Цель работы - по результатам оценки влияния геометрических параметров дорна на силовые характеристики процесса и качество обработки при дорновании трубчатых деталей выбрать рациональные параметры деформирующего инструмента. В работе использован метод конечных элементов в программе Ansys 19.1 R2 для моделирования процесса дорнования трубчатых деталей, выполненных из стали 45. В ходе исследований изучено влияние угла заборного конуса, ширины калибрующего пояска и угла обратного конуса на распределение остаточных напряжений, упругопластических деформаций и силы тяги. Установлено, что при величине угла заборного конуса равном 2° сила тяги является наибольшей из-за сил трения, а если более 4°, качество обработанных поверхностей ухудшается. Показано, что уменьшение ширины калибрующего пояска (менее 2 мм) нарушает стабильность деформирования, а увеличение ширины свыше 3 мм приводит к повышению сил трения и образованию задиров. Определено, что при отсутствии обратного конуса или при его малой величине (2°) происходит резкий рост силы тяги из-за концентрации давления на острой кромке деформирующего инструмента и увеличения площади контакта. Показано, что при значении угла обратного конуса равном 8° на поверхности начинает появляться микронеровность, что в долгосрочной перспективе приведет к ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Таким образом, на основе комплексного анализа процесса дорнования определены рациональные геометрические параметры дорна при натяге 0,4 мм: ширина калибрующего пояска 2,5 мм, угол заборного конуса 4° и угол обратного конуса 4-6°. Данные параметры обеспечивают минимальное значение силы тяги (54,2- 54,4 кН) при высокой точности профиля поверхности (отклонение » 3,5 мкм).

Цель – определение по результатам экспериментальных исследований на примере резины И-73-361 материальных параметров феноменологической модели гипервязкоупругости, обеспечивающих повышение точности расчетов высокоэластичных композитных оболочек машин и оборудования в условиях симметричного нагружения. Испытания на одноосное циклическое растяжение с максимальной деформацией 20–25 %, соответствующей удлинению армирующего корда при разрыве, проводились на установке Zwick/Roell/ BT-FR010TE-A50. Для описания упругих свойств резины использован потенциал Трелоара, для вязких свойств резины – модель несжимаемой неньютоновской жидкости с коэффициентом вязкости, зависящим от деформации. Обработка экспериментальных данных и идентификация параметров модели выполнены методом наименьших квадратов с минимизацией невязки методом Левенберга–Марквардта в среде Mathcad. Определены материальные параметры феноменологической модели для резины И-73-361: модуль упругости ветви A реологической модели (≈ 1,061×10⁶ Па), модуль упругости упругого элемента ветви В реологической модели (≈ 7,610×10⁵ Па), коэффициент вязкости ветви В реологической модели, определяющийся двумя величинами (коэффициент ≈ 1,901×10⁶ Па×с, показатель степени ≈ –0,284). Также был рассчитан показатель степени, определяющий реологический тип вязких процессов, который составил ≈ 0,828. Установлено, что погрешность аппроксимации экспериментальных диаграмм деформирования, включая петли гистерезиса, для основных параметров не превышает 5 %. Показано, что в отличие от микромеханической модели Бергстрёма–Бойс предложенная феноменологическая модель не требует введения дополнительного условия однозначности разложения градиента деформации и позволяет описывать как возрастающую, так и убывающую зависимость коэффициента вязкости от деформации. Полученные параметры модели применимы для расчетов вязкоупругих свойств высокоэластичных композитных оболочек при симметричном нагружении. Установлено, что характер изменения коэффициента вязкости с ростом первого инварианта меры Коши–Грина не является универсальным для всех эластомеров: в отличие от модели Бергстрёма–Бойс, предсказывающей его монотонный рост, феноменологическая модель допускает его убывание, что подтверждено экспериментально для исследованного материала.

Цель – повышение стабильности и качества управления подвижной траверсы главного гидрораспределителя штамповочного пресса «Уральский завод тяжёлого машиностроения». Объектом исследований явился штамповочный пресс, который предназначен для выпуска колец различных профилей и материалов усилием 10000 тс, участвующий в технологическом цикле кольцепрокатного производства. Для моделирования типовых процессов основных элементов системы использована среда разработки TiaPortal. Реализовано повышение стабильности и качества управления подвижной траверсой главного гидрораспределителя штамповочного пресса УЗТМ 10000 тс за счет разработки и внедрения специализированных алгоритмов обработки сигналов ручного джойстика. Разработанные алгоритмы прошли апробацию на реальном оборудовании. Предложен и реализован алгоритм формирования управляющего сигнала, который ограничивает скорость его изменения до уровня, исключающего гидравлические удары, и обеспечивает S-образную форму расходной характеристики сервоклапана за счет каскадного включения апериодических звеньев первого порядка, что минимизирует переходные процессы. Проведенные испытания подтвердили, что блок обработки джойстика полностью исключает влияние зоны нелинейности, обеспечивая стабильное нулевое задание в исходном положении; блок формирования задания гарантирует плавное, безгидроударное изменение формы расходной характеристики сервоклапана по S-образной траектории. В результате модернизации удалось сократить простои оборудования на ремонт на 7 %, что подтверждает практическую эффективность и экономическую целесообразность предложенных решений. Разработанные алгоритмы и технические решения были апробированы на реальном оборудовании предприятия Челябинской области. Внедрение разработанной системы управления позволило повысить надежность работы гидрораспределителя на 5–7 %, исключить гидравлические удары и обеспечить точное позиционирование при времени открытия и закрытия до 1,5 с. Предложенное решение может быть успешно адаптировано для модернизации систем управления аналогичных гидравлических прессов и другого кузнечно-штамповочного оборудования с ручным управлением, продлевая их жизненный цикл.

Цель – обоснование возможности использования сигнала акустики для решения задачи коррекции режимов резания при токарной обработке. Объектом исследования является технологическое обеспечение шероховатости поверхности при обработке деталей типа тела вращения. В работе использовались планирование и организация эксперимента, спектральный и корреляционный анализы, методы оптимизации. Эксперименты проводились на токарном станке с числовым программным управлением. В качестве обрабатываемого материала использовались конструкционные стали марок Ст3 и сталь 45. Оценка состояния режущей пластины производилась с помощью электронного устройства измерения режущих инструментов. Запись вибраций производилась с помощью датчика акселерометра, обработка сигналов выполнялась с использованием разработанного авторами программного обеспечения. При проведении спектрального анализа выявлен частотный диапазон сигнала, который имеет наибольшую корреляционную связь с качеством поверхности (6 … 12 кГЦ). Проведенные исследования позволили получить зависимости для оценки шероховатости поверхности, которая формируется при чистовой обработке деталей типа вал из Ст3 и сталь 45. Установлено, что использование сигналов виброакустики позволяет производить коррекцию режимов резания на основе мониторинга износа режущей пластины. Так, величина мощности вибросигнала в диапазоне от 0,001 до 0,015 Дб соответствует зоне нормального изнашивания инструмента, в которой рекомендуется работать. Показано, что при превышении мощности значений 0,015 Дб наблюдается переход в зону катастрофического износа, что требует прекращения обработки режущим инструментом ввиду высокой вероятности получения брака. Предварительное тестирование на обработке партии деталей показало возможность повышения производительности на 15–20 % при отсутствии несоответствий по критерию шероховатости обработанной поверхности. Таким образом, использование сигналов виброакустики, записываемых в ходе обработки датчиком акселерометром, позволяет повысить эффективность изготовления деталей типа тел вращений на станках с числовым программным управлением и снизить внезапные отказы режущих пластин. 

Цель работы – разработка принципов объединения активных потребителей в коалиции в рамках интегрированной энергетической системы для обеспечения эффективного энергоснабжения; обоснование правил взаимодействия и создание прозрачного механизма дележа совместного выигрыша участников коалиции. Моделирование осуществлялось с использованием мультиагентных технологий, позволяющих эффективно описывать множество субъектов с разнонаправленными интересами. В наших исследованиях это централизованная система энергоснабжения, владеющая крупными источниками энергии, отдельные потребители энергии и активные потребители, имеющие собственные источники генерации. Модели реализованы на основе подходов теории некооперативных и кооперативных игр, определяющих действия участников на разных иерархических уровнях взаимодействия интегрированной энергетической системы. Особое внимание уделено принципам объединения активных потребителей в коалиции, а также подходам к распределению совместного выигрыша: использованы известные из теории кооперативных игр решения, такие как Пренуклеолус, Модиклус, вектор Шепли, Тау-вектор. Выполнена математическая постановка задачи взаимодействия внутри коалиции потребителей, реализующая принципы кооперативных стратегий участников. С использованием разработанной мультиагентной модели осуществлены эксперименты по взаимодействию активных потребителей в различных по составу коалициях. Для них реализованы решения кооперативной игры по распределению совместного выигрыша, найдены «наилучшие» с точки зрения системы критериев, определенных вкладом и заинтересованностью каждого участника. Показано, что в зависимости от конфигурации коалиции «наилучшие» решения могут быть различны. Так, если коалиция состоит из активных потребителей, существенно различающихся по объемам потребления и собственной генерации, то «наилучшим» решением будет дележ по принципу вектора Модиклус. Если все приблизительно равны, то лучше пользоваться Пренуклеолусом или Тау-вектором. Таким образом, на основании полученных результатов с помощью предложенного критерия определения «наилучшего» дележа выбрана наиболее эффективная организация взаимодействия активных потребителей в коалициях в рамках энергосистемы.

Целью настоящей работы является исследование эффективности различных методов управления электропотреблением домашних зарядных станций электромобилей для снижения максимумов мощности и сокращения объемов реконструкции распределительной сети при технологическом присоединении электрозарядной инфраструктуры. Исследование выполнено на примере распределительной сети 10 кВ, питающей более шести тыс. абонентов. Максимальные электрические нагрузки определены с помощью имитационного моделирования с учетом особенностей зарядного поведения владельцев электротранспорта, параметров зарядных станций и суточного профиля изменения нагрузки в распределительной сети. Для ограничения потребляемой мощности зарядных станций использованы метод отложенного заряда, а также одно- и двухуровневая система прямого управления электропотреблением. Для каждого метода управления электропотреблением выполнено моделирование профилей нагрузки зарядных станций электромобилей и распределительной сети. Показано, что широкое распространение электромобилей приводит к заметному росту (на 44 %) пиковой нагрузки в распределительной сети низкого и среднего напряжения, что создает риск перегрузки электросетевого оборудования и требует существенных инвестиций в реконструкцию и усиления электрической сети (порядка 70 млн руб.). Рассмотренные методы управления электропотреблением позволили снизить максимум мощности в распределительной сети на 13 % и обеспечить экономический эффект за счет снижения затрат на реконструкцию на сумму до 66,94 млн руб. Показано, что средний недозаряд электромобилей при использовании одно- и двухуровневой системы прямого управления электропотреблением составил всего 0,93–1,55 %. Таким образом, управление электропотреблением зарядных станций электромобилей позволяет значительно сократить затраты на усиление распределительной сети при незначительном влиянии на качество заряда электромобилей.

Цель – исследовать стадию пиролиза (полукоксования) угольной засыпки для получения брикетов, которые далее могут использоваться в виде твердого топлива или в качестве сырья для производства углеродистых материалов. Объектом исследований явился черемховский уголь (влажность – 10 %, выход летучих – 38,7 %, зольность – 30,2 %). Процесс пиролиза засыпок слабоспекающегося угля проводили в лабораторной муфельной печи при нагреве до температуры 300–400°С, после чего производилось прессование под давлением » 20 МПа. В работе использовалось численное моделирование кинетики термического разложения и теплопереноса. Показано, что полученные при 300–350°С брикеты имеют прочность » 95 %, в то время как при температурах выше 350°С брикеты рассыпаются на стадии прессования. Установлено, что прочность угольных брикетов в основном определяется тепловым состоянием засыпки, а именно: однородностью ее прогрева и степенью термического разложения по высоте слоя частиц. Для оценки однородности прогрева и разложения предложена упрощенная математическая модель, описывающая распространение теплоты и протекание двухстадийной эндотермической брутто-реакции (размягчение угля и превращение его в полукокс) в одномерном приближении. Сформулирован числовой критерий (коэффициент осцилляции), учитывающий неоднородность профиля конверсии по слою: при больших его значениях ожидаемая прочность брикета будет низкой. Проведенное качественное сравнение экспериментальных данных с оценками по разным критериям (однородность состояния массы засыпки, энергетические затраты) показало, что математическая модель достаточно хорошо описывает процесс термоподготовки угля. Таким образом, проведенные расчеты показывают, что значения температур, соответствующих наилучшей прочности брикетов на основе черемховского угля, ограничиваются областью температур в диапазоне 300–320°С при времени нагрева » 1 ч. Тепловые затраты на производство брикетов при этом составляют 2–3 МДж/кг угля.

Цель – разработка способа управления формой газокапельного факела при распылении водоугольных суспензий путем создания винтовой закрутки распыляющего агента в пневматической форсунке с внешним смешением. Объектом исследования являлись водоугольные суспензии, приготовленные из отходов обогащения каменного угля по двум технологиям: с кавитационной обработкой в роторном гидродинамическом генераторе и без нее. Эксперименты по распылению проведены на специализированном стенде с использованием пневматической форсунки, модернизированной за счет тангенциальной подачи воздуха в кольцевой канал для создания закрученного потока. Измерение размеров капель выполнялось методом интерферометрической визуализации частиц, регистрация скоростей – методом трассерной визуализации. Исследования проведены при расходах суспензии 100 и 200 г/с и избыточном давлении распыляющего агента 0,6 и 0,9 МПа. Установлено, что кавитационная обработка суспензии снижает динамическую вязкость при сдвиговых напряжениях более 50 с⁻¹ и увеличивает содержание частиц размером до 100 мкм на 10 %. При распылении обработанной суспензии средний размер капель составляет от 87,8 до 112,3 мкм, что на 29–42 % меньше по сравнению с необработанной. Показано, что при увеличении расхода суспензии со 100 до 200 г/с количество мелких капель снижается на 5–18 % в зависимости от давления, при этом возрастает доля крупных фракций. Скорость капель обработанной суспензии на 10–15 % выше, чем необработанной. Закрутка распыляющего агента увеличивает угол раскрытия факела с 21,1 до 25,8° при незначительном (на 18 %) увеличении среднего размера капель по сравнению с прямой подачей. Предложенная модификация форсунки позволяет управлять геометрией факела при сохранении приемлемого уровня дисперсности, а применение кавитационной обработки значительно улучшает реологические свойства суспензий и характеристики распыления, что важно для эффективного сжигания водоугольных топлив в энергетических установках.

Цель – провести обзор применения генеративно-состязательных нейронных сетей для решения задач управления и планирования режимов электроэнергетических систем с выявлением перспективных направлений применения и развития данных моделей. Рассмотрено около 50 российских и зарубежных работ, в каждой из которых были проанализированы преимущества и недостатки предложенных решений, перспективные направления их развития. Также в ходе вычислительного эксперимента библиотеки методов машинного обучения PyTorch в работе реализована и протестирована модель генеративно-состязательной нейронной сети для получения случайных суточных почасовых графиков выработки мощности солнечными электростанциями. Анализ литературных источников выявил два основных направления применения генеративных искусственных нейронных сетей при управлении режимами энергосистем. Чаще всего с помощью таких моделей предлагается генерировать сценарии выдаваемой мощности возобновляемыми источниками энергии, а также мощности нагрузок в узлах энергосистем для задач планирования развития, прогнозирования, анализа надежности. Также показано, что генеративные сети с входным условием применяются в качестве вероятностных моделей объектов для анализа значимости влияющих факторов. В ходе проведенного вычислительного эксперимента модель генеративной сети позволила получать случайные суточные графики выдаваемой мощности солнечных электростанций, которые по вероятностным метрикам неотличимы от реальных. Показано, что основными сложностями при работе с такими моделями являются нестабильное обучение, а также сложность применения одной модели для одновременной генерации большого количества данных. Таким образом, в проведенном обзоре рассмотрены примеры применения генеративно-состязательных нейронных сетей, а также разобраны конкретные алгоритмы обучения и их применения. Решение выявленной проблемы, а также обучение генеративных сетей для решения вспомогательных задач при оптимизации режимов – это наиболее перспективные направления для дальнейших исследований.

Цель – обоснование энергоэффективности комбинированного применения систем ручного дискретного позиционирования фотоэлектрических модулей и плоских отражающих систем для солнечных электростанций микро- и малой мощности, эксплуатируемых на изолированных территориях Севера. Работа базируется на методологии планирования натурного эксперимента и сравнительном анализе выходных характеристик исследуемых фотоэлектрических модулей. Исследования проведены в центральной части Якутии с применением научно-лабораторного стенда, оснащенного плоской отражательной системой, метеостанцией, регистраторами и средствами тепловизионного контроля. Предложен способ повышения выработки электроэнергии, заключающийся в ежечасной ручной коррекции азимутальных (от +90 до –90°) и зенитных (от 15° до 55°) углов жестко связанного блока «фотоэлектрический модуль – отражатель». Установлено, что данный регламент обеспечивает прирост среднесуточной генерации на 41,82 %, а прогнозируемой среднегодовой – на 30,88 % относительно стационарного размещения модулей. Выявлен побочный эффект нагрева поверхности фотоэлементов на 12–13 %, приводящий к росту тепловых потерь на 23,63 %, что обосновывает необходимость интеграции систем охлаждения в регионах с высокой инсоляцией. Доказана оптимальность 60-минутного шага регулирования как рационального компромисса между энергоэффективностью и трудозатратами потребителя. Выявлена широтная дифференциация эффективности метода: от адаптации фотоэлектрических модулей к низким углам Солнца в арктических районах (выше 66° с.ш.) до максимизации пиковой мощности в Южной Якутии. В ходе проведенных исследований подтверждена целесообразность внедрения дискретного позиционирования для повышения коэффициента использования установленной мощности солнечной электростанции в высоких широтах. Предложенный подход, дополненный системами накопления энергии, обеспечивает высокую энергетическую автономность удаленных потребителей без капитальных затрат на сложную автоматику, уязвимую в условиях экстремально низких температур воздуха на территории Севера и Арктики.

Цель исследования – провести детальный анализ механизма процесса сорбции лития из природного гидроминерального сырья. Объектом исследования явился многокомпонентный хлоридно-кальциевый природный рассол с концентрацией лития 0,24 г/дм³. Для извлечения лития использовали синтезированный гранулированный сорбент на основе слоистого двойного гидроксида алюминия-лития в статических условиях при температуре 25°C. Кинетические данные были обработаны с использованием моделей псевдопервого и псевдовторого порядка, модели Еловича, а также диффузионных моделей Бойда и Вебера–Морриса. Для объективной оценки применимости кинетических моделей применяли как традиционный метод линеаризации, так и строгий нелинейный регрессионный анализ. Статическая обменная емкость сорбента была экспериментально определена и составила 5,5 мг/г. Анализ кинетической кривой методом линеаризации по моделям псевдопервого, псевдовторого порядка и Еловича показал, что сорбция лития лучше всего описывается моделью псевдовторого порядка (коэффициент детерминации R² составил 0,9966) и моделью Еловича (R² = 0,9847). Результаты более строгого нелинейного регрессионного анализа с последующим сравнением моделей Еловича, псевдопервого и псевдовторого порядка показали, что наилучшим образом сорбция лития на изучаемый сорбент описывается моделью Еловича. Проведенный диффузионный анализ механизма процесса сорбции выявил его двухстадиальность. Результаты модели Вебера–Морриса с двумя линейными участками (R² > 0,98) наглядно продемонстрировали смену лимитирующей стадии: короткая по времени начальная стадия сменяется более длительной по времени конечной стадией. Модель Бойда (линейная зависимость, R² = 0,9751) показала, что процесс не лимитируется исключительно внутренней диффузией. Полученные результаты позволяют заключить, что сорбция лития на сорбент на основе слоистого двойного гидроксида алюминия-лития имеет сложный механизм, в котором определяющую роль играет хемосорбция на гетерогенной поверхности, а внутричастичная диффузия вносит существенный вклад, особенно на поздних стадиях процесса.

Цель – термодинамическая оценка одновременного выщелачивания Au и U из комплексных окисленных золотоурановых руд сернокислыми тиоцианатными растворами при различных температурах, а также выявление физико-химических условий для последующего растворения пассивирующих пленок тиоцианата золота (I). Расчеты изменений энергий Гиббса реакций выщелачивания золота выполнены методом термодинамических циклов растворения и комплексообразования в интервале 298–358 К с применением констант устойчивости дитиоцианатоаурата золота (I) [Au(SCN)₂]^– тетратиоцианатоаурата золота (III) [Au(SCN)₄]^–, простого тиоцианата золота (I) AuSCN, а также всех координационных форм тиоцианатов Fe(III). Оценка поведения системы U(IV) и U(VI) рассчитана классическим методом по разности стандартных энергий образования Гиббса соединений и ионов при температуре 298 К. Термодинамическими расчетами доказано, что при тиоцианатном выщелачивании золото переходит в раствор преимущественно в виде термодинамически стабильного комплекса [Au(SCN)₄]^– . Показано, что комплексообразование, при котором золото окисляется, характеризуется наибольшей движущей силой при участии свободных ионов Fe(III) и монокомплекса [FeSCN]²⁺. Установлено, что при температуре выше 303–305 К происходит пассивация золота с образованием AuSCN. Термодинамически обоснован механизм растворения AuSCN за счет поддержания избытка SCN^–-ионов. При анализе урансодержащей системы установлено, что введение окислителя – ионов Fe(III) – повышает вероятность выщелачивания упорного UO₂ (изменение энергии Гиббса составляет –105,5 кДж). Термодинамическими расчетами доказано, что в условиях сернокислотно-тиоцианатного выщелачивания уран в растворе преобладает в форме уранил-сульфатов. Таким образом, в сернокислотно-тиоцианатной системе золото переходит в устойчивые комплексы [Au(SCN)₂]^– и [Au(SCN)₄]^–, а тиоцианат не расходуется на связывание с ураном. При этом образующиеся пленки AuSCN растворяются за счет избытка свободных SCN^–, ионов Fe(III) и тиоцианатов железа. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования лабораторных исследований по совместному сульфатно-тиоцианатному выщелачиванию золота и урана.