повышающих октановое число, а с другой – ухудшающих экологические характеристики двигателей.

Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты, на которой производятся измерения. Процессы, происходящие в диэлектрике в переменном электрическом поле, объясняются введением понятия комплексной

относительной диэлектрической проницаемости
			, предложенным Дебаем:
			(1)
		j ' ,
где	‒ действительная часть (относительная диэлектрическая проницае-
мость);		‒ мнимая часть. Мнимая часть (1)	характеризует поглощение

энергии в диэлектрике, введенном в электрическое поле. Тангенс угла потерь определяется по формуле:

tg	'		.	(2)


На рис. 1 показана зависимость		и		от частоты [1]. Действительная

часть фактически не изменяется вплоть до частот 108 Гц. Максимальная величина диэлектрической проницаемости ε достигается при 0 .

Рис. 1. Зависимость действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемостей от частоты

1383

В [1] были проведены теоретические исследования, в рамках которых были получены зависимости для проводимости и тангенса угла потерь от

частоты:											0
											0
	0			2				3	2				2			(3)
	0			0				0		0			2			(3)
									4
				2	2						2	2
	4				0							0
	4				0							0 n
tg		2		2							2			2	2	(4)
tg				0					0	0					0	(4)
		n					0
					2	2			2			2	2
			0						0				0

Численный эксперимент показал, что на потери существенно влияет разность между квазистатической и оптической диэлектрическими проницаемостями.

Углеводородная среда плохой проводник электричества. Удельная электрическая проводимость нефтепродуктов возрастает с повышением пределов их выкипания в процессе перегонки нефти и для рассматриваемых видов топлив находится в пределах 10-17 ÷10-16 [Ом-1 м-1]. Для бензиновых фракций прямой перегонки проводимость составляет (0,1 ÷ 1,0) ×10-16 [Ом-1 м-1]. В целях предотвращения скопления статического электричества в бензиновых баках и на бензозаправках в бензин добавляют специальные присадки, которые увеличивают его электрическую проводимость. Поэтому проводимость готовых товарных автомобильных бензинов, измеренная на частотах 100 – 1000 Гц при температуре 20 0С составляет (3 ÷ 10) ×10-16 [Ом-1 м-1]. С ростом частоты проводимость уменьшается до нуля.

В последнее время на рынке приборов измерения детонационной стойкости появились приборы, измеряющие не только диэлектрическую проницаемость, но и проводимость среды. Однако, такие приборы, как правило, измеряют проводимость на постоянном токе, что приводит лишь к измерению проводимости присадки, увеличивающей электрическую проводимость топлив.

Полученные теоретические результаты дают возможность более точно рассчитывать и анализировать распространение электромагнитных волн в разнообразных средах, а также более точно рассчитывать и конструировать датчиковую аппаратуру, основанную на использовании изменений параметров ζ, в широком диапазоне частот. В частности, полученные соотношения используются при исследовании свойств нефти и нефтепродуктов в широком диапазоне частот. Состав топлива и его детонационные свойства влияют на все главные электрические параметры: проводимость ζ, критическую частоту ω0, квазистатическую (0) и оптическую ε(∞) диэлектрические проницаемости. Приведенные графики позволяют сориентироваться в ожидаемых значениях указанных параметров при их измерении и выбрать рабочий диапазон частот.

На основании полученных теоретических исследований [1] был сконструирован опытный прибор измерения детонационной стойкости и достоверности топлив (рис. 2).

1384

Ядром схемы является микроконтроллер, к которому подсоединяются основные функциональные блоки: датчики, одним из которых обязательно является датчик температуры, входящий в блок термокоррекции, индикатор, клавиатура управления прибором, а также вспомогательные устройства, обеспечивающие возможности связей с программатором и внешним компьютером.

В последнее время появились новые микросхемы, которые можно использовать для прецизионного измерения емкости и определения тангенса угла потерь. В частности, для измерения емкости в разработанном приборе используется специализированная микросхема AD7747, состоящая из задающего генератора, усилителя с высоким входным сопротивлением и 24 разрядного АЦП. Всѐ это позволяет измерять емкость в диапазоне 0-8 пФ с точностью до 10 фФ.

Рис. 2. Структурная схема прибора

Измерение потерь реализовано двумя отдельными блоками. Первый блок измеряет сопротивление по постоянному току датчика, погруженного в нефтепродукт (измеряемые сопротивления порядка 1-100 ТОм). Второй блок измеряет сопротивление датчика в широком диапазоне частот (1-

500 МОм).

Все три измерительных блока получают информацию с одного коаксиального конденсатора, погружаемого в нефтепродукт. Вместе с конденсатором в среду погружается и термодатчик. Благодаря высокой чувствительности микросхем в качестве емкостного датчика выбран коаксиальный конденсатор малых размеров – диаметр составляет 3 см, высота – 2 см. Выбор

1385

коаксиальной конструкции датчика обусловлен наибольшей механической стойкостью к внешним воздействиям, что является необходимым для получения высоких метрологических характеристик.

Во избежание помех, все измерительные блоки работают по очереди. Общий цикл измерений с учетом обработки - несколько секунд.

Применение вышеописанных формул и схем позволило создать прибор, способный измерять детонационную стойкость с точностью до 0,5%, а измерение проводимости топлива в широком диапазоне частот позволяет выявить большинство топлив, изготовленных с нарушениями техпроцесса.

Список литературы

1.Борминский, С.А. Методы измерений количественных и качественных характеристик жидких энергоносителей / С.А.Борминский, Б.В.Скворцов, А.В.Солнцева. Самара: Издательство СНЦ РАН, 2012. ‒ 222 с.

2.Скворцов, Б.В. Импульсные методы измерений количества и качества жидких углеводородных топлив / Б.В.Скворцов, С.А.Борминский. Самара: Издательство СНЦ РАН, 2010. ‒ 220 с.

А. В. Соломин, магистрант

М. А. Чепкасова, магистрант

М. Л. Новоселов, начальник бюро кафедры «Электротехника» В. К. Барсуков, кандидат технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Разработка стенда для тестирования танталовых чип-конденсаторов импульсным током

Использование в электронной технике танталовых чип-конденсаторов имеет значительные преимущества по сравнению с использованием конденсаторов других типов [1]. Однако, резкое увеличение тока, вызванное переходными процессами, может приводить к выходу из строя танталовых конденсаторов и нарушению работы всего устройства, и вероятность отказов такого типа особенно высока в схемах с низким сопротивлением, где ток при переходном процессе ограничен в основном внутренним сопротивлением конденсатора [2].

Для проведения тестирования танталовых чип-конденсаторов импульсным током был разработан испытательный стенд Импульсное Тестирование Конденсаторов-10 (ИТК-10).

Стенд для испытания танталовых конденсаторов ИТК-10 предназначен для отработки методики отбраковки танталовых конденсаторов методом импульсного тестирования. Прибор рассчитан на применение в лабораториях, цехах, а также в ОТК производственных предприятий.

При разработке испытательного стенда использовались результаты моделирования схемы замещения танталового конденсатора в программ-

1386

ном пакете NI Multisim [3]. Также было проведено моделирование работы испытательного стенда в программном пакете NI Multisim[4,5].

Конденсатор подключается к зажимам испытательной схемы, аналогичной схеме, показанной на рис.1. При испытании на конденсатор подается серия из пяти однополярных импульсов длительностью 0,5 с. За циклом заряда следует цикл разряда, который также имеет длительность 0,5 с. Амплитуда импульсов устанавливается равной номинальному напряжению конденсатора. Контролируются параметры импульса переходного значения тока при цикле заряда конденсатора. Такой режим испытаний аналогичен режиму, применяемому в стандартах MIL-PRF-55365 и ESA/SCC №3012 [6].

Рис. 1. Схема для проведения импульсного теста танталовых конденсаторов в соответствии со стандартом MIL-PRF-55365

На рис. 2 показаны возможные графики зарядного тока, которые можно получить при испытании танталового чип-конденсатора импульсным током.

Для определения годных конденсаторов используются два уровня тока: уровень 1 ‒ максимальное значение тока в момент подключения исследуемого конденсатора к источнику питания и уровень 2 ‒ значение тока через время t, когда конденсатор полностью зарядился. Если значение максимального зарядного тока не превышает величины, установленной для испытываемого типа конденсаторов или зарядный ток через время t больше установленного, то конденсатор считается отказавшим.

Рис. 2. График тока при тестировании танталового конденсатора.

1387

Такая проверка позволяет выявить ненадежные элементы, которые могут как сами отказать в ходе эксплуатации, так и привести к отказу аппаратуры. Среди элементов, прошедших тест, вероятность выхода из строя при воздействии импульсных токов будет значительно меньше, что позволит повысить надежность устройств, использующих танталовые конденсаторы в схемах с низким сопротивлением источника питания [6].

Принцип работы прибора основан на испытании конденсаторов импульсным током при их зарядке через источник питания с минимальным нормированным значением внутреннего сопротивления и разрядке через разрядную цепь, имеющую минимальное нормированное значение сопротивления. При этом имитируются предельно жесткие режимы работы конденсатора в переходном режиме. Конденсатор считается выдержавшим испытания, если его характеристики и параметры после испытания не вышли за предельно допустимые значения для испытуемого конденсатора.

Испытательный стенд ИТК-10 состоит из трех блоков:

1.Блок электронный ИТК-10

2.Пульт оператора

3.Емкостный накопитель

В качестве накопительного конденсатора была использована батарея алюминиевых конденсаторов общей емкостью 0,63 Ф. Для осуществления переключений в испытательной схеме были применены быстродействующие электронные силовые ключи (биполярные транзисторы).

Внешний вид разработанного стенда представлен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид испытательного стенда ИТК-10

Управление процессом тестирования осуществляется с лицевой панели электронного блока: установка напряжения тестирования (номинального напряжения испытываемого конденсатора), установка длительности те-

1388

стового импульса, установка порогов разбраковки (верхний и нижний порог разбраковки), приведение напряжения компаратора к опорному напряжению 5 В.

Приведение напряжения компаратора необходимо для обеспечения проведения тестирования танталовых чип-конденсаторов с различными номинальными напряжениями (емкостями) [7].

Запуск тестирования производится с пульта оператора, в который вставляется испытываемый конденсатор. Индикация «Годен» или «Не годен» осуществляется с помощью индикаторов на пульте оператора.

Стенд для испытания танталовых чип-конденсаторов ИТК-10 был разработан в рамках проекта ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М. Т. Калашникова и ОАО «Элеконд» «Организация высокотехнологичного производства конденсаторов нового поколения» и в настоящее время используется для проведения импульсного тестирования при проверке надежности выпускаемых ОАО «Элеконд» танталовых чип-конденсаторов.

Список литературы

1.Беленький, Б., Танталовые конденсаторы – проблемы и перспективы [Текст]./Беленький Б., Горбунов Н.// Электроника: наука, технология, бизнес. - 2008. ‒ № 7.

2.Zednicek, T. «Voltage derating rules for solid tantalum and niobium capacitors» [Текст] / Zednicek, T., Gill, J. // Proceedings of the CARTS EUROPE 2003. – 2003.

3.Барсуков, В.К., Пустовалов, М.А., Соломин, А.В., Чепкасова, М.А. Исследование схем замещения танталовых конденсаторов [Текст]. Приборостроение в XXI веке – 2011. Интеграция науки, образования и производства: сб. материалов VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию приборостроительного факультета (Ижевск, 15‒17 ноября 2011 г.). – Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2012. – 504 с. – С. 216‒220.

4.Задающий генератор для испытания танталовых чип – конденсаторов [Текст]. рук. Штин, А.А. ‒ Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2013.

5.Моделирование схем испытания танталовых конденсаторов в Multisim [Текст] : рук. Барсуков, В.К. ‒ Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2013 – Исполн.: Корепанов В.В., Сибгатуллин Б.И., Новоселов М.Л.

6.Барсуков, В.К., Пустовалов, М.А., Соломин, А.В. Тестирование танталовых конденсаторов в соответствии со стандартами MIL-PRF-55365 и ESA/SCC №3012 [Текст]. Приборостроение в XXI веке – 2011. Интеграция науки, образования и производства: сб. материалов VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию приборостроительного факультета (Ижевск, 15-17 ноября 2011 г.). – Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2012. – 504

с. – С. 220‒225.

7.Методика выбора эталонов при испытании конденсаторов импульсным током на стенде ИТК-10 [Текст] : рук. Барсуков, В.К. ‒ Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2013 – Исполн.: Соломин А.В., Новоселов М.Л.

1389

А. С. Степанов, магистрант В. А. Морозов, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Компьютерное моделирование микропроцессорного комплекта защиты отходящих линий 6‒35 кВ в среде

графического программирования LABVIEW

Распределительные электрические сети в России ‒ это сети напряжением 0,4‒35 кВ, а также сети напряжением 110‒220 кВ. Как и в любой системе в распределительных электрических сетях возможно появление ненормальных (аварийных) режимов работы. Для выявления аварийных режимов работы распределительных электрических сетей требуется установка устройств релейной защиты и автоматики (РЗА).

На смену устаревшим электромеханическим и полупроводниковым реле пришли микропроцессорные (цифровые) устройства релейной защиты и автоматики. Микропроцессорные устройства РЗА являются комбинированным решением по защите, автоматике, управлению (в том числе дистанционному) и телемеханике объектов 3‒35 кВ. Внедрению микропроцессорных устройств РЗА способствуют их неоспоримые преимущества: большая вычислительная мощность и быстродействие, высокая точность измерения электрических величин и временных интервалов, дистанционные изменения и проверка установок с пульта управления оператора, регистрация и запоминание параметров аварийных режимов, большие функциональные возможности при малых габаритах, что сказывается на общем повышении надежности защиты объекта энергоснабжения.

Надежность работы устройств РЗА в большинстве определяется качеством расчетов уставок (параметров) комплектов защиты. Приняв во внимание сложность параметрирования микропроцессорных устройств РЗА, наличие большого количества комплектов на подстанциях, расчеты и проверка правильности настроек требуют значительных затрат времени и высокой квалификации обслуживающего персонала.

При параметрировании современных микропроцессорны устройств РЗА учитываются не только традиционные требования к защитам: селективность, быстродействие, надежность от ложных срабатываний, чувствительность в основной и резервных зонах, но и дополнительные возможности, присущие только микропроцессорным устройствам, например наличие нескольких групп уставок и условия перехода с одной группы на другую. Учет не только традиционных, но и дополнительных возможностей позволяет полнее адаптировать защиты к разным режимам работы оборудования, повышая общую надежность защиты оборудования [3].

Кроме параметрирования микропроцессорных устройств существуют трудности и в начальном освоении новой техники, в том числе и при переподготовке персонала [3].

Разработанная программная модель логики микропроцессорной защи-

1390

ты и автоматики отходящих линий 6‒35 кВ (далее, модель) представляет собой модель, полностью имитирующую все функции логической схемы защиты, автоматики и цепей управления.

Модель релейной защиты и автоматики реализована с помощью пакета LabVIEW версии 2011, который представляет собой среду графического программирования. Основное отличие LabVIEW от подобных систем программирования удобство создания сложного, многоуровневого (многооконного) графического интерфейса пользователя (GUI) [3].

В качестве базовой для моделирования выбрано микропроцессорное устройство защиты «Сириус-2(21)-Л». Модель построена в виде взаимодействующих друг с другом подпрограмм, реализующих функции микропроцессорного устройства защиты.

Функции защиты и автоматики выполняемые устройством:

−максимальная токовая защита (МТЗ);

−защита от однофазных замеканий на землю (ОЗЗ);

−защита от обрыва фазы питающего фидера (ЗОФ);

−управление выключателем;

−резервирование при отказе выключателя (УРОВ);

−логическая защита шин (ЛЗШ);

−определение места повреждения;

−автоматическое повторное включение (АПВ);

−дуговая защита;

−автоматическая частотная разгрузка (АЧР).

Подробнее рассмотрим работу МТЗ. В соответствии с руководством по эксплуатации [1], максимально токовая защита (МТЗ) микропроцессорного устройства релейной защиты «Сириус-2-Л», «Сириус-21-Л» имеет 4 ступени: первая, МТЗ-1 (токовая отсечка), с независимой времятоковой характеристикой, вторая, МТЗ-2, и третья, МТЗ-3, ‒ с зависимыми или с независимыми времятоковыми характеристиками. Тип зависимости ток-время ступеней МТЗ-2 и МТЗ-3 задается с помощью уставок.

Дополнительная ступень МТЗ-4, предназначена для отключения присоединения при длительном превышении током заданной уставки. Ступень МТЗ-4 может быть введена или выведена, действовать на отключение и сигнализацию (имеет две уставки по времени срабатывания) или только на сигнализацию. В отличие от других ступеней МТЗ, при пуске данной ступени не срабатывает реле «Пуск МТЗ», чтобы не блокировать логическую защиту шин при больших временах выдержки МТЗ-4. Время выдержки МТЗ-4 не зависит от тока [1].

Все ступени с независимой времятоковой характеристикой функционально идентичны и имеют характеристики, приведенные в [1].

Ускорение ступеней МТЗ-1, МТЗ-2 и МТЗ-3 вводится автоматически

на время (

TУСКОР

) при любых включениях выключателя. Ввод ускоре-

ния любой ступени может быть отключен уставками [1]. Функциональная логическая схема построения МТЗ приведена на рис. 1.

1391

Рис. 1. Функциональная логическая схема построения МТЗ

Алгоритм работы МТЗ устройства «Сириус-2-Л», «Сириус-21-Л»:

−с вторичных обмоток трансформаторов тока (ТТ), подключенных к защищаемой цепи, в режиме реального времени снимаются амплитудные значения вторичных токов фаз A, B, С;

−макси селектором определяется максимальный ток среди вторичных токов фаз A, B, C;

−найденный максимальный ток сравнивается с токовыми уставками

I, II, III, IV ступеней;

−если максимальный ток превышает токовую уставку какой-либо ступени, загорается индикатор «Реле Пуск МТЗ» и запускается таймер отсчета времени превышения максимального тока уставки;

−если за время отсчета, не превышающее время уставки одной из ступеней защиты, максимальный ток станет меньше тока уставки, таймер сбросится в «0»;

−если время, в течение которого максимальный ток превышал ток уставки, превысило время уставки по току, формируется сигнал на отключение выключателя и загорается индикатор «Откл-е Выкл-ля МТЗ»;

−при работе схемы с ускорением индикатор «Ускорение», сигнализирующий о несрабатывании I-й ступени последующей защиты после автоматического повторного включения (АПВ) выключателя, должен быть включен; в этом случае при повторном КЗ формирование сигналов на отключение выключателя II-й, III-й и IV-й ступени будет происходить после превышения максимального тока тока уставки в течение времени, превышающего время уставки ускорения.

На основе функциональной логической схемы была составлена блокдиаграмма моделирующая работу МТЗ линии электропередач в среде графического программирования LabVIEW рис. 2.

1392

Рис. 2. Блок-диаграмма МТЗ в программной среде LabVIEW

Заключение:

Компьютерная модель, полностью имитирующая все функции защиты и автоматики, цепей управления коммутационными аппаратами типовой подстанции системы электроснабжения позволит разрабатывать новые методики расчета уставок, учитывающие все особенности функционирования современных микропроцессорных устройств РЗА.

Разработанная модель и реализованные в ней функции РЗА, могут применяться для тренинга обслуживающего персонала подстанций, оснащенных микропроцессорными защитами «Сириус» с целью улучшения навыков вычисления уставок, эффективного параметрирования реле и анализа аварийных осциллограмм.

Список литературы

1.Микропроцессорные устройства защиты «Сириус-2-Л», «Сириус-21-Л» [Электронный ресурс] : руководство по эксплуатации : БПВА.656122.041 РЭ / ЗАО «РАДИУС Автоматика» (1 файл : 2366172 байт) – Москва, 2012. – 74 с.

2.Тревис, Д. LabVIEW для всех [Электронный ресурс] = LabVIEW for Everyone. Second Edition / Джеффри Тревис ; пер. с англ. Клушина Н.А. ; под ред. Шаркова В.В., Гурьева В.А. (1 файл : 13879493 байт) – Москва : «ДМК Пресс» ; ПриборКомплект, 2005. – 544 с. : ил. – ISBN 5-94074-257-2.

3.А.Н. Садовников Компьютерная модель релейной защиты и автоматики комплектной трансформаторной подстанции [Электронный ресурс] / А.Н. Садовников (1 файл : 522110 байт) – Челябинск, 2005. – (Вестник ЮУрГУ; № 9; 2005.).

1393

Ю. А. Фиотович, магистрант

Утилизация низкопотенциальной теплоты с помощью термосифонного теплообменника

Любое нефтеперерабатывающее и нефтехимическое производство является мощным источником загрязнения окружающей среды. Наряду с выбросами в атмосферу химических соединений и смесей, сливом в водную среду производственных отходов и сточных вод, попаданием в нее нефтяных продуктов, засорением почвы твердыми отходами, повышением уровня ионизирующей радиации, шума, вибрации, тепловые выбросы в атмосферу и водный бассейн вносят существенный вклад в загрязнение территорий, прилегающих к нефтехимическим предприятиям.

Взависимости от температуры сбросная теплота классифицируется по трем группам: высоко-, средне- и низкопотенциальная. В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности к энергоносителям сбросной низкопотенциальной теплоты (или низкопотенциальным вторичным энергоресурсам) относят нагретые жидкие потоки нефтепродуктов, конденсат водяного пара, горячую воду с температурой до 140…160 °С, а также газы с температурой не выше 250…300 °С [1].

Внастоящее время происходит недостаточное использование вторичных энергоресурсов на технологических установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, что в свою очередь ведет к полной потере низкопотенциального тепла, загрязнению окружающей среды

иснижению тепловой эффективности установок [2].

Разработка и внедрение различного оборудования для утилизации теплоты вторичных энергетических и материальных ресурсов способствует созданию малоотходных и безотходных производственных процессов. Применение утилизационных теплообменников позволяет сократить потребление невозобновляемых энергоресурсов и снизить объѐмы выбросов вредных веществ в атмосферу, способствует охране окружающей среды от теплового и химического загрязнения [1].

Применяемая на сегодняшний день теплообменная аппаратура (кожухотрубчатые, пластинчатые теплообменники, АВО) основана на принципе конвективного теплообмена через разделяющую поверхность и является достаточно эффективной в случае большого перепада температур входа и выхода продукта.

При необходимости снятия низкопотенциального тепла (когда разность температур теплообменивающихся сред составляет лишь несколько десятков градусов и меньше), применение указанной теплообменной аппаратуры является нецелесообразным в связи с необходимостью значительного увеличения поверхности теплообмена и соответственно ме-

1394

таллоемкости аппарата [3].

Таким образом, можно выделить наиболее важные задачи в этой области: утилизация энергии выходящих с установок потоков, необходимость разработки и внедрения нового высокоэффективного теплообменного оборудования, снижение металлоемкости и повышение надежности аппаратуры, а так же ее ремонтопригодности [4].

Одним из перспективных теплообменных аппаратов, которые могут использоваться для утилизации низкопотенциального тепла, является теплообменник на базе закрытого двухфазного термосифона (ЗДТ). Конструктивно такой утилизатор выполнен из двух параллельных каналов для горячего и холодного теплоносителя (рисунок) [5]. Каналы разделены перегородкой, в которой плотно закреплены теплопередающие элементы в виде термосифонов.

Внутри термосифоны частично заполнены промежуточным теплоносителем, с помощью которого теплота в испарительно-конденсационном цикле передается от горячего потока к холодному. Теоретически в качестве теплоносителей можно применять любые химические соединения и вещества, которые имеют жидкую и паровую фазы в рабочем диапазоне температур и давлений. На практике применяется весьма ограниченное количество жидкостей.

Рис. 1. Схема термосифонного теплообменника–утилизатора

Лучшим теплоносителем по многим параметрам является вода. Она обеспечивает наибольший теплоперенос из всех известных теплоносителей, за исключением жидких металлов, общедоступна, пожаро- и взрывобезопасна.

Определенный интерес представляет использование в качестве теплоносителей двухили многокомпонентных смесей. Применение многокомпонентных смесей позволяет расширить диапазон рабочих температур. При определенном количественном составе компонентов смеси они обладают большим максимальным теплопереносом, чем однокомпонентные.

1395

К двухкомпонентным теплоносителям относятся азеотропные растворы – бинарные растворы, состав которых идентичен составу равновесного с ними пара. Азеотропные растворы кипят при определенной температуре (для данного давления), несмотря на большое различие парциальных давлений составляющих чистых компонентов. Эти растворы существуют лишь при определенном соотношении компонентов бинарной смеси, их невозможно разделить методом дистилляции, т.е. термосифон, заполненный азеотропной смесью, ведет себя как термосифон с однокомпонентной жидкостью [2].

Давление во внутренней полости термосифона подбирается таким образом, что бы обеспечить необходимые температуры испарения и конденсации теплоносителя [5]. При выборе теплоносителя следует уделять значительное внимание давлению, при котором достигается необходимая температура кипения жидкости. Создание вакуума во внутренней полости термосифона требует дополнительных затрат. Чаще всего степень вакуумирования не играет большой роли, так как термосифон успешно работает и при наличии в его полости некоторого объема воздуха.

Теплообменник на базе ЗДТ обладает хорошими теплотехническими и прочностными свойствами, малым гидравлическим сопротивлением по обеим средам, надежен при эксплуатации, коэффициент теплопередачи на порядок выше, чем у более распространенных аппаратов, а так же отсутствует необходимость применения компенсаторов температурного расширения. Теплоотдача при кипении может способствовать высокому тепловому потоку при низкой разности температур между поверхностью и кипящей жидкостью.

Увеличения коэффициента теплопередачи, и соответственно уменьшения поверхности теплообмена, можно добиться применением оребрения термосифонных трубок с наружной и внутренней стороны, а так же применением пористого покрытия внутренней поверхности стенок термосифона со стороны кипения. Использование поверхностей с наноструктурным пористым покрытием позволяет увеличить коэффициент теплопередачи более чем на порядок.

Для подтверждения целесообразности применения аппаратуры на базе ЗДТ был проведен сравнительный теплотехнический расчет двух теплообменников: термосифонного и кожухотрубчатого.

Одной из основных задач при анализе и оценке конструкций теплообменных аппаратов считается определение их теплотехнической характеристики, тепловой эффективности.

Расчет кожухотрубчатого теплообменника производился по типовой методике путем подбора наиболее оптимального аппарата с помощью проверочного и уточненного расчетов [6].

Расчеты теплообменника на базе ЗДТ проводились по методу, разработанному Безродным М. К.

1396

При расчете термосифона обычно принимаются следующие допущения [3]: процесс парообразования происходит при поверхностном испарении конденсата; температура пара одинакова во всех зонах трубы; в зоне конденсации происходит процесс пленочной конденсации по Нуссельту; влияние парового потока на движение конденсата по стенке термосифона отсутствует; режим течения пленки конденсата ламинарный; термосифон располагается вертикально.

Как и при расчетах кожухотрубчатых теплообменников вначале определяется количество тепла, отдаваемое горячим потоком, и среднелогарифмическая разность температур. Затем определяются коэффициенты теплоотдачи, коэффициент теплопередачи и необходимая поверхность теплообмена.

При расчете термосифонного теплообменника определяют следующие коэффициенты теплоотдачи: от горячего потока к наружной поверхности термосифонных труб в испарительной части; от внутренней поверхности термосифонной трубки к промежуточному теплоносителю; от наружной поверхности термосифонных трубок к холодному теплоносителю и коэффициент теплоотдачи при конденсации промежуточного теплоносителя в термосифонных трубках

Расчеты проводились при следующих заданных условиях:

1) в качестве горячего теплоносителя было выбрано дизельное топливо (зимнее), холодного – вода; 2) температуры входа и выхода греющего потока соответственно – 70 и 35 °С, и для нагреваемого потока соответственно – 28 и 45 °С; 3) расход дизельного топлива – 7,7 кг/с, воды – 7,12 кг/с; 4) форма течения в обоих случаях противоток, скорости горячего и холодного теплоносителей соответственно – 7 и 0,1 м/с; 5) в качестве промежуточного теплоносителя в термосифоне выбрана смесь воды со спиртом с температурой насыщения равной 47,2 °С; 6) диаметр термосифонных трубок 25 мм, толщина стенок 2,5 мм; 7) длина термосифонных трубок равна 0,6 м и распределена следующим образом: в испарительной части – 0,2 м, в конденсационной части 0,4 м.

Проведенный расчет показал, что применение теплообменников на базе термосифонов является целесообразным. Необходимая поверхность теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике составила 77,8 м2. Применение замкнутых двухфазных термосифонов позволяет уменьшить необходимую поверхность до 29 м2, т. е. более чем на 62 %.

Применение подобных теплообменных аппаратов целесообразно как на строящихся так и на действующих технологических установках, где теплообменное оборудование ввиду своего морального и физического устарения требует замены.

Применение в нефтеперерабатывающей промышленности термосифонных теплообменных аппаратов позволяет утилизировать физическую теплоту отходящих технологических потоков, что выражается в значительном экономическом эффекте. Кроме того, улучшается также и эколо-

1397

гическая обстановка на заводах благодаря уменьшению тепловых выбросов в атмосферу.

Список литературы

1.Михаилов, В. В. Рационально использовать энергетические ресурсы [Текст]

/В. В. Михаилов. – К.: Техника, 1985. – 383 с.

2.Пиоро, И. П. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами [Текст] / И. П. Пиоро, В. А. Антоненко, П. С. Пиоро. – Киев: Наук.думка, 1991.

– 248 с.

3.Амиров, Я. С. Безопасность жизнедеятельности: Книга 4. Ч. 1. Идентификация надежности и работоспособности теплообменной аппаратуры [Текст] / Я. С. Амиров, Т. А. Бакиев, Ф. Х. Хурматуллин, М. М. Бикбулатов, В. Н. Назаров. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. – 410 с.

4.Бакиев, Т. А. Разработка теплообменных агрегатов на базе термосифонов для производств нефтепереработки [Текст]: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.04.09 / Бакиев Тагир Ахметович. – Уфа: УГНТУ, 2000. – 43 с.

5.Безродный, М. К. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике [Текст] / М. К. Безродный, С. С. Волков, В. Ф. Мокляк. – Киев: Вища школа,

1991. – 75 c.

6.Борисов, Г. С. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] / Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский. – М.: Химия, 1991. – 496 с.

Т. Л. Холмогорова, магистрант

И. Г. Русяк, доктор технических наук, профессор Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Постановка и решение задачи теплогидравлического расчета системы отопления здания

Теплогидравлический расчет проводится с целью определения расходов теплоносителя в элементах сети и теплоприхода в помещения от различных элементов системы отопления здания (СОЗ). Необходимость такого расчета напрямую связана с созданием оптимального микроклимата в помещениях, обеспечивающего комфортное прибывание человека в нем. Результаты теплогидравлического расчета СОЗ могут быть использованы для проверки ее работоспособности и для повышения ее эффективности с целью уменьшения затрат на электроэнергию и другие источники тепла [1].

В статье рассматриваются основные этапы алгоритма, позволяющего решить задачи теплогидравлического расчета СОЗ.

Во-первых, задается гидравлическая расчетная схема цепи в виде ориентированного графа. Под гидравлической цепью понимается совокупность труб, осуществляющих транспортировку воды.

Затем осуществляется поиск хорд графа. Также на данном этапе про-

1398

водится перенумерация ветвей, т. к. при построении матриц A и B необходимо, чтобы нумерация ветвей-хорд начиналась с единицы и совпадала с нумерацией контуров, построенных на этих хордах.

На третьем этапе осуществляется поиск контуров в графе, а также составляются матрицы А, В и R. A { aij } ‒ матрица соединений узлов и

ветвей, однозначно определяющая структуру цепи и ориентацию ветвей;

B { brj } ‒ матрица независимых контуров;								R { rij }	‒	матрица путей,
идущих по дереву и ведущих из узла				i	*	,	где задано давление, ко всем
идущих по дереву и ведущих из узла				i		,	где задано давление, ко всем
остальным узлам сети: i 1,2,...,m 1;				j 1,c 1,c 2,...,n , где m ‒ число
узлов цепи, n ‒ число ветвей цепи.
	Гидравлическое сопротивление ветвей определяется по формуле [1]:
		λ
			l	ξмс				,		(1)
	Si A		l	ξмс				,		(1)

	dвн
где	Si – гидравлическое сопротивление						i-ой ветви;			ξмс ‒ сумма

коэффициентов местных сопротивлений (КМС); l – длина i-ой ветви, м; A ‒ удельное динамическое давление на i-ой ветви, вычисляемое как

A	6,25
	10	8	ρd	4


			вн

(2)

где ρ– плотность жидкости, кг/м3;	dвн – внутренний диаметр трубы на
соответствующем участке, м; λ –	коэффициент сопротивления трения

соответствующего участка, определяемый по формуле А. Д. Альтшуля:

λ0,11 εэкв

68 Re

	0,25

(3)

где εэкв kэ dвн ‒ относительная шероховатость внутренней поверхности

стенок труб;

kэ ‒ эквивалентная шероховатость;

Re ‒ предельное число

Рейнольдса, характеризующие границы переходной области и области квадратичного закона, определяемое по формуле [1]:

Re	560	.	(4)
Re	ε	.	(4)
	ε
	экв

Далее задаются расход воды и величина давления на входе в СОЗ и решается система уравнений Кирхгофа:

Ax qд ,

By 0, (5)

y hд SXx.

относительно неизвестных вектора расхода на ветвях x и вектора перепада давлений y.

Решение системы уравнений (5) осуществляется обобщенным методом

1399

контурных расходов (ОМКР). В основе ОМКР лежит подстановка

выражения	x BТ x	x	в линеаризованную классическим методом
		x

Ньютона систему уравнений (5):

где

ν( x )

‒ номер 0,5 BSXx Bhд

 BSX

приближения;


A	x 0,
u	x ν( x			u	).
	x ν( x				).
		u	невязка в r-ом
	νr x		невязка в r-ом

(6)

контуре:

Критерием остановки счета по методу последовательных приближений является условие:

	xu 1	xu
max	i	i	100 ε ,	(7)
max		u	100 ε ,	(7)
i		u
i	xi
	xi
где ε заданная точность, %.
На следующем этапе рассчитывается вектор давлений P,				определяе-

мый через известное давление ветвях дерева по зависимости

P	'

m
P

в узле

eP	'	R

m		n

m и

yдв ,

перепады давлений на

(8)

где e – единичный вектор размерности (m‒1);

yдв

– перепад давления на

ветвях дерева.

Далее осуществляется проверка работоспособности системы. Система является работоспособной, если минимальное давление в системе не будет отрицательным.

Следующим этапом является тепловой расчет СОЗ, который подразделяется на два вида расчета: теплоотдача водопроводных труб и теплоотдача отопительных приборов.

Алгоритм определения теплоотдачи водопроводных труб следующий: 1. Определяется значения чисел Нуссельта для вынужденной

конвекции Nu1 и для свободной конвекции Nu2 по формулам (9) и (10) соответственно [2]:

1	0,8	0,43 Pr
	0,021Re Pr		ж
Nu

	0,25


Pr
ст

(9)

где

Prж

Prст

‒ числа Прандтля определенные при температуре

внутренней стенки трубы и температуре теплоносителя в трубе соответственно.

Число Нуссельта Nu2		при свободной конвекции определяют по
следующей формуле, записанной в общем виде:
Nu	2	0,54( PrGr )0,25 ,	(10)
	2

где значения физических констант, входящих в выражение для чисел Pr и

1400

Gr определяются при температуре воздуха в помещении.

2.Находится коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке трубы α1

икоэффициент теплоотдачи от внешней стенки трубы к воздуху α2 по формулам (11) и (12) соответственно:

α Nu

λж

λв

1 d

вн

где

- коэффициент теплопроводности теплоносителя;

теплопроводности воздуха.

λв

(11), (12)

- коэффициент

3.Определяется количество теплоты, проходящее сквозь

цилиндрическую стенку, отнесенное к единице длины трубы формуле (13):

q		π(t t)
q			жв
			жв
mp	1 1			d	1
	1 1				1	,
			ln			,
				нар
αd 2λ
αd 2λ				d αd
	1вн mp вн				2нар

qmp

по

(13)

где

tж

‒ температура воды в трубе; tв ‒ температура воздуха в комнате; λтр

‒ коэффициент теплопроводности трубы (сталь); dвн, dнар ‒ внутренний и внешний диаметры трубы.

Вычисляется теплоотдача трубы Qтр по формуле (14):

Qтр qтрlтр ,

(14)

где lтр ‒ длина участка трубы.

Алгоритм расчета теплоотдачи отопительных приборов следующий:

1. Определяется температура воды на выходе из прибора формуле (15):

tвых tв						1		,

						qномn( Gпр 360 ) p
			1			qномn( Gпр 360 ) p	Fпр
	( t	вх	t	вых	)n	701 n G cβ β
		вх		вых		пр 1 2

tвых

по

(15)

где β1 ‒ коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов за счет округления сверх расчетной величины; β2 ‒ коэффициент учета дополнительных потерь теплоты отопительными приборами у наружных ограждений; Fпр ‒ площадь поверхности прибора.

2. Расчитывается плотность теплового потока отопительного прибора qпр по формуле (16) [2]:

ср

n 1

пр

(16)

пр

ном

360

где tср ‒ температурный напор, равный разности полусуммы температур теплоносителя на входе и выходе отопительного прибора и температуре

1401

воздуха помещения,

t	ср	0,5	t	вх	t	вых	t	в
	ср			вх		вых		в

°С; n, p ‒

экспериментальные значения показателей степени; cпр ‒ коэффициент, учитывающий схему присоединения отопительного прибора и изменения показателя степени p в различных диапазонах расхода теплоносителя.

3. Определяется теплоотдача отопительного прибора Qпр по формуле (17):

	q	пр	F
Q		пр		пр
Q
пр	β β
	β β			2
		1		2

Алгоритм теплогидравлического расчета виде блок-схемы:

.	(17)
может быть	представлен в

Ввод начальных данных Поиск хорд графа и перенумерация ветвей Поиск контуров, составление матрицы А. В, R Расчет гидравлического сопротивления на ветвях, составление матрицы S Решение линеаризованной системы уравнений (5) для определения начального приближения

Нахождение u+1 приближения вектора х обобщенным методом контурных расходов

нет

	x	u 1	x	u
		u 1		u
max		i		i	100
max			u		100
i		x	u
i			i
			i
		да
Расчет перепада давлений на ветвях

Проверка работоспособности системы (pmin>0) Тепловой расчет системы по приборам и трубам

Рис. 1. Алгоритм теплогидравлического расчета СОЗ

Список литературы

2.Сеннова, Е. В. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающихся систем [Текст] / Е. В. Сеннова, Сидлер В.Г. – Новоси-

бирск : Наука, 1987. – 220 с. – Б. ц.

1402

А. М. Черных, магистрант Д. А. Плотников, кандидат технических наук, доцент

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Биогаз, ветро- и гелиоэнергетика. Комплексное использование для частного дома

Существенный рост тарифов на электрическую энергию и природный газ, а также постепенное истощение запасов природных ресурсов в настоящее время, приведет в ближайшем будущем к дефициту электрической энергии и природного газа, а в отопительный период – и тепла. Все это делает решение проблем в области энергоэффективности и энергосбережения весьма актуальными.

Комплекс установок использующих возобновляемые источники энергии для частного дома, позволит сделать его автономным от ряда инженерных коммуникаций, а также даст возможность не зависеть от запасов невозобновляемых источников энергии. Исследования в области освоения возобновляемых источников энергии являются актуальным для решения задач энергосбережения, это подтверждается многочисленными работами ученых Российской Федерации [1].

В связи с этим встают следующие задачи:

‒обосновать применительно к выбранному типу здания конструктивные решения, способствующие повышению энергоэффективности, качества функционирования и экономичности;

‒систематизировать комплекс выбранных технических систем возобновляемых источников энергии, способствующих реализации энергосберегающих мероприятий;

Рассмотрим комплекс установок и мероприятий для частного дома, включающий биогазовую установку, ветрогенератор и гелиоустановки. Все составляющие данной системы могут работать независимо друг от друга, и позволят совместно вырабатывать на нужды дома два важных вида энергоресурсов – тепловую и электрическую энергию.

Предполагается большую часть года обеспечивать энергоснабжение дома за счет используемых возобновляемых источников энергии, но при этом будут подключены газо- и электроснабжение для восполнения дефицита энергии в неблагоприятные для работы установок возобновляемых источников энергии дни.

Тепловая энергия вырабатывается котлоагрегатом, работающим на биогазе, производимом биогазовой установкой. Теплоноситель используется для отопления дома и поддержания оптимальных условий работы самой биогазовой установки. Биогазовая установка располагается в отдельно стоящем здании, либо пристроенном к дому и включается в себя следующее оборудование:

1403

1)Реактор № 1 (брожение);

2)Реактор № 2 (дображивание);

3)Емкость образования исходного субстрата;

4)Приемная емкость отбродившего субстрата;

5)Емкость хранения отбродившего субстрата - биоудобрений;

6)Погружной насос с режущим механизмом;

7)Фильтр;

8)Мягкий газгольдер;

9)Газовый котельный агрегат;

10)Водонагреватель накопительного типа;

11)Сетевой насос системы отопления дома и подогрева реакторов и емкостей.

Рис. 1. Схема энергоресурсоснабжения частного дома

Электроэнергия вырабатывается за счет применения ветрогенератора и гелиоустановок, а именно – монокристаллических солнечных батарей, но, так как энергоснабжение от таких источников как солнце и ветер носит нестабильный характер, устанавливаются также системы аккумулирования, спроектированные специально на многоразовую зарядку-разрядку. В целом система включает в себя следующее оборудование:

1)Ветрогенератор;

2)Монокристаллические солнечные батареи;

3)Контроллер заряда;

4)Аккумуляторные батареи;

5)Инвертор;

1404

Рис. 2. Схема работы биогазовой установки с получением тепловой энергии

Рис. 3. Схема работы системы с ветрогенератором и солнечными батареями

При установке оборудования учитываются ориентация дома по сторонам света, ориентация и наклон кровли, окружающий ландшафт и климатические данные конкретной местности. Для оптимальной работы ветрогенератора необходима скорость ветра от 3 до 7 м/с, для солнечных бата-

1405

рей – температура воздуха от 15 до 25 °С и отсутствие или небольшая облачность. Таким образом, в средней полосе России применение ветрогенератора может быть оправдано на протяжении всего года, а солнечных батарей с апреля и до конца октября.

Также предусматриваются такие ограждающие конструкции дома, которые будут в разы превышать рекомендуемые в современных строительных нормах показатели теплосопротивления, то есть будут использоваться современные материалы, предполагающие высокой уровень герметичности дома и соответственно минимальные теплопотери.

Таким образом, рассмотрен комплекс оборудования для частного дома применительно к условиям средней полосы Российской Федерации, который позволяет практически не зависеть от ряда инженерных коммуникаций. При этом снижается уровень использования исчерпаемых природных ресурсов и происходит освоение возобновляемых источников энергии, что является одним приоритетных задач в области энергосбережения.

Список литературы

1. Дорошин, А.Н. Исследование эффективности использования комбинированных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.: 05.14.08/ Дорошин Александр Нико-

лаевич. – М., 2011. – 129 с.

В. С. Шутов, студент

Д. А. Хворенков, старший преподаватель О. И. Варфоломеева, доцент, кандидат технических наук

Е. В. Желтышева, студент Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова

К вопросу о повышении теплоэффективности работы теплогенерирующих установок за счет снижения потерь с уходящими газами

В современном мире энергоэффективность является одним из определяющих критериев развития отрасли [1]. Не является исключением и производство тепловой энергии. Уменьшение потерь является главной технической задачей. Например, при производстве тепла на теплогенерирующих объектах существуют 3 вида основных потерь: с недожогом топлива

ис уходящими дымовыми газами (обычно не более 18 %), потери энергии через обмуровку котла (не более 4 %), потери с продувкой на собственные нужды котельной (около 3%). Указанные цифры соответствуют тепловым потерям отечественного котла с КПД около 75 %. Более совершенные современные котлоагрегаты имеют реальный КПД около 80‒90%

итепловые потери у них ниже. Таким образом, потери только при произ-

1406

водстве тепла в теплогенерирующих установках могут достигать величины 20‒25%, что противоречит [1]. В данной работе представлены результаты оценки повышение теплоэффективности за счет снижения потерь с уходящими газами котельных установок.

Современные теплообменные аппараты позволяют снижать температуру уходящих дымовых газов ниже температуры точки росы, позволяя дополнительно использовать теплоту конденсации, что дает дополнительный энергосберегающий эффект. Но такое охлаждение накладывает ограничения на коррозионностойкость материалов оборудования, усложняет его эксплуатацию. Также к недостаткам снижения температуры уходящих газов следует отнести понижение величины самотяги, увеличение затрат электроэнергии на привод тягодутьевых машин, повышение вероятности конденсатообразования на хвостовых поверхностях нагрева и элементах систем дымоудаления. Намокание конструкций систем дымоудаления в следствие конденсатообразования водяных паров или паров серной кислоты может привести к их разрушению. Компромиссом может стать снижением температуры уходящих газов до минимальной, при которой не происходит конденсатообразования на всех участках тракта дымоудаления. Внедрение утилизации теплоты по описанному принципу на теплоисточнике приводит к необходимости расчета температурновлажностного режима работы систем дымоудаления. К недостаткам существующих методов расчета можно отнести невозможность с их помощью учесть конструктивные особенности расчетных элементов. Авторами была разработана методика с применением численного моделирования течения продуктов сгорания и их теплообмена в исследуемом элементе, лишенная указанного недостатка. На ее основе возможно определение минимальной температуры на входе в дымоотводящий элемент, при которой не происходит конденсатообразования водяных паров и паров серной кислоты, по всему пути движения дымовых газов. Алгоритм методики приведен на рис.1.

Исходными данными являются химический состав топлива, условия его сжигания, конструктивные особенности и условия на внешней поверхности элементов газового тракта котельной установки. Блоки 1 и 2 численно реализованы в программах, разработанных авторами статьи. Температура на входе в расчетную область задается на основании опыта исследователя, но не ниже температуры насыщения водяного пара или серной кислоты, если используется серосодержащее топливо.

Алгоритм расчета минимальной температуры продуктов сгорания является итерационным в силу нелинейности задачи. Блок 3 реализован в программном комплексе FlowVision. В блоке 4, определение наличия конденсатообразования в расчетной области исследуемого элемента проводится на основе анализа полей температуры и давления, полученных в блоке 3.

1407

Рис. 1. Алгоритм расчета минимальной температуры дымовых газов

По данной методике был произведен расчет минимальной температуры уходящих газов, при которой реализуется сухой режим по всей высоте дымовой трубы, для отопительной котельной мощностью 3,4 МВт в г. Ижевск. Установлены два котла ДКВР 2,5-13, переведенные в водогрейный режим. Дымовая труба стальная диаметром 400 мм и высотой 31,815 м теплоизолированная минераловатными матами марки 100 толщиной 40 мм [2].

Для утилизации теплоты уходящих газов для рассматриваемой котельной возможна установка экономайзера БВЭС-I-2. Результат расчета экономической целесообразности установки данного экономайзера приведен в таблице. При утилизации теплоты продуктов сгорания в экономайзере достигается существенная экономия топлива, срок окупаемости установки теплоутилизатора составляет менее одного года.

1408

Таблица Технические и финансово-экономические показатели системы тепло-

утилизации

	Режим работы котельной
	при температуре наружно-
Параметр	го воздуха, равной сред-		летний
	ней за отопительный пе-		летний
	ней за отопительный пе-
	риод
Температура дымовых газов перед	160,4		134,0
экономайзером, ºС	160,4		134,0
экономайзером, ºС
Температура дымовых газов после	63,0		69,0
экономайзера, ºС	63,0		69,0
экономайзера, ºС
Скорость продуктов сгорания в	11,9		4,6
дымовой трубе v, м/с	11,9		4,6
дымовой трубе v, м/с
Процент загрузки котельной	62%		24%
Мощность экономайзера Qэк, кВт	131		33
Уменьшение расхода топлива,	15,7		3,9
нм3/ч	15,7		3,9
Объем сэкономленного топлива по	89,4		11,9
сезонам, тыс. нм3	89,4		11,9
Объем сэкономленного топлива за		101,3
год, тыс. нм3/год		101,3
Денежный эквивалент экономии	332,7		44,1
топлива, тыс. руб.	332,7		44,1
топлива, тыс. руб.
Суммарная годовая экономия в
стоимостном выражении Op, тыс.		376,8
руб./год
Затраты
а) капитальные
Стоимость экономайзера БВЭС-I-2,		235,0
тыс. руб.		235,0
тыс. руб.
б) эксплуатационные
Увеличение потребляемой мощно-	5,44		2,37
сти насоса, кВт	5,44		2,37
сти насоса, кВт
Увеличение потребляемой мощно-	0,58		0,21
сти дымососа, кВт	0,58		0,21
сти дымососа, кВт
Затраты на эл. энергию в стои-	88,12		37,66
мостном выражении, тыс. руб.	88,12		37,66
мостном выражении, тыс. руб.
Суммарные затраты в стоимостном		125,8
выражении, тыс. руб./год		125,8
выражении, тыс. руб./год
Чистая прибыль Пч, тыс. руб.		251,0
Простая норма прибыли RП		1,07
Амортизационные отчисления Иам,		23,5
тыс. руб./год		23,5
тыс. руб./год
Простой срок окупаемости ηок, лет		0,86

1409

Важно, что температура дымовых газов после экономайзера поддерживается на уровне, при котором во всей области течения продуктов сгорания, конденсация водяных паров не происходит.

Список литературы

1.Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации».

2.Дужих, Ф. П. Промышленные и вентиляционные трубы: Справочное издание / Ф. П. Дужих, В. П. Осоловский, М. Г. Ладыгичев ; Под. редакцией Ф. П. Дужих. М.: Теплотехник, 2004. ‒ 464 с.

3.Экономайзер водяной стальной БВЭС-I-2 [Электронный ресурс] // ОАО

«Бийский котельный завод»: [сайт]. [2004]. URL: http://www.bikz.ru/production/oborudovanie/other4/other10/ekonomajzer_bves-i-2/

(дата обращения: 01.02.2013).

О. В. Шушакова, магистрант

Д. А. Плотников, кандидат технических наук, доцент Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

Анализ целесообразности использования биогаза, получаемого на полигонах захоронения бытовых отходов

Во всем мире в настоящее время остро стоит вопрос энергосбережения при снижении загрязнения окружающей среды. Это заставляет более рационально использовать невозобновляемые природные ресурсы, а также искать другие источники энергии, недорогие и возобновляемые. Сжигание ископаемых энергоресурсов приводит к загрязнению окружающей среды и к парниковому эффекту, что приводит к глобальному потеплению. Особую актуальность приобрели парниковые свойства метана, содержащегося в биогазе.

Одним из источников метана являются свалки твердых бытовых отходов (ТБО). Любой полигон ТБО представляет собой биохимический реактор, в котором образуется биогаз. Его основными компонентами являются метан (СН4) и диоксид углерода (СО2), в меньших долях содержатся водород, сероводород, азот и пары воды. [1]

В Удмуртской Республике среднегодовой объем образования отходов производства и потребления составляет около 2,8 миллионов кубометров или 700 тысяч тонн. Из них 70 % отходов от жилого сектора и 30 % от предприятий и организаций. На 2007 год в Удмуртии насчитывалось 600 объектов размещения отходов, 179 из них являются несанкционированными свалками.

1410

Из 1 кубометра ТБО образуется в среднем 1,5 кубометра биогаза в год [2]. Таким образом, в Удмуртии в год выходит почти 4,2 миллиона кубометров биогаза, получаемого на полигонах захоронения бытовых отходов. Из 1 кубометра биогаза можно получить около 1,8 кВт/час энергии [2]. В среднем по республике можно получить 7,6 миллионов кВт/час энергии при использовании биогаза, образованного на свалках и мусорных полигонах.

Для минимизации негативного влияния полигонов бытовых отходов на окружающую среду, а также развивать рынок альтернативных источников энергии, необходимо реализовать процедуру сбора и утилизации свалочного газа. Сбор и сжигание биогаза позволяет снизить эмиссию органических веществ в атмосферу в 2‒4 раза. Даже простое сжигание биогаза в факеле является мощным экологическим мероприятием [3].

Сбор биогаза обычно реализуется с помощью вертикальных скважин, которые закладываются в тело полигона после завершения вывоза ТБО и рекультивации его поверхности. Скважины соединены между собой горизонтальными трубами, которые собирают получаемый биогаз и подают его на свечу или в оборудование для энергетического использования. Скважины могут буриться, когда свалка полностью или одна из ее секций заполнены. Также скважины могут сооружаются постепенно, по мере заполнения отходами работающей свалки. Расстояние между скважинами обычно не превышает 50 метров (2‒3 скважины на гектар). Также существует возможность установить систему вертикальных перфорированных труб и собирать газ в процессе наращивания слоя отходов на полигоне, постепенно наращивая высоту труб.

Полигон ТБО со скважинами

	Газосборный пункт .	Уст ановки для
	Уст ановка газовой
		энергет ического
	очист ки
		использования

		Конденсат оуловит ель

Рис. 1. Схема утилизации свалочного газа с существующего полигона захоронения ТБО

В случае, если система сбора газа устанавливается в процессе заполнения свалки, для дегазации предпочтительнее создать сеть горизонтальных коллекторов. Горизонтальные системы для извлечения биогаза могут быть размещены в поверхностных слоях свалки на глубине 2‒4 метра. При заглубленном расположении трубы закладываются в вырытые в слое

1411

ТБО траншеи глубиной не менее 900 мм и обсыпаются гравием или песком слоем до 500 мм. Затем траншея вновь закладываются слоем ТБО.

Полигон ТБОс горизонт альными трубами

	Газосборный пункт .	Уст ановки для
	Уст ановка газовой
		энергетического
	очистки
		использования

		Конденсатоуловитель

Рис. 2. Схема утилизации свалочного газа с нового полигона захоронения ТБО

С целью увеличения эффективности сбора биогаза на полигонах совместно используют вертикальные скважины и горизонтальные коллекторы.

Для Удмуртской Республики подходят оба способа добычи биогаза с мусорных свалок, как вертикальные скважины на уже закрытых полигонах, так и сеть горизонтальных коллекторов на эксплуатируемых полигонах.

Перед разработкой проекта системы сбора и утилизации биогаза с закрытого полигона на нем бурят скважины, определяют состав биогаза и его свойства, степень разложения ТБО, содержание в них органики, рН, влажность. Так как содержащееся в ТБО органическое вещество имеет различную интенсивность разложения, необходимо определять общее органическое вещество и активное органическое вещество. С учетом этих данных, а также анализа климатических условий расположения полигона дают заключение о целесообразности разработки проекта.

Перед разработкой проекта системы сбора и утилизации биогаза с эксплуатируемого полигона определяют состав и свойства поступающих на него ТБО, вместимость и срок эксплуатации полигона, схему и максимальную высоту складирования отходов, рН вытяжки из отходов, гидрогеологические условия земельного участка, а также составляют уравнение водного баланса полигона. На основании перечисленных материалов подготавливают количественный прогноз образования биогаза с 1 т ТБО и дают заключение о целесообразности его утилизации. [1]

Основными способами использования свалочного газа являются:

1)Тепловая энергия – применение газа для отопления близлежащих потребителей тепла, создания тепличного хозяйства;

2)Электроэнергия, производство с помощью газопоршневых установок и газовых турбин;

1412

3)Когенерация - совместная выработка тепла и электроэнергии в энергетических установках из биогаза;

4)Холод - помимо тепла и электроэнергии из свалочного газа можно получить холод (тригенерация);

5)Использование свалочного газа в качестве моторного топлива вместо природного газа после дополнительной очистки и сжатия.

Для Удмуртии самым рентабельным способом является когенерация, производство тепловой и электрической энергии в случае наличия потребителей в радиусе менее 5 км.

Выводы:

1. Использование биогаза, полученного с полигонов захоронения ТБО позволяет частично отказаться от природного газа, цены на который непрерывно растут;

2. На данный момент существуют две схемы сбора биогаза: с уже закрытых полигонов ТБО с помощью бурения вертикальных скважин и с эксплуатируемых полигонов с помощью горизонтальных коллекторов;

3. В Удмуртии с полигонов захоронения ТБО можно получать почти 4,2 миллиона кубометров свалочного газа. Таким образом, потенциально можно получить 7,6 миллионов кВт/час энергии при использовании биогаза, образованного на свалках и мусорных полигонах.

Список литературы

1. Абрамов, Н. Ф. Сбор и утилизация биогаза на полигонах твердых бытовых отходов: Обзорная информация / Абрамов Н.Ф., Проскуряков А.Ф - Вып. 1 (30). - М.: ЦБНТИ Минжилкомхоза РСФСР, 1989. – 41 с.

2.Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия промышленных регионов России. - Сб. докладов четвертой Международной научно – практической конференции. /Под ред. Е.П. Волынкиной, Новокузнецк: Издательство СибГИУ, 2012. ‒ 331 с.

3.Гелетуха, Г. Г. Потенциал сбора и утилизации свалочного газа в Украине / Г.Г. Гелетуха, Ю.Б. Матвеев, К.А. Копейкин // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», 2010. ‒ №12. ‒ URL: http://esco.co.ua/journal/2010_12/art107.htm (Дата обращения: 22.01.2013).

1413

Творческий конкурс школьников «Мехатроника и робототехника» («МиР»)

Творческий конкурс школьников «Мехатроника и робототехника» –

творческий	конкурс, проводимый между школьниками в		области
следующих	дисциплин:	программирование, электроника,	системы
управления, механика, робототехника.

Конкурс «МиР» проводится Министерством образования и науки Удмуртской Республики и ИжГТУ имени М.Т. Калашникова с целью повышения интереса молодежи к современным инновационным трендам в науке и технике, развития научного и научно-технического творчества молодежи в учебных заведениях, популяризации мехатроники и робототехники, выявления и поддержки творческой молодежи, проявившей себя в творческом конкурсе «МиР».

Организаторами конкурса является ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» в лице кафедры «Мехатронные системы».

Конкурс «МиР» проводится в два этапа: заочный и очный туры. В рамках заочного тура учащимся необходимо предложить и обосновать решения конкурсных заданий. В этом году победителями заочного тура стали ученики 11-х классов. Они продолжат участие в очном туре конкурса 23 апреля в рамках проводимой научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых ИжГТУ «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса».

Электронное научное издание

«Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке»

Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке [Электронный ресурс] : электронное научное издание : сборник трудов II Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием, Ижевск, 23-25 апреля 2013 года / Министерство образования и науки Удмуртской Республики, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова». – Электрон. дан. (1 файл :

39,3 Мб.). – Ижевск, 2013. – 1415 c. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). –

Систем. требования: Acrobat reader v.5.0 и выше – ISBN 978-5-7526-0603-8.

Технические редакторы:

А.П. Тюрин, Н.В. Гайдай, М.Н. Стрелков, А.А. Кузнецова, А.Н. Копысов, Ю.В. Токарев, Ю.М. Васильченко, А.В. Коробейников, Р.З. Касимов, С.А.

Пигалев, М.В. Караваева, К.А. Копылов, Т.А. Исаева, В.Н. Мокрецов.

Верстка: А.П. Тюрин

Обложка и дизайн – С.А. Пигалев

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 99

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
17.04.20191.07 Mб28Мои ответы к ГОСам.doc
#
15.04.2019201.22 Кб6Мои ответы к ГОСам.doc
#
20.11.2019301.06 Кб3Мои свойства.doc
#
14.09.20195.11 Mб15мой диплом (Приобка).doc
#
17.02.20166.54 Mб120мой диплом.docx
#
17.02.201641.54 Mб137Молодые ученные.pdf
#
17.02.20161.57 Mб30Монтессори - материал. Школа для малышей.doc
#
17.02.2016343.55 Кб122МОП-Методичка КП-специалитет-1.doc
#
08.09.2019546.3 Кб9моя (Восстановлен).doc
#
03.09.201966.9 Кб18МПРЯ.docx
#
17.02.20161.32 Mб7мпс.docx

Раздел 11. ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ