close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

4473

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
МАТЕМАТИКА
УДК 62–50
В.И. БРИХАРА, О.Г. ЩЕРБАНЬ
ОБ ОДНОМ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ИДЕНТИФИКАЦИИ
НЕЛИНЕЙНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрено эффективное с точки зрения точности оценивания решение задачи
нелинейной фильтрации за счет использования более общих, по сравнению со
среднеквадратическим подходом, вероятностных критериев. Приведен пример, иллюстрирующий эффективность практического использования предложенного
подхода.
Ключевые слова: нелинейная фильтрация, вероятностные критерии, гауссовская
аппроксимация плотности вероятности.
Введение. Подавляющее большинство разработанных на сегодняшний
день алгоритмов фильтрации построено на основе использования критерия
минимума среднего квадрата ошибки оценивания.
Преимущества и недостатки подобных схем оценивания изучены
достаточно подробно в весьма обширной литературе [1, 2, 3]. Но при этом
до настоящего времени практически неизученным остаётся вопрос синтеза
фильтров на базе иных, более общих с вероятностной точки зрения, критериев. Причём, очевидно, что подобные критерии могли бы обеспечить потенциально большую точность оценки состояния стохастической системы,
нежели традиционный среднеквадратический критерий как, например, критерий минимума вероятности существования ошибки в заданном интервале
(в силу неравенства Чебышева).
Решение подобной задачи в самом общем случае ранее уже было
рассмотрено в [4]. Но существенным недостатком полученного решения,
несмотря на его общность, является значительный объём вычислительных
затрат на реализацию оценки, связанный с необходимостью решения интегродифференциального уравнения с частными производными и делающий его практическое применение весьма проблематичным.
В связи с этим представляет интерес поиск новых путей решения
поставленной задачи, обеспечивающих вычислительную мощность алгоритмов оценивания, реализуемую в современных вычислителях.
Постановка задачи. Пусть стохастический нелинейный объект задан
симметризованным уравнением в общей форме [1]:
Y& = f (Y , t ) + f 0 (Y , t )Vt ,
(1)
(
)
(
)
где Y Y ∈ R n – вектор состояния объекта; Vt V ∈ R q – белый гауссовский
нормированный вектор-шум; f, f0 – известные нелинейные векторная
размерности n×1 и матричная n×q функции.
Наблюдения задаются векторным алгебраическим уравнением
вида [1]:
399
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Математика”
(
Z = H (Y , t ) + Wt ,
)
(2)
где Z Z ∈ R m – вектор выходных сигналов измерителя; Н – известная не-
(
)
линейная векторная m×1 функция наблюдения; Wt W ∈ R m – белый гауссовский центрированный вектор-шум с матрицей интенсивностей DW.
Тогда уравнение оценки определим, следуя [4], в наиболее общем
виде:
ˆ
Y& = U (Yˆ , Z , t ),
(3)
где U – неизвестная векторная n×1 функция, определяемая далее из заданного нелинейного вероятностного критерия.
Уравнение ошибки оценивания σ = Y − Yˆ
представляется как
(
) (
)
(σ ∈ R n ) в этом случае
(
)
σ& = f σ + Yˆ , t − U Yˆ , Z , t + f 0 σ + Yˆ , t ⋅ Vt .
(4)
При этом для вектора σ уравнение наблюдения может быть получено соответствующей трансформацией уравнения (2)
Z = H (σ + Yˆ , t ) + Wt .
(5)
Необходимо далее отметить, что правые части уравнений (5)-(4)
зависят от апостериорного (детерминированного) вектора оценки Ŷ , что
при последующем использовании апостериорной плотности вероятности
(АПВ) ошибки оценки
(
ρ = ρ σ , t Yˆ
)
(6)
приводит к необходимости дополнительного учёта уравнения (3).
В этом случае АПВ процесса σ (3) описывается уже системой уравнений − уравнениями Стратоновича для объекта (4), наблюдения (5) и
уравнением (3).
Аппроксимация функции плотности вероятности. Учитывая известные трудности решения уравнения Стратоновича, дальнейший синтез алгоритма идентификации будем осуществлять, используя функциональную (в
рассматриваемом случае гауссовскую) аппроксимацию, сводящую процедуру решения к интегрированию известной системы уже обыкновенных дифференциальных уравнений эволюции параметров АПВ (6). Для уравнений
объекта (4) и наблюдателя (5) данные уравнения принимают вид:
~
σ& = f (σ~, Yˆ , t ) − U ( Z , Yˆ , t ) + Q(σ~, Yˆ , t )[Z − H (σ~, Yˆ , t ) ;
(
)
∂ H ~ ˆ
−1
;
Q(σ~, Yˆ , t ) = P
σ , Y , t DW
∂σ
∂f (σ~, Yˆ )
∂f T (σ~, Yˆ )
P& =
P+P
+ f 0 σ~, Yˆ f 0T σ~, Yˆ − Q σ~, Yˆ , t DW (t )Q T σ~, Yˆ , t
∂σ
∂σ
T
( ) ( ) (
)
(
)
или в более компактной форме:
~
σ& = S (σ~, Yˆ ) − U (Yˆ , Z , t ); P& = A( P, σ~, Yˆ , t ),
где σ~ – апостериорное математическое ожидание ошибки оценивания;
Р – апостериорная ковариационная n×n матрица.
400
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Так как уравнение апостериорной ковариационной матрицы Р матричное, то для приведения полученной системы к векторному виду воспользуемся
правилом
преобразования
произвольной
матрицы
А(dim[A]=n×n) в вектор А(ν) ( dim[А(ν)] = n2 ×1 )
T
A(ν ) = a a K a a a K a K a a K a
,
11 21
n1 12 22
n2
1n 2 n
nn
введенным в [5]. Тогда имеем:
~
σ& = S − U ; P& (ν ) = A(ν )
σ~
и, вводя расширенный вектор ξ = (ν ) ( dim[ξ] = (n+n2) ×1 ), последнюю
P
систему запишем в следующем, более простом, виде:
ξ& =
U
S
U
−
= A1 − L ,
A (ν )
0
0
(7)
(dim[A1] = (n+n2) ×1 ) учитывая при этом, что данная система уравнений
(7) составляет с системой (3) единую систему уравнений, рассматриваемую и решаемую далее совместно.
Формы оптимизируемых функционалов. Для решения задачи оптимального оценивания в соответствии с вышеизложенным необходимо, чтобы искомый вектор U доставлял оптимум некоторому заданному обобщённому вероятностному функционалу J, зависящему от АПВ ошибки
(3),
причём в общем случае нелинейно. (Так как вместо (6) при последующем
решении задачи используется её аппроксимация
(
)
ρ~ = ρ σ , ξ Yˆ ,
(8)
то очевидно, что сформированный в конце концов вектор U будет уже
только субоптимальным).
Анализ физического существа решаемой задачи показывает, что в
качестве наиболее адекватной формы минимизируемого функционала J
целесообразно использовать аддитивную совокупность двух функционалов,
~
оптимизация первого из которых: J 1 =
∫ Φ1[ ρ (σ , t
Yˆ )]dσ должна обеспе-
σ
t
чить минимум ошибки оценивания, второго J 2 =
∫ Φ 2 [U ]dt
- минимум его
t0
“энергетики” (в соответствии с принципом Ферма) на текущем интервале
времени , т. е.
t
J = Φ 1 [ ρ~ (σ , t Yˆ )]dσ + Φ 2 [U ]dt.
∫
∫
σ
(9)
t0
При этом, в соответствии с постановкой задачи, функцию Ф2
можно выбирать в виде классической − квадратичной формы, заданной на
текущем интервале времени
401
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Математика”
t
t
∫
∫
t0
t0
J 2 = U T Udt = Φ 2 [U ]dt .
Если известны пределы допустимой ошибки σ* = [σmin, σmax], то
функционал J1 можно выбрать из условия минимума вероятности существования ошибки σ вне интервала σ*
σ min
∞
J1 = 1 −
∫ ρ dσ = ∫
~
σ∗
−∞
ρ~dσ +
∫ ρ dσ
~
σ max
и т. д., исходя из особенностей решаемой задачи.
Таким образом, окончательно исследуемую задачу можно сформулировать как задачу поиска вектора U, доставляющего минимум функционалу (9), определённому на множестве гауссовских функций (8), параметры
которых удовлетворяют решению системы (3), (7).
Решение задачи. Для решения поставленной задачи используем тот известный факт, что при неотрицательно определённой критериальной
функции для обеспечения её минимального значения в каждый момент
времени достаточно, чтобы производная её по времени, взятая с обратным
знаком, имела максимум [3]. Отсюда для рассматриваемого случая (все
приведенные выше критериальные функции неотрицательны) получаем
условие определения искомого вектора параметров:
  ∂Φ

 
1 ~
&
&
ρdσ + Φ 2 [U ] =
max − J = max −
~

∂ρ
U
U 

 σ
{ }
∫
  ∂Φ [ρ~ ] ~

∂ρ &

 .
1
= max − 
ξ
d
σ
+
Φ
[
U
]
2

∂ρ~ ∂ξ
U  

 σ
∫
(10)
Подставляя в (10) выражение для правой части уравнения (7), имеем следующее уравнение относительно U:



U 


∂  ∂Φ 1 ∂ρ~ 
 A1 − L dσ + Φ 2 [U ] = 0.

~
∂U  ∂ρ ∂ξ 

σ
0 



∫
Из последнего вытекает окончательное уравнение для определения
искомого вектора U:
E
∂Φ 1 ∂ρ~
∂Φ 2 [U ]
L dσ =
,
~
∂ρ ∂ξ
∂U
σ
0
∫
(11)
где Е – единичная матрица размерности n × n; 0 – нулевая матрица размерности n2 × n
или, учитывая, что
∂ρ~
∂ρ~ ∂ρ~
(строка размерности 1 × (n+n2) ),
= ~
(
)
ν
∂ξ
∂σ ∂P
402
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
∫
ISBN 5-7890-0312-5
∂Φ 1 ∂ρ~
∂Φ 2 [U ]
,
dσ =
~
~
∂ρ ∂σ
∂U
σ
решение которого осуществляется, исходя из конкретного вида функции Ф2 .
Так, например, для предложенной выше квадратичной формы
функции Ф2(U) уравнение (11) принимает вид:
∫
σ
∂Φ1 ∂ρ~
dσ = 2U T ,
~
~
∂ρ ∂σ
откуда
U=
1
2
∫
∂Φ 1
∂ρ~
T
 ∂ρ~ 
 ~  dσ .
 ∂σ 
(12)
σ
Выражение (12) позволяет легко учесть возможные в общем случае
ограничения на вектор U при известных текущих значениях гауссовской
функции
~
ρ,
формируемых на основе решения уравнений (3), (7), после
подстановки в них выражения (12):
E
T
ˆ
0
1 ∂Φ1  ∂ρ~ 
Y&
=
+ −E

 dσ .
A1
2 ∂ρ~  ∂σ~ 
ξ&
σ
0
∫
(13)
Анализ решения. Анализ полученных уравнений (13) позволяет сделать
вывод о том, что основным недостатком предложенного подхода по сравнению с традиционным является увеличение объёма вычислительных затрат, связанных с необходимостью совместного решения системы уравнений (3), (6) при формировании вектора оценки Yˆ . “Оправданием” здесь
может служить лишь возможность существенного уменьшения ошибки оценивания, в силу использования критериев, являющихся принципиально более общими по отношению к традиционному – среднеквадратическому, т.е.
позволяющих обеспечить принципиально большую точность процедуры
оценки.
Для иллюстрации возможности эффективного практического использования предложенного подхода рассмотрим следующий пример.
Пример. Стохастический нелинейный объект, описываемый уравнением
[5]
X& = − X 3 + V ,
X (0) = 0,1;
V – белый центрированный гауссовский шум с интенсивностью DV = 10-3
наблюдается с помощью измерителя
Z = 1,5 X 2 + W ,
W – белый центрированный гауссовский шум с интенсивностью DW=10-5.
Уравнение ошибки σ = X − Xˆ в этом случае имеет вид:
∧



σ& = −(σ + X )3 − U  X , Z , t  + V ,
403
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Математика”
а уравнения её оценки соответственно:

∧

σ~& = − σ~ + X 


3
∧

Pσ~ + X  
2
∧ 
∧




− U  X , Z , t  + 3
Z − 1,5 σ~ + X  ,

DW



 

2
∧

P 2  σ~ + X 
2
∧



P& = −6 σ~ + X  P + DV − 9
.
D
W


(14)
Синтез оценки X̂ требуется осуществить, исходя из условия минимума вероятности существования ошибки оценивания вне
интервала
[-0,05;0,07], т.е. минимума функционала
−0,05
J=
∫
∞
t
0,07
0
2
~
∫ ρdσ + ∫U dt.
ρ~dσ +
−∞
Следуя рассуждениям, приведенным выше, функция U была сформирована в следующем виде:
U ОПТ =
1
2
0,07
∫
− 0,05
∂ρ~
dσ ,
∂σ~
(15)
(σ −σ~ )2
где
∂ρ~ (σ − σ~ ) − 2 P
=
e
.
∂σ~
2πP P
Численное решение уравнений (3), (11) после подстановки в правую часть выражения Uопт (15), интеграл которого вычислялся методом
прямоугольников с шагом ∆σ=0,005, осуществлялось методом Рунге-Кутты
4-го порядка на временном интервале [0;400]с. Общая ошибка оценивания,
усредняемая на интервале [300;400]с, не превысила 11% от текущего значения процесса, в то время как для традиционного нелинейного фильтра
Калмана (субоптимального в среднеквадратическом) верхняя граница
ошибки оценивания составила 28%. Затраченный при этом объём вычислений позволяет сделать вывод о реальной возможности осуществления рассмотренной процедуры оценки в масштабе времени поступления реальной
измерительной информации.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об эффективности практического использования предложенного подхода как с точки зрения точности оценивания, так и требуемых вычислительных затрат.
Библиографический список
1. Справочник по теории автоматического управления / Под ред.
А. Красовского. − М.: Наука, 1987.
2. Сейдж Э.П., Мелса Дж. Л. Идентификация систем управления.
− М.: Наука, 1974.
3. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. – М.: Наука, 1975.
404
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
4. Соколов С.В., Хуторцев В.В. Современные принципы управления
и фильтрации в стохастических системах. − М.: Радио и связь, 2001.
5. Чернов А.А., Ястребов В.Д. Метод оценки возмущений в алгоритмах решения навигационных задач // Изв. РАН. Космические исследования.
− 1984. − Т. 22. − №3. − С. 361 − 368.
Материал поступил в редакцию 07.07.2004.
V.I.BRIHARA, O.G.SHCHERBAN'
SOLUTION OF THE MODEL IDENTIFICATION
OF NONLINEAR DYNAMIC OBJECTS PROBLEM
It has been analyzed an effective computationally fundamental solution of nonlinear filtration problem using more general probability criteria in comparison
with mean square. An example is given, which illustrates an effectiveness of the
suggested approach practical application.
БРИХАРА Василий Иванович (р.1948), доцент кафедры «Автоматизация
промышленного производства» Донского государственного технического
университета (ДГТУ), кандидат технических наук (1986). Окончил Ростовский военный институт ракетных войск (РВИ РВ).
Область научных интересов: спецдатчики для систем управления летательных аппаратов.
Автор 70 научных публикаций.
ЩЕРБАНЬ Оксана Георгиевна, преподаватель кафедры «Системы
управления летательных аппаратов» Ростовского военного института Ракетных войск (РВИ РВ). Окончила Ростовский государственный университет
(РГУ).
Область научных интересов – теория нелинейного оценивания стохастических динамических объектов.
Имеет 48 научных публикаций.
405
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.18.17.3
В.Н. ПУСТОВОЙТ, Ю.А. КОРНИЛОВ, О.Ю. СОРОЧКИНА
ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
УГЛЕРОДИСТЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
ПОСЛЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО РАСПАДА АУСТЕНИТА
В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Приведены экспериментальные данные о влиянии внешнего магнитного поля на
формирование комплекса свойств углеродистых инструментальных сталей после
изотермического распада переохлажденного аустенита. Показано, что структурные
изменения, обусловленные действием внешнего магнитного поля в процессе распада переохлажденного аустенита, приводят к значимым изменениям характеристик сопротивления пластической деформации и сопротивления разрушению.
Ключевые слова: термическая обработка, магнитное поле, распад аустенита,
характеристики механических свойств.
Введение. В работах научной школы кафедры «Физическое и прикладное
материаловедение» ДГТУ [1] сформулированы основные представления о
влиянии постоянного магнитного поля напряженностью до 2 МА/м на процессы структурообразования в ходе изотермического распада переохлажденного аустенита. Энергетическое влияние магнитного поля усиливает
процесс магнитного расслоения аустенита, обусловленного образованием
в последнем кластеров с параллельной ориентацией магнитных моментов.
Наличие этих ферромагнитно-упорядоченных микрообъемов приводит к
локальной анизотропной деформации атомной решетки и снижает в этих
местах энергию образования зародышей ферромагнитных фаз критического размера. Это обеспечивает мультипликативное зарождение центров
феррита и как избыточной фазы, и как составляющей эвтектоидной смеси.
Следствием каталитического действия поля на кинетику распада аустенита
является общее диспергирование структуры эвтектоида, уменьшение размера колоний эвтектоида и межпластинчатого расстояния.
Методы испытаний. Исследования проводили на образцах из углеродистых сталей промышленной плавки с содержанием 0,45–1,20%С по массе.
Для получения структуры пластинчатого перлита образцы на нихромовой
державке нагревали в технически чистом олове до 950оС и после необходимой выдержки переносили в изотермическую микроэлектрованну, размещенную между полюсами электромагнита. Обработку образцов без поля
проводили тем же способом, но при отключенном электромагните и зашунтированном межполюсном зазоре во избежание влияния остаточной
намагниченности магнитопровода на результаты термической обработки.
Температура рабочей среды (олово-свинец) микроэлектрованны регулировалось с точностью ±10оС милливольтметром МР-1-02М. Механические
свойства определяли при статических испытаниях на растяжение пропорциональных образцов с диаметром рабочей части 3мм и испытаниях на
динамический изгиб образцов сечением 5×7. Исследование характеристик
406
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
сопротивления разрушению проводили при сравнительных испытаниях на
статический изгиб призматических образцов с наведенной трещиной по
методике, разработанной С.А. Гришиным [2].
Результаты эксперимента и их обсуждение.
Увеличение дисперсности ферритоцементитной
смеси при изотермической обработке в магнитном
поле сказывается на свойствах стали. На рис.1 показаны результаты измерений микротвердости эвтектоида сталей с различным содержанием углерода после изотермической обработки при температуре 650оС. Видно, что прирост микротвердости увеличивается в зависимости от содержания углерода
в исходном аустените и достигает 15% в стали У8.
Дальнейшее повышение концентрации углерода в
аустените заэвтектоидных сталей способствует увеличению микротвердости, но относительный ее
прирост в магнитном поле остается на прежнем
уровне.
Рис.1. Микротвердость
Анализ характеристик прочности и пластичэвтектоида углеродиности (табл.1), полученных при статических испы- стых сталей: 1 – изотаниях на растяжение, показывает, что магнитное термический
распад
поле оказывает определенное влияние на форми- аустенита при 6500С
рование механических свойств в процессе изотер- без поля; 2 – то же, в
мического превращения аустенита, причем харак- магнитном поле напряженностью 960кА/м
тер этого влияния обусловлен составом стали.
Таблица 1
Механические свойства углеродистых сталей
Сталь
Температура
изотермы оС
σ0,2,
σТ,
МПа
528±10
365±10
σв,
δ,
ψ,
%
765±10
21,0±1,0
62,5±1,0
600±10
27,3±2,3
55,0±3,0
680±15
1025±15
14,6±1,0
57,5±1,5
У8А
670
646±15
1020±15
19,8±1,0
52,0±1,5
755±10
1068±15
12,5±0,5
26,7±1,0
У10А
630
873±10
1215±15
10,8±0,5
24,9±2,0
1050±15
1315±15
9,4±0,2
15,0±2,0
У12А
580
1215±15
1500±20
9,2±0,2
12,8±2,5
Примечания. 1. В числителе приведены результаты обработки без поля, в знаменателе – в магнитном поле напряженностью 1,6 МА/м.
2. Показаны доверительные интервалы при Р = 0,95 и числе измерений n = 5
45
670
-
Изотермическая обработка в магнитном поле доэвтектоидной стали
приводит к значительному увеличению объемной доли избыточного феррита. В результате снижается предел текучести и временное сопротивление, возрастает относительное удлинение (рис.2). Это свидетельствует о
повышенной способности стали после ТОМП накапливать пластическую
деформацию во всем объеме без локализации течения. Вместе с тем относительное сужение при обработке в поле несколько уменьшается (главным
образом его сосредоточенная часть), что отражает известные представле407
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
ния [3] о влиянии грубых выделений по границам зерен избыточных фаз
(даже пластичных) на запас вязкости после локализации течения. Изотермическая обработка в магнитном поле заэвтектоидной стали повышает
характеристики прочности при небольшом снижении пластичности. Это
объясняется уменьшением межпластиночного расстояния в эвтектоиде,
большей фрагментацией ансамбля перлитных колоний и снижением объемной доли избыточных карбидов, выделяющихся хрупким каркасом по
границам зерен.
Рис.2. Первичные диаграммы растяжения образцов из стали 45:
1 – изотермическая обработка при 6500С без поля;
2 – то же, в магнитном поле напряженностью 1,6 МА/м
Последние два фактора, по-видимому, объясняют не столь значительное, как можно было ожидать, снижение характеристик пластичности.
У стали эвтектоидного состава после изотермической обработки в магнитном поле несколько более высокое относительное удлинение, что обусловлено, по-видимому, выделением прослоек избыточного феррита по
границам перлитных колоний. Характеристики прочности в этом случае
практически не изменяются.
Таким образом, результаты изотермической обработки сталей различного состава зависят от нескольких структурных факторов, а именно,
величины межпластиночного расстояния, размеров эвтектоидных колоний
и объемной доли избыточных фаз. Как видно, значение каждого из этих
факторов различно в сталях разного состава. В доэвтектоидных сталях при
обработке в поле решающую роль играет увеличение объемной доли избыточного феррита; в некоторой степени изменение свойств эвтектоидной
стали также объясняется этой причиной. Для заэвтектоидной стали превалирующим фактором, определяющим изменение свойств под действием
поля, является межпластиночное расстояние. Известно, что предел текучести стали со структурой перлита хорошо описывается зависимостью
Холла – Петча [4], в которой в качестве размера структурного элемента
выступает межпластиночное расстояние. В таком случае полезная информация может быть получена при определении, по данным эксперимента,
коэффициента Ку в уравнении Холла – Петча. Коэффициент Ку определяли
из соотношения:
(
K y = σ 0,2 − σ i
408
)
4 , 75 ∆ ф
,
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
где ∆ф – величина ферритного промежутка, а произведение под корнем
представляет эффективную длину плоскости скольжения, найденную в
работах [4,5] с учетом ориентационного соотношения В.Питча –
(001) || 52 1 и направления скольжения в феррите 〈111〉ф.
(
)
Напряжение трения σi определяли экстраполяцией на нуль зависимости σт - ∆-1/2 (рис.3). Значения коэффициента Ку, полученные расчетным путем из формулы (1), приведены
в табл.2. Анализ полученных данных
показывает, что упрочнение при
ТОМП углеродистых сталей обусловлено только уменьшением межпластинчатого расстояния, образованием
структуры с более развитой межфазной поверхностью и большим количеством
барьеров,
препятствующих
скольжению. При этом очевидно, что
обработка в магнитном поле исполь- Рис.3. Зависимость предела текучести
зуемой напряженности не изменяет стали У10 от межпластиночного расстояния в эвтектоиде: 1 – обработка
характера препятствий для движения без поля; 2 – обработка в магнитном
дислокаций (степени блокировки) и
поле напряженностью 1,6МА/м;
почти не влияет на организацию де∆ - среднее межпластиночное
фектной структуры внутри ферритных
расстояние в эвтектоиде
промежутков, о чем свидетельствует
неизменность Ку и σi.
Таблица 2
Влияние ТОМП на изменение коэффициента Ку
Температура
изотермы для
стали У10А, оС
∆
∆ф
мкм
σ0,2
σi
Ку,
Примечание
1/2
МПа
МПа/мм
580
0,160
0,124
0,142
0,1095
1050
1215
194
203
22,3
23,0
630
0,376
0,284
0,332
0,251
755
873
194
203
22,3
23,1
В
числителе
даны результаты
обработки
без магнитного
поля, в знаменателе – в поле
напряженностью 1,6 МА/м
Исследования вязкости разрушения при сравнительных испытаниях на статический изгиб призматических образцов с наведенной трещиной показали, что в стали со структурой пластинчатого перлита трещина
развивается квазихрупко при достижении критической нагрузки (рис.4,а).
При этом значения критической нагрузки после обработки в магнитном
поле (рис.4,б) оказались несколько ниже (при условии равенства длины
начальной трещины), чем при обработке без поля. Это справедливо для
температур изотермической обработки, при которых формируется достаточно дисперсная структура ферритокарбидной смеси типа сорбита и
троостита.
409
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
а)
б)
Рис.4 Осциллограмма испытания на статический изгиб стали У10А (а)
и зависимость критической нагрузки от длины трещины и режима
термической обработки (б); tиз – температура изотермического превращения: 1 – обработка без поля; 2 – обработка в магнитном поле
напряженностью 1,6 МА/м
Коэффициент интенсивности напряжений КQ рассчитывали по формуле
(
RQ = 3PLY / tb 3
2
)
,
(2)
где P – нагрузка, при которой начинается движение трещины; L – половина расстояния между опорами образца; t и b - соответственно толщина и ширина призматического образца; Y= ϕ(l/b) – тарировочный
коэффициент, учитывающий геометрию образца и длину трещины l.
Значения КQ, а также ударной вязкости и работы распространения
трещины приведены в табл.3.
Таблица 3
Влияние ТОМП на характеристики сопротивления разрушению
стали У10А
Температура
изотермической
обработки, оС
КСU
КСТ
КДж/м2
КQ
Примечания
МН/м3/2
580
196±5
190±6
66±6
59±5
53,0±1,5
48,0±1,5
1. В числителе приведены результаты обработки без магнитного поля, в знаменателе – в
поле с Н = 1,6 МА/м
630
255±8
241±9
85±5
78±5
43,4±1,5
41,0±1,5
2. Показаны доверительные
интервалы при Р = 0,95 и n = 5
Полученные результаты показывают, что после ТОМП сталь со
структурой дисперсной ферритокарбидной смеси имеет более низкие значения характеристик сопротивления разрушению. Хотя разница значений
этих характеристик невелика, тенденция ухудшения вязкопластических
свойств (см. табл. 1 и 2) прослеживается достаточно четко.
Такое изменение характеристик механических свойств стали со
структурой пластинчатого перлита после термической обработки в магнитном поле анализировалось на основе модели микромеханизма разру410
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
шения Д. Смита и модели нагруженных волокон [6]. Модель Д. Смита является развитием теории А. Котрелла, а также К. Мак-Магона и М. Коэна. В
первой из них подчеркивается значение растягивающих напряжений, и
объясняется влияние размеров зерна и параметров текучести на разрушение. Согласно А. Котреллу, упрочнение различными методами (за исключением измельчения зерна) должно облегчать хрупкое разрушение сколом, так как это повышает величину растягивающих напряжений в точке
текучести. Однако этой теорией не учитывается один важный фактор –
размер карбидных частиц. Важность этого фактора была продемонстрирована исследованиями К. Мак –Магона и М. Коэна, которые растягивали
при низких температурах образцы с идентичными характеристиками текучести, но содержащие карбиды различных размеров. Результаты этих исследований показали, что грубые частицы карбидов облегчают скол, а
дисперсные способствуют вязкому поведению материала. Таким образом,
модель Д. Смита показывает важность не только параметра текучести и
размеров зерна, но и размеров карбидных частиц, наличие грубых карбидов приводит к низким разрушающим напряжениям.
В модели нагруженных волокон предполагается, что карбид ведет
себя как длинное тонкое волокно, которое нагружено упруго, в то время
как окружающая матрица испытывает пластическую деформацию. При
достижении деформацией критической величины такое волокно разрывается, в результате чего высвобождается энергия, которая может быть настолько большой, что зародыш трещины проникает в матрицу и распространяется в ней на некоторое расстояние. В дальнейшем процесс разрушения контролируется ростом этой трещины и поэтому происходит при
критическом значении приложенного растягивающего напряжения. В соответствии с этой моделью наиболее дисперсные карбиды, вытянутые
вдоль оси растяжения, подвержены растрескиванию, и матрица перед
разрывом волокна претерпевает существенную пластическую деформацию. Поэтому общий критерий разрушения сильно усложняется, так как
зародыш трещины легче возникает в мелких карбидах, хотя при низких
напряжениях более способными к развитию трещины оказываются зародыши большего размера, образующиеся в более грубых карбидах.
В работе [3] указано, что адекватная картина разрушения стали со
структурой пластинчатого перлита может быть получена при использовании обоих указанных микромеханизмов разрушения. При этом в соответствии с описанными моделями увеличение длины свободного скольжения
дислокаций и уменьшение толщины карбидных пластин понижают внешнее напряжение, необходимое для зарождения трещины. Вместе с тем в
реальных условиях при измельчении перлитной структуры (при термической, термомеханической, термической обработке в магнитном поле, патентировании) одновременно уменьшаются и толщина цементитных пластин, и размер эффективной длины плоскости скольжения в феррите, что
приводит к монотонному возрастанию предела текучести с уменьшением
межпластинчатого расстояния. Характеристики же пластичности и вязкости имеют экстремум, соответствующий межпластинчатому расстоянию ∼
0,4 мкм (структура, которую принято называть сорбитом). Увеличение
(перлит) и уменьшение (троостит) межпластинчатого расстояния приводит
к получению более низких значений ударной вязкости, работы распространения трещины и характеристик вязкости разрушения (см. табл.3,
рис.5,а).
411
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
Зависимость КСТ от межпластинчатого расстояния имеет экстремум, что вызвано влиянием двух конкурирующих факторов. Разрушение
стали с грубыми пластинами карбида контролируется зарождением трещин, отвечающих условию Гриффитса – Орована при напряжениях, несколько больших предела текучести. В этом случае скольжение в ферритном промежутке тормозится на межфазной границе, а возникающие в этом
месте высокие локальные напряжения вызывают растрескивание пластин
карбида. Увеличение же числа таких карбидных трещин на единицу объема пропорционально приращению пластической деформации. Поэтому
микротрещина отрыва будет возникать только от таких карбидных трещин,
длина которых достаточно большая, чтобы при соответствующем уровне
напряжений удовлетворять условию Гриффитса–Орована:
[
(
) ]1 2
σ t ≥ 2 Eγ эф π 1 − ν 2 L
,
(3)
где σt – растягивающее напряжение в семействе потенциальных плоскостей
отрыва; Е – модуль Юнга; γэф – эффективная поверхностная энергия
(включая энергию пластического деформирования); ν - коэффициент
Пуассона; L – полная длина трещины в карбиде (а не половина длины,
так как трещина Гриффитса этого типа вызывает микротрещину отрыва
в ферритном промежутке подобно внешнему острому надрезу).
В результате растрескивания крупных карбидов возникает «быстрая» магистральная трещина (см.рис.5,б), что соответствует низкому
уровню разрушающих напряжений.
а)
Рис.5. Зависимость предела текучести, работы развития трещены (а)
и внешнего вида трещены от межпластиночного расстояния в эвтектоиде
(б – 1,0 мкм-1/2; в – 1,8 мкм-1/2; г – 2,7 мкм-1/2)
При уменьшении межпластинчатого расстояния (и утонении карбидных пластин) число карбидных трещин на единицу объема увеличива412
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ется, но уменьшается вероятность инициирования ими микротрещин в
феррите, так как эти трещины не отвечают условию (3). Такие докритические трещины при увеличении напряжений остаются неактивными из-за их
затупления [7], и процесс разрушения контролируется развитием сдвига в
феррите, вызывающим растрескивание соседних карбидных частиц, ветвление и слияние трещин, а также образование пустот в феррите
(см.рис.5,в), т.е. происходит по схеме, предложенной в работе Л. Миллера
и Д. Смита [8].
В дальнейшем, при уменьшении межпластинчатого расстояния (переходе от сорбита к трооститу) уровень разрушающих напряжений снижается, так как в этом случае значительно повышается предел текучести и
большое количество мелких карбидных трещин не затупляется, поскольку
локальные напряжения в устье таких трещин не релаксируют путем пластической деформации, а релаксация идет путем распространения этих
трещин как хрупких (см.рис.5,г).
С позиций рассмотренных представлений можно объяснить полученные данные (см. табл.3) о влиянии магнитного поля на характеристики
разрушения стали с пластинчатым перлитом в области температур изотермического превращения, обеспечивающих получение структур типа сорбита и троостита (табл.4). В указанном температурном интервале измельчение ферритокарбидной смеси при изотермической выдержке в магнитном
поле, вызывающее увеличение σТ, приводит к снижению характеристик
разрушения.
Таблица 4
Структурные характеристики, мкм, эвтектоида стали У10А
Температура
изотермы, оС
∆
∆ц
∆ф
∆с = 4,75∆ф
580
0,160
0,124
0,018
0,0145
0,142
0,1095
0,6745
0,5201
630
0,376
0,284
0,044
0,033
0,332
0,251
1,577
1,192
Примечание. В числителе приведены результаты обработки без магнитного поля,
в знаменателе – в поле напряженностью 1,6 МА/м
Вывод. Применение магнитного поля при термической обработке на
структуру пластинчатого перлита приводит к повышению дисперсности
эвтектоида и изменяет характер процесса выделения избыточных фаз в
сталях неэвтектоидного состава – интенсифицирует выделение избыточного феррита и подавляет выделение избыточного цементита. Подобное
изменение в структурообразовании перлита влияет на механические свойства стали – повышает характеристики пластичности с одновременным
снижением прочности у доэвтектоидных сталей и, наоборот, повышает
прочность с уменьшением пластичности у заэвтектоидных. Использование
ТОМП в интервале температур распада, соответствующих образованию
структур сорбита и троостита, способствует снижению характеристик разрушения.
Библиографический список
1. Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. – М.: Машиностроение, 1987. – 255с.
2. Гришин С.А. Влияние термической обработки в магнитном поле
на характеристики разрушения стали: Автореф. дис…. на соискание ученой
степени кандидата технических наук. – Новочеркасск: НПИ, 1983.
413
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
3. Бернштейн М.Л. Прочность стали. – М.: Металлургия, 1974.
– 199с.
4. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Т., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. – Киев: Наукова думка, 1974.
– 231с.
5. Mikulez Z., Gottwaldowa., Mrowec J. Vliv merilamerani vzdalenost
na mer kluzu perlitu. / Kovove materiale, 1978. V.16. N 5. S. 600–607.
6. Lindleu T. C., Oates G., Richards C.E. A critical appraisal of carbide
cracking mechaide-carbide aggregates / Acta Metallurgica 1970. V. 18. N10.
P. 1127–1131.
7. Коэн М., Вуцкевич М.Р. Статистический анализ начала разрушения отрывом в железе при разрушении карбидов // Физика прочности и
пластичности: Сб.науч.ст. – М.: Металлургия, 1982. – С. 258–268.
8. Miller L. E., Smith G. Tensile fractures in carbon steels / Journal of
the Iron and Steel Institute, 1970, V. 208. N11/ P. 998 – 1005.
Материал поступил в редакцию 09.07.04.
V.N.PUSTOVOJT, J.A.KORNILOV, O.J.SOROCHKINA
PERFORMANCE OF MECHANICAL PROPERTIES CARBONACEOUS
TOOL STEEL AFTER ISOTHERMAL DISINTEGRATION
AUSTENITE IN THE MAGNETIC FIELD
The results of experimental researches of isothermal disintegration austenite in
a magnetic field were presented. The information about influence of researched
process on change of structure lamellar perlite and characteristics of mechanical
properties carbonaceous steel were shown. Results of research are discussed
from scientific positions, the conclusion about decrease in characteristics of
destruction after thermal processing in a magnetic field was made.
ПУСТОВОЙТ Виктор Николаевич (р.1940), заведующий кафедрой «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного
технического университета (ДГТУ), профессор, доктор технических наук
(1980). Окончил РИСХМ (1962) по специальности «Приборы точной механики».
Область научных интересов: гипернеравновесные фазовые переходы в металлах, обработка металлов в магнитном поле, поверхностное упрочнение сталей
и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии.
Имеет более 300 научных публикаций.
КОРНИЛОВ Юрий Анатольевич (р.1944), доцент кафедры «Физическое
и прикладное материаловедение» Донского государственного технического
университета (ДГТУ), кандидат технических наук. Окончил РИСХМ (1971)
по специальности «Приборы точной механики».
Область научных интересов: термомагнитная обработка.
Имеет 8 публикаций.
СОРОЧКИНА Оксана Юрьевна, аспирант кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета (ДГТУ). Окончила ДГТУ (1995) по специальности «Приборостроение».
Область научных интересов: структура инструментальной стали после обработки в магнитном поле.
Имеет 2 публикации.
414
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
УДК 669.131.622
А.Н.СУЧКОВ, Е.В.КУЗНЕЦОВ, В.Н.ПУСТОВОЙТ
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ДОЭВТЕКТИЧЕСКОГО СЕРОГО ЧУГУНА
ПРИ МОДИФИЦИРОВАНИИ, МИКРОЛЕГИРОВАНИИ
И ЛЕГИРОВАНИИ
Сформулированы основные положения современной теории формирования структуры и свойств доэвтектического серого чугуна при модифицировании, микролегировании и легировании, и на её основе созданы и внедрены технологические процессы получения высококачественных отливок.
Ключевые слова: чугун, модифицирование, микролегирование, легирование,
кристаллизация, состав, свойства, структура, неметаллические включения, отливки.
Введение. Свойства чугуна в отливках формируются в процессе
первичной и вторичной кристаллизации и в конечном итоге определяются
свойствами основных структурных составляющих - аустенита, графита,
эвтектических зерен, перлита, феррита, промежуточных (в том числе и
неметаллических) фаз. Основой повышения эксплуатационных свойств
обычного и низколегированного серого чугуна являются: увеличение
количества первичного аустенита в виде мелких и сильно разветвленных
дендритов (армирование чугуна дендритами первичного аустенита);
уменьшение размера эвтектических зерен и графитовых включений;
повышение количества и степени дисперсности перлита; появление в
структуре мелких и равномерно распределенных промежуточных фаз в
виде самостоятельных и сложных карбидов, нитридов, карбонитридов,
интерметаллидов,
неметаллических
включений;
повышение
квазиизотропии отливок; малое легирование твердых растворов. Это
достигается увеличением в составе шихты доли стального лома;
уменьшением углеродного эквивалента выплавляемого чугуна; низким
легированием; микролегированием; модифицированием.
Присадки для модифицирования и легирования. При прочих равных
условиях эффективным способом воздействия на структуру и свойства
серого чугуна является модифицирование и микролегирование. Эффект
действия вводимых при этом присадок обычно рассматривают
применительно к периоду кристаллизации и виду формирующихся
структурных составляющих. Наиболее подробно на экспериментальном и
теоретическом уровнях эти вопросы рассмотрены в работах [1-7]. Однако
они изложены фрагментарно. Обобщённый же вариант теории
модифицирования и микролегирования чугунов отсутствует, что в сильной
степени затрудняет её практическое применение. Для устранения этого
положения был выполнен аналитический обзор этих работ. Это позволило
(при одновременном учёте данных, приведенных в работах [8-20]) в
обобщённом варианте сформулировать следующие основополагающие
положения теории модифицирования и микролегирования чугунов.
1. С точки зрения термодинамики интересующие нас элементы располагаются в последовательности:
415
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
- по убывающему сродству к кислороду - La, Ca, Ce, Al, Mg, Zr, B, Ti,
C, Si, V, Mn, Cr, Nb, Fe, Ni, Cu;
- по убывающему сродству к сере - Ce, Ca, Sr, Ba, La, Mg, Al, Mn, Fe;
- по убывающему сродству к азоту - Zr, Ti, Al, Ce, La, Nb, V, B, Si, Ca,
Mg, Cr, Mo, Fe;
- по убывающему сродству к углероду - Zr, Ti, Nb, Mn, Cr, Fe, Al, Y,
Si, B, Ni, Mg.
2. Последовательность протекания металлургических реакций определяется не только термодинамикой процесса, но и:
- законом действующих масс;
- кинетикой процесса (в том числе механизмом и скоростью растворения введенных в жидкий чугун элементов, их ликвацией, концентрационными флуктуациями);
- влиянием вводимых элементов на растворимость в чугуне газов,
серы, углерода как в жидком сплаве, так и в твердых его составляющих;
- растворимостью элементов как в жидком чугуне, так и в твердых
его составляющих.
3. Протекание той или иной реакции при данных температурных условиях с образованием термически устойчивых (не диссоциирующих) соединений возможно только тогда, когда либо все составляющие конечного
продукта реакции, либо, по крайней мере, один из составляющих конечного продукта реакции находятся в сплаве в количестве выше предела растворимости; если же в образовавшихся по тем или иным причинам соединениях все составляющие оказываются в количествах меньше предела растворимости при данных условиях, то такие соединения диссоциируют со
скоростями тем меньшими, чем выше их термическая стойкость.
4. Элементы, используемые для модифицирования и микролегирования чугуна с точки зрения их влияния на первичную кристаллизацию,
разделяются на пять групп:
I-я группа - Al, Si, Mn, Be – растворяются в больших количествах
как в жидком чугуне, так и в первичном и эвтектическом аустените, легируя его; в жидком чугуне образуют окислы, при кристаллизации - окислы и
сульфиды (в основном - Mn), а при медленном охлаждении - и нитриды (в
основном - Al и Be); сульфиды и нитриды образуются преимущественно на
последних этапах кристаллизации вблизи эвтектической температуры;
II-я группа - Mg, Ca, Ba, Sr, Li, K, Na – мало растворимы как в жидком чугуне, так и в первичном и эвтектическом аустените; в жидком чугуне
и в период кристаллизации образуют устойчивые к диссоциации окислы,
сульфиды, оксисульфиды, нитриды; при избытке адсорбируются в качестве
самостоятельных фаз на включениях и растущих кристаллах или образуют
промежуточные металлические фазы;
III-я группа - Y, РЗМ (La, Ce и др.), В – полностью или в значительных количествах растворяются в жидком чугуне и в относительно малых
количествах - в первичном и эвтектическом аустените, легируя его; в жидком чугуне при высоких температурах образуют только окислы, а при низкой - еще сульфиды и оксисульфиды (Y, РЗМ), которые могут диссоциировать при последующей выдержке; при кристаллизации расплава образуют
сульфиды, оксисульфиды, а также, возможно, нитриды, карбонитриды,
карбиды (в основном В), а при избытке адсорбируются в качестве само416
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
стоятельных фаз на включениях и растущих кристаллах или дают промежуточные металлические фазы;
IV-я группа - Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta – с относительно малыми скоростями, но при больших предельных значениях растворяются в жидком чугуне, образуя оксиды и способные к диссоциации при последующей выдержке сульфиды, нитриды, карбиды; при кристаллизации растворяются в
первичном и эвтектическом аустените, легируя его, а также образуют карбиды, нитриды, карбонитриды, сульфиды, интерметаллиды (в основном на
последних этапах кристаллизации);
V-я группа - As, Se, Sn, Sb, Te, Pb, Bi – либо очень мало растворяются как в жидком чугуне, так и в первичном и эвтектическом аустените
(Pb, Bi), либо, растворяясь в жидком чугуне, мало растворяются в первичном и эвтектическом аустените (остальные элементы); ни в жидком чугуне,
ни при кристаллизации они не взаимодействуют с присутствующими в чугуне O, S, N, C, H, а адсорбируются в качестве самостоятельных фаз на
включениях и растущих кристаллах, образуя в ряде случаев интерметаллиды типа селенидов, теллуридов, а также (при растворении в них серы)
сульфоселенидов, сульфотеллуридов и т.п.
5. При модифицировании и микролегировании возникают дополнительные факторы, которые ведут к появлению способных к росту центров
кристаллизации, а именно:
- если в исходном чугуне присутствуют или при вводе в него модифицирующих и микролегирующих присадок в нем появляются неметаллические включения, содержащие закись железа FeO и сульфиды FeS, то при
дальнейшей выдержке они взаимодействуют с элементами, имеющими
большее сродство к кислороду и сере (например, FeO+Al=Al2O3+Fe;
FeS+Ba=BaS+Fe; FeS+Ce=Ce2O3+Fe и т.п.). Если температура включений
будет не выше средней температуры расплава, то такие включения могут
играть роль дополнительных центров кристаллизации аустенита; по такому
принципу действуют элементы I, II, III и IV-й групп;
- если модифицирующие и микролегирующие присадки вводятся в
расплав в виде гранул, то возникающие в них термические напряжения
ведут к их дроблению на дисперсные частицы, которые конвективными потоками разносятся по всему объему расплава; растворение этих частиц
идет как диффузионным путем, так и по пульсирующему механизму, включающему в себя два сменяющих друг друга этапа. На первом этапе на поверхностях таких подложек скорость образования карбидов, нитридов,
карбонитридов, оксидов (элементы IV-й группы) или оксидов, сульфидов,
оксисульфидов (элементы I, II и III-й групп) превышает скорость их растворения, в силу чего участки чугуна, прилегающие к этим частицам, обедняются C, N, O, S. На втором этапе скорость растворения образовавшихся
соединений на поверхностях частиц, содержащих элементы I, III и IV-й
групп, превышает скорость их образования, в силу чего эндотермичность
процессов диссоциации этих соединений и растворения в чугуне C, N, O, S
обеспечивают значительное переохлаждение прилегающих к ним участков
жидкого чугуна. Эти этапы сменяют друг друга вплоть до полного растворения частиц-подложек. И если в этот период данный объем сплава достаточно переохлаждается, то микрообъёмы расплава, примыкающие к дисперсным частицам, становятся дополнительными центрами кристаллизации
аустенита (то есть центрами кристаллизации аустенита становятся микро417
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
объёмы с образовавшимися неметаллическими включениями в центре и
прилегающими к ним обедненными C, N, O, S участками сильно переохлажденного и потому закристаллизовавшегося чугуна). Поскольку концентрационное переохлаждение в случае применения элементов IV-й группы выше, чем при применении элементов I, II и III-й групп, то и эффект действия присадок IV-й группы оказывается бỏльшим.
6. При первичной кристаллизации рост дендритов первичного и эвтектического аустенита сопровождается диффузионным перераспределением как основных элементов чугуна (C, S, O, N, H), так и введенных с помощью модифицирующих и микролегирующих присадок. Как следствие
этого в чугуне в этот период развиваются следующие процессы:
- между элементами, накапливающимися на границе раздела "твердое-жидкое", начинают развиваться экзотермические реакции образования
окислов, сульфидов, нитридов, карбидов с выделением дополнительного
количества теплоты (до 10% от теплоты кристаллизации чугуна), увеличением времени затвердевания чугуна, повышением жидкотекучести и формозаполняемости, уменьшением склонности к образованию газовых раковин, изменением формы, размеров и расположения неметаллических
включений;
- элементы модифицирующих и микролегирующих присадок, не
связанные в химические соединения и присутствующие в количествах выше предела их растворимости в аустените, накапливаются на ветвях растущих дендритов аустенита, замедляя скорость их роста в продольном направлении и увеличивая число ветвей второго и более высоких порядков,
что способствует измельчению дендритной структуры. Наряду с адсорбцией этих элементов на ветвях аустенита они (как и карбидостабилизирующие элементы, присутствующие в исходном чугуне) могут частично растворяться и в образующихся здесь неметаллических включениях, что в конечном итоге также оказывает влияние на структуру и свойства чугуна.
7. В доэвтектическом сером чугуне элементы модифицирующих,
микролегирующих и легирующих присадок, а также развивающиеся в нем
при первичной кристаллизации физико-химические процессы должны при
данной скорости охлаждения отливки обеспечивать эвтектическую кристаллизацию чугуна при температурах переохлаждения, лежащих в интервале температур кристаллизации стабильной (графитной) и метастабильной (цементитной) эвтектик. Вводимые в этот чугун модифицирующие и
микролегирующие присадки должны:
- исключать возможность кристаллизации цементитной эвтектики
(ввод в чугун Si, Al; снижение в чугуне карбидостабилизирующих элементов типа O, S, N, H за счет их связывания в химические соединения с элементами I-IV-й групп);
- уменьшать в расплаве и аустените растворимость углерода, способствуя его диффузии к поверхностям раздела сплава с неметаллическими включениями и активации их в качестве центров кристаллизации графита (ввод в чугун Si, Al);
- способствовать образованию центров кристаллизации графита в
виде дополнительно возникающих в расплаве неметаллических включений
изоморфных графиту (ввод в чугун B, РЗМ, Ti, Al, Ca, Mg, Zr).
8. Если введенные элементы после кристаллизации чугуна оказываются в растворенном состоянии в его структурных составляющих или в
418
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
виде интерметаллидов и самостоятельных фаз по границам структурных
составляющих, то наибольший эффект их влияния на свойства чугуна проявляется при вторичной кристаллизации либо за счёт изменения количества и дисперсности перлита, либо за счет увеличения переохлаждения, либо за счет замедления диффузии углерода. Наиболее эффективно в этом
отношении действуют элементы IV-й и V-й групп, а также элементы II-й и
III-й групп, когда их количество превышает необходимое для связывания
кислорода и серы. Вместе с тем присадки Si и Al несколько уменьшают дисперсность перлита и его количество, что необходимо учитывать при подборе комплексных присадок.
9. Наиболее часто используемые в низколегированных серых чугунах присадки Cr, Ni, Cu, Mo, Mn оказывают следующее влияние при эвтектоидной кристаллизации: Ni и Cu повышают квазиизотропию серого чугуна
за счет выравнивания доли перлитной составляющей в различных сечениях отливок и одновременно несколько повышают как общее количество
перлита, так и его дисперсность; Cr, Mo, Mn более существенно повышают
дисперсность перлита и его количество, но в меньшей степени влияют на
квазиизотропию чугуна.
Знание изложенных выше положений позволяет успешно решать
конкретные вопросы текущего производства, осуществляя целенаправленный выбор присадок для доэвтектитческого серого чугуна в зависимости от
конкретной задачи. При этом системный анализ позволяет определить тип
вводимых присадок, а их количество, место и последовательность вода определяется экспериментально.
Практика получения отливок требуемого качества. В рамках общей
теории модифицирования и микролегирования (см. предыдущий раздел)
для доэвтектических чугунов следует использовать комплексные присадки,
содержащие щелочно-земельные (Mg, Ca, Ba, Sr), редкоземельные (Y и
лантаноиды - La, Ce и др.), карбидо- и нитридообразующие (Ti, Zr, V, Nb, B)
элементы. Ввод этих элементов ведет к снижению в растворе концентрации серы, кислорода, азота, а также к развитию сложных физикохимических процессов образования и диссоциации окислов, сульфидов,
оксисульфидов, карбидов, нитридов, карбонитридов и других промежуточных соединений, следствием чего становится измельчение первичного аустенита за счет увеличения числа центров кристаллизации и увеличения
склонности чугуна к графитизации за счет снижения в растворе карбидостабилизирующих элементов. Образовавшиеся при этом соединения играют роль дополнительных центров кристаллизации графита. В итоге это все
ведет к измельчению дендритов первичного аустенита, эвтектических зерен, графитовых включений, устранению отбела при первичной кристаллизации, повышению плотности чугуна, его жидкотекучести, снижению
склонности к образованию газовых раковин. Кроме того, сами эти элементы, оказавшиеся в химически несвязанном состоянии, микролегируют
твердый раствор и повышают устойчивость аустенита и степень его переохлаждения при эвтектоидной кристаллизации. При этом возрастает доля
перлита и его дисперсность. В ряде случаев (при микролегировании карбидо- и нитридобразующими присадками) при охлаждении отливок ниже
700 °С в структуре появляются мелкодисперсные карбиды и нитриды, дополнительно повышая прочность матрицы.
419
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
Для повышения эффективности действия указанных выше присадок
их надо вводить с определенным количеством кремния и (или) алюминия,
которые в период эвтектической кристаллизации уменьшают растворимость углерода в растворе, повышают его активность и снижают относительное переохлаждение при эвтектической кристаллизации. Все это способствует активации образующихся при модифицировании неметаллических включений в качестве центров кристаллизации графита, изменяет
форму графитовых включений и повышает графитизирующую способность
чугуна.
Для решения практических вопросов определения влияния количества вводимых в доэвтектический серый чугун модифицирующих или микролегирующих присадок на изменение σв и HB применили метод математического планирования экспериментов с реализацией дробной реплики 26-3
полного факторного эксперимента 26 и обработкой данных с использованием персонального компьютера (ПК). Переменными величинами были: массовые доли C (2,95-3,25%); Si (2,05-2,35%); сплава Al-Mg с 10% Mg
(0,0-0,3%); ФС30РЗМ20 (0,0-0,3%); SiCa – СК20 примерно с 20% Ca
(0,0-0,4%). Статистическая обработка данных позволила рассчитать все
коэффициенты и получить следующие адекватные уравнения (в натуральном масштабе) для σв (Мпа) и твёрдости (HB):
σB = 652,2 − 91,7 ⋅ С − 58,75 ⋅ Si − 18,3 ⋅ Al − 40 ⋅ (SiBa) − 7,6 ⋅ (SiCa) ;
(1)
HB = 490,35 − 61,67 ⋅ С − 51,67 ⋅ Al − 85 ⋅ (SiBa) − 68,83 ⋅ (SiP3M).
(2)
Сравнение рассчитанных по уравнениям (1) и (2) значений σв и HB
с фактическими для ряда промышленных плавок приведены в таблице. Высокая степень корреляции расчетных и фактических значений свойств позволяет рекомендовать уравнения (1) и (2) для практического использования.
Сравнение расчётных и фактических значений σв и HB
для доэвтектического серого чугуна (в чугуне 0,59-0,73% Mn, 0,09-0,12% S,
0,09-0,14% P, 0,08-0,14% Cr)
№
1
2
3
4
5
6
Химический
состав,
масс.доли, %
C
Si
3,01
2,31
3,17
3,21
3,20
2,24
3,11
2,11
3,25
2,09
3,00
2,27
Массовые доли введенных
присадок, %
Al-Mg
0,2
0,2
0,3
0,2
SiBa
0,2
0,2
0,1
0,2
0,1
SiРЗМ
0,1
0,2
0,1
0,1
0,1
SiCa
0,3
0,2
0,2
Свойства
σв, Мпа
расчет.
229,1
225,7
219,8
233,9
222,2
234,9
факт.
232,5
230,2
225,0
240,0
226,5
238,0
HB
расчет.
233
242
225
233
228
239
факт.
241
241
229
241
229
241
Более общие уравнения, учитывающие также влияние легирующих
(до 0,8% Cr; до 1,0% Ni; до 1,5% Cu; до 1,0% Mo; 0,8-1,5% Mn) и микролегирующих (до 0,25% T; до 0,3% V; до 0,3% Zr), приведены в работе авторов [21].
Все эти уравнения позволили разработать программы расчета на
ПК (Excel) оптимальных составов ваграночных чугунов и вводимых в них
модифицирующих и микролегирующих присадок, гарантирующих получение заданного уровня свойств (вплоть до СЧ30 по ГОСТ 1412-85).
420
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Применимость изложенных положений и найденных уравнений к
решению практических вопросов была неоднократно доказана в промышленных условиях (литейные цеха ОАО «Росводпром» и ООО «Ростовский
литейный завод») с получением значительного экономического эффекта за
счёт замены в составе шихты чушковых чугунов чугунным и стальным ломом, уменьшения массы литых деталей с соответствующим снижением расхода металлической шихты и кокса, за счёт увеличения выхода годного
(или снижения доли брака), повышения срока эксплуатации литых деталей
и др. В частности, внедрение результатов разработок в ООО «Ростовский
литейный завод» дало годовой экономический эффект около 3,6 млн. руб.
Выводы. 1. Теория формирования структуры и свойств доэвтектического
серого чугуна позволяет осуществить качественный выбор присадок для
получения высококачественных отливок различного назначения.
2. Используя уравнения, выведенные в ходе экспериментальных исследований, возможно заранее прогнозировать комплекс механических
свойств серого чугуна в зависимости от содержания в нём основных компонентов химического состава, легирующих и микролегирующих элементов
и введённого количества модифицирующих присадок.
Библиографический список
1. Сучков А.Н. Кинетика и термодинамика металлургических реакций при раскислении, модифицировании и микролегировании и получение
отливок повышенного качества из железоуглеродистых сплавов // Прогрессивная технология литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Сб.ст./ РИСХМ. –Ростов н/Д, 1977. –С.21-33.
2. Сучков А.Н. Модифицирование и микролегирование серого чугуна в целях повышения литейных, механических и эксплуатационных
свойств // Прогрессивная технология литейного производства в тракторном
и сельскохозяйственном машиностроении: Межвуз.сб.науч.ст. / РИСХМ.
–Ростов н/Д, 1979. - С. 65-78.
3. Сучков А.Н. Некоторые вопросы теории кристаллизации и модифицирования с точки зрения электронного строения металлов // Прогрессивная технология литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Межвуз.сб.науч.ст. /РИСХМ. – Ростов н/Д, 1980.
– С. 3-16.
4. Сучков А.Н. К вопросу о квазикристаллическом строении жидких
металлов и сплавов и гомогенном образовании центров кристаллизации.
//Прогрессивные методы термического упрочнения в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Межвуз.сб.науч.ст. / РИСХМ. – Ростов
н/Д, 1980. - С. 140-149.
5. Сучков А.Н. Повышение технологических и эксплуатационных
свойств отливок из углеродистых и низколегированных сталей за счет модифицирования и микролегирования. // Прогрессивная технология литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении:
Межвуз.сб.науч.ст. /РИСХМ. – Ростов н/Д, 1981. – С. 10-23.
6. Сучков А.Н. Управление структурой и свойствами стали путем
модифицирования и микролегирования // Прогрессивная технология литейного производства в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Межвуз.сб.науч.ст. /РИСХМ. – Ростов н/Д, 1982. - С. 3-20.
421
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Материаловедение”
7. Сучков А.Н., Соловьев В.П. К вопросу о роли неметаллических
включений в формировании первичной структуры алюминиевых сплавов.
//Прогрессивная технология литейного производства в тракторном
и сельскохозяйственном машиностроении: Межвуз.сб.науч.ст. / РИСХМ.
–Ростов н/Д, 1982. – С. 50-57.
8. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твердых
металлов. – М.: Металлургия, 1978. – 248 с.
9. Мальцев В.М. Модифицирование структуры металлов и сплавов.
– М.: Металлургия, 1964. – 282 с.
10. Крещановский М.С., Сидоренко М.Ф. Модифицирование стали.
– М.: Металлургия, 1970. – 296 с.
11. Справочник по чугунному литью / Под ред. Н.Г.Гиршовича. – 3-е
изд.,перераб. и доп. – Л.:Машиностроение,1978. – 758 с.
12. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках
– М.: Машиностроение, 1966. – 562 с.
13. Эллиот Л.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. – 252 с.
14. Куликов И.С. Термическая диссоциация соединений. – М.: Металлургия, 1969. – 574 с.
15. Рузинов Л.П., Гуляницкий Б.С. Равновесные превращения металлургических реакций. – М.: Металлургия, 1975. – 416 с.
16. Свойства элементов. Ч.1. Физические свойства: Справочник /
Под ред. Г.В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1976. – 600 с.
17. Свойства элементов: Справочник. Т.1 / Под ред. Г.В.Самсонова.
– Киев: Наукова думка, 1978. – 598 с.
18. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. – Изд.
2-е, перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1976. – 560 с.
19. Самсонов В.Г.,Дроздова С.В. Сульфиды. – М.: Металлургия,1972.
– 303 с.
20. Нарита К. Кристаллическая структура неметаллических включений в стали. – М.: Металлургия, 1969. – 191 с.
21. Сучков А.Н., Карабиц О.И., Кузнецов Е.В., Пустовойт В.Н., Малов
В.Н. Структура и свойства легированного, микролегированного и модифицированного доэвтектического серого чугуна // Литьё и металлургия. –
2003. – №3. – С. 50-52.
Материал поступил в редакцию 27.08.04.
A.N.SUTCHKOV, E.V.KUZNETSOV, V.N.PUSTOWOIT
FORMATION OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF GREY
PIG-IRON AT MODIFYING, MICROALLOYING AND ALLOYING
Substantive provisions of the modern theory of formation of structure and properties grey pig-iron are developed at modifying, microalloying and alloying and
on its basis technological processes of reception high-quality foundry’s are
created and introduced.
422
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
СУЧКОВ Анатолий Николаевич (1940), помощник главного металлурга
ООО «Ростовский литейный завод», кандидат технических наук, доцент.
Работает в области создания научных основ получения высокопрочных чугунов.
Имеет около 100 публикаций.
КУЗНЕЦОВ Евгений Владимирович (р.1978), начальник ПДО ООО «Ростовский литейный завод», соискатель по кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета (ДГТУ).
Автор 5 научных публикаций в области новых технологий производства
чугуна, а также металлографических исследований структуры и свойств
чугуна.
ПУСТОВОЙТ Виктор Николаевич (р.1940), заведующий кафедрой «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного
технического университета (ДГТУ), профессор, доктор технических наук
(1980). Окончил РИСХМ (1962) по специальности «Приборы точной механики».
Область научных интересов: гипернеравновесные фазовые переходы в металлах, обработка металлов в магнитном поле, поверхностное упрочнение сталей
и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии.
Имеет более 300 научных публикаций.
423
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК621.9.06:628.517
А.Н. ЧУКАРИН, М.М. ЧААВА
ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ СТАНКОВ
ВИБРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
Повышенный шум сдерживает широкое внедрение виброабразивной обработки в
промышленности. Проведены исследования формирования шума вибрационных
станков. Результаты исследований позволяют выявить особенности процесса шумообразования и разработать мероприятия по снижению шума.
Ключевые слова: процесс шумообразования, вибрационные станки, мероприятия
по снижению шума.
Введение. Для современного высокопроизводительного технологического
оборудования большую актуальность приобретают экологические проблемы, и в частности, повышенный шум на рабочих местах операторов. Необходимо отметить, что шум относится к наиболее распространенным и неблагоприятным факторам условий труда. Станки виброабразивной обработки получили широкое распространение в различных отраслях машиностроения, но в большинстве случаев эти машины создают в рабочей зоне
уровни шума, существенно превышающие санитарные нормы.
Постановка задачи. Цель проведенных исследований - выявление особенностей процесса шумообразования вибрационных станков и диапазонов
частот, в которых наблюдается превышение уровней шума над нормативными значениями, что позволит разработать мероприятия по снижению
шума в рабочей зоне станка.
Методы испытаний. Экспериментальные исследования шума и вибрации
станков для вибрационной обработки производились для следующих типов
станков: УВГ 2х50; УВГ 4х10; СВТ-10 (рис.1). При измерениях использовался прибор ВШВ-003-3м, конденсаторный микрофон и виброакселерометры.
В процессе измерений фиксировались уровни звука (дБа) и уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами
63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
Рис.1. Вибрационный станок СВТ-10:
1 – камера; 2 – плита; 3 - электродвигатель
424
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Результаты эксперимента и их обсуждение. Результаты замеров шума
приведены на рис.2. Уровни звука этих станков составляют: 79 дБА у
СВТ-10 – с закрытой крышкой; 86 дБА у СВТ-10 – с открытой крышкой;
91 дБА у УВГ 4х10 и 94 дБА у УВГ 2х50. Эти данные говорят о том, что
уровни звука УВГ 4х10 и УВГ 2х50 превышают допустимые на 11 и 14 дБА.
У торовой камеры с открытой крышкой норматив превышается на 6 дБА, а
с закрытой крышкой станок укладывается в норматив, но находится на
предельно допустимом уровне шума.
L, дБ
4
90
6
80
70
3
1
5
2
60
50
125
500
2000
f, Гц
8000
Рис.2. Спектр шума станков для вибрационной обработки:1 – СВТ-10 с закрытой крышкой; 2 – СВТ-10
с открытой крышкой; 3 – УВГ 4х10; 4 – УВГ 2х50;
5 – помехи; 6 - норматив
Результаты замеров шума вибрационных станков могут быть приняты без поправок, так как разница уровней шума в лаборатории при выключенных и включённых станках превышает 14 дБ на всех среднегеометрических частотах активных фильтров (см.рис.2).
Характерной особенностью спектров шума этих станков является
то, что они носят чётко выраженный среднечастотный характер. Уровни
шума резко уменьшаются, начиная с частоты 2000 Гц. Разница уровней
звукового давления в интервале частот 63–1000 Гц на 20–27 дБ выше, чем
в высокочастотной части спектра 2000 – 8000 Гц. Результаты измерений
показали, что превышение уровней звукового давления в сравнении с предельно-допустимыми значениями наблюдается для всех обследуемых объектов в частотном диапазоне 500–1000 Гц и составляет 10–20 дБ (рис.2-4).
Спектры шума торовых станков имеют почти равномерное распределение интенсивности шума в среднечастотной части спектра 63–1000 Гц.
Спектры шума U-образных станков имеют практически узкополосные спектры, ограниченные диапазоном частот 500–1000 Гц, поскольку разница
уровней звукового давления в этом интервале частот и на остальных среднегеометрических частотах активных фильтров составляет 10 дБ и более.
Этот факт позволяет сделать предположение, что у этих станков имеется
достаточно ограниченное число излучателей звуковой энергии, имеющих
высокую интенсивность.
425
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
Торовый станок обладает невысокими звукоизолирующими характеристиками крышки и корпуса. Наглядным подтверждением этому является полная идентичность спектров шума при закрытой и открытой крышке и
то, что разница уровней шума при этих измерениях не превышает 8 дБ.
Кроме этого, эти данные позволяют сделать вывод о существенном вкладе
структурной составляющей шума. При изучении поэлементного вклада отдельных узлов в формирование звукового поля станка в целом использовался метод последовательного отключения (подключения) источников,
поскольку для станков с небольшим количеством источников он намного
эффективнее метода измерения шума в ближнем звуковом поле. Эксперименты проводились на станке УВГ 4х10.
В станках для вибрационной обработки имеют место три основных
источника: двигатель, плита и сама камера. Выявление влияния шумоизлучения основных источников на формирование звукового поля станков в
целом производилось методом их последовательного подключения в следующем порядке. Вначале измерялся шум одного электродвигателя, затем
производились замеры активных уровней звукового давления при установке плиты. После этого устанавливалась камера с абразивом. Результаты
замеров приведены на рис.3.
L, дБ
4
3
90
80
70
2
60
1
50
f, Гц
125
500
2000
8000
Рис.3. Спектры шума отдельных узлов станка
УВГ 4х10: 1 – электродвигатель; 2 – электродвигатель и плита; 3 – станок в сборе (камера с абразивом); 4 – норматив
Как видно из этих спектров, наименее интенсивным источником,
практически не принимающим участие в шумообразовании станка, является электродвигатель. Его собственные уровни шума на 5–10 дБ ниже, чем
при наличии звукоизлучения со стороны плиты, и на 10–20 дБ ниже, чем
при наличии плиты и камеры. Этот факт можно считать положительным с
точки зрения разработки практических рекомендаций по снижению шума
станков для вибрационной обработки по двум причинам. Во-первых, снизить шум электродвигателя в условиях завода-потребителя в самом источнике возникновения практически невозможно. Снижение же шума электродвигателя в условиях завода-изготовителя может быть выполнено только
за счёт пассивных методов звукоизоляции – за счёт специальных кожухов и
426
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ограждений, что приведёт к существенному усложнению и удорожанию
станка [1]. Во-вторых, электродвигатели одной серии существенно различаются по уровню шума на 5–8 дБА. Силы, возбуждающие вибрацию и шум
электродвигателей, по своей природе могут быть механического, магнитного и аэродинамического происхождений.
Источником механической вибрации и шума являются неуравновешенный вращающийся ротор, подшипники качения и коллекторный узел.
Дисбаланс ротора вызывает колебания с частотами, кратными частоте
вращения. Амплитуда возмущающих сил пропорциональна квадрату частоты вращения и дисбалансу ротора. Аналогичная зависимость наблюдается
и при колебаниях конструкции, вызванных дебалансным вибратором.
Спектры шума при наличии плиты и камеры идентичны по характеру в частотном диапазоне 250–1000 Гц, хотя уровни звукового давления от
воздействия камеры на 7–10 дБ выше, чем от воздействия плиты. Именно в
этом диапазоне частот камера является источником, формирующим шум
станка в целом. В высокочастотной части спектра 4000–8000 Гц шум станка
определяет звуковое излучение плиты.
Изменение амплитуды возбуждения сопровождается изменением
уровней звукового давления в интервале частот 250–1000 Гц при неизменном характере спектра.
Изменение уровней звукового давления пропорционально величине
a1 , где a и a – амплитуды возбуждения.
1
2
20 ⋅ lg
a2
Виброакустические характеристики станков для вибрационной обработки зависят также от рабочей среды. Уровни шума станка с рабочими
средами – абразивом и металлическими шарами приведены на рис.4.
L, дБ
90
1
3
80
2
70
60
50
125
500
2000
f, Гц
8000
Рис.4. Спектры шума станков с различными рабочими средами:1 – с абразивом; 2 – с металлическими шарами; 3 – норматив
Как видно из результатов измерений, изменения в уровнях звукового давления наблюдаются в интервале частот 63–1000 Гц, где разница
уровней составляет 3–7 дБ. В высокочастотной части спектра 2000–8000 Гц
427
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
разница не превышает 2 дБ. Такое изменение следует считать несущественным с учётом того, что погрешность измерения составляет ± 1 дБ.
В общем использование в качестве рабочей среды металлических
шаров сопровождается снижением уровня звукового давления в наиболее
активной части спектра 250–1000 Гц на 3–5 дБ. Эти выводы подтверждаются замерами виброускорения на стенке камеры, приведёнными на рис. 5.
L, дБ
90
1
80
70
2
60
3
50
125
500
2000
f, Гц
8000
Рис.5. Спектры виброускорения на станке камеры:
1 – с абразивом; 2 – с металлическими шарами;
3 – пустая камера
Все три спектра идентичны по своему характеру. Эти замеры представляют большой интерес с точки зрения изучения физики процесса формирования шума, поскольку наглядно показывают, что основным источником излучения камеры является её корпус, а не воздушный её объём.
Максимальная интенсивность вибрации наблюдается на частоте 1000 Гц,
т.е. на той же среднегеометрической частоте, где наблюдаются максимальные уровни звукового давления.
Выводы. Проведённые экспериментальные исследования позволили выявить особенности процесса шумообразования вибрационных станков и
диапазоны частот, в которых наблюдается превышение уровней шума над
нормативными значениями, что и является основной информацией для
разработки мероприятий по снижению шума [2,3].
Библиографический список
1. Борисов А.П. Гужас Д.Р. Звукоизоляция в машиностроении. – М.:
Машиностроение, 1990. – 256 с.
2. Иванов Н.И., Дроздова Л.Д. К расчёту звукоизолирующих капотов, устанавливаемых на самоходные и передвижные машины. // Тр.
ЛИИЖТ, 1977. Вып. 408. – С. 57–74.
3. Иванов Н.И., Самойлов М.М. Расчёт акустической эффективности
малых акустических экранов // Проблемы шумозащиты. – Днепропетровск,
1980. С. 21–23.
428
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Материал поступил в редакцию 16.06.04.
429
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
A.N. CHUCARIN, M.M. CHAAVA
NOISE CHARACTERISTICS IN THE WORKING ZONE
OF MACHINE TOOLS FOR VIBRATION GRINDING PROCESSING
The raised noise constrains wide introduction vibration grinding process in the
industry. Researches of formation of noise of vibrating machine tools are lead.
Results of researches allow to reveal features of process formation of noise and
to develop actions on decrease of noise.
ЧУКАРИН Александр Николаевич (р.1950), профессор (1996) кафедры
"Металлорежущие станки и инструмент" Донского государственного технического университета (ДГТУ), доктор технических наук (1995). Окончил
РИСХМ в 1972 г.
Область научных интересов: акустическая динамика металлорежущего
оборудования.
Опубликовал свыше 120 научных работ.
ЧААВА Михаил Мегонович (р.1972), старший преподаватель кафедры
"Технология машиностроения" Донского государственного технического
университета (ДГТУ), кандидат технических наук (1998). Окончил РГУПС в
1994 г.
Область научных интересов – отделочная обработка деталей машин, снижение шума вибрационных станков.
Опубликовал 14 научных работ.
430
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
УДК 621.735.34.001.24
А.Н. ИСАЕВ
ПРИМЕНЕНИЕ РОТАЦИОННЫХ ДОРНОВ
ДЛЯ СБОРКИ СОСТАВНЫХ ИЗДЕЛИЙ
СО СВЕРНУТЫМИ ИЗ ПЛАСТИН ВТУЛКАМИ
Определены преимущества метода ротационного дорнования для образования составных изделий со свернутыми из пластин втулками. Показана связь геометрии
ротационного дорна с технологическими режимами обработки отверстий. Предложена методика расчета основных параметров ротационных дорнов и режимов дорнования.
Ключевые слова: ротационное дорнование, составные изделия, пластинирование, прессовые соединения, геометрия дорна
Введение. Эксплуатационный ресурс деталей машин, работающих в условиях интенсивного изнашивания поверхностей, зачастую зависит от
свойств достаточно тонкого поверхностного слоя материала, непосредственно воспринимающего нагрузку. Требуемая износостойкость может быть
обеспечена, если рабочие поверхности деталей облицевать тонкой пластиной, обеспечивающей высокую поверхностную износостойкость, а корпус
детали изготовить из материала, обладающего высокими технологическими
свойствами и обеспечивающего требуемую прочность и жесткость. Процесс
создания составного изделия путем облицовки рабочих поверхностей деталей машин известен как «пластинирование» [1].
Обычная технология пластинирования предусматривает запрессовку тщательно подготовленной и свернутой в кольцо пластины в корпус.
Сопрягаемые поверхности должны быть выполнены с высокой точностью,
так как даже незначительные отклонения от достаточно высоких требований к подготовке деталей приводят к браку.
Ротационное дорнование отверстий. В работе [2] показано, что прессовые соединения рассматриваемого типа целесообразно выполнять дорнованием отверстий. Однако образование соединений с тонкостенными
втулками этим методом не всегда возможно, так как под воздействием
больших осевых сил тонкие втулки теряют устойчивость и буквально ломаются. Поэтому соединения со втулками, имеющими толщину стенок
S0=0,5…1,5 мм, рекомендуется выполнять планетарными раскатниками [3].
Инструменты планетарного типа достаточно компактны, не требуют больших усилий и пригодны для обработки отверстий небольшого диаметра с
малыми натягами, которые из-за малых диаметров роликов обычно не превышают i=0,05…0,20 мм.
При изготовлении соединений со свернутыми из листа втулками натяг дорнования должен быть достаточным, чтобы обеспечить окружное
смещение материала для образования плотного бокового стыка. Для этого
целесообразно использовать ротационный дорн специальной конструкции,
ролик которого выполнен в виде сдвоенного тора, имеющего переднюю и
заднюю деформирующие поверхности [4].
Схема работы ротационного дорна приведена на рис.1. Наибольший
диаметр торового ролика dд меньше, чем исходный диаметр отверстия
430
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
втулки D0, поэтому ролик можно свободно ввести в отверстие заготовки. В
процессе обработки ось ролика должна быть повернута на угол γ0 относительно его общего центра симметрии. Возможны два конструктивных варианта ротационных дорнов. Более технологична конструкция, у которой оси
ролика и оправки совпадают (см.рис.1,а). Этот дорн предназначен для обработки сравнительно коротких втулок с большим диаметром раскатываемого отверстия. Длина обработки ограничена углом и длиной конусной оправки, определяемыми конструктивно. За счет регулирования угла наклона
γ0 возможна многопроходная обработка отверстий с переменным натягом.
а)
б)
Рис. 1. Схема ротационного дорнования: а − коротких втулок;
б − втулок произвольной длины
Длинные отверстия рекомендуется обрабатывать ротационным
дорном, схематично представленным на рис.1,б. В конструктивном отношении он более сложен, так как технологически необходимо обеспечить пересечение оси ролика с осью обрабатываемого отверстия в общем центре
симметрии торовых поверхностей. При этом изменить натяг дорнования
можно только за счет диаметра ролика.
Технологические параметры ротационного дорнования отверстий.
Расчетная схема для определения параметров процесса ротационного дорнования приведена на рис.2. Продольное сечение взаимодействующих
элементов рассмотрены в системе координат YOZ, начало которой совмещено с общим центром симметрии торовых поверхностей ролика и осью
обрабатываемого отверстия.
Направление оси Z совпадает с осью вращения ролика. При развороте ролика на угол γ0 его передняя (верхняя) и задняя (нижняя) торовые
поверхности внедряются в заготовку на глубину 0,5i0. Максимальная глубина внедрения зависит от допустимой величины угла вдавливания α0. Линии пересечения секущих плоскостей, перпендикулярных к оси Z, с торовыми поверхностями роликов представляют собой окружности с переменным диаметром dzi. Линии пересечения поверхности отверстия заготовки с
этими же плоскостями являются кривыми эллиптического типа. В принятой
системе координат центры сечений поверхности отверстия втулки при удалении от начала координат в направлении оси Z на величину zi смещаются
от начала координат в обратном направлении оси Y на величину zitgγ0. В
431
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
связи с этим окружности роликов и линии сечений обрабатываемой поверхности в определенных точках пересекаются друг с другом.
Рис.2. Расчетная схема для определения параметров процесса
ротационного дорнования
Для расчета технологических режимов обработки необходимо знать
площадь контакта инструмента с заготовкой, которая образуется как совокупность следов линий пересечений торовых поверхностей ролика с цилиндрической поверхностью отверстия заготовки.
В деформируемой области ′abd′ , ограниченной отрезками ′ad′ и
′db′ и дугой ′ab′ , сечения обрабатываемой поверхности представляют собой эллипсы с полуосями ′a′ и ′b′ ,равными: b=D0 и a=D0/cosγ0. В области
дуги ′dс′, полученной в результате предыдущего прохода ролика, секущие
плоскости пересекают винтовую поверхность. Углы подъема витка и положения сечения совпадают (оба равны углу γ0), поэтому сечения поверхности обрабатываемой заготовки здесь также эллиптические. Особенность
данного участка состоит в том, что размеры полуосей при перемещении
секущих плоскостей вдоль оси Z переменны по величине. Их текущие размеры определяются с учетом диаметров окружностей ролика по дуге ′dс′,
полученной на предыдущем переходе и смещенной относительно дуги ′bс′
на величину подачи S.
Для определения координат точек пересечений эллиптических кривых с дугами окружностей роликов необходимо знать их текущие диаметры
вдоль оси Z. В пределах дуги ролика ′abс′ они могут быть рассчитаны
d Z i = d Д − 2 R − R 2 − (z − zc )2  ,


где zс – координата точки ′с′, одновременно–центра окружности торового
элемента ′02′ после его смещения на величину подачи S; z – текущая координата, отсчитываемая от начального положения торового элемента (до
смещения на величину подачи S).
В пределах дуги ′dс′ текущие диаметры при смещении координаты
zс центра элемента тора на величину подачи S рассчитываются по формуле
432
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
dzi = dд − 2 R − R2 − ( z − zc )2 

.
Большая и малая полуоси эллипса на этом участке равны
[
]
a = 0,5dд − R − z(2R − z) + zsinγ0 ;
b = a cos γ 0 .
Координаты граничных точек ′с′, ′d′ и′a′ в общей системе координат YOZ рассчитываются по следующим формулам.
Точка ′с ′:
S
+ γ 0 ) − 1] + 0,5d д ,
2R
S


z н 1 = R 1 + sin(arcsin
+ γ 0 ) .
2R


yн1 = R [cos(arcsin
Точка ′d ′:
y к 1 н 2 = 0 , 5 d д − R [1 - cos( α 0 + γ 0 )] ;
z к 1 н 2 = R [1 + cos( α 0 + γ 0 ) ].
Точка ′a ′:
y к 2 = 0 ,5 d д − R [1 - cos( α 0 + γ 0 )] − S sin γ 0 ;
z к 2 = R [1 − sin( α 0 + γ 0 ) ] + S cos γ 0 .
Дуги окружностей ролика радиуса 0,5dz, пересекаясь с эллиптической кривой сечения поверхности отверстия, образуют линии контакта в
поперечных сечениях заготовки. Координаты точек пересечения рассчитываются по формулам:
a z2 − 0 , 25 d z2
y z = bz
; x z = 0 , 25 d z2 − y z2 ,
2
2
a z − bz
а половина величины центрального угла дуги контакта равна
ψ = arctg( x z y z ) .
Площадь контакта ролика с заготовкой, от величины которой зависят силовые параметры процесса ротационного дорнования, определяется
совокупностью дуг из области ′abсd′ и может быть выражена интегралом
za
Fk =
∫ d z ( z )ψ ( z ) dz .
zс
Однако расчет площади по этой формуле достаточно трудоемок,
так как требуется проделать достаточно длинную цепочку вычислений. Но
задачу можно существенно упростить. Для этого достаточно вычислить не
всю площадь контакта, а ограничиться только ее проекцией на продольную
плоскость (область ′abсd′ ). Тогда окружную силу и момент можно рассчитать с учетом среднего давления по поверхности контакта.
433
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
Решив геометрическую задачу, получаем
Fкпр = R 2 [0,5(α − sin α ) − (α1 − sin α1 ) + (α 2 − sin α 2 )] +
α


+ 2(2 R − i0 )  R sin − S / 2  ,
2


где
α = 2arccos
R − 0,5i0
R − 0,5i0
S
; α1 = 2arccos
; α 2 = 2arcsin
.
R
2R
R
Окружная сила Po на одном торовом ролике и крутящий момент T
при ротационном дорновании рассчитываются в зависимости от величины
контактного давления. Так как при дорновании в очаге деформации все
главные напряжения сжимающие, среднее давление на контактной поверхности в 1,5..2 раза превышает величину сопротивления материала
пластическому деформированию σs. Следовательно,
Pо = (1,5..2) σ s Fkпр ;
T ≈ Pо D0 .
Сила подачи при ротационном дорновании зависит от угла наклона
ролика γ0, ее можно рассчитать как проекцию окружной силы на направление подачи
Ps = P0 sin γ 0 .
Результаты исследований и их обсуждение. Условия деформирования
свернутой втулки при ротационном дорновании в наибольшей степени определяются величиной угла вдавливания ролика в заготовку α0. Значения
этого угла назначаются с учетом механических свойств материалов заготовки и инструмента, и скорости деформирования. Геометрически угол α0
связан с натягом дорнования и геометрией дорна соотношением
α 0 = arcsin
i0
i
(1 + 0,25 0 ) ,
R
R
которое может быть использовано для
коррекции условий деформирования.
Характер полученной зависимости иллюстрируют графики на рис. 3.
Как видно, угол давления не зависит от
размеров обрабатываемого отверстия.
Его величина растет с увеличением натяга и уменьшается с увеличением радиуса ролика R. Для облегчения условий деформирования угол α0 не должен
превышать 10−15°, поэтому приходится
ограничивать величину предельно допустимого натяга при раскатывании i0,
Рис.3. Изменение угла давления
либо увеличивать радиус торового элев зависимости от радиуса ролика
мента R. Лучшие результаты достигаюти натяга раскатывания (i– мм)
ся при соотношениях i0/R, не превышающих 0,17. При этом наибольшее
значение радиуса R рекомендуется принимать не более чем
R = 0 ,25 D .
0
434
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Обработанная поверхность сохраняет винтовой след подачи ротационного дорна. Вновь созданные при этом неровности приближенно можно оценить высотой гребешков hRz, остающихся на обработанной поверхности после перемещения ролика радиусом R на величину осевой подачи S
при повороте заготовки на 0,5 оборота (см. схему на рис.2). В этом случае
S = 2 hRz ( R-hRz ) .
Зависимость hRz=f(S,R) приведена на рис.4. Меньшие значения неровностей достигаются при малых подачах роликов, имеющих большую
кривизну в продольном сечении. С уменьшением S и R плотность гребешков на обработанной поверхности увеличивается, благодаря чему образуется
новая шероховатость Rz≈hRz.
Исполнительный размер дорна
dд зависит от диаметра обрабатываемого отверстия D, радиуса торового элемента R и угла наклона его оси γ0 к оси
заготовки:
d д = ( D − 2 R )cosγ 0 + 2 R .
Если γ0=0, диаметр dд=D, дорн
контактирует с заготовкой по всему
периметру, для обработки отверстия
требуется только осевое перемещение Рис.4. Зависимость высоты гребешинструмента как при обычном дорнова- ков шероховатости hRz от подачи S
ролика ротационного
нии. Чем больше наклон оси ролика, и радиуса
тем больше разница размеров инстру- дорна (R– мм)
мента и заготовки. При увеличении γ0
уменьшается площадь контакта ролика с заготовкой, уменьшаются и силы,
необходимые для осуществления деформации, поэтому желательно, чтобы
этот угол был максимально большим. Однако возможности увеличения γ0
ограничены размерами обрабатываемого отверстия и конструктивными условиями.
При конструировании инструмента следует обращать внимание на
возможность второго контакта торового элемента с обрабатываемой поверхностью заготовки особенно при малых углах γ0. Для обеспечения возможности обработки натяг дорнования не должен превышать величину
[
]
i0max < 2 D 0 − 2 R − ( d д − 2 R )cos γ 0 .
Это же выражение может быть использовано для корректировки
размеров ротационного дорна.
Выводы. 1. Составные изделия с тонкостенными втулками (в том числе со
свернутыми) рекомендуется выполнять ротационным дорнованием.
2. Геометрия ротационного дорна определяется условиями деформирования и технологическими режимами обработки отверстий.
435
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
Библиографический список
1. Соболев Н.И, Титунин Б.А. Пластинирование деталей машин.
− Л.: Машиностроение, 1987. − 224 с.
2. Исаев А.Н., Любимов Ю.В., Лебедев А.Р. Деформации составных
корпусов силовых цилиндров, изготовленных методом дорнования отверстия.//Кузнечно-штамповочное производство. – 2003. – №11. – С. 12–17.
3. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным
пластическим деформированием. − М.: Машиностроение, 2002. – 300 с.
4. Исаев А.Н., Лебедев А.Р., Лесняк С.В. Исследование геометрических параметров ротационных дорнов //Инструментообеспечение и современные технологии в технике и медицине: Сб.ст. − Ростов н/Д: ДГТУ, 1997.
− С. 40−44.
Материал поступил в редакцию 08.10.04.
A.N. ISAEV
APPLICATION OF ROTATIONAL MANDRELS FOR FORMATION
OF COMPOUND PRODUCTS WITH BUSHING CURTAILED FROM
PLATES
Advantages of a rotational mandrelling method for formation of compound
products with the bushing curtailed from plates are determined. Connection of
rotational mandrel geometry with technological modes of apertures processing
is shown. Calculation method of key parameters of rotational mandrel and mandrelling modes is offered.
ИСАЕВ Альберт Николаевич (р.1938), заведующий кафедрой «Технология автоматизированного машиностроения» Ростовской государственной
академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ), кандидат технических наук (1973), доцент.
Научные интересы связаны с поверхностным и объемным пластическим
деформированием при изготовлении деталей из трубчатых заготовок.
Основные научные достижения: опубликовано 66 научных работ, в том
числе 2 монографии (одна в соавторстве). Имеет семь изобретений.
436
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
УДК 621.98.001
А.Н. ИСАЕВ
УПРУГОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОТВЕРСТИЙ
ПОСЛЕ ДОРНОВАНИЯ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК
Рассмотрены особенности и различия деформирования трубчатых заготовок гидростатическим давлением и дорнованием. Показано, что при дорновании упругие
смещения по отверстию могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от
условий обработки. Предложена новая формула для расчета упругих смещений,
основанная на исследовании внеконтактных зон очага деформации. Теоретические
исследования подтверждены экспериментом.
Ключевые слова: свободное дорнование отверстий, упругая деформация, напряженно-деформированное состояние материала.
Введение. Свободное дорнование отверстий сопровождается пластическими и упругими деформациями, в результате которых изменяются размеры обработанных заготовок (рис.1). Конусный дорн, имеющий диаметр dд и
рабочую заборную часть с углом α1, проталкивается через отверстие заготовки d0 с натягом дорнования i. Контакт дорна с заготовкой происходит на
длине lk. Для определения фактического диаметра обработанного отверстия d1 необходимо знать радиус дуги изгиба стенки трубчатой заготовки
Rи, высоту волны внеконтактной деформации hв и упругие смещения внутренней поверхности после прохода дорна Uупр. Пластические деформации
определяют конечные размеры заготовки, а упругие – точность обработанных отверстий, поэтому их изучению как наиболее важному параметру отводится первостепенное значение.
Рис. 1. Схема очага деформации
при дорновании
Основными факторами, влияющими на величину упругих смещений,
являются исходные размеры поперечного сечения заготовки, физикомеханические характеристики обрабатываемого материала, общий натяг дорнования и способ его распределения по зубьям многозубого инструмента.
Аналитические зависимости для расчета упругих смещений и деформаций трубчатых заготовок, приводимые в различных источниках, в
основном построены на основе известной задачи Ламе–Гадолина о толстостенном цилиндре, нагруженном равномерным внутренним давлением, при
котором поперечное сечение трубы переходит в пластическое состояние.
437
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
Структура этих зависимостей практически одинакова, но количественные и
качественные оценки деформаций различны, что связано в основном с допущениями, принимаемыми при выводе формул. Нередко полученные на
основе аналитических исследований выводы прямо противоположны по
смыслу. Анализ ряда работ показывает, что противоречивы не только теоретические, но зачастую и приводимые в этих работах экспериментальные
данные.
Постановка задачи. Необходимо выяснить причины разногласий в оценках упругих расчетных и фактических деформаций, приводимых в работах
разных авторов. На наш взгляд, указанные противоречия в первую очередь
связаны с тем, что теория раздачи трубы равномерным внутренним давлением в большинстве случаев неприменима для процессов дорнования отверстий. Чтобы показать несоответствие этих процессов, рассмотрим сначала аналитические зависимости из работ разных авторов для расчета упругих смещений.
С учетом того, что геометрические факторы и натяг дорнования инвариантны по отношению к материалу заготовки, их взаимосвязь с упругими деформациями может быть представлена в виде
2U у
E
1
= f ( m, λ ) ,
σ s d0
⋅
где 2Uу – упругое восстановление диаметра отверстия после снятия нагрузки (упругое смещение); E, σs – модуль продольной упругости и
сопротивление материала пластическому деформированию; d0 – диаметр отверстия заготовки; m – относительная толщина стенки трубы,
равная отношению ее наружного диаметра к внутреннему; λ – относительный натяг дорнования, определяемый отношением абсолютного натяга к диаметру отверстия заготовки.
Конечные представления рассматриваемой задачи у разных авторов отличаются содержанием правой части, т.е. функциями f (m,λ). При
нагружении трубы равномерным внутренним давлением переход ее поперечного сечения в состояние пластичности по Ламе–Гадолину [1] происходит в момент, когда
f (m,λ) =
1− µ + (1+ µ)m2 ,
2m2
(1)
где µ - коэффициент Пуассона материала трубы.
При дорновании с большими натягами в работе [2] без учета упрочнения правая часть имеет вид
2 2m 2 + 1
f (m ,λ ) = ⋅ 2
ln m .
3 m −1
(2)
Приведенная в работе [3] соответствующая формула учитывает изменения упругой деформации в процессе деформирования через относительный натяг λ
4 (m − 1) 1/(1 + λ) 2m2 + 1
f (m,λ) = ⋅
⋅
⋅ (1 + λ) .
3 2 + (m + 1) 1/(1 + λ) m2 − 1
(3)
Формула из работы [4] по структуре соответствует формуле упругой разгрузки Ламе–Гадолина, но ее правая часть построена с применением экспериментальных данных при деформирующем протягивании отверстий в трубчатых заготовках из сталей 10, 20, 45, 38ХМЮА и алюминиевого
сплава АК6:
438
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
f (m , λ) =
ISBN 5-7890-0312-5
3  2m 


3  m − 1
0 ,125
(4)
.
В предположении, что величина предельной упругой деформации
во внеконтактной зоне примерно такая же, как при раздаче трубчатой заготовки равномерным внутренним давлением, в работе [5] предложена
следующая зависимость:
f ( m, λ ) = β
1
⋅
( m 2 + 1)/2/ m 2
1 − µ 2 1 + µ 6lnm / ( m 2 − 1)
,
(5)
где β–коэффициент Лодэ (β=1..1,15).
Согласно нашим исследованиям [6] конечный размер отверстия
формируется в результате сложного деформационного процесса. Как было
показано выше, очаг деформации содержит упругие и пластические внеконтактные участки, размеры которых необходимо учитывать при расчете
диаметра обработанного отверстия. Упругие смещения при локальной
кольцевой нагрузке части поверхности трубы происходят не в зоне контакта инструмента с заготовкой, а за ее пределами, поэтому расчет диаметра
отверстия следует вести от границы, разделяющей упругую и пластическую зоны. Для расчета внеконтактных упругих смещений нами получена
новая формула, которая позволяет записать безразмерную функцию
f (m, λ) в виде
1− µ2
f (m, λ) = β
.
(6)
2
1 + µ 6lnm / (m − 1)
Исследования зависимостей упругих смещений. На рис.2 приведены
графики упругих смещений, которые позволяют дать качественную
и количественную оценки представленным выше зависимостям. Упругие
смещения рассчитаны для стали при отсутствии упрочнения: µ=0,33;
E=200000 МПа, σs=600 МПа. Кривые 1 построены для двух случаев, соответствующих появлению пластической
деформации на поверхности отверстия
трубы и переходу всего ее поперечного
сечения в пластическое состояние.
По графикам видно, что сопоставимые результаты упругих смещений дают зависимости 2, 3 и 4 в диапазоне относительных толщин стенок 1,2..1,7. Зависимости 1, 2 и 3, построенные по формулам (1), (2), (3), существенно отличаются от зависимостей 4, 5 и 6 качественно и количественно. Согласно формулам
(1), (2) и (3) упругие смещения уменьшаются с ростом толщины стенки. Наоборот,
по кривым 4, 5 и 6 можно сделать вывод
о том, что упругие смещения с увеличением толстостенности заготовок возрасРис.2.
Зависимости
упругих
смещений 2Uу по диаметру оттают. Расчеты по формулам (5) и (6) даверстия втулок от относительют существенно завышенные результаты
ной толщины стенки заготовки
по сравнению с экспериментальными
m. Номера кривых соответствуданными (см. кривые 5 и 6 на рис. 2).
ют номерам формул (1)–(6)
439
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
Рассмотрим особенности напряженно-деформированных состояний
материалов при гидростатической раздаче и дорновании. Согласно зависимости Ламе–Гадолина упругие смещения в процессе свободной раздачи
ничем не ограничены, они могут увеличиваться до бесконечности при соответствующем увеличении внутреннего давления, являющегося в данном
случае активным внешним фактором. При одном и том же давлении упругие смещения поверхностей тонкостенных заготовок, естественно, больше,
чем толстостенных, и отверстие заготовки получает тем большую упругую
усадку, чем тоньше ее стенка (см. кривые 1 на рис. 2). Аналогичные закономерности получаются при использовании предназначенных для дорнования формул (2) и (3). При дорновании давление возникает в очаге деформации как реакция сопротивления деформируемого материала радиальному смещению нагруженных и ненагруженных внеконтактных участков
заготовки, давление на поверхности контакта с утолщением стенки растет,
поэтому упругие смещения после
снятия нагрузки увеличиваются.
Особенности
процессов
гидростатической раздачи и дорнования
заготовок
поясняют
графики на рис.3, построенные с
применением формул (1)–(6) для
расчета упругих смещений. Семейство кривых 1 соответствует
случаю раздачи трубы под давлением на поверхности отверстия
в 50, 100 и 200 МПа. Видно, что с
увеличением толщины стенки
смещения закономерно убывают.
Рис. 3. Семейства кривых упругих
Кривые 1, по сути, являются изосмещений: 1 – при гидростатической
линиями, которые определяют
раздаче; 2 – при дорновании
смещения при постоянном (бесконтактном) давлении, заданном в виде нагрузки на внутреннюю поверхность заготовки со стенкой любой толщины.
Результаты исследований и их обсуждение. В процессе дорнования
давление в общем случае значительно выше, чем при гидростатической
раздаче [6]. Его величина существенно зависит от толщины стенки заготовки и условий обработки. С увеличением толщины стенки давление растет, а с увеличением натяга на деформирующий элемент, наоборот, падает. В первом случае величина упругих смещений должна увеличиваться, во
втором – уменьшаться. Поэтому при обработке одной и той же заготовки в
разных условиях возможны как убывание, так и рост упругих смещений.
Этот процесс отображен на рис.3 семейством кривых 2, построенных с учетом условий процесса дорнования. При больших натягах на деформирующий элемент и малых углах конуса инструмента увеличивается площадь
приложения нагрузки, давление на поверхности контакта становится соизмеримым с гидростатическим. При этом закономерности упругих смещений
могут соответствовать формуле Ламе–Гадолина (нижняя кривая семейства
2 на рис. 3), т.е. уменьшаться с увеличением толщины стенки заготовки. В
других случаях дорнования, особенно с малыми натягами на деформирующий элемент инструмента, упругие смещения при прочих равных условиях
увеличиваются.
440
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Данный вывод полностью подтверждается экспериментальными исследованиями. На рис.4 приведены графики изменения упругих смещений
в зависимости от толщины стенки, заимствованные из работы [4]. Видно,
что по наблюдаемому расположению точек тенденции изменения упругих
смещений неопределены, достаточно рельефно просматриваются не закономерности, а поля рассеяния случайных отклонений. Полученные
зависимости невозможно объяснить, не связав их с условиями обработки
заготовок.
Рис. 4. Функции упругих смещений [4]: 1 – сталь 45; 2 – сталь 3;
3 – сталь 20; 4 – сталь 38ХМЮА; 5 – алюминиевый сплав АК6
Согласно теоретическим исследованиям упругие смещения пропорциональны величине сопротивления материала пластическому деформированию и диаметру обработанного отверстия заготовки. Эти выводы подтверждены экспериментально. Образцы из стали 45 имели диаметры отверстий 70 и 32 мм и относительные толщины стенок 1,17 и 1,5 соответственно. Условия обработки образцов обоих типов были выбраны примерно
одинаковыми. После последовательного
дорнования заготовок набором деформирующих зубьев определялись величины
упругих смещений по отверстию, которые,
естественно, были существенно разными.
Но затем данные, полученные для тонкостенных образцов, были пересчитаны с
соблюдением принципа подобия и перенесены на образцы меньших размеров. Достаточно близкое совпадение результатов
для существенно различных заготовок
подтверждают графики на рис. 5. Они же
подтверждают сравнительно слабую зависимость упругих смещений от толщины
стенки при соблюдении одинаковых условий обработки: линии трендов на графике Рис. 5. Упругие смещения по диаметрасположены так близко одна к другой, ру отверстия заготовок: 1 – m=1,5;
d=32 мм; 2 –-m=1,17; d=70 мм
что с учетом естественного рассеяния разделить данные практически невозможно.
На основе новых представлений о форме и размерах очага деформации, рассмотренных подробно в работе [6], разработана методика расчета упругих смещений и диаметров отверстий после дорнования, которая
получила экспериментальное подтверждение. Например, после дорнования
втулки диаметром 70 мм с относительной толщиной стенки m=1,17 и отно441
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
сительными натягами i0={0,014; 0,043; 0,071; 0,128} фактические упругие
деформации были равны 0,16; 0,18; 0,19; 0,20 и 0,19 мм, а по расчету –
соответственно 0,14; 0,16; 0,18; 0,19 и 0,20 мм. Погрешность расчетов в
отдельных точках составила от 5% до 12,5%.
Выводы. 1. Условия упругого восстановления размеров отверстий после
дорнования и гидростатической раздачи трубчатой заготовки равномерным
внутренним давлением существенно различаются.
2. Упругое восстановление размеров отверстий после дорнования
необходимо определять с учетом деформаций во внеконтактных зонах, образующихся вследствие локального нагружения участка трубы.
Библиографический список
1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учеб. пособие. М.:
Наука, 1970. – 544 с.
2. Проскуряков Ю.Г., Шельвинский Г.И. Дорнование цилиндрических отверстий с большими натягами. – Ростов н/Д: РГУ, 1982. – 166 с.
3. Валяев Ф.Ф. Исследование процесса дорнования отверстий тонкостенных деталей: Автореф. дис. − Ростов н/Д, 1972. − 22 с.
4. Розенберг А.М., Розенберг О.А. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. − Киев:
Наукова думка, 1990. −330 с.
5 Проскуряков Ю.Г. и др. Объемное дорнование отверстий /
Ю.Г. Проскуряков, В.Н. Романов, А.Н. Исаев – М.: Машиностроение, 1984.
– 224 с.
6. Исаев А.Н. Механическая схема деформации трубчатой заготовки
в процессе дорнования отверстия //Кузнечно-штамповочное производство.
–2001. −№4. –С. 6−11.
Материал поступил в редакцию 08.10.04.
A.N. ISAEV
ELASTIC RESTORATION OF THE HOLE SIZES AFTER TUBE PREFORMS MANDRELLING
Features and distinctions of deformation of tube preforms by hydrostatic pressure and mandrelling the internal hole are considered. It is shown, that at mandrelling elastic displacement on an aperture can increase or decrease depending
on conditions of processing. The new formula for calculation of the elastic displacement, based on research non-contact zones of the center of deformation is
offered. Theoretical researches are confirmed by experiment.
ИСАЕВ Альберт Николаевич (р.1938), заведующий кафедрой «Технология автоматизированного машиностроения» Ростовской государственной
академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ), кандидат технических наук (1973), доцент.
Научные интересы связаны с поверхностным и объемным пластическим
деформированием при изготовлении деталей из трубчатых заготовок.
Основные научные достижения: опубликовано 66 научных работ, в том
числе 2 монографии (одна в соавторстве). Имеет семь изобретений.
442
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
УДК 621.735.001.2
Ю.Н. РЕЗНИКОВ, А.В. ВОВЧЕНКО, С.А. КОЛОМИЕЦ
РАСЧЁТ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК В ПРОЦЕССЕ
ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Процедуры формализации в настоящей статье содержат решение последовательности обратных задач формоизменения методом граничных элементов (МГЭ) и последовательности прямых задач формоизменения, решаемых методом конечных элементов (МКЭ). Диалоговое проектирование заготовок реализовано с использованием современного интерфейса пакета QForm2D.
Ключевые слова: метод граничных элементов, метод конечных элементов, обратная задача объёмной штамповки, промежуточная форма заготовки, диалоговый
режим.
Введение. Производственным опытом установлено, что при объёмной
штамповке поковок «бездефектное оформление сколь угодно сложного
рельефа достигается правильно спроектированными и изготовленными переходными формами штампа» [1]. Актуальность проблемы расчёта рациональных и оптимальных заготовительных ручьев сохраняется и даже усиливается в настоящее время, поскольку увязывается не только с получением качественных поковок, но и с проектированием современного кузнечноштамповочного оборудования [2]. В этом случае основная задача заключается в отработке комплекса процедур расчёта и проектирования заготовок,
обеспечивающих получение поковок с заданными свойствами при минимально возможных металло- и энергозатратах.
Расчёт и проектирование заготовок для поковок сложной формы
современными средствами включает, по существу, решение тех же проблем, что и для других сложных систем, прежде всего, математическую
формализацию задачи и определение места и творческой роли разработчика. Применительно к изделиям особо ответственного назначения эти
принципы проектирования утвердились довольно давно [3]. При этом отмечается, что всякие перегибы в ту или другую сторону могут дискредитировать саму идею машинного проектирования.
Постановка задачи. Задача настоящей статьи состоит в том, чтобы показать основные этапы работ по проектированию и обеспечению получения
качественной заготовки на примере конкретной поковки сложной формы.
Результаты расчёта и их обсуждение. На конкретном примере показано, что расчёт и проектирование заготовок для поковок сложной формы
включает:
1) расчёт исходной заготовки как решение последовательности обратных задач формоизменения;
2) анализ качества полученной заготовки посредством решения последовательности прямых задач формоизменения;
3) корректировку формы расчётной заготовки в диалоговом режиме и повторную проверку её качества.
Для заданного сечения поковки (рис.1) определялась переходная
форма полуфабриката, которая должна обеспечивать заполнение ручья
443
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
штампа на переходе. Направленное определение формы заготовки осуществлялось обратным расчётом, реализованным МГЭ [5].
Качество определённой обратным расчётом заготовки оценивалось
прямым математическим моделированием процесса, выполненным МКЭ [6].
Такой подход – совместное применение прямого и обратного расчётов, как
показано в работе [4], позволяет получить наиболее достоверные результаты математического моделирования.
Рис. 1. Начальное состояние поковки в штампе,
от которого начинается расчёт заготовки по обратной схеме
В качестве текущих данных для расчётов были приняты условия
минимального трения на контактных поверхностях заготовки с инструментом. Обратным гранично-элементным расчётом была получена заготовка,
представленная на рис.2.
Рис. 2. Заготовка, полученная гранично-элементным расчётом
по обратной схеме
Результаты прямого моделирования, реализованного МКЭ (QForm2D) в аналогичных условиях, характеризующих процесс штамповки поковки, представлены на рис.3,а (∆h=1.2 мм). Видно, что на промежуточной
стадии уже при ∆h=1.35 мм в правой верхней части сечения поковки образуется углубление (см.рис.3,б), которое в дальнейшем при ∆h=1.23 мм
превращается в зажим (см.рис.3,в). Результаты моделирования, приведен444
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ные на рис. 3, подтверждают необходимость применения корректировки
формы заготовки, полученной обратным расчётом.
В работе применён диалоговый
режим корректировки формы заготовки, когда каждое принимаемое управление формой проходило проверку
прямым расчётом МКЭ. При выборе
программы QForm-2D, реализующей
прямой расчёт поставленной задачи, Рис. 3. Результаты прямого матемаучитывались возможности её графиче- тического моделирования, полученные МКЭ (QForm2D): а – заполнение
ского интерфейса, позволяющие разраполости ручья; б – углубление на
ботчику в интерактивном режиме сле- торце выступа поковки; в – зажим,
дить за процессом формоизменения и образовавшийся на торце заготовки
принимать действенные управления. из углубления
Такой выбор существенно упрощает
диалоговый режим в сравнении с программными продуктами, не имеющими
графического интерфейса.
На рис. 4 приведены результаты корректировки формы заготовки,
обеспечивающие по данным математического моделирования удовлетворительное бездефектное заполнение полости чистового ручья.
Рис.4. Результаты корректировки расчетной формы заготовки (а), обеспечивающие бездефектное заполнение
полости ручья (б), включая и проблемную область (в)
Выводы. 1. При проектировании технологического процесса объёмной
штамповки на стадии разработки применен анализ формоизменения в обратном и прямом направлениях.
2. Эффективность предложенного подхода проиллюстрирована на
примере бездефектного оформления сложного рельефа штампа (см.рис.4).
Библиографический список
1. Опыт внедрения процессов совмещённой штамповки / М.Л.Шер,
Г.А.Руденко, Р.А.Плюснин, Л.С.Фалкенберг. //Технология лёгких сплавов.
– 1978. – №5. – С. 13-19.
2. Федоркевич В.Ф., Дибнер Ю.А. Особенности штамповки поковок
из алюминиевых сплавов на кривошипных горячештамповочных прессах.
//Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. – 2003. – №10. – С.16-28.
445
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Технология машиностроения”
3. Туполев А.А. Проблемы динамики и прочности при проектировании сверхзвуковых пассажирских самолётов. // Машиноведение. – 1979.
– №1. – С. 3-7.
4. Расчёт заготовительных ручьёв для штамповки сложных поковок
/ Ю.Н.Резников, М.Л.Шер, Б.П.Корпаков, Р.А.Плюснин. // Кузнечно-штамповочное производство. – 1981. – №7. – С. 7-8.
5. Резников Ю.Н., Вовченко А.В. Особенности расчётов процессов
объёмной штамповки, основанных на решении обратных задач. // Вестник
ДГТУ. – 2003. – Т.3. – №4(18). – С.430-437.
6. Биба Н.В., Лишний А.И., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки. //Кузнечноштамповочное производство. ОМД. – 2001. – №5. – С. 39-44.
Материал поступил в редакцию 30.06.04.
YU.N. REZNIKOV, A.V. VOVCHENKO, S.A. KOLOMIETS
CALCULATION OF RATIONAL PREFORMS AT PROCESSE
OF DIE FORGING IN COMPLICATED FORM OF FORGINGS
The procedures of formalization in the present article includes a solution of a
sequence of inverse tasks metal forming by a boundary elements method (BEM)
and sequence of direct tasks metal forming, solved by a finite element method
(FEM). The dialogue projection of preforms is realized with use of the modern
interfacing of a package Qform2D.
РЕЗНИКОВ Юлий Наумович (р.1934), профессор кафедры «Машины и
технология обработки металлов давлением» Донского государственного
технического университета (ДГТУ) (1993), доктор технических наук (1992).
Окончил Днепропетровский металлургический институт (1957) по специальности «Обработка металлов давлением».
Научные интересы связаны с совершенствованием расчётов и оптимизации
процессов ОМД на основе метода граничных элементов и решения обратных задач формоизменения.
Автор более 100 научных работ.
Среди его учеников 2 кандидата технических наук.
ВОВЧЕНКО Арменак Владимирович (р.1974), доцент кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» Донского государственного технического университета (ДГТУ), кандидат технических наук (2000).
Окончил ДГТУ (1996) по специальности «Автоматизация технологических
процессов и производств».
Автор 17 научных публикаций по совершенствованию расчётов и моделированию процессов ОМД (ОШ) численным методом граничных элементов.
КОЛОМИЕЦ Сергей Александрович (р.1981), магистрант кафедры
«Машины и технология обработки металлов давлением» Донского государственного технического университета (ДГТУ).
446
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 519.72
Ю.В. КОСОЛАПОВ
О ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ КРИПТОАНАЛИТИЧЕСКОГО
АЛГОРИТМА СИДЕЛЬНИКОВА-ШЕСТАКОВА
В.М. Сидельниковым и С.О. Шестаковым построен криптоаналитический алгоритм
для шифросистемы Мак-Элиса, основанной на обобщенных кодах Рида-Соломона
(ОРС-кодах), который позволяет за полиномиальное время осуществить атаку на
секретный ключ. В работе построена удобная в применении и эффективная в вычислительном отношении программная реализация криптоаналитического алгоритма Сидельникова-Шестакова.
Ключевые слова: шифросистема Мак-Элиса, криптоанализ, коды Рида-Соломона,
поле Галуа.
Введение. В настоящее время важной частью процесса передачи информации является защита данных как от помех, возникающих в канале передачи, так и от несанкционированного перехвата. С целью защиты от помех
передаваемые данные подвергаются помехоустойчивому кодированию.
Защитить данные от перехвата их злоумышленником позволяют, например,
криптографические методы. В последнее время для организации канала
передачи конфиденциальной информации широко используются криптосистемы с отрытым ключом, позволяющие эффективно решить проблему
распространения ключей между абонентами и обладающие достаточно высокой криптостойкостью. К таким криптосистемам относятся и системы открытого шифрования Мак-Элиса [1, 2], в основе которых лежат коды, корректирующие ошибки. Криптостойкость таких систем основана на том, что
декодирование кодов «общего положения» является NP-полной задачей, в
то время как сложность декодирования некоторых алгебраических кодов
относительно невелика [3].
С появлением шифросистемы Мак-Элиса возникла задача исследования ее криптостойкости. Во многих работах, посвященных криптоанализу
системы Мак-Элиса, рассматриваются атаки на шифротекст, причем успех
таких атак зависит, как правило, от наличия некоторой дополнительной
информации [3-5]. Наибольший интерес, на наш взгляд, представляют атаки на секретный ключ. Дело в том, что даже когда известна структура помехоустойчивого кода, задача нахождения секретного ключа бывает чрезвычайно трудной. Серьезные результаты в этом направлении были получены В.М. Сидельниковым и С.О. Шестаковым в [6] для системы Мак-Элиса,
основанной на обобщенных кодах Рида-Соломона (ОРС-кодах). Отметим,
что алгоритм Сидельникова-Шестакова – один из немногих успешных алгоритмов атаки на ключ для системы Мак-Элиса, позволяющий за приемлемое время «расколоть» шифросистему [7].
Постановка задачи – построить удобную в применении и эффективную в
вычислительном отношении программную реализацию криптоаналитического алгоритма Сидельникова-Шестакова.
447
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
Шифросистема Мак-Элиса. Приведем необходимые сведения о шифросистеме Мак-Элиса, основанной на ОРС-кодах [1], [8].
Введем для матриц следующее обозначение: Al × m , где l – количество строк, а
m – количество столбцов. Через AlT×n будем обозначать
транспонированную матрицу. Пусть q=pr, где p – простое число, а r – целое
число; F=Fq∪{ ∞ }– расширение элементом ∞ поля Галуа Fq. Порождающая матрица B k ×n обобщенного кода Рида-Соломона имеет вид:
Bk ×n
 z 1 ⋅ β 10

 z 1 ⋅ β 11
=
 K
 z ⋅ β k −1
 1 1
z 2 ⋅ β 20
z 2 ⋅ β 21
K
z 2 ⋅ β 2k −1
z n β n0 

z n β n1 
,
K
K 
K z n β nk −1 
K
K
(1)
z1 , z 2 ,K , z n – некоторые ненулевые элементы поля Fq ;
где числа
β 1 , β 2 , K, β n – попарно различные элементы из F , причем если
βi = ∞
, то i–й столбец имеет вид (0,0, K , z i ) T , а если
βi = 0 ,
то –
T
( z i ,0, K ,0) [8].
Определим шифросистему Мак-Элиса. Пусть H − множество невырожденных матриц размера k × k над полем Fq , B – множество матриц
вида (1), D – множество перестановочных матриц размера n × n .
Рассмотрим
ансамбль
L , состоящий из матриц вида
ℜ = H k×k ⋅ Bk×n ⋅ Dn×n , где Bk×n пробегает множество B , H k×k – случай-
Dn×n – случайная матрица из D . Открытым ключом
является пара ( B public , t ), где B public ∈ L , а число t определяется из нераная матрица из H ,
венства
0 ≤ t ≤ (n − k ) / 2 ;
секретным
ключом
( H k×k , Bk×n , Dn×n ). Чтобы зашифровать сообщение
брать вектор ошибок
является
тройка
M , необходимо вы-
Z веса не больше t и вычислить C = M ⋅ B public + Z .
Расшифровать C может только владелец секретного ключа. Необходимо
−1
вычислить вектор C ⋅ D n×n и декодировать его в вектор N . Из равенства
C ⋅ D n−×1n = M ⋅ H k ×k ⋅ B n× n + Z ⋅ D n−×1n получаем, что
как веса у векторов Z и Z ⋅ D
−1
n× n
N = M ⋅ H k ×k , так
−1
равны. Тогда M = N ⋅ H k ×k .
Криптоаналитический алгоритм Сидельникова-Шестакова. Ниже
приведем основные этапы алгоритма Сидельникова-Шестакова, подробное
его описание с обоснованием и оценкой временных характеристик имеется
в [3], [6], где показано, что для взлома шифросистемы вместо секретного
ключа ( H k ×k , B k ×n , Dn×n ) достаточно найти такие матрицы Hˆ k ×k (∈ H ),
что
Тройку
Bˆ k × n (∈ B ),
Dˆ n× n (∈ D ),
B public = Hˆ k ×k ⋅ Bˆ k ×n ⋅ Dˆ n×n .
ˆ ) назовем модифицированным секретным ключом. Таким
( Hˆ k ×k , Bˆ k ×n , D
n×n
образом, цель атаки на ключ – нахождение модифицированного секретного
448
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ˆ
ключа. Не теряя общности, перестановочную матрицу D
n× n можно считать
единичной, а матрицу Bˆ k × n представить как произведение двух матриц
 ω10
ω20
 1
)
ω21
 ω1
Bk ×n = 
K
 K
k
−
1
ω
ω2k −1
 1
где ω1 , ω 2 , K , ω n – попарно
K
K
ωn0   s1 0 K 0 
 

ωn1   0 s2 K 0 
×
K K  

K ωnk −1   0
,

0 K sn 
(2)
O
различные элементы расширенного поля
F;
s1 , s 2 ,K, s n – некоторые ненулевые элементы поля Fq; при этом предполаω i = ∞ , то столбец под номером i имеет
гается, что если
вид
(0,0, K ,1) , а если ω i = 0 , то – (1,0, K ,0) .
T
ω j,sj
T
Нахождение секретного ключа сводится к вычислению элементов
и матрицы Hˆ k×k = (hij ) . В алгоритме Сидельникова-Шестакова пред-
лагается находить секретный ключ в два этапа: вычислить элементы ω j , а
ˆ . Этот алзатем параллельно находить числа s j и элементы матрицы H
k×k
горитм позволяет за полиномиальное время со сложностью
операций в поле
Ο(k 4 + kn)
Fq найти секретный ключ криптосистемы Мак-Элиса, ос-
нованной на ОРС-кодах.
Вычисление элементов
ωj .
Так как в случае n=q+1 группа автомор-
физмов ОРС-кода содержит подгруппу, изоморфную группе дробнолинейных преобразований [3], то в качестве первых трех элементов ω j
можно
выбрать
1,
ω j ( j = 4, K , k ,2k − 1,K , n)
0
и
∞.
Чтобы
вычисляются величины:
k
найти
β 1j = ∑ ci(1) bij ,
j = 1, k + 1, k + 2, K ,2k − 2 ;
β j2 = ∑ ci( 2) bij ,
j = 2, k + 1, k + 2, K ,2k − 2 ,
i =1
k
элементы
i =1
где bij – элементы B public , а
с (1) = (сi(1) ) , с ( 2 ) = (сi( 2 ) )
– решения систем
уравнений
k
∑c
i =1
k
∑c
i =1
соответственно.
Элементы
b = 0,
j = 1, k + 1, k + 2, K ,2k − 2 ,
b = 0,
j = 2, k + 1, k + 2, K ,2k − 2
(1)
i
ij
( 2)
i
ij
ω j ( j = 4, K , k ,2k − 1, K , n) вычисляются по формуле
ω j = b3 /(b3 − b j ) ,
(3)
где b3= β 31 / β 32 , bj = β 1j / β j2 .
449
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
Аналогично вычисляются элементы
Вычисление
sj
ˆ = (hˆ ). Полагаем
и H
k×k
ij
ω j ( j = k + 1,K ,2k − 2) .
s1 = 1 . Элементы s 2 , K s k +1 нахо-
дятся из системы линейных уравнений
k +1
∑c ω
j
j =1
где
i
j
s j = 0,
i = 0,K, k ,
(4)
c = (c j ) – решение системы уравнений
k +1
∑c b
j ij
j =1
i = 0,K, k − 1 .
i ∈ {1, K , k} , рассмотрим систему уравнений относи-
Зафиксируем
тельно
= 0,
hˆi1 , hˆi 2 , K , hˆik
k
∑ hˆ ω
l =1
ij
l
j
= s −j 1bij ,
j = 1, K , k .
(5)
ˆ .
Решив ее для каждого i ∈ {1, K , k } , найдем матрицу H
k×k
~
h1i – элементы первой строки матрицы
s j ( j = k + 2, K , n) вычисляются по формулам:
Пусть
k
s j = ∑ h1'i bij ,
Hˆ k−×k1 . Элементы
j = k + 2, K , n .
(6)
i =1
Программная реализация криптоалгоритма Сидельникова-Шестакова. Достижение поставленной цели подразумевает решение ряда подзадач: построение удобного арифметического процессора над полями Галуа; реализация матричной арифметики; решение систем линейных уравнений над полями Галуа и реализация всех этапов алгоритма Сидельникова-Шестакова. Структура программного средства приведена на рис.1.
Входными данными программы являются открытый ключ B public , а
также характеристика и мощность поля Галуа Fq, на выходе программы –
ˆ ). Программа состоит
модифицированный секретный ключ ( Hˆ kxk , Bˆ kxn , D
nxn
из трех основных блоков: арифметического процессора над полем Галуа;
блока матричных алгоритмов; блока реализации криптоалгоритма. В блоке
матричных алгоритмов реализованы основные операции над матрицами,
алгоритмы решения систем линейных уравнений методом Гаусса и нахождения обратной матрицы, которые необходимы при построении криптоаналитического блока. В последнем реализованы этапы нахождения элементов
ωj
по формулам (3), элементов
s1 , s 2 , K s k +1
из системы уравнений (4),
ˆ = (hˆ ) из (5) и элементов
вычисления матрицы H
k×k
ij
s k +2 , s k +3 , K s q +1
из
системы уравнений (6). В алгоритме Сидельникова-Шестакова необходимо
производить сложные вычисления в поле Fq, в частности, решать большое
число систем линейных уравнений методом Гаусса, где используются как
аддитивные, так и мультипликативные операции над элементами поля. Поэтому очевидно, что эффективность программы во многом будет зависеть
от способа построения арифметического процессора.
450
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Рис. 1. Структура программного средства, реализующего криптоаналитический
алгоритм Сидельникова-Шестакова:
- зависимость по данным;
- функциональная зависимость
В памяти арифметического процессора элементы поля можно представлять либо в полиномиальном, либо в логарифмическом виде. В первом
случае достигается высокая скорость аддитивных операций (O(r) операций
в кольце целых чисел), но при этом скорость мультипликативных операций
относительно низкая – O(r2). При логарифмическом представлении достаточно быстро выполняются мультипликативные операции (O(1) операций в
кольце целых чисел), хотя сложение и вычитание элементов без перехода
к полиномиальному представлению выполнить невозможно.
Чтобы использовать преимущества полиномиального и логарифмического представлений, можно применить комбинированный метод реализации
арифметических операций. При таком подходе в прикладных задачах, например, в матричных алгоритмах, для экономии памяти элементы поля хранятся в
логарифмическом виде, а способ реализации операций зависит от их класса:
аддитивные операции используют полиномиальное представление, а мультипликативные – логарифмическое. Результатом арифметической операции является элемент с логарифмическим представлением в памяти. Ясно, что эф451
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
фективное использование комбинированного метода возможно только при
наличии механизма, позволяющего по полиномиальному представлению получить логарифмическое и наоборот. В [9] рассматриваются различные варианты арифметических процессоров, в которых используется комбинированный
метод, при этом механизмы преобразования представлений в памяти зависят
от характеристики и мощности поля.
В нашем случае, в связи со спецификой задачи, необходим единый
механизм, который был бы применим для полей Галуа независимо от их
характеристики и мощности. С этой целью для нашего процессора разработана связующая структура (блок 5 на схеме процессора), дающая возможность всего за 2r операций в кольце целых чисел выполнить необходимое
преобразование представлений. Эта структура включает два специальным
образом упорядоченных массива: в первом массиве все элементы представлены в полиномиальном виде, а во втором – в логарифмическом, причем оба массива упорядочены по степеням фиксированного примитивного
элемента поля. Связующая структура позволяет быстро находить по одному представлению другое, при этом от характеристики и мощности поля
зависит только способ заполнения массивов, а правила сопоставления
представлений от поля не зависят.
Следует, однако, отметить, что недостатком рассматриваемого подхода является использование большого объема памяти. Именно вычисления показывают, что для реализации процессора над полем Fq, где q=pr,
требуется порядка q·b·(r+1) байт памяти, где b – количество байт для
представления характеристики поля p. Этот недостаток ограничивает использование предлагаемого комбинированного метода в ряде задач, например, при построении эллиптических криптосистем, так как в этом случае используются поля большой мощности, порядка 2160 элементов ([10,
11]). В то же время эффективное применение данный подход может найти
в тех задачах, где используются поля небольшой мощности. В частности,
при реализации криптоалгоритма Г. Гибсона [7] для взлома шифросистемы
Е.М. Габидулина [12].
Выводы. Получена программная реализация алгоритма СидельниковаШестакова, позволяющая эффективно проводить атаку на ключ шифросистемы Мак-Элиса, основанной на ОРС-кодах. Высокая скорость работы программы достигается, во-первых, за счет приемлемой сложности алгоритма
Сидельникова-Шестакова, а, во-вторых, благодаря универсальному комбинированному методу реализации арифметических операций в процессоре.
Результаты, полученные в ходе экспериментов, подтвердили теоретическую оценку сложности алгоритма, приведенную в [6]. Однако уточнение оценки сложности, т.е. вычисление константы С в формуле
С ⋅ (k 4 + kn) , требует, во-первых, тщательного анализа самого криптоалгоритма, а во-вторых, разработки методов для наиболее точной экспериментальной проверки.
Некоторые из результатов работы частично анонсированы в [13].
Автор благодарит В.М. Деундяка за руководство работой.
Библиографический список
1. McEliece R. J. A Public-Key Cryptosystem Based on Algebraic
Theory // DGN Progress Rep. 42-44, Jet Propulsion Lab, Pasadena, CA, J-F.–
1978. –P.114-116.
2. Алферов А. П. и др. Основы криптографии: Учеб. пособие,
2-е изд., испр. и доп. – М.: Гелиос АРВ, 2002. – С. 321-323.
452
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
3. Сидельников В.М. Криптография и теория кодирования / В кн.
Московский университет и развитие криптографии в России. – М.: МГУ,
2002. – С.49-84.
4. Al Jabri A. Kh. A Symmetric Version of the McEliece Public-Key
Cryptosystem // International Journal of Network Management. – 1997. – Vol.
7. – P. 316-323.
5. Kobara K., Imai H. Sematically Secure McEliece Public-Key Cryptosystem // Proc. of 4th International Workshop on Practice and Theory in Public
Key Cryptosystem (PKC ’01). – 2001. – P.19-35.
6. Сидельников В.М., Шестаков С.О. О системе шифрования, построенной на основе обобщенных кодов Рида-Соломона // Дискр. матем.–
1992.–Т.4.–№ 3 – С. 57-63.
7. Gibson J.K. The security of the Gabidulin version of McEliece public
key cryptosystem.// Designs, Codes and Cryptography.–1996. – P.212-223.
8. Мак-Вильямс Ф. Дж., Слоэн Н. Дж. А. Теория кодов, исправляющих ошибки. – М.: Связь, 1979.
9. Зензин О.С. AES–стандарт криптографической защиты информации. Конечные поля.–М.: Кудиц-Образ, 2003.
10. Харченко Д.В. О программной реализации эллиптических криптосистем над полями Галуа. // Вестник ДГТУ. – 2002. – Т.2. – №1(11).
– C. 98-105.
11. Царегородцев А.В. Информационная безопасность в распределенных управляющих системах.–М.: Изд-во РУДН, 2003.
12. Gabidulin E.M. On Public-Key Cryptosystem based on leniar codes:
Efficiency and Weakness.// Codes and Ciphers, Proc. 4th IMA Conference on
Cryptography and Coding.–1993.
13. Деундяк В.М., Дружинина М.А. Косолапов Ю.В.. К вопросу о
применении криптоаналитического алгоритма Сидельникова-Шестакова //
Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных
систем». – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. – С. 101-102.
Материал поступил в редакцию 18.03.04.
Y. V. KOSOLAPOV
ON THE PROGRAM IMPLEMENTATION
OF SIDEL’NIKOV-SHESTAOV’S CRYPTANALYTIC ALGORITHM
V.M. Sidel’nikov and S.O. Shestakov have designed the cryptanalytic algorithm
against McEliece’s system based on generalized Reed-Solomon codes. The algorithm allows to decompose a public-key for polynomial time. In this paper the
efficient program implementation of Sidel’nikov-Shestaov’s algorithm is constructed.
КОСОЛАПОВ Юрий Владимирович (р.1982), магистрант кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных
систем» факультета «Автоматизации и информатики» Донского государственного технического университета (ДГТУ).
Основные научные интересы: математические методы защиты информации. Имеется научная публикация.
453
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
УДК 51:621.72
А.Т. АЛИЕВ
О ПРИМЕНЕНИИ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА LSB
К ГРАФИЧЕСКИМ ФАЙЛАМ С БОЛЬШИМИ ОБЛАСТЯМИ
МОНОТОННОЙ ЗАЛИВКИ
Рассматриваются аспекты применения стеганографического метода LSB с точки
зрения повышения его стегостойкости. Приводится стегоанализ данного метода, и
выдвигаются предложения по противодействию наиболее эффективным из известных методов стегоанализа. Предлагаются две модификации исходного метода для
изображений, в которых возможно выделение областей монотонной заливки. Показывается, что использование предложенных модификаций значительно повышает
стегостойкость.
Ключевые слова: стеганография, стегоанализ, метод LSB.
Введение. В настоящее время в защите информации от несанкционированного доступа все большую популярность наряду со средствами шифрования приобретают и стеганографические методы защиты информации [1].
Их отличительной особенностью является то, что они позволяют скрывать
сам факт наличия секретной информации. Наиболее широко подобные методы применяются при необходимости передачи конфиденциальных сообщений по открытым каналам связи, при этом параллельно открытому каналу создается как бы второй, невидимый для противника, секретный канал
передачи данных. Достигается это путем внедрения конфиденциальной
информации в открытые сообщения (контейнеры). При этом само внедрение осуществляется так, чтобы не нарушались функциональность и целостность контейнеров.
Понятие цифровой стеганографии связано с использованием в качестве контейнеров цифровых носителей информации [1, 2]. Наиболее
популярными среди них являются текстовые, графические, аудио и видео
файлы различных форматов, модули исполнимых программ, пакеты данных, передаваемые по различным сетевым каналам. В общем случае в качестве носителя может использоваться практически любой цифровой сигнал. Вопрос заключается лишь в том, каков объем той информации, которую мы сможем внедрить в выбранный носитель, и какова степень скрытности этого внедрения. При этом необходимо учитывать то, что противник
может обладать достаточными ресурсами для проведения стегоанализа
сообщений, т.е. способен проводить сложный анализ всех перехватываемых сообщений с целью выявления скрытого канала передачи данных. С
этой точки зрения предпочтение следует отдать тем контейнерам, которые
имеют аналоговую природу происхождения. Связано это прежде всего с
тем, что подобные носители обладают относительно большой избыточностью, мало чувствительны к незначительным искажениям и стегостойкость
(способность противостоять стегоанализу) большинства методов сокрытия
информации в подобных контейнерах также достаточно высока.
На сегодняшний день наиболее популярным методом сокрытия информации в изображениях является метод LSB (Least Significant Bits) [3, 4].
К существенным недостаткам этого метода можно отнести то, что одна и та
454
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
же техника внедрения секретной информации применяется без изменений
ко всем видам графических изображений, порой даже без предварительного их анализа. Поэтому представляется актуальной задача создания модификации метода LSB, которая бы учитывала структуру скрывающего изображения.
Постановка задачи. В работе рассмотрены две новые методики использования метода LSB, осуществляющие внедрение информации в полном
соответствии со структурой скрывающих изображений. Последнее обстоятельство позволяет значительно повысить стегостойкость базового метода
к наиболее эффективным методам стегоанализа [5, 6, 7].
Краткие сведения о классическом методе LSB. Метод LSB (Least Significant Bits) или метод замены младших бит был предложен Е. Адельсоном
в 1990 г. [3] (см. также [4]). На сегодняшний день он является одним из
наиболее широко используемых методов сокрытия информации. Идея метода заключается в замене от одного до четырех младших битов в байтах
цветового представления точек исходного изображения битами скрываемого сообщения. Возможность такой замены обусловлена некоторой избыточностью представления цвета и, как отмечается, возможно, случайным
поведением младших битов.
Далее мы, в основном, будем оперировать файлами, содержащими
изображения в режиме True Color, т.е. полноцветными изображениями, в
которых под хранение информации о цвете каждой точки отводится по 3
байта. Каждый из байтов содержит информацию об интенсивности одной
из трех составляющих цвета (палитра RGB): красной, синей, зеленой. Так
как под хранение каждой из составляющих отводится по одному байту, то
соответствующие им интенсивности цветов изменяются в пределах от 0 до
255. Таким образом, общее число возможных цветов равно 2563 ≈ 1.6⋅107.
Известно [4], что человеческий глаз способен различить лишь порядка четырех тысяч цветов, а для хранения такого количества достаточно всего
четырех бит. При применении метода LSB предполагается, что цвет точки
практически в полной мере определяется старшими четырьмя битами каждого из трех байтов представления RGB, а, следовательно, оставшиеся четыре младших бита можно использовать для внедрения скрываемой информации, назовем их стегобитами.
Стегоанализ метода LSB. Рассмотрим метод визуального анализа битовых срезов, приведенный в [5], [4. С.131-133] и [6]. Он заключается в том,
что с помощью несложной программы изображение просматривают по слоям, т.е. берутся битовые срезы изображения. Учитывая то, что интенсивность каждого цвета определяется ровно одним байтом, всего необходимо
будет просмотреть 8 таких срезов. Для каждого из трех цветов первый срез
– это изображение, построенное самыми младшими битами, второй срез –
изображение, построенное вторыми битами и т.д. Для большей четкости
битового среза в те байты, в срезе которых стоит единица, заносят максимальное значение (255). Далее полученное изображение битового среза
просматривают и визуально сравнивают с исходным изображением. На
рис.1 приведен пример подобного анализа.
455
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
Рис.1. Сравнение битовых срезов: а – исходное изображение; б – битовый
срез по последнему биту; в – изображение с внедренным в последние биты
сообщением; г – битовый срез полученного изображения
Как видно из примера, здесь нарушается предположение о том, что
младшие биты всегда случайны. Более того, между младшими битами существуют некоторые закономерности, и их поведение вовсе непохоже на
случайное, а изображение, построенное ими, на шум. Так, в результате
проведенного нами анализа более четырех сотен изображений выяснилось,
что в изображениях очень часто встречаются длинные серии из одинаковых бит и практически любое изображение содержит серию минимум из 14
одинаковых бит. В случае, если в младшие биты изображения происходит
внедрение информации, эти закономерности нарушаются.
Следует также учесть и тот факт, что в отличие от изображений,
другие данные, которые могут оказаться внедряемыми сообщениями, не
содержат столь длинных серий из одинаковых бит. Кроме того, довольно
часто внедрение сообщений в изображения осуществляется побайтно. При
таком способе внедрения длинные серии могут получиться только в случае,
если сообщение содержит рядом расположенные байты, равные 0 или 255.
Однако практически всегда до встраивания сообщения в контейнер проводится его предварительное шифрование и (или) сжатие. В результате сообщение представляет собой нечто похожее на случайную последовательность бит. Как следствие, в срезе, в который внедряется полученное в результате шифрования и (или) сжатия сообщение, число длинных серий,
равно как и их длина, сильно сокращается. На этом факте основывается и
целый ряд методов статистического стегоанализа. Мы не будем подробно
рассматривать эти методы, так как в их основе лежит уже рассмотренный
нами принцип и большинство из них достаточно хорошо описаны в [4, 6].
Уточнение местоположения и числа стегобит. Исследования в области особенностей человеческого зрения [7] показали, что порог чувствительности глаза к изменению освещенности при средних ее значениях
составляет ∆I = 0.01 - 0.03I или 1~3% (рис.2). Заметим, что использование
для внедрения информации четырех младших разрядов в байтах исходного
изображения может привести к изменению интенсивности порядка 6%, что
в два раза превышает порог чувствительности человеческого глаза.
Проведенные нами исследования подтвердили, что замена не четырех, а даже трех младших битов (~3%) вносит заметные для человеческого глаза искажения. Изменение же яркости в переделах 1–1,5% в действительности оказалось незаметным. Следовательно, для того чтобы внедрение в изображение дополнительной информации оказалось незаметным
для человеческого глаза, наиболее оптимальным будет подвергнуть модификации либо первый и второй разряды (максимальное искажение 1,17%),
456
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
либо только третий разряд (искажение 1,56%) каждого из трех байтов, отвечающих за цвет точки.
Рис.2. Порог чувствительности человеческого глаза
Модификация метода LSB для изображений, содержащих области
монотонной заливки большой площади. Наиболее эффективным методом стегоанализа изображений рассматриваемого типа является метод
визуального анализа битовых срезов. Его основная идея заключается в
сравнении изображения в целом с изображениями его битовых срезов. То
есть человек сначала смотрит на изображение, отмечает для себя некоторые элементы этого изображения и пытается сопоставить их с элементами
изображения конкретного битового среза. Так, в случае, если изображение
содержит большие области, закрашенные одним цветом, то человек пытается найти соответствующие области и на срезе. И если на срезе человек
видит ту же область, что и на исходном изображении, но разбитую на
множество белых и черных точек, то у него возникают вполне обоснованные подозрения. Однако, в случае, если вся область целиком будет залита
либо черным, либо белым цветом, никаких подозрений не возникнет. Дело
в том, что человек, проводящий анализ, не знает, каков был исходный цвет
той или иной области. Не зная исходного цвета точек области, нельзя определить и значение соответствующего бита в цветовом представлении. А
не зная значения этого бита, нельзя ничего сказать и о цвете области на
битовом срезе. Последнее наглядно показано на рис.3.
Рис.3. Возможные битовые срезы: а – исходное изображение; б – битовый срез изображения, не содержащего дополнительной информации;
в – возможный битовый срез при внедрении сообщения 01101100
Из всего описанного выше можно сделать вывод о том, что внедрять информацию в изображение, содержащее области монотонной заливки, желательно сохраняя эти области. То есть, если нам необходимо
457
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
внести изменение в биты одной из точек некоторой области, то точно такие же изменения нужно внести и во все оставшиеся точки той же области. Что касается выделения монотонных областей, то для этой цели можно
использовать старшие разряды, которые не используются для сокрытия
информации. Так как они не подвергаются изменению, то области, выделенные кодером, могут быть однозначно определены и декодером, т.е. исключается вероятность неоднозначного извлечения информации. В качестве алгоритма, отвечающего за выделение областей, рекомендуется использовать алгоритм выделения четырехсвязной области.
Теперь постараемся определить, в каких именно битах наиболее
целесообразно производить сокрытие информации. Ранее отмечалось, что
для незаметного для человеческого глаза внедрения информации можно
использовать либо два младших бита, либо только третий бит. Однако отметим тот факт, что противник не располагает исходным изображением
(пустым контейнером), в противном случае стегоанализ любой стегосистемы становится тривиальным. Если также учесть и то, что изображение не
содержит плавных переходов цветов, то в качестве стегобит можно смело
выделить все три последних бита. Возможное максимальное изменение
интенсивности исходного цвета в этом случае будет порядка 3%. Хотя подобное отклонение и находится на пороге чувствительности человеческого
глаза и может быть обнаружено при сопоставлении цветов, в данном случае оно будет незаметно, так как изменению будет подвергаться целая область, и противнику будет просто не с чем сравнивать. Что же касается
требования отсутствия плавных переходов цветов, то в этом случае оно
обязательно, так как именно последние биты и отвечают за плавное изменение цвета.
Отметим, что для упрощения программной реализации желательно
использовать не все 9 возможных бит (по три младших бита каждой составляющей цвета), а лишь восемь из них. Это даст возможность не разбивать сообщения на биты, а производить внедрение сообщений побайтно.
То есть, в каждую точку, вернее область изображения, будет внедряться
ровно один байт сообщения. Предлагается в байтах, отвечающих за интенсивность красного и синего цветов, для внедрения сообщения использовать по три бита, а в байте, отвечающем за интенсивность зеленого, два
бита. При этом, как оказалось, желательно выделять не два последних бита, а последний и третий биты. Выбор зеленой составляющей под внедрение двух, а не трех бит обусловлен большей чувствительностью человеческого глаза именно к зеленому диапазону видимого спектра. Что же касается выделения именно первого и третьего бита, то это позволяет получить наибольшую точность выделения границ монотонных областей.
В заключение отметим, что этот метод обладает высокой стойкостью не только против метода визуального анализа битовых срезов, но и
против статистических методов стегоанализа. Последнее обусловлено,
прежде всего, тем, что не нарушается естественность контейнера. Битовые
срезы, по которым возможно проведение статистического анализа, содержат в большом числе длинные последовательности, и число переходов от
нуля к единице и от единицы к нулю находится в допустимом диапазоне.
Модификация метода LSB для изображений, содержащих области
монотонной заливки и плавные переходы цветов. В случае использования предыдущего метода для строго определенных типов изображений
458
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
он дает достаточно хорошие результаты, но в случае, если изображение
обладает плавными переходами цветов, его использование нежелательно.
Дело в том, что в описанном методе выделение областей осуществляется
по старшим разрядам байтов представления цвета. А если учесть то, что за
плавные переходы цветов отвечают младшие биты, безжалостно затираемые сообщением, то в результате плавные переходы цветов в изображениях исчезают. Как следствие, появляется возможность обнаружить факт
внедрения посторонней информации даже визуально, хотя реально это
отмечено лишь для небольшого числа изображений. При анализе гистограммы на ней также выделяются характерные всплески. Причина всплесков – увеличение размеров предполагаемых областей монотонной заливки
за счет захвата соседних, незначительно отличающихся по цвету, областей. Устранить указанный недостаток можно за счет более точного выделения областей.
По результатам проведенного сравнительного анализа было выявлено, что наибольшая точность выделения областей обеспечивается при
использовании маски FB (11111011). То есть в том случае, когда под скрываемое сообщение выделяются только третьи биты, а все остальные используются для определения границ областей. Точность выделения областей монотонной заливки в данном случае составляет 0,9952, а возможное
искажение исходной интенсивности цветов не превышает 1,56%. Для выделения областей при внедрении информации также рекомендуется использовать метод заливки четырехсвязной области.
Таким образом, данная модификация основана на тех же принципах, что и предыдущая, но лишена ряда недостатков, связанных с использованием в качестве контейнеров изображений, содержащих как области
монотонной заливки, так и плавные переходы цветов. Данный метод также
весьма стоек к различным методам стегоанализа и может использоваться
со всеми форматами графических файлов, не производящих сжатие изображений с потерей качества.
Выводы. В данной статье представлены две новые методики сокрытия
информации в изображениях, основанные на методе LSB. Их отличительной особенностью является то, что внедрение информации осуществляется
в соответствии со структурой используемых в качестве контейнеров изображений. Одна методика предназначена для работы с изображениями,
содержащими обширные области монотонной заливки, вторая – для работы
с изображениями, содержащими как области монотонной заливки, так и
области с плавными переходами цветов. Использование предложенных
методик позволяет значительно повысить стегостойкость базового метода.
Работа выполнена под руководством доцента В. М. Деундяка. Основные результаты частично анонсированы в [8].
Библиографический список
1. Генне О. В. Основные положения стеганографии // Защита информации. Конфидент. – 2002. – №3. – С.20-24.
2. Грибунин В. Г. Цифровая стеганография / В. Г. Грибунин, И. Н.
Оков, И. В. Туринцев. – М.: СОЛОН-Пресс, 2002. – 272с.
3. E. Adelson: Digital Signal Encoding and Decoding Apparatus. – U.S.
Patent. – No. 4,939515 (1990).
459
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Информационные технологии”
4. Кустов В. Н., Федчук А. А. Методы встраивания скрытых сообщений // Защита информации. Конфидент. – 2002. – №3. – С.34-37.
5. Andreas W., Andreas P. Attacks on Steganographic Systems. Breaking the Steganographic Utilities EzStego, Jsteg, Steganos, and S-Tools — and
Some Lessons Learned / Proceedings of the Workshop on Information Hiding,
1999. РР. 61-76.
6. Johnson N.F., Jajodia S. Steganalysis of Images Created Using Current
Steganography Software / Proceeding of 2nd Workshop on Information Hiding //
Lecture Notes in Computer Science, Springer, 1998. Vol. 1525. РР. 273-289.
7. Girod B. The information theoretical significance of spatial and temporal masking in video signals / Proceedings of the SPIE Symposium on Electronic Imaging, 1989. Vol. 1077. РР. 178-187.
8. Алиев А. Т. О повышении стойкости стеганографического метода LSB // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Теория, методы, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем».
– Новочеркасск, 2003. – C.100-101.
Материал поступил в редакцию 11.02.04.
A. T. ALIEV
ON APPLICATION LSB STEGANOGRAPHICS METHOD
TO DIGITAL IMAGES WITH THE GREATER MONOCHROME AREAS
In this paper we consider aspects of using LSB embedding technique in purposes of increasing its steadfastness to the main stegoanalysis methods. In accordance with it we observe the stegoanalysis of this method and try to find ways
to improve it steadfastness. In result we obtain two modifications of a base method for images with the greater monochrome areas.
АЛИЕВ Александр Тофикович (р.1982), студент 5-го курса кафедры
«Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» факультета «Автоматизации и информатики» (ДГТУ).
Основные научные интересы: математические вопросы защиты информации.
Имеется одна научная публикация.
460
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ФИЛОСОФИЯ
УДК 130. 3
С.Н. ЯРЕМЕНКО
ЭКЗИСТЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЫТ ПОВТОРЕНИЯ
Мир существует и держится на том,
что жизнь есть повторение.
С. Керкегор
Статья посвящена исследованию одного из возможных смысложизненных выборов
человека повседневности, предполагающего свой путь и способ жизнетворчества.
Показано, что «повторение» как одна из форм жизненного пути есть переживание
особого чувства, несводимого к рациональной составляющей, лишь к сознательному поиску и постановке целей.
Ключевые слова: смысложизненный сценарий, повседневность, повторение, экзистирующий индивид, подлинный и неподлинный выбор.
Введение. Смысложизненные и поведенческие проблемы выделяются в
особую область, отличную от вопросов об устроении мироздания. Несмотря
на исключительные успехи в области науки и создании новейших технологий, подготавливающих материальное благополучное будущее для всех,
никто не может утверждать, что человек приблизился к совершенству самого себя. Многим ли удается превратить наличные условия бытия в площадку для концентрации и реализации заложенных природой задатков?!
Более того, современная экономическая и социокультурная ситуация с ее апокалипсическим настроением и разрушившейся системой маркеров идентичности затрудняет для индивида выбор собственного проекта
жизненного пути, ценностно-мотивационной программы. Вопрос не в том,
есть ли у индивида потребность в системе ориентации (она внутренне присуща человеческому существованию), а в том, каков контекст ее проявления, какого он рода, а также в том, способствует ли тот или иной смысложизненый план развитию человека или ограничивает это развитие.
Здесь нам представляется важным рассмотреть один из гипотетических смысложизненных и поведенческих сценариев – сценарий «повторение», повторение того, что уже было, постоянное возобновление, «возврат всегда уже начавшегося» (М. Фуко).
Таким образом, предметом выступает один из смысложизненных
ориентиров деятельности и поведения человека из мира повседневности –
повторение. Задачей является анализ контекста проявления данного модуса повседневности как особого состояния внутреннего мира личности.
Необходимо сделать следующее замечание. Мы привлекаем в данном случае внимание к знанию, которое в определенном смысле известно.
В самом деле, каждый живущий знает, что повторяемость присутствует
ежедневно. Каждый день человек ест, пьет, трудится, ложится спать и т.д.
Но «мы можем много раз видеть картину и все же не оценить ее. Мы видим
и все же не видим. Затем однажды друг «показывает» нам картину. В неко461
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Философия”
тором смысле он не показывает нам того, что мы не видели прежде; все же
он вполне может показать нечто такое, чего мы не заметили или к чему не
обращались… Тем самым он позволяет нам увидеть картину в новом свете,
картину, виденную много раз и все же не ту картину, что мы видели раньше» [1. С.240].
Каков смысл повторения? Повторение - это сама действительность,
наша эмпирическая данность, повседневность. Из качеств повседневности,
выделяемых исследователями, - «нормальность», «прагматичность», «понятность», «повторяемость» - для нашего контекста значимо последнее
[2. C. 25]. С.Керкегор, эта экзистенциально мыслящая личность, рассматривает повторение и жизнь как тождественные: «…тот, кто не понимает,
что вся жизнь – повторение и что в этом ее красота, тот сам себя осудил,
загубил и не заслуживает лучшей участи… Кто выбрал повторение, тот живет. Он не гоняется, как ребенок за мотыльками, не становится на цыпочки, чтобы заглянуть на чудеса мира, - он их знает! – но и не сидит постарушечьи за прялкою воспоминания, нет, он спокойно идет своей дорогой, радуясь повторению» [3. C. 9].
Онтологический статус повторения не дает ему возможности оторваться от жизни, вознестись над нею, исказить настоящее. Именно такой
функциональной способностью наделено воспоминание. Вспоминая, человек изменяет реальное отношение к жизни вымышленным – воспоминанием. И даже счастливые воспоминания могут сделать человека несчастным,
поскольку они направлены в прошлое, а не в настоящее.
Категория повторения (повторяемость) как особенность повседневной жизни выступает в качестве интегративного метода познания, дающего возможность реконструировать историческое прошлое, понять социально- психологические связи настоящего, бытовые реалии. Изучая сюжет повторения через его субъекта и носителя, через его поведенческие стереотипы и стереотипы сознания, мы получаем шанс понять смысл ценностнонормативных представлений людей прошлого и настоящего.
Какими же атрибутами обладает повторение, позволяющими оценить его как смысл существования, стоящее того, чтобы за него бороться?
Человек повседневности, если задать ему вопрос о том, как он себе мыслит
«повторение», скажет, что это что-то привычное, рутинное, постоянное.
Более точное определение можно найти у А.Шюца, которое он дает повседневности, но с таким же правом относимое к повторению, – «себе тождественное в различные моменты времени». Повторение – это феномен повседневности, встречается всегда и везде, однако мы его не замечаем, настолько он привычен. И хотя сценарий повторения не является заранее
продуманным проектом, он несет в себе качества упорядоченности, фиксированности, организованности. Ибо в процессе создания своего мира и освоения навыки человека «… преобразуются в знания и умения, которые
многократно воспроизводятся и воплощаются в материальных предметах.
Это касается питания, одежды, продолжения рода, расположения жилища,
распределения времени и т.п. – всего того, что принадлежит миру, близкому и знакомому для человека миру, в котором он может свободно ориентироваться» [4. C. 69]. Таким образом, повторение – это естественное содержание будничной сферы обычного человека.
Итак, кроме этой естественности, эмпирической данности, содержащейся в повторении, оно нуждается в самоорганизации. Человек должен
462
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
создавать и поддерживать порядок повторения с помощью определенных
способов. В каждой культуре действуют различные образцы жизнедеятельности, проявляющиеся в обрядах, ритуалах, этнических стереотипах поведения, мужских и женских невербальных лексиках, стереотипах сознания.
Так, в книгах Э. Берна («Игры, в которые играют люди» и «Люди, которые
играют в игры») убедительно и точно показаны некоторые стандартизированные сценарии повторения, присутствующие в повседневной жизни каждого человека. Простые и сложные «трансакции», эти единицы общения,
складываются в повторяющийся сценарий, в котором ритуалы, процедуры,
способы времяпрепровождения выступают развернутыми коммуникативными повседневными практиками, необходимыми для придания смысла
человеческому «оповседневниванию» (М. Вебер). Именно стандартизированность этого жизненного и поведенческого сюжета обеспечивает стабильность жизни и взаимных ожиданий. Здесь либо нет нужды в новации,
либо она выступает как невозможная альтернатива.
Смысложизненная канва повторения многослойна. С одной стороны, человек как субъект своего жизненного пути сам выбирает его форму,
сам строит свой порядок. Однако в том и в другом случае требуются немалые усилия, чтобы индивид посмотрел со стороны на свой жизненный путь
и оценил его. Человек повседневности редко замечает протекающий жизненный поток и тем более каждодневно не задается вопросом о его смысле. Поговорка «жизнь прошла мимо», пожалуй, наиболее точно указывает
на внешнюю отстраненность от нее. Чтобы оценить свою судьбу, человек
должен подняться над миром повседневности, выйти за его пределы, соединить непосредственность опыта с философской рефлексией. Иными
словами, необходимо отступить от своих социальных функций, повседневных забот и направить внимание на осознание фундаментальных вопросов
человеческого существования. С другой стороны, индивид не вполне свободен в своем выборе. Его жизненный путь детерминирован конкретной
исторической ситуацией, родителями, родственным окружением, этнической и половой принадлежностью и т.п., словом, имеется темпоральная
зависимость от ситуации, в которую субъект вовлечен.
Чувственный опыт повторения. В структуру повторения входит также
отношение к нему субъекта, его ценностное восприятие жизненного пути,
выражаемое в чувствах. Повторение обеспечивает психологическое состояние комфорта. Оно дает возможность насладиться настоящей минутой,
вкусить прелесть жизни, учит умению останавливать мгновение, предаваться созерцанию. Чтобы таким образом чувствовать опыт повторения,
требуется соблюдение всех «правил игры», всей последовательности действий, постоянство вещей и предметов, постоянство телесной выразительности действующих субъектов. Можно привести множество примеров из
повседневного опыта, когда нарушившийся порядок вещей до боли знакомой картины приводит нас в состояние разочарования, раздражения, недовольства и даже отчаяния. Все эти фрустрационные моменты экзистенциального опыта возникают как результат нежелательных, неприемлемых
индивидом изменений в жизненном сценарии. То, что существовало прежде, должно наступить вновь, но без изменений. Вот как описывает свое
состояние неудовлетворенности от искаженного повторения С.Керкегор:
«Вечером я опять был в городском театре. Единственное, что повторилось,
это невозможность повторения. Пыль на Унтер ден Линден стояла стол463
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Философия”
бом… Куда я ни устремлял взоры, куда ни кидался, - всюду ждало меня
разочарование. Маленькая танцовщица, пленившая меня в тот раз своей
грацией и миловидностью и державшаяся, так сказать, на границе добра и
зла, теперь, оказалось, перешла эту границу. Слепец у Бранденбургских
ворот, мой трубадур… обзавелся серым сюртуком вместо светло-зеленого,
по которому я тосковал и в котором он был похож на плакучую иву. Эта
перемена отняла его у меня, сделав достоянием толпы. И восхитительный
пунцовый нос университетского привратника оказался полинявшим…я
столь озлобился и утомился от подобного повторения, что решил вернуться
домой» [5. C. 57-58].
Опыт переживания повторения содержит различные по своей модальности эмоциональные состояния. Положительное отношение к повторению дает «блаженную уверенность настоящей минуты» (С. Керкегор),
потому что не сулит ничего неизвестного, тайного. Если человек из дворянского сословия не отягощен тяжелыми материальными заботами и изнурительным физическим трудом, то его образ жизни наполнен чередой
насладительных повторяющихся подробностей. «Наш современник, - писал И. Тэн в XIX веке, - встает в восемь часов утра, облачается в халат,
пьет шоколад, идет в свою библиотеку, просматривает несколько папок с
бумагами, если он деловой человек, или перелистывает несколько новых
книг, если он человек светский … и позавтракав в красивой, хорошо натопленной комнате, он идет прогуляться на бульвар, курит сигарету, заходит
в клуб, чтобы прочесть газеты, говорит о литературе, о биржевом курсе, о
политике или железных дорогах… Он преспокойно ложится спать с мыслью, что завтра начнется то же самое…» [5. C. 92].
Повторение переживается как наслаждение вещественностью, телесностью жизни. Предметное, телесное переживание реальности характерно для человека, живущего в соответствии с подобным сценарием. В
маленьких романах Жана-Филиппа Туссена как раз представлена прелесть
предельно детализированной, овеществленной картины повседневного повторения, красота подробности.
Человек из сценария повторения переживает свою жизнь подобно
природным циклам. Возможно, что такое экзистенциальное отношение к
повторению как способу выражения природной космической ритмичности
заложено априорно, глубинной предрасположенностью человека к восприятию жизни как длительности природных ритмов. Повторяющееся постоянство ощущается как связь «всего со всем» и доставляет человеку естественную радость бытия в мире, а последовательная смена своих состояний
воспринимается им как вечное возвращение к своим истокам - первозданной гармонии хаоса. Вспомним К.Юнга, у кого первозданная гармония имеет символ круга, который есть пространство и форма возвращающегося
времени. О человеке, таким образом относящегося к повторению как к выражению гармонии мира, можно судить как о зрелой личности. В этом
смысле можно согласиться с Керкегором, что желать повторения и мечтать о нем может не каждый человек, а только тот, кто обладает зрелым
мужеством, и чем сильнее и сознательнее он хочет повторения, тем он
глубже как личность.
Однако возможен совершенно иной опыт переживания повторения.
Постоянство будничной жизни, повседневной сферы может являться для
субъекта невыносимым существованием, альтернативы которому нет. В
464
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
этом случае повторение выступает неподлинным выбором, источником духовного диссонанса, а сама «экзистенция» как ядро человека - разрушена.
Отар Иоселиани, режиссер фильма «Утро понедельника», посвященного
монотонной повседневной жизни, говорит, что для него невыносим сам
факт, что большинство из нас живет по расписанной схеме – поспал – поел
– на работу – поспал – поел… И каждый день – одно и то же. И каждое наступившее утро – метка о том, что круг не разорвать. Блоковские строки
поразительно
точно
вскрывают
эту
вневременность
конкретноличностного, индивидуального жизненного контекста повторения, эту вечность экзистенциального переживания повторения как скуку жизни:
Ночь, улица, фонарь, аптека,
Бессмысленный и тусклый свет.
Живи еще хоть четверть века –
Все будет так. Исхода нет.
Умрешь – начнешь опять сначала,
И повторится все как встарь:
Ночь, ледяная рябь канала,
Аптека, улица, фонарь.
Неважно, начальник ты или подчиненный, богатый или бедный,
кладешь ты «плитку к плитке» на своем рабочем месте или стоишь на вахте – монотонность как песок засасывает человека, порождая чувство бессилия и бессмысленности происходящего. Кобо Абэ сумел в глубоко символичной форме передать бесплодность усилий человека в мире, состоящем
сплошь из наступающего на жилище людей песка, который «сколько ни
отгребай, конца все равно нет». Песок, который вечно движется, но ничего
не рождает, похож на унылую череду будней человека, повторением которых он стремится утвердить незыблемость, необходимую для его существования. Возникает вопрос, абсолютно ли необходима ему незыблемость?
Как ни парадоксально, но и О. Иоселиани, и К. Абэ, как, впрочем, и
другие художники-мыслители решают эту проблему однозначно. Как ни
печален этот опыт, он неизбежен. Герои их произведений приходят к мысли, что лучше вернуться к прежнему опыту, потому что другого спасения
не существует. Требуется мужество, чтобы понять, что жизнь есть повторение и этому нужно радоваться. Если индивид сознательно выбирает сценарий повторения, он творит свою экзистенцию.
Повторение и скука могут быть связаны в опыте переживания
как неразрывность существования. Мы подошли к пониманию того, что удручающее человека повторение есть состояние скуки. Исследуя понятие
скуки, норвежский философ Ларе Свендсен пишет, что скука – это проблема смысла и связана она не с физическими потребностями, а с духовной
жаждой. В этом случае очевидно, что дело заключается не столько в темпоральной ситуации, сколько в чувстве смысла. Скука и сплин, преследующие современного человека, попавшего в паутину повторения, все же отличаются некоторыми особенностями. Если две сотни лет назад скука была
уделом людей из дворянского сословия, человека – денди, а также королей
и монархов, служила статусным символом, а принадлежность к высшим
слоям общества обеспечивала материальный базис, то, как отмечает Сведсен, теперь она демократизировалась и захватывает все большее пространство.
465
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Философия”
Действительно, смыслоутрата становится все более и более популярным феноменом. Жалуясь на скуку жизни и пытаясь найти ее причины,
современный человек, как правило, обращается к тому, что находится вне
его, т.е. к тривиальной повседневности с ее кругом социальных ролей, забот и социальных ожиданий – ко всему тому, что повторяется день за
днем. Он склонен «обличать» непосредственную данность, а не свои прорехи мировоззренческого плана.
Погоня за интересной жизнью становится самоцелью, особенно для
людей, необременных заботой о хлебе насущном. Существует целая индустрия, созданная для поддержания интереса к жизни, производство сменяющих друг друга, как в калейдоскопе, образцов захватывающей, интригующей жизни. Поглощение телевизионных программ, потребление алкоголя и наркотиков, беспрерывное участие в организованных праздниках и
увеселениях призваны сделать жизнь интересной. «Институт скуки», образованный американцами в штате Нью-Джерси, публикует рекомендации
«как победить скуку», анализирует письма скучающих и собирает информацию о самых скучных фильмах, программах и праздниках, а также анализирует связь скуки с социальными проблемами и с таким феноменом, в
частности, как агрессивное поведение.
Однако нескончаемый поиск новизны, неистребимое желание избежать повторения возвращается бумерангом: хорошо известно, что интересно сейчас, сегодня, неинтересно через неделю, а через две становится
безразличным и надоевшим.
Положительное отношение к повторению дает человеку возможность снизить ненасытное стремление к преследованию линейных целей,
позволяет заняться неистощительным природопользованием, освобождая
тем самым природу от загрязнения и создавая предпосылки для восстановления нарушенного баланса. У человека, относящегося к такому жизненному сценарию не как к тяжелому, но необходимому труду для сохранения
жизни, растет способность наслаждаться самой жизнью.
Современный эгоцентричный человек, гоняющийся за счастьем,
обычно никогда не связывает его с настоящим, счастье всегда мыслится в
перспективе, в будущем, ибо настоящее не удовлетворяет нас таким, какое
оно есть. И не удовлетворяет прежде всего потому, что оно будет таким,
какое есть и завтра, и послезавтра. «Экзистенциалисты называют такую
жизненную стратегию автопроекцией: мы воображаем себя в некой, лучшей, чем сейчас, ситуации в будущем, и начинаем преследовать этот мираж. Такая стратегия проигрышна, независимо от того, достигаем мы конкретной цели или нет, поскольку она никогда не приносит нам того, чего
мы от нее ожидаем. Она ведет к неподлинному способу существования,
неспособному дать истинное удовлетворение…» [6. C. 24]. Герой известного фильма Н. Михалкова «Неоконченная пьеса для механического пианино» поднимает вопрос о ценности переживаемого настоящего и призывает
любимую женщину и зрителя к коренному пересмотру отношения к настоящему.
Показательно, что в ситуациях чрезвычайных, лишающих нас привычного образа жизни, встреч, вещей, разговоров и т.п., мы с тоской вспоминаем весь прошлый опыт повторения, мечтаем о его возвращении и делаем все для встречи с ним. Особенно такая ностальгия наступает в период
войны, когда человек живет на пределе своих возможностей. Ради чего
466
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
обычный человек, не воин по натуре, идет воевать? Не ради славы и почестей. Ради патриотизма? В действительности это абстрактное понятие
обретает смысл, когда оно наполняется миром повседневности с его повторяющимися подробностями, создающими ту единственную индивидуальную
жизненную практику, что так дорога субъекту. Реконструируя ее в своем
сознании, индивид на самом деле мечтает о возможности повторения. «За
что ты сражаешься, - спрашивает себя герой романа М. Митчелл «Унесенные ветром» Э. Уилкс, - …я начинаю думать о Правах Юга и о хлопке, и о
неграх, и о янки, ненависть к которым внушали нам с пеленок, и понимаю,
что не здесь надо искать ответа на вопрос, почему я взял в руки оружие.
Но я вспоминаю Двенадцать Дубов и косые лучи лунного света меж белых
колонн,…и оплетенную вьющимися розами веранду, где прохладно даже в
самый знойный полдень. И слышу голоса негров, … возвращающихся в сумерках с поля. Слышу их пение, и скрип ворота над глубоким колодцем, и
плеск воды, когда в нее погружается ведро… И я понимаю… почему я все
же здесь» [7. C. 225]. В этом воспоминании верховенство опыта повторения, органично соединяющего мир ежедневных забот и дел с физической
телесностью и с ее чувственной насыщенностью. Именно этот опыт заставляет нас неизбежно возвращаться к нему.
Смысложизненный сценарий повторения имеет такую важную особенность, как отсутствие событий. Он не событиен, т.е. не отличается значительными явлениями и выдающимися происшествиями. События в нем
не играют главной роли. Так, например, когда Л. Толстой в «Семейном
счастье» перечисляет такие факты, как рождение первого ребенка и
смерть Татьяны Семеновны, то они оцениваются им как важные события. А
вот о жизни Чаадаева исследователи отзываются как о несобытийной, незанимательной с точки зрения внешних обстоятельств.
Дневниковые записи, мемуарная, а также исповедальная литература являются источником, дающим материал для исследования обозначенной темы, а также позволяющим вычленить контекст восприятия опыта
повторения. Эти записи личного характера обращают внимание на следующие немаловажные факты. Во-первых, человек дорожит жизненной
практикой повторения как непреходящей ценностью, а во-вторых, все
проживаемое и переживаемое пропускается через собственное «Я». Не
все повторяющееся запечатлевается в сознании. Сознание индивида, проживающего свои будни, относится к ним выборочно, что подчеркивает его
избирательную активность, присущую сознанию интенциональность, фокусом которого определяется образ жизненной практики повторения. В прошедшем такую селекцию сценарии можно увидеть два плана. Первый отражает повторяющиеся явления и факты, образ жизни и наличные условия бытия, а второй – повторяющийся опыт действующего субъекта.
Вывод. сценарий повторения присутствует в жизни каждого человека.
Здесь он рассматривался в качестве «идеального типа», в веберовском
смысле, как умопостигаемая сущность, выделенная в качестве предмета
исследования. Человек, стремящийся определить место практики повторения в шкале ценностей, способен понять, что она дает уверенность в существовании мира, обеспечивает его стабильность и таким образом обеспечивает фундаментальные условия человеческого бытия.
467
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Философия”
Библиографический список
1. Коплстон Ф. История философии. XX век. – М.: Центрополиграф,
2002. – 268 с.
2. Золотухина – Аболина Е.В. Повседневность и другие миры опыта.
– М.: ИКЦ «МарТ», 2003. – 191 с.
3. Керкегор С. Повторение. – М.: Лабиринт, 1997. – 157 с.
4. Худенко А.В. Повседневность в лабиринте рациональности // Социологические исследования. – 1993. – № 4. – С.67-75.
5. Фукс Э. Иллюстрированная история нравов. Т.1. – М.: Республика,
1993. – 511 с.
6. Гроф С., Ласло Э., Рассел П. Революция сознания. Трансатлантический диалог. – М.: Изд-во Института трансперсональной психологии,
2004. – 248 с.
7. Митчел М. Унесенные ветром. Кн.1. – Ростов н/Д: Гермес, 1992.
– 542 с.
Материал поступил в редакцию 06.09.04.
S.N. YAREMENKO
EXISTENTIONAL EXPERIENCE OF “RECAPITULATION”
The article is devoted to analysis of one of the possible life sence choice of a
person of daily reality who supposes his own way and building of life.
The research representing recapitulation as a form of way of life interprets it
as the feeling of special emotion not coming only to rational constitution, to
conscious search of system of aims.
ЯРЕМЕНКО Светлана Николаевна, заведующая кафедрой «Философия»
Донского государственного технического университета (ДГТУ), доктор философских наук, профессор (1998). Среди ее учеников 3 кандидата философских наук.
Научные интересы: этнические процессы в современном мире, философия
смысла жизни, внешний образ человека в культуре.
Автор более 30 научных публикаций.
468
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
ЭКОЛОГИЯ
УДК 621.91+674.02
А.Г. ЛИ, Г.Ю. ВИНОГРАДОВА, А.Н. ЧУКАРИН
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ГИДРООБЕСПЫЛИВАНИЯ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ КРУГЛОПИЛЬНЫХ
И ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫХ СТАНКОВ ОРОШЕНИЕМ ТУМАНОМ
Приведены результаты стендовых экспериментальных исследований гидрообеспыливания орошением туманом. Исследованы зависимости эффективности орошения
туманом и затраченной энергии от аэродинамических параметров окружающей воздушной среды, выявлены диапазоны изменения затраченной энергии в реальных
условиях применения орошения туманом.
Ключевые слова: деревообрабатывающий станок, гидрообеспыливание, оросительное устройство, туманообразователь, статистическая обработка данных.
Введение. С целью определения возможности практического использования результатов теоретических исследований нами проведена серия экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Обработку экспериментальных данных выполняли методом наименьших квадратов, а сходимость результатов экспериментальных и теоретических исследований
определяли с помощью погрешности проводимых измерений в пределах
заданной доверительной вероятности.
Описание эксперимента. Для проведения серии экспериментальных исследований в лабораторных условиях разработан и смонтирован экспериментальный стенд (рис.1).
Пылевая камера 1 представляет собой герметичную емкость объемом 6,5 м3 в виде параллелепипеда с прозрачной передней стенкой. Внутри камеры 1 установлен дозатор пылеобразующего материала 2, бункер 3
для приема пылеобразующего материала. Камера 1 предусматривает также
установку в зоне дозатора 2, имитирующего рабочий орган станка, оросительного устройства 11 для реализации гидрообеспыливания орошением
туманом и нагнетающих насадок 17 и 18 для организации внутри камеры
воздушных потоков различной направленности с помощью вентилятора
высокого давления 17. При этом обеспечена возможность регулирования
скорости воздушного потока в зоне орошения от 0,1 до 30,5 м/с. К оросителю 11, который расположен на поворотном устройстве, подготовленная
жидкость из смесительной емкости 7 подается насосом 8 или 9. Отбор проб
запыленного воздуха производится в точке 4.
Установка запорно-регулирующей арматуры 13 в сети воздуховодов
16 и трубопроводов 5 позволяет гибко управлять аэродинамическим и гидродинамическим режимами работы стенда. Проведение измерений на
стенде обеспечивалось соответствующими контрольно-измерительными
приборами.
469
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Экология”
Рис.1. Схема экспериментального стенда для исследования процесса гидрообеспыливания высоконапорным орошением: 1 - пылевая камера;
2 - дозатор пылеобразующего материала; 3 - приемный бункер пылеобразующего материала; 4 - точка замеров концентрации пыли (рабочая зона); 5 - линия подачи исходной воды; 6 - емкость исходной воды; 7 - смесительная емкость для приготовления орошающей жидкости; 8 - рабочая
насосная установка; 9 - резервная насосная установка; 11 - оросительное
устройство (туманообразователь); 12 - дренажный патрубок для удаления
шлама; 13 - запорно-регулирующая арматура; 14 - дозатор химических
добавок (ВМС) к орошающей жидкости; 15 - вентилятор высокого давления с электроприводом; 16-воздуховоды; 17,18 - воздушные распределительные нагнетающие насадки
Методика эксперимента. Основные положения методики проведения
экспериментальных исследований заключались в следующем.
Предварительно определяли основные свойства орошающей жидкости и пылевого материала в соответствии с методами, изложенными в [15]. При определении краевого угла смачивания использована методика и
результаты исследований, изложенные в [3]. Дисперсный состав древесной
пыли исследовали методами ситового анализа и микроскопирования по
стандартной методике с применением аппарата для исследования гранулометрического состава LPzEI, включающего стандартный набор сит, вибрационную систему и корпус с электрооборудованием, а также микроскопа
МИН-8.
В результате предварительных экспериментов установлено, что
распределение частиц используемых видов пылевого материала по размерам подчиняется логарифмически нормальному закону. Содержание мелкодисперсных частиц (менее 10 мкм) для рассмотренных видов пылевого
материала изменяется от 3 до 40%.
В процессе эксперимента определяли концентрацию пыли в воздухе
рабочей зоны гравиметрическим методом при аспирационном способе отбора проб, заключающемся в измерении массы навески пыли, осевшей на
поглотительный материал (фильтр) при прокачивании через него заданного объема запыленного воздуха. Отбор проб производили аспиратором модели 822. Массу навески пыли определяли с помощью весов WА-33 2-го
класса точности.
470
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
При отборе проб для определения концентрации пыли в воздухе
рабочей зоны применяли открытые аллонжи. Объем аспирируемого воздуха задавали 20 дм3/мин при времени пробоотбора 1 мин, исходя из необходимости накопления на фильтре представительной навески (не менее 2 мг)
пыли.
Одной из искомых характеристик процесса обеспыливания воздушной среды является его эффективность, которая, в конечном счете, определяется разностью концентраций пыли в воздухе рабочей зоны до и после
реализации процесса. В экспериментальных исследованиях стремились
обеспечить начальную концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны, равную 1000 мг/м3, что обеспечивало адекватность получаемых при разных
измерениях данных.
Другая искомая величина, характеризующая процесс обеспыливания, - энергоемкостный показатель - определяется энергией, затраченной
на его реализацию, т.е. вносимую в зону обеспыливания жидкостным потоком. Кроме того, из всех видов энергии, входящих в зависимость энергоемкостного показателя, практически измерить удается пока только затраченную энергию.
В ходе основных экспериментальных исследований параметров
орошения туманом измеряли следующие величины в соответствующих
диапазонах:
- давление жидкости перед оросителем Нн= 0,1-2,0 МПа;
- расход орошающей жидкости Qн= 0,15-0,33 кг/с;
- среднюю скорость пылевоздушного потока в зоне факела орошения Vпт = 1,0-15,5 м/с;
- массу фильтров до и после измерения mф= 80-200 мг при фиксированных времени замеров t=30 с и расходе воздуха через аспиратор
Qва = 0,00017 м3/с.
На рис.2-3 представлены результаты экспериментальных исследований орошения туманом соответственно по эффективности обеспыливания воздуха рабочей зоны и энергозатратам для различных аэродинамических условий с использованием водного раствора ВМС в качестве орошающей жидкости, угольной и древесной пыли, а также экспериментальные
значения указанных параметров, полученные другими авторами.
Рис.2. Зависимость эффективности орошения туманом от давления
орошающей жидкости (вода+ВМС) при использовании древесной пыли: * – Vпт=1,0 м/с; + – Vпт=10,5 м/с - встречное движение пылевого и жидкостного аэрозолей; # – Vпт=10,5 м/с – спутное движение
пылевого и жидкостного аэрозолей
471
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Экология”
Дж
Рис.3. Зависимость затраченной энергии орошения туманом от давления орошающей жидкости (вода+ВМС) при использовании древесной
пыли: *– Vпт=1,0 м/с; + – Vпт=10,5 м/с - встречное движение пылевого и жидкостного аэрозолей; # – Vпт=10,5 м/с - спутное движение пылевого и жидкостного аэрозолей; 1,2 - графики, построенные по данным [6]
Результаты. Анализ результатов показал, что орошение туманом целесообразно применять при скоростях воздушного потока до 1,5 м/с, когда максимальная эффективность обеспыливания воздуха (до 99%) достигается
при минимальных затратах энергии (до 700 Вт). Однако орошение туманом
можно эффективно использовать и при скоростях пылевоздушного потока
более 1,5 м/с, когда затраченная энергия увеличивается незначительно, а
эффективность обеспыливания остается практически на прежнем уровне.
Из графиков (см.рис.3) также видно, насколько экономичнее механизм взаимодействия пылевого и жидкостного аэрозолей при спутном их
движении, нежели при встречном. Кроме того, чем меньше скорость движения пылевоздушного потока, тем меньше разница в значениях энергоемкостного показателя орошения туманом при спутном и встречном движениях капель жидкости и частиц пыли. Поэтому при скорости движения пылевоздушного потока в пределах 1,5 м/с значения энергоемкостного показателя при спутном и встречном движениях жидкости и пыли сращиваются и
говорить о взаимонаправленности движения аэрозолей не имеет смысла.
При скорости движения пылевоздушного потока более 1,5 м/с выгодна с
точки зрения экономичности механизма гидрообеспыливания воздуха организация спутного движения пылевого и жидкостного потоков. Причем, чем
больше значение скорости пылевоздушного потока, тем значительнее разница в значениях энергоемкостного показателя при спутном и встречном
движениях.
Выводы. 1. Получена удовлетворительная сходимость результатов оценки
орошения туманом по математическому описанию и в эксперименте, что позволяет практически использовать полученные теоретические зависимости.
2. Экспериментально исследованы зависимости эффективности
орошения туманом и затраченной на его реализацию энергии от аэродинамических параметров окружающей среды в зоне орошения.
3. Для сопоставления теоретических и экспериментальных данных
использован метод их статистической обработки в совокупности с определением погрешности проведенных измерений эффективности и затраченной энергии рассматриваемого процесса.
4. Выявлены диапазоны изменения затраченной энергии в реальных условиях применения орошения туманом.
472
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Библиографический список
1. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физикохимических свойств промышленных пылей. – Л.:Химия, 1983. – 183с.
2. Кирин Б.Ф. Влияние поверхностного натяжения капель на эффективность орошения// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. – 1978. – №7. – С.10-11.
3. Хентов В.Я. Физико-химия капельного уноса. – Ростов н/Д: Издво РГУ, 1979. – 128с.
4. Биркгоф Г. Гидродинамика: Методы. Факты. Подобие. – М.: Издво иностранной литературы, 1963. – 244с.
5. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. – 3-е изд., перераб. – Л.: Химия,1982. – 288с.
6. Беспалов В.И., Журавлев В.П. Моделирование и проектирование
систем борьбы с промышленной пылью. В кн.: Обеспыливание при проектировании, строительстве и реконструкции промышленных предприятий. –
Ростов н/Д: Изд-во РИСИ, 1989. – С.4-13.
Материал поступил в редакцию 29.06.2004.
A.G. LI, G.YU. VINOGRADOVA, A.N. TCHUKARIN
EXPERIMENTAL STYDY OF DUST OUT-WASHING
IN THE WORKING AREA AROUND CIRCULAR AND LINEAR
WOOD-WORKING MACHINES USING FOG IRRIGATION
An experimental investigation of dust removal by the fog irrigation is performed
and its results are reported in the article. The energy efficiency of air purification versus aerodynamics properties of flow is studied in details. Respective efficiency characteristics are determined.
ЛИ А.Г. (р.1980), аспирант кафедры «Математика» Донского государственного технического университета (ДГТУ).
Имеет 3 публикации.
ВИНОГРАДОВА Галина Юрьевна, заведующая кафедрой «Математика»
Донского государственного технического университета (ДГТУ), кандидат
физико-математических наук. Окончила (1976) механико-математический
факультет Ростовского государственного университета (РГУ).
Основные научные интересы: алгебраические методы изучения разрешимости сингулярных интегральных уравнений в различных весовых пространствах, краевые задачи, математическое моделирование.
Автор более 50 научных работ.
ЧУКАРИН Александр Николаевич (р.1950), профессор (1996) кафедры
"Металлорежущие станки и инструмент" Донского государственного технического университета (ДГТУ), доктор технических наук (1995). Окончил
РИСХМ (1972).
Область научных интересов: акустическая динамика металлорежущего
оборудования.
Опубликовал свыше 120 научных работ.
473
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Образование”
ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 378:004
Е.Ф. ЛИНЬКОВА
СОЦИОФИЛОСОФСКИЙ АСПЕКТ ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
Информатизация образования – один из самых важных аспектов взаимодействия
науки и образования. Сегодня выпускники вуза должны иметь большой объем знаний. Добиться этого можно лишь с помощью компьютерных средств обучения. Компьютеры позволяют применять новые, более эффективные способы предъявления
информации, в известной мере «автоматизировать» некоторые, как правило, трудоемкие операции учебного процесса, открывают широкие возможности для индивидуализации обучения в массовой аудитории.
Ключевые слова: информатизация, образование, компьютер, технология, педагогический, обучение, воспитание.
Введение. Мировые тенденции в сфере образования определяют необходимость выработки у обучаемых системного, образного и гибкого мышления, экологической, рефлексивной и информационной культуры, творческой активности и чувства нового, толерантности. Чтобы достичь целей
образования, необходимо активно вводить в образовательный процесс новые информационные и телекоммуникационные технологии, поскольку
лишь при их использовании наиболее эффективно решаются проблемы
личностно ориентированного обучения, а обучаемые получают реальную
возможность в соответствии с индивидуальными задатками и способностями достигать максимальных результатов в различных областях знания.
Информатизация образования в конечном итоге должна обеспечить
доступность получения знаний и информации, развитие интеллектуальных
и творческих способностей личности, повышение квалификации и оперативное изменение сферы деятельности каждого человека в течение активного периода жизни, а также необходимые условия для реализации опережающего образования и повышения эффективности дистанционных форм
обучения [1].
Образование, т.е. создание образа гражданина, включает в себя
две составляющих: обучение и воспитание [2]. Всесторонняя интенсификация процесса обучения и воспитания связана в настоящее время с глубокой перестройкой всего механизма управления учебно-познавательной и
практической деятельностью учащихся, с опорой педагогики на общепроизводственные и общесоциальные тенденции, обусловленные совершенствованием средств труда. Современный человек не может освободиться от
беспредельного множества нитей, связывающих его с мощным материально-техническим аппаратом, который в обществе программирует его жизнь.
Как известно, главное содержание научно-технического переворота, который происходит на наших глазах, состоит в раскрытии принципиальной
возможности все большей передачи умственных функций человека системе
474
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
машин и технических средств. Идея совершенствования управления производством распространяется и на учебно-воспитательный процесс.
Наибольший прогресс процесса и методики обучения связан именно
с включением в этот процесс техники, с передачей ей функций человека по
управлению процессом обучения. В основе создания такой техники лежит
открытие того, что преподавание – это процесс, которым можно управлять,
как и любым другим процессом, используя предоставляемые техникой возможности обратной информационной связи.
Все шире за последние годы внедряются в учебный процесс компьютер и педагогические программные средства вычислительной техники.
Особое внимание научных работников и практиков к новым средствам обучения обусловлено их значительно большей эффективностью по сравнению с другими средствами обучения. В случае применения педагогических
программных средств вычислительной техники [3]:
1) повышается качество обучения за счет:
индивидуализации обучения – индивидуальный темп и метод обучения, адаптация системы к исходному уровню знаний обучаемого, характеру и причинам ошибок, особенностям мышления обучаемого;
анализа предыстории обучения и ее учета при организации последующего обучения, учета психофизиологических характеристик обучаемых
путем тестирования;
постоянного индивидуального контроля качества знаний на каждом
этапе обучения, при этом увеличивается объективность контроля знаний;
2) сокращается время обучения за счет:
уменьшения времени на технические операции – выполнение вычислений, контроль правильности ответов, обращение за справкой, помощью или разъяснением;
мгновенной реакции программной системы на допущенные ошибки;
индивидуализации темпа обучения, с учетом уровня знаний обучаемого;
адаптации к типу мышления обучаемого.
С точки зрения обучаемого применение педагогических программных средств вычислительной техники повышает интерес к обучению, увеличивает мотивацию за счет новизны и сочетания более разнообразных и
наглядных методов обучения в совокупности с традиционными.
Педагогические программные средства вычислительной техники в
целом ряде случаев позволяют обучающемуся работать в индивидуальном
темпе, снимая психологические барьеры общения. При этом учитывается
начальный уровень подготовки, склад ума обучаемого, стиль мышления,
особенности воспитания, памяти, внимания, темперамент, свойства нервной системы и т.д. Учащийся имеет возможность во время обучения обратиться за справкой, помощью или разъяснением. Учащийся получает возможность прервать обучение и возобновить его с места прерывания с сохранением предыстории обучения. Это позволяет более эффективно использовать время обучающегося, организовать дополнительные занятия с
отстающими и получить больший объем знаний успевающими.
С точки зрения преподавания педагогические программные средства вычислительной техники предоставляют педагогу следующие возможности:
475
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Образование”
реализовать и распространить в виде педагогических программных
средств свой опыт преподавания, свою модель обучения;
обеспечить оперативность внесения коррективов в педагогические
программные средства вычислительной техники, обработку статистических
данных и принятия тех или иных педагогических и дидактических решений,
при этом появляется возможность более гибкого управления познавательной деятельностью обучения;
изучить опыт ведущих в своей области преподавателей;
повысить эффективность труда преподавателей за счет выполнения
рутинной работы с помощью электронно-вычислительных машин в короткие промежутки времени и автоматической оценке и регистрации всех параметров процесса обучения всех учащихся.
Постановка проблемы. По данной теме в современной литературе существуют различные мнения. Так, одни исследователи считают, что «компьютер, полностью беря на себя формальный контроль за усвоением знаний,
позволит преподавателю переключиться на неформальный, психологический контроль и управление учебным процессом. Обучающая машина никогда полностью не сможет заменить учителя. А другие утверждают, что
внедрение в сферу образования простейших ЭВМ и других средств вычислительной техники, безусловно, необходимый, прогрессивный и немаловажный шаг в развитии и усовершенствовании нынешней системы образования, которая нуждается в преобразовании и реконструкции. Третьи уверены, что скрупулезная точность машин убивает инициативу учащихся,
воспитывает в них бездушный формализм, а преподавателя превращает в
простого нажимателя кнопок. В настоящее время остро стоит вопрос о выявлении степени справедливости подобных утверждений.
Проблемы, связанные с внедрением информационных технологий
в процесс обучения. Научно-техническая революция выдвинула на передний план проблему применения новых информационных технологий в
вузовском образовании. При этом информатизация процесса обучения
сталкивается с рядом проблем, которые, с одной стороны, связаны с неиспользованными возможностями информационной технологии, а с другой –
несоответствием традиционных учебных курсов возможностям компьютера.
Таким образом, с появлением новых, современных технических систем обнаружился диалектический скачок, приведший к возникновению качественно новых условий работы – условий, при которых человек уже не мог
даже при мобилизации всех своих компенсаторных возможностей успешно
решить возложенные на него задачи. Отсюда следует важный вывод: причиной низкой эффективности новой техники являлся не человек, который
своими ошибками препятствовал ее успешному применению, а особенности
ее использования в образовательном процессе.
Так на грани психологической науки и техники возник целый комплекс специальных теоретических и прикладных проблем, без разрешения
которых стало невозможно создание новых комбинированных систем «человек-машина», способных эффективно разрешать возложенные на них
задачи.
Рассмотрим некоторые, на наш взгляд, наиболее интересные проблемы информатизации обучения.
Проблема соотношения объема информации (потока информации), который может предоставить компьютер пользователю (студенту), и объема
476
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
сведений, которые пользователь может, во-первых, мысленно охватить, вовторых, осмыслить, а в-третьих, усвоить.
Сюда же относится и проблема ориентации учащихся в потоке информации, предоставляемой компьютером. Студента не приучили ориентироваться в мощном потоке учебной информации, он не может разделять ее
на главное и второстепенное, выделять направленность этой информации,
перерабатывать ее для лучшего усвоения, выявлять закономерности и т.п.
В сущности, информация (сведения об окружающем мире и протекающих в
нем процессах) может рассматриваться как некая многофакторная система,
детали которой скрыты от учащихся, а потому и весь этот поток сведений в
целом (его основы, направленность, цели, связи между элементами, причинно-следственные зависимости и т.п.) оказывается трудно доступным
для восприятия.
Наряду с этим возникает проблема темпа усвоения учащимися материала с помощью компьютера. В результате использования обучающих
программно-педагогических средств происходит индивидуализация процесса обучения. Каждый пользователь (студент) усваивает материал по своему плану, т.е. в соответствии со своими индивидуальными способностями
восприятия. В результате такого обучения уже через 1-2 занятия учащиеся
будут находиться на разных стадиях (уровнях) изучения нового материала.
Это приведет к тому, что преподаватель не сможет продолжать обучение
по традиционной классно-урочной системе. Основная задача такого рода
обучения состоит в том, чтобы ученики находились на одной стадии перед
изучением нового материала, и при этом все отведенное время для работы
у них было занято. По-видимому, это может быть достигнуто при сочетании
различных технологий, причем обучающие программно-педагогические
средства должны содержать несколько уровней сложности. В этом случае
студент, который быстро усваивает предлагаемую ему информацию, может
просмотреть более сложные разделы данной темы, а также поработать над
закреплением изучаемого материала. Слабый же студент к этому моменту
усвоит тот объем информации, который необходим для изучения последующего материала. При таком подходе к решению проблемы у преподавателя появляется возможность реализовать дифференцированное, а также
разноуровневое обучение в традиционных вузовских условиях.
Процесс внедрения информационной технологии в обучение достаточно сложен и требует фундаментального осмысления. Применяя компьютер в вузе, необходимо следить за тем, чтобы студент не превратился в автомат, который умеет мыслить и работать только по предложенному ему
кем-то (в данном случае программистом) алгоритму. Для решения этой
проблемы необходимо наряду с информационными методами обучения
применять и традиционные. Используя различные технологии обучения,
мы приучим учащихся к разным способам восприятия материала – чтение
страниц учебника, объяснение преподавателя, получение информации с
экрана монитора и др. С другой стороны, обучающие и контролирующие
программы должны предоставлять пользователю возможность построения
своего алгоритма действий, а не навязывать готовый, созданный кем-то.
Благодаря построению собственного алгоритма действий, пользователь
начинает мыслить, применять имеющие у него знания к реальным условиям, а это очень важно для осмысления получаемых знаний.
477
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Образование”
По мере увеличения числа моделируемых техникой действий ширится круг дисциплин, предлагающих ей для моделирования первообразы.
Появление компьютерной технологии стимулировало рост интереса проектировщиков к психологии и лингвистике. Целями и идеалами моделирования при этом стали функции интеллекта и языка как органов человеческой
деятельности. Такое моделирование, по общему мнению, позволило бы не
только укрепить технический мир, но и более глубоко разобраться в существе указанных феноменов. За такое направление моделирования ратовал
П.А. Флоренский. «В себе, – писал он, – и вообще в жизни открываем мы
еще не осуществленную технику; в технике – еще не изученные стороны
жизни».
Из вышесказанного следует, что компьютерам придется еще много
и долго «учиться» и совершенствоваться, прежде чем человечество согласится (если согласится?!) само творить и мыслить по его логическим и логико-математическим схемам. Сейчас же применение информационной
технологии в процессе обучения возможно лишь частично, а не повсеместно, как утверждают создатели компьютерных программ.
Для достижения положительных результатов использования компьютера в обучении недостаточно просто внедрить их в учебный процесс
путем локального применения компьютера к любой традиционной программе, а целесообразно разработать новые предметные программы, которые предусматривали бы использование компьютерных технологий на протяжении всего процесса обучения. Программа, в свою очередь, определит
методы преподавания, характер дидактических пособий, а также условия
осуществления учебного процесса. И, что наиболее существенно, указывая
состав усваиваемых знаний и их связи, программа тем самым проектирует
научный стиль мышления, который необходимо сформировать у обучаемых
при усвоении предлагаемого им учебного материала с использованием информационной технологии.
Поэтому разработка компьютерной программы, отбор предметного
содержания представляют собой важную методическую проблему. Конструирование учебных компьютерных программ по отдельным дисциплинам
предполагает не только отбор содержания из соответствующих сфер общественного сознания, но и понимание особенностей их строения, природы
связи психического развития учащихся с содержанием усваиваемых знаний
и умений.
Содержание и конструкция учебных предметов должны способствовать формированию у учащихся логического, теоретического и практического мышления, что реализуется в процессе выполнения ими учебной
деятельности. Поэтому содержание учебных программно-педагогических
средств необходимо разрабатывать в соответствии с особенностями и
структурой этой деятельности.
Наряду с перечисленными проблемами компьютеризации образования существуют и другие, не менее важные. К ним относятся: информационная культура педагогов; готовность преподавателей к применению информационной технологии в обучении; техническое оснащение вузов и др.
Таким образом, сейчас уже очевидно, что темпы развития компьютерной
техники явно опережают исследования и рассмотрение проблем, связанных с ее эксплуатацией.
478
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Выводы. В решении проблемы информатизации высшего образования
большое значение имеет самообразование будущего специалиста. Он должен иметь доступ к компьютерам, как и к техническим средствам обучения,
к основной научной, учебной и методической литературе.
Новые информационные технологии предъявляют повышенные
требования к уровню квалификации (информационно-технической подготовленности) педагогических и руководящих работников вузов, который в
значительной степени определяет прогресс в данном направлении.
Внедрение в сферу высшего образования простейших информационных технологий, безусловно, необходимый, прогрессивный и немаловажный шаг в развитии и усовершенствовании нынешней системы образования, которая нуждается в преобразовании и реконструкции. Данный процесс неотвратим, а поэтому следует принимать его как неотъемлемую
часть научно-технических преобразований, происходящих в нашем обществе.
Библиографический список
1. Трофимов А. Информационные технологии в гуманистической парадигме // Высшее образование в России. – М. – 2002. – № 5. – С. 126-130.
2. Негодаев И.А. На путях к информационному обществу. – Ростов н/Д,
1999. – 246 с.
3. Зайнутдинова Л.Х. Создание и применение электронных учебников. На примере общетехнических дисциплин: Монография. – Астрахань,
1999. – 364 с.
Материал поступил в редакцию 30.03.04.
E.F. LINKOVA
SOCIOPHILOSOPHICAL ASPECT OF INFORMATION
OF HIGHER EDUCATION
Information of education – one of the prominent aspects of interaction of a
science and education. Today graduates of high school should have great volume of knowledge. To achieve it is possible only with the help of computer
means of training. Computers allow to apply new, more effective ways of presentation of the information, to a certain extent «to automate» the some people,
as a rule, toilful operations of educational process, open ample opportunities for
an individualization of training in a mass audience.
ЛИНЬКОВА Екатерина Федоровна, аспирант кафедры «Философия»
Донского государственного технического университета (ДГТУ). Окончила
ДГТУ (2001) по специальности «Мехатроника» и магистратуру ДГТУ по специальности «Интеллектуальные системы управления».
Научные интересы: социальная философия, информатизация образования.
479
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 621.891: 541.138
А.С. КУЖАРОВ, М.Е. КЛЕЦКИЙ, В.Э. БУРЛАКОВА, С.Г. КУРЕНЬ
КВАНТОВОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЛИЦЕРИНА С МЕДЬЮ
ПРИ ТРЕНИИ В УСЛОВИЯХ БЕЗЫЗНОСНОСТИ
Проведено квантовохимическое моделирование малых кластеров меди и продуктов
трибоокисления медного сплава в глицерине. Показано, что комплексообразование
в глицериновой среде приводит к стабилизации кластеров и участию в процессах
переноса и формирования сервовитной пленки в режиме эффекта безызносности.
Ключевые слова: квантовохимическое моделирование, наноразмерные кластеры,
сольватированные ионы, эффект безызносности.
Проведенное в последнее время исследование эффекта безызносности при трении показало, что в процессе самоорганизации трибосистем
электрохимические механизмы во многом ответственны как за кинетику
протекания на поверхности металлов трибохимических реакций (в частности, окисления металла), так и за процессы переноса вещества в зоне контакта и формирования вторичных структур (например, сервовитной пленки
в режиме избирательного переноса), предопределяющие эксплуатационные свойства трибосопряжений.
Использование методов молекулярной динамики и квантовой химии
применительно к трению в условиях безызносности дает возможность изучения влияния степени окисления меди, количества атомов в наноразмерной частице на физико-химические свойства и реакционную способность
меди, а также хемосорбции активных компонентов смазочной среды как
при образовании поверхностного слоя, так и сольватированных ионов в
растворе.
Продолжая ранее выполненные исследования [1,2] и учитывая полученные [3] экспериментальные данные о возможности участия наноразмерных кластеров меди в механизме самоорганизации при трении в режиме безызносности [1,2], представлены результаты квантовохимических
расчетов малых кластеров меди [4] и продуктов трибоокисления медного
сплава, образующих в сервовитном слое аддукты с молекулами смазки, или
комплексные соединения [5]. Расчеты ab initio в базисе DZV [6] проводились по той же методике, что и в работе [4], по программному комплексу
GAMESS [7].
В качестве наиболее устойчивых на ППЭ обнаружены малые медные кластеры симметрии D∞h (n = 2,3), D2h (n = 4), Cs (искаженная тригональная бипирамида для n = 5), С2V (плоская для n = 6), D5h (пентагональная бипирамида для n = 7).
Развивая представления о взаимосвязи электрохимических и триботехнических характеристик фрикционного контакта, показано, что в начальный момент работы трибосистемы «медный сплав-глицерин-сталь» в
результате механического износа и топохимических реакций более мягкого
480
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
металла трибосопряжения в объем смазочной среды накапливаются наноразмерные кластеры [3], защищенные молекулами глицерина в результате
хемосорбции (рис.1).
Рис.1. Рассчитанные геометрические характеристики комплексов меди Сu0 с глицерином; межатомные расстояния
приведены в ангстремах, валентные углы - в градусах
При помощи модельных ab initio расчетов показано, что хемосорбционный центр -комплекс Cu(0) с одной молекулой глицерина – может стабилизироваться в трех практически изоэнергетичных изомерных формах 1-3
(см.рис.1). При увеличении количества координируемых молекул происходит их стабилизация и упорядочение между собой водородной связью 5,7
(см.рис.1), причем наиболее энергетически выгодной, но не стабильной
является структура 4 с четырьмя связями Cu−O .
Таким образом, результаты квантовохимических расчетов показывают, что стабилизация малых кластеров меди в условиях эффекта безызносности происходит, в основном, за счет образования более устойчивых
при хемосорбции частиц на наноразмерных частицах меди комплексов, со481
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
держащих максимальное число связей между молекулами растворителя и
минимальное число донорно-акцепторных взаимодействий Cu−O.
Электрохимическое окисление металла за счет трибоэлектричества
при смещении электродного потенциала в область более положительных
значений относительно стационарного приводит к переходу в объем смазочной среды, в основном, ионов Cu+ и Cu2+ .
При этом в случае сольватации глицерином, по данным квантовохимических расчетов, энергетически наиболее выгодна (рис.2) координация вокруг иона Cu+ четырех донорных атомов кислорода в вершинах уплощенного тетраэдра, тогда как образование дополнительных водородных
связей, характерных при координации Cu0, дестабилизирует систему.
Рис.2. Рассчитанные геометрические характеристики комплексов меди(Cu1+) с глицерином; межатомные расстояния приведены в ангстремах, валентные углы - в градусах
В то же время при переходе к комплексам Сu2+ происходит увеличение координационного числа металла и упрочнение связей Cu−O. Комплекс с одной молекулой глицерина стабилизирован в виде хелатов с дикоординированными медными центрами (рис.3), вторая же молекула глицерина предпочтительнее координируется на ионе меди, а не на молекуле
сольвента через водородную связь, как в случае Cu0.
482
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Рис.3. Рассчитанные геометрические характеристики комплексов меди Cu2+; межатомные расстояния даны в ангстремах, углы - в градусах
Таким образом, в комплексах Cu2+⋅2(СН2OH-СНОН-СН2OH) ионы меди реализуют тетракоординацию атомами кислорода.
Представленные результаты дают основание предполагать, что
стабилизация той или иной геометрической конфигурации сольватированного медного центра во многом зависит от его зарядности. Переход от
электронейтральных атомов к положительно заряженным ионам принципиально меняет геометрию координационного узла с реализацией максимального (для данного числа молекул сольвента) числа донорных атомов в
координационной сфере меди.
Проведенные неэмпирические квантовохимические расчеты показывают, что в ряду центров Cu0-Cu+-Cu2+ механизм комплексообразования
существенно различен: взаимодействие Cu0 с молекулами сольвента значительно меньше, чем межмолекулярное взаимодействие в последних, тогда
как заряженные ионы меди Cu+ и Cu2+ стабилизируются максимально возможным числом связей Cu-О.
Таким образом, комплексообразование малых кластеров меди в
водноспиртовых средах с учетом образования водородной связи между молекулами спирта приводит к их стабилизации в растворе, что позволяет
предполагать их участие в процессах переноса меди в режиме эффекта
безызносности и формирования сервовитной пленки при трении в режиме
безызносности.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ – НШ –1096.2003.8.
Библиографический список
1. Кужаров А.С., Клецкий М.Е., Бурлакова В.Э., Курень С.Г. Ab initio
расчеты механизма адсорбции воды на монослое меди // Вестник ДГТУ.2002.- Т.2.- №2(12). – С.162-167.
2. Кужаров А.С., Бурлакова В.Э., Харабаев Н.Н., Боков А.И. Квантовохимическое моделирование поверхностного слоя металла при трении и
резании // Материалы третьей междунар. конф. «Влияние технологии на
состояние поверхностного слоя –ПС`96» / Gorzow Wlkp.-Lubniewice.STUDIA I MATERIALY. -T. XIV.- NR 1-2.-1996.- С.146-154.
3. Кужаров А.С., Булгаревич С.Б., Кужаров А.А., Бурлакова В.Э.,
Кравчик К. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении. Часть
IV. Автоколебания при трении в средах с гигантскими кластерами меди//
Трение и износ.- 2001.- Т. 22.- №6.- С. 650-658.
4. Kuzharow A.S., Kletsky M.E., Burlakova V.E., Kuren S.G. Quantumchemical study of stability and structure of copper clusters in aqueousalcohol medium //Mechanics and Tribology of Transport Systems: book of reports of international congress “mechtribotrans-2003”.-Rostov-on-Don, book 2,
-p.p. 26-28.
5. Кужаров А.С. Координационная трибохимия избирательного переноса: Дис... на соискание уч. ст. д-ра техн. наук. - Ростов н/Д. -1991.
6. Ira N.Levine. Quantum Chemistry. 4-th Ed. Prentice Hall, Inc. 1991,
629 pp.
7. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S.,
Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis
M., Montgomery J.A.//J.Comput.Chem. Vol. 14, 1347-1363 (1993).GAMESS,
VERSION 1996.
483
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
Материал поступил в редакцию 27.08.2004.
A.S.KUZHAROV, M.E.KLETSKY, V.E.BURLAKOVA, S.G.KUREN
MODELLING OF PROCESSES OF INTERACTION OF GLYCERIN
WITH COPPER WITH REFERENCE TO WEARLESS FRICTION
CONDITIONS
The quantum chemical modeling of small copper clusters and products of tribooxidation a copper alloy in glycerin has been carried out. It is shown, that
complex formation in the glyceric environment results in their stabilization and
participation during carry to formations of a servovit film in a mode of wearless
effect .
КУЖАРОВ Александр Сергеевич (р.1950), заведующий кафедрой химии
Донского государственного технического университета (ДГТУ), доктор технических наук (1991), профессор (1991), действительный член Академии
проблем качества РФ (1994). Окончил химфак Ростовского государственного университета (РГУ) (1971).
Научные интересы связаны с исследованием физико-химических механизмов самоорганизации при трении и антифрикционным материаловедением.
Автор более 300 публикаций, в том числе монографии, учебники и более
50 а.с. СССР и патентов РФ. Изобретатель СССР (1985), почетный работник
высшей школы РФ (2000), лауреат Премии президента РФ (2003).
Среди его учеников 11 кандидатов и 1 доктор технических наук.
КЛЕЦКИЙ Михаил Ефимович (р.1953), доцент кафедры (1989) «Химия
природных соединений» Ростовского государственного университета (РГУ),
кандидат химических наук. Окончил химический факультет Ростовского
государственного университета (РГУ) (1976).
Научные интересы связаны с квантовой химией органических соединений и
их реакций, адсорбцией активных компонентов смазки на поверхности
трущихся тел.
Автор более 70 публикаций.
БУРЛАКОВА Виктория Эдуардовна, доцент (1998) кафедры химии Донского государственного технического университета (ДГТУ), кандидат химических наук (1993). Окончила химфак Северо-Осетинского государственного университета (СОГУ) (1982).
Научные интересы связаны с изучением электрохимических свойств поверхности металлов. Автор более 70 публикаций.
КУРЕНЬ Сергей Григорьевич (р.1955), ассистент кафедры химии Донского государственного технического университета (ДГТУ) (1987). Окончил
химический факультет Ростовского государственного университета (РГУ)
(1977).
Научные интересы связаны с квантовохимическим исследованием адсорбции активных компонентов смазки в самоорганизующихся трибосистемах.
Автор более 60 публикаций.
484
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
485
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
УДК 621.891: 541.138
А.С. КУЖАРОВ, М.Е. КЛЕЦКИЙ, В.Э.БУРЛАКОВА,
Е.Г. ЗАДОШЕНКО, С.Г. КУРЕНЬ
КВАНТОВОХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
СПИРТОВ С ЮВЕНИЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ МЕДИ
Представлены результаты прецизионных трибологических исследований пары трения «сплав меди – сталь» в одно-, двух- и трехатомных спиртах и данные квантовохимических модельных расчетов компонентов смазочной среды. Показано, что
структурирование смазочной среды, связанное с образованием максимально возможного числа водородных связей между молекулами смазки в ближайшем окружении металла, является причиной снижения силы трения.
Ключевые слова: квантовохимическое моделирование, адсорбция, сольватированные атомы.
Введение. При обсуждении проблемы смазочного действия важнейшим
является анализ процессов адсорбции (хемосорбции) и десорбции активных компонентов смазочной среды на поверхности трущегося металла, поскольку именно такие процессы и определяют триботехнические возможности смазочного материала.
Теоретическое исследование продуктов взаимодействия органических молекул с поверхностью металла и явлений, сопровождающих такое
взаимодействие, особенно при трении, требуют учета процессов, происходящих как с элементом поверхности, вовлеченном во фрикционное взаимодействие, так и с органической молекулой, находящейся в весьма специфических условиях на поверхности трения. Это приводит к необходимости
привлечения методов квантовой химии для исследования механизмов хемосорбции и поверхностных химических превращений.
Результаты исследований и их обсуждение. Исследование триботехнических свойств (трибометр TR-2 [1]) (рис.1) показывает, что в системах
«сплав меди–метанол-сталь» и «сплав меди-этандиол-сталь» значения коэффициентов трения возрастают с увеличением нагрузки, температуры и
скорости относительного скольжения, при этом возможность эксплуатации
узла трения в этих средах ограничивается невысокими нагрузками. Напротив, в системе «сплав меди-глицерин-сталь» значения коэффициента трения с увеличением нагрузки в области температур до 40 0С уменьшаются и
начинают возрастать при увеличением нагрузки и дальнейшем повышении
температуры, что связано, по-видимому, с процессами структуризации и
деструктуризации смазочного слоя на поверхности металлов трибосопряжения [2].
Сравнительный анализ триботехнических характеристик пары трения «сплав меди-сталь» в исследуемом ряду спиртов показал, что значения
коэффициента трения увеличиваются с уменьшением количества гидроксильных групп и длины углеводородного радикала спирта при переходе от
глицерина к этандиолу и метанолу, что, как было показано ранее в паре
трения «сталь-сталь», может быть связано со снижением их адсорбционной
способности [3,4].
485
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
Метанол
этиленгликоль
Глицерин
Рис.1. Влияние внешних факторов на коэффициент
трения в трибосистемах «сплав меди-спирт-сталь»
Анализ возможности координации атомом меди одной или двух молекул метанола методом ab initio [5,6] показывает, что координация двух молекул
сопровождается большей стабилизацией рассматриваемых систем. По данным
квантовохимических расчетов, при адсорбции метанола на поверхности медного сплава могут образовываться два комплекса Cu⋅2CH3OH (рис.2), из которых 2
(см.рис.2) с монокоординированным атомом меди с водородной связью между
молекулами адсорбента является более предпочтительным.
Рис.2. Рассчитанные геометрические характеристики комплексов меди Cu⋅2СH3OH; межатомные расстояния приведены в ангстремах, валентные углы - в градусах
486
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
Появление второго донорного центра в молекуле этиленгликоля в
случае образования комплекса атома меди с одной молекулой этиленгликоля приводит к стабилизации структуры 3 (рис.3) за счет дополнительного
электростатического аттрактивного взаимодействия между атомами водорода гидроксогруппы и атомом меди. Относительные энергии стабилизации
структур 1, 2 и 3 указывают на предпочтительность монокоординации этиленгликоля у электронейтрального атома меди 2 или 3 и о невыгодности
дикоординированной хелатной структуры 1 (см.рис.3).
Рис.3. Рассчитанные геометрические характеристики комплексов
меди Cu⋅(R′OH)n (R′= CH2OH-CH2; n=1,2); межатомные расстояния
приведены в ангстремах, валентные углы - в градусах
Включение в медный комплекс второй молекулы этиленгликоля
приводит к резкому возрастанию энергии стабилизации при образовании
структуры 4 (см.рис.3), в которой две молекулы растворителя координируются друг с другом через мостик водородной связи, повторяя мотив структуры диметанольного комплекса Cu(0) 2 (см.рис.2).
Комплекс Cu(0) как с одной молекулой глицерина 1 (рис.4), так и с
двумя по структуре аналогичен комплексам этиленгликоля, и по данным
выполненных расчетов, энергетически более выгодна структура 2
(см.рис.4), стабилизированная водородной связью между спиртовыми молекулами.
Рис.4. Рассчитанные геометрические характеристики комплексов
меди Cu⋅(R′OH)n (R′=CH2OH-CHOH-CH2; n=1,2); межатомные расстояния приведены в ангстремах, валентные углы - в градусах
487
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
Выводы. Проведенные расчеты сольватированных атомов меди показывают большую устойчивость таких структур, в которых содержится максимальное число связей между молекулами смазочной среды и минимальное
число донорно-акцепторных взаимодействий Cu−O.
Таким образом, можно предполагать, что существенным моментом
при стабилизации и структурировании (самоорганизации) смазочной среды
в системе «медь - спирт» может быть увеличение числа водородных связей
между молекулами смазки в ближайшем окружении металла при увеличении длины углеводородного радикала и количества гидроксильных групп,
что способствует снижению коэффициента трения пары трения «медный
сплав-сталь» в спиртах в ряду метанол-этиленгликоль-глицерин.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ – НШ –1096.2003.8.
Библиографический список
1. Кравчик К. Трибологическая идентификация самоорганизации
при трении со смазкой: Дис… на соискание уч. ст. д-ра техн. наук. – Ростов
н/Д, 2000. – 282 с.
2. Симаков Ю.С., Мельниченко И.Н., Поляков А.А., Гаркунов Д.Н. Избирательный перенос при трении: Сб.ст. – М.: Наука,1975. – C.24-26.
3. Кужаров А.С., Бурлакова В.Э., Кравчик К. Трибоэлектрохимическое поведение стали в систематическом ряду одноатомных спиртов //
Вестник ДГТУ. – 2003. – Т.3. – №1(15). – C.61-70.
4. Кужаров А.С., Бурлакова В.Э., Кучеренков А.А., Кравчик К. Трибоэлектрохимическое поведение стали в водных растворах многоатомных
спиртов // Вестник ДГТУ. – 2003. – Т.3. – №3(17). – C.281-292.
5. Ira N. Levine. Quantum Chemistry. 4-th Ed. Prentice Hall, Inc. 1991,
629 pp.
6. Kuzharow A.S., Kletsky M.E., Burlakova V.E., Kuren S.G. Quantumchemical study of stability and structure of copper clusters in aqueous-alcohol medium //Mechanics and Tribology of Transport Systems: book of reports of international congress “mechtribotrans-2003”.-Rostov-on-Don, book 2,-p.p. 26-28.
Материал поступил в редакцию 31.08.2004.
A.S. KUZHAROV, M.E. KLETSKY, V.E. BURLAKOVA,
E.G.ZADOSHENKO, S.G.KUREN
QUANTUM CHEMICAL RESEARCH OF INTERACTION
OF ALCOHOLS WITH THE JUVENILE SURFACE OF COPPER
The results of precise tribologic studies of the ”copper alloy”-“steel” rubbing pair
in mono-, di- and tribasic alcohols as well as quantum chemical calculations of
lubricant fluid components have been presented. It has been demonstrated that
the lubricant fluid structurization, being concerned with the utmost possible extent hydrogen bonding between lubricant molecules within nearest environment
of the metal, is responsible for the frictional force reduction.
488
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
КУЖАРОВ Александр Сергеевич (р.1950), заведующий кафедрой химии
Донского государственного технического университета (ДГТУ), доктор технических наук (1991), профессор (1991), действительный член Академии
проблем качества РФ (1994). Окончил химфак Ростовского государственного университета (РГУ) (1971).
Научные интересы связаны с исследованием физико-химических механизмов самоорганизации при трении и антифрикционным материаловедением.
Автор более 300 публикаций, в том числе монографии, учебники и более 50
а.с. СССР и патентов РФ. Изобретатель СССР (1985), почетный работник
высшей школы РФ (2000), лауреат Премии президента РФ (2003).
Среди его учеников 11 кандидатов и 1 доктор технических наук.
КЛЕЦКИЙ Михаил Ефимович (р.1953), доцент кафедры (1989) «Химия
природных соединений» Ростовского государственного университета (РГУ),
кандидат химических наук. Окончил химический факультет Ростовского
государственного университета (РГУ) (1976).
Научные интересы связаны с квантовой химией органических соединений и
их реакций, адсорбцией активных компонентов смазки на поверхности
трущихся тел.
Автор более 70 публикаций.
БУРЛАКОВА Виктория Эдуардовна, доцент (1998) кафедры химии Донского государственного технического университета (ДГТУ), кандидат химических наук (1993). Окончила химфак Северо-Осетинского государственного университета (СОГУ) (1982).
Научные интересы связаны с изучением электрохимических свойств поверхности металлов.
Автор более 70 публикаций.
ЗАДОШЕНКО Елена Геннадьевна, доцент кафедры «Химия» Донского
государственного технического университета (ДГТУ), кандидат технических
наук (1996). Окончила химфак РГУ (1987).
Научные интересы связаны с исследованием химических и электрохимических механизмов самоорганизации при трении.
Автор более 30 публикаций.
КУРЕНЬ Сергей Григорьевич (р.1955), ассистент кафедры химии Донского государственного технического университета (ДГТУ) (1987). Окончил
химический факультет Ростовского государственного университета (РГУ)
(1977).
Научные интересы связаны с квантовохимическим исследованием адсорбции активных компонентов смазки в самоорганизующихся трибосистемах.
Автор более 60 публикаций.
489
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
УДК 130
О.В. ДРУЖБА, Л.Н. ГОРБУНОВА
ПРОБЛЕМА ДУХОВНОЙ ДЕТЕРМИНАЦИИ
СОЦИАЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ В СОЦИАЛЬНО-ФИЛОСОФСКИХ
КОНЦЕПЦИЯХ ХХ ВЕКА
Рассматриваются сложившиеся в философской мысли русского зарубежья подходы
к проблеме детерминации социальных явлений в контексте анализа процессов социокультурной трансформации российского общества в ХХ веке.
Ключевые слова: духовная детерминация, социокультурная трансформация, философы русского зарубежья.
Введение. Творческое наследие мыслителей русского зарубежья первой
половины ХХ столетия – важная составная часть российской культуры. Необходимость обращения к их социально-философскому наследию сохраняется до настоящего времени. В своих работах они значительное внимание
уделяли проблеме обоснования духовной детерминации общественных явлений. Это обоснование проводилось в полемических целях – создать социальную философию, которая могла бы конкурировать с марксизмом и
предотвратить тоталитаризацию российского общества. Но результаты
этой работы актуальны и в условиях современных социальноэкономических реформ, поскольку для реформаторов сохраняет свое значение идеологический постулат - принцип экономической детерминации
общественных явлений.
Основные положения. Альтернативные социально-философские концепции по отношению к марксистской создавали С. Булгаков, Н. Бердяев,
И. Ильин, С. Франк, Л.Карсавин и многие другие. Отличительная особенность этих концепций – признание социализма в качестве некоторой аномалии исторического развития России, замена марксистского принципа
экономической детерминации принципом духовной детерминации. Значительное внимание проблеме духовной детерминации общественных явлений уделяли такие мыслители, как С. Франк и Л. Карсавин.
С. Франк (1877–1950) опубликовал свои самые значительные труды
в эмиграции. Основные идеи Франка в области социальной философии изложены в исследовании «Духовные основы общества» (1930). Как показывает мыслитель, в основе общества лежит некоторое единение его субъектов, некоторая идея, первичная по отношению к каждому из них, «слитность человеческих душ в Боге». Эта идея находит социально-философское
выражение в понятии церкви (1. С.93). Отсюда Франк выводит основные
принципы организации общественной жизни, каковыми являются начала
служения отдельной личности целому, солидарности индивидов, соединяющихся в большие и малые социальные группы, а также свободы индивидуального «я», не производимого от «мы». Эти начала конституируются
в такие социальные институты, как государство, семья, нация, гражданское
общество.
Оценивая подход Франка к проблеме детерминации общественной
жизни, следует сказать, что он рассматривает общество как некоторую
идею, бытие всеобщего, которое предшествует непосредственному процес490
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
су жизни в плане его существенной, организующей стороны. При этом собственно хозяйственная деятельность носит характер создания условий для
осуществления нравственного смысла человеческой жизни. Поэтому она не
имеет самодовлеющего значения и не может определять содержание нравственной природы общества. Эта позиция естественным образом означала
критику реального социализма, отвергающего всякую постоянную и первичную нравственную основу общественной организации.
Особую позицию по вопросу о факторах, детерминирующих социальные процессы, занимал Л. Карсавин (1882 – 1952). Основы его социальной философии изложены в фундаментальной работе «Философия истории» (1923). Рассмотрение взаимоотношения материального и духовного
факторов общественной жизни проводится им в контексте изучения причинного объяснения исторических явлений. Поиск детерминации общественных явлений приводит, по мнению Карсавина, к разъединению единой
ткани общественного бытия. Никакого нового знания введение причинности в изучение социальных явлений не дает. Причинное объяснение иллюзорно по своей сути [2. C.14]. Причинность устраняет непрерывность, являющуюся субстанциальным качеством общественной жизни. Поэтому Карсавин делает вывод, что причинное объяснение в истории невозможно
[2. C.26]. Эта констатация приложима и к пониманию любого социального
факта.
Л.Карсавин вводит понятие развития, которое устраняет понимание
причины и следствия только как однонаправленного воздействия одного на
другое. Взаимодействующие сферы общества он понимает не как воздействие причин на следствие, при котором сами причины оказываются необъясненными, а как развертывание единой природы социального субъекта в
его разных свойствах. Таким образом, проблема экономического детерминизма общественных явлений преодолевается.
Вывод. Если провести сравнение подходов к экономическому детерминизму С. Франка и Л. Карсавина, следует отметить их общую установку. Она
выражается в предположении всеобщего социального субъекта, лежащего
в основе социального явления. При этом хозяйственная деятельность этого
субъекта есть только манифестация его природы и не может рассматриваться в качестве первичной. Обоснование этого факта достигается критикой причинного объяснения социальных явлений и религиознофилософским дискурсом, указывающим на хозяйственную деятельность
только как на способ проявления этого всеединого субъекта, в индивидуальном и общественном бытии которого нельзя обнаружить производность
его духовных качеств от этой деятельности.
Библиографический список
1. Франк С.Л. Духовные основы общества. Введение в социальную
философию. – М.: Республика, 1992. – С.13-146.
2. Карсавин Л.П. Философия истории. – Берлин: Обелиск, 1923. –112с.
Материал поступил в редакцию1.04.2004.
491
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
О.V.DRUZHBA, L.N.GORBUNOVA
STUDIES OF SPIRITUAL DETERMENATION
OF SOCIAL PROCESSES AS A PROBLEM OF SOCIAL PHILOSOPHY
In the report approaches to problem of determination of social phenomena in
the context of analyses of processes of social and cultural transformation of
Russian society in the XX century, which have been turned out in philosophical
thought of the Russian abroad are considered.
ДРУЖБА Ольга Владимировна – заведующая кафедрой “Связи с общественностью” Донского государственного технического университета
(ДГТУ), доктор исторических наук (2000), профессор (2001). Окончила Ростовский государственный университет (РГУ) (1978).
Научные интересы связаны с изучением общественного сознания российского общества.
Имеет более 40 научных публикаций.
ГОРБУНОВА Людмила Николаевна – старший преподаватель кафедры
истории и культурологии Донского государственного технического университета (ДГТУ).
Имеет 7 публикаций по проблеме детерминации общественного сознания.
492
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
УДК 621.9.02
В.Г. СОЛОНЕНКО, М.Г. СЕРИКОВА
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИЯ ШНЕКОВЫХ СВЕРЛ
Предложена зависимость для вычисления коэффициента повышения стойкости
шнековых сверл в результате их электроизоляции. Показано, что приведенные результаты хорошо согласуются с данными ранних исследований.
Ключевые слова: сверло, электроизоляция, стойкость.
Введение. Начиная с пятидесятых годов прошлого столетия, проведено
значительное количество исследований влияния термоэлектрических процессов на изнашивание трущихся пар и режущих инструментов. В большей
части выполненных работ прослеживается концепция об электроизоляции
как основном методе, снижающем интенсивность изнашивания режущих
инструментов. Однако до настоящего времени нет однозначного ответа на
вопрос, во сколько раз электроизоляция может повысить стойкость режущих инструментов, как нет аналитической зависимости, оценивающей это
повышение.
В работе [1] сделана попытка такой оценки на основе решения соотношения диффузионного потока элементов инструментального материала с учетом электропереноса и без него. При этом приняты во внимание
исследования [2], в которых сказано о диффузии углерода и основных элементов твердосплавных инструментов в контактную зону. Указанное соотношение решено с помощью ряда положений линейной феноменологической термодинамики необратимых процессов; автор работы [1] придерживался, как и в работе [3], теории «электронного ветра» и рассматривал
неизотермический случай с учетом термоэлектрических процессов. Однако
автором работы [1] в предложенной аналитической зависимости не учтено
электрическое сопротивление контактной зоны.
Результаты исследований и их обсуждение. В настоящей работе
представления [1] развиваются применительно к шнековым сверлам, работающим в условиях глубокого сверления; при этом учитывается электрическое сопротивление контактной зоны. Предлагается зависимость для вычисления коэффициента повышения стойкости шнековых сверл в результате их электроизоляции, которая в обще виде записывается так:
∑
∑
 Zj 
ψj
Κ = 1 + Β ⋅η 
− 1 ⋅
×
 Z0
 ψ0


l
 х2

X 2′ '
max


1
1
1
'
×
dx +
dx +
⋅ dl  ,
'
R (l )
R( x )
 х R( x)

l
X 1′
min
 1

∫
∫
∫
(1)
е
– постоянная величина, зависящая от соотношения заряда
ℜ
Кл
Е – удельная
электрона и постоянной Больцмана,
⋅ К 0; η =
Дж
θ рез
где B =
493
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
термоЭДС (Е – зафиксированная термоЭДС, В; θ
резания К 0 )
В
К0
рез.
– температура
; ∑ Z1 – сумма валентностей легирующих элемен-
тов или компонентов, которых в инструментальном материале значительно меньше по сравнению с основным элементом или материалом
растворителя; Z0 – валентность основного элемента инструментального материала; ∑ Ψ1 – суммарное удельное электрическое сопротивление элементов смеси инструментального материала, Οм ⋅
мм 2
;
м
ψ0 – удельное электрическое сопротивление инструментального материала, Οм ⋅
мм 2
; Х1 и Х2 – координаты точек, соответствующие
м
минимальному и максимальному радиусам, по длине главной режущей кромки, мм; X 1′ и Х’2 – координаты точек в направлении, нормальном к главной режущей кромке, определяющие толщину среза,
зависящую от величины подачи; l min и l max – минимальная и максимальная длины сверления, мм.
Интегралы в выражении (1) учитывают изменения электрического
сопротивления или электрической проводимости зоны резания (первый и
второй интегралы) и поверхности контакта "сверло – деталь" (третий интеграл) в пределах от l min до l max..
При сверлении неглубоких отверстий сверло имеет зону контакта,
ограниченную величиной ℓmin (рисунок).
Rn-1
e m àõ
Rn
R4
R5
R1
R2
e m in
R3
К определению электропроводности системы
"сверло – поверхность отверстия" при глубоком сверлении
494
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник ДГТУ. 2004. Т.4. №4(22)
ISBN 5-7890-0312-5
В этом случае можно, упрощая задачу, исключив из работы поперечную режущую кромку и контакт стружки с передними поверхностями
сверла, рассматривать зоны проводимости или электрических сопротивлений R1 и R2 на двух главных режущих кромках и сопротивление R3 в пределах глубины сверлении ℓmin.
Сумма электропроводностей этих зон определит проводимость контакта "сверло - поверхность отверстия", т. е.
1
1
1
1
=
+
+
⋅⋅⋅
R 0 R1 R 2 R3
Если предположить, что система "станок – инструмент – приспособление – заготовка" абсолютно жесткая, то показанных на рисунке электрических сопротивлений R1, R2 и R3 достаточно для оценки термоэлектрических характеристик контакта "сверло – деталь" при сверлении отверстий
любой глубины.
Однако из-за недостаточной жесткости шнековых сверл и в целом
технологической системы, несмотря на обратную конусность, сверло при
сверлении отверстия глубиной ℓmах контактирует ленточками с поверхностью отверстия. При этом из-за большей площади фактического контакта
электрические сопротивления "пятен" контакта уменьшаются и соответственно возрастают проводимости этих "пятен" и в целом контакта "сверло поверхность отверстия".
В связи с этим для третьего интеграла можно записать:
1
=
Ri
1
1
1
1
1
1
1
∑ R = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 .... Rп .
Таким образом, электропроводность системы «сверло – поверхность отверстия» при глубоком сверлении возрастает. Следствием может
явиться рост термотока, что окажет интенсирующее воздействие на изнашивание шнековых сверл. Эксперименты по измерению термоЭДС показали, что при увеличении глубины сверления она возрастает, следовательно,
увеличивается термоток.
Ниже даны результаты расчетов коэффициентов повышения стойкости шнековых сверл из стали Р6М5, работающих по сталям 14Х17Н2,
40Х13 и стали 45, выполненные по предложенной зависимости.
14Х17Н2
θрез = 400ОС, Е = 1 мВ,
К = 1,106;
Сталь 45
θрез = 230ОС, Е = 1,5 мВ, К = 1,214;
40Х13
θрез = 400ОС, Е = 4,5 мВ, К = 1,479.
Сравнительные стойкостные испытания шнековых сверл Ф10 мм на
режимах, при которых температуры резания равняются указанным, показали, что электроизоляция ведет к повышению стойкости соответственно в
1,4, 1,7 и 2,8 раза. Как видно, коэффициенты повышения стойкости, полученные в результате стойкостных испытаний, выше по сравнению с расчетными. Это связано в тем, что в зависимости (1) учитываются удельные
электрические сопротивления элементов инструментального материала при
комнатной температуре. Учет удельных электрических сопротивлений в
зависимости от температуры резания – это достаточно сложная задача,
требующая своего решения в дальнейшем.
Выводы. Таким образом, предложена зависимость для качественной или
приближенной количественной оценки повышения стойкости шнековых
сверл в результате их электроизоляции. Расчетные величины совпадают в
495
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раздел “Краткие сообщения”
порядках с экспериментальными, что подтверждает концепцию, изложенную в работе [1]. Большие значения экспериментальных величин могут
быть объяснены влиянием температуры резания.
Библиографический список
1. Солоненко В.Г. Повышение работоспособности режущих инструментов. – Краснодар: КубГТУ; Ростов н/Д: Сев.-Кавказ. отдел. Академии
проблем качества РФ, 1997. – 223 с.
2. Беккер М.С. Исследование роли углерода в износе инструментов
при резании металлов //Физико-химическая механика процесса трения.
– Иваново, 1979. – С. 106-114.
3. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. – М.: Металлургия, 1978.
– 248 с.
Материал поступил в редакцию 20.05.04.
V.G. SOLONENKO, M.G. SERIKOVA
ELECTRICAL INSULATION OF AUGER DRILLS
Dependence for an evaluation of factor of a heightening of resistance drills is
offered as a result of their electroisolation. It is shown, that reduced results well
it will be coordinated with dates of early researches.
СОЛОНЕНКО Владимир Григорьевич (р.1937), профессор кафедры
«Системы управления технологических комплексов» Кубанского технологического университета (КубГТУ), доктор технических наук. Окончил РИСХМ
(1965).
Научные интересы связаны с обработкой металлов резанием.
Автор 200 публикаций.
СЕРИКОВА Мария Георгиевна, доцент кафедры общетехнических дисциплин Армавирского механико-технологического института (филиал Кубанского государственного технологического университета), кандидат технических наук. Окончила КПИ (1986).
Научные интересы – обработка металлов резанием.
Автор 10 публикаций.
496
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
33
Размер файла
4 359 Кб
Теги
4473
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа