ЯВЛЕНИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА МАТЕРИАЛ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

вибрационные сигналы обладают объективной неопределенностью, введение фаззификации в систему анализа сигналов, а также база нечетких продукционных правил позволяет получить более точную информацию о состоянии агрегата. Система прошла тестирование и апробацию на турбине К-300-240-ЗЛМЗ Мингечаурской ТЭС. Полученный результат показывает, что сигналы датчиков УЕ001А, VE002B, VE003A, VE004B, VE007C, \ГБ008А и \ГБ009А от 2014.01.13, 17:44:15 часов до 2014.06.13, 17:46:15 часов включительно, относятся к условному классу «стационарный», что соответствует реальному стационарному режиму работы агрегата.

Список литературы

1. С. А. Беляев, В. В. Литвак, С. С. Солод. Надёжность теплоэнергетического оборудования ТЭС, Томск 2008, стр. 39-40.

2. Розенберг Г. Ш., Мадорский Е. З., Голуб Е. С., Винницкий М. Л., Неелов А. Н., Поросенков Ю. В., Таджибаев А. И. Вибродиагностика, Санкт-Петербург 2003, стр. 46-50

3. Матюшкова О. Ю., Тэттэр В. Ю. Современные методы виброакустического диагностирования. Омский научный вестник N 3(123) 2013, стр. 14.

4. Juana Sanchez, Introduction to modern time series analysis, Journal of Applied Statistics, 37(6) 2010, p.1063

5. Provotar, A.I., Lapko, A.V. & Provotar, A.A. Fuzzy inference systems and their applications, Cybernetics and Systems Analysis, Volume 49, Is-sue4, 2013, pp 517-525.

6. В. Г. Рубанов, А. Г. Филатов, И. А. Рыбин. Интеллектуальные Системы Автоматического Управления. Нечеткое Управление В Технических Системах. Белгород, 2010, стр. 55-59.

7. Yuanyuan Chai, Limin Jia, and Zundong Zhang, Mamdani Model based Adaptive Neural Fuzzy Inference System and its Application. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Computer, Electrical, Automation, Control and Information Engineering Vol:3, No:3, 2009. Pp 663-669.

ЯВЛЕНИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА МАТЕРИАЛ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ

Бушма В. О.

Доктор технических наук

THE PHENOMENON OF SELF-ORGANIZING AT INFLUENCE ON THE MATERIAL OF THE

CONCENTRATED STREAMS OF ENERGY

Bushma V.O.

Dr.Sci. Tech.

Аннотация

Предложена модель, объясняющая возникновение упорядоченного, периодического движения дуги в щелевой разделке. Наличие самоорганизации при движении дуги в узком канале может рассматриваться как результат действия изменяющихся массовых сил. В первом приближении баланс сил, складывается из трех объемных сил: силы электромагнитного характера, имеющей направление к центру дугового канала, силы электромагнитного трения и газодинамической силы, зависящей от скорости дуги и ее положения в канале. Выполнен топологический анализ полученной динамической системы уравнений. Топологическая структура системы представляет неустойчивый фокус, расположенный между двумя седлами. Проведено численное решение уравнения движения для начала процесса сварки.

Abstract

The model, explaining the occurrence ordered of well regulated periodic movement in a slot-hole, is offered. The availability of self-organizing in the arc movement during its movement in a narrow channel can be considered, as result of action of changeable mass forces. In the first approach the balance of forces is sum of three volumetric forces: the electromagnetic force, which directing to the center of the arc channel, the force of electromagnetic friction and the gasodynamic force, which depending on the arc's speed and its position in the channel. The topological analysis of this dynamic equations' system is carried out. The topological structure of this system is unstable focus, located between two "saddles". The numerical decision of the equation of movement fo r the beginning process of welding is lead.

Ключевые слова: электрическая дуга, дуговой канал, составляющая напряженности магнитного поля, коэффициент гидравлического сопротивления, автономная система уравнений, состояние равновесия системы, сепаратриса

Keywords: an electric arch, the arc channel, a component of intensity of a magnetic field, factor of hydraulic resistance, independent system of the equations, a condition of balance of system, separatrisa

Взаимодействие концентрированного источ- териалом порождает различные эффекты, связан-ника энергии (лазерный или электронный луч) с ма- ные с процессами нагрева, плавления и испарения

При определенных условиях в процессе дуговой сварки наблюдается подобное явление, заключающееся в самостоятельном, упорядоченном движении дуги. Это явление наблюдается при помещении дуги в узкий зазор [2], как это осуществляется при дуговой сварке неподвижным плавящимся электродом (ДС НПЭ), показанной на рис.1.

материала. При этом в зоне обработки в динамической системе «источник энергии-обрабатываемый материал» может возникнуть автоколебательный процесс [1], характеристиками которого можно управлять.

Плавящемуся электроду 1, представляющему собой пластину требуемой толщины, придается форма и профиль сечения свариваемых деталей 3. На электрод наносят слой диэлектрического покрытия 2. Сборка сварочного стыка заключается в том, что плавящийся электрод помещают в зазор между соединяемыми кромками частей изделия 3. Сверху сборки стыка засыпают сварочный флюс 4, который, как при АДСФ, защищает при сварке превышение пластинчатого электрода над частями изделия и сварочную ванну. Электрическую дугу зажигают вблизи корневой подкладки 6, предварительно подключив изолированный электрод 1 и части изделия 3 к разным полюсам источника переменного или постоянного тока. При создании стационарных условий в межэлектродном промежутке происходит стабильное возвратно-поступательное движение дуги 5 между торцем электрода пластины и распределенной сварочной ванной 7. Закристаллизовавшийся метал сварочной ванны образует сварной шов 8.

Проведенная экспериментальная скоростная съемка процесса показала, что электрическая дуга при сварке совершает самостоятельные, упорядоченные, периодические перемещения между тор-цем электрода и распределенной сварочной ванной.

Периодическое движение дуги может возникнуть при наличии периодически изменяющихся сил, воздействующих на нее. При экспериментальных наблюдениях было отмечено наличие изменяющихся потоков газа из дугового канала, образованного не расплавившимся торцем электрода и прилегающими к нему частями изделия и сварочной ванной сформированной на всю высоту свариваемого изделия. Это указывало, что природа одной из сил обусловлена газодинамическими потоками,

возникающими в дуговом канале из-за испарения металла и диэлектрического покрытия.

Другой силой, воздействующей на дугу, является сила магнитного происхождения, возникающая из-за протекания значительных сварочных токов по пластинчатому электроду и основному металлу. Как показали расчеты при симметричной сборке изделия под сварку поперечное магнитное поле в пространстве плавления не зависит от токов, протекающих по частям изделия и определяется лишь током пластинчатого электрода [3].

Наибольшее влияние на характер движения дуги в плавильном пространстве оказывает поперечная составляющая напряженности магнитного поля И Составляющая магнитного поля Иу действует параллельно скорости дуги и создает дополнительные условия по стабилизации дугового столба в плавильном пространстве, а составляющая магнитного поля Их влияет на ширину получаемого сварного шва.

Зависимость средней напряженности поперечного магнитного поля в узком зазоре, действующего на дугу при ее перемещении по каналу, хорошо аппроксимируется полиномом третьей степени [3]

Иг = Лу3 + Бу2 + Су + Б ,

где А, В, С, Б - коэффициенты, зависящие от геометрических размеров пластинчатого электрода, и тока сварки; у - среднее смещение центра дуги вдоль канала.

Электрическая дуга является движущимся объектом, поэтому для магнитной силы, действующей на единицу объема дугового столба можно записать [4]

F3 =aM[EхHz] + aDM2[[VD хHz]хHz] = [jD хB] + aD[[VD xB]xB] = Fl + F2

Б

где сгб - электропроводность дуги, - системный коэффициент, УБ - скорость движения дуги, - плотность тока дуги, В - истинное значение индукции магнитного поля, создаваемого как посторонним источником, так и самим током, на который эта

2

сила действует. Однако при вычислении полной силы можно принять, что В определяется лишь внешним полем, действующим на движущийся проводник с током. В нашем случае В создается протеканием сварочного тока по пластинчатому

электроду и основному металлу, при этом учитывается лишь составляющая по оси г, т.к. только она перемещает дугу вдоль канала.

Направление и величина составляющей объемной электромагнитной силы при неизменной плотности тока в столбе целиком определяется местоположением дуги в канале. Составляющая имеет такое направление, что ее действие обеспечивает вталкивание дуги в узкий канал. Составляющая Е2 появляется из-за перемещения дуги по каналу и при движении в одном направлении не меняет своего направления. По физическому смыслу Е2 является силой электромагнитного трения, она всегда направлена в сторону противоположную скорости дуги УО и линейно зависит от скорости.

2рУоУв„ _ £су

Оценим градиент давления потоков плазмы и газов вблизи дуги. Электрическую дугу представим поршнем, движущимся со скоростью Уо по каналу в виде вертикально расположенной трубы диаметра О и длины 1о. Такие условия имеют место в дуговом канале при отсутствии распределенной сварочной ванны, то есть в начале сварки. Граничные условия на обоих концах дугового канала принимаем идентичными (открытое пространство). Дуга является активным элементом, генерирующим потоки паров металла и газа со скоростью ±Ув в обе стороны дугового канала. Если считать газ при выходе из канала несжимаемым, то можно получить выражение для градиента давления газа в дуге

VP = -

D

[1+ D - Т ] -

Zc Pßc V

о-Vd )2

2D2

[4y - Id - D]

где рс - плотность газов в канале, безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления, у - текущая координата местоположения дуги в канале.

Безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления зависит от характера течения газа в канале. При развитом турбулентном течении в гладком канале связь коэффициента сопротивления и числа Рейнольдса имеет вид [5]

Zc

= 0,88!n(Re 4ZC) - 0,9

где Re = УсрО/ V - число Рейнольдса, Уср- средняя скорость газа в канале, V - коэффициент кинематической вязкости, О - диаметр канала.

Гидравлическое сопротивление шероховатых труб оказывается таким же, как и у гладких труб, до тех пор пока толщина вязкого подслоя больше выступов шероховатости. После того как выступы шероховатости попадают в турбулентную область потока, около них начинается вихреобразование, и вязкое трение перестает заметно влиять на профиль скоростей течения [5].

При турбулентном течении и значительных числах Рейнольдса в шероховатых трубах имеет место автомодельность (независимость) гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса [5].

При составлении уравнения движения дуги в канале не учитывали процессы диссипации энергии

вследствие внутреннего трения газа, теплообмен между различными участками дугового столба и считались малыми имеющиеся в дуге силы Архимеда и Кулона. Уравнение движения электрической дуги в канале имеет вид [6]:

Рв^ = + + Ъ,

где р - плотность вещества дугового столба, из-за небольшой протяженности канала р =рс, УР - градиент давления в канале, и Е2 - объемные электромагнитные силы.

Учитывая, что рассматривается одномерное течение и в начале сварки дуговой канал имеет малую кривизну, преобразуем переменные и придем к используемому в литературе стандартному виду [7] автономной системы

% = Vd = У ' = P( X , У')

dy' _(Vo +y' )2Г1 , Zc x', (Vo -y)2n , Id - x

dt

4D

[1 +%- ] -

4D

[1 +

D

-Zc ] -

jDB(x') anB2(x' ) y'

d

2P„

2p,

Q( x', y' )

где В(х') = Ах'3 + Вх'2 + Сх' + О - индукция поперечного магнитного поля в канале; х' - координата дуги в канале.

Определим состояние равновесия системы из условия Р(х'у') = 0 и Q(x',y') = 0. Одна из таких точек X = 1о/2, у = 0 - середина канала плавления. В

системе существуют и другие решения, хотя все они выходят за пределы плавильного пространства, их влияние на характер поведения системы существенно.

Выполним преобразование координат с переносом в точку равновесия х = X - 0.51о, у = у'. Тогда система уравнений примет вид

dl-(Vo+у)2 Г1 , 0,5/d+x , dt = 4D [1 + D Zc]

dx = У = P( x, У) (V) -У )2[1+05fzx zc ]

jDB(x) an B2( x) y

4D

2Я

d

2p,

= Q( x, y).

где В(х)=х(Ах2+Вх+С) - магнитная индукция канала плавления. Состояние равновесия системы в этом случае имеет координаты хо = 0, у0= 0.

Жх = у = X у)

£ V2 jjC V £ iv0

Так как топологическая структура состояния равновесия определяется линейными членами [7], преобразуем полученную систему к виду

£ l Vr

ь d 0

отбрасывая члены, имеющие порядок выше

Якобиан полученной линейной автономной

первого.

где P1x

=

системы имеет вид

А(0,0) =

Р (0,0) Р1у (0,0)

Qix (0,0) Qiy (0,0)

¿Pi P

XP-L о =Q Q - ¿Qi

л, ' Qix ¿x ' Qiy

¿y

Xy ■

Переходя к конкретным данным, для положения равновесия х0 = 0, у0= 0, получим

Д(0,0) =

0

[

£v2 JdC

2D2 2рс

]

V +

[ D +

£JdV0-2D2 -

ф 0-

Так как якобиан системы в положении равновесия отличен от нуля, то в точке х0, у0 имеем простое состояние равновесия [7].

Я 1

Характеристическое уравнение линеаризованной системы имеет вид

£2 JdC][v0+£mI 2D2 2рс JL D 2D2

]-Я

о V Я2 - Vo +

Я [ D

£с №]Д-№ - ж ]

2D2

2D2 2рс

0.

Знаки характеристических корней или знаки их действительных частей полностью определяют топологическую структуру состояния равновесия.

Корни характеристического уравнения определятся как

__Vl + £с DO , v 1,2 = 2D + 4D2 "V [2D

£с /dV0,, r£cV2 JdC

4D2

]2 + [

2D2 2р

]

Физические величины V), Б, £, ¡в,рс, характеризующие процесс в канале плавления, являются положительными, поэтому поведение системы в данном положении равновесия определяется знаком и величиной коэффициента характеристического уравнения ]вС/2 рс.

Реальное магнитное поле имеет такую характеристику в плавильном пространстве, что коэффициент С > 0. Поэтому, если

J C

d

£с V2 2D2 2рс

< 0 и [

V

0

2D

£cV02Pc JdD

+ £с lDV0 j2

4D2 < C < 2р

£cV2 JdC

2D2 2рс

], что соответствует

_[VL

Jd 2d

+

£ ldV0f + £V2Pc

4D2

j D2

d

то характеристическое уравнение имеет два положительных различных вещественных корня, а положение равновесия есть неустойчивый узел [7].

2р V £ ¡К, £—^рс Если С > р V | с в 0 ]2 + Ь с 0Ус ,

С > 12Б + 4Б2 ] + ^Б2

то характеристическое уравнение имеет два комплексно-сопряженных корня с положительной вещественной частью. В этом случае положение равновесия - неустойчивый фокус [7].

Если

£V2Pc JdD

> C > 0, то характеристиче-

ское уравнение имеет два действительных корня разного знака, а положение равновесия - седло.

Реальные значения параметров среды в канале плавления и величина коэффициента С таковы, что имеют место два комплексно-сопряженных корня и положение равновесия - неустойчивый фокус.

1

[

Определим координаты двух других положений равновесия. Имеем у1,2=0, тогда

Ё У 2 7

^ X, у) = Ё—Г - 2рр (^х2 + Вх + С) = 0.

Координаты положения равновесия

x

1,2

2 A

+

в2 - с , ZcV0)P<

4 A2 A + AD2 j

, У1,2=0.

d

Для реальных параметров среды в канале плавления и величины магнитного поля значения XI и х2 действительны и имеют разные знаки.

Выполним преобразование координат для положения равновесия у=уь х = XI, т. е. сделаем замену у' = у, X = х - х1, а после выполнения замены уберем штрихи у координат. Получим линеаризованную систему уравнений

dx = У = P (x, У)

dy _YV00Zс jD /о J 2 ,?Ry , Гу. , rV0 , ypbZc &D

dt = " (3Ax1 + 1 + C)]x + [D + ~2ТГ - 2 &

(Ax2 + Bx1 + C)2 x 2 ]y = Q2( x, y)

Поступая аналогично, найдем корни характеристического уравнения системы. Численный расчет показывает, что состояниям равновесия у=уь х=х1 и у=у2, х=х2 для параметров среды в канале плавления соответствуют два действительных различных по знаку корня характеристического уравнения, а топологические структуры - седла [7].

Таким образом, качественный анализ позволяет утверждать, что топологическая структура динамической системы для ДС НПЭ определяется

тремя состояниями равновесия, из которых одно -неустойчивый фокус, расположенный между двумя седлами.

Определим направление сепаратрис в седле. Так как в результате преобразования координат состояние равновесия лежит в начале координат, то уравнение для нахождения углового коэффициента к1,2 сепаратрис в седле имеет вид [7]: Ьк2 - (й-а)к + с=0, где Ь=1, а=0.

В нашем случае

v2 2 x I

О + -Щ- - р (^ + Вх1 + С)

У2Ё

с = - 2р (ЗЛх? + 2Вхх + С).

Выражения к1 и к2 через корни характеристического уравнения имеют вид

7 _ d-^1 7 _ k1 = b ' k 2 =

d-Л2

Уравнения сепаратрис при состоянии равнове- На рис.2 показана топологическая структура

сия у=у1=0, х=х1 динамической системы, соответствующей ДС

у=к1(х-х1), у=к2(х-х1). НПЭ. Стрелками указаны направления движения

Поступая аналогично, можно найти значения вдоль сепаратрис. угловых коэффициентов сепаратрис к3 и к4 и получить уравнения сепаратрис для состояния равновесия у=}>2=0, Х=Х2.

На рис. 3 приведено численное решение фазо- Полученные зависимости характерны для дуги

вой траектории дуги для трех различных условий в начальный момент сварки, когда отсутствует начала процесса сварки: вблизи корневой под- большая по объему распределенная сварочная кладки, в середине торца пластинчатого электрода ванна. Частота автоколебаний дуги для фазовой и в близи сварного валика. траектории соответствует значениям, полученным

при скоростной киносъемке в начале процесса

сварки. С прогревом основного металла и выходом на квазистационарный температурный режим частота осцилляций дуги в канале уменьшается, что связано с изменением формы канала и увеличением влияния на дугу немассовых сил.

Предложенная модель объясняет возникновение упорядоченного, периодического движения дуги в канале и позволяет сформулировать требования к оптимальному источнику питания для дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом.

Список литературы

1. Н.Н.Рыкалин, А.А.Углов, И.В.Зуев и др. Автоколебательные процессы при тепловом воздействии концентрированного потока энергии на материалы.- ЖЭТФ, 1983, т.85, №6, с.1953-1961.

2. Движение дуги в узком зазоре при дуговой сварке неподвижным плавящимся электродом /

И.В.Зуев, В.Ф. Кубарев, В.О. Бушма, Р.В.Родя-кина// Прикладная физика. Технология. - 1994.-№3.-С 3-7.

3. Магнитное поле, создаваемое в дуговом канале током пластинчатого электрода / Бушма В.О., Кубарев В.Ф., Калашников Д.В. // Прикладная физика. 2004. №3 С.29-40.

4. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред: В 10 т.- М.: Наука, 1992. - Т.5. - 661с.

5. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидравлические сопротивления. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 336 с.

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика: В 10 т. - М.: Наука, 1988.- Т.6.- 734 с.

7. Качественная теория динамических систем второго порядка / А.А. Андронов, Е.А. Леонтович, И.И. Гордон, А.Г. Майер. - М.: Наука, 1966. - 568 с.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИЛОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО МОДУЛЯ В ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОЙ

СТРУКТУРЕ МАЛЫХ ГОРОДОВ

Душко О.В.

к.т.н.. доцент Волгоградского государственного технического университета

Ишмаметов Р.Х.

доцент Волгоградского государственного технического университета

THE RESIDENTIAL USE OF A UNIVERSAL MODULE IN THE URBAN STRUCTURE OF SMALL

TOWNS

Dushko O. V.

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Docent, Volgograd State Technical University

Ishmametov R.H. Docent, Volgograd State Technical University

Аннотация

Рассмотрено использование жилого универсального модуля как основной единицы планировки малых городов (вахтовых поселков), включая их инфраструктуру. Abstract

The use of a universal residential module as the basic unit of planning of small towns (shift settlements), including their infrastructure, is considered.

Ключевые слова: жилой модуль, градостроительство, малые города. Keywords: residential module, urban planning, small towns/

Основным фактором роста производительности труда и эффективности производства является научно-технический прогресс, неразрывно связанный с постоянным наращиванием интенсификации работы оборудования во всех отраслях промышленности. Особенно ярко это проявляется в нефтегазовой, атомной, химической промышленности, где работоспособность, надежность, пожарная и экологическая безопасность производственных объектов существенно зависит от человеческого фактора [1]. Безусловно, принятие своевременных и ответственных решений оператором, мастером, менеджером напрямую зависит от среды их «обитания»: от условий труда, проживания, удовлетворения духовных потребностей и т.п. И если современное производство готово предложить работнику высококачественные условия на рабочем месте, то социально-бытовые условия для специалистов, работающих, например, вахтовым методом, по

нашему мнению, ещё требуют решения. Это связано со спецификой такой организации производства: доставка персонала в вахтовый поселок; размещение во временном жилищном фонде; доставка до объекта производства. Одним из перспективных направлений решения столь важной задачи может стать каркасно-панельное малоэтажное домостроение в непосредственной близости от производства со всей инфраструктурой, обеспечивающей комфортное проживание на данной территории. Это в первую очередь относится к объектам нефтегазодобывающих комплексов, газонефтепроводам, компрессорным станциям, расположенных в Сибири, на Сахалине, Камчатке, Дальнем Востоке.

Разработка экспериментальных проектов кар-касно-панельных малоэтажных домов и новых планировочных образований (малых городов, посел-