ВІСНИК № 4(978)2013 НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Transcription

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
ВІСНИК
НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ
"ХПІ"
Серія: "Нові рішення в сучасних технологіях"
№ 4(978)2013
Збірник наукових праць
Видання засновано в 1961 р.
Харків
НТУ «ХПІ», 2013
1
ISSN 2079.5459. Вісник НТУ “ХПІ». 2013. №4(978)
Вісник Національного технічного університету "ХПІ"
Збірник наукових праць. Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х.:
НТУ „ХПІ» – 2013р. - № 4(978) – 192 с.
Державне видання
Свідоцтво Держкомітету з інформаційної політики України
KB №5256 від 2 липня 2001 року
Збірник виходить українською та російською мовами.
Вісник Національного технічного університету «ХПІ» внесено до «Переліку наукових Фахових
видань України, в яких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт на здобуття
наукових ступенів доктора і кандидата наук», затвердженого постановою президії ВАК України від
26 травня 2010 р. №1 – 05/4. (Бюлетень ВАК України №6, 2010 р., стор. 3, №20).
Координаційна рада:
Л. Л. Товажнянський, д-р техн. наук, проф. (голова);
К. О. Горбунов, канд. техн. наук, доц. (секретар);
А. П. Марченко, д-р техн. наук, проф.; Є. І. Сокол, член-кор. НАН України, д-р техн. наук, проф.;
Є. Є. Александров, д-р техн. наук, проф.; А. В. Бойко, д-р техн. наук, проф.; Ф. Ф. Гладкий, д-р
техн. наук, проф.; М. Д. Годлевський, д-р техн. наук, проф.; А. І. Грабчснко, д-р техн. наук, проф.;
В. Г. Данько, д-р техн. наук, проф.; В. Д. Дмитриєнко, д-р техн. наук, проф.; І. Ф. Домнін, д-р
техн. наук, проф.; В. В. Єпіфанов, канд. техн. наук проф.; Ю. І. Зайцев, канд. техн. наук, проф.;
П.О. Качанов, д-р техн. наук, проф.; В.Б. Клепіков, д-р техн. наук, проф.; С. І. Кондрашов, д-р
техн. наук, проф.; В. М. Кошельник, д-р техн. наук, проф.; В. І. Кравченко, д-р техн. наук, проф.;
Г. В. Лісачук, д-р техн. наук, проф.; О. К. Морачковський, д-р техн. наук, проф.; В. І. Ніколаєнко,
канд. іст. наук, проф.; П. Г. Перерва, д-р екон. наук, проф.; В. А. Пуляев, д-р техн. наук, проф.; М.
І. Рищенко, д-р техн. наук, проф.; В. Б. Самородов, д-р техн. наук, проф.; Г. М. Сучков, д-р техн.
наук, проф., Ю. В. Тимофієв, д-р техн. наук, проф., М. А. Ткачук, д-р техн. наук, проф.
Редакційна колегія серії:
Відповідальний редактор: Є. І. Сокол, член-кор. НАН України, д-р техн. наук, проф.
Відповідальний секретар: А. В. Івахненко, ст.викладач, Т. Л. Коворотний, асист.
Члени редколегії: Л. Л. Брагіна, д-р техн. наук, проф.; В. Г. Данько, д-р техн. наук, проф.;
В. Т. Долбня, д-р техн. наук, проф.; В. Я. Заруба, д-р техн. наук, проф.; В. Б. Клепіков, д-р техн.
наук, проф.; Б. В. Кліменко, д-р техн. наук, проф.; О. С. Куценко, д-р техн. наук, проф.;
Г. І. Львов, д-р техн. наук, проф.; Н. Н. Олександров, д-р техн. наук, проф.; П. Г. Перерва, д-р
екон. наук, проф.; М. І. Погорелов, канд. екон. наук, проф.; Л. Г. Раскін, д-р техн. наук, проф.; Р.
Д. Ситнік, д-р техн. наук, проф.; В. Я. Терзіян, д-р техн. наук, проф.; В. І. Тошинський, д-р техн.
наук, проф.; В. І. Шустіков, д-р техн. наук, проф.
З номеру 42’2012 р. Вісник НТУ «ХПІ» має власну подвійну нумерацію №42 (948).
Рекомендовано до друку вченою радою НТУ „ХПІ"
Протокол №:1 від « 25 » січня 2013 р.
©Національний технічний університет „ХПІ", 2013
2
ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 629.7.036.001
Б. Ш. МАМЕДОВ, канд. техн. наук, доц., ЗНТУ, Запорожье
ПРИМЕНЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ЭЙЛЕРА ДЛЯ ВЫВОДА ФОРМУЛ ТЯГИ,
ПОЛЕТНОГО (ТЯГОВОГО) КПД ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ПО ВНЕШНИМ ПАРАМЕТРАМ ГАЗОВОГО ПОТОКА
ПРИ Vп ≥ 0
Рассматриваются недостатки современной теории воздушно-реактивных двигателей, связанные
с ошибочными фундаментальными формулами тяги, полетного (тягового) КПД, выведенными
академиком Б.С.Стечкиным в 1929г.
Ключевые слова: тяга воздушно-реактивного двигателя, полетный (тяговый) КПД,
реакция
Введение. Постановка проблемы
Истоки всех катастроф авиалайнеров гражданской авиации, самолетов военной и
военно-транспортной авиации по причине заглохания или неустойчивой работы
воздушно-реактивных двигателей (ВРД) при взлете, полете, посадке связаны с
кризисом современной теории воздушно-реактивных двигателей, [1, с.5–7]. Кризис
современной теории воздушно-реактивных двигателей основывается не только на
неправильном понимании и применении уравнения Эйлера, этот кризис основывается
еще и на полном отсутствии фундаментальных формул тяги, полетного (тягового)
КПД ВРД, теоремы о подъемной силе продуваемого профиля, поскольку
существующие в современной теории ВРД ошибочные фундаментальные формулы
тяги, полетного (тягового) КПД, выведенные академиком Б.С.Стечкиным в 1929г., и
такая же ошибочная фундаментальная теорема о подъемной силе продуваемого
профиля, выведенная профессором Н.Е.Жуковским в 1912г., [2, с.15–20], не только
задержали технический прогресс в области авиадвигателестроения более чем на 80
лет, но и лежат у истоков тысяч авиационных катастроф по причине заглохания или
неустойчивой работы ВРД при взлете, полете, посадке, нанесли большой
материально-технический ущерб любому государству, производящему самолеты и
авиадвигатели.
В результате ошибочного описания ряда физических процессов, имеющих место
при работе ВРД, современная теория воздушно-реактивных двигателей оказалась
неспособной дать правильные направления технического прогресса в области
авиадвигателестроения при Т*г  const (при постоянной температуре заторможенного
газового потока перед первым сопловым аппаратом турбины).
Поэтому в настоящее время существует острая проблема создания
принципиально новой теории воздушно-реактивных двигателей, которая уже
разработана и называется "Единая теория движителей на непрерывных потоках",
отличительной особенностью которой является то, что эта теория основывается на
принципиально новых фундаментальных формулах тяги, полетного (тягового) КПД,
на абсолютно новой фундаментальной теореме о подъемной силе продуваемого
© Б. Ш. МАМЕДОВ , 2013
3
профиля, едиными для любых движителей на непрерывных потоках, к которым
относятся крыло птицы, самолета, планера, различные паруса, одинарные,
контрвращающиеся и спутновращающиеся гребные и воздушные винты, ТРД, ТРДД,
ТРДФ и другие ВРД, ракетные движители, [2, с.15–20], [3, с.146–153].
В частности, по тематике данной статьи единая теория движителей на
непрерывных потоках ставит и решает на более высоком научном уровне ту же
самую проблему, которую академик Б.С.Стечкин поставил перед собой в 1929г. в
своей ошибочной статье "Теория воздушно-реактивного двигателя", так и не решив
эту проблему, т.е. так и не создав правильную теорию воздушно-реактивного
двигателя.
Критика формул тяги, полетного (тягового) КПД воздушно-реактивных
двигателей, выведенных академиком Б.С.Стечкиным в 1929г.
Необходимо отметить, что академик Б.С.Стечкин занялся вопросом вывода
формулы тяги, полетного (тягового) КПД для воздушно-реактивных двигателей во
времена (1926–1929г.г.), когда эти двигатели только зарождались, когда еще
полностью отсутствовал теоретический и экспериментальный опыт проектирования и
эксплуатации воздушно-реактивных двигателей (ВРД), когда теоретические
разработки ученых в области вывода формул тяги для различных движителей носили
неточный характер, включая работы Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского и др.
Другими словами, академику Б.С.Стечкину при выводе формул тяги, полетного
(тягового) КПД в 1929г. не на что было опереться, чтобы убедиться в правильности
выведенных им для ВРД формул тяги, полетного (тягового) КПД, поэтому его статья
"Теория воздушно-реактивного двигателя", 1929г., в которой приводится ошибочный
вывод формул тяги, полетного (тягового) КПД воздушно-реактивных двигателей,
должна рассматриваться как первый шаг на пути познания человеком такого
сложнейшего физического понятия, как процесс генерирования тяги воздушнореактивным двигателем и не менее сложного теоретического и физического понятия
полетного (тягового) КПД воздушно-реактивного двигателя.
Критика контрольного контура, выбранного академиком Б.С.Стечкиным
для вывода формулы тяги, полетного (тягового) КПД воздушно-реактивных
двигателей
Контрольный контур для определения тяги ВРД при дозвуковой скорости полета
представлен в [4 на с.44, рис.1.22]. Контрольный контур для определения тяги ВРД
при сверхзвуковой скорости полета представлен в [4 на с.44, рис.1.23].
С позиции уже разработанной единой теории движителей на непрерывных
потоках контрольные контура, которые академик Б.С.Стечкин разработал для вывода
формул тяги, полетного (тягового) КПД ВРД, абсолютно неверны и имеют
следующие грубейшие ошибки:
1. Контрольный контур при Vп  0 всегда должен начинаться с зоны
заторможенного потока, вне зависимости от величины скорости полета Vп , [2, с.18,
рис.1, поз.2].
Зона заторможенного потока – это физическое явление, которое имеет место
перед любым движущимся предметом в любой окружающей среде, рис.1.
На рис.1 представлено генерирование зоны заторможенного потока при
движении металлического вала с плоским торцем во влажном снегу при Vп  7 м/с.
Форма зоны заторможенного потока – параболоид.
4
Перед любым ВРД в полете всегда возникает зона заторможенного потока
аналогичная той, которая представлена на рис.1. Начало и форма этой зоны
заторможенного потока зависят от скорости полета Vп . и плотности входящего в
двигатель газового потока. При увеличении скорости полета начало зоны
заторможенного потока, сечение Н-Н, [5, с.26, рис.1], приближается к двигателю, при
уменьшении скорости полета сечение Н-Н удаляется от двигателя. Увеличение
плотности входящего в двигатель газового потока всегда приближает сечение Н-Н к
двигателю, в любом случае изменяя крутизну характеристики изменения статических
давлений, осевых скоростей, ускорений (динамических–инерционных сил),
первичных движущих сил от изменения статических давлений в зоне Н-В
контрольного контура. Отличительной особенностью зоны заторможенного потока,
генерируемой в полете перед любым ВРД, является наличие градиента статических
давлений, направленного за потоком. Отрицательной особенностью зоны
заторможенного потока, генерируемой в полете перед любым ВРД, является то, что
определенная часть этой зоны, зона Н-f, является динамическим дросселем, который
дросселирует (тормозит) основной поток, поступающий в ВРД, в результате чего
статика в сечении В-В уменьшается ниже расчетного значения, а осевая скорость Са,
наоборот, увеличивается выше расчетного значения, [5, с.26, рис.1], что приводит к
развитому срыву газового потока по корытцам лопаток первого рабочего колеса (РК)
компрессора низкого давления (КНД), к снижению безопасности полетов.
Генерирование зоны заторможенного потока в полете перед воздухозаборником
ВРД известно, [4, с.82]. Однако дальнейшее исследование и развитие эта тематика не
получила, поскольку шла вразрез с контрольным контуром академика Б.С.Стечкина.
2. Следующей ошибкой контрольного контура, выбранного академиком
Б.С.Стечкиным, является отсутствие завершенного контура справа, поскольку любой
контрольный контур должен заканчиваться сечением Н1-Н1, [2, с.18, рис.1]. Это
необходимо для того, чтобы провести полный кинематический анализ характера
изменения статических давлений, осевых скоростей, ускорений газового потока,
первичных движущих сил от изменения статических давлений газового потока в
пределах контрольного контура Н-Н1. Кинематический анализ, с которым академик
Б.С.Стечкин был абсолютно незнаком, позволяет сразу установить, что общая сумма
вторичных динамических-инерционных сил в пределах контрольного контура Н-Н1
всегда равна нулю. Это, в свою очередь, означает, что скорость газового потока
никогда не создает тягу ВРД, а реальную формулу тяги ВРД необходимо выводить,
исходя только из первичных движущих сил от изменения статических давлений
газового потока в пределах контрольного контура Н-Н1, поскольку всегда первична
статика, а вторична динамика.
3. Полностью отсутствует характеристика внешних сил, действующих на
газовый поток, проходящий по газодинамическому тракту в пределах контрольного
контура Н-Н1, [2, с.17], к которым необходимо добавить гравитационные силы,
которые в горизонтальном полете не учитываются.
4. Не проведен предварительный кинематический анализ характера изменения
статических давлений, осевых скоростей, ускорений (вторичных динамическихинерционных сил), первичных движущих сил от изменения статических давлений,
действующих на газовый поток в пределах контрольного контура Н-Н1, включая все
зоны ВРД, [2, с.18, рис.1]. Это необходимо для того, чтобы сумму вторичных
динамических-инерционных сил, действующих на газовый поток в пределах
5
контрольного контура Н-Н1, всегда приравнивать к нулю, вне зависимости от
направлений вывода формулы тяги, полетного (тягового) КПД ВРД.
5. Существуют две формулы тяги, полетного (тягового) КПД, дающих
одинаковый результат:
Рис.1 – Генерирование зоны заторможенного потока при движении
металлического вала с плоским торцем во влажном снегу со скоростью 7 м/с
а) формулы тяги, полетного (тягового) КПД ВРД по внутренним параметрам
газового потока при Vп  0 , выводятся с помощью кинематического анализа, или
уравнения Эйлера, как проверочный вариант, [2, с.15–20, с.18, 19, формулы (6), (7),
(10), (11)];
б) формулы тяги, полетного (тягового) КПД ВРД по внешним параметрам
газового потока при Vп  0 , [2, с.19, формулы (8), (9),], выводятся с помощью
уравнения Эйлера, но с обязательным учетом знаний, полученных при выводе
формул тяги, полетного (тягового) КПД ВРД по внутренним параметрам газового
потока при Vп  0 .
Ошибки, допущенные академиком Б.С.Стечкиным при выводе формул тяги,
полетного (тягового) КПД ВРД, заключаются в том, что он не видел первого варианта
а), а сразу взялся решать второй вариант б), для решения которого у него не хватило
знаний.
Критика методики применения уравнения Эйлера академиком Б. С.
Стечкиным при выводе формул тяги, полетного (тягового) КПД ВРД
Для правильного применения уравнения Эйлера необходимо дать четкую
характеристику внешних сил, действующих на рассматриваемый участок трубки
тока, и времени импульса действия внешних сил на рассматриваемый участок трубки
тока, под которым следует понимать не время t  1 с, а время Δt – время прохождения
газовым потоком рассматриваемого участка трубки тока, чего, к сожалению,
академик Б.С.Стечкин не сделал.
В своем контрольном контуре академик Б.С.Стечкин рассматривает трубку тока
от сечения Н-Н до сечения С-С, отсоединив при этом выходящую (реактивную)
струю С-Н1. В науке существует незыблемое правило: отсоединил реактивную струю
С-Н1, будь добр, вместо нее к сечению С-С приложи ее реакцию. К сожалению,
академик Б.С.Стечкин этого не сделал, поскольку в уравнении (1.39), [4, с.45], в
правой части отсутствует реакция отсоединенной струи С-Н1 от динамическойинерционной силы.
6
В науке существует и другое незыблемое правило: в одном уравнении
запрещается применять составляющие этого уравнения с различными размерностями.
В уравнении (1.39), [4, с.45], левая часть имеет размерность кГ·с (импульса силы), а
правая часть имеет размерность кГ (силы). В науке такая смесь размерностей не
допускается, поэтому и по форме и по содержанию уравнение (1.39), особенно после
введения интеграла по замкнутому контуру, является чистейшей фальсификацией
уравнения Эйлера.
Заметим, что в уравнении (1.39) сила Pc Fc абсолютно справедливо отнесена к
разряду сил сопротивления, направленных против потока, а в уравнении (1.41), [4,
с.46], та же самая сила Pc Fc отнесена уже к разряду движущих сил, направленных за
потоком, что мгновенно констатирует ошибочность вывода формулы тяги (1.41) для
ВРД. Поэтому существующая методика применения уравнения Эйлера,
предложенная академиком Б.С.Стечкиным, ошибочна и свидетельствует о
неправильном понимании уравнения Эйлера не только специалистами в области
авиадвигателестроения, но и преподавателями авиационных ВУЗов.
Проанализируем формулы тяги, [4, с.46 уравнение (1.41)], полетного (тягового)
КПД, [4, с.50 уравнение (1.51)], на предмет их соответствия экспериментальным
данным современной теории воздушно-реактивных двигателей.
1. Согласно формуле тяги ВРД по уравнению (1.41), [4, с.46], при Pc  Pн , т.е. при
недорасширенных
газовых
потоках,
тяга
двигателя
увеличивается.
Экспериментальная часть современной теории ВРД этого абсолютно не
подтверждает, наоборот, она устанавливает, что при Pc  Pн тяга любого ВРД
уменьшается, [4, с.161, рис.6.3], при Пс.р.  Пс.расч. .
2. Согласно формуле тяги ВРД по уравнению (1.41), [4, с.46], увеличение Fc при
Pc  Pн ведет к существенному увеличению тяги ВРД. Экспериментальная часть
современной теории ВРД этого абсолютно не подтверждает, наоборот, она
устанавливает, что при Pc  Pн , увеличение Fc всегда приводит к уменьшению тяги
любого ВРД, см. там же.
3. При Pc  Pн формула тяги ВРД по уравнению (1.41), [4, с.46], преобразуется в
выражение R  Gг Cc  Vп  , согласно которому, увеличение Vп Мп  , где М п – условное
обозначение скорости звука, всегда приводит к уменьшению тяги любого ВРД, а при
Сс  Vп тяга любого ВРД равняется нулю. Экспериментальная часть современной
теории ВРД этого абсолютно не подтверждает, наоборот, она устанавливает, что при
увеличении Vп Мп  тяга любого ВРД увеличивается и при Vп Мп   Сс в несколько раз
превышает тягу ВРД при Vп  0 , [4, с.261, рис.8.48].
4. При Pc  Pн , Vп  0 формула тяги ВРД по уравнению (1.41), [4, с.46],
преобразуется в выражение R  Gг Сс , согласно которому, расчет тяги любого ВРД не
соответствует реальной тяге ВРД, всегда на 3-7% меньше.
При этом следует отметить, что академик Б.С.Стечкин в 1929г., не владея
правильным контрольным контуром, не владея правильной характеристикой
внешних сил, действующих на рассматриваемый участок трубки тока, не владея
кинематическим анализом, не смог прийти к выводу о том, что скорость газового
потока, Сс , тягу ВРД никогда не создает, не смог прийти к выводу о том, что тягу
ВРД необходимо выводить только из характера изменений первичных движущих сил
от изменения статических давлений газового потока в пределах контрольного
7
контура Н-Н1, [2, с.18, рис.1].
5. Анализ формулы тяги
ВРД по уравнению (1.41), [4,
с.46], показывает, что к
слагаемой части Gг Cc  Vп  ,
которая является импульсом
силы тяги с размерностью
кГ·с, прибавляется второе
слагаемое
с
Рс  Рн Fc
размерностью кГ. Такая смесь
размерностей
в
одном
выражении
в
науке
не
допускается.
6. Согласно формуле
полетного (тягового) КПД, [4,
с.50], уравнение (1.51), при
полетный (тяговый)
Vп  Сс
КПД любого ВРД достигает
100%, а при Vп  Сс полетный
(тяговый)
КПД превышает
100%, что является полным
нарушением
Закона
сохранения
энергии,
поскольку ни в природе, ни в
технике не существует такого
Рис.2 – Кинематический анализ характера
КПД.
изменения статистических давлений, осевых
Все это говорит о том, что скоростей, ускорений (динамических –инерционных
выведенные
академиком
сил), первичных движущих сил от изменения
Б.С.Стечкиным
в
1929г.
статического давления газового потока в зоне
формулы
тяги, полетного контрольного контура Н-Н1 для вывода формулы
(тягового)
КПД являются
тяги, полетного (тягового) КПД воздушно –
ошибочными,
поскольку
реактивного двигателя при Vп  0
нарушают все законы
механики истечения жидкостей и газов, и не могут быть фундаментальными для
современной теории воздушно-реактивных двигателей.Таким образом, кризис
современной теории воздушно-реактивных двигателей основывается на применении
ошибочных формул тяги, полетного (тягового) КПД ВРД, выведенных академиком
Б.С.Стечкиным в 1929г., и на применении такой же ошибочной теоремы о подъемной
силе продуваемого профиля, выведенной профессором Н.Е.Жуковским в 1912г., что
повлекло за собой ошибочное описание ряда узловых физических явлений, имеющих
место при работе ВРД, на основании чего:
1. Ошибочно разработан термодинамический цикл ТРД в координатах P-V, T-S,
который является фундаментом теории. Это означает, что в современной теории ВРД
ошибочно описаны принципы работы ТРД, ТРДД, ТРДФ и др. ВРД, это означает, что
все физические процессы, имеющие место при работе ВРД, описаны неточно или
ошибочно, поскольку термодинамический цикл ТРД в координатах P-V, T-S,
8
разработанный современной теорией ВРД [4, с.16, рис.1.1, рис.1.2, с.17, рис.1.3 и др.],
содержит в себе следующие ошибки:
1.1. Газовый поток в зоне Н-В по сечениям воздухозаборника d-d (вход) и В-В
(выход) разорван, поскольку невозможно поставить знак равенства между расходами
газового потока по сечениям d-d (вход) и В-В (выход) воздухозаборника, т.к. Gв  Gd ,
что свидетельствует о нарушении всех, без исключения, законов механики истечения
жидкостей и газов, включая закон неразрывности струи.
1.2. Нарушен принцип инжектирования газового потока при Vп  0 , согласно
которому
до
всегда уменьшается, по существующему
Т*в
Vп  0,6 Мп
термодинамическому циклу ТРД в координатах P-V, T-S. Т*в при Vп  0 всегда
увеличивается, что свидетельствует о нарушении всех законов термодинамики. Т*в –
это температура газового потока на выходе из воздухозаборника, сечение В-В.
1.3. При наличии ошибочного градиента статических давлений в зоне Н-В,
направленного против потока, разрыв струи газового потока согласно п.1 приводит к
нарушению закона сохранения энергии, который гласит, что полная энергия газового
потока на входе в воздухозаборник, сечение d-d, всегда равна полной энергии
газового потока на выходе из воздухозаборника, сечение В-В. Поскольку Gв  Gd , то
невозможно поставить знак равенства между полной энергией газового потока в
сечении d-d и В-В, так как и кинетическая и потенциальная энергия газового потока
в сечении В-В существенно больше кинетической и потенциальной энергии газового
потока в сечении d-d, что нарушает баланс энергии, все законы термодинамики,
уравнение Бернулли. Необходимо отметить, что для ВРД генерирование градиента
статических давлений, направленного против потока, возможно только при движении
газового потока в заневоленном состоянии, например, в компрессоре, а при
свободном набегании газового потока (воздуха) на двигатель при Vп  0 перед
двигателем всегда генерируется параболоидная зона заторможенного потока с
градиентом статических давлений, направленным по потоку с соблюдением
принципа инжекции при Vп  0 , [5, с.26, рис.1б], [4, с.82].
2. Ошибочно описываются теоретические и физические основы такого
фундаментального понятия, как процесс генерирования тяги ВРД.
На протяжении последних 83 лет этот учебный материал по дисциплине ТОВРД
в авиационных ВУЗах преподносится студентам в нулевом, с точки зрения науки,
знаний, варианте.
фундаментального понятия, как полетный (тяговый) КПД ВРД.
фундаментального понятия, как процесс генерирования подъемной силы
продуваемым профилем.
5. Ошибочно дается трактовка понятия Fн и все, что связано с этим понятием.
6. Полностью отсутствует снятие характеристик компрессоров ВРД при
дросселировании газового потока перед компрессором.
Это связано с тем, что при взлете, полете, посадке перед любым ВРД всегда
генерируется зона заторможенного потока Н-f, которая дросселирует (тормозит)
поступление газового потока в двигатель, что неизбежно приводит к снижению
статики в сечении В-В с одновременным увеличением Са выше расчетного значения,
что приводит к развитому срыву газового потока по корытцам лопаток первого
9
рабочего колеса компрессора низкого давления, к снижению безопасности полетов,
[5].
7. Полностью отсутствует кинематический анализ, что делает современную
теорию ВРД неспособной наметить правильные пути технического прогресса в
области авиадвигателестроения при Т*г  const .
8. Ошибочно описывается процесс торможения газового потока в реальном
входном устройстве.
9. Ошибочно описывается процесс работы ТРД, ТРДД, ТРДФ и др. ВРД.
10. Ошибочно описываются физические основы процесса генерирования
отрывных течений по корытцам и спинкам лопаток рабочих колес компрессоров,
приводящих к неустойчивой работе, заглоханию ВРД, к флаттеру самолета при
взлете, полете, посадке.
11. И другие ошибочные описания, согласно которым современная теория ВРД
подлежит полной переработке на основе уже созданной единой теории движителей
на непрерывных потоках, и только после этого такая переработанная теория ВРД
может быть заложена в курс ТОВРД и преподаваться студентам в авиационных
ВУЗах.
Применение уравнения Эйлера для вывода формул тяги, полетного
(тягового) КПД воздушно-реактивных двигателей по внешним параметрам
газового потока при Vп  0
Представленная методика применения уравнения Эйлера для вывода формул
тяги, полетного (тягового) КПД воздушно-реактивных двигателей по внешним
параметрам газового потока при Vп  0 является классической и описывается впервые.
Под внешними параметрами газового потока подразумеваются результирующие
внешние силы, действующие на сечения d-d, C-C рассматриваемой трубки тока d-C,
которая совпадает с воздушно-реактивным двигателем и является частью
контрольного контура Н-Н1.
Выбор контрольного контура
Контрольный контур для вывода формул тяги, полетного (тягового) КПД
воздушно-реактивных двигателей по внешним параметрам газового потока при Vп  0
с применением уравнения Эйлера представлен на рис.2. В качестве контрольного
контура выбираем зону Н-Н1, где Н – зона невозмущенного газового потока, начало
ускоренного движения частиц газового потока; Н1 – зона невозмущенного газового
потока, конец ускоренного движения частиц газового потока.
При Vп  0 под Fн необходимо понимать всю площадь сфероида, рис.2, поз.1,
расход воздуха через которую равен расходу воздуха, прошедшего через двигатель, а
зона невозмущенного потока Н со статическим давлением Р н совпадает с границей
этого сфероида. Приведенный кинематический анализ выполнен для частиц газового
потока (воздуха), расположенных в зоне оси двигателя. Сфероид условно разбит на
три зоны А, В, С.
В зоне С инжектируемый двигателем газовый поток при повороте вокруг
радиусной части входного сечения d-d воздухозаборника генерирует центробежные
силы, которые, в свою очередь, генерируют отрицательную тягу, [4, с.82, рис.3.2].
Эта отрицательная тяга полностью компенсируется положительной тягой зоны В,
рис.2, поз.1.
Таким образом, контрольный контур для вывода формул тяги, полетного
(тягового) КПД ВРД по внешним параметрам газового потока с применением
10
уравнения Эйлера при
Vп  0
в зоне Н-Н1 ограничен слева зоной А с площадью Fн в
пр
сечении Н-Н. При Vп  0 , рис.2, поз.2, перед воздухозаборником любого ВРД всегда
генерируется зона заторможенного потока 2, [4, с.82], статическое давление в
которой существенно превышает Р н . Форма этой зоны заторможенного потока –
параболоид.
Вся поверхность этого параболоида характеризуется повышенным одинаковым
давлением Р*н заторможенного потока, через каждую точку поверхности этого
параболоида осуществляется подпитка газового потока, проходящего через
двигатель. Поэтому под Н, Fн для контрольного контура при Vп  0 необходимо
понимать всю поверхность параболоида – зоны заторможенного потока, а под
приведенной площадью, Fн пр , необходимо понимать площадь входного сечения
воздухозаборника, Fвх , на которую сосредоточено давление Р*н параболоида.
Статическое давление внутри параболоида переменно, градиент статических
давлений всегда направлен по потоку, [5, с.26, рис.1б].
Характеристика внешних сил, действующих на трубку тока в зоне Н-Н1
К внешним силам, действующим на трубку тока в зоне Н-Н1, при
Vп  0 относятся:
1. Первичные движущие силы от изменения статических давлений, Pi Fi , где Pi –
статическое давление в i-м сечении газодинамического тракта в зоне Н-Н1; Fi –
площадь i-го сечения газодинамического тракта в зоне Н-Н1.
2. Вторичные динамические (инерционные) силы, mгai , где mг – секундный
массовый расход газового потока через двигатель; a i – ускорение газового потока в iм сечении газодинамического тракта в зоне Н-Н1.
3. Сила сопротивления, Pс Fс .
4. Сила тяги, R ВРД.
5. Гравитационные силы, в горизонтальном полете не учитываются.
Силы трения газового потока о внутренние поверхности ВРД не учитываем.
Необходимо отметить, что первичной внешней силой является движущая сила
от изменения статического давления, Pi Fi , вторичной внешней силой, которая
генерируется только после изменения Pi Fi , является динамическая (инерционная)
сила, т.е. первична статика, вторична динамика, поэтому вывод формулы тяги,
полетного (тягового) КПД ВРД должен базироваться только на изменении первичных
движущих ил от изменения статических давлений газового потока в пределах
контрольного контура Н-Н1.
Применение уравнения Эйлера для вывода формулы тяги, полетного
(тягового) КПД ВРД по внешним параметрам газового потока при Vп ≥ 0
Для вывода формулы тяги, полетного (тягового) КПД ВРД по внешним
параметрам газового потока при Vп  0 с помощью уравнения Эйлера необходимо обе
части этого уравнения разделить на Δt с целью перехода на размерность кГ или Н,
после чего уравнение Эйлера имеет вид второго Закона И.Ньютона:
V
mг 
 mгa   Pi ,
(1)
t
где mг – секундный массовый расход газового потока через трубку тока в зоне d-C,
рис.2; ∆V – разница абсолютных осевых скоростей газового потока на выходе V2,
сечение С-С, и на входе V1, сечение d-d, в трубку тока в зоне d-C, зона ВРД; Δt–
11
время импульса внешних сил, действующих на трубку тока в зоне d-C, или время
перемещения газового потока от сечения 1 (d-d) до сечения 2(С-С); V  a –
t
изменение ускорения газового потока в зоне d-C; mгa – изменение силы инерции
газового потока в зоне d-C, которая является одной из внешних сил, действующих на
трубку тока в этой зоне;  Pi –сумма всех остальных внешних сил, действующих на
рассматриваемый участок трубки тока d-C, включая силу тяги R ВРД, силу
сопротивления Pс Fс , первичные движущие силы от изменения статических давлений в
зоне d-C, реакции отсоединенных потоков от первичных движущих сил и вторичных
динамических-инерционных сил, действующих на сечение d-d слева, от зоны Н-d, и
на сечение С-С справа, от зоны С-Н1.
В этом случае уравнение Эйлера (1) читается только так:
Изменение силы инерции газового потока mгa , которая является одной из
внешних сил, действующих на трубку тока в зоне d-C, всегда равняется сумме всех
остальных внешних сил, включая силу тяги R ВРД, а также реакции отсоединенных
потоков от первичных движущих сил от изменения статических давлений и
вторичных динамических-инерционных сил газового потока, действующих на сечение
d-d слева, от зоны Н-d, и на сечение С-С справа, от зоны С-Н1.
Рассмотрим применение уравнения Эйлера для вывода формулы тяги, полетного
(тягового) КПД ВРД при Vп  0 , поскольку применение уравнения Эйлера для тех же
целей при Vп  0 абсолютно идентично.
Запишем уравнение Эйлера (1) в векторной форме:
(2)
mгa  Puн1  Рин2  Pн FHnp  Pd Fвх  Pd Fвх  Pc Fc  R ,
где Р uн1 – реакция отсоединенного потока зоны Н-d от вторичных динамическихинерционных сил, которые действуют на сечение d-d слева; Р uн2 – реакция
отсоединенного потока зоны С-Н1 от вторичных динамических-инерционных сил,
которые действуют на сечение С-С справа, рис.2; Рн FHnp  Pd Fвх –реакция
отсоединенного потока зоны Н-d от первичных движущих сил от изменения
статических давлений газового потока, которая действует на сечение d-d слева;
реакция отсоединенного потока зоны С-Н1 от первичных движущих сил от изменения
статических давлений газового потока, которая действует на сечение С-С справа
всегда равна нулю, поскольку в реактивной струе, согласно закона Бойля-Мариотта,
Pi Fi =const; Pd Fвх  Pc Fc – внешняя первичная движущая сила от изменения статических
давлений, действующая на рассматриваемый участок трубки тока d-С, где Pd –
статическое давление газового потока на входе в воздухозаборник, сечение d-d, Fвх –
площадь входного сечения d-d воздухозаборника, Pc –статическое давление в
выходном сечении С-С выходного (реактивного) сопла, Fc – площадь
нерегулируемого выходного сечения С-С выходного (реактивного) сопла; R – тяга
ВРД по внешним параметрам газового потока.
Исходя из вышеизложенного, уравнение Эйлера (2) можно записать как:
Рин  mга  Рин  Pн FHnp  Pd Fвх  Pd Fвх  Рс Fc  R
(3)
Левая часть этого уравнения является суммой вторичных динамическихинерционных сил в пределах контрольного контура Н-Н1, рис.2в, которая всегда
равняется нулю, тогда в модульной форме:
(4)
0  Pн FHnp  Pd Fвх  Pd Fвх  Pc Fc  R ,
1
2
12
откуда
R  Pн FHnp  Pc Fc , при Vп  0 ,
(5)
(6)
 Pc Fc , при Vп  0
Поскольку положительная работа первичных сил от изменения статических
давлений газового потока на участке Н-В полностью компенсируется отрицательной
работой первичных сил от изменения статических давлений газового потока на
участке В-К, рис.2г, то общая, подведенная на участке Н-С, работа ВРД равна
(7)
Ап  Pн Fвх   КС (кГм)
Подведенная на участке Н-С работа ВРД затрачивается на преодоление работы
силы сопротивления
(8)
Асс  Pс Fс   КС (кГм)
и на преодоление работы силы тяги ВРД по внешним параметрам газового потока
(9)
А R  R  КС (кГм)
Таким образом, Ап равна:
(10)
Ап  Асс  А R ,
откуда
(5)
R  Pн FHnp  Pc Fc при Vп  0
*
(6)
R   Pн Fвх  Pc Fc при Vп  0
Полетный (тяговый) КПД ВРД определяем из формулы:
А
 R ,
(11)
R   Pн*Fвх
Ап

РF 


T  1  с c  х100% , при
Рн FHnp

Р F 
п  1  *с c х100% ,
 Р F 
н вх 

при
Vп  0 ,
Vп  0 ,
(12)
(13)
Общие выводы, перспективы дальнейших разработок
В данной работе описана классическая теория применения уравнения Эйлера
для вывода формул тяги ВРД по внешним параметрам газового потока, (5), (6), и
полетного (тягового) КПД, (12), (13),. Следует отметить, что правильное применение
уравнения Эйлера в этом случае невозможно без наличия кинематического анализа
характера изменения статических давлений, осевых скоростей, ускорений (вторичных
динамических-инерционных сил), первичных движущих сил от изменения
статических давлений газового потока в зоне контрольного контура Н-Н1, поскольку
только кинематический анализ, рис.2, дает правильный вывод о том, что левая часть
уравнения (3) всегда равна нулю, только кинематический анализ позволяет сделать
вывод о том, что скорость газового потока никогда не создает тягу ВРД, поскольку
сумма вторичных динамических-инерционных сил в пределах контрольного контура
Н-Н1, рис.2в, всегда равна нулю, только кинематический анализ позволяет сделать
вывод о том, что тяга, полетный (тяговый) КПД ВРД генерируется только
первичными движущими силами от изменения статических давлений газового потока
в пределах контрольного контура Н-Н1. Поэтому в 1929г. академик Б.С.Стечкин без
правильного контрольного контура, без правильной характеристики внешних сил,
действующих на рассматриваемый участок трубки тока, без кинематического анализа
заведомо был обречен на ошибочное применение уравнения Эйлера, повлекшего за
13
собой ошибочный вывод формул тяги, полетного (тягового) КПД ВРД со всеми
отрицательными последствиями.
Таким образом, выведенные в данной работе формулы тяги ВРД по внешним
параметрам газового потока (5), (6), полетного (тягового) КПД (12), (13), дают
абсолютно одинаковые численные значения тяги и полетного (тягового) КПД ВРД с
выведенными ранее формулами тяги, полетного (тягового) КПД ВРД по внутренним
параметрам газового потока, [2, с.18, формулы (6), (7), с.19, формулы (10), (11)].
Все выведенные формулы тяги, полетного (тягового) КПД ВРД, как по
внутренним, так и по внешним параметрам газового потока, полностью
соответствуют экспериментальным данным современной теории воздушнореактивных двигателей и являются фундаментальными для единой теории
движителей на непрерывных потоках, эти формулы дают принципиально новое
направление технической мысли о процессе генерирования тяги всеми движителями
на непрерывных потоках, дают возможность очень просто разбираться и объяснять
любые физические явления, которые имеют место при работе любого ВРД, дают
возможность существенно упростить методику расчета двигателя путем введения
точных исходных данных по Рd , Fвх (сечение d-d). Р*к , Fк (сечение К-К), Р*н ср , Fн ср
(сечение Г-Г), Р с , Fс , (сечение С-С), которые рассчитываются по заданной тяге, дают
возможность правильно описать теоретические и физические основы такого
сложнейшего физического явления, как заглохание или вход в неустойчивый режим
работы ВРД при взлете, полете, посадке, и на этом основании разработать и внедрить
абсолютно правильное направление технического прогресса в области
авиадвигателестроения, связанного с повышением безопасности полетов путем
полного устранения кинематической зоны жесткого (упругого) удара в сечении В-В,
рис.2в, и перехода на синусоидальный характер изменения осевых скоростей
газового потока в зоне Н-В, что существенно повышает газодинамическую
устойчивость работы ВРД при взлете, полете и посадке и будет являться тематикой
очередной статьи. Считаем также, что уже разработанная, проверенная и внедренная
единая теория движителей на непрерывных потоках в ближайшее время заменит
существующую а авиационных ВУЗах.
Список литературы: 1. Карачевский Г. Аэродинамика – кризис классической теории [Текст] /
Г. Карачевский / Техника молодежи, №10, 2005г., с.5–7. 2. Мамедов Б. Ш. Основы единой
теории движителей на непрерывных потоках. Вывод формулы тяги, полетного (тягового) КПД
турбореактивных двигателей [Текст] / Б. Ш.Мамедов / Восточно-Европейский журнал
передовых технологий, –Харьков: изд. Технологический центр. Прикладная механика, 4/7(52),
2011, с.15–20. 3. Мамедов Б. Ш. Глава 2. Основы единой теории движителей на непрерывных
потоках. Вывод формулы тяги, полетного (тягового) КПД, теоремы о подъемной силе
продуваемого профиля, как движителя [Текст] / Б. Ш.Мамедов / Вісник національного
технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в
сучасних технологіях, – Харків: НТУ "ХПІ", 2011р., –№33, с.146-153. 4. Шляхтенко С. М.
Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей [Текст] / С. М. Шляхтенко, М.:
Машиностроение, 1987,–568с. 5. Мамедов Б. Ш. Глава 3. Основы единой теории движителей на
непрерывных потоках. Причины заглохания воздушно-реактивных двигателей при взлете,
полете, посадке [Текст] / Б. Ш.Мамедов / Восточно-Европейский журнал передовых технологий,
– Харьков: изд. Технологический центр. Прикладная механика, 5/7(53), 2011, с.24–28.
Надійшла до редколегії 20.01.2013
УДК 629.7.036.001
Применение уравнения Эйлера для вывода формул тяги, полетного (тягового) КПД
воздушно-реактивных двигателей по внешним параметрам газового потока при Vп ≥ 0 /
14
Б. Ш. Мамедов // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ
«ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 3-15. – Бібліогр.: 5 назв.
Розглядаються недоліки сучасної теорії повітря-реактивних двигунів, пов´язані з
помилковими фундаментальними формулами тяги, польотного (тягового) ККД, розрахованими
академіком Б.С.Стечкіним у 1929 році.
Ключові слова: тяга повітря-реактивних двигунів, польотний (тяговий) ККД, реакція.
Are considered the drawbacks of modern theory of air-jet engines, which are connected with a
mistaken fundamental formulas of thrust and flying (thrust) efficiency, calculated by Academician
B.S.Stechkin in 1929 year/
Keywords: the thrust of air-jet engines, flying (thrust) efficiency, reaction
УДК 669.14.018.44
С. Н. ПОПОВ, д-р фил. наук, проф., ЗНТУ, Запорожье
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЖАРОПРОЧНЫХ
СТАЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА НА ПРОЧНОСТЬ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В работе приведен графоаналитический анализ математических моделей совместного влияния
легирующих элементов углерода, хрома, никеля и температуры для прогнозирования прочности
сварных соединений жаропрочных сталей системы Fe-Cr-Ni-Si.
Ключевые слова:
физико-механические свойства, сварочный узел, оптимизация,
деформация, тугоплавкие элементы, поверхность отклика.
Введение
Жаропрочные сплавы, главным образом, это материалы, имеющие высокое
сопротивление ползучести и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные
стали применяются как конструкционный материал для изготовления деталей
двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, реактивных двигателей,
атомно-энергетических установок, конструкций камер сгорания, элементов арматуры
термических печей и др. В частности, широкое применение на Запорожском ОАО
«Мотор Сич» нашли применение детали печной арматуры (поддоны, катки, рельсы,
направляющие), надежность и долговечность работы, которой существенно влияет на
стоимость эксплуатации термических
печей. Вследствие воздействия высоких
температур и большой нагрузки это
оборудование имеет малый срок службы
из-за появления дефектов, связанных с
растрескиванием и отслоением на
рабочей поверхности деталей катков
термических
печей
(рис.
1).
Рациональным в данном случае является
Рис. 1 - Дефекты, выводящие из строя
проведение ремонтных работ методами
катки термических печей
сварки и наплавки.
Анализ литературных данных и постановка проблемы
Жаропрочные стали и сплавы, применяемые для изготовления деталей катков
термических печей, работающих при высоких температурах в условиях
сложнонапряженного состояния в течение длительного времени, должны
выдерживать напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к
©
15
С. Н. ПОПОВ, 2013
преждевременному разрушению.
По данным априори [1-3] в зависимости от условий эксплуатации применяют
различные жаропрочные материалы. Так до температур 300°С ограничиваются в
применении специальных сталей. Наиболее целесообразно в этом случае
использовать конструкционные углеродистые стали, после термической обработки с
высокой прочностью. Для работы при температурах до 565°С необходимо применять
низко- и среднелегированные стали перлитного класса, обычно называющиеся
теплоустойчивыми, а для изделий энергомашиностроения, работающих при
температурах 580-610°С – высокохромистые жаропрочные стали, содержащие около
12% хрома. Дальнейшее повышение температуры до 700-750°С вызывает
необходимость в использовании сталей аустенитного класса. При более высоких
температурах до 1400°С целесообразно применять высоколегированные сплавы
(кобальтовые и никелевые), сплавов на основе тугоплавких элементов, а также стали,
легированные алюминием (Fe-Cr-Al).
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является анализ совместного влияния химического
состава жаропрочных сталей системы легирования Fe-Cr-Ni-Si и температуры на
прочность металла (σв), применяемого для катков термических печей. Проведение
графоаналитического
анализа
математических
моделей
и
оптимизация
материаловедческих параметров для нахождение материала с максимальной
прочностью.
Методика эксперимента
Для определения оптимальных значений C, Cr, Ni, обеспечивающих
регистрацию максимальных значений физико-механических свойств, были решены
системы частных производных от уравнений [4]:
 d B
 dC  0

 d B
0

dCr

 d B
 dNi  0

.
При этом, для визуализации совместного комплексного влияния исследуемых
параметров окончательное решение уравнения [4] вследствие полного набора парных
взаимодействий входящих в регрессионные модели полученную зависимость
оптимизировали методом пошагового координатного спуска с дифференцированным
заданием погрешности вычисления (R=0,1) и шага поиска (∆X=0,01) по каждой
переменной при выполнении граничных условий, не позволяющих выйти за пределы
реализованного факторного пространства. Исходя из этого, проведено исследование
поверхности отклика на основе ее графического отображения в виде
пространственных диаграмм и их сечений.
Экспериментальные данные и их обработка
Ранее авторами проведено планирование эксперимента с целью оптимизации
химического состава жаропрочного сплава, работающего при высоких температурах.
Полученные уравнения регрессии [4], отражающие влияние содержания углерода (C),
хрома (Cr) и никеля (Ni), а также температуры (Т) на физико-механические свойства
позволяют прогнозировать механические свойства сталей системы Fe-Cr-Ni-Si при
различных температурных градиентах:
16
 в  91,1  1749,4  C  26  Cr  13,1  Ni 


 0,34  T  1702  C  0,48  Cr  0,2  Ni  
,
 53,811  C  Cr  58,17  C  Ni  0,17  C  T  
 0,26  Cr  Ni  0,01  Ni  T  2,67  C  Cr  Ni  

 0,02  C  Cr  T  0,01  C  Ni  T ,

2
2
2
(1)
Для
нахождения
материала
с
оптимальными
эксплуатационными
характеристиками проведено графо-аналитическое исследование полученных
уравнений регрессии. Расчет и построение поверхностей и сечений к ним проводили
с помощью разработанной в Microsoft Excel программы.
Анализ полученных регрессий (1) показывает, что углерод (С), хром (Cr) и
никель (Ni) входят в уравнение со знаком плюс, повышая физико-механические
свойства сплава. Это объясняется тем, что никель расширяет γ-область в системе FeCr, способствуя образованию сталей с аустенитной структурой в широком интервале
температур [3]. Вхождение в уравнения регрессии температуры (Т) со знаком «–»
негативно сказывается на физико-механических свойствах сплавов.
При рассмотрении влияния хрома, то можно отметить, что этот легирующий
элемент увеличивает энергию связи атомов кристаллической решетки γ-твердого
раствора, несколько повышая жаропрочные характеристики [3]. Однако по парное их
влияние (С·Сr, C·Ni, Cr·Ni) негативно сказывается на его эксплуатационных
свойствах, что может быть связано с неоднозначным механизмом влияния углерода,
хрома и никеля в повышении физико-механических характеристик, поскольку при
кристаллизации сварочной ванны происходят различные процессы как
карбидообразования, так и образования интерметалидов, которые перераспределяют
количество легирующих элементов, участвующих в образовании того или другого
соединения. Совместное же их влияние углерода, хрома и никеля (С·Сr·Ni) в
заданных пределах варьирования ведет к повышению как твердости HV и
временного сопротивлению разрыва σв (предела прочности). Однако, это повышение
ограничено наличием в уравнении квадратичных членов за (С2, Cr2, Ni2) с
отрицательным вкладом, что свидетельствует возможном наличии локальных
экстремумов на поверхности отклика. Анализируя парные взаимодействия, можно
сделать предположение, что они оказывают двоякое влияние на эксплуатационные
характеристики металла, поскольку в одном случае присутствуют в регрессионной
зависимости со знаком «+», а в другом со знаком «–».
На основе полученных уравнений регрессии были построены пространственные
математические модели (рис. 2), характеризующие влияние углерода, хрома и никеля,
а также температуры на физико-механические свойства (предел прочности)
жаропрочного сплава.
В зависимости от величины температурного градиента структура металла
сварного соединения различна [5]. Так в интервале температур между линиями
солидуса и ликвидуса в соответствии с диаграммой Fe-C металл находится в
твердожидком состоянии, что вызывает перераспределение легирующих элементов
между сварочной ванной и основным металлом. Хотя протяженность этого участка
небольшая, но характер кристаллизации металла может оказывать влияние на
свойства всего сварного соединения. В интервале температур от 1100-1150°С до
температур линии солидуса металл полностью переходит в состояние аустенита.
На участке рекристаллизации металл нагревается в интервале температур от 500
до 550°С до температуры точки А1, и поэтому по структуре он незначительно
17
отличается от основного. При значительной выдержке при этих температурах может
произойти значительный рост зерен. Механические свойства металла этого участка
могут несколько снизиться вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа. При
нагреве металла в интервале от 100 до 500°С (участок синеломкости) его структура в
процессе не претерпевает видимых изменений.
Рис. 2 - Поверхность отклика функ-ции σв
при Ni = 15,95%; T = 20°С
Рис. 4 - Поверхность отклика функ-ции
σв при Cr = 20,95%; T = 20°С
Рис. 3 - Поверхность отклика функ-ции
σв при Cr = 20,95%; Ni =15,95%
Рис. 5 - Поверхность отклика функ-ции σв
при C = 0,16%; T = 20°С
Наличие в уравнениях (1) квадратичных членов С2, Cr2, Ni2 свидетельствует о
нелинейном характере зависимости и возможности существования локальных
экстремумов.
Обработка результатов исследования целевой функции
показала наличие
экстремумов в данной области варьирования факторов. Анализ зависи- мости
предела прочности σв их в сечениях позволил установленовить оптимальные
значения содержания исследуемых химических элементов, которые находятся в
пределах: C = 0,14-0,19%, Cr = 21-23%, Ni = 17-19%.
Достижение максимальной предела прочности при таком химическом составе
можно объяснить следующим образом. При массовой доле углерода 0,15-0,18 % в
более мягкой металлической матрице выделяется значительно больше дисперсной
упрочняющей фазы, что приводит к увеличению одновременно с твердостью и
кратковременного предела прочности. Однако при повышении содержания углерода
наблюдается выделение частиц карбидов по границам зерен, которые, с одной
стороны, служат препятствием для зернограничного скольжения при ползучести а, с
другой стороны, инициируют зарождение трещин, особенно в условиях
18
термоциклирования. Содержание массовой доли хрома в пределах 21-23%
объясняется упрочнением матрицы, образованием карбидов (табл. 1) и участием в
образовании ряда других упрочняющих фаз. Кроме того, хром является основным
элементом, обеспечивающим защиту сталей от окисления. Превышение массовой
доли хрома свыше 23% приводит к снижению прочности и нестабильности свойств за
счет образования ферритной фазы. Содержание никеля более 15% обеспечивает
получение аустенитной структуры в широком диапазоне температур. Это связано с
тем, что высокая жаропрочность сплавов определяется двумя основными
физическими факторами - прочностью межатомных связей в сплаве и его структурой.
Таким образом, подтверждается, что упрочнение обусловлено главным образом
появлением в сплавах равномерно, распределённых достаточно мелких частиц
химических соединений (карбидов) и микроискажениями кристаллической решётки
основы сплава, вызванными наличием этих частиц. Соответствующая структура
жаропрочного сплава затрудняет образование и движение дислокаций, а также
повышает количество связей между атомами, одновременно участвующими в
сопротивлении деформации. С другой стороны, высокое значение величины
межатомных связей позволяет сохранить необходимую структуру при высоких
температурах длительное время.
Выводы
Таким образом, проведенные исследования показали возможность исправления
дефектов арматуры термических печей методами сварки и наплавки. При этом было
подтверждено, что рост зерна, размеры которого связаны с наличием температурного
градиента тем больше, чем значительнее нагрет металл выше температуры точки А3.
Кроме того, сложность влияния температурного воздействия связана с тем, что после
охлаждения это может привести к образованию неблагоприятной видманштеттовой
структуры. На участке нормализации 750-800°С до температуры 1100-1150°С металл
имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. При этом
важно учитывать возможность образования участка с неполной перекристаллизацией,
где металл нагревается до температур между точками А1 и А3, который, как
подтвердили
исследования,
характеризуется
почти
неизменившимися
первоначальными ферритными, перлитными и аустенитными зернами и более
мелкими зернами феррита и перлита после перекристаллизации, а также
сфероидизацией перлитных участков.
Проведен графоаналитический анализ математических моделей в виде
уравнений регрессии, описывающих совместное влияния легирующих элементов (C,
Cr, Ni) и температурного градиента (Т) на физико-механические свойства ( предел
прочности в, ) жаропрочных сталей и сплавов. Установлены оптимальные значения
содержания легирующих элементов, при которых достигаются оптимальные
значения физико-механических свойств наплавленного метала: C = 0,14-0,19%, Cr =
21-23%, Ni = 17-19%.
Таким образом, подтверждается, что упрочнение обусловлено главным образом
появлением в сплавах равномерно, распределённых достаточно мелких карбидов, что
вызывает появление микроискажений кристаллической решётки основы сплава.
Соответствующая структура жаропрочного сплава затрудняет образование и
движение дислокаций, а также повышает количество связей между атомами,
одновременно участвующими в сопротивлении деформации.
19
Список литературы: 1. Каховский, Н. И. Сварка высоколегированных сталей [Текст] / Н. И.
Каховский. – Киев. : «Техніка», 1975. – 376 с. 2. Масленков, С. Б. Жаропрочные стали и сплавы
[Текст] : справочное издание / С. Б. Масленков. – М. : Металлургия, 1983. – 192 с. 3. Химушин,
Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы [Текст] / Ф.Ф. Химушин. – М. : Металлургия, 1969. – 752 с.
4. Forecasting of mechanical properties of weld connections after the thermodeformation cycle on
the basis of the mathematical regression analysis [Text] / S. N. Popov, V. V Naumik., T. V. Popova, D.
A. Antonyuk // Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні. – №1. – 2004. –
С.150-156. 5. Теория сварочных процессов [Текст] / Под ред. В. В. Фролова. – М. : «Высшая
школа», 1988. – С.490-491. 6. Лебедєв, Б. Д. Розрахунки в теорії зварних процесів [Текст]: навч.
посібник / Б. Д. Лебедєв. – К. : НМК ВО, 1992. – 320 с.
УДК 669.14.018.44
Анализ влияния химического состава жаропрочных сталей и температурного
градиента на прочность сварных соединений / Попов С. Н. // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові
рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 15-20. – Бібліогр.: 6
назв.
У роботі наведено графоаналітичний аналіз математичних моделей спільного впливу
легуючих елементів вуглецю, хрому, нікелю і температури для прогнозування міцності зварних
з'єднань жароміцних сталей системи Fe-Cr-Ni-Si.
Ключові слова: фізико-механічні властивості, зварювальний вузол, оптимізація,
деформація, тугоплавкі елементи, поверхня відгуку.
The paper graphic-analytical analysis of mathematical models of the joint effect of alloying
elements carbon, chromium, nickel and temperature to predict the strength of welded joints of heatresistant steels of Fe-Cr-Ni-Si.
Keywords: physical and mechanical properties, welding assembly, optimization, strain,
refractory elements, the response surface.
УДК 621.74
О. С. КОВАЛЬ, аспирант, НТУ «ХПИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ЧУГУНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО Si-Ba
В статье приведены результаты исследований микроструктуры чугуна, модифицированного SiBa. Описан процесс плавки и результаты химического анализа чугуна, а также процедура
обработки данных металлографического анализа по размеру включений графита. Приведенные
результаты позволяют сделать ряд важных выводов о видах законов распределения размера
графитовых включений в микроструктуре, позволяющих проводить сравнительную оценку
эффективности применения разных типов модификаторов для регулирования процессов
структурообразования.
Ключевые слова: модифицирование, графитизация, микроструктура, чугун
Введение.
Процесс получения качественного чугуна ставит в качестве первоочередной
задачу регулирования процессов графитизации. С этой целью, как известно,
применяются модификаторы. Однако, несмотря на огромное количество
исследований, проведенных за несколько десятилетий, до сих пор неясен ответ на
вопрос, какой из факторов оказывает приоритетное влияние на процесс
© О. С. КОВАЛЬ, 2013
20
графитообразования – элемент-графитизатор, вводимый в расплав, или искусственно
введённый центр графитизации. Именно потому направления исследований,
посвященных вопросам изучения механизмов графитообразования и физикохимических аспектов этих процессов, являются очень актуальными [1-5]. С
теоретической точки зрения это позволит установить общие закономерности
процессов графитообразования для чугунов различного химического состава и
обработанного разными типами модификаторов, а с практической - улучшать
механические показатели чугуна, что, в свою очередь, обеспечит возможность
снижения толщины стенок отливок, снизить металлоемкость и массогабаритные
характеристики литых деталей.
Постановка задачи.
Исследовать
пример
микроструктуры
чугуна,
модифицированного
силикобарием, как одним из наиболее интересных сегодня для практики
модификаторов, в частности размер графитовых включений и его распределение по
плоскости шлифа.
Экспериментальная часть.
Плавка чугуна проводилась в индукционной тигельной печи с кислой
футеровкой ИСТ1/0.8-М5. Расчет шихты осуществлялся в соответствии с
требованиями к химическому составу чугуна. Модифицирование силикобарием
осуществлялось после заполнения ковша на 100-150 мм при температуре 1400-14500С
в количестве 0,3% от массы жидкого металла. Из модифицированного чугуна
заливали клиновые образцы и готовили шлифы для проведения металлографических
исследований: поверхность образца обработали на абразивном круге с
периодическим его охлаждением, отшлифовывали и проводили травление по
известным методикам. По результатам химического анализа определяли химический
состав
чугуна.
Микроструктуры
фотографировались с увеличением х200,
вручную наносилась сетка с шагом 2,5мм.
Затем, по вертикальным и горизонтальным
сечениям снимались два типа размеров: Y1i –
размер графитовых включений и Y2j – размер
промежутков
между
графитовыми
включениями. Для примера, приведём одно из
описаний для
вертикального сечения и
результаты измерений размеров включений: y1i, Рис. 1 - Микроструктура чугуна,
модифицированного
мкм: 12, 2, 1.5, 1.5, 1, 2, 1.5, 3, 2, 7.5, 3.5, 1, 1, 2,
силикобарием, х200
1.5, 5, 3, 2, 3, 2, 3, 3, 6, 15. Общее количество
результатов N = 24 (рис.1).
Среднее значение графитовых включений определяли по формуле:
Y
1
N
N
Y
i 1
i
,
(1)
Среднее квадратическое отклонение S определяли по формуле:
SY 
1 N
(Yi  Y ) 2 .

N  1 i 1
(2)
По рассчитанным значениям статистических характеристик – математического
ожидания размера графитовых включений и среднего квадратического отклонения
21
размера, строились гистограммы распределения размера графитовых включений
(рис.2-5).
0,5
0,6
0,45
0,5
0,4
0,35
Частота, ni/N
Частота ni/N
0,4
0,3
0,3
0,25
0,2
0,15
0,2
0,1
0,05
0,1
0
0
-0
1,25
2,53
3,81
5,08
64
54
Размер графита, мкм
3,
34
7
29
64
2,
71
3
94
74
2,
07
8
59
83
1,
44
4
0,
81
0
24
93
Ряд1 0,16666667 0,44444444 0,22222222 0,11111111 0,05555556
Рис.3. Гистограмма распределения
размера графитовых включений,
эксперимент №2
0,6
0,35
0,5
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0,4
0,3
0,2
0,1
87
58
12
,3
2
20
22
9,
27
2
64
66
6,
21
5
09
09
53
53
0,
10
2
3,
15
9
51
76
38
82
0
4,
66
2
3,
93
4
25
88
3,
20
6
1,
75
12
94
2,
47
8
87
06
1,
02
1
0,
29
3
74
12
0
Рис.5. Гистограмма распределения размера
графитовых включений, эксперимент №4
Выводы.
В результате проведенных исследований была сформирована представительная
выборка данных по размерам графитовых включений и его распределению по
площади шлифа, на основании которых возможно изучение механизмов
графитообразования в модифицированных чугунах.
Список литературы: 1. Дьомін Д. О. Деякі аспекти управління якістю сірого чавуну з
пластинчастим графітом: Диссертація канд. техн. наук. – Харків. - 1995. – 24с. 2. Д. А.Демин
Оценка влияния комплексного Si-Ca-Ba-Sr модификатора на структуру и свойства чугуна
[Текст] / Д. А. Демин, И. А. Болотова // Вестник Харьковского государственного
политехнического университета. - 2000. - №118.-с. 34-35. 3. Д. А. Демин. Статистическое
моделирование
зависимостей
между
структурными
составляющими
чугуна,
модифицированного ферросилицием [Текст] / Демин Д. А. // Вестник Харьковского
государственного политехнического университета. - 2000. - №119. - с.36-39 4. Д. А. Демин.
Статистическое моделирование зависимостей между структурными составляющими и
твёрдостью чугуна, модифицированного ферросиликованадием [Текст] / Демин Д. А. //
Процессы литья. - 2001. - №2. - с.55-58. 5. Д. А. Демин. Сравнительная оценка эффективности
модифицирования чугуна комплексными модификаторами ФС65БаКСт2, ФС65Ба4 и лигатурой
с РЗМ [Текст] / Дёмин Д. А., Кирилловский М. Ю. // Процессы литья. - 2004. - №1. - с.52-57.
22
УДК 621.74
Исследование структур чугуна, модифицированного Si-Ba / О. С. Коваль // Вісник
НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). –
С. 20-23. – Бібліогр.: 5 назв.
У статті наведено результати досліджень мікроструктури чавуну, модифікованого Si-Ba.
Описано процес плавки і результати хімічного аналізу чавуну, а також процедура обробки даних
металографічного аналізу за розміром включень графіту. Наведені результати дозволяють
зробити ряд важливих висновків про види законів розподілу розміру графітових включень в
мікроструктурі, що дозволяє проводити порівняльну оцінку ефективності застосування різних
типів модифікаторів для регулювання процесів структуроутворення.
Ключові слова: модифікування, графітизація, мікроструктура, чавун
The research of iron constructions that has been modified by Si-Ba was considered in this article.
The melting process and the iron chemical analysis results were described. An example of construction
processing by the method of graphite inclusion size calculation was presented. We can to apply the law
of distribution to the research results has been established.
Keywords: modification, graphitization, microstructure, iron
УДК 621.91
А. В. КОТЛЯР, канд. техн. наук, доц., НТУ «ХПИ;
Ю. Н. ЛЮБИМЫЙ, ассистент, НТУ «ХПИ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ВАЛКОВ
ПРОКАТНЫХ СТАНОВ НА ВАЛЬЦЕШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ
Предложена методика расчета динамических показателей вальцешлифовальных станков и их
узлов таких, как жесткость и коэффициент демпфирования. Разработана математическая модель,
которая описывает взаимодействие отдельных узлов станка между собой.
Ключевые слова: станок вальцешлифовальный, динамика, жесткость, демпфирование,
шлифование.
Вступ. Проблема восстановления прокатных валков относится к числу одной из
наиболее
актуальных
в
черной
металлургии. Стойкость валков может
измеряться от нескольких часов до
нескольких месяцев в то время, как их
восстановление требует значительных
затрат времени и средств. Любой из
известных методов производства и
восстановления валков [1] после закалки
требует выполнения операции чистовой
обработки, а именно – шлифования.
Важнейшими факторами, влияющими на
шероховатости
обрабатываемых
поверхностей, являются динамические
параметры станка и процесса резания.
Рис. 1 - Компоновка
Станки, к которым предъявляются высокие
вальцешлифовального станка
требования по обеспечению чистоты и
точности обработки поверхностей деталей,
должны иметь высокую жесткость и демпфирующие свойства узлов.
©
23
А. В. КОТЛЯР, Ю. Н. ЛЮБИМЫЙ, 2013
В данной статье предложена методика исследования влияния различных
параметров динамической системы вальцешлифовального станка на процесс
обработки.
Среди различных конструктивных исполнений вальцешлифовальных станков,
наибольшее распространение получили станки с компоновкой, представленной на
рис. 1.
Основные узлы станка устанавливаются на переднюю и заднюю станины.
Передняя станина имеет направляющие скольжения для перемещения нижнего стола.
Верхний стол закреплен на нижнем столе. Он имеет возможность поворачиваться
вручную вокруг своей оси во время настройки станка. На верхнем столе крепятся
передняя бабка (ПБ), задняя бабка (ЗБ) и люнет. Заготовка устанавливается в центрах и
вращается от приводного механизма посредством электродвигателя через ременную
передачу. К задней станине крепится подкладная плита, в которую вмонтирован
механизм поперечных подач. Шлифовальная бабка состоит из двух частей: верхнего и
нижнего корпусов. Верхний корпус шлифовальной бабки имеет возможность качаться
вокруг оси с помощью механизма тонких подач посредством эксцентрика. Вращение
шлифовального круга осуществляется с помощью электродвигателя через ременную
передачу.
На рис. 2 представлена динамическая модель разомкнутой системы
вальцешлифовального станка вышеизложенной компоновки [2]. В данной схеме
предполагается, что такие элементы станка, как: передняя и задняя станина; нижний
и верхний стол; подкладная плита шлифовальной бабки, а также их стыки имеют
жесткость, которая на несколько порядков выше по сравнению с указанными на рис.
2 узлами станка. Это позволяет не учитывать их в дальнейших расчетах.
На рис. 2: m1 – масса подсистемы закрепления детали; m2 – масса
шпиндельного узла; m3 – масса верхнего корпуса шлифовальной бабки; m4 – масса
нижнего корпуса шлифовальной бабки; c1 , b1 – жесткость и демпфирование
подсистемы закрепления детали; c2 , b2 – жесткость и демпфирование зоны резания;
c3 , b3 – жесткость и демпфирование шпиндельного узла; c4 , b4 – жесткость и
демпфирование механизма профилирования шлифовальной бабки; c5 , b5 – жесткость
и демпфирование механизма поперечных подач шлифовальной бабки; Pвозм. –
возмущающая сила, которая возникает под действием дисбаланса шлифовального
круга; X1, X 2 , X 3 , Х 4 – соответствующие перемещения узлов и подсистем станка под
действием возмущающей силы.
На рис. 3 представлена подсистема закрепления детали, которая позволяет
определить ее жесткость и коэффициент демпфирования. При определении этих
параметров примем некоторые упрощения, что передняя станина, нижний и верхний
столы и корпуса узлов учитываться в расчетах не будут, поскольку они имеют
жесткости на несколько порядков выше самих узлов. Таким образом, приведенная
жесткость передней бабки при последовательном соединении упругих элементов
определяется по следующей формуле [3]:
с  с
сп.б .  ц. ш. ,
сц .  сш.
где сц . – приведенная жесткость переднего центра и стыка «передний центр ISSN 2079.5459. Вісник НТУ “ХПІ». 2013. №4(978)
24
шпиндель», Н/м; cш –
приведенная
жесткость шпинделя
передней бабки и
стыка «шпиндель корпус
передней
бабки», Н/м.
Приведенная
жесткость
задней
бабки:
с  с
с з .б .  ц . п . ,
сц.  сп.
Рис. 2 - Динамическая модель вальцешлифовального станка
где cп – приведенная
жесткость
пиноли
задней бабки и стыка
«пиноль - корпус
задней бабки», Н/м;
cц – приведенная
жесткость
заднего
центра
и
стыка
«задний
центр
пиноль», Н/м.
Приведенная
жесткость люнета:
с л. 
сгуб .  сл.
,
сгуб .  сл.
Рис. 3 - Подсистема закрепления детали
где сгуб . – приведенная жесткость губок люнета, Н/м; cл – приведенная жесткость
опорной части люнета внутри корпуса, Н/м;
Жесткость детали имеет различные значения на всей ее длине:
3 E  J ,
с a 
д
a2   L  a 
2
где E – модуль упругости материала изделия, Па; J – осевой момент инерции
сечения, м4; L – длина заготовки, м; a – расстояние от точки приложения силы
резания до торца заготовки, м.
Приведенная жесткость подсистемы закрепления детали:
с1. 
 сп.б.  сз.б.    сд. (а)  сл. 
сп.б.  сз.б.  сд. (а)  сл. ,
где cп.б . – жесткость передней бабки, Н/м; cз.б . – жесткость задней бабки, Н/м; c ë –
жесткость люнета, Н/м; cд (а) – жесткость детали, Н/м.
Демпфирование bi любого узла системы определяется как произведение
жесткости этого узла на постоянную демпфирования [4]:
bi  ci  Ti ,
25
где ci – жесткость узла, Н/м; Ti – постоянная времени демпфирования, сек.
Таким образом, получены все необходимые входные параметры для
математического моделирования динамики процесса резания.
Используя динамическую модель станка, была разработана система уравнений,
которая описывает динамические взаимодействия узлов станка между собой [5]:

 b1  b2 
 c1  c2 
b2
c2
 x1   
  x1   x2  
  x1   x2 ;
m1
m1
 m1 
 m1 


P  sin t 




 x2  b2  x1   b2  b3   x2  b3  x3  c3  x3   c2  c3   x2  c3  x3  0
;
m2
m2
m2
m2
m2
 m2 
 m2 


 x  b3  x   b3  b4   x  c3  x   c3  c4   x ;
 3 m 2  m  1 m 2  m  3
3
3
3
3






b b 
c c 
b4
c
 x3   4 5   x4  4  x3   4 5   x4 .
 x4 
m4
m4
 m4 
 m4 

Эта система уравнений является исходной для математического моделирования
динамических процессов в одном из программных пакетов таких, как: Matlab,
MathCad, Mapple, Mathematika, Vissim, Derive и др.
Разработанная математическая модель динамики процесса резания во время
перешлифовки прокатных валков позволяет оценить влияние тех или иных
параметров технологической системы станка на качество обработки, а также
определить резонансные частоты как отдельных узлов станка, так и системы в целом.
Список литературы: 1. Л. Б. Медовар. Проблемы и перспективы производства современных
прокатных валков [Текст] / Медовар Л. Б., Грановский В. К. // Проблемы специальной
электрометаллургии: Международный научно-теоретический и производственный журнал. –
Киев, 2001. – №4 (65). – с.43-46. 2. О. І. Серховець Математичне моделювання динамічних
характеристик круглошліфувального верстата [Текст] / Серховець О. І., Фесенко А. В. и др. //
Вісник національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник
наукових праць. Тематичний випуск: Технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ«ХПІ». –
2002. – №19. – с.58-61. 3. М. Л. Орликов Динамика станков [Текст] – 2-е изд., перераб. и доп. –
К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 272 с. 4. С. С. Кедров Колебания металлорежущих
станков [Текст]. – М.: Машиностроение, 1978. – 199 с. 5. Ю. В. Петраков Автоматичне
управління процесами обробки матеріалів різанням [Текст]: Навчальний посібник. – Київ:
УкрНДІАТ, 2003. – 383 с.
УДК 621.91
Моделирование
процесса
шлифования
валков
прокатных
станов
на
вальцешлифовальных станках/ А. В. Котляр, Ю. Н. Любимый // Вісник НТУ «ХПІ». Серія:
Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 23-26. –
Бібліогр.: 5назв.
Запропонована методика розрахунку динамічних показників вальцешліфувальних
верстатів і їх окремих вузлів таких, як жорсткість і коефіцієнт демпфування. Розроблено
математичну модель, яка описує взаємодію вузлів верстата між собою.
Ключові слова: верстат вальцешліфувальний, динаміка, жорсткість, коефіцієнт
демпфування, шліфування.
In this paper a method for calculating dynamic parameters of roll-grinding machines and their
individual units, such as stiffness and damping proposed. A mathematical model, which describes the
interaction of the roll grinder units, was development.
Keywords: roll grinding machine, dynamics, stiffness, damping, grinding.
26
УДК 621.792.8
А. А. СВЯТУХА, канд. технических наук, доц., УИПА, Харьков;
И. Б. ПЛАХОТНИКОВА, ст. препод., УИПА, Харьков
СОБИРАЕМОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ ПРИ ТЕПЛОВОЙ
СБОРКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОКРЫТИЙ
Рассмотрены вопросы собираемости соединений с натягом при тепловой сборке с использованием
вязких композитных покрытий. В результате проведенных экспериментальных исследований даны
рекомендации температурных режимов нагрева охватывающих деталей для осуществления сборки
без схватывания деталей в процессе их соединения.
Ключевые слова: Сборка, соединения, собираемость, покрытия, перемещение
Использование покрытий на валу в виде вязких композитных смесей из
мелкодисперсных металлических порошков при сборке его с нагретой охватывающей деталью способствует существенному повышению прочности и качес-тва
соединений по сравнению с обычной тепловой сборкой без покрытия, либо с
другими видами известных покрытий (гальваническими, лаковыми и др.) [1].
Кроме того, в случае необходимости соединение можно разобрать распрессовкой , не вызывая повреждений посадочных поверхностей сопряженных
деталей. Это позволяет повторно использовать разобранные детали без
дополнительной механической обработки. Следует отметить, что в результате фрикционного осаждения материалов композитной смеси на сопрягаемых поверх-ностях
при распрессовке, повторные сборки осуществлялись без дополнитель-ного
нанесения покрытий.
Однако наличие вязкого покрытия на валу при сборке его с нагретой охватывающей деталью обуславливает некоторое изменение теплообмена между ними по
сравнению с обычной тепловой сборкой без покрытия. Усиление либо умень-шение
теплообмена определяется термическим сопротивлением на границе контактирующих деталей, которое в свою очередь зависит от теплофизических свойств
материалов промежуточной среды, концентрации наполнителей и др. [2].
Одним из условий, определяющих качество процесса тепловой оборки явля-ется
отсутствие "схватывания", то есть свободное перемещение деталей относите-льно
друг друга в процессе соединения. После соединения начинается интенсив-ный
теплообмен между нагретой до температуры 200-320 °С втулкой и валом, име-ющем
температуру окружающей среды, а затем их скрепление.
Процесс скрепления соединения происходит в связи с уменьшением посадо-чного
отверстия втулки в результате ее остывания и увеличением посадочного диа-метра вала
за счет его нагрева. При этом время скрепления деталей зависит не то-лько от
теплофизических свойств материалов покрытия и сопрягаемых деталей, но и в
значительной степени от величины первоначального сборочного зазора ∆сб . Это
объясняется тем, что воздушная прослойка между контактирующими поверх-ностями
обладает наибольшим термическим сопротивлением. Поэтому правиль-ный выбор
необходимого сборочного зазора при тепловой сборке соединений с на-личием на валу
вязкого
покрытия имеет определяющее значение для
предотвра-щения
преждевременного скрепления деталей. Использование предложенных ана-литических
зависимостей либо их нахождение для определения сборочного зазора из условия
©
27
А. А. СВЯТУХА, И. Б. ПЛАХОТНИКОВА, 2013
"несхватывания" в течение времени соединения деталей (практически 2-4 сек) с вязкими
покрытиями крайне затруднительно в связи с необходимостью учета большого
количества теплофизических факторов.
Общее увеличение посадочного диаметра нагреваемой охватывающей дета-ли с
учетом толщины промежуточного слоя для осуществления сборки составит
d   max  сб.  h,
где h- толщина нанесенного слоя, принимаемая как удвоенная величина дис-персности
частиц композитной смеси;
 max  максимальный натяг.
В связи с тем, что контакт вала с нагретой втулкой происходит уже в началь- ном
периоде сборки, необходимо ввести некоторую поправку в общее расшире-ние
посадочного диаметра втулки, а именно :
d   max  сб  2(а  а)
где а – дисперсность частиц
а
- приращение дисперсности частиц в результате контакта с нагретой
охватывающей деталью при сборке соединения, которое может быть определено
следующей зависимостью
а   см .а.,
где  см - усреднённый коэффициент теплопроводности смеси
 см. 
1
 i
n
Т - температура нагрева втулки, определяемая обычным расчетом для тепло-вой
сборки соединений без покрытия.
С учетом проведенной поправки на увеличение посадочного диаметра втул-ки
необходимая температура ее нагрева, для свободной сборки с валом составит

 max   сб  2(а  а)
 о ,
 см .d
где Tо – температура окружающей среды, ° С
Целью данного исследования являлось экспериментальное определение изменения
температур сопрягаемых деталей, времени «схватывания» и оценка возможности
свободного соединения деталей по всей длине их сопрягаемых поверхностей.
Экспериментальные исследования выполнены на соединениях с посадочным
диаметром 40 мм, изготовленных из стали 45. Виды покрытий, диапазон натягов,
количество соединений и температура нагрева втулки приведены в таблице.
Таблица - Параметры соединений, исследуемых на собираемость
Натяг соединения, Количество
Температура нагрева
Вид покрытия
мм
соединений
втулки, ˚С
0,015
5
0,035
5
250-300
Без покрытия
0,050
5
0,015
5
Глицерин
0,035
5
250-300
0,050
5
0,015
5
Глицерин + Cu +Al
0,035
5
250-300
0,050
5
28
Изменение
температур
деталей после их соединения
определяли с помощью хромелькопелевых термопар с записью на
12-ти точечном потенциометре
типа
ЭПП-09.
Схема
расположения термопар во втулке
и на валу показана на рис. 1.
Термопары устанавливались в Рис. 1 - Схема расположения термопар во втулке и
на валу
сверления диаметром 1,2 мм, а для
обеспечения надежного контакта с
материалом деталей и улучшения
теплопроводности
отверстия
плотно
забивались
медными
опилками и заливались смесью
жидкого стекла и с порошком
асбеста.
Нагрев втулок осуществлялся
в индукционном наг-ревателе.
Рис.2 - Схема сборки деталей соединений со
Сборка
встроенными термопарами
осуществлялась следующим
образом (рис. 2). Вал I устанавливался вертикально торцом на асбестовую плиту 2,
имеющую продоль-ный сквозной паз для выхода термопар 3, которые присоединялись к
потенциометру 7 типа ЭПП-09. Нагретая в индукторе 4 втулка 5 с подсоединенными
термопа-рами 6 специальным захватным устройством свободно насаживалась на вал.
Сразу же после окончательной
её
посадки
на
вал,
что
соответствовало упору втулки в
асбестовую
плиту, включался
секундомер для фиксации момента
скрепления дета-лей в узел.
Момент
"схватывания"
определялся путем периодического
Рис. 3 - Изменение температур деталей соединения
возвратного проворачивания вала
после сборки: а) при натяге δ = 0,015мм; б) при
на 5-10°относительно втулки.
натяге δ = 0,025 мм; в) при натяге δ= 0,050 мм
На рис. 3.(а,б,в) линиями
1,2,3
показаны
изменения
(уменьшения)
температуры
втулки
во
времени
для
с
различными
натягами после
введения в
отверстие нагретой втулки вала
соответственно без покрытия (I), с
покрытием глицерином (2) и
Рис.4 - График времени срепления деталей от
композитной смесью глицерин +
натяга: I - без покрытия; 2 – с покрытием
Сu + AI + Sn (3); линиями 11,21,31
глицерином; 3-с покрытием глицерин + Си
то же для вала после введения его
+Al+Sn.
в отверстие втулки. При этом
29
температура вала вначале резко возрастает, а затем в процессе образования натяга
соединения выравнивается с температурой втулки.
Как видно из графиков,интенсивность теплообмена существенно зависит от
натяга соединения, вида покрытия и от температуры нагрева втулки, которая определяет величину сборочного зазора.
Графики времени "схватывания" деталей соединения в зависимости от натяга при
начальной температуре втулки 250 °С и различных условий сборки приведены на рис.4.
Выводы
Из анализа приведенных графиков следует, что для обеспечения
гарантированного запаса времени свободной сборки порядка 3-5 сек, то есть сбор-ки
без "схватывания" в процессе соединения деталей с покрытием вала композит-ной
смесью, достаточно иметь температуру охватывающей детали на 20-30 °С выше
против тепловой сборки соединений без покрытий.
Список литературы: 1. Кравцов М. К. Промежуточные среды в соединениях с натягом / М.К.
Кравцов, А. А. Святуха, В. В. Чернов. -Харьков: Изд-во Штрих. 2001.-200 с. 2. Попов В. М.
Теплообмен через соединения на клеях. М.Энергия, 1974. 302с.
УДК 621.792.8
Собираемость соединений с натягом при тепловой сборке с использованием
покрытий/ А. А. Святуха, И. Б. Плахотникова // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в
сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 27-30. – Бібліогр.:2 назв.
Розглянуті питання збираємості з’єднань з натягом при тепловому складанні з
використанням покриттів. Завдяки проведеним експериментальним дослідженням даються
рекомендації режимів нагріву охоплюючих деталей для здійснення складання без схоплювання
деталей у процесі їх з’єднання.
Ключові слова: Складання, з’єднання, збираємість, покриття, переміщення
The problems of collection connection with interference with heat assembly with viscous
composite coatings. As a result of experimental research recommendations temperature heating modes
covering parts of the building without setting items in their compounds.
Keywords: Assembly, connection, collection, cover, movement
30
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
УДК 65.012.25
А. С. ВАНЮШКИН, канд. техн. наук, доц., Таврический национальный
университет им. В.И. Вернадского, Симферополь
МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРТФЕЛЕЙ
ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ
Разработана модель формирования портфелей инвестиционных проектов, учитывающая типы
взаимосвязи между проектами портфеля для их приоритезации, ограничения на масштаб
проекта, необходимость диверсификации для балансировки портфеля, а также диверсификацию
источников финансирования проектов за счет применения инструментов налогового
стимулирования капиталовложений.
Ключевые слова: инвестиционный проект, портфель, взаимосвязь, ограничения,
диверсификация.
Введение
В данной статье речь идет о формировании портфеля инвестиционных проектов.
Как правило, такой портфель формируется на уровне страны и/или региона и
включает в себя наиболее экономически значимые проекты. К таким проектам
относятся, в первую очередь, проекты, связанные с модернизацией, созданием и
развитием инфраструктуры. Это касается таких базовых отраслей промышленности
как энергетика, нефтегазовый сектор, транспорт, машиностроение и т.д. В Украине
создано и функционирует Агентство по инвестициям управлению национальными
проектами. Однако его деятельность пока еще не носит масштабный характер: на
сегодня в Украине реализуется лишь несколько национальных проектов, уровень
детализации и проработки которых оставляет желать лучшего. В то же время, обзор
основных источников литературы [1-5] по данной тематике выявил недостаточную
изученность подобных проблемных вопросов. Это и обусловило актуальность
данного исследования.
Постановка проблемы в общем виде
Особенность портфеля инвестиционных проектов на национальном /
региональном уровне заключается в том, что в большинстве случаев каждый из
проектов портфеля реализуется отдельным инвестором / собственником. Исключение
составляют случаи реализации портфеля инвестиционных проектов крупными
институциональными инвесторами (МБРР, ЕБРР). Как бы то ни было, основные
аспекты проблематики управления портфелями инвестиционных проектов на
национальном / региональном уровне лежит в финансово-экономической плоскости.
Однако в существующих трудах по проектному анализу и по управлению проектами
[1-5] такие аспекты не нашли своего отражения.
Анализ последних исследований и публикаций
На сегодня издано достаточное количество трудов по проектному анализу [3-5],
в которых подробно изложены методики расчета основных показателей финансовоэкономической эффективности инвестиционных проектов и способы выявления
взаимосвязи между проектами с помощью этих показателей. Кроме того, изложены
© А. С. ВАНЮШКИН, 2013
31
способы приоритезации проектов в портфеле на основе методов Парето и Борда [3].
Однако, на наш взгляд, этого недостаточно для формирования модели управления
портфелями инвестиционных проектов. Во-первых, с помощью показателей
финансово-экономической эффективности можно выявить лишь один из нескольких
возможных типов связей между инвестиционными проектами. Во-вторых,
ранжирование проектов на основе методов Парето и Борда не учитывает наличия
взаимосвязей между проектами в портфеле, и, следовательно, нуждается в
корректировке. Помимо этого, в изученных источниках [1-5] не удалось найти
материалов касательно диверсификации портфеля инвестиционных проектов. Также
не нашел достаточного отражения в изученных источниках важный вопрос
диверсификации источников финансирования инвестиционных проектов.
Цель статьи
Разработка в общем виде модели управления портфелями инвестиционных
проектов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи: выявление типов ограничений на масштаб инвестиционных проектов;
исследование видов взаимосвязей между инвестиционными проектами и способов их
учета при ранжировании проектов в портфеле; определение механизма
диверсификации портфеля инвестиционных проектов, финансируемых одним и тем
же крупным институциональным инвестором; разработка механизма диверсификации
источников финансирования инвестиционных проектов, опирающегося на наиболее
эффективные инструменты инвестиционной политики государства.
Изложение основного материала
Рассмотрим механизм отбора инвестиционных проектов в портфель. Отбор
инвестиционных проектов осуществляется с позиций их финансовой и
экономической эффективности [3-5]. На сегодняшний день применяются разные
показатели отбора инвестиционных проектов, отображающие их финансовую и
экономическую эффективность: чистая текущая стоимость NPV, внутренняя норма
рентабельности IRR, дисконтированный срок окупаемости PBP, индекс
прибыльности PI, показатели риска проекта (коэффициенты чувствительности,
вероятности получения убытков), показатели экономической важности проекта [3-5].
Довольно часто при ранжировании инвестиционных проектов по перечисленным
выше показателям возникает ситуация противоречия, когда ранги одного и того же
проекта по разным показателям различаются. Наиболее простым выходом из данной
ситуации является применение правила Борда, заключающегося в нахождении суммы
рангов каждого проекта по всем показателям [3]. Тогда максимальный суммарный
ранг Rank Σ получит тот проект, по которому сумма рангов по показателям ΣRank
будет максимальной.
Однако отбор инвестиционных проектов в портфель осложняется следующим.
Во-первых, внешнее окружение инвестиционных проектов накладывает разные
ограничения на возможный объем инвестиций в проект. К наиболее важным
ограничениям такого рода мы относим:
- минимальный по отрасли размер капиталовложений по проекту;
- усредненный по отрасли размер годовой выручки по проекту S Year;
- максимально приемлемый банками срок окупаемости проекта PBP Bank;
- объем инвестиций, ежегодно привлекаемый в регион Inv. Attr. reg.;
- усредненные по отрасли расходы на стартовую рекламу Adv Br.;
- усредненные по отрасли расходы на НИОКР R&D Br.;
- усредненные по отрасли расходы на охрану природы Env. Br..
32
В свою очередь, усредненный по отрасли размер годовой выручки по проекту S
зависит,
на наш взгляд, от следующих факторов:
Year
- уровень конкуренции в отрасли конкретного проекта Comp. Br.;
- объем реализации услуг отрасли проекта в регионе V serv. reg.;
- размер платежеспособного спроса населения на услуги проекта Dem. pay.
Кроме того, следует учесть, что ежегодно привлекаемый в регион объем
инвестиций Inv. Attr. reg. напрямую зависит от инвестиционного рейтинга региона Rank
inv. reg. по оценкам всемирно признанных рейтинговых агентств.
Во-вторых, при ранжировании проектов по правилу Борда не учитываются
взаимосвязи между проектами портфеля. Таким образом, суммарный ранг проекта
Rank Σ должен быть скорректирован на наличие и тип взаимосвязей Rel. между
проектами портфеля. Мы считаем необходимым учитывать следующие основные
типы взаимосвязей Rel. между инвестиционными проектами в портфеле:
- технологическая взаимосвязь проектов между собой Tech;
- синергетическая связь (дополнения) между проектами Add;
- коэффициенты корреляции объемов продаж продукции проектов Corr. S;
- уровень конкуренции между проектами одной отрасли Comp. pr..
Приведенные выше соображения по факторам отбора инвестиционных проектов
в портфель изложены в формулах (1).
если Rank nNPV  Rank IRR
 Rank risk
 Rank E.S.
n
n
n ,
то Rank n   Rank n  MAX;
Attr. 
C MIN
Br. , (S Year * PBPBank ), Inv reg. ,


Inv n  MIN  Adv
;
Br. R & D Br. Env. Br.
,
,
. 

 Adv.Br . R &DBr . Env.Br .

serv.
SYear  fS (Comp.Br. , Vreg.
, Dem.pay );
(1)
Inv.
Inv Attr.
reg.  f inv (Rank reg. );
Rank n  f R (Re l n, m );
Tech, Add, Corr. , Comp.  Re l.
S
pr.
n, m
;
где Rank n. – ранг проекта n (m) по NPV, IRR и суммарный ранг (Σ);
E.S. – экономическая важность проекта n (m);
Inv n. – возможный объем инвестиций по проекту n;
C Br. – усредненный по отрасли размер инвестиций в проект;
S Year – усредненный по отрасли размер годовой выручки по проекту;
Bank – максимальный для банков срок окупаемости проекта;
Inv. Attr. reg. – объем инвестиций, ежегодно привлекаемый в регион;
Adv Br. – усредненные по отрасли расходы на стартовую рекламу;
ω Adv. Br. – усредненная по отрасли доля расходов на рекламу;
R&D Br. – усредненные по отрасли расходы на НИОКР;
ω R&D Br. – усредненная по отрасли доля расходов на НИОКР;
Env. Br. – усредненные по отрасли расходы на охрану природы;
ω Env. Br. – усредненная по отрасли доля расходов на охрану природы;
Comp. Br. – уровень конкуренции в отрасли конкретного проекта;
V serv. reg. – объем реализации услуг отрасли проекта в регионе;
Dem. pay – платежеспособный спрос населения на услуги проекта;
Rank inv. reg. – инвестиционный рейтинг региона по оценкам агентств;
Δ Rank Σ – изменение суммарного ранга проекта n (m);
33
Rel. n, m – любой вид взаимосвязи проектов n, m между собой;
Tech n, m – технологическая взаимосвязь проектов n, m между собой;
Add n, m – синергетическая связь (дополнения) между проектами n, m;
Corr. S_ n – коэффициент корреляции продаж проекта n с другими;
Comp. pr. – уровень конкуренции между проектами одной отрасли;
Под технологической взаимосвязью Tech между двумя и более проектами будем
понимать такое взаимоотношение между ними, при котором от одного проекта идут
поставки готовой продукции другому проекту, где она может являться исходным
сырьем, комплектующей и т.п. Считаем целесообразным учитывать наличие
технологической связи Tech между проектами портфеля при выполнении следующих
критериев:
- объем поставок продукции от одного проекта другому проекту Sup. pr. больше
критичного для второго проекта объема закупок Pur. pr. cr.;
- разница цен на продукт Δ Pr. pr. проекта Pr. pr. и импортных Pr. imp. больше
критичной для второго проекта разницы цен Δ Pr. pr. cr. на продукт.
Под синергетической связью (дополнения) Add между двумя и более проектами
будем понимать такое взаимоотношение между ними, при котором существуют
общие для них виды ресурсов j, и при объединении проектов образуется скидка на
объем V с цены ресурса j по ним. Считаем целесообразным учитывать наличие
синергетической связи (дополнения) Add между проектами портфеля при
выполнении следующих критериев:
- доля ресурса j в общих закупках ω Res. j по каждому из проектов больше
критичной для синергии доли ресурса j в общих закупках ω Res. j Cr.;
- скидка на объем V с цены ресурса j по проектам Δ Pr. V больше критичной для
синергии скидки с цены ресурса j по проекту Δ Pr. V Cr..
Под уровнем конкуренции между проектами одной отрасли Comp. pr. будем
понимать такое взаимоотношение между ними, при котором проекты принадлежат
одной и той же отрасли Br., и когда есть опасность того, что требуемый рыночный
спрос на продукцию проектов Dem. pr. может превысить перспективный размер рынка
по отрасли с учетом конкуренции Dem. Br.. В этом случае решающее значение, на наш
взгляд, имеет соотношение эластичности спроса по цене на продукцию
конкурирующих проектов ΔV pr. / Δ Pr. и частного от деления требуемого прироста
объема продаж при росте числа проектов ΔV N pr. на прирост объемов продаж ΔV pr.,
получаемый за счет снижения цены продукции. Если эластичность спроса по цене ΔV
pr. / Δ Pr. больше описанного выше частного ΔV N. pr./ ΔV pr., то считаем возможным
пренебречь конкуренцией между проектами. В противном случае из двух или более
конкурирующих проектов необходимо оставить только один.
Теперь рассмотрим механизм корректировки рангов инвестиционных проектов в
портфеле с учетом описанных выше типов взаимосвязи между ними. При наличии
технологической Tech или синергетической Add связи между проектами, не
являющимися соседними по их суммарным рангам Rank Σ, полученными по правилу
Борда, необходимо сопоставить ранги по экономической важности Rank E.S. тех
проектов, ранги которых предполагается поменять местами. Это относится к проекту,
следующему по суммарному рангу за одним из связанных проектов, ранг которого
Rank Σ наибольший из трех, а также ко второму из связанных проектов, ранг которого
Rank Σ наименьший из трех. Проект, ранг которого Rank Σ наибольший из трех,
остается на своем месте. Если у проекта, суммарный ранг которого Rank Σ
наименьший, ранг по экономической важности Rank E.S. больше ранга по этому же
34
показателю у второго из трех по суммарному рангу Rank Σ проекта, то их следует
поменять местами в общем суммарном ранге. В противном случае суммарные ранги
Rank Σ рассматриваемых проектов останутся без изменений. Тогда анализ по
описанному выше механизму должен производиться по отношению к проекту,
отстоящему через один по суммарному рангу Rank Σ от проекта с максимальным
суммарным рангом.
Если корреляция объемов продаж Corr. S продукции двух проектов больше
предельной (например, 0,5), или уровень конкуренции между проектами Comp. pr.
больше нуля, то однозначно необходимо исключить из портфеля один из двух
связанных таким образом проектов. Это будет проект, суммарный ранг Rank Σ
которого наименьший из двух связанных проектов. С точки зрения суммарного ранга
Rank Σ, исключение проекта из портфеля означает, что суммарный ранг такого
проекта (n) становится меньшим, чем суммарный ранг последнего по приоритету
проекта (m), полученный по правилу Борда.
С учетом вышеизложенного, механизм балансировки портфеля инвестиционных
проектов будет выглядеть, как показано в формулах (2).
если Pr.pr.  Pr.cr.  Sup.pr.  Pur.cr.
pr. ,
то Tech  0, Pr.pr.  Pr .imp.  Pr .pr. ;
если Res j, n  Res j, m  Res. j, m , n  Res. j Cr . 
 Pr.V   Pr .cr.
то Add  0;
V ,
если Br.n  Br.m  Dem.Br.  Dem.pr. 

Vpr.
 Pr .

VN pr .
Vpr.
, то Comp.pr.  0;
если Br.n  Br.m  Dem.Br.  Dem.pr. 

Vpr.
 Pr .

VN pr .
Vpr.
, то Comp.pr.  0;
если Tech n, m  0  Add n, m  0  Rank mE.S.  Rank nE.S.
1 ,
то Rank m  Rank n 1 ; если Tech n, m  0  Add n, m  0 
 Rank mE.S.  Rank nE.S.
то Rank m  Rank n  2 ;
2 ,
(2)
если Corr.Sn  0,5  Comp.pr.  0, то Rank n  Rank m .
где
Δ Pr. pr. – разница цен на продукт проекта Pr. pr. и импортных Pr. imp.;
Δ Pr. pr. cr. – критичная для проекта разница цен на продукт;
Sup. pr. – объем поставок от одного проекта другому проекту;
Pur. pr. cr. – критичный для связанного проекта объем закупок;
Res. j – закупаемый ресурс, одинаковый для нескольких проектов;
ω Res. j – доля ресурса j в общих закупках по каждому из проектов;
ω Res. j Cr. – критичная для синергии доля ресурса j в общих закупках;
Δ Pr. V – скидка на объем V с цены ресурса j по проекту;
Δ Pr. V Cr. – критичная скидка с цены ресурса j по проекту;
Br. n (m) – наименование отрасли по проекту n (m);
Dem. Br. – размер рынка по отрасли с учетом конкуренции;
Dem. pr. – требуемый рыночный спрос на продукцию проектов;
ΔV pr. / Δ Pr. – эластичность спроса по цене на продукцию проекта;
ΔV N pr. – прирост объемов продаж при увеличении числа проектов.
Далее рассмотрим механизм диверсификации портфеля инвестиционных
проектов, финансируемых одним и тем же инвестором. Степень диверсификации
двух проектов Div n, m предлагаем находить как сумму значений по отдельным
показателям диверсификации div z этих проектов. Степень диверсификации по
35
портфелю проектов в целом Div pr. предлагаем определять как среднее степеней
диверсификации Div n, m пар проектов, входящих в этот портфель. Наилучшим будем
считать портфель с максимальной степенью диверсификации Div pr..
В том случае, если степень диверсификации по портфелю проектов в целом Div
pr. окажется меньшей нуля, то необходимо урезать портфель на один проект. Чтобы
узнать, какой из проектов нужно исключить из портфеля, финансируемого одним и
тем же инвестором, предлагаем определять для каждого из проектов суммарную
степень его диверсификации Σ Div n с остальными проектами портфеля. Тогда из
портфеля будет исключен проект с минимальной суммарной степенью
диверсификации Σ Div n с остальными проектами.
С
учетом
вышеизложенного,
механизм
диверсификации
портфеля
инвестиционных проектов, финансируемых одним и тем же инвестором, будет
выглядеть, как показано в формулах (3).
zz
Div n, m   div z ; div z  1...1;
z 1
Div pr.  Div n, m  MAX;
если Div pr.  0, то Div *pr.  Div n, m 1 ;
(3)
0, если  Div n   Div n MIN ;
n out  
1, если  Div n   Div n MIN .
где
div z – рядовые показатели диверсификации проектов;
Div n, m – суммарная степень диверсификации пары проектов;
Div pr. – итоговая степень диверсификации по портфелю в целом;
Div* pr. – итоговая степень диверсификации по урезанному портфелю;
n out – порядковый номер проекта, исключаемого из портфеля;
Σ Div n – суммарная диверсификация проекта n с остальными.
Теперь рассмотрим механизм диверсификации источников финансирования
инвестиционных проектов. Важность постановки этой задачи следует из
хронического дефицита финансовых ресурсов для реализации инвестиционных
проектов в наиболее важных отраслях экономики в Украине. Такой механизм, на наш
взгляд, должен вобрать в себя все наиболее эффективные инструменты
инвестиционной политики на уровне государства. Поэтому степень диверсификации
источников финансирования инвестиционных проектов далее будем считать
функцией от следующих факторов:
- прирост базы налогообложения хозяйствующих субъектов ΔB;
- налоговые льготы при осуществлении инвестиций в проекты Red tax;
- диверсификация по базе налогообложения предприятий Div B Br.;
- диверсификация по налоговым льготам для инвесторов Div Red. tax;
- снижение резервной нормы НБУ при кредитовании проектов Δ R.N.
В свою очередь, мы полагаем, что на прирост базы налогообложения
хозяйствующих субъектов ΔB существенно повлияют следующие условия:
- переход на налогообложение по натуральным показателям деятельности
предприятий Ch. nat. в целях расширения базы налогообложения;
- введение эталонной калькуляции себестоимости Calc et. в отраслевом разрезе
(по КВЕД) в привязке к натуральным показателям.
В соответствии с мировой практикой, предоставление налоговых льгот при
осуществлении инвестиций в проекты Red tax не должно быть безусловным. Поэтому
налоговые льготы Red tax мы будем считать функцией от выполнения условий Cond. Y
потенциальными инвесторами.
36
Для осуществления диверсификации по базе налогообложения предприятий Div
мы
считаем необходимым учитывать следующее:
B Br.
- усредненный по отрасли годовой оборот предприятия S Br. Year;
- усредненная по отрасли рентабельность производства R Br..
Диверсификация по налоговым льготам для инвесторов Div Red. tax должна
осуществляться, на наш взгляд, в зависимости от экономической значимости
инвестиционных проектов по отраслям E.S. Br..
На основе вышеизложенного, механизм диверсификации источников
финансирования инвестиционных проектов будет выглядеть, как показано в
формулах (4).
Div fin.  f D ( B, Red tax , Div BBr . , Div Re d.tax , R.N.);
B  f B (Ch.nat. , Calc.et. ); Red tax  f RT (Cond Y );
(4)
Div BBr .  f DB (SBr.Year . , R Br. ); Div Re d.tax  f DRT (E.S.Br. ).
где
Div fin – диверсификация источников финансирования проектов;
Δ B – прирост базы налогообложения хозяйствующих субъектов;
Red tax – налоговые льготы при инвестировании в проекты;
Div B Br. – диверсификация по базе налогообложения предприятий;
Div Red. tax – диверсификация по налоговым льготам для инвесторов;
Δ R.N.– снижение резервной нормы НБУ по кредитованию проектов;
Ch. nat. – натуральные показатели деятельности предприятий в целях
расширения базы налогообложения;
Calc et. – эталонная калькуляция себестоимости в привязке к
показателям деятельности предприятий;
Cond. Y – условия предоставления налоговых льгот инвесторам;
S Br. Year – усредненный по отрасли годовой оборот предприятия;
R Br. – усредненная по отрасли рентабельность производства;
E.S. Br. – экономическая значимость проектов по отраслям.
Выводы
В результате проведенного исследования нами разработаны в общем виде
основные элементы модели управления портфелями инвестиционных проектов. Эти
элементы отражают следующее. Типы ограничений на масштаб инвестиционных
проектов. Виды взаимосвязей инвестиционных проектов в портфеле и способы их
учета при корректировке результатов ранжирования проектов по Парето или по
Борда. Механизм диверсификации портфеля инвестиционных проектов,
финансируемых одним и тем же крупным институциональным инвестором.
Механизм диверсификации источников финансирования инвестиционных проектов,
основой которого служат наиболее эффективные инструменты инвестиционной
политики государства. Таким образом, цель исследования можно считать полностью
выполненной.
Направлениями дальнейших исследований по данной тематике могут служить
дальнейшие уточнения описания по каждому из приведенных элементов
рассмотренной модели.
Список литературы: 1. Путеводитель в мир управления проектами. Комитет по стандартам
PMI. [Текст]. /Пер. с англ. –К., 1999. –190с. 2. Мазур И. И. Управление проектами. [Текст]. / И.
И. Мазур, В .Д. Шапиро. –М.: ВШ, 2001. –850с. 3. Управление инвестициями. Т.2 / под ред. В. В.
Шеремета [Текст]. –М.: Высшая Школа, 1998. –416с. 4. Волков А. М. Проектный анализ.
37
[Текст]. / А. М. Волков, М. В. Грачева. –М.: Инфра-М, 1998г. 5. Воркут Т. А. Проектный анализ.
[Текст]. / Т. А. Воркут. –К.: Украинский центр духовной культуры, 2000. –440с.
УДК 65.012.25
Модель формирования портфелей инвестиционных проектов / А. С. Ванюшкин
// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - №
4 (978). – С. 31-38. – Бібліогр.:5 назв.
Розроблено модель формування портфелів інвестиційних проектів, яка враховує типи
взаємозв’язку між проектами портфелю для їх пріоритезації, обмеження на масштаб проекту,
необхідність диверсифікації для балансування портфелю, а також диверсифікацію джерел
фінансування проектів за рахунок використання інструментів податкового стимулювання
капіталовкладень.
Ключові слова: інвестиційний проект, портфель, взаємозв’язок, обмеження,
диверсифікація.
There is elaborated the model of formation of investment projects portfolio, which takes into
account types of relation among projects in a portfolio for their prioritization, also it includes
restrictions, laid on scale of an investment project, as well as the necessity of diversification in order to
balance a portfolio, besides, diversification of sources of financing projects by means of using
instruments of tax stimulating of investments.
Keywords: investment project, portfolio, relation, restrictions, diversification.
УДК 629.07
С.І. БОНДАРЄВ, канд. техн. наук, доц., Національний університет
біоресурсів і природокористування України, Київ;
В. В. САРАНА, канд. техн. наук, доц., Національний університет
біоресурсів і природокористування України, Київ;
Б. А. СВЕРЕДЮК, студент, Національний університет
біоресурсів і природокористування України, Київ
УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ТРАНСПОРТУВАННЯ МОЛОКА
ТА ОРГАНІЗАЦІЯ ЙОГО ПЕРЕРОБКИ
З метою скорочення відстані і часу доставки та збереження високої якості молока запропоновані
методи удосконалення організації перевезення молока автомобільним транспортом за рахунок
раціонального розміщення переробних підприємств та зменшення обсягу вантажообігу.
Ключові слова: управління вантажообігом, транспортний процес, перевезення молока,
вантажообіг, транспортна логістика, переробка молока, управління на транспорті.
Вступ
Особливе значення транспорту визначається об’єктивною необхідністю
переміщення сировини від місця виробничих до переробних об’єктів коли йдеться
про швидкопсувні вантажі. Транспортування свіжого охолодженого молока є
технологічно швидкоплинним і складним процесом. Як для транспортування, так і
для зберігання молока існують відповідні вимоги і норми, дотримання яких може
бути лише за умови високотехнологічного оснащення. Наведемо деякі найбільш
вагомі вимоги щодо зберігання та транспортування молока. Зберігання молока тривалість зберігання молока у виробників до продажу не повинна перевищувати
© С.І. БОНДАРЄВ, В. В. САРАНА, Б. А. СВЕРЕДЮК, 2013
38
температур: не вище 4 град. С – 24 год., не вище 6 град. С – 18 год., не вище 8 град. С
– 12 год. Транспортування молока - здійснюється відповідно до Правил перевезення
вантажів автомобільним транспортом в Україні [5]. Транспортування молока повинно
проводитися згідно з ГОСТ 9218 або ГОСТ 2037. Молоко при відправленні від
виробника повинно бути не вище 6 град. С, а при прибутті на місце реалізації – не
вище 8 град. С, тривалість здавання-приймання молока на переробне підприємство не
повинна перевищувати 45 хвилин.
Мета і задачі роботи
Ми задалися метою дослідити на реальному прикладі вантажообіг молока у
межах одного району та зробивши аналіз витратної частини, запропонувати
реорганізаційні механізми з удосконалення як транспортного обслуговування
підприємств-виробників молока, так і зменшення частки загального вантажообігу при
перевезенні молока за рахунок раціонального розміщення об’єктів переробки.
Постановка проблеми і висвітлення результатів досліджень
З наведених основних вимог щодо зберігання і транспортування молока можна
зробити наступний висновок, а саме: виробники молока першочергово повинні мати
обладнання для очищення і короткотермінового зберігання молока це по-перше, подруге мати свої чи орендовані автоцистерни для перевезення молока, по-третє мати
обладнання для визначення і контролю якісних показників молока. За останніми
дослідженнями внаслідок довготривалого транспортування молока до переробних
підприємств відбувається псування молока, наприклад, у вершків підвищується
кислотність і у такому разі вони не використовуються у подальшому виготовленні
вершкового масла, а перероблюються лише на сметану другого ґатунку – це
відображається на доходах підприємства. Отже, у багатьох районах доцільно
створювати середні за величиною пункти переробки молока - орієнтовані на
переробку продукції великих господарств і прилеглих до нього менших з метою
виготовлення якісних молочних продуктів та зменшення транспортної складової ціни
в одиниці продукції.
Вирішення транспортних задач зменшує витрати на транспортування в межах
10–30%. Отже, нами сформульовано задачу оптимізувати обсяги перевезення молока
шляхом розробки оптимального плану-розподілу обсягів перевезення молока, який
би мінімізував вантажообіг. Об’єктом дослідження вибрано господарства
Оржицького району Полтавської області (табл. 1).
Визначимо найбільш раціональні підприємства для організації на їх базі
переробних потужностей. Для цього вибрано найбільш потужні і фінансово-стабільні
господарства - СТОВ "АФ "Оржицька", ПСП "Лазірки", СТОВ "АФ "Куйбишево" та
СТОВ "Зоря". Проектовані переробні підприємства повинні забезпечити повний
обсяг переробки молока, виробленого за рік - це 26296 тон і бути при цьому
рівномірно завантаженими (в середньому 6500 тон на кожне підприємство). Отримані
результати оптимального розподілу обсягів перевезеного молока приведені у табл. 2.
Даний розподіл забезпечує мінімальний вантажообіг перевезень і становить
196174 т·км.
Для порівняння нами застосовано логістичні засади, тобто визначення
пріоритетних господарств з облаштування переробними потужностями за рейтингом
їх значущості, а також проведено АВС-аналіз даних. Для цього будемо
опрацьовувати усі підприємства зазначені у таблицях 1 і 2.
Для розрахунку рейтингу господарств скористаємося наступними критеріями їх
значущості (табл. 3).
39
Таблиця 1 - Обсяг виробництва молока у господарствах району та відстані між
ними і проектованими переробними підприємствами (дані за 2012 рік)
Назви господарств
Обсяг
Відстані між господарствами, км
виробництва
СТОВ "АФ
ПСП
СТОВ
СТОВ
молока, т/рік "Оржицька" "Лазірки"
"АФ
"Зоря"
"Куйбишево"
ПП "Воронинці"
275
20
10
7
32
ПСП "Лазірки"
3790
28
0
15
36
СТОВ "Україна"
1144
22
49
42
36
СТОВ "Селецька"
649
16
39
27
34
СТОВ "Лукім"я"
540
23
47
35
42
СТОВ "Дружба"
1599
13
27
19
12
СТОВ "Зоря"
3418
18
36
28
0
ТОВ "Денисівське"
2063
4
30
20
11
СТОВ "Савинці"
2537
10
23
15
13
СТОВ АФ "Куйбишево"
3713
19
15
0
28
СТОВ "АФ "Оржицька"
4870
0
28
19
18
СГВК "Плехів"
206
20
45
33
31
СФГ "Світанок"
15
18
43
30
25
СФГ "Каміла"
903
20
19
12
29
ТОВ "Пирятинська ТФ"
574
19
46
33
32
Всього, т/рік
26296
Таблиця 2 - Результати рішення транспортної задачі
СТОВ "АФ
ПСП
СТОВ
Обсяги
Назви господарств виробництва, "Оржицька" "Лазірки" "АФ"Куйбишево"
т/рік
Обсяги постачань, т/рік
ПП»Воронинці»
275
0
275
0
ПСП «Лазірки»
3790
0
3790
0
СТОВ «Україна»
1144
1144
0
0
СТОВ «Селецька»
649
0
0
649
СТОВ «Лукім»я»
540
0
0
540
СТОВ «Дружба»
1599
0
506
0
СТОВ «Зоря»
3418
0
0
0
ТОВ «Денисівське»
2063
0
0
0
СТОВ «Савинці»
2537
0
1100
1437
СТОВ
АФ»Куйбишево»
3713
0
0
3713
СТОВ «АФ
Оржицька»
4870
4870
0
0
СГВК «Плехів»
206
0
0
206
СФГ «Світанок»
15
0
0
15
СФГ «Каміла»
903
0
903
0
ТОВ «Пирятинська
ПТФ»
574
560
0
14
Вантажообіг, т·км
196174
35808
58869
65688
40
СТОВ
"Зоря"
0
0
0
0
0
1093
3418
2063
0
0
0
0
0
0
0
35809
Таблиця 3 - Розрахунок рейтингу господарств
Максимальна
Максимальний
Значущість
Критерій вибору господарств
оцінка за цим
добуток значимості
критерію
критерієм
критерію на оцінку
1.Якість молока
0,30
10
3,0
2.Віддаленість виробника
0,25
10
2,5
3.Дорожня складова
0,20
10
2,0
4.Наявність свого транспорту
0,15
10
1,5
5.Закупівельна ціна
0,10
10
1,0
Разом
1,00
10
Результати розрахунку рейтингу господарств за вибраними критеріями
представлені в табл. 4.
1
2
3
4
5
Таблиця 4 - Рейтинг господарств-претендентів для розміщення переробних
потужностей
Назва господарства
Рейтинг господарства
9
8,5
СТОВ «АФ»Куйбишево»
7
СТОВ «АФ «Оржицька»
5
4
Отже, результати в таблиці 4 і 2 майже тзбігаються і тому будемо вважати їх
однаковими. Для аналізу ефективності роботи виробників (табл. 4) застосуємо АВСаналіз, поширений у логістиці. В основі використання цього методу щодо аналізу
постачальників лежить припущення, що не усі господарства характеризуються
однаковим впливом на ефективність, через що доцільно інтенсивніше займатися
виробниками молока, які мають великий обсяг виробленої продукції.
Дані по середньому річному обсягу виробленої продукції за 2012 рік по кожному
господарству представлено у табл. 5.
1
2
3
4
5
Таблиця 5 - Середній річний обсяг виробленої продукції за 2012 рік
Назва господарства
Обсяг продукції,
тон/рік
4870
3790
3713
3418
2537
Загальний обсяг продукції
18 328
Проведемо розрахунки і результати АВС-аналізу по господарствах занесемо у
табл. 6.
АВС-аналіз господарств показав, що найбільший внесок у формування
загального обігу (67 %) зробили три господарства (група А); 19 % сукупного обігу
одне господарство (група В) та інші 14 % обігу забезпечує також одне господарство група С.
41
№
пп
1
2
3
4
5
Таблиця 6 - АВС-аналіз даних виробників
Частка у
Обіг
Назва господарств
загальному обігу, кумулятивний,
%
%
26
26
2221,70
47
18,0200
67
12,0019
86
7,2014
100
Сума
100,0
-
Група
А
В
С
Таким чином, з метою збільшення доходів у сфері виробництва молока доцільно
приділити увагу А- та В-виробникам (сукупний оборот продукції – 86 %), оскільки
інтенсивніша робота з ними може вплинути на загальний обсяг виробництва
переробного підприємства.
Висновки
Раціоналізація транспортного процесу при перевезенні
молока дозволяє
заощадити оборотні кошти і направити їх на оновлення основних фондів, тобто
оновлення чи модернізацію переробних потужностей. Раціональне розміщення
молоко-збиральних пунктів і переробних об’єктів забезпечить зменшення загального
вантажообігу і збереження якісних властивостей молока.
Актуальними напрямами подальших досліджень вважаємо обґрунтування
економічної доцільності використання сучасного обладнання для переробки молока,
яке на даний час широко використовується на більшості переробних підприємствах у
порівнянні з існуючими методами ведення виробничого процесу.
Список літератури: 1. Зайченко, Ю. П. Дослідження операцій [Текст] / Ю. П. Зайченко. – К.:
Видавничий Дім «Слово», – 2006. – 816 с. 2. Нагірний, Ю.П. Обґрунтування інженерних рішень
[Текст] / Ю. П. Нагірний . - К.: Урожай, 1994. – 216 с. 3. Правила перевезення вантажів
автомобільним транспортом в Україні (затверджені наказом Мінтрансу України від 14.10.97 №
363 (z0128-98) [Текст] . – К.: 1997. – 16. 4. Молоко коров’яче незбиране. Первинне оброблення,
зберігання і транспортування. Галузевий стандарт України [Електронний ресурс] / чинний від
08.01.2004. – Режим доступа : \www/URL:http://vet.in.ua/php/ - 02.01.2007 р. – Загол. з екрану.
УДК 629.07
Удосконалення процесу транспортування молока та організація його переробки / С.И.
Бондарев, В.В. Сарана, Б.А. Свередюк // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних
технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 38-42. – Бібліогр.:4 назв.
С целью сокращения расстояния и времени доставки и сохранения высокого качества
молока предложены методы усовершенствования организации перевозки молока
автомобильным транспортом за счет рационального размещения перерабатывающих
предприятий и уменьшения объема грузооборота.
Ключевые слова: управление грузооборотом, транспортный процесс, перевозка молока,
грузооборот, транспортная логистика, переработка молока, управления транспортом.
In order to reduce the distance and time of delivery and maintain the high quality of the milk
suggest methods to improve the organization of transportation of milk by road through judicious
placement of processors and reduce the amount of cargo.
Keywords: management turnover, the transport process, transport of milk, turnover, transport
logistics, milk processing, transport management.
42
УДК 006.015.5
В. В. СЕБКО, д-р. техн. наук, проф., НТУ "ХПИ";
Ю. Л. ЛИТВИНОВА, магистр, НТУ "ХПИ";
К. И. ЛЯШЕНКО, магистр, НТУ "ХПИ"
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРНЫХ
ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПРОБЫ ПИЩЕВОГО
КРАСИТЕЛЯ ЗА СЧЁТ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОПАРАМЕТРОВОГО
МЕТОДА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ
Исследован бесконтактный двухпараметровый вихретоковый метод применительно к контролю
электрических и температурных параметров пробы пищевого красителя. Получены численные
значения контролируемых параметров.
Ключевые слова. Качество, совместный контроль, тепловой преобразователь, точность
измерений, температура, удельная электропроводность, погрешности измерений, метод, сигнал,
достоверность контроля.
Введение. В настоящее время пищевые красители широко используются во всех
отраслях
пищевой
промышленности.
Специальными
государственными
нормативными документами установлены допустимые уровни их содержания, как при
производстве пищевых продуктов, так и кулинарных блюд. Одним из основных
параметров характеризующих качество пищевых красителей как искусственных, так и
натуральных является температура [1-3]. Как известно, при нагреве и охлаждении
многие натуральные и искусственные красители теряют свои свойства, снижая тем
самым показатели безопасности, эстетические и органолептические показатели
качества пищевой продукции, а также показатели стандартизации и унификации [1-3].
Следует отметить, что изменение характеристик пищевых красителей,
особенно искусственных, может нанести вред здоровью потребителей. Таким
образом, измерительный контроль температуры, в данном случае, создает
предпосылки для управления качеством в заданных диапазонах и в определенные
установленные государственными нормативными документами сроки [1-3].
Устройства и первичные преобразователи, которые используются для
измерительного контроля температуры в настоящее время, это, как правило,
дилатометрические и контактные тепловые устройства. При этом, как известно,
жидкая термометрия основана на тепловом расширении жидкости [4]. Вследствие
различия теплового расширения жидкости и кварцевого резервуара (в который она
заключена) при изменении температуры, изменяется длина столбика, находящегося в
капилляре. Температуру определяют по положению мениска относительно шкалы [4].
Принцип действия тепловых контактных термометров сопротивления основан
на зависимости электрического сопротивления R чувствительного элемента (тонкой
металлической
проволоки,
чувствительного
элемента,
выполненного
из
полупроводникового материала) от температуры t. Передача измерительной
информации от термометров сопротивления осуществляется с помощью
автоматических электронных мостов (высокого класса точности), измеряющих
изменение электрического сопротивления термометра R при изменении температуры t
контролируемой среды [4].
Термоэлектрический метод измерения температуры t, основан на определенной
зависимости между термо-ЭДС, устанавливающейся в цепи, состоящей из
разнородных проводников, и температурами мест их соединений [4]. Для измерения
© В.В. СЕБКО, Ю.Л. ЛИТВИНОВА, К. И. ЛЯШЕНКО, 2013
43
термо-ЭДС в комплекте с термоэлектрическими термометрами в качестве вторичных
приборов применяются, как правило, автоматические потенциометры для
непрерывного измерения, записи и регулирования температуры [4].
В данной статье предлагается повысить точность измерений температуры проб
контролируемых жидких пищевых красителей, путем использования бесконтактных
вихретоковых методов контроля температуры, и вихретокового преобразователя
трансформаторного типа (ТВП), который на выходе позволяет получить
измерительную информацию в виде электрических сигналов: ЭДС ТВП и угла сдвига
фаз [5-8]. Полученную измерительную информацию можно передавать на
расстояние, измерять с высокой точностью, подавать на вход ПК (в том числе и при
автоматизации процесса измерений). Следует отметить, что измерительный контроль
температуры пищевых красителей имеет очень важное самостоятельное значение,
особенно при хранении, транспортировке и эксплуатации красителей, так как дает
возможность судить об их свойствах в целом [1-3]. Современная промышленность
позволяет выпускать натуральные и искусственные пищевые красители, которые
придают продуктам питания определенный цвет, а также восстанавливают цвет
продукта, утраченный после обработки [1-3]. Так, например, одним из самых
распространенных антиоксидантов и пищевых красителей для мясных и колбасных
изделий, мороженого, джемов, десертов, желе является пищевой краситель бетанин
[1-3]. В настоящей статье предлагается совместное определение удельной
электрической проводимости t (или удельного электрического сопротивления t) и
температуры t образца пищевого красителя с помощью бесконтактного
вихретокового метода, который реализуется на базе теплового ТВП, использующего
продольное поле.
При этом, получение первичной информации в виде электрических сигналов,
отсутствие контакта с объектом контроля (ОК) и высокая производительность,
определяют широкие возможности контроля температурных параметров
немагнитных жидкостей бесконтактными вихретоковыми преобразователями и
методами на базе которых они реализуются [5-8]. Следует отметить, что по типу
преобразования параметров ОК, в выходной сигнал вихретоковые преобразователи
классифицируют как параметрические (ПВП) (имеющие одну обмотку,
осуществляющую одновременно и намагничивающую и измерительные функции) и
трансформаторные (ТВП) (имеющие две обмотки, при этом первичная обмотка
служит для создания электромагнитного поля, а следовательно, вихревых токов в ОК,
а другая – измерительная для измерения ЭДС, наводимой в ней результирующим
магнитным потоком, проходящим внутри этой катушки [5]. Амплитуда и фаза ЭДС
во вторичной измерительной катушке будут зависеть от параметров ОК [5]. При этом
катушки вихретоковых преобразователей помещают в предохранительный корпус,
они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям и представляют собой
весьма надежные первичные преобразователи [5-8]. Следует отметить, что
использование ПВП при измерительном контроле температуры проб жидкостей [9,
10], затруднено из-за сложности универсальных функций преобразования,
температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления обмотки ПВП и
влиянием на результаты измерений параметров ОК [10]. Поэтому в дальнейшем для
измерения температуры проб контролируемых пищевых красителей целесообразно
использовать ТВП.
В данном случае контролируемый образец пищевого красителя (бетанина),
44
используемый в схеме включения теплового ТВП, представлен в виде пробы
натурального свекольного сока, помещенного в стеклянную кварцевую трубку. Во
время такого измерительного контроля рекомендуется имитировать нагрев пробы
непосредственно в первичном ТВП, а затем оценить уровень качества пробы
пищевого красителя, сравнив коррелирующие параметры образца до и после нагрева.
До настоящего времени практически не известно использование теории работы
теплового ТВП и вихретоковых методов на базе, которого они реализуются
применительно к контролю пищевой продукции и пищевых добавок. При этом
трудности, как правило, возникали из-за отсутствия необходимого математического
аппарата, универсальных функций преобразования, сложности контроля проб
пищевых продуктов, алгоритмов вычислительных и расчетных процедур, а также
сложности определения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) . В то
же время дилатометрические и контактные методы и устройства обладают низкой
точностью измерений и достоверностью контроля температуры [7, 8].
Одним из распространенных методов контроля пищевых красителей является
"Метод определения удельной электрической проводимости водной вытяжки" [1]. При
этом для определения удельной электрической проводимости  используют
кондуктометрические датчики погружного типа, т.е. сначала определяют
электрическое сопротивление R, а затем на основании известного соотношения
(косвенные измерения) находят  [1–4]. Следует отметить, что данный метод обладает
весьма не высокой точностью.
С точки зрения авторов, при оценке уровня качества пищевых продуктов и
пищевых красителей возникает важная проблема разработки многопараметровых
методов и реализующих их устройств для повышения точности определения
показателей качества пищевой продукции, а также разработки новых методик оценки
уровня качества на основе совместного многопараметрового измерительного
контроля коррелирующих параметров, которые являются важными характеристиками
ОК и указаны в нормативных документах.
Таким образом, целью работы является исследование бесконтактного
вихретового метода контроля электрических и температурных параметров пробы
пищевого красителя на базе теплового вихретокового преобразователя (ТВП). Для
достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать алгоритм совместного определения электрических и
температурных параметров пробы пищевого красителя с помощью теплового ТВП.
2. Привести основные соотношения, описывающие данный метод.
Исследование возможности применения теории работы теплового ТВП для
измерительного контроля электрических и температурных параметров проб пищевых
красителей.
Как отмечено выше, «полезный» сигнал трансформаторных вихретоковых
датчиков, это ,как правило, сигнал переменного тока, который является
трехпараметровым и включает в себя следующие информативные составляющие:
амплитуду, фазу и частоту. На этом основана вся методика многопараметровых
измерений электромагнитных и неэлектрических величин при реализации
многопараметровых вихретоковых методов. В научных работах [5–7] был введен
параметр N, который представляет собой удельную нормированную ЭДС ТВП с
контролируемым немагнитным объектом, также был введен фазовый угол сдвига вн
между ЭДС Е0 и Евн.
45
Работу тепловых ТВП можно описать следующим уравнением, связывающим
сигналы ТВП с электрическими и температурными параметрами контролируемого
объекта [5–8].



 N t  f  t   t  , t 

.
t  f  t  t  , t 

1
 t 





1  1   t  t  t1  

1


(1)
При этом в системе (1) третье уравнение связывает удельную электрическую
проводимость t (или t) и температуру t ОК.
Следует отметить, что сигналы теплового ТВП являются в данном случае
температурозависимыми, так как такой измерительный контроль предусматривает
нагрев образца в процессе контроля (для имитации нагрева в условиях изготовления,
хранения и производственного использования). Схема включения теплового ТВП
должна обеспечивать частоту магнитного поля 50 МГц. В этом случае наиболее
достоверным результатом измерений является среднее значение термозависимого
параметра Nt и среднее значение фазового угла внtср. Следует отметить, что при
частоте f = 50 МГц, показания измерительных приборов не зависят от геометрических
параметров стеклянной кварцевой трубки (в которую помещается проба).
На рис. 1 с учетом результатов работ [5–
ОС
8] приведена схема включения теплового
І
Б
Г
ТВП для контроля электрических и
температурных
параметров
пробы
А
Ч
пищевого красителя. В схему входит
R
ТВП, генератор – Г, частотомер – Ч,
ВП
ТВП
КП
осциллограф – ОС, вольтметры В1 и В2,
ТХК
образцовое сопротивление – R0, фазометр
Н
– Ф, опорный ВП. В схему также входит
О
компенсационный
вихретоковый
В
В
преобразователь – КП, при этом ТВП, ВП
Е (Е )
и КП имеют одинаковое число витков, а
Е
также
геометрические
параметры
Е

первичных
и
вторичных
обмоток
Ф
(первичные обмотки ТВП, КП и ОП
включены последовательно – согласно, а Рис. 1 - Схема включения теплового ТВП
вторичные ТВП и КП последовательно –
с контролируемой пробой пищевого
встречно). КП предназначен для полной красителя (при имитации нагрева пробы)
компенсации паразитной ЭДС Е1 при
отсутствии в ТВП ОК [5–8]. Схема предусматривает нагреватель Н для имитации
процесса нагрева в диапазоне от 20 до 80 С [8].
Тепловой ТВП выполняет одновременно следующие функции: создает полезный
магнитный поток Ф2t в контролируемом образце, обеспечивает регистрацию ЭДС
Евнt, а также обеспечивает нагрев образца в процессе контроля с помощью
нагревателя – Н, расположенного в ТВП [5-8]. Во время работы схемы измеряют
зависимую от температуры разностную ЭДС Евнt с помощью вольтметра В1, после
о
2
1
0
внt
0
внt
46
чего регистрируют с помощью Ф фазовый угол внt между ЭДС Е0 и Евнt. Как
известно [5, 6]
Евнt = Еt – Е0.
(2)
В схеме на рис. 1 также предусмотрен стабилизатор тока Б, использование этого
устройства обусловлено устранением источника погрешности измерения
термозависимых параметров ТВП Евнt, внt вследствие влияния температуры внешней
среды и нагрева пробы самим ТВП [7, 8]. Что в свою очередь, приводит к
повышению достоверности контроля Добщ, вследствие увеличения инструментальной
составляющей Ди [11].
Добщ = Дм  Ди.
(3)
Как уже отмечалось выше в работах [5, 6] рассмотрены электромагнитные
методы контроля физико-механических параметров немагнитных изделий: введены
параметры N и вн и получены функции преобразования N = f(x) и вн = f(x) - без
учёта влияния температуры на сигналы ТВП [7].
На рис. 2 - 3 приведены фрагменты функций преобразования Nt = f(xt) и внt =
f(xt) с учетом влияния температуры на информативные параметры теплового ТВП,
т.е. в данном случае ЭДС и фазу – Nt и внt, а также обобщенный магнитный параметр
хt (который также является термозависимым).
внt, град
Nt
20С
89,14
79,32С
30,38С
0,06
70,42С
88,47
0,049
39,99С
49,99С
88,07
0,031
39,99С
49,99С
0,025
87,61
30,38С
0,019
60,04С
87,11
0,012
20С
70,42С
86,57
0
0,33
0,40
0,45
0,50
0,60
0,65
0,70
xt
Рис. 2 - Фрагменты зависимости ЭДС
теплового ТВП от обобщенного
параметра хt при исследовании
нагреваемой пробы пищевого красителя
79,32С
85,97
0
0,33
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
xt
Рис. 3 - Фрагменты зависимости угла сдвига
фаз теплового ТВП от хt при исследовании
нагреваемой пробы пищевого красителя
В таблице 1 приведены численные значения параметров теплового ТВП с
контролируемой пробой, при имитации процесса нагрева.
Таблица 1 – Значения параметров теплового ТВП с контролируемой пробой
пищевого красителя от температуры t
t
Nt
хt
внt
20
0,012
0,33
89,14
30,38
0,019
0,40
88,47
39,99
0,025
0,45
88,07
49,9
0,031
0,50
87,61
60,04
0,0378
0,55
87,11
70,42
0,044
0,6
86,57
79,32
0,049
0,65
85,97
Анализируя эти зависимости можно сказать, что зависимость на рис. 2а имеет
возрастающий характер, и температурные точки на ней соответствуют t – 20; 30,38;
39,99; 49,99; 70,42; 79,32 С. Точки начинаются от начала кривой и заканчиваются в
47
ее конце. Зависимость на рис. 3 является спадающей.
Аналитические выражения для параметра Nt и его фазы внt, с учетом влияния
температуры имеют следующий вид [5-8]
Nt 
Eвн t
E0
1  k cos     k sin   ,
2
t
tgвн t 
t
t
t
kt sin t
,
1  kt cos t
(4)
(5)
Следует отметить, что при сравнительно высоких частотах (ft = 50 Гц) мы, как
уже отмечалось выше, ориентируемся на средние значения параметра Nсрt и средние
значения фазового угла сдвига внt, при этом Nсрt и внt зависят от температур
контролируемых проб
N1t  N 2t  N3t  N 4t
,
4
  вн 2t  вн 3t  вн 4t
.
 вн1t
4
N ср t 
ср t
(6)
(7)
При частоте ft = 50 Гц аналитические выражения для определения удельной
электрической проводимости t и температуры t контролируемой пробы имеют
следующий вид

2 1  2
2 E0 1 

xt
xt xt2 


Et  E0 ft 0 d ï2
.


2 1  2 
  xt  1 
 2 1 E0 1 
xt xt2 
 1   t1  
t .

t 

2
 Et  E0   ft 0 dп  1
  



(8)
(9)
Результаты определения температуры t пробы пищевого красителя и
коррелирующего параметра удельного электрического сопротивления t (величина
которого обратна t [4]), а также численные значения погрешностей измерений приведены в табл. 2.
Таким образом, исследован бесконтактный двухпараметровый вихретоковый
метод контроля удельного электрического сопротивления t (удельной электрической
проводимости t) и температуры t пробы пищевого красителя на базе теплового
вихретокового преобразователя (ТВП), который предусматривает дополнительную
нагревательную обмотку для достижения имитации воздействия температуры на
контролируемый образец.
Таблица 2 – Результаты определения контролируемых параметров пробы
t, C
t10-1, Омм
t, %
, %
t  , C
20
20,02
2,80
0,1
0
30
30,38
2,87
1,27
2,5
40
39,99
2,935
-0,025
2,26
50
49,9
3,0
-0,2
2,21
60
60,04
3,07
0,07
2,33
70
70,42
3,14
0,6
2,28
80
79,32
3,20
-0,85
1,91
48
Выводы. В связи с исследованием и диагностикой пищевых добавок и
продовольственных товаров необходимо изучать вопросы разработки, применения и
усовершенствования методов, алгоритмов и приемов измерительного контроля
физико-химических параметров контролируемых образцов. Так как пищевые
продукты, добавки и красители характеризуются не только органолептическими
свойствами, например, цветом, запахом, вкусом, а и физико-химическими
показателями: температурой, влажностью, концентрацией, сопротивлением и т.д.
Каждая из этих характеристик имеет влияние на качество продукции в целом.
Таким образом, в рамках исследования важной проблемы, которая заключается
в разработке многопараметровых методов и реализующих их устройств, для
повышения точности определения показателей качества пищевой продукции, а также
разработки новых методик оценки уровня качества на основе совместного
многопараметрового измерительного контроля коррелирующих параметров, которые
являются важными характеристиками ОК и указаны в нормативных документах,
исследован бесконтактный вихретоковый двухпараметровый метод контроля
удельного электрического сопротивления t (или удельной электрической
проводимости t) и температуры t жидкой пробы пищевого красителя на базе
теплового ТВП. Разработан алгоритм совместного определения электрических и
температурных параметров пробы пищевого красителя с помощью теплового ТВП.
Приведены основные соотношения, описывающие двухпараметровый вихретоковый
метод совместного измерительного контроля электрических и температурных
параметров контролируемой пробы. Научной новизной работы является
использование теории работы теплового ТВП применительно к бесконтактному
измерительному двухпараметровому контролю t (t) и t пробы пищевого красителя.
Практическим значением работы является то, что данная методика измерений
температуры t, позволяет увеличить точность измерений и может быть косвенно
использована при оценке уровня качества пищевых красителей.
Список литературы: 1. Димань Т. М., Мазур Т. Г. Безпека продовольчої сировини і харчових
продуктів. – Підручник. – Київ: ВЦ "Академія". – 2011. – 517 с. 2. Клименко М. О., Скрипчук П.
М. Метрологія, стандартизація і сертифікація в екології. – Підручник. – Київ: ВЦ "Академія". –
2006. – 366 с. 3. Черевко О. І., Крайнюк Л. М. та ін.. Методи контролю продукції. – Навчальний
посібник. – Суми: ВЦ "Університетська книга". – 2009. – 299 с. 4. Левшина Е. С., Новицкий П. В.
Электрические измерения физических величин. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с. 5.
Герасимов В. Г., Клюев В. В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля
промышленных изделий. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 272 с. 6. Горкунов Б. М., Сомхиева О.
С., Ду Хиан Янг. Дифференциальный электромагнитный преобразователь с цилиндрическим
проводящим изделием // Збірник наукових праць ІІ-ї Міжнародної науково-технічної
конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія 99)". – Харків: ХДНДІМ. – 1999.
– Т1. – С. 220-223. 7. Себко В. П., Себко В. В. Вихретоковые методы и преобразователи для
определения температуры изделий и сред // Вестник ХГПУ. – Харьков: ХГПУ. – Вып. 24. –
1999. – С. 10-16. 8. Себко В. В., Здоренко В. Г., Нзиока А. М. Вихорострумовий контроль
температури в технологічному процесі обжигу клінкера // Вісник Київського національного
університету технологій та дизайну. – Київ: КНУТД, 2012. – №5 (т.2). – С. 64-71. 9. Себко В. В.,
Сиренко Н. Н., Гора С. А. и др. Параметрический преобразователь для определения потерь
мощности. – Техническая электродинамика, 1993. - №4. – С. 75-78. 10. Москаленко И. И.
Электромагнитный параметрический преобразователь. – Український метрологічний журнал. –
Харків. – 1997.- Вип. 1. – С. 7-10. 11. Дунаев Б. Б. Точность измерений при контроле качества. –
К.: Техніка, 1981. – 150 с.
Надійшла до редакції 19.12.2012
49
УДК 006.015.5
Повышение точности измерений температурных параметров контролируемой пробы
пищевого красителя за счёт реализации многопараметрового метода измерительного
контроля / Себко В.В., Литвинова Ю.Л., Ляшенко К. И. // // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові
рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 43-50. – Бібліогр.: 11назв.
Досліджено безконтактний двохпараметровий вихорострумовий метод стосовно до
контролю електричних та температурних параметрів проби харчового барвника. Отримано
чисельні значення параметрів, що контролюються. Іл.: 3, Бібліогр.: 11
Ключевые слова: Качество, совместный контроль, тепловой преобразователь, точность
измерений, температура, удельная электропроводность, погрешности измерений, метод, сигнал,
достоверность контроля.
The contactless two-parameter eddy-current method with reference to control of electric and
temperature parameters of test of food dye is investigated. Numerical values of controllable parameters
are received.
Key words: Quality, consistent control, converter heat, accuracy of measurement, temperature,
specific conductance, measurement error, method, signals, reliability of control.
УДК 536.521.2
Є. М. КІСЕЛЬОВ, канд. техн. наук, доц., ЗДІА, Запоріжжя
ПОБУДОВА СИСТЕМИ ВІДДАЛЕНОГО МОНІТОРИНГУ
ПЕРЕДІНФАРКТНИХ СТАНІВ
У цій статті розглядаються особливості побудови системи віддаленого моніторингу
передінфарктних станів на базі мобільних телефонів. Досліджено методи визначення і виділення
критеріїв розпізнавання передінфарктних станів на ЕКГ.
Ключові слова: передінфарктні стани, фільтрація, електрокардіограма, моделювання,
моніторинг, спектр.
Вступ
Медичні установи в світі витрачають на мобільні технології більше, ніж в
середньому на інші галузі: більше 10% ІТ - бюджету інвестується в мобільні
технології в 70% досліджених медичних установ. Медичним установам світу
сьогодні значно бракує середнього і молодшого медичного персоналу, з чим
пов'язано до 25% всіх лікарських помилок. Досягнення науки збільшують середню
тривалість життя, внаслідок чого зростає доля старіючого населення, що вимагає
постійної уваги з боку працівників охорони здоров'я. Мобільні технології
допомагають надати якісне обслуговування більшості пацієнтам. Зважаючи на те, що
в сучасному світі, згідно даних медичної статистики, смертність внаслідок інфаркту
займає одне з перших місць серед медичних патологій, актуальним додатком до
мобільних технологій є створення системи ранньої діагностики передінфарктних
станів.
Аналіз літературних даних і постановка проблеми
Як показано у [1], електрокардіосигнал (ЕКС) змінюється залежно від часу, що
минув від початку розвитку інфаркту міокарда. Однак, під час початкового періоду
інфаркту ЕКГ реєструється досить рідко і лікар, зазвичай, має справу з пізнішими
електрокардіографічними ознаками гострої стадії інфаркту міокарда. Аналіз
різновидів інфаркту міокарда і відповідних патологічних змін ЕКГ свідчить про
необхідність принципового вирішення завдання з діагностики передінфарктних
станів. Узагальнені характеристики зміни ЕКГ при інфаркті міокарда, залежно від
© Є. М. КІСЕЛЬОВ, 2013
50
локалізації ураження, представлені в [1]. При моніторингу ЕКГ рекомендується
використовувати 3 відведення, локалізація яких на тілі пацієнта визначатиметься
лікарем, що лікує пацієнта, при установці або підключенні системи на основі вже
наявних клінічних і доклінічних ознак. Т.ч., передбачається забезпечити великий
ступінь універсальності системи, що розробляється, спростити її конструктивнотехнічну реалізацію і понизити ступінь гіпердіагностики або помилок, що до
визначення ознак.
Мета роботи
Метою роботи є дослідження патологічних сигналів ЕКГ для визначення
критеріїв передінфарктних станів і методів їх виділення з ЕКС, а також розробка
системи фільтрації сигналів ЕКГ та синтез електронних пристроїв.
Основний матеріал
За відсутності достатньої кількості експериментальних досліджень ЕКГ,
основним методом виявлення ознак є математичне моделювання патологічних
спектрів сигналів. Т.ч., одним із запропонованих методів є шматочно - лінійна
апроксимація. У цьому випадку кожен сегмент або зубець ЕКГ описується певною
кількістю крапок із заданими координатами. Такий підхід зручний для генерації ЕКС,
що імітує різні відхилення або захворювання, для подальших досліджень без
отримання додаткових даних реальних пацієнтів. На цій основі було синтезовано
сигнал типової ЕКГ тривалістю 2 с, з використанням шматочно - лінійної
апроксимації та ЕКС при інфарктах різної локалізації. Дослідження синтезованих
сигналів ЕКГ проводились у середовищі Electronics Workbench. При цьому
використовувалися
шматочно
лінійне джерело для зчитування
інформації
з
файлу
даних
і
віртуальний
осцилограф
для
відображення сигналу. Отримана
осцилограма нормального сигналу
ЕКГ наведена на рис. 1.
Аналіз
отриманих
сигналів
виконувався за допомогою їх Фур’є перетворення
за
гармонічними Рис. 1 - Два серцевих цикли нормальної ЕКГ
складовими. Використовуючи метод
ідентифікації,можливо здійснити кодування кожного інфаркту за наступним
принципом: «0» - рівень сигналу певної гармоніки будь-якого інфаркту менший рівня
сигналу аналогічної гармоніки типової ЕКГ, «1» - рівень сигналу певної гармоніки
будь-якого інфаркту вище рівня сигналу аналогічної гармоніки типової ЕКГ. Т.ч.,
результати кодування можуть бути представлені у вигляді, наведеному в табл. 1.
Таблиця 1 - Кодування паталогій згідно Фур’є - перетворення сигналу ЕКГ
Види інфарктів
№ гармоніки
0 1 2 3 4 5 6 7
Передньоперегородчатий та передньобазальний
Передньоверхній та передньобазальний
Передньобоковий, задньофрагмальний, поширений задній
Поширений передній
Задньобазальний, задньофрагмальний, задньобоковий,
поширений задній
51
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
8
0
0
0
1
1
На цій основі нами розроблено структуру системи віддаленого моніторингу
ЕКГ, яка наведена на рис. 2. Схема складається з 2 частин, мобільної та стаціонарної,
котрі зв’язані між собою каналом бездротового зв’язку. Мобільна частина включає в
себе
систему
моніторингу
сигналу
МТ
МІС
ЕКГ,
що
містить
1
програмно-апаратний
СМ ЕКГ
МТ
комплекс з
обробки
ЕКС
та
2
мобільний телефон. У
МТ
МТ
МТ
СК ЕКГ
критичних
ситуаціях,
тобто при інфарктах
різної
локалізації,
ДМП
система подає сигнал
телефону, котрий, в свою
чергу, за каналом зв’язку Рис. 2 - Структурна схема системи віддаленого моніторингу
з’єднується з системою ЕКГ: СМ ЕКГ – система моніторингу електрокардіограми;
МТ – мобільний телефон; МІС – медична інформаційна
оповіщення медичного
персоналу, що входить система; СК ЕКГ – система контролю електрокардіограми;
ДМП – допоміжний медичний персонал
до складу стаціонарної
частини.
Система оповіщення медичного персоналу складається безпосередньо з
мобільного телефону, системи контролю ЕКГ, яку обслуговує працівник з
допоміжного медичного персоналу. У свою чергу система контролю ЕКГ формує
сигнал медичній інформаційній системі, що виконує пошук медичної карти пацієнта
в медичній базі даних, вносить нову інформацію і зберігає її. Під час цього процесу
система контролю ЕКГ зв’язується з безпосереднім лікарем пацієнта, у разі
неможливості зв’язатися з лікарем пацієнта, система зв’язується з черговим лікарем.
Відповідно до структурної схеми, було розроблено блок-схему системи
моніторингу ЕКГ пацієнта (рис. 3), котра знаходиться в мобільній частині. Система
складається з блоку аналогової обробки (БАО), блоку цифрової обробки (БЦО), блоку
прийняття рішення (БПР) та блоку управління комунікаційним каналом (БУКК).
Лікар
Паціент
Черговий
лікар
Мобільна частина
Система оповіщення медичного
персоналку
Стаціонарна частина
Відведення
Vx
Vy
Vz
Блок
аналогової
обробки
Блок цифрової
обробки
Блок
прийняття
рішення
Блок управління
комунікаційним
каналом
До МТ
Рис. 3 - Блок-схема системи моніторингу ЕКГ пацієнта
Для дослідження спотворення ЕКГ шкідливими сигналами було проведено його
імітаційне моделювання в системі VisSim Comm 6.0 [2]. При цьому
використовувалась схема вимірювання спектральної щільності потужності (СЩП)
сигналу ЕКГ з різними за рівнем спотвореннями.
Аналіз спектральної щільності потужності ЕКГ сигналів зі спотвореннями
різного рівня показує, що зі збільшенням шкідливої складової сигналу характер зміни
СЩП типової ЕКГ наближається за виглядом до СЩП ЕКГ інфарктів різної
локалізації. Т.ч., з метою підвищення надійності розпізнавання передінфарктних
станів, необхідно знизити рівень шкідливих складових сигналів шляхом
52
використання системи аналогової фільтрації ЕКГ.
Аналіз СЩП ЕКГ сигналів зі спотвореннями різного рівня показує, що зі
збільшенням шкідливої складової сигналу характер зміни СЩП типової ЕКГ
наближається за виглядом до СЩП ЕКГ інфарктів різної локалізації. Тому, з метою
підвищення надійності розпізнавання передінфарктних станів, необхідно знизити
рівень шкідливих складових сигналів шляхом використання системи аналогової
фільтрації ЕКГ.
Згідно з імітаційним моделюванням СЩП розроблено структурну схему БАО
системи віддаленого моніторингу Електроди
Автоматичне регулювання підсиленням
ЕКГ, яка наведена на рис. 4. Схема
Обмежувач
Підсилювач
Фільтр
сигналу
сигналу
складається з електродів, котрі
передають сигнал ЕКГ по трьох
Обмежувач
відведеннях на схему фільтрації
Комутатор
Фільтр
сигналу
сигналу
аналогових
сигналу від шкідливих складових,
сигналів
викликаних
шумом,
тремором
Обмежувач
м’язів, зовнішніми наведеннями та
Фільтр
сигналу
сигналу
ін. Наступним етапом є амплітудна
обробка сигналу, яка реалізована на
До блоку цифрової
Схема вибірки та
схемі
обмеження
та
схемі
обробки сигналу
запам’ятовування
підсилення, котрі входять до
Рис. 4. Структурна схема блоку аналогової
комплексу
автоматичного
обробки сигналу
регулювання підсилення (АРП).
З метою економії кількості аналогово-цифрових перетворень, застосовуваних при
обробці сигналів ЕКГ по кожному відведенню, раціонально використовувати
комутатор аналогових сигналів з’єднаного через схему вибірки та запам’ятовування з
БЦО.
Встановлено, що у якості фільтра аналогового сигналу ЕКГ краще
використовувати низькочастотний фільтр другого порядку Баттерворта, оскільки
сигнал, відфільтрований ним, найбільш близький по формі та амплітуді до
нормального ЕКС.
Аналіз табл. 1 показує, що в якості головного критерію розпізнавання інфаркту
міокарда можливо використовувати дані першої гармоніки. При цьому, дані нульової
і другої гармоніки застосувати у якості допоміжних в розпізнаванні критичного
стану. Т.ч., з метою підвищення надійності розпізнавання передінфарктних станів,
необхідно використати систему аналогової фільтрації нульової, першої та другої
гармоніки сигналу ЕКГ. В якості фільтрів нульової гармоніки використовуються
фільтр другого порядку Баттерворта, а в якості першої та другої гармоніки
використовуються смугові фільтри четвертого порядку за характеристикою
Баттерворта для забезпечення високого рівня добротності, що, в свою чергу,
забезпечить вузьку смугу пропускання.
Аналіз рис. 3 показує, що є можливим варіант реалізації структурної схеми
блоків цифрової обробки та прийняття рішення системи віддаленого моніторингу
ЕКГ, який приведений на рис. 5. Блок цифрової обробки, реалізований на аналогових
фільтрах та підсилювачах відфільтрованого сигналу, з’єднаних послідовно з схемами
порівняння – компараторами з опорним сигналом та блоком прийняття рішення на
елементарних логічних елементах, має малу споживчу потужність та більшу
швидкодію, що є важливим фактором для розробки системи.
Vx
Vy
Vz
53
Настройка
системи
Фільтр "0"
екстреного
сповіщення
про
гармоніки
невідкладні
стани
пацієнта
здійснюється шляхом конфігурації
Фільтр "1"
Від
до БУКК
гармоніки
SIM-карт мобільних телефонів,
БАО
підключених до мобільної та
Фільтр "2"
стаціонарної
частини
БУКК.
гармоніки
Також для зменшення ваго габаритних показників системи
було розроблено гібридні модулі Рис. 5. Структурна схема блоку цифрової обробки
та прийняття рішення
мобільної та стаціонарної частин,
які мають відповідно розміри 108х74 мм і 35х26 мм.
Висновки
Аналіз різновидів інфарктів міокарда і відповідних до них патологічних змін
показав, що є можливість реалізації розпізнавання передінфарктних станів на основі
методу ідентифікації.
З метою дослідження критеріїв розпізнавання передінфарктних станів було
синтезовано патологічні ЕКГ за допомогою шматочно - лінійної апроксимації.
Дослідження синтезованих ЕКГ на основі Фур’є - перетворення виявило, що у якості
критеріїв розпізнавання можливо використовувати значення амплітуд нульової,
першої та другої гармонічних складових.
На основі досліджень спотворень ЕКС запропоновано побудову системи
фільтрації за трьома відведеннями, що використовують фільтри Баттерворта другого
ступеня.
Встановлено, що для виділення критеріїв розпізнавання передінфарктних станів
раціонально використовувати смугові фільтри Баттерворта четвертого ступеня.
Розроблено гібридні модулі стаціонарної і мобільної частини системи передачі,
що дозволяє реалізовувати розроблену систему у конструктивно-технологічному
варіанті зі зменшеними ваго - габаритними показниками, підвищеною надійністю і
сумісністю з сучасними засобами мобільного зв’язку.
сигналу
Компаратор
сигналу
сигналу
Блок цифрової обробки
сигналу
Схема на
логічних
елементах
Блок прийняття
рішення
Список літератури: 1. Мурашко, В. В. Электрокардиография [Текст] : учеб, пособие / В. В.
Мурашко, А. В. Струтынский. – М.: МЕДпресс - информ, 2001. – 312 c. 2. Карлащук, В. И.
Электронная лаборатория на IBM PC [Текст]. Т. 2. Моделирование элементов
телекоммуникационных и цифровых систем / В. И. Карлащук.- 6-е изд., перераб. и дополн. – М.:
СОЛОН-ПРЕСС, 2006. – 638 с.
УДК 536.521.2
Побудова системи віддаленого моніторингу передінфарктних станів/ Є. М. Кісельов //
Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4
(978). – С. 50-54. – Бібліогр.: 2 назв.
В этой статье рассматриваются особенности построения системы удаленного мониторинга
прединфарктных состояний на базе мобильных телефонов. Исследованы способы определения и
выделения критериев распознавания предынфарктных состояний на ЭКГ.
Ключевые слова: прединфарктные состояния, фильтрация, электрокардиограмма,
мониторинг, спектр.
The aspects of infarct remote monitoring system construction based on mobile phones are
considered. The defining and selection methods of ECG infarct states recognition criteria are
investigated.
Keywords: previous to infarct states , filtration, electrocardiogram, monitoring, spectrum.
54
УДК 004.832.25
Л. І. НЕФЬОДОВ, д-р техн. наук, проф., зав. каф., ХНАДУ, Харків;
Д. О. МАРКОЗОВ, канд. техн. наук, асистент, ХНАДУ, Харків;
І. Г. ІЛЬГЕ, канд. техн. наук, доц., ХНАДУ, Харків;
В. О. БЕСПАЛИЙ, асистент, ХНАДУ, Харків
АЛГОРИТМ ОЦІНКИ ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ
ВПРОВАДЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ У
ТОРГОВЕЛЬНУ ОРГАНІЗАЦІЮ
У статті розроблено алгоритм та модель вибору раціональної інформаційної технології (ІТ) з
управління багатономенклатурним запасом. Дана методика дозволяє ефективно контролювати
витрати на впровадження ІТ у торговельну організацію, що в свою чергу сприяє підвищенню
прибутку підприємства.
Ключові слова: інформаційна технологія, алгоритм, управлінське рішення,
багатономенклатурні запаси.
Вступ
Прийняття рішень з управління багатономенклатурними запасами (УБЗ)
значною мірою залежить від технології отримання, обробки і передачі інформації. У
зв’язку із цим, розробка і впровадження інформаційних технологій управління
багатономенклатурним запасом в сучасних умовах є досить актуальною проблемою
[1].
Отже, забезпечення ефективності функціонування торговельного підприємства
значною мірою залежить від процедури контролю за вибором найбільш ефективної
ІТ ще на стадії її розробки, а також впровадження та практичного використання
призначення якого полягає у визначені досягнення мети проекту, оцінці прийнятих
відповідальними особами управлінських рішень, отримання інформації для
удосконалення майбутніх проектів впровадження.
Аналіз публікацій
Зважаючи на актуальність даної задачі, аналізу та розробці інформаційних
технологій управління у різних сферах економічної діяльності присвячені праці таких
учених, як Попов В.Б., Черкасов Ю.М., Арефьева И.Ю., Акатова Н.А., Вендров А.М.
[2-4] та інших.
Однак, не дивлячись на досить вагомі та фундаментальні результати, отримані у
досліджуваній галузі, все ще залишається ряд недостатньо вивчених проблем.
Зокрема, недостатньо вивчені результати післяінвестиційного контролю
впровадження ІТ в торговельну організацію і методики її вибору для прийняття
ефективного управлінського рішення з УБЗ. Так, проведені зарубіжними вченими
дослідження підтверджують, що з введенням у компаніях даного етапу контролю
відмічається значне покращення запропонованих до реалізації інвестиційних проектів
[5].
Мета і постановка задачі
Метою дослідження є підвищення ефективності роботи торговельного
підприємства за рахунок вибору раціональної ІТ та контролю за її впровадженням в
складних економічних системах.
Слід зазначити, що контроль за ефективністю впровадження ІТ повинен
здійснюватися на основі єдиної системи критеріїв протягом усіх етапів життєвого
© Л. І. НЕФЬОДОВ, Д. О. МАРКОЗОВ І. Г. ІЛЬГЕ В. О. БЕСПАЛИЙ, 2013
55
циклу проекту.
Загальноприйнятим підходом до визначення ефективності від впровадження ІТ є
співвідношення прибутку і витрат торговельного підприємства. Однак оцінювати
ефективність тільки на основі даного показника є дещо обмеженим. Проблема
полягає у тому, що вплив ІТ на прибутковість підприємства, як правило, є
опосередкованим і проявляється через вдосконалення процесів УБЗ, підвищення
оперативності отримання даних тощо. Виміряти прибуток від впровадження ІТ із
загального прибутку підприємства досить складно. Тому і значення показника
ефективності не забезпечить точної інформації щодо раціональності впровадження
тієї чи іншої інформаційної технології.
За даних умов, будемо вважати, що під ефективністю впровадження
інформаційної технології слід розуміти адекватність функціональних характеристик
ІТ конкретним цілям і завданням, які визначаються при прийнятті рішення щодо
впровадження або модернізації інформаційної технології УБЗ.
Алгоритм та модель вибору раціональної інформаційної технології з
управління багатономенклатурними запасами
Узагальнюючи існуючи підходи, можна виділити основні етапи оцінки
ефективності впровадження ІТ управління багатономенклатурним запасом та
побудувати її алгоритм (рис. 1).
Як показано на рисунку, на першому етапі необхідно провести оцінку витрат на
інформаційну технологію, визначити обсяг інвестицій, які необхідні для досягнення
поставленої мети.
Оцінка витрат на інформаційну технологію складається із двох етапів: оцінки
усіх капітальних і поточних витрат, пов’язаних з впровадженням і використанням ІТ,
та оцінки обґрунтованості визначеної величини витрат на проект. Розглянемо дані
етапи більш детально.
Оцінка витрат по проекту передбачає визначення усіх капітальних і поточних
витрат пов’язаних з впровадженням і використанням інформаційної технології, а
саме:
1) Оцінка прямих витрат на проект впровадження ІТ, яка розраховується за
формулою:
(1)
Z ПIT  ZТЗ  Z ПЗ  ZОП  Z НП  ZСЗ  Z І ,
IT
де Z П – прямі витрати на впровадження ІТ; ZТЗ – витрати на придбання технічного
забезпечення; ZПЗ – витрати на придбання програмного забезпечення; ZОП – витрати
на оплату праці робітникам проекту; ZНП – витрати на навчання персоналу; ZСЗ –
витрати на відрахування на соціальні заходи; ZІ – інші прямі витрати на
впровадження.
2) Оцінка непрямих витрат на проект впровадження ( Z НIT ).
3) Оцінка витрат на утримання інформаційних технологій за період їх життєвого
циклу. Даний етап передбачає прогнозування щорічної величини витрат на
утримання інформаційних технологій протягом їх корисного використання. Щорічні
витрати визначаються за формулою:
IT
(2)
ZУТ
 ZОП  Z Р  ZСЗ  Z І ,
IT
де ZУТ
– щорічні витрати на утримання інформаційної технології; ZОП – витрати на
оплату праці по підтримці та удосконаленню ІТ; ZР – витрати за послуги сторонніх
підприємств; ZСЗ – витрати на відрахування на соціальні заходи; ZІ – інші витрати на
56
утримання інформаційної технології.
4) Оцінка можливих втрат від впровадження інформаційної технології (РІТ).
Даний етап передбачає визначення втрат від простоїв пов’язаних з плановою або
неплановою зупинкою роботи інформаційної технології, втрат від усунення збоїв в
системі та інших можливих втрат. Визначення величини можливих втрат
здійснюється на основі статистичних даних щодо впровадження подібних
інформаційних технологій або за даними накопиченими на підприємстві.
Отже, проведений аналіз дозволяє зробити висновок, що загальна величина
витрат по проекту може бути розрахована за формулою:
IT
IT
(3)
Z заг
 Z ПIT  Z НIT  ZУТ
 P IT ,
IT
де Z заг
– загальні витрати на проект впровадження інформаційних технологій.
Після розрахунку витрат на впровадження ІТ, можна переходити до оцінки
обґрунтованості визначеної величини витрат на проект, через порівняння витрат з
середніми показниками підприємств однієї галузі та визначення економічної
ефективності проекту.
На другому етапі здійснюється розрахунок і оцінка прибутку підприємства від
впровадження інформаційної технології УБЗ.
Вибір методу оцінки ефективності ІТ залежить від організаційної ефективності
та матеріального прибутку, отримання яких забезпечує впровадження інформаційної
технології. У науковій літературі виділяють три види ефективності від впровадження
інформаційної технології, а саме: пряму, якісну і стратегічну [3]. Щодо прямої
ефективності, то це реальна
фінансова віддача, яка виникає у
результаті
застосування
ІТ.
Якісна ефективність відбивається
на
прибутку
підприємства
опосередковано,
шляхом
вдосконалення
характеристик
автоматизованих процесів. Під
стратегічною
ефективністю
розуміють
прибуток,
який
проявиться у довгостроковій
перспективі,
наприклад,
у
зростанні
вартості
акцій
підприємства,
зміцненні
конкурентоспроможності,
розширенні ринку збуту товарів
тощо.
Зрозуміло, що різноплановість
цілей впровадження та джерел
окупності
інформаційних
технологій
вимагає
і
диференційованого підходу до
визначення критеріїв оцінки їх
Рис. - Алгоритм оцінки економічної ефективності
ефективності. Для забезпечення
впровадження інформаційної технології у
комплексної оцінки ефективності
торговельну організацію
від впровадження ІТ,
Цілі торговельного
підприємства
Плани
впровадження
інформаційної
технології
Оцінка прямих
витрат на проект
впровадження ІТ
Оцінка непрямих
витрат на проект
Оцінка витрат на
утримання ІТ
Оцінка можливих
втрат від
Оцінка загальних
витрат на
інформаційну
технологію
Контроль
обґрунтованості витрат на
Не обґрунтовані
Обґрунтовані
Оцінка прибутку
від
Оцінка економічної
ефективності
проекту
Оцінка результатів
57
обов’язковою умовою є також врахування впливу зовнішніх факторів на УБЗ і
визначення поточного рівня ефективності підприємства.
Оцінка поточних показників діяльності повинна передбачати порівняння
отриманих результатів з середніми показниками прибутку по галузі; з показниками
лідерів ринку або бажаними показниками.
Оцінка прибутку від впровадження ІТ починається з визначення джерел
економічної
ефективності проекту, що залежить від функціональності обраної системи.
Відповідно, загальний прибуток від впровадження ІТ УБЗ визначається за
формулою:
∆SІТ = ∆Sпл + ∆Sл + ∆Sпр.
(4)
де ∆SІТ – загальний прибуток від впровадження ІТ; ∆Sпл – прибуток, пов’язаний з
підвищенням ефективності планування; ∆Sл – прибуток, пов’язаний з підвищенням
ефективності управління закупками БЗ і логістикою постачання; ∆Sпр – прибуток
пов’язаний з підвищенням ефективності управління процесом реалізації товарів у
торгових точках. Однак, слід зазначити, що наведений спосіб оцінювання прибутку
від впровадження інформаційної технології не забезпечує повного врахування якісної
та стратегічної ефективності, що вимагає додатково використовувати якісні методи,
що дозволяють кількісні розрахунки доповнити якісними оцінками. Для оцінки
економічної ефективності реальних опціонів у науковій літературі пропонується
декілька методів: аналіз сценаріїв, модель Блека-Шоулза та біноменальна модель [6].
Метод аналізу сценаріїв дозволяє отримати тільки приблизні результати, тому
використання даної методики є актуальним, якщо реальний опціон, що планується, не
відіграє значної ролі у реалізації стратегії підприємства, або якщо оцінка
ефективності інформаційних технологій здійснюється в режимі економії ресурсів.
Моделі Блека-Шоулза та біномінальна, навпаки, дозволяють визначити досить точні
результати оцінки, однак при цьому вимагають значних витрат часу. Проведений
аналіз показав, що у нашому випадку найбільш доцільним буде застосування моделі
Блека-Шоулза. На відміну від біномінальної, вона більш проста у використанні,
однак дозволяє отримати результат, близький по значенню з біноміальною моделлю.
Використавши модель оцінки реальних опціонів Блека-Шоулза визначається ціна
опціону за формулами (5), (6), (7), яку характеризують чотири параметри: курс акцій
(для реального опціону це приведена вартість грошових потоків від реалізації
інвестиційного проекту), ціна виконання опціону, безризикова відсоткова ставка і
термін опціону.
(5)
C  N (d1 ) A  N (d2 ) EerT ,
де С – ціна опціону; A – курс акцій; Е – ціна виконання опціону; r – безризикова
відсоткова ставка, %; T – термін виконання опціону, кількість періодів; N(d1), N(d2) –
границі області значень для функції нормально розподіленої змінної.
2 
 A 
ln     r 
T
2 
E 
d1 
 T
,
(6)
де σ – ризик по акції, визначений як відхилення доходності акцій.
(7)
d2  d1   T
Таким чином, оцінка ефективності інформаційних технологій за методом
реальних опціонів повинна розглядатися, не як альтернатива методу чистих
дисконтованих грошових потоків, а як доповнення і уточнення оцінки отриманої при
58
традиційному дисконтуванні грошових потоків. На третьому етапі алгоритму
розраховується економічна ефективність проекту впровадження інформаційної
технології.
В якості критерію показника економічної ефективності проекту будемо
використовувати загальний показник, що визначає генеровану проектом вартість,
приріст капіталу підприємства у результаті здійснення проекту. Даний показник
визначається як сума чистої приведеної вартості проекту, що розрахована по методу
дисконтування грошових потоків і враховує вартість опціонів, які підприємство
придбає під час виконання проекту (8).
Mопц = M + Сопц,
(8)
де Mопц – генерована проектом вартість, приріст капіталу підприємства у результаті
реалізації проекту з урахуванням реального опціону; M – чиста приведена вартість,
що дорівнює дисконтованому грошовому потоку проекту; Сопц – прибуток від
реалізації реального опціону.
Відповідно, розрахунок ефективності впровадження інформаційних технологій
управління торговельною організацією можна представити у вигляді наступної
формули 9.
IT
S IT  Z заг

(9)
M опц 
 Cопц ,
(1  r )i
де r – ставка дисконтування, %; і – період реалізації проекту.
Різниця між показниками Mопц і M визначається, як міра ефективності реального
опціону, що одночасно є величиною зростання вартості підприємства у результаті
виконання реального опціону.
Висновки та перспективи подальших досліджень
Таким чином, запропонований алгоритм розрахунку ефективності впровадження
інформаційних технологій, дозволить на відміну від існуючих, враховувати прямі,
непрямі та якісні ефекти від впровадження інформаційної технології, а також ризики
проекту. Це в свою чергу дозволить приймати правильні управлінські рішення щодо
вибору проекту впровадження і наступного його контролю.
Подальші перспективи розвитку дослідження пов’язані з розробкою
програмного забезпечення для реалізації даного алгоритму.
Список літератури: 1. Нефьодов, Л. І. Інформаційна технологія підтримки прийняття рішень з
управління багатономенклатурним запасом / Л. І. Нефьодов, Д. О. Маркозов // СхідноЄвропейський журнал передових технологій. – 2009. – T. 3, N 5(39). – С. 28-32. 2. Попов В. Б.
Основы информационных и телекоммуникационных технологий. Системы управления базами
данных: [учеб. пособ.] / Попов В. Б. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 112 с. 3.
Информационные технологии управления: [учеб. пособ.] / [Черкасов Ю. М., Арефьева И. Ю.,
Акатова Н. А. и др.]; под ред. Ю. М. Черкасова. – М.: ИНФРА – М, 2001. – 216 с. 4. Вендров А.
М. Практикум по проектированию программного обеспечения экономических информационных
систем [учеб. пособ] / Вендров А. М. – [2-е изд., перераб. и доп.]. – М.: Финансы и статистика,
2006. – 192 с. 5. MacKay David J. C. Information Theory, Inference, and Learning Algorithms /
MacKay David J. C. – Cambridge Univ. Press, 2003. – 628 p. 6. Валдайцев С. В. Оценка бизнеса и
управление стоимостью предприятий: [учеб. пособ.] / Валдайцев С. В. – М.: ЮНИТИ – Дана,
2002. – 720 с.
УДК 004.832.25
Алгоритм оцінки економічної ефективності впровадження інформаційної технології у
торговельну організацію/ Л. І. Нефьодов, Д. О. Маркозов І. Г. Ільге В. О. Беспалий // Вісник
59
НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С.
55-60. – Бібліогр.: 6 назв.
В статье разработан алгоритм и модель выбора рациональной информационной технологии
по управлению многономенклатурным запасом. Данная методика позволяет эффективно
контролировать затраты на внедрение информационной технологии в торговую организацию,
что в свою очередь способствует повышению прибыли предприятия.
Ключевые слова: информационная технология, алгоритм, управленческое решение,
многономенклатурные запасы.
In the article was developed algorithm and model choice rational of information technology
management stock. This technique is useful to control the costs of the introduction information
technology in the trade organization, which in turn contributes to the company's profit.
Keywords: information technology, algorithm, administrative decision, multinomenclature stock.
УДК 625.7/.8:658.562
А. Г. БАТРАКОВА, канд. техн. наук, доц., ХНАДУ, Харьков
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ
ДАННЫХ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ
ОДЕЖД
Предложена модель обработки и интерпретации данных о физико-механических
характеристиках дорожных одежд, основанная на результатах георадарного обследования.
Ключевые слова: георадар; дорожная одежда; диэлектрическая проницаемость.
Введение
В мировой практике практически в каждой системе управления автомобильными
дорогами используется собственная модель оценки и прогнозирования состояния
дорожных одежд [1-4]. Многообразие моделей объясняется тем, что изменение
состояния покрытия зависит не только от его конструктивных особенностей, но и от
множества случайных факторов (транспортных нагрузок, погодно-климатических
факторов и пр.). В то же время работоспособность дорожной одежды и ее остаточный
ресурс зависят не только от проектной надежности, но и от выбора и проведения
наиболее эффективных видов работ по содержанию и ремонту. В свою очередь,
назначение оптимальных мероприятий возможно только на основе полного набора
данных, характеризующих фактическое состояние конструкции дорожной одежды в
текущий момент времени.
Эффективным потенциалом для решения данной задачи обладают методы
подповерхностного зондирования и соответствующие технические средства георадары. Как показали георадарные обследования, выполненные на автомобильных
дорогах Харьковской области, первичная обработка и последующая интерпретация
результатов георадарного зондирования дорожных одежд позволяют дать
количественную оценку «скрытых» параметров, таких как толщина конструктивных
слоев, наличие скрытых дефектов в виде подповерхностных трещин, зон
разуплотнения основания и переувлажнения грунтов земляного полотна.
Постановка задачи
В данной работе в качестве основных первичных параметров, характеризующих
конструкцию дорожной одежды, будем использовать толщину конструктивных слоев
и распределение в них диэлектрической проницаемости. Вторичными
©
60
А. Г. БАТРАКОВА, 2013
параметрами, значения которых определяются в процессе математической обработки
результатов зондирования, являются влажность и плотность слоев. Наконец,
специфические особенности взаимодействия электромагнитных волн с различными
неоднородностями в плоскослоистых средах являются основой алгоритмов и
программного обеспечения для обнаружения, позиционирования и идентификации
подповерхностных дефектов (в первую очередь трещин).
Конечным этапом обработки георадарных данных является пересчет скорости
распространения волн в исследуемой структуре в значение эффективной
диэлектрической проницаемости (  eff ) и ее последующее использование для оценки
толщины, влажности и плотности слоев дорожных одежд.
В свою очередь, связь эффективной диэлектрической проницаемости (  eff )
композиционных материалов, используемых в дорожной отрасли, с их физикомеханическими характеристиками (влажность, плотность) с достаточной степенью
точности дается степенными представлениями [5-6] вида:
v  1.98 105   3  2.39 104   2 1.95 102    2.08 102 , (1)
где v - объемное содержание воды;  - диэлектрическая постоянная образца
материала.
Согласно этим моделям по величине диэлектрической проницаемости как
функции одной переменной определяются физико-механические характеристики
материала (в рассмотренной модели – влажность), которые затем пересчитываются в
технические показатели конструкции. Поскольку диэлектрическая проницаемость
является функцией многих переменных, определяющих ее значении, то необходимо
разработать модель, учитывающую влияние разных факторов, в первую очередь
влажности и плотности, на значения измеряемой величины  eff .
Разработка модели получения данных
В таком случае предлагается ввести в рассмотрение степенную базовую модель
общего вида, т.е. модель, отражающую связь физико-механических характеристик
материалов слоев дорожной одежды (влажность, плотность) с электрофизическими
характеристиками (диэлектрическая проницаемость):
(2)
Wij1,k...N  C0 j ,k   C1 j ,k     C2 j ,k    2  C3 j ,k   3 ,
где Wij1,k...N – искомый параметр; j – индекс параметра (j=1 – влажность; j=2 –
плотность и т.д.); i – номер сечения (отсчета сигнала) при георадарном сканировании,
соответствующий расстоянию данного сечения от начальной точки; k – номер слоя
конструкции (k= 1 …n); C0 j ,k  , ...C3 j ,k  – коэффициенты базовой модели, зависящие от
вида материала (номера слоя конструкции), что отражает индекс k.
В зависимости от конкретных условий каждый слой конструкции локального
участка будет иметь собственные текущие значения параметров Wi j, k  . Например, k-й
слой i-го поперечного сечения конструкции (которому соответствует i-й отсчет, т.е.
сигнал si(t) на радарограмме) будет иметь собственные текущие значения параметров
1,3 означает влажность (j=1) 3-го слоя конструкции на
Wi j ,k  . Например, запись W488
488-м отсчете (ему соответствует сигнал s488(t) ).
Отличие значений параметров от эталонных (соответствующих базовой модели)
приведет к изменению значения эффективной диэлектрической проницаемости на
61



величину  eff Wij1,k...N . Значение  eff Wij1,k...N


определяется при обследовании

дорожной одежды. Наличие аргумента
Wij1,k...N подчеркивает тот факт, что
изменения могут быть вызваны отклонениями разных параметров (влажности,
плотности) от проектных (эталонных) значений.
При определении распределения  eff по глубине вдоль обследуемого участка
дороги различия в свойствах материалов слоев будут приводить к изменению
распределения амплитуды  Ai t  принимаемых сигналов, вызванному изменением
коэффициента ослабления в слоях конструкции   ik  . Это означает, что, с
математической точки зрения, значения искомых параметров будут зависеть не
только от числовых значений (диэлектрической проницаемости), но также и от
функции временного распределения отклонения амплитуды сигнала  Ai t  . Эту
зависимость будем отображать соответствующим функционалом  :
 




Wi11,k...N    eff Wij1,k...N ,  eff Wij1,k...N , Ai t , ik  .
Множество
значений
диэлектрических
проницаемостей
(3)
eff Wij1,k...N 
функционально зависит от временного распределения соответствующих отсчетов.
Будем отображать эту зависимость функционалом F:
(4)
 eff Wij1,k...N  F si 1...N(t).

 
Таким образом, в силу зависимости исследуемых параметров от многих
факторов, в качестве основы алгоритмов обработки и интерпретации данных
предлагается объединить соотношения (2 – 4) и ввести в рассмотрение следующую
модель обработки данных общего вида:

 
  W  j ,k   F s
i 1...N(t);
 eff i 1...N
  j ,k 
 j ,k 
2
Wij1,k...N  C3k    3eff Wij1,k...N ;
Wi 1...N  C0k   C1k    eff Wi 1...N  C2k    eff


W 1,k    1  eff W  j ,k  ,  eff W  j ,k  , Ai t ,  k  ;
i
i 1...N
i 1...N
 i 1...N
 2 ,k 
2   W  j ,k  ,  W  j ,k  , A t ,  k  , W 1,k  .
Wi 1...N  
eff
eff
i
i
i 1...N
i 1...N
i 1...N

 
 














(5)

Первая строка в данной модели отражает связь между диэлектрическими
проницаемостями слоев конструкции и георадарными данными si 1...N(t) . Вторая
строка – исходная базовая модель. Две последние строки отражают функциональные
связи между электрофизическим параметрами и искомыми значениями влажности и
плотности.
Наличие в аргументах функций  eff Wij1,k...N ,  eff Wij1,k...N полного набора всех
параметров W  j ,k 
отражает факт зависимости измеряемой величины




i 1...N
(диэлектрической проницаемости) от совокупности текущих значений всех
параметров (влажности, плотности). Кроме того, в правую часть последнего
1,k 
соотношения модели – в функционал  2  включена величина Wi 1...N , чтобы
подчеркнуть изменение плотности, обусловленное изменением влажности, т.е.
взаимосвязь параметров.
62
Таким образом, используемые ранее модели преследовали одну общую цель – с
помощью простых аналитических формул получить прямую связь между искомым
(влажность или плотность) и измеряемым (  eff ) параметрами. Основной недостаток
этих моделей в том, что, отражая влияние одного фактора (влажности), они не
учитывают другой фактор (плотность). В то же время, прямые модели
свидетельствуют об одновременном влиянии на  eff влажности и плотности [7].
Получить аналитически либо эмпирически требуемые соотношения для всех случаев
в универсальном и простом виде не представляется возможным. Поэтому
предлагаемая модель является определенным компромиссом между простотой
базовой модели (2) и эффективностью всей схемы. Такая модель основана на
привлечении некоторой априорной информации, характерной для каждого
конкретного случая, и сравнении в процессе обследования текущих данных с
эталонными (калибровочными), что позволяет повысить эффективность измерений.
Применение модели
Схема применения георадарных данных для оценки фактического состояния
дорожных одежд предполагает:
а) сканирование обследуемого участка дороги с целью получения исходных
данных (набор сигналов по профилю исследуемой структуры);
б) вычисление значений  eff слоев конструкции;
в) определение деформационных характеристик (модуля упругости)
конструкции дорожной одежды;
г) сравнение полученных данных с проектными значениями;
д) назначение мероприятий по ремонту (дорожной одежды) согласно
действующим нормативным документам и прогнозирование дальнейшего поведения
системы.
Выводы
Предложенная модель обработки и интерпретации данных о состоянии
дорожных одежд с помощью технологий подповерхностного зондирования позволяет
в компактной форме записать постановку задачи обработки георадарных данных,
полученных в результате обследования автомобильных дорог. Формализация
операций интерпретации радарограмм в виде схемы (5) является удобным способом
создания основы вычислительных алгоритмов и программного обеспечения для их
автоматизированной обработки.
Список литературы: 1. Слободчиков Ю. В. Обоснование оценочных показателей выбора
ремонтной стратегии автомобильных дорог с нежесткими дорожными одеждами в
изменяющихся условиях эксплуатации: дис. докт. техн. наук 05.22.11 / Ю. В. Слободчиков. – М.:
МАДИ, 1995. – 333 с. 2. Ababutain A. Y. Multicriteria Decision-Making Model for Selection of BuildOperate-Transfer Toll Road Proposals in the Public Sector./ A. Y. Ababutain, A. Bullen.
//Transportation Research Record – 2003. – No. 1848. – Р.1-9. 3. Durango-Cohen P. Optimal
Maintenance and Repair Policies in Infrastructure Management under Uncertain Facility Deterioration
Rates: An Adaptive Control Approach / P. Durango-Cohen,.S. Madanat // Transportation Research
Part A. – 2002. - №36 (9). – Р. 763-778. 4. Cafiso S. Analysis Method for Pavement Maintenance
Management./ S. Cafiso, A. Di-Graziano, H. R. Kerali, J. B. Odoki // Transportation Research Record.
– 2002. – №1816, Р.73-84. 5. Grote K. Evaluation of infiltration in layered pavements using surface
GPR reflection techniques./ K. Grote, S. Hubbard, J. Harvey, Y. Rubin. Journal of Applied Geophysics.
– 2005. - №57 – Р. 129–153. 6. Topp G. C. Electromagnetic determination of soil water content:
measurements in coaxial transmission lines./ G. C. Topp, J. L. Davis, A. P. Annan //Water Resources
Research. – 1980. – №16. – Р. 574–582. 7. Mardeni R. Road pavement density analysis using a new
63
non- destructive ground penetrating radar system / R. Mardeni., Raja Abdullah, H. Z. M. Shafri. //
Progress In Electromagnetic Research . – 2010. – №21. – P. 399-417.
УДК 625.7/.8:658.562
Математическая модель обработки и интерпретации данных подповерхностного
зондирования дорожных одежд / Батракова А. Г. // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в
сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 60-64. – Бібліогр.: 7 назв.
Запропоновано модель обробки та інтерпретації даних о фізико-механічних
характеристиках дорожніх одягів, яка ґрунтується на результатах георадарного обстеження.
Ключові слова: георадар; дорожній одяг; діелектрична проникність.
The model of processing and interpretation of the data concerning physicomechanical
characteristics of the road pavements, based on the results of ground penetrating radar surveys is
offered.
Keywords: ground penetrating radar; road surfacing; dielectric permittivity.
УДК 621.373.072.9
В. В. РАПИН, канд. техн. наук, доц., ООО Китмаш, Харьков
ВЛИЯНИЕ АРГУМЕНТНОЙ ФАЗОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА
ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Исследован одноконтурный автогенератор с аргументной фазовой обратной связью
синхронизированный на основном тоне. Приведены математические модели и соотношения,
описывающие влияние обратной связи на флуктуации фазы сигнала автогенератора в случае
гармонической синхронизации и ее влияние на вторую гармонику сигнала при
полигармонической синхронизации.
Ключевые слова: автогенератор, синхронизация, обратная связь.
Введение.
Автоколебательные системы (АКС) широко примененяются в радиотехнике,
связи, часто определяя предельные возможности по основным параметрам.
Используемые в настоящее время системы связи, не удовлетворяют потребностям
органов управления в скорости информационного обмена и уровне защищенности
сообщений. Путем повышения их эффективности является использование сигналов с
псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), [1, 2]. Для достижения
высокой помехозащищенности и скрытности оптимальным считается количество
скачков частоты в секунду от 600 до 2000. В Украине нет систем связи с ППРЧ. За
рубежом они имеются, но и в них количество переключений не превышает 200.
Ограничение обусловлено быстродействием и фазовым шумом синтезаторов частоты,
основой которых является система ФАПЧ, [2, 3].
Разработка систем связи с ППРЧ требует соответствующей измерительной
аппаратуры:
генераторов
сигналов,
сканеров
диапазонов
частот,
спектроанализаторов. Они должна иметь большую скорость перестройки частоты и
меньшие фазовые шумы, чем тестируемые системы. Однако в них используются те
же ФАПЧ синтезаторы с малым шагом перестройки частоты, не обеспечивающие
требуемые показатели [3], по причине использования фильтра низких частот с узкой
полосой пропускания, ограничивающего скорость перестройки, делителя в цепи
обратной связи и фазового детектора, повышающих уровень фазового шума.
Аналоговые и цифровые синтезаторы имеют высокую скорость перестройки и
©
64
В. В. РАПИН, 2013
малый шум, однако первые сложны и дороги, а у вторых ограничен частотный
диапазон и большие искажения сигнала, [3].
АКС, в качестве следящего фильтра, решает задачу оперативного контроля
частоты вращения ротора турбины турбокомпрессора поршневого двигателя
благодаря широкой полосе захвата. Но завышенный уровень второй гармоники его
сигнала увеличивает погрешность измерения.
Целью статьи является повышение эффективности устройств на основе АКС
путем введения аргументной фазовой обратной связи, (ФОС).
Математические модели автоколебательных систем.
Допустим uс  Aс cos(ct  с ) ic  Ic cos(ct  ) , u  A cos(ct  ) это выражения
описывающие сигналы синхронизации, внешний и непосредственный, и
автогенератора. Исходя из уравнения синхронизированного на основном тоне
автогенератора, посредством метода усреднения, получаем математическую модель
автогенератора с аргументной ФОС в виде укороченных уравнений (1) при
аппроксимации нелинейной характеристики усилительного элемента полиномом
четвертой степени, [4].
dА 
3

B

 0 ( A  A3 )  0 A0 cos(k (  c ))  0 (e10 cos   e20 sin ),
dt 2
4
2

2
d
 B A0

 (с  0 ) 
0 sin(k (  c ))  0 (e20 sin   e10 cos ).
dt
2 A
2A
(1)
где A0 - детерминированная амплитуда сигнала автогенератора в автономном режиме,
e10(t )  
2 t
 E() sin(c )d
Tc t T
и
c
e20(t ) 
2 t
 E() cos(c )d
Tc t T
независимые,
-
дельта
c
коррелированные ( R(t )  D(t ) ), стационарные, нормальные случайные процессы с
нулевым средним значением, E(t ) - шум, Tc  2 / c ,  - малый параметр, B  I c / I 0 ,
I 0  A0 / R , R , 0 - сопротивление и резонансная частота контура, k - параметр,
характеризующий ФОС.
Модель автогенераторного фильтра, в виде укороченных уравнений в
комплексной форме (2), получаем из уравнения синхронизированного автогенератора
методом разделения частот [5], пренебрегая влиянием шума.

02
c2
 d
3
KR dwc1
w1   0 { [(1  A12 ) w1 ] 
},
c d
4
 d
d w2

d 2
 02
 c2
 d
3
1
KR dwc 2
w2   0 { [(1  A12 ) w2  w12 ] 
}.
c d
2
2
 d
d 2 w1
d
2
2
j
(2)
j
где w1  A1e j e j , w2  A2e j e j 2 wc1  I с1e c1 e j , wc 2  I c 2 e c 2 e j 2 первая и вторая
гармонические составляющие сигналов автогенератора и синхронизации в
комплексной форме.
Система (2) допускает последовательное решение. Вначале решается первое
уравнение, представляющее первую гармонику сигнала автогенератора с точностью
до величин порядка  2 , а затем второе, описывающее вторую гармонику этого
сигнала с учетом величин порядка  2 .
Новое свойство квазигармонического автогенератора
Это свойство означает, что амплитуда колебаний устанавливается гораздо
1
2
65
быстрее сдвига фазы, что позволяет считать амплитуду колебаний
установившейся при любом мгновенном значении сдвига фазы. Для подтверждения
данного факта укороченные уравнения (1) представим в виде
dy 

 B0( y )  B1( y ) cos(k0 ),
d 2
2
где
d0 
 d
 B2( y ) sin(k0 )  ( )  c ,
d 2
0
d
y  A / A0 -безразмерная амплитуда колебаний; B0( y )  0,
B1( y )  0,
B2( y )  0 ,
0    с ,   с  0 ,   сt . Далее переходим к переменной составляющей 
безразмерной амплитуды колебаний с помощью подстановки y  y0 (1  ) , y0 безразмерная амплитуда при   0 . Пусть c  const . После линеаризации получаем
систему линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
d
 b  a (k0 ) 2 ,
d
(3)
d0

 (k0 )  ( ),
d
0
0
где b  B01 /( 2 y0 )  0 ,   B20 / 2  0 , (0)  q и  (0)  p  1 .
Уравнения (3) описывают четырехполюсники с амплитудно-частотными
характеристиками Y  1/ [ /(0k )2  1 и Y  1/ [ /(b0 )]2  1 . Они соответствуют
фильтрам низких частот с верхними граничными частотами   k0 и    b0 .
При b  2k
  2 . Спектр внешнего воздействия  / 0 вначале
обрабатывается первым ФНЧ, узкополосным. На выходе ширина спектра не
превышает 2 , а затем вторым широкополосным, который для этого спектра
является безинерционным, т.е. d / dt  0 .
Обосновать новое свойство можно и с помощью принципа суперпозиции.
Посредством первого уравнения системы (3) можно просмотреть прохождение
каждой компоненты спектра входного сигнала. Для i -той
i d
   Ai /   cos(i  i ) ,
  di
где i  i t . Из уравнения следует, что если для высшей гармонической
составляющей спектра входного сигнала 2 /   1, т.е. b  2kn , то и для всех
других компонент можно считать d / dt  0 .
Исследование квазигармонического автогенератора
Рассмотрим установившийся режим автогенератора. Представим амплитуду его
сигнала в виде суммы А  А0  0 , где 0 - переменная составляющая, а фазу в виде
суммы детерминированной и флуктуационной составляющих   д  ф . Введем
0
0
0
0
0
относительные изменения амплитуды   0 / A0  1 , включающие составляющие,
детерминированную д и флуктуационную ф ,   д  ф . Подставляя эти величины
в (1), и учитывая малость изменений амплитуды, получаем нелинейные
флуктуационные уравнения, решать которые придется приближенно. Используя
метод статистической эквивалентности и пренебрегая влиянием флуктуаций
амплитуды, имеем уравнение (4), справедливое в области, где sin(k0 )  k0 в фазовом
66
уравнении системы (1)
dф
 kф  e20(t ) .
dt
где   0 /( 2 A0 ) ,    00 (1  0 ) , 0  д при   0 .
(4)
t
ф(t )  ф(0) exp( kt)   exp( kt)  exp(kx)e20( x) dx,
0
Согласно теореме Дуба, случайный процесс ф это нормальный марковский
процесс с экспоненциальной корреляционной функцией k (t )  D exp( k t ) ,
ф
дисперсией
2
ф
  D / 2k  , средним значением mф  0 и спектральной плотностью
2
мощности фазового шума
2
Sф  k( j) Se() 
2  2 S0
2   2k 2
.
- спектральная плотность случайного процесса e20 . Для удобства представления
S0
результатов в графическом виде введена нормированная дисперсия, как отношение
дисперсии в общем случае к дисперсии при   0 и отсутствии ФОС.
Аналогично
введена
и
относительная
спектральная
плотность. Эти
зависимости
показаны
на
рис 1, и рис 2.
Очевидно, что
при k  1 ФОС
уменьшает
дисперсию
и
Рис. 1 - Изменение дисперсии
Рис. 2 - Спектральная плотность
спектральную
плотность.
Полагая в уравнениях (1) e10  0 и e20  0 , получаем систему, описывающую
флуктуации амплитуды и фазы сигнала автогенератора с ФОС, вызванные
флуктуациями крутизны его усилительного элемента.
dА K 1
3
K

(
  0   0 A2 ) A 
I c cos(  ),
dt 2C KR
4
2C
d
K

I c sin(  )  .
dt 2 АC
(5)
Амплитуду, фазу и крутизну представим в виде суммы детерминированной и
флуктуационной составляющих,
A  Ад  () ,
  д  ф ,
3
s  0   0 A2  sд  sф ,
4
3
3
sд  0д   0д Aд2 , sф  0ф   0ф Aд2 . Считаем флуктуации малыми и медленными,
4
4
вводим относительные флуктуации амплитуды ф  () / Ад и переходим к
67
флуктуационным уравнениям

B
K
0 (3 y 2  1)ф 
0 sin(k0 )kф 
sф ,
2
2yд
2С
sin(k0 )ф  cos(k0 )kф ,
которые позволяют получить интересующую зависимость в виде
ф 
sф
1
B
k{(3 yд2  1)ctg (k0 ) 
sin(k0 )} sд
y д

tg (k0 )
k
(3 yд2  1)
1
sф
sд
,
(6)
где  - коэффициент регенерации, yд  Ад / A0 . yд и 0 находятся посредством
уравнений (5) для детерминированных составляющих. Наличие в (6) члена 1 / k
означает, что ФОС подавляет флуктуации при k  1 .
Полученные результаты использованы для улучшения характеристик фазовой
автоподстройки частоты. Канал принудительной подстройки резонансной частоты
контура автогенератора представляет собой традиционную систему ФАПЧ. А канал
подавления фазового шума является каналом формирования отрицательной ФОС.
Полигармоническая синхронизация автогенератора
Из первого уравнения укороченной комплексной модели (2), получена система
для определения первой гармоники сигнала автогенератора
dy  0 3
B 0

( y  y) 
cos  0 ,
d 2 c
2 c
2  02 dc1
d 0
B 0

sin  0   c

.
d 2 y c
d
2c2
Разделение действительных и мнимых частей второго уравнения модели (2) дает
систему уравнений, описывающую амплитуду и фазу второй гармонической
составляющей сигнала автогенератора


KR
( 0  4 с ) A2   A12 sin(21   2 )  2
I sin( c 2   2 ),
с
0
 c2
2A2  A12 cos(21   2 )  2
KR
I cos( c 2   2 )  0.
 c2
Из этих уравнений получаем отношение амплитуд гармоник A2 / A1 . Для
0.8660  с  1.730 и 0.5770  с  0.8660 имеем
yA10
A2

0

A1
4 с
с
0
yA10 sin( 21   2 )
A2



B
.
A1
( 0  4 с )  8 sin( c 2   2 )
с
0
y
Данные соотношения позволяют минимизировать влияние второй гармоники
сигнала автогенератора.
Заключение
В статье рассмотрено влияние аргументной фазовой обратной связи на
характеристики неавтономного автогенератора. Показано, что она уменьшает
флуктуации фазы сигнала, обусловленные естественными шумами и флуктуациями
крутизны, а также минимизирует влияние второй гармоники, что улучшает
характеристики радиоэлектронных устройств.
Список литературы: 1. Біла книга 2006: Оборонна політика України // Військо Украіни.
68
Спеціальний випуск.- 2007, -95 с. 2. Чекунова О. М. Синтез швидкодіючих систем фазового
автопідстроювання частоти синтезаторів частот для впровадження завадозахищенного режиму
засобів радіозв’язку. Дисс. канд. техн. наук / - X., 2008. – 180 с. 3. Chenakin А. Frequency
Synthesis: Current Solutions and Trends // Microwave Journal. -2007. -Vol. 50. -№5. -P. 256-266. 4.
Рапин В. В.,.Федюшин А. И Математическая модель синхронизированного автогенератора
//Вестник национального технического университета "ХПИ",- Сборник научных трудов. 2012.
"Вып 1' – С. 55 -59. 5. Рапін В. В., Хуторненко С. В. Розробка математичної моделі
автогенераторного відслідковуючого фільтру. //Системи обробки інформації. Збірник наукових
праць. 2005. Вип. 1 – С.75 -80.
УДК 621.373.072.9
Влияние аргументной фазовой обратной связи на характеристики автоколебательной
системы/ В. В. Рапин// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х:
НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 64-69. – Бібліогр.:5 назв.
Досліджений одноконтурний автогенератор з аргументним фазовим зворотним зв'язком
синхронізований на основному тоні. Приведені математичні моделі і співвідношення, що
описують вплив зворотнього зв'язку на флуктуації фази сигналу автогенератора у разі
гармонійной синхронізації та його вплив на другу гармоніку сигналу при полігармонійній
синхронізації.
Ключові слова: автогенератор, синхронізація, зворотний зв'язок.
А fundamentally injected оscillator with phase feedback has been presented. Mathematical
models and expressions, describing the phase feedback influence on the oscillator signal phase
fluctuations for harmonic synchronization and on the second harmonic for polyharmonic
synchronization have been obtained.
Keywords: oscillator, synchronization, feedback.
УДК 629.36
В. М. ШУЛЯКОВ, аспірант, ХНАДУ, Харків
АНАЛІЗ ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДУ СУБТРАКТИВНОЇ
КЛАСТЕРІЗАЦІЇ ПРИ СТВОРЕНІ НЕЧІТКИХ РЕГУЛЯТОРІВ
ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИХ СЛІДКУЮЧИХ ПРИВОДІВ АВТОМОБІЛІВ
У статті розглянута задача створення нечіткого регулятора для електрогідравлічних слідкуючих
приводів автомобілів з використанням методу субтрактивної кластерізації. Проведено
дослідження перехідних процесів замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода
з нечітким регулятором, а також дослідження впливу методу субтрактивної кластерізації на
якість таких нечітких регуляторів.
Ключові слова: нечіткий регулятор, кластерізація, електрогідравлічний слідкуючий
привід, транспортний засіб.
Вступ
Загальною особливістю задач нелінійного та ситуаційного керування є існування
деякої залежності або відносини, що зв'язують вхідні і вихідні змінні моделі системи,
яка представляється у формі так званого «чорного ящика». При цьому виявлення та
визначення даної залежності в явному теоретико-множинному або аналітичному виді
не представляється можливим або через недолік інформації про проблемну область,
яка моделюється, або через складності обліку різноманіття факторів, що впливають
на характер даного взаємозв'язку.
©
69
В. М. ШУЛЯКОВ, 2013
Аналіз останніх досліджень та літератури
Електрогідравлічні слідкуючи приводи широко використовуються в
транспортних засобах. Електрогідравлічний слідкуючий привод для автомобілів,
описано в роботах [1-3] та [5].
Для конструктивного рішення задач нелінійного та ситуаційного керування
доцільно використовувати апарат штучних нейронних мереж (ШНМ). Достоїнством
моделей, побудованих на основі ШНМ, є можливість одержання нової інформації про
проблемну область у формі деякого прогнозу. При цьому побудова і настроювання
ШНМ здійснюється за допомогою їхнього навчання на основі наявної і доступної інформації.
Нечіткі ШНМ або гібридні мережі покликані об'єднати в собі достоїнства ШНМ
і систем нечіткої логіки. З одного боку, вони дозволяють розробляти і представляти
моделі систем у формі нечітких правил, а з іншого боку, для побудови нечітких
правил використовуються методи ШНМ.
За допомогою редактора ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)
математичного
пакету
Matlab
синтезовано
нечіткий
регулятор
для
електрогідравлічного слідкуючого привода з використанням методів ШНМ [5].
Проведено чисельні експерименти і отримано результати.
Мета досліджень, постанова проблеми
Метою роботи є дослідження впливу методу субтрактивної кластерізації на якість
роботи нечіткого регулятора. Використання інтелектуальних регуляторів
дозволить підвищити енергоефективність, надійність, безвідмовність, довговічність,
безпеку використання вузлів та агрегатів автомобіля.
Матеріали досліджень
У кожному експерименті налаштування та тренування регуляторів проводилися
за однакових умов. По-перше, обиралася запропонована навчальна вибірка.
Наступним кроком обирався метод генерування нечіткої структури – Subtractive
clustering (генерування системи по методу субтрактивної кластерізації). Далі
обирався гібридний метод оптимізації, який поєднує метод зворотнього поширення
помилки з методом найменших квадратів. Параметр «необхідної точності навчання»
залишався за замовчуванням 0, і кількість епох навчання - 50.
У результаті проведених експериментів було апробовано роботу створеного
нечіткого регулятору з використанням методу субтрактивної кластерізації. Отримані
результати порівняно з результатами штатного регулятора та регулятора з трикутною
функцією приналежності.
Результати досліджень
На
рис. 1-6
представлено
перехідні
процеси
замкненої
системи
електрогідравлічного слідкуючого привода при отриманих значеннях варійованих
параметрів блоку керування [4-5] для штатного регулятору (крива 1), нечіткого
регулятору з трикутною функцією приналежності (крива 2), регулятора з
використанням методу субтрактивної кластерізації (крива 3).
На рис. 1 наведено перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного
слідкуючого привода для вибраного значення 10 градусів для куту повороту об’єкту
керування. Для регулятора з використанням методу субтрактивної кластерізації
(крива 3) зменшення перерегулювання склало 100% по куту у порівнянні зі штатним
регулятором (крива 1).
70
Збільшуємо вибране значення
для куту повороту об’єкту керування
до 15 градусів
(рис. 2). Для
регулятора з використанням методу
субтрактивної кластерізації (крива 3)
при обраному значенні 15 градусів
зменшення перерегулювання склало
100% по куту у порівнянні зі штатним
Рис. 1 - Перехідні процеси замкненої системи
При обраному значенні 20 градусів
для куту повороту об’єкту керування електрогідравлічного слідкуючого привода для
вибраного значення 10 градусів для куту
(рис. 3) спостерігається подібна
повороту об’єкту керування: 1 – штатний
ситуація до попереднього випадку. регулятор; 2 – регулятор з трикутною функцією
Для регулятора з використанням
приналежності; 3 – регулятор з використанням
методу субтрактивної кластерізації
(крива 3) при обраному значенні 20
градусів
зменшення
перерегулювання склало 100% по
куту у порівнянні зі штатним
При
розгляді
перехідних
процесів
замкненої
системи
електрогідравлічного
слідкуючого
привода для кутової швидкості
об’єкту керування зі значенням 10 електрогідравлічного слідкуючого привода для
градусів (рис. 4) можна зробити
повороту
об’єкту керування: 1 – штатний
висновок, що для регулятора з
використанням методу субтрактивної регулятор; 2 – регулятор з трикутною функцією
кластерізації
(крива 3) зменшення
кутової швидкості у порівнянні зі
штатним регулятором (крива 1).
Перехідні процеси замкненої
системи
електрогідравлічного
слідкуючого привода для кутової
швидкості об’єкту керування зі
значенням 15 градусів (рис. 5) такі,
що для регулятора з використанням
електрогідравлічного слідкуючого привода для
(крива
3)
зменшення
повороту об’єкту керування: 1 – штатний
кутової швидкості у порівнянні зі регулятор; 2 – регулятор з трикутною функцією
штатним регулятором (крива 1).
Зі збільшенням значення до 20
градусів (рис. 6) бачимо такі
результати роботи регулятора з використанням методу субтрактивної кластерізації
(крива 3) – зменшення перерегулювання склало 46% по кутової швидкості у
порівнянні зі штатним регулятором (крива 1).
71
Як видно з рис. 1-6, а також чисельних
експериментів,
регулятор
з
використанням методу субтрактивної
кластерізації показує на всьому
діапазоні експериментальних значень
кращі результати, ніж штатний
регулятор та регулятор з трикутною
функцією приналежності. Зменшення
перерегулювання склало 100% по куту
повороту об’єкту керування та від 38%
до 46% по кутовій швидкості об’єкту
керування.
Використання нечіткого регулятора в
системах
електрогідравлічних
слідкуючих
приводів
автомобіля
дозволяє значно покращити якість
перехідних процесів при регулюванні,
а саме зменшити перерегулювання до
100% по куту і до 46% по кутовій
швидкості. Цих результатів вдалося
досягти з використанням методу
субтрактивної кластерізації. Також
введення до контуру системи нечіткого
регулятора
дозволило
розширити
область стійкості системи, що в свою
чергу дозволить підвищити надійність
системи. Треба припустити, що
значення
варійованих
параметрів
нечіткого регулятора, які надають
мінімум
функціоналу
якості
T
I   t  t  dt [4], будуть більшими. Це
вибраного значення 10 градусів для кутової
швидкості об’єкту керування: 1 – штатний регулятор;
2 – регулятор з трикутною функцією приналежності; 3
– регулятор з використанням методу субтрактивної
швидкості об’єкту керування: 1 – штатний регулятор;
2 – регулятор з трикутною функцією приналежності; 3
t1
дозволить зменшити час регулювання,
що
надзвичайно
важливо
для
автомобілів, а також швидкохідних швидкості об’єкту керування: 1 – штатний регулятор;
транспортних засобів спеціального 2 – регулятор з трикутною функцією приналежності; 3
призначення.
Висновки
В роботі досліджено вплив методу субтрактивної кластерізації на роботу
створеного регулятора для електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів з
використанням нечіткої логіки, штучних нейронних мереж та методів еволюційного
моделювання, що дозволяє підвищити енергоефективність, швидкодію, надійність,
безвідмовність, довговічність, безпеку використання вищезазначених вузлів та
агрегатів автомобіля.
Використання нечітких (гібридних) регуляторів доцільно при проектуванні та
дослідженні електронних систем керування агрегатами, механізмами та вузлами
автомобілів, електромобілів, гібридних автомобілів, а також при розробці нових
72
методів діагностування та прогнозування технічного стану засобів транспорту, що
забезпечують високу ефективність їх використання та надійність роботи.
Список літератури: 1. Гамынин Н. С. Гидравлический привод систем управления /
Н.С. Гамынин. – M.: Машиностроение, 1972. – 376 с. 2. Ніконов О. Я. Розроблення
інформаційно-структурної схеми електрогідравлічних слідкуючих приводів багатоцільових
транспортних засобів / О. Я. Ніконов, В. Ю. Улько // Вестник НТУ «ХПИ». – Харьков:
НТУ «ХПИ», 2010. – № 57. – С. 214–220. 3. Ніконов О. Я. Побудова нелінійної математичної
моделі електрогідравлічних слідкуючих приводів багатоцільових транспортних засобів / О.
Я. Ніконов, В. Ю. Улько // Вестник НТУ «ХПИ». – Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. – № 9. – С. 108–
113. 4. Ніконов О. Я. Параметричний синтез інформаційно-керуючої підсистеми
електрогідравлічних слідкуючих приводів багатоцільових транспортних засобів / О. Я. Ніконов
// Вестник НТУ «ХПИ». – Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. – № 23. – С. 49–54. 5. Ніконов О. Я.
Побудова нечітких регуляторів для електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів / О.
Я. Ніконов, В. М. Шуляков // Автомобильный транспорт: сборник научных трудов. – 2012. –
№ 30. – С. 49–53.
УДК 629.36
Аналіз використання методу субтрактивної кластерізації при створені нечітких
регуляторів електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів / В. М. Шуляков //
(978). – С. 69-73. – Бібліогр.:5 назв.
В статье рассмотрена задача создания нечеткого регулятора для электрогидравлических
следящих приводов автомобилей с использованием метода субтрактивной кластеризации.
Проведено исследование переходных процессов замкнутой системы электрогидравлического
следящего привода с нечетким регулятором, а также исследование влияния метода
субтрактивной кластеризации на качество таких нечетких регуляторов.
Ключевые слова: нечеткий регулятор, кластеризация, электрогидравлический следящий
привод, транспортное средство.
The problem of creating a fuzzy controller for electrohydraulic servo drive vehicles using the
subtractive clustering is considered in the article. The study of transient processes of closed system
electrohydraulic servo drive with fuzzy controller, and a study of the influence of the subtractive
clustering method on the quality of the fuzzy controller are realized.
Keywords: fuzzy controller, clustering, electrohydraulic servo drive, vehicle.
УДК 004.9:528:006.06
А. B. БЕЛЬЧЕВА, аспирант, ХНУРЭ, Харьков
МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ ДЛЯ
ГИС-ПРИЛОЖЕНИЙ
Предлагается модель оценки качества пространственных данных, которая полностью
соответствует международным стандартам на географическую информацию и не привязана к
конкретной тематической области.
Ключевые слова: ГИС, пространственные данные, качество, модель, нечеткая логика,
международные стандарты, методика.
Вступление. Вопросы качества пространственных данных, объективной оценки
их точности чрезвычайно важны для разработки ГИС-приложений. Особенно, когда
идет речь о создании банков и баз данных национального масштаба. Стандартизация
географической информации позволит системно описать требования к данным и
©
73
А. B. БЕЛЬЧЕВА, 2013
выбрать оптимальное информационное обеспечение. Однако, на сегодняшний день,
для многих тематических областей разработчики вынуждены самостоятельно вводить
внутренние стандарты на качество пространственных данных. Это связано с тем, что
процесс стандартизации редко имеет опережающий характер. Решить данную
проблему можно с помощью модели оценки качества географической информации,
которая соответствует международным стандартам и имеет универсальный характер.
Анализ последних исследований и литературы. В настоящее время
Международной организацией по стандартизации ISO разработана серия стандартов
на географическую информацию. Шесть стандартов этой серии посвящены качеству
пространственных данных. В одном из последних стандартов, ISO 19157
«Географическая информация. Качество данных» введены элементы и подэлементы
качества, которые используют для вычисления количественной оценки качества
набора данных. Определены виды взаимодействия пользователя и разработчика
данных, где идет речь о формировании отчетов относительно качества продукта с
целью внедрения в национальные и коммерческие базы данных. Таким образом,
введены наборы характеристик, которые предоставляет разработчик, однако не
регламентированы требования пользователя и отсутствует методика выбора
пространственных данных ГИС-приложений [1]. В Украине, действующие стандарты
данной области практически отсутствуют. Прослеживается тенденция введения
нормативных документов касательно отдельных ведомственных структур [2]. На их
основе сегодня разработаны муниципальные ГИС Киева, Севастополя, Харькова,
Луганска и других городов Украины. Введен приказ Госкомзема Украины №573 от
02.11.09р «Об утверждении требований к структуре, содержанию и формату
оформления результатов работ по землеустройству в электронном виде» [3] и
активно ведутся работы по созданию аналитической системы по чрезвычайным
ситуациям [4]. Однако данные разработки не имеют универсальный характер т.к.
применяются в конкретной сфере. Кроме того, понятие «качество данных»
рассматривается в ключе метаданных о пространственном объекте, что влечет за
собой потерю информации и не учитывает всех элементов регламентируемых ISO
19157. Поэтому на сегодняшний день разработчики ГИС-приложений вынуждены
создавать под каждый проект свою идеологию, архитектуру, внутренние стандарты
на качество, что приводит хаосу в форматах и структуре пространственных данных.
С этим связаны дальнейшие проблемы передачи данных и модификации и
интеграции информационного обеспечения.
Проблема унификации данных стоит очень остро, ведь сферы применения ГИС
растут с каждым днем. Таким образом, назрела необходимость в модели обеспечения
качества пространственных данных, которая позволит комплексно решить задачу
стандартизации информации о качестве и обеспечит взаимодействие пользователя и
разработчика при выборе информационного обеспечения ГИС.
Цель исследования, постановка проблемы. Целью данной статьи является
разработка модели обеспечения качества пространственных данных и методики
выбора информационного обеспечения ГИС-приложений.
Материалы
исследования.
Основа
модели
обеспечения
качества
пространственных данных – пакет разработанных и утвержденных нормативнометодических документов и стандартов на географическую информацию. Построение
модели в виде многоуровневой структуры показателей качества позволит системно
описать требования разработчика к информационному обеспечению.
74
Показатели качества данных представляют собой набор разнородной, плохо
формализуемой информации. Это связано со сложностью изучаемых объектов,
которые имеет свою метрику, шкалы и оценочные измерения. В задачах управления
качеством необходимо оценить множество альтернатив, руководствуясь нечеткими
входными данными. При этом выбор наилучшей альтернативы зависит от
человеческого фактора. Нечеткими ограничениями можно оценить мощности
множества альтернатив используя системы логического вывода, работа которых
основана на базе правил имитирующих человеческий фактор при выборе наилучшей
альтернативы. Таким образом, построение модели обеспечения качества данных
выполнено на основе методов нечеткой логики. Основа базы лингвистических
переменных стандарт ISO 19157, где элементы качества описаны множеством
, где
«Completeness»,
«Temporal Accuracy»,
«Logical
Consistency»,
«Positional Accuracy»,
«Thematic Accuracy».
Множество значений лингвистических переменных определяется набором
термов
. Полнота, временная точность и логическая согласованность
пространственных данных определены на одном универсальном множестве
в
качестве переменных «истинности». Выбор функции принадлежности такого вида
связан, прежде всего, с ее аксиоматическим характером. Терм-множество данных
переменных
, а функция принадлежности имеет вид:
(1)
.
(2)
Синтаксические правила формирования лингвистических переменных используя
квантификаторы «Very», «More or less» порождают новые термы
={«Very» ,
«More or less»
}. В то время как семантические, определяют вид функции
принадлежности путем сопоставления каждому терму нечеткое множество из .
Оценка входных элементов модели качества проводится с помощью данной
последовательности нечетких квантификаторов.
Между отрезками графиков функций принадлежности нечетких переменных
существует интервал значений
который разбит двумя нечеткими
квантификаторами {«Very», «More or less»} и образует лингвистическую шкалу
оценки элементов качества пространственных данных. Значение выражает степень
уверенности, с которой можно отнести значение входа к соответствующему
нечеткому множеству.
Нечеткий квантификатор «Very» концентрируют нечеткое множество, а «More or
less» размывают его. В табл. приведены значения показателя степени функции
принадлежности для каждого квантификатора.
Таблица – Квантификаторы функций принадлежности
Квантификатор
Функция принадлежности
«Very»
«More or less»
75
Позиционная точность пространственных данных – величина близости
истинного значение местоположения пространственных объектов в пространстве. В
зависимости от модели пространственных данных точность позиционирования
определяется размером растровой ячейки, или толщины линий. Мера данного
элемента качества не определена стандартом и, как правило, вычисляется
статистическим методом «переноса ошибок» оценивая погрешность каждого
источника, беря за основу карту с более высокой степенью надежности и точности
данных. Однако, в реальных условиях такой высокоточный материал может
отсутствовать.
Лингвистическая переменная «Positional Accuracy» характеризуется двумя
входными значениями (плановой и высотной точности), что усложняет структуру
модели качества и определяет ее иерархический характер. Применение модели такого
вида позволит значительно упростит логику вычислений и сократить количество
нечетких правил.
Термы первого уровня
для переменных высотной
«Altitude accuracy» и плановой точности
«Planned accuracy»
пространственных данных имеют колоколообразные функции принадлежности
,
(3)
где a, b и c – настраиваемые параметры.
Используя квантификаторы «No», «Very», «More or less» получим новые термы
={«No» , «Very»
, «More or less»
}. Оценка входных элементов
проводится с помощью данной последовательности нечетких квантификаторов,
интервальным значением с одним основанием.
Квантификаторы функций принадлежности нечетких переменных
: «No»
–
, «Very»
–
, «More or less»
–
.
Тематическая точность пространственных данных представлена в стандарте
тремя подэлементами качества [1]. Два из которых, точность атрибутов и ошибки
классификации полей, вычисляются как значение погрешности, a для третьего
элемента – матрицы ложно классифицированных объектов, метрика не введена. Это
связано с тем, что ошибку классификации вычисляют относительно эталонного
массива данных.
В практических задачах для расчета данного элемента качества применяют
метод кросс-табуляции [5], где определяют разницу между двумя источниками,
принимая за более достоверный тот, в котором преобладает пессимистический
прогноз. Однако, такой результат не дает возможности пользователю выбрать набор
данных, с учетом рисков и выигрышей. Такую задачу можно свести к игровой, решив
матрицу выигрышей. Строки матрицы будут отражать возможные варианты
стратегий (наборы векторных и растровых данных), а столбцы – варианты
классификации объектов. Для определение оптимальной стратегии необходимо
упорядочить множество источников данных по заданному критерию.
Пусть
множество альтернатив, a
множество
классификационных признаков. Тогда значение «Thematic Accuracy» представим
76
парой
, где ранжируя оценки, можно выразить значение эффективности
классификации
,
(4)
где
– оценка качества «Thematic Accuracy». Если цель ГИС-приложения
определяет стратегию , а среда принимает состояние классификационный признак
, то можно определить
. Такое представление функции принадлежности
подчеркивает, что принятия решения происходит в условиях неопределенности, т.к.
нет объективной информации о состоянии среды – эталонных классификационных
признаков пространственных данных. Однако эта неопределенность не является
абсолютной, т.к. известно множество
. Тогда
– функция
выигрыша. Для решения задачи остается выбрать наилучшую стратегию.
Функцию, определяющую значение переменной качества «Thematic Accuracy»
можно представить в виде матрицы
(5)
где
– значение выигрыша, если выбран критерий , и множество
классификационных признаков .
Поиск оптимальной стратегии – есть решение игры, где игровая задача
представлена в матричной форме. Среди множества стратегий I=
доминирующей
будет называться та, значение выигрыша которой больше
остальных
при всех
. Для ранжирование множества нужно
сформулировать гипотезу, позволяющею определить критерий для сравнения
классификационных признаков лингвистической переменной «Thematic Accuracy».
Выбор гипотезы о поведении среды основан на целях и специфики конкретных задач
ГИС-приложения.
Рассмотрим основные критерии, которые используют в задачах принятия
решений в условиях неопределенности. Критерий недостаточного основания Лапласа
пологает, что поскольку не известно истинного множества классификационных
признаков, то тематическую точность данных можно считать равновероятной.
Критерий осторожности Вальда в качестве оптимальной стратегии принимает ту,
которая в наихудших условиях гарантирует максимальный выигрыш, выражая
пессимистическую оценку ситуации. Критерий минимального риска Севиджа
рекомендует выбирать стратегию, при которой величина максимального риска
минимизируется в наихудших условиях. Так как за основу каждого критерия берется
своя гипотеза значения «Thematic Accuracy» не будут совпадать. Такой подход
вычисляет качество пространственных данных, не принимая за истину одно из
множеств тематических признаков.
Лингвистическая переменная «Thematic Accuracy» в модели оценки качества данных
характеризуется
набором
входных
и
выходных
значений. Термы первого уровня лингвистической
переменной задаются функцией «истинности», термы и квантификаторы которой
аналогичны переменным
.
77
Общая схема модели качества
пространственных данных представляет собой
многоуровневую структуру (рис.). Для
осуществления процесса управления качеством
введем базу нечетких правил и определим этап
дефаззификакации.
Аппроксимируем
зависимость
Рис. – Схема модели качества
используя нечеткую базу знаний
пространственных данных
из систем логических уравнений и операции
максимума или минимума над нечеткими множествами.
Выразим степени принадлежности входного вектора
нечетким
термам – лингвистической оценки выходной переменной .
(6)
Представим базу правил в компактном виде, где синтез нечетких входных
значений определит переменную выхода. Чем больше значение элемента качества,
тем выше качество набора в целом.
(7)
При этом, значение
для первых трех переменных недопустимо, и в
пересечение с любой другой переменной приводит к пустому множеству. Тогда
результирующему значению соответствует операция максимума
(8)
Четкое значение выходной переменной определяется
дефаззификации нечеткого множества в четкое значение выхода.
через
процесс
(9)
Результаты исследования. Результатом данного исследования является модель
качества пространственных данных, работа которой не зависит от сферы применения
и имеет универсальный характер. Кроме того, модель полностью соответствует серии
международных стандартов на качество географической информации. Элементы
качества позиционной и тематической точности рассчитаны на практических задачах.
Где плановая точность определяет дешифровочный потенциал снимков [6], а
тематическая – качество цифровых карт по маскам пожаров [7].
Вывод. В статье предложена модель оценки качества пространственных данных,
которая полностью ориентирована на разработчиков ГИС-приложений. Она имеет
адаптивный характер, с возможностью выбора критериев для принятия решений
относительно оптимального набора данных. Кроме того, полностью согласуется со
стандартом, и может использоваться не зависимо от тематики ГИС-приложения.
Модель разработана на основе методов нечеткой логики, которые легко адаптируется
под конкретные задачи, и могут расширяются дополнительным набором входных
78
переменных. На основе данной модели можно сформировать методику оценки
качества пространственных данных, которая объединяет: а) обеспечение точности
оценки б) наличие обратной связи между разработчиком данных и ГИС-приложений
в) методы выбора оптимального набора пространственных данных согласно
требованиям пользователя и стандартам в данной области г) адаптивный характер
модели д) обеспечение точности оценки.
Список литературы: 1. ISO/DIS 19157 Geographic information – Data quality / TC 211 Geographic information/Geomatics – 2012. 2. Ищук А. А. Геоинформационные системы в Украине:
основные тенденции и проблемы развития / А. А. Ищук, Е. С. Серединин, С. А. Карпенко, А. В.
Мельник // Ученые записки Таврического национального университета имени В. И. Вернадского
Серия «География». – 2010. – Т. 23 (62), №2. – С. 13-21. 3. Наказ Державного комітету України
із земельних ресурсів 02.11.2009 N 573 « Вимоги до структури, змісту та формату оформлення
результатів робіт із землеустрою в електронному вигляді (обмінного файлу)» / Міністерство
юстиції України – 2010. – № 157/17452. 4. Салтовец А. А. «Современное состояние ГИСсоставляющей правительственной информационно-аналитической системы по чрезвычайным
ситуациям» / А. А. Салтовец, О. С. Соколова // Ученые записки Таврического национального
университета имени В. И. Вернадского Серия «География». – 2009. – Т. 22 (61), №1. – С. 90-98.
5. Рыков Д. Н. Матрица ошибок и расчет показателей точности тематических карт // Gis-Lab. –
2010, 14 с. 6. Бельчева А. В. Нечеткие множества и расчет показателя точности цифрових карт /
А. В. Бельчева, Н. О. Манакова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий – 2011,
№ 3/2 (51). – С. 29. 7. Бельчева А. В. Теория игр и расчет показателей эффективности данных / А.
В. Бельчева, В. П. Манаков, Н. О. Манакова // Радиоэлектроника и информатика – 2011, №
1(52). – С. 87.
УДК 004.9:528:006.06
Модель оценки качества пространственных данных для ГИС-приложений/
А. B. Бельчева // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ
«ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 73-79. – Бібліогр.: 7 назв.
Пропонується модель оцінки якості просторових даних, яка повністю відповідає
міжнародним стандартам на географічну інформацію і не прив'язана до конкретної тематичної
області.
Ключові слова: ГІС, просторові дані, якість, модель, нечітка логіка, міжнародні
стандарти, методика
The model of a spatial data quality assessment has been proposed which is fully in line with
international geographic information standards and does not connected with any specific subject area.
Keywords: GIS, spatial dataset, quality model, fuzzy logic, international standards and
methodology.
УДК 681.32
В. О. ГАЄВСЬКА, канд. техн. наук, доц., ХНУБА, Харків;
В. А. ШУР, канд. техн. наук, с. н. с., ХНУБА, Харків;
А. Ю. КАБИШ, аспирант, ХНУБА, Харків
УПРАВЛІННЯ ІНФОРМАЦІЙНИМИ, МАТЕРІАЛЬНИМИ І
ФІНАНСОВИМИ ПОТОКАМИ В СИСТЕМАХ ПОСТАЧАННЯ
НАСЕЛЕННЮ НЕФАСОВАНОЇ ПИТНОЇ ВОДИ
Розглянуто особливості управління інформаційними, матеріальними і фінансовими потоками в
системах постачання населенню нефасованої питної води з підземних джерел. Розроблено
© В. О. ГАЄВСЬКА, В. А. ШУР , А. Ю. КАБИШ, 2013
79
модель єдиного інформаційного простору систем, структура єдиної бази даних. Проведений
аналіз потоків внутрішньої та зовнішньої інформації в системі.
Ключові слова: інформаційний потік, единий інформаційний простір, база даних
Вступ.
Загальна проблема дефіциту якісної питної води в Україні потребує для її
вирішення удосконалення діючих й розробка нових підходів до систем забезпечення
населення високоякісною питною водою [1-4]. Загальнодержавні програми «Питна
вода України» [5,6] передбачають створення системи постачання населенню якісної
нефасованої питної води (НПВ), низька вартість якої дозволяє забезпечувати нею
широкі верстви малозабезпечених жителів міст і селищ країни. Однак ця система не
має достатнього науково-практичного забезпечення і потребує аналізу і відповідних
досліджень.
Дослідження структури системи НПВ
Система НПВ включає в себе підсистеми виробництва, транспортування і алізації
нефасованої питної води. Виробництво питної води включає добування води з
підземних джерел, механічне очищення її від твердих частинок розміром 5-20 мкм,
знезаражування ультрафіолетовим випромінюванням, збагачування води киснем,
зменшення вмісту мінералів, додаткове очищення методом зворотного осмосу.
Транспортування нефасованої питної води здійснюється в автоцистернах. Її
доставляють в певні пункти міста, села, де наливають громадянам в їхню тару, та в
магазини. Воду також доставляють юридичним і фізичним особам згідно укладеним
договорам (контрактам) в оборотній тарі ємністю 10-50 л.
Проекти систем НПВ є комплексними і складаються з трьох простих унікальних
проектів вказаних підсистем. Ці проекти екологічно безпечні, дають значний
соціальний, економічний і екологічний ефект.
Для надійного управління інформаційними, матеріальними і фінансовими
потоками, що циркулюють в системі НПВ, прийняття ефективних управлінських
рішень і контролю їх виконання необхідна повна, своєчасна, достовірна і надійна
внутрішня і зовнішня інформація щодо стану системи НПВ. Це потребує розробки
моделі єдиного інформаційного простору в системі НПВ, структури єдиної бази
даних, схем потоків внутрішньої і зовнішньої інформації.
Єдиний інформаційний простір в системі НПВ
В системі НПВ необхідний надійний оперативний контроль виробництва,
транспортування та реалізації води з використанням сучасних інформаційних
технологій, об’єднаних в єдиному інформаційному просторі, модель якого надано на
рис. 1.
Ця модель є основою для створення моніторингового центру (МЦ) підприємства виробника нефасованої питної води і дозволяє в режимі реального часу контролювати
роботу всієї системи. (ОПР), приймає необхідні заходи. МЦ є центром оперативного
управління всіма процесами в системі НПВ.
В МЦ постійно в режимі реального часу поступає необхідна інформація щодо
процесів виробництва питної води, її транспортування і реалізації. Вона у встановлені
терміни автоматично опрацьовується і за її результатами особа, що приймає рішення
Основними завданнями моніторингового центру є:
1. Обробка оператором МЦ у встановлені терміни всієї інформації, що надходить
в режимі реального часу.
2. Контроль в режимі онлайн:
80
- виробництва питної
води, в т.ч. обсяги води, що
надійшла
з
підземного
джерела, обсяги води на
окремих стадіях її підготовки
та готової води;
транспортування
нефасованої питної води в
автоцистернах для реалізації
населенню і в
магазинах,
юридичним
та
фізичним
особам - в оборотній тарі;
- обсяги реалізованої
води населенню, магазинам, Рис. 1 Модель єдиного інформаційного простору в
юридичним і фізичним особам
системі НПВ
та одержаних коштів.
3. Інформування керівництва підприємства-виробника нефасованої питної води
про збої, що відбулися, та про можливі збої в системі виробництва, транспортування і
реалізації води для прийняття необхідних заходів щодо їх ліквідації або запобігання.
4. Обробка, узагальнення та передача отриманої інформації керівництву
підприємства-виробника
для оцінки економічної діяльності підприємства у
встановлений період (доба, тиждень, місяць, рік) і прийняття необхідних
управлінських рішень.
Єдина база даних в системі НПВ
Для розробки програми роботи МЦ в інформаційному просторі системи НПВ
пропонується наступна єдина база
даних (рис. 2), що включає в себе 8
модулів, які забезпечують надійне
функціонування
системи
НПВ.
Функції
кожного
модулю
визначаються наступним.
1. Модуль контролю роботи
підсистеми системи виробництва
питної води.
Функції: фіксація об’ємів подачі
підземної води в систему її
підготовки, контроль технічного
стану устаткування і оснащення для
очищення,
знезаражування
і Рис. 2 Структура єдиної бази даних в системі
НПВ
поліпшення якості підземної води,
контроль якості готової води та її об’ємів в ємностях зберігання, передача даних в
МЦ.
2. Модуль управління і контролю договорів постачання нефасованої води.
Функції: реєстрація укладених договорів (контрактів) на постачання питної води
з юридичними особами (магазини, ресторани, кафе, державні установи, приватні
організації і ін.) та з фізичними особами, контроль їх виконання.
3. Модуль управління каналами реалізації нефасованої питної води.
81
Функції: узгодження з місцевими органами влади, в т.ч. із службами ДАІ, місць
розташування пересувних і стаціонарних пунктів розливу нефасованої питної води, в
т.ч. магазинів, маршрутів автоцистерн з питною водою, часів їх прибуття до місць
розливу в тару громадян та часів знаходження в місцях розливу і коло магазинів, а
також маршрутів автомобілів, що доставляють питну воді в оборотній тарі
замовникам – юридичним і фізичним особам за укладеними з ними договорами
(контрактами).
4. Модуль забезпечення технічного та санітарного стану виробництва води,
засобів її транспортування та реалізації.
Функції: контроль технічного і санітарного стану автоцистерн, що доставляють
населенню і в магазини нефасовану питну воду; контроль технічного стану
автомобілів, що доставляють питну тару в оборотній тарі замовникам.
Підбір за критеріями
кваліфікації операторів виробництва, водіїв
автотранспорту, агентів з реалізації води, контроль їх роботи.
5. Модуль управління транспортуванням і реалізацією води населенню.
Функції: забезпечення постійного управління і контролю за пересуванням
автотранспорту з використанням інтелектуальних процедур визначення координат
автотранспортних засобів як мобільних терміналів у невеликих безпровідних
мережах [7], або більш дорогих систем глобального позиціонування (GPS) та
глобального інформування (GIS).
6. Модуль управління транспортуванням і реалізацією води замовникам.
Функції: забезпечення постійного контролю за доставкою питної води в
оборотній тарі замовникам (юридичним і фізичним особам) і магазинам (в
автоцистернах) згідно укладеними з ними договорами (контрактами), контроль
результатів реалізації води замовникам.
7. Модуль аналізу і розрахунку витрат і прибутку.
Функції: проведення попереднього (при розробці конкретного проекту системи
НПВ) та поточного (при реалізації проекту) аналізу фінансового стану підприємствавиробника нефасованої питної води, розрахунки попередніх та поточних витрат і
прибутків.
8. Модуль зв’язку з органами влади і іншими організаціями.
Функції: узгодження з органами влади, службами санітарно-епідеміо-логічного і
екологічного контролю та іншими організаціями конкретного проекту системи НПВ,
оперативне реагування на їхні зауваження і вимоги під час реалізації проекту, на
зміни законів в сфері водопостачання України.
Потоки внутрішньої оперативної інформації в системі НПВ
На рис. 3 надано схему та склад потоків оперативної інформації в системі
виробництва і реалізації нефасованої питної води. Ці інформаційні потоки від
операторів виробництва нефасованої питної води, агентів з її реалізації надійно через
МЦ забезпечують в режимі реального часу керівництво підприємства-виробника
нефасованої питної води постійною і достовірною оперативною інформацією щодо
процесів її виробництва, транспортування і реалізації. Це дає змогу керівництву
своєчасно реагувати на відхилення від планових завдань і швидко приймати
необхідні управлінські рішення, оцінювати фінансовий стан підприємства та його
зміни і відповідно корегувати планові завдання.
Реалізація функцій модулю зв’язку з органами державної і місцевої влади,
державними агентствами і службами та іншими організаціями (модуль 8) визначено у
вигляді постійного аналізу вхідних і вихідних потоків зовнішньої інформації в
82
системі НПВ, схему яких
надано на рис. 4. По мірі
надходження
потоків
зовнішньої інформації та її
аналізу
керівництвом
приймається
відповідні
рішення, які направляє
через моніторинговий центр
службовим особам, які
керують
виробництвом,
транспортуванням
і
реалізацією
нефасованої
питної води, і відправникам
одержаної інформації.
Це
дозволяє
також
оперативного реагувати на
рішення
державних
і
місцевих органів влади та
інших
організацій
і
запобігати
створенню Рис. 3 Схема потоків внутрішньої оперативної інформації
ризиків під час розробки,
в системі НПВ
управління
і
реалізації
проектів
в
системі
постачання населенню і
іншим споживачам якісної
нефасованої питної води з
підземних джерел.
Вся вхідна і вихідна
зовнішня
інформація
поступає в МЦ системи в
режимі реального часу,
реєструється, обробляється і
зосереджується в єдиній
базі даних підприємствавиробника
нефасованої
питної води.Склад вхідних і
вихідних
потоків
зовнішньої інформації в
системі НПВ наданий на
рис. 4.
1. Органи
управлінь
Державної служби геології
та
надр,
Державних
агентств водних, лісних і
земельних
ресурсів,
Державної
санітарноРис. 4 Вхідні і вихідні потоки зовнішньої інформації в
епідеміологічної служби і
системі НПВ
83
Державної екологічної інспекції.
До них подаються від ініціаторів проектів та органів місцевої влади прохання
про надання інформації щодо наявності і територіального розташування джерел
підземної води, їхні ресурси і добовий дебет, прогноз ресурсів підземної води та
добових дебетів, про надання інформації щодо якості підземної води в цих джерелах,
відповідності їх санітарно-гігієнічним та екологічним вимогам
вітчизняних,
європейських та світових стандартів, прогнозам зміни якості підземної води і
екологічної ситуації, про продаж на аукціонах спеціального дозволу на користування
ресурсами підземних вод і ін.
2. Місцеві органи влади. До них подаються заявки на одержання інформації про
ступінь забезпеченості питною водою населення та інших споживачів із джерел
централізованого і децентралізованого водопостачання на території, де планується
реалізація проекту системи, відповідність її гігієнічним та екологічним вимогам
стандартів на питну воду, орієнтованих обсягів потреб населення, юридичних та
фізичних осіб в якісній нефасованій питній воді з підземних джерел, документи для
державної реєстрації нового підприємства.
3. Управління ДАІ місцевого органу влади.
В цьому каналі циркулює інформація щодо маршрутів автотранспорту з
нефасованою питною водою в автоцистернах і в оборотній тарі, пропозиції щодо
місць розташування пунктів розливу води з автоцистерн в тару громадян, пропозиції
щодо оптимізації місць розташування та автомобільних маршрутів, а також рішення
ДАІ по одержаній та іншої інформації для системи.
4. Офіційна інформація від Президента України, Верховної Ради України,
Кабінету Міністрів України і інших структур виконавчої влади, судової системи.
Система НПВ через МЦ оперативно одержує необхідну для забезпечення
надійного постачання населенню нефасованої питної води інформацію: Укази
Президента, Постанови КМУ і ВР, нормативно-правову і нормативно-технічну
інформацію, повідомлення, рішення з інших державних структур виконавчої влади,
судової системи і ін.
Висновки
У статті запропоновані методи управління інформаційними, матеріальними і
фінансовими потоками в системах постачання населенню якісної нефасованої
питної води. Розроблено модель єдиного інформаційного простору системи,
структура єдиної бази даних з 8 модулями та їхніми функціями, схеми, склад і
особливості вхідних і вихідних внутрішніх і зовнішніх інформаційних потоків в
системі. Область рекомендованого застосування: розробка, управління та реалізація
проектів систем виробництва, транспортування і реалізації населенню України
якісної нефасованої питної води відповідно Загальнодержавним програмам «Питна
вода України».
Список літератури: 1. А. М. Котляр. Сучасні проблеми питної прісної води. - Х.: Факт, 2002. 232 с. : іл. 2. А. М. Котляр, В. А.Шур, І. М.Кузьмін, А. Ю. Гаєвська. Нові гігієнічні та екологічні
вимоги до питної води // Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн.сб. – К. Техніка. 2008.
Вып. 91 – с. 127-132. 3. А. Ю. Гаєвська, В. Г. Зайцева. Альтернативні шляхи забезпечення
населення якісною нефасованою питною водою. Науковий вісник будівництва –Харків. 2009. №
52. с.174-184. 4. І. А. Зубкова, А. М. Котляр, Ю. А. Лець, С. М. Радунова, В. А. Шур. Шляхи
розвитку систем постачання населенню сучасного міста питної води високої якості. Х.: Факт,
2011 – 120 с. 5. Про Загальнодержавну програму «Питна вода України на 2006-2020 роки».
Закон України № 2455 від 03.03.2005 р. 6. Загальнодержавна цільова програма "Питна вода
84
України" на 2011-2020 роки. Закон України від 20.10.2011 р. № 3933 7. А. Б. Колесник, Л. В.
Колесник. Интеллектуализация процедур определения координат мобильных терминалов в
беспроводных сетях // Бионика интеллекта: Научн.-техн. журнал. – 2007. - № 1 (66). – С. 134 138.
УДК 681.32
Управління інформаційними, матеріальними і фінансовими потоками в системах
постачання населенню нефасованої питної води/ В. О. Гаєвська, В. А. Шур , А. Ю. Кабиш
// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - №
4 (978). – С. 79-85. – Бібліогр.:7 назв.
В статье рассматриваются методы управления перспективными системами обеспечения
населения высококачественной нефасованной питьевой водой из подземных источников.
Предлагается схема единого информационного пространства, структура единой базы данных
для автоматизации обработки входных и выходных потоков внутренней и внешней информации
с целью обеспечения надежного управления системой.
The article deals with methods of management systems, providing the population with promising
high nefasovannoy drinking water from underground sources. The scheme of a common information
space, the structure of a unified database to automate the processing of input and output streams of
internal and external information to ensure sound management of the system.
УДК 621.3.089
Е. А. ПОЛЯКОВ, ассистент, ХНАДУ, Харьков,
ТРЕБОВАНИЯ К НОРМИРОВАНИЮ ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ
Обоснованы требования к нормированию динамических характеристик средств измерений для
обеспечения качественного восстановления входных сигналов.
Ключевые слова: нормирование динамических характеристик, идентификация датчика,
обратная задача, генетический алгоритм.
Введение
Для первичного преобразования измерительной информации используются
датчики различного типа. Многие из них являются инерционными, что служит
причиной отличия характеристик выходных сигналов от входных. Таким образом,
возникает задача оценивания реального сигнала, поступающего на вход
измерительного канала, которая относится к обратным задачам измерений и имеет
ряд трудностей в реализации. Одновременно с этим появляется необходимость
получения информации о динамических характеристиках датчика [1].
В [2] предложен метод приближенного решения обратной задачи, который кроме
восстановления входного сигнала средства измерений позволяет оценить его
импульсную характеристику. При использовании этого метода возникает
необходимость внесения изменений в требования к метрологическому обеспечению.
Одной из его главных задач является нормирование и определение метрологических
характеристик средств измерений [3], чему и посвящена данная статья.
Так как речь пойдет о коррекции динамических погрешностей, в данной статье
рассматриваться будут только динамические характеристики средств измерений.
© Е. А. ПОЛЯКОВ, 2013
85
Их разделяют на полные и частные [3]. Нормирование полных динамических
характеристик связанно с множеством проблем, свойственных средствам измерений
определенных типов, таких как, например, зависимость данных характеристик от
изменения входного сигнала, способа крепления средства измерений, наличия
различных неучтенных дестабилизирующих факторов, изменения характеристик со
старением оборудования и другое. Нормировать полную динамическую
характеристику тяжело по причине необходимости количественного описания
нормируемого параметра. Поэтому часто для упрощения задачи прибегают к
использованию частных динамических характеристик, связанных с измеряемым
параметром, например, нормирование границы динамической погрешности [3].
Главным назначением частных динамических характеристик является обеспечение
однообразия средств измерений данного типа.
В работе [2] определяется полная динамическая (импульсная) характеристика
средства измерений.
Цель данной работы – определение требований к нормированию динамических
характеристик средств измерений для обеспечения высокого качества коррекции
динамических погрешностей методом приближенного решения обратной задачи.
Под высоким качеством коррекции автор понимает восстановление входного
сигнала с относительной динамической погрешностью, не превышающей 10%.
Решение задачи
В публикации [2] для осуществления коррекции динамических погрешностей и
идентификации импульсной характеристики датчика методом приближенного
решения обратной задачи используется априорная информация о некоторых его
характеристиках. В частности, считается, что форма импульсного отклика может
быть записана как функция общего вида, например,
k


k 1  t 

k
t






   e

,
t

0
h(t )    
,
 


0, t  0



(1)
где  , k - неизвестные параметры, которые характеризуют форму импульсного
отклика. Использование данной функции может быть объяснено наличием общих
физических принципов работы датчиков определенного типа.
Известно, что случайный входной сигнал может быть разложен в ряд Карунена Лоэва [4]. Реализация входного сигнала в n-мерном представлении:
n
x(t )   ai i (t ).
i 1
 i (t )
(2)
В выражении (2) случайные коэффициенты ai этого ряда неизвестны, а функции
представляют собой ортонормированный базис и выбираются исследователем.
Реализация выходного сигнала линейного преобразователя (уравнение свертки)

y(t ) 
 h( ) x(t   )d  n(t )
(3)
,
где h(t) - импульсная характеристика датчика, и n(t) - аддитивный случайный
процесс, который мы принимаем как белый гауссовский шум. Данное уравнение
используется для решения обратной задачи классическим способом при наличии
точно измеренного выходного сигнала y(t) и импульсной характеристики h(t).

86
Принимая во внимание (1) и (2), выражение (3) можно записать как функцию с
n+2 неизвестными параметрами. Сокращение их числа возможно в случае, когда
форма входного сигнала проста.
В математической постановке задачи оценка неизвестных коэффициентов
сводится к проблеме минимизации функционала
J (a1 ,..., an ,...) 





y (t ) 


h( )
n
 ai i (t   )d  n(t )]2 dt
(4)
i 1
для каждой реализации входного сигнала и шума. Выражение (4) содержит разницу
между известным выходным сигналом и его аппроксимацией представленной
суммой.
Минимизация функционала (4) с большим числом неизвестных коэффициентов
может быть решена с помощью глобальных методов случайного поиска, например,
генетического алгоритма [5]. В результате получены все необходимые
коэффициенты, т. e. фактически решена задача идентификации измерительного
канала, а также задача оценки входного сигнала.
В идеальном случае реальная динамическая характеристика датчика полностью
соответствует расчётной, что позволяет при использовании классического метода
решения обратной задачи полностью восстановить входной сигнал (при точном
измеренном выходном). Реально абсолютно точно описать её невозможно.
При описании импульсной характеристики в виде функции с несколькими
неизвестными (1) могут быть допущены ошибки определения значений данных
коэффициентов, что сказывается на точности восстановления входного сигнала и
идентификации датчика. Таким
образом,
возникает
задача
нормирования
импульсной
характеристики путем установления
требований к точности определения
описывающих ее коэффициентов
(1).
Влияние
относительной
погрешности
определения
Рис. 1 - Зависимость относительной
коэффициента λ на относительную
погрешности восстановления входного
погрешность
восстановления
сигнала от относительной погрешности
входного
сигнала
для
трех
определения коэффициента λ,
различных значений коэффициента
описывающего ее форму (1)
приведено на рис. 1.
Анализ рисунка указывает на большую зависимость динамической погрешности
восстановления входного сигнала от точности определения коэффициента  .
Необходимое качество восстановления (менее 10 %, обозначено пунктиром)
достигается при обеспечении погрешности определения коэффициента 10–20 %.
Похожие результаты дает и исследование требований к точности определения
коэффициента k .
Для определения точности расчёта коэффициентов импульсной характеристики
предложенным методом [2] проведено статистическое моделирование с объемом
выборки 1000. Исходя из результатов расчётов можно сделать вывод, что
погрешность определения коэффициента λ не превышает 1 %, что вполне
удовлетворяет требованиям, приведенным выше (рис. 1).
87
В этом одно из достоинств предложенного метода перед классическим (рис. 1):
при точно известной форме импульсной характеристики априорные знания о
значениях коэффициентов λ и k не требуются.
Возможны случаи неправильного определения функции, описывающей общий
вид импульсной характеристики. Расчёты указывают, что нахождение такого
коэффициента импульсной характеристики, описанной ложной функцией общего
вида, чтобы результат восстановления удовлетворял требованиям к качеству
коррекции динамических погрешностей датчика, маловероятен.
При использовании метода приближенного решения обратной задачи
необходимо учитывать его параметры, которые влияют на точность расчёта. Это
связано с тем, что все неизвестные коэффициенты функционала (4) находятся
одновременно, то есть связаны. При плохо настроенном генетическом алгоритме
может быть найдено фантомное решение, что будет указывать на неверное
определение всех найденных коэффициентов, включая коэффициенты, описывающие
форму импульсной характеристики.
Таким образом, существует связь
между точностью восстановления
входного сигнала и импульсной
характеристики. На рис. 2 показана
зависимость
относительной
динамической
погрешности
определения коэффициента λ и
точности восстановления входного
сигнала датчика от количества
коэффициентов ряда, с помощью
которых описан входной сигнал.
Рис. 2 - Зависимость относительных
Анализ графика указывает на
погрешностей определения коэффициента 
повышение точности определения
функции (1) и восстановления входного
коэффициента λ (1) с увеличением
сигнала от количества коэффициентов ряда,
числа членов ряда (2), что отличается
которым он описывается
от результатов восстановления
входного сигнала, но соответствует установленным требованиям к коррекции
динамических погрешностей измерений.
Проведенные расчёты показывают, что различные настройки метода оказывают
более значимый эффект на точность восстановления входного сигнала датчика, чем
на качество идентификации измерительного канала, по причине того, что количество
неизвестных коэффициентов функционала (4), описывающих входной сигнал,
значительно превышает необходимое для расчёта импульсной характеристики.
Заключение
Результаты математического моделирования указывают, что требования к
полученным частным динамическим характеристикам датчиков, которые
необходимы для их нормирования, достижимы. При этом должен выполняться ряд
требований:
- характеристика датчика линейна;
- настройки метода коррекции динамических погрешностей позволяют находить
глобальный минимум функционала (5);
- известен общий вид импульсной характеристики.
88
При выполнении данных требований необходимо оценивать погрешность
восстановления входного сигнала датчика по причине того, что коэффициенты
импульсной характеристики определяются предложенным методом значительно
точнее, чем входного сигнала.
Список литературы: 1. Abed-Meraim K. Blind System Identification / K. Abed-Meraim, W. Hua,
Y. Liu // IEEE Proceeding. – 1997. – vol.85. – P.1308-1322. 2. Полярус О. В. Метод відновлення
сигналу на вході датчика / О. В. Полярус, Є. О. Поляков // Вестник НТУ «ХПИ». – Харьков :
НТУ «ХПИ», 2011. № 57. – С. 142-147.3. Грановский В. А. Динамические измерения: Основы
метрологического обеспечения / В. А. Грановский. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,
1984. – 224 с. 4. Френкс Л. Теория сигналов / Френкс Л. – М.: Сов. радио, 1974. – 344с. 5. Mitsuo
G. Genetic algorithms and engineering optimization / Mitsuo Gen, Runwei Cheng. – New York: A
Wiley-Interscience Publication, 2000. – 495 p.
УДК 621.3.089
Требования к нормированию динамических характеристик средств измерений для
обеспечения качественного восстановления входных сигналов/ Е. А. Поляков // Вісник
С. 85-89. – Бібліогр.: 5 назв.
Обґрунтовані вимоги до нормування динамічних характеристик засобів вимірювань для
забезпечення якісного відновлення вхідних сигналів. назв.
Ключові слова: нормування динамічних характеристик, ідентифікація датчика, обернена
задача, генетичний алгоритм.
Requirements for normalization of the dynamic characteristics of measuring instruments for the
high quality of an input signal reconstruction is substantiated.
Keywords: dynamic characteristics normalization, sensor identification, inverse problem, genetic
algorithm.
УДК 007.51
М. С. КУДРЯВЦЕВА, канд. техн. наук, доц., ХНУЭ, Харьков
МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ
В работе предложена модель организационной структуры, описывающая состав подразделений,
ответственных за управление проектной деятельностью энергетической службы предприятия и
системы планово-предупредительного ремонта электроэнергетического оборудования.
Ключевые слова: проект, управление проектами, энергетическая служба, плановопредупредительный ремонт, организационная модель
Введение
Как показывает опыт работы предприятий в новых условиях хозяйствования,
существующая централизованная командная система управления является
неприспособленной для решения главной задачи ‒ обеспечения бесперебойного
функционирования электроэнергетического оборудования. Появилась необходимость
централизовать управление технической эксплуатацией и ремонтами всех типов
основного оборудования предприятия.
© М. С. КУДРЯВЦЕВА, 2013
89
Постановка задачи исследования
В работе [1] предложены целевая и функциональная модели управления
проектной деятельностью энергетической службы предприятия и системы плановопредупредительного ремонта (ППР) электроэнергетического оборудования,
позволяющие описать цели и функции управления системой с учетом их
декомпозиции для эффективной реализации проектов в масштабах всего
предприятия.
Для повышения эффективности работы на электроэнергетических предприятиях
необходимо уточнить организационную структуру, описывающую состав
подразделений, ответственных за управление проектной деятельностью
энергетической службы предприятия и системы ППР электроэнергетического
оборудования.
Анализ достижений и публикаций, в которых предложено решение данной
проблемы
Приложения Primavera являются лидирующими решениями по управлению
портфелем проектов для электроэнергетического сектора. Платформа Primavera
предлагает единый комплекс решений для управления проектами ППР,
мероприятиями по обслуживанию и проектами капитального строительства
различных масштабов [2].
Выделение нерешенных вопросов общей проблемы, которым посвящена
данная статья
Анализ существующих решений по управлению проектами в энергетической
отрасли показывает их непременимость для формализации организационной
структуры предприятий. Высокая цена является нецелесообразной для организаций с
ограниченным бюджетом.
Изложение основного материала исследования
Организационная структура управления проектом является управляющей
моделью в рамках подсистемы управления персоналом проекта, т.к. определяет
состав человеческих ресурсов, необходимых для успешной реализации проекта, и
систему взаимодействия между ними.
Для управления проектами обеспечения ППР электроэнергетического
оборудования наиболее подходит проектная структура. В проектной структуре
определенные функции (например, стратегическое планирование, оперативнодиспетчерское управление) передаются на самый верхний уровень управления, а все
остальные задачи решаются на уровне управления проектами. Проектная структура
представляет филиал фирмы внутри предприятия со своими функциональными
подразделениями.
Рассмотрим основные термины организационной структуры в управлении
проектами.
Участники проекта – физические лица и организации, непосредственно
вовлеченные в проект. Участники влияют на цели и результаты проекта. Управляет
проектом команда проекта, которую возглавляет руководитель (менеджер) проекта.
Команда управления проектом выявляет участников проекта, определяет их
требования и обеспечивает успешное завершение проекта [3].
Офис управления проектом – подразделение, осуществляющее централизацию и
координацию управления выполняемыми проектами [3].
Состав подразделений подсистемы управления персоналом проекта приведен в
табл.1.
90
Таблица 1 - Состав подразделений подсистемы управления персоналом проекта
Наименование цели
Обозначение
Офис управления проектами ППР электроэнергетического оборудования
Org Sys
ppr
1. Руководство
офиса
управления
электроэнергетического предприятия
1.1 Главный энергетик предприятия
проектами
OrgUnSys
ppr1
El
Org ppr
11
1.2 Начальник энергетической службы предприятия
El
Org ppr
12
1.3 Начальник ремонтной службы
El
Org ppr
13
1.4 Начальник оперативно-диспетчерской службы
El
Org ppr
14
2.
Группа по управлению проектами
OrgUnSys
ppr2
2.1 Заместитель главного энергетика по электроснабжению
El
Org ppr
21
2.2 Начальник бюро ведомственного надзора
El
Org ppr
22
2.3 Начальник бюро по рациональному использованию энергетических
ресурсов
2.4 Начальник бюро по экономической эффективности и ППР
El
Org ppr
23
2.5 Менеджер по управлению ресурсами
El
Org ppr
25
2.6 Менеджер по оценке длительности, управлению сроками и оценке
стоимости выполняемых проектов
2.7 Менеджер по планированию и контролю выполнения проектов
El
Org ppr
26
2.8 Менеджер по управлению персоналом проектов
El
Org ppr
28
2.9 Менеджер по управлению рисками
El
Org ppr
29
2.10 Менеджер по управлению качеством
El
Org ppr
210
3.
Служба поддержки управления проектами
El
Org ppr
24
El
Org ppr
27
OrgUnSys
ppr3
3.1 Начальник электротехнического бюро
El
Org ppr
31
3.2 Инженер электрик 2 категории
El
Org ppr
32
3.3 Ведущий инженер ведомственного надзора за электроустановками
El
Org ppr
33
3.4 Инженер по рациональному использованию энергоресурсов
El
Org ppr
34
3.5 Инженер по экономике ППР
El
Org ppr
35
3.6 Инженер по планированию ППР
El
Org ppr
36
3.7 Инженер ремонтной службы
El
Org ppr
37
3.8 Инженер оперативно-диспетчерской службы
El
Org ppr
38
3.9 Специалист по проектной документации
El
Org ppr
39
3.10 Служба администрирования проектов
El
Org ppr
310
3.11 Бухгалтер проектов
El
Org ppr
311
Для формализации организационной структуры целесообразно использовать
модифицированный язык регулярных схем алгоритмов (РСА) с построением на базе
его регулярных схем системных моделей (РССМ). Соответственно для
организационной структурной схемы [4]
91

R  f (Org j , e, , Org) ,
(1)
где f – закон комбинации базовых процессов РСА;
Orgj – элементы алгебры операторов R0, определяющие cостав подразделений
подсистемы управления персоналом проекта;
e – тождественно-эквивалентный оператор;
 – пустой оператор;

Org – процесс умножения элементов соответственно целевой и функциональной
моделей (последовательное выполнение операторов целей строго в порядке их
очередности), обозначается « ^ ».
С учетом (1) в общем виде модель организационной структуры управления
проектной деятельностью электроэнергетического предприятия с использованием
модифицированного языка РСА представим выражением
UnSys
UnSys
UnSys
Org Sys
ppr  Org ppr1  Org ppr2  Org ppr3 ,
где OrgUnSys
pprт , m=1..3 – структурные подразделения на выделенном m-ом уровне
декомпозиции на группы UnSys.
С учетом декомпозиции цели на элементы (El) модель примет вид
El
El
El
El
El
El
El
Org Sys
ppr  ((Org ppr11  Org ppr12  Org ppr13  Org ppr14 )  (Org ppr21  Org ppr22  Org ppr23 
El
El
El
El
El
El
El
El
 Org ppr
24  Org ppr25  Org ppr26  Org ppr27  Org ppr28  Org ppr29  Org ppr210)  (Org ppr31 
El
El
El
El
El
El
El
El
 Orgppr
32  Org ppr33  Org ppr34  Org ppr35  Org ppr36  Org ppr37  Org ppr38  Org ppr39 
El
El
 Orgppr
310  Org ppr311)) ,
– соответственно персонал m-й группы на выделенном уровне
декомпозиции на элементы El.
El
Org pprmn
Выводы
В работе получена модель организационной структуры, описывающая состав
подразделений, ответственных за управление проектной деятельностью
энергетической службы предприятия и системы планово-предупредительного
ремонта электроэнергетического оборудования.
Список литературы: 1. Кудрявцева М. С. Модели системы управления проектами плановопредупредительного ремонта электроэнергетического оборудования // Восточно-Европейский
журнал передовых технологий. – 2013. – №1. – C. 8 – 15. 2. www.pmsoft.ru Primavera P6 Enterprise
Project Portfolio Management 3. Руководство к Своду знаний по управлению проектами 4-ое
издание.–USA: Project Management Institute, 2008. –241с. 4. Илюшко В. М. Системное
моделирование в управлении проектами: моног [Текст] / В.М. Илюшко, М.А. Латкин.–X.: НАУ
«ХАИ», 2010. –220с.
УДК 007.51
Модель организационной структуры управления проектной деятельностью
электроэнергетического предприятия / Кудрявцева М. С. // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові
92
рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 89-93. – Бібліогр.:4
назв.
У роботі запропоновано модель організаційної структури, яка описує склад підрозділів,
відповідальних за управління проектною діяльністю енергетичної служби підприємства і
системи планово-попереджувального ремонту електроенергетичного обладнання.
Ключові слова: проект, управління проектами, енергетична служба, плановопопереджувальний ремонт, організаційна модель
In this article offers organizational structure model, describing composition of subdivisions be in
charge of power service enterprise and system of preventive-maintenance repair of electroenergy
equipment project management.
Keywords: project, project management, power service, preventive-maintenance repair,
organizational model.
УДК 519.161
А. О. ДАНИЛЬЧЕНКО, асистент, ЖДТУ, Житомир
МОДИФІКАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО АЛГОРИТМУ ДЛЯ ВИРІШЕННЯ
ЗАДАЧІ ПРО ПАРОСПОЛУЧЕННЯ ЗІ ЗНИКАЮЧИМИ ДУГАМИ
Прикладна задача складання оптимального розкладу прийому лікувальних процедур може бути
зведена до розширеної математичної задачі пошуку максимального паросполучення у
дводольному графі. Основною складністю вирішення цієї задачі є необхідність врахування
обмежень на приймання процедур. Наведено модифікацію генетичного алгоритму для
розв’язання задачі про паросполучення зі зникаючими дугами. Запропоновано спосіб кодування
множини дуг дводольного графа у «геном» особини та визначено функцію пристосовуваності,
яка є основою для реалізації генетичного розвитку популяції. Наведено всі необхідні етапи для
знаходження розв’язку задачі: формування початкової популяції, формування проміжної
популяції, схрещування, мутація, аналіз популяції та критерії зупинення алгоритму.
Дослідження довело коректну роботу запропонованого алгоритму.
Ключові слова: генетичний алгоритм, дводольний граф, паросполучення, розклад
Вступ
Прикладна задача складання оптимального розкладу прийому лікувальних
процедур пацієнтами санаторію може бути зведена до розширеної математичної
задачі пошуку максимального паросполучення у дводольному графі [1, 2].
Для вирішення цієї задачі та подібних задач (розподіл за часом обмежених
ресурсів, призначення виконання різних видів робіт, тощо) широко використовують
методи комбінаторної оптимізації [3]. У статті [4] автором вже запропоновано точний
алгоритм, який, дозволяє врахувати задані обмеження та має порівняно з
оптимальним алгоритмом [1] меншу обчислювальну складність.
Однак, задача про паросполучення може бути розв’язана й іншими відомими
методами: мурашиним, генетичним алгоритмом або методом гілок і меж, тощо.
Аналіз літератури
Мурашиний алгоритм [5, 6] - один з ефективних поліноміальних алгоритмів для
знаходження наближених рішень задачі комівояжера [7], а також аналогічних завдань
пошуку маршрутів на графах. Суть підходу полягає в аналізі та використанні моделі
поведінки мурах, що шукають шляхи від колонії до джерела живлення.
Генетичні алгоритми [8 - 11] дозволяють розв’язувати широке коло складних
© А. О. ДАНИЛЬЧЕНКО, 2013
93
задач багатокритеріальної оптимізації шляхом випадкового підбору, комбінування та
зміни параметрів моделювання способами, що подібні до біологічної еволюції
(наслідування, мутація, відбір). Застосовують ці алгоритми й для розв’язку задач на
графах. Існує досить багато модифікацій генетичних алгоритмів. Але всім їм властива
універсальність. Тобто від задачі, яку необхідно розв’язати, залежить визначення
функції пристосованості й спосіб кодування рішень. Решта же етапів генетичних
алгоритмів виконується однаково для будь-яких задач.
Метод гілок і меж [9-11] є загальним алгоритмічним методом вирішення
різноманітних оптимізаційних задач. Він широко застосовується для таких NPповних задач, як задача комівояжера та задача о ранці. В методі гілок і меж
використовуються дві процедури: розгалуження та знаходження оцінок (меж).
Ціль статті - здійснити модифікацію генетичного алгоритму, та адаптувати
його до вирішення математичної задачі про паросполучення зі зникаючими дугами
для складання оптимального розкладу прийому лікувальних процедур пацієнтами
санаторію.
Основна частина
Постановка задачі
Розклад призначених процедур для пацієнтів заданий дводольним графом
G  ( X ,Y , E ) , де X – множина вершин графу, що відповідають всім можливим
проміжкам прийому процедур, || X || m ; Y – множина вершин графу, які відповідають
процедурам, що призначені пацієнтам, || Y || n (при цьому кожна вершина множини Y
має ознаку приналежності до певного пацієнта); Е – множина ребер графу. Ребро
(x i , y k )  E , x i  X , y k  Y , i  1...m , k  1...n в тому випадку, коли процедура yk може бути
призначена для прийому визначеним пацієнтом у проміжок часу xi.
Відомі відношення слідства ( xi , y j )  Ci, j  {(xi , y j ),...,( xi , y j )} ., що відповідають
заданим обмеженням щодо сумісності процедур. При цьому кожній дузі ( xi , y j ) з
1
1
k
k
множини Е однозначно відповідає відношення слідства Ci , j ,   Ci , j  E , яке є
підмножиною Е.
При обранні будь-якої дуги ( xi , y j ) для включення її до М множина ребер Е
графа G може змінитися та буде виражатися як E  ( x , y )  E  Ci , j .
i
j
Необхідно знайти оптимальне рішення задачі, яким є найбільше паросполучення
М, що враховує задані обмеження. У загальному випадку, із урахуванням обмежень,
паросполучення М може містити деяку підмножину заданих на графі дуг Е, таких, що
  M  E . Тобто маємо знайти таку їх комбінацію, яка об’єднує найбільшу
кількість сумісних дуг ei .
Введення термінів генетичного алгоритму
Особиною будимо називати вектор
p
X  x1 , x2 ,, xq ,, xQ ,
де р – індекс особини у популяції розміру Р, p  1, P ;
xq - «ген» особини ( q  1, Q , Q  E ), такий, що
1, якщо eq  M ;
xq  
0, якщо eq  M .
94
Таким чином у генетичному алгоритмі на кожному етапі ми формуватимемо Р
варіантів паросполучення М.
Для оцінки «життєздатності» кожної окремо взятої особини популяції необхідно
мати функцію пристосовуваності. Вона повинна врахувати, по-перше, сумісність
набору процедур (тобто дуг, включених у «генетичний набір»); по-друге, умову
призначення найбільшої можливої кількості процедур (побудови найбільшого
паросполучення М) при заданих обмеженнях.
З цією метою введемо функцію пристосовуваності:
p
(1)
f X    g x    g x ,
xq 0
 
q
xq 0
q
де g xq - параметр сумісності процедур, що визначається як
0, якщо eq   Ck ;

xk 0; k  q
g xq   
1, інакше.
(2)
Фізична сутність параметра (2) полягає у тому, що він приймає значення 0 у
тому випадку, коли дуга eq не може бути включена до паросполучення, оскільки
входить до множини відношень слідства інших дуг «генетичного набору».
Відповідно, перша частина функції (1) прийме значення 0, якщо хоча б одна дуга
поточного варіанту паросполучення М несумісна з іншими. У разі, коли перша
частина функції пристосовуваності дорівнює 1, друга підсумовує кількість дуг, що
дає потужність отриманого варіанту паросполучення. Таким чином, по критерію
максимума функції пристосовуваності може бути здійснено відбір особин, що
найкраще за інших відповідають заданим обмеженням.
Формування початкової популяції
У класичному генетичному алгоритмі:
- розмір популяції Р не змінюється під час роботи алгоритму;
- початкова популяція формується випадковим чином. При цьому кожна особина
кодується випадковим вектором; довжина цього вектора для всіх особин однакова.
Розмір популяції не повинен бути занадто великим, щоб не збільшувати
обчислювальну складність алгоритму, але не може бути й замалим, що унеможливить
еволюцію популяції. В загальному випадку для нашої задачі Р можна прирівняти до
E .
Тоді для формування початкової популяції необхідно отримати «генотипи» для
кожної її особини, використовуючи в якості «генів» випадкові величини   0,1 :
X
p
p
 x1 , x2 ,, xq ,, xQ 
xq 
.
Таким чином, початкова популяція міститиме довільний набір особин, серед
яких можуть бути як «життєздатні», так і «нежиттєздатні» особини.
Відбір для формування проміжної популяції
Проміжна популяція містить особини, яким дозволено розмноження. Більш
пристосовані особини залучаються до цієї популяції з більшою ймовірністю,
«нежиттєздатні» - можуть взагалі до неї не включатися.
У класичному генетичному алгоритмі ймовірність кожної особини опинитися в
проміжній популяції пропорційна її пристосованості. Тим самим реалізується так
званий пропорційний відбір.
Основними способами його здійснення є:
95
- stochastic sampling. Ймовірність вибору кожної з особин пропорційна значенню
функції її пристосовуваності. Р раз виконуючи випадковий вибір, отримуємо
проміжну популяцію;
- remainder stochastic sampling. Розраховують середню пристосованість популяції
p
 f X 
p
.
SP 
P
Для кожної з особин популяції розраховують відношення значення її
пристосованості до значення середньої пристосованості популяції, отримуючи її
відносну пристосованість
VP
p

 .
f X
SP
p
Ціла частина відносної пристосованості визначає кількість включення особини у
проміжну популяцію, а дрібна – ймовірність додаткового включення.
Схрещування
Всі особини проміжної популяції випадковим чином розбиваються на пари. З
деякою заданою ймовірністю вони схрещуються, у результаті чого отримані потомки
записуються до нового покоління популяції. Якщо схрещування не відбулося, до
нового покоління цю пару особин переносять без змін.
Сама процедура схрещування в класичному генетичному алгоритмі виконується
за допомогою одноточкового оператора (1-point crossover): випадковим чином
обирається точка розділу «генетичного коду» батьків, потомки формуються за
рахунок обміну його відсіченими частинами.
Відповідно, для нашої задачі, необхідно визначити точку розділу як випадкову
дискретну величину   1,2,, Q.


Тоді для пари X
и X ,  1, Q ,  1, Q кожна особина може бути
представлена сумою підмножин до й після точки розділу:





X X
X
 x1 , x2 ,, x   x 1 , x 2 ,, xQ  ;

X

X



X




 x 1 , x 2 ,, xQ  .
 x1 , x2 ,, x 


 x 1 , x 2 ,, xQ  ;
 x1 , x2 ,, x 


 x 1 , x 2 ,, xQ  .
 x1 , x2 ,, x 
Відповідно, потомки будуть визначатися як
X
X




X

X



X

X



Мутація
Кожна з особин нового покоління, отриманого за результатом відбору та
схрещування, може мутувати.
Процедура мутації популяції необхідна для виходу за межі локального
екстремуму та недопущення передчасного її зведення.
Сутність процедури мутації в класичному генетичному алгоритмі полягає в
інвертуванні кожного «гена» кожної особини популяції з деякою ймовірністю, що є
параметром алгоритму.
Для більшості модифікацій генетичного алгоритму цю ймовірність приймають
рівною 1/Q (у деяких – рівною 1/P).
Позначимо через  випадкову дискретну величину, що приймає значення 1 при
96
мутації «гена», та 0 – навпаки. При цьому значення  для кожного «гена» кожної
особини популяції розраховується окремо.
Тоді «геном» особини після мутації може бути записаний як (застосовуємо
операцію складання по модулю 2 двох величин, що приймають дискретні значення
0,1):
X 
p
 X
p

 x1  1 , x2   2 ,, xq   q ,, xQ  Q .
Аналіз популяції та критерії зупинення алгоритму
Після завершення всіх наведених вище операції, особини отриманої популяції
повинні бути проаналізовані.
Процес еволюції у генетичних алгоритмах, у загальному випадку, може бути
нескінченним. Тому на практиці для зупинення моделювання задають відповідні
критерії. Це може бути визначене число поколінь популяції, зведення популяції до
області деякого екстремума, тощо.
Виходячи з постановки нашої задачі, основним критерієм зупинення алгоритму є
знаходження такого паросполучення, яке забезпечує сумісність усіх призначених
процедур. Таким чином, якщо для будь-якої особини популяції f X p  Y , маємо
відповідність її «генотипу» оптимальному рішенню.
Факт зведення популяції до області деякого екстремума може бути виявлений на
основі значення SP .
Якщо виконано умови основного або додаткових критеріїв зупинення алгоритму,
за рішення задачі приймають найбільш пристосовану особину кінцевої популяції.
Приклад розв’язання задачі про паросполучення зі зникаючими дугами за
допомогою генетичного алгоритму
Потрібно побудувати розклад для 2-х пацієнтів санаторію. Першому призначено
1 і 2 процедуру, другому – лише 1 процедуру. Час роботи процедурного кабінету
№ 1: 930–1330, тривалість процедури 1 год., технічна перерва 30 хв. Час роботи
процедурного кабінету № 2: 930–1300, тривалість процедури 30 хв, технічна перерва 1
год.
На рис. 1 показано побудову
Процедура №1
відповідного дводольного графу для
наведеного прикладу. Світлі ребра
1
2
1
позначають можливі часові проміжки
Пацієнт1
Пацієнт2
для призначення кожної процедури
Рис. 1 – Початковий дводольний граф
пацієнта. Темні ребра будуть
відповідати максимальному паросполученню в графі і позначатимуть часові
проміжки, на які призначена процедура відповідно розкладу.
Окрім обмежень щодо часу проведення процедур може виникнути необхідність
врахування їх сумісності – зокрема, наприклад те, що наступна процедура для
деякого пацієнта не може стояти в розкладі після попередньої раніше, ніж через
вказаний в таблиці сумісності проміжок часу. Відношення слідства, що визначають
обмеження сумісності процедур, описані виразами ( xi , y j )  Ci, j  {(xi , y j ),...,( xi , y j )} :
( x1 , y1 )  C1,1  {( x1 , y 3 ), ( x 2 , y1 ), ( x3 , y1 ), ( x 4 , y 2 ), ( x5 , y 2 )} ;
( x 2 , y1 )  C 2,1  {( x 2 , y 3 ), ( x1 , y1 ), ( x3 , y1 ), ( x5 , y 2 ), ( x6 , y 2 )} ;
( x3 , y1 )  C3,1  {( x3 , y 3 ), ( x1 , y1 ), ( x 2 , y1 ), ( x6 , y 2 )} ;
( x 4 , y 2 )  C 4, 2  {( x5 , y 2 ), ( x6 , y 2 ), ( x1 , y1 )} ;
 
9.30-10.30
13.30
11.00-12.00 12.30-
9.30-10.00
1
97
1
11.00-11.30
k
12.30-13.00
k
( x5 , y 2 )  C5, 2  {( x 4 , y 2 ), ( x6 , y 2 ), ( x1 , y1 ), ( x 2 , y1 )} ;
( x6 , y 2 )  C6, 2  {( x 4 , y 2 ), ( x5 , y 2 ), ( x 2 , y1 ), ( x3 , y1 )} ;
( x1 , y 3 )  C1,3  {( x 2 , y 3 ), ( x3 , y 3 ), ( x1 , y1 )} ;
( x 2 , y 3 )  C 2,3  {( x1 , y 3 ), ( x3 , y 3 ), ( x 2 , y1 )} ;
( x3 , y 3 )  C3,3  {( x1 , y 3 ), ( x 2 , y 3 ), ( x3 , y1 )} .
Враховуючи імовірнісний характер генетичного алгоритму, наведемо варіант
розв’язку нашої задачі. Задамо початкові дані.
Розмір «генотипу» Q  E  9 . Будемо оперувати популяцією з P  E  9 особин.
Імовірність мутації приймемо рівною 1/9. Імовірність схрещування – рівною 0,5.
Обмежимо роботу алгоритму 10 поколіннями.
Критерієм зупинення алгоритму є виявлення у популяції поточного покоління
p
особини зі значенням функції пристосовуваності f X 
 Y  3.
Сформуємо початкову популяцію (покоління 0).
До її складу, у результаті моделювання, увійшли наступні особини:
1
X  0,0,1,1,0,1,1,1,0, X 2  0,0,1,0,0,0,1,0,0, X 3  0,1,1,1,0,1,0,0,1,
4
5
6
X  0,1,1,0,0,1,0,1,0, X  0,1,0,1,1,1,1,1,0, X  1,0,0,0,0,1,1,1,0,
8
9
7
X  1,0,0,0,1,0,1,0,0, X  1,0,0,0,1,0,1,0,1, X  1,1,1,0,1,0,0,0,1.
Формуємо проміжну популяцію.
Розраховуємо значення функції пристосованості для всіх особин. Отримуємо


   2 , та нульові значення для інших особин.
f X
2
Середня пристосованість популяції складає SP 
2
 0,22 .
9
Розраховуємо відносну пристосованість особин: VP
2

2
 9,09 ; для інших –
0,22
нуль.
Відповідно, уся проміжна популяція в даному випадку буде складатися з
2
«клонів» особини X .
Етап схрещування за такого «генетичного набору» є тривіальним і не призводить
до змін «геному» особин.
3
5
Виконуємо процедуру мутації (у особини X  мутували гени 3,4,6; у X  – ген
7
8
9
8; у X  – гени 4, 5; у X  – ген 7; у X  – гени 5 і 8):
1
2
3
X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,0,1,0,1,1,0,0,
X 
4
 0,0,1,0,0,0,1,0,0, X 
5
 0,0,1,0,0,0,1,1,0, X 
6
 0,0,1,0,0,0,1,0,0,
7
8
9
X   0,0,1,1,1,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,0,0,0, X   0,0,1,0,1,0,1,1,0.
Аналізуємо отриману популяцію, розраховуючи функції пристосованості
3
5
7
9
особин. Отримуємо нульові значення для особин X  , X  , X  , X  ; значення
8
1
2
4
6
1 для особини X  ; значення 2 – для решти (особини X  , X  , X  , X  ).
Критерій зупинення алгоритму не виконано.
Формуємо проміжну популяцію (покоління 1).
98
1 8
 1.
9
8
1
2
Розраховуємо відносну пристосованість особин: VP  1 , VP  2 , VP  2 ,
4
6
VP  2 , VP  2 ; для інших – нуль.
Відповідно, проміжна популяція в даному випадку буде складатися з особини
8
1
2
4
6
X та двох «клонів» кожної з особин X , X , X , X .
8
Схрещування X не відбулося. Решта особин за такого «генетичного набору»
також не змінила «геноми».
4
5
Виконуємо процедуру мутації (у особини X  мутувал ген 8; у X  – гени 5,
6
7
8
8; у X  – ген 8; у X  – гени 2, 5; у X  – гени 1 і 8):
1
2
3
X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0,
Середня пристосованість популяції складає SP 
X 
4
 0,0,1,0,0,0,1,1,0, X 
5
 0,0,1,0,1,0,1,1,0, X 
6
 0,0,1,0,0,0,1,1,0,
X   0,1,1,0,1,0,1,0,0, X   1,0,1,0,0,0,0,1,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0 .
1
2
3
9
особин. Отримуємо значення 2 для особин X  , X  , X  , X  ; значення 0 –
4
5
6
7
8
для решти (особини X  , X  , X  , X  , X  ). Критерій зупинення
алгоритму не виконано.
8
Середня пристосованість популяції складає SP   0,89 .
9
Розраховуємо
відносну
пристосованість
особин:
2
1
2
3
9
VP  VP  VP  VP 
 2,25 ; для інших – нуль.
0,89
Відповідно, проміжна популяція в даному випадку буде складатися з двох
1
2
3
9
«клонів» кожної з особин X , X , X , X . З ймовірністю 0,25 до популяції
буде включено ще один «клон» однієї з цих особин.
1
2
3
9
Враховуючи, що X = X = X = X , за такого «генетичного набору» змін у
«геномах» у результаті схрещування не відбулося.
3
4
Виконуємо процедуру мутації (у особини X  мутувал ген 1; у X  – гени 3, 5;
5
6
7
9
у X  – гени 4, 6; у X  – ген 2; у X  – ген 1; у X  – гени 7, 9):
1
2
3
X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   1,0,1,0,0,0,1,0,0,
X 
7
8
4
 0,0,0,0,1,0,1,0,0, X 
9
 0,0,1,1,0,1,1,0,0, X 
5
6
 0,1,1,0,0,0,1,0,0,
X   1,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,0,0,1 .
1
2
4
8
особин. Отримуємо значення 2 для особин X  , X  , X  , X  ; значення 0 –
3
5
6
7
9
для решти (особини X  , X  , X  , X  , X  ). Критерій зупинення
алгоритму не виконано.
8
Середня пристосованість популяції складає SP   0,89 .
9
7
8
9
99
Розраховуємо
відносну
пристосованість
особин:
2
1
2
4
8
VP  VP  VP  VP 
 2,25 ; для інших – нуль.
0,89
Відповідно, проміжна популяція в даному випадку буде складатися з двох
1
2
4
8
«клонів» кожної з особин X , X , X , X . За результатами моделювання до
2
популяції включено ще один «клон» X :
1
2
3
X  0,0,1,0,0,0,1,0,0, X  0,0,1,0,0,0,1,0,0, X  0,0,1,0,0,0,1,0,0,
 0,0,0,0,1,0,1,0,0, X
4
X
 0,0,0,0,1,0,1,0,0, X
5
6
 0,0,1,0,0,0,1,0,0,
X  0,0,1,0,0,0,1,0,0, X  0,0,1,0,0,0,1,0,0, X  0,0,1,0,0,0,1,0,0 .
Виконуємо процедуру схрещування.
8
3
7
5
4
9
Випадковим чином визначаємо пари: X
та X , X
та X , X
та X ,
2
6
та X . Схрещування відбулося для трьох із чотирьох пар по випадкових
X
точках розподілу   7, 3, 8 :
7
8
 X
X
8
X
3
X
7
X
5
X
2
X
6
 X
8
 7
3
 7
 X
 0,0,1,0,0,0,1  0,0  0,0,1,0,0,0,1,0,0;
 0,0,1,0,0,0,1  0,0  0,0,1,0,0,0,1,0,0;
7
 3
 X
5
 X
2
 X
6
9
 3
 8
 8
 0,0,1  0,1,0,1,0,0  0,0,1,0,1,0,1,0,0;
 0,0,0  0,0,0,1,0,0  0,0,0,0,0,0,1,0,0 ;
 0,0,1,0,0,0,1,0  0  0,0,1,0,0,0,1,0,0;
 0,0,1,0,0,0,1,0  0  0,0,1,0,0,0,1,0,0.
У результаті маємо такий набір особин:
1
2
3
X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0,
X
4
 0,0,0,0,1,0,1,0,0, X 
 0,0,0,0,1,0,1,0,0, X 
5
 0,0,1,0,0,0,1,0,0,
9
 0,0,1,0,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,0.
1
2
Виконуємо процедуру мутації (у особини X  мутувал ген 4; у X  – ген 6; у
3
4
6
8
9
X  – ген 9; у X  – ген 9; у X  – ген 3; у X  – ген 9; у X  – гени 4, 8):
1
2
3
X   0,0,1,1,0,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,1,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,1,
X
X 
4
7
 0,0,1,0,1,0,1,0,0, X 
6
 0,0,0,0,1,0,1,0,1, X 
8
5
 0,0,0,0,1,0,1,0,0, X 
6
 0,0,0,0,0,0,1,0,0,
7
8
9
X   0,0,1,0,1,0,1,0,0, X   0,0,1,0,0,0,1,0,1, X   0,0,1,1,0,0,1,1,0.
1
7
5
особин. Отримуємо значення 3 для особин X  , X  ; значення 2 для X  ;
6
2
3
4
8
значення 1 для X  ; значення 0 – для решти (особини X  , X  , X  , X  ,
9
X  ).
Критерій зупинення алгоритму виконано.
1
7
Розв’язком задачі є (виходячи з «геному» особин X  , X  ) паросполучення
100
M  e3 , e4 , e7   ( x3 , y1 ), ( x4 , y2 ), ( x1 , y3 )
або
M  e3 , e5 , e7   ( x3 , y1 ), ( x5 , y2 ), ( x1 , y3 )
.
Ці
паросполучення
відповідають
варіантам (рис. 2) оптимальних рішень,
які були отримані методом повного
перебору [4].
Рис. 2 – Розв’язок задачі у вигляді
Таким чином, можемо говорити про
коректну роботу наведеного алгоритму паросполучень відповідаючих варіантам
щодо пошуку оптимального розв’язку оптимальних рішень, отриманих методом
повного перебору
нашої задачі.
Висновки
Наведено модифікацію генетичного алгоритму для розв’язання задачі про
паросполучення зі зникаючими дугами. З цією метою запропоновано спосіб
кодування множини дуг дводольного графа у «геном» особини та визначено функцію
пристосовуваності, яка є основою для реалізації генетичного розвитку популяції.
Наведено всі необхідні етапи модифікованого генетичного алгоритму для
знаходження розв’язку задачі про паросполучення зі зникаючими дугами, а саме:
формування початкової популяції, відбір для формування проміжної популяції
схрещування, мутація, аналіз популяції та критерії зупинення алгоритму.
Проведені дослідження довели можливість отримання допустимого
оптимального розв’язку задачі про паросполучення зі зникаючими дугами при
застосуванні модифікованого генетичного алгоритму.
9.30-10.30
13.30
11.00-12.00
12.30-
9.30-10.00
13.00
11.00-11.30
12.30-
Варіант 13
1
1
Пацієнт2
2
Пацієнт1
9.30-10.30
13.30
11.00-12.00
12.30-
9.30-10.00
13.00
11.00-11.30
12.30-
Варіант 14
1
2
Пацієнт1
1
Пацієнт2
Список літератури: 1. Данильченко О. М., Данильченко А. О., Ібрагім С. А. Розв’язання одного
класу задач складання розкладів генетичними алгоритмами на кластерних системах // Вісник
ЖІТІ, 2004. – № 4. – С. 130–135. 2. Данильченко О. М., Данильченко А. О., Інтелектуальний
аналіз даних(Data Mining), Навчальний посібник. – Житомир: ЖДТУ,2009.-405с. 3. Рейнгольд Э.,
Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы. Теория и практика. - М.: Мир, 1980. – 476 с.
4. Панішев А. В., Данильченко А. М., Данильченко А. А. Задача про паросполучення зі
«зникаючими» дугами // Збірник наукових праць «Моделювання та інформаційні технології»,
2012. – № 63. - С. 75–81. 5. Штовба С. Д. Муравьиные алгоритмы. Exponenta Pro // Математика
в приложениях. – 2003. - №4. - С. 70-75. 6. Dorigo M., Maniezzo V. & Colorni A. Optimization by a
Colony of Cooperating Agents // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics-Part B. - 1996. 26 (1). - Р. 29-41. 7. Литтл Д. Ж., Мурти К., Суини Д., Кэрел К. Алгоритм для решения задачи
коммивояжера // Экономика и математические методы. – 1965. – Т. 1. - вып. 1. – С. 90–107. 8.
Гладков Л. А., Курейчик В. В., Курейчик В. М. Генетические алгоритмы: Учебное пособие. — 2-е
изд. — М: Физматлит, 2006. — 320 с. 9. Харари Ф. Теория графов: Пер. с англ. и предисл. В. П.
Козырева / Под ред. Г. П. Гаврилова. – 2-е. изд. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 296 с. 10.
Жолобов Д. А. Введение в математическое программирование: Учебное пособие. - М.:МИФИ,
2008. - 376 с. 11. Акулич И. Л. Математическое программирование в примерах и задачах. - СПб,
М.: «Лань», 2011. - 185 с.
Надійшла до редакції 20.01.2013
УДК 519.161
Модифікація генетичного алгоритму для вирішення задачі про паросполучення зі
зникаючими дугами/ А. О. Данильченко/ // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних
технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 93-102. – Бібліогр.: 11 назв.
Прикладная задача составления оптимального расписания приема лечебных процедур
может быть сведена к расширенной математической задачи поиска максимального
101
паросочетания в двудольном графе. Основной сложностью решения этой задачи является
необходимость учета ограничений на прием процедур. Приведена модификация генетического
алгоритма для решения задачи о паросочетания с исчезающими дугами. Предложен способ
кодирования множества дуг двудольного графа в «геной» особе и определена функция
приспособляемости, которая является основой для реализации генетического развития
популяции. Приведены все необходимые этапы для нахождения решения задачи: формирование
начальной популяции, формирование промежуточной популяции, скрещивание, мутация, анализ
популяции и критерии остановки алгоритма. Исследование доказало корректную работу
предложенного алгоритма.
Ключевые слова: генетический алгоритм, двудольный граф, паросочетание, расписание
Applied problem of optimal scheduling receiving treatments can be reduced to an advanced
mathematical problem finding the maximum matching in a bipartite graph. The main difficulty of
solving this problem is the need to take account of restrictions on admission procedures.
Shows a modification of the genetic algorithm to solve the problem of matching with vanishing
edges. We propose a method of encoding a set of arcs in the bipartite graph, "Gena" individuals and the
responsibilities of adaptability, which is the basis for the realization of the genetic population. Given all
the necessary steps to find a solution of the problem: the formation of the initial population, the
formation of intermediate population, crossover, mutation, population analysis and criteria for stopping
the algorithm. Research has proven the correct operation of the algorithm.
Keywords: genetic algorithm, bipartite graph, matching, schedule
УДК 620.179.17
К. Л. НОЗДРАЧОВА, канд. техн. наук, доц. НТУ «ХПІ»
ВИЗНАЧЕННЯ “МЕРТВОЇ ЗОНИ” ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМУ
КОНТРОЛІ ВИРОБІВ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ФОРМИ
Визначено мінімальну відстань від перетворювача, або “мертву зону” у довгомірному виробі,
починаючи з якої ультразвукове поле заповнює весь переріз ОК на деякій його відстані.
Наведені розрахунки для стрижнів з різних матеріалів та діаметру, а також розмірів та
конструкції перетворювача та кута введення α ультразвукових імпульсів у виріб.
Ключові слова: “мертва зона”, п’єзоперетворювач, ультразвукове поле, прозвучування,
контроль
Важливою характеристикою чутливості ультразвукового контролю являється
розмір мертвої зони[1]. Наявність «мертвої зони» – це, мабуть, основний недолік
луна-методу ультразвукового контролю, котрий в деяких випадках, обмежує його
застосування, знижує надійність та ефективність контролю. Мертва зона представляє
собою поверхневий шар, що не контролюється, в якому сигнал від дефекту (штучного
відбивача) не відокремлюється від збуджуючого (зондуючого). Тому виключення або
зменшення мертвої зони, являється актуальною науково-технічною задачею.
У виробі завжди виникають, крім збуджених хвиль, “побічні хвилі”, які
поширюються в різних напрямках відбиваючись та трансформуючись на поверхні
введення та від меж виробу. Тому, під терміном “контроль поздовжніми, зсувними та
іншими типами хвиль” будемов подальшому розуміти як контроль виробу
комбінацією хвиль,в якій переважають поздовжні і зсувні типи хвиль,
щопоширюютьсяв напрямку дефекту [2].
В теперішній час ультразвуковий контроль заготовок та готових виробів
© К. Л. НОЗДРАЧОВА, 2013
102
оснований на тому, що перетворювач збуджує у виробі “вузький” та “направлений”
пучок хвиль[3], який поширюється з невеликим кутом розбіжності. При цьому
вважають, що вся енергія, яка випромінюється у виріб перетворювачем,
концентрується вздовж центрального променя. На цій основі, при розрахунках та
розробці методик контролю, пучок променів часто зображують у вигляді одного
променя – лінії, яка виходить із центра п’єзоперетворювача. Такі допущення при
контролі виробів являються необгрунтованими і у ряді випадків приводять до
серйозних помилок.
Слід зазначити, що закони геометричної оптики справедливі для ультразвуку у
разі, якщо довжина хвилі дуже мала у порівнянні з поперечним перерізом пучка. В
оптиці, як правило, таке співвідношення виконується (хвилі мають довжину порядку
однієї десятитисячної долі міліметра). Для ультразвукових хвиль, які застосовуються
в дефектоскопії, ці умови не виконуються. Ультразвук поширюється у середовищі
увигляді достатньо широкого пучка променів, кут поширення яких тим більше, чим
менше розміри випромінювача та частота прозвучування[3].
Нехай необхідно проконтролювати циліндричний стальний виріб, діаметром
d = 18 мм та довжиною l = 2050мм. Контроль проводився серійним контактним
перетворювачем П 121-2,5-50°-002 (не притертим) з кутом введення УЗК 50° та
частотою заповнення імпульсу 2,5 МГц.
Так як перетворювач не являється притертим, то припустимо, що введення
ультразвукових хвиль відбувається вздовж однієї лінії контакту перетворювача з
циліндричним виробом (рис. 1) [4, 5]. На цій ділянці промені, які входять у виріб,
трансформуються на поздовжню, зсувну та поверхневу хвилі (крім центрального
пучка променів, який вводиться у виріб нормально до поверхні і тому не
трансформується), які поширювалися до протилежної поверхні. Досягнувши
протилежної поверхні промені хвилі відбиваються та трансформуються в інші види
хвиль и т.д.
Розрахуємо кут нахилу призми для даного перетворювача за законом Снеліуса,
рис. 2 [4]:
c

(1)
  arcsin lп sin   ,
с
 t

де α – кут введення поперечних ct хвиль у
2
виріб;
β
–
кут
нахилу
призми
1
п’єзоелектричного перетворювача;
3
4
clп – швидкість поздовжньої хвилі в матеріалі
призми (для призми з оргскла clп = 2700 м/с,
для сталі ct = 3250 м/с).
Підставивши значення поздовжньої та
поперечної швидкостей в рівняння (1),
Рис.1 – Поширення ультразвукових
вичислимо кут нахилу призми для
хвиль у циліндричному виробі при
перетворювача П 121-2,5-50°-002 з кутом
введенні УЗК вздовж утворюючої: 1
введення акустичних імпульсів у виріб 50° та
– циліндричний виріб; 2 – вісь
частотою 2,5 МГц. Кут нахилу призми буде
випромінювання перетворювача; 3 –
приблизно складати 40°.
центральній промінь; 4 – бічний
Підставивши значення поздовжньої та
промінь
поперечної швидкостей в рівняння (1),
103
вичислимо кут нахилу призми для перетворювача П 121-2,5-50°-002 з кутом введення
акустичних імпульсів у виріб 50° та частотою 2,5 МГц.
Кут нахилу призми буде приблизно складати 40°.
При кутах призми, близьких до

3
другого критичного значення,
2l
4
2
необхідно запобігти виникненню
інтенсивної релеєвської хвилі,
1
r
котра
відбиваючись
від
ct
ct
d

нерівностей, створить завади.
Отже в дальній зоні поле
l
випромінювання
похилого
Рис. 2 – Схема визначення “мертвої зони” у
перетворювача
можна
довгомірному суцільному виробі: 1 – стрижень; 2 –
представити
так,
начебто контактна рідина; 3 – ПЕП для похилого введення УЗК в
розходження променів почалась у
стрижень; 4 – серійний УЗ дефектоскоп; d – діаметр
призмі. Звідси виникає наступна
виробу; r – відстань від точки вводу УЗ коливань до
умова: α + θ" < αs, де α – кут
точки падіння хвилі на границю виробу (беремо
центральний
промінь вводу УЗ коливань у виріб); l –
падіння центрального променя;
θ" – кут розходження хвиль “мертва зона” перетворювача – мінімальна відстань від
точки вводу УЗ коливань до точки падіння хвилі на
(вважаємо
крайнім
промінь,
межу виробу; 2l – сумарна “мертва зона”
амплітуда якого в 10 раз менше
центрального); αs – кут збудження поверхневої хвилі.
Визначимо кут розходження променів від круглого перетворювача.
 c
θ  arcsin N lп
 af



2700
  5,7 .
  arcsin 0,55
3
6
6

10

2
,
5

10



(2)
КоефіцієнтNдля розкриття основної пелюстки діаграми спрямованості на рівні
|Ф| =0,1, N = 0,55 [4, 5].
Поверхнева хвиля збуджується під кутом
 clп

sin   ;
 сs

  arcsin
cs  сt
(3)
0,87  1,12 ν
 0,93сt  0,93  3250  3022 м/с ,
1 ν
де ν – коефіцієнтПуассона
Тобто для круглого перетворювача поверхнева хвиля буде збуджуватися під
кутом
 2700 
  arcsin 
  63 .
 3022 
Визначимо мінімальну відстань від місця введення УЗК, або “мертвої зони” у
довгомірному виробі, починаючи з якої ультразвукове поле заповнює весь переріз ОК
на деякій його відстані. Очевидно, що величина “мертвої зони” в основному залежить
від характеристик матеріалу, форми та розміру виробу а також розмірів та
конструкції перетворювача та кута введення α ультразвукових імпульсів у виріб (див.
рис. 2).
При контролі “мертва зона” обмежується також тривалістюtзондуючого
імпульсу
2r
2d ;
(4)
t

ct
104
ct cos
l
Підставивши (4) в (5) маємо
ct sin  t
.
2
(5)
2d
ct cos
sin 
(6)
l
d
 d tg .
2
cos
З формули (6) видно, що “мертва зона” зростає за тангенційним законом.
Наприклад, розрахуємо її величину за формулою (6) для сталевого зразка d = 18 мм,
та кутом введення УЗ хвиль у виріб α = 50°. Ця величина буде становити
l  18tg (50)  21 мм , d = 18мм; для алюмінієвого зразка діаметром d = 50 мм, та
кутом введення УЗ хвиль у виріб α= 40 l  50 tg (40)  42 мм .
Висновок. Експериментальна перевірка виконана за результатами розрахунків.
Встановлено, що «мертва зона» при проведенні УЗ контролю на підприємствах
складає від 30 до 50 мм, залежно від матеріалу та параметрів перетворювача.
Доказано, що при контролі довгомірних виробів для виключення «мертвої
зони»необхідно встановлювати ПЕП у декількох точках відносно торців.
ct sin 
Список літератури: 1.Выборнов Б.И. Ультразвуковаядефектоскопия / Б.И. Выборнов. – М. :
Металлургия, 1985. – 256 с. 2. Cziraki D. Ultrasonic Modeling & Sound Visualization: [Електрон.
ресурс] / D. Cziraki, R. Ginzel. –Режим доступу: http://ndt.net/ –Nov 2003. –Vol. 8 No.11. 3. Wave
modes produced by air coupled ultrasound [Електрон. ресурс] / Jan O. Strycek, Willem A. Grandia,
and HanspeterLoertscher // Режим доступу: http://ndt.net/– May 1997. – Vol.2 No.05. 4.
Неразрушающий контроль : справочник в 7 т. Т. 3. Ультразвуковой контроль / В.В. Клюев,
И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге; под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2004. – 864 с. 5.
Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля / И.Н. Ермолов. – М.:
Машиностроение, 1981. – 240 с.
УДК 620.179.17
Визначення “мертвої зони” при ультразвуковому контролі виробів циліндричної
форми/ К. Л. Ноздрачова// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. –
Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 102-105. – Бібліогр.: 5 назв.
Определено минимальное расстояние от преобразователя, или "мертвая зона" в
длинномерных изделий, начиная с которой ультразвуковое поле заполняет все сечение объект а
контроля на некотором его расстоянии. Приведены расчеты для стержнем из различных
материалов и диаметров, а также размеров, конструкции преобразователя и угла ввода α
ультразвукових импульсов в изделие.
Ключевые слова: "мертвая зона", пьезопреобразователь, ультразвуковое поле,
прозвучивание, контроль.
Determine the minimum distance from the transducer, or "dead zone" in the long products from
which the ultrasonicfield fills the entirecross section of the object of control at a certa in distance of it.
The calculations forrods of different material sand diameter sand the sizes of the, designan
dinverterinputangle α ultrasonicpulsesin to the product.
Keywords: "dead zone", piezoelectric ctransducer, ultrasonicfield, sounding, testing.
105
ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКИХ И
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 661.41
С. А. ГРИНЬ, канд. техн. наук, доц., НТУ «ХПИ»;
О. Н. ФИЛЕНКО, канд. техн. наук, доц., НТУ «ХПИ»;
В. В. ЯКИБЧУК, студент, НТУ «ХПИ»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТАНОВКИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ СУШКИ
ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
В данной статье на основании проведенного анализа литературных источников рассмотрены
технологии сушки поваренной соли в зависимости от способа подвода тепла к высушиваемому
материалу. Сделаны обоснованные выводы о рациональности использования установки
кипящего слоя для сушки поваренной соли.
Ключевые слова: сушка, сушилка, кипящий слой, поваренная соль, топка, конвективная
сушка.
Введение
В последнее время в нашей стране промышленность, будь это пищевая,
химическая, металлургическая и т.п. существенно зависит от колебания и
постоянного увеличения цен на энергоносители. Постоянно повышается
себестоимость продукции, препятствуя, таким образом, ее конкурентоспособности. С
этой проблемой столкнулся как мелкий предприниматель, так и крупные заводы и
фабрики. Поэтому вся современная деятельность научных подразделений направлена
на рационализаторские методы экономии энергоносителей и усовершенствования
существующего оборудования.
Так, на определенном этапе производства поваренной соли возникает
необходимость ее сушки для окончательного удаления влаги и получения сухих
кристаллов, которые мы привыкли видеть у себя дома. Для этого необходимо
выбрать наиболее подходящий сушильный аппарат, на что влияют сами свойства
поваренной соли.
Сушка и ее виды
Согласно [1], сушкой называется процесс удаления влаги из веществ (обычно
твердых тел) путем ее испарения и отвода образующихся паров. Удаление влаги из
твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку,
придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений),
а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или
последующей обработке этих материалов.
Согласно [9], размер кристаллов поваренной соли высшего и первого сортов
составляет 0,8 мм и 1,2 мм соответственно, однородность размера кристаллов
составляет 95 – 100 %.
Цель сушки: уменьшение веса, увеличение прочности, повышение теплоты
сгорания, сохранение качества материала на продолжительное время.
В химических производствах, как правило, применяется искусственная сушка
материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на
открытом воздухе – процесс слишком длительный.
© С. А. ГРИНЬ, О. Н. ФИЛЕНКО, В. В. ЯКИБЧУК, 2013
106
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие
виды сушки:
1)
конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения
высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно
используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);
2)
контактная сушка – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу
через разделяющую их стенку;
3)
радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами;
4)
диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой
частоты;
5)
сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком
вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но
своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.
Аналитический обзор литературы и выбор технологии сушки
Авторами одного из патентов [2] была предложена непрерывно действующая
вакуумная ленточная сушилка для сыпучих материалов. Целью изобретения является
уменьшение габаритов и снижение энергозатрат.
Поставленная цель достигается тем, что в непрерывно действующей вакуумной
ленточной сушилке для сыпучих материалов, включающей корпус с системой
вакуумирования и удаления водяных паров и смонтированным внутри него
ленточным конвейером, термоэлементы, загрузочное и разгрузочное устройства,
конвейер снабжен внутренней и внешней лентами, имеющими общий ведущий
барабан и разные поворотные ролики,
причем
внешняя
лента
огибает
разгрузочный барабан, а один из ее
поворотных роликов выполнен решетчатым
и снабжен внутри накопителем влажного
материала. Преимущества предлагаемой
сушилки: уменьшение размеров рабочей
сушильной камеры и всей установки;
снижение
металлоемкости;
снижение
энергозатрат при сушке продукта на
верхней и нижней ветвях конвейера одними
Рис. 1 - Сушилка сыпучих
и теми же излучателями.
материалов: 1 – сушильная камера; 2 –
Согласно источника [3], предложена
бункер; 3 – дозаторы-шлюзы; 4 –
сушилка конвективной сушки сыпучих периферийные деки; 5 – центральные
материалов. Задача, которую поставил
деки; 6,7 – ворошители; 8 – вал; 9перед собой разработчик новой сушилки привод; 10 – склиз; 11 – вентилятор;
для сыпучих материалов, состояла в
12 – теплогенератор; 13 – нижний
создании такой сушилки, которая позволила воздуховод; 14,15 – воздуховод; 16 –
бы увеличить производительность сушки верхний воздуховод; 17 – платформа
сыпучих материалов, повысить ее
эффективность, а также увеличить надежность эксплуатации, упростив при этом
конструкцию.
Сушилка состоит из сушильных камер с поярусно размещенными друг над
другом деками и систему теплопровода. Пересыпание материала на ниже
размещенную деку производится через отверстия с помощью ворошителей,
снабженных лопатками и укрепленных на центральном валу.
107
Отверстия для пересыпания материала расположены с чередованием у
периферийной части деки и у центральной части деки. Лопатки ворошителей
установлены с возможностью перемещения ими материала по имеющим равные
площади кольцевым трекам от центральной части деки к периферийной и обратно на
ниже размещенной деке.
Конструкция сушилки позволяет интенсивно перемешивать сыпучие материалы
в процессе сушки, а также перемещать их по более короткому пути – по радиусу деки
от ее центральной части к периферии и обратно на ниже размещенной деке.
Благодаря предлагаемой конструкции, представленной на рис. 1, сушилки для
сыпучих материалов увеличивается производительность сушки, повышается ее
эффективность, а также увеличивается надежность эксплуатации самой сушилки.
При этом упрощается конструкция сушилки для сыпучих материалов, достигается
рекуперация тепла, а это повышает экономичность сушки.
Авторами [4] разработана циклическая сушилка для сыпучих материалов, в
которой перемещение высушиваемого материала осуществляется потоком
подогретой газообразной среды. Техническим результатом является интенсификация
процесса сушки, снижение энергозатрат и повышение съема влаги за один проход
продукта через сушилку.
Циклическая сушилка содержит воздухонагреватель с нагревательными
элементами, секционную сушильную камеру с патрубками загрузки и выгрузки
материала и горизонтальную решетку. Каждая секция сушильной камеры снабжена
регулируемой по высоте перегородкой. Под
горизонтальной
решеткой
установлен
воздухоподающий короб. При этом нагревательные
элементы
рассредоточены
по
длине
воздухоподающего короба и располагаются в зоне
горизонтального участка сушки и под зоной
восходящего взвешенного слоя. Сушилка снабжена
дополнительной заслонкой для регулирования
подачи материала в разгрузочном бункере,
отличающаяся тем, что нагревательные элементы
рассредоточены
также
по
высоте
воздухоподающего короба и установлены с
обеспечением контакта с решеткой снизу.
Разработана сушилка для сыпучих материалов
Рис. 2 - Сушилка «Вьюга»: 1 –
[5] «Вьюга». Задачей предлагаемого изобретения сушильная камера; 2 – загрузочный
является повышение коэффициента использования короб; 3 – разгрузочный короб; 4 –
тепла сушильного агента, интенсивности сушки и днище; 5 – сопло; 6 – диффузорноконфузорный осадитель; 7 –
расширение технологических возможностей.
Сушилка содержит камеру с загрузочным и проставка; 8 – перепускной короб;
9 – промежуточная оплата; 10 –
разгрузочным коробами, установленную внутри
конфузор;
11 – подъемная шуба; 12
камеры подъемную трубу, перфорированную
– основание
рядами отверстий, прикрытых наклонными
козырьками. В днище сушильной камеры соосно подъемной трубе установлено сопло
с некоторым зазором и возможностью регулирования этого зазора.
Поярусно расположение сушильных камер с последовательным движением
сушильного агента в камерах снизу вверх из одной подъемной трубы в другую, а
высушиваемого материала сверху вниз из одной камеры в другую позволяет
108
максимально использовать тепло сушильного агента. Эскиз сушилки представлен на
рис. 2.
Согласно источника [6], предложена СВЧ-установка для сушки сыпучих
материалов, представленная на рис. 3. Технической задачей изобретения является
обеспечение максимального рассеивания СВЧ-энергии по объему сушильной камеры,
равномерности влагоудаления из обрабатываемого материала и повышение
эффективности сушки. Это достигается тем, что в СВЧ-установке, содержащей
корпус, сушильную камеру, СВЧ-излучатель в виде двух меандровых линий,
установленный с возможностью вращения вокруг свой оси, крышку, согласователи,
привод, цилиндрический экран с отверстиями, блок для подачи воздуха, соединенный
с полостью между корпусом и экраном, новым является то, что экран выполнен в
виде ребристого отражателя с треугольными ребрами, выполненными по окружности
экрана, имеющими глубину λ/8 и расстояние между гребнями λ/4, а полость между
корпусом и экраном разделена на четное количество чередующихся каналов для
подвода и отвода воздуха.
Сыпучий
материал,
находящийся
в
сушильной камере при работе СВЧ-генератора
подвергается
воздействию
СВЧ-излучения.
Электромагнитная
волна,
исходящая
от
излучателя, пройдя через продукт, отражается от
экрана. Использование треугольных ребер по
окружности экрана обеспечивает максимальное
рассеивание
электромагнитной
волны.
Одновременно через патрубок подается воздух,
который проходя через слой материала,
поглощает испаряемую влагу.
Для непрерывной сушки поваренной соли,
согласно [8], может быть использована
Рис. 3 - СВЧ-установка для
барабанная сушилка, приведенная на рис. 4.
Барабанная сушилка имеет цилиндрический сушки сыпучих материалов: 1 –
сварной барабан, установленный с небольшим СВЧ-генератор; 2 – излучатель; 3
наклоном к горизонту и опирающийся с – крыша; 4 – дозатор; 5 – корпус;
6 – загрузочный бункер; 7 –
помощью бандажей на ролики. Барабан
излучатель;
8 – согласователь; 9 –
приводится во вращение электродвигателем
через зубчатую передачу с помощью венца. блок подачи воздуха; 10 –привод;
Материал подается в барабан питателем и 11 – экран; 12 – отверстия; 13 –
поступает
на
внутреннюю
насадку, сушильная камера; 14 – патрубки
для подвода
расположенную вдоль почти всей длины
барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее
перемешивание материала.
В качестве сушки можно так же использовать терморадиационную сушильную
установку, которая позволит повысить интенсивность процесса сушки и снизить
энергозатраты. В данной сушильной установке (рис. 5), содержащей сушильную
камеру, транспортер для подачи изделий, газовые инфракрасные излучатели,
расположенные по обе стороны транспортера, патрубки для удаления отработанных
газов.
Газовые инфракрасные излучатели установлены в чередующемся порядке, что
109
обеспечивает установление осциллирующего температурного режима при сушке,
снижающего энергозатраты.
Таким образам, обеспечивается
более
мягкий
режим
сушки,
предотвращается перегрев материала и
тем самым достигается высокое
качество материала. В верхней части
каждого из газовых инфракрасных
излучателей подключен патрубок для
отвода
продуктов
сгорания,
соединенный
с
автономным
дымососом, а в нижней части
сушильной камеры расположены сопла Рис. 4 - Схема барабанной сушилки: 1 – топка;
2 – бункер; 3 – барабан; 4 – бандажи; 5 –
для подачи продуктов сгорания.
зубчатое колесо; 6 – вентилятор; 7 – циклон; 8 –
Это позволяет использовать тепло приемный бункер; 9 – шлюзовый питатель; 10 –
дымовых газов для дополнительной
опорные ролики
сушки материала, что приводит к
улучшению
качества
сушки
и
снижению энергозатрат. Подключение
патрубка к верхней части каждого
излучателя для отвода продуктов
сгорания, соединенного с дымососом,
Рис. 5 - Терморадиационная сушильная
и расположение в нижней части
установка
сушильной камеры сопел для подачи
продуктов сгорания, во-первых, создает интенсивный конвективный подвод теплоты
к изделиям в результате скоростного обдува изделий продуктами сгорания,
истекающими из сопел,что интенсифицирует тепломассообмен, увеличивает скорость
отвода паров, а следовательно, ускоряет процесс сушки. Во-вторых, конвективный
подвод теплоты к материалу позволяет снизить температуру отработанных продуктов
сгорания на выходе из сушильной камеры, полезно использовать их теплоту, что в
результате повышает эффективность установки. Установка на каждый излучатель
автономного дымососа позволяет обеспечивать равномерное распределение
продуктов сгорания в сушильной камере, и таким образом обеспечивается
возможность управлять режимом сушки по длине камеры.
Для интенсификации процесса сушки применяется метод сушки в
псевдоожиженном слое, по внешнему виду напоминающем кипящую жидкость,
поэтому его часто называют кипящим слоем. Псевдоожижение осуществляется с
помощью продувания газа с определенной скоростью через решетку, на которой
лежит дисперсный материал. Сначала материал разрыхляется, а затем переходит в
псевдоожиженное состояние, все частицы в сушилке омываются газом и интенсивно
перемешиваются. Перемешивание частиц в кипящем слое и их соударение между
собой вызывают турбулизацию газа, омывающего частицы, что способствует
интенсификации теплообмена и массообмена.
По конструктивному признаку все применяющиеся сушилки с кипящим слоем
делятся на две группы: онокамерные и многокамерные.
Однокамерные
сушилки
наиболее
просты
в
конструктивном
и
эксплуатационном отношениях, обладают высокими экономическими показателями,
легко поддаются автоматизации.
110
Это наиболее распространенный тип промышленных сушилок. Недостатком
некоторых
конструкций
является
неравномерная
обработка
материала,
обусловленная широким спектром времен пребывания отдельных частиц в зоне
сушки. Этот недостаток может быть уменьшен организацией направленного
движения слоя материала.
Многокамерные сушилки могут быть с последовательным движением материала
и подачей свежего теплоносителя в каждую камеру и ступенчато-противоточные, с
движением материала и газа противотоком друг к другу. Многоступенчатые сушилки
обеспечивают более равномерное высушивание материала.
Одной из задач процесса сушки является интенсификация процесса и улучшение
эксплуатационных
характеристик
установки
за
счет
активизации
гидродинамического режима.
Решение проблемы интенсификации процесса сушки
Задача решается следующим образом. В установке кипящего слоя,
представленной на рис. 6, содержащей корпус с газораспределительной решеткой,
разделенный на камеры вертикальными перегородками с переточными окнами.
Первая из камер подключена к
загрузочному устройству, а последняя –
разгрузочному, причем к каждой камере
подсоединены
индивидуальные
газоподводящий и отводящий патрубки
для теплоносителя.
Согласно
предлагаемому
техническому решению первая камера
выполнена
цилиндрической
и
дополнительно снабжена мешалкой,
расположенной над решеткой. Это
обеспечивает
интенсивное
перемешивание,
равномерное
и
устойчивое
псевдоожижение Рис. 6 - Установка кипящего слоя: 1,2,3 –
гранулированных
и
дисперсных камера; 4,5 –- вертикальная перегородка;
6,7,15 – бункер; 8,10 –
материалов.
Последующие
газораспределительная решетка; 9 –
прямоугольные камеры выполнены с
переточное окно; 11 – мешалка; 12 –
закругленными углами, что исключает
образование застойных зон, причем привод; 13 – дозатор; 14 – газоотводящий
патрубок
газораспределительная решетка каждой
последующей камеры расположена ниже предыдущей.
После кристаллизации поваренной соли из растворов получают кристаллы
однородного типа, размеры которых не превышают 1,1 – 1,2 мм, что идеально
подходит для рабочих параметров установки кипящего слоя.
Выводы
Таким образом, рассмотрев предлагаемые конструкции сушилок, можно сделать
вывод, что основным недостатком непрерывно действующей вакуумной ленточной
сушилки является громоздкость и сложность в обслуживании из-за возможных
растяжений ленты; сушилка «Вьюга» характеризуется повышенным шумом и
сложностью монтажа, СВЧ-установка для сушки сыпучих материалов –
дороговизной изготовления. Недостатком терморадиационной сушилки является
неравномерный износ рабочих поверхностей, а барабанная сушилка отличается
111
громоздкостью и сравнительно невысокой производительностью. Наиболее
оптимальной установкой для сушки поваренной соли является сушилка с
псевдоожиженным слоем. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить
поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом,
интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить продолжительность
сушки. Основным недостатком сушилки кипящего слоя является пылеунос
материала, однако из-за того, что кристаллы поваренной соли имеют размер до 1,2мм
– этот недостаток сводится к минимуму.
Список литературы: 1. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии:
Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты / Ю. И.
Дытнерский. – М. : Химия, 1995.– 368 с.: ил. 2. Непрерывно действующая вакуумная ленточная
сушилка для сыпучих материалов: пат. 2013723 Рос. Федерация: МПК5 F 26 B 5/06, F 26 B
13/02/ Кретов И. Т., Антипов С. Т., Завьялов Ю. А., Мордасов А. Г. ; заявитель Воронежский тех.
ин-т., патентообладатель Кретов Иван Тихонович, Антипов Сергей Тихонович, Завьялов Юрий
Алексеевич, Мордасов Анатолий Григорьевич.—№ 4950635/06 ; заявл. 26.06.91 ; опубл. 30.05.94.
3. Сушилка для сыпучих материалов: пат. 2282804 Рос. Федерация: МПК F 26 В 15/38, F 26 B
17/ 10/ Налбандян А.В. ; заявитель и патентообладатель Налбандян Армен Вемирович.–№
2005128898/06 ; заявл. 15.09.05 ; опубл. 27.08.06 4. Циклическая сушилка для сыпучих
материалов: пат. 2082924 Рос. Федерация: МПК6 F 26 B 17/10/ Торокин В. В., Байнов М. Г.,
Камкин В. И., Пак Б. К. Блюхер В. В., Комиссаров А. П., Тяжкун С. В. ; заявитель и
патентообладатель ТОО НИИ "Экология ЛТД".–№ 95101897/06 ; заявл. 13.02.95 ; опубл.
27.06.97 5. Сушилка «Вьюга»: пат. 2102663 Рос. Федерация: МПК F 26 B 17/14, F 26 B 17/10/
Кащеев Л. Я. ; заявитель и патентообладатель Кащеев Леонид Яковлевич, ТОО – Фирма
"Комплексное инженерно-техническое обеспечение".–№ 96101067/06 ; заявл. 09.01.96 ; опубл.
20.01.98; 6. СВЧ-установка для сушки сыпучих материалов: пат. 2255434 Рос. Федерация: МПК7
Н 05 В 6/64/ Антипов С. Т., Казарцев Д. А., Павловский М. Ю. ; заявитель и патентообладатель
Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая
академия.–№ 2003132579/09 ; заявл. 06.11.03 ; опубл. 27.06.05 7. Сорокопуд А. Ф.
Технологическое оборудование. Традиционное и специальное технологическое оборудование
предприятий пищевых производств: учебное пособие / А. Ф. Сорокопуд; – Кемеровский
технологический институт пищевой промышленности. — 202 с. 8. Лыков М. В. Сушка в
химической промышленности / М. В. Лыков. – М : Химия, 1970 9. Позин М. Е. Технология
минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч. 1, изд.
4-е, испр. / М. Е. Позин.– Л. : Химия, 1974.
УДК 661.41
Использование установки кипящего слоя для сушки поваренной соли/С. А. Гринь, О.
Н. Филенко, В. В. Якибчук// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях.
– Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 106-112. – Бібліогр.: 9 назв.
На основі проведеного аналізу літературних джерел розглядаються технології сушки
кухонної солі в залежності від способу підведення тепла до висушуваного матеріалу. Зроблені
обґрунтовані висновки щодо раціональності використання установки киплячого шару для
сушіння кухонної солі.
Ключові слова: сушка, сушарка, киплячий шар, кухонна сіль, топка, конвективна сушка.
Based on the analysis of literary sources considered drying technology of salt, depending on the
method of applying heat to the dried up material. Make informed choices about the rational use of the
installation fluid bed drying salt.
Keywords: drying, dryer, fluid bed, salt, furnace, convective drying
УДК 579.61
112
О. С. ХИЖНЯК, аспірант НТУ «ХПІ»;
Ю. М. КРАСНОПОЛЬСЬКИЙ, д-р фарм. наук, проф. НТУ «ХПІ»
БІОТЕХНОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ОТРИМАННЯ КОМПЛЕКСНОГО
ПРЕПАРАТУ, ЯКИЙ МІСТИТЬ РІЗНІ ШТАМИ ПРОБІОТИЧНИХ
КУЛЬТУР
Вивчено оптимальні умови сумісного культивування пробіотичних культур: співвідношення
штамів, азотний склад поживного середовища, рівень рН, час культивування та кількість
генерацій. Доведена необхідність створення полікомпонентних препаратів на основі двох
симбіотичних штамів. Розглянуто аспекти створення ефективного поживного середовища.
Встановлено оптимальний склад поживного середовища та можливість культивування на ньому
пробіотичних штамів біфідобактерій та лактобацил. Визначено оптимальне співвідношення
штамів при сумісному культивуванні.
Ключові слова: біфідобактерії, лактобацили, кислотоутворення, сумісне культивування
штамів, поживне середовище.
Вступ. Проблема дисбактеріозів особливо гостро постала у світі в цілому та в
Україні зокрема в останні роки. Це пов’язано з безконтрольним застосуванням
антибіотиків, погіршенням екологічного становища, високим темпом життя,
нераціональним харчуванням [1].
Для профілактики та лікування дисбактеріозів найчастіше використовують
пробіотики – біопрепарати із нормальної мікрофлори кишечника людини. Основними
пробіотиками вважаються біфідобактерії та лактобацили. Найбільш важливими є
біфідобактерії, оскільки саме вони з’являються у людини на другий – п’ятий день її
існування і є найбільш постійною домінуючою групою бактерій протягом усього
життя, адже біфідобактерії складають приблизно 80% від усієї маси нормальної
мікрофлори людини; на другому місці у кількісному складі мікрофлори знаходяться
лактобацили – 10% від загальної біомаси [2,16].
Аналіз останніх досліджень та літератури. Зараз на ринку присутня велика
кількість препаратів пробіотиків переважно на основі монокультур мікроорганізмів
(біфідобактерій, лактобацил, колібактерій, аерококів та ін.). Широку популярність
отримав рекомбінантний пробіотик «Субалін» на основі штаму Bacillus subtilis
2335/105, який містить рекомбінантну плазміду із геном інтерферону α-2 людини.
«Субалін» має високу антибактеріальну і противірусну активність, що дозволяє
лікувати змішані інфекції [9,10,25]. Такий склад препаратів не є досить ефективним і
не дозволяє повністю позбутися причини захворювання через обмежений спектр
антагоністичної активності штамів, які входять до складу препарату [2,3]. Тому
важливим завданням сучасної біотехнології є створення полікомпонентних
препаратів на основі місцевих біоваріантів різних таксономічних груп [17,20]. Це
дозволить значно підвищити активність препаратів за рахунок збільшення спектру
патогенних і умовно-патогенних мікроорганізмів, які є не стійкими до
антагоністичної дії використаних штамів, та за рахунок об’єднання функцій, які
виконують бактерії (біфідобактерії, лактобацили та інші пробіотичні штами) [18,20].
Так, біфідобактерії та лактобацили здатні регулювати морфофункціональний
стан слизової оболонки каналу травлення і його моторно-евакуаторну функцію,
перешкоджати проникненню мікробів у верхні відділи та інші внутрішні органи (за
рахунок колонізаційної резистентності) [11,12]. Молочна, оцтова та пропіонова
©
О. С. ХИЖНЯК, Ю. М. КРАСНОПОЛЬСЬКИЙ, 2013
113
кислоти, які продукуються зазначеними бактеріями, створюють у кишечнику кислу
реакцію, яка попереджає розмноженню патогенної, гнилісної та газоутворюючої
мікрофлори [4]. Також, зазначені бактерії здатні виділяти бактеріоцини («Біфідин» та
«Біфілонг»), які проявляють антимікробну активність по відношенню до багатьох
видів ентеробактерій, вібріонів, стрептококів та стафілококів [5], вони приймають
участь у гідролізі вуглеводів, продукують ферменти (лізоцим, лактаза),
термостабільні антибіотики (лактоцидин, ацидофілін, лактолін, ацидолін), перекиси,
вітаміни (групи В, С, Е, РР, Н) [4]. Пробіотичні бактерії пригнічують розвиток
синьогнійної палички, стафілококів, ешерихій, протею, деяких видів шигел, сераций,
сальмонел, стрептококів; приймають участь у метаболізмі холестерину, що
попереджує розвиток гіперхолестеринемії і, як наслідку, ішемічної хвороби серця,
атеросклерозу, гепіртонії та ін. [6, 31]. Слід зазначити, що важливу роль у
життєдіяльності пробіотиків відіграють пребіотики (лактулоза, інулін, рафіноза,
пектин, декстрин, ксилоза) [33,34].
Постановка проблеми. Для одержання високоефективного препарату
необхідно вирішити ряд важливих завдань:

створення оптимального поживного середовища, яке б задовольняло вимогам
симбіотичних штамів. Біфідобактерії та лактобацили потребують різних
мікроелементів для нормального росту, різний склад азотних сполук, рівень рН та ін.;

підбір оптимального співвідношення симбіотичних штамів у препараті;

підбір ефективного пребіотичного компоненту, який буде стабілізувати
культуру і не буде пригнічувати ріст мікроорганізмів [19];

визначення терміну збереження препарату і контроль його стабільності та
ефективності протягом встановленого терміну збереження;

забезпечення нового препарату медичним обґрунтуванням доцільності та
ефективності у ряді захворювань шлунково-кишкового тракту (ШКТ).
Поставлені задачі і є предметом наших досліджень, а саме:

встановлення оптимального співвідношення казеїнового гідролізату та
дріжджового автолізату у казеїново-дріжджовому поживному середовищі, у якості
основних поживних компонентів, для культивування біфідобактерій;

вивчення можливості культивування лактобацил на розробленому поживному
середовищі;

вивчення режиму сумісного культивування біфідобактерій та лактобацил на
розробленому поживному середовищі та біологічної ефективності препарату.
Матеріали та методи. У роботі були використані штами Lactobacillus
plantarum 8R-A3 та Bifidumbacterium bifidum ЛВА-3, що складають основу препаратів
лактобактерин та біфідумбактерин відповідно.
Культура біфідобактерій була отримана на поживному середовищі Блаурокка
(рН 6.5±1) шляхом двократного пересіву та культивуванні при температурі (38±1)0С,
протягом 96 годин [8].
Культура лактобацил отримана на поживних середовищах: МРС-1
(6.7±1),
культивування протягом 24 годин; МРС-2 (7.3±1), культивування протягом 24 годин;
МРС-4 (7.9±1), культивування протягом 4 діб при постійній температурі (38 ±1) 0С,
шляхом п’яти- та шестикратного пересіву, при умовах, відповідних стандартним
методикам [8].
114
Для виготовлення поживного середовища нами попередньо був одержаний
триптичний гідролізат казеїну та дріжджовий автолізат [7,8]. Приготовлений об’єм
кожного варіанту середовища становив 0.42 л. Режим стерилізації становив 0.6 атм
(112±1)0С, протягом 30 хв.
Показником для порівняння варіантів поживних середовищ є вміст
амінокислот, який стандартизують по значенні амінного азоту. Визначення амінного
азоту проводили відповідно стандартним методикам [32].
Для перевірки продуктивності встановлених варіантів поживного середовища
проводили посів біфідобактерій, отриманих на середовищі Блаурокка, у кількості 1
мл (який містив 108 КУО) на 10 мл поживного середовища, та визначали активність
кислотоутворення на другу та третю добу культивування. рН середовища при
культивуванні доводили до необхідної величини (6.5±1) за допомогою
свіжоприготовленого 10% розчину аміаку. Для встановлення максимально
продуктивного варіанту середовища визначали кількість живих бактерій у деяких
варіантах.
Для перевірки можливості культивування лактобацил на розробленому
поживному середовищі проводили посів лактобацил у кількості 2.5 мл (1 мл містить
107 КУО) на 50 мл обраного варіанту поживного середовища та визначали активність
кислотоутворення, кількість живих бактерій та проводили мікроскопію [8].
Для вивчення можливості сумісного культивування біфідобактерій та
лактобацил на розробленому поживному середовищі, інокулювали 50 мл поживного
середовища культурами біфідобактерій та лактобацил у різних співвідношеннях. При
сумісному посіві біфідобактерій та лактобацил на поживне середовище,
культивування проводили протягом 48 годин при температурі (38±1)0С.
Про можливість сумісного культивування зазначених культур на поживному
середовищі та інтенсивність накопичення біомаси свідчили загальна кількість аміаку
[8], додана до зразків під час культивування, активність кислотоутворення [8] та
кількість живих бактерій [8] у зразках. Мікроскопія зразків вказує на збереження
індивідуальних морфологічних ознак кожного штаму [13,14,15].
Результати та їх обговорення. Обгрунтування складу поживного середовища
для біфідобактерій. Відповідно літературним даним, основними компонентами
поживного середовища для вирощування біфідобактерій є: дріжджовий компонент та
різноманітні продукти гідролізу казеїну. В літературі у якості дріжджового
компоненту авторами використовується дріжджовий екстракт, дріжджова вода чи
автолізат дріжджів. Казеїн у склад поживних середовищ входить у вигляді
гідролізатів, отриманих кислотним чи ферментативним гідролізом. Хлорид натрію
використовується у якості джерела іонів натрію (Na+), агар-агар – для створення
певної густини середовища, лактоза – у якості джерела вуглеводів. Вміст амінного
азоту (Nам) у середовищі у різних авторів відрізняється і знаходиться у межах 90 –
200 мг% [7, 8], що свідчить про нестандартність отриманих компонентів та їх
використання у складі поживного середовища у різних співвідношеннях.
У попередніх експериментах для одержання поживного середовища нами було
використано триптичний гідролізат казеїну та продукти автолізу дріжджів. Тому,
нами було поставлено завдання – визначити оптимальне співвідношення вказаних
основних компонентів середовища.
До складу досліджуваних поживних середовищ у незмінній кількості входили:
хлорид натрію 0.5%, агар-агар 0.075%, лактоза 1%. До складу поживного середовища
також була введена сірковмісна амінокислота – L-цистин, у кількості 0.01%.
115
Гідролізат казеїну та дріжджовий автолізат були отримані відповідно встановленим
методикам [8]. Значення амінного азоту вказаних компонентів становило 540±40 мг%
(для гідролізату казеїну) та 130±20 мг% (для автолізату дріжджів).
На основі зазначених компонентів були виготовлені варіанти поживних
середовищ, які наведені у табл. 1.
Таблиця 1 - Характеристика варіантів поживних середовищ
№ варіанту
середовища
Дріжджовий
автолізат, мг
Казеїновий
гідролізат,
мг
Nам, мг%
1
338
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
304.2 270.4 236.6 371.8 405.6 439.4 338.0 338.0 338.0 338.0 338.0
338.0
432.0 432.0 432.0 432.0 432.0 432.0 432.0 388.8 345.6 302.4 475.2 518.4
561.5
191.9 196.0 200.7 206.0 188.3 185.1 182.2 185.1 178.1 170.8 198.4 208.5
210.7
Отримані варіанти поживного середовища стерилізували при 1.1 атм (121.5±1)
С протягом 30 хв. Середовища витримували при температурі (37±1) 0С протягом 48
годин, потім інокулювали середовища рівними кількостями культури B.bifidum,
вирощеної на середовищі Блаурокка. Культивування проводили при температурі
(38±1) 0С протягом 72 годин.
На другу та третю добу культивування проводили визначення активності
кислотоутворення. Середнє значення показників активності кислотоутворення
наведено у табл. 2:
0
Таблиця 2 - Активність кислотоутворення біфідобактерій, 0Т
№ варіанту 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
середовища
2га доба
125 130 132.5 142.5 145 140 125 120 126.5 136.5 140 142.5 135.5
тя
3 доба
145 145 140
165 170 140 140 138 138
150 155 158
165
Як видно з табл. 2, найкращі результати (145±5)0Т отримані для варіантів
поживного середовища під номерами 4,5,6,11,12,13. Вимірювання кислотоутворення
на третю добу культивування показало, що найбільша кількість продуктів
кислотоутворення спостерігається у варіантах під номерами 4,5,12,13.
Для варіантів поживних середовищ під номерами 4, 5, 12, 13 визначаємо
кількість живих біфідобактерій. У зразках №4, 12, 13 встановлені результати були не
менше, ніж 108 КУО/мл, у зразку №5 – не менше, ніж 109 КУО/мл.
Отримані дані підтверджують залежність результатів кислотоутворення і
кількості живих бактерій від складу поживного середовища. Звертає на себе увагу той
факт, що зростання кількості амінного азоту в середовищі не приводить до суттєвого
збільшення кількості живих бактерій та зростання активності кислотоутворення.
Тому, нами для подальшої роботи було обрано поживне середовище п’ятого варіанту,
яке дає максимальне значення кислотоутворення 1700Т та кількість живих бактерій не
менше, ніж 109 КУО/мл.
Подальше зростання кількості амінного азоту у середовищі не приводить до
покращення біологічних показників, та збільшує собівартість середовища.
Необхідно зазначити, що всі компоненти, які входять до складу поживного
середовища, є харчовими речовинами і можуть бути використані per os, у тому числі
й дітьми до 1 року.
116
Обгрунтування можливості культивування лактобацил на створеному
поживному середовищі. У другій групі експериментів нами проведено вивчення
можливості вирощування лактобацил на казеїново-дріжджовому поживному
середовищі з додаванням мінеральних солей.
Беручи до уваги результати дослідження по встановленню оптимального
співвідношення основних компонентів поживного середовища та дані із таблиці 1,
нами було використано варіант середовища №5 з додаванням мінеральних солей, які
задовольняють ростовим вимогам лактобацил. Перелік та вміст мінеральних солей
відповідає літературним даним про вирощування лактобацил, а саме: ацетат натрію
0.5%, цитрат амонію 0.2%, калій фосфорнокислий 0.2%, магній сірчанокислий 0.02%,
марганець сірчанокислий 0.005%.
На поживне середовище була висіяна культура лактобацил п’ятої генерації,
отримана при культивуванні на середовищах МРС-1, МРС-2, МРС-4, та проведено її
контроль: активність кислотоутворення – (405±10)0Т, кількість живих бактерій –
(4.1·109 )КУО/мл. При мікроскопії спостерігалися характерні паличковидні бактерії
правильної форми, зазвичай у вигляді ланцюгів.
Отже, вирощування лактобацил на варіанті казеїново-дріжджового середовища
№5 цілком можливо.
Дослідження можливості сумісного культивування біфідобактерій та
лактобацил на запропонованому поживному середовищі. На варіант поживного
середовища №5, об’ємом 50 мл, було посіяно культури біфідобактерій та лактобацил
у різних співвідношеннях. Співвідношення посівного матеріалу наведено у табл. 3.
Таблиця 3 - Співвідношення бактерій у інокуляті
№
проб
и
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Біфідобактерії
Об’єм, мл К-сть
бактерій
в 1 мл
2.5
107 КУО
1.25
107 КУО
3.75
107 КУО
2.5
107 КУО
2.5
107 КУО
1.25
107 КУО
3.75
107 КУО
2.5
107 КУО
№
генерації
2
2
2
2
2
2
2
2
Лактобацили
Об’єм, мл К-сть
бактерій
в 1 мл
2.5
107 КУО
3.75
107 КУО
1.25
107 КУО
2.5
107 КУО
2.5
107 КУО
3.75
107 КУО
1.25
107 КУО
2.5
107 КУО
-
№
генерації
5
5
5
5
6
6
6
6
Співвідношення
1:1
1:3
3:1
1:1
1:3
3:1
-
Для підтвердження можливості сумісного культивування біфідобактерій та
лактобацил на поживному середовищі необхідно дослідити інтенсивність
накопичення біомаси, провести мікроскопію отриманих зразків, визначити кількість
живих бактерій, активність кислотоутворення.
Нами було проведено три паралельні дослідження з використанням культури
біфідобактерій другої генерації та лактобацил п’ятої та шостої генерації.
Про інтенсивність росту бактерій та його закінчення свідчить кількість
доданого аміаку. Візуальний огляд зразків підтверджує ріст і накопичення біомаси. У
всіх пробах з часом спостерігалося формування білого осаду на дні флакону різної
інтенсивності.
117
Усереднені дані про кількість доданого аміаку під час сумісного культивування
з трьох паралельних зразків представлені у таблиці 4.
Наступним кроком було визначення кількості живих бактерій. Контроль на
кількість живих бактерій у зразках під номерами 1-4, 6-9 проводимо на середовищі
МРС-4; зразків під номерами 1-3,5, 6-8, 10 – на середовищі Блаурокка. Усереднені
дані від трьох паралельних вимірювань занесені у таблицю 5.
№ проби
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Таблиця 4 - Кількість доданого аміаку під час росту бактерій
Співвідношення
К-сть аміаку, мл
1:1
0.35
1:3
0.36
3:1
0.26
Контроль лактобацил
0.41
Контроль біфідобактерій
0.37
1:1
0.48
1:3
0.72
3:1
0.35
Контроль лактобацил
0.63
Контроль біфідобактерій
0.19
Контроль на активність кислотоутворення
проводимо на середовищі
Блаурокка (для зразків № 1-3,5, 6-8,10) та на середовищі МРС-1 (для зразків № 1-4, 69). Дані представлені у табл. 5:
Таблиця 5 - Кількість живих бактерій та активність кислотоутворення зразків
№
Біфідобактерії
Лактобацили
проби
К-сть живих
Активність
К-сть живих
Активність
бактерій,
кислотобактерій,
кислото0
КУО/мл
утворення, Т
КУО/мл
утворення, 0Т
1
1012
210
6.27 · 109
373
12
9
2
10
228
5.28 · 10
367
12
9
3
10
218
1.8 · 10
365
9
4
3.84 · 10
393
12
5
10
238
12
9
6
10
180
6.1 · 10
383
12
9
7
10
215
8.95 · 10
406
12
9
8
10
210
3.28 · 10
393
9
9
4.48 · 10
423
12
10
10
220
Дані табл. 4 та 5 підтверджують результати попереднього дослідження.
Біфідобактерії і лактобацили добре розмножуються на запропонованому поживному
середовищі, про що свідчать показники контрольних зразків: проби №4,9 – для
лактобацил, та №5,10 – для біфідобактерій.
Проведена мікроскопія свідчить про збереження основних морфологічних
ознак кожного штаму при сумісному культивуванні. На зразках №1-3, №6-8 добре
видно поодинокі, або об’єднані у ланцюги палочки; V-подібні клітини з роздвоєнням
на одному кінці, чи з потовщеннями на одному, або двох кінцях. На зразку №4, №9 (у
1-ий день) багато одиноких паличок, без формування ланцюгів; (на 2-ий день)
118
поодиноких клітин майже немає, ланцюги об’єднаних паличок. На зразку №5, №10
видно булавоподібні, V-подібні клітини поодинокі та в ланцюгах. У 1-ий день слабкі,
на 2-ий добре виражені, сильні клітини.
При використанні такого варіанту співвідношення, кислотоутворення
лактобацил на середовищі МРС-1 максимальне, а кислотоутворення біфідобактерій
складає 215 0Т, що трохи нижче зразків з індивідуальною культурою біфідобактерій,
але значно вище встановленої стандартами норми (не менше 900Т). Кількість живих
біфідобактерій та лактобацил знаходяться на рівні індивідуальних значень.
Мікроскопія підтверджує незмінну морфологію біфідобактерій та лактобацил.
Висновок: враховуючи дані проведених досліджень встановлено, що
біфідобактерії та лактобацили ростуть на запропонованому поживному середовищі і
мають необхідні ростові показники, що підтверджено результатами значень
кислотоутворення та кількості живих бактерій.
Таким чином, запропонований режим культивування і склад поживного
середовища дозволяють одночасно в одному об’ємі культивувати біфідобактерії та
лактобацили. Крім того, вирощування двох штамів пробіотичних бактерій приводить
до зменшення вартості лікування хворих на дисбактеріоз, що зробить цей препарат
більш доступним для населення.
Список літератури: 1. Тихомирова, Н. А. Технология продуктов функционального питания
[Текст] : моногр. / Н. А. Тихомирова. – М. : Франтэра, 2002. – 213 с. 2. Краснопольский Ю. М.
Фармакопейные лекарственные средства для терапии и профилактики дисбактериозов
кишечника // Провизор. – 2007, №11. –
с.24 – 27. 3. Похиленко В. Д., Перелыгин В. В.
Пробиотики на основе спорообразующих бактерий и их безопасность // Хим. и биол.
Безопасность. – 2007. - №2. – с. 20 – 41. 4. Шендеров Б. А. Медицинская микробная екологія и
функциональное питание. Т. 1, Т. 3.: Пробиотики и функциональное питание. — М.: ГРАНТЪ,
2001. 5. Бондаренко В. М., Грачева Н. М., Мацулевич Т. В. Дисбактериозы кишечника у
взрослых. — М.: КМК Scientifi c Press, 2003. — 224 c. 6. Христич Т. Н. Микробиоценоз
кишечника: механизмы развития, клиника дисбиоза и возможная коррекция его нарушений //
Сучасна гастроентерологія. 2010. №1(51). С. 86 – 91. 7. Краснопольский Ю. М. Пробиотики в
составе биологических диетических добавок. БАД-эксперт. 2009. №1. С. 18 – 22. 8.
Фармацевтическая биотехнология. Технология производства иммунобиологических препаратов:
учеб. пособие / Ю. М. Краснопольский, М. И.Борщевская. – Харьков : НТУ «ХПИ», 2009. – 352
с. 9. Охотникова Е. Н. Микробиоценоз кишечника: Основные понятия, нарушения и их
коррекция // Фах педіатрія. 2010. №7. С. – 28 – 36. 10. Смирнов В. В., Коваленко Н.К. и др.
Пробиотики на основе живых культур микроорганизмов // Мікробіологічний журнал. 2002, Т.64,
№4. С. – 62 – 80. 11. Проблемные вопросы микроэкологии и антибактериальной терапии
новорожденных с перинатальной патологией / Е. Е Шунько, Д. С. Янковский, Г. С.Дымент, Ю.
Ю.Краснова // Здоровье женщины. – 2004. - №4(20). – с 171 – 177. 12. Е. М.Лукьянова, Ю. Г.
Антипкин и др. Микробная экологическая система человека и использование отечественных
мультипробиотиков для профилактики и устранения ее нарушений у детей. Современная
педиатрия 4(26) 2009. 13. Bifidobacterium strains from resident infant human gastrointestinal
microflora exert antimicrobial activity / V.Lievin, I.Peiffer, S.Hudault et al. // Gut. — 2000. — Vol. 47.
— P. 646—652. 14. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Т.1: Пер. с англ. / Под ред.
Дж.Хоулта, Н.Крига, П.Смита, Дж.Стейли, С.Уильямса. – М.: Мир, 1997. – 432 с. 15.
Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Т.2: Пер. с англ. / Под ред. Дж.Хоулта, Н.Крига,
П.Смита, Дж.Стейли, С.Уильямса. – М.: Мир, 1997. – 359 с. 16. Янковский Д. С.
Бифидобактерии и лактобациллы как оптимальная основа современных пробиотиков / Д. С.
Янковский, Г. С. Дымент // Совр. педиатрия. — 2006. — № 3(12). — С. 184—194. 17. К вопросу
о поликомпонентности пробиотиков / [Лукьянова Е. М., Янковский Д. С., Антипкин Ю. Г.,
Дымент Г. С.] // Здоровье женщины. — 2005. — № 3(23). — С. 186—194. 18. Настоящее и
будущее пробиотиков как биокорректоров микроэкологических нарушений / [Янковский Д. С.,
119
Бережной В. В., Шунько Е. Е. и др.] // Совр. педиатрия. — 2004. — № 1(2). — С. 111—118. 19.
Янковский Д. С. К вопросу биологической стимуляции пробиотических бактерий / Д. С.
Янковский, Г. С. Дымент // Здоровье женщины. — 2005. — № 2(22). — С. 205—213. 20.
Янковский Д. С. Симбионты рода Bifidobacterium и стратегия их использования при
конструировании мультикомпонентных пробиотиков / Д. С. Янковский, Г. С. Дымент // Совр.
педиатрия. — 2006. — № 2(11). — С. 203 —210. 21. Янковский Д. С. Современное состояние
проблемы получения и клинического применения пробиотиков / Д. С. Янковский, Г. С. Дымент
// Совр. педиатрия. — 2007. — № 2 (15). — С. 136—146. 22. Янковский Д. С. Современные
аспекты проблемы микроэкологии и дисбиозов / Д. С. Янковский, Г. С. Дымент // Здоровье
женщины. — 2005. — № 4(24). — С. 209—218. 23. Янковский Д. С. Эра пробиотиков.
Противоречия, проблемы, дискуссии / Д. С. Янковский, Г. С. Дымент // Колега. — 2005. — №
3—4. 24. Янковский Д. С., Дымент Г. С. Оптимизация подходов к созданию современного
поколения пробиотиков и их клиническому применению / Д. С. Янковский, Г. С. Дымент //
Здоровье женщины. — 2007. — № 3(31). — С. 174—186. 25. Семченко А. В., Орлова Е. В.
Изучение рынка пробиотиков // Фундаментальные исследования. — 2007. — № 12. — С. 351—
357. 26. Новик Г. И. Исследование структурно-функциональной организации бифидобактерий //
Микробиология. — 1998. — Т. 67, № 3. — С. 376—383. 27. Лянная А.М., Интизаров М.М.,
Донских Е.Е. Биологические и экологические особенности микробов рода Bifidobacterium //
Бифидобактерии и их использование в клинике, медицинской промышленности и сельском
хозяйстве. — М. — 1986. — С. 32—38. 28. Гусев М. В., Минеева Л. А. Молочнокислые бактерии
// Микробиология. — 2004. — № 4. — С. 15—19. 29. Совершенствование способа получения
пробиотических препаратов / А.В.Семченко, А. В.Казьянин, Е. В.Орлова, В. А.Несчисляев //
Фундаментальные исследования. — 2007. — № 12. — С. 350. 30. Fedorak R. N., Madsen K. L.
Probiotics and Prebiotics in Gastrointestinal Disorders // Curr. Opin. Gastroenterol. — 2004. — Vol.
20, № 2. — P. 146—155. 31. Пробіотики: можливість застосування при гіперхолестеринемії / С.
М.Мосейчук, М. Б.Хоменко та ін. // Український медичний часопис. – 2006. – №2(52) – с. 10 – 23.
32. Раевич-Биргер Е.Д. Пособие по приготовлению питательных сред / Е. Д. Раевич-Биргер – М.:
Медицина, 1965. - С. 248. 33. Шендеров Б. А. Микроэкологическая токсикология: Реальность,
проблемы и перспективы // Антибиотики и микроэкология человека и животных. – М., 1988. –
С. 32 – 40. 34. .Шендеров Б. А., Манвелова М. А., Степанчук Ю. Б. и др. Пробиотики и
функциональное питание // Антибиотики и химиотерапия. – 1997. – 42, №7. – С. 30 – 34.
УДК 579.61
Біотехнологічні аспекти отримання комплексного препарату, який містить різні
штами пробіотичних культур/ О. С. Хижняк, Ю. М. Краснопольський // Вісник НТУ «ХПІ».
Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 113-120.
– Бібліогр.: 34 назв.
Изучены оптимальные условия совместного культивирования пробиотических культур:
соотношение штаммов, азотистый состав питательной среды, уровень рН, время
культивирования
и
количество
генераций.
Доказана
необходимость
создания
поликомпонентных препаратов на основе двух симбиотических штаммов. Рассмотрены аспекты
создания эффективной питательной среды. Установлен оптимальный состав питательной среды
и возможность культивирования на ней пробиотических штаммов бифидобактерий и
лактобацилл. Изучено оптимальное соотношение штаммов при совместном культивировании.
Ключевые слова: бифидобактерии, лактобациллы, кислотообразование, совместное
культивирование, питательная среда.
Are well studied the optimal conditions for joint cultivation of probiotic cultures: the ratio of
strains, nitrogenous composition of culture medium, the level of pH, time of cultivation and number of
generations. Demonstrated the need to create multiple products on the basis of two symbiotic strains.
Are discussed the aspects of create an effective culture medium. Set the optimum composition of
culture medium and opportunity cultivation of the probiotic strains on it. It is demonstrated the
optimum ratio of strains at joint cultivation.
Keywords: bifidobacteria, lactobacilli, joint cultivation of strains, culture medium.
120
УДК 665.353.3
О. А. ЛИТВИНЕНКО, канд. техн. наук, ст. наук. співр., НТУ «ХПІ»
ФРАКЦІОНУВАННЯ ПАЛЬМОВОЇ ОЛІЇ З ВИКОРИСТАННЯМ
ДЕТЕРГЕНТІВ
У статті проаналізовано сучасний стан технології фракціонування олій та жирів. Досліджено
фракціонування пальмової олії кристалізацією у розплаві, що удосконалено використанням
водних розчинів поверхнево-активних речовин на стадії розділення фракцій. В лабораторних
умовах отримано чотири фракції пальмової олії та досліджено їх фізико-хімічні показники,
жирно-кислотний склад та вміст твердих триацилгліцеринів.
Ключові слова: пальмова олія, кристалізація, олеїн, стеарин, суперолеїн, стеарин м’який,
поверхнево-активні речовини.
Вступ. Основні тенденції розвитку виробництва спеціальних жирів для
кондитерської, кулінарної, хлібопекарської та молочної галузей харчової
промисловості полягають у забезпеченні збалансованого жирового складу з
мінімальним вмістом транс-ізомерів. Це реалізується шляхом сполучення
традиційних способів переробки олій та жирів, таких як гідрогенізація та
переетерифікація, з новими напрямками – біотехнологією та фракціонуванням
жирових продуктів [1].
Аналіз останніх досліджень та літератури. Пальмова олія – одна з
найважливіших харчових олій разом із соєвою, ріпаковою та соняшниковою. Завдяки
унікальному складу (високий рівень вмісту твердих ацилгліцеринів) пальмова олія
легко піддається фракціонуванню. Фракціонуванню підлягає як сира, так і
рафінована, гідрована та переетерифікована пальмова олія. Підготовка початкової
сировини, спосіб і режим фракціонування визначаються цілями використання
отриманих фракцій. Внаслідок цього існує широка гама перероблених і повністю
очищених продуктів пальмової олії, а також спеціальних жирів. Серед них слід
відзначити олеїн і стеарин, які утворюються в процесі фракціонування пальмової олії,
а також суперолеїн і стеарин м’який, які утворюються в процесі фракціонування
пальмового олеїну. Якісні показники пальмової олії та її фракцій підпорядковані дії
національних стандартів України – ДСТУ 4306:2004 [2], ДСТУ 4439:2005 [3] та
ДСТУ 4438:2005 [4].
Фракції пальмової олії призначені для виробництва маргаринової продукції,
жирів кулінарних, кондитерських, хлібопекарських та для молочної промисловості і
для виробництва інших харчових продуктів, а також для процесів переетерифікації та
гідрогенізації. Стеарин, одержаний двостадійним фракціонуванням (стеарин м’який),
відомий як продукт типу «замінник какао-масла», який широко використовується у
виготовленні шоколадних виробів [5].
У світовій практиці фракціонування здійснюється за трьома основними
методами: фракціонування у розплаві з розділенням фракцій фільтрацією під
вакуумом, модифіковане фракціонування у розплаві з розділенням фракцій
сепаруванням або центрифугуванням за допомогою водних розчинів детергентів
(поверхнево-активних речовин) та фракціонування у розплаві з використанням
органічного розчинника (ацетону, гексану) та наступним розділенням фракцій
фільтрацією під вакуумом [6].
В усіх перелічених методах основною технологічною проблемою є не сама
©
121
О. А. ЛИТВИНЕНКО, 2013
кристалізація, а наступне розділення фракцій. До недоліків процесу фракціонування у
розплаві належать мала швидкість кристалізації, важкість чіткого розділення фаз
через високу в'язкість олії за низьких температур, утворення змішаних кристалів під
час кристалізації, які у результаті подальшої самовільної рекристалізації виділяють
низькоплавкі триацилгліцерини у вигляді рідкої фази. Внаслідок цього підвищується
йодне число стеаринової фракції та знижується вихід олеїнової фракції олії.
Недоліком методу фракціонування у розплаві із використанням органічного
розчинника є висока пожеже- та вибухонебезпека. Крім цього, фракціонування
пальмової олії з неполярних розчинників, наприклад, із гексану, практично не
позначається на складі та властивостях фракцій. Перевагою використання
розчинників є лише більш висока швидкість процесу. В зв'язку з цим перевагу треба
віддати процесам кристалізації у розплаві, що удосконалено використанням водних
розчинів детергентів на стадії розділення фракцій. Незважаючи на значну вартість
детергентів, використання їх виправдовується. Поверхнево-активні речовини
полегшують та сприяють більш чіткому розділенню фракцій. Окрім того, водний
розчин детергенту можна регенерувати з метою повторного його використання для
розділення фракцій [7].
Пальмову олію та її фракції використовують практично всі олійно-жирові
комбінати (Запорізький, Вінницький, Харківський, Львівський, Київський
маргариновий завод, Кіровоградський завод модифікованих жирів). Ці олійно-жирові
підприємства є безпосередніми імпортерами фракцій тропічних олій, які вони ввозять
для забезпечення своїх виробничих потреб [8].
Найбільшим імпортером пальмової олії в Україну стало ТОВ «Дельта Вілмар
СНД», засноване у грудні 2004 року. Це підприємство вперше в Україні створило
нові потужності по переробці та фракціонуванню сирої пальмової олії. Україна стала
не тільки імпортером пальмової олії, а й експортером. Однак виробництво щодо
фракціонування рослинних олій ефективним методом кристалізації у розплаві, що
удосконалено використанням водних розчинів детергентів на стадії розділення
фракцій, в Україні відсутнє. У зв’язку з цим виникла необхідність проведення
наукових досліджень щодо фракціонування пальмової олії та визначення
ефективного способу вирішення цієї проблеми.
Мета досліджень. Таким чином, метою роботи є дослідження методу
фракціонування з розплаву, удосконаленого використанням водних розчинів
детергентів на стадії розділення фракцій та вибір поверхнево-активної речовини
(ПАР), яка б забезпечувала інтенсифікацію процесу розділення фракцій після
кристалізації та збільшення виходу пальмового стеарину.
Результати досліджень. Дослідження процесу фракціонування виконано на
промисловому зразку пальмової олії з наступними фізико-хімічними показниками,
жирно-кислотним складом і вмістом твердих триацилгліцеринів, що наведено у
табл.1.
Дослідження процесу кристалізації пальмової олії та її рідких фракцій за
допомогою приладу Жукова [9] відображено на рис. 1. Результати досліджень,
представлені на рис.1, показують, що при кристалізації пальмової олії на кривій
застигання спостерігаються два чітко виражені піки: перший – в інтервалі температур
24-25С відповідає кристалізації високоплавких триацилгліцеринів; другий пік – в
інтервалі температур 16-17С відповідає кристалізації середньоплавких, переважно 2олеодінасичених триацилгліцеринів.
122
Таблиця 1 – Характеристика пальмової олії
Найменування показників
Значення показників
Йодне число, г J2/100 г
51,50
Температура плавлення, ºС
38,00
Жирно-кислотний склад, %
С12:0
0,68
С14:0
1,31
С16:0
41,60
С16:1
0,13
С18:0
4,64
С18:1
37,02
С18:2
10,92
С18:3
0,14
С20:0
0,30
Масова частка твердих триацилгліцеринів, %, за
20 °С
28,24
25 °С
19,25
30 °С
10,23
35 °С
5,35
Температура, °С
Таким чином, в результаті проведених досліджень встановлено, що
температура першого фракціонування
1
35
складає 24-25°С, а температура
30
2
другого фракціонування – 16-17 °С.
25
3
Фракціонуванню на другій стадії
20
піддавали першу рідку фракцію
15
(олеїн). В якості детергентів на стадії
10
розділення фракцій досліджено три
0
50
100
150
різні
представники
класу
аніоноактивних ПАР [10]. Вихід
Час, хв
стеарину
м’якого,
так
званої
Рис. 1 – Криві охолодження пальмової олії
«середньої»
фракції
від
маси
та її рідких фракцій: 1 – олія пальмова; 2 –
пальмової олії за даними експерименту
олеїн пальмовий; 3 – суперолеїн пальмовий
склав: без ПАР – 15,3%; з ПАР-1 –
19,8%; з ПАР-2 – 16,4 %; з ПАР-3 – 18,8 %. Оцінюючи отримані результати,
виявлено, що у присутності ПАР процес розділення фракцій інтенсифікується
(скорочується тривалість фільтрації), а вихід м’якого стеарину збільшується.
Найкращі результати досягнуто за умови використання ПАР-1.
З метою оцінки адсорбційних властивостей ПАР визначено міжфазний натяг за
об’ємом краплі, яка відривається від кінця капіляра. Цей метод застосовується при
визначенні міжфазного натягу між двома рідинами [11]. В даному випадку це
пальмовий олеїн і водний розчин ПАР-1. За результатами досліджень та розрахунків
отримано ізотерму міжфазного натягу, яка представлена на рис. 2.
123
Міжфазний натяг, мН/м
З рис. 2 видно, що ПАР-1 знижує міжфазний натяг у системі олеїн–вода від 46
до 21 мН/м. Однак при збільшенні концентрації ПАР-1 у водному розчині від 0,5 до
1,0 г-моль/л зниження міжфазного натягу відбувається незначно, що суттєво не
вплине на якість розділення
50
фракцій, тому застосування
45
водного розчину ПАР-1 з
40
концентрацією 0,5 г-моль/л
35
буде економічно і технологічно
30
найбільш доцільнішим.
25
В результаті першої та другої
20
стадій
фракціонування
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
пальмової олії, проведених в
Конценрація, г-моль/л
лабораторних
умовах,
отримано
чотири
фракції,
Рис. 2 – Ізотерма міжфазного натягу в системі
характеристики яких наведено
олеїн–водний розчин ПАР
у табл. 2 .
Таблиця 2 – Характеристики фракцій пальмової олії
72,7
Стеарин
мякий
19,8
Суперолеїн
52,9
48,0
19,5
32,3
16,5
0,6
1,33
52,6
5,9
29,0
8,1
0,2
0,4
0,1
1,0
37,8
4,1
44,5
12,5
-
1,0
53,4
5,0
33,5
6,1
-
0,1
0,9
37,0
4,6
43,2
13,6
-
65,08
59,22
44,84
33,68
-
57,49
49,44
34,16
4,71
-
Найменування показника
Стеарин
Олеїн
Вихід фракції від маси пальмової
олії, %
Температура плавлення, °С
Жирно-кислотний склад, %
С12:0
С14:0
С16:0
С18:0
С18:1
С18:2
С18:3
С20:0
27,3
Масова частка твердих
триацилгліцеринів, %, за
20 °С
25 °С
30 °С
35 °С
Висновки.
1. При дослідженні фракціонування пальмової олії за двохстадійною схемою
встановлено раціональні температури охолодження, що складають на першій стадії – 2425 С і на другій стадії – 16-18 С.
2. Встановлено, що діючим фактором у процесі розділення фракцій пальмової олії
є аніоноактивна ПАР, яка знижує міжфазний натяг у системі пальмовий олеїн–вода від
46 до 21 мН/м.
3. Стеарин м’який, отриманий після двохстадійного фракціонування пальмової
олії, може бути використано в якості сировини для отримання еквівалентів та замінників
какао-масла.
124
Список літератури: 1. Лукіна О. А. Фракціонування пальмової олії / О. А. Лукіна, В.
К. Тимченко, А. П. Мельник // Наукові здобутки молоді – вирішенню проблем харчування
людства у ХХІ столітті: Програма і матеріали 70-ї наукової конференції молодих вчених,
аспірантів і студентів, 20 – 21 квітня 2004 р. Київ: у 3-х ч. – К.: НУХТ, 2004. – Ч. 2. − С. 40. 2.
ДСТУ 4306:2004. Олія пальмова. Загальні технічні умови. – Введ. 2005-07-01. – К.:
Держпотребстандарт, 2005. – 13 с. 3. ДСТУ 4439:2005. Стеарин пальмовий. Загальні технічні
умови. – Введ. 2006-07-01. – К.: Держпотребстандарт, 2006. – 20 с. 4. ДСТУ 4438:2005. Олеїн
пальмовий. Загальні технічні умови. – Введ. 2006-07-01 – К.: Держспоживстандарт, 2006. – 18 с.
5. Кухта В. Г. Розвиток вітчизняного ринку маргаринової продукції та модифікованих жирів / В.
Г. Кухта // Маркетинг в Україні. – Київ: УАМ, 2005. – № 1 (29). – С. 11-17. 6. Kreulen H. P.
Fractionation and winterization of edible fats and oils / H. P. Kreulen // JAOCS, 1976. – Vol. 53. – No.
6. – P. 393 – 396. 7. Меламуд Н. Л. Из опыта переработки пальмового масла / Н. Л. Меламуд, А.
А. Шмидт и др. – М.: ЦНИИТЭПП, 1976. – 46 с. 8. Шумейко В. М. Маркетинговий менеджмент
експортного потенціалу олійно-жирового комплексу України / В. М. Шумейко // Механізм
регулювання економіки. – Суми: СДУ, 2009. – № 4. – Том 2. – С. 177-184. 9. ДСТУ 4463: 2005.
Маргарини, жири кондитерські та для молочної промисловості. Правила приймання та методи
випробування. – Введ. 2007-01-01 – К.: Держспоживстандарт, 2006. – 42 с. 10. Абрамзон А. А.
Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение / А. А. Абрамзон. – 2-е изд., перераб.
и доп. – Л.: Химия, 1981. – 304 с. 11. Мельник А. П. Методические указания к лабораторной
работе «Метод определения межфазного натяжения по объему капли, отрывающейся от конца
капилляра» / А. П. Мельник, В. И. Корх. – Харьков: ХПИ, 1985. – 14 с.
УДК 665.353.3
Фракционирование пальмового масла с использованием детергентов/ Литвиненко Е.
А. // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. № 4 (978). – С. 121-125. – Бібліогр.:11 назв.
В статье проанализировано современное состояние технологии фракционирования масел
и жиров. Исследовано фракционирование пальмового масла кристаллизацией в расплаве,
которое усовершенствовано использованием водных растворов поверхностно-активных веществ
на стадии разделения фракций. В лабораторных условиях получены четыре фракции пальмового
масла и исследованы их физико-химические показатели, жирно-кислотный состав и содержание
твердых триацилглицеринов.
Ключевые слова: пальмовое масло, кристаллизация, олеин, стеарин, суперолеин,
стеарин мягкий, поверхностно-активные вещества.
The modern state of fractionating technology of oils and fats is analysed in the article.
Fractionating of palm-oil by crystallization in fusion, that is improved by the use of water solutions of
surface-active substances on the stage of division of factions, is investigated. A four factions of palmoil are got in laboratory terms and their physical and chemical indexes, fat-acid composition and
maintenance of hard threeacilglycerins, are investigated.
Keywords: palm-oil, crystallization, olein, stearin, superolein, stearin soft, surface-active
substances.
УДК 66.074
И. В. ХИТРОВА, канд. техн. наук, доц., НТУ «ХПИ»;
Ю. М. ГАРБУЗ, студент, НТУ «ХПИ»;
Т. Б. НОВОЖИЛОВА, доц.,НТУ «ХПИ»
ВЫБОР КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ
В данной работе приведены результаты экспериментов по выбору высокоэффективных
катализаторов с пониженным газодинамическим сопротивлением для окисления
©
И. В. ХИТРОВА, Ю. М. ГАРБУЗ, Т. Б. НОВОЖИЛОВА, 2013
125
бензапирена в присутствии оксидов азота, оксидов углерода, сероводорода, углеводородов,
содержащихся в газах, отходящих от установки переработки нефтяных отходов с целью
получения битума.
Ключевые слова: окисленные битумы, бензапирен, полициклические ароматические
углеводороды, газовые выбросы, каталитическая очистка, многокомпонентные оксидные
катализаторы, двухслойные катализаторы, палладий, платина.
Вступление
Проблема загрязнения атмосферы вредными выбросами промышленных
производств в последнее время становится все более актуальной. Предприятия
нефтеперерабатывающего комплекса, а особенно битумные установки, вносят
значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами, среди
которых наиболее опасным является бензапирен, обладающий канцерогенным
действием и стимулирующий образование злокачественных опухолей. Этот углеводород
имеет 1-ый класс опасности. Поэтому проблема обезвреживания выбросов, содержащих
канцерогенные вещества, является актуальной.
Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов
нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы (ванадий,
железо, никель, натрий и др.). Элементный состав битумов примерно следующий [%
(масс.)]: углерода 80–85, водорода 8,0–11,5, кислорода 0,2–4,0, серы 0,5–7,0, азота 0,2–
0,5.
В данной работе рассматривается технология получения окисленных битумов,
которая заключается в окислении нефтяных остатков (в данной работе соляра)
кислородом воздуха без катализатора при температуре 230–300 °С с подачей 0,84–
1,40 м3 /мин (или 0,014–0,0233 м3 /с) воздуха на 1 т битума при продолжительности
цикла до 12 ч.
Цель исследования, постановка проблемы
На битумных установках, основанных на процессе окисления остатков
нефтепереработки воздухом, имеется ряд реальных и потенциальных источников
загрязнения окружающей среды. Газы, выходящие из окислительного аппарата,
являются одним из основных источников загрязнения воздушного бассейна, связанных с
работой нефтеперерабатывающих заводов. Они состоят из азота, кислорода, оксидов
углерода, углеводородов и их кислородных производных, а также водяных паров,
образующихся при окислении углеводородного сырья и в результате подачи воды (или
водяного пара) в газовое пространство окислительного аппарата. Состав отходящих
газов представлен в таблице.
Таблица – Состав отходящих газов, образующихся при производстве битумов
Компонент газа
Содержание, мг/м 3
Кислород
663,5
Оксид азота
15,0
Диоксид азота
20,0
Оксид углерода
6000,0
Сероводород
22,7
Углеводороды С 1 – С3
122,9
Углеводороды С 4 – С6
864,0
Изомасляный альдегид
27,8
н-Масляный альдегид
27,4
Ацетон
13,2
Углеводороды С 12 – С19 (полициклические ароматические)
50,1
Бензапирен
0,4956
126
Как видно из таблицы, рассматриваемые выбросы содержат довольно много
вредных примесей, наиболее опасными из них являются полициклические
ароматические углеводороды, особенно бензапирен. Концентрация бензапирена в
газе превышает ПДК примерно в 500000 раз, следовательно, особое внимание
необходимо обратить на очистку газа от бензапирена.
Обычно перед термическим обезвреживанием газы окисления пропускают через
скруббер с водяным или газойлевым орошением. При этом конденсируется основное
количество органических соединений и водяные пары. На сжигание в печь
направляют несконденсировавшиеся продукты. Такая схема связана с образованием
сточных вод, особенно при подаче в колонну воды или водяного пара, с получением
обводнённого соляра, который трудно затем утилизировать, и коррозией тех участков
газового тракта, где температура снижается и происходит конденсация водяных
паров.
Для устранения указанных недостатков целесообразно производить сжигание
всего объёма газов окисления, однако наличие большого количества водяных паров в
них, естественно затрудняет сам процесс сжигания.
Наиболее рационально борьба с вредными выбросами производства битумов
может быть осуществлена, когда исключена подача воды и водяного пара в газовое
пространство окислительного аппарата (для уменьшения взрывоопасных
концентраций кислорода).
Необходимость подачи воды непосредственно в окислительный аппарат (для
обеспечения
«теплосъёма»)
устраняется
путём
использования
системы
теплообменников, через которые, охлаждаясь, циркулирует окисляемый битум.
Необходимость введения водяного пара в газовое пространство окислительного
аппарата устраняется в случае применения эффективных окислительных аппаратов,
обеспечивающих достаточно полное потребление кислорода воздуха или окисление
при температурах не выше 250°С.
Однако метод термического обезвреживания является неприемлемым, так как
при его использовании не достигается ПДК по бензапирену и некоторым другим
полициклическим ароматическим углеводородам. К тому же на выходе из топки при
охлаждении происходит поликонденсация ПАУ с повышенным содержанием
бензапирена, большим чем на входе. Поэтому необходимо использовать
каталитический метод очистки отходящих газов.
Цель данной работы состоит в подборе высокоэффективных катализаторов с
пониженным газодинамическим сопротивлением для окисления бензапирена в
присутствии оксидов азота, оксидов углерода, сероводорода, углеводородов,
содержащихся в газах, отходящих от установки переработки нефтяных отходов с
целью получения битума.
Материалы исследований
Как показали проведенные исследования, окисление большинства соединений
легко протекает на наиболее активном Рt-катализаторе, где благодаря высокой
прочности связи С – М облегчены процессы разрыва С–Н-связи, а также на Рdкатализаторе, где легко идет активация связей С=С и С≡С. По воздействию на
активацию сложных полициклических ароматических соединений Рd также
приближается к Рt. Применение смешанных низкопроцентных катализаторов, в
которых возможно разделение функции между элементами в активации органических
компонентов одними элементами (Рt, Pd), а кислорода – другими элементами
127
переменной валентности, дает возможность значительно сократить расход
благородных металлов в катализаторах очистки газов.
Представляется, что наиболее перспективным направлением в области полного
окисления низких концентраций углеводородов в выбросных газах является создание
двух- и многокомпонентных оксидных катализаторов регулярного строения, в
которых благодаря ионному состоянию металлов в твердых растворах легко
протекают электронные переходы. Это подтверждается имеющимися в литературе
данными по применению хромитов меди, кобальта и других металлов, которые
подтверждают их высокую эффективность и, что не менее важно, устойчивость к
ядам и к действию реакционной среды, а также стабильность при длительной работе.
Индивидуальные оксидные катализаторы, как правило, подвержены
значительному влиянию реакционной среды и температуры, следствием чего
является их превращение в новые соединения с носителем (алюминаты меди), а
также фазовые сульфаты, хлориды металлов, которые могут распадаться только при
высоких температурах, что снижает эффективность оксидов в присутствии ядов в
процессах полного окисления.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что
рассматриваемые выбросы от установки получения окисленных битумов имеют
достаточно разнообразный состав с большим количеством вредных примесей.
Соответственно поиск катализатора, на котором может происходить 100 %-ая
очистка от всех вредных компонентов газа, является весьма сложной задачей.
Проведенные исследования показали, что наиболее целесообразно применение
двухслойных катализаторов. Послойная загрузка имеет ряд преимуществ. Во-первых,
она позволит уменьшить отравление сероводородом дорогого катализатора,
содержащего металл платиновой группы. Во-вторых, такая загрузка снижает
температуру начала окисления углеводородов и СО. В-третьих, применение
двухслойной загрузки повышает степень окисления органических соединений и
способствует восстановлению оксидов азота. В-четвертых, так как на практике чаще
всего в качестве первого слоя применяется оксидный катализатор, то такая загрузка
позволяет существенно удешевить процесс очистки.
В качестве первого слоя катализатора предлагается использовать оксидный
медно-хромовый (Cu 50%, Cr 19%) на Al2О3. Выбор данного катализатора обусловлен
рядом причин. Во-первых, оксидно-медно-хромовые катализаторы используются для
защиты палладиевого или платинового контакта от отравления Н2S.
Возможность
периодической
регенерации
оксидно-медно-хромового
катализатора при отравлении послужили основанием для использования его в
качестве первого слоя в промышленных установках каталитической очистки газов.
Сu-Сг – оксидные катализаторы нашли широкое практическое применение при
очистке выбросных газов от примеси СО, что обусловлено, в первую очередь, их
высокой механической прочностью [1] при очень высокой каталитической
активности: при температуре 250–350 °С и объемной скорости до 52000–72000 ч-1
достигается практически полная очистка воздуха от СО [2]. Активность меднохромовых катализаторов существенно зависит от природы носителя, используемого
при их приготовлении [3]. Максимальное повышение каталитической активности,
отнесенной к 1 г активного вещества, наблюдается у медно-хромовых катализаторов,
нанесенных на γ-Al2O3. Высококонцентрированный алюмо-медно-хромовый
катализатор при температуре выше 200 °С не уступает платиновому [4].
128
Эфективність очищення,%
В качестве второго слоя представляется целесообразным использование
палладиевого катализатора, нанесенного на Аl2O3. Наиболее целесообразным
является использование низкопроцентного Pd-катализатора с низким содержанием
палладия (П-2; 0,05 % Pd), который после продолжительных исследований в
лабораторных условиях обеспечивает при температуре 470–500 оС полное окисление.
Каталитическая активность низкопроцентных палладиевых катализаторов меняется
приблизительно на порядок в зависимости от применяемого носителя и максимальна
на γ-Al2O3. Важной особенность низкопроцентных палладиевых катализаторов
является то, что их активность практически не зависит от перегревов до 600–650 °С.
К тому же низкопроцентные палладиевые катализаторы обладают большей
термической устойчивостью, чем нанесённые медно-хромовые катализаторы.
По эффективности очистки сложных газовых смесей от углеводородов на
первый план выходит катализатор П-5, от диоксида серы – П-4, СО легко окисляется
на всех изученных катализаторах.
Данные о высокой стойкости низкопроцентных Pt и Pd катализаторов
свидетельствуют о том, что связывание ядов с катализатором во многом определяется
состоянием элементов катализатора. Стабилизация металлов платиновой группы в
низковалентном состоянии на поверхности носителя повышает стойкость контактов к
действию ядов. При поисках стойких к действию SO2 катализаторов окисления СО
обнаружено, что активность возрастает с уменьшением температуры распада
образующихся сульфатов [5]. Стабильность сульфатов уменьшается с увеличением
валентности катионов. Можно предположить, что регенерации легче поддаются
контакты, низковалентные катионы которых легче окисляются кислородом.
Показано, что добавки благородных металлов к оксидам благоприятствуют этому
процессу, что повышает стойкость контактом к ядам. Возможно, это основная
причина повышения стойкости к ядам смешанных низкопроцентных палладиевых
катализаторов серии «П».
Результаты исследования
На основании вышеизложенного
100
проведем
сравнение
следующих
контактов:
95

оксидно-медно-хромового
90
(ИКТ-12-8 с содержанием Cu 50 %, Cr
19 %);
85

низкопроцентного
80
палладиевого (П-2 с содержанием Pd
0,05 %);
75
1
2
3
4
5

платинового
(ШПК-2
с
содержанием Pt 0,2 %).
ИКТ-12-8 П-2 ШПК-2 АПК-2
На рисунке представлено сравнение
эффективности очистки приведенных Рис. – Сравнение эффективности очистки
газовых выбросов на различных
катализаторов.
катализаторах:
1 – 3, 4 – бензапирен; 2 –
Из графика видно, что оксидный
углеводороды; 3 – СО; 4 – NOх; 5 – H2S
катализатор обеспечивает более
эффективную очистку от сероводорода и наименьшую эффективность обнаруживает
при окислении углеводородов. Низкопроцентный палладиевый катализатор П-2
практически не уступает промышленному катализатору с достаточно высоким
содержанием (0,2 %) платины – ШПК-2.
129
Вывод
В результате проведенных исследований, в данной работе для очистки выбросов
от канцерогенных углеводородов в присутствии оксидов азота, сероводорода и
оксида углерода предложено использовать двухслойный катализатор, где в качестве
первого слоя располагается оксидный медно-хромовый катализатор ИКТ-12-8 , а в
качестве второго – низкопроцентный палладиевый катализатор П-2. Применение
данного катализатора позволит обезвредить выбросы от битумных, а также от ряда
других установок нефтепереработки, до требуемых санитарных норм.
Список литературы: 1. Черных Г. В., Цирюльников П. Г., Поповский В. В. и др. Каталитическая
очистка газов. Новосибирск: Ин-т катализа СО АН СССР, 1981, ч. 2, с. 54-61. 2. Ильченко Н. И.,
Пятницкий Ю. И., Голодец Г. И., Ройтер В. А. Катализ и катализаторы. – К.: Наукова думка,
1970, вып. 6, с. 31-40. 3. Каталитические свойства веществ. Справочник. Под общ. ред. чл. корр.
АН УССР Я. Б. Гороховатского – К.: Наукова думка, 1977, т.4, 296 с. 4. Каталитические
свойства веществ. Справ. Под общ. ред. акад. АН УССР В. А. Ройтера – К.: Наукова думка,
1976, 1031 с. 5. Матрос Ю. С., Носков А. С., Чумаченко В. А. Каталитическое обезвреживание
отходящих газов промышленных производств. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение,
1991. – 221 с.
УДК 66.074
Выбор катализаторов для обезвреживания многокомпонентных углеводородных
смесей/И. В. Хитрова, Ю. М. Гарбуз, Т. Б. Новожилова// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові
рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 125-130. – Бібліогр.:
5назв.
В даній роботі наведені результати експериментів щодо вибору високоефективних
каталізаторів з низьким газодинамічним опором для окислення бензапірену у присутності
оксидів азоту, оксидів вуглецю, сірководня, вуглеводнів, що містяться у газах, які відходять від
установки переробки нафтових відходів з метою отримання бітуму.
Ключові слова: окислені бітуми, бензапірен, поліциклічні ароматичні вуглеводні, газові
викиди, каталітична очистка, многокомпонентні оксидні каталізатори, двошарові каталізатори,
палладій, платина.
In the given work the results of experiments at a choice of high performance accelerators with
under gasodinamical by resistance for oxidation of benzapiren at the presence of oxides of nitrogen,
white damps, hydrogen sulphide, hydrocarbons keeping in gases, processing, emanating from
installation, of a petroleum wastage with the purpose of deriving bitumen are indicated.
Key words: oxidated asphalts, benzapiren, polycyclic aromatic hydrocarbons, gas
outliers(releases), catalytic clearing multicomponent oxide-coated accelerators, two-layer accelerators,
palladium, platinum.
УДК 662.756.7
И. Н. ДЕМИДОВ, д-р.техн. наук, НТУ «ХПИ»;
МУНИРШАВКАТ САДИК, аспирант, НТУ «ХПИ»;
К. В. ГРАНКИНА, студентка, НТУ «ХПИ»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ СОАПСТОКА ДЛЯ
ПОЛУЧЕНИЯ БУТИЛОВЫХ ЭФИРОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
В статье показана возможность получения бутиловых эфиров жирных кислот растительных
масел, полученных из отходов масложирового производства – соапстоков. Использование
гетерогенного катализатора и достаточно простого оборудования позволит получить
©
И. Н. ДЕМИДОВ, МУНИРШАВКАТ САДИК, К. В. ГРАНКИНА, 2013
130
дистиллированные бутиловые эфиры жирных кислот – компонент биодизельного горючего.
Ключевые слова: соапсток, бутиловые эфиры, гетерогенный катализатор, кислотное
число
Введение. Постановка проблемы в общем виде и её связь с важными
научными и практическими заданиями.Получение биодизельного горючего из
жиросодержащего сырья, неудачно называемого «биодизелем», позволяет уменьшить
расход ископаемого углеводородного сырья (прежде всего нефти) на производство
дизельного горючего. Биодизельное горючее в виде сложных эфиров жирных кислот
и низкомолекулярных спиртов добавляют в углеводородное горючее, как правило, в
количестве от 2% до 25%. Это позволяет использовать такое смесевое горючее без
переустройства двигателей. Добавление биодизельной компоненты в количестве 5%
позволяет существенно снизить токсичность выхлопа двигателя, что может служить
самостоятельной целью использования такого композиционного горючего. Однако,
производство биодизельногогорючего из растительных масел (на сегодняшний день,
наиболее разработанный вариант производства биодизельного горючего)
нерентабельно и существует только за счёт дотаций и налоговых преференций. Это
производство становится рентабельным в случае использования в качестве жирового
сырья побочных продуктов и отходов различных отраслей промышленности. Одним
из таких промышленных жиросодержащих отходов является соапсток – побочный
продукт рафинации масел и жиров.
Анализ последних исследований и публикаций. Как ранее отмечалось [1]
производство биодизельного горючего из соапстока может осуществляться по
нескольким схемам. Количество соапстоков, вырабатываемых в Украине достаточно
большое [2] для организации полномасштабного производства горючего из него. При
этом наиболее полное и эффективное использование жировой компоненты
соапстоков может быть достигнуто в случае предварительного преобразование её в
жирные кислоты [3]. В большинстве публикаций, посвящённых процессу получения
биодизельного горючего в качестве низкомолекулярного спирта рассматривается
метанол [4, 5]. В то же время наиболее перспективным спиртом для двигателей с
искровым зажиганием(называемым горючим нового поколения) в последнее время
считается биобутанол [6]. Бутанол весьма перспективен и для получения горючего
для дизельных двигателей.
Однако исследований, посвященных получению
бутиловых эфиров жирных кислот (БЭЖК) из соапстока,в доступной литературе нам
встретить не удалось и, таким образом, многие аспекты этого процесса в
технологическом аспекте остаются не изученными.
Формулировка целей статьи. Основная цель проведенных исследований –
изучение возможности получения бутиловых эфиров жирных кислот – компонента
биодизельного горючего из соапстока, а также получение количественных данных о
выходе целевого продукта в различных условиях проведения технологического
процесса.
Выделение нерешённых ранее частей общей проблемы, которым
посвящается данная статья.Поскольку соапсток, может подготавливаться к
получению жирнокислых эфиров низкомолекулярных спиртов - ЖЭНС (в нашем
случае бутилового спирта) по нескольким схемам, представлялось целесообразным
сравнить технологические особенности и эффективность этих схем. Так в качестве
жирового сырьевого компонента можно использовать жирные кислоты, полученные
после разложения соапстока минеральной кислотой (вариант 1). Можно
131
доомылитьсоапсток и превратить полученное мыло в жирные кислоты путем
разложения минеральной кислотой (вариант2). Можно из доомыленногосоапстока
высолить мыло (ядровое мыло), отделить его от подмыльного щелока и опять
разложить минеральной кислотой (вариант 3). Жирные кислоты, полученные по трем
вариантам имеют существенно разные показатели. Сравнение этих кислот как сырья
для получения ЖЭНС с использованием в качестве низкомолекулярного спирта
бутанола до сих пор не проводилось.
Изложение основного материала исследований. Для исследований
использовали соапсток – побочный продукт рафинации подсолнечного масла, взятый
на предприятии по переработке соапстока, со следующими показателями:
содержание воды ≈ 56% ; эфирное число жировой фазы– 78,0мгКОН/г; содержание
неомыляемых веществ составляло 15,6%. Этот соапсток, по аналогии с
производственным процессом, обрабатывали концентрированным раствором серной
кислоты, создавая кислую реакцию реакционной (по индикатору) в реакторе с
интенсивно работающей мешалкой в течение 30 – 40 минут. После этого содержимое
реактора отстаивали в течение 4 -6 часов. Выделившийся сверху органический слой
отделяли от водной фазы, промывали водою до отсутствия кислой реакции
промывных вод. Этот образец (образец №1) использовали в качестве жирового сырья
для получения бутиловых эфиров жирых кислот.
Второй образец получали следующим образом. Соапсток в реакторе с мешалкой
доомыляли водным раствором гидроксида натрия с концентрацией 40% в течение
двух часов при температуре кипения реакционной массы (~ 105 0С - 1040С). После
омыления получили мыльную массу, которую, выделение жирных кислот из которой
аналогично тому, как это делали с исходным соапстоком. Этот образец (образец №2)
служил жировым компонентом сырьядля получения БЭЖК.
Третий образец жирового сырья получали аналогочнотому как получали второй
образец до стадии образования омыленной массы. Омыленную массу обрабатывали
кристаллической поваренной солью (NaCl) до создания 18%-20% раствора этой соли
в пересчёте на водную фазу омыленной массы. Обработку проводили при
температуре кипения реакционной массы в течение 30 минут и интенсивном
перемешивании. После этогореакционную массу отстаивали в течение восьми часов.
Выделившееся ядровое мыло отделяли от подмыльного щелока и разлагали серной
кислотой, аналогично тому, как это делали для образцов 1 и 2. Полученные жирные
кислоты (образец №3) использовали в дальнейшем для получения БЭЖК. Показатели
этих образцов жирового сырья представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Некоторые показатели качества полученных образцов жирных
кислот
Показатели
КЧ, мгКОН/г
ЭфЧ, мгКОН/г
Содержание кислот в пересчёте на
линолевую, %
Образцы жирных кислот, полученных из соапстока
№1
№2
№3
90,5
161,2
177,4
72,3
7,9
7,6
45,5
81,0
89,1
Получение БЭЖК осуществляли в обогреваемом стеклянном лабораторном
реакторе, оборудованном насадкой Дина-Старка. Избыток бутанола составлял 50% по
отношению к теоретически необходимому. Выделявшаяся в ходе реакции вода (а
также вода, привнесённая сырьём) непрерывно отгонялась в виде азеотропной смеси
132
с бутанолом, отстаивалась в насадке, а бутанол возвращался в реактор. В качестве
катализатора использовали полученный нами кислый фосфат алюминия - Al2(НPO4)3.
Количество катализатора составляло 5% по отношению к реакционной массе.
Температура реакции – температура кипения реакционной массы, которая составляла
125ОС - 138ОС в зависимости от времени протекания реакции. Кинетика
расходования жирных кислот, т.е. получения их бутиловых эфиров, отслеживалась по
величине кислотного числа реакционной смеси. При этом отобранную пробу делили
на две части. В одной из них определяли КЧ стандартным методом, а во второй
определяли количество нелетучих веществ отгонкой бутанола в вакууме. Затем
кислотное число пересчитывали на содержание нелетучих веществ (на жировую
массу). Данные о расходовании жирных кислот для трёх образцов жирных кислот
представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2 наибольшей глубины за 14 часов реакция превращения
жирных кислот в бутиловые эфиры достигает с образцом №3.
Затем все образцы полученных БЭЖК очищались отгонкой в вакууме
(остаточное давление 25 – 30 мм рт.ст.), температура 185оС – 227оС.
Выход дистиллированныхБЭЖК составил для образца №1 -79,1%, для образца
№2 – 85,4%, для образца №3 -86,2. Однако, жирные кислоты образца №3 были
получены с высаливанием мыльного ядра и потери жирных кислот на этой стадии
составили 12%. Поэтому общий выход БЭЖК образца №3 не превышает 76 %.
Учитывая то обстоятельство, что после получения БЭЖК, в ходе реакции
этерификации, их дистилляционная очистка необходима во всех трёх случаях, то
операция высаливания мыла, вероятнее всего нецелесообразна.
Таблица 2 – Кинетика расходования жирных кислот в реакции образования их
бутиловых эфиров для трёх образцов жирового сырья
Время
Реакции,
час.
0
4
6
8
10
12
14
16
17
18
Образец №1
КЧ,
Глубина
мгКОН/г
реакции, %
90,5
24,7
72,6
17,0
83,0
15,4
84,6
14,8
85,2
14,7
85,3
14,7
85,3
-
Образец №2
КЧ,
Глубина
мгКОН/г
реакции, %
161,2
53,9
66,6
44,7
72,3
38,8
75,9
33,9
79,0
27,3
83,1
23,8
85,2
18,1
88,8
17,9
88,9
17,8
89,0
Образец №3
КЧ,
Глубина
мгКОН/г реакции, %
177,4
54,7
69,2
44,9
74,7
34,0
80,8
28,2
84,1
21,8
87,7
17,6
90,1
16,6
90,6
16,5
90,7
16,5
90,7
Оценим экономическую эффективность процесса получения бутиловых эфиров
жирных кислот по второму варианту переработки соапстока. В качестве исходных цен на
сырьевые материалы примем: соапсток (в пересчёте на жировую фазу) – 3,6 грн/кг;
бутанол технический – 6,8грн/кг. Выход бутиловых эфиров в пересчёте на жировую фазу
соапстока ~ 85%; расход бутилового спирта на получение 1 кг БЭЖК составил ~ 25% (с
учётом потерь бутанола).Тогда для получения 1 кг БЭЖК потребуется: 1,18 кг соапстока
и 0,25 кг бутанола. Стоимость сырьевых компонентов с учетом стоимости щелочи и
кислоты составит 1,18× 3,6грн + 0,25× 6,8грн + 0,75грн ≈ 6,7 грн. Расходы на оплату
труда, воду и энергию составят ~ 25% от стоимости сырья, тогда себестоимость 1 кг
БЭЖК дистиллированных составит 6,7 + 6,7 0,25 ≈8,4грн. Однако цены на бутанол по
133
мере роста объёмов его производства несколько снизятся и себестоимость такого
высококачественного продукта также несколько снизится.
Выводы.
На основании проведенных исследований можно сформулировать следующие
выводы:
1)
Различными методами обработки соапстоков получены 3 различных
продукта с кислотными числами 90,5 161,2 177,4 мг КОН/г;
2)
Путем обработки полученных продуктов бутиловым спиртом в присутствии
кислотного катализатора получены бутиловые эфиры жирных кислот с выходами 85 %,
89 % и 90,7 %, соответственно;
3)
Оценена экономическая эффективность производства бутиловых эфиров
жирных кислот и показано что ориентировочная цена дистиллированных БЭЖК
составляет ≈8,4грн/кг.
Список литературы: 1. Демидов И. Н. О перспективах получения биодизельного горючего в
Украине /И. Н. Демидов, МунирШавкат Садик //Вестник национального технического
университета «ХПИ» - 2012.- №39. – С 108 – 116.2.Олійно-жирова галузь України і Російської
Федерації. Показники роботи за 2010/2011 МР ./ Харьков, УкрНДІОЖ НААН, 2011, № 4.3.
МунирШавкат Садик Получение жирнокислых эфиров низкомолекулярных спиртов с
использованием соапстока МунирШавкат Садик И. Н. Демидо//.Восточно-Европейский журнал
передовых технологий2012, № 6/6 (60).,стр.53-574. Mikkonen, S. Преимущества возобновляемого
дизельного топлива второго поколения / S. Mikkonen // Нефтегазовые технологии. - 2008 - № 6. С. 76-80. 5.Hodge, C. Перспективы для возобновляемого дизельного топлива / С. Hodge //
Нефтегазовыетехнологии. - 2008. - № 7. - С. 90-93.6. Статья про биобутанол. Возможно это:
.Давий В. П. редакционная статья/Давий В. П. Альтернативное топливо.-2008 - №3 (7). - С. 3-8
УДК 662.756.7
Использование жирных кислот соапстока для получения бутиловых эфиров жирных
кислот/ Демидов И. Н., МунирШавкат Садик, Гранкина К. В.// // Вісник НТУ «ХПІ». Серія:
Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 130-134. –
Бібліогр.: 6 назв.
В статті показана можливістьодержаннябутиловихефірівжирних кислот олій. Одержаних з
відходіволієжировоговиробництва – соапстоків. Використання гетерогенного каталізатору і
достатньо простого обладнання дозволить одержатибутиловіефірижирних кислот – компонент
біодизельногпального.Іл.:0. Бібіліогр.:6назв
Ключові слова:соапсток, бутилові ефіри, гетерогенний каталізатор, кислотне число
This paper shows the possibility to obtaining fatty acid butyl ester from industrial waste of oils
and fats –soapstock. Use of heterogeneous catalyst with relatively simple pieces of equipment allows to
obtain purified of fatty acid butyl ester – components of biodiesel.Im.:0Bibliogr.:6.
Keywords:soapstock, butyl ester, heterogeneous catalyst, acid value
УДК 629.07
И. В. ГРИЦАЕНКО, аспірант, НТУ «ХПИ»;
И. А. ФЕДОРЕНКО, д-р экон. наук. проф., НТУ «ХПИ»
AЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВ НА OCHOBЕ
РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
В работе сделан короткий маркетинговый обзор развития рынка альтернативного топлива в
связи с развитием энергетических кризисов, которые сопровождают страны на протяжении
©
134
И. В. ГРИЦАЕНКО, И. А. ФЕДОРЕНКО, 2013
второй половины ХХ и в начале ХХ1 столетия.
Ключевые слова: биотопливо, рапсовое масло
Вступ. Анализ литературы. Анализ производства и использования
альтернативных видов топлив на мировом ринке показывает, что для Украины
наиболее перспективным является биотопливо на основе рапсового масла. Украина
в ближайшее время может увеличить производство рапса в несколько раз.
Актуальность темы исследования. Увеличение цен на нефть и беспрерывные
изменения цен на бензоколонках заставляют в который раз задуматься над
альтернативой нефти как источника топлива. Топливные кризисы и ухудшение
состояния окружающей среды привлекают внимание к новым технологиям
производства топлива для двигателей внутреннего сгорания и восстанавливающихся
источников энергии. Примером альтернативного топлива является масло из рапса.
[1].
Изложение основного материала. Проведенные в нас и за рубежом испытания
серийных дизельных двигателей показали, что при работе на РМЭ отмечается
меньшая дымность выхлопа, "биодизель. не содержит канцерогенных веществ и
серы, которых очень много в нефтепродуктах. Проведенные в Германии испытания
влияния выхлопных газов на жизнедеятельность клеток показали преимущество
РМЭ по сравнению с топливом из нефти. При производстве "биодизеля" очень
важна фаза поглощения pапсом углекислого газа путём фотосинтеза. Из
выхлопной трубы его выбрасывается столько же, сколько было поглощено pапсом на
поле из воздуха. В западных странах с целью охранs окружающей среды масло из
pапса широко применяется при производстве смазочных материалов, особенно для
гидравлических систем. Учитывая физико-химические свойства pапсового масла, оно
часто используются при производстве присадок для масел [2]. Kроме того, рапс
относится к тем растениям, которые могут быть использованы для рекультивации
загрязнённых радионуклидами земель. Накапливаясь в стеблях, радионуклиды и
тяжёлые металлы практически не попадают в семена, поэтому pапс из загрязнённой
зоны можно использовать для производства олифы и РМЭ, а стебли вместе с
радиоактивными веществами должны быть утилизированы. В Бельгии и Нидерландах
около 80% общественного транспорта работает на биологическом топливе, в Австрии
и продукты питания не считаются экологически чистыми, если поля, на которых они
выращивались, были обработаны машинами не на биотопливе. В США считается, что
при превышении 50% зависимости экономики от импортируемой нефти и
нефтепродуктов возникла проблема экономической безопасности страны. В
Европейских странах с 1990 года намечается значительный рост мощностей для
промышленного производства топлива с растительного сырья. Площадь посева рапса
в Европе составляет 3,3-3,5 млн. гeктаров. Главная цель государственной программы
Чехословакии "Маслопрограмм" - довести производство биодизеля bз рапсового
масла до 100-120 т на год. Ситуация на ринке масла из рапса и его продуктов очень
переменчивая даже, что касается цен по месяцам (табл.1) [3].
В 1998 году производство семян рапса в мире превышало уровень 2001г.
примерно на 20%. В период с 2008 по 2010 производство рапса более существенно
выросло в Kaнaде (около 80 %), США (на 60 %), странах Европы (более чем на 40 %,
в том числе во Франции на 64 %, Великобритании - на 20 %). Возрастание
производства рапса отмечалось также в Китае и Индии (1994-1997 гг.). Анализ
средней цены на рапсовое масло указывает на ее снижение в последнее время.
135
Например, в 1997г. цена импортированного масла из Бельгии составляла 300 и 340 $,
из Германии – 400 и 472 $ за 1 тонну (табл. 2).
Таблица 1 – Форвардные цены на семена рапса, рапсовое масло и шрот
Товар/Происхождение/Условия поставок
Семена рапса, Франция, FAS Руан (06.11.01 г.)
Семена рапса, CIF порты Великобритании (06.11.01г.)
Масло рапса сырое, Голландия/ЕС, mill порты СевероЗападной Европы
Масло рапсовое, рафинированное,
Итальянская FOB порты Италии
Шрот рапсовый, 34-35%
Германия, FOB Нижний Рейн
Шрот рапсовый, 34-35%,
Германия, FOB Гамбург
Шрот рапсовый, 37%
Великобритания, ex dock Erith
Источник: REUTERS, Oil World (01.11/11), Keifer
Ноябрь
226,16
212,88
454,70
Декабрь
226,16
212,88
454,70
528,70
-
138,10
135,80
141,60
141,60
141,40
144,30
Украина это одна из стран мира где, традиционно выращиваются масляные
культуры. Рядом с зерновыми и сахарной свеклой семена масляных являются
стратегической опорой земледелия, что имеет значительный экспортный потенциал.
Таблица 2 - Средние цены на рапсовое масло за 1 т, $
Страны
Канада
Германия
Франция
Россия
2011г
593
652
555
316
2012г
369
612
562
587
612
886
На мировом рынке отмечают повышение конкурентноспособности pапсовых
семян и масла из него. По-видимому, одним из факторов повышения урожайности и
валового сбора масляных культур в Украине является диверсификация
использования площадей под масляные культуры: уменьшение площадей с
подсолнечником и увеличения с рапсом [3]. Pапсовое масло относится к культурам,
которые больше всего используются для производства альтернативного топлива, как
сказано выше. Даже в развитых странах Запада производство масла из рапса
увеличивается. Котировки, например, канадского рапса уже в январе 2008 р.
поднялись приблизительно на 2,3-2,8 USD/т, в то же время на Французской бирже
котировки февраля выросла почти на 12 USD/т.
Производство рапсового масла в ЕС еще не может удовлетворить повышенные
внутренние потребности, которые увеличиваются за счет биотопливной
промышленности. Нужно отметить, что увеличение цен на pапсовое масло может
отрицательно отразится на его производстве за счет падения спроса на него. В 2010
году соответственно с информацией Минагрополитики во вcех рeгионах Украины
площади под зерновые и зернобобовые уменьшались и только к 2011 имели
тенденцию к увеличению. На протяжении 4 лет в Mинaгpoпpoме планируется
увеличить на 10% пашни под озимый рапс и уменьшить под яровой (Винницкая обл.
- 53тыс га; Херсонская - 21тыс. га, Киpoвогpaдcкaя - 9тыс. га; Днепропетровская 6тыс. га. В целом по Украине - 300тыс. га.) и увеличить его урожайность, как в
странах запада (табл.3).
136
Таблица 3 - Международная статистика развития производства рапса
Страны мира
Канада
США
Германия
Россия
Украина
Польша
Китай
Франция
2005г.
5420
430
1017
155
68
470
6530
1250
2006г.
5570
430
1211
165
228
547
6915
1391
2007г.
3408
1632
3364
767
1070
2359
2272
3280
2008г.
3581
1473
3518
792
680
2086
1305
3375
2009г.
6643
709
3388
115
167
1099
7300
3850
2010г.
8898
631
4212
125
250
1132
8700
4380
В связи с развитием энергетических кризисов, которые сопровождают страны на
протяжении второй половины ХХ и в начале ХХ1 столетия заостряются проблемы
экономического развития. Исходя из этого, во многих странах Запада на
государственном уровне принимаются разные программы по разработке и внедрению
мер по экономии энергии и переходе на альтернативное топливо, как необходимое
условие противодействия потенциальной угрозе увеличения цен на энергоносители,
особенно на нефть и газ [11].
Исходя из кратко приведенных данных следует указать на актуальность
проведения исследований и обоснования в области получения и применения
альтернативных видов топлива, в частности из растительного сырья.
Список литературы: 1. Reiпhardt G. F. et аl. Gutachten. Ressouгcen- und Emissionsbilanzen:
Rapsol und Vergleich zu Dieselkraftstoff. IFEU- Institut Heidelberg, April 1997. 2. Scharтer К..
Energy balans, ecological impact and ecjnjmics of vegetabI oil methylester production in Europeas
substitute for fossil diesel. EU-Studie ALTENER 4.1030/Е/94-002-1, Desember. З. Бурлака Г. Г.
Виробництво альтернативних видiв палива i мастильних матерiалiв з використанням олiй в
України: стан i перспективи // Нефть и газ. - 2001. - № 8. - С. 94 - 103. 4. Стребков Д. С.
возобновляемая энергетика для развивающихся стран и для России / Д.С. Стребков // Энегрия:
Экономика, техника, экология. 2002. -№ 9 - М.: Изд-во РАН. - С.11-14. 5. Грицаенко И. В.,
Полтавський Г. Я., Кричковская Л. .В. Перспективи впровадження в Україні альтернативних
видів палива на рослинній олії // Сб. Статей Х1
междунар. Науч.- практ. Конф.
«Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье». – Харьков.
– 2003. – 6 с. 6. Грицаенко И. В.., Полтавський Г.Я. Маркетингові дослідження проблеми
необхідності виробництва альтернативних видів палива в Україні //Тези конф. молодих вчених
та аспірантів „Науково-технічний розвиток”. – Київ, 15 мая 2003. – С.98-99. 7. Грицаенко И
.В.,Полтавський Г. Я., Чернишов С. І., Сиромолот Е. М. Необхідність розвитку екологічно
чистого палива з рослинної сировини // Сб. Научных статей Х1 международной научнотехнической конференции „Экология здоровье человека. Охрана водного и воздушного
бассейнов” 9-13 июня 2003. – Щелкино, Харьков. – 2003. – С.221-224. 8. Грицаенко И. В..,
Полтавський Г. .Я., Кричковская Л. В. Перспективи впровадження видів палива на рослинній
олії // Анотації до доповіді на Х1 міжнар. Наук. – практ. Конф. «Інформаційні технології. САD 2003. – Харьков. 9. Грицаенко И. В., Полтавський Г. Я., Кричковская Л. В. Альтернативні види
палива на основі рослинних олій в Україні //Науково-практичний журнал „Наукові записки
Харківського інституту екології і соціального захисту Т.4-2005 р.. С. 38-41. 10. Кричковская Л.
В., Грицаенко И. В., Полтавський Г. Я. Еколого-економічні перспективи впровадження в
Україні альтернативних видів палива на основі рослинних олій. Науково-практичний журнал
„Наукові записки Харківського інституту екології і соціального захисту Т.4-2005 р.. С. 35-42. 11.
Стребков Д. С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячелетии //Энергетическая политика.
2001. - № 2. - С. 23-27.
137
УДК 629.07
Aльтернативные виды топлива на основе растительных масел/ Грицаенко И.В.,
Федоренко И.А.// // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ
«ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 134-138. – Бібліогр.:11 назв.
В роботі проведено короткий маркетинговий огляд розвитку ринку альтернативного
палива у зв’язку з розвитком унергетичних криз, котрі супроводжують страни на протязі другої
половини ХХ та на початку ХХ1 століття. ».- 2013.
Ключові слова: біопаливо, рапсова олія
Here we present a brief marketing overview of the development of the alternative fuels market.
This review is made by us in connection with the energy crises that accompany countries in the second
half of the twentieth and early twenty-first century.
Keywords: biofuel, canola oil
УДК 665.112.1
А. П. БЄЛІНСЬКА, канд. техн. наук, НТУ «ХПІ»;
Л. В. КРИЧКОВСЬКА, проф., НТУ «ХПІ»;
С. В. ЖИРНОВА, НТУ «ХПІ»;
С. О. ПЕТРОВ, НТУ «ХПІ»
СТАБІЛІЗАЦІЯ ПОЛІНЕНАСИЧЕНИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ І КАРОТИНУ
В ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПРОДУКТАХ ХАРЧУВАННЯ
В статті подано інформацію щодо розробки складу вітамінізованої рослинної олії, стабільної до
окислювального псування за рахунок природних складових, що забезпечує необхідну
фізіологічну потребу населення у β-каротині та незамінних поліненасичених жирних кислотах
ω-6 и ω-3.
Ключові слова: поліненасичені жирні кислоти, β-каротин, купажовані олії,
антиоксиданти.
Вступ. Постановка проблеми. На сьогоднішній день загальновизнано
виняткову важливість ω-3 поліненасичених жирних кислот (ПНЖК) для підтримки
фізичного та психічного здоров'я, а також попередження ряду захворювань, а таким
чином, і необхідність їхнього достатнього надходження в організм людини.
Дослідження функцій незамінних жирних кислот продовжуються, але вже точно
встановлено, що при недостатньому отриманні ПНЖК типу ω-3 з харчуванням
організм людини починає використовувати для побудови клітинних мембран ліпіди,
до складу яких входять насичені або мононенасичені жирні кислоти, при цьому
мембрани стають менш пружними, що негативно впливає зокрема на стан серцевосудинної системи [1]. Експериментально-клінічні дослідження продемонстрували, що
рослинні олії, які містять ліноленову кислоту у значних кількостях, володіють
антиатеросклерозною, антиаритмічною, протизапальною та антиалергенною
властивостями і можуть бути використані для профілактики серцево-судинних
хвороб, включаючи атеросклероз, стенокардію, аритмію, тромбоз та інші, а також у
терапії гострого та хронічного запалення [2]. Дані факти послужили основою для
рекомендацій щодо використання жирів, які містять кислоти ω-3-групи, з
лікувальною метою. Встановлення обов'язковості надходження ПНЖК висуває
©
А. П. БЄЛІНСЬКА, Л. В. КРИЧКОВСЬКА, С. В. ЖИРНОВА, С. О. ПЕТРОВ, 2013
138
завдання визначення їх нормованої кількості споживання.
Аналіз структури споживання рослинних олій в сучасній Україні у порівнянні з
початком XX ст. свідчить про її значну зміну: основною рослинною олією, що
споживається українцями, є соняшникова, яка, як відомо, не має оптимального складу
ПНЖК. Олії із заданим складом ПНЖК можна отримати шляхом селекції або
генетичної модифікації олійних культур, а також у результаті змішування
(купажування) олій різного складу [3].
Останніми роками значно розширився асортимент олій, зокрема, за рахунок
рослинних (купажованих) сумішевих олій. У складі подібних купажів
використовують як традиційні (соєву, соняшникову, кукурудзяну, оливкову)
рослинні олії, так і нетрадиційні (наприклад, льняну) [3]. Ринок купажованих олій
стимулюється попитом споживача на продукти здорового харчування, що створює
безперечну маркетингову і комерційну перспективу для виробників. Проте на
практиці змішування різних видів олій часто викликано економічними міркуваннями
(розбавлення оливкової, соняшникової більш дешевшими оліями), а не необхідністю
поліпшення їх споживчих властивостей, зокрема складу ПНЖК. Збільшення частки
купажованих олій можна також пояснити і прагненням виробників олій розширити
асортимент продукції [4]. Розробка купажів рослинних олій, цілеспрямовано
збалансованих за жирнокислотним складом, збагачених біологічно активними
речовинами та вітамінами, дозволяє створювати жирові продукти з високою
біологічною цінністю, стабільні до окислювального псування при зберіганні і
термічній обробці.
В результаті проведених досліджень встановлено, що на сьогоднішній день на
олійно-жировому ринку неухильно росте частка купажованих олій. При цьому
нормативна база в області їх технології та оцінці якості поки що недосконала,
оскільки не вирішує питання їх жирнокислотного складу [4, 5].
Мета дослідження. Аналіз наявної науково-технічної інформації показав, що
актуальним завданням є одержання вітамінізованих рослинних олій зі збалансованим
складом ПНЖК стабільних до окислювального псування. Із цією метою розроблено
вітамінізовану купажовану олію не тільки зі збалансованим жирнокислотним
складом, гарними смаковими якостями, але й стабільної до окислювального псування
за рахунок природних складових, а також привабливу за вартістю, яка має високі
антиоксидантні властивості відповідно до наказів МОЗ [6], та забезпечує необхідну
фізіологічну потребу населення у β-каротині та незамінних поліненасичених жирних
кислотах. Збалансувати склад ПНЖК в купажованій олії на основі рослинних олій
можна шляхом змішування (купажування) олій з урахуванням їхнього складу. На
підставі аналітичного огляду обрано рослинні олії, що повинні виконувати в
купажованій олії наступні функції: збагачення ПНЖК за формулою, що визначена
нормою збалансованого харчування та підвищення стабільності до окислення за
рахунок природних антиоксидантів.
Результати досліджень. Склад ненасичених жирних кислот обраних олій
представлено на таблиці 1.
Рафінована дезодорована соєва олія, яка є базовим компонентом купажованої
олії, має в своєму складі значну кількість ліноленової кислоти (ПНЖК ω-3 групи), що
дозволяє отримати збалансований за складом ПНЖК ω-3 та ω-6 груп продукт при
змішуванні з традиційними для харчування українців рослинними оліями (наприклад,
соняшниковою).
139
Таблиця 1 - Склад ненасичених жирних кислот рослинних олій, які входять до
складу купажованої олії
Ненасичені жирні кислоти
олеїнова (С18:1)
лінолева (С18:2) - ω-6-група
ліноленова (С18:3) - ω-3-група
ω6/ω3
Вміст, мас. %
соєва
кунжутна
соняшникова
1,045
49,576
7,136
6,95/1
44,086
39,926
0,320
122,89/1
22,528
65,738
-
Нерафінована кунжутна олія, що входить до складу купажованої олії у якості
другого компоненту, містить у своєму складі унікальні природні антиоксиданти –
сезамол та сезамін, які запобігають окисленню даної олії, а при вживанні у їжу - на
молекулярному рівні захищають організм від дії вільних радикалів. За даними
досліджень сезамол має геропротекторні та протипухлинні властивості, а також
підвищує біологічну активність вітаміну Е в організмі. У якості третього компоненту
використано рафіновану дезодоровану соняшникову олію з метою зниження вартості
купажованої олії, а також додаткового збагачення α-токоферолом. Вміст біологічно
активних речовин в обраних оліях представлено в табл. 2.
Таблиця 2 - Біологічно активні речовини обраних рослинних олій
Найменування біологічно активної
речовини
Токофероли, мг%, у тому числі:
α-, % до суми
β-, % до суми
γ-, % до суми
δ-, % до суми
Сезамол, %:
у вільному стані
у зв'язаному стані
Сезамін, %
кунжутна
841,5
51,41,0
43,01,0
5,60,5
0,01030,0005
0,170,01
0,140,01
Рослинні олії
соєва
1471,5
9,80,5
соняшникова
971,5
94,21,0
66,31,0
5,80,5
23,91,0
-
-
-
Для точного розрахунку складу купажованої олії масові долі рослинних олій
розраховуються з необхідності отримання заданого співвідношення ПНЖК (ω-6:ω-3
= (9-10):1). Результати розрахунку співвідношення компонентів купажованої олії для
конкретних зразків олій дали наступне рішення: соєва олія - 70%; кунжутна - 15%;
соняшникова - 15%. Вміст ненасичених жирних кислот в даному купажі склав:
олеїнова кислота – 10,72%; лінолева – 50,55%; ліноленова – 5,04%, тобто сумарний
вміст ненасичених жирних кислот у купажованій олії – 66,31%, з них ПНЖК –
55,59% при співвідношенні ω-6:ω-3 = 10:1.
Вітамінізація розробленої купажованої олії відбувалася шляхом додавання 0,01%
β-каротину мікробіологічного походження у формі 0,2%-вого олійного розчину βкаротину.
Досліджено стійкість до окиснювального псування розробленої купажованої олії
за допомогою методу «активного кисню» за температури 85±20С. Ступінь окислення
контролювали за величиною пероксидного (ПЧ) числа. В експерименті
досліджувалися розроблена купажована олія та контроль (0,01%-вий розчин βкаротину у рафінованій дезодорованій соняшниковій олії).
140
Експериментальні дані показують, що період індукції розробленої купажованої
олії при 85±2°С становлять 200 хвилин, що у 2,1 рази вище у порівнянні з періодом
індукції розчину β-каротину в рафінованій соняшниковій олії подібної концентрації,
який становить 95 хвилин.
Купажована олія забарвлена у характерні тони помаранчевого кольору, прозора,
не має осаду. Використання рафінованого олійного екстракту міцеліального грибу
Blakeslea trispora як джерела β-каротину гарантує натуральне походження
провітаміну, що має велике значення для дієтичного, лікувально-профілактичного та
дитячого харчування. У купажованій олії, навіть при її довготривалому збереженні,
випадання осаду не спостерігається.
Результати фізико-хімічних та дегустаційних випробувань розробленої
купажованої олії у процесі збереження показали прийнятні результати та дозволили
рекомендувати використання даної купажованої олії як у чистому вигляді, так і для
виробництва продуктів довготермінового зберігання.
Висновки. Присутність антиоксидантів сезамолу та сезаміну кунжутної олії
захищає β-каротин та -3 поліненасичені жирні кислоти в розробленому купажі від
окиснювального псування. Дана купажована олія являє собою харчовий олійний
продукт підвищеної біологічної цінності – має збалансований склад поліненасичених
жирних кислот, стабільна до окиснювального псування та збагачена біологічно
активними речовинами – β-каротином і антиоксидантами сезамолом та сезаміном.
Список літератури: 1. Рыженков В. Е. Особенности влияния насыщенных и ненасыщенных
жирных кислот на обмен липидов, липопротеидов и развитие ишемической болезни сердца / В.
Е. Рыженков // Вопросы питания. -2002.- №3.- С. 40-45. 2. Knapp H. R. Physiological and
biochemical effects of n-3 fatty asids in man / H.R. Knapp / Essential Fatty Acids and Eicosanoids //
Eds A. Sinclair, R. Gibson. Champaign: AOCS Publications - 2003. - P. 330-333. 3. Идеальная
формула жирового питания / А. П. Левицкий – Одесса - 2002. - 62с. 4. Скорюкин А. П.
Купажированные растительные масла со сбалансированным жирнокислотным составом для здорового
питания / А. П. Скорюкин, А. П. Нечаев, А. А. Кочеткова [и др.] // Масложировая промышленность. - 2002.
- № 2. - С. 26-27. 5. Нечаев А. П. Растительные масла функционального назначения / А. П.Нечаев,
А. А. Кочеткова // Масложировая промышленность. - 2005. - №3. - С. 20-21. 6. Наказ
Міністерства охорони здоров'я України № 272 від 18.11.99 "Про затвердження Норм
фізіологічних потреб населення України в основних харчових речовинах та енергії".
УДК 665.112.1
Стабілізація поліненасичених жирних кислот і каротину в функціональних продуктах
харчування / А.П. Бєлінська, Л.В. Кричковська, С.В. Жирнова, С.О. Петров // // Вісник
С. 138-141. – Бібліогр.:8 назв.
В статье подано информацию о разработке состава витаминизированного растительного
масла, стабильного относительно окислительной порчи за счет природных составляющих, что
обеспечивает необходимую физиологическую потребность населения в β-каротине и
незаменимых полиненасыщенных жирных кислотах ω-6 и ω-3.
Ключевые слова: полиненасыщенные жирные кислоты, β-каротин, купажированные
масла, антиоксиданты.
In the article is information given about development of composition of the vitaminized vegetable
oil, stable in relation to oxidizing spoilage due to natural constituents, that provides the necessary
physiological requirement of population in β-carotene and irreplaceable polysaturated fatty acids ω -6
and ω -3.
Keywords: polysaturated fatty acids, β-carotene, mixed oils, antioxidants.
141
УДК 628.936
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
И ОБОРУДОВАНИЕ
В. Ф. РОЙ, д-р техн. наук, проф. ХНАМГ, Харків;
Ю. В. РОЙ, аспірант, ХНАМГ,Харків
ПРОБЛЕМИ ВИКОРИСТАННЯ БАКТЕРИЦИДНИХ
ІНДУКЦІЙНИХ ЛАМП
Досліджуються можливості використання безелектродних індукційних бактерицидних
розрядних ламп в опромінювальних установках широкого спектру застосування. Пропонується
«нерезонансний» метод ініціювання високочастотного розряду в безелектродних індукційних
лампах, який забезпечує надійне їх запалювання незалежне від імовірних відхилень робочої
частоти.
Ключові слова: безелектродна лампа, енергоекономічність високочастотний розряд,
бактерицидна дія, нерезонансний метод ініціювання, контур ударного збудження, відхилення
частоти, надійність запалення розряду.
Вступ. Вимоги до енергоекономічності споживачів електроенергії обумовлені
не тільки необхідністю економії електроенергії, але також і проблемами екології,
оскільки існуюча тенденція зростання споживання електроенергії одночасно
супроводжується збільшенням спалення копальних ресурсів і відповідно викидів в
навколишню атмосферу СО2. Це стосується також і світлотехнічної галузі, яка
споживає біля 20% електроенергії і ця частка має тенденцію до зростання. Як відомо,
освітлювальні установки окрім вирішення проблеми забезпечення різноманітних
об’єктів ЖКГ нормованими рівнями освітлення, широко використовуються також в
різних галузях народного господарства. Однією з можливостей використання
короткохвильового УФ випромінювання в діапазоні хвиль 200÷320 нм, що мають
сильну бактерицидну дію, – є створення багатоцільових універсальних
опромінювальних установок, які мають широкий діапазон застосування в
промисловості, комунальному господарстві, медицині, та інших галузях, для
обеззаражування води, повітря та інших матеріалів а також в різноманітних
технологічних процесах. Важливим напрямком широкого впровадження УФ
технологій є використання УФ випромінювання в комунальному господарстві в
опромінювальних установках для обеззаражування питної води та стічних вод з
метою екологічної та епідеміологічної безпеки населення. Основним чинником, що
заважає широкому застосуванню УФ опромінювальних установок є відносно малій
строк служби сучасних УФ джерел випромінювання, пов'язаний з наявністю в них
електродів, які в звичайних розрядних лампах внаслідок інтенсивного розпилення
емісійного покриття в процесі горіння розряду, особливо при частих комутаціях –
досить швидко деградують, чим і обмежується строк служби таких ламп в межах
8÷20 тис. годин. Це потребує частої заміни таких ламп і значних експлуатаційних
витрат [1].
Огляд проблеми. Реальною альтернативою типовим джерелам УФ
випромінювання є використання безелектродних індукційних ламп з покращеними
функціональними і експлуатаційними характеристиками. Завдяки відсутності
електродів строк служби індукційних ламп не залежить від кількості комутацій і
може досягати 100 тис. годин, що суттєво зменшує як необхідну кількість джерел
випромінювання, так і значно скорочує витрати на їх заміну в процесі експлуатації.
© В. Ф. РОЙ, Ю. В. РОЙ, 2013
142
При застосуванні електронних баластів в комплекті з індукційними лампами, які
працюють на підвищеній частоті з’являється також технічна можливість здійснювати
регулювання інтенсивності потоку випромінювання в широких межах- від 100 до
20%. Cеред трьох основних типів ВЧ розрядів, найбільш перспективним з точки зору
можливості створення енергоефективної безелектродної лампи, є індукційний розряд
трансформаторного типу, заснований на принципі електромагнітної індукції в
газовому розряді низького тиску, який утворює замкнений віток вторинної обмотки
трансформатора, пов'язаний з вітками первинної обмотки за допомогою
магнітопроводу. Це дає змогу використовувати діапазон робочих частот від 50 до 200
кГц, найбільш придатний з точок зору зменшення втрат електроенергії на
перетворення електронним пускорегулюючим апаратом (ЕПРА), підвищити його
ККД, а також полегшити вирішення проблем, пов’язаних з необхідністю боротьби з
електромагнітними радіоперешкодами, що виникають як при самому розряді, так і
при роботі ЕПРА в електричній мережі до рівня, що не перевищує норми,
регламентовані в [2], а також європейського стандарту EN55015.
В результаті проведеного дослідження впливу підвищеної частоти на
спектральні характеристики ртутно-кварцевої лампи було встановлено, що в
діапазоні 40÷60кГц живлячої напруги спостерігається чітко виражений максимум
бактерицидної віддачі випромінювання, який перевищує відповідний рівень на
промисловій частоті живлення майже вдвічі [1]. Це пов’язано, вочевидь, з
особливостями процесів в плазмі високочастотного розряду, який супроводжується
переходом плазми в режим квазістатичного стану на підвищеній частоті внаслідок
затухання деіонізаційних процесів. Ефект суттєвого підвищення бактерицидної
віддачі в ртутних кварцових лампах в ділянці частот живлячої напруги 50 кГц при
однаковий споживаній потужності джерела випромінювання дає змогу майже суттєво
підвищити ефективність опромінювальних установок бактерицидної дії.
Конструктивно індукційна лампа може бути виготовлена у вигляді кільцевої
розрядної колби діаметром 2,5÷3 см, яку охоплює феритовий індуктор, з
розташованою на ньому первинною обмоткою трансформатора, вторинну обмотку
якого утворює кільцевий розряд в лампі. В колбу поміщено амальгаму сплаву ртуті з
іншими металами, що дає змогу зменшити вміст пару ртуті майже на два порядки в
порівнянні з традиційними розрядними лампами, в яких для забезпечення
нормального режиму роботи електродів і досягнення регламентного строку служби
наявність електродів потребує на порядок більшого тиску буферного газу, ніж той,
при якому забезпечується максимальна ефективність роботи лампи. При такому
зменшенні тиску буферного газу до декількох мТорр досягається більш ефективне
перетворення електричної енергії в розряді в УФ випромінювання [3]. Крім того, це
полегшує вирішення екологічних проблем, пов’язаних з
виготовленням,
експлуатацією і утилізацією таких ламп. Важливою задачею, що в значній мірі
визначає енергоефективність комплекту індукційна лампа – ЕПРА, є забезпечення
ефективної передачі ВЧ електромагнітної енергії з індуктора до розряду і
перетворення її в УФ випромінювання. Тому ключовим моментом тут є вибір
параметрів індуктора: його розмірів, геометрії, матеріалу, робочої частоти, величини
робочого струму, які безпосередньо визначають втрати енергії в феритовому
магнітопроводі. Крім індуктора, на поверхні колби лампи для надійного запалення в
ній розряду, розташовують додатковий електрод, приєднаний до вихідних мереж
ЕПРА, елементи якого утворюють резонансний контур з великою добротністю,
налаштований на робочу частоту інвертора[4]. Завдяки резонансному підсиленню в
143
контурі імпульс підвищеної напруги здійснює запалення розряду в лампи, після чого
відбувається шунтування її розрядним проміжком резонансного контуру, коливання в
ньому загасають і лампа переходить в робочий режим роботи на основній частоті
інвертора ЕПРА. Суттєвим недоліком такої схеми є ненадійне запалення розряду в
лампі завдяки сильній залежності амплітуди запалюваного імпульсу від особистої
частоти резонансного контуру і робочої частоти інвертора при відхиленні якої (що
зазвичай відбувається під дією різноманітних зовнішніх факторів: температури,
тиску, вологості), амплітуда, імпульсу, що подається на розрядну лампу, різко
зменшується і розряд в лампі не запалюється. Це, до речі, основний недолік усіх
ЕПРА, у яких для формування високовольтного запалюючого імпульсу
використовують явище резонансу у вхідних колах ламп на робочій частоті інвертора.
Розробка схеми живлення лампи. Нами пропонується «нерезонансний» метод
ініціювання розряду в індукційної лампи, який за рахунок введення в схему
живлення лампи контуру ударного збудження (КУЗ), налаштованого на частоту, що
на порядок перевищує робочу частоту інвертора, забезпечує надійне запалення
розряду в лампі високочастотним імпульсом незалежно від можливих відхилень
робочої частоти інвертора або особистої частоти контуру ударного збудження [6]. З
цією метою
до виходу інвертора ЕПРА приєднано первинну обмотку
широкополосного трансформатора, вторинна обмотка якого є розрядним проміжком
самої лампи, а друга первинна обмотка разом з власною ємкістю утворює контур
ударного збудження в якому при подачі прямокутних імпульсів робочої напруги з
виходу інвертора ЕПРА переднім і заднім фронтами ударно збуджуються затухаючі
в часі коливання, що подаються на запалюючу обмотку
трансформатора. Забезпечення робочого струму лампи
відбувається за рахунок відповідного вибору величини
індуктивності
розсіювання
широкополосного
трансформатора,
яка
відіграє
роль
струмостабілізуючого елемента. Опір його ХL при
цьому має індуктивний характер: ХL = ω(L1 + L2K2),
тут ω – робоча частота, К – коефіцієнт трансформації,
L1, L2 – індуктивності розсіювання обмоток
трансформатора
Робота пристрою відбувається наступним чином.
При його ввімкненні змінна напруга через мережний
фільтр подається на випрямляч і через коректор Рис.1 - Осцилограма напруг:
потужності живить інвертор, який починає генерувати U1 - на виході інвертора; U2 напругу у формі меандру, що подається на первинну на резонансному контурі; U3
- напруга на лампі
обмотку широкополосного трансформатора. В контурі
ударного збудження,. утвореного індуктивністю додаткової обмотки і її
конструктивною ємкістю, виникають на протязі перехідного процесу два види
коливань: вимушені у формі меандру, і затухаючі особисті коливання контуру, що
збуджуються переднім і заднім фронтами меандру робочої напруги інвертора 4.
Після затухання на протязі напівперіоду робочої напруги ударно-збуджених
високочастотних особистих коливань, в контурі залишаються тільки вимушені
коливання робочої частоти інвертора. Тривалість затухання особистих коливань в
контурі ударного збудження визначається його добротністю і тривалістю перехідних
процесів в вихідних ланцюгах схеми. Сказане підтверджується наведеними
осцилограмами на рис.1.
144
Як показано в [6], завдяки високої іонізуючої спроможності високочастотної
напруги діапазону частот 350÷400 кГц, що на порядок більша за робочу частоту
інвертора ЕПРА (зазвичай 40÷50кГц), забезпечується надійне запалення індукційного
розряду в лампі, яке не залежить від відхилень робочої частоти інвертора відносно
власної частоти контуру ударного збудження. На рис.2 наведена функціональна
схема запропонованого ЕПРА для забезпечення роботи безелектродної УФ
індукційної лампи. Схема ЕПРА містить послідовно з’єднані мережний фільтр 1,
випрямляч 2, коректор потужності 3, інвертор 4, вихід якого з’єднано з первинною
обмоткою
широкополосного
трансформатора 5, одна вторинна
обмотка
якого
є
розрядним
проміжком самої лампи, а друга
вторинна обмотка разом з особистою
Рис. 2 - Функціональна схема ініціювання і
ємкістю утворює контур ударного
живлення безелектродної індукційної лампи
збудження (КУЗ) і є запалюючою.
Після запалювання розряду відбувається шунтування розрядним проміжком
лампи контуру ударного збудження, його добротність різко зменшується, коливання
в ньому згасають і лампа переходить в номінальний режим на робочий частоті
інвертора.
Висновки. Таким чином, запропонована схема забезпечує гарантовану
надійність запалення і перезапалення безелектродних індукційних розрядних ламп
незалежно від можливих коливань робочої частоти живлячої напруги або особистої
частоти контуру ударного збудження на протязі усього регламентного строку служби
ламп, і не потребує додаткового запалюючого електроду. Це дає змогу повністю
використати ресурсні можливості лампи і здійснити тим самим суттєву економію
коштів на експлуатацію УФ та інших опромінювальних установок і їх подальше
широке впровадження.
Проведені розрахунки свідчать, що не зважаючи на декілька більшу складність
технології виготовлення безелектродних розрядних ламп, тільки за рахунок економії
витрат на обслуговування та значно більшого строку служби, - використання
безелектродних індукційних ламп економічно виправдане і вони е найбільш
перспективними джерелами УФ випромінювання в різноманітних технологічних
установках.
Список літератури: 1. Исупов М., Коротков С. и др. Индукционная ультрафиолетовая лампа.
Светотехника, 2007., №5, С.37-40. 2. ГОСТ Р 51317. 3.2.2006. Нормы электромагнитной
совместимости электрических приборов, питаемых от сети тока.-М: 2008. 3. Овчинників C. С.,
Рой В. Ф. Спектральні характеристики ртутно-кварцевих ламп на підвищеній частоті. Восточноевропейский журнал передових технологий. 2010, №6(48), С.40-43. 4. Намитоков К. К.,Пахомов
П. Л. Излучение газоразрядной плазмы.- Алма--Ата, Наука, 1994, 304 с. 5. Намитоков. К. К.,
Рой В. Ф. Высокочастотные свойства газоразрядной плазмы низького давления. Вопросы
атомной науки и техники. – Харків: ННЦ ХФТИ,1998, №5, С.151-152. 6. Бурма Н. Г.,
Намитоков К. К.,Рой В. Ф. Зажигание люминесцентных ламп при высокочастотном питании.
Светотехника, 1990, №2, С.3-4.
УДК 628.936
Проблеми використання бактерицидних індукційних ламп / Рой В.Ф., Рой Ю.В.//
(978). – С. 142-146. – Бібліогр.6 назв.
145
Исследуются возможности использования безэлектродных индукционных бактерицидних
разрядных ламп в облучательных установках широкого спектра применения. Предлагается
«нерезонансний» метод инициирования високочастотного разряда в безлектродных
индукционных лампах, гарантирующий надёжное их зажигание независимое от возможных
отклонений рабочей частоты.
Ключевые слова: безэлектродная лампа, энергоэкономичность, високочастотный разряд,
бактерицидное воздействие, нерезонансный метод инициирования, контур ударного
возбуждения, отклонение частоты, надёжность зажигания разряда.
The article is the exploring the prospects of using electrodless bactericidal induction lamps in
wide range of lighting equipment. In particular it covers non-resonant method exciting of exciting
performed by high frequency electrical potential, which is highly reliable wayto illuminate the lamp,
and unaffected by frequency changes in igniting circuits.
Keywords: Electrodless Lamp, Low energy consumption, high frequency electrical potential,
non-resonant method of exciting, circuit of impact excitation, bactericidal lamps, frequency changes,
exciting reliability, ignition reliability.
УДК 621.315.592
И. Ф. ЧЕРВОНЫЙ, д-р техн. наук, проф., ЗГИА, Запорожье;
Ю. В. РЕКОВ, аспират, ген. дирек. ЧАО «Завод полупроводников», Запорожье;
О. П. ГОЛОВКО, канд. техн. наук, доц., ЗГИА, Запорожье
ПРОЦЕСС ВОДОРОДНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРИХЛОРСИЛАНА
Представлены результаты теоретического исследования о предварительном нагреве прутковподложек в процессе водородного восстановления трихлорсилана – «Siemens-процесса».
Обсуждаются
применение
легированных
прутков-подложек
для
производства
поликристаллического кремния с заданным уровнем концентрации легирующей примеси. В
режиме генерации собственных носителей заряда, при нагревании кремния полупроводниковой
чистоты в кристаллической решетке генерируются собственные носители заряда, которые
обеспечивают определенную, в зависимости от температуры, электрическую проводимость. При
использовании легированных прутков-подложек осуществляется расчет концентрации
заданного типа примеси, с учетом величины нарощенного слоя поликристаллического кремния
и перераспределения примеси между прутком-подложкой и объемом получаемых стержней
поликристаллического кремния.
Ключевые слова: кремний; прутки-подложки; носители заряда; легирование; нагрев;
примеси.
Введение
Основным процессом водородного восстановления трихлорсилана в настоящее
время является «Siemens-процесс». Сущность этого
процесса заключается в монтаже в реактор
кремниевых прутков-подложек, их разогреве до
реактор
температуры ~1500 К и последующее водородное
кремниевый
пруток-подложка
восстановление трихлорсилана на поверхности
прутков-подложек (рис. 1). Разогрев прутковдержатель
подложек производится постоянным током [1, 2].
основание
Учитывая, что для водородного восстановления
реактора
трихлорсилана используют прутки-подложки из
электр.
абгаз

энергия
чистого кремния полупроводникового качества, для
Рис. 1 - Схема монтажа
обеспечения первичного прохождения по ним тока
прутков-подложек
в реакторе
необходимо создать достаточно высокую
SiHCl3+H2
© И. Ф. ЧЕРВОНЫЙ, Ю. В. РЕКОВ, О. П. ГОЛОВКО, 2013
146
проводимость.Это достигается введением определенного количества примеси или
нагревом прутков-подложек до температуры, которая обеспечит требуемую
проводимость тока [1, 3, 4, 5].
Цель работы
Целью работы являлось исследование разогрева кремниевых прутков-подложек
в период начала процесса водородного восстановления хлорсиланов.
Состояние вопроса и анализ проведенных исследований
Введение примеси в прутки-подложки приводит к легированию этими
примесями выращиваемых на них поликристаллического кремния, что не
обеспечивает требуемый уровень чистоты поликристаллического кремния.
Дополнительным вариантом обеспечения высокой проводимости прутков-подложек
может служить генерация собственных носителей заряда за счет нагрева прутковподложек. Генерация собственных носителей заряда, с учетом определенного
количества легирующей примеси, обеспечивает суммарное количество носителей,
которое создает необходимую проводимость прутков-подложек и их нагрев при
пропускании электрического тока.
Расчет необходимых условий создания заданной проводимости прутковподложек.
Расчет проводится для одного прутка-подложки.
Исходные данные:
d - диаметр прутка-подложки, м – d=8103 м;
Tн - температура начальная, К – Tн=300 К;
Tк - температура конечная, К – Tк=1500 К;
L - длина прутка-подложки, м – L=4,6 м.
Для нагрева прутка-подложки необходимо затратить тепла
Q  c  m   Tк  Tн  ,
(1)
где c- теплоемкость кремния, Дж/(кгК) – c=800 Дж/(кгК) ;
m – масса прутка-подложки, кг.
m
d 2
 L  ,
4
(2)
где  - плотность кремния, кг/м3, =2330 кг/м3.
3,14  8 103 
d 2
m
 L  
 4,6  2330  0,538 кг ,
4
4
Q  c  m   Tк  Tн   800  0,538 1200  516933,43 Дж=516,93 кДж .
2
Рассчитанное количество тепла можно обеспечить электрическим нагревом.
Применяя закон Джоуля-Ленца, количество тепла обеспечивается
(3)
Q  I2  R  t ,
где I – сила тока, А;
R – величина электрического сопротивления прутка-подложки, Ом;
t – время нагрева, с.
Для установления электрической мощности для нагрева прутка-подложки
воспользуемся преобразованием закона Джоуля-Ленца
Q  I2  R  t 
IU
R t  IUt .
R
Для расчета принимаем время нагрева t=100 с. В этом случае
Q  I  U  t  516933,43=I  U 100 ,
147
откуда
IU 
516933,43
=5169,33 Вт  5,17 кВт .
100
Мощность, Вт
25000
Таким образом, для нагрева
U=1000 В
прутка-подложки с заданными
20000
исходными
характеристиками
15000
необходимо затратить 5169,33 Вт
U=380 В
10000
электроэнергии. Выбор величин
5,169
тока и напряжения определяется
5000
энергоснабжением
передела
0
6
0
10
15 16
20
5
водородного восстановления, см.
Ток, А
рис. 2.
Рис. 2 - Зависимость мощности от выбранных
Выбрав величины тока и
величин силы ток и напряжения
напряжения, производится
определение величины электрического сопротивления прутка-подложки.
При выборе силы тока 6 А и напряжения 1000 В, из уравнения (3) следует
R
Q
5169,33
 2
=1,44 Ом ,
I  t 6 100
2
что соответствует величине удельного электрического сопротивления 1,57103
Омсм или концентрации носителей заряда n-типа электропроводности 2,751018 см3.
Рассчитанную величину электрического сопротивления прутка-подложки можно
создать двумя вариантами – генерацией собственных носителей заряда или
введением в пруток-подложку необходимого количества легирующего элемента.
Рассмотрим каждый вариант отдельно.
Генерация собственных носителей заряда [6]. При нагревании кремния
полупроводниковой чистоты в кристаллической решетке генерируются собственные
носители заряда, которые обеспечивают определенную, в зависимости от
температуры, электрическую проводимость. Зависимость концентрации собственных
носителей заряда от температуры выражается следующим соотношением
 E 
n i  N c  N v  exp  
,
 2kT 
где Nc – эффективная плотность состояний в зоне проводимости, см3,
Nv – эффективная плотность состояний в валентной зоне, см3,
Е – ширина запрещенной зоны, эВ, Е=1,1 эВ,
k – постоянная Больцмана, k=8,62105 эВ/К,
T – температура, К.
3
 2 mn  k  T 
15
2
Nc  
  5,42  10  T ,
2
h



 2 m p  k  T 
3
15
2
,
N v  

2,02

10

T

2

h


где mn - эффективная масса электрона, mn  1,08me , кг,
mp - эффективная масса электрона, mç  0,56me , кг,
me – масса покоя электрона, кг, me=9,10938291·10−31 кг,
h – постоянная Планка, Дж/с, h=1,381034 Дж/с.
148
(4)
Подставляя приведенные данные в уравнение (4), получим величину
концентрации собственных носителей заряда в зависимости от температуры
3
1,1


 E 
15
2
, см3.
n i  N c  N v  exp  
  3,31 10  T  exp  

5
 2kT 
 2  8,62 10 T 
Результаты расчета концентрация собственных носителей заряда приведены в
табл. и на рис. 3.
Таблица - Результаты расчета концентрация собственных носителей заряда
Температура, К
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Концентрация собственных носителей заряда, см3
9,97109
3,131012
1,06109
1,171015
6,741015
2,571016
7,451016
1,771017
3,651017
6,751017
1,151018
1,821018
2,731018
Концентрация, см–3
Как видно из таблицы и рис. 3,
3Е+18
2,5Е+18
начиная
с
температуры
800
К,
2Е+18
происходит
генерация
собственных
1,5Е+18
носителей заряда, которая возрастает по
1Е+18
экспоненциальному
закону.
При
5Е+17
температуре 1500 К концентрация
0
носителей заряда достигает выбранной
400
600
1000
200
800
1200
1400
1600
силе тока 6А и напряжению 1000 В.
Температура, К
Предварительный
нагрев
прутковРис. 3 - Зависимость концентрации
собственных носителей заряда от температуры
подложек обеспечивается
дополнительным нагревателем, например, плазменным или инфракрасным.
Следует отметить, что рассмотренный вариант (генерация собственных
носителей заряда) не учитывает наличие легирующих примесей в прутке-подложке, и
поэтому допускает применение не легированных (с высокой степенью чистоты)
исходных прутков-подложек.
Применение легированных прутков-подложек [1, 3, 4]. Рассмотрим выбор
электрофизических характеристик прутка-подложки. Исходя из зависимости
R 
L
,
S
R
S
L
получим
где  - удельное электрическое сопротивление, Омм,
S – площадь поперечного сечения прутка-подложки, м2.
149
Из выполненного для выбранных величин тока и напряжения расчета,
сопротивление прутка-подложки составило 1,44 Ом (R=1,44 Ом). Величина
удельного электрического сопротивления составит
 2
2
d
0, 785 8 103 
S
Ом  м 2
4
R R
 1, 44 
 1,31105
 1,57 10 3 Ом  см .
L
L
4, 6
м
Такая величина удельного электрического сопротивления соответствует
глубокому легированию кремния, одновременно обеспечивая стартовый разогрев
прутков-подложек без применения дополнительной операции предварительного
разогрева прутков-подложек.
Концентрации примеси в рассматриваемом случае соответствует:
для примеси n-типа электропроводности
nn 
1
1

 2, 75 1018 см3 ,
19
e n 1, 6 10 1,57 103 1450
для примеси p-типа электропроводности
np 
1
1

 8,85 1018 см3 ,
19
3
ep 1, 6 10 1,57 10  450
где nn – концентрация примеси n-типа (электронной) электропроводности, см3,
np – концентрация примеси p-типа (дырочной) электропроводности, см3,
е – заряд электрона, К, e=1,61019 К,
n – подвижность электронов, см2/(Вс), n=1450 см2/(Вс),
p – подвижность дырок, см2/(Вс), p=450 см2/(Вс).
Такая концентрация примеси является неприемлемой для получения
поликристаллического кремния полупроводникового качества, а именно, в
соответствии
с
требованиями
полупроводниковой
промышленности,
12
3
поликристаллический кремний должен иметь не более 4,3110 см атомов примеси
для кремния n-типа электропроводности (что соответствует n=1000 Омсм ) и
4,631012 см3 атомов примеси для кремния p-типа электропроводности (что
соответствует p=3000 Омсм ).
Выводы
1. Для производства высокочистого поликристаллического кремния
целесообразно применять операцию предварительного нагрева прутков-подложек до
температуры 1500 К для генерации собственных носителей заряда и обеспечения
необходимой проводимости кремния.
2. Применение легированных прутков-подложек целесообразно применять для
случаев производства поликристаллического кремния с заданным уровнем
концентрации заданного типа легирующей примеси.
Список литературы: 1. Фалькевич, Э. С. Технология полупроводникового кремния [Текст] / Э.
С. Фалькевич, Э. О. Пулънер, И. Ф. Червоный, Л. Я. Шварцман, В. И. Яркий, И. В. Салли ; под
ред. проф., докт. техн. наук Э.С. Фалькевича. – М. : Металлургия, 1992. – 408 с. – Библиогр.: с.
399-407. – 1170 экз. – ISBN 5-229-00740-0. 2. Реньян, В. Р. Технология полупроводникового
кремния [Текст] / В. Р. Реньян ; перевод с англ. Туровского Б. М., Нашельского А. Я.,
Шушлебиной Н. Я., Баташева В. И. и Королькова А. Г. под ред. Шашкова Ю. М. – М. :
Металлургия, 1969. – 336 с. – Библиогр.: с. 322-332. – 2300 экз. 3. Червоний, І. Ф.
Напівпровідниковий кремній: теорія і технологія виробництва. Монографія [Текст] / І. Ф.
Червоний, В. З. Куцова, В. І. Пожуєв, Е. Я. Швець, О. А. Носко, С. Г. Єгоров, Р М. Воляр ; Під
ред. докт. техн. наук, професора Червоного І.Ф. – ЗДІА, Запоріжжя, 2009. – 488 с. – Библиогр.:
150
с. 446-484. – 300 экз. – ISBN 978-966-8462-24-5. 4. Нашелъский, А. Я. Технология
полупроводниковых материалов [Текст] / А. Я. Нашелъский. – М. : Металлургия, 1972. – 432 с. –
Библиогр.: с. 427-429. – 4700 экз. 5. Пат. 2409518 Российская Федерация, МПК7 C 01 B 33/027,
C 30 B 29/06, C 30 B 30/02. Способ получения поликристаллического кремния [Текст] / Лопатин
В. В., Иванов Н. А., Солдатов А. И., Павлова М. Л. ; Заявитель и патентообладатель
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Томский политехнический университет. – 2009127216/05 ; заявл. 14.07.09 ; опубл. 20.01.2011
Бюл.
№
2.
–
7
с.
[Электронный
ресурс]
/
Режим
доступа:
http://www.freepatent.ru/images/patents/51/2409518/patent-2409518.pdf 6. Шалимова, K. B. Физика
полупроводников [Электронный ресурс] / K. B. Шалимова. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 392
с.
Режим
доступа:
http://physics.sibsutis.ru/docs/Library/TextBooks/Shalimova%20K.%20V.%20Physics%20Of%20Sem
iconductors.pdf
УДК 621.315.592
Процесс водородного восстановления трихлорсилана/ И. Ф. Червоный, Ю. В. Реков,
О. П. Головко/ // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ
«ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 146-151. – Бібліогр.: 6назв.
Представлені результати теоретичного дослідження про попередній нагрів прутківпідкладок в процесі водневого відновлення трихлорсилану - "Siemens-процесу". Обговорюються
застосування легованих прутків-підкладок для виробництва полікристалічного кремнію із
заданим рівнем концентрації легуючої домішки. У режимі генерації власних носіїв заряду, при
нагріванні кремнію напівпровідникової чистоти в кристалічній решітці генеруються власні носії
заряду, які забезпечують визначену, залежно від температури, електричну провідність. При
використанні легованих прутків-підкладок здійснюється розрахунок концентрації заданого типу
домішки, з урахуванням величини отриманого шару полікристалічного кремнію і перерозподілу
домішки між прутком-підкладкою і об'ємом отримуваних стержнів полікристалічного кремнію.
Ключові слова: кремній; прутки-підкладки; носії заряду; легування; нагріваючи; домішки.
Presented results of theoretical research about the previous heating of slim-rods in the process of
hydrogen renewal of trichlorosilane - "Siemens-process".. Applications of the alloyed slim-rods come
into question for the production of polycrystalline silicon with the set level of concentration of alloying
admixture. Essence of "Siemens-process" consists in editing in the reactor of the silicon slim-rods, their
warming-up to the temperature ~1500 К and next hydrogen renewal of trichlorosilane on the surface of
slim-rods. The warming-up of slim-rods is produced by a direct current. The size of electric resistance
of slim-rods can be created by two variants - generation of own charge carriers or introduction to slimrods of necessary amount of alloying element. In the mode of generation of own charge carriers, at
heating of silicon of semiconductor cleanness own charge carriers which provide certain are generated
in a crystalline grate, depending on a temperature, electric conductivity. At the use of the alloyed slimrods the calculation of concentration of the set type of admixture is carried out, taking into account the
size of the got layer of полікристалічного silicon and redistribution of admixture between slim-rods
and by volume of the got bars of полікристалічного silicon.
Keywords: silicon; slim-rods; charge carriers; alloying; heating; admixtures.
151
БЕЗОПАСНОСТЬ
ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
УДК 614.8.084
М. Г. РУСАНОВ, канд. техн. наук, ст. наук. співр., КЗ «ХГПА», Харків;
І. В. РЕМЗІ, канд. педаг. наук, доц., КЗ «ХГПА», Харків
АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ БЕЗПЕКИ
ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ СТУДЕНТСЬКОЇ МОЛОДІ
У ПРОЦЕСІ ФІЗИЧНОГО ВИХОВАННЯ
У статті розповідається про негативні тенденції у взаємодії суб'єктів навчально-виховного
процесу щодо забезпечення необхідного рівня безпеки учнів на заняттях з фізичної культури та
способи їх подолання. Презентується нове навчально-методичний посібник з безпеки
життєдіяльності учнів для вчителів фізичної культури.
Ключові слова: охорона праці, безпека життєдіяльності, травматизм, суб'єкт навчальновиховного процесу, методи і прийоми фізичного виховання.
Вступ. Забезпечення достатньої безпеки трудового навчального процесу в
навчально-виховних закладах України, вищих навчальних закладах (ВНЗ) зокрема,
залишається невирішеною проблемою. Численні факти свідчать про погіршення умов
навчальної діяльності та здоров’я студентської молоді в цілому, про збільшення
кількості нещасних випадків під час занять із фізичної підготовки зокрема.
Порушення естафети здоров’я поколінь ставить під загрозу подальший розвиток і
навіть існування українського суспільства. Отже, питання безпеки життєдіяльності
студентської молоді набуло значного рівня актуальності, і це висуває його
вирішування до складу першочергових завдань. Метою цієї статті є сприяння чіткому
усвідомленню важливості й актуальності проблеми забезпечення здорового способу
життя та безпеки навчальної діяльності студентів другим суб’єктом навчальновиховного процесу (НВП), а саме усіма педагогічними працівниками, як
менеджерами, так і виконавцями, насамперед педагогічних ВНЗ. На розв’язання
зазначеної проблеми вже спрямовані рішення Міністерства освіти і науки, молоді та
спорту України (МОНМСУ) та інші офіційні документи [3]. Задля досягнення
зазначеної мети вважаємо за необхідне розв’язати такі завдання: визначити
особливості взаємодії ланок навчально-виховного процесу; окреслити головні
особливості навчальної діяльності студентської молоді; проаналізувати основні
причини травматизму на заняттях із фізичної культури; надати інформацію про
створений авторами навчально-методичний посібник, у котрому враховано
особливості сучасного НВП, тощо.
Нещасні випадки з учнями та вихованцями під час навчально-виховного процесу
були й залишаються величезною людською трагедією. Вони не тільки є причиною
відчутних економічних збитків, але й приносять горе батькам і педагогічним
працівникам. Нещасні випадки тягнуть за собою значні втрати робочого часу на
надання першої допомоги й подальше медичне лікування. Задля розслідування
нещасного випадку від основної роботи відволікається велика кількість робітників
різного фаху; на виплати усім фахівцям, на лікування та реабілітацію постраждалого
витрачаються значні кошти. Тому питання організації роботи з охорони праці у
навчальному закладі є ключовим у процесі створення безпечних умов праці під час
навчально-виховного процесу. Особливо це стосується занять із фізичного
© М. Г. РУСАНОВ, І. В. РЕМЗІ, 2013
152
виховання, що залишається важливим засобом фізичного, соціального та духовного
розвитку студентської молоді.
Основною метою навчального предмета «Фізичне виховання» є формування в
учнів та студентів стійкої мотивації щодо збереження свого здоров’я, фізичного
розвитку та фізичної підготовки, гармонійного розвитку природних здібностей та
психічних якостей, використання засобів фізичного виховання з організації здорового
способу життя [3].
З метою забезпечення фізичної досконалості людини без порушення її здоров’я в
Україні за період із 1991 по 2010 рік було сформовано законодавчу базу з питань
охорони праці. На цей час в Україні діє більше 1700 нормативно-правових та
інструктивних документів загальнодержавного й галузевого значення, що мають
відношення до охорони праці [1, 2, 3]. Але така кількість ще не перетворилася на
якість вирішення питання безпеки життєдіяльності студентської молоді. Перш за все,
бракує фахівців, підготовкою котрих займаються педагогічні ВНЗ.
Сьогодні вже є очевидною несамодостатня дієвість заходів лише «зверху»,
обумовлена інерційністю системи освіти та потребою в «живих» і сумлінних
виконавцях. Отже, потрібна підтримка «знизу», тобто з боку педагогічних
менеджерів, викладачів та технічного персоналу – усіх педагогічних працівників
ВНЗ. Тому вважаємо за необхідне вкотре привернути увагу педагогічного загалу до
необхідності не лише глибокого ознайомлення із зазначеними документами, але й
порозуміння, виробляння та застосування власних заходів (індивідуальних та
спільних), спрямованих на сприяння реалізації на практиці рекомендованих «зверху»
завдань.
Практичне завдання, що постало перед педагогами-виконавцями, за своєю
суттю є досить складним. Достатньо зауважити, що навчання у ВНЗ є найскладнішою
формою розумової діяльності молоді. Його характеризує великий обсяг
інтелектуальної роботи: 9–10-годинние щоденне навчальне навантаження,
необхідність постійного виконування режиму робочого дня – протягом тижня, місяця
та семестру, необхідність перспективного (річного та п’ятирічного) планування
життя тощо. Це призводить до стрімкого зростання впливу на студента
психоемоційних, фізіологічних і техногенних факторів зовнішнього середовища. У
зв’язку з цим студентству необхідна обґрунтована рекреація (відновлення, активний
відпочинок). Тому, по-перше, їм потрібні свідоме сприяння та допомога педагогів,
по-друге, необхідно поліпшувати матеріально-технічну базу, умови проведення
фізкультурно-оздоровчих занять та спортивно-масових заходів, а по-третє, не
порушувати процес фізичного виховання за будь-яких умов та забезпечувати його
якісним спортивним інвентарем. Усе зазначене вище зумовлює необхідність
постійної турботи про здоров’я студентів шляхом уважного ставлення до умов і
засобів навчання з боку усіх без винятку педагогічних працівників ВНЗ, насамперед
суб’єктів
фізичного
виховання
та
менеджерів-організаторів
безпечної
життєдіяльності суб’єктів НВП.
Турботливе ставлення до здоров’я молоді, до всебічного забезпечення її
фізичного виховання зумовлене, у першу чергу, необхідністю попередження
травматизму, до котрого відносять травми, виробничі травми та нещасні випадки.
Нагадаємо, що травмою є ушкодження організму, викликане різким чи раптовим
впливом на нього умов середовища, які стрімко змінилися внаслідок недотримання
вимог охорони праці. Виробнича травма – це порушення анатомічної цілісності
організму людини або його функцій внаслідок впливу виробничих чинників. Якщо
153
травму, гостре професійне захворювання та отруєння, теплові удари, опіки,
обмороження, утоплення, ураження електричним струмом отримано в умовах
виробництва чи занять, то цю подію називають нещасним випадком на виробництві.
З метою попередження зазначених негативних явищ та задля створення належних
безпечних умов життєдіяльності учасників НВП відповідно до вимог законодавства
та санітарно-гігієнічних нормативів необхідно забезпечити постійний підсилений
контроль за дотриманням правил безпеки під час здійснення НВП, зокрема під час
проведення фізкультурно-оздоровчих занять та спортивно-масових заходів.
Основні причини травматизму на заняттях із фізичного виховання – це, поперше, недостатність навчальних площ. Звідси скупченість, неможливість устежити
за всіма учнями, підстрахувати їх під час виконання особливо ризикованих вправ та
своєчасно звернути увагу на їхнє самопочуття. Ще одна причина «фізкультурного»
травматизму – це фізичне спрацювання спортзалів, навчальних приміщень,
устаткування, реманенту. Стара підлога, протікання покрівлі, старий реманент і
знаряддя, що не пройшли перевірки та випробування (часто їх просто нема кому
випробовувати або не вистачає на це коштів) та не забезпечують належного ступеню
надійності й безпеки. У деяких навчальних закладах у спортзалі взагалі відсутні
навіть такі засоби підстрахування, як спортивні мати. Третій фактор травмобезпеки –
низький рівень кваліфікації багатьох викладачів фізкультури. Це обумовлено, у
першу чергу, їхнім недостатнім досвідом праці у вищій школі через текучість кадрів,
погані знання методики фізичного виховання, недосконале засвоєння педагогічних
основ викладацької професії. Частина наявних методичних рекомендацій є
застарілими й вимагають нової редакції, тоді як періодичне їх оновлення не
передбачено нормозатратною базою педагогічної діяльності. І, нарешті, четверта
причина – медична. Лікарське обслуговування в багатьох ВНЗ знаходиться в
незадовільному стані, головним чином через низьку зарплатню медичного персоналу,
текучість та брак кадрів. Медичне обстеження школярів проводиться із запізненням.
Розподіл учнів, що навчаються за медичними групами на заняттях із фізкультури,
своєчасно не вносять до журналів академгруп. Були випадки, коли студенти,
допущені до навчання в основній групі, страждали на важкі хронічні захворювання
(сердечну недостатність, грижу Шморля й таке інше). Зафіксовано навіть випадки із
летальним результатом під час занять.
Узагальнений досвід викладання дисципліни «Безпека життєдіяльності» було
покладено в основу створеного авторами цієї статті навчально-методичного
посібника, в якому викладено нормативні положення з правил безпеки під час занять
із фізичного виховання та спорту в навчальних закладах України [2]. Посібник
складено з метою систематизації та удосконалення знань, практичних умінь і навичок
студентів щодо створення безпечних умов проведення різноманітних форм фізичного
виховання та спорту в будь-яких навчальних закладах. Матеріали, що їх наведено в
посібнику, знайомлять викладачів фізичної культури з нормами санітарногігієнічного режиму, заходами пожежної безпеки на заняттях із фізкультури. До
посібника включено нормативні акти та форми документів, що регламентують
безпеку використання спортивних споруд, устаткування, тренувальної техніки, норми
освітлення, допустимі температурні норми для проведення занять із фізкультури,
витяги з методичних вказівок, правил та інструкцій з охорони праці, що
регламентують безпеку проведення фізкультурно-оздоровчої навчальної та
позаудиторної роботи в загальноосвітніх та вищих закладах, наведено порядок і
правила проведення інструктажів щодо заходів безпеки та представлено методику
154
випробовувань гімнастичних приладів згідно з затвердженими санітарно-гігієнічними
нормами. Навчально-методичний посібник складається з п’яти розділів і 28 додатків.
На наш погляд, матеріали посібника здатні надати реальну допомогу студентам і
викладачам факультетів фізичного виховання, вчителям фізичної культури, тренерам із
різних видів спорту, інструкторам, керівникам спортивних секцій, керівникам, вчителям,
вихователям усіх типів навчальних закладів тощо. Зокрема надати допомогу в підготовці
фахівців за напрямами «Фізичне виховання», «Дошкільна та початкова освіта», створити
передумови для попередження можливих ушкоджень і травм під час фізкультурноспортивної діяльності тощо. Практична реалізація безпечних умов проведення занять із
фізичної культури здійснюється шляхом застосування у процесі фізичного виховання
різноманітних методів і методичних прийомів, пристосованих до конкретних завдань і
умов ВНЗ. Отже, створення конкретизованих методичних комплексів і вибір окремих
методів і прийомів є уособленим ситуативно-творчим завданням кожного викладача.
Нагадаємо, що педагогічні методи – це способи взаємно поєднаної діяльності учня/
студента та вчителя/ викладача, спрямованої на вирішення навчально-виховних завдань.
Тоді як методичні прийоми – це послідовні операції, що утворюють шляхи реалізації
методів у конкретних випадках й умовах процесу фізичного виховання. Діапазон
застосування методу викладачем залежить від власного запасу методичних прийомів,
якими він володіє. З іншого боку, природне за витоком фізичне виховання необхідне у
житті молодої людини за будь-яких обставин життєдіяльності. Його вияви як
педагогічного явища (організаційні та методичні), засоби оформлення можуть бути до
невпізнання різноманітними й різнитися місцем, тривалістю, змістом чи формою
фізичних вправ, використанням знарядь тощо. Не змінюючи своєї суті, фізичне
виховання приймає безліч зовнішніх форм завдяки забарвлюючим, але несуттєвим
відзнакам: від фізкультпаузи до окремого заняття за розкладом або поза ним (секційного,
клубного). Воно може мати незалежне від інших занять оформлення або існувати у
співдружності, що породжує міжпредметні зв’язки, системне структурування змісту,
інтегровані дисципліни, професійно-прикладне фізичне виховання тощо. Важливо, що
завжди конкретні практичні прояви фізвиховання передбачають кожен раз уточнення
його рис [4, 5].
Отже, за ситуативно-творчого підходу викладачів до процесу фізичного виховання
та проведення ними конкретних занять щоразу утворюються неповторні авторські
ансамблі методичних засобів, яких може бути безліч. Тому складові таких ансамблівкомплексів, тобто як прийоми, так і методи фізвиховання, не підлягають суворому
обліку. Обсяг методичних прийомів, що знаходяться у власному арсеналі викладача,
значною мірою визначає його професіоналізм, а отже й ефективність викладання.
Принципова різноманітність та уособленість не викликає взаємозапозичень
ефективних методів і прийомів колегами, що працюють за спільних умов. Так в окремих
педколективах за сумісних зусиль виникають власні методики чи навіть технології
фізичного виховання.
Корисними виявились сформовані й апробовані в умовах тривалого та сталого
процесу фізичного виховання загальні методики навчання певним видам рухових дій
(наприклад, гімнастичним вправам на снарядах чи плаванню різними стилями) або
конкретним руховим діям (наприклад, стрибкам у довжину чи висоту, потрійному чи з
жердиною з розбігу), методики фізвиховання осіб певного віку чи стану здоров’я,
професійно-прикладної підготовки тощо [4, 5]. Залишається тільки додати, що кожну з
корисних методик треба постійно вдосконалювати в напрямку озброєння викладачів
знанням, вміннями та навичками застосування правил безпеки під час занять із
фізичного виховання, надання долікарської допомоги при нещасних випадках, травмах
155
тощо. На особливу увагу заслуговує метод особистого прикладу («Роби, як я!») –
демонстрація безпечних дій викладачем під час практичних занять і залучення до
практики студентів, тренування їх під керівництвом викладача у страхуванні товариша з
їхньої команди.
Беручи до уваги усе, зазначене вище, можна зробити такі висновки.
1. Вирішальною ланкою безпосереднього забезпечення здорового способу та достатньої
безпеки навчальної життєдіяльності студентів у ВНЗ є підвищення відповідної
професійної компетентності та творчої активності викладачів кафедр, кафедри фізичного
виховання – в першу чергу. 2. Вивчення та використання відомих методик із безпеки
життєдіяльності полегшує, але не усуває вимог створення кожним викладачем
навчально-методичного комплексу із власною демонстрацією безпечних рухів і фізичних
вправ, що не підлягає будь-якій повній стандартизації та технологізації. 3. Створення
авторського комплексу дій, узгодженого з узагальненою методикою, є найбільш
складним професійним завданням як окремого викладача, так і педагогічного колективу
кафедри в цілому. 4. Практичні інноваційні кроки мають бути як науково
обґрунтованими, так і всебічно забезпеченими, а ступінь інтенсифікації НВП –
оптимізованим під реальні умови праці та безпеки життєдіяльності обох суб’єктів НВП й
має врахувати інерційність системи освіти. Висновки нашого дослідження щодо
сучасного стану НВП у ВНЗ України потребують постійного уточнення та узагальнення
практичного досвіду проведення НВП у змінюваних умовах безпеки навчальної
життєдіяльності його суб’єктів, що потребує поєднання зусиль окремих педагогів і
педколективів та активної участі в обговоренні невирішеної проблеми безпеки
життєдіяльності студентів.
Список літератури: 1. Державний реєстр міжгалузевих і галузевих нормативних актів
про охорону праці. – Х.: Форт, 2003. – 192 с. 2. Русанов М. Г. Безпека життєдіяльності
студентської молоді у процесі фізичного виховання: навчально-методичний посібник /
Русанов М. Г. – Х.: Цифрапінт, 2012. – 181с. 3. Нормативно-правова база / Матеріали
Міністерства освіти і науки, молоді і спорту України // Електронний ресурс. – Сайт
МОНМСУ, режим доступу: http: www.mon.gov.ua. 4. Ремзі І. В. Пошук шляхів і засобів
удосконалення фізичного виховання у профорієнтованій школі. / Слобожанський наук.спорт. вісник. Вип.. 6 – Х.: ХДАФК, 2003. – с. 169-173. 5. Ремзі І. В. Інтегративні
властивості професійно-прикладної фізичної підготовки. / Наук. зап. каф. педаг. ХНУ.
Вип. ХІ. – Х.: Основа, 2004. – с. 169-176.
Надійшла до редакції 17.01. 2013
УДК 614.8.084
Актуальні проблеми підвищення безпеки життєдіяльності студентської молоді у
процесі фізичного виховання / М. Г. Русанов, І. В. Ремзі // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові
рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013.- № 4 (978). – С. 152-156 – Бібліогр.: 5назв.
В статье рассказывается о негативных тенденциях во взаимодействии субъектов учебновоспитательного процесса по обеспечению необходимого уровня безопасности учащихся на
занятиях по физической культуре и способах их преодоления. Презентуется новое учебнометодическое пособие по безопасности жизнедеятельности учащихся для учителей физической
культуры.
Ключевые слова: охрана труда, безопасность жизнедеятельности, травматизм, субъект
учебно-воспитательного процесса, методы и приемы физического воспитания.
Article deals with negative tendencies in educational process subjects’ interaction aimed at ensuring of
necessary level of students’ safety during physical training and with ways of its’ overcoming. A new
textbook on
Key words: occupational safety and health, life safety, traumatism, educational process subject,
methods and technique of physical training.
156
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ
СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 536-12:517.956.4:622
А. П. СЛЕСАРЕНКО, д-р физ.- мат. наук, проф., вед. н. сотр. Института
проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. Харьков;
И. Р. ВЕНГЕРОВ, канд. физ.-мат. наук, ст. н. сотр. Института Физики горных
процессов НАН Украины, Донецк
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО
ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ «МАССИВ-ПОЛОСТЬ»
В статье обоснована, сформулирована и исследована математическая модель сопряженного
теплообмена в системе «однородный горный массив-сферическая полость с источниками
тепла» для прогнозирования аварийной температурной динамики в полости. Система краевых
задач теплопроводности решена приближенным и численным методами.
Ключевые слова: горный массив, полость, сопряженный теплообмен, численный метод.
Введение
Рассматриваемая математическая модель, имеющая общетеплофизическое
значение, инициирована потребностью в разработке метода прогноза аварийной
температурной динамики в замкнутой полости горного массива, в которой находятся
горнорабочие (т.н. «нулевой» режим проветривания подземной горной выработки
[1]).
В семидесятые годы прошлого века предпринимались попытки моделирования
нулевого режима: рассматривался теплообмен в системе «замкнутая подземная
полость – горный массив» [1,2,3]. В этих моделях не учитывались источники тепла в
подземной полости и начальная температурная неоднородность горного массива.
В последнее десятилетие такие модели вновь привлекли к себе внимание, в
связи с разработками «модулей – укрытий», размещаемых в горных выработках
[4,5]. Актуальным является также построение таких моделей (сопряженного
теплопереноса в системе «полость – массив» при наличии в полости источников
тепла и массы и теплофизической неоднородности массива) в связи с
проектированием и строительством подземных хранилищ радиоактивных отходов,
подземных атомных электростанций и полигонов захоронения вредных веществ [6 –
9].
Вербальная формулировка модели
Рассматривается изолированная выработка, имеющая близкую к сферической
форму, окруженная сплошным однородным (теплофизически) горным массивом.
Теплоперенос в массиве осуществляется теплопроводностью. В полости процессы
более сложны: поскольку слабое движение воздуха всё же присутствует, имеется
вынужденная конвенция. Ввиду температурной неоднородности (различие
температур воздуха и поверхности тела горнорабочих, воздуха вблизи кровли и
почвы камеры) имеется естественная температурная конвекция. Работа системы
терморегуляции организмов горнорабочих ведёт к выделению и испарению влаги
(пота), т.е. имеют место также процессы массообмена.
© А. П. СЛЕСАРЕНКО, И. Р. ВЕНГЕРОВ, 2013
157
Моделирование процессов естественной конвекции в трубах и полостях
правильных форм требует задания большого числа параметров, в шахтных условиях
не известных и весьма сложных математических конструкций [10,11].
Моделирование теплообмена организма горнорабочего с окружающей средой, даже
при упрощенном, инженерном подходе, также требует знания многих эмпирических
(практически отсутствующих) данных [12, 13].
Эти обстоятельства диктуют изначальный отказ от попыток «учесть всё» и
ограничения претензий на «строгость и окончательность» модели. Рассматривается
упрощенная, «рамочная» модель, предпосылки построения которой следующие.
   r   0,r  )
1. Теплоперенос в полости (область
осуществляется
теплопроводностью с эффективным коэффициентом температуропроводности
a   / c , где   коэффициент теплопроводности воздуха, c  A c  эффективная
теплоёмкость воздуха, зависящая от его плотности   , удельной теплоёмкости при
постоянном давлении  c  и теплового коэффициента влагообмена  A  [1]. 2.
Выделение тепла организмом одного горнорабочего постоянно и соответствует
состоянию покоя, составляя Q  100 ккал/час [14]. 3. Моменту начала нулевого
режима    0 соответствует время t  t  продолжительность предварительного,
технологического
доаварийного
периода
охлаждения
горного
массива
вентиляционным воздухом со средней температурой T  C при коэффициенте
теплообмена его с массивом  и начальной температуре массива на данной глубине
T  C  . 4. Реакция организма горнорабочего на повышение температуры и изменение
газового состава воздуха в полости не рассматривается.
Численные значения параметров, используемые для оценок и расчётов приняты
следующими. Для области   : r  2,0 м, V   4 / 3 r  33,5 м  объём полости,   0,15 м 
объём, занимаемый одним горнорабочим, n  1,2,3  варианты количества
горнорабочих в полости, W  Q n /  V   n   плотность источников тепла в полости
(ккал/м3 ∙час),   1,206 кг/м3, c  0,241 ккал/кг. град.   2,11.10-2ккал/м. час. град –
теплофизические параметры воздуха [367], A=0,4 – тепловой коэффициент
влагообмена А.Ф.Воропаева [1]. Для области    r   r , r    r    r     ;     4 a   :
-4 2
  1,5 ккал/м. час. град, a  27,0∙10 м /час – теплофизические параметры массива
[1], t  t   t , t , t   варианты продолжительности периодов предварительного
(доаварийного) охлаждения горного массива ( t  1 год, t  5 лет, t  10 лет),
средняя
температура
вентиляционного
воздуха
в
период
T  18,0 C 
предварительного охлаждения, T  45 С  температура горного массива вне зоны
влияния выработки,   15,0 ккал/ м2.час.град – коэффициент теплообмена на этапе
Bi  r /   20,0-безразмерное число Био,
предварительного охлаждения,
числа
Фурье,
соответствующие
временам
Fo  Fo   i  1,3  безразмерные
t i : Fo i  a t i / r , Fo  10; Fo  50; Fo  100; продолжительность нулевого режима   5 суток
= 120 часов.
Математическая формулировка модели
Модель нулевого режима формулируем как краевую задачу теплопроводности в
двухслойной системе   ,    . Уравнение теплопроводности в области   :
3
0
0
1
e
0
0
0
0
p
p
0
1
0
B0
0
п
3
0
0
3
0
0
0
0
0
3
3
0
0
0
p
3

м
0
a
a
0
3
3
м
1
1i
11
12
13
11
12
13
0
B0
0
п
0
1
1
М
1i
1
м 1
2
0
11
12
13
3
0
0
3
3

0
158
м
c0
где
c0  A1cp ,
T0 0   2 T0 

r
 W0 , T0  T0  r,   , r   0, r0  ,   0, 0  ,
 r 2 r   
(1)
а краевые условия к (13.138) имеют вид:
T  r,0  TB0 ,T  r0 ,    TCT     Tм  r0 ,   ,  T0 / r r 0  0.
(2)
Второе из условий (2) вводит неизвестную заранее температура поверхности
горного массива TCT    функцию склейки температурных полей в полости  T  r,  и
в массиве  T  r,  . Это условие – первое из граничных условий четвертого рода,
характерных для слоистых моделей. Второе условие – склейки потоков тепла на
границе слоёв (областей   и   ) – имеет вид:
0
м
3
3

0
q 0

    q м    ,q 0        0
q м       м

В области

Tм
r
T0
r
,
r  r0
(3)
,    0, 0  .
r  r0
(в горном массиве) имеем уравнение теплопроводности
3
Tм a м   2 Tм 
 2 r
 ,Tм  Tм  r,   , r   r0 , ra     ,   0, 0 

r r  r 
и краевые условия к нему:

(4)

Tмi  r,0   мi  r  i  1,3 , r   r0 , ra     ,
Tм  r0 ,    TcT    , Tм  ra ,    ,    м  ra  0   .
Здесь 
мi
 r  начальное (для нулевого режима) распределение температуры в
горном массиве, соответствующее температурному полю, сформировавшемуся в нём
к моменту t  t (к концу периода предварительного охлаждения).
Сделаем некоторые оценки. Поскольку     4 a  , то максимальная ширина
прогретой зоны в массиве (обусловленной тепловыделением и подъёмом
температуры воздуха в полости) будет      4 a   4 27  10  120 2,25 (м) В области
   r   r ,r  2,25 массива температура в ходе нулевого режима    0,    будет
меняться, а вне её (при r  r +2,25), в силу применения «принципа замораживания» оставаться постоянной по времени и зависящей от r согласно решению краевой
задачи предварительного охлаждения массива на промежутке t  0, t  . Охлажденная
зона в массиве к моменту времени t  t будет иметь ширину   t   4 a t , т.е. для
i  1,3 составит, соответственно, 19,5м, 43,6м, 61,5м. Поскольку даже для 
  t  =
19,5м имеем      , решение краевой задачи предварительного охлаждения
массива (приведенное в [15]) аппроксимируем в области r   r , r  2,25 прямыми.
Используем номограмму (для Ku  Bi, Fo , построенную по аналитическому
решению третьей краевой задачи охлаждения горного массива (области   ) [15].
При Bi  20 и Fo   10 (один год), Fo   50 (пять лет), Fo   100 (десять лет) из
номограммы находим: Ku   0,5; Ku   0,35; Ku   0,31. Поскольку Ku  Bi  T , где
 T  T T  t   T  / T  T  
безразмерная температура стенки выработки,
соответственно находим  T  Bi Ku  i  1,2,3 , т.е.  T  0,025;  T  0,0175;  T  0,0155.
Поскольку T  T  45-18=27(0С), отсюда следует, что
TT   T  0,68 C; TT   T  0,47  C; TT  T  0,42  C;
(5)
С достаточной для инженерных расчетов точностью, на основе (5), далее
полагаем что во всех случаях температура стенки совпадает с температурой воздуха.
1i
м
3
4
3
м 0
0
3

0
0
0
0
1i
м
1i
1i
м 1i
м min
3
м
1i
м min
0
0
0
2

1
2
1
3
2
3
c
c
c
п
B0
B0
1
i
i
1
c
п
2
c
c
3
c
B0
1
c
2
o
B0
c
3
o
B0
c
159
o
B0
Отсюда, из найденных значений Ku  , и принятой аппроксимации температурных
полей массива в начальный момент периода нулевого режима   r  следует:
i
мi

мi  x   TB0  TП  t1,i   TB0

x
,
xa
(6)
r   r0 , ra  0  , x a  ra  0   r0  2,25  м  .
x  r  r0 ,
В (6) :
TП  t1,1   33,2 0 C, TП  t1,2   28,6 0 C, TП  t1,3   27,4 0 C.
(7)
Из (7) видно, что T  t   T  t  / 4  4,6 / 4  1,15 C , т.е. изменение температуры T за
один месяц менее 0,1 C . Это подтверждает гипотезу о «замороженности» фонового
(возникшего во время предварительного охлаждения массива) температурного поля
на протяжении всего периода  нулевого режима (  =120 часов).
Решение для области  (сферическая полость)
Решение для области   будем искать методами усреднения и аппроксимации.
Плотность внутренних источников тепла в    W зависит от количества
горнорабочих в полости n . Рассматриваем случаи n  1, n  2 и n  3 и получаем формулу
(8)
W  W  n   2,985n 1  0,0448n  .
3
Из (8) находим: W0(1)=3,12; W0(2)=6,50; W0(3)=10,16 (ккал/м .час).
Интегрируем уравнение (4) по области   и получаем:
0
П
1,1
П
П
1,2
0
0
0
(3)
0
3
0
3
0
0
0
0
3
0
dT0   
d

W n
3 
q0     0
,   0, 0  ,
r0 c0
c0
(9)
где
r0
T0    
4   r '  dr 'T0  r ',  
2
0
0
,
3
0
4
 r03 .
3
3
Используем степенную (по r ) аппроксимацию поля
(10)
T0  r,  
m
r
T̂0  r,    T0     T0     TcT      , m  2, r  0, r0  ,
 r0 
(11)
удовлетворяющую граничным условиям (1) и содержащим неизвестную
функцию T    Tˆ 0,  . Полагаем, усредняя (11) по области   и приравнивая средние
величины
3 

 3 
(12)
T     Tˆ  r,  
 1 
 T    
 T T   .
3
0
0
0
0
 3
0
0

m  3
0
 m  3
c
Учитывая фактическое перемешивание воздуха в области   , полагаем
температурный профиль в полости «квазисредним» (по аналогии с квазистержневым
скоростным профилем в выработке), формализуя это предположение условием
3 /  m  3  0,1 . Из последнего следует:
(13)
T     0,9T     0,1T T    , m  27,0.
В итоге имеем четыре неизвестные функции: T   ,T   ,T T   , q     . Для их
определения необходимы четыре уравнения, два из которых – (9) и (13). Два
недостающих уравнения даёт граничное условие четвертого рода на границе области
  с областью   : это второе из условий (2) и (3). Чтобы воспользоваться ими,
необходимо найти решение для области   .
Решение для области  (горный массив)
Поскольку аналитическое решение для переменной (расширяющейся со
временем) области   можно априори считать избыточно сложным, используем для
3
0
0
0
c
0
3
0
3
0
3
0
(3)

3

160
0
c

0
функции T  r,  экспоненциальную аппроксимацию
принимающую, в данном случае, вид:
температурного
м
поля

 r  r 

T̂м,i  r,    м,i  x   м,i  x   T
   exp 3  Fo   0  ,
с
T,
i



 3  t  
где i  1,2,3 соответствуют
представить в виде:
t1i ,
а
м,i  x 
и
TП  t1i 
(14)
даны (6) и (7). Выражение (14) можно

r


T̂м,i  x, r,    м,i  x   м,i  x   T
   exp  B3  Fo    1 ,
сT,i
r


 0


где
x
,
(7)
играет роль параметра, постоянного при дифференцировании в по r , а
3  Fo 
B3  Fo  
4 Fo
  Fo 
0,5
2,844  0,760exp  0,852Fo   1,193exp  0,026Fo 
(15)
Поскольку Fo  Fo  a  / r  0,081 и 0,852 х 0,081 = 0,069 << 1,0, в (15) можно
разложить экспоненты в ряды и ограничиться двумя первыми членами разложений.
Выражение для B  Fo тогда упрощается:


B  Fo   Fo 0,891 0,678Fo , Fo  1,35103;81,0 103
(16)
max
2
0
м 0
0
3
0,5

3





Изменению Fo в (16) соответствует изменение
Численное решение сопряженной задачи
Находим q   x,  :

от 2-х часов до 5-ти суток.

м
T̂м,i  x, r,  
q м   x,     м

Для
q 0

r
   имеем :
q 0

    0
T̂0  r,  
r
Из граничного условия
T


i
    1 

B3  Fo   м 

m 0 
(18)
находим:
1


 B3  Fo   м 
T0     
 м,i  x  .


 m 0 
Исключив из системы уравнений (13) и (19) функцию
T
i
сТ,
  
(17)
1

  0 m T
    T0    .
с
T,
i
r

 0
q0      qм   x,  

сT,
rr
0
rr
0
B  Fo 

  м м,i  x   T
   3
с
T,
i

 r0
T0     0,9s  Fo  м,i  x 
1  0,9s  Fo 
, s  Fo  
(19)
T0    ,
 м B3  Fo 
0 m
получаем:
(20)
.
Подстановка (20) в (17) даёт:
q м     

   x   T0    
m0
s  Fo   м,i
,
r0
 1  0,9s  Fo  
(21)
а подстановка (21) в (9):
dT0  Fo 
dFo
 3B3  Fo   
c
 W0  n  r02 
 K 

x

T
Fo
,K  м .





 

0
c  1  0,9s  Fo  
c

c0
 м,i

м 
(22)
Поскольку   x  определена (6), где параметр x  x  Fo    Fo  4r Fo, учёт
последнего соотношения и численных значений величин, входящих в (22), дает:
м,i
3
0
dT  Fo 
 2035,763W0  n  
dFo
 2040,598  1552,778Fo 

 18   TПi  18  3,514 Fo  T0  Fo  .
 2,111  1,607Fo  Fo 
(23)
В полученном обыкновенном дифференциальном уравнении с переменными
коэффициентами (23) содержатся два режимных параметра: n  число горнорабочих в
полости   и T  T  t   температуры на границе теплового погранслоя r  r    ,
3
0
Пi
П
1,i
a
161
0
обусловленные предшествующим технологическим режимом. В (23) размерность
W  n   градусы Цельсия, а их численные значения: W 1  3,12; W  2   6,50; W 3  10,16.
Величины T i  1,3 : T  33,2 C, T  22,6 C, T  27,4 C.
Уравнение (23) решаем численно, вводя дискретную шкалу безразмерного
времени:
0
0
0
Пi
0
П,1
0
0
0
П,2
П,3
Fo  Fo j  1,35  104  j,
(24)
Fo  Fo j1  Fo j  1,35  104 , j  0,600.
Левая часть уравнения (23) записывается в виде:
T  Fo   T  Fo 
, T Fo  T 0  T  18
0
j1
0
j
Fo
Расчёт значений
уравнения (23):
T0  Fo j 
0

0

0
 
0
B0
(25)
C.
осуществлялся по конечно – разностной аппроксимации
T0  Fo j1   T  Fo j   0,2748W0  n  
 0,2775  0,2906Fo j

 2,111  1,607Fo j  Fo j

(25)

 18  T0  Fo j   3,514  TП,i
  18 Fo j



при постоянном временном шаге
Fo  1,35  104 .
Результаты расчётов по (25) для
случаев:
1) n 1, T  33,20C,
П1
T
П2
2)
 28,60C,
n2
T  27,40C;
П3
(при тех же значениях

 );
Tпi' i  1,3
Рис.1 - Температурная динамика в
полости n=1
3) n  3 (при тех же T ) приведены,
соответственно, на рисунках 1,2,3, где
T1  T  n  1 , T2  T  n  2  , T3  T  n  3 , а номера
кривых 1,2,3 - соответствуют временам
предварительного охлаждения массива в
один год, пять и десять лет.
Рис.2 - Температурная динамика в
полости n=2
Рис. 3 - Температурная динамика в
полости n=3
'
пi
0
0
0
Выводы
Из результатов математического моделирования температурной динамики в
замкнутой полости массива, представленных на рис. 1-3 следует:
1. Во всех случаях температуры растут вначале быстро (примерно первые шесть
часов), а затем – достаточно медленно;
2. Рост температур на первом этапе определяется величиной n : при n  1 они
достигают значений 27÷280С, при n  2  34÷350С, при n  3  42÷440С.
162
3. Этот рост обусловлен наличием источников тепла, при том, что стоки тепла
(уход его в массив) в этот период ещё не эффективны;
4.На протяжении последующего периода времени температурная динамика
определяется совместным действием источников и стоков тепла.
5. Влияние времени предварительного охлаждения массива свыше пяти лет
несущественно.
Список литературы: 1. Венгеров И. Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические
модели. – Монография в 2-х том. том 1 / И. Р. Венгеров.-Донецк: Норд-Пресс.- 2008.– 632с. 2.
Венгеров И. Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. – онография в 2-х том.
том 2 / И. Р. Венгеров. - Донецк: Донбасс. – 2012. – 685 с. 3. Мельник В. К. Моделирование
температурного режима при остывании зоны внутренних взрывов / В. К. Мельник, Ю. П.
Добрянский, А. Н. Щербань // ДАН УССР, Сер. А., 1978, № 12, С. 1129-1132. 4. Ильинский Э. Г.
Требование к оборудованию и размещению камер убежищ в горной выработке / Э. Г.
Ильинский, Е. И. Конопелько, В. К. Овчаров // В кн.: Материалы II-й начно-практ. конф. «Пути
повышения безопасности горных работ в угольной отрасли». – Макеевка. – МакНИИ. – 2007. –
С. 65-67. 5. Голик А. С. Обеспечение безопасности жизнедеятельности в аварийных условиях на
угольных шахтах / А. С. Голик, В. А. Зубарова, А. С. Апальков // Безопасность
жизнедеятельности. – 2009. - № 7. – С. 10-12. 6. Черняк В. П. Теплофизическое обеспечение
безопасной изоляции радиоактивных отходов / В. П. Черняк. – Промышленная теплотехника. –
2000, т. 22, № 3. – С. 47-51. 7. Абубекеров Р. А. Основа будущей энергетики Украины – в
строительстве региональных подземных атомных электростанций на базе судового
оборудования и судостроительных технологий / Р. А. Абубекеров, Е. Д. Домашев, В. Е. Домашев
и др. // Промышленная теплотехника. – 2000, т. 22, № 5-6. – С. 92-97. 8. Лаверов Н. П. Проблемы
безопасного хранения облученного ядерного топлива: геологогеохимические аспекты / Н. П.
Лаверов, В. И. Величкин, Б. И. Омельяненко, С. В. Юдинцев // Геоэкология. Инженерная
геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2006. - № 4. – С. 293-304. 9. Амосов П. В.
Диффузионный перенос радионуклидов в инженерных барьерах объектов долговременного
хранения отработанного ядерного топлива и захоронения радиоактивных отходов / П. В.
Амосов, А. В. Наумов, Н. В. Новожилова // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология.
Геокриология. – 2008. - № 3. – С. 244-252. 10. Бежан А. Теплообмен при вынужденной и
свободной конвекции в горизонтальном канале с различно нагретыми концами / Пер. с англ. –
А. Бежан, Дж. Имбергер // Теплопередача. – 1979, т. 101, № 3. – С 40-46. 11. Травкин В. С.
Стационарная естественная конвекция в полости с переменной температурой стенки / В.С.
Травкин. В кн.: Теплообмен в одно- и двухфазных средах // Сб-к научн. трудов ИТТФ АН
УССР. – Киев: Наукова думка. – 1981. – С. 15-19. 12. Марийчук И. Ф. Теплообменные процессы
в аккумуляторе холода противотепловой одежды / И. Ф. Марийчук, В. Н. Попов, В. О. Положий,
А. А. Онасенко // Горноспасательное дело. – 2007, вып. 44. – С. 139-146. 13. Щербань А. Н.
Новый метод оценки комфортных условий труда горнорабочих в шахтах / А. Н. Щербань, А. В.
Примак, В. Н. Поляков // Уголь. – 972, № 12. – С. 9-12. 14. Витте Н. К. Тепловой обмен
человека и его гигиеническое значение / Н.К. Витте. – Киев: Медгиз. – 1956. – 144 с. 15.
Щербань А. Н. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. – В
2-х томах, том 1 / А. Н. Щербань, О. А. Кремнев // Киев: АН УССР. – 1959. – 430 с.
УДК 536-12:517.956.4:622
Математическое моделирование сопряженного теплообмена в системе «массивполость» / А. П. Слесаренко, И. Р. Венгеров,// Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в
сучасних технологіях. – Х: НТУ «ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 157-164. – Бібліогр.:15 назв.
У статті обгрунтована, сформульована і досліджена математична модель сполученого
теплообміну в системі "однорідний гірський масив - сферична порожнина з джерелами тепла"
для прогнозування аварійної температурної динаміки в порожнині. Система крайових задач
теплопровідності вирішена наближеним і чисельним методами.
163
Ключові слова: гірничий масив; порожнина; сполучений теплообмін; чисельний метод.
In the paper a mathematical model of conjugate heat transfer in the “homogeneous mountain –
spherical cavity with heat source” is justified, formulated, and studied in order to predict the emergency
temperature dynamics in the cavity. The system of heat-conduction boundary problems is solved by
approximate and numerical methods.
Keywords: maintain; cavity; conjugate heat transfer; numerical method
УДК: 517.53
І. П. КШАНОВСЬКИЙ, канд. фіз.-мат.наук, ст. викл., НУ " Львівська
політехніка", Львів
КРИТЕРІЙ СКІНЧЕННОСТІ  -ТИПУ АНАЛІТИЧНИХ В ПРОКОЛЕНІЙ
ПЛОЩИНІ ФУНКЦІЙ
Отримано критерій скінченності  -типу аналітичної в проколеній площині функції f в
термінах коефіцієнтів Фур’є логарифма її модуля у випадку обмеження на зростання
двопараметричної характеристики T ( s, r, f ) .
Ключові слова: аналітична функція, двозв’язна область, характеристика Неванлінни
Вступ
В класичній теорії цілих та мероморфних функцій зростання максимума модуля
функції порівнюється зі степеневими або близькими до них функціями типу r  (r ) , де
 (r ) – уточнений порядок. В 60-х роках минулого століття Л. Рубел та Б. Тейлор
розвинули метод рядів Фур’є, який дозволив вивчати класи цілих та мероморфних
функцій з обмеженнями на зростання, що задаються довільними додатними,
неперервними, зростаючими, необмеженими функціями  (r ) . Такі функції  (r )
називаються функціями зростання.
Значна частина задач теорії розподілу значень потребує вивчення властивостей
мероморфних функцій у двозв’язних областях. Відомо, що кожна двозв’язна область
конформно еквівалентна деякому кільцю, проколеному кругові чи проколеній
площині. При перенесенні теорії Неванлінни мероморфні функції в кільці,
проколеній площині чи проколеному крузі найновішими є підходи А. Кондратюка, А.
Христіянина та І. Кшановського. Зокрема, А. Кондратюк ввів двопараметричну
характеристику T ( s, r, f ) для функцій мероморфних у вищезгаданих областях та
поширив цю характеристику на субгармонійні функції [1]. В [2] отримано критерій
скінченності  -типу аналітичної в проколеній площині функції в термінах
коефіцієнтів Фур’є логарифма модуля цієї функції у випадку, коли обмеження на
зростання однопараметричної характеристики T0 ( r, f ) задається функцією зростання
 (r ) .
В даній роботі отримано критерій скінченності  -типу аналітичної в проколеній
площині функції у випадку обмеження на зростання її двопараметричної
характеристики T ( s, r, f ) .
Означення та позначення
Нехай f – мероморфна функція в проколеній площині A = {z : 0 <| z |< }.
© І. П. КШАНОВСЬКИЙ , 2013
164
Нехай t0 > 0 – довільне фіксоване число. Визначимо функцію n(t, f ) наступним
чином:
n(t, f )  n(t0 , f ) =  ((t0 , t ]), t > t0 , n(t0 , f )  n(t, f ) =  ((t, t0 ]), t < t0 ,
де значення n(t0 , f ) вибрано довільно,  (( ,  ]) =  1, {b j } – послі-довність
 <|b | 
j
полюсів функції f з врахуванням їх кратностей.
Нехай
1 r n(t , f )
1 1 n(t , f )
N ( s, r , f ) =
dt 
dt, 0 < s < 1, 1 < r < .


log r 1 t
log s s t
Зауважимо, що зміна функції n(t, f ) на сталу не змінює значення функції
N ( s, r, f ) . Тому не зменшуючи загальності можемо вважати, що t0 = 1, n(t0 , f ) = 0 .
Двопараметрична характеристика T ( s, r, f ) визначається наступним чином
T ( s, r , f ) =
1
1
1 
 1
m( r , f ) 
m( s , f )  

m(1, f ) 
log r
log s
log
r
log
s


 N ( s, r, f ), 0 < s < 1, 1 < r < ,
де
1 2
m( t , f ) =
log  | f (tei ) | d .

2 0
Доведено [1], що функція log (1/s) log rT ( s, r, f ) – невід’ємна, зростаюча і опукла
відносно логарифма змінної r > 1. Як функція змінної s , вона невід’ємна, зростаюча,
коли s спадає в інтервалі (0,1) , опукла відносно log (1/s) .
Означення 1. Функцію двох змінних  ( , t ) визначену на множині
[1,)  [1,) , будемо називати функцією зростання, якщо  ( , t ) – додатна,
необмежена, неперервна, неспадна функція кожної змінної.
Позначимо
T  ( s, r, f ) = log (1/s) log rT ( s, r, f ), 0 < s < 1, r > 1,
r
1
n(t ,1/f )
n(t ,1/f )
N  ( s, r,1/f ) = log (1/s) 
dt  log r 
dt , 0 < s < 1, r > 1.
t
t
1
s
Через ck ( r, f ) позначатимемо коефіцієнти Фур’є функції log | f ( re i ) | ,
1 2 ik
e log | f ( re i ) | d , k  Z, 0 < r < .

2 0
Означення 2. Нехай  ( , t ) – функція зростання, f (z ) – аналітична функція в
A . Скажемо, що f є функцією скінченного  -типу, якщо
C

T  ( s, r, f )  B  , Dr 
s

для деяких сталих B, C, D та для всіх s, r таких, що 0 < s < 1 , r > 1.
Позначимо  H ( A) – клас аналітичних в A функцій скінченного  -типу.
Допоміжні твердження та результати
Нехай f − мероморфна у проколеній площині A функція. Через Z ( f ) , W ( f ) ,
позначимо послідовності нулів та полюсів функції f відповідно, де кожен нуль чи
полюс рахується відповідно до його кратності.
ck ( r, f ) =
165
Нам знадобляться результати з [2], сформульовані у випадку проколеної
площини.
Через A позначимо A без інтервалів {z = a,   1}, якщо | a |> 1 та
{z = a, 0    1}, якщо | a |< 1 , де a пробігає множину нулів та полюсів функції f .
T  {z : | z | 1}.
Лема A.([2, c.12])
Нехай функція f мероморфна в A = {z : 0 <| z |< },
f ( z )  0, , z  T . Тоді для будь-якого замкненого шляху  в A ,  (0) = 1, існує
1
f ( z )
k=
dz  Z таке, що для функції g ( z ) = z  k f ( z ) виконується

2i |z|=1 f ( z )
g ( z )
 g ( z ) dz = 0.

Теорема A.([2, c.60]) Нехай f – відмінна від тотожного нуля, мероморфна в
{z : 0 <| z |< } функція, Z ( f ) = {a } , W ( f ) = {b } . Нехай { k }
визначаються з рівностей k k =  k 1 , k  Z \ {0} , де
f ( z )
1
1
− розвинення логарифмічнної похідної функції
=  k z k  

f ( z ) kZ
|a |=1 z  a 
|b |=1 z  b
f в деякому околі одиничного кола. Тоді
  r k  a k 
  r k  b k 
1
1

k
k


ck ( r, f ) = ( k r   k r ) 
             ,
2
2k 1<|a | r   a   r   1<|b |r   b   r  
 


1
1
 ra 
ck (1/ r , f ) = ( k r  k    k r k ) 

2
2k 1/ r |a |1 

 
k
 1

 ra
 



k


 1
 rb


 2k 1/ r |b |1 


 
k
(1)
k
 1  

 ,
 rb  
де k  Z \ {0}, 1 < r <  .
Нехай
1 2
I (t , f ) =
log | f (tei ) | d , 0 < t < .

2 0
Справедлива наступна рівність, яка є певним аналогом формули Йенсена ([1],
[4])
1
1
1 
 1
I ( r, f ) 
I ( s, f )  

 I (1, f ) =
log r
log s
 log r log s 
1 r n(t ,1/f )  n(t, f )
1 1 n(t ,1/f )  n(t, f )
=
dt 
dt. 0  s  1, r  1.


log r 1
t
log s s
t
Зважаючи на те, що
I (t, f ) = m(t, f )  m(t,1/f ), t > 0,
одержимо
T ( s, r, f ) = T ( s, r,1/f ), 0  s < 1, 1 < r < .
Основні результати
Теорема 1. Якщо f – мероморфна функція в A = {z : 0 <| z |< }, то
166
(2)
lim inf T ( s, r, f ) <  .
s 0
r 
(3)
тоді і тільки тоді, коли f – раціональна.
Доведення: Якщо f (z ) – раціональна функція, то твердження теореми
випливає з рівності
T ( r , f ) T ( s, f )  1
1 
T ( s, r , f ) =



 T (1, f ),
log r
log (1/s)  log (1/s) log r 
де T ( , f ) – класична характеристика Неванлінни та властивостей характеристики
T ( , f ) раціональної функції.
Якщо виконується (3), то існує послідовність ( s j , rj )  (0,) така, що
r
n(t , f )
1 t dt  C log r, r = rj  ,
1
 n(t , f )
s t dt  C log (1/s), s = s j  0 ( С  const ).
Звідси випливає, що f (z ) має скінченну кількість полюсів. Дійсно, позначимо
p = [C ]. Пронумеруємо полюси функції f в {z : 0 <| z |< 1} в порядку спадання
величин їх модулів. Якщо існує p  1 -й полюс bp 1 , то
 n(t , f )
 t dt 
s
|b
p 1
|
| bp 1 |
 n(t , f )
dt

(
p

1)
log
=

t
s
s
1
1
1
= ( p  1) log | bp1 | ( p  1  C ) log  C log > C log , s = s j  0, ( j  j0 ),
s
s
s
що приводить до протиріччя. Аналогічно доводиться, що f (z ) має скінченну
кількість полюсів в {z : 1 <| z |< .}. Оскільки T ( s, r,1/f ) = T ( s, r, f ), то f в A має
скінченну кількість нулів.
Нехай h(z ) – раціональна функція, нулі та полюси якої співпадають з нулями та
f
полюсами функції
з врахуванням кратностей. Розглянемо функцію
g ( z) = f ( z)/h( z), яка не має ні нулів ні полюсів в A . Оскільки
T ( s, r, h) = O(1), r  , s  0, то з властивості ([1])
1
1 
 1
T ( s, r, f1  f 2 )  T ( s, r, f1 )  T ( s, r, f 2 )  O

,
log
(1/
s
)
log
r


отримаємо
lim inf T ( s, r, g ) < .
s 0
r 
За лемою А існує таке n  Z , що в A визначена однозначна вітка log G( z ) , де
G( z ) = z  n g ( z ) . Розглянемо розвинення в ряд Лорана
log G( z ) =  k z k .
kZ
Нехай z = ei ,  > 1. Тоді
k
1
log | G( z ) |= Re( k z k ) = ( k z k   k z ) = 1 ( k  k    k   k )eik .
2 kZ
2 kZ
kZ
167
Звідси
1
1
( k  k   k  k ) =
2
2
Оскільки
1
2
 log | G( e
i
) | e ik d , k  Z.
0
| log | G( z) ||| log | g ( z) ||  | n || log | z ||,
2
 | log | g ( e
0
2
log 
i
) || d
 1
1  1
 2T ( s,  , g )  


 log (1/s ) log   2
2
 | log | g (e
i
) || d ,
0
то
 k  k   k   k = O(log  ),  = rj  .
Звідси випливає, що  k = 0, k > 0 . Аналогічно, розглядаючи z = ei ,  < 1,
легко показати, що  k = 0, k < 0 . Отже, G(z ) – тотожно стала, g ( z ) = cz n , де c  C.
Таким чином ми довели, що f (z ) – раціональна.
Теорема 2. Нехай f (z ) − аналітична функція в A. Наступні тверджен-ня
еквівалентні:
1) f   H ( A) ;
C

2) | ck ( r, f ) | log (1/s ) | ck ( s, f ) | log r  B  , Dr  для деяких сталих B, C, D та
s

для всіх s, r таких, що 0 < s < 1 , 1 < r < , k  Z.
C

B  , Dr 
s
 для деяких сталих B, C, D та
3) | ck ( r, f ) | log (1/s ) | ck ( s, f ) | log r 
| k | 1
для всіх s, r таких, що 0 < s < 1 , 1 < r < , k  Z.
T ( s, r, f ) = T ( s, r,1/f )
Доведення:
З
огляду
на
те,
що
та
| ln x |= ln  x  ln  (1/x), x > 0, маємо
| ck ( r, f ) | log (1/s) | ck ( s, f ) | log r 

log (1/s ) 2
log r 2
i
|
log
|
f
(
re
)
||
d


| log | f ( se i ) || d =


2
2 0
0
1 2
= 2 log (1/s ) log r T ( s, r, f )  log r  log (1/s)  
| log | f (ei ) || d .

2 0
Звідси, з огляду на твердження теореми 1 та на те, що у випадку, коли f (z ) –
раціональна функція, то
T  ( s, r, f ) = log(1 / s)T (r, f )  (T ( s, f )  T (1, f )) log r  log(1 / s)T (1, f ) 
 q log r log (1/s)  O(log r  log (1/s)), s  0, r  , ( q  0),
маємо
C

| ck ( r, f ) | log (1/s ) | ck ( s, f ) | log r  B1  1 , D1r ,
 s

для деяких сталих B1 , C1 , D1 , 0 < s < 1 , r > 1, k  Z.
168
Нехай тепер виконується 2). Оскільки ck ( r, f ) = c k ( r, f ), то досить розглянути
випадок, коли k  N . Для k  N , з огляду на рівність (1), маємо
k
 r 
 1
ck (2r, f )
1
1 1
  
 ck ( r, f ) =  k  k
 k  

k
k
2
2
r  2k r <|a |2 r  a 
 2 (2r )

k
 a   2 k
1
  

2k 1<|a |r  r 
2k
k
 a 
  .

1<|a | 2 r  2r 
Звідси

1
1 
|  k |    1   1  2 k | ck (2r, f ) | 
2
2k  r<|a |2 r 1<|a |r 
2k
1
n(2r,1/f ) 2  k

1 = |  k | 2 k | ck (2r, f ) | 

n(2r,1/f ).

2k 1<|a |2 r 2
2k
2k
| ck ( r, f ) |
(4)

Аналогічно, взявши в формулі (1) 1/r = s , отримаємо
1
n( s/2,1/f ) 2 k
k
| ck ( s, f ) | |  k | 2 | ck ( s/2, f ) | 

n( s/2,1/f ).
2
2k
2k
Розглянемо
(5)
er
1
n(t ,1/f )
n(t ,1/f )
N (er , s/e,1/f ) = log (e/s ) 
dt  log (er ) 
dt 
t
t
1
s/e

er
 (1  log (1/s )) 
r
s
n(t ,1/f )
n(t ,1/f )
dt  (1  log r ) 
dt 
t
t
s/e
 n(r,1/f ) log (1/s)  n( s,1/f ) log r.
Тоді, з (4) та (5), після нескладних елементарних перетворень, матимемо для
k N
1
| ck ( r, f ) | log (1/s) | ck ( s, f ) | log r  (|  k |  |  k |)log (1/s)  log r  
2
log r
 log (1/s )

 2k 
 | ck (2r, f ) | log (2/s ) 
 | ck ( s/2, f ) | log 2r  
log 2r
 log (2/s )

1
log r
 log (1/s )


1  2k 
 n(2r,1/f ) log (2/s) 
 n( s/2,1/f ) log 2r  
2k
log 2r
 log (2/s )

k
1
 2C
 1  2 N  (2er , s / (2e),1/ f ).
 (|  k |  |  k |)log (1/s )  log r   2 k B 
,2Dr  
2k
2
 s

З рівності (2) маємо
N  (2er, s/(2e),1/f )  log (2e/s) | I (2er, f ) | 


(6)
(7)
 log (2er ) | I ( s/(2e), f ) | log (2e/s)  log (2er ) | I (1, f ) |
| c0 (2er, f ) | log (2e/s) | c0 ( s/2e, f ) | log (2er )  log (2e/s)  log (2er ) | c0 (1, f ) | .
Зауважимо, що якщо функція f (z ) має хоча б один нуль в A то виконується
нерівність
log (1/s)  log r  N  ( s/C  , Dr,1/f )  b(log (C /s)  log ( Dr )), (b  0)
для деяких додатних сталих C  , D  та всіх s, r таких, що 0 < s < 1, r > 1. Дійсно,
нехай, наприклад, f (z ) має нулі в області {z :| z |> 1} і z = a, | a |> 1 – найменший за
модулем нуль функцій f (z ) в цій області. Тоді
N  ( s/(e2b1 | a |), e2b1 | a | r,1/f )  b(log ((e2b1 | a |)/s)  log (e2b1 | a | r )) 
169
 log ((e
2 b 1
e 2 b 1|a |r
| a |)/s )

|a |
n(t ,1/f )
dt  b(log ((e 2b1 | a |)/s )  log (e 2b 1 | a | r )) 
t
 log ((e2b1 | a |)/s) log (e2b1r )  b(log ((e2b1 | a |)/s) 
 log (e2b1 | a | r ))  log (1/s)  log r.
Звідси, з 2) та (7) отримуємо, що існують додатні сталі B2 , C2 , D2 такі, що
C

log (1/s )  log r  B2  2 , D2 r , 0 < s < 1, r > 1.
 s

Оскільки k = O(1/ | k |), | k |  ([2]), то з (6) та (7) ми отримуємо твердження
3) теореми.
У випадку, коли f (z ) не має нулів в A
| ck ( r, f ) | log (1/s) | ck ( s, f ) | log r 
1
|  k | r k  |  k | r k log (1/s)  1 |   k | (1/ s)k  |  k | (1/ s) k log r. (8)
2
2
Розглянемо функцію
 ( x) = ax k  bx k  k (a  b) log x, a > b, k  1, x  1.
kb (a  b)k k ( x k  1)(ax k  b)
 ( x ) = kax  k 1 
=
> 0.
x
x
x k 1
Отже,  ( x) >  (1) = a  b > 0. Тому
ax k  bx  k  k (a  b) log x, a > b, k  1, x  1.
Тоді, з (8) матимемо
k
| ck ( r, f ) | log (1/s) | ck ( s, f ) | log r  (|  k |  |  k |) log r log (1/s).
2
Якщо для деякого k  N : | k |  |  k |= 0 , то ck ( r, f ) = 0, ck ( s, f ) = 0 і нерівність
3) очевидна. В іншому випадку маємо
k
k
(|  k |  |  k |)(log (1/s)  log r )  (|  k |  |  k |) log (e/s) log (er ) 
2
2
| ck (er, f ) | log (e/s) | ck ( s/e, f ) | log er  B Ce/s, Der .
Тоді, з огляду на 2), (6), отримаємо
k 1
C

B3  3 , D3r 
 s
 , 0 < s < 1, r > 1, k  Z.
| ck ( r, f ) | log (1/s ) | ck ( s, f ) | log r 
| k | 1
Нехай виконується 3). Застосовуючи рівність Парсеваля, маємо
log (1/s) 2
log r 2

i
T ( s, r , f ) 
| log | f ( re ) || d 
| log | f ( se i ) || d 


2
2 0
0
 1
 log (1/s )
 2
2

0
1/2

| log | f ( re ) || d 

i
2
 1
 log r 
 2
1/2
2

0
1/2

| log | f ( se ) || d 

i
1/2




= log (1/s )  | ck ( r, f ) |2   log r   | ck ( s, f ) |2 
 kZ

 kZ

0 < s < 1, r > 1. Теорема доведена.
170
2
=
C

 B4  4 , D4 r ,
 s

Список литературы:
1. Kondratyuk A. Subharmonic functions on annuli. A two-parameter
approach / A. Kondratyuk, O. Stashyshyn // Математичний вісник НТШ.– 2010. –№ 7. − С. 352365. 2. Kondratyuk A. Meromorphic functions in multiply connected domains / A. Kondratyuk, I.
Laine // Joensuu-L’viv. – 2006. – 116 P. 3. Кшановський І. Властивості мероморфних функцій у
двозв’язних областях : дис. на здобуття наук. ступ. канд. фіз-мат. наук : спец. 01.01.01
"Математичний аналіз"// – Львів, 2008. – 138 C. 4. Кшановський І, Мероморфні у крузі з
проколеним центром функції з обмеженою двопараметричною характеристикою / І.
Кшановський // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. – 2010. – № 687. –
С. 122-125.
УДК517.53
Критерій скінченності  -типу аналітичних в проколеній площині функцій / І.П.
Кшановський // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ
«ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 164-171. – Бібліогр.4: назв.
Получен критерий конечности  -типа аналитической в проколотой плоскости функции
f в терминах коэффициентов Фурье логарифма ее модуля в случае ограничения на рост
двухпараметрической характеристики T ( s, r, f ) .
Ключевые слова: аналитическая функция, двусвязная область, характеристика
Неванлинны
We get a criterion for finiteness of  -type of analytic functions in punctured plane f in terms
of Fourier coefficients of logarithm of its modulus in the case of restrictions on the growth of twoparametric characteristic T ( s, r, f ) .
Keywords: analytic function, doubly connected domain, Nevanlinna characteristic.
УДК 530.18 (УДК 530.10(075.4))
С. Н. ЯЛОВЕНКО, канд. техн. наук, ХНУРЭ, Харьков
ЧЁРНЫЙ ПРЕДЕЛ. ЧАСТЬ 10.1
ПРОДОЛЖЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Вводится, новое ограничение – ни одно тело нельзя разогнать до массы больше чем масса
чёрной дыры, в дополнение по ограничению скоростью света. На базе этого ограничения
получаются новые формулы для теории относительности и расширение классических уравнений
для массы, длины, времени. Показывается относительность заряда. Расширяются формулы для
заряда и гравитации. В данной работе рассматривается продолжение теории относительности на
базе развития эфирной теории, где дискретным элементом сверхтекучего эфира является
крептон (крепкая волна), элементарные частицы представлены плоскими водоворотами,
гравитация представлена как изменяющаяся плотность крептона (крепкая волна), создающаяся
плоскими водоворотами. Заряд представлен как растянутый водоворотом хвост синусоиды не
свёрнутый спиралью и созданный дипольным смещением крептона.
Ключевые слова: теория относительности, водоворот, крептон, гравитация, плотность,
масса, время, длина, заряд, скорость света, чёрная дыра.
В предыдущих главах были получены расширенные формулы для теории
относительности
M (V )  M 0 
  GM
 1   2 0
1  V 2 / C 2   C R0
1
 


1
1

 1  V 2 / C 2   1  L(V ) / L 
 
СИГ 

(1)
© С. Н. ЯЛОВЕНКО, 2013
171


1
2
2
L(V )  L0  1  V / C  
  GM 
1
1   2 0 
2
2
  C R0  1  V / C
T (V )  T0 
  GM
 1   2 0
1  V 2 / C 2   C R0
1


  1  L(V ) / L 
СИГ



 


1
1





2
2
1V / C
 1  L(V ) / LСИГ 

  GM 
 

1
1
q(V )  q0  1   2 0 


2
2 
  C R0  1  V / C  1  L(V ) / LСИГ 
Или упрощенно можно записать как
(2)
(3)
(4)


1
 1  M (V ) / M ЧЁРНОЙ  

1V 2 / C2
1  L(V ) / LСИГ 


1
L(V )  L0  1  V 2 / C 2  
  1  L(V ) / LСИГ 
1  M (V ) / M ЧЁРНОЙ 


1
1
T (V )  T0 
 1  M (V ) / M ЧЁРНОЙ  

1V 2 / C2
1  L(V ) / LСИГ 
M (V )  M 0 
1


1
q(V )  q0  1  M (V ) / M ЧЁРНОЙ  

1  L(V ) / LСИГ 
Расширение формул для заряда:
Езаряда(r ) 
Fзаряда(r ) 
1
1


 q  SIN  
  Р ,  
2
R0  r 
 2 1  r 
(5)
1
1


 q1  q2  SIN 2  
  Р ,   (5.1)
2
R0  r 
 2 1  r 
Расширение формул для гравитации:
Егравитации(r )  GM 
Егравитации(r )  G  M 
1
r 2  r 2
 P ,  
1
 P ,  
r   r  f (r )2
2
Егравитации(r )  G  M 
1 G1 r 2
e
 P ,  
r 2
(6)
(6.1)
(6.2)
Или
Fгравитации(r )  GMm 
Fгравитации(r )  GMm 
1
r 
 r2
1
2
 P ,  
r 2  r  f (r )2
Fгравитации(r )  GMm 
 P ,  
1 G1 r 2
e
 P ,  
r 2
Расширение формул для энергии:
2
E  m0  C 2  I водоворота водоворота
А так же звёздный коэффициент преломления:
172
(7)
GM
2
2
 GM 
nзвёздный ( R)  1  R 4  1   2 
C
C R
GM
(8)
  Rпреломления  2 
  GM  2 
 
Ссреды ( R)  Ссвета 1   2    Ссвета 1  
(9)
R
 
  C R  
 
Если RПРЕЛОМЛЕНИЯ<<R то Ссреды( R)=Ссвета .
В данной работе изменение времени связано с изменением плотности среды.
Все элементарные частицы представляют собой разновидность плоских водоворотов,
в которых электромагнитная волна свёрнута определённым образом по спирали. Это
возможно из-за изменяющейся плотности эфира внутри спирали и как следствие
изменение скорости света внутри этой же спирали.
В этой главе я постараюсь обобщить и интерпретировать полученные
результаты наполнить их физическим смыслом, и образами, облегчающими
понимание сути явлений.
Для этого поставим опыты. Возьмем двое маятниковых часов одни часы
опустим в воду, другие оставим в воздухе (рис.1). Зададимся вопросом, какие часы
идут медленнее? Естественно те, которые в воде, но почему? Ответ: из-за разной
плотности среды. Мысленно стараемся не учитывать затухание, вследствие трения,
потому, что в сверхтекучей среде, которым является эфир, оно отсутствует. Значит,
плотность среды влияет на ход изменения времени. Аналогичные опыты можно
поставить и со звуковыми часами, измеряющими количество колебаний в секунду
(взаимодействие со средой, что является моделью эфира обязательно) и мы тоже
получим зависимость изменения времени от плотности среды. Следовательно время
есть функция от плотности среды (крептона, эфира) t(r)=f(ρ(r))= f(ρ) где ρ – плотность
эфира (крептона) или среды. В данном случае рассматривается не одновременность
событий по Лорецу (как рассматривается одновременность в теории
относительности), а ход течения времени в данной точке среды изменяющейся от
плотности этой среды (это существенное отличие, другой подход). Изменение
плотности среды связано с гравитацией именно поэтому графики для массы и
времени совпадают, и гравитация влияет на ход изменения времени, потому что
изменяет плотность среды. Так ход маятниковых (звуковых) часов разный на разных
высотах из за изменения плотности среды от высоты (разреженности). По аналогии
ход времени (световых часов) изменяется от высоты (гравитации) над исследуемой
массой (земля, солнце и т.д.) из за изменения гравитации-плотности эфира (что одно
и тоже). То есть гравитация и время связаны через плотность эфира (крептона) и
гравитация тоже функция плотности среды Fгравитации(r)=f(ρ(r))= f(ρ) где ρ – плотность
эфира (крептона) или среды. Напомним,
что
плотность
среды
–
эфира
определяется количеством крептона
(элемент эфира) в единице объема или,
что тоже самое расстоянием между
крептонами. По этому формулы теории
относительности
для
времени
показывают относительное изменение
плотности
и
парадокс
близнецов
Рис.1. Разное время в разных средах
разрешается и становится понятным
173
физически.
Для лучшего понимания этого явления поставим другой эксперимент (рис.2.б.).
Поместим часы в цилиндр с поршнем со специально подобранным газом (избегаем
двухфазности и динамического равновесия) и начнем сжимать поршень, изменяя
плотность газа внутри цилиндра, и мы также обнаружим зависимость – замедления
(изменения) времени
от плотности газа
внутри цилиндра или
в данном случае от
изменения его длины.
То
есть
в
эксперименте
наблюдается
замедление
(изменение) времени
а
б
от длины (плотности Рис. 2 - Парадокс близнецов: а - парадокс близнецов, б внутри) цилиндра.
изменение времени от плотности
Поставим третий эксперимент (рис.3). Помести цилиндр с часами в воду,
прикрепим веревкой (сцепкой) к весам и начнём двигать, постепенно увеличивая
скорость. В результате сопротивления среды (модели эфира) весы будут показывать
увеличение массы (хотя правильно говорить силы F), под давлением среды из-за
силы F длина цилиндра R будет уменьшаться, плотность внутри цилиндра будет
изменяться, (в данном случае увеличиваться) вследствие чего время Т внутри
цилиндра начнет замедляться.
Наблюдается схожесть с графиками теории относительности для времени,
длины, массы. Напомним, что аналогичные сходства наблюдались при
интерференционных экспериментах со светом и их щелевыми водными аналогами. В
нашем случае мы делаем как бы обратно, мы ставим эксперименты на водной модели
и полученные результаты переносим на реальные физические объекты. Отметим, что
в данных экспериментах мы переходим от газообразного состояния к жидкому и
твердому из за разных сил взаимодействия вещества на разных расстояниях. Для
сверхтекучих газов (эфира)
таких скачков нет, меняется
только степень вязкости. Три
состояния вещества получаются
из-за переорганизации эфира. В
данной
модели
парадокс
близнецов объясняется очень
просто, они были в разных
плотностях крептона в котором
время течет по разному (рис.2.а).
Рис. 3 - Зависимость массы от скорости
Поставим четвертый
эксперимент, чтобы понять суть новых формул расширения теории относительности
(рис.4). Этот эксперимент часто проделывали рыбаки, ловя рыбу на спиннинг,
двигаясь на скоростной лодке. С начала из за того что приманка в виде рыбки
вибрирует, создавая большую площадь сопротивления удочка изгибается (аналог
увеличения массы), но достигнув определённой скорости, вибрация прекращается,
174
удочка выпрямляется (аналог зоны не совпадения три(3) на рис.4., когда масса
уменьшается) и создается ощущение, что приманка сорвалась. Уменьшая скорость
лодки, процесс идет в обратном порядке, повторяя кривую изменения массы от
скорости в расширенных формулах теории относительности, как показано в формуле
(1). В реальном эксперименте из-за того, что элементарная частица примет форму
конуса (как показано на рис.4,а,б.), сопротивление эфира уменьшатся, что
воспринимается как уменьшения массы или силы F. Увеличение массы есть
следствие сопротивления эфиру элементарной частицы.
А как быть с длиной? В данном случае мы не должны забывать, что любая
частичка представляет собой плоский водоворот и став перпендикулярно движению,
будет создавать воронку (превращая энергию движения в энергию воронки), что
будет выглядеть как увеличение длины R, и перенесёт точку фиксации (отчёта)
времени Т0 вперед. Это означает, что мы можем воздействовать и наблюдать явления
(свет, миражи прошедших событий) в другой временной шкале (аналог звёздных
врат).
а
б
в
Рис. 4 - Изменение массы, длины, времени при М→Мчёрной: а - изменение силы
от скорости; б - изменение длины при М→Мчёрной; в - изменение длины в зоне
различия при формировании сига
Схожие аналогии и образы, облегчающие понимание физических процессов
можно сделать и для расширенных формул заряда формула(4). В зоне совпадения
заряд имеет классический вид (рис.5.а,б,в,д) разница только в том, что в эфирной
теории он рассматривается как плоский водоворот (рис.5.г,д.) с равновероятностным
воздействием (плоскости вращения) во всех направлениях. По мере увеличения
скорости это равновероятностное воздействие изменяется и в зоне совпадения вид
распределения заряда аналогичен классическому виду (рис.5.а,в). Но в зоне не
совпадения происходит зализывание заряда (рис.6.а,б,в) и (рис 4,б.), что приводит к
его уменьшению и к вибрационным колебаниям, (аналогично флагу,
сопротивляющемуся ветру) вследствие, чего происходит электромагнитное
излучение (как следствие сопротивления загибу и колебанию заряда). Данный
процесс похож на изменение магнитных силовых линий земли под действием
солнечного ветра (рис.6.б).
Общее суммарное воздействие можно представить графиками (рис.7.) и
(рис.8.), которое соответствует формулам (1-4). На (рис.7) показан график изменения
средне статистической плотности эфира ρсредней(V) внутри элементарной частицы изза перевода областей вращения c высокой плотностью в области с меньшей
плотностью. Так как площадь перпендикулярная движению постоянна, а изменяется
только длина, то плотность так же изменяется пропорционально длине.
175
а
б
в
г
д
Рис.5 - Изменение поля электрического заряда когда его скорость приближается
к скорости света: а, б, в, г - изменение силовых линий заряда при приближении
скорости к скорости света; д - изменение заряда от плотности распределения заряда
а
б
в
Рис.6 - Изменение поля электрического заряда когда его масса приближается к
массе чёрной дыры М→Мчёрной.: а - изменение поля заряда в зависимости от степени
приближения М→Мчёрной.; б - графическое представление изменения поля заряда при
М→Мчёрной.; в - разложение сил поля заряда при М→Мчёрной
В качестве аналогии, позволяющей
лучше понять формулу (10), можно
представить
шар
движущийся
в
некоторой
среде
который
будет
сплющиваться
под
воздействием
сопротивления
этой
среды
в
направлении движения, увеличиваясь в
ширину. Но если шар будет вращаться
то, будет изменяться только радиус в
направлении движения и увеличиваться
плотность внутри шара, как показано на
(рис.9.а,б,в) увеличения в ширину не
будет.
176
Рис. 7 - График изменения плотности
внутри частицы
 среднее (V )   0 _ среднее


2
2
1V / C  
  GM
1   2 0
  C R0


1
  1  L(V ) / L 
СИГ (10)


1

 1  V 2 / C 2 


Ещё боле простую и
схожую
аналогию,
которая
имеет
подобные
процессы
можно
предложить,
наблюдая за работой
трактора (рис.10,а,б,в).
Можно видеть, как мо
мере
увеличения
насыпи
на
ковше
увеличивается
давление на ковш, что в
нашем
аналоге
приводит к сжатию
сферы (элементарной
частицы) и изменению
распределения заряда
(элементарной
частицы)
(рис.11.)
изменению плотности и
формированию
сига
Рис.8 - График изменения заряда при М→Мчёрной.
(рис.12,а,б).
После того как насыпь на коше достигнет определенного уровня, сформируется
сиг, который будет обладать определенной длиной и временем передачи
взаимодействия. Длина Lсига и время Тсига будет зависеть от свойства среды.
Для облегчения понимания расширенного уравнения для гравитации (6), где
формула
1/r2
изменена
на
формулу 1/(r+f (r))2
=(1/σ√2π)ехр(r2/2σ2), гравитацию
можно представить
как стрельбу во все
стороны
с
неподвижной
и
вращающейся
а
б
в
платформы (рис.13).
В
первом
Рис.9. Графики изменения плотности эфира (крептона) перед
случае,
когда
движущимся зарядом при приближении его скорости к
платформа
скорости света
неподвижна,
плотность
силы
177
действия
пуль
пропорциональна
1/r2,
но
когда
платформа
вращается,
траектория
а
б
в
движения
пули
Рис.10 - Модели изменения плотности крептона, заряда и
изменяется
из-за формирования сига: а, б, в - разные изменения плотности при
вращения, т.е. длина
разных степенях сжатия
пробега
пули
увеличивается на f
(r) и коэффициент
1/r2 переписывается
с учетом увеличения
длины пробега как
1/(r+f
(r))2
=(1/σ√2π)ехр(θ2/2σ2).
В зоне совпадения 1,
(рис.13.) f (r)≈0 из-за
Рис. 11 - Изменение заряда при стремлении скорости к
большой скорости
скорости света
пули и им можно
пренебречь,
соответственно
формула 1/(r+f (r))2
переходит
в
2
формулу 1/r .
а
б
В
зоне
не
совпадения
2 Рис.12 - Графики изменения плотности и формирования сига:
а - приближенное изменение плотности при формировании
различия становятся
сига б - графическое представление плотности и
существенными, и
формирования сига
пренебрегать
ими
нельзя.
Напомним, что в водоворотной криптоновой теории все частички представлены
плоскими водоворотами (рис.14 а) и (рис.14 б), а гравитация рассматривается как
суммарное изменение плотности крептона (эфира) в пространстве формула(11).
а
Рис. 13 - Изменение
гравитационного поля от
расстояния
б
Рис.14 - Графики изменения напряженность
электрического заряда элементарной частицы: а - срез
изменения напряженности элементарной частицы, б трехмерное представление напряженности
электрического заряда элементарной частицы
178

F (r ) 

FE (r ) 
 E



 E  H 



F
(
r
)

F
E
H (r )



r r
r
 G  Mm 
r
(11)



1 G1r 2
(  2 / 2 2 )
e

1
/

2

)
e

r
E
r 2

(11.1)

2

1
Sin K  r    / 2  

G

Mm


(11.2)

  rH

2
2
2
2





r

r

r

r


r
где FE и FH записаны приближённо и зависят от коэффициента сжатия.
Для облегчения понимания второй части формулы (6) гравитации Р ( θ , φ )
вероятностной функции распределения, которая изменяет форму вида гравитации от
сферической (форма круга) к нормально распределённой форме (приближенно
эллипсоидной) по плоскостной составляющей FE=∂ρE / ∂r (для Е составляющей),
можно предложить эксперимент со сферой представленный на рисунках (рис.15,а,б.)
и (рис.16).

FH (r ) 
 H
а
б
Рис.15 - Сфера для моделирования и
измерения гравитации: а - сфера для
моделирования для одной частицы, б сфера для моделирования многих частиц
Рис. 16 - Модель изменения гравитации
чёрной дыры для разных степеней
сжатия
Эксперимент заключается в том, что в сферу с наклеенными на её поверхность
индикационными лентами помещаются плоские вентиляторы (рис.15,а,б) или
вращающиеся диски с выемкой, или пластиной на своей поверхности (рис.16.). Эти
вращающиеся диски вызывают эффект аналогичный плоским вентиляторам, и
создают модель изменения плотности (крептона, эфира) аналогичную изменению
плотности элементарной частицы представленной в крептоновой теории плоскими
водоворотами (рис.14,а,б).
При вращении плоскостных вентиляторов, когда расстояние между ними
велико и они не мешают друг другу, вероятностная функция распределения вектора
плоскости (XOY) ρ(θ,φ) равна Р( θ , φ )=1, и индикационные ленты показывают
сферическое распределение силы (Ньютоновское, классическое ). По мере сжатия
сферы, расстояния между вентиляторами уменьшаются и когда они становятся
сопоставимыми с их размерами, то начинают мешать друг другу, что приводит к
изменению вероятностной функции распределения вектора плоскости (XOY) ρ(θ,φ) и
Р( θ , φ )≠1. С учетом теплового движения (и других факторов) функции
распределения вектора плоскости (XOY), ρ(θ,φ), Р(θ, φ ) от равномерного
распределения будет переходить к нормальному и индикационные ленты покажут
изменение распределение силы (рис.16,17,в).
179
Во втором случае Р(θ, φ)=1
переходит в Р(θ,φ)=(1/σ√2π)ехр(-θ2/2σ2)
и распределение действия не будет
соответствовать
Ньютоновскому
сферическому распределению силы,
что
приведет
к
существенному
суммарному
отличию
силы
(рис.16.17,в,б.). В данном эксперименте
не учитывается изменение плотности
а
перпендикулярной плоскости (XOY)
создающейся
вектором
Н,
представленной функцией FH=∂ρH / ∂r ,
которая показана на рис.(17,а,б)
жирной линией.
Более точную модель гравитации (с
б
учетом FH составляющей)
можно
получить если заменить трубчатый
вентилятор изображенный на (рис.15.а)
на
трубчатый
вентилятор
с
неравномерными
прорезями
создающими
перпендикулярные
в
потоки воздуха (модели функции
Рис.17 - Графики суммарной плоской
FH=∂ρH / ∂r ) относительно основного
гравитации чёрной дыры:
потока воздуха (модели функции
а - модель гравитации одной частицы; б FЕ=∂ρЕ / ∂r). График силы, который при
трехмерное график гравитации чёрной
этом получится, показан на (рис.15.в.)
дыры; в - срез трехмерного графика
жирной линией.
гравитации чёрной дыры
В ходе экспериментов на воде
(моделирования доплеровского и красного смещения - гравитационного)был получен
(смоделирован) результат позволяющий объяснить красное смещение галактик, не
прибегая к гипотезам анти гравитации и темной материи. Эксперимент: если взять
прозрачный прямоугольный лоток с жидкостью и создать на его конце плоскую
волну, при этом меняя условно назовем трение (сопротивление, вязкость) среды, то
можно наблюдать изменение частоты длины волны от расстояния (рис.18), что в
крептоновой (эфирной) теории соответствует стиранию фотона при прохождении
пространства и изменению его
частоты от расстояния из за
потери энергии на преодоления
сопротивления
среды.
Это
означает, что сверхтекучесть
среды (эфира) отлична от нуля,
и её можно вычислить, измеряя
разность
между
силой Рис.18 - Эксперемент с жидкостью показывающий
светимости звёзд и частотой
изменение частоты плоской волны из-за трения
изменения света (с учетом
среды
потерь на преодолении гравитации).
Формулу изменения частоты можно записать как
180
1
(r)  0  ( ) K 1 r  0  er K 2
2
(12)
где К1 и К2 – коэффициент сопротивления среды.
Формула (12) представлена графиком на (рис.19). К аналогичным выводам, но
другим путём пришли и другие ученые (Ацюковский В.А. в работах по
эфиродинамике и у Хаббла старение света(из за запрета на эфир)).).
Определять расширяется ли наша
галактика или сжимается надо по
отклонению от основной функции Δf1 от
f0 ( r ) на (рис.19).
Водную модель для заряда трудно
создать из-за сложности моделирования
дипольной составляющей, но суть и
природу
взаимодействия
можно
смоделировать и показать на одинаково
(рис.21.) (одноименные заряды) и разно
Рис.19 - Изменение частоты света от
(рис.20.) (разные заряды) вращающихся
расстояния вследствие трения и
плоских
пружинка.
На
разно преодоления светом крептоновой среды
вращающихся пружинках (рис.20.)
можно наблюдать эффект проталкивания, который воспринимается как притяжение
между разноимёнными зарядами (представленных в теории плоскими водоворотами).
На одинаково вращающихся пружинках можно наблюдать эффект отталкивания
одноименных зарядов (рис.21). Регулируя ширину ленты от расстояния в зоне
взаимодействия (рис.20,21) можно смоделировать силу убывания пропорциональную
(1/r2)×SIN((π/2)×1/(1+Θ×r)), связанную с растягиванием конца синусоиды
водоворотом не свернутым в спираль для расширенной формулы заряда(5).
В данной модели не учитывается вектор Н перпендикулярной плоскости (XOY)
отвечающий за магнитный момент. Это упрощение позволяет приблизиться к сути
понимания взаимодействия зарядов, которое на данный момент в принципе
отсутствует. Формула (7) E=m0C2=Iводоворота×ω2водоворота в водоворотной крептоновой
(эфирной) теории интерпретируется как превращение поступательной энергии света
во вращательную энергию водоворота (рис.22).
Рис.20 - Модель взаимодействия
разноименных зарядов
Рис.21 - Модель взаимодействия
одноимённых зарядов
В результате взаимодействия двух фотонов (под разными углами) образуется
181
стабильный фокус, вокруг которого
формируется плоский водоворот и под
его воздействием создаётся изменение
плотности крептона (эфира) в который
упаковывается
электромагнитная
волна.
Формула
(8)
звёздного
коэффициента
преломления
рассматривается как последовательное
изменение преломления света на
сферах
с
бесконечно
малым
приращением их радиуса, каждая из
которых
обладает
разной
(добавленной) плотностью крептона
(эфира) как показано на (рис.23).
Изменение плотности крептона
вызывается гравитацией и по своей
сути является гравитацией.
В крептоновой (эфирной) теории
элементарные частицы представлены
волной завернутой в спираль плоским
водоворотом, и по сути являются
волнами. Поэтому их движение в ядре
можно рассматривать по аналогии с
преломлением света на неоднородных
средах (созданных в нутрии ядра), а
так
как
частицы
плоские
то
взаимодействие
в
ядре
скорее
происходят
по
магнитным
составляющим, а не по электрическим
как показано на (рис.24.), которые
могут быть свёрнуты (волны Луи де
Бройля).
Рис.22 - Формирование элементарной
частицы из света
Рис.23 - Отклонение траектории света под действием гравитации из за разной
плотности эфира и коэффициента преломления
182
а
б
Рис.24 - Взаимодействие и движение электрона и протона в ядре: а - изменение
плотности внутри ядра, б - расположение частиц внутри ядра
Как видно из теории время и гравитация связаны и являются следствием
плотности крептона (эфира). Предельное определение времени можно высказать, как:
время есть функция изменение расстояния и взаимодействия между элементами
крептона (эфира) или его плотности.
Эфирное представление дает возможность наполнить физические формулы до
этого не имевших физической интерпретации, физическим смыслом и физическими
образами, облегчающими понимания сути явлений, и продвинуть наши
представления о природных процессах.
Список литературы: 1. А. Эйнштейн. Теория относительности. 2000 Научно-издательский
центр. Регулярная и хаотическая динамика. 2. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. 3. «Актуальные проблемы современных наук-2009»
№.21Материалы Международной научно-практической конференции. Издат. «Nauka I
studia;2009».ISBN 978-966-8736-05-6. Чёрный предел. Теория относительности: новый взгляд.,
Яловенко С. Н., стр. 85 4. Яловенко С. Н. Теория относительности. Новый взгляд. Яловенко С. Н.
Уральский научный вестник. Научно-теоретический и практический журнал. №5(20) 2009.
ЖШС «Уралнаучкнига» 2009. ISSN 1561-6908 , Теория относительности. Новый взгляд. стр. 33
5. Яловенко С. Н. Чёрный предел. Яловенко С. Н. Вестник национального технического
университета "ХПИ" №8 2009г Тематический выпуск «Новые решения в современных
технологиях»; Чёрный предел. Харьков, 2009 г. стр.81 6. Яловенко С. Н. Чёрный предел часть 1.
Яловенко С. Н. Вестник национального технического университета "ХПИ" №43 2008г
Тематический выпуск «Новые решения в современных технологиях»; Чёрный предел часть 1
Харьков, 2008 г. стр.144 7. Яловенко С. Н. «Чёрный предел. Теория относительности: новый
взгляд» Яловенко С.Н. ТОВ издательство «Форт» 2009г. ISBN 978-966-8599-51-4 8. «Наука и
инновации - 2010» №.13., Материалы 6 Международной научно-практической конференции..
Techniczne nauki Fizyka .издает. «Nauka I studia;2010». Яловенко С. Н. ISBN 978-966-8736-05-6.
Чёрный предел. Теория относительности: новый взгляд. Часть 5. Мировоззрение, стр. 105 9.
«Наука: Теория и практика - 2010» №.7.Материалы 6 Международной научно-практической
конференции. издает. «Nauka I studia;2010». Яловенко С.Н., ISBN 978-966-8736-05-6. Чёрный
предел. Теория относительности: новый взгляд, стр. 78 10. Yаlovenko S. N. Black limit. Theory of
relativity. New view., Yаlovenko S. N. Научно-теоретический и практический журнал.
«Современный научный вестник №21 (77) 2009» ISSN 1561-6886 ФИЗИКА. Стр.67. 11. «Наука:
Теория и практика» №.6.., Материалы 6 Международной научно-практической конференции.
издает. «Nauka I studia;2009».ISBN 978-966-8736-05-6. Yаlovenko S. N. раздел. Fizyka. Teoretyczna
fizyka. Black limit. Theory of relativity. New view. Стр.17. 12. «Научный прогресс на рубеже
тысячелетий - 2010»., Материалы 6 Международной научно-практической конференции. от
27.05.2010 – 05.06.2010г. издает. Прага«Education and Science». ISBN 978-966-8736-05-6.
Yаlovenko S. N. Continuation of the theory of a relativity. стр. 10.
183
УДК 530.18 (УДК 530.10(075.4))
Чёрный предел. Часть 10.1 Продолжение теории относительности./ Яловенко С. Н //
(978). – С. 171-184. – Бібліогр.:12 назв.
Вводиться, нове обмеження - жодне тіло не можна розігнати до маси більше ніж маса
чорної діри, на додаток по обмеженню швидкістю світла. На базі цього обмеження виходять
нові формули для теорії відносності та розширення класичних рівнянь для маси, довжини, часу.
Показується відносність заряду. Розширюються формули для заряду і гравітації. У даній роботі
розглядається продовження теорії відносності на базі розвитку ефірної теорії, де дискретним
елементом сверхтекучего ефіру є крептон (міцна хвиля), елементарні частинки представлені
плоскими вирами, гравітація представлена як змінюється щільність крептона (міцна хвиля),
создающаяся плоскими вирами. Заряд представлений як розтягнутий виром хвіст синусоїди не
згорнуті спіраллю і створений дипольним зміщенням крептона. Енергія частинок представлена
як перетворення поступальної енергії хвилі під обертальну енергію виру. Показано, що
гравітація чорної діри плоска, а не коло. Виведений зоряний коефіцієнт заломлення.
Ключові слова: теорія відносності, вир, крептон, гравітація, щільність, маса, час,
довжина, заряд, швидкість світла, чорна діра.
Entered, new limitation – not a single body can not be dispersed to mass more than mass of
black hole, in addition on limiting to velocity of light. On the base of this limitation new formulas for
the theory of relativity and expansion of classic equalizations turn out for mass of,dliny, time.
Relativity of charge is shown. Rasshiryayutsya formulas for a charge and gravitation. In this work
continuation of theory of relativity is examined on the base of development of ether theory, where the
discrete element of sverkhtekuchego ether is krepton (strong wave) .Gde elementary particles are
presented flat whirlpools, a gravitation is presented as a changing closeness of kreptona (strong wave).
created flat whirlpools. A charge is presented however convolute the tail of sinewave stretched a
whirlpool is in by a spiral and created. Energy of particles is presented as converting of forward energy
of wave into rotatory energy of whirlpool. It is rotined that the gravitation of black hole is flat, but not
circle. The star coefficient of refraction is shown out.
Keywords: theory of relativity, whirlpool, krepton, gravitation, closeness, mass, time, length,
charge, velocity of light.
УДК 633.3:658.562
І. В. КУЗНЄЦОВА, канд.. техн.. наук, ст. н. с., НААН, Київ
МЕТОДОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА СТЕВІЇ (STEVIA REBAUDIANA) ЯК
СИРОВИНИ ГАРАНТОВАНОЇ ЯКОСТІ
Розроблено методологію виробництва стевії (Stevia rebaudiana), дотримання якої забезпечить
отримання сировини гарантованої якості. Розглянуто проблемні аспекти, які є основними при
післязбиральній обробці стевії, що впливають на якість та собівартість продукції. Визначено
перспективні напрями досліджень у процесі сушіння стевії.
Ключеві слова: методологія, стевія, якість, зберігання, сушіння.
Вступ. Якість сільськогосподарської продукції займає важливе значення у
формуванні продовольчої політики та висвітлюється в концепціях національної
безпеки, а також раціонального та збалансованого харчування всіх країн світу. Як
засвідчує світова практика, гарантування якості харчових продуктів можливе перед
усім завдяки якості сільськогосподарської сировини, з якої виготовляються харчові
продукти. Стратегічними цілями аграрної політики у формуванні показників якості
© І. В. КУЗНЄЦОВА, 2013
184
сільськогосподарської сировини на сучасному етапі є:
- забезпечення виробництва необхідною кількістю сільськогосподарської
сировини, відповідно до потреб населення України і світового ринку;
- забезпечення належного рівня показників якості сільськогосподарської
продукції;
- регулювання цінової доступності виробника харчових продуктів або споживача
до сільськогосподарської сировини/продукції.
Сьогодні поряд із продуктами основного харчового набору зростає роль
харчових продуктів спеціального призначення, в основі виробництва яких є
використання натуральних інгредієнтів. Відповідно, зростає роль лікарських рослин
як сировини для виробництва фіточаїв та харчових продуктів спеціального
призначення.
Стевія (Stevia rebaudiana) – це одна із перспективних і цінних лікарських
культур, яка використовується переважно завдяки вмісту речовин дитерпенових
глікозидів, що надають низькокалорійного значення як стевії так і продукту
отриманого з її використанням. Стевія як лікарська сировина за фізико-хімічними
показниками не вивчена повністю, що призводить до не повного використання її
рослинницьких ресурсів. Проте, питання якості є важливим для неї як і для інших
лікарських культур, оскільки на даний час у світі не відпрацьовано методологію її
зберігання [6].
Аналіз останніх досліджень та літератури. Вивченням питання сушіння
лікарської сировини, як одного із основних питань в отриманні якісної сировини, а
також розробці теоретичних засад даного питання займаються провідні вчені різних
країн: М.Ф. Казанський, Я.М. Мініовіч, Цуглєнок, І.А. Худоногов, С. КуєроАндрайде, Д. Мюллер, М. Хоссейні, тощо.
Зокрема, вивчено теоретичні питання процесу сушіння академіком М.Ф. Казанським
та його учнями: на основі термограм сушіння встановлено ряд сингулярних точок, що
характеризують різні форми зв'язку вологи з капілярно-пористими колоїдними
тілами, до яких можна віднести і лікарські рослини [7].
Д. Мюллер та М. Хоссейні вивчили вплив умов сушіння лікарської сировини на
її якість та запропонували оптимальні режими для окремих культур [3]. Більш
детально процес сушіння у промислових обсягах меліси лікарської вивчала С. КуєроАндрайде [2].
Проведені дослідження показують важливість процесу сушіння, від якого
залежить якість сировини та її собівартість. Отже, ключовим моментом у методології
отримання якісної сировини є саме процес її сушіння.
Метою роботи є вивчення методології отримання стевії (Stevіa rebaudіana
bertonі) як сировини гарантованої якості.
Матеріали досліджень. На основі висвітлених у наукових працях [2, 3, 7] та
проведених власних досліджень [5, 6] щодо встановлення чинників, які впливають на
якість сировини розроблено методологію зберігання стевії. Об’єктом дослідження є
стевія (Stevia rebaudiana).
Результати досліджень. Стевія (Stevia rebaudiana) - «чутлива» культура до умов
збирання та післязбиральної обробки. Неможливо її збирати у дощовий період.
Одразу необхідно забезпечити належні умови до післязбиральної обробки
(зберігання). Методологія зберігання стевії включає етапи, які передбачають умови
для виробництва стевії як сировини високої якості із мінімально можливими
витратами (рис.).
185
Рис. - Методологія отримання стевії високої якості.
Рис. - Методологія отримання стевії високої якості
Проблемними аспектами, під час післязбиральної обробки, є в першу чергу
забезпечення оптимальних умов зниження масової частки вологи у сировині, за яких
буде отримано сировину належної якості. Якість в свою чергу забезпечується не
тільки зовнішнім виглядом листків стевії, який має залишитись не змінним протягом
тривалого часу, але й на сам перед збереженням максимально можливого вмісту
біологічно цінних речовин таких як: речовини дитерпенових глікозидів, речовини
флаваноїдного комплексу, ефірні олії, амінокислоти, макро- та мікроелементи, тощо.
Забезпечення необхідного рівня вмісту комплексу біологічно цінних речовин
надасть можливість використовувати стевію у різних напрямах харчової
промисловості.
Не менш вагомими проблемними аспектами в процесі отримання сировини
високої якості є сам процес сушіння. Сушіння, як відомо, це найбільш поширений та
давній спосіб післязбиральної обробки стевії. Проте, сушіння – це енергоємний
процес. При виробництві сировини лікарських трав, у тому числі стевії, зазвичай
використовують природній спосіб сушіння (на сонці, повітряно-тіньовий, тощо), який
ефективний для дрібних фермерських господарств. При виробництві значного
(промислового) обсягу виробництва лікарських трав у фермерських господарствах
використовується штучний спосіб сушіння (у теплиці або сушарці). Слід відмітити,
що сушіння у сушарках ще недостатньо вивчений спосіб отримання сировини високої
якості навіть у розвинутих країнах.
Основними технологічними параметрами при сушінні є тривалість процесу та
енергоємність, які впливають на якісні показники та собівартість сировини. Сушіння
186
у природних умовах – це довготривалий процес. При цьому температура середовища
непостійна, що не завжди забезпечує належні якісні показники сировині. Більш
зручним способом є використання теплиць: забезпечується підтримка сталої
температури на рівні 25-35 °С впродовж необхідного часу для досягнення сталого
вмісту масової частки вологи (6-10%). Проте, забезпечення значних обсягів
виробництва сировини, як це наприклад, зі стевією за світовими прогнозами у період
з 2011 по 2014 рр. її виробництво зросте на 215% [4], потребує більш досконалого
способу сушіння. Цей спосіб має бути з низькою тривалістю та енергоємністю і
забезпечувати належну якість. Поєднання у сукупності всіх потреб забезпечується
при використанні сучасних сушарок. За дослідженнями економічної ефективності
використання сушарок у післязбиральній обробці встановлено, що залежно від її
енергоємності частка у собівартості сировини енерговитрати на сушіння становлять
30-50%. У першу чергу це пов’язано із вилученням значної кількості вологи: при
масовій частці вологи лікарських рослин 80% необхідно вилучити 4 кг вологи для
отримання 1 кг сухої сировини із вмістом масової частки вологи 11% [3].
Відомими є сушарки китайського виробництва або вітчизняні - створені в
Інституті технічної теплофізики НАН України. Вітчизняні сушарки дозволяють
отримати стевію сушену у короткий проміжок часу (1,5 год.). Використання відносно
не високої температури сушіння не підвищує енерговитрати на процес. Правильно
підібраний режим зберігання сировини забезпечить не тільки отримання сировини
гарантованої якості, а й отримання сировини високої якості тривалого зберігання [1].
Висновок. Забезпечення у сукупності всіх параметрів процесу на оптимальному
рівні у першу чергу забезпечить хороші органолептичні властивості (за зовнішнім
виглядом та смако-ароматичними здатностями) і фізико-хімічними властивостями,
що надасть можливість отримати сировину гарантованої якості тривалого зберігання.
У подальших дослідженнях має бути вивчено кінетику сушіння динаміку дихання
сировини впродовж зберігання стевії сушеної.
Список літератури: 1. Заявка на Патент України, № а201213398 Спосіб післязбиральної
обробки стевії (Stevia Rebaudiana Bertroni) / Роїк М. В., Снєжкін Ю. Ф., Петрова Ж. О., І. В
Кузнєцова Заявл. 23.11.2012. 2. Куєро-Андрайде С. Якість меліси сушеної (Melissa officinalis L.)
/ дисертація на здобуття ступеня доктора сільськогосподарських наук, - Вінсенхаузер, 2011, 154 с. 3. Мюллер Д., Хейнгль А. Сушка лекарственных расстений / Хоэнхаймский университет,
Институт сельскохозяйственной инженерии, D-70593, Германия, 2006, с. 237-252. 4. Новини
Stevia Corp. інт. ресурс : www.steviacorp.us 5. Роїк М. В., Кузнєцова І. В. Місце стевії (Stevіa
rebaudіana bertonі) в агропромисловому комплексі України / М. В. Роїк, І. В. Кузнєцова // Збірник
наукових праць Подільського ДАТУ, Камянець-Подільський, спец. випуск, листопад, 2012, с.
200-203. 6. Роїк М. В., Кузнєцова І. В., Пєхова О. А. Оцінка якості стевії (Stevіa rebaudіana
bertonі) як сировини для подальшого переробляння / М. В. Роїк, І. В. Кузнєцова, О. А. Пєхова //
тези науково-практичної конференції «Сучасне овочівництво: освіти, наука та інновації». –
Київ, НУБіПУ - 2012. с. 135-137. 7. Худоногов І. А. Ресурсоощадні методи управління ІКенергопідводом у процесах виробництва оздоровчого чаю. / автореф. На здобуття ступеня
доктора технических наук, - Красноярськ. 2009. – 40 с.
УДК 633.3:658.562
Методологія виробництва стевії (stevia rebaudiana) як сировини гарантованої якості /
Кузнєцова І. В. // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Х: НТУ
«ХПІ», – 2013. - № 4 (978). – С. 184-188. – Бібліогр.: 7назв.
187
Разработано методологию стевии (Stevia rebaudiana), которая обеспечит получение сырья
гарантированного качества. Рассмотрено проблемные аспекты, имеющие важное значение при
послеуборочной обработки стевии и влияют на качество и себестоимость продукции.
Определенно перспективные направления исследований в процессе сушки стевии.
Ключевые слова: методология, стевия, качество, хранение, сушка.
Methodology of Stevia (Stevia rebaudiana), which will provide more raw material guaranteed
quality. Problematic aspects that are essential for storage processing of Stevia, which affect the quality
and cost of products. Definitely promising directions of studies in the process of drying of Stevia.
Keywords: methodology, stevia, quality, storage, drying
188
ЗМІСТ
Мамедов Б. Ш. Применение уравнения Эйлера для вывода формул тяги,
полетного (тягового) КПД воздушно-реактивных двигателей по внешним
параметрам газового потока при Vп ≥ 0
3
Попов С. Н. Анализ влияния химического состава жаропрочных сталей и
температурного градиента на прочность сварных соединений
15
Коваль О. С. Исследование структур чугуна, модифицированного Si-Ba
20
Котляр А. В., Любимый Ю. Н. Моделирование процесса шлифования
валков прокатных станов на вальцешлифовальных станках
23
Святуха А. А., Плахотникова И. Б. Собираемость соединений с натягом
при тепловой сборке с использованием покрытий
27
Ванюшкин А. С. Модель формирования портфелей инвестиционных
проектов
31
Бондарев С. И., Сарана В. В., Свередюк Б. А. Удосконалення процесу
транспортування молока та організація його переробки
38
Себко В. В., Литвинова Ю. Л., Ляшенко К. И Повышение точности
измерений температурных параметров контролируемой пробы пищевого
красителя за счёт реализации многопараметрового метода измерительного
контроля
43
Кісельов Є. М. Побудова
Передінфарктних Станів
Моніторингу
50
Нефьодов Л. І., Маркозов Д. О., Ільге І. Г. Беспалий В. О. Алгоритм оцінки
економічної ефективності впровадження інформаційної технології у
торговельну організацію
55
Батракова А. Г. Математическая модель обработки и интерпретации
данных подповерхностного зондирования дорожных одежд
60
Рапин В. В. Влияние аргументной фазовой
характеристики автоколебательной системы
на
54
Шуляков В. М. Аналіз використання методу субтрактивної кластерізації
при створені нечітких регуляторів електрогідравлічних слідкуючих
приводів автомобілів
69
Системи
189
Віддаленого
обратной
связи
Бельчева А. B. Модель оценки качества пространственных данных для
ГИС-приложений
73
Гаєвська В. О., Шур В. А, Кабиш А. Ю. Управління інформаційними,
матеріальними і фінансовими потоками в системах постачання населенню
нефасованої питної води
79
Поляков Е. А. Требования к нормированию динамических характеристик
средств измерений для обеспечения качественного восстановления входных
сигналов
85
Кудрявцева М. С. Модель организационной структуры управления
проектной деятельностью электроэнергетического предприятия
89
Данильченко А. О. Модифікація генетичного алгоритму для вирішення
задачі про паросполучення зі зникаючими дугами
93
Ноздрачова К. Л. Визначення “мертвої зони” при ультразвуковому контролі
виробів циліндричної форми
102
Гринь С. А., Филенко О. Н., Якибчук В. В. Использование установки 106
кипящего слоя для сушки поваренной соли
Хижняк О. С., Краснопольський Ю. М. Біотехнологічні аспекти отримання 113
комплексного препарату, який містить різні штами пробіотичних культур
Литвиненко Е. А. Фракционирование пальмового масла с использованием
детергентов
121
Хитрова И. В., Гарбуз Ю. М., Новожилова Т. Б. Выбор катализаторов
для обезвреживания многокомпонентных углеводородных смесей
125
Демидов И. Н., Мунир Шавкат Садик, Гранкина К. В. Использование 130
жирных кислот соапстока для получения бутиловых эфиров жирных кислот
Грицаенко И. В., Федоренко И. А.Aльтернативные виды топлива на основе 134
растительных масел
Бєлінська А. П. , Кричковська Л. В. , Жирнова С. В. , Петров С. О. 138
Стабілізація поліненасичених жирних кислот і каротину в функціональних
продуктах харчування
Рой В.Ф., Рой Ю.В. Проблеми використання бактерицидних індукційних
ламп
190
142
Червоный И. Ф., Реков Ю. В., Головко О. П. Процесс водородного
восстановления трихлорсилана
146
Русанов М. Г., Ремзі І. В. Актуальні проблеми підвищення безпеки
життєдіяльності студентської молоді у процесі фізичного виховання
152
Слесаренко А. П., Венгеров И. Р. Математическое моделирование
сопряженного теплообмена в системе «массив-полость»
157
Кшановський І. П. Критерій скінченності  -типу аналітичних в проколеній 164
площині функцій
Яловенко С. Н Чёрный предел. Часть 10.1 Продолжение теории 171
относительности.
Кузнєцова І. В. Методологія виробництва стевії (stevia rebaudiana) як 184
сировини гарантованої якості
191
НАУКОВЕ ВИДАННЯ
ВІСНИК
НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ
"ХПІ"
Збірник наукових праць
Серія:
Нові рішення в сучасних технологіях
№4(978)
Науковий редактор чл.-кор. НАН України, д-р техн. наук, проф. Є. І. Сокол
Технічний редактор Т.Л. Коворотний
Відповідальний за випуск: к. т. н. І. Б. Обухова
АДРЕСА РЕДКОЛЕГІЇ: 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21, НТУ «ХПІ».
Рада молодих учених і спеціалістів РМУС, тел. (057)707-60-40, e-mail:
[email protected]
Обл.-вид. №11-13
Підп. до друку «04» лютого 2013р. Формат 60x84/16. Надруковано на різографі
Gestetner 6123CP. Ум.-друк. арк. 9,4. Облік.вид.арк. 10,0.
Наклад 300 прим. 3ам. № 50. Ціна договірна
__________________________________________________________________
Видавничий центр НТУ «ХПІ». Свідоцтво про державну реєстрацію суб’єкта
видавничої справи ДК №3657 від 24.12.2009
61002, Харків, вул. Фрунзе, 21
______________________________________________________________________
Друкарня "Технологічний Центр"
Свідоцтво про державну реєстрацію №1 480 120 0000 021055 від 02.04.2002
Адреса: 61145, м. Харків, вул. Шатилова дача,4
______________________________________________________________________
192

ВІСНИК № 4(978)2013 НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Transcription

Similar documents