CC BY
35
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
Поскольку, как показали эксперименты, частицы износа имеют металлическую природу, возникает вопрос, почему эти частицы вызывают нарушение контактирования. Здесь возможны следующие причины:
Если считать, что нарушение контакта происходит за счет мгновенного отрыва упругого скользящего контакта от резистивной проволоки в момент его перескакивания через частицу износа (что возможно только при малой жесткости пружинного контакта и при малых контактных давлениях), то в данном случае частицы эти могут быть как токопроводящими, так и изоляционными.
Если при нарушении контактирования не происходит мгновенного отрыва контакта от резистив-ной проволоки и от самой частицы, то в этом случае нарушение контакта возможно, если частицы износа обладают большим электросопротивлением.
Можно предположить, что частицы износа, отделившись от основного материала, обладают уже другими свойствами (нетокопроводность).
Вполне вероятно, что диспергированные частицы покрываются слоем окислов, так как условия для этого благоприятны: происходит сильная деформация частиц в процессе трения, что приводит к их повышенному окислению (фрикционное окисление) [5]. А поскольку частицы эти мелкодисперсные, они имеют низкую электропроводимость и при малых контактных давлениях приводят к нарушению контакта. Наличие окисных пленок на продуктах износа подтверждается рентгеноспектральным микроанализом, то есть более высоким процентным
содержанием кислорода в частицах, чем в основном материале проволоки.
Заключение
Любая частица металла, полученная за счет его износа, может стать абразивной, особенно если она затвердела за счет наклепа или окислилась. Окисление же может сделать частицы более твердыми и абразивными и увеличить износ.
На основании выше изложенного, можно сделать следующие выводы и практические рекомендации:
Налет на рабочих дорожках потенциометров содержит мельчайшие металлические частицы материала обмотки и контакта, которые являются одной из основных причин мгновенных потерь контакта на потенциометрах. Для борьбы со скоплением частиц износа на контактной дорожке следует: а) выдерживать определенный зазор между витками резистивной проволоки, в который будут проваливаться частицы износа; б) изготавливать каркасы с определенным радиусом закругления рабочей поверхности с целью предотвращения их накопления в межвитковом пространстве.
Для каждой конкретной контактной пары существует оптимальное контактное давление, при котором износ минимален, а потенциометр обладает максимальной надежностью по контактированию в течение определенного времени.
Для повышения надежности потенциометров можно применить метод резервирования, то есть применить две электрические запараллеленные контактные пружины. При этом вероятность того, что, по крайней мере, одна из пружин не потеряет контакта, будет существенно повышена.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Т. Белевцев «Потенциометры». М.: Машиностроение. 1968.
2. ОСТ В 25 21-86 «Потенциометры прецизионные проволочные. Общие технические условия» с дополнениями и уточнениями, изложенными в ОСТ В 25 26-87.
3. Кочегаров И.И. Методы контроля дисперсности порошков / Кочегаров И.И., Трусов В.А., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 475-477.
4. В.Г. Недорезов, А.И. Цыганков «Особенности контроля микроструктур методами электронной микроскопии»: Статья. - Труды международного симпозиума «Надежность и качество». Том 2. 2014.
5. Е.А. Кузнецов «О причинах устойчивого нарушения контакта потенциометров»: Статья. - Авиационная промышленность, №2. 19 65.
6. Стюхин В.В. САПР в расчёте и оценке показателей надёжности радиотехнических систем / Стюхин В.В., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 287-289.
7. И.В. Крагельский «Трение и износ». М.: Машгиз. 1962.
УДК 615.035.4 Цуриков С.А.
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ КОМПЛЕКСОВ МОНИТОРИНГА ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНОЙ ОБСТАНОВКИ
В современном мире загруженность автомобильных дорог растет с огромной скоростью. Растет и число ДТП ввиду загруженности магистралей, плохих погодных условий, несвоевременного ухода за дорожным покрытием. За рубежом для снижения вероятности ДТП и аварийности в городе применяются комплексы систем оценки дорожной обстановки. В России данные программы находятся в стадии разработки.
В Финляндии применяются системы фирмы VAISALA. Используются дистанционные датчики состояния дорожного покрытия, датчики текущей погоды, датчик видимости.
Все эти устройства используют для питания от промышленной сети переменного тока, который преобразуется с помощью блоков питания в постоянный ток нужной величины. Например, у датчика видимости PWD 10/20/50 максимальное значение потребляемой мощности 3Вт, 15-20В постоянного тока; для дополнительных нагревателей колпака требуется дополнительно 65Вт [1].У датчика текущей погоды PWD 12 потребляемая мощность составляет 6Вт, 12-50 В постоянного тока[2]. Для дистанционного датчика состояния дорожного покрытия DSC 111 необходимо напряжение питание значением 9-30В, максимальный ток при этом составляет 0,25 А , средняя потребляемая мощность 1,2-1,9Вт [3].
Нами предлагается использовать альтернативные источники электроэнергии для датчиковой аппаратуры. В данном случае - это кинетическая энергия вибрации дорожного полотна. Для преобразования кинетической энергии в электрическую можно использовать электромагнитные, электростатические и пьезоэлектрические преобразователи.
Магнитоэлектрические преобразователи состоят из магнитов и катушек (рисунок 1). Магнитное тело под действием внешней кинетической энергии перемещается, магнитное поле проходящее через катушку изменяется и в катушке наводится эдс взаимоиндукции.
Электромагнитный преобразователь впервые полностью изготовили по МЭМС-технологии ученые школы электроники и компьютерной техники Университета Саутгемптон (Великобритания) а и отделения микросистем Университета Фрайбурга (Германия). Электромагнитный микропреобразователь генерировал мощность 4 6мкВт (или ~30% колебательной энергии внешней среды) при его объеме всего 0,1см3. Преобразователь содержит четыре магнита, укрепленных на подвижной консоли, которая перемещается в катушке индуктивности (ускорение 0,59 м/с при резонансной частоте 52Гц)[4].
В основе электростатического (емкостного) метода преобразования энергии лежит эффект изменения емкости МЭМС-конденсатора в результате изменения расстояния между его обкладками под действием вибрации. Основное достоинство таких источников энергии - совместимость с технологией изготовления микросхем.
резонатор ■ магниты
ij.üm
.! тт
корпус
м
fmii
,, ÍÍJHIN ,, ♦-P
jflUI
Рисунок 1 - Микроколебательный генератор
постоянный магнит
инертная массса
пружинньш подвес
_'
- I
* i L
р х и
1. 4 ХЯ
t i \Т JL X*
Ч
катушка
сигнала. При колебании электрета массой менее 2 г на частоте 50 Гц выходное напряжение системы LETI составило 3 В, выходная мощность - ~10 мкВт/г сейсмической массы. Эффективность преобразования кинетической энергии в электрическую составила 60%. Таким образом, выходная мощность зависит в первую очередь не от преобразователя, а от вводимой кинетической энергии. Вот почему самый крупный элемент системы, на долю которого приходится 80% ее массы, - не преобразователь, а сейсмическая масса, требуемая для подачи на него большой кинетической энергии [4].
Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электрического поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и поэтому изменяется электрический момент кристалла. Это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте [5].
Рисунок
МЭМС ПЭ-преобразователь энергии МТИ
MIDEV21BL
Рисунок 2 - Структура вибрационного электромагнитного генератора
Специалистами LETI (Лаборатория электронной и информационной технологии Комитета по атомной и альтернативной энергии Франции) был предложен электростатический МЭМС-генератор, способный извлекать электрическую энергию из колебаний как малой, так и большой амплитуды. Для получения максимально возможной выходной мощности необходимо обеспечить оптимальный заряд конденсатора, позволяющего согласовывать механическое сопротивление источника колебаний и вход преобразователя. Поэтому в качестве диэлектрика использован разработанный в лаборатории электрет (полимер с фиксированным статическим зарядом) на основе оксида кремния, способный длительно сохранять свой заряд даже при размере электродов конденсатора менее 20 мкм. При изменении положения электрета по отношению к электродам изменяется и распределение электронов, и если к конденсатору присоединена нагрузка, перемещение электрета приведет к появлению электрического
± ^НИОП .
25 В
т
4,7 ЫКФ
:6В
PZ1 PZ2
ш/
jW LTOBH
IJ\IJ PG00D
V DO, DI
Г
ЮмкГн
I
-V,
su«
2 Выбор -¿ выходного напряжения
4 мкФ
]_6В
7
Рисунок 5 - Источник питания на основе ПЭ-преобразователя MIDE V21BL.
В таблице 1 представлены основные параметры электромеханических преобразователей.
Пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением: k=Wэ/W0=Wм/W0, где W0 - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнето-ва соль или пьезокерамика, он может достигать 50 ...90% [6].
Таблица 1
Виды преобразователей энергии ^вых, В Рвых, мВт Частотный диапазон, Гц Температурный диапазон, °С
Электромагнитные преобразователи
PMG 17 2 - 10 1 50 - 100 -4 0...85
PMG 37 2 - 10 90 30 - 60 -4 0...85
Электростатические преобразователи
LETI VEH 1,85 0,2 14 - 155
Пьезоэлектрические преобразователи
MIDE V21 BL до 4 (с одним слоем пьезоэлектрика) до 100 45 - 155 -40.90
T22 6-H4-503 до 18 8,8 До 100
Пьезоэлектрические (ПЭ) преобразователи позволяют генерировать мощность до нескольких десятков или даже сотен ватт (при использовании преобразователей с несколькими кантилеверами и многослойным пьезоэлектриком) [7]. Учеными Мас-сачусетского технологического института (МТИ) разработан пьезоэлетрический МЭМС-аккумулятор, выходная мощность которого, по утверждению его создателей, на два порядка превышает этот параметр современных ПЭ-преобразователей аналогичного размера. Разработчики отказались от обычной структуры ПЭ-преобразователя, содержащей тонкий кантилевер с прикрепленной к нему пленкой пьезоэлектрика. Вместо нее предложена подобная мостовой схеме структура, укрепленная на двух концах микросхемы преобразователя (рисунок 5). На мост осаждалась пленка титаната-цирконата свинца, в середине которой крепился груз [1].
Проанализировав возможные преобразователи кинетической энергии можно сделать вывод, что наиболее подходящим для питания датчиковой аппаратуры дорожных комплексов являются пьезоэлектрические преобразователи. Так как имеют наименьшие массово-габаритные параметры, при этом вырабатывая наибольшую мощность из всех видов преобразователей. Для производства пьезоэлектрических преобразователей широко используют МЭМС-технологии, что позволяет добиться высоких мощностных показателей. Также для увеличения выходной мощности пьезоэлектрических преобразователей можно с помощью увеличения габаритных параметров или использования в устройстве нескольких преобразователей [8]. Также в совокупности с такими системами можно реализо-вывать системы измеряющие различные параметры окружающей среды, например температуру или давление [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.vaisala.ru/ru/roads/products/atmosphericsensors/Pages/PWDvisibility.aspx
2. http://www.vaisala.ru/ru/roads/products/atmosphericsensors/Pages/PWD12.aspx
3. http://www.vaisala.ru/ru/roads/products/roadweathersensors/Pages/DSC111.aspx
4. В.Майская «Альтернативные источники энергии. Освоение "даровой" энергии.» ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 8. 2009, с. 72-81
5 .Гольцова «Аккумулирование кинетической энергии из окружающей среды. Нечего терять.» ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 7. 2011, с. 78-85
6. http://www.mide.com/products/volture/piezoelectric-vibration-energy-harvesters.php
7. В.Е. Шикина «Расчет частоты колебаний пьезокерамического первичного преобразователя для массового расходомера жидкостей» Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 1. 2014. с. 54-63
8. Белов А.Г. Обеспечение влагозащитного покрытия печатных узлов датчика протечки / Белов А.Г., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Горячев Н.В., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 151-154.
9. М.В. Руфицкий., М.А. Сучков , А.В Осин «Использование пьезоэлектрических преобразователей для повышения надежности радиоэлектронных средств» Труды международного симпозиума Надежность и качество, т.2, 2009, с. 107-108
10. Трусов В.А. Проектирование одновибратора без перезапуска на программируемой логической интегральной схеме / Трусов В.А., Кочегаров И.И., Горячев Н.В. // Молодой ученый. 2015. № 4 (84). С. 276-278.
11. В.П. Михайлова, А.А. Кичкидов, Г.В. Петрунин, В.Ф. Ульянов, И.О. Лапшин «Расширение функциональных возможностей датчиков неэлектрических величин.» Труды международного симпозиума Надежность и качество, т.1, 2009, с. 429-432
12. Северцев, Н.А. К вопросу об утрате работоспособности систем / Н.А. Северцев, А.В. Бецков, А.М. Самокутяев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 268-270.
13. Универсальные оценки безопасности. Монография / Дивеев А.И., Северцев Н.А. // Москва, 2005.
14. Синтез оптимального закона управления потоками транспорта в сети автодорог на основе генетического алгоритма / Дивеев А.И., Северцев Н.А. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2003. № 3. С. 87.
15. Северцев, Н.А. Минимизация обобщенного риска угроз безопасности / Н.А. Северцев // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. 2005. № 7. С. 3-10.
16. Критерии и показатели безопасности / Дедков В.К., Северцев Н.А., Петухов Г.Б., Тихон Н.К. // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. 1999. № 1. С. 33-54.
17. Баранов, Н.А. Управление состоянием готовности системы безопасности к отражению угрозы / Н.А. Баранов, Н.А. Северцев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 8-10.
18. Дедков, В.К. Компьютерное моделирование характеристик надежности нестареющих восстанавливаемых объектов / В.К. Дедков, Н.А. Северцев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 368-370.
19. Кочегаров И.И. Методы контроля дисперсности порошков / Кочегаров И.И., Трусов В.А., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 475-477.
