Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
7
Добавлен:
04.11.2019
Размер:
5.1 Mб
Скачать

“Young Scientist” . #20 (79) . December 2014

Technical Sciences

 

105

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стохастические модели анализа качества в технологии атомной сборки наноматериалов и функциональных наноструктур

Альдебенева Екатерина Петровна, студент Научный руководитель: Саноян Ашот Геворкович, доцент

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева

В работе представлен ряд актуальных аспектов физико-технических основ нанотехнологий и наноразмерных структур.

Рассмотрена проблематика принципиальных и технических ограничений, связанных с созданием функциональных наноразмерных устройств. Подробно рассмотрены методы определения показателей качества нано- и микротехнологий, основанные на представлениях о степени упорядоченности наноразмерных атом- но-молекулярных систем.

Работа может быть рекомендована студентам старших курсов, аспирантам, физикам-исследователям

иинженерам различной отраслевой направленности, специализирующихся в области создания материалов

ифункциональных устройств наноинженерии.

Введение

 

 

 

Технология создания наноразмерных структур

 

Большое количество опубликованных в последние

в рамках подходов и представлений теории

 

годы материалов по созданию устройств наноразмер-

информации

 

ного масштаба, в том числе реализуемых на основе тех-

 

 

нологий атомной сборки и самосборки твердотельных

Упорядоченные атомные наноструктуры можно рас-

структур [1–4], ставят на повестку дня вопросы разра-

сматривать как своеобразную матрицу памяти, в которой

ботки производственно-технических требований к аппа-

«записано» на материальном уровне функциональное на-

ратурному обеспечению нанотехнологий, используемых

значение (качество) изделия. С этой позиции можно счи-

при создании наноструктур и устройств, выполненных

тать, что в физическом объеме атомной структуры наноси-

на их основе.

стемы проведено кодирование определенной дискретной

Сложность этой задачи обусловлена весьма ограничен-

информации, относительно пространственной упорядо-

ными возможностями (а для случая использования техно-

ченности расположения атомов определенного типа, це-

логии атомной сборки полной невозможностью) исполь-

лесообразной с точки зрения реализации функциональ-

зования традиционных макроскопических, основанных

ного назначения изделия.

 

на представлениях физики сплошных сред [5], методов

Подобный подход позволяет использовать ряд поло-

анализа и оптимизации конструктивно-технологических

жений теории информации для проведения анализа энтро-

решений. Представляется очевидным, что промышленное

пийных параметров технологических процессов создания

освоение технологии атомной сборки предполагает раз-

микро- и наноструктур. Возможность использования

витие принципиально новых методов анализа техноло-

теории кодирования дискретной информации основана

гических процессов создания наноразмерных устройств

на том обстоятельстве, что реальные микро- и инано-

(в том числе в биотехническом исполнении). К числу по-

структуры могут быть представлены в виде определенной

добных подходов, представляющих практический интерес,

совокупности отдельных атомно-молекулярных

слоев

следует отнести:

(в общем случае кластеров произвольной конфигурации),

—— энтропийные методы анализа показателей каче-

в которых позиция размещения каждого индивидуального

ства и предельных возможностей технологических про-

атома в мономолекулярном слое может быть рассмотрена

цессов [6];

в качестве структурного элемента «сообщения».

 

—— методы моделирования технологических процессов

На рисунке 1 представлено схематическое отобра-

атомной сборки, основанные на использовании вероят-

жение возможного способа «информационного коди-

ностных клеточных автоматов [7].

рования» твердотельной структуры, на примере упо-

В рамках настоящей работы представлены резуль-

рядоченного расположения индивидуальных

атомов

таты дальнейшего развития энтропийных методов ана-

в мономолекулярном слое.

 

лиза показателей качества технологических про-

При выполнении кодирования предполагается за-

цессов [6], применительно к технологии атомной сборки

данной последовательность (как правило, большая) сооб-

наноустройств.

щений (объектов размещения — индивидуальных атомов)

106

 

Технические науки

«Молодой учёный» . № 20 (79) . Декабрь, 2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схематическое отображение фрагмента наноструктуры изделия

в рамках представлений теории кодирования сигналов

ξ1 ,ξ2,...

вместе со

своими вероятностями

показате-

товать как наличие комплекса мероприятий по обеспе-

лями, т. е. последовательность случайных величин. Следо-

чению необходимой вероятности размещения атома

вательно, может быть вычислена соответствующая ей эн-

определенного типа в заданной точке геометриче-

тропия H (и количество информации I, содержащееся в этой

ского пространства. В идеальном случае, для выро-

случайной последовательности, воспринимаемой как «со-

жденных структур (т. е. реализуемых с помощью един-

общение»). Эта информация может быть записана в виде

ственной комбинации атомов) эта вероятность должна

конкретной реализации технологического процесса, в рас-

быть строго равной единице.

 

сматриваемом случае — расположения индивидуальных

Согласно [6] энтропия единичного размещения атома

атомов в пределах физического объема наноструктуры.

ht при использовании технологии атомной сборки опреде-

Представленное выше определение количества ин-

ляется выражением:

 

формации целесообразно при рассмотрении процессов

ht= [lg m + (a + 1) lg (a + 1) – a lg a]/(1+a),

(1)

преобразования информации из одного вида в другой, т. е.

где: a — избирательность технологии (отношение ве-

при проведении процедуры кодирования информации.

роятности размещения атома необходимого типа к сум-

Технологический процесс, в подобной расширенной трак-

марной вероятности размещения атомов примесной

товке, также следует рассматривать в качестве свое-

природы); m — количество всех типов атомов (как необ-

образного

процесса

кодирования структуры

изделия

ходимого типа, так и примесной природы).

 

на атомном уровне рассмотрения.

 

В таблице № 1 приведены значения параметров ht и a

 

 

 

 

для микротехнологии (современный достигнутый уровень

Энтропия процесса размещения индивидуальных

в микроэлектронике), нанотехнологии (перспективный

атомов в технологии атомной сборки наноразмерных

уровень, характерный для технологии атомной сборки из-

структур

делий) и для случайной технологии (при которой имеет

 

место равновероятность процесса размещения индивиду-

В свете вышеизложенного, центральным моментом

альных атомов из совокупности m типов атомов).

при анализе технологии создания («кодирования», с точки

Согласно данным таблицы 1 наличие технологии обес-

зрения процесса атомной сборки) наноструктур (в рамках

печивает существенное повышение избирательности

представления: «наноструктура» «сообщение») явля-

(в 109 ÷ 1011) размещения индивидуальных атомов (т. е.

ется рассмотрение стохастических последовательностей

снижение энтропии системы), что, собственно, и обеспе-

различных индивидуальных реализаций при размещении

чивает появление фактора упорядоченности микро- и на-

атомов в пределах физического пространства изделия.

норазмерных структур и функционального качества (на-

С этой точки зрения, понятие «технология» следует трак-

значения) изделия.

Таблица 1. Зависимость избирательности технологии a и энтропии размещения единичного атома ht (при m = 100).

№ 

УРОВЕНЬ ТЕХНОЛОГИИ

 

αt

Ht

(направление/отрасль)

 

(дит)

 

 

 

1

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ

108

÷ 109

10−8 ÷ 10−9

 

(нанотехнология/наноиндустрия)

 

 

 

 

2

ВЫСОКИЙ

106

÷ 107

10−6 ÷ 10−7

 

(микротехнология/микроэлектроника)

 

 

 

 

3

СЛУЧАЙНЫЙ

10−2

2.004

 

(отсутствие технологии как таковой)

 

 

 

 

“Young Scientist” . #20 (79) . December 2014

 

Technical Sciences

 

107

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, что приведенные в таблице 1 значения изби-

Данные таблицы 2, относительно анализа возмож-

рательности для случая микротехнологий (αt = 106 ÷ 107)

ности реализации технологии атомной сборки изделий,

являются интегральными характеристиками технологиче-

свидетельствуют о том, что при использовании:

 

 

 

 

ских процессов, поскольку получены на основе рассмо-

—— микротехнологий (избирательность αi = 106), про-

трения концентрации атомов примесной природы в ра-

мышленное производство наноразмерных изделий с фи-

бочих (технологических) средах.

 

зическим объемом более 10−3 мкм3 является весьма про-

 

 

 

блематичным (с количеством атомов в изделии N более

 

Вероятность выхода годных изделий

 

106−107) даже при чрезвычайно высоких значениях пара-

 

при использовании технологии атомной сборки

 

метра к = 0.9999;

 

 

 

 

 

 

 

—— нанотехнологий (избирательность αi = 108), при-

 

В свете вышеизложенного, с формальной точки

емлемый для промышленной практики уровень веро-

зрения, технологии создания изделия можно поста-

ятности выхода годных изделий (с количеством атомов

вить в соответствие мощность множества реализаций

в изделии N порядка 108−109) достигается при значениях

Nt различных последовательностей случайных величин,

избирательностей технологии находящихся в диапазоне

т. е. размещения индивидуальных атомов. Считая про-

к = 0.5 ÷ 0.999.

 

 

 

 

цесс размещения индивидуальных атомов энтропийно

Приведенные в таблице 2 результаты анализа тре-

 

устойчивым, для мощности множества реализаций Nt

бований к необходимому уровню производственных по-

имеем [8,9]:

 

казателей микро- и нанотехнологий относятся к случаю

 

Nt =10N×ht ,

(2)

изделий, имеющих максимальный физический объем

 

 

 

не более 10−3 мкм3. При десятикратном увеличении фи-

 

где: N — количество индивидуальных атомов, вхо-

зического объема изделия (N=1010) вероятность вы-

 

дящих в состав наноструктуры.

 

хода годных изделий составляет по порядку величины

В свете принятой модели технологии, вероятность вы10−4−10−5, и в этой связи не может составлять предмет

хода годных изделий P будет всецело определяться сте-

практического интереса. В то же время весьма грубые

пенью перекрытия множеств Nt и Ni, где Ni — мощ-

оценки общего количества атомов в изделии, с учетом со-

ность множества реализаций, заложенная конструктором

временной тенденции к повышению степени интеграции

на этапе проектирования изделия, с учетом возможности

элементов конструкций в электронике до уровня 109−1010

безусловного достижения функционального качества из-

и перспективы снижения показателя сложности элемента

делия:

 

 

 

 

 

N до уровня 106, приводят к показателю 1015−1016. По-

lg(mai )

 

lg(m kai )

 

 

следнее обстоятельство свидетельствует о том, что про-

Ν

 

 

 

 

 

ai

kai

 

мышленное освоение технологии атомной сборки потре-

P =10

 

 

(3)

 

 

 

 

 

 

бует существенного увеличения избирательности всех

где: αi избирательность технологии, необходимая

технологических процессов αi.

для обеспечения функционального назначения изделия;

 

αt — избирательность реальной технологии; k = αt/αi,

Заключение

при выполнении условия: αt < αi (типичная производ-

 

ственная ситуация).

 

 

 

Предложены энтропийные методы оценки качества

В таблице 2 представлены значения вероятности вы-

микро- и нанотехнологий, на основании которых проведен

хода годных изделий в зависимости от конструктивно-тех-

анализ требования к производственно-техническим пока-

нологических параметров изделия и показателей качества

зателям процесса создания наноразмерных изделий. По-

технологии атомной сборки.

 

 

казано, что при существующем уровне развития микро-

Таблица 2. Зависимость вероятности выхода годных изделий от параметров N, αi и к при m = 100

(заливкой обозначена область практических интересов)

αi

N

 

 

 

 

к = αt/αi

 

 

 

 

0.1

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.99

0.999

0.9999

 

 

106

106

0

0

0

0

0.013

0.145

0.839

0.983

0.998

 

107

0

0

0

0

0

0

0.172

0.840

0.983

 

108

0

0

0

0

0

0

0

0.175

0.840

 

109

0

0

0

0

0

0

0

0

0.175

108

106

0.158

0.805

0.865

0.911

0.947

0.976

0.998

0.999

1.000

 

107

0

0.115

0.235

0.392

0.578

0.783

0.978

0.994

0.999

 

108

0

0

0

0

0.004

0.087

0.801

0.977

0.992

 

109

0

0

0

0

0

0

0.108

0.802

0.978

108

 

Технические науки

«Молодой учёный» . № 20 (79) . Декабрь, 2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

технологий (используемых при создании интегральных

для широкого круга устройств микро- и наноэлектроники,

схем) получение приемлемого показателя выхода годных

нанофотоники и микрооптики. С технологической точки

изделий

представляется проблематичным. Приведены

зрения, рассмотренные энтропийные модели и методы

оценки производственных показателей для случая по-

анализа в наибольшей мере ориентированы на техно-

вышения избирательности технологических процессов

логию атомной сборки изделий. В равной мере представ-

на два порядка (перспективный уровень технологии).

ленные результаты могут быть применены к технологии

Полученные результаты наиболее эффективны при-

создания различных искусственных (техногенных) объ-

менительно к изделиям с высоким уровнем сложности

ектов, в том числе имеющим специфику медико-биологи-

и упорядоченности материальных сред, что характерно

ческой направленности.

Литература:

1.Поул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии / пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина; доп. В. В. Лучинина — М.: Техносфера, 2006. — 334 с.

2.Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам: сборник статей / под ред. П. П. Мальцева — М.: Техносфера, 2005. — 589 с.

3.Суздалев И. П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: КомКнига, 2006. — 592 с.

4.Чаплыгин Ю. А. Нанотехнологии в электронике. — М.: Техносфера, 2005. — 446 с.

5.Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. / пер. с англ. Ю. А. Данилова и В. В. Белого — М.: Мир, 2002. — 461 с.

6.Саноян А. Г. Энтропийные модели и критерии оценки качества обработки материалов в микро- и нанотехнологиях. // Физика и химия обработки материалов. — 2006. — № 6. — с. 69–74.

7.Саноян А. Г., Коныгин С. Б., Агафонов А. Н. и др. Разработка физических принципов и алгоритмов компьютерного моделирования базовых процессов формирования микроструктур методами вероятностных клеточных автоматов.// Вестник самарского технического университета. Серия «Физико-математические науки». — 2007. — № 1 (14) — с. 99–107.

8.Стратанович Р. Л. Теория информации. М.: Сов. радио, 1975.424 с.

9.Стратанович Р. Л. Количество информации и энтропия отрезков стационарных гауссовых процессов // Проблемы передачи информации. 1967. Т. З. вып. 2. С 92–104.

Анализ условий эксплуатации защитного костюма для кинолога-фигуранта

Арчинова Евгения Викторовна, кандидат технических наук, доцент; Бунькова Татьяна Олеговна, доцент; Фрибус Нелли Викторовна, студент

Новосибирский филиал Московского государственного университета дизайна и технологии

В данной статье представлены результаты начального этапа исследования процесса проектирования костюма полной защиты кинолога-фигуранта. Объект проектирования сложный и интересный, его потребителями являются как профессиональные кинологи, так и их четвероногие сослуживцы.

пециалисты-кинологи являются сотрудниками ки-

аспект — участие в соревнованиях по служебному со-

Снологических служб органов внутренних дел, во-

баководству.

оруженных сил России, таможенной службы, тамо-

Фигурант — это помощник эксперта, судьи или тренер,

женной охраны, сотрудников СОБР, ФСКН, МЧС,

который при помощи определенной работы с собакой

ФСИН и др. Служебных и служебно-розыскных собак

помогает выявить те или иные способности живот-

в зависимости от задач, стоящих перед конкретным ки-

ного, а именно: характер, темперамент, способность

нологическим центром или службой, обучают общему

вести борьбу с человеком и общую подготовку собаки.

курсу дрессировки, прикладным направлениям (поиск

Именно фигурант играет в жизни служебной собаки клю-

людей, обнаружение взрывчатки и т. д.) или защитно-ка-

чевую роль, и его ошибка может стоить собаке здоровья

раульной службе. Следует отметить, что в работе спе-

(как психического, так и физического), а иногда даже

циалистов-кинологов присутствует еще один важный

жизни.

“Young Scientist” . #20 (79) . December 2014

Technical Sciences

 

109

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим характеристику основных элементов техУкраины, а также Испании, Бельгии, Франции и др. Ас-

ники работы кинолога с целью установления их влияния

сортимент защитных изделий и костюмов для кинолога-

на конструкцию и пакет материалов костюма фигуранта.

фигуранта довольно разнообразен. Предлагается выде-

1)

Прием собаки на рукав: производится, в ос-

лить следующие ассортиментные группы:

 

новном, двумя способами — с уворотом влево или с уво-

—— защитные фартуки. Используют фартуки в ком-

ротом вправо. Следует пояснить, что уворот — это прием,

плекте с защитным рукавом;

 

 

 

при котором фигурант, принимающий собаку, в момент

—— костюмыскрытойзащиты.Ихнадеваютподобычную

«входа» собаки в рукав, делает небольшой наклон кор-

одежду, они не распознаются собакой как защитное сна-

пусом, таким образом погашая силу удара. Можно осуще-

ряжение. Изготавливаются по индивидуальному размеру,

ствлять прием собаки на рукав и без уворота, но исполь-

но имеют регулировку плюс (минус) 3 размера;

зовать такую технику могут только опытные фигуранты

—— костюмы полной защиты. Костюм состоит из брюк

с многолетним стажем. При работе без уворота, рукав

и куртки. Общий вес не более 14 кг;

 

 

должен находиться в 15–20 см от корпуса фигуранта

——«усиленные» костюмы полной защиты. Костюм со-

на уровне груди. В момент «входа» собаки фигурант мыш-

стоит из куртки и брюк. Особенностью является наличие

цами руки и корпуса должен амортизировать массу жи-

верхней и нижней куртки, верхних и нижних брюк. Вес

вотного. При таком действии собака как бы оттягивает

от 14 до 25 кг.

 

 

 

 

рукав на себя всем своим весом. Это обеспечивает до-

Особенностью пакета материалов костюма полной за-

статочно большое натяжение костюма в области захвата

щиты является его многослойность. В состав пакета мате-

и проймы. В зависимости от материала верха костюма

риалов входят материал верха, локальные усилительные

во время данного приема челюсть собаки может соскаль-

накладки, амортизационные

прокладки,

наполнитель

зывать с рукава, разрыхляя тем самым поверхность мате-

(утеплитель), подкладочные материалы. Костюм явля-

риала, в некоторых случаях возможно раздирание ткани.

ется всесезонным. Тренировки собаки и фигуранта про-

Если поверхность материала верха «очень скользкая»

исходят, как правило, на улице, вне зависимости от по-

(характерно для синтетических тканей простых перепле-

годных условий. При нападении собаки на фигуранта, он

тений), то собака может даже и не осуществить захват,

падает на землю, то есть в пыль, снег или грязь. Костюм

челюсть просто соскользнет с рукава. При использовании

полностью должен защищать фигуранта от укусов собаки,

ткани верха с рельефной фактурой, есть вероятность за-

а также быть влагонепроницаемым и хорошо очищаться

стревания клыков собаки в материале, а это может при-

от загрязнений.

 

 

 

 

вести к их обламыванию.

В ходе выполнения данной исследовательской работы

2)

Обводка собаки. Обводка — это движение фи-

было проведено много встреч и консультаций с киноло-

гуранта вокруг собственной оси после того, как собака

гами, изучены материалы профессиональных форумов,

«вошла» в руку. При этом фигурант еще имитирует удары

а по результатам анкетирования специалистов выявлены

стеком (палкой) по корпусу собаки. При таком приеме идет

основные недостатки костюмов полной защиты тренера-

большая нагрузка не только на место захвата, но и на швы

фигуранта.

 

 

 

 

костюма. Возможно как выдергивание материала из шва,

Среди наиболее распространённых проблем кинологи

так и разрыв ниточного соединения.

выделили следующие:

 

 

 

 

3) Проводка собаки. Проводка — это движение фи-

—— несоответствие

размера

и

роста костюма раз-

гуранта вперед, в момент, когда собака держит рукав.

мерным признакам человека. Возможным решением

Здесь есть свои нюансы. Например, некоторые фигу-

может стать добавление в конструкцию костюма регули-

ранты пытаются теснить собаку, как бы напирая на нее

руемых фиксаторов;

 

 

 

 

корпусом. Получается, что собака находится практически

—— недостаточная прочность швов. В этом случае воз-

перед фигурантом, ее передние лапы не касаются земли,

можна замена методов технологической обработки ко-

а он держит руку высоко перед собой. При таком действии

стюма и / или подбор более прочных швейных ниток;

собака «виснет» на рукаве всем своим весом. С костюмом

—— недостаточная

прочность

пакета

материала

и собакой происходит то же, что и при первом движении,

при укусе собаки. Возможно дополнение пакета специ-

только эти показатели в разы увеличиваются.

альными вставками и усилительными накладками;

4)

Съем собаки. При съеме неопытных собак кино-

—— недостаточная прочность фурнитуры и неудобство

логи используют удавку. Многие кинологи, неправильно

ее использования. Возможным решением является разра-

придушивая собаку удавкой, «сдирают» её с костюма. Со-

ботка эргономически и динамически обоснованных мест

бака при этом не ослабляет хватку и тем самым выди-

крепления фурнитуры и более тщательный её подбор;

рает из костюма нитки и травмирует себе зубы. При пра-

—— скованность движений в динамике. В этом случае

вильной работе кинолога, собаку вынуждают открыть

решение должно быть комплексным — замена мате-

пасть.

риалов на более легкие при условии введения усили-

В настоящее время наиболее распространены и поль-

тельных локальных накладок, а также внесение доработок

зуются популярностью у российских кинологов костюмы

в конструкцию с учетом динамики характерных движений

для

тренеров-фигурантов производства Белоруссии,

кинолога.

 

 

 

 

110

 

Технические науки

«Молодой учёный» . № 20 (79) . Декабрь, 2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, основными проблемами, с которыми

ханические воздействия и неблагоприятные погодные

сталкиваются кинологи-фигуранты при эксплуатации ко-

условия.

 

 

 

 

 

 

стюмов полной защиты, являются недостаточные проч-

Эргономические требования характеризуют сохра-

ностные характеристики материалов верха, ниточных

нение теплового баланса пододежного пространства,

швов и низкие эргономические свойства костюмов.

обеспечение соответствия конструкции изделия форме

Тем не менее, все описанные выше проблемы и недо-

тела человека как в статике, так и в динамике; удобство

статки — это только одна сторона медали. Партнёром ки-

использования отдельных элементов изделия.

 

 

 

нолога на тренировке является служебная собака. Тре-

Социальные требования подразумевают соответствие

нировка должна быть безопасной и для собаки тоже.

следующим параметрам: конкурентоспособность изделия,

Для собаки важно, чтобы костюм фигуранта был эргоно-

соответствие размеров и ростов.

 

 

 

 

мичным (для удобства захвата) и безопасным (особенно

Эстетические требования, в свою очередь, включают

для десен и зубов). Если у собаки надламывается клык,

в себя композиционную целостность изделия, особен-

она теряет свои служебные качества и списывается. По-

ности цветового решения.

 

 

 

 

вреждённые десны причиняют боль и могут быть источ-

Эксплуатационные

и функциональные требования

ником инфицирования животного.

в разработке костюма тренера-кинолога должны рассма-

Для полной проработки требований к костюму кино-

триваться как наиболее важные, так как от них, в большей

лога-фигуранта необходимо рассмотреть группы тре-

степени, зависит здоровье человека и дрессируемой собаки.

бований в порядке их значимости: эксплуатационные,

Рассмотрев группы требований, можно сформули-

функциональные, эргономические, социальные и эстети-

ровать наиболее значимые, предъявляемые к костюму

ческие.

 

полной защиты фигуранта:

 

 

 

 

Эксплуатационные требования должны обеспечи-

—— костюм должен обеспечивать защиту от укусов и ге-

вать надежность костюма во время его использования,

матом для человека;

 

 

 

 

 

а именно: высокую прочность швов и скрепляющих ма-

—— костюм не должен иметь большой вес;

 

 

 

териалов, износостойкие материалы всего пакета, проч-

—— костюм

должен

обеспечивать

свободу

движения

ность материала верха, стойкость к стирке и / или химиче-

фигуранта;

 

 

 

 

 

 

ской чистке.

—— костюм не должен быть травмоопасен для собаки;

Функциональные требования — это требования, свя-

—— костюм

должен

обеспечивать

собаке

осущест-

занные с защитой от внешних воздействий, таких как ме-

вление захвата.

 

 

 

 

 

Математические модели электротехнических комплексов буровых установок, учитывающие взаимное влияние системы электроснабжения и техническое состояние главных электроприводов исполнительных механизмов

Букреев Сергей Витальевич, аспирант; Беклемишев Александр Михайлович, аспирант

Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (г. Москва)

В статье решается задача разработки математических моделей электротехнических комплексов буровых установок (ЭТК БУ), учитывающих взаимное влияние системы электроснабжения и техническое состояние электроприводов главных исполнительных механизмов. Поставленная задача выполнена с помощью метода структурного моделирования в программной среде Matlab (SIMULINK) и специализированной библиотеки SimPowerSystems.

Ключевые слова: бурение, электротехнические комплексы буровых установок, математические модели, электропривод.

овершенствование техники и технологических про-

пьютерных средств моделирования физических процессов

Сцессов бурения, повышение их производительности,

не возможно.

снижение энергозатарат, ресурсоемкости и увеличение

Большинство отечественных установок разведочного

энергоэффективности при проводке скважин — серь-

бурения (УКБ-4, ЗИФ-1200 и др.) в качестве главных си-

езная народнохозяйственная задача. Изыскание наиболее

ловых приводов используют нерегулируемые электропри-

совершенных способов сооружения скважин в различных

воды переменного тока, основным узлом которых является

условиях без использования современных ЭВМ и ком-

трехфазный асинхронный электродвигатель с короткоза-

“Young Scientist” . #20 (79) . December 2014

 

 

 

 

Technical Sciences

 

111

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкнутым ротором (ТАД) [1,2]. Дефекты и неисправности

В качестве объекта прототипа для моделирования вы-

 

(обрывы или раковины стержней беличьей клетки ротора,

бран ЭТК буровой установки УКБ-4. Перечень и характе-

 

наличие короткозамкнутых витков в обмотках статора,

ристики приводных электродвигателей приведены в Таб-

статический и динамический эксцентриситет и т. п.), воз-

лице 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

никающие при эксплуатации ТАД или обусловленные на-

На представленных рисунках изображены разрабо-

 

рушением технологии производства, оказывают сильное

танные математические модели. В основе их лежат блоки

 

влияние не только на работу самого электродвигателя

из библиотеки SimPowerSystems источников электри-

 

и приводного механизма [1,5,6,7], но и на работу элек-

ческой энергии, активных и реактивных сопротивлений,

трической сети. Особенно сильно данное влияние про-

электрических машин, а также блоки измерения и реги-

является при работе неисправного ТАД в системах со-

страции механических и электрических величин [3]. Ра-

 

измеримой мощности, к которым относятся системы

бота электрических машин описана уравнениями Парка-

электроснабжения геологоразведочных работ (ГРР).

Горева.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для изучения взаимного влияния неисправных двига-

1)

Электрическая часть

 

 

 

 

 

 

телей на систему электроснабжения ГРР методом струк-

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

турного моделирования в программной среде Matlab

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Simulink) с использованием специализированной биб-

где

 

— напряжение статора по оси q, В;

 

— со-

лиотеки SimPowerSystems [3] разработаны следующие

противление статора, Ом;

— ток статора по оси q, А;

 

модели:

 

 

 

 

— потокосцепление по оси q, Вб; — электриче-

 

Модель главных электроприводов буровой установки

ская частота вращения магнитного поля, рад / с;

 

 

УКБ-4 при электроснабжении от трансформаторной под-

потокосцепление по оси d, Вб.

 

 

 

 

 

 

станции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модель главных электроприводов буровой установки

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

УКБ-4 при электроснабжении от синхронного генератора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соизмеримой мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Паспортные данные асинхронных приводных электродвигателей в составе ЭТК УКБ-4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тип

 

Pн, кВт

 

Номинальный режим

 

mmax

mп

kI

J,

 

 

 

 

 

 

 

 

nн,

об/мин

η, %

cosj

 

 

 

 

 

 

 

 

4AM100S4

 

3,0

 

1435

82

0,83

 

2,4

2,0

6,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4AM132М4

 

11,0

 

1460

84,5

0,87

 

3,0

2,2

7,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4A180S4

 

22,0

 

1470

90

0,9

 

2,3

1,4

6,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Математическая модель модели ЭТК УКБ-4 при электроснабжении от трансформаторной подстанции

в пакете Matlab

112

 

Технические науки

«Молодой учёный» . № 20 (79) . Декабрь, 2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Математическая модель ЭТК УКБ-4 при электроснабжении от синхронного генератора

соизмеримой мощности в пакете Matlab

где

— напряжение статора по оси d, В;

— ток

 

 

 

(10)

статора по оси d, А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

— индуктивность рассеяния статора, Гн.

 

 

 

 

 

 

 

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(11)

где

— напряжение ротора по оси q, В;

 

— со-

 

 

 

 

противление ротора, Ом;

— ток ротора по оси q, А;

где

— индуктивность рассеяния ротора, Гн.

 

— потокосцепление по оси q, Вб;

— электри-

2)

Механическая часть

 

ческая частота вращения ротора, рад / с;

— потоко-

 

 

 

 

сцепление по оси d, Вб.

 

 

 

 

 

 

 

 

(12)

 

 

 

 

 

 

(4)

где

 

— скорость вращения ротора, рад / с;

 

 

 

 

 

 

 

приведенный коэффициент инерции ротора и рабочего

где

— напряжение ротора по оси d, В;

— ток

механизма;

— приведенный коэффициент вязкого

ротора по оси d, А;

— потокосцепление по оси q, Вб.

трения ротора и рабочего механизма.

 

 

 

 

 

(5)

 

 

 

 

 

(13)

где

— электромагнитный крутящий момент, Нм;

где

— угловое положение ротора, рад.

 

— число пар полюсов.

 

 

 

 

Расчет нагрузки на валу электродвигателей выполнен

 

 

 

 

 

 

 

с помощью методики Всесоюзного научно-исследователь-

 

 

 

 

 

 

(6)

ского института экономики минерального сырья и гео-

 

 

 

 

 

 

 

логоразведочных работ (ВИЭМС) утвержденной мини-

где

— суммарная индуктивность статора, Гн;

стерством геологии СССР в 1989 г. Ниже, приведены

индуктивность ветви намагничивания, Гн.

 

 

 

основные уравнения, используемые в данной работе.

 

 

 

 

 

 

 

 

Мощность на валу двигателя вращателя Рд. вр (кВт)

 

 

 

 

 

 

(7)

определяется по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

Рд. вр = Рхх + (Ррз + Pбт) (1 — к)−1

(14)

 

 

 

 

 

 

(8)

где Рхх — потери мощности в станке при холостом ходе

 

 

 

 

 

 

 

вращателя, кВт; Ррз — мощность на разрушение забоя,

где

— суммарная индуктивность ротора, Гн.

 

 

кВт; Pбт — мощность на вращение бурильных труб, кВт;

 

 

 

 

 

 

 

к — коэффициент потери мощности станка при передаче

 

 

 

 

 

 

(9)

нагрузки вращателю.

 

“Young Scientist” . #20 (79) . December 2014

Technical Sciences

 

113

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мощность на валу двигателя маслонасоса Рмн:

электроэнергии, тем самым изменяя качество подводимой

 

Рмн = 4×10–4р

 

(15)

электроэнергии к буровой установке.

 

 

 

 

 

где р — давление в гидросистеме станка, кПа.

Полученные количественные и качественные зави-

 

Мощность на валу двигателя бурового насоса Рбн. пр

симости потребляемых мощностей с помощью моделей

 

(кВт) равна:

 

 

позволяют более точно определять удельные затраты

 

Рбн. пр = Q×P2/hн

 

(16)

электроэнергии на процесс бурения скважин, а также

 

где Q — общая подача насоса, м3/с; Р

2

— давление,

удельный расход дизельного топлива электростанций.

 

 

 

 

 

 

 

 

развиваемое насосом при подаче в скважину промывочной

На рисунках 3 и 4 представлены временные зави-

жидкости, равной Q2 (в некоторых случаях Q2 = Q), кПа;

симости потребляемой активной и реактивной мощ-

 

hн — общий кпд насоса при частоте вращения коленча-

ности при работе электропривода вращателя с обрывами

того вала, обеспечивающий подачу Q, и давление Р2.

стержней «беличьей клетки» и временные зависимости

 

Изменяя параметры статорной или роторной цепи

действующего значения напряжения (в установившемся

каждого из электродвигателей, возможно имитировать

режиме) соответственно. По этим зависимостям хорошо

их различное техническое состояние. Варьируя механи-

видно значительное негативное влияние неисправностей

ческую нагрузку на валу электродвигателя вращателя,

электропривода вращателя бурового станка, как наи-

можно моделировать различные режимы бурения. Так же,

более энергоемкого потребителя, на работу других элек-

имеется возможность регулировать параметры источника

троприводов установки. Повреждения ротора двигателя

Рис. 3. Временные зависимости потребляемой активной и реактивной мощности

при неисправном электроприводе вращателя

Рис. 4. Временные зависимости действующего значения напряжения (в установившемся режиме)

114

 

Технические науки

«Молодой учёный» . № 20 (79) . Декабрь, 2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приводят к низкочастотной модуляции питающего напря-

ляет получать подобные количественные и качественные

жения всех потребителей, что в свою очередь вызывает

оценки для любых буровых установок разведочного бу-

увеличение общей потребляемой активной мощности

рения, с нерегулируемыми электроприводами перемен-

(до 35 %), снижение общего коэффициента мощности

ного тока.

(до 13 %). При подобной эксплуатации оборудования не-

В заключении можно сказать, что результаты экспе-

возможно добиться оптимальных величин скорости вра-

риментов с данными математическими моделями выявили

щения породоразрушающего инструмента и подаваемой

характерные признаки и зависимости при эксплуатации

промывочной жидкости, тем самым увеличивая затраты

неисправных электропотребителей БУ, позволили оце-

времени и топливно-энергетических ресурсов на прове-

нить влияние неисправных электропотребителей на зави-

дение буровых работ и ухудшая качество выхода керна.

симость затрат электроэнергии при проведении буровых

Стоить отметить тот факт, что модели являются до-

работ, что в совокупности предоставит рекомендации

статочно гибкими. Изменение параметров электродви-

по энергоэффективной и энергосберегающей эксплуа-

гателей без изменения структуры самой модели позво-

тации электротехнического оборудования БУ.

Литература:

1.Григорьев М. И. «Методы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода геологоразведочных буровых установок». Московская государственная геологоразведочная академия. — М.: 2000. — 132 с.

2.Соловьев Н. В., Кривошеев В. В., Башкатов Д. Н. «Бурение разведочных скважин. Учебник для вузов». — М.: Высшая школа, 2007. — 907 с.

3.Черных И. В. «Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink». — М.:ДМК пресс; СПБ.:Питер, 2008.–288 с. ил.

4.W. T. Thompson, M. Fenger «Current signature analysis to detect induction motor faults». IEEE Industry Application Magazine. July/August 2001.

5.W. T. Thompson, M. Fenger «Industrial application of current signature analysis to diagnose faults in 3 phase squirrel cage induction motors» Pulp and Paper Industry Technical Conference, 2000. Conference Record of 2000, pp 205–211.

6.J. M. Cardoso, S. M. A. Cruz and D. S. B. Fonseca, «Inter-Turn Stator Winding Fault Diagnosis in Three Phase Induction Motors by Park's Vector Approach», IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No. 3, September

1999, pp. 595–598.

7.W. T. Thomson, D. Rankin and D. G. Dorrell, «Online Current Monitoring to Diagnose Air Gap Eccentiricity in Large Three-Phae Indiuction Motors-Industrial Case Histories Verify the Predictions» IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No. 4, Dec. 1999, pp. 1372–1378.

Применение унифицированных электронных модулей при создании генератора гармонических колебаний

Воробьев Денис Владимирович, студент; Горячев Николай Владимирович, доцент;

Юрков Николай Кондратьевич, доктор технических наук, профессор

Пензенский государственный университет

устройствах связи одним из основных функцио-

генераторы с перестройкой изменением индуктивности

Внальных узлов является генератор высокочастотного

или ёмкости, очень широкий диапазон перестройки

сигнала. Его параметры во многом определяют качество

без каких либо коммутаций и практически мгновенное

приема и передачи полезного сигнала. Высококаче-

переключение на любую заданную частоту.

ственный генератор должен обладать высокой стабиль-

В качестве DDS синтезатора был выбран унифициро-

ностью генерируемой частоты. Стабильность обычно до-

ванный модуль AD9850, управление которым осущест-

стигается применением фазовой автоподстройки частоты

вляется при помощи модуля Arduino UNO.

или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием

В основе модуля AD9850 лежит микросхема AD9850

опорного генератора с кварцевой стабилизацией.

от компании Analog Devices. Структура модуля AD9850

Синтез частот обеспечивает намного более высокую

показана на рисунке 1.

точность и стабильность, чем традиционные электронные

 

Соседние файлы в папке «Молодой учёный» №20 (79)