CC BY
63
Рис. 4. Корреляционная плоскость ВКФ (Дг, Д32). Яркие точки соответствуют корреляционным пикам.
Очевидно, для расчета вектора скорости достаточно найти положение второго пика, т.к. первый пик всегда фиксирован в центре корреляционной плоскости, как показано на рис. 4. В этом случае отпадает необходимость суммирования разностных изображений, что упрощает задачу. Достаточно найти ВКФ (Д21, Д32) и определить положение максимума относительно центральной точки корреляционной плоскости.
Проведенное моделирование показало эффективность использования описанной методики для измерения вектора скорости движения изображения. Выбор порога 0 не столь критичен, как при яркостной бинаризации исходных изображений. В модели порог менялся в диапазоне от 0,05 до 0,8 максимальной яркости.
Для повышения быстродействия вместо вычисления ВКФ по классической формуле в модели опробована более простая метрика сравнения разностных изображений логического типа
SXOR = Ef=iSf=i-(fi2i © Я32),
что позволило сократить временные затраты на поиск максимума приблизительно в 6 раз. Диапазон измеряемых сдвигов Д составляет Н40% от M при сохранении погрешности в пределах одного пикселя. При больших сдвигах существенное влияние оказывают краевые эффекты.
Литература
1. Ян Ричардсон. Видеокодирование. Н.264 и MPEG-4 — стандарты нового поколения. - М.: Техносфера, 2005. - 368 с.
2. Еськов Д.Н., Ларионов Ю.П. и др. Автоматическая стабилизация оптического изображения / Под общ. ред. Д.Н. Еськова, В.А. Новикова. - Л.: Машиностроение, 1988. - 240 с.
3. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение / Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 752с.
4. Lucas B.D. An Iterative Image Registration Technique with an Application to Stereo Vision / B.D. Lucas, T. Kanade //
Proceedings of the 7th international joint conference on Artifical intelligence. - 1981. - Vol. 2. - P. 674-679.
5. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. цифровая обработка изображений в среде MATLAB. - М.: Техносфера, 2006. -616 с.
6. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. - М.: Мир 1989. - 624 с.
7. Грузман И.С., Киричук В.С. и др. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. Пособие. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 352 с.
8. Красовский А.А., Белоглазов И.Н., Чигин Г.П. Теория корреляционно- экстремальных навигационных систем. - М.: Наука, 1979. - 408 с.
9. Козубовский С.Ф. Корреляционные экстремальные системы. - Киев: Наукова думка 1973. - 223 с.
Кадыров А.С.1, Максутова З.А.2, Бахриденов А.Б.3
'Доктор технических наук, профессор, Карагандинский государственный технический университет 2Магистрант, Карагандинский государственный технический университет 3Магистрант, Карагандинский государственный технический университет НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
Аннотация
В статье акцентируется внимание на проблеме загрязнения окружающей среды выхлопными газами автомобиля, предлагается автомобильный глушитель с ультразвуковыми устройствами. Авторами приведены предварительные расчеты основных параметров ультразвукового глушителя, являющиеся базой для планирования эксперимента.
Ключевые слова: выхлопные газы, глушитель, ультразвук.
Kadyrov A.S.1, Maxutova Z.A.2, Bakhridenov A.B.3
1 Doctor of technical science, professor, Karaganda State Technical University; 2 undergraduate, Karaganda State Technical University;
3 undergraduate, Karaganda State Technical University A NEW CONSTRUCTION OF EXHAUST GAS PURIFICATION
Abstract
The article focuses on the problem of environmental pollution by exhaust gases of the car, the car is offered with a muffler ultrasonic devices. The authors presented preliminary calculations of the basic parameters of ultrasonic muffler which are the basis for the planning of the experiment.
Keywords: exhaust gase, muffler, ultrasound.
Эффективность и удобства при использовании автомобиля во всех хозяйственных и деловых областях, а также личной жизни человека привели к исключительно широкому его применению.
Первые автомобили появились в конце XIX столетия. В 1910 г. их насчитывалось около 300 тыс., а перед началом второй мировой войны уже 46 млн. Засорок с лишним послевоенных лет автомобильный парк вырос более чем в десять раз и в 1987 г. превысил полумиллиардный рубеж. В 1998г. число автомобилей достигло 700 млн.
Автомобильный парк растет быстрее, чем народонаселение. В настоящее время с конвейеров автозаводов всего мира ежегодно сходит около 50 млн автомобилей, то есть в среднем при двухсменной работе 170 автомобилей каждую минуту [1].
Ожидается, что к концу первого десятилетия XXI века парк автомобилей достигнет миллиардной отметки.
Практически все современные автомобили снабжены двигателями внутреннего сгорания, качествам которых автомобиль и обязан своим повсеместным распространением. При сравнительно небольшой массе этот двигатель развивает значительную
35
мощность, экономичен, достаточно надежен, работает на сравнительно недорогом топливе. Двигатель готов к работе в разнообразных условиях и, что особенно, важно обеспечивает автомобилю высокие тяговые и динамические свойства. Человек широко использует все эти качества, продолжает совершенствовать конструкцию двигателя и улучшать основные его показатели.
Однако по мере роста автомобильного парка всё больше стал проявляться существенный недостаток двигателя внутреннего сгорания, который ранее не был заметен: при его работе с выхлопными газами в окружающий воздух поступают вещества вредные для здоровья человека. Когда автомобилей стало слишком много, в крупных городах заметно ухудшилось состояние атмосферного воздуха. Правда, выяснилось, что виновниками этого загрязнения были не только автомобили, но и некоторые промышленные предприятия. Такие предприятия стали выводить за пределы городов или устанавливать на них мощные очистные сооружения, а вот борьба с загрязнением воздуха автомобилями оказалась более сложной [1].
Попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, предпринимались давно, но имели ограниченный успех. До настоящего времени не создан двигатель, который мог бы обеспечить автомобилю те качества и возможности, которыми он обладает сегодня.
Поэтому при вступлении в XXI столетие в качестве силовой установки на автотранспортных средствах в подавляющем большинстве остаются двигатели внутреннего сгорания.
Таким образом, для последних лет XX столетия характерно то, что человек, познав все преимущества автомобиля, не хочет, да и не может без него жить и наряду с этим, зная и чувствуя, как автомобиль отравляет окружающую среду, начинает бояться его и даже думать, как от него избавиться.
Для того чтобы сохранить человечеству автомобиль, необходимо сделать так, чтобы выброс вредных веществ был бы если не исключен полностью, то, во всяком случае, сведен к минимуму.
Примерный состав выхлопных газов представлен в таблице 1 [2].
Таблица 1 - Состав выхлопных газов.
Компоненты выхлопного газа Содержание по объему, %
Двигатели
бензиновые дизели
Азот 74,0 - 77,0 76,0 - 78,0
Кислород 0,3 - 8,0 2,0 - 18,0
Пары воды 3,0 - 5,5 0,5 - 4,0
Диоксид углерода 5,0 - 12,0 1,0 - 10,0
Оксид углерода 0,1 - 10,0 0,01 - 5,0
Углеводороды неканцерогенные 0,2 - 3,0 0,009 - 0,5
Альдегиды 0 - 0,2 0,001 - 0,009
Оксид серы 0 - 0,002 0 - 0,03
Сажа, г/м3 0 - 0,04 0,01 - 1,1
Бензопирен, мг/м3 0,01 - 0,02 до 0,01
Известны и широко применяемы химические способы и устройства внешней очистки выхлопных газов ДВС путем беспламенного каталитического дожига токсичных компонентов выхлопных газов в выпускном тракте ДВС на активной поверхности химического сотового катализатора, покрытой тонким слоем платины, палладия, родия и др. [3]
Недостатки данных технических решений состоят в сложности и дороговизне их реализации, поскольку для их работоспособности необходима система точного инжекторного впрыска топлива ДВС, относительно низком сроке эксплуатации из-за химического загрязнения поверхности катализатора и неремонтоспособности таких устройств; ограниченной сфере применения, только на автомобилях с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, работающими на неэтилированном бензине из-за неработоспособности химического сотового катализатора при наличии в выхлопных газах примесей сажи, серы, свинца и др.
Широко применяются способы и устройства механического сепарирования твердых и жидких примесей выхлопных газов, характерных для дизельного транспорта, путем их механического сепарирования путем вращения потока выхлопных газов с последующим накоплением сажи и частиц масла в специальных бункерах с систематическим удалением [4]. Недостаток, которых состоит в сложности реализации, значительных энергозатратах и большой материалоемкости, поскольку объем сепарируемой сажи велик из-за ее низкой плотности. Термическое разложение сажи неэкономично и приводит к увеличению объема окиси углерода.
Существуют плазменные способы и устройства по дожигу выхлопных газов путем пропускания выхлопных газов через факел низкотемпературной плазмы [5]. Недостаток которых состоит в значительных энергозатратах, в расходе дополнительного топлива, неблагоприятных температурных режимах выхлопной трубы при ее перегреве плазмой. Кроме того, возрастает объем окислителя, а значит, и выхлопных газов двигателя.
Существуют также способы и устройства электрофильтрования выхлопных газов двигателя [6] путем воздействия электрическим полем на электрически заряженные частицы (твердые и жидкие) выхлопных газов с их электростатическим осаждением на специальные электроды с последующим систематическим удалением осадка. Недостаток их состоит в низкой надежности из-за трудностей обеспечения надежной электроизоляции разноименно заряженных пластин электрофильтра в условиях осаждения сажи, копоти на внутренней поверхности пластин и высоких температур.
Известны способы очистки выхлопных газов от сажи путем ее электротермического разложения. Однако данный способ также весьма энергозатратен и неприемлем для автотранспорта с низкой мощностью электрогенератора.
Используются способы внутренней экологической очистки выхлопных газов двигателя путем улучшения качества подготовки топливно-воздушной смеси, например, механическим дроблением капель топлива, посредством улучшения испарения топлива с использованием пористых материалов на пути потока бензина [7], путем предварительного подогрева топлива [8].
Применяются способы и устройства внутренней экологической очистки выхлопных газов двигателя посредством внутренней интенсификации процесса воспламенения топливно-воздушной смеси в камерах сгорания двигателя, например, путем увеличения мощности электрической искры зажигания топливно-воздушной смеси от более мощной электронной системы искрового или плазменного зажигания [9]. Несмотря на некоторое снижение окиси углерода и углеводородов в составе выхлопных газов от их реализации (до 30-40%), эти способы и устройства не позволяют многократно снизить СО, СХНХ, а содержание окиси азота могут даже увеличить из-за повышения температуры пламени в камерах сгорания двигателя.
Кафедрой СДМ КарГТУ предложен автомобильный глушитель, с ультразвуковыми устройствами содержащий корпус, две выхлопные трубы, проходящие сбоку в каждой из частей корпуса и имеющие множество отверстий, ультразвуковые устройства установленные на корпусе и краник для слива образовавшейся смеси. Корпус имеет два впускных и выпускных отверстия, но отверстий может быть и больше. Отработавшие /выхлопные/ газы поступают по трубам с отверстиями и под действием ультразвуковых волн испускаемых ультразвуковыми устройствами, тяжелые частицы, содержащиеся в выхлопном газе оседают на дне устройства, очищенный газ выводится в атмосферу по трубам, образовавшаяся смесь путем открытия краника вытекает в определенную емкость устройства [10].
36
Недостатком таких автомобильных глушителей является то, что образовавшую смесь по мере наполнения необходимо сливать, что само по себе является небезопасным.
Также кафедрой СДМ КарГТУ предлагается усовершенствование ультразвукового глушителя с насосом, передающим тяжелые примеси для отопления кузова автомобиля (Рис. 1) .
Устройство содержит корпус 1, две выхлопные трубы 7, проходящие сбоку в каждой из частей корпуса и имеющие множество отверстий 3, ультразвуковые устройства 2 установленные на корпусе и место соединения поддона с насосом 4 и насос 5, который соединен с системой отопления кузова автомобиля 6 (Рис. 2). Корпус имеет два впускных и выпускных отверстия, но отверстий может быть и больше. Отработавшие /выхлопные/ газы поступают по трубам с отверстиями и под действием ультразвуковых волн испускаемых ультразвуковыми устройствами, тяжелые частицы, содержащиеся в выхлопном газе оседают на дне устройства, очищенный газ выводится в атмосферу по трубам, образовавшаяся смесь поступает в насос, передающим тяжелые примеси для отопления кузова.
Вследствие этого в атмосферу выделяется выхлопной газ, очищенный от тяжелых примесей.
К достоинствам использования ультразвуковой очистки в промышленности относятся [11]:
- Повышенная скорость очистки, как в водной среде, так и растворители;
- Низкие затраты;
- Меньшее требуемое пространство и уменьшение затрат труда;
- Возможность применения для очистки опасных веществ, так как не требуется контакта работающих с ними;
- Высокий уровень безопасности;
- Отсутствие загрязнения окружающей среды;
- Высокие качественные результаты с точки зрения устранения веществ и очистки, низкий процент брака.
1- корпус; 2 - ультразвуковые устройства; 3 - отверстия; 4 - краник; для слива образовавшейся смеси; 5 - насос; 6 - система
отопления кузова автомобиля
Рис. 1 - Устройство для очистки выхлопных газов с ультразвуковыми устройствами (вид сбоку).
1- корпус; 2- ультразвуковые устройства; 7 - выхлопная труба Рис. 2 - Устройство для очистки выхлопных газов с ультразвуковыми устройствами (вид сверху).
Для внедрения ультразвукового глушителя в производство необходимо разработка методики его расчета и проведения экспериментальных исследований. Нами приведены предварительные расчеты основных параметров ультразвукового глушителя, являющиеся базой для планирования эксперимента [12].
Скорость распространения продольных, поперечных и поверхностных волн зависит от природы вещества, то есть она зависит от частоты волны и размеров тела в каждом материале [11].
Скорость продольной волны &ПР определяется по формуле (1)
37
1
2
3
Y (1 - *) р(1 +) *(1 - 2*)
(1)
где Y - модуль Юнга материала; р - плотность материал, кг/м3; * - коэффициент Пуассона. Скорость поперечной волны 3ПП рассчитывается по формуле (2)
3ПП
Или
3
Y
1
2
2Р(1 + *)
1
G ]2 Р _
(2)
(3)
где G - модуль сдвига, Н/м2.
Волновое сопротивление R представляет собой характеристику вещества, которая аналогична электрическому сопротивлению.
Волновое сопротивление R - это сопротивление распространению ультразвуковой волны в веществе. В конкретном материале оно зависит только от его физических свойств и не связано с характеристиками волны и частотой [11].
Волновое сопротивление вещества рассчитывается по формуле (4).
R = р • 3 , (4)
где р - плотность вещества; 3 - скорость ультразвука.
Интенсивность звука - величина, которая выражает мощность акустического поля в точке. Она определяется как энергия, проходящая за одну секунду через единицу площади поперечного сечения вдоль направления распространения ультразвуковых волн [11].
Интенсивность ультразвуковых волн в материале определяется по формуле (1.5).
I
Pi
2R
(5)
где P - звуковое давление.
Звуковое давление определяется как амплитуда попеременных воздействий на материал, через который распространяется звук и находится по формуле (6)
P = Ra
(6)
где a - амплитуда колебаний частиц.
Выразив величину R из (6) и подставив ее в формулу (5), получаем:
Полученная зависимость является базой для разработки плана эксперимента и экспериментальных исследований ультразвукового глушителя [12]
Литература
1. Куров Б.М. Как уменьшить загрязнение окружающей среды автотранспортом? // Россия в окружающем мире. Аналитический ежегодник, №5, 2000.
2. http://autonotes. info/ vyhlopnye-gazy/
3. Патент 2023178, Российская федерация, МПК F01N3/28. Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Новоселов А.Л.; Мельберт А.А.; Синицын В.А.; Бутин В.Ю.; Беседин С.Л.; заявил. 17.03.1992, опубл. 15.11.1994.
4. Патент 2023175, Российская Федерация, МПК F01N3/02, B01D45/14 Устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Карминский В.Д.; Соломин В.А.; Филь Е.С.; Калинченко С.Ю.; заявил. 18.04.1991, опубл. 15.11.1994.
5. Патент 1460368, СССР, Способ нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [Текст] / Шаповалов Ю.А.; Романовский Г.Ф.
6. Патент 1404664, СССР, Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [Текст] / Дудышев В.Д.; Завьялов С.Ю.
7. Патент 2006645, Российская федерация, МПК F02M17/28, F02M17/00, Устройство для испарения жидкости [Текст] /Андреев В.В.; Андреев В.А.; заявил. 18.01.1991, опубл. 30.01.1994.
8. Патент 1784069, Способ образования топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания [Текст] / Лицуков Н.А.; Бойцова Н.М.; Лицуков А.И.; заявил. 31.01.1991, опубл. 23.12.1992.
9. Патент 1835462, Система зажигания для двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Токай В.Н.; заявил. 01.04.91 опубл. 23.08.93.
10. Патент 2107827, Республика Казахстан, МПК. F 01 N 3/02, B01D 53/00, B01D 53/92, Устройство для очистки выхлопных газов [Текст] / Кадыров А.С.; Ибатов М.К.; Грузин В.В.; Аскаров Б.Ш.; Кабаев Д.Д.; Кадырова И.А.; 2011 год.
11. Балдев Радж, В. Ранджеран, П. Паланичами Применение ультразвука Москва: Техносфера, 2006 - 576с.
38
12. А. С. Кадыров, Основы научных исследований Караганда: КарГТУ, 2003 - 87с.
Минакова Т.Е. \ Минаков В.Ф. 2
1 Кандидат технических наук, доцент, Национальный минерально-сырьевой университет «Г орный», 2 доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный экономический университет
СПОСОБ КОНТРОЛЯ СИММЕТРИИ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Аннотация
Предложен способ контроля симметрии трехфазного напряжения питания электродвигателей. Способ основан на регистрации снижения минимума напряжения на выходе трехфазного выпрямительного моста.
Ключевые слова: трехфазное напряжение, контроль, двигатель.
Minakova T.E. 1, Minakov V.F. 2
1 PhD of technical science, associate professor, National Mineral Resources University, 2 Doctor of technical science, professor, St.
Petersburg State University of economics WAY OF CONTROL OF SYMMETRY OF THREE-PHASE VOLTAGE
Abstract
The way of control of symmetry of three-phase supply voltage of electric motors is offered. The way is based on registration of decrease in a minimum of tension at the exit of the three-phase bridges rectifiers.
Keywords: three-phase voltage, control, electric motor.
В процессе эксплуатации трехфазные электродвигатели подвержены воздействию ряда факторов, оказывающих негативное влияние на режимы их работы и снижающих срок их службы [1 - 6]. В 20-30 % случаев их выход из строя обусловлен асимметрией питающего напряжения [7, 8].
Актуально, следовательно, совершенствование способов защиты электродвигателей от асимметрии питающего напряжения [9 - 12].
Предлагается способ идентификации отклонения напряжения фаз электродвигателей сверх допустимого ГОСТ 13109-97 уровня асимметрии, основанный на контроле минимальных за период значений выпрямленного однополупериодным мостом напряжения, представленного для симметричного и асимметричного режимов соответственно на рис. 1,а, 1,6.
Способ реализуется контролем параметра: Uvd = min(ua = ub, ub = ис, uc = ua X
где UVD - минимум из напряжений в моменты равенства фазных величин ua, ub, , uc :
ua = Um • sin(® • t),.
39
