Цель работы – исследование технологии обработки отверстий, выполненных с помощью автоматизированной сверлильной машины, при сборке крупногабаритной конструкции со смешанными пакетами (полимерный композиционный материал + металл) на модульном оборудовании. Для исследования процесса обработки отверстий в крупногабаритной конструкции при сборке на модульном оборудовании был собран образец кессона габаритами 17765х3050х438 мм, имитирующий кессон крыла гражданского самолета – тестовый кессон. Используемое модульное оборудование обеспечивает достижение точности геометрического положения выполняемых отверстий 0,5 мм. Для обработки отверстий с помощью автоматизированной сверлильной машины была составлена карта обработки отверстий. В карте обработки отверстий отражены ключевые параметры отверстий, такие как диаметр отверстия, точность отверстия, координаты положения центра отверстия, направление оси отверстия, слои в пакете. Для привязки автоматизированной сверлильной машины к крупногабаритной конструкции карту обработки отверстий необходимо делить на зоны, а в случае длинномерных деталей – на подзоны. Выявлено, что технология обработки отверстий на автоматизированных сверлильных машинах с числовым программным управлением с помощью комбинированного инструмента позволяет обрабатывать отверстия окончательного диаметра за один-два перехода в крупногабаритных конструкциях со смешанными пакетами, обеспечивая точность геометрического положения рассверливаемого отверстия 0,5 мм. На основании полученных результатов по исследованию обработки отверстий в крупногабаритной конструкции выявлено, что для достижения точности геометрического положения выполняемых отверстий 0,5 мм длинномерные детали необходимо делить на подзоны длиной не более 1 м для автоматизированной обработки отверстий. Определен габаритный размер длины зоны привязки для автоматизированной сверлильной машины. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации технологических процессов при обработке отверстий в крупногабаритных конструкциях в авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности.

Цель – исследование влияния разрешения сетки сканирования на точность и время измерений деталей двойной кривизны. В качестве объекта исследования была выбрана типовая авиационная деталь «База люка», имеющая двойную кривизну и повторяющая внешние обводы самолета. Исследования проводились с применением портативного сканера Scantech KSCAN MagicI, позволяющего получать информацию о геометрии изделия без привязки к жесткой базе за счет использования позиционных меток. Сканер имеет линейную точность 0,020 мм, повторяемость 0,010 мм, объемную точность 0,015 мм + 0,030 мм/м – отклонение, которое накапливается с увеличением размера сканируемого объекта; разрешение 0,010 мм. Геометрический контроль детали выполнялся посредством измерений как на внешней, так и на внутренней поверхности. Анализ геометрии проводился на основе кривой, построенной вдоль поверхности детали и по заданным типовым элементам – центрам отверстий. Для построения указанных кривых определялись точки пересечения оси каждого отверстия с поверхностью детали как на контрольной модели, так и на полученном при сканировании изображении. Показано, что увеличение разрешения от 0,1 мм до 0,025 мм приводит к значительному увеличению времени сканирования, тем самым снижая производительность процесса контроля геометрии детали почти в 4 раза. При этом точность сканирования не повышается. Для повышения точности измерения на наиболее ответственных участках, таких как отверстия или зоны со сложной геометрией, рекомендуется применять комбинированный метод контроля – сканирование с локальным повышением разрешения на вогнутых и ответственных поверхностях. Установлено, что сканирование с разрешением сетки 0,1 мм является наиболее рациональным выбором для условий реального производства как обеспечивающее приемлемую точность при минимальных временных затратах. Внедрение подобных технологий позволит сократить продолжительность операций технического контроля, сохранив при этом требуемый уровень качества изготавливаемых деталей.

Целью данного исследования является оптимизация режимов точения сплавов системы Ti-Nb-Zr для минимизации шероховатости поверхности. Объектом исследования служили заготовки из двух ультрамелкозернистых титановых сплавов с номерами плавок 92 и 94 системы Ti-Nb-Zr. Для повышения механических свойств за счет получения УМЗ-структуры в заготовках использовался метод ABC-прессования с последующей ручьевой прокаткой. Планирование эксперимента было проведено с использованием метода ортогональных матриц Г. Тагучи, что позволило ранжировать параметры технологического процесса точения по степени их влияния на выходную характеристику процесса. В ходе эксперимента определены оптимальные значения режимов точения для достижения минимальной величины шероховатости поверхности ультрамелкозернистых титановых сплавов. Установлено, что наименьшее значение шероховатости поверхности достигается при скорости резания 60 м/мин и подаче 0,07 мм/об для сплава 94, содержащем в качестве легирующих элементов олово и тантал, а также скорости резания 30 м/мин и подаче 0,07 мм/об для сплава 92 без содержания олова и тантала, при этом максимальное влияние на шероховатость оказывает скорость резания. Для образцов с наименьшей шероховатостью поверхности определены значения микротвердости поверхностного слоя: для сплава 92 – среднее значение микротвердости HV0,05 составило 321 HV, для сплава 94 – 252 HV. Микротвердость сплава 92, не содержащего олова и тантала, увеличилась на 14,6% в сравнении с первоначальным значением 280 HV. Таким образом, сочетания режимов точения, установленные в ходе исследования, можно назвать оптимальными для достижения минимальной шероховатости поверхности сплавов 92 и 94 системы Ti-Nb-Zr. Оптимальные режимы точения применены при изготовлении имплантов для остеоинтеграционного протезирования. В будущем планируется проведение исследования по определению оптимальной комбинации технологических параметров процесса резьбонарезания при изготовлении биомедицинских имплантатов из сплавов системы Ti-Nb-Zr.

Цель – повышение эффективности процесса свободного резания металлов за счет максимизации работоспособности режущего инструмента путем выбора режимов резания в зависимости от его запаса прочности. В работе использовали метод конечных элементов со специальной моделью Джонсона–Кука и алгоритмом локальной адаптации сетки срезаемого слоя Arbitrary Lagrangian-Eulerian для моделирования процесса резания и выявления распределения напряженного состояния в инструменте. В качестве материала инструмента принят твердый сплав ВК8, заготовки – сталь 45. Также были изучены алюминиевый и титановый сплавы 6061Т-6, Ti-6Al-4V – в качестве материалов заготовки. Адекватность модели подтверждена соответствием полученных распределений напряжений «растяжение–сжатие» в инструменте, наблюдаемых в виде линий изохром при резании свинца резцом из эпоксидного материала. Установлено влияние на прочность режущего инструмента режимов резания, механических свойств материалов заготовок и геометрии режущей кромки инструмента. Выявлено, что при увеличении глубины резания от 0,2 до 1,4 мм максимальное главное напряжение σ1макс линейно возрастает в 2,05 раза, а прочность режущего зуба инструмента, соответственно, уменьшается. При глубине резания 1,4 мм максимальное главное напряжение σ1макс достигает 780 МПа, и режущий инструмент разрушается. Показано, что влияние скорости резания изменяется по экспоненте. С ростом переднего угла прочность режущего инструмента уменьшается. Так, при обработке инструментом с передним углом, равным 20° (при σ1макс = 760 МПа), он теряет способность резания. Установлено, что запас прочности у инструмента при обработке материала из алюминиевого сплава 6061Т-6 в 3,1 раза больше, чем при свободном резании заготовки из стали 45. На основе расчетной модели и результатов анализа взаимосвязи прочности режущего инструмента с технологическими факторами предложена методика назначения режимов свободного резания с учетом его запаса прочности.

Целью настоящего исследования является проверка математических моделей, численных методов и комплекса программ для подтверждения их адекватности и возможности применения в оценке долговечности реальных рабочих колес турбомашин. Анализ прочностных характеристик высоконагруженных элементов роторов турбомашин с учетом расстройки параметров является одной из актуальных и ключевых задач в энергетическом и транспортном двигателестроении. Основным методом изучения данных характеристик является метод конечных элементов в трехмерной постановке. Дополнительно в работе используются теории упругости и колебаний, механика деформируемого твердого тела, методы суммирования повреждений и гипотезы накопления усталостных напряжений. Применены матричные вычисления, численное интегрирование и методы решения алгебраических систем уравнений. В данной работе представлен анализ долговечности модели рабочего колеса паровой турбины с использованием трехмерных конечных элементов TET10 в коммерческом программном комплексе ANSYS WORKBENCH с применением авторских программ. Полученные численные результаты в рамках созданных конечноэлементных моделей для всех видов расстройки сопоставлены с экспериментом, аналитическим решением и расчетными данными в программе ABAQUS с учетом геометрической расстройки. Это позволяет расширить их применение с модельных конструкций паровых турбин на реальные промышленные изделия. В результате вычислительного эксперимента получены новые научные результаты по верификации авторского программного обеспечения и интерфейса, связывающего эти программы с известными коммерческими пакетами, при анализе ресурса модели паровой турбины с расстройкой геометрических параметров. Практическая значимость работы заключается в возможности применения данного подхода к оценке долговечности реальных конструкций осевых и радиальных турбомашин при их проектировании и доводке, что существенно сокращает временные и финансовые затраты для создания новых компрессоров и турбин.

Цель – рассмотреть механизмы образования дефектов пенополиуретановой изоляции, используемой в трубопроводах, в частности, для энергетики и централизованного теплоснабжения. Объектом исследования является пенополиуретановая изоляция, находящаяся между сталью и полиэтиленом. Численный термомеханический анализ был проведен с использованием программного обеспечения ANSYS на П-образном участке трубы с пенополиуретановой изоляцией для моделирования условий эксплуатации при температуре теплоносителя 130°C с различной температурой окружающей среды от -20 до +20°C с шагом в 5°C. Рассмотрены различные причины возникновения дефектов в изоляции, включая технологические факторы при производстве (например, неравномерное нанесение, неправильная температура вспенивания, загрязнение влагой), механические нагрузки (удары, вибрации) и термические напряжения. Описан процесс разрушения пенополиуретана, включающий конденсацию, коррозию и химический распад. В ходе проведенных исследований установлено, что значительные концентрации напряжений возникают в местах поворота труб с пенополиуретановой изоляцией. Показано, что максимальное напряжение фон Мизеса составляет 0,45678 МПа при температуре окружающей среды -20°C (с разницей температуры теплоносителя и окружающей среды 150°C). Это близко к пределу прочности пенополиуретана, что при циклических процессах сжатия и расширения может привести к возникновению дефектов с последующей деградацией изоляционного слоя. Таким образом, показано, что термические нагрузки, наряду с дефектами производства и механическими воздействиями, являются основными причинами возникновения дефектов в пенополиуретановой изоляции (таких как трещины, расслоения, усталости), которые нарушают структурную целостность и тепловые характеристики труб с полиуретановой изоляцией.

Цель работы состоит в численном исследовании стохастической модификации задачи Франка-Каменецкого о развитии экзотермической реакции в плоскопараллельном слое со случайными флуктуациями температуры на внешней границе. Изменение температуры задается случайным процессом (броуновским движением). Такая задача может моделировать поведение некоторых типов химических реакторов, например, при их работе в условиях неуправляемых внешних воздействий. Важное отличие рассмотренной постановки от детерминированной заключается в том, что наличие шума допускает достижение критических условий при любых начальных условиях. Методы, используемые в работе, включают математическую теорию случайных процессов, а также численные методы решения стохастических дифференциальных уравнений. С помощью известных результатов теории случайных процессов оценены условия достижения зажигания в квазистационарном приближении (т.е. когда скорость тепловой релаксации намного выше скорости изменения температуры). Показано, что в такой постановке можно получить приближенную зависимость между параметрами случайного блуждания и динамическими характеристиками зажигания (ожидаемым временем достижения условий теплового взрыва). Кроме этого, уравнение нестационарного теплопереноса в реагирующей среде решается численно для большого количества случайных траекторий температуры на границе области. Для этого используется комбинированная схема с явной аппроксимацией нелинейного источника и неявной аппроксимацией температурного поля. Сравнение двух подходов показало, что основные закономерности нестационарного развития теплового взрыва в стохастической среде могут быть с хорошей точностью приближены зависимостями, которые получаются из решения квазистационарной задачи с учетом небольшой корректировки для критической температуры (отвечающей границе устойчивости для стационарной задачи). Получены распределения характеристик зажигания (температуры зажигания, максимальной температуры окружающей среды, времени зажигания) при разных значениях реакционной способности и интенсивности шума.

Цель – оценка возможности использования высших гармоник фазных напряжений в качестве средства для выявления однофазных замыканий на ранних стадиях их развития. В работе проведено исследование осциллограмм аварийных событий в распределительных сетях среднего напряжения Калининградской области. Осциллограммы получены с помощью автоматических пунктов секционирования воздушных линий (реклоузеров) за период с 2018 по 2023 г. Более чем из 2000 записанных осциллограмм были отобраны осциллограммы фазных напряжений, соответствующие постепенному развитию однофазного замыкания на землю. Данные осциллограммы были подвергнуты гармоническому анализу по алгоритму быстрого преобразования Фурье. На основе результатов анализа впервые показано, что устойчивый рост коэффициента третьей гармоники напряжения начинается за несколько периодов промышленной частоты до возникновения однофазного замыкания на землю. В ходе исследований выявлено, что уже за 200 мс до момента возникновения повреждения более чем в половине случаев происходит превышение коэффициентом третьей гармоники фазного напряжения значения, допустимого по стандарту качества электроэнергии. Начиная с 110 мс количество таких превышений достигает 75%. Выявленная закономерность может быть использована при совершенствовании защит от однофазных замыканий на землю и систем автоматического восстановления сети. Повышение третьей гармоники фазного напряжения может служить одним из ранних признаков формирования однофазного повреждения изоляции электросетевого оборудования и использоваться для превентивного запуска алгоритмов расчета локализации поврежденных участков сети в рамках построения адаптивных защит от однофазных замыканий на землю.

Цель исследований заключалась в разработке цифровых моделей, позволяющих корректно определять параметры режимов работы электрических сетей, примыкающих к тяговым подстанциям, при сложных повреждениях. Для достижения поставленной цели использовался подход, основанный на мультифазном представлении элементов электроэнергетических систем в фазных координатах и реализованный в программном комплексе Fazonord AC–DC. Были рассмотрены следующие виды сложных повреждений: обрыв провода с падением его на грунт, соединение двух фаз с землей в разных точках линии электропередачи, подключенной к трансформатору с изолированной нейтралью, и два одновременных коротких замыкания в сети. Результаты моделирования подтвердили необходимость корректного учета тяговой сети при определении режимов сложных повреждений. Для сравнения были выполнены аналогичные расчеты при ее отсутствии. Для режима обрыва провода и соединения его с грунтом отличия между результатами расчетов с учетом тяговой сети и при ее отключении составили 11%. В ситуации двойного замыкания на землю различие по токам линий электропередач достигало 13%. При одновременных коротких замыканиях в сети с изолированной нейтралью аналогичный параметр равнялся 22%. Разработаны цифровые модели электроэнергетических систем, которые позволяют корректно определять параметры режима при сложных повреждениях с учетом влияния тяговой сети. Их применение при проектировании и эксплуатации высоковольтных электрических сетей позволит осуществлять точную настройку устройств релейной защиты и автоматики, что приведет, в свою очередь, к снижению ущербов от аварий и сокращению времени перерывов в электроснабжении потребителей электроэнергии.

Цель – разработка однокритериальной математической модели выбора оптимальных мест строительства ветровых и солнечных электростанций в составе электроэнергетической системы с учетом нестабильности их генерации и экономической эффективности. В качестве целевых функций рассмотрены максимизация суммарной выработки электрической энергии, минимизация суммарной скорости изменения мощности, минимизация суммарного приращения мощности и максимизация базисной мощности при ограничениях на установленную мощность и число единиц оборудования на площадках. Тестовая система для апробации модели включала шесть возможных площадок под ветровые электростанции и две площадки под солнечные электростанции суммарной установленной мощностью 600 МВт. Разработан алгоритм, объединяющий моделирование суточных графиков мощности одной ветроэнергетической установки и группы фотоэлектрических модулей для набора потенциальных площадок с различной орографией и продолжительностью светового дня. Далее была проведена оптимизация распределения установленной мощности между площадками. Апробация модели на тестовой системе показала, что выбор целевой функции существенно изменяет конфигурацию оптимальной системы и распределение мощности между площадками. Переход от критерия максимальной выработки электрической энергии к критериям, связанным с динамикой мощности, снижает выработку на 6-7%, но позволяет уменьшить суммарную скорость изменения мощности и суммарное приращение мощности до 19–39%, а также увеличить базисную мощность до 38%. Предложенный алгоритм оптимизации позволяет систематизировать принятие решений при выборе конфигурации систем возобновляемых источников с наименьшей внутренней волатильностью генерации. Рекомендации по выбору целевой функции зависят от характеристик маневренности конкретной энергосистемы и могут использоваться на ранних этапах планирования строительства объектов возобновляемой энергетики.

Цель – разработка технологии регенерации цианида и осаждения меди из медноцианистых растворов с использованием процесса сульфатредукции. Для исследований использовали смесь штаммов анаэробных сульфатредуцирующих бактерий Desulfonatronum zhilinae, Desulfonatronum cooperativum, Desulfonatronobacter acetoxidans, полученных в институте микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (Москва). Сульфатредукция проводилась при температурах 20–40°С при pH>9,5. В качестве донора электронов использовали этанол, в качестве акцептора – сульфат-ионы. Для определения лимитирующего субстрата (этанола или сульфата) и оптимальных концентраций акцептора и донора электронов использовали математическую модель роста микроорганизмов – уравнение Моно. Результаты расчетов указывают на конкуренцию между субстратами за право лимитировать процесс. Так, при концентрациях <0,3 г/дм3 сульфат является лимитирующим субстратом. А при концентрациях сульфата 0,5–1,0 г/дм3 и этанола 0,1–0,3 г/дм3 лимитирующий субстрат – этанол. Определена точка колимитирования процесса, в которой концентрации сульфата и этанола составляют 0,8 и 0,3 г/дм3 соответственно. Для определения гидравлического времени удерживания жидкой фазы в биореакторе применяли уравнение Моно с учетом ингибирования сероводородом. Определено, что наличие 0,1–0,5 г/дм3 сероводорода в бактериальном растворе приводит к снижению скорости роста бактерий на 27–65%. Гидравлическое время удерживания жидкой фазы в биореакторе в точке ко-лимитирования с учетом ингибирования процесса сероводородом должно составлять около 90 ч. Лабораторные тесты показали, что выбранного расчетным путем гидравлического времени удерживания достаточно для получения 0,25–0,27 г/дм3 сероводорода для осаждения 99% меди и регенерации более 99% цианида. Полученные медные осадки содержали медь и серу – 65 и 35% соответственно. Таким образом, исследуемые микроорганизмы позволяют получать сероводород непосредственно в медноцианидных растворах с различной концентрацией меди, что позволит исключить из технологической цепочки биореактор и все вспомогательные коммуникации для транспортировки сероводорода.

Цель – исследовать теплофизические свойства брикетов как альтернативы обожженным железорудным окатышам для формирования искусственной донной постели на конвейерных обжиговых машинах. Методология включала физическое моделирование сушки (продувка теплоносителем 150/300°C), дилатометрический анализ, измерение температурных профилей в брикетах, а также математическое моделирование в ПО TOREX Sensible Indurating Machine. Брикеты изготавливались из концентрата окисленных железистых кварцитов с органическими и неорганическими связующими (цемент, бентонит) при давлении 15 т (цилиндры Ø35×35 мм). Установлено, что переувлажнение при сушке не снижает прочность брикетов (70,1 даН/брикет) благодаря низкой пористости (10% против 30% у окатышей), ограничивающей водопоглощение. Показано, что сушка брикетов протекает на 30–40% медленнее, что обусловлено уменьшенной удельной поверхностью и сниженной проницаемостью по сравнению с железорудными окатышами и требует корректировки режимов нагрева. Коэффициент теплопроводности составил 0,12 Вт/(м·К). Показано, что при обжиге спекание происходит исключительно в поверхностных слоях (глубина 2-3 мм), так как внутренние зоны не достигают температурного порога спекания (>1000°C) из-за низкой теплопроводности материала. Целостность брикета обеспечивается прочностью обожженной корки и термостойкостью связующего в ядре. Математическое моделирование для конвейерной обжиговой машины № 3 АО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» показало, что замена стандартной постели, представляющей собой обожженные окатыши с температурой 80°C, на брикеты с температурой 15°C увеличивает производительность данной машины на 25% (до 583 даН/окатыш) и снижает удельный расход природного газа при обжиге окатышей на 8,3% (до 8,8 м³/т) при сохранении качества основной продукции – показателя прочности. Полученные результаты подтверждают принципиальную возможность промышленного применения брикетов всех испытанных составов в качестве искусственной донной постели конвейерной обжиговой машины, демонстрируя их ключевое теплофизическое преимущество – снижение те- плопотерь в зоне колосников.