Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 64, № 3 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

263-274 157
Аннотация

Показано, что при механической обработке изделий из материалов с гетерогенной структурой возможности управления состоянием поверхностного слоя существенно ограничиваются. В качестве примера управления рассмотрена лезвийная обработка изделий из материалов с гетерогенной структурой – точение высокопрочных покрытий, нанесенных газопламенным напылением.
В связи с тем что для аморфной составляющей гетерогенных покрытий свойственно отсутствие деформационного упрочнения, при их обработке наблюдается значительная деформация срезаемого материала и образуется характерная стружка. Высокоинтенсивное термобарическое воздействие на обрабатываемый гетерогенный материал приводит к частичной кристаллизации в тонком поверхностном слое с высоким содержанием аморфной фазы.
Предложен критерий, количественно оценивающий статистические показатели, которые комплексно характеризуют однородность структуры материалов, разброс их свойств по величине. Критерий позволяет определить способность материалов подвергаться резанию без проведения длительных экспериментов.

275-285 352
Аннотация

Работа посвящена проблеме получения твердых износостойких материалов методом СВС-литья с применением центробежных сил. Разработано устройство для центробежного СВС-литья и составы исходной реакционной шихты на основе железа. Создана и реализована на практике технология получения покрытий, материалов и конечных изделий с неоднородным распределением упрочняющих частиц по объему образца. Исследована микроструктура и фазовый состав синтезированного материала с неоднородным распределением упрочняющих частиц. В синтезированном материале реализован принцип Шарпи: в относительно мягкой основе распределены твердые дисперсные частицы карбидов, что обеспечивает высокую износостойкость.
Методом СВС-литья были изготовлены заготовки для измерительных калибров типа «пробка», которые успешно прошли производственные испытания на ОАО «ВИЗАС». Испытания показали, что твердость всех синтезированных образцов находится в интервале 63–68 HRC; количество измерений на 1 мкм износа на диаметре 15 мм составляет 2500–2700. Таким образом, использование разработанного метода позволило существенно (в 1,5–2 раза) повысить срок службы измерительного инструмента.

286-295 117
Аннотация

Изучено влияние электроэрозионной обработки поверхности твердосплавных пластин на их фазовый состав и вакуумную пайку режущих элементов из сверхтвердой нитридной керамики. Проведены исследования качества поверхности и элементного состава твердосплавных пластин для пайки режущих элементов из сверхтвердых материалов. Поверхность пластин для напайки обработана методом электроэрозионной резки латунной проволокой в воде, а также методом электроэрозионного прямого прожога с использованием медного и графитового электродов в керосине. Микроструктура и элементный состав поверхностей твердосплавных пластин были исследованы методами электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии до и после их обработки. Анализ полученных данных свидетельствует, что наилучшие результаты при электроэрозионной обработке твердосплавной пластины и наиболее прочное сцепление спаиваемых материалов достигаются при использовании медного электрода и латунной проволоки, так как при этом обеспечиваются максимальное смачивание поверхности пластины припоем на основе Cu–Ti–Sn и отсутствие пор. Соединение твердосплавной резцовой пластины и керамического режущего элемента производилось методом высокотемпературной пайки в вакууме. Испытания пластин с напайными режущими элементами показали, что шероховатость обработанной поверхности заготовок из стали ХВГ с твердостью HRC 47–62 и из стали ШХ15 с твердостью HRC 57–58 соответствовала 6–8-му классам чистоты при скорости резания 155–170 м/мин. Критерием для оценки режущих свойств сверхтвердых материалов по результатам стойкостных испытаний служил износ резца по задней грани 0,4 мм.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

296-303 223
Аннотация

При изготовлении имплантатов, подверженных повышенным циклическим нагрузкам, в последнее время широко используются кобальт-хромовые сплавы, обладающие высокой твердостью и износостойкостью. Шероховатость рабочих поверхностей является одной из важнейших характеристик таких изделий. Традиционные процессы финишной отделки поверхности имплантатов из кобальт-хромовых сплавов основаны на механических и электрохимических методах. Недостатками механических методов являются малая производительность, подверженность внедрению инородных частиц, затруднения при обработке сложных геометрических форм. Для электрохимических технологий рассматриваемые материалы труднообрабатываемые, в процессах их полирования используются вредные электролиты, состоящие из растворов кислот. В качестве альтернативы существующим методам предложено использование экологически безопасного метода электролитно-плазменного полирования, основным преимуществом которого является применение в качестве электролитов водных растворов солей концентрацией 3–5 %. По результатам отработки технологического процесса установлено, что на большинстве режимов электролитно-плазменного полирования кобальт-хромовых сплавов медицинского назначения на поверхности происходит формирование рельефа в виде сетки выступов, происхождение которых можно объяснить неоднородностью структуры материала, возникающей на стадии получения заготовки литьем. Причем высота образующихся рельефных выступов оказывает непосредственное влияние на величину шероховатости поверхности. В результате исследований определены режимы процесса электролитно-плазменного полирования, обеспечивающие формирование гладкой поверхности без присутствия рельефных выступов, сглаживание микрорельефа с удалением царапин, образуемых в результате предварительного шлифования, с достижением низкого значения шероховатости (Ra 0,057 мкм) и высокого коэффициента отражения (0,7), что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к поверхности имплантатов.

304-320 349
Аннотация

Автономная система энергоснабжения современных мобильных средств специального назначения требует разработки электромеханических преобразователей энергии с высокими энергетическими и минимальными массогабаритными показателями. В промышленно развитых странах в качестве перспективной энергоустановки рассматривается система «свободнопоршневой двигатель – возвратно-поступательный электрический генератор поперечного типа».
Главной особенностью такой энергоустановки является отсутствие кривошипно-шатунного механизма в конструкции двигателя. Это позволяет: увеличить коэффициент полезного действия двигателя до 50–60 % и габаритную мощность в 2,5–3 раза с одновременным уменьшением удельной массы и металлоемкости по сравнению с традиционными двигателями; снизить удельный расход топлива двигателя до 30 %; увеличить ресурс до капитального ремонта на 30–50 тыс. ч; реализовать модульную структуру.
Основными недостатками такой энергоустановки являются большая вероятность поломки при пропуске зажигания рабочей смеси и неустойчивость работы при значительных колебаниях нагрузки. Отмеченные недостатки обусловлены несогласованностью сил электрической и механической подсистем энергоустановки на всем рабочем цикле. Особую сложность вызывает решение задачи согласования сил электрической и механической подсистем энергоустановки в крайних положениях поршневой группы свободнопоршневого двигателя. В связи с этим был разработан способ решения задачи согласования сил механической и электрической подсистем энергоустановки со свободнопоршневым двигателем на всем рабочем цикле, отличающийся использованием в электрической подсистеме энергоустановки электромеханического преобразователя энергии возвратно-поступательного типа с поперечным и продольным нелинейным изменением магнитного потока. Согласование сил механической и электрической подсистем энергоустановки на всем рабочем цикле позволяет обеспечить выполнение условия непрерывного электромеханического преобразования энергии на всем рабочем цикле и уменьшить удельную массу электрической подсистемы энергоустановки при одновременном повышении коэффициента полезного действия.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

321-331 169
Аннотация

Обсуждаются результаты кинетического исследования пиролиза древесной биомассы (древесина дуба обыкновенного – Quercus robur) в статических условиях при температурах 673, 773 и 873 К. В опытах образцы массой порядка 1,4 г выдерживались в нагревательной печи на протяжении некоторого промежутка времени, после чего измерялась их остаточная масса и определялась достигнутая степень разложения. Всего выполнено семь серий опытов: по две серии при температурах 673 и 873 К и три серии при температуре 773 К. Полученные результаты анализировались в рамках одностадийной химической реакции, приводящей к потере исходной массы. Установлено, что с феноменологической точки зрения пиролиз древесной биомассы в условиях опытов соответствует сигмоидальной реакционной модели Аврами–Ерофеева с показателем степени n, изменяющимся в пределах от 0,508 до 0,985. Анализ результатов первых серий опытов привел к значению энергии активации, равному 57,2 кДж/моль, и значению предэкспоненциального фактора, равному 38 с–1. Другие серии опытов дали значение энергии активации, равное 64,9 кДж/моль, и значение предэкспоненциального фактора, равное 130 с–1. Показано, что использование этих значений энергии активации и предэкспоненциального фактора приводит к согласию расчетных значений степени разложения изученных образцов биомассы с экспериментальными в интервале значений степени разложения от 0 до 1. Представленные в работе данные способствуют более полному пониманию кинетики пиролиза биомассы, что необходимо для разработки эффективного оборудования для термохимической переработки растительного сырья.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

332-346 135
Аннотация

Разнесение сигналов, передаваемых от базовой станции (центра управления полетом) к мобильной станции или летательному аппарату, например беспилотнику, используя систему с множественным доступом и кодовым разделением каналов, предоставляет возможность получать такую же вероятность ошибки на бит, как и в случае разнесенного приема сигналов без усложнения структуры антенной решетки приемной антенны летательного аппарата. Предварительное кодирование совместно с предварительной фильтрацией передаваемых сигналов с учетом знания информации о параметрах канала связи c многолучевым излучением передаваемого сигнала, порождающим замирания, выполняемое передающим устройством базовой станции, может применяться для обеспечения многолучевого распространения передаваемого сигнала без необходимости использования многоканального приемного устройства для разнесенных сигналов бортовой аппаратурой летательного аппарата. Мы изучаем возможность реализации нескольких методов разнесения сигналов, передаваемых от центра управления полетом к летательному аппарату, используя систему с широкополосным множественным доступом и кодовым разделением каналов. Мы также исследуем оптимальный метод для сочетания разнесения передаваемых сигналов и предварительного кодирования, который дает возможность получить вероятность ошибки на бит очень близкую к оптимальной вероятности ошибки на бит при оптимальном сложении разнесенных сигналов по всем пространственным и частотным каналам разнесенного приема. Мы используем алгоритм долгосрочного прогнозирования параметров канала связи с целью адаптации рассматриваемых методов к условиям быстрого изменения во времени параметров канала связи с замираниями при многолучевом излучении передаваемых сигналов.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

347-358 360
Аннотация

Исследование показателей надежности проводилось на примере кластерной суперкомпьютерной конфигурации «СКИФ-ГЕО-ЦОД РБ» (далее – кластер), разработанной в рамках научно-технической программы Союзного государства «СКИФ-Недра» (2015–2018 гг.). Кластер представляет собой стационарную суперкомпьютерную конфигурацию, предназначенную для решения ресурсоемких прикладных задач в центрах обработки данных (ЦОД). Вычислительные платформы и другие модули кластера располагаются в одной 19′′ стойке типа APC Netshelter высотой 42U. Теоретическая пиковая производительность кластера – 100 Тфлопс. Приведены базовые архитектурные принципы, реализованные в кластере, состав и структурно-функциональная схема кластера.
Предложено методическое обеспечение расчета надежности кластера, базирующееся на предыдущих исследованиях авторов. Обоснована структурная схема надежности (ССН) кластера, состоящая из двух частей – ядра кластера и совокупности вычислительных средств (узлов) (СВС). В ядро кластера и в СВС входят составные части (СЧ), отказы которых приводят к снижению производительности кластера, причем в ядро входят СЧ, отказы которых приводят к снижению производительности кластера до нуля. Обоснован выбор основных показателей надежности ядра кластера и СВС, приведены формулы расчета этих показателей. Проведен анализ последствий отказов комплектующих кластер СЧ. С учетом этого анализа определена ССН ядра кластера, позволяющая определить формулу расчета показателей надежности ядра кластера. Предложена математическая модель надежности (граф состояний) СВС кластера и формулы для вычисления средней наработки на отказ и на сбой СВС кластера.
Определена надежность СЧ кластера, для которых отсутствуют достоверные сведения по их надежности, на основании ССН этих СЧ. Проведена оценка надежности кластера в целом, основанная на вычислении показателей по справочным данным о надежности компонентов и комплектующих элементов, а также по данным эксплуатации суперкомпьютеров семейства «СКИФ». С учетом этой оценки и полученных расчетных соотношений рассчитаны показатели надежности кластера для двух вариантов (при наличии и отсутствии резерва вычислительных узлов).
Высокие значения показателей надежности кластера были достигнуты благодаря принятым в процессе его разработки архитектурным и структурным решениям, направленным на повышение его живучести. Полученный расчет показателей надежности разработанного кластера позволит определить наиболее эффективные стратегии его эксплуатации, а также подходы к проектированию и применению кластерных суперкомпьютерных конфигураций.

359-365 138
Аннотация

Обоснован вероятностный подход к принятию экспертных решений по анализу сложных объектов с применением информационных технологий. Криминалистическая идентификация сложных объектов проводится путем сравнения идентификационных признаков, получаемых из спорных (исследуемых) и образцовых (экспериментальных) идентифицирующих объектов. Для сравнения их необходимо сначала измерить, а уже затем сравнить между собой, то есть найти меру близости между сравниваемыми идентификационными признаками. При этом возникают два аспекта оценки достоверности результатов сравнения. Первый из них относится к определению вероятности полного совпадения параметров идентификационных признаков двух разных объектов. То есть это аспект доказательства строгой индивидуальности характеристик исследуемых объектов, признанный во всем мире и позволяющий использовать категорическую форму формулировки вывода эксперта. К данному аспекту относится расчет вероятности совпадения дактилокарт двух различных личностей. Второй аспект связан с вероятностным характером процессов как возникновения идентификационных признаков в сложных объектах, так и их выделения, измерения и сравнения при проведении криминалистических исследований. Данному аспекту присущ вероятностный подход к оценке результатов криминалистических исследований сложных объектов. Показано, что результат любой экспертизы, включающей в себя измерения конкретных величин, характеризуется наличием случайной составляющей, и его необходимо представлять в вероятностной форме. Существуют три отдельные определяемые вероятностью случайные величины, которые характеризуют экспертизу и инструментарий, предназначенный для идентификационных исследований сложных объектов, что и обуславливает необходимость представления выводов эксперта в вероятностной форме. При создании и внедрении в практику инструментария для проведения экспертиз сложных объектов должны быть построены кривые величин вероятности ошибки І и ІІ рода и установлена его минимальная эффективность, определяющая пригодность данного инструментария для проведения экспертных исследований.

ДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

366-377 129
Аннотация

Изучены научно-технические аспекты технологии использования ледопородного ограждения при проходке шахтных стволов в водоносных горных породах на примере объектов строящегося Петриковского ГОКа. Описан алгоритм процесса замораживания горного массива. Разработана методика расчета основных параметров ледопородного ограждения, основанная на классических научных представлениях в области геотехнологии, геомеханики и горной теплофизики, содержащая модифицированные формулы толщины и времени образования ледопородной стенки. Высокая эффективность разработанной методики подтверждается результатами успешного использования полученных численных значений параметров ограждения при реализации проекта проходки стволов. Показана возможность выбора способа размораживания мерзлых пород на основе анализа реальной трехмерной модели ледопородного ограждения. Важнейшим критерием такого выбора является равномерность толщины ледопородного ограждения по окружности вертикального ствола. Сделан вывод о достигнутой высокой научной и практической компетенции белорусских шахтостроителей – ученых и специалистов. В стране разработана надежная система научно-технического обеспечения технологии проходки вертикальных шахтных стволов с использованием временных ледопородных ограждений. Созданы эффективные методики проведения предварительных геологических исследований, расчета параметров ледопородных ограждений и замораживающего оборудования, выбора технологии проведения работ. Сформирована необходимая материально-техническая база для быстрого и качественного выполнения всего комплекса работ по сооружению шахтных стволов специальным способом.

378-384 139
Аннотация

Выполнен вероятностный анализ дозовых нагрузок для количественного определения относительной важности вкладов неопределенностей исходных данных в неопределенность оценок коллективной и максимальной индивидуальной доз персонала при выводе из эксплуатации пункта хранения. Вероятностный подход к анализу дозовых нагрузок, включающий анализ чувствительности и неопределенности по отношению к входным параметрам используемых расчетных моделей оценки доз, позволяет определить наиболее чувствительные параметры, неточности в задании которых приводят к значительным неопределенностям оценок дозовых нагрузок на персонал и, таким образом, требуют более точного определения консервативных граничных значений при детерминистическом анализе и обосновании безопасности. Расчеты выполнены посредством применения кода RESRAD-BUILD 3.50, разработанного в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Полученные результаты позволяют ранжировать параметры расчетной модели по степени их влияния на неопределенность итоговых оценок дозовых нагрузок на персонал, выработать рекомендации по оптимизации дозовых нагрузок при выполнении радиационно-опасных работ по выводу из эксплуатации объектов использования атомной энергии.



ISSN 1561-8358 (Print)
ISSN 2524-244X (Online)