Preview

Вестник Донского государственного технического университета

Расширенный поиск
Том 19, № 1 (2019)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)

МЕХАНИКА

4-12 63
Аннотация

Введение. Работа посвящена исследованию решения задачи трансформации форм фосфора, азота и кремния. Данная проблема возникает при моделировании динамики фитопланктона в мелководных водоемах, в том числе в Азовском море. Модель динамики фитопланктона сформулирована как краевая задача для системы уравнений диффузии-конвекции-реакции и учитывает поглощение и выделение питательных веществ фитопланктоном, а также переход питательных веществ из одного соединения в другое. Для расчета начальных условий и параметров уравнений, при которых наступает стационарный режим, разработано программное обеспечение, основой которого послужила модель, описывающая изменения концентраций фитопланктона без учета влияния течений. Данная модель представлена системой неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений. На основе разработанного программного обеспечения экспериментальным образом рассчитаны начальные условия и параметры модели динамики фитопланктона в Азовском море.

Материалы и методы. Рассматривается трехмерная модель динамики фитопланктона с учетом трансформации соединений фосфора, азота и кремния, основанная на системе уравнений транспорта биогенных веществ. Для уточнения параметров модели, при которых наступают стационарные режимы, рассматривается случай пространственно-однородного распределения субстанций. В результате упрощения получена система обыкновенных дифференциальных уравнений, которая решена методом Рунге-Кутты.

Результаты исследования. Разработано программное обеспечение для уточнения начальных условий и параметров модели динамики фитопланктона с учетом трансформации соединений фосфора, азота и кремния. Проведены несколько численных экспериментов в предположении, что развитие фитопланктона лимитируется единственным биогенным веществом. В результате вычислительного эксперимента видно, что при полученных значениях начальных концентраций и параметров уравнений наступают стационарные режимы для системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающей случай пространственно-равномерного распределения субстанций.

Обсуждение и заключения. В работе исследована математическая модель трансформации форм фосфора, азота и кремния в задаче динамики фитопланктона. Получены стационарные режимы для системы обыкновенных дифференциальных уравнений, для которых определены значения параметров системы и начальные условия. Полученные результаты могут быть использованы в процессе дальнейшего моделирования динамики фитопланктона с учетом трансформации соединений фосфора, азота и кремния с учетом конвекции-диффузии, солености, температуры.

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

13-23 49
Аннотация

Введение. Статья посвящена исследованию адаптивного гидропривода подачи инструмента мобильной буровой машины на примере установки УРБ-2,5. Рассмотрен типовой технологический цикл мобильной буровой машины, определены критерии функционирования. По результатам анализа предложено оригинальное схемотехническое решение адаптивного гидропривода. Адаптации гидропривода подачи инструмента осуществляется при помощи регулируемого объемного гидродвигателя с контуром гидравлического управления при изменяющейся нагрузке на инструменте в процессе бурения.

Материалы и методы. Предварительным вычислительным экспериментом в программе Matlab Simulink определены параметры устройств контура управления: гидромеханического датчика и гидроуправлямого клапана, на основе которых реализована экспериментальная установка. Выполненный многофакторный эксперимент позволил идентифицировать процессы в оригинальном гидравлическом контуре управления гидромотором при различных режимах нагружения инструмента.

Результаты исследования. Получены и определены кинематические и силовые характеристики гидромеханической системы мобильной буровой установки, влияние гидравлического управления на параметры настройки устройств контура. Результаты позволили определить рациональные диапазоны функционирования гидромеханической системы для типового рабочего цикла.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы при создании гидросистем новых буровых машин с различными характеристиками. Использование разработанных методик исследования и обработки их результатов позволит сократить затраты времени и средств при проектировании адаптивных гидросистем мобильных технологических машин, создании опытных образцов и проведении пуско-наладочных работ.

24-30 39
Аннотация

Введение. Статья посвящена исследованию возможности использования в качестве присадки к смазочной композиции одноосновных карбоновых кислот и изучению их влияния на эволюцию коэффициента трения пары латунь-сталь, а также изучению морфологии формирующихся при трении поверхности пленок. Целью работы являлось изучение влияния концентрации карбоновых кислот в составе смазочной композиции на эволюцию коэффициента трения пары сплав медь-сталь.

Материалы и методы. Проведены трибологические исследования пары трения латунь-сталь в водных растворах одноосновных карбоновых кислот с концентрациями 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 моль/л. С помощью растровой электронной микроскопии изучена морфология поверхности сервовитной пленки, формирующейся на стальном диске после фрикционного взаимодействия пары трения латунь-сталь в водных растворах кислот с концентрацией 0,1 моль/л.

Результаты исследования. Изучены трибологические характеристики трибосопряжения латунь-сталь в водных растворах карбоновых кислот различной концентрации. Установлена оптимальная концентрация кислоты в составе смазки, при которой в результате трения пары латунь 59-сталь 40Х реализуется избирательный перенос и достигается режим безызносного трения. Обнаружено снижение коэффициента трения до 0,009 и 0,007 при трении в водных растворах валериановой и капроновой кислот соответственно. С помощью растровой электронной микроскопии выявлено формирование на стальной поверхности антифрикционной пленки. Установлено, что пленка, формирующаяся в водном растворе капроновой кислоты, имеет более плотную структуру, в сравнении с пленкой, формирующейся при
трении в водных растворах масляной и капроновой кислот.

Обсуждение и заключения. В результате трибологических исследований пары трения латунь-сталь в водных растворах кислот выявлено, что оптимальной молярной концентрацией кислоты в составе смазки является концентрация 0,1 моль/л. При этой концентрации кислоты достигаются значения коэффициента трения, характерные для режима безызносности. Выявлено, что изменение концентрации кислоты приводит либо к увеличению значений коэффициента трению, либо к незначительному его снижению. При этом увеличение концентрации кислоты сопровождается коррозионными процессами на поверхности пары трения.

31-37 43
Аннотация

Введение. Исследован процесс электроосаждения композитных электрохимических покрытий из электролитаколлоида никелирования, содержащего ультрадисперсный порошок диборида циркония. Цели работы: исследование физико-механических свойств композитов на основе никеля и наноструктурного диборида циркония, а также определение оптимальных условий нанесения такого электрохимического покрытия.

Материалы и методы. Микротвердость композитных электрохимических покрытий измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3 на образцах с толщиной слоя 30 мкм при нагрузке на индентор 100 г. Для определения износостойкости покрытий использовали трехшариковую машину трения. Испытания образцов проводили в режимах сухого трения и с применением 3 % смазочноохлаждающей жидкости РВ. Значения диаметра пятна износа измерили под микроскопом МИР-3 ТУ 3-3.1954-86.  Для определения внутренних напряжений в покрытии воспользовались методом гибкого катода в соответствии с ГОСТ 9.302-88.

Результаты исследования. Разработан состав электролита-коллоида и режимы электроосаждения композитных покрытий никель — наноструктурный диборид циркония. Проведен анализ физико-механических свойств (микротвердость, износостойкость и внутренние напряжения) полученных композитных электрохимических покрытий. Сформулированы рекомендации по использованию разработанного электролита и нанесению композитного покрытия на детали машин для их поверхностного упрочнения.

Обсуждение и заключение. КЭП NiZrB2 имеет высокую микротвердость (10–11 гПа при нагрузке на индентор 100 г), что превышает микротвердость чистого никеля в 1,5–2 раза. При возрастании микротвердости снижаются внутренние напряжения КЭП NiZrB2. Предлагаемые покрытия сравнивались с хромовыми, осаждаемыми из экологически опасных электролитов. Износостойкость КЭП NiZrB2 в 2–5 раз больше, чем у хромовых покрытий. Таким образом, рекомендуется вместо хромовых покрытий использовать предлагаемый состав для поверхностного упрочнения деталей специальной техники и промышленного оборудования.

38-44 35
Аннотация

Введение. Рассматриваются особенности динамических взаимодействий в механических колебательных системах, в структуре которых имеются дополнительные связи. Практически такие ситуации возникают при использовании в формировании технических объектов различных дополнительных механизмов и устройств для преобразования движения. Цель исследования заключается в разработке метода построения математических моделей в задачах динамики механических колебательных систем с дополнительными устройствами и особенностями в системе внешних возмущающих факторов.

Методы, используемые для исследования свойств систем и изучения динамических эффектов, основаны на идеях структурного математического моделирования. Полагается, что механической колебательной системе, рассматриваемой в качестве расчетной схемы технического объекта, можно сопоставить эквивалентную в динамическом отношении систему автоматического управления. Используется математический аппарат теории автоматического управления.

Результаты исследования. Разработан метод построения математических моделей. Получены необходимые аналитические соотношения для построения частотных диаграмм колебательных систем, позволяющие сформировать методологическую основу для интегральной оценки и сравнительного анализа свойств исходных систем в различных динамических состояниях. Проведены исследования динамических свойств систем с двумя степенями свободы в рамках вычислительного моделирования. Доказаны возможности реализации в механических колебательных системах режимов динамического гашения колебаний одновременно по двум координатам при совместном действии двух синфазных кинематических возмущений.

Обсуждение и заключения. Отмечены возможности проявления новых динамических эффектов, которые связаны с изменением структуры системы при определенных формах динамических взаимодействий. Работа представляет интерес для специалистов в области динамики машин, робототехники, мехатроники, нано- и мезомеханики.

45-55 51
Аннотация

Введение. В статье показано, что цифровой двойник (электронный паспорт) станка с ЧПУ разрабатывается как киберфизическая система. Цель работы — создание нейросетевых моделей, определяющих функционирование станка с ЧПУ, его производительность и динамическую устойчивость при резании.

Материалы и методы. Рассматриваются вопросы создания математических моделей процессов механической обработки с использованием системы сенсоров и промышленного интернета вещей. Оценены методы машинного обучения, подходящие для реализации названных задач. Предложена нейросетевая модель динамической устойчивости процесса резания, позволяющая оптимизировать процесс механической обработки на этапе технологической подготовки производства. На основе подходов нелинейной динамики реконструированы аттракторы динамической системы резания и определены их фрактальные размерности. Выбраны оптимальные характеристики оборудования по входным параметрам и отладке планируемого технологического процесса на основе цифровых двойников.

Результаты исследований. Использование методов машинного обучения позволило создать и исследовать нейросетевые модели технологических систем обработки резанием и программное обеспечение для их реализации. Показана возможность применения деревьев решений для задачи диагностики и классификации неисправностей станков с ЧПУ.

Обсуждение и заключения. В реальном производстве технология цифровых двойников позволяет оптимизировать режимы обработки с учетом технического и динамического состояния станков с ЧПУ. Это обеспечивает высокоточную оценку производственных мощностей предприятия при составлении производственной программы. Кроме того, на основе интеллектуального анализа данных системы распределенных сенсоров можно выявить неисправности оборудования в режиме реального времени.

56-62 33
Аннотация

Введение. В статье рассматривается возможность применения риск-ориентированного подхода в системе «персонал-механизмы-производственная среда» на объектах, использующих башенные краны посредством внедрения IT-технологий, обеспечивающих открытое взаимодействие персонала, руководящего состава эксплуатирующих организаций и государственных надзорных органов в целях снижения уровня аварийности.

Материалы и методы. Приведен пример опасного производственного объекта, эксплуатирующего башенные краны. Использованы материалы анализа состояния эксплуатации башенных кранов в условиях действующего законодательства в области промышленной безопасности, выявлена необходимость инноваций и преобразований, одним из составляющих методов которых является рискориентированный подход, позволяющий реализовать все необходимые уровни контроля.

Результаты исследования. Определены этапы внедрения риск-ориентированного подхода для машинистов башенного крана, реализованного посредством ITтехнологий с использованием Web-приложений по управлению безопасностью при эксплуатации башенного крана на основе анализа опасностей и оценки риска в цветовой гамме, алгоритмически связанной с электронным ключом блокировки его локальной системы безопасности.

Обсуждение и заключения. Применение рискориентированного подхода в системе «персоналмеханизмы-производственная среда» на объектах, эксплуатирующих башенные краны посредством внедрения IT-технологий, позволит обеспечить надежное функционирование всех подразделений и каждого участника работ по эксплуатации, а также предоставит возможность надзорным органам получать доступ к информации по эксплуатации для осуществления контрольно-надзорных функций дистанционно.

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

63-73 52
Аннотация

Введение. Своевременное устранение дефектов (трещин,  сколов и пр.) на участках повышенной нагрузки дорожного полотна позволяет снизить риск возникновения аварийных ситуаций. В настоящее время для контроля состояния дорожного покрытия применяются различные методы фото- и видеонаблюдения. Оценка и анализ полученных данных в ручном режиме могут занять недопустимо много времени. Таким образом, необходимо совершенствовать процедуры осмотра и оценки состояния объектов контроля с помощью технического зрения.

Материалы и методы. Авторами предложена модель глубокой сверточной нейронной сети для идентификации дефектов на изображениях дорожного покрытия. Модель реализована как оптимизированный вариант наиболее популярных на данный момент полностью сверточных нейронных сетей (FCNN). Показано построение обучающей выборки и двухэтапный процесс обучения сети с учетом специфики решаемой задачи. Для программной реализации предложенной архитектуры использовались фреймворки Keras и TensorFlow.

Результаты исследования. Применение предложенной архитектуры эффективно даже в условиях ограниченного объема исходных данных. Отмечена высокая степень повторяемости результатов. Модель может быть использована в различных задачах сегментации. Согласно метрикам, FCNN показывает следующие результаты идентификации дефектов: IoU — 0,3488, Dice — 0,7381.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в процессе мониторинга, моделирования и прогнозирования процессов износа дорожных покрытий.

81-85 43
Аннотация

Введение. Статья посвящена оценке эффективности методов и алгоритмов решения оптимизационных задач с векторным критерием и системой нелинейных ограничений. Описан подход, позволяющий после проведения эквивалентных преобразований перейти к оптимизационной задаче с одной целевой функцией (т. е. к задаче безусловной оптимизации). Однако полученная таким способом целевая функция обладает свойствами (нелинейность, мультимодальность, овражность, большая размерность), не позволяющими использовать для ее решения классические методы. Цель представленного исследования — разработать для решения данной задачи гибридные методы, основанные на комбинациях алгоритмов, инспирированных живой природой, с другими подходами (гравитационным и градиентным).

Материалы и методы. Созданы новые методы для решения указанной задачи. Проведен компьютерный эксперимент на ряде тестовых функций, выполнен его анализ, показывающий эффективность различных комбинаций на различных функциях.

Результаты исследования. Оценена эффективность гибридных алгоритмов, которые комбинируют следующие подходы: генетический с иммунным; методы роевого интеллекта с генетическими и иммунными; иммунные и роевые с гравитационным и градиентным.

Обсуждение и заключение. Изучены возможности гибридных алгоритмов в оптимизационных задачах. В частности, на их основе могут приниматься решения при управлении сложными объектами в военной и промышленной сферах, при создании инновационных проектов, связанных с цифровой экономикой. Установлено, что вид целевой функции влияет на результат гораздо более существенно, чем комбинация алгоритмов.

86-92 33
Аннотация

Введение. Предложенный в статье быстрый программный алгоритм арифметического кодирования предназначен для сжатия цифровых изображений. Показано, каким образом сложность алгоритма арифметического кодера зависит от критериев сложности (при этом размер входа не учитывается). В процессе работы определены наиболее вычислительно сложные части алгоритма арифметического кодера. Выполнена оптимизация производительности их программной реализации. Кодеки с новым алгоритмом сжимают без учета межкадровой разницы фото- и видеоматериалы, полученные при дистанционном зондировании водных объектов.

Материалы и методы. В представленной научной работе использована подборка спутниковых снимков акватории Азовского моря. При этом оптимизирован программный алгоритм арифметического кодера, проведено теоретическое исследование, выполнен вычислительный эксперимент.

Результаты исследования. Увеличена производительность программной реализации арифметического кодера на примере видеокодека VP9. Для измерения времени выполнения произведены многочисленные запуски эталонного и модифицированного кодеков. Сравнение среднего времени их исполнения показало, что производительность модифицированного кодека на 5,21 % выше. Прирост общей производительности для арифметического декодирования составил 7,33 %.

Обсуждение и заключения. Увеличение скорости работы новейших алгоритмов сжатия цифровых фото- и видеоизображений позволяет применять их на мобильных вычислительных платформах, в том числе в составе бортовой электроники беспилотных летательных аппаратов. Теоретические результаты данной работы расширяют методы анализа сложности алгоритма в среднем случае. Они могут использоваться в ситуации, когда количество шагов алгоритма зависит не  только от размеров входа, но и от неизмеримых критериев (например, от схемы обращения к общей оперативной памяти со стороны параллельных процессоров).

74-80 38
Аннотация

Введение. Цифровые данные и аналитика преобразуют роль технического обслуживания производственного оборудования. Аналитическая информация датчиков, размещенных на изделии, позволяет непрерывно наблюдать функционирование технологических машин и своевременно обслуживать их. Так, выявляются дефекты технического оснащения, анализ которых позволяет разрабатывать алгоритмы мониторинга, прогнозирования и предупреждать выход оборудования за пределы надежной работы.

Материалы и методы. Представлены основные принципы цифровизации и структура построения цифровых образов. Используется математический метод описания вектора цифровых образов и алгоритмизации системы управления.

Результаты исследования. Обобщены достижения известных систем технического обслуживания и цифровизации различных машин. Использование динамического цифрового образа позволило определить необходимые уровни для поддержания работоспособности технологических объектов. Показан возможный вариант мониторинга состояния оборудования в рамках концепции цифровизации производства. Он основан на предложенном алгоритме автономного управления технологическим состоянием.

Обсуждение и заключение. Описано построение цифровых образов станка в соответствии с основными стадиями его жизненного цикла. Рассмотрена задача автоматизированного поддержания работоспособности станков на базе цифровизации.

93-100 36
Аннотация

Введение. Статья посвящена решению задачи синтеза управления движением центра масс (задача наведения) беспилотного летательного аппарата (БЛА) с большой дальностью полета на разгонном участке. Условие управления: оптимальный расход топлива. Для решения задачи используется принцип динамического программирования с учетом ограничений на модуль вектора тяги двигателя. Реализация терминального наведения требует формирования управления как функции состояния объекта в конце участка выведения. Достижение этих граничных условий определяет дальнейший переход к баллистической фазе полета.

Материалы и методы. Принцип динамического программирования Беллмана является наиболее рациональным с точки зрения реализуемости эффективных в вычислительном отношении бортовых алгоритмов и решения задачи в форме синтеза. При естественной ограниченности величины тяги и энергетических ресурсов на борту данный принцип позволяет получить решения, не содержащие функции переключения. Оптимальное управление в этом случае является гладкой функцией (без разрыва производной) текущих и конечных параметров БЛА.

Результаты исследования. Разработан новый алгоритмический способ синтеза терминального управления движения. Его отличие в том, что управление движением БЛА на разгонном участке траектории формируется функцией текущих и конечных параметров движения. Таким образом обеспечивается движение по энергетически оптимальной траектории в заданную область пространства. Результаты решения задачи позволяют строить замкнутые алгоритмы терминального наведения для разгонного участка траектории БЛА с большой дальностью полета. Такие алгоритмы обладают хорошей сходимостью и точностью выведения за счет прогнозирования параметров в процессе полета на сокращающемся интервале времени.

Обсуждение и заключения. Наиболее предпочтительным представляется принцип динамического программирования. Именно его следует использовать при решении задачи синтеза оптимального по расходу топлива управления движением центра масс (задача наведения) БЛА с большой дальностью полета на разгонном участке.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1992-5980 (Print)
ISSN 1992-6006 (Online)