Исследования. Проектирование. Опыт эксплуатации. Рубрика в журнале - Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии
Криволинейный пьезоэлектрический актюатор изгибного типа
Статья научная
Предложены новые схемы функционирования пьезоэлектрических стержневых актюаторов изгибного типа на основе эффекта взаимодействия пьезоэлектрической трансформации поперечного сечения и начальной кривизны продольной оси. Разработана математическая модель изгибного деформирования дугообразного актюатора, обусловленного пьезоэлектрическим изменением высоты поперечного сечения. Получены аналитические решения для характеристик актюатора в зависимости от геометрических и электроупругих параметров элементов структуры. Численно исследованы зависимости характеристик актюатора от величины начальной кривизны его продольной оси и высоты поперечного сечения для простого однослойного и составного трехслойного актюаторов. Установлен диапазон значений радиуса кривизны криволинейного актюатора с составным поперечным сечением, при котором величина блокирующей силы превышает соответствующее значение силы для прямолинейного биморфного актюатора.
Бесплатно
Материал для водородной энергетики на базе кобальтита бария-стронция Sr0,5Ba0,5Сo1-xFexO3-z
Статья научная
Исследованы анион-дефицитные структуры на основе состава Sr0,5Ba0,5Со1-xFexO3-z, синтезированные из расплава на солнечной печи в потоке концентрированного солнечного излучения плотностью 100-200 Вт/см2. Брикеты формы таблеток на базе стехиометрической смеси карбонатов и оксидов соответствующих металлов (SrСО3 + BaСО3 + Со1О3 + Fe2O3) расплавлялись на фокальном пятне Большой солнечной печи. Капли расплава стекали в воду, охлаждаясь со скоростью 103град/с. Отливок подвергали измельчению до тонины 63 мкм, сушили при 400 оС, формовали в виде таблеток (образцы) (диаметром 20 мм и высотой 10 мм). Образцы материала спекали в интервале температур 1050-1250 оС. На образцах изучены структура, водопоглощение и деградация в среде углекислого газа. Кристаллическая решетка материала имела перовскитовое строение с параметром элементарной ячейки a = 4,04Å. Образцы материала проявили возрастающее водопоглощение с увеличением температуры спекания. Также наблюдается зависимость стойкости структуры материала к воздействию углекислого газа и водяных паров от температуры спекания. Наблюдаемые значения структурных параметров свидетельствует о том, что материал на основе перовскитовых структур Sr0,5Ba0,5Со1-xFexO3-z может быть использован как катализатор при получении водорода и синтез-газа посредством риформинга и окисления метана. Установлено, что механизм электрической проводимости перовскитового материала Sr0,5Ba0,5Co0.8Fe0.2O2.78 состава связан с прыжками поляронов. Показано, что с увеличением температуры скорость успешных прыжков увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению проводимости. Показано, что повышение температуры также стимулирует увеличение количества вакансий, которые априори ответственны за увеличение проводимости по модели скачкообразной релаксации. Кроме того, такие материалы могут быть использованы для создания СВЧ-управляемых приборов.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена актуальной проблеме организации высокоточной взаимной навигации в группе (рое) беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В работе дан краткий анализ ключевых подходов к решению этой задачи: централизованного, децентрализованного (роевого) и гибридного. Особое внимание уделено гибридным методам, сочетающим использование ГНСС и ультраширокополосных (UWB) радиотехнических систем. Показаны недостатки этих методов: высокая загрузка каналов связи, сложность синхронизации и объединения локальных систем координат, а также ограниченная дальность действия. В качестве альтернативы предложен радиодальномерный метод с ретрансляцией, позволяющий измерять расстояния между БПЛА‑лидером и остальными БПЛА группы. Подробно описан усовершенствованный метод взаимной навигации, комбинирующий радиодальномерный и ретрансляционный подходы. Представлен пошаговый алгоритм, позволяющий по результатам циклических измерений определить не только расстояния от лидера до каждого БПЛА, но и все взаимные расстояния между членами группы. На основе этих данных выведены формулы для расчета координат всех БПЛА в локальной декартовой системе, связанной с БПЛА‑лидером.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье приведена методика выбора наилучшей конфигурации наземных базовых станций локальной навигационной системы. Локальные навигационные системы активно применяются для навигационно-временного обеспечения наземных и воздушных объектов, точность определения координат которых зависит от значения геометрического фактора. Взаимное расположение наземных базовых станций напрямую влияет на значение геометрического фактора, а следовательно, на точность определения координат в навигационной аппаратуре потребителей. Однако необходимо учитывать, что на выбор взаимного расположения (конфигурации) наземных базовых станций влияют энергетическая доступность сигналов от наземных базовых станций в зоне навигации, особенности рельефа местности на трассах«наземная базовая станция - навигационная аппаратура потребителей», требуемый размер зоны действия локальной системы навигации, размеры зоны, в которой возможно размещение базовых станций, наличие прямой радиовидимости от базовых станций до потребителя, ослабление сигналов на трассе распространения радиоволн. Данная методика учитывает приведенные выше факторы и в качестве показателя эффективности предлагает использовать среднее арифметическое значение геометрического фактора в зоне навигации.
Бесплатно
Методика выбора маховичных накопителей энергии в качестве источника автономного питания
Статья научная
Выбор электромаховичных накопителей как готовых устройств сводится к определению числа накопителей и схем их включения при разряде. В статье предложена методика выбора электромаховичных накопителей согласно принципам баланса мощности и энергии системы. Получены основные выражения условий выбора в общем виде. Рассмотрены численные примеры выбора накопителей при каскадной и параллельной схемах разряда. Решение для каскадной схемы работы сведено к задаче оптимизации, определены целевая функция, граничные условия и система ограничений. Численное решение получено с помощью инструмента «Поиск решения» пакета MS Excel.
Бесплатно
Статья научная
На основе использования методов теории оптимального приема оптических сигналов предложен алгоритм работы многоканального приемника, работающего в режиме счета фотоэлектронов (образования переходов), применительно к обнаружению предгенерационного многоспектрального спонтанного излучения передающего лазерного канала. С использованием процедуры функционального преобразования случайных величин отсчетов в исследуемом алгоритме получены условные вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги, характеризующих работу многоканального приемника при обнаружении многоспектрального предгенерационного спонтанного излучения.
Бесплатно
Методика определения оптимальных параметров рабочего состояния атмосферного газогенератора из угля
Статья научная
В данной статье описана методика определения оптимальных параметров работы атмосферного угольного газогенератора, когда известен состав полученного генераторного газа. Атмосферный газогенератор представляет собой устройство для получения синтез-газа для топлива в энергетике, внутри которого ведутся сложные физико-химические процессы, поэтому определить оптимальные параметры затруднительно. Было проведено исследование для определения оптимальных параметров путем расчета рабочих параметров на основании данных состава элементного анализа угля и состава полученного генераторного газа и сравнения их с текущими рабочими параметрами для достижения наилучших условий. В результате был рассчитан расход воздуха, расход пара, эффективность преобразования энергии газогенератора, состав газа, который должен быть в текущем рабочем состоянии, и уточнены рабочие параметры путем сравнения и анализа с фактическими значениями. Результаты исследования были успешно внедрены в тестовый атмосферный газогенератор и могут быть распространены на другие типы газогенераторов.
Бесплатно
Методика оценки остаточного ресурса футеровок высокотемпературных агрегатов
Статья научная
В статье предложен новый метод оценки остаточного ресурса работы футеровок высокотемпературных агрегатов. Предложенный метод позволяет не только повысить эффективность работы оборудования и снизить эксплуатационные затраты, но и снизить вероятность аварии высокотемпературных агрегатов. Проведённый анализ показывает, что стадия эксплуатации занимает ключевое место в жизненном цикле высокотемпературных агрегатов. Расчет остаточного ресурса производится с учетом влияния параметров эксплуатации при работе агрегата: термических напряжений, максимальной температуры разогрева огнеупоров футеровки и прочности применяемых огнеупорных материалов. Эти технологические параметры были выбраны после анализа эксплуатации разливочных ковшей ферросплавного производства. Измерение параметров эксплуатации на работающем оборудовании позволяет производить оценку остаточного ресурса в режиме on-line, что позволяет вносить корректировки в работу действующего оборудования. Проведённая оценка остаточного ресурса футеровки разливочного ковша ферросплавного производства показала соответствие действительному количеству плавок, которые отработала футеровка ковша, что говорит об адекватности представленной методики.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена решению важной задачи при проектировании и эксплуатации интегрированных энергосистем с возобновляемыми источниками – точному прогнозированию срока службы аккумуляторных батарей, которые составляют значительную долю (45–60 %) от общих капиталовложений. Существующие методы оценки срока службы батарей часто упрощают реальные условия эксплуатации, в частности преобладание частичных циклов заряда-разряда над полными, что приводит к некорректным технико-экономическим оценкам. В исследовании анализируются известные модели, такие как метод подсчета RainFlow и модель Шиффера, с выделением их ограничений. Предлагается комплексная методика оценки срока службы, учитывающая фактические режимы работы батареи, характеризуемые знакопеременной функцией мощности системы. Основу методики составляют идентификация и моделирование частичных циклов, определение среднегодового количества циклов и локально-минимального состояния заряда. Алгоритм связывает эти параметры с характеристикой срока службы батареи в зависимости от глубины разряда. Представленный подход позволяет провести более реалистичную, хотя и пессимистичную оценку срока службы батарей, что способствует оптимизации конфигурации системы и режимов работы для минимизации затрат на протяжении жизненного цикла. Метод является универсальным и может быть применен для различных технологий аккумуляторных батарей, что делает его ценным инструментом для планирования и развития интегрированных энергокомплексов.
Бесплатно
Методы и средства определения динамической прочности воды
Статья научная
В настоящей работе представлены результаты исследований с целью определения кавитационной прочности воды. Предложено использовать изменение зависимости скорости сдвига от сдвигающих напряжений в качестве критерия, позволяющего определить момент перехода от сплошного потока к кавитационному. Для обработки экспериментальных результатов проведены численные расчеты с использованием метода локальной полиномиальной регрессии. Обработка данных методами аппроксимации позволила продемонстрировать, что коэффициент динамической вязкости воды, в области однофазного течения являющийся константой при постоянной температуре, снижается при начале нарушения сплошности потока, т.е. кавитационных процессах в жидкости.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлена система методов оптимизации параметров сигнально- кодовых конструкций с ортогональными сигналами и кодами Рида-Соломона, а также режимов их обработки при приеме с мягким декодированием в условиях неопределённости сигнально- помеховой обстановки при одновременном действии на канал с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты двух помех - заградительной и сосредоточенной в части полосы частот. При оптимизации учитываются граничное и наихудшее для канала значения части полосы псевдослучайной перестройки рабочей частоты, в которой действует сосредоточенная помеха.
Бесплатно
Модальное управление асинхронным электроприводом тележки мостового крана с наблюдающим устройством
Статья научная
Цель работы: разработка системы модального управления для электропривода перемещения тележки мостового крана с демпфированием колебаний груза. В качестве объекта исследования рассмотрена система, состоящая из асинхронного управляемого электропривода, тележки мостового крана, подвески и груза. Методы исследования: для достижения поставленной цели использовались методы теории автоматического управления, в том числе методы операторного исчисления и модального управления. Численные исследования процессов в разрабатываемой системе управления выполнены в вычислительной среде MATLAB (пакет прикладных программ SIMULINK). Результаты работы: предложены метод и структура системы автоматического подавления колебаний груза, свободно подвешенного на канате, на основе модального регулятора скорости и наблюдающего устройства. Разработаны модальный регулятор и наблюдатель скорости перемещения груза. Приведены графики переходных процессов, которые показывают эффективность работы системы управления.
Бесплатно
Статья научная
Исследованы закономерности влияния величины силы вдавливания множества жестких шаровых частиц на резонансные частоты первых шести форм колебаний тактильного покрытия. Выявлен близкий к линейному характер зависимостей резонансных частот тактильного покрытия от величины силы вдавливания частиц, что эффективно для использования резонансного метода диагностирования внешних силовых воздействий
Бесплатно
Моделирование процесса прессования порошкового алюминия с карбонатом кальция
Статья научная
В работе рассмотрены технологические и численные аспекты прессования порошкового алюминия с порообразующим карбонатом кальция. Показано, что ввод CaCO₃ в порошковую смесь повышает общую пористость спечённого композита, влияя на плотность и механические свойства материала. Для описания процесса компактизации была использована модель Хеккеля, реализованная в Mathcad, что позволило рассчитывать изменение относительной плотности при нарастающем давлении прессования. Также проведено численное моделирование в ANSYS Mechanical с использованием плотностно-зависимой модели Drucker– Prager Cap. Полученные расчёты показали характерное распределение плотности: область у пуансона достигает максимальной плотности, а у противоположного торца – минимальной. Выявлено значительное влияние трения на неоднородность прессовки (падение давления и плотности до ≈10 % по высоте), а также подтверждена экспоненциальная зависимость плотности от давления прессования. Сопоставление результатов математических моделей и FEM‑анализов позволяет прогнозировать оптимальные условия прессования порошковых композитов для получения однородной структуры и требуемых свойств материала.
Бесплатно
Моделирование температурного режима и прочности ледяного покрова
Статья научная
Рассмотрены особенности и структура переходных слоев с промежуточным состоянием среды, одновременно включающим в себя жидкую и твердую фазы, при формировании и таянии ледяного покрова пресного водоема. Проведено вычислительное моделирование динамики ледяного покрова на основе обобщенной формулировки задачи Стефана с учетом среднесуточных значений температуры и влажности воздуха, скорости ветра, потока солнечной радиации. Представлены результаты расчета температурного режима и состояния водоема в течение холодного периода при наличии и отсутствии снежного покрова на поверхности льда. Получены временные зависимости предела прочности на сжатие ледяного покрова с учетом вертикального распределения температуры.
Бесплатно
Моделирование электромагнитных полей газоизолированной линии, питающей тяговые подстанции
Статья научная
Электроснабжение тяговых подстанций (ТП) железных дорог переменного тока традиционно осуществляется от воздушных линий (ВЛ) электропередачи (ЛЭП) 110–220 кВ, которые могут повреждаться при сильных ветрах и образовании гололеда. Кроме того, эти ЛЭП создают значительные электромагнитные поля (ЭМП), неблагоприятно влияющие на обслуживающий персонал, население и окружающую среду. Для снижения возникающих ущербов необходима организация защитных зон, требующих значительных землеотводов. Повышение надежности обеспечения ТП электроэнергией и уменьшение уровней ЭМП может быть достигнуто на основе газоизолированных линий (ГИЛ), применение которых в электроэнергетике многих стран мира непрерывно возрастает. Цель представленных в статье исследований состояла в разработке компьютерных моделей, обеспечивающих определение ЭМП ГИЛ, питающих группу ТП, с учетом реальных тяговых нагрузок, характеризуемых несинусоидальностью и несимметрией. Для решения этой задачи применялся подход, реализованный в программном комплексе Fazonord AC-DC и базирующийся на использовании фазных координат. Это позволило корректно учитывать поверхностный эффект и эффект близости в массивных токоведущих частях ГИЛ, а также влияние несимметрии и гармонических искажений. Результаты моделирования показали, что применение ГИЛ приводит к вводу коэффициентов несимметрии напряжений на шинах 110 кВ тяговых подстанций в допустимый диапазон, при этом максимальные значения этих коэффициентов не превышали 2 %. Результаты определения гармонических искажений показали значительное снижение коэффициентов гармоник в сети 110 кВ для ГИЛ по сравнению с ВЛ. Проведенные расчеты электромагнитных полей подтвердили, что ГИЛ создает напряженности магнитного поля, на порядок меньшие по сравнению с ВЛ. Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой эффективности применения для электроснабжения тяговых подстанций газоизолированных линий, обеспечивающих повышение надежности, улучшение качества электроэнергии и снижение негативного воздействия ЭМП на персонал, население, окружающую среду и электронное оборудование.
Бесплатно
Статья научная
Объекты транспортной электроэнергетики создают в окружающем их пространстве значительные уровни электромагнитных полей (ЭМП), оказывающие негативные воздействия на персонал, природную среду и электронное оборудование. Для их снижения применяются различные мероприятия, рациональный выбор которых в современных условиях должен осуществляться на основе компьютерного моделирования. Для его проведения необходима разработка цифровых моделей, обеспечивающих адекватное определение ЭМП. Пролеты между опорами поля, создаваемые тяговыми сетями (ТС), имеют плоскопараллельный характер, и для расчета их напряженностей разработаны эффективные методы и средства. Однако вблизи металлических опор и других проводящих сооружений задача моделирования ЭМП существенно усложняется вследствие того, что поле в этом случае становится трехмерным. Анализ публикаций, посвященных расчетам ЭМП ТС, показал, что методы определения ЭМП вблизи металлических конструкций в рассмотренных работах не описаны. Для решения этой задачи могут применяться алгоритмы, основанные на использовании мультифазного представления систем тягового электроснабжения и реализованные в программном комплексе Fazonord. В статье представлены результаты разработки цифровых моделей для определения ЭМП вблизи жестких поперечин, широко применяемых на перегонах и многопутных ТС железнодорожных станций. Рассматривались два режима работы ТС: нормальный, нагрузочный и короткого замыкания. По результатам моделирования получены зависимости амплитуд напряженностей ЭМП от координат осей, проходящих вдоль трассы дороги и перпендикулярно ей. Кроме того, построены объемные диаграммы, позволяющие анализировать распределение ЭМП в пространстве. Результаты проведенных исследований показали, что представленная методика позволяет осуществлять учет влияния металлических конструкций при моделировании ЭМП тяговых сетей. Она может использоваться на практике при разработке мероприятий по улучшению условий электромагнитной безопасности.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлено описание математической и имитационной моделей функционирования бортового навигационного комплекса космического аппарата для случая, когда аппарат выполняет задачу мониторинга космических объектов в условиях дискретного или отсутствующего навигационного поля. Такой характер навигационного поля проявляется при нахождении космических аппаратов на высотах свыше 2000 км над поверхностью Земли (для системы ГЛОНАСС). Для достижения требуемых оперативности принятия решений и точности измерений предлагается расширить состав комплекса и применять в процессе вычислений отложенную обработку. В состав предлагаемого комплекса включены: бесплатформенная инерциальная навигационная система, аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем и программно-конфигурируемое радиоприемное устройство. Осуществлена имитация получения разнородных измерений, а также их совместная обработка навигационным комплексом при условии, что схема комплексирования – сильносвязанная. Предполагается, что в указанных условиях обстановки программный приемник может получить измерения текущих навигационных параметров (в разработанной модели – дальность и радиальная скорость) за счет некогерентного накопления. По результатам обработки производится оценка текущего местоположения потребителя, по которой определяется точность на заданном интервале времени рассматриваемого комплекса.
Бесплатно
Модернизация котельных агрегатов с использованием циклонно-вихревых технологий сжигания топлива
Статья научная
Изложены особенности горелочного способа сжигания жидкого и газообразного топлив. Нагрузку на котле регулируют, изменяя расход газа в горелке или числом работающих горелок. На практике горелки часто работают со значительными избытками воздуха α = 1,4- 1,6 и более, снижающими температуру факела. Эти условия не всегда приводят к полному сгоранию газа. Режимные мероприятия на горелках не снижают образования NOx. На наш взгляд, перспективным вариантом модернизации котельного агрегата на примере водогрейных котлов марки КВГМ-116,3-150 является замена горелочного способа сжигания газа или мазута на циклонно-вихревой. В работе приводится описание и особенности конструкции циклонно- вихревого предтопка мощностью 65 МВт. Рассмотрены условия работы и эффективность использования на котле схемы «противоток». Циклонно-вихревая технология сжигания, утилизация низкопотенциальной теплоты из уходящих газов, впрыск сконденсировавшейся жидкости в активную зону горения, а также применение системы циркуляции воды в котле«противоток» позволяют снизить «углеродный след», улучшить экологические показатели и достичь КПД брутто котла КВГМ-116,3-150 относительно низшей теплоты сгорания топлива до 95-97 %.
Бесплатно
Статья научная
Эффективности очистки сточных вод предприятий ТЭК в прудах-отстойниках недостаточно для применения очищенной воды в оборотном водопользовании. Модернизация прудов-отстойников с целью получения высокой эффективности очистки сточных вод оборотного водопользования ТЭК является главной задачей достижения высокой степени очистки сточных вод, а также минимизации антропогенного воздействия на окружающую среду от сточных вод предприятий ТЭК. Применение высокоселективных сорбентов в габионных фильтрационных кассетах, установленных в пруде-отстойнике предприятия ТЭК, позволяет добиться высокой эффективности очистки стока с удалением из состава сточной воды ранее не извлекаемых, эмульгированных нефтепродуктов и галогенопроизводных органических веществ, негативно воздействующих на работу инженерных коммуникаций и теплосилового оборудования.
Бесплатно
