1326

Построение профиля устойчивого откоса сводится к таким операциям:

1. Откос, начиная от его подошвы, делится на горизонтальные (рис. 4) полосы 1–2 м в ширину, но не более 3 м. При слоистом строении откоса границы между полосами проводят по линии контакта слоев.

Рис. 4. Схема расчета устойчивости откоса по методу равнопрочного откоса

2.Определяется естественная нагрузка на подошву слоя 1 по формуле: Pпр = hρв, где h – толщина всех выделенных на профиле горизонтальных полос, равная в данном случае h6 = H, ρв – средний объемный вес влажной породы целой вышележащей толщи.

3.С точки пересечения линии откоса с подошвой первого слоя (точка а) прово-

дится под углом ψ5 линия до пересечения ее в точке б с подошвой слоя 2. tgψ5 = F5 определяется с помощью приборов, причем давление принимается равным Pпр = h5ρв.

4.С точки б под углом ψ4 проводится прямая до пересечения ее в точке в с подошвой слоя 3. ψ4 определяется тем же способом, что и ψ5 но при давлении, Pпр = h4ρв, где h4 – глубина, а ρв – средний объемный вес всех слоев влажной породы, находящихся выше подошвы слоя 2. Повторяя это построение для точек в, г, д, будем иметь ломаную линию, которая будет выходить на поверхность в точке е. Эта линия и ограничивает профиль устойчивого откоса. Вся масса пород, находящихся над линией абвгде, будет находиться в неустойчивом состоянии и должна быть устранена.

5.Для самой опасной точки а, где величина ψ5 имеет минимальное значение, определяется коэффициент запаса устойчивости по формуле:

n = (tgψ5)/(tgα),

где α – угол откоса.

Коэффициент запаса устойчивости можно вычислить для любой точки откоса. Метод равнопрочного откоса позволяет построить профиль для любого значения коэффициента запаса.

Таким образом, приведенные методы расчета устойчивости склона имеют математическое решение, а эффективность их использования определяется условиями формирования склона.

Список литературы

1.Емельянова Е.П. Основные закономерности оползневых процессов. – М.: Недра, 1972. – 310 с.

2.Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства. – М.: Стройиздат, 1977. – 320 с.

51

3. Шилова М.С., Богун Л.Д. Роль техногенных факторов в формировании и развитии оползневых процессов на территории производственной базы треста «Донуглемашстрой» в г. Дружковке Донецкой области // сб. ст. IV Всеукр. науч.-практ. конф. студ. и молодых ученых / ДИСО. – Донецк, 2011.

4. Чалкова Ю.С., Черепанов Б.М. Оползневые процессы, их прогнозирование и борьба с ними // Ползуновский вестник. – 2007. – № 1–2.

Получено 17.10.2013

УДК 620.179.152.1

Н.П. Калинин

ОАО «Пермский моторный завод»

С.Ф. Минацевич

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

РЕНТГЕНОВСКАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ НА СЛУЖБЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Авторами статьи на примере проведения исследований внутренней структуры ротора опытного электродвигателя показаны возможности рентгеновского вычислительного серийного томографа ВТ-500 отечественной разработки. Было определено наличие зазоров между магнитами в осевом, радиальном и аксиальном направлениях. Сформулированы рекомендации по использованию таких томографов для отработки технологий турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Ключевые слова: рентгеновский компьтергый томограф, ротор электродвигателя, газотурбинные двигатели, установки, турбинные лопатки, безопасность, зазоры, дефекты.

N.P. Kalinin

OJSC Perm Engine Company

S.F. Minatsevich

Perm National Research Polytechnic University

CT SCANNERS IN THE SERVICE OF SECURITY

The authors of this paper for a research motor rotor experimental summarizes computed X-ray tomography serial VT-500 home development. It has been determined there is a gap between the magnets in the axial, radial and axial directions. Recommendations on the use such scanners for testing technology turbine blades of gas turbine engines and systems.

Keywords: X-ray tomography komptergy, the rotor of the motor, gas turbine engines, installation, turbine blades, safety, clearances, defects.

Введение

ООО «Турбопневматик» проводит работы по внедрению воздушной силовой установки (ВСУ) для запуска газотурбинных двигателей в интересах ОАО «Газпром», а также для стендов ОАО «ПМЗ». В ходе доводки ВСУ возникла необходимость исследования внутренней структуры ротора электродвигателя ВСУ мощностью 300 кВт и частотой вращения 40 000 оборотов в минуту. Для обеспечения безопасной работы ВСУ необходимо было определить действительные величины зазоров между магнитами ротора.

53

Наиболее перспективным для такого рода исследований по нашему мнению могла стать рентгеновская вычислительная томография.

Для определения наличия зазоров между магнитами в осевом, радиальном и аксиальном направлениях в настоящей работе изучены возможности рентгеновского вычислительного томографа ВТ-500 с рентгеновской трубкой Isovolt 450 Titan с максимальным напряжением 450 кВ.

1. Основные технические характеристики рентгеновского вычислительного томографа ВТ-500

1.1.Максимальный диаметр объекта контроля – 600 мм.

1.2.Максимальный вес объекта контроля – 100 кг.

1.3.Диаметр рабочего поля томограммы – 500; 200; 100; 50; 25 мм при сканирова-

нии в формате 512×512 и 400; 200; 100; 50 мм при сканировании в формате 1024×1024.

1.4.Эффективная толщина контролируемого слоя – от 2 до 0,25 мм.

1.5.Предел пространственного разрешения в плоскости контролируемого слоя – 30 (50) периодов/см (при малом фокусном пятне рентгеновской трубки).

1.6.Геометрическая чувствительность контроля – 0,05 мм.

1.7.Чувствительность к локальным дефектам в виде: пор – 0,1 мм3; металлических включений – 0,03 мм3.

1.8.Чувствительность к произвольно ориентированным трещинам – 0,05 мм.

1.9.Среднеквадратичное отклонение измерения плотности – 0,5 %.

1.10.Максимальный диапазон перемещения контролируемого сечения по вертикали (без перестановки изделия) – 400 мм.

1.11.Максимальное напряжение рентгеновской трубки – 420 (450) кВ (суммарная толщина ОК: по Fe – 50 мм, по Al – 200 мм).

1.12.Время сканирования поля диаметром 500 мм – 3 мин.

1.13.Возможность реконструкции томограмм непосредственно в темпе сканирования имеется.

1.14.Режим цифровой рентгенографии имеется.

1.15.Режим сканирования и реконструкции локальных томограмм имеется.

1.16.Режим многослойного сканирования и 3D реконструкции имеется.

1.17.Число элементов в изображении томограммы на экране каждого монитора –

1024×1024.

1.18.Возможность архивирования цифровых массивов на внешних носителях

имеется.

1.19.Возможность документирования изображений томограмм и оцифрованных графиков сечений на бумажном носителе имеется.

1.20.Питание томографа осуществляется от трехфазной сети переменного тока, частотой 50/60 Гц и напряжением 380/220 В. При этом отклонения напряжения питания не должны превышать ±10 % от номинального значения.

1.21.Потребляемая мощность – 7 кВА.

54

2. Характеристики объекта контроля

Объектом контроля является ротор электродвигателя длиной около 450 мм, максимальным диаметром около 111 мм и весом приблизительно 35 кг. Вал ротора в виде сплошного цилиндра из немагнитного материала. Марка материала неизвестна. Предположительно на поверхности выполнены углубления в виде ячеек, в которые уложены и приклеены магниты. Толщина магнитов примерно 8–10 мм. Известно, что в настоящее время постоянные магниты изготавливаются методами порошковой металлургии с использованием кобальта и других редкоземельных элементов, обладающих значительным коэффициентом поглощения рентгеновских лучей. Технические характеристики

Рис. 1. Эскиз ротора с отмеченными сечениями (0, 10, 20)

рентгеновского вычислительного томографа ВТ-500 (макс. диаметр объекта контроля – 600 мм, макс. вес объекта контроля – 100 кг) позволяют контролировать такие объекты контроля, как ротор, однако, максимальная толщина томографирования в 2,5 раза меньше диаметра ротора. Попытка исследования такого объекта контроля представляет научный и практический интерес. Исследование ротора (рис. 1) на томографе ВТ-500 проводится впервые.

3. Разработка методики контроля и проведение томографирования

Крепление ротора в зажимной патрон сканирующей системы томографа ВТ-500 проводилось со стороны рабочего колеса компрессора. Предварительно на зажимы патрона наклеивалась матерчатая липкая лента в два слоя с целью исключения механического повреждения цилиндрической поверхности ротора. Проводилось томографирование в различных сечениях при различных режимах контроля.

В результате были выбраны следующие параметры томографирования:

–напряжение на рентгеновской трубке – 440 кВ;

–ток трубки – 1,5 мА;

–толщина томографируемого слоя – 2 мм;

–фокус малый – S;

–параметр по x – X3;

–фильтр – 0;

–детектор – автоматическая установка;

–поворот объекта контроля – 360°.

55

По этим режимам томографирование проводилось в различных положениях. За нулевое положение выбрано сечение на расстоянии 6 мм от торца титановой втулки

(рис. 2).

На расстоянии 10 мм от нулевого положения выполнено сечение, изображение которого представлено на рис. 3. По этому сечению был определен внутренний и наружный диаметр титановой втулки с использованием прилагаемых опций томографа. Наружный диаметр равен 111,84 мм, внутренний диаметр равен 91,92 мм.

Третье сечение было выполнено на расстоянии 20 мм от нулевого положения в зоне размещения постоянных магнитов, обладающих значительным коэффициентом поглощения рентгеновских лучей. Изображение томограммы представлено на рис. 4.

Рис. 4. Изображение томограммы сечения, выполненного на расстоянии 20 мм от нулевого положения

Изображение томограммы имеет значительные искажения. Попытки повысить четкость томограмм за счет вариации режимов томографирования не увенчались успехом.

4. Обсуждение результатов

Томограммы сечений 0 и 10 соответствуют требуемому уровню качества. Просвечиваемая толщина в этих сечениях почти 112 мм, хотя в соответствии с паспортными

56

данными томографа ВТ-500, максимальная просвечиваемая толщина 50 мм по железу. По-видимому, технический параметр по просвечиваемой толщине, указанный в паспорте, значительно ужесточен, тем более что коэффициент поглощения рентгеновских лучей коррозионных сталей на основе никеля выше, чем у железа. Возможно, расширение параметра по просвечиваемой толщине частично обусловлено правильной цилиндрической формой объекта контроля.

Томограмма сечения 20, проходящая по месту расположения постоянных магнитов, имеет искажения в изображении. На данной модели рентгеновского томографа не удалось получить информацию о расположении постоянных магнитов. По-видимому, это связано с химическим составом этих магнитов, которые имеют значительный коэффициент поглощения рентгеновских лучей.

Эта задача может быть выполнена с успехом на рентгеновском томографе типа ВТ-600ХА с ускорителем до 5 МЭВ. За рубежом аналогов рентгеновскому вычислительному томографу ВТ-600ХА нет. Разработчиком и изготовителем томографа ВТ600ХА является Вайнберг Э.И., доктор технических наук, глава российской фирмы «Промышленная интроскопия» [1, 2].

Рентгеновский вычислительный томограф ВТ-600ХА внедрен в Московском авиационном институте, имеющем статус национального исследовательского центра. На рис. 5 представлена томограмма исследования большого электродвигателя диаметром до 450 мм, а также продольное сечение рабочей литой лопатки турбины из жаропрочного сплава, выполненная с использованием томографа ВТ-600ХА.

Следует отметить также, что пространственное разрешение у томографа ВТ-600ХА в 2 раза превышает ВТ-500.

Рис. 5. Томограммы поперечного сечения электродвигателя (а) и продольного сечения двух охлаждаемых турбин-

ных лопаток из жаропрочной стали (б) (5 МэВ, 2048×2048, поля 150 и 100 мм)

Рентгеновский вычислительный томограф ВТ-600 ХА позволит решить большой спектр задач по определению внутренней структуры большого класса различных объектов контроля, поможет в решении технических задач на предприятиях Пермского края (НПО «Искра», ОАО «Инкар», ОАО «Редуктор», ОАО «Протон», ОАО «Авиадвигатель», ОАО «ПМЗ», ОАО «Стар», Институт композиционных материалов, малые предприятия по ремонту импортных автомобилей и т.д.).

57

Выводы

1. Получены положительные результаты томографирования объекта контроля с просвечиваемой толщиной до 112 мм из нержавеющего сплава, что почти в 2,5 раза превышает техническую характеристику по толщине, указанную в паспорте на рентгеновский вычислительный томограф ВТ-500.

2. На томограмме сечения 20 (в месте расположения постоянных магнитов) не удалось получить четкое распределение внутренней геометрической структуры. Эту задачу можно решить с помощью рентгеновского вычислительного томографа ВТ-600ХА.

3.С целью ускорения научно-технического прогресса Пермского края рассмотреть возможность приобретения и внедрения рентгеновского вычислительного томографа ВТ-600ХА на базе ПНИПУ.

4.Особенно эффективно применение компьютерных рентгеновских томографов может быть при отработке новых технологий изготовления турбинных лопаток современных газотурбинных авиационных двигателей и силовых установок наземного применения. В комплексе с методом акустической эмиссии, который обычно используется для обнаружения скрытых внутренних дефектов пустотелых турбинных лопаток томография позволит без разрезки лопаток обнаруживать дефекты и тем самым обеспечивать их безопасную работу.

Список литературы

1.Вайнберг Э.И. Компьютерные томографы «ПРОМИНТРО» // В мире неразру-

шающего контроля. – 2001. – № 4. – С. 30–33.

2.Вайнберг Э.И.. Томографический контроль композитов // В мире неразрушаю-

щего контроля. – 2003. – № 3 (21). – С. 8–11.

Получено 10.10.2013

УДК 377.5 + 614.8

Н.Л. Лялькина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА

Выполнен анализ известных результатов и методик нормирования действия электромагнитного излучения на человека. Рассмотрены проблемы нормирования электромагнитных излучений. Описаны современные подходы к установлению предельно допустимых уровней ЭМИ.

Ключевые слова: нормирование электромагнитных излучений, электромагнитное поле.

N.L. Lyalkina

Perm National Research Polytechnic University

EFFECTS OF ELECTROMAGNETIC RADIATION ON HUMAN

The analysis of the known results and methods of valuation of the electromagnetic radiation on humans. The problems of valuation of electromagnetic radiation. We describe current approaches to the establishment of maximum permissible levels of radiation.

Keywords: regulating norms of electromagnetic radiation, electromagnetic field.

Все человечество подвергается постоянно возрастающему воздействию сложных по частотному составу, разнообразно модулированных и непостоянных во времени и пространстве электромагнитных полей (ЭМП).

Биологическое действие ЭМП все еще изучено недостаточно. Это вызвано отсутствием четких критериев оценки неблагоприятного действия ЭМП на организм человека, недостаточной научной проработкой таких вопросов как обратимость и необратимость возникающих повреждений в тканях и органах, индивидуальная чувствительность и устойчивость к воздействию, возрастные и видовые различия.

Известны результаты исследований хронического действия ЭМП радиочастот низких нетепловых интенсивностей, допустимых действующими нормативными документами, проведенных российскими учеными [2]. В них сопоставлены спектр и частота проявления различных неопухолевых заболеваний в отдаленном периоде в результате хронического действия на человека ЭМИ высокой и сверхвысокой частот с интенсивностями, несколько превышающими санитарно-гигиенические нормы для населения. Они показывают изменения в гипоталамусе, снижение гормональной активности гипофиза и других желез, приводящие к серьезным нарушениям в нейроэндокринной регуляции, что вызывает значительное напряжение и перенапряжение со стороны регуляторных систем и увеличивает частоту заболеваемости. Отмечено начальное повышение уровня гормональной активности гипофиза, надпочечников, щитовидной железы с последующим их истощением в отдаленные сроки. Указана возможность появления неблагопри-

59

ятных отдаленных изменений, связанных с действием хронического действия ЭМП спустя 15–45 лет после начала воздействия.

Учеными А.В. Шафиркиным и А.Л. Васиным выполнен обзор литературы, в которой содержатся данные исследований длительного воздействия ЭМП радиочастот

иоценена возможность значительного сокращения продолжительности жизни [3], проведен анализ существующих подходов к установлению порогов вредного действия

истепени адаптации организма [4]. Они указывают на необходимость установить количественную характеристику перехода от нормы к патологии.

С.Т. Князев и С.Н. Шабунин обращались к зарубежному опыту разработки стандартов и проводили сравнение предельных норм электромагнитного воздействия в России и допускаемых ICNIRP (международной комиссией по защите от неионизирующего излучения). Также ими описано использование удельной поглощенной мощности (specific absorbtion rate – SAR в англоязычных источниках). Указано, что подход с использованием такой меры облучения позволяет лучше учитывать структуру тканей человека. SAR характеризует только нагревание различных тканей организма человека. Стандартом ICNIRP рекомендовано допустимое значение SAR = 0,4 Вт/кг для всего тела и 8 Вт/кг для головы, шеи и туловища человека. Нормирование удельной поглощенной мощности по российским нормативным документам не производится. Описание расчетного метода гигиенических оценок в электромагнитных полях, в том числе SAR, содержится в [1].

Все большее признание получает информационная теория взаимодействия сверхслабых ЭМП с живым организмом.

Известно, что все процессы жизнедеятельности в биологическом объекте начинаются с изменения величины электрических зарядов за счет того, что макромолекулы являются полупроводниками или диэлектриками, многие из них представляют собой диполи. Эти физические свойства при изменении электрического статуса макромолекул обусловливают возможность генерации ими электромагнитных и акустических полей

иволн. Основной структурно-функциональной единицей организма является клетка. Все значимые для биообъекта изменения начинаются и заканчиваются на клеточном уровне.

Внутренний информационный обмен в биообъекте связан с функционированием двух каналов: биохимического и физического, последний представлен электрическим, электромагнитным и акустическим полями.

Возможность трансформации эндогенных информационных факторов биообъектов за счет внешнего электромагнитного воздействия определяется физическими законами.

Г.А. Цветковым, А.Д. Чубием, В.О. Жуковым проведен анализ результатов исследований формирования электромагнитного образа (ЭМО) человека на основе нормы хаотичности его собственных хаотических электромагнитных излучений (ЭМИ) в диапазоне 0,3 Гц–30 МГц [8].

Одна из возможных оценок функционального состояния организма человека может быть получена путем исследования структуры его ЭМИ как широкополосного хаотического сигнала. Изучается характер его изменения во времени под воздействием экзогенного ЭМИ и при его отсутствии. При использовании методики, предложенной В.О. Жуковым, измерения показывают, что собственное ЭМИ человека имеет хаотический тип динамики. Полученные биологические сигналы ЭМИ человека изображают на

60