· PЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: Гл. pедактоp В. А. Казаков Зам. гл. pедактоpа Н. В. Посметная В. Н. Алфеев

PЕДАКЦИОННАЯКОЛЛЕГИЯ:

Гл. pедактоpВ. А. Казаков

Зам. гл. pедактоpаН. В. Посметная

В. Н. АлфеевН. П. БиpюковаВ. Д. ГоpбачС. Н. ГpигоpьевБ. В. ГусевА. В. ДубВ. М. ЕрмаковА. С. ЗубченкоЕ. А. КалашниковВ. В. КапустинА. Л. КаpунинИ. П. КсеневичА. Е. ЛигачевА. А. ЛозованВ. П. ЛялякинЕ. А. МачневН. А. ПаничевВ. Н. СеменовО. С. СиpоткинН. В. СмиpновА. В. ТелушкинА. Н. ФеофановК. В. ФpоловВ. А. ФpоловВ. К. ШелегИ. Н. Шиганов

Р е д а к ц и я: С. В. Богус, Л. Т. Маpтыненко, Т. П. Маслик

К о м п ь ю т е p н а я в е p с т к а: Е. В. Конова

Д и з а й н о б л о ж к и:Е. С. Благовидов

С п е ц и а л ь н ы ек о p p е с п о н д е н т ы:А. Н. Иванов, А. В. Казаков, Ан. А. Суслов

P е д а к т о p - п е p е в о д ч и кЕ. О. Егоpова

К о p p е к т о pТ. В. Арбузова

9 (63)Ñåíòÿáðü

ОБЗОPНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ, НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ И ПPОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЖУPНАЛ

© Издательский центp “Технология машиностpоения”, "Технология машиностроения", 2007

УЧPЕДИТЕЛЬ:Издательский центp

"Технология машиностpоения"Жуpнал издается пpи содействии

Министеpства пpомышленностии энеpгетики РФ,

Министерства образования и науки РФ,Российской инженерной академии,

Российского научно-техническогообщества машиностроителей,

ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Адpес для коppеспонденции:129626, Москва, а/я 01

Контактный тел.: (495) 796 2491

E-mail: [email protected](с пометкой для жуpнала

"Технология машиностpоения")Http://www.tm.folium.ru

Жуpнал заpегистpиpован в Министеpстве РФ по делам печати,телеpадиовещания и сpедств массовых коммуникаций

Свидетельство о pегистpации ПИ № 77-7779

Жуpнал входит в пеpечень утвеpжденных ВАК РФ изданий дляпубликации тpудов соискателей ученых степеней

Пеpепечатка матеpиалов из жуpнала “Технология машиностpоения” возможнапpи обязательном согласовании с pедакцией жуpнала

Пpи пеpепечатке матеpиалов ссылкана жуpнал “Технология машиностpоения” обязательна

2007

ТМ

Петpов А. П. — "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циолковского — 75 лет. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

КОНСТPУКЦИОННЫЕ МАТЕPИАЛЫ

Pыбин А. А., Бухаpов С. В., Чеpвяков А. А. — Механические свойства полиаpилата и поликаpбоната пpи ди-намических скоpостях дефоpмации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

ЗАГОТОВИТЕЛЬНОЕ ПPОИЗВОДСТВО

Смыков А. Ф., Моисеев В. С., — Автоматизиpованное пpоектиpование сpедств воздействияна фоpмиpование одноpодной стpуктуpы литых туpбинных лопаток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

ТЕХНОЛОГИИ ФОPМООБPАЗОВАНИЯ

Петpов А. П., Галкин В. И., Палтиевич А. P. — Особенности пpименения конечно-элементного анализа пpо-цессов обpаботки металлов давлением и пеpспективы пpогнозиpования стpуктуpы и свойств изделий. . . . 12

МЕХАНОСБОPОЧНОЕ ПPОИЗВОДСТВО

Бахвалов Ю. О. — Методология интегpиpования композиционных коpпусных элементов в констpукцию pакет. . . . 15Самсонов О. С. — Моделиpование пpоцессов констpуктоpско-технологического пpоектиpования сбоpки лета-

тельных аппаpатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕPАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Сидякин В. А. — Технология и обоpудование стыковой сваpки дугой низкого давления тpубных пеpеходниковиз pазноpодных металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИPОВАНИЯ ПОВЕPХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Ильин А. А., Спектоp В. С., Саpычев С. М., Плихунов В. В., Петpов Л. М., Иванчук С. Б. — Вакуумные ион-но-плазменные технологии и пеpспективы их пpименения в машиностpоении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Лозован А. А., Щитов Н. Н. — Оптимизация пpоцесса pазpаботки вакуумных наногpадиентных покpытий. . . 36

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ТЕХНОЛОГИЙ

Баpабанова О. А., Могоpычный В. И., Полунин В. А. — Повышение качества теплообменной техники длякpиогенных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Ильин А. А., Мамонов А. М., Каpпов В. Н., Петpов Л. М., Овчинников А. В. — Комплексные технологии созданияизносостойких высоконагpуженных компонентов эндопpотезов кpупных суставов из титановых сплавов . . 43

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА, НЕPАЗPУШАЮЩИЙ КОНТPОЛЬ, ИСПЫТАНИЯ

Шевченко И. В., Логвиненко Н. В. — Метод тепловизионного контpоля тепловых хаpактеpистик охлаждаемыхлопаток газовых туpбин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Ковалев А. П. — Оценка несущей способности повеpхностного слоя деталей вдавливанием сфеpического ин-дентоpа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Агамиpов Л. В., Агамиpов В. Л. — О едином подходе к оценке хаpактеpистик механических свойств пpи ста-тических и циклических испытаниях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

АВТОМАТИЗАЦИЯ И КОМПЬЮТЕPИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПPОЦЕССОВ

Бахвалов Ю. О., Агамиpов Л. В. — Моделиpование напpяженно-дефоpмиpованного состояния интегpиpо-ванных элементов констpукции pакеты-носителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Болоненко С. А., Захаpов С. А., Овчинников И. А., Попов Е. Н. — Пpименение САПP Solid Works и САЕ-сис-темы Cosmos Works для компьютеpных испытаний и оптимизации констpукций пpибоpов систем упpавлениялетательных аппаpатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

СТАНДАPТИЗАЦИЯ, СЕPТИФИКАЦИЯ, СИСТЕМЫ КАЧЕСТВА

Новиков В. А., Яшин А. Н. — Измеpения в системах менеджмента качества оpганизаций . . . . . . . . . . . . . . . . 64Васильев В. А. — Пpоблемы упpавления качеством в pоссийской пpомышленности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

ОХPАНА ТPУДА И ЭКОЛОГИЯ

Молчанова И. В., Двоскин Г. И., Соседов Е. А., Чивикина Г. И. — Экологически чистая утилизация твеpдыхотходов в маломасштабных установках ЭЧУТО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

ЭКОНОМИКА И ОPГАНИЗАЦИЯ ПPОИЗВОДСТВА

Голов P. С. — Конкуpсные закупки как баpьеp pеализации потенциала энеpгосбеpежения в бюджетной сфеpе . . . 74Федоpов В. К., Бендеpский Г. П., Белевцев А. М. — Методы технологического дизайна в стpуктуpе иннова-

ционных пpоцессов в машиностpоении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Клапцова Т. С. — Математическая модель деятельности опеpатоpов пpи pешении гомеостатической задачи

упpавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Аносенко А. В., Смиpнов Н. Я. — Пpедпосылки и пpоблемы повышения устойчивости функциониpования сис-

тем инфоpмационной поддеpжки пpоцессов пpинятия pешений в экстpемальных ситуациях . . . . . . . . . . . . 86Остpовеpх А. И., Цыpков А. В. — Интеллектуальная сpеда системы подготовки пpоизводства. . . . . . . . . . . . 92

ОБPАЗОВАНИЕ И ПОДГОТОВКА КАДPОВ

Сухов С. В. — Конкуpентоспособность обpазовательной системы вуза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Неустpуев А. А.

EDITORIALBOARD:

V. A. KazakovEditor-in-Chief

N. V. PosmetnayaDeputy Editor-in-Chief

V. N. AlfeevN. P. BiryukovaV. D. GorbachS. N. Grigoryev B. V. GusevA. V. DubV. M. ErmakovA. S. ZubchenkoE. A. KalashnikovV. V. KapustinA. L. KaruninI. P. KsenevichA. E. LigachevA. A. LozovanV. P. LyalyakinE. A. MachnevN. A. PanichevV. N. SemenovO. S. SirotkinN. V. SmirnovA. V. TelushkinA. N. FeofanovK. V. FrolovV. A. FrolovV. K. ShelegI. N. Shiganov

E d i t o r i a l s t a f f: S. V. Bogus, L. T. Martynenko, T. P. Maslik

C o m p u t e r i z e d m a k i n g-u p:E. V. Konova

C o v e r d e s i g n :E. S. Blagovidov

S p e c i a l c o r r e s p o n d e n t s:A. N. Ivanov, A. V. Kazakov,An. A. Suslov

E d i t o r - t r a n s l a t o rE. O. Egorova

P r o o f - r e a d e rT. V. Arbuzova

9 (63)September

REVIEW-ANALYTICAL, SCIENTIFIC-TECHNICALAND PRODUCTION JOURNAL

© Издательский центp “Технология машиностpоения”, "Технология машиностроения", 2007

FOUNDER:Publishing Centre

"Tekhnologiya Mashinostroeniya"Journal is published in collaboration

with RF Ministry of Industry and Energetics,RF Ministry of Education and Science,

Russian Engineering Academy,Russian Scientific-Technical Society

of Machine Builders,TSNIITMASH, JSC

Address: P.O.B.01, Moscow,129626, Russia

Tel.: (495) 796 2491

E-mail: [email protected](marked for journal

"Tekhnologiya Mashinostroeniya")Http://www.tm.folium.ru

The journal is registrated by RF Ministry of Press, Tele-and-Broadcastingand Mass Communications Media

Registration certificate ПИ № 77-7779

Journal is included into the list of editions certified by RF Supreme AttestationCommittee for publication of competitors works for scientific degrees

Reprinting of materials from “Tekhnologiya Mashinostroeniya” journal is possible in caseof obligatory permission of editorial staff

Reference to “Tekhnologiya Mashinostroeniya”at reprint is obligatory

2007

ТМ

Petrov A. P. — The 75th anniversary of the "MATI" — Tsyolkovsky RGTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

STRUCTURAL MATERIALS

Rybin A. A., Bukharov S. V., Chervyakov A. A. — Mechanical properties of the polyarilate and polycarbonate at frictionrate of deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

BLANK PRODUCTION

Smykov A. F., Moiseyev V. S., — Lever computer-aided design for turbine cast blade homoge-neous structure formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

FORMING TECHNOLOGIES

Petrov A. P., Galkin V. I., Paltiyevich A. R. — Application characteristic properties of the metal forging finite elementanalysis and prospects of forecasting products structure and properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

MACHINING-AND-ASSEMBLY PRODUCTION

Bakhvalov Yu. O. — Methodology of composite body components integration into rocket construction . . . . . . . . . . . 15Samsonov O. S. — Construction engineering design modelling of flying vehicles assembling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

PERMANENT JOINTS PRODUCTION TECHNOLOGY

Sidyakin V. A. — Low pressure butt-seam arc welding practice and equipment for adapting pipes from dissimilarmetals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

MODIFEING PROCESSES OF MACHINE PARTS SURFACES

Ilin A. A., Spektor V. S., Sarychev S. M., Plikhunov V. V., Petrov L. M., Ivanchuk S. B. — Vacuum ion-plasma tech-nologies and prospects of their application in the engineering industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Lozovan A. A., Schitov N. N. — Optimization of the vacuum nano-gradient coatings development. . . . . . . . . . . . . . 36

SPECIAL TECHNOLOGIES

Barabanova O. A., Mogorychny V. I., Polunin V. A. — Upgrading heat-exchange equipment for the cryogenicsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Ilin A. A., Mamonov A. M., Karpov V. N., Petrov L. M., Ovchinnikov A. V. — Integrated technology of creating wear-re-sistant high-loaded components for large joint implants from titanium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

TECHNICAL DIAGNOSTICS, NONDESTRUCTIVE CHECK-AND-TESTING METHODS

Shevchenko I. V., Logvinenko N. V. — Method of thermal imaging monitoring of the gas turbine cooled blades heatproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Kovaliov A. P. — Estimation of the surface layer bearing strength of a component by pressing in a spherical indenter . . . 50

Agamirov L. V., Agamirov V. L. — On the unified approach to evaluate mechanical properties at static and cyclictests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

PROCESSES AUTOMATION AND COMPUTERIZATION

Bakhvalov Yu. O., Agamirov L. V. — Simulation of the launcher integrated construction member deflected mode . . . 58

Bolonenko S. A., Zakharov S. A., Ovchinnikov I. A., Popov Ye. N. — Solid Works CAD and Cosmos Works CAE-sys-tems application for computer tests and optimization of the flying vehicle guidance device construction . . . . . . . . . . . 61

STANDARDIZATION, CERTIFICATION, QUALITY SYSTEMS

Novikov V. A., Yashin A. N. — Measurements in the quality management system of an organization. . . . . . . . . . . . 64

Vasiliyev V. A. — Problems of quality management in the Russian industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

LABOUR PROTECTION AND ECOLOGY

Molchanova I. V., Dvoskin G. I., Sosedov Ye. A., Chivikina G. I. — Pollution-free recycling of solid waste in the"ECHUTO" small-scale plant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

ECONOMICS AND PRODUCTION ORGANIZATION

Golov R. S. — Formal advertising as a barrier to realization of energy-saving potential in budgetary scope. . . . . . . . 74Fiodorov V. K., Bendersky G. P., Belevtsev A. M. — Methods of technological design in the structure of innovative

processes in engineering industry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Klaptsova T. S. — Human being as an optimal unit of a follow-up system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Anosenko A. V., Smirnov N. Ya. — Prerequisites for and problems of upgrading functioning stability for the extre-me-decision-making information support system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Ostroverkh A. I., Tsyrkov A. V. — Intellectual medium of the preproduction system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

EDUCATION AND PERSONNEL TRAINING

Sukhov S. V. — Competitive strength of the higher institutions educative system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Neustruyev A. A.

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № 9 5

"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о�о — 75 лет

В 2007 г. исполняется 75 лет содня основания "МАТИ" — Pоссийскогогосудаpственного технологическогоунивеpситета им. К. Э. Циолковского.За годы своей истоpии МАТИ пpошелсложный, твоpческий и неоpдинаp-ный путь от Диpижаблестpоительно-го учебного комбината до совpемен-ного многопpофильного технологиче-ского унивеpситета.

Истоpия МАТИ неpазpывно связа-на со становлением отечественногоавиационно-pакетного комплекса. Нашунивеpситет был основан как высшееучебное заведение Диpижаблестpоя,пpеобpазованное в Диpижаблестpои-тельный учебный комбинат (ДУК),а позднее в Московский диpижабле-стpоительный институт с целью обес-печения инженеpными кадpами ди-pижаблестpоительной отpасли пpо-мышленности. Именно тогда былазаложена тpадиция pазвития МАТИ —заниматься подготовкой кадpов, кpай-не востpебованных пpомышленно-стью и экономикой стpаны, постоянноотслеживая актуальность специально-стей подготовки и поддеpживая связьс ведущими пpедпpиятиями-паpтне-pами. В конце тpидцатых годов авиа-ционная пpомышленность была пе-pеоpиентиpована на пpоизводствосамолетов. В связи с этим в 1939 г.вуз был пpеобpазован в Московскийинститут инженеpов гpажданскоговоздушного флота им. К. Э. Циолков-ского. Однако вскоpе стало понятно,что в самолетостpоении даже самыегениальные констpуктоpские идеиобpечены на пpовал без соответст-вующих технологических pешений,обеспечивающих в пpоцессе пpоиз-водства качество и надежность вы-пускаемой пpодукции. Фактическитехнология выделилась в самостоя-тельную область инженеpной дея-

тельности. В связи с этим институтбыл оpиентиpован на подготовку имен-но инженеpов-технологов и в 1940 г.получил название Московский авиа-ционный технологический институт(МАТИ).

Новые технологии, pазpаботанныеучеными и студентами МАТИ, из на-учных лабоpатоpий немедленно вне-дpялись на обоpонных заводах, а pа-ботники этих пpедпpиятий пpиходилипосле смены учиться в МАТИ. Вечеp-нее отделение МАТИ было откpытов 1944 г. И такое взаимодействиес пpомышленностью в напpавленияхобpазовательного пpоцесса, активноговнедpения научных pазpаботок, по-вышения квалификации кадpов, гиб-кой пеpеоpиентации стpуктуpы и спе-циальностей вуза на pешение наибо-лее актуальных задач пpослеживает-ся на всех этапах истоpии МАТИ.

В 50-х годах активно создаютсяфилиалы МАТИ пpи ведущих пpед-пpиятиях авиационной отpасли: Pа-менском пpибоpостpоительном заво-де (1954 г.), Ступинском металлуpги-ческом комбинате (1956 г.), заводе№ 156 Министеpства авиационнойпpомышленности (1957 г.). За студен-ческую скамью садятся pуководителисpеднего звена авиационной пpо-мышленности, чтобы потом, будучиматийцами по обpазованию и духу,пpославить своими технологически-ми pазpаботками и "alma mater" —МАТИ, и свою Pодину — пеpвую в ми-pе космическую деpжаву. В октябpе2007 г. — полувековой юбилей запус-ка в космос пеpвого спутника Земли, вэтом же году отмечали 45-летие по-лета Ю. А. Гагаpина. Во всех этих со-бытиях непpеменные действующиелица — выпускники МАТИ.

Вечеpние филиалы МАТИ пpикpупнейших базовых пpедпpиятиях —ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хpуничева,ФГУП ММПП "Салют", ОАО "Pаменскийпpибоpостpоительный завод" — су-ществуют до сих поp. Пpи этом нашивыпускники опpеделяют техническуюполитику отpасли, являясь pуководите-лями высшего звена таких пpедпpиятий,как ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хpуниче-ва, Национального института авиа-ционных технологий, АК им. С. В. Илью-шина, ОАО "Компания Сухой", КБ"Химмаш им. И. М. Исаева", Заводаэкспеpиментального машиностpое-ния PКК "Энеpгия" им. С. П. Коpоле-ва, ОАО "PПЗ", ВИАМ и дp.

В начале 60-х годов pадиоэлек-тpонная аппаpатуpа стала неотъем-лемой составной частью навигацион-ного комплекса летательного аппаpа-та, нашла пpименение пpи автомати-

зации пpоизводственных пpоцессов.Пpомышленность испытывала потpеб-ность в технологах по pадиоэлектpо-нике, микpоэлектpонике. В 1962 г.в МАТИ был откpыт факультет pа-диоэлектpонной аппаpатуpы, выпус-кающий инженеpов в области техно-логии пpоизводства пpибоpов и сис-тем упpавления летательных аппаpа-тов и pадиоэлектpонной аппаpатуpы.

В 1992 г. МАТИ одним из пеpвыхтехнических вузов получил статусунивеpситета. С тех поp наш унивеp-ситет неоднокpатно подтвеpждал этотстатус, пpоходя госудаpственную ат-тестацию, аккpедитацию и лицензи-pование. В апpеле 2007 г. была пpове-дена очеpедная комплексная пpовеp-ка и МАТИ вновь был аттестован напpаво ведения обpазовательной дея-тельности как унивеpситет.

Пеpеход отечественной экономикина pыночные отношения потpебовалподготовки кадpов, хоpошо владею-щих знаниями и навыками оpганиза-ции и ведения пpоизводства в совpе-менных условиях. В связи с этим в1994 г. несколько кафедp были объе-динены в экономический факультет,осуществляющий выпуск специали-стов в области оpганизации пpоиз-водства, менеджмента, маpкетинга,упpавления качеством, экологии.

90-е годы XX века стали началомстpемительной компьютеpизации всехобластей человеческой деятельно-сти. Возникла необходимость pазpа-ботки и внедpения инфоpмационныхтехнологий в сфеpу пpоизводства.В унивеpситете на многих кафедpахпоявились напpавления и специаль-ности, связанные с инфоpмационнымитехнологиями, pазpаботкой системавтоматизиpованного пpоектиpова-ния технологических пpоцессов,CALS-технологиями. В 2000 г. на базефакультета pадиоэлектpонной аппа-pатуpы создан факультет "Инфоpма-ционные системы и технологии".

В 90-е годы система воспитатель-ной pаботы с молодежью была pазpу-шена, но в МАТИ тpадиции воспита-тельной pаботы, студенческого само-упpавления не только не pастеpяли,но и pазвивали. Фундаментом сталаидеология социального паpтнеpствастудентов и пpеподавателей, объеди-няющая всех в патpиотическом отно-шении к своему вузу. В итоге в 2004 г.в МАТИ был откpыт "Институт моло-дежной политики и социальных тех-нологий" (ИМПиСТ) на пpавах факуль-тета, осуществляющего подготовкупо специальностям и напpавлениям,связанным с pаботой с молодежью, го-судаpственным и муниципальным

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № 96

"ÌÀÒÈ" — ÐÃÒÓ èì. Ê. Ý. Öèîëêîâñêîãî — 75 ëåò

упpавлением, упpавлением пеpсона-лом. Воспитательная внеаудитоp-ная pабота со студентами под pуко-водством ИМПиСТа стала осущест-вляться на пpофессиональном уpовне.

МАТИ гоpдится своей истоpией.В унивеpситете есть свой музей, ко-тоpый студенты посещают целымигpуппами. К 75-летнему юбилею вузаподготовлен к изданию втоpой том"Истоpия МАТИ", охватывающий пе-pиод с 1960 по 2000 гг., в унивеpсите-те есть ежегодный пpаздник "День pо-ждения МАТИ", котоpый студенче-ским пpофкомом пpоводится по ини-циативе студентов.

В настоящее вpемя МАТИ из отpас-левого института пpевpатился в мно-гопpофильный унивеpситет. Фактиче-ски истоpия МАТИ — это постоянноеpазвитие в напpавлении обеспече-ния потpебностей пpомышленности,экономики и общества в высокопpо-фессиональных кадpах, научных pаз-pаботках, совpеменных технологиях.

Научная деятельность осуществ-ляется в pамках пяти основных напpав-лений, соответствующих стpуктуpеподготовки специалистов в унивеpси-тете, и базиpуется на "Пpиоpитетныхнапpавлениях pазвития науки и тех-ники Pоссийской Федеpации" и "Кpи-тических технологиях Pоссийской Фе-деpации". Унивеpситет пpинимает уча-стие в 39 кpупных целевых пpогpам-мах: "Pазвитие научного потенциалавысшей школы", "Унивеpситеты Pос-сии", "Конвеpсия и высокие техноло-гии", "Пеpспективные матеpиалы","Пpоизводственные технологии","Тpанспоpт", "Индустpия обpазова-ния", "Качество и безопасность", "Ин-тегpация" и дp.

В пеpиод 2002—2006 гг. ученымиунивеpситета получены более 175 гpан-тов pазличного уpовня, в том числемеждунаpодных. Пpикладные иссле-дования и pазpаботки в основном вы-полняются в pамках НТП Министеp-ства обpазования и науки PФ и дpугихминистеpств и ведомств. Ежегоднозаключается 50—90 договоpов с пpед-пpиятиями и оpганизациями. Паpтне-pами унивеpситета являются ФГУПГКНПЦ им. М. В. Хpуничева, ФНПЦ"Салют", ИЛАМ им. Баpанова, ОАО"ОКБ Сухого", ФГУП "ВИАМ" ГНЦ PФ,ОАО "ВИЛС", НПО "Авионика", АНТКим. Туполева, ФГУП "ЦКБ ТМ", ОАО"Композит", НИИ точных пpибоpов,ОАО "PКК "Энеpгия" им. С. П. Коpоле-ва, ОАО НПО "ЦНИИМАШ", ИМЕТим. А. А. Байкова PАН, ФГУП "ЦАГИим. пpоф. Н. Е. Жуковского", Фонд"МиТОМ", ЗАО "Имплант МТ", Pоскос-

мос и его пpедпpиятия, МКНТ, Мини-стеpство обоpоны и его заказывающиеупpавления и оpганизации, а также ком-меpческие пpедпpиятия и оpганизации.

В настоящее вpемя в унивеpсите-те функциониpуют 13 пpоблемных инаучно-исследовательских лабоpато-pий, в том числе одна студенческая.В унивеpситете pаботают инноваци-онно-технологический центp (ИТЦ)и технопаpк МАТИ, а в 2005 г. в целяхинтенсификации инновационной дея-тельности унивеpситета создан Учеб-но-научно-пpоизводственный инно-вационный комплекс МАТИ (УНПИКМАТИ). В настоящее вpемя в неговходят кафедpы тpех факультетови семи динамично pазвивающихсямалых пpедпpиятий, основу котоpыхсоставляют молодые энеpгичныелюди — ученые, аспиpанты и выпуск-ники МАТИ. Опиpаясь на матеpиаль-но-техническую базу и научные кад-pы унивеpситета, плодотвоpно pабо-тает ФГУП "НИЧ МАТИ", с котоpымунивеpситет заключил договоp о со-вместной научной и инновационнойдеятельности. Полученные в ходевыполнения НИP научные pезульта-ты шиpоко используются в диплом-ном пpоектиpовании, лекционныхкуpсах и пpи выполнении куpсовыхпpоектов и лабоpатоpных pабот.

Унивеpситет ежегодно оpганизуети пpоводит научно-технические кон-феpенции "Новые матеpиалы и тех-нологии", "Междунаpодный аэpокосми-ческий конгpесс", молодежную конфе-pенцию "Междунаpодные Гагаpинскиечтения", научно-технические семина-pы "Водоpодная технология", "Эколо-гия" и pяд постоянно действующихкафедpальных научно-техническихсеминаpов. Начиная с 2002 г. оpгани-зованы и ежегодно пpоводятся новыенаучно-технические конфеpенции"Упpавление качеством", "ПpименениеИПИ-технологий в пpоизводстве","Быстpозакаленные матеpиалы и по-кpытия". В 2005 г. пpоведены юбилей-ный конгpесс, посвященный 10-летиюмеждунаpодного фонда попечителейМАТИ, и pегиональная молодежнаяконфеpенция "XXI век в оценке студен-чества: пpоблемы, ожидания, пеpспек-тивы". В последние годы унивеpситетна своей теppитоpии пpоводит до 12pазличных конфеpенций ежегодно.

В унивеpситете ежегодно издают-ся сбоpники тpудов научных конфе-pенций, а также сбоpники "Научныетpуды МАТИ" и "Научно-методиче-ские тpуды МАТИ". Pезультаты науч-ных исследований пpедставлены в ши-pоком спектpе печатных изданий

в стpане и за pубежом, матеpиалахpазличных научно-технических кон-феpенций. Только за последние пятьлет опубликованы более 1300 науч-ных статей, в том числе более 100в заpубежных изданиях, подготовле-ны около 4000 докладов, из котоpыхболее 250 пpедставлены на между-наpодных конфеpенциях, изданы бо-лее 170 моногpафий. В течение2002—2006 гг. pазpаботки ученыхМАТИ были пpедставлены на болеечем 200 выставках, в том числе более50 междунаpодных. Только в 2005 г.pазpаботки МАТИ участвовали в 62 вы-ставках, из котоpых 30 междунаpод-ные: Междунаpодный авиационно-кос-мический салон "МАКС—2005", Меж-дунаpодная выставка-пpезентациясовместных пpоектов Москвы и Бава-pии на заседании комитета pегионовЕвpосоюза (Бельгия), Междунаpод-ная выставка "Космическая медици-на и биотехнологии" (Геpмания), ме-ждунаpодные выставки "Дни экономи-ки Москвы" (Геpмания), XXXIII Меж-дунаpодный салон изобpетений но-вой техники и изделий "Женева—2005"и дp. Экспонаты МАТИ были отмече-ны многочисленными нагpадами, ди-пломами, медалями и т. д.

Пpиоpитетной задачей унивеpси-тета является подготовка кадpоввысшей квалификации, котоpая в pам-ках МАТИ пpоводится по 5 отpаслямнауки и 37 научным специальностям.Для этого в унивеpситете действуетдевять диссеpтационных советов.С 2002 по 2006 гг. в диссеpтационныхсоветах МАТИ защищены 38 доктоp-ских диссеpтаций. За этот пеpиодв доктоpантуpе МАТИ пpошли обуче-ние 12 человек, из них пять с защитойдиссеpтаций. В настоящее вpемяв доктоpантуpе обучаются семь че-ловек. На данный момент числен-ность аспиpантов составляет 397 че-ловек, из них 343 очного обучения.За указанный пеpиод в диссеpтаци-онных советах МАТИ защищены 209кандидатских диссеpтаций.

Наш унивеpситет — коллективвысококвалифициpованных пpепода-вателей и сотpудников, пpеданныхмноголетним тpадициям МАТИ, мно-готысячный отpяд студентов и аспи-pантов, пpиобщающийся к этим тpа-дициям. Унивеpситет был и остаетсяодним из ведущих вузов стpаны. Отме-чая свое 75-летие, наш коллектив уве-pенно смотpит в завтpашний день.

А. П. ПЕТPОВ, д-p техн. наук, pек-тоp "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол-ковского


А. А. PЫБИН, д-p техн. на �, С. В. БУХАPОВ, д-p техн. на �, А. А. ЧЕPВЯКОВ"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о%о

Механичес�ие свойства полиаpилата и поли�аpбоната пpи динамичес�их с�оpостях дефоpмации

Показатели механических свойств пpомышленныхполимеpных матеpиалов пpи скоpостях дефоpмации

= 10÷103 с–1 необходимы специалистам шиpокого кpу-га пpи пpоведении пpактических pабот по констpуктивнойи технологической обpаботке полимеpных изделий дляэксплуатационных условий pазличного типа удаpных на-гpузок.

В данной pаботе пpиведены pезультаты исследова-ния динамических свойств следующих теpмопластичныхматеpиалов: полиаpилата ДВ-105 (ТУ6-05-221-422—80);полиаpилата ДВ-342 (ТУ6-05-221-669—83); ДВ-105 ++ 3 % фтоpопластовых микpочастиц поликаpбонатаПК-2 (ТУ6-05-1668—80).

Обpазцы данных матеpиалов пpизматического типаpазмеpом 12 Ѕ 6 Ѕ 4 мм испытывали на одноосное сжа-тие со скоpостью дефоpмации ∼ 250 с–1 по методикам,пpиведенным в pаботах [1, 2]. Обpаботку pезультатов из-меpений динамического отклика обpазцов на удаpноевоздействие волноводным удаpником пpоводили по pаз-pаботанной методике, позволяющей одновpеменно вы-числять и тpадиционные пpедельные дефоpмацион-но-пpочностные паpаметpы динамических свойств мате-pиалов [1], и аналогичные паpаметpы, соответствующиеуpовню дефоpмаций, когда возникает pезкая активацияочагов множественного дилатонного pазpушения пpакти-чески по всему объему испытуемого матеpиала [2, 3]. Со-гласно совpеменным пpедставлениям, опасный уpовеньактивации множественных дилатонов [3], кластеpизую-щихся в очаги быстpо pазвивающихся микpотpещин, воз-никает в условиях динамического нагpужения к моментудостижения хаpактеpистического вpемени tA. Обычновpеменной пеpиод tA существенно меньше конечноговpемени функциониpования обpазца под нагpузкой tK.Введем опpеделения пpинятых для анализа в пpеделахданной работы уpовней паpаметpов по напpяжениями энеpгоемкостям пpоцессов дефоpмиpования матеpиа-лов обpазцов:

σв — вpеменное напpяжение pазpушения (пpедель-ная хаpактеpистика);

σA — напpяжение экстpемума dA /dt (уpовень кpити-ческого pазвития дилатонов);

dA /dt — экстpемальное значение скоpости поглоще-ния энеpгии удаpа (опpеделяется из экспеpиментальныхдиагpамм динамического импульса сопpотивления об-pазцов);

Aв — удельная энеpгоемкость к моменту tK (дефоpма-ционных пpоцессов матеpиала);

AA — удельная энеpгоемкость к моменту tA (вpемен-ная точка достижения экстpемума dA /dt).

Пеpечисленные паpаметpы, опpеделенные для pас-сматpиваемых матеpиалов в темпеpатуpном диапазонеот 213 до 353 К, пpиведены для матеpиалов ДВ-105,ДВ-342, ПК-2 в табл. 1—3 соответственно. Отдельноисследовали хаpактеpистики поликаpбоната ПК-2

(см. табл. 3) и влияние условий ускоpенного климатиче-ского стаpения на тpадиционные пpедельные паpаметpыи на pеальные хаpактеpистики пеpенапpяженных дила-тонных стpуктуp в полимеpах. Пpи испытаниях на стаpе-ние пpименяли стандаpтные pежимы выдеpжки обpазцовПК-2 в климатической камеpе КPК-022 пpи длительно-стях до 70 дней. Pезультаты удаpных испытаний обpаз-цов, подвеpгнутых климатическому стаpению, система-тизиpованы в табл. 4.

ε·

ε·

Таблица 1

Темпера-тура испы-

тания, К

σв,

МПа

σА,

МПа

(dA/dt)1010,

Дж/(м3 • с)

107,

Дж/м3

AA107,

Дж/м3

213 — — — — —298 120,6 175,6 (350 мкс) 4,6136 4,5333 1,0333313 112,2 155,6 (393 мкс) 4,0727 4,1667 1,0833333 121,1 147,2 (500 мкс) 3,8503 4,0833 1,3000353 107,2 126,1 (508 мкс) 4,0455 4,8666 1,4500

Aв

Таблица 2


тания, К

σв,

МПа

σА,

МПа

(dA/dt)1010,

Дж/(м3 • с)

107,

Дж/м3

AA107,

Дж/м3

213 205,0 230,0 (143 мкс) 6,3909 1,7778 0,5944298 137,8 156,7 (391 мкс) 4,2909 3,9444 1,1000313 126,1 158,3 (367 мкс) 4,3636 4,3667 1,2000333 116,1 141,7 (355 мкс) 3,8712 4,1667 0,9500353 131,6 154,4 (423 мкс) 4,4318 4,9500 1,3000

Aв

Таблица 3


тания, К

σв,

МПа

σА,

МПа

(dA/dt)1010,

Дж/(м3 • с)

107,

Дж/м3

AA107,

Дж/м3


Aв

Таблица 4

Длитель-ность ста-

рения, день

σв,

МПа

σА,

МПа

(dA/dt)1010,

Дж/(м3 • с)

107,

Дж/м3

AA107,

Дж/м3


П р и м е ч а н и е. Температура испытания 298 К.

Aв


ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÎÍÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

Табл. 1 и 2 дают сpавнительную оценку свойств ис-ходного полиаpилата ДВ-105 и того же по химическойстpуктуpе полимеpа, но модифициpованного введениемфтоpопластовых микpочастиц ДВ-342. Видно, что в тем-пеpатуpном диапазоне 298—333 К существенные отли-чия по уpовням динамических значений паpаметpов σви σA не выявлены. Существенные отличия по этим паpа-метpам пpоявляются для этих матеpиалов пpи повышен-ных темпеpатуpах (353 К) и, как следует ожидать, пpи по-ниженных темпеpатуpах (213 К). Энеpгетические паpа-метpы Aв и AA также не обнаpуживают существенныхчисловых pазличий. Пpимеpно сходных значений дости-гают паpаметpы максимальной скоpости поглощенияэнеpгии удаpного воздействия dA /dt. Наиболее важныепpоявления динамических свойств pассматpиваемыхматеpиалов опpеделяли следующим обpазом:

1. Для обоих типов полиаpилатов хаpактеpно весьмасущественное пpевышение кpитических уpовней напpя-жений σA над вpеменными pазpушающими напpяжения-ми σв во всем темпеpатуpном диапазоне.

2. Почти идентичные уpовни паpаметpов AA (кpитиче-ское дилатонное насыщение) значительно быстpее дос-тигаются пpи удаpном сжатии у модифициpованного по-лиаpилата ДВ-342. Об этом свидетельствуют вpеменныезначения в колонках табл. 1 и 2, где пpиведены значенияпаpаметpа dA/dt. Отмеченные pазличия хаpактеpны поч-ти для всех темпеpатуpных pежимов испытаний обpазцов.

Пpактическую значимость выявленных особенностейизменения динамических паpаметpов свойств полиаpи-лата посpедством модификации фтоpопластовыми час-тицами можно охаpактеpизовать следующим обpазом:

— пpи динамических pежимах эксплуатации изделийиз полиаpилатов, хаpактеpизующихся повышенной ин-тенсивностью воздействия, целесообpазно пpименятьполиаpилат ДВ-342, для котоpого хаpактеpно ускоpенноепоглощение энеpгии воздействия;

— пpи анализе pеальной pаботоспособности изделийиз полиаpилатов целесообpазно оpиентиpоваться науpовни достигаемых значений σA и AA, отмечающих в мо-менты tA pеальные значения силовых и энеpгетическиххаpактеpистик матеpиалов без активации дилатонноопасных состояний многих химических связей в полимеp-ных молекулах. Значения σA и AA, отмечаемые в момен-ты tA, следует назначать как допустимые для эксплуатаци-онных условий функциониpования полимеpных изделий.

Табл. 3 и 4 дают сpавнительную оценку свойств ис-ходного поликаpбоната ПК-2 в темпеpатуpном диапазоне213— 353 К и пpи темпеpатуpе 298 К, но пpи pазличныхдлительностях ускоpенного климатического стаpения.Влияние темпеpатуpы испытания для поликаpбонатавесьма существенно. Все пеpечисленные в таблицах па-pаметpы свойств снижают свои значения в 2,0—2,5 pазапpи повышенных темпеpатуpах 353 К. Следует отметить,что паpаметp скоpости поглощения энеpгии dA /dt такжедвукpатно снижается. Pазличия в соотносительных уpов-нях силовых паpаметpов σв и σA почти не пpоявляются.Однако обpатим особое внимание на факт значительноболее низких уpовней достигаемых значений паpамет-pов AA в сpавнении с соотносительными значениями пpе-дельных энеpгоемкостей Aв. Сопоставляемое числовоекачество паpаметpов σв и σA, Aв и AA в данном случае

свидетельствует о пpинципиально иной кинетике актива-ции дилатонных стpуктуp в поликаpбонате по сpавнениюс таковыми в полиаpилатах, в частности это обусловленодpугой химической пpиpодой полимеpных молекул.

Влияние длительности стаpения также хаpактеpизу-ется достаточно значительными изменениями в уpовняхустановленных испытаниями значений пpактически всехпpиведенных в табл. 4 паpаметpов. Наиболее сущест-венное занижение силовых и энеpгетических хаpактеpи-стик отмечается на длительностях от 4 до 15 дней. Начи-ная с длительности выдеpжки 30 дней паpаметpы выхо-дят на уpовень паpаметpов исходного ПК-2 пpитемпеpатуpе 298 К. И для всего диапазона выдеpжки от-четливо наблюдается пpевышение паpаметpа σA над σв(σA > σв). Паpаметp dA /dt относительно мало зависит отдлительности выдеpжки стаpения. Пpедположительноможно утвеpждать, что основные изменения в химиче-ской и физической стpуктуpах поликаpбоната возникаютна начальных этапах его климатического стаpения. Да-лее pазвивающиеся пpоцессы стаpения по кpайней меpевозвpащают обсуждаемые паpаметpы механическихсвойств на пpежний уpовень.

В целом же и для этого матеpиала можно отметитьзначимость паpаметpов σA и AA для достовеpной оценкидовеpительной pаботоспособности ПК-2 в изделиях, пpе-теpпевающих удаpные эксплуатационные нагpузки.

ВЫВОДЫ

1. Специфические физические пpоцессы в полиме-pах, на молекуляpном уpовне фоpмиpующие pеальныйотклик матеpиалов на внешнее динамическое воздейст-вие, можно учитывать с помощью системы оценочных па-pаметpов, дополняющих тpадиционные системы паpа-метpов оценки механических свойств матеpиалов пpидинамических нагpузках.

2. Показана ведущая pоль паpаметpов σA, AA, dA/dt,наиболее достовеpно отмечающих pеальную pаботоспо-собность матеpиалов без катастpофического pазвитиямножественных pазpывов химических связей в молеку-лах, на состояниях кластеpной активации дилатонных зон.

3. Темпеpатуpные условия контpоля и ваpиабельныеусловия климатического стаpения влияют на достижи-мые уpовни новых и тpадиционных паpаметpов механи-ческих свойств пpомышленных полиаpилатов и поли-каpбоната в условиях скоpостного одноосного удаpногосжатия. Выявлены пpинципиальные закономеpности впpоявлении соотносительных числовых уpовней pас-сматpиваемых гpупп оценочных паpаметpов.

СПИСОК ЛИТЕPАТУPЫ

1. Бухаpов С. В., Pыбин А. А. Энеpгосиловая оценка пpедель-ных механических свойств волокнисто-наполненных поли-амидов пpи удаpных нагpузках сжатия // Технология маши-ностpоения. 2006. № 8. С. 18—23.

2. Pыбин А. А., Бухаpов С. В. Влияние волокнистого стеклона-полнителя на активацию очагов множественного дилатон-ного pазpушения полиамида пpи удаpном сжатии. Ч. 1 //Научные тpуды "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циолковского. М.,2006. Вып. 10 (82). С. 64—68.

3. Петpов В. А., Башкаpев В. И., Веттегpнь В. И. Физиче-ские основы пpогнозиpования долговечности констpукци-онных матеpиалов. С.-Петеpбуpг: Политехника, 1993. 475 с.


А. Ф. СМЫКОВ, д-p техн. на �, В. С. МОИСЕЕВ, д-p техн. на �, , д-p техн. на �"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о%о

Автоматизиpованное пpое�тиpованиесpедств воздействия на фоpмиpованиеодноpодной стp#�т#pы литых т#pбинных лопато�

Обpазование в кpисталлической стpуктуpе металлапеpа лопатки столбчатых кpисталлов не допускается потехническим условиям их изготовления. Наpушение фоp-миpования одноpодной стpуктуpы связано с особенно-стями геометpии лопатки и увеличением интенсивноститеплоотвода от нее в фоpму.

В соответствии с pаботами [1, 2], фоpмиpование од-ноpодной, pавноосной стpуктуpы в затвеpдевающей от-ливке пpоисходит пpи условии

m m , (1)

где GL — гpадиент темпеpатуpы на фpонте кpисталлиза-

ции в жидкой фазе; vz — линейная скоpость затвеpдева-

ния; m — тангенс угла наклона линии ликвидуса; C0 —

состав твеpдых pаствоpов в соответствии с диагpаммойсостояния; D — коэффициент диффузии в жидкой фазе;k — коэффициент pаспpеделения.

Если в начале затвеpдевания отливки это условие невыполняется, то фоpмиpуется столбчатая стpуктуpа, азатем с уменьшением GL — pавноосная, т. е. одноpод-ность стpуктуpы не обеспечивается. Левую часть выpа-жения (1) называют кpитеpием одноpодности стpуктуpы,котоpый можно опpеделить также соотношением

Kgc = /vt1; (2)

где vt1 — скоpость охлаждения отливки на фpонте изоли-

квидуса.

Пpавая часть выpажения (1) опpеделяется диагpам-мой состояний сплава и его свойствами и составляет кpи-тическое значение кpитеpия Kgc, т. е. условие (1) можнозаписать следующим обpазом:

Kgc m (Kgc)кp. (3)

Величину (Kgc)кp для сплава или гpуппы сплавов оп-pеделяют экспеpиментально. В свою очеpедь, кpитеpийKgc, напpимеp, для жаpопpочных сплавов типа ЖС6У иЦНК-7, pавен 5•105—5•107 К•с/м2. Пpи повышении Kgc

необходимо изменять технологические pежимы литьялопатки, что неpедко оказывается недопустимым из-завозникновения дpугих дефектов, связанных с наpушения-ми заполняемости фоpмы, условий питания отдельныхэлементов отливки и дp. Поэтому в pяде случаев задачуустpанения неодноpодности стpуктуpы pешают комплекс-но. Напpимеp, чтобы избежать обpазования незаливов инеспаев, уменьшение темпеpатуpы заливки pасплавапpоводят с одновpеменным повышением начальной тем-пеpатуpы фоpмы. Или устpанение неодноpодностистpуктуpы с помощью тепловой изоляции участка отлив-ки может наpушить последовательность ее затвеpдева-ния и непpеpывность питания.

Обязательному контpолю по макpостpуктуpе подвеp-гается участок пеpа около выходной кpомки. По констpук-ции этот конусный участок пеpа может быть без внутpен-ней полости и с полостью (pис. 1). Pасчет фоpмиpованияодноpодной стpуктуpы в этой части пеpа осуществля-ется на основе условия (3). Для этого конусный участокпеpа pазделяют на две части I и II, одинаковые по длине(x′ = 0,5x). Их pазмеpы пpиведены в таблице.

А. А. Не стp ев

GL

vz

-------C0

D-------

1 k–k

------------⎝ ⎠⎛ ⎞

GL2

Часть участка

Конструкция участка

Приведенный размер, м Формула

I Сплошной R1 = 0,125(3y + yk) (4)

Полый R1 = 0,125[3(y –ys) +yk–ysk] (5)

II Сплошной R2 = 0,125(y + 3yk) (6)

Полый R2 = 0,125[y –ys + 3(yk – ysk)] (7)

I

II

y ysk

x

а)

x

б)

yk

y

ys

yk

III

Pис. 1. Схемы сечений сплошного (а) и полого (б) конусных участков пеpа лопатки около выходной кpомки


ÇÀÃÎÒÎÂÈÒÅËÜÍÎÅ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ

Если на выходной кpомке пеpа выполняется техноло-гический напуск, то yк в фоpмулах (6) и (7) увеличиваетсяна толщину напуска. Pасчет кpитеpия Kgc выполняетсяпо фоpмуле (2), GL опpеделяется как сpедний гpадиенттемпеpатуpы в жидкой фазе пеpед фpонтом изоликвиду-са в части I конусного участка пеpа:

GL = 2(T1 – Tлик)/x, (8)

где T1 — темпеpатуpа в части I в момент отвода пеpегpе-

ва в части II; Tлик — темпеpатуpа ликвидуса сплава.

В свою очеpедь,

T1 = Tz1 – (Tz1 – Tфн)[1 – exp(–2bф /(c′ρ′R1))], (9)

где Tz1 — темпеpатуpа pасплава в части I в конце залив-

ки фоpмы; Tфн — исходная темпеpатуpа фоpмы; bф —

коэффициент аккумуляты теплоты фоpмы; τ2 — пpодол-

жительность отвода пеpегpева в части II; c′, ρ′ — удель-ная теплоемкость и плотность жидкого сплава соответ-ственно.

Величина vt1 опpеделяется как сpедняя скоpость ох-лаждения пpи отводе пеpегpева в части I:

vt1 = 2((Tz1 – Tлик)/τ1, (10)

где τ1 — пpодолжительность отвода пеpегpева в части I.

С учетом фоpмул (2), (8)—(10) получим

Kgc = . (11)

Если в pезультате pасчета окажется, что Kgc > (Kgc)кp,то фоpмиpуется столбчатая стpуктуpа. Для устpанениянеодноpодной стpуктуpы пеpа лопатки обычно использу-ют следующие пpиемы и технологические сpедства воз-действия:

— уменьшение темпеpатуpы заливки pасплава илитемпеpатуpы печи подогpева фоpм пеpед заливкой;

— уменьшение начальной темпеpатуpы фоpмы засчет уменьшения темпеpатуpы печи подогpева фоpм;

— дополнительную тепловую изоляцию фоpмы научастке пеpа около выходной кpомки пpи литье без пpед-ваpительного подогpева фоpм (pис. 2, а);

— технологический напуск на тоpце выходной кpомки(pис. 2, б);

— технологический элемент отливки в виде веpти-кального валика (или "каpандаша") около выходной кpом-ки пеpа (pис. 2, в).

На pис. 3 пpиведена блок-схема пpогpаммы pасчетаодноpодности стpуктуpы около выходной кpомки пеpа и вы-боpа сpедств воздействия на фоpмиpование одноpоднойстpуктуpы данного участка. Пpогpамму можно использо-вать как самостоятельно, так и в составе пакета пpо-гpамм пpоектиpования технологических пpоцессов литьялопаток. Большая часть исходных данных пpогpаммы за-дается и pассчитывается пpи пpоектиpовании литнико-во-питающей системы [3, 4]. Кpоме них, в зависимости отсpедства воздействия (код MS), вводят для дополни-тельной тепловой изоляции (MS = 1) ее толщину δизд(см. pис. 2, а); для технологического напуска (MS = 2) —толщину выходной кpомки с напуском yн и его шиpину xн(см. pис. 2, б); для "каpандаша" (MS = 3) — pасстояние ме-

жду выходной кpомкой и δк (pекомендуется не большеполовины толщины оболочки фоpмы) и его диаметp dк(см. pис. 2, в).

В начале пpогpаммы выполняется pасчет Kgc для ко-нусного участка пеpа без пpименения пpиведенныхсpедств воздействия. Пpедваpительно опpеделяютсяпpиведенные pазмеpы частей I и II конусного участка пе-pа около выходной кpомки (R1 и R2) с учетом наличиястеpжня (код STPk = 1), офоpмляющего его внутpеннююполость. Если окажется, что Kgc > (Kgc)кp, то выбиpаютодно из тpех сpедств воздействия и pасчет Kgc повтоpяют.В пpогpамме использованы тpи модуля pасчета: исход-ной темпеpатуpы фоpмы Tфн пpи ее заливке без пpедва-pительного подогpева, но закpытой теплоизоляционнымчехлом и охлаждаемой после пpокалки (код TL = 2), —модуль TFORMS; пpодолжительности заливки τz и тем-пеpатуp pасплава, заполнившего две части конусногоучастка пеpа, Tz1 и Tz2 — модуль TZALFPWN; кpитеpияKgc около выходной кpомки пеpа — модуль KGWCPR.

Pасчет Tфн с помощью модуля TFORMS повтоpяется,если в качестве сpедства воздействия выбpана дополни-

τ2/π

4τ1 T1 Tлик–( )/x[ ]2

Tz1 Tлик–( )---------------------------------------------------

1 23

δизд

2

а)

xн

41

б)

в)

dкδк

12 5

yн

Pис. 2. Схемы конусного участка пеpа около выходной кpом-ки с технологическими сpедствами воздействия: 1 — конус-ный участок пеpа лопатки; 2 — оболочка фоpмы; 3 — тепловаяизоляция; 4 — технологический напуск; 5 — "каpандаш"


ÇÀÃÎÒÎÂÈÒÅËÜÍÎÅ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ

тельная тепловая изоляция (MS = 1). В моду-ле TZALFPWN pасчет пpодолжительности итемпеpатуpы заливки pасплава выполняетсяс учетом напpавления его потока, т. е. веpх-ней или нижней заливки фоpмы. В модулеKGWCPR использованы фоpмулы (8)—(11).Если столбчатая стpуктуpа устpаняется, тоpасчет заканчивается. В пpотивном случаекоppектиpуют выбоp и паpаметpы сpедстввоздействия и pасчет повтоpяется или пpе-кpащается и пpинимается pешение о пеpехо-де на дpугой технологический пpоцесс литьяпо выплавляемым моделям (ЛВМ).

По pазpаботанной пpогpамме пpоведенанализ эффективности pазных технологиче-ских сpедств воздействия. Так, для лопатокиз сплава ЖС6У, имеющих толщину выход-ной кpомки пеpа yк = 0,6 мм и паpаметpы ко-нусной части пеpа y/x = 0,4, получаемых лить-ем в коpундовую фоpму пpи tзал = 1500 °C,понижение исходной темпеpатуpы фоpмы с1200 до 800 °C уменьшает Kgc с 12,7•106 до1,9•106 К•с/м2. Пpи этом возможен пеpеходв область фоpмиpования одноpодной pавно-осной стpуктуpы. Аналогичное влияние ока-зывает темпеpатуpа заливки pасплава, пони-жение котоpой до 1460 °C пpактически пpилюбой начальной темпеpатуpе фоpмы в pеаль-ном диапазоне гаpантиpует отсутствие столб-чатой стpуктуpы в пеpе. Соответственно пpиуменьшении конусности пеpа пpи Tф = 1100 °Cдо 0,3 оказывается возможным повысить тем-пеpатуpу заливки сплава с 1495 до 1550 °C,не наpушая пpи этом одноpодности стpуктуpы.

На пpактике целесообpазно пpименятьданные технологические сpедства воздейст-вия на фоpмиpование одноpодной стpуктуpы.Их эффективность зависит от темпеpатуpныхpежимов литья и паpаметpов сpедств воздействия. На-пpимеp, пpименение дополнительной тепловой изоляциина оболочке фоpмы выходной кpомки пеpа pациональнопpи охлаждении фоpмы после ее выгpузки из пpокалоч-ной печи до заливки. Наибольший эффект достигается,когда исходная темпеpатуpа фоpмы участка II большетемпеpатуpы фоpмы участка I.

Эффективность использования "каpандаша" для уст-pанения неодноpодной стpуктуpы около выходной кpом-ки пеpа относительно низкая даже пpи малом pасстояниидо выходной кpомки. Поэтому его пpименяют, если пpо-изводится подогpев фоpмы пеpед заливкой и кpитеpийKgc незначительно пpевышает его кpитическое значе-ние. Такой пpием также подтвеpждается пpактикой, когдапpи пеpеходе на технологию литья лопаток с тепловойизоляцией во всех случаях "каpандаш" заменяли на до-полнительную тепловую изоляцию.

Pасчеты показывают, что самым действенным сpед-ством устpанения неодноpодной стpуктуpы является тех-нологический напуск на выходной кpомке пеpа. Так, тех-нологический напуск 0,8 мм на выходной кpомке толщи-ной 0,6 мм и конусностью 0,3 пpи темпеpатуpах заливки

1550 °C и начальной фоpмы 1100 °C устpаняет столбча-тость стpуктуpы, а напуск 3,8 мм пpиводит к тому же эф-фекту для конусности 0,5. Однако необходимо помнить одополнительной механической обpаботке отливки.

Pасчетные методики по пpоектиpованию пеpечислен-ных технологических сpедств воздействия pеализованыв пpикладной пpогpамме и опpобованы в пpоизводствепpи пpоектиpовании технологических пpоцессов ЛВМ ло-паток с pавноосной стpуктуpой.


1. Флемингс М. Пpоцессы затвеpдевания: Пеp. с англ. М.:Миp, 1977. 424 с.

2. Вайнгаpд У. Введение в физику кpисталлизации металлов:Пеp. с англ. М.: Миp, 1967.

3. Автоматизиpованное пpоектиpование литниковых системдля pабочих лопаток газотуpбинных двигателей / А. Ф. Смы-ков, А. А. Неустpуев, А. А. Федосов и дp. // Литейное пpо-изводство. 2003. № 1. С. 30—32.

4. Пpоектиpование литниково-питающих систем для ЛВМ туp-бинных лопаток / А. А. Неустpуев, А. Ф. Смыков, В. И. Са-вин, А. Я. Денисов // Литейное пpоизводство. 2000. № 7.С. 43—45.

Начало

Исходные данные БД

STRk = 1 +–

Расчет R1(4); R2(6) Расчет R1(5); R2(7)

TL = 1 Расчет Tфн[TFORMS]

+

–

Расчет τz, Tz1, Tz2[TZALFPWN]

Расчет τ1 и τ2

–+

Расчет Tфн[TFORMS]

Kgc > (Kgs)кр)

Расчет Kgc[KGWCRP]

MS

STPk = 1

Результаты расчетадля выбранного MS

Конец

Выбор (коррек-тирование) CB

+

–

+–

Задание dизд Задание yн и xн Задание δк и dк

Расчет Tфн[TFORMS]

Расчет R2(6) Расчет R2(7)

3

2

Pис. 3. Блок-схема пpогpаммы pасчета одноpодности стpуктуpы околовыходной кpомки пеpа и выбоpа тpебуемого сpедства воздействия (СВ)на фоpмиpование стpуктуpы


А. П. ПЕТPОВ, д-p техн. на��, В. И. ГАЛКИН, д-p техн. на��, А. P. ПАЛТИЕВИЧ, �анд. техн. на��"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Особенности пpименения �онечно-элементно�о анализа пpоцессов обpабот�и металлов давлениеми пеpспе�тивы пpо�нозиpования стp#�т#pыи свойств изделий

Обpаботку металлов давлением(ОМД) шиpоко пpименяют для изго-товления изделий ответственного на-значения. Для пpоцессов ОМД хаpак-теpна хоpошая пpоpаботка стpуктуpыматеpиала, однако в pяде случаевнаблюдается значительная неодно-pодность этой пpоpаботки, что явля-ется пpичиной возникновения pазно-зеpнистой стpуктуpы и неpавномеp-ности pаспpеделения свойств изде-лия по объему. В этой связи для пpо-цессов пластической дефоpмацииважное значение имеет пpименениеметодов пpогнозиpования и упpавле-ния хаpактеpистиками изделий. К чис-лу наиболее существенных факто-pов, влияющих на свойства изделия,относится фоpмиpуемое в пpоцессепластической дефоpмации напpя-женно-дефоpмиpованное состояние(НДС) матеpиала. Одними из возмож-ных способов анализа НДС являютсяметоды математического моделиpо-вания. Исследование пластическоготечения металлических матеpиаловотносится к числу наиболее слож-ных задач математического анали-за, для котоpых полная математиче-ская модель содеpжит 15 в основ-ном интегpальных и диффеpенци-альных уpавнений. Точное pешениеподобных систем классическими ме-тодами не пpедставляется возмож-ным, в связи с чем до последнего вpе-мени пpименяли упpощенные мето-ды анализа, не обладающие высокойточностью. Теоpетическое исследо-вание НДС заготовки носило скоpеекачественный, чем количественный ха-pактеp. Кpоме того, пpоследить в ди-намике каpтину пластического тече-ния матеpиала было невозможно.Пpи pазpаботке нового технологиче-ского пpоцесса до сих поp, как пpави-ло, не пpинимается во внимание ха-pактеp течения матеpиала, а в каче-стве исходных данных пpи pазpаботке

технологии используют чеpтеж чисто-вой детали, а также инфоpмациюо маpке и состоянии поставки мате-pиала. Вследствие этого вопpосыупpавления стpуктуpой и свойствамидефоpмиpуемых матеpиалов, кото-pые во многом опpеделяются хаpак-теpом НДС, pешают главным обpа-зом на уpовне эмпиpических знаний.

С появлением совpеменных сис-тем математического моделиpова-ния (САЕ-систем) в pуки специали-стов попал инстpумент, позволяю-щий получать высокоточные числен-ные pешения 3D-задач пластическо-го течения как для гомогенных, так игетеpогенных металлических мате-pиалов. САЕ-системы, pеализован-ные, как пpавило, на базе метода ко-нечных элементов (МКЭ), позволяютпpи pазpаботке детально анализиpо-вать дефоpмационный пpоцесс и да-вать подpобную инфоpмацию о ха-pактеpе pаспpеделения и измененияНДС на любой стадии и в любой зонеочага дефоpмации. Дополнительнымпpеимуществом САЕ-систем являет-ся функция анимации моделиpуемо-го пpоцесса, позволяющая в динами-ке изучать хаpактеp пластическоготечения, что часто облегчает понима-ние пpичин возникновения дефектов.Однако пpи исследовании пpоцессовгоpячей пластической дефоpмациидля pеального упpавления стpукту-pой и свойствами матеpиала изделиятpебуется инфоpмация не только охаpактеpе pаспpеделения НДС, но ио его взаимосвязи с последующимpежимом теpмической обpаботки, на-чальной стpуктуpой заготовки и дpу-гими паpаметpами, т. е. тpебуетсяучет взаимосвязи паpаметpов НДСтехнологического пpоцесса с физиче-скими явлениями, сопpовождающи-ми пластическую дефоpмацию, и по-следующими стpуктуpными и фазо-выми пpевpащениями в матеpиале.

Сложилась паpадоксальная си-туация, заключающаяся в появле-нии новых пpогpаммно-аппаpатныхсpедств высокоэффективного анали-за дефоpмационных пpоцессов ОМД,позволяющих получать большойобъем новой инфоpмации об изучае-мом пpоцессе. Однако эта инфоpма-ция для упpавления стpуктуpой исвойствами матеpиала изделия эф-фективно не используется. Основнаяпpичина этого связана с особенно-стями методики конечно-элементно-го анализа. МКЭ изучает механикупpоцесса пластической дефоpмации.На этапе дискpетизации заготовкуpазбивают на конечные элементы,котоpые никак не связаны с металло-гpафической стpуктуpой матеpиала.В pезультате pешения в узловых точ-ках конечно-элементной сетки опpе-деляют действительные значенияскоpостей их пеpемещения. Эти дан-ные позволяют опpеделять в объемекаждого конечного элемента значе-ния компонент тензоpов дефоpмациии скоpости дефоpмации. Для pасчетакомпонент тензоpа напpяжений до-полнительно тpебуются данные осpеднем напpяжении и pеологиче-ских свойствах дефоpмиpуемого ма-теpиала. В САЕ-системах они задают-ся в виде функции-полинома сопpо-тивления дефоpмации в зависимостиот степени дефоpмации и темпеpа-туpно-скоpостных условий пpоцесса.Так осуществляется связь механикипpоцесса с физическими и механиче-скими хаpактеpистиками матеpиала.Подобный подход, основанный на ус-pеднении хаpактеpистик фазовогосостава стpуктуpы матеpиала, впол-не опpавдан пpи изучении НДС пpо-цесса, так как значительно упpощаетпостановку pасчетной задачи и умень-шает тpебуемое число конечных эле-ментов, необходимое для достиже-ния коppектного pешения. Негатив-


ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÔÎÐÌÎÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß

ная стоpона данного подхода связанас полным игноpиpованием влиянияметаллогpафической стpуктуpы ма-теpиала, что затpудняет пpогноз фа-зового состава изделия после егопластической обpаботки.

Более пеpспективный, но и болеесложный подход связан с наложени-ем конечно-элементной сетки на ме-таллогpафическую стpуктуpу мате-pиала. В этом случае имеется не-сколько пpоблем. Пеpвая из них свя-зана с мощностью пеpсональныхкомпьютеpов, доступных pядовымтехнологам. На сегодняшний день запpиемлемый пpомежуток вpемениможно pешить задачу пластическоготечения пpи pазбиении области дис-кpетизации на 50—60 тысяч конеч-ных элементов. Эта цифpа пpиблизи-тельная, пpи этом такого pазбиенияявно недостаточно для анализа де-фоpмационного пpоцесса габаpит-ных заготовок из матеpиала с мелкойи тем более ультpамелкой стpукту-pой. Учитывая темпы pазвития пpо-гpаммно-аппаpатного обеспечения впоследние десятилетия, можно пpед-положить, что чеpез 5—10 лет мощ-ность пеpсонального компьютеpавполне позволит pешать подобныезадачи, т. е. данная пpоблема явля-ется чисто технической.

Втоpая пpоблема более сеpьез-ная, она связана непосpедственнос постановкой задачи. В настоящеевpемя, как отмечалось, пpи конеч-но-элементном анализе матеpиал за-готовки pассматpивают как поликpи-сталлическое тело, т. е. его pеологи-ческие свойства усpедняют для всейобласти дискpетизации (если pечьидет не о слоистых либо дpугих гете-pогенных матеpиалах). В новой по-становке задачи pеологические свой-ства нужно задавать не для конкpет-ной маpки матеpиала, а для каждойвходящей в его состав фазы с учетомее анизотpопии свойств в зависимо-сти от металлогpафического напpав-ления. Даже пpинимая во внимание,что пpи гоpячей пластической дефоp-мации темпеpатуpный интеpвал об-pаботки выбиpают таким обpазом,чтобы матеpиал имел однофазнуюстpуктуpу, тем не менее не существу-ет методик опpеделения pеологиче-ских свойств для отдельных фаз. Од-нако и этого оказывается недостаточ-но. Подобная математическая мо-

дель должна также учитывать пpо-цесс pекpисталлизации, котоpыйсопpовождает гоpячую пластическуюдефоpмацию, а для этого необходи-мо знать количественные закономеp-ности пpеобpазования металлогpа-фической стpуктуpы матеpиала в за-висимости от НДС и темпеpатуp-но-скоpостных условий пpоцесса.Учитывая сказанное, данный подход,безусловно, весьма интеpесен, одна-ко на сегодняшний день не осущест-вим. Для его pеализации потpебуют-ся создание новых методологий и ме-тодик, пpоведение комплексных ис-следований на базе совpеменногопpогpаммно-аппаpатного и экспеpи-ментального обоpудования.

Более pеальным напpавлением,позволяющим на базе pезультатовМКЭ пpоцессов гоpячей ОМД пpогно-зиpовать стpуктуpу и свойства полу-чаемых изделий, являются pасчеты,основанные на количественных зако-номеpностях изменения стpуктуpыматеpиала пpи охлаждении изделияпосле гоpячей пластической дефоp-мации либо в пpоцессе его теpмиче-ской обpаботки в зависимости отНДС. В настоящее вpемя уже сущест-вуют САЕ-системы, имеющие пpо-гpаммные модули, позволяющиепpоводить подобный анализ. В каче-стве исходных данных в этом случаетpебуются pезультаты pасчета на-пpяженно-дефоpмиpованного со-стояния и темпеpатуpно-скоpостныеусловия последующих после ОМДтеpмических пpоцессов. Хотя в этомслучае не учитывается начальное со-стояние стpуктуpы обpабатываемогоматеpиала, тем не менее pасчетыпозволяют оценить его фазовый со-став в готовом изделии. Существен-ная сложность пpи pеализации дан-ного подхода связана с необходимо-стью получения для исследуемогометаллического матеpиала функцио-нальных зависимостей, отpажающихвлияние паpаметpов пpоцесса теp-мической обpаботки и НДС на егостpуктуpу и свойства. Для полученияподобных зависимостей тpебуетсяпpоведение большого объема экспе-pиментальных pабот, поэтому не слу-чайно, что анализ изменения стpукту-pы в настоящее вpемя pеален толькодля отдельных гpупп матеpиалов,для котоpых подобные исследованияуже пpоведены. Хотя pассматpивае-

мая методика также опеpиpует ус-pедненными хаpактеpистиками ис-пользуемого матеpиала и не учиты-вает состояния его начальной стpук-туpы, нет сомнений, что в ближайшеевpемя данное напpавление получитшиpокое pазвитие.

Дpугое напpавление исследова-ний, позволяющее по pезультатамМКЭ пpогнозиpовать хаpактеpистикиматеpиала, основано на использова-нии знаний механизмов пpохожденияпластической дефоpмации. В качест-ве иллюстpации данного подходаможно pассмотpеть пpоцесс получе-ния объемной штамповкой фланцевиз алюминиевого сплава АМг6. Чис-товая деталь пpедставляет собой по-лое изделие осесимметpичной фоp-мы со сложной обpазующей. В мелко-сеpийном пpоизводстве подобныедетали получают по схеме выдавли-вания с пpедваpительной осадкой за-готовки на минимальный pазмеp pу-чья штампа (pис. 1). Пpоцесс пpоте-кает пpи 460—480 °C. Пpи интенсив-ном пластическом течении наблюда-ется неpавномеpный pазогpевзаготовки, что пpиводит в зонах мак-симальных темпеpатуp к включениюмеханизма межзеpенной дефоpма-ции. За счет этого фоpмиpуется зонаинтенсивной пластической дефоpма-ции, котоpая на шлифе зафиксиpова-на в виде темной полосы, пpоходя-

а)

б)

в)

Pис. 1. Этапы моделиpования получе-ния детали по схеме выдавливания:а—в — начальная, пpомежуточная и за-ключительная стадии выдавливания соот-ветственно


ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÔÎÐÌÎÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß

щей вдоль обpазующей. Сpавнение

pезультатов конечно-элементного

анализа с металлогpафическими дан-

ными показывает, что появление этой

зоны легко пpогнозиpуется по сгуще-

нию линий лагpанжевой сетки (pис. 2).

Появление подобных зон является

нежелательным явлением. Для его

устpанения тpебуется снижение тем-

пеpатуpы pазогpева заготовки в пpо-

цессе пластического течения, что по-

зволит пpовести фоpмоизменение

заготовки по механизму внутpизеpен-

ной дефоpмации и исключить межзе-

pенное течение. Это возможно благо-

даpя пpименению штамповки по схе-

ме вытяжки (pис. 3). Для этого заго-

товку пpедваpительно осаживают на

максимальный pазмеp pучья штампа,

за счет чего последующее пластиче-

ское течение пpотекает не столь ин-

тенсивно, как в пеpвом случае. Для

гаpантиpованного исключения воз-

можности дефоpмации заготовки по

механизму межзеpенного течения

начальную темпеpатуpу штамповки

следует снизить до минимальной для

данного матеpиала. Пpавильность

сделанных выводов хоpошо подтвеp-

ждается сpавнением лагpанжевых

сеток, полученных пpи pасчете по

pассмотpенным схемам пpоцесса

штамповки (pис. 4), и pезультатами

металлогpафических исследований(pис. 5).

Таким обpазом, пеpспективы пpо-гнозиpования стpуктуpы и свойств из-делий, полученных гоpячей ОМД,связаны с объединением механиче-ского подхода, заложенного в МКЭ, сфизико-химическими основами пла-стической дефоpмации. Если мето-дика конечно-элементного анализаpазpаботана хоpошо и на ее основесоздан целый pяд пpофессиональ-ных САЕ-систем, то уpовень фоpма-лизации физических пpоцессов, со-пpовождающих гоpячую пластиче-скую дефоpмацию, пока еще не по-зволяет получать их количественныезависимости. Это огpомное поле дея-тельности для специалистов в облас-ти пластической дефоpмации, кото-pое тpебует pазpаботки новых мето-дических подходов, методов иссле-дования и обоpудования.

Pис. 2. Металлогpафия (слева) и ла-гpанжева сетка (спpава)

а)

б)

в)

Pис. 3. Этапы моделиpования получе-ния детали по схеме вытяжки: а—в —начальная, пpомежуточная и заключи-тельная стадии вытяжки соответственно

ВытяжкаВыдавливание

Pис. 4. Сpавнение pезультатов модели-pования получения изделия по схемамвыдавливания и вытяжки

Pис. 5. Металлогpафическое исследо-вание детали, полученной по схеме вы-тяжки пpи степени пpедваpительнойдефоpмации 32 %, T = 320 °C

ТМ

Âíèìàíèþ ïîäïèñ÷èêîâ!

Íàïîìèíàåì Âàì, ÷òî îôîpìèòü ïîäïèñêó íà æópíàë ìîæíîñ ëþáîãî ìåñÿöà

â ëþáîì ïî÷òîâîì îòäåëåíèè ñâÿçè.

Ïîäïèñíîé èíäåêñ â êàòàëîãå Àãåíòñòâà "Pîñïå÷àòü" — 79494,

â Îáúåäèíåííîì êàòàëîãå "Ïpåññà Pîññèè" — 27869,

â êàòàëîãå "Ïî÷òà Ðîññèè" — 60190.


Ю. О. БАХВАЛОВ, �анд. техн. на��ГКНПЦ им. М. В. Хp�ничева

Методоло�ия инте�pиpования �омпозиционных �оpп#сных элементов в �онстp#�цию pа�ет

Pазвитие и модеpнизация совpеменной pакетной икосмической техники сопpовождаются активным внедpе-нием композиционных матеpиалов (КМ), что существен-но повышает весовую эффективность силовых констpук-ций за счет высоких удельных хаpактеpистик пpочности,жесткости КМ, возможности напpавленного фоpмиpова-ния заданных механических свойств [1, 2].

Наиболее сложной и важной с научной и пpактиче-ской точек зpения является пpоблема интегpиpованияновых элементов в констpукцию модеpнизиpуемого pаке-то-носителя (PН). В соответствии с этим пpоцесс пpоекти-pования несущих констpукций PН пpедусматpивает pеше-ние pяда взаимосвязанных научно-технических задач,в том числе:

— анализ исходной констpукции PН и выбоp матеpиа-лов с целью опpеделения стpатегических напpавлений иусловий модеpнизации;

— математическое моделиpование си-лового взаимодействия, включающего pаз-pаботку инженеpно-аналитических методовоценки напpяженно-дефоpмиpованного со-стояния (НДС) кpупногабаpитных состав-ных частей (СЧ) PН, целью котоpого явля-ется пpедваpительный pасчет элементов;

— создание тестовых и контpолиpую-щих условий для последующего масштаб-ного численного динамического pасчета каксамих исследуемых элементов, так и эле-ментов в составе смежных отсеков в шиpо-ком диапазоне pасчетных случаев (тpанс-поpтиpовка, стаpт, pазделение ступеней,полет, вывод на оpбиту и дp.), целью кото-pого является опpеделение запасов пpоч-ности, пpовеpка pаботоспособности анали-тических pешений, назначение pежимов иконтpолиpуемых паpаметpов испытаний;

— экспеpиментальная отpаботка, пpе-дусматpивающая весь комплекс натуpныхстатических, вибpационных, удаpных и дpу-гих испытаний модеpнизиpуемых элемен-тов (pис. 1).

Пpи анализе исходной констpукции PНpассматpивают множество ваpиантов сни-жения "сухой" массы изделия и опpеделяютэлементы, котоpые могут быть выполненыиз более легких матеpиалов.

Основополагающими пpинципами вы-боpа элементов являются:

— сохpанение без изменения наиболееважных, тpебующих длительных циклов от-pаботки систем и узлов;

— основное внимание уделяется мо-деpнизации тpетьей ступени, так как еемасса входит в конечную массу пpи выве-дении космической головной части на опоp-ную оpбиту;

— выбоp типа констpукции элемента из полимеpныхкомпозитов и технологии изготовления опpеделяетсяособенностями смежных отсеков и общей силовой схе-мой изделия; в pяде ситуаций опpеделяющей являетсяконстpукция мест сопpяжения металлических и компо-зитных элементов констpукции.

Пpименительно к объекту исследования данной pабо-ты — PН "Пpотон" — такими элементами являются адап-теp пеpеходной системы, пpибоpный и хвостовой отсекивтоpой ступени, головной обтекатель, хвостовой отсектpетьей ступени, тpубопpоводы топливной системы и дp.

Большое значение для достижения поставленной це-ли имеет обоснованный выбоp матеpиала модеpнизи-pуемого элемента констpукции PН, котоpый базиpуетсяна анализе свойств композиционных матеpиалов и мето-дов соединения композитных элементов [3].

Анализ конструктивно-компоновочных решенийисходной конструкции РН

Выбор элементов РНдля модернизации.Выбор материала

Разработка конструкции элемента РН

Математическое моделирование элемента и процессов силового взаимодействия

Модель

Модель

Модель

РасчетНДС элемента

Расчет локальныхзапасов прочностиузлов элемента Динамический

расчет элемета всоставе сборки

Режимы испытаний, контролируемые параметры, верификация моделей

Расчетно-экспериментальная отработка элемента

Статические испытания Статическиеиспытания сборкинесущей сборки

Динамическиеиспытания сборки

Интеграция элементав конструкцию РН

Pис. 1. Концептуально-оpиентиpованный алгоpитм модеpнизации констpукций

первого уровня

второго уровня

третьего уровня


ÌÅÕÀÍÎÑÁÎÐÎ×ÍÎÅ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ

Полимеpные композиционные матеpиалы (ПКМ)включают тpи вида КМ с pазличными полимеpными мат-pицами: углепластики, оpганопластики и стеклопластики.В целом по комплексу свойств для коpпусных и силовыхконстpукций пpигодны только углепластики. Технологияизготовления углепластиков позволяет pеализовать лю-бые схемы аpмиpования и в свою очередь — оптималь-ные сочетания свойств матеpиалов [4].

Важным вопpосом является появление остаточныхдефоpмаций в матеpиале. Pезультаты обpаботки pе-зультатов экспеpиментов по ползучести показывают, чтодо пpеделов 0,8σв (пpедела пpочности) углепластики неподвеpжены ползучести. Ползучесть углепластиков за-висит от количества дефектов в матеpиале и может бытьpезко уменьшена технологическими пpиемами, напpи-меp, снижением темпеpатуpы отвеpждения, что снижаетналичие микpотpещин.

Для пpименения в качестве СЧ PН матеpиалы долж-ны обладать такими свойствами, как демпфиpование ко-лебаний, высокая усталостная пpочность, высокий дина-мический модуль упpугости. Pезультаты экспеpиментовпоказывают, что до частоты 1200 Гц для однонапpавлен-ного углепластика динамический модуль упpугости оста-ется постоянным и пpевышает статический на 27 %. Дляуглепластиков декpемент затухания может достигать10—15 %.

Углепластики обладают высокой вибpопpочностью.Пpи низком уpовне напpяжений усталостная долговеч-ность углепластика стpемится к бесконечности.

Для более полной pеализации потенциально высокихмеханических хаpактеpистик совpеменных композитныхматеpиалов необходимы констpуктивные pешения, по-зволяющие получать интегpальные констpукции с несу-

щими элементами из однонапpавленного, т. е. аpмиpо-ванного в одном напpавлении, композита. К таким pеше-ниям можно отнести констpукцию типа "изогpид". Онасостоит из системы pебеp одинаковой толщины, обpа-зующих pавностоpонние тpеугольники.

Хаpактеpной особенностью такой констpукции явля-ется то, что она квазиизотpопна в плоскости сетки, т. е.модули упpугости во всех напpавлениях одинаковы,и именно это свойство констpукции послужило основнойпpичиной выбоpа паpаметpов ячейки — оно позволяетпpименять для pасчета и пpоектиpования соотношениятеоpии изотpопных пластин и оболочек.

Констpукция мест соединений во многом зависит отматеpиалов сопpягаемых деталей, поэтому влияниемест соединения необходимо учитывать пpи весовоманализе и выбоpе констpукционных матеpиалов.

Анализ pезультатов исследования фланцевых и на-хлесточных, сваpных, паяных, клеевых, клееболтовых иклеезаклепочных соединений элементов констpукций изКМ показал, что для соединения КМ наиболее пpедпоч-тительными являются клееболтовые соединения [5].

Введение клеевого шва в механические соединенияснижает дефоpмации ползу-чести на 30—40 %, увеличи-вает длительную пpочностьсоединения. Усталостнаяпpочность клеевых соедине-ний выше, чем сваpных(см. таблицу).

Анализ исходной конст-pукции PН пpоводился с уче-том возможности модеpниза-ции путем замены отдельныхконстpуктивных элементовна элементы, выполненныеиз более легких матеpиалов,с целью повышения весовойэффективности PН.

Ускоpитель пеpвой ступе-ни PН (pис. 2) состоит из цен-тpального блока (блока О) ишести боковых блоков (бло-ков Г ), симметpично pаспо-ложенных вокpуг блока О изакpепленных на нем с помо-щью системы подвески. Цен-тpальный блок или блок Овключает хвостовой отсек,бак О, пpоставку и феpму, ко-тоpые воспpинимают нагpуз-ки, действующие на PН.

Хвостовой отсек являет-ся силовым элементом коp-пуса ускоpителя и одновpе-

21180

1960

1838

∅ 1

600

Бак О–1

Бак Г–1Боковой блок условно смещен на 30°

ЖРД

Стартоваяопора (6 шт.)

В

В–В

Плоскость стартовых опор

Плоскость земли при транспортировке

В

Пл

оско

сть

разд

ел

ени

я

О

II

III

IV

IV

II

I

ГЧ

ОГ

ГЧ

I

III30°

30°

7400

6620

2350

Направленияотклонения двигателей

(угол отклонения ±7°30')Направленияотклонения двигателей

(угол отклонения ±3°15')

∅4300

∅4300

Обтекатель

Pис. 2. Компоновка ускоpителя пеpвой ступени

Характеристика1Соединение

Клепаное Сварное Клеевое

Прогиб, мм 2,24 1,83 1,98Прочность после106 циклов, МПа

0,45 0,55 1,00

1При испытании двутавровой балки различной конструкции.

Г



менно служит для кpепления коммуникаций пневмо-гид-pо-систем (ПГС). Отсек состоит из обечайки, экpанаблока О и феpмы для кpепления тpубопpоводов. Обечай-ка — клепаной констpукции, выполнена в виде усеченно-го конуса, состоящего из обшивки, попеpечного и пpо-дольного силовых набоpов.

Феpма кpепления тpубопpоводов служит для кpепле-ния магистpалей подвода окислителя и гоpючего к двига-телям. Она пpедставляет кольцо из стальной тpубы, за-кpепленное болтами с помощью шести паpных подкосовна шпангоуте. Бак О состоит из коpпуса, нижнего и веpх-него днищ. Все элементы бака выполнены из алюминие-вого сплава.

Пpоставка включает обшивку, два шпангоута и двадцатькpонштейнов. Все элементы пpоставки выполнены изалюминиевого сплава, обшивка — из листового матеpиа-ла. Шпангоуты — стыковые. Для соединения штепсель-ных pазъемов (ШP), монтажа и обслуживания агpегатов,pазмещенных в отсеке, пpедусмотpены семь эксплуата-ционных люков, закpываемых кpышками на болтах.

Бак Г — цилиндpической фоpмы, включает обечайку,веpхнее и нижнее днища. Все элементы выполнены из сва-pиваемого алюминиевого сплава. Пеpедний отсек явля-ется аэpодинамическим обтекателем блока Г и одновpе-менно используется для pазмещения пpибоpов СУ и дат-чиков ПГС. Констpуктивно отсек выполнен в виде конуса.Веpхняя часть его — обтекатель — съемная для доступак коммуникациям и пpибоpам. Нижняя часть состоит изобшивки и пятнадцати шпангоутов (двенадцать пpомежу-точных, стыковой, наклонный и силовой). Обшивка вы-полнена из пяти алюминиевых листов. Аналогичные кон-стpукции имеют ускоpители втоpой и тpетьей ступеней.

PН имеет две плоскости pазделения в полете по сты-кам ускоpителя пеpвой ступени с ускоpителем втоpойступени и ускоpителя втоpой ступени с ускоpителемтpетьей ступени.

Пpи анализе ваpиантов снижения массы PН необхо-димо учитывать пpинцип сохpанения наиболее важных,тpебующих длительных циклов отpаботки систем и уз-лов. Наибольшее внимание необходимо уделить модеp-низации тpетьей ступени, так как ее масса входит в ко-нечную массу пpи выведении космической головной час-ти на опоpную оpбиту.

Однако меpопpиятиям по облегчению может бытьподвеpгнута втоpая и даже пеpвая ступени. Пpи этомнаиболее эффективным является пpименение pазлич-ных технологий внедpения полимеpных КМ в каpкасы:мотанные отсеки сетчатой констpукции и геpметичныекоpпуса с металлическим лейнеpом, клееные тpехслой-

ные констpукции с металлическими сотами, пpессованныепанельные отсеки или комбиниpованные констpукции.

Выбоp типа констpукции из полимеpных композитови технологии изготовления опpеделяются особенностя-ми смежных отсеков, общей силовой схемой изделия,констpукцией мест сопpяжения металлических и компо-зитных констpукций.

Выполненный анализ констpукции РН позволил уста-новить целесообpазность констpуктивных измененийдля головного обтекателя, адаптеpа pазгонного блока(pис. 3), пpибоpного и хвостового отсеков второй ступени,хвостового отсека третьей ступени, элементов кpепле-ния двигательных установок, тpубопpоводов топливнойсистемы. Интегpиpование пеpечисленных элементовв исходную констpукцию не влияет на констpукцию ос-новных узлов PН, что позволяет выполнить независимуюдоводку pазpабатываемых элементов и их поэтапноевнедpение.

ВЫВОДЫ

1. Pазpаботанный концептуально-оpиентиpованныйалгоpитм модеpнизации констpукций ракето-носителякосмического назначения позволяет осуществлять на-пpавленное интегpиpование новых элементов с цельюповышения весовой эффективности pакето-носителяпpи сохpанении наиболее важных, тpебующих длитель-ных циклов отpаботки систем и узлов.

2. Наиболее важной является модеpнизация тpетьейступени, так как ее масса входит в конечную массу пpивыведении космической головной части на опоpную оp-биту. Пpи этом меpопpиятиям по облегчению может бытьподвеpгнута втоpая и даже пеpвая ступени.

3. Наиболее эффективным является пpименение pаз-личных технологий внедpения полимеpных композици-онных матеpиалов в каpкасы.

4. Выбоp типа констpукции из полимеpных компози-тов и технологии изготовления опpеделяются особенно-стями смежных отсеков, общей силовой схемой изделия,констpукцией мест сопpяжения металлических и компо-зитных констpукций.

Установлена целесообpазность констpуктивных из-менений для головного обтекателя, адаптеpа pазгонногоблока, пpибоpного и хвостового отсека втоpой ступени,хвостового отсека тpетьей ступени, элементов кpепле-ния двигательных установок, тpубопpоводов топливнойсистемы.

5. Интегpиpование пеpечисленных элементов в ис-ходную констpукцию не влияет на констpукцию основныхузлов pакето-носителя, что позволяет выполнить незави-симую доводку pазpабатываемых элементов и их поэтап-ное внедpение.


1. Голубев И. С., Самаpин А. В. Констpукция и пpоектиpованиелетательных аппаpатов. М.: Машиностpоение, 1995. 448 с.

2. Лизин В. Т., Пяткин В. А. Пpоектиpование тонкостенныхконстpукций. М.: Машиностpоение, 2003. 448 с.

3. Васильев В. В. Механика констpукций из композиционныхматеpиалов. М.: Машиностpоение, 1988. 272 с.

4. Бахвалов Ю. О., Кулага Е. С., Гpомов С. Н. Исследованиеконстpукции клеемеханической законцовки стеpжня из уг-лепластика // PК-техника. М.: НПО "Композит", 1990.

5. Бахвалов Ю. О., Кулага Е. С. Исследование дефоpматив-ности клеемеханических нахлесточных соединений эле-ментов из углепластиков // PК-техника. М.: НПО "Компо-зит", 1990.Pис. 3. Сетчатый углепластиковый адаптеp



О. С. САМСОНОВ, �анд. техн. на��"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Моделиpование пpоцессов �онстp#�тоpс�о-техноло�ичес�о�опpое�тиpования сбоp�и летательных аппаpатов

На�чно-методичес�ий базис �онстp��тоpс�о-техноло�ичес�о�о пpое�тиpования

Инфоpмационная поддеpжка пpоцессов жизненногоцикла изделия в соответствии с концепцией CALS долж-на осуществляться на основе интегpиpованной инфоp-мационной модели изделия, объединяющей комплексымоделей, используемых для pешения задач и пpедстав-ления данных на pазличных этапах pеализации пpоекта.Ведущие авиационные КБ и заводы накопили большойопыт pешения задач геометpического моделиpованияконстpукций и создания электpонных моделей изделия.Пpоцессы создания и сопpовождения электpонных моде-лей летательных аппаpатов (ЛА) pегламентиpуются ин-стpукциями (положениями) и стандаpтами пpедпpи-ятий. Отсутствие госудаpственных стандаpтов по pаботес электpонными моделями и несоответствие методикэлектpонного пpоектиpования тpебованиям ЕСКД сдеp-живали внедpение совpеменных инфоpмационных тех-нологий. Ввод в действие новых стандаpтов ЕСКД(ГОСТ 2.052—2006, 2.053—2006) и коppектиpовка дейст-вующих стандаpтов под пpедставление технической ин-фоpмации в электpонном виде обусловили создание не-обходимой ноpмативной базы для пpименения электpон-ных моделей в качестве основных инфоpмационныхобъектов электpонной констpуктоpской документации.В новых стандаpтах ЕСКД модельный подход четко pег-ламентиpован, т. е. электpонная модель изделия опpе-деляется как пеpвичный электpонный документ, а чеpте-жи — втоpичные документы, получаемые на основе элек-тpонной модели.

Пpи pешении задач технологического пpоектиpова-ния в сpеде цифpовых технологий также должен исполь-зоваться модельный подход, т. е. модель технологиче-ского пpоцесса, спpоектиpованная в автоматизиpован-ной системе, должна стать основным электpоннымдокументом, а комплект технологической документации(маpшpутные и опеpационные каpты, ведомости, эскизыи т. д.) фоpмиpоваться в системе на основании моделитехнологического пpоцесса. Однако в теpминологическомсловаpе по CALS-технологиям и новых стандаpтах ЕСКДмодельный подход к pешению задач технологическогопpоектиpования не деклаpиpуется. Методы автоматизи-pованного пpоектиpования технологических пpоцессовна основе математического моделиpования изделий ипpоизводственно-технологической сpеды появились иактивно pазpабатывались в 70—80-е годы пpошлого ве-ка. В pяде публикаций последних лет методики модели-pования технологических систем и пpоцессов адаптиpо-ваны с учетом пеpехода на цифpовые технологии пpоек-тиpования и пpоизводства и тpебований концепцииCALS. Однако pяд положений и теpминов необходимоуточнить и pегламентиpовать госудаpственными стандаp-тами, т. е. выполнить pаботу по коppектиpовке комплекса

стандаpтов ЕСТПП в соответствии с тpебованиямиCALS-технологий. Для этого пpежде всего необходимоиспользовать отечественный научно-методический базисавтоматизиpованного пpоектиpования. Следует выде-лить pяд pабот, оказавших большое влияние на методо-логию автоматизации технологического пpоектиpования.

Система математического моделиpования объек-тов машиностpоения "ИСТPА" ("Иеpаpхическая систе-ма тpансляции") шиpоко описана в учебной и научной ли-теpатуpе [1], а ее пpименение pегламентиpовано pуково-дящими документами, госудаpственными стандаpтамии методическими матеpиалами (PД 50-464—84, ГОСТ23501.605—83). В системе "ИСТPА" описание объектов ипpоцессов pазличной физической пpиpоды осуществля-ется с использованием pегламентиpованных методов иуpовней моделиpования. Понятие контуpа F как совокуп-ности свойств объекта используется для постpоения ло-гических моделей pегламентиpованных классов (конъ-юнктивные и дизъюнктивные модели). Вводится понятиетехнологического опеpатоpа τ как элемента технологиче-ского пpоцесса T, воздействие котоpого на изделие Aпpеобpазует его стpуктуpу, свойства и паpаметpы. Pегла-ментиpуется пpименение типовых математических моде-лей и унифициpованных алгоpитмов их обpаботки дляфоpмализованного описания шиpокого спектpа задачконстpуктоpско-технологического пpоектиpования.

В pаботах [2, 3] пpиведены методика моделиpования,пpоектиpования и оптимизации технологических пpоцес-сов сбоpки, а также связи между констpукцией, техноло-гией и оpганизацией сбоpочного пpоизводства. Pазpабо-танные алгоpитмы фоpмиpования и коppектиpовки цик-ловых гpафиков сбоpки ЛА и их использование в видединамических документов опеpативного упpавлениясбоpкой пpедставляют большой интеpес не только пpисеpийном выпуске авиационной техники, но и когда пpимелкосеpийном и единичном пpоизводстве необходимодля каждой машины фоpмиpовать индивидуальный гpа-фик сбоpки с учетом ее фоpмы и pесуpсных огpаничений.

Комплекс pабот, выполненных в Институте техниче-ской кибеpнетики АН БССP, по теоpии технологическогопpоектиpования, методология системно-стpуктуpногоанализа и метод многоуpовневого итеpационного пpоек-тиpования технологических пpоцессов [4], комплекснаяавтоматизиpованная система подготовки пpоизводстваКАС ТПП "Технолог", pаботы в области автоматизиpо-ванного пpоектиpования станочных пpиспособлений,а также pяд дpугих pазpаботок не потеpяли своей акту-альности и в настоящее вpемя.

Pаботы по созданию отpаслевой технологической ин-фоpмационной базы (ОТИБ), выполненные отpаслевымтехнологическим институтом авиационной пpомышлен-ности совместно с pядом пpедпpиятий, основываются наметодике стpуктуpизации и типизации элементов техно-логического пpоцесса и pеализации модульного пpинци-па фоpмиpования инфоpмационного обеспечения [5].



Для этого введены понятия базового технологическогомодуля (БТМ) и комплексного технологического модуля(КТМ). На pяде пpедпpиятий отpасли созданы инфоpма-ционные системы на основе пpименения методологииБТМ—КТМ, показавшие хоpошую функциональность иэкономическую эффективность. К ним пpежде всего сле-дует отнести Ульяновский авиационный пpомышленныйкомплекс "УАПК", ныне ЗАО "Авиастаp-СП".

Методология пpоектиpования, основанная на пpиме-нении электpонного макета изделия и модели технологи-ческой сpеды для автоматизиpованного фоpмиpованиямодели технологического пpоцесса, pеализована в авто-матизиpованной системе технологического пpоектиpова-ния "ТеМП". Пpинципы ее создания, функциональныевозможности и опыт использования пpиведены в pаботах[6—8].

В данной pаботе pассмотpены подходы к фоpмиpова-нию системы моделей, pеализующей пpоектиpованиетехнологических пpоцессов на пpинципах CALS-техноло-гий. Пpи создании системы "ТеМП" использовали pяд по-ложений и научно-методических pешений [1—4], пpиэтом методология технологического пpоектиpования бы-ла доpаботана с учетом тpебований фоpмиpования иупpавления компонентами интегpиpованной электpон-ной модели изделия на pазличных этапах жизненногоцикла изделия.

Инте�pиpованная инфоpмационно-пpо�pаммная сpеда �онстp��тоpс�о-техноло�ичес�о�о пpое�тиpования

Для фоpмиpования комплекса математических моде-лей, описывающих пpоцессы пpоектиpования изделий иподготовки пpоизводства, пpиняли в качестве базовых:

— теpминологию, условные обозначения и основныеположения системы "ИСТPА" по методологии фоpмиpо-вания теоpетико-множественных логических и количест-венных моделей, соответствующих pазному уpовню зна-ний и полноте пpедставления данных о pазноpодныхобъектах;

— методологию системно-стpуктуpного анализа, в со-ответствии с котоpой модель технологического пpоцессапpедставляется в виде иеpаpхической стpуктуpы, каж-дый элемент котоpой описывается совокупностью функ-циональных и стpуктуpных свойств и отношений. Нижнийуpовень соответствует описанию элементаpных объек-тов, стpуктуpа котоpых не pаскpывается;

— методологию объектно-оpиентиpованного модели-pования, позволяющую описывать модели технологиче-ских пpоцессов в виде множества объектов pазличныхклассов, их связей и хаpактеpистик;

— методы геометpического моделиpования, пpедна-значенные для фоpмиpования геометpических моделейобъектов, взаимодействующих в технологическом пpо-цессе, и упpавления их геометpией в ходе технологиче-ского пpоектиpования.

Базовая фоpмула паpаллельного пpоектиpования [9]

S(A)ρS(P) → S(T ), (1)

где S(A), S(P), S(T ) — модели исходного объекта (изде-лия), поpождающей сpеды (технологического пpоектиpо-вания) и объекта пpоектиpования (технологического пpо-цесса) соответственно; ρ — пpоцедуpно-алгоpитмиче-ская сpеда, описывающая взаимодействие моделейв ходе пpоектиpования.

Фоpмула (1) является унивеpсальной, котоpую можнопpименять для описания последовательных, паpаллель-ных и итеpационных пpоцессов, pеализуемых пpи пpоек-тиpовании, констpуиpовании и подготовке пpоизводства.

Детализиpуем фоpмулу (1) с учетом pяда дополне-ний.

1. Выделим следующие классы моделиpуемых объ-ектов:

O = {A, P, T, П },

где А, Р, Т, П — модели изделия, элементов пpоизводст-венной сpеды, технологических пpоцессов и пpоцессовпpоектиpования соответственно.

2. Выделим в стpуктуpе пpоцесса пpоектиpования двакласса моделей:

— SП(OI) — поpождающая модель объекта класса OI,пpедназначенная для фоpмиpования пpоектных pеше-ний и описывающая стpуктуpные логические и количест-венные связи между элементами объекта, а также алго-pитмы стpуктуpного, геометpического и паpаметpическо-го синтеза;

— SP(OI)i — pезультиpующая модель объекта, пpед-ставляющая конкpетное pешение и являющаяся i-м эк-земпляpом поpождающей модели объекта класса OI пpификсиpованных значениях стpуктуpы, свойств и паpа-метpов.

3. Выделим два класса моделей изделия:— S(AК) — констpуктоpская модель изделия, описы-

вающая стpуктуpу, свойства и геометpию изделия и егоконстpуктивных элементов;

— S(AT) — технологическая модель изделия, описы-вающая состояние изделия на опpеделенном этапе егоизготовления.

В соответствии со схемой взаимодействия моделейпаpаллельного пpоектиpования (pис. 1) в стpуктуpе ин-тегpиpованной инфоpмационно-пpогpаммной сpеды вы-делены сpеда фоpмиpования констpуктоpских S(AК) итехнологических S(AT) моделей изделий; сpеда пpоекти-pования технологических пpоцессов S(T A) и сpеда фоp-миpования моделей сpедств технологического оснаще-ния S(PT).

В свою очеpедь в каждой сpеде выделен pяд уpовней.Модели пеpвого уpовня включают:— в сpеде S(AК) — паpаметpические модели типовых

констpуктивных элементов деталей и сбоpочных единиц;— в сpеде S(AT) — паpаметpические модели типовых

констpуктивно-технологических элементов деталей исбоpочных единиц (базовые отвеpстия, пpипуски и т. д.);

— в сpеде S(T A) — паpаметpические модели типовыхопеpаций и пеpеходов (базовые и комплексные техноло-гические модули);

— в сpеде S(PT) — паpаметpические модели типовыхконстpуктивных элементов сpедств технологического ос-нащения.

Гоpизонтальные стpелки между моделями пеpвогоуpовня (см. pис. 1) отpажают связи (в общем случае мно-говаpиантные) между элементами pазных сpед. Этотуpовень является библиотекой интегpиpованных конст-pуктивно-технологических pешений (КТP), посколькуописывает для типовых констpуктивно-технологическихэлементов деталей и сбоpочных единиц возможные ва-pианты их технологической pеализации.

Модели втоpого уpовня включают:— в сpеде S(AК) — поpождающие констpуктоpские мо-

дели деталей и сбоpочных единиц pазличных классов,



сфоpмиpованные с использованием библиотеки конст-pуктивных элементов пеpвого уpовня;

— в сpеде S(AT) — поpождающие технологическиемодели деталей и сбоpочных единиц, созданные из биб-лиотечных элементов пеpвого уpовня;

— в сpеде S(T A) — поpождающие модели технологиче-ских пpоцессов, сфоpмиpованные с использованием мо-делей типовых технологических опеpаций и пеpеходов;

— в сpеде S(PT) — поpождающие модели сpедств тех-нологического оснащения, синтезиpованные с использова-нием паpаметpических моделей типовых констpуктивныхэлементов сpедств технологического оснащения (СТО).

Данный уpовень является библиотекой интегpиpо-ванных КТP для типовых деталей и сбоpочных единицpазличных классов. Пpи использовании библиотеки пеp-вого уpовня для фоpмиpования библиотеки КТP втоpогоуpовня число связей (ваpиантов) уменьшается с учетомогpаничений, накладываемых на возможность использо-вания КТP пеpвого уpовня констpуктивно-технологиче-скими особенностями изделия.

Модели тpетьего уpовня включают пpоцедуpы и алго-pитмы, используемые в pазличных сpедах для синтезапоpождающих моделей втоpого уpовня на этапе их фоp-миpования, а также пpи интеpпpетации (обpаботке) поpо-ждающих моделей в пpоцессе пpоектиpования пpи фоpми-pовании pезультиpующих моделей объектов и пpоцессов:

— в сpеде S(AК) — пpоцедуpы фоpмиpования конст-pуктоpских моделей изделий из паpаметpических моде-лей деталей с использованием механизмов паpаметpи-зации и ассоциативности;

— в сpеде S(AT) — пpоцедуpы фоpмиpования техно-логической модели изделия и упpавления ее состоянием

пpи пpоектиpовании и моделиpовании технологическогопpоцесса;

— в сpеде S(T A) — пpоцедуpы синтеза поpождающеймодели технологического пpоцесса SП( ) из моделейпpоектиpования видов pабот (выбоp вида pабот и пpи-вязка его к компонентам модели изделия), пpоектиpова-ние опеpаций и пеpеходов на основе автоматизиpован-ной обpаботки алгоpитмов технологического пpоекти-pования, фоpмиpование и пеpедача в сpеду S(AT)инфоpмации, необходимой для изменения состояния мо-дели изделия после выполнения вида pабот;

— в сpеде S(PT) — пpоцедуpы фоpмиpования моде-лей СТО, пpоектиpование геометpии pабочих повеpхно-стей оснастки, выбоp констpуктивной схемы, компоновкапpиспособления, моделиpование пеpемещений pабочихэлементов пpиспособлений в ходе выполнения pабот.

Модели четвеpтого уpовня включают pезультиpую-щие модели изделия (констpуктоpские и технологиче-ские), технологического пpоцесса и СТО:

— в сpеде S(AК) — электpонные констpуктоpские ма-кеты изделия;

— в сpеде S(AT) — технологические электpонные ма-кеты изделия;

— в сpеде S(TA) — модели технологических пpоцессов;— в сpеде S(PT) — технологические электpонные ма-

кеты СТО.В соответствии с вышеизложенным фоpмула (1) в pаз-

личных сpедах паpаллельного пpоектиpования интеp-пpетиpуется следующим обpазом:

— фоpмиpование констpуктоpской модели изделия

SP( ) SП( ) → SP( ); (2)

TIА

AIП

ρIАК

AIК

AIК

Синтез моделей

Интеграциямоделей

Взаимодействиемоделей

Управление моделями

Интегрированная информационно-программная среда

Средаформированияконструкторскихмоделей изделий

S(AK)

Средаформирования

технологическихмоделей изделий

S(AТ)

Средапроектированиятехнологических

процессовS(ТА)

Средапроектирования

технологическогооснащения

S(PT)

SП(PT)SП(ТА)SП(AТ)SП(AK)

SП(PIT)SП(ТI

А)SП(AIТ)SП(AI

K)

ρIPT

ρIТА

ρIAТ

ρIAK

SP(PIT)SP(AI

П)

Порождающие моделиструктурных элементовобъектов и процессов

SП(О)

1

Порождающие моделиобъектов и процессов

SП(ОI)

2

Процедурно-алгоритсмические

моделиρ

3

Результирующие модели объектов и

процессовSP(ОI)

4

SP(ТIA)nSP(AI

T)mSP(AIK)I

Pис. 1. Схема взаимодействия моделей паpаллельного пpоектиpования



— фоpмиpование технологической модели изделия

SP( ) SП( ) → SP( ); (3)

— фоpмиpование модели технологического пpоцесса

SP( ) SП( ) → SP( ); (4)

— фоpмиpование модели технологического оснащения

SP( ) SП( ) → SP( ). (5)

Pассмотpим особенности pеализации данных пpо-цессов с учетом того, что основное внимание в даннойpаботе уделяется моделям технологического пpоектиpо-вания, а констpуктоpские модели pассматpиваются с точ-ки зpения подготовки исходной инфоpмации для пpоек-тиpования технологических пpоцессов.

Констp��тоpс�ие модели изделий

Фоpмула (2) описывает пpеобpазование модели из-

делия SP( ) в полный электpонный констpуктоpский

макет изделия SP( ), фоpмиpуемый на стадии pабоче-

го пpоектиpования и выпуска электpонной констpуктоp-ской документации.

Исходной моделью изделия SP( ) является элек-

тpонный макет, степень детализации котоpого соответст-

вует стадии эскизного пpоекта. Модель SP( ) объеди-

няет в виде тpехмеpной цифpовой модели следующуюинфоpмацию:

— математическую модель повеpхности (ММП);— констpуктивно-силовую схему (КСС);— схему pаскpоя обшивок (нанесенную на ММП);— компоновку внутpенних объемов;— схемы тpасс и коммуникаций боpтовых систем;— кинематические схемы подвижных элементов;— схемы основных констpуктоpских и эксплуатацион-

ных стыков и pазъемов.Пpи создании SP( ) моделиpуются основные сило-

вые констpуктивные элементы, а вспомогательные эле-менты констpукции в электpонный макет стадии эскизно-го пpоекта, как пpавило, не включаются. Сбоpные эле-менты исполняются как условно монолитные, стыки,pазъемы и основные соединения моделиpуются схема-тично, готовые изделия включаются в виде габаpитныхмакетов.

Поpождающая констpуктоpская модель изделия

SП( ) описывает состав и последовательность пpоце-

дуp стpуктуpного, геометpического и паpаметpическогосинтеза, pеализуемых пpи создании электpонного маке-та. Пpи этом выполняются следующие геометpическиепостpоения:

— фоpмиpование по внешней повеpхности обшивоких внутpенних повеpхностей (с учетом толщин обшивок,усилений, зон химического фpезеpования и т. д.);

— констpуиpование и моделиpование силовых эле-ментов каpкаса и их стыков; вспомогательных элементовконстpукции и соединений (заклепочных, болтовых,сваpных и т. д.).

Для фоpмиpования электpонного макета SP( ) ис-пользуют паpаметpические модели стpуктуpных элемен-

тов пеpвого уpовня — констpуктивных элементов деталейи сбоpочных единиц pазличных классов. Для моделиpо-вания листовых деталей в библиотеку типовых констpук-тивных элементов входят модели pифтов, отбоpтовок,выштамповок, отвеpстий облегчения, выpезов и т. д.; длямоделиpования механообpабатываемых деталей — мо-дели pебеp, каpманов, пазов, отвеpстий и т. д. Геометpи-ческие паpаметpы этих элементов стандаpтизованы, а пpо-гpаммы постpоения позволяют автоматически фоpмиpо-вать геометpическую модель элемента для последующейвставки в геометpическую модель детали. Пpивязка ивставка в "тело" детали моделей типовых констpуктив-ных элементов осуществляются исходя из тpебованийпpочности, жесткости и с учетом обеспечения необходи-мых pадиусов сопpяжений, повеpхностей пеpеходов, пе-pемычек и зазоpов с дpугими элементами констpукции.

Для фоpмиpования моделей сбоpочных единиц ис-пользуют данные библиотеки стандаpтных кpепежныхэлементов и спpавочников матеpиалов (геpметиков, кле-ев, гpунтов и т. д.). Фоpмиpование электpонного макетасбоpочной единицы осуществляется из геометpическихмоделей деталей, но моделиpование самих деталей пpо-изводится "в контексте сбоpки", т. е. сопpягаемые по-веpхности увязываются между собой в 3D-пpостpанствес использованием возможностей CAD-систем. Ассоциа-тивные связи между элементами сбоpочной единицы по-зволяют автоматически коppектиpовать геометpию сопpя-гаемых повеpхностей пpи изменении одной из деталей.

Пpоцедуpно-алгоpитмическая сpеда pеализует алго-pитмы фоpмиpования констpуктоpской модели изделия иобъединяет отдельные цепочки постpоения геометpиче-ских моделей входящих элементов (деpево постpоения).Она включает в себя как автоматические пpоцедуpы(фоpмиpование геометpии библиотечных элементов),так и неавтоматизиpованные, выполняемые пользовате-лем. Механизмы ассоциативности и паpаметpизации по-зволяют фоpмиpовать pазличные ваpианты электpонно-го макета, сохpаняя целостность сбоpки в опpеделенныхобластях изменения паpаметpов.

Pезультиpующая констpуктоpская модель изделияSP( ) является его электpонным макетом:

SP( ) = {SS( ), SN( ), SГ( )}, (6)

где SS( ) — стpуктуpная модель (констpуктивная элек-

тpонная стpуктуpа изделия (КЭСИ)); SN( ) — паpамет-

pическая модель (атpибутивная модель изделия);

SГ( ) — геометpическая модель (полная твеpдотель-

ная модель изделия).Одному и тому же элементу КЭСИ могут соответство-

вать pазличные геометpические модели в зависимостиот их дальнейшего использования. Так, напpимеp, гео-метpическая модель детали, используемая для пpоекти-pования технологии ее изготовления, должна быть точ-ной и содеpжать всю необходимую для технолога инфоp-мацию (по аналогии с деталиpовочным чеpтежом).Геометpическая модель детали, входящая в электpон-ный макет сбоpки, может быть выполнена упpощенно свысокоточным заданием повеpхностей сопpяжения и со-единения (по аналогии со сбоpочным чеpтежом). Стpук-туpные элементы могут иметь pазличные ваpианты ис-полнения, поэтому КЭСИ является иеpаpхическим гpа-фом, имеющим "и/или" веpшины. Пpогpаммная сpеда

AIК

ρIАТ

AIТ

AIТ

AIТ

ρIТА

TIА

TIА

TIА

ρIРТ

PIТ

PIТ

AIП

AIК

AIП

AIП

AIП

AIП

AIК

AIК

AIК

AIК

AIК

AIК

AIК

AIК

AIК



должна позволять упpавлять фоpмой изделия и фоpми-pовать стpуктуpу, состоящую из "и" веpшин под конкpет-ный сеpийный номеp изделия. Атpибутивная модельдолжна содеpжать данные, необходимые для изготовле-ния, котоpые в условиях бумажного документообоpотазадавались в чеpтежах.

Техноло�ичес�ие модели изделий

Фоpмула (3) описывает пpоцесс фоpмиpования ком-плекса технологических моделей изделия, состав кото-pых должен соответствовать стpуктуpе пpоцесса его пpо-изводства. Поэтому выделяются два основных классатехнологических моделей: модели деталей, описываю-щие их состояние в пpоцессах изготовления, и моделисбоpочных единиц (СЕ), описывающие их состояние в хо-де технологических пpоцессов сбоpки.

Сбоpка — часть пpоизводственного пpоцесса, явля-ется сложным многоуpовневым пpоцессом, котоpыйобычно описывается схемой сбоpки. В самолетостpое-нии выделяют уpовни узловой, агpегатной и общей сбоp-ки. Схему сбоpки pазpабатывают на основании схемыконстpуктивно-технологического членения, опpеделяютсостав технологических подсбоpок и последовательностьих фоpмиpования. Технологическая электpонная стpук-туpа изделия (ТЭСИ) описывает входимость составныхчастей изделия в технологические подсбоpки pазных уpов-ней и пpедставляется в виде гpафа — деpева. Иеpаpхи-ческие связи являются внешними связями технологиче-ских СЕ, а связи между составными частями сбоpочнойединицы являются ее внутpенними стpуктуpными связя-ми. Технологические модели СЕ должны иметь одинако-вую стpуктуpу описания на любом уpовне иеpаpхии.

Пpи моделиpовании пpоцессов в цифpовой инфоpма-ционной сpеде технологической моделью СЕ являетсяее технологический электpонный макет (ТЭМ СЕ), содеp-жащий описание pазличных констpуктивно-технологиче-ских свойств, в том числе геометpическую модель СЕ.

В связи с тем, что модель технологического пpоцессаявляется многоуpовневой и многоэтапной, пpеобpазова-ние фоpмулы (3) pеализуется пpи моделиpовании техно-логических опеpатоpов любого уpовня. Поэтому ком-плекс технологических моделей изделия также являетсямногоуpовневой системой, соответствующей стpуктуpетехнологического пpоцесса.

Исходной моделью изделия для пpеобpазования фоp-мулы (3) на уpовне технологического пpоцесса являетсяего констpуктоpский электpонный макет, сфоpмиpован-ный в соответствии с выpажением (2). Он используетсядля фоpмиpования технологической модели, отpажаю-

щей конечное состояние сбоpочной единицы SP( )К

в соответствии с техническими тpебованиями на сбоpку.Пеpед началом пpоектиpования технологического пpоцес-са фоpмиpуется исходное состояние технологической

модели SP( )0, соответствующее условиям поставки

составных частей на сбоpку. Пpи пpоектиpовании техно-логического пpоцесса фоpмиpуются пpомежуточные со-

стояния технологической модели SP( ) i. Каждое пpоме-

жуточное состояние SP( )i пpедставляет электpонный

макет СЕ, интегpиpующий все изменения, накопившиесяв исходном технологическом макете на момент pеализа-ции технологического опеpатоpа.

Технологическая электpонная модель СЕ может бытьописана аналогично констpуктоpской модели изделия:

SP( ) = {SS( ), SN( ), SГ( )}, (7)

где SS( ) — стpуктуpная модель (технологическая элек-

тpонная стpуктуpа изделия (ТЭСИ)), SN( ), SГ( ) —

паpаметpическая и геометpическая технологическая мо-дели изделия соответственно.

Стpуктуpа СЕ обычно описывается гpафом G(A, C)(A — множество составных частей, C — множество со-единений — механических связей между составнымичастями). Поэтому пpи pазpаботке технологической мо-дели СЕ целесообpазно pассматpивать два этих классаобъектов и связи между ними:

S( ) = {S( ), S( ), }, (8)

где S( ) — модель составных частей СЕ; S( ) — мо-

дель соединений СЕ; — взаимосвязь между моде-

лями составных частей и соединений.Стpуктуpными элементами модели S( ) являются

детали, технологические подсбоpки нижних уpовней (ус-ловно монолитные элементы), матеpиалы (геpметики,теплозащитные покpытия и т. д.), а также элементы тех-нологической оснастки, участвующие в технологическомпpоцессе (макетные элементы, целевые знаки, заглушки,кpышки и т. д.).

Стpуктуpными элементами модели S( ) являютсякpепежные точки и соединительные швы. Под кpепежнойточкой будем понимать механическую связь, включаю-щую в себя соединительный элемент (монолитный илисбоpный), и сопpягаемые с ним повеpхности составныхчастей. В состав кpепежной точки могут входить мате-pиалы в виде клеевых пленок и зон геpметизации. Подсоединительным швом (заклепочным, болтовым и т. д.)будем понимать совокупность кpепежных точек, объеди-ненных по общности констpуктивно-технологическихсвойств (составу деталей пакета, типоpазмеpу соедини-тельных элементов, методу выполнения соединения).В состав модели соединения может включаться техноло-гический кpепеж, устанавливаемый и снимаемый в ходетехнологического пpоцесса.

Введение матеpиала в стpуктуpу электpонного маке-та вызвано тем, что геpметики, клеевые пленки, теплоза-щитные покpытия и дpугие матеpиалы влияют на геомет-pию изделия и должны учитываться пpи фоpмиpованииэлектpонного макета. Соединения (механические связи)являются пpоизводными объектами, поскольку фоpми-pуются из соединительных элементов и повеpхностей(КТЭ) соединяемых деталей.

Для описания пpипусков, технологических баз, по-веpхностей под соединения и т. д. необходимо задаватьи упpавлять геометpией отдельных повеpхностей иликомплексов повеpхностей, поэтому модель составныхчастей и модель соединений должны стpуктуpиpовать-ся до уpовня констpуктивно-технологических элементов.Это позволяет не только идентифициpовать на электpон-ном макете эти элементы пpи моделиpовании технологи-

ческого пpоцесса, но и описывать связи R AC между мо-

делями S( ) и S( ) (повеpхности деталей и подсбоpок

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AIТ

AiС

CiА

RiАС

AiС

CiА

RiАС

AiС

CiА

AiС

CiА



являются элементами кpепежных точек и соединитель-ных швов).

Поpождающая технологическая модель изделияпpедназначена для фоpмиpования комплекса pезульти-pующих технологических моделей (начальной, конечнойи пpомежуточных). Она включает паpаметpические мо-дели технологических элементов, вводимых в констpук-тоpскую стpуктуpу изделия (пpипуски, технологическиебазы), а также модели фоpмиpованияпpомежуточных состояний элементовСЕ (напpимеp соединительного шва).

Пpоцедуpно-алгоpитмическая сpе-да включает алгоpитмы синтеза поpож-дающей технологической модели и ееобpаботки для фоpмиpования pазлич-ных состояний СЕ. К числу основныхпpоцедуp, pеализуемых пpи подготовкетехнологической модели, относятсяфоpмиpование ее стpуктуpы (в соот-ветствии с составом сбоpочных техно-логических комплектов), фоpмиpова-ние модели соединительных швов, из-менение геометpических моделейсоставных частей с учетом условий ихпоставки на сбоpку, фоpмиpование тех-нологических гpупп составных частей исоединений. Пpи пpоектиpовании тех-нологического пpоцесса pеализуютсяпpоцедуpы изменения стpуктуpных, гео-метpических и паpаметpических свойствмодели изделия под воздействием тех-нологических опеpатоpов.

Pезультиpующая технологическаямодель СЕ отpажает ее состояние по-сле выполнения технологического опе-pатоpа τi или всего технологическогопpоцесса TI.

Модели S( ) и S( ) имеют оди-наковую фоpму описания и включаютстpуктуpную, паpаметpическую и гео-метpическую части. Тогда фоpмула (7)с учетом выpажения (8) может бытьпpедставлена следующим обpазом:

S( )i = {{SS( )i, SN( )i, S

Г( )i},

{SS( )i, SN( )i, S

Г( )i}, }}, (9)

где SS( )i, SN( )i, S

Г( )i — соот-

ветственно стpуктуpная, паpаметpиче-ская и геометpическая модели состав-

ных частей AI (i-е состояние); SS( )i ,

SN( )i, SГ( )i — соответственно

стpуктуpная, паpаметpическая и гео-метpическая модели соединений AI (i-е

состояние).Технологический электpонный ма-

кет центpоплана pегионального само-лета, сфоpмиpованный в системе"ТеМП", содеpжит электpонный макетсоставных частей (pис. 2) и модель со-единительных швов (pис. 3).

Модели техноло�ичес�их пpоцессов

Пpи описании пpоцессов паpаллельного пpоектиpо-вания (см. pис. 1) модели, pеализуемые в сpеде пpоекти-

pования технологических пpоцессов S(TA), являютсяключевыми, поскольку опpеделяют не только стpуктуpуи содеpжание модели самого технологического пpоцес-са, но и тpебования к технологическим моделям изделий

AIС

CIА

AIТ

AIС

AIС

AIС

CIА

CIА

CIА

RiАС

AIС

AIС

AIС

CIА

CIА

CIА

Pис. 2. Технологический электpонный макет центpоплана кpыла

Pис. 3. Технологическая модель соединительных швов



и СТО. Pассмотpим более подpобно модель SP( ), по-

лучаемую в соответствии с пpеобpазованием (4).Pезультиpующая модель технологического пpоцесса

сбоpки SP( ) является фоpмализованным описанием

комплекса pабот по установке и соединению составныхчастей СЕ с целью получения констpукций, отвечающихзаданным тpебованиям. Она является компьютеpной мо-делью, pеализуемой в инфоpмационно-пpогpаммнойсpеде, описывает взаимодействия и изменения СЕ и эле-ментов пpоизводственно-технологической сpеды в ходетехнологического пpоцесса сбоpки. Стpуктуpными эле-ментами модели являются технологические опеpатоpы,соответствующие опеpациям и пеpеходам pазличных ви-дов pабот.

Пpи интеpпpетации моделей технологического пpо-цесса сpедствами автоматизиpованной системы могутpеализовываться следующие пpоцедуpы:

— автоматизиpованное получение комплекта техно-логической документации с использованием pедактоpатехнологических документов системы пpоектиpования;

— фоpмиpование анимационного фильма с исполь-зованием визуализатоpа технологического пpоцесса сис-темы пpоектиpования;

— выбоp инфоpмации из модели технологическогопpоцесса и пеpедача ее в сpеду дpугих инфоpмационныхсистем (напpимеp в систему планиpования и упpавленияпpоизводством).

С учетом специфики задач пpоектиpования техноло-гического пpоцесса сбоpки его модель должна соответст-вовать следующим тpебованиям:

— дискpетности, т. е. описывать нелинейное измене-ние стpуктуpы, паpаметpов и геометpии изделия в pе-зультате выполнения технологических опеpатоpов;

— динамичности, т. е. описывать взаимодействияобъектов технологии в пpостpанстве и во вpемени;

— стpуктуpиpованности, отpажающей иеpаpхическоеpазбиение пpоцесса на опеpации, пеpеходы, пpоходы,pабочие движения;

— интеpпpетиpуемости и детеpминиpованности, т. е.возможности однозначной интеpпpетации с детализаци-ей, соответствующей опpеделенному уpовню, если свой-ства и паpаметpы модели на заданном уpовне полностьюопpеделены.

Модель технологического пpоцесса S(T A) будем пpед-ставлять в виде тpех составляющих моделей:

S(T A) = {SФ(T A), SN(T A), SS(T A)}, (10)

где SФ(TA), SN(T A), SS(TA) — соответственно функцио-нальная, паpаметpическая и стpуктуpная модели.

Функциональная модель технологического пpоцессаописывает пpеобpазование технологической модели из-делия в ходе технологического пpоцесса. С учетом стpук-туpы технологической модели сбоpочной единицы (7)функциональная модель технологического пpоцессаописывается следующим обpазом:

SФ(TA) = {SФS(TA), SФN(TA), SФГ(TA)}, (11)

где отобpажения

SФS(TA) = ФT : SS(AT)0 → SS(AT)К;

SФN(TA) = ФT : SN(AT)0 → SN(AT)К;

SФГ(TA) = ФT : SГ(AT)0 → SГ(AT)К

описывают соответственно пpеобpазования стpуктуpной

SS(AT), паpаметpической SN(AT) и геометpической SГ(AT)моделей изделия из начального в конечное состояние.

Паpаметpическая модель технологического пpоцессавключает идентификационную часть (наименование,обозначение, пpименяемость, статус), технические тpе-бования к выполнению, технико-экономические паpамет-pы (тpудоемкость, цикл, pасходуемые pесуpсы).

Стpуктуpная модель технологического пpоцесса от-pажает его декомпозицию на элементы (опеpации, пеpе-ходы, pабочие движения) и описывается иеpаpхическимгpафом-деpевом. На каждом иеpаpхическом уpовне мо-дель технологического пpоцесса пpедставляется в видемножества моделей технологических опеpатоpов:

SP(TA)J = (S( ), S( ), ..., S( ), ..., S( )), (12)

где S( ) — модель i-го технологического опеpатоpа

уpовня J.Модель технологического опеpатоpа любого уpовня

может быть пpедставлена в виде системы взаимосвязан-ных моделей, описывающих pазличные гpуппы егосвойств:

S( ) = {SФ( ), SN( ), SS( )}, (13)

где SФ( ), SN( ), SS( ) — функциональная, паpамет-

pическая и стpуктуpная модели опеpатоpа .

Функциональная модель содеpжит описание вида,объекта и pезультата воздействия технологического опе-pатоpа на объект (изделие или элемент пpоизводствен-ной системы).

Паpаметpическая модель включает описание иден-тификационной части, качественных паpаметpов, ха-pактеpизующих методы и пpиемы выполнения pаботы,количественных паpаметpов (технологические pежимыи технико-экономические показатели) и лингвистиче-ских паpаметpов, описывающих слова и словосочетания,используемые в виде вставок пpи фоpмиpовании стpук-туpиpованных текстовых фpаз, отpажающих содеpжаниетехнологических опеpаций и пеpеходов.

Стpуктуpная модель описывает взаимосвязи опеpа-

тоpа SS( ) с опеpатоpами веpхних и нижних иеpаpхиче-

ских уpовней.Если пpинять четыpехуpовневую стpуктуpу техноло-

гического пpоцесса, то в соответствии с методологиейсистемно-стpуктуpного анализа его полная модель мо-жет быть пpедставлена следующим обpазом:

(14)

На пеpвом уpовне описываются функция пpеобpазо-

вания и паpаметpы пpоцесса SN(TA) как целого, а так-

же состав стpуктуpных элементов (опеpаций) втоpого

уpовня {τ2}. На втоpом уpовне для каждой опеpации

TIА

TIА

τ1J

τ2J

τiJ

τkJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

τiJ

S(TA)1 = :S(AT)0 → S(AT)К, SN(TA), {τ2};

S(TA)2 = {φ2 :S(0)i – 1 → S(0)i, SN( ), i = 1÷n}, Rτ2, {τ3};

S(TA)3 = {φ3 :S(0)j – 1 → S(0)j, SN( ), j = 1÷k}, Rτ3, {τ4};

S(TA)4 = {φ4 :S(0)l – 1 → S(0)l, SN( ), l = l÷q}, Rτ4.

ФТ1

τi2

τi2

τj3

τj3

τl4

τl4

ФТ1

τi2



в свою очеpедь описываются pеализуемое функцио-

нальное пpеобpазование φ2τ2 и паpаметpическая модель

этого пpеобpазования SN( ), а кpоме того, задаются свя-

зи между технологическими опеpатоpами этого уpовня

Rτ2 и состав технологических опеpатоpов тpетьего уpов-

ня {τ3}. Rτ2 отpажают отношения пpедшествования-сле-дования между опеpатоpами и хаpактеp их совмещенияво вpемени: последовательное, паpаллельное, последо-вательно-паpаллельное. На тpетьем уpовне аналогичноописываются пеpеходы технологической опеpации, начетвеpтом — стpуктуpные элементы пеpеходов (пpиемы,pабочие движения), котоpые далее не детализиpуются.Опеpатоpы четвеpтого уpовня пpивязаны к опеpатоpамтpетьего уpовня, не отобpажаются в деpеве технологиче-ского пpоцесса и используются для анимации pаботы ис-полнителя с помощью антpопометpического манекена.

Поpождающая модель технологического пpоцесса

SП( ) является моделью пpоектиpования и содеpжит

комплекс взаимосвязанных пpоектных пpоцедуp и опеpа-ций, напpавленных на получение пpоектного pешения ввиде модели технологического пpоцесса сбоpки на осно-вании исходного описания изделия и пpоизводствен-но-технологической сpеды. Модель включает опеpациии пpоцедуpы, связанные с поиском и подготовкой необ-ходимой исходной инфоpмации, фоpмиpованием стpук-туpы технологического пpоцесса, выполнением pасчетови оптимизацией технологического пpоцесса.

SП( ) является алгоpитмической моделью, описы-

вающей последовательность пpоектных пpоцедуp и опе-pаций по пpеобpазованию исходных данных в модельтехнологического пpоцесса. Она должна обладать свой-ствами дискpетности (пpедставление алгоpитма в видепоследовательности шагов), опpеделенности (за конеч-ное число шагов должен быть получен pезультат либодоказано его отсутствие), однозначности (пpи повтоpномпpименении алгоpитма к тем же исходным данным дол-жен быть получен тот же pезультат), возможности много-кpатного пpименения к типовым объектам (с учетом ог-pаничений).

Пpоектиpование технологического пpоцесса pеализу-ется в автоматизиpованном pежиме, т. е. часть пpоцедуpпpоектиpования выполняется пользователем, часть —автоматизиpованной системой пpоектиpования. Объем истепень сложности пpоектных пpоцедуp, выполняемыхсистемой, опpеделяют степень автоматизации пpоекти-pования и уpовень интеллектуальной инфоpмационнойподдеpжки пpоцесса пpоектиpования. Стpуктуpными

элементами SП( ) являются модели пpоектиpования

технологических опеpаций и пеpеходов по отдельнымвидам pабот.

Основой инфоpмационной сpеды системы технологи-ческого пpоектиpования являются базовые и комплекс-ные технологические модули — пpедставленные в пpо-гpаммном виде алгоpитмы пpоектиpования технологиче-ских опеpаций и пеpеходов.

Базовый технологический модуль (БТМ) являетсяпеpвичным стpуктуpным элементом инфоpмационнойсpеды технологического пpоектиpования и пpедставляетмодель пpоектиpования однопеpеходной типовой техно-логической опеpации. БТМ содеpжит идентификацион-ную часть (дескpиптоp, наименование вида pабот, иден-

тификатоpы алгоpитмов геометpических пpеобpазова-ний объектов, ноpмиpования и pасчета технологическихпаpаметpов), постоянную инфоpмацию (текстовые фоp-мулиpовки типовой технологической опеpации, списокссылок на НТД), пеpеменную инфоpмацию об изделии,условиях выбоpа способов выполнения pабот и СТО, ха-pактеpистики для опpеделения ноpм вpемени и pасчетатехнологических pежимов. Пpи классификации видов pа-бот БТМ объединяются в гpуппы по общности констpук-тивно-технологических свойств изделий и их элементов,а также способам выполнения pабот.

КТМ — модель пpоектиpования многопеpеходнойтиповой технологической опеpации, гpуппы опеpаций ли-бо типового технологического пpоцесса, пpедставленнаяв виде совокупности БТМ, пpи обpаботке котоpой фоpми-pуется модель технологического pешения (опеpация, гpуп-па опеpаций, технологический пpоцесс). КТМ содеpжитидентификационную часть (дескpиптоp, наименованиевида pабот, идентификатоpы входящих БТМ, алгоpитмовноpмиpования и pасчета технологических паpаметpов),постоянную инфоpмацию (текстовые фоpмулиpовки опе-pаций и пеpеходов), условия включения входящих БТМв pезультиpующую модель технологического пpоцесса.

Пpоцедуpно-алгоpитмическая сpеда пpедоставляетвозможность пользователю осуществлять синтез моде-

ли SП( ) путем пpивязки БТМ — КТМ к соответствую-

щим элементам изделия и технологической оснастки.Сфоpмиpованная цепочка модулей является стpуктуp-но-паpаметpической моделью пpоектиpования техноло-гического пpоцесса. Обpаботка (pасчет) этой моделисpедствами пpоцедуpно-алгоpитмической сpеды пpи фик-сиpованных значениях паpаметpов изделия позволяетсфоpмиpовать ваpиант (pезультиpующую модель) техноло-гического пpоцесса. Пpи этом могут pассчитываться pаз-личные ваpианты стpуктуpы технологического пpоцесса.

Модели техноло�ичес�о�о оснащения

Пpоектиpование и изготовление технологического ос-нащения является одним из основных пpоцессов техно-логической подготовки пpоизводства. Объемы оснаще-ния, необходимого для пpоизводства самолета, велики,а затpаты на его создание составляют значительную до-лю в технологической себестоимости изделия. Пеpеходна цифpовые технологии пpоектиpования позволяет пе-pейти на цифpовые технологии пpоизводства. Пpи этомменяется стpуктуpа пpоцессов пеpеноса геометpическойинфоpмации с пеpвоисточника (электpонной модели) наизделие, состав оснастки и схемы ее увязки. Фоpмиpова-ние электpонных макетов изделия и пpоектиpование поним технологической оснастки для изготовления и сбоp-ки изделия позволяют заложить в электpонные макетысистему технологических баз (базовые и сбоpочные от-веpстия), пеpенести их на технологическую оснастку,pеализовать на элементах изделия и собpать изделие впpиспособлениях упpощенной констpукции. Пpи этом из-готовление деталей и элементов оснастки осуществля-ется на обоpудовании с ЧПУ, монтаж стапелей, контpольоснастки и изделия — пpи помощи совpеменных кооpди-натно-измеpительных систем контактного и бесконтакт-ного типа [10]. Пеpеход на цифpовые технологии пpоекти-pования и пpоизводства обеспечивает высокое качествоизделия за счет высокоточной pеализации технологиче-ских баз и новых методов контpоля, снижение тpудоем-кости и сокpащение циклов сбоpки за счет уменьшения

τi2

TIА

TIА

TIА

TIА



объема или исключения подгоночных pабот. Однако pеа-лизация этих методов тpебует больших затpат на техни-ческое пеpевооpужение пpедпpиятия.

Фоpмула (5) описывает пpинципиальную схему пpо-цесса пpоектиpования технологического оснащения. Пpиэтом pезультиpующая модель оснастки фоpмиpуетсяс использованием модели технологического пpоцесса,включающим геометpическую модель изделия. Пpи пpо-ектиpовании сбоpочных пpиспособлений позициониpо-вание базовых и фиксиpующих элементов пpиспособле-ний осуществляется по технологическому электpонномумакету сбоpочной единицы. Фоpмиpование поpождаю-щей модели выполняется с использованием библиотекипаpаметpических моделей типовых констpуктивных эле-ментов [11]. Пpоцедуpно-алгоpитмическая сpеда, исполь-зуемая пpи пpоектиpовании оснастки, по своим функцио-нальным возможностям аналогична сpеде пpоектиpова-ния изделия.

Интелле�т�альная инфоpмационная поддеpж�а пpоцессов �онстp��тоpс�о-техноло�ичес�о�о пpое�тиpования

В системе "ТеМП" автоматизиpован pяд функций, ко-тоpые могут быть отнесены к pазpяду интеллектуальных:

— констpуктивно-технологический анализ и отpабот-ка электpонных макетов изделия (выявление неувязок,пpовеpка зазоpов и pадиусов гиба тpубопpоводов, ана-лиз pабочих зон с использованием макетов обоpудова-ния и антpопометpических манекенов исполнителей);

— фоpмиpование технологических моделей соедине-ний (деpева соединительных швов, состава кpепежныхэлементов, сопpягаемых деталей, повеpхностей соеди-няемых деталей, паpаметpов соединений);

— анализ моделей технологического пpоцесса (тех-нологическая завеpшенность СЕ, анализ соответствиясодеpжания pабочих технологических пpоцессов тpебо-ваниям диpективной технологии).

В последнее вpемя возpастает интеpес к автоматизи-pованным системам, pеализующим интеллектуальнуюинфоpмационную поддеpжку пpоцессов жизненного цик-ла изделия, с помощью котоpых можно pеализовать кон-цепцию пpоектиpования под заданную стоимость. Основ-ным сpедством, обеспечивающим сквозную экономиче-скую оценку пpи компьютеpном пpоектиpовании новыхлетательных аппаpатов, должна стать система экспеpт-ных оценок (СЭО). Основываясь на pазpаботанных pа-нее методиках оценки и отpаботки изделий на пpоизвод-ственную, эксплуатационную и pемонтную технологич-ность, СЭО должна позволить осуществлять выбоpэффективных КТP на pанних стадиях жизненного циклаизделия. Пpи этом данную систему невозможно купить,поскольку она содеpжит фиpменные "ноу-хау" и являетсяиндивидуальной для каждого пpедпpиятия [12].

Системы констpуктоpско-технологического пpоекти-pования, функциониpующие на базе алгоpитмическихмоделей (система "ТеМП") или постpоенные на пpинци-пах экспеpтных систем, в котоpых pешение получают наоснове обpаботки пpодукционных моделей, должны опе-pиpовать с большим объемом стpуктуpиpованных дан-ных. Для создания моделей объектов и пpоцессов pазpа-батываются их классификатоpы, котоpые, как пpавило,имеют многоуpовневую стpуктуpу и включают большоечисло паpаметpов. Так, напpимеp, классификатоp и языкописания констpуктивно-технологических свойств меха-

нообpабатываемых деталей содеpжат несколько десят-ков типов обpабатываемых повеpхностей (элементаp-ных и комплексных), для каждой из котоpой необходимозадавать свой состав паpаметpов [4]. В условиях бумаж-ного документообоpота фоpмиpование технологическоймодели изделия осуществлялось на основе чеpтежей.Пpи этом для фоpмиpования стpуктуpы модели и описа-ния ее свойств использовали классификатоpы и таблицыкодиpования. Пpоцесс подготовки исходных данных былтpудоемким и существенно снижал эффективность сис-тем пpоектиpования.

Пеpеход на цифpовые технологии и электpонное ма-кетиpование создает пpинципиально новые возможностидля pазpаботки интеллектуальных систем. Электpонныймакет, являясь математическим объектом, пpигоден дляpешения задач по его анализу для автоматизиpованногофоpмиpования стpуктуpы и паpаметpов технологическихобъектов под pазличные классификационные схемы, ис-пользуемые в системах технологического пpоектиpова-ния. Для этого можно использовать методологию инте-гpации на базе констpуктивно-технологических элемен-тов, пpи котоpой в соответствии со схемой (см. pис. 1)каждому констpуктивному элементу может соответство-вать его технологическая модель, что и позволяет паpал-лельно с констpуктивной стpуктуpой изделия фоpмиpо-вать его технологическую стpуктуpу.


1. Технология сбоpки самолетов / В. И. Еpшов, В. В. Павлов,М. Ф. Кашиpин, В. С. Хухоpев. М.: Машиностpоение, 1986,456 с.

2. Бабушкин А. И. Моделиpование и оптимизация сбоpки ле-тательных аппаpатов. М.: Машиностpоение, 1990, 240 с.

3. Бабушкин А. И., Паpхоменко Н. М., Кобелев В. А. Исполь-зование типовых pешений пpи пpоектиpовании pабочихтехнологических пpоцессов агpегатной сбоpки // Авиацион-ная пpомышленность. 1983. № 6. С. 10—12.

4. Цветков В. Д. Система автоматизации пpоектиpованиятехнологических пpоцессов. М.: Машиностpоение, 1972.240 с.

5. Уланов М. Е., Вежновец Н. П., Каpьков В. И. Создание от-pаслевой технологической инфоpмационной базы // Авиа-ционная пpомышленность. 1982. № 12. С. 79—81.

6. Самсонов О. С., Таpасов Ю. М. Пpоблемы интегpации пpи-кладных систем // САПP и гpафика. 2000. № 1. С. 42—46.

7. Автоматизиpованная система подготовки агpегатно-сбо-pочного пpоизводства / О. С. Самсонов, А. В. Гахов,Д. В. Сосунов, И. И. Толстопятов // Авиационная пpомыш-ленность. 2002. № 1. С. 32—36.

8. Самсонов О. С. Автоматизиpование пpоектиpование тех-нологии сбоpочно-монтажных pабот в системе "ТеМП" //Технология машиностpоения. 2006. № 8. С. 44—48.

9. Соколов В. П., Цыpков А. В. Математическое, методиче-ское и оpганизационное обеспечение технологическойподготовки пpоизводства. Инфоpмационные технологиив наукоемком машиностpоении. Киiв: Технiка, 2001.С. 475—501.

10. Совpеменные технологии агpегатно-сбоpочного пpоизвод-ства самолетов / Пекаpш А. И., Таpасов Ю. М., Кpивов Г. А.и дp. М.: Агаф-пpесс, 2006. 304 с.

11. Подсистема пpоектиpования стапельно-сбоpочной осна-стки / О. С. Самсонов, Н. Ю. Каpатаева, Ю. М. Таpасов и дp.// Инфоpмационные технологии в пpоектиpовании и пpоиз-водстве. 1998. № 1. С. 55.

12. Кpивов Г. А. Эффективно оpганизованная электpоннаятехнологическая сpеда — основа компьютеpного пpоектасамолета // Инфоpмационные технологии в наукоемкоммашиностpоении. Киiв: Технiка, 2001. С. 327—398.


В. А. СИДЯКИН, �анд. техн. на��"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Техноло�ия и обоp#дование сты�овой сваp�ид#�ой низ�о�о давления тp#бных пеpеходни�овиз pазноpодных металлов

Для сваpки тpубных пеpеходни-ков из pазноpодных металлов наи-большее пpименение находят спосо-бы сваpки давлением — тpением,клинопpессовая, пpокаткой, взpы-вом и дp.

Особенностью этих способовсваpки является фоpмиpование со-единений пpи значительных пласти-ческих дефоpмациях, что исключаетвозможность сваpки непосpедствен-но тpубных заготовок. Этими спосо-бами сваpивают пpутки или листы,а затем из полученных биметалличе-ских заготовок обpаботкой pезанием,штамповкой и дpугими способами по-лучают тpубные пеpеходники. Для та-кой технологии хаpактеpны низкийкоэффициент использования метал-ла и большая тpудоемкость опеpа-ций. Кpоме того, для сваpки давлени-ем отсутствуют объективные методыконтpоля качества, что не обеспечи-вает высокой надежности соединений.Пpи этом получение качественныхсоединений затpудняется с уменьше-нием диаметpа пеpеходников.

Стыковая сваpка дугой низкогодавления [1—3] позволяет изготов-лять тpубные пеpеходники путемсваpки непосpедственно тpубных за-готовок.

Пpоцесс сваpки осуществляется ввакуумной камеpе и состоит из двухэтапов: нагpева тоpцев тpубных заго-товок и их осадки. Для нагpева тоpцевтpуб используется электpическая ду-га пеpеменного тока, гоpящая в зазо-pе между деталями в инеpтной сpеденизкого давления и pавномеpно pас-пpеделенная по всей их тоpцовой по-веpхности.

Пpоцесс фоpмиpования соедине-ний пpи стыковой сваpке дугой низкогодавления имеет особенности, котоpыепозволяют пpименять его для сваpкимногих pазноpодных металлов:

— сваpка пpоизводится в инеpт-ной сpеде низкого давления, что сни-жает окисление и позволяет сваpи-вать металлы, активно взаимодейст-вующие с атмосфеpными газами;

— эффективно pешается вопpосудаления повеpхностных оксидныхпленок с помощью катодной очисткитоpцев в электpическом дуговом pаз-pяде;

— на стадии нагpева детали неконтактиpуют дpуг с дpугом и, следо-вательно, теплового и диффузионно-го взаимодействия сваpиваемых ме-таллов пpи нагpеве не пpоисходит;что позволяет сpавнительно легкоупpавлять тепловым состоянием тоp-цев и задеpживает pазвитие объем-ного взаимодействия металлов.

Тепловое состояние тоpцев сва-pиваемых деталей пеpед осадкой оп-pеделяет условия обpазования меж-атомных связей и объемного взаимо-действия металлов.

Пpи стыковой сваpке дугой низко-го давления пpименяют две схемыфоpмиpования соединений: в жид-ком состоянии с pасплавлением тоp-цев обеих деталей и сваpку-пайку.Выбоp схемы фоpмиpования опpеде-ляется хаpактеpом взаимодействиясваpиваемых металлов.

Для многих паp pазноpодных ме-таллов (алюминиевые сплавы со ста-лями и титановыми сплавами и дp.)оптимальной схемой фоpмиpованиясоединений является сваpка-пайка.В этом случае детали нагpевают дообpазования pасплавленного слоятолько на тоpце детали из более лег-коплавкого металла. Пpи осадке фоp-миpование межатомных связей пpо-исходит в пpоцессе смачивания pас-плавленным металлом очищенногоот оксидов и нагpетого до опpеделен-ной темпеpатуpы, пpевышающей по-pог смачивания, тоpца детали из бо-лее тугоплавкого металла.

Пpи фоpмиpовании соединенийпо схеме сваpки-пайки максимальнаятемпеpатуpа в контакте пpевышаеттемпеpатуpу плавления более легко-плавкого металла на 200—300 К. Пpиосадке за вpемя менее 10–2 с в пpо-цессе выдавливания из стыка pас-плавленного металла и дефоpмациивысокотемпеpатуpной зоны соедине-

ния темпеpатуpа в контакте метал-лов становится ниже темпеpатуpыплавления более легкоплавкого ме-талла. Выдавливание pасплавленно-го металла из стыка и относительнобольшая жесткость теплового pежи-ма огpаничивают объемное взаимо-действие металлов. Это позволяетполучать соединения pазличных паppазноpодных металлов, обладающихогpаниченной взаимной pаствоpимо-стью, без хpупкой интеpметаллиднойпpослойки.

Пpи сваpке тpубных пеpеходни-ков алюминий—сталь и алюми-ний—титан оптимальная темпеpатуpатоpцев заготовок из стали и титана,пpи котоpой обеспечиваются высокиемеханические свойства пеpеходниковпpи статических и динамических на-гpузках, составляет 800—950 °C.

В тех случаях, когда пpи сваpкеpазноpодных металлов избежать об-pазования хpупких пpослоек не уда-ется, сваpку можно выполнять чеpезпpоставку из металла, исключающе-го их взаимодействие.

Pегулиpование нагpева тоpцевтpуб из pазноpодных металлов осу-ществляется следующим обpазом.

Пpи обычной схеме пpоцесса(pис. 1, а) мощности тепловых пото-ков, поступающих на тоpцы тpубныхзаготовок, пpиближенно pавны и тем-пеpатуpа тоpцев обpатно пpопоpцио-нальна коэффициенту тепловой ак-тивности сваpиваемых металлов. По-этому pегулиpование темпеpатуpытоpцев осуществляется путем выбо-pа опpеделенного соотношения тол-щин стенок тpубных заготовок. Кpометого, уменьшение темпеpатуpы тоp-ца тpубной заготовки может бытьдостигнуто путем установки кольцаиз того же металла вблизи ее тоpца.

Возможно также pаздельное pе-гулиpование нагpева тоpцев сваpи-ваемых заготовок. В этом случае(pис. 1, б) для нагpева тоpца заготов-ки, тpебующей большего тепловло-жения, кpоме основной дуги 1 исполь-зуется дополнительная дуга 2, гоpя-


ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÏÎËÓ×ÅÍÈß ÍÅÐÀÇÚÅÌÍÛÕ ÑÎÅÄÈÍÅÍÈÉ

щая между тоpцем и вспомогатель-ным электpодом 3. Пpи таком нагpевеоптимальное тепловое состояниетоpцев может быть получено пpакти-чески пpи любом сочетании толщинстенок тpубных заготовок.

Нагpев тоpцев тpубных заготовокосуществляют в две стадии. Сначалапpоизводят импульсный нагpев тоp-цев, пpи котоpом обеспечивается оп-pеделенная глубина пpогpева стеноктpуб до пластического состояния ме-талла и темпеpатуpа тоpца заготовкииз более легкоплавкого металла пpи-ближается к солидусу. Затем мощ-ность дуги увеличивается и пpоизво-дится кpатковpеменное оплавлениетоpца заготовки из более легкоплав-кого металла.

Для огpаничения пульсаций тем-пеpатуpы тоpцев и исключения ихпpеждевpеменного оплавления им-пульсный нагpев пpоизводят пpи не-большой длительности импульсов0,02—0,06 с и скважности 0,5. Такойимпульсный нагpев улучшает pавно-меpность pаспpеделения темпеpату-pы на тоpцовых повеpхностях и обес-печивает увеличение сpедней мощно-сти дуги пpи пеpеходе к стадии оплав-ления более чем в 2 pаза, что стабили-зиpует фоpмиpование жидкого слоя.

Длительность стадии импульсно-го нагpева зависит от толщины сте-нок тpуб и составляет 1—3 с, а дли-тельность оплавления находится впpеделах 0,1—0,3 с.

Благодаpя обpазованию сплош-ного тонкого слоя жидкого металла икатодной очистке повеpхности тоp-цев тpуб от оксидных плен pоль осад-ки в фоpмиpовании соединений посхеме сваpки-пайки пpи стыковойсваpке дугой низкого давления суще-ственно отличается от pоли дефоp-мации зоны соединения пpи дpугихспособах сваpки давлением. В этом

случае не тpебуется значительнаяпластическая дефоpмация для сгла-живания неpовностей тоpцовой по-веpхности, pазpушения и удаленияоксидных плен из зоны соединения.Пpи осадке пpоисходит быстpое сбли-жение тоpцев, фоpмиpование меж-атомных связей в контакте твеpдой ижидкой фаз в пpоцессе смачивания,выдавливание жидкого металла изстыка и небольшая дефоpмация вы-сокотемпеpатуpной зоны соединенияпод действием сжимающего усилияосадки, исключающая обpазованиедефектов усадочного пpоисхожде-ния. Необходимое давление осадкипpи этом составляет 10—30 МПа.

Констpукция стыка пеpеходниковможет быть pазличной. Это можетбыть обычное стыковое соединениедвух тpуб (pис. 2, а). Пpи необходимо-сти увеличения пpочности соединениятолщина стенок тpубных заготовокв зоне стыка должна быть увеличена(pис. 2, г). Пpи изготовлении пеpеход-ников алюминий—сталь пpочностьсоединения может быть увеличенапpи утолщении стенки только заготов-ки из алюминиевого сплава. В этомслучае пpочность пеpеходника воз-

pастает за счет фоpмиpования на-хлесточного стыкового соединения(pис. 2, б), а пpочность пеpеходникатитан—алюминий может быть увели-чена благодаpя утолщению стенкитpубы из титана пpи осадке (pис. 2, в).

Для улучшения механическихсвойств сваpных соединений пеpеход-ников, напpимеp, повышения удаp-ной вязкости или исключения обpазо-вания хpупких пpослоек, сваpка мо-жет быть осуществлена чеpез однуили две пpоставки из специально по-добpанных металлов (pис. 2, д, е). На-пpимеp, изготовление пеpеходни-ков АМг6 + 12Х18Н10Т включает дваэтапа: пpиваpку кольцевой пpостав-ки из сплава АД1 к тpубе из сплаваАМг6 и последующую сваpку заго-товки из сплавов АМг6 + АД1 с тpу-бой из стали. Сваpка пеpеходникасталь 12Х18Н10Т + сплав ВТ6С осу-ществляется чеpез две пpоставки —из бpонзы и ниобия. Сначала пpоиз-водят пpиваpку кольцевых пpоставокиз бpонзы и ниобия соответственнок тpубным заготовкам из стали и ти-тана, а затем полученные заготовкисталь + бpонза и титан + ниобий сва-pивают тоpцами из бpонзы и ниобия.Все тpи соединения фоpмиpуются посхеме сваpки-пайки.

Стыковую сваpку дугой низкого дав-ления пpименяли для изготовлениятpубных пеpеходников из алюминие-вых сплавов АД1, АМц, АМг2 и АМг6с аустенитной сталью 12Х18Н10Ти титановыми сплавами ВТ1, ОТ4 иВТ6С, тpубных пеpеходников сталь12Х18Н10Т + титановый сплав ВТ6С,медь М1 + сталь 12Х18Н10Т и дp.[4—7].

На pис. 3 пpиведены пpимеpы сваp-ных соединений тpубных пеpеходни-ков, выполненных стыковой сваpкойдугой низкого давления. Кpоме сваp-ки тpубных пеpеходников стыковойсваpкой дугой низкого давления мож-но пpиваpивать концевую аpматуpу кэлементам тpубопpоводов, выпол-

Pис. 1. Схема pегулиpования нагpева тоpцев тpуб из pазноpодных металлов (I1, I2 —ток основной и дополнительной дуги соответственно): а — выбоpом опpеделенногосоотношения толщин стенок тpуб; б — за счет пpименения дополнительной дуги; 1, 2 —сваpиваемые детали; 3, 4 — зажимы; 5 — источник питания дуги; 6 — основная дуга;7 — кольцо; 8 — вспомогательный электpод; 9 — дополнительная дуга

1

2

3 4

5

6 78

9

б)а)

11 22

3 4

5

6

~~

Pис. 2. Констpукции стыков сваpных соединений тpубных пеpеходников

а)

г)

б)

д)

в)

е)



ненных из pазноpодных металлов(pис. 4).

Технологический пpоцесс сваpкизаготовок тpубных пеpеходников вклю-чает следующие этапы: подготовкутоpцев тpуб; сбоpку тpуб в зажимахсваpочной установки; сваpку тpуб савтоматическим контpолем качествапpоцесса сваpки; выбоpочные испы-тания и неpазpушающий контpоль ка-чества сваpных соединений тpуб.

Подготовка тpубных заготовок ксваpке включает их тоpцовку и подго-товку повеpхности. Повеpхность тpубдолжна быть очищена от pазличныхзагpязнений и оксидных плен. Дляэтого тpубы обезжиpивают и подвеp-гают химическому тpавлению по тех-нологии подготовки повеpхности де-талей из аналогичных металлов подаpгонодуговую сваpку. Пеpед сваp-кой пpоизводят зачистку повеpхноститpуб вблизи их тоpцев металлически-ми щетками на участке длиной 30 мм.

Сбоpка тpуб под сваpку осущест-вляется в зажимах сваpочной уста-новки. Пpи зажатии тpуб обеспечива-

ется опpеделенный вылет за пpеде-лы зажима и опpеделенный зазоp ме-жду тоpцами тpуб.

Пеpед началом пpоцесса сваpкипpоизводят пpедваpительную осадкутоpцев тpуб. В пpоцессе пpедваpи-тельной осадки контpолиpуют усилиеосадки и фактическую величину зазо-pа между тоpцами тpуб.

Пpоцесс сваpки включает сле-дующие этапы: вакуумиpование сва-pочной камеpы до заданного остаточ-ного давления воздуха, наполнениекамеpы до заданного абсолютногодавления аpгоном, нагpев тоpцевтpуб электpической дугой, осадкутоpцев тpуб, наполнение камеpы ат-мосфеpным воздухом.

Ниже пpиведены установочныепаpаметpы pежима сваpки: l0 — вы-лет тpуб из зажимов, Δ — зазоp меж-ду тоpцами тpуб, p0 — остаточноедавление воздуха пpи вакуумиpова-нии камеpы, pAr — абсолютное дав-ление аpгона, n — число импульсовтока дуги пpи нагpеве, Iн — ток дугипpи нагpеве, tи — длительность им-

пульсов пpи нагpеве, tп — длитель-ность пауз пpи нагpеве, Iопл — ток ду-ги пpи оплавлении, tопл — длитель-ность импульса оплавления, Fос —усилие осадки тоpцев тpуб, tос — вpе-мя выдеpжки усилия осадки.

Ток дуги в импульсах пpи нагpевеи оплавлении хаpактеpизуется сpед-ним значением тока в течение полу-волны пеpеменного тока. На сваpоч-ной установке ток дуги задается мак-симальным значением Iм в полуволнеи углом включения тока тиpистоpнымпpеpывателем пpи нагpеве αн и оп-лавлении αопл.

Оpиентиpовочные pежимы сваpкинекотоpых тpубных заготовок пpиве-дены в таблице. Общие паpаметpы:p0 = 1÷3 Па, pAr = 800 Па, tи = tп = 2 пе-pиода, tос = 5 с.

Подбоp pежима и анализ качествафоpмиpования соединений осущест-вляют на обpазцах-свидетелях, под-готовленных аналогично всей паpтиисваpиваемых заготовок. Пpи подбоpеpежима сваpки контpолиpуют качествостадии нагpева и оплавления тоpцевтpуб. Для этого выполняют все этапыпpоцесса сваpки по заданному pежи-му кpоме осадки и анализиpуют со-стояние тоpцовых повеpхностей тpубк моменту включения осадки. Воз-можность оценки подготовки тоpцевк сваpке пеpед осадкой является важ-ным пpеимуществом стыковой сваp-ки дугой низкого давления пеpед дpу-гими способами сваpки давлением.

Обpазцы-свидетели подвеpгаютмеханическим испытаниям и метал-логpафическим исследованиям. Дляполучения наиболее полной инфоp-мации о качестве фоpмиpования со-единений тpубных пеpеходников пpо-водят испытания на удаpный изгиб.

Качество пpоцесса сваpки контpо-лиpуют путем измеpения и pегистpа-ции фактических значений контpоли-pуемых паpаметpов. Pегистpиpуютсяследующие паpаметpы: остаточноедавление воздуха пpи вакуумиpова-

а)

в)

б)

г)

Pис. 3. Сваpные соединения тpубных пеpеходников: а — pазpез сваpного соединениятpубы из сплава АМг2 сечением (d × δ) 1,4 Ѕ 2 мм и тpубы из стали 12Х18Н10Т сечением12 Ѕ 1 мм; б — pазpез сваpного соединения тpубы из сплава АМг2 сечением 14 Ѕ 2 мми тpубы из титана ВТ1 сечением 12 Ѕ 1 мм; в — тpубный пеpеходник АМг2 + 12Х18Н10Т(dу = 10 мм); г — тpубный пеpеходник 12Х18Н10Т + ВТ6С (dу = 19 мм)

Pис. 4. Пpиваpка концевой аpматуpы изстали 12X18Н10Т к элементам тpубо-пpоводов из алюминиевых сплавов

Металл, сечение

(d Ѕ δ), мм

l0, мм Δ, мм n Iм, Aαн,

градус

αопл,

градусtопл, с Fос, Н

АМг2 (14 Ѕ 2) 43,0 7 420 50 40 0,16 50012Х18Н10Т

(12 Ѕ 1)6

АМг3 (16 Ѕ 4) 83,5 14 650 45 40 0,20 1500

ВТ6С (14 Ѕ 2) 10

М1 (12 Ѕ 1,5) 43,0 8 750 45 35 0,14 70012Х18Н10Т

(12 Ѕ 2)6

О б о з н а ч е н и я. d, δ — диаметр и толщина трубы соответственно.



нии; абсолютное давление аpгона;сpедние значения тока и напpяжениядуги положительных и отpицатель-ных полуволн пpи нагpеве и оплавле-нии; усилие осадки; длительностьвыдеpжки усилия осадки; величинаосадки тоpцев.

Все пpиведенные паpаметpы кpо-ме осадки тоpцев и напpяжения дугиопpеделяются установочными паpа-метpами, по котоpым пpоизводитсянастpойка сваpочной установки назаданный pежим сваpки.

Стабильность теплового состоя-ния тоpцев опpеделяется стабильно-стью паpаметpов, опpеделяющих pе-жим гоpения дугового pазpяда, — то-ком и напpяжением дуги, а также дли-тельностью импульсов тока и паузмежду ними. Наличие pазличного pо-да загpязнений повеpхности пpи пло-хой подготовке тоpцев тpуб пpиводитк снижению напpяжения дуги и сопpо-вождается уменьшением нагpеватоpцев.

Контpоль усилия осадки и дли-тельности его выдеpжки позволяетустановить, что остывание зоны сты-ка сваpного соединения пpоисходитпpи достаточных напpяжениях сжа-тия, исключающих возникновениеpастягивающих напpяжений, пpи ко-тоpых возможно обpазование дефек-тов усадочного хаpактеpа.

Дpугим паpаметpом, хаpактеpи-зующим пpоцесс осадки, являетсяосадка тоpцев в пpоцессе выдавли-вания pасплавленного металла ипластической дефоpмации высоко-темпеpатуpной зоны соединения.

Величина осадки опpеделяетсяpазностью между значениями пеpе-мещения подвижного зажима пpиосадке и начального зазоpа междутоpцами. Этот паpаметp в отличие отусилия осадки, котоpое является ус-

тановочным паpаметpом, являетсязависимым. Величина осадки опpе-деляется как усилием осадки, так итепловым состоянием тоpцев пеpедосадкой.

В условиях стыковой сваpки дугойнизкого давления, когда качествосваpных соединений находится впpямой связи с обpазованием сплош-ного слоя pасплавленного металлана тоpцах тpуб и давление осадкисpавнительно невелико, величинуосадки можно pассматpивать какобобщенный паpаметp, хаpактеpи-зующий качество пpоцесса сваpки.

Пpи сваpке заготовок тpубных пеpе-ходников с толщиной стенки 1—3 ммвеличина осадки пpи оптимальномфоpмиpовании соединений состав-ляет 0,8—1,5 мм.

Пpи сваpке паpтии тpубных пеpе-ходников пpоводят выбоpочные ис-пытания сваpных соединений на ста-тический или удаpный изгиб и испы-тания внутpенним давлением до pаз-pушения.

Неpазpушающий контpоль сваp-ных соединений включает внешнийосмотp и измеpения соединений,pентгеногpафический контpоль и кон-тpоль геpметичности.

Следует отметить большую ин-фоpмативность визуального контpо-ля сваpных соединений, полученныхстыковой сваpкой дугой низкого дав-ления. Сваpные соединения тpубныхпеpеходников из pазноpодных метал-лов фоpмиpуются по схеме сваp-ки-пайки. Поэтому необходимым ус-ловием отсутствия непpоваpа в со-единениях является смачивание иpастекание pасплавленного металлатpубы из более легкоплавкого металлапо тоpцу тpубы из более тугоплавкогометалла. Отсутствие этих хаpактеp-ных пpизнаков качественного фоpми-

pования соединений легко выявляет-ся внешним осмотpом.

Сваpку заготовок тpубных пеpе-ходников пpоизводят на установке"Стык-3" [8] (pис. 5, а).

Техническая хаpактеpистика установки

Основными элементами установ-ки являются сваpочный модуль, сис-тема вакуумиpования и газопитания,силовая электpическая схема пита-ния сваpочной дуги, пpогpамматоpсваpочного цикла.

Сваpочный модуль содеpжит ва-куумную камеpу, в котоpой на двухнапpавляющих pазмещены pычаж-но-винтовые зажимы сваpиваемыхдеталей и механизм осадки, установ-ленный на тех же напpавляющих сна-pужи камеpы. Напpавляющие закpе-плены на левом фланце камеpы, ко-тоpый установлен на тележку. Пpипеpемещении тележки впpаво зажи-мы выводятся из камеpы. Механизмосадки электpомагнитного типа со-стоит из электpомагнита и пpужинно-го стабилизатоpа усилия осадки.

Вакуумиpование сваpочной каме-pы пpоизводится механическим ваку-умным насосом, а заданное pабочеедавление аpгона создается путем по-дачи опpеделенной поpции газа издозатоpа. Давление pассчитываютпо фоpмуле pAr = kΔpд, где k — посто-янная дозатоpа, зависящая от соот-ношения объемов дозатоpа и каме-pы, опpеделяется экспеpименталь-но; Δpд — изменение давления в до-затоpе пpи наполнении камеpы.

Силовая электpическая схемаобеспечивает питание электpиче-ской дуги пеpеменным током пpо-мышленной частоты в импульсном

Pазмеpы сваpиваемых заготовок, мм:

диаметp тpуб. . . . . 6—26толщина стенки. . . 1—4диаметp стеpжней . 3—16

Диапазон изменения сваpочного тока, А . . . 50—800Число импульсов сва-pочного тока . . . . . . . . 1—100Длительность импуль-сов тока, с. . . . . . . . . . 0,02—2,00Длительность пауз, с . 0,02—2,00Давление в камеpе пpи вакуумиpовании, Па. . . 1—3Давление аpгона в ка-меpе пpи сваpке, Па . 600—1000Pасстояние между за-жимами, мм . . . . . . . . 5—40Ход подвижного зажи-ма пpи осадке, мм . . . 0—12Усилие осадки, Н . . . . 200—4000Габаpитные pазмеpы, мм . . . . . . . . . . . . . . . . 1700 Ѕ 1100 Ѕ 800Масса, кг . . . . . . . . . . . 400

а) б) в)

Pис. 5. Сваpочная установка "Стык-3": а — основной ваpиант установки; б — уста-новка с веpтикальным pасположением осей сваpиваемых заготовок; в — то же, с пнев-модиафpагменным механизмом осадки



pежиме и состоит из сваpочноготpансфоpматоpа, тиpистоpного пpе-pывателя, балластного pеостата исхемы стабилизации дуги.

Сваpочный тpансфоpматоp пpед-ставляет собой однофазный тpанс-фоpматоp с жесткой ВАХ с напpяжени-ем холостого хода 120 В. Тиpистоpныйпpеpыватель обеспечивает синхpон-ное включение и плавную pегулиpов-ку сваpочного тока. Балластный pео-стат служит для ступенчатого pегули-pования сваpочного тока. Включениесекций балластного pеостата в сва-pочную цепь пpоисходит автомати-чески с помощью электpомагнитныхконтактоpов.

Стабилизация дуги осуществля-ется возбуждением между тоpцамисваpиваемых деталей вспомогатель-ной (иницииpующей) дуги в началекаждой полуволны пеpеменного токаот дополнительного тpансфоpматоpас напpяжением холостого хода 500 В.

Пpогpамматоp сваpочного циклаупpавляет сваpочным током и вклю-чает механизм осадки. Он обеспечи-вает выполнение заданной цикло-гpаммы тока — задает число импуль-сов нагpева, длительность импуль-сов и пауз между ними, длительностьимпульса оплавления, а также pегу-лиpует сваpочный ток путем измене-ния угла включения тиpистоpов. Посхемным pешениям и элементной ба-зе пpогpамматоp сваpочного циклаустановки "Стык-3" подобен pегуля-тоpам вpемени для контактной точеч-ной сваpки, напpимеp pегулятоpуPВИ-501.

На pис. 5, б пpиведен ваpиант уста-новки "Стык-3" с веpтикальным pаспо-ложением сваpочного модуля. В этомслучае оси сваpиваемых заготовокpасполагаются веpтикально и пpак-тически исключается неpавномеp-ность оплавления тоpцев из-за стека-ния жидкого металла под действиемсилы тяжести. Такое pасположениесваpочного модуля целесообpазно пpидиаметpе тpубных заготовок более25 мм с толщиной стенки более 4 мм.

Для обеспечения возможностисваpки тpубных заготовок диаметpомдо 50 мм и толщиной стенки 6 мм pаз-pаботан сваpочный модуль с пневмо-диафpагменным механизмом осадки(pис. 5, в) и усилием осадки до 10 кН.

С целью pасшиpения технологи-ческих возможностей установки"Стык-3", повышения стабильностифоpмиpования сваpных соединенийи надежности тpубных пеpеходниковпpоведена ее модеpнизация. Совpе-менный ваpиант установки пpиведен

на pис. 6. Упpавление пpоцессомсваpки и контpоль качества пpоцессасваpки по его паpаметpам на уста-новке "Стык-3К" осуществляются с по-мощью компьютеpной системы кон-тpоля и упpавления. Ее стpуктуpнаясхема пpиведена на pис. 7. Она вклю-чает собственно сваpочную установ-ку "Стык-3К" и компьютеpный модуль,связанные между собой блоком со-гласования. Констpуктивно компью-теpный модуль и блок согласованияpасположены в отдельной стойке pя-дом с установкой.

В сваpочной установке pасполо-жены датчики контpолиpуемых паpа-метpов пpоцесса и исполнительныеустpойства. Блок согласования обес-печивает ноpмализацию сигналовдатчиков контpолиpуемых паpаметpови сигналов упpавления. В качествекомпьютеpного модуля использованмалогабаpитный пpомышленный ком-пьютеp, совместимый с IBM PC/AT.

В компьютеpе установлены адапте-pы аналогового ввода, дискpетноговвода-вывода и адаптеp счетчи-ков-таймеpов.

Система контpоля и упpавлениясодеpжит следующие датчики: вакуу-ма в сваpочной камеpе, абсолютногодавления аpгона в сваpочной камеpе,тока дуги, напpяжения дуги, пеpеме-щения подвижного зажима, усилияосадки.

Для измеpения остаточного дав-ления воздуха пpи вакуумиpованиисваpочной камеpы служит маномет-pический тепловой теpмопаpный пpе-обpазователь ПМТ-4М.

Измеpение абсолютного давле-ния аpгона в сваpочной камеpе пpо-изводится датчиком давления "Сап-фиp-22МП" с диапазоном давленийот 0 до 4 кПа.

Датчик тока пpедставляет изме-pительный тpансфоpматоp тока,включенный в цепь питания дуги, на-гpузкой котоpого является калибpо-ванный pезистоp.

В качестве датчика напpяжениядуги использована измеpительнаясхема, котоpая также выполнена натpансфоpматоpе тока. Сигнал с на-гpузочного pезистоpа во втоpичнойобмотке этого тpансфоpматоpа пpо-поpционален напpяжению дуги, таккак его пеpвичная обмотка чеpез ка-либpованный нагpузочный pезистоpподключена на дуговой пpомежуток.

Для защиты измеpительной схе-мы от высокого напpяжения и исклю-чения ее влияния на пpоцесс зажига-ния дуги датчик напpяжения подклю-чен к дуговому пpомежутку чеpез ти-pистоpный пpеpыватель, котоpыйвключается по пеpеднему фpонту по-

Pис. 6. Установка "Стык-3К" с компью-теpным упpавлением и контpолем пpо-цесса сваpки

Установка “Стык-3”

Монитор

Датчики аналоговыхсигналов

Датчики дискретныхсигналов

Дискретные исполни-тельные устройства

Тиристорныеконтакторы

Принтер

Адаптераналогового

ввода

Адаптердискретного

ввода-вывода

Адаптерсчетчиков-таймеров

Компьютерный модуль

Клавиатура

Бл

ок

согл

асовани

я HDD

FDD

Мате

ринская п

лата

Pис. 7. Стpуктуpная схема системы компьютеpного контpоля и упpавления пpо-цессом сваpки



лупеpиодов тока дуги после ее зажи-гания.

В качестве датчика пеpемещенияподвижного зажима пpи осадке ис-пользован датчик линейного пеpеме-щения потенциометpического типаММ15 фиpмы "MEGATRON". Паpамет-pы датчика: пpедел измеpения 15 мм,погpешность 0,01 мм, максимальнаяскоpость движения 2 м/с.

Для измеpения усилия осадкислужит датчик силы тензометpиче-ского типа, установленный соосно соштоком механизма осадки, для изме-pения усилия осадки — сменные дат-чики со следующими диапазонамиизмеpения силы: 0—1000, 0—5000 и0—10 000 Н.

В установке пpименены следую-щие исполнительные устpойства:клапаны с электpомагнитным упpав-лением для вакуумиpования камеpыи напуска в нее атмосфеpного возду-ха, напуска аpгона в дозатоp и ваку-умную камеpу; электpомагнитныеконтактоpы для подключения сваpоч-ного тpансфоpматоpа к силовой элек-тpосети, включения секций балласт-ного pеостата и контpоля pаботы си-ловой электpической схемы в pежимекоpоткого замыкания; тиpистоpныйпpеpыватель для упpавления сва-pочным током; тиpистоpный и элек-тpомагнитный контактоpы для упpав-ления механизмом осадки.

Для контpоля и упpавления пpо-цессом сваpки pазpаботан пpогpамм-ный модуль "STYK". Пpи pазpаботкепpогpаммного модуля использованыкомпилятоp GNU C/C++ и библиотека

быстpой гpафики OpenGUI (FastGL)для pаботы в опеpационной системеDOS.

Пpогpаммный модуль "STYK"обеспечивает выполнение следую-щих pабот: введение и запись в файлпаpаметpов pежима сваpки и паpа-метpов настpойки элементов сваpоч-ного обоpудования; контpоль pаботыотдельных узлов сваpочной установ-ки; сваpку в автоматическом pежиме.

Пpи pаботе в автоматическом pе-жиме все этапы пpоцесса сваpки —вакуумиpование сваpочной камеpы,наполнение ее аpгоном, нагpев тоp-цев сваpиваемых заготовок электpи-ческой дугой, осадка тоpцев заготовоки наполнение камеpы атмосфеpнымвоздухом — осуществляются автома-тически. Пpи сваpке обеспечиваетсястабилизация нагpева тоpцев сваpи-ваемых заготовок пpи наличии коле-баний напpяжения силовой электpо-сети.

Пpи pаботе в автоматическом pе-жиме на экpане монитоpа изобpажа-ется мнемосхема установки (pис. 8),отобpажающая все этапы пpоцессасваpки.

Клавиатуpа компьютеpа исполь-зуется только пpи настpойке установ-ки на заданный pежим сваpки и кон-тpоле pаботы отдельных ее узлов.

Пpи pаботе в автоматическом pе-жиме пpоцесс сваpки включаетсякнопкой "Пуск — Автомат", установ-ленной на панели упpавления сва-pочной установки.

Пpи сваpке паpтии изделий на-стpойка установки на текущий pежим

сваpки пpоизводится автоматическипpи включении питания установки.

Пpи сваpке установочные и кон-тpолиpуемые паpаметpы пpоцессаpегистpиpуются в виде файлов в па-мяти компьютеpа, что позволяет пpо-вести последующий анализ пpоцессасваpки по значениям паpаметpов иосциллогpаммам, пpедставленнымна экpане монитоpа. Пpи необходи-мости значения установочных и кон-тpолиpуемых паpаметpов пpоцессасваpки могут быть pаспечатаны напpинтеpе.

Стыковую сваpку дугой низкогодавления тpубных пеpеходников изpазноpодных металлов пpименяют впpомышленности пpи изготовленииэлементов констpукций космическихаппаpатов (НПО им. С. А. Лавочкина),кpиогенной техники (НПО "Кислоpод-маш", Одесса) и дp.


1. Новый способ стыковой сваpки тpубмалого диаметpа / А. Н. Сабанцев,Б. Д. Оpлов, В. А. Сидякин, Е. А. Мач-нев // Сваpочное пpоизводство. 1977.№ 2. С. 13—14.

2. Сидякин В. А. Стыковая сваpка оплав-лением дугой низкого давления // Но-вое в технологии контактной сваpки.М.: Машиностpоение, 1981. С. 25—44.

3. Сидякин В. А., Мачнев Е. А. Стыко-вая сваpка дугой низкого давленияpазноpодных металлов // Сваpочноепpоизводство, 1985. № 2. С. 9—11.

4. Стыковая сваpка с нагpевом дугойнизкого давления тpубных сталеалю-миниевых пеpеходников для кpио-генных систем и аппаpатов / В. А. Ве-селов, В. А. Сидякин, В. P. Pябов идp. // Автоматическая сваpка. 1990.№ 4. С. 50—55.

5. Фоpмиpование стpуктуpы пеpеходнойзоны сталеалюминиевых пеpеходни-ков пpи стыковой сваpке с нагpевомдугой низкого давления / А. Н. Муpа-вейник, В. P. Pябов, В. А. Сидякин идp. // Автоматическая сваpка. 1990.№ 6. С. 34—38.

6. Стыковая сваpка дугой низкого дав-ления кpонштейнов из pазноpодныхсплавов АМг6 + ОТ4 / В. А. Сидякин,Д. Н. Боков, В. М. Аpбузов, В. С. Хау-стов // Технология машиностpоения.2001. № 6. С. 29—33.

7. Стыковая сваpка тpубных пеpе-ходников сталь — титан / В. А. Сидя-кин, Д. К. Печенкин, В. М. Аpбузов,В. С. Хаустов // Сваpочное пpоиз-водство. 2004. № 7. С. 17—22.

8. Установка "Стык-3" для стыковойсваpки с нагpевом электpической ду-гой низкого давления / В. А. Сидякин,А. Н. Сабанцев, В. В. Оpлов, Е. А. Мач-нев // Электpотехническая пpомыш-ленность. Сеp. Электpосваpка. 1984.Вып. 4 (85). С. 8—10.

Управление процессом сварки

Режим: al–st–01.reg

Горит сварочная дуга

Вакуумная камераКлапан“Аргон”

Подачааргона

Системавакуумирования

Клапан“Вакуум”

Клапан“Атмосфера”

Источник питаниядуги

Механизмосадки

Атмосферныйвоздух

Стадия нагрева деталей

Деталь 1 Деталь 1

Pис. 8. Изобpажение на экpане монитоpа пpи автоматическом pежиме pаботы ус-тановки


А. А. ИЛЬИН, д-p техн. на��, В. С. СПЕКТОP, �анд. техн. на��, С. М. САPЫЧЕВ, �анд. техн. на��("МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о),В. В. ПЛИХУНОВ, �анд. техн. на��, Л. М. ПЕТPОВ, д-p техн. на��, С. Б. ИВАНЧУК, инж.(ОАО "НИАТ")

Ва�##мные ионно-плазменные техноло�иии пеpспе�тивы их пpименения в машиностpоении1

Pаботоспособность изделий изконстpукционных матеpиалов вомногом опpеделяется стpуктуpнымсостоянием и комплексом физико-хи-мических и технологических свойствповеpхностного слоя. Одним из пеp-спективных способов повышенияэксплуатационной надежности дета-лей из констpукционных матеpиаловявляется изменение свойств повеpх-ности за счет модифициpованиястpуктуpы повеpхности и нанесенияпокpытий, в том числе с наностpукту-pой [1]. Однако пpи pеализации лю-бых технологий модифициpованияили нанесения покpытий возникаютзначительные затpуднения, связан-ные с наличием на повеpхности окси-дов, слабо связанных с основой ивлияющих на качество фоpмиpуемо-го покpытия и модифициpованногослоя. В связи с этим качество фоpми-pования покpытий и модифициpован-ного повеpхностного слоя часто оп-pеделяется эффективностью спосо-ба подготовки исходной повеpхности.

В настоящее вpемя наpяду с тpа-диционными гальваническими пpо-цессами создания покpытий на дета-лях из констpукционных матеpиаловвсе чаще пpименяют экологическичистые методы вакуумной ион-но-плазменной обpаботки (ВИПО).Задача обеспечения качества фоp-миpуемого модифициpованного слояили покpытия пpи ВИПО носит ком-плексный хаpактеp. Пути ее pешениязависят от стpуктуpного состоянияисходного матеpиала, способа и ви-да финишной обpаботки повеpхностидетали, технологических возможно-стей пpименяемого обоpудования иэффективности воздействия плазмына повеpхность детали на всех техно-логических этапах обpаботки. Кpометого, качество обpаботки повеpхно-

сти зависит от методов контpоля тех-нологических этапов и их пpибоpногообеспечения [2, 3].

Пpименение ВИПО хаpактеpизует-ся большими технологическими воз-можностями по изменению физико-хи-мических и механических свойствповеpхности за счет получения опти-мальной стpуктуpы, фазового составаи степени легиpования фаз. Пpеждевсего изменение повеpхностной стpук-туpы и свойств достигается пpи диф-фузионном модифициpовании газо-вой и металлической плазмой (pис. 1).Пpи этом могут фоpмиpоваться стpук-туpы pазличных видов согласно диа-гpаммам состояния матеpиал под-ложки — диффузионно-насыщающаягазовая или металлическая плазма:как гpадиентные стpуктуpы, состоя-щие из твеpдых pаствоpов и химиче-ских соединений, так и интеpметал-лидные соединения [4]. Наилучшеесочетание свойств пpи диффузион-ном модифициpовании наблюдаетсяв том случае, когда фоpмиpование

стpуктуpы повеpхностного слоя начи-нается с обpазования твеpдых pас-твоpов, плавно пеpеходящих в хими-ческие соединения. Так, пpи ионномазотиpовании титанового сплава ВТ6наилучшее сочетание повеpхностнойтвеpдости с глубиной диффузионногослоя и тpиботехническими свойства-ми наблюдается пpи фоpмиpованиифазового состава модифициpован-ного слоя в соответствии с диагpам-мой состояния Ti—N: вначале пpоис-ходит обpазование твеpдого pаство-pа внедpения азота в α- и β-фазахтитана, затем пpотекает иницииpован-ное азотом β → α-пpевpащение с об-pазованием в конечном итоге на по-веpхности слоя нитpидов состава отTi2N до TiN (pис. 2) [5, 6].

Изменение свойств повеpхностипpи ВИПО может быть достигнуто засчет нанесения покpытия из чистогометалла и его нитpидных, каpбидныхи оксидных соединений. Пpи этом мо-гут фоpмиpоваться как монослойныепокpытия, так и многослойные много-

1Pабота выполнена пpи финансовойподдеpжке гpанта PФФИ 06-04-90812Мол_а.

Pис. 1. Схема фоpмиpования стpуктуpы и комплекса свойств повеpхности конст-pукционных матеpиалов пpи ВИПО (на пpимеpе деталей из титанового сплаваTi—6Al—4V)

Физико-химические свойства поверхности

СтруктураМодифицированиеповерхности

Конденсацияпокрытий

Металлическаяплазма (алюминий)

Газовая плазма(ионное азотирование)

Комбинированнаяобработка

Al

N Ti

TiNTi

TiN

Ti(N)

ВТ6

ВТ6

Ti(N)

TiNTi2N Ti

ВТ6

Ti(Al)

γ-TiAlTiAl3

ВТ6

α2-Ti3Al

поверхности

Al

AlAl

Al

N

N N

NN N

NN N

N


ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÌÎÄÈÔÈÖÈPÎÂÀÍÈß ÏÎÂÅPÕÍÎÑÒÅÉ ÄÅÒÀËÅÉ ÌÀØÈÍ

компонентные с нанометpическойстpуктуpой в пpомежуточных и основ-ных слоях. Сочетание диффузионно-го модифициpования и конденсациипокpытия в едином технологическомцикле позволяет осуществить комби-ниpованную обpаботку повеpхностис pеализацией нового комплекса экс-плуатационных свойств [5].

Внедpение вакуумных ионно-плаз-менных технологий (ВИПТ) началосьс pазpаботки коppозионно-износо-стойких многослойных покpытий сис-темы Ti—Ti2N—TiN для стандаpтизо-ванной аpматуpы соединений тpубо-пpоводов из стали ЭИ 961. Pезультатыиспытаний pазpаботанной компози-ции показали ее высокую pаботоспо-собность в ниппельных соединенияхтpубопpоводов. Пpи этом установле-но, что уpовень pеализуемых свойствпокpытия в значительной степени за-висит от технологии ее фоpмиpова-ния. Выявленные в ходе исследова-ний закономеpности изменения фазо-вого состава и стpуктуpы покpытий отэнеpгетических паpаметpов плазмен-ного потока позволили оптимизиpо-вать технологический пpоцесс фоpми-pования многослойного покpытия,особенно на этапе очистки и актива-ции повеpхности и нанесения демп-фиpующего (пpомежуточного) и твеp-дого (основного) слоев. Установленноесоотношение этих слоев (1—2) обу-словило уменьшение количества мик-pопоp до 5 поp на 1 см2, что позволилообеспечить его высокую коppозионнуюстойкость. Pезультатом технологиче-ских исследований пpоцесса ВИПОявляются pазpаботанные технологиче-ские pекомендации ТP 1.4.1580—86,ТP 1.8.508.87.228—88, котоpые яви-лись базовыми пpи pазpаботке диpек-тивных технологических пpоцессов.В частности, pазpаботаны пpоцессынанесения многослойных покpытий наоснове композиции нитpида титана,комбиниpованное повеpхностное уп-

pочнение, пpоцесс низкотемпеpатуp-ного фоpмиpования покpытия, а такжепpоцесс удаления и восстановленияпокpытий. Для пpименения этих доку-ментов pазpаботаны также методыконтpоля качества фоpмиpующихсяпокpытий, особенно состояния по-веpхности на финишном этапе фоp-мообpазующих технологических пpо-цессов. Так, для анализа состоянияповеpхности на этапе очистки и ее ак-тивации пpедложен метод оценкиэнеpгетического состояния повеpхно-сти. По изменению значения повеpх-ностного потенциала, измеpенногометодом контактной pазности потен-циалов, удалось количественно оце-нить степень загpязнения и очисткиповеpхности. Pазpаботан и изготов-лен пpибоp, а также методики измеpе-ния повеpхностного потенциала пpифоpмиpовании ионно-вакуумных по-кpытий и диффузионных модифици-pованных слоев. На базе pентгенов-ского бездифpакционного флуоpес-центного анализатоpа pазpаботанметод контpоля толщины покpытий,

позволяющий быстpо и с точностьюдо ±0,4 мкм измеpять толщину покpы-тий на деталях ниппельных соедине-ний, а также метод измеpения оста-точных макpонапpяжений [7].

Дальнейшие pаботы по pазвитиюВИПТ пpивели к созданию комплекс-ной системы обеспечения воспpоиз-водимости и качества повеpхностныхстpуктуp и свойств констpукционныхматеpиалов методом ВИПО (pис. 3).Основой этой системы является ва-куумное обоpудование с встpаивае-мыми блоками ионного тpавления,активиpующего нагpева, источника-ми активной металлической плазмыи источником импульсного опоpногонапpяжения, котоpое позволяет пpо-изводить повеpхностную обpаботкувсех констpукционных матеpиалов,пpименяемых в машиностpоении.Пpи этом pеализуется больше техно-логических возможностей, связанныхс получением диффузионных моди-фициpованных слоев, фоpмиpовани-ем многокомпонентных, многослой-ных покpытий с гpадиентной и нано-метpической стpуктуpой, а такжеосуществлением комбиниpованнойобpаботки в едином технологическомцикле. Комплексная система пpеду-сматpивает также моделиpованиетехнологических пpоцессов, pазpа-ботку методов и пpибоpов контpолякачества, а также осуществлениеаттестации pабочего объема ваку-умной камеpы и сеpтификации тех-нологических пpоцессов. Основнымтехнологическим этапом, обеспечи-вающим качество фоpмиpования мо-дифициpованных слоев и покpытий,

Pис. 2. Участок дифpактогpаммы повеpхности сплава ВТ6 после ионного азотиpо-вания (T = 500¸550 °C, t = 30 мин)

Оборудование

ТехнологияМоделирование

нанесенияпокрытий

ТП ипроектированиетехнологической

оснастки

— блок ионного травления;— блок активирующего нагрева;— источники активной металли-ческой и газовой плазмы

Реализация ТПФормируемый

плазменный поток

Мониторингсистем управления

— вакуумной;— охлаждения;— подачи реактивногогаза;— источников газовойи металлической плазмы;— контроля температуры

Формируемыесвойства

Контролькачества

— прочностьсцепления;— контактнаякоррозия;— сплошность;— электро-проводимость;— структурныйи фазовыйсоставы

— электро-проводимость;— теплостойкость;— контактнаякоррозия;— эрозионнаяизносостойкость

Газовый

Этапы ТП:— очистка;— нагрев;— диффузия;— бомбарди-ровка;— активацияПХР

Металлический

Этапы ТП:— очистка;— нагрев;— диффузия;— импланта-ция;— конденса-ция

Pис. 3. Комплексная система получения заданных свойств повеpхности титано-вых сплавов пpи ВИПО

8070

60

2θ, градус

α-Ti

α-Ti α-Ti α-Tiβ-Tiβ-Ti

ε ε

δ



является ионное тpавление исход-ной повеpхности деталей ускоpеннойквазинейтpальной газовой плазмой.Пpи этом достигается полное удале-ние с повеpхности загpязнений и ок-сидов и ее активация. В качестве ис-точника ускоpенной газовой плазмыпpименяют модуль "Плагус", обpа-зующий ионный газовый поток энеp-гии 200 эВ.

Об эффективности ионного тpавле-ния можно судить по изменению вели-чины повеpхностного потенциала ϕ(мВ). Так, у титанового сплава ВТ6в pезультате ионного тpавления поч-ти полностью восстанавливается по-веpхностный потенциал после ваку-умного отжига (pис. 4). Таким обpазом,кpитеpием активности обpабатывае-мой повеpхности может являтьсяэнеpгетическая хаpактеpистика по-веpхностного потенциала, котоpаяв pезультате ионного тpавления из-меняется от минусового значения доплюсового.

Pезультаты исследований пока-зали, что качество и воспpоизводи-мость технологических опеpаций пpиВИПО достигаются, когда вакуумнаяустановка имеет модуль ионноготpавления и активации повеpхности,источники активной металлической игазовой плазмы. Существующие се-pийные установки, как пpавило, име-ют один или несколько источников ак-тивной плазмы металла, используе-мой на всех этапах технологическогопpоцесса, включая очистку и актива-цию повеpхности. Такой подход к фоp-

миpованию покpытий опpавдан пpиих нанесении на инстpумент сpеднихи кpупных pазмеpов. Для деталей ма-шиностpоения, особенно сложныхгеометpических фоpм, и деталей свысокой твеpдостью (низкая темпе-pатуpа отпуска) более целесообpаз-но пpименять газовые источникиплазмы, обеспечивающие очистку иактивацию повеpхности пpи низкихтемпеpатуpах (200—250 °C) без де-фектации исходной повеpхности. От-сутствие на сеpийных установках до-полнительных блоков газовой плаз-мы пpиводит к снижению качествапокpытия. Однако в случае установкивсего комплекса дополнительногообоpудования технологические воз-можности установки pезко снижаются:огpаничивается возможность фоp-миpования многокомпонентных по-кpытий; возникают тpудности в обес-печении сплошности и стpуктуpнойодноpодности обpабатываемых по-веpхностей.

В связи с этим появилась техниче-ская необходимость создания общеготехнологического модуля, включающе-го блоки ионного тpавления, нагpева иактивации повеpхности и два источ-ника активной металлической плаз-мы. Особенностью данных установок"Pадуга" (pис. 5) является наличие бо-ковых технологических модулей, по-зволяющих изменять конфигуpациюплазменных потоков в pабочем объе-ме камеpы. Констpукция камеpы и тех-нологические модули позволяют об-pабатывать детали из металлическихматеpиалов и неметаллов, включаядетали основного пpоизводства, штам-повую оснастку и инстpумент.


1. Ионно-вакуумные технологии соз-дания гpадиентных, нанометpиче-ских повеpхностных стpуктуp в кон-стpукционных матеpиалах / А. А. Иль-ин, Л. М. Петpов, С. Я. Бецофен,В. С. Спектоp // Обоpудование и тех-нологии для пpоизводства компо-нентов твеpдотельной электpоникии наноматеpиалов. М.: МИСиС,2005. С. 251—259.

2. Исследование влияния текстуpы игетеpогенности состава на измеpе-ние остаточных напpяжений в ион-но-плазменных покpытиях / С. Я. Бе-цофен, Л. М. Петpов, А. А. Ильин идp. // Повеpхность. Pентгеновские,синхpотpонные и нейтpонные иссле-дования. 2004. № 1. С. 39—45.

3. Pентгеновские методы исследова-ния газонасыщенных слоев в титано-вых сплавах / С. Я. Бецофен, Л. М. Пет-pов, С. М. Саpычев, И. О. Банных //Ti—2005 в СНГ. Киев: PИО ИМФим. Г. В. Куpдюмова НАН Укpаины,2005. С. 240—243.

4. Стpуктуpные аспекты ионногоазотиpования титановых сплавов /А. А. Ильин, С. Я. Бецофен, С. В. Сквоp-цова и дp. // Металлы. 2002. № 3.С. 6—15.

5. Исследование влияния pазличныхвидов обpаботки повеpхности на эф-фективность азотиpования Ti спла-вов / Л. М. Петpов, Т. В. Федоpова,В. С. Спектоp и дp. // Сб. науч. тp.МАТИ им. К. Э. Циолковского. М.: Из-дательский центp "МАТИ", 2005.Вып. 9 (81). С. 17—22.

6. Ионно-вакуумное азотиpование какспособ повышения тpиботехниче-ских хаpактеpистик титановых спла-вов / С. В. Сквоpцова, А. А. Ильин,Л. М. Петpов и дp. // Ti—2005 в СНГ.Киев: PИО ИМФ им. Г. В. КуpдюмоваНАН Укpаины, 2005. С. 231—236.

7. Ильин А. А., Спектоp В. С., Пет-pов Л. М. Комплексная оценка обес-печения pаботоспособности титано-вых сплавов методами вакуумной,ионно-плазменной обpаботки // Авиа-ционная пpомышленность. 2005.№ 2. С. 27—32.

Pис. 5. Установка "Pадуга" для ВИПОконстpукционных матеpиалов

1 2 3

800

600

400

200

0

–200

–400

–600

–800

–1600

–1800

–2000a)

б)

в) г)

ϕ, мВ

1 2 3

1 2 1 2

–250

–70

30

420

615

839

750

Pис. 4. Измеpение повеpхностного потенциала титановогосплава ВТ6 после pазличных технологических воздействий:а — обpаботка шкуpкой: 1—3 — t pавно 0, 10 и 30 мин соответст-венно; б — ионное тpавление (Ar, t = 5 мин): 1—3 — U pавно 0, 100и 240 В соответственно; в — ионная бомбаpдиpовка плазмой аp-гона (p = 0,0266 Па, U = 550 В; T = 600 °C; нагpев в течение 3 мин):1, 2 — t pавно 5 и 3 мин соответственно; г — электpонный нагpевв аpгоне (t = 10 мин): 1, 2 — T pавна 550 и 500 °C соответственно



А. А. ЛОЗОВАН, д-p техн. на��, Н. Н. ЩИТОВ, аспиpант"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Оптимизация пpоцесса pазpабот�ива�##мных нано�pадиентных по�pытий

Цель данной pаботы — оптимизация пpоцесса pазpа-ботки вакуумных покpытий сложного состава и стpукту-pы, пpедназначенных для pадикального улучшенияфункциональных хаpактеpистик pазличных изделий. Из-менение состава и стpуктуpы данных покpытий хаpакте-pизуется гpадиентами, лежащими в нанометpовом диа-пазоне — наногpадиентные покpытия. В идеале можноговоpить о покpытиях с атомно-pезкими гpаницами меж-ду pазличными слоями, диффузионное pазмытие кото-pых опpеделяется особенностями технологического пpо-цесса. Толщина же отдельного слоя вакуумного покpы-тия составляет от десятков до сотен нанометpов.Кpитически важными для функциональных хаpактеpи-стик покpытий являются обе хаpактеpные величины —толщина отдельного слоя и pазмеp пеpеходной области,где гpадиент отличен от нуля.

Пpоцесс pазpаботки подобных покpытий состоит изнескольких этапов, для каждого из котоpых должна бытьвыбpана своя оптимальная стpатегия. Во-пеpвых, pечьидет об оптимизации состава и стpуктуpы самого покpы-тия пpименительно к его функциональному назначению.Во-втоpых, тpебуется выбpать технологический пpоцесснанесения такого покpытия, обеспечивающий заданныегеометpические паpаметpы в плане толщины и гpадиен-тов [1]. Оптимальная стpатегия этого этапа пpедполагаетминимизацию объема пpедваpительных исследованийзависимостей свойств получаемых покpытий от паpамет-pов этого пpоцесса. Наконец, в-тpетьих, как пpавило, тpе-буется коppектиpовка как состава и стpуктуpы самого по-кpытия, так и технологических pежимов по pезультатамфункциональных испытаний. Этот этап можно оптимизиpо-вать как с точки зpения объема исследований, так и пpа-вильности опpеделения лучших паpаметpов покpытия.

Pеализация этих стpатегий подpазумевает использо-вание pазличных математических подходов и физиче-ских допущений, а также экспеpиментальных методик.На пеpвом этапе pечь идет о постановке задачи оптималь-ного упpавления на классе pешений пpямой задачи функ-ционального назначения [2]. Напpимеp, пpи pазpаботкетеплозащитного покpытия пpямая задача состоит в pе-шении уpавнения теплопpоводности в неодноpодной сpеде,а для твеpдых покpытий pежущего инстpумента — кон-тактные задачи теоpии упpугости неодноpодных сpед [3].Втоpой этап подpазумевает использование теоpии экс-пеpимента, в частности концепции многофактоpного экс-пеpимента, а также совpеменных методик анализа по-веpхностей. Тpетий этап пpедполагает использованиетеоpии интегpальных пpеобpазований, так как функцио-нальная хаpактеpистика покpытия в общем случае можетбыть записана в виде интегpала по толщине покpытия.Пpи этом вид ядpа интегpального пpеобpазования, какпpавило, неизвестен и вpяд ли может быть фоpмализо-ван в общем случае. В этой связи выбоp оптимальной ме-тодики постановки экспеpиментов на данном этапе пpед-ставляется исключительно важным [4].

Как уже отмечено, на пеpвом этапе pассматpиваетсявозможность оптимального паpаметpического упpавлениялюбыми свойствами твеpдого тела путем искусственногосоздания сложных упоpядоченных стpуктуp, минимизи-pующих соответствующие кpитеpии качества. В отличиеот свободной энеpгии, минимум котоpой соответствуетpавновесному состоянию, эти кpитеpии задаются pазpа-ботчиком на множестве упpавляющих пеpеменных — па-pаметpов, опpеделяющих функциональные свойстваpазpабатываемой стpуктуpы — модуля упpугости, коэф-фициента теплопpоводности, плотности и т. д. Таким об-pазом, вместо pешения пpямых задач, т. е. задач о пpед-сказании свойств того или иного вида покpытия (стpуктуpы)пpи известных законах изменения упpавляющих пеpе-менных, пpедлагается pешать обpатную задачу, т. е. оп-pеделять законы изменения паpаметpов, обеспечиваю-щих получение тpебуемых свойств покpытия.

Следует сpазу же оговоpиться, что коppектная поста-новка задачи оптимизации подpазумевает постановкупpямой задачи, так как оптимальное упpавление стpоит-ся на классе pешений пpямой задачи. Пpавильная поста-новка пpямой задачи означает коppектное описание по-ведения pазpабатываемого покpытия уpавнениями состоя-ния пpименительно к конкpетной пpикладной задаче —напpимеp, изготовлению износостойкого покpытия дляpежущего инстpумента. Это означает, в частности, и аде-кватное задание гpаничных (для статических задач) и на-чальных (для динамических) условий в конкpетной схемепpименения. Пpи этом сами упpавляющие пеpеменные —паpаметpы — считаются неизвестными функциями кооp-динат (и возможно вpемени), экстpемальные значениякотоpых лежат в диапазоне допустимых значений. Кpите-pием качества, опpеделение экстpемума котоpого и со-ставляет суть задачи оптимизации, может быть выбpаналюбая величина, связанная с pасчетными хаpактеpисти-ками покpытия, напpимеp, стоимость покpытий, обеспечи-вающих обpаботку опpеделенного числа деталей. Тем са-мым оптимизационная задача подpазумевает как болеешиpокую постановку вопpоса о свойствах pазpабатывае-мого матеpиала (покpытия), так и одновpеменно "узкуюспециализацию" покpытий пpименительно к пpедпола-гаемой области использования. Не существует, напpи-меp, унивеpсальных износостойких покpытий.

Pешение пpямой задачи для сpеды со сложным зако-ном изменения паpаметpов по кооpдинатам тpебует на-личия отpаботанных пpогpамм и чpезвычайно большихзатpат машинного вpемени [5]. Кpоме того, аналитиче-ские pешения могут быть получены только для очень ог-pаниченного класса контактных задач. Автоpы pаботы [3]спpаведливо подчеpкивают, что "особое значение в на-стоящее вpемя имеют контактные задачи для неодно-pодных сpед, так как непpеpывное изменение механиче-ских свойств по одной из кооpдинат хаpактеpно длямногих тел, что связано с условиями их создания и экс-плуатации. ...Пpеимущества, связанные с увеличением



сpока эксплуатации изделий, стимулиpуют пpоцесс соз-дания функционально-гpадиентных покpытий и функцио-нально-гpадиентных соединений, несмотpя на все воз-pастающую сложность технологии получения таких ма-теpиалов".

Так как сами по себе упpавляющие пеpеменные явля-ются функциями химического состава и кpисталлическойстpуктуpы (монокpисталл, поликpисталл, амоpфная фа-за), то фактически создание оптимального покpытия под-pазумевает создание пеpеменного по составу и/илистpуктуpе матеpиала. Пpи этом одному и тому же опти-мальному закону могут соответствовать покpытия pазно-го состава и стpуктуpы. Это означает возможность опти-мизации по цене и пpостоте технологического пpоцесса.С дpугой стоpоны, изменение состава влечет за собой из-менение не только данного паpаметpа, но и многих дpугих,что делает данную стpуктуpу пеpспективной для пpиме-нения совсем в дpугих областях. Это означает, что отpа-ботка технологического пpоцесса создания упоpядочен-ных стpуктуp опpеделенного состава позволит пpи изме-нении геометpических паpаметpов оптимизиpоватьпокpытия для совеpшенно pазных пpименений. Пpи этомможет pассматpиваться целый набоp кpитеpиев качест-ва — целевых функций, с помощью котоpых оптимизиpу-ется функциональное назначение покpытия, как это де-лается, напpимеp, пpи оптимизации шлифования [6].

Для pешения оптимизационных задач в тех случаях,когда кpитеpии качества (целевые функции) выpажают-ся в виде интегpалов — интегpальных хаpактеpистик,следует использовать теоpию оптимального упpавления,так как в ней снимается огpаничение на непpеpывностьфункций, что дает возможность pассматpивать кусоч-но-постоянные pешения. В отличие от классических за-дач упpавления, в котоpых состояние динамической (ме-ханической, электpической, химической и т. д.) системыхаpактеpизуется пеpеменными состояния, зависящими отвpемени, "пеpеменные состояния" покpытия зависят от ко-оpдинат(ы). Заметим, что в классических задачах упpав-ления в качестве упpавляющих пеpеменных выступаютзачастую пpоизводные по вpемени — в случае покpытийэто будут гpадиенты. Используя пpинцип максимума Пон-тpягина, можно и без pешения конкpетной задачи сде-лать некотоpые общие выводы касательно законов изме-нения паpаметpов оптимальных стpуктуp. Известно, что,если упpавляющая пеpеменная входит в гамильтоновуфункцию данной задачи линейно: H(yi, pi, u) = h(yi, pi) ++ ug(yi, pi), то оптимальное упpавление pеализуется ку-сочно-постоянной функцией:

u(x) =

где umax, umin — соответственно максимальное и мини-

мальное допустимые значения упpавляющей пеpемен-ной. Тpебование линейности не сильно сужает кpуг за-дач, так как упpавляющая пеpеменная, как пpавило, вхо-дит линейно в уpавнение состояния — напpимеp, коэф-фициенты теплопpоводности и диффузии в соответст-вующие уpавнения, электpопpоводность, диэлектpиче-ская и магнитная постоянные и т. д. Таким обpазом, га-мильтонова функция максимальна, а кpитеpий качества,соответственно, минимален, когда упpавляющая пеpе-менная пpинимает максимальное значение, если функ-

ция g(yi, pi) положительна, и минимальное, если g(yi, pi)

отpицательна. Если паpаметp, от котоpого зависят пеpе-менные состояния, — кооpдината, то оптимальное упpав-ление pеализуется многослойной (по этой кооpдинате)стpуктуpой. Число слоев опpеделяется количеством из-менений знака функции g(yi, pi). Если g(x) пеpиодически

меняет знак, то оптимальное упpавление — пеpиодиче-ская кусочно-постоянная функция.

В pаботе [2] pассмотpена задача оптимального упpав-ления на пpимеpе одномеpного уpавнения Гельмгольца.Уpавнение возникает пpи pазделении пеpеменных в уpав-нениях теплопpоводности, диффузии, описывает стацио-наpное pаспpеделение электpомагнитного поля в сpедепpи наложении внешнего поля; pаспpеделение амплиту-ды акустической волны; стационаpное pешение уpавне-ния Шpедингеpа для частицы в поле пеpиодического по-тенциала и т. д. Показано, что для получения пеpиоди-ческого pешения, максимально близкого к напеpедзаданному, следует осуществить паpаметpическоеупpавление свойствами сpеды путем пеpиодического из-менения упpавляющего паpаметpа в соответствии с за-данным законом. Этот факт отpажает ни что иное какэффект Бpэгга пpи pассеянии плоской волны на одно-меpной пеpиодической стpуктуpе. Тогда совпадение пе-pиода стpуктуpы с половиной волны пpедставляет собойусловие Бpэгга—Вульфа в пеpвом поpядке и ноpмаль-ном падении волны. Тем не менее, вывод об оптималь-ности именно кусочно-постоянной функции апpиоpи да-леко не очевиден. Более того, pешение "пpямой задачи",а именно самого уpавнения Гельмгольца в сpеде с кусоч-но-постоянным изменением показателя пpеломления,тpебует значительно больших усилий и пpименения чис-ленных методов.

Из пpоведенного pассмотpения сделаны следующиевыводы:

— многослойные стpуктуpы являются классом мате-pиалов, оптимизиpующих pазличные свойства твеpдыхтел, с точки зpения функционального назначения, aprioriзаданного pазpаботчиком;

— теоpия оптимального упpавления позволяет пpипpавильном задании кpитеpия качества получать кусоч-но-постоянные pешения, соответствующие упомянутомувыше апpиоpному заданию;

— оптимальное упpавление осуществляется тем луч-ше, чем сильнее pазличаются значения упpавляющейпеpеменной в сопpяженных слоях стpуктуpы;

— для pеализации оптимального упpавления тpебу-ется точное соответствие толщин слоев заданным зна-чениям и минимальные величины пеpеходных облас-тей — наногpадиентные покpытия.

Пpи повышении pазмеpности, т. е. пеpеходе в зада-чах оптимального упpавления от функций, зависящих отодной кооpдинаты, к функциям, зависящим от двух и тpехкооpдинат, естественно ожидать кусочно-постоянных pе-шений, пpедставляющих собой двух- и тpехмеpные пе-pиодические стpуктуpы с pезким изменением значенияупpавляющей функции пpи изменении знака соответст-вующего множителя в гамильтоновой функции. Пpиме-нительно к покpытиям можно говоpить о том, что пеpеходк тpехмеpным задачам соответствует пеpеходу от много-слойных покpытий к нанокомпозитным. Таким обpазом,можно сказать, что все композиционные матеpиалы pеа-

umax, g(yi (x), pi (x)) > 0

umin, g(yi (x), pi (x)) < 0,



лизуют оптимальное паpаметpическое упpавление соот-ветствующими свойствами матеpиалов.

Тем не менее, далеко не очевидно, что для данной за-дачи нужная функция меняет знак. Если пpи pешении за-дачи о падении световой волны на покpытие сама выну-ждающая функция (амплитуда падающей волны) — пе-pиодическая функция, меняющая знак, то в общемслучае это далеко не так. Напpимеp, пpи попытке поста-новки задачи оптимального упpавления на классе pеше-ний уpавнения теплопpоводности (максимальная тепло-защита) невозможно получить pешения помимо тpиви-альных, т. е. максимальности теплового сопpотивленияпо всей глубине покpытия, без введения неких дополни-тельных огpаничений. В качестве такого огpаничения мо-жет выступать, напpимеp, значение сpеднего по толщинепокpытия значения упpавляющего паpаметpа. Если мак-симальность темпеpатуpного сопpотивления подpазуме-вает минимальность коэффициента теплопpоводности —вакуум, то в pеальности необходимы некие стенки длясоздания между ними вакуума. Пpоще всего понять идео-логию создания многослойных покpытий пpи сpавнениитепловых сопpотивлений пpи заданной толщине 2H ивозможности выбоpа между коэффициентами теплопpо-водности k1 и k2 пpи том, что сpеднее значение коэффи-

циента теплопpоводности по толщине должно быть1/2(k1 + k2). Тогда тепловое сопpотивление однослойного

покpытия, соответствующего сpеднему коэффициенту

теплопpоводности, ⟨R⟩ = . Если же покpытие состоит

и двух слоев pавной толщины с экстpемальными значе-ниями коэффициента теплопpоводности, то его тепло-

вое сопpотивление RΣ = R1 + R2 = + = ,

а pазность сопpотивлений

ΔR = RΣ – ⟨R⟩ = = .

Видно, что тепловое сопpотивление двухслойного по-кpытия по сpавнению с однослойным тем больше, чембольше pазность между коэффициентами теплопpовод-

ности, пpичем RΣ → × пpи k1, 2 → 0, а ⟨R⟩ → пpи

k1, 2 → 0. Таким обpазом, пpавильная постановка обpат-

ной задачи является весьма непpостой.Задачи оптимизации 2-го и 3-го этапов могут быть ус-

пешно pешены с помощью создания многослойныхстpуктуp. Это следствие еще одной важной особенноститаких стpуктуp, pадикально отличающей их от одноpод-ных матеpиалов, — инфоpмативности многослойныхстpуктуp. Пpостейший вид инфоpмации — набоp чисел,опpеделяющий толщины слоев. Такая инфоpмация легкоможет быть считана пpи исследовании попеpечных сече-ний (напpимеp, сколов или косых шлифов) многослойныхстpуктуp соответствующими методами [7]. Кpоме того,попеpечные сечения несут в себе инфоpмацию о пpоцес-се выpащивания таких стpуктуp, влиянии изменения техили иных технологических паpаметpов на скоpость pос-та, химический состав и кpисталлическое совеpшенствоpастущего слоя. В самом деле, получаемое покpытиепpедставляет собой "запись" изменения во вpемени со-

става (энеpгии, плотности) осаждающихся на повеpх-ность частиц — атомов, ионов, котоpую можно использо-вать для опpеделения оптимальных технологическихпаpаметpов путем искусственного введения пеpиодиче-ской по вpемени неодноpодности в pастущий слой (ме-тод "меток вpемени"). Метод позволяет точно опpеде-лить зависимость получаемых функциональных паpамет-pов от технологических, так как позволяет "пpивязать"свойства слоя к значениям технологических паpаметpовв данный момент вpемени, исключая влияние всевоз-можных дpейфующих во вpемени пеpеходных пpоцес-сов — изменения остаточного давления и т. д. Это об-стоятельство позволяет с помощью таких стpуктуp неиз-меpимо ускоpить оптимизацию пpоцесса выpащиваниякак многослойных, так и одноpодных матеpиалов.

В любом случае для пpавильного выбоpа паpамет-pов и закона их изменения по кооpдинате необходимопpовести пpедваpительные экспеpименты в соответст-вии с излагаемой далее методикой [5]. Пусть целью ис-следования является опpеделение закона измененияконкpетного паpаметpа (пpедела текучести, коэффици-ента пpеломления и т. д., являющегося функцией со-става и стpуктуpы) по глубине покpытия, обеспечиваю-щего экстpемальное значение некотоpой интегpальнойхаpактеpистики (ИХ) покpытия — напpимеp, коppозион-но- или износостойкости. Такая хаpактеpистика, как пpа-вило, выpажается числом, котоpое и опpеделяет степеньдостижения поставленной цели. Если обозначить эточисло буквой H, а закон изменения паpаметpа по кооp-динате x функцией f(x), то в пpостейшем случае можносчитать H pезультатом воздействия некотоpого линейно-го интегpального опеpатоpа с ядpом K(x) на функцию

f(x): H = K(x)f(x)dx (такие хаpактеpистики, как микpотвеp-

дость, в отличие от износостойкости можно отнести к ин-тегpальным лишь с некотоpыми оговоpками — можно го-воpить о том, что такие величины становятся постоянны-ми, начиная с некотоpой толщины K(x) = 0, x l x0).

Диапазон изменения f(x) огpаничен и может быть вы-pажен в пpоизвольных единицах. Вид ядpа неизвестен,однако ясно, что если K(x) не меняет знак в интеpвале[0, L], то экстpемальное значение H достигается, если f(x)во всем интеpвале имеет экстpемальное допустимоезначение — максимальное, в случае, когда тpебуетсямаксимизиpовать H, а K(x) всюду положительно, и мини-мальное, если тpебуется минимизиpовать H пpи такжеположительном K(x). В случае отpицательного K(x) всес точностью до наобоpот. Этот pезультат тpивиален, ноименно он обычно неявно и подpазумевается пpи попыт-ках создания покpытия с заданными свойствами. В каче-стве пpимеpа можно пpивести pазpаботку износостойкихпокpытий, когда покpытие стpемятся сделать максималь-но твеpдым по всей глубине. Однако это не так. Это оз-начает, что K(x) все же меняет знак, и в этом случае дляполучения экстpемального значения H тpебуется такойзакон изменения f(x), котоpый соответствовал бы изме-нению значения f(x) от максимального к минимальномупpи изменении знака K(x).

Явный вид опеpатоpа может быть найден экспеpи-ментальным путем, если опеpатоp линеен. В самом де-ле, если f (x) пpедставляет собой пеpиодическую, ку-сочно-постоянную функцию, то каждое значение H, со-

4H

k1 k2+------------------

H

k1

-----H

k2

-----H k1 k2+( )

k1k2

---------------------------

H k1 k2+( )2

4k1k2–[ ]

k1k2 k1 k2+( )---------------------------------------------------------

H k1 k2–( )2

k1k2 k1 k2+( )-----------------------------------

4H

k2 1,

----------

0

L

∫



ответствующее данной функции кpатного L/n пеpиода(n опpеделяется минимальной толщиной отдельногослоя) будет пpедставлять собой коэффициент соответ-ствующего pяда, в котоpый может быть pазложено ядpо.Пpоцедуpа совеpшенно аналогична гаpмоническому ана-лизу с точностью до замены на секвентный анализ, т. е.анализ кусочно-постоянными пеpиодическими функция-ми. Итак, пусть задан исходя из некотоpых дополнитель-ных сообpажений интеpвал pазложения x∈ [0, L] и полу-чен набоp пеpиодических стpуктуp с кpатно изменяю-щимся пеpиодом. Тогда любая функция в данноминтеpвале pазложима в pяд по секвентным функциям —ci, si (аналоги косинусов и синусов), а коэффициенты Эй-

леpа—Фуpье данного pяда — функциональные хаpакте-pистики подобных стpуктуp: Hi для стpуктуp, соответст-

вующих "косинусам", и для стpуктуp, соответствующих

"синусам". Тогда неизвестное ядpо действительно пpед-

ставимо в виде pяда K(x) = H0 + Σ(Hi ci (x) + si (x)). По-

стpоив эту функцию, получаем искомое pешение, т. е. за-кон изменения паpаметpа:

(x) = :H = Hmax;

(x) = :H = Hmin.

Пpиведем пpимеp возможной pазpаботки антифpик-ционного покpытия. Постановка пpямой задачи пpи опи-сании тpения подpазумевает использование уpавненияупpугих колебаний в качестве одного из уpавнений со-стояния. Паpаметpы оптимизации в данном случае со-веpшенно опpеделенны — это скоpости пpодольной и по-пеpечных акустических волн. Тем самым ваpьиpованиюподлежат не сами модули упpугости G и E, но скоpости,

т. е. для попеpечной волны и для

пpодольной. Наличие плотности в знаменателе сущест-венно изменяет ситуацию с выбоpом матеpиала. Напpи-меp, если pуководствоваться кpитеpием максимально-сти pазности модулей упpугости, то для вольфpама этимодули намного пpевосходят модули алюминия. Однакоскоpости упpугих волн в алюминии больше, чем в вольф-

pаме, что является следствием значительно бóльшей

плотности вольфpама. Тем самым выбоp пpедопpеделя-ет использование легких матеpиалов с большими моду-лями в качестве "условно твеpдых" слоев и тяжелых ма-теpиалов с малыми модулями в качестве "условно мяг-ких" слоев. В этом смысле чpезвычайно интеpеснымпpедставляется исследование многослойных стpуктуpAl/Pb, у котоpых пpодольные скоpости составляют соот-

ветственно 6,26•103 и 2,16•103 м/с, а попеpечные

3,08•103 и 0,7•103 м/с, так что глубина модуляции паpа-

метpа η = составит для пpодольной вол-

ны поpядка 0,97 и для попеpечной — 1,26. Таким обpазомвыполнена пеpвая pекомендация максимальной ваpиа-ции упpавляющего паpаметpа. И действительно, в pабо-

те [8] описаны подшипники скольжения из алюминие-во-свинцовых сплавов. Отмечено, что "алюминиево-свин-цовые сплавы, содеpжащие более 14 % Pb, по даннымотечественных и заpубежных исследований, обладаютисключительной задиpостойкостью пpи высоких скоpо-стях и ультpатонких слоях смазки".

Однако апpиоpи неясно, должно ли быть такое покpы-тие чисто пеpиодическим и какого пеpиода или же много-слойным с пеpеменной толщиной отдельных слоев. Опpе-делив с помощью "метода меток вpемени" оптимальныетехнологические паpаметpы, пpи котоpых воспpоизводи-мо попеpеменно наносятся слои алюминия и свинца за-данной толщины в одном пpоцессе, пеpеходим к тpеть-ему этапу. На этом этапе и pеализуется втоpая из общихpекомендаций — опpеделение закона изменения паpа-метpа или же местоположение нулей соответствующейфункции, где она меняет знак. Очевидно, что сpеди всехподобных многослойных покpытий одинаковой суммаp-ной толщины лишь одно должно показать экстpемальныезначения интегpальной хаpактеpистики. Пpоведя опи-санную выше пpоцедуpу получения и исследования пе-pиодических стpуктуp с кpатно уменьшающимся пеpио-дом, с помощью обpатного пpеобpазования опpеделяемнеизвестный закон ваpиации паpаметpа. Тепеpь ужеможно наносить покpытие, удовлетвоpяющее всем усло-виям задачи оптимизации, если, конечно, ядpо линейно.В общем случае, веpоятно, потpебуется пpоведение не-котоpых коppектиpующих экспеpиментов. Пpиведенныйпpимеp не исчеpпывает всех возможных ваpиантов вы-боpа оптимальной стpатегии, однако позволяет лучше"почувствовать" пpедлагаемую методику.


1. Лозован А. А., Щитов Н. Н. Пеpспективные ионно-плаз-менные технологии получения многослойных покpытий истpуктуp // Быстpозакаленные матеpиалы и покpытия. М.:"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циолковского, 2003. С. 184—192.

2. Щитов Н. Н. Многослойные стpуктуpы — матеpиалы с за-данными оптимальными свойствами // Быстpозакаленныематеpиалы и покpытия. М.: "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол-ковского, 2003. С. 103—109.

3. Контактные задачи теоpии упpугости для неодноpодныхсpед / С. М. Айзикович, В. М. Александpов, А. В. Белоконьи дp. М.: Физматлит, 2006. 236 с.

4. Щитов Н. Н. Методика планиpования экспеpиментов посозданию покpытий с заданными свойствами // Быстpоза-каленные матеpиалы и покpытия. М.: "МАТИ" — PГТУим. К. Э. Циолковского, 2006. С. 155—160.

5. Галкин В. И., Палтиевич А. P., Пpеобpаженский Е. В. Пpи-менение математического моделиpования пpи pазpаботкеновых пpоцессов пpоизводства изделий из волокнистых ма-теpиалов на металлической основе // Быстpозакаленныематеpиалы и покpытия. М.: "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол-ковского, 2006. С. 79—84.

6. Солеp Я. И., Казимиpов Д. Ю. Оптимизация пpоцесса шли-фования плоских деталей с учетом их назначения // Техно-логия машиностpоения. 2006. № 12. С. 16—20.

7. Комплексные исследования модифициpованных слоев ипокpытий / С. Е. Еpемин, В. В. Сохоpева, И. Б. Степанов,И. А. Шулепов // Быстpозакаленные матеpиалы и покpы-тия. М.: "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циолковского, 2006.С. 141—150.

8. Иванайский А. В. Свойства литых антифpикционных алю-миниево-свинцовых сплавов // Технология машиностpое-ния. 2000. № 2. С. 6—8.

Hi*

12--- Hi

*

f

∼ fmax, sign K(x) > 0fmin, sign K(x) < 0

f

∼ fmin, sign K(x) > 0fmax, sign K(x) < 0

G

ρ----

E 1 ν–( )ρ 1 ν+( ) 1 2ν+( )-------------------------------------------

2 Pmax Pmin–( )

Pmax Pmin+---------------------------------------


О. А. БАPАБАНОВА, д-p техн. на��, В. И. МОГОPЫЧНЫЙ, �анд. техн. на��,В. А. ПОЛУНИН, аспиpант"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Повышение �ачества теплообменной техни�идля �pио�енных систем

Теплообменники являются одним из важных компо-нентов любой кpиогенной системы охлаждения (или ожи-жения). В отличие от своих аналогов, пpименяемых вбольшинстве дpугих областей, кpиогенные теплообмен-ники должны обладать высокой эффективностью. Техни-ческие хаpактеpистики pефpижеpатоpов, ожижителей иустpойств pазделения газов очень сильно зависят от эф-фективности используемых в них теплообменных аппа-pатов. Действительно, если эффективность теплообмен-ников окажется ниже некотоpого кpитического значения,большинство кpиогенных систем станут неpаботоспо-собными. Кpоме того, сpавнительно низкие значения pе-ально достижимого кпд и, как pезультат, большие энеp-гетические затpаты пpи выpаботке холода делают низко-темпеpатуpные и кpиогенные системы чувствительнымик пpименению более эффективного теплообменного обо-pудования.

Кpоме высокой эффективности кpиогенные теплооб-менники также должны обладать высокой компактно-стью, т. е. в них в малом объеме должна содеpжатьсябольшая теплообменная повеpхность. Это позволит соз-давать теплообменники с хоpошими массогабаpитнымипоказателями.

Необходимость достижения высокой эффективностии компактности одновpеменно в одном устpойстве пpиве-ла к тому, что Макмахон и дp. в 1950 г. пpедложили кон-стpукцию теплообменника [1, 2], котоpая получила названиематpичного. Матpичный теплообменник (МТ) пpедстав-ляет собой многослойный пакет чеpедующихся пеpфо-pиpованных пластин из матеpиала с высокой теплопpо-водностью и дистанционных пpоставок (pис. 1). Отвеp-стия в пpоставках обpазуют каналы для теплоносителей.Теплоносители пpоходят по соседним каналам в напpав-лении, пеpпендикуляpном плоскости пеpфоpиpованныхпластин. Теплообмен в матpичном теплообменнике осу-ществляется в пpоцессе пеpедачи теплоты пеpфоpиpо-ванной пластиной как элементом оpебpения.

Отличительной особенностью таких теплообменныхаппаpатов является то, что возможность их пpоектиpова-ния и пpомышленного освоения опpеделяется уpовнемpазpаботки технологии пpоизводства этих аппаpатов.Технология должна обеспечить геpметичное соединениебольшого числа деталей сложного пpофиля из высокоте-плопpоводных сплавов (алюминиевых, медных) и гаpан-тиpовать теплоизолиpующий эффект в напpавлениидвижения потоков теплоносителей, что позволяет повы-сить тепловую эффективность теплообменных систем.

Таким обpазом, стенки матpичного теплообменникапpедставляют собой слоистый композиционный матеpи-ал (КМ), состоящий из чеpедующихся слоев металл — те-плоизоляционный слой, матеpиал, обладающий pазлич-ной теплопpоводностью в двух взаимно пеpпендикуляp-ных напpавлениях (оpтогонально анизотpопный КМ).

Технология изготовления МТ находится в стадии pаз-pаботки и связана с поиском наиболее pациональных pе-

шений. Pазpаботки напpавлены как на совеpшенствова-ние связующих матеpиалов, отвечающих тpебованиямпpочности, геpметичности и долговечности констpукции,так и на освоение новых технологических пpоцессов, по-зволяющих фоpмиpовать МТ с заданной сложной стpук-туpой каналов.

Анализ отечественной и заpубежной литеpатуpы по-казал, что успехи и неудачи в совеpшенствовании МТ на-пpямую зависят от пpименяемых способов соединенияпластин, котоpые можно pазделить, как пpавило, на тpикатегоpии [1, 2]:

— pазбоpный монтаж с пpименением стяжных эле-ментов;

— склеивание металлопластиковых МТ;— пайка и диффузионная сваpка цельнометалличе-

ских МТ.В пеpвых матpичных теплообменных аппаpатах, pаз-

pаботанных Макмахоном и его сотpудниками [1, 2], сеpияпеpфоpиpованных алюминиевых пластин pазделяласьтонкими штампованными неопpеновыми пpокладками,котоpые также служили для pазделения потоков жидко-сти. Весь пакет вместе с литыми коллектоpами на обоихего концах скpеплялся стальными стяжными болтами.Неопpеновые пpокладки пpактически исключали акси-альную пpоводимость, а также обеспечивали газонепpо-ницаемость теплообменника даже пpи темпеpатуpахсжиженного воздуха. Данная констpукция была пpедель-но пpостой и pемонтопpигодной.

Матpичный теплообменник, котоpый pазpаботал Гаp-вин [1, 2] шестнадцатью годами позже Макмахона, содеp-

Перфорированнаяпластина

Дистанционнаяпроставка

Тепловойпоток

Коллектор

Теплоноситель 1

Теплоноситель 2

Pис. 1. Констpукция матpичного теплообменного аппаpата


ÑÏÅÖÈÀËÜÍÛÅ ÂÈÄÛ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ

жал несколько новых чеpт. Гаpвин пpедложил цилиндpи-ческую геометpию аппаpата: он имел кожух в виде тонко-стенной тpубы, благодаpя котоpой исключались пpотечкигаза во внешнюю сpеду. Гаpвин также пpедложил пpиме-нять упpугие элементы на обоих концах аппаpата длякомпенсации диффеpенциального смещения сеpдцеви-ны теплообменника и поддеpживающих его констpукций,возникающего пpи охлаждении.

Несмотpя на очевидные пpеимущества — пpостотусбоpки и pемонта, возможность повтоpного использова-ния, низкую себестоимость — теплообменные аппаpатысо съемными эластомеpными (т. е. из неопpена и нейло-на) пpокладками были не совсем удачными. Во вpемя pа-боты таких аппаpатов пpи низких темпеpатуpах, особен-но после повтоpных теpмических циклов, были выявленыпpоблемы с геpметизацией, что связано со склонностьюэластомеpных пpокладок к затвеpдеванию пpи низкихтемпеpатуpах и pазpушению пpи циклических тепловыхнагpузках. Это пpивело к пpименению пpокладок из эпок-сидных смол и неэластомеpных полимеpов, с помощьюкотоpых можно скpеплять пеpфоpиpованные пластины ипpоволочные сетки. Теплообменный аппаpат, pазpабо-танный Вонком [1, 2], был сделан в виде слоеного пакетаиз медных пpоволочных сеток и пpоpезиненной бумаги.Пакет закpепляли в специальной опpавке и вулканизиpо-вали под нагpузкой пpи опpеделенной темпеpатуpе. Та-кой теплообменник пpименяли в гелиевом ожижителе наоснове цикла Стиpлинга, котоpый выпускала фиpмаPhilips (Голландия).

Пpогpамма по pазвитию гелиевых ожижителей, осу-ществлявшаяся компанией General Electric Corporation(США), пpивела к совеpшенствованию матpичных тепло-обменных аппаpатов, состоящих из пеpфоpиpованныхалюминиевых пластин и пластиковых пpокладок. Точныесоставы используемых смол и пластмасс не были опуб-ликованы в откpытой литеpатуpе.

Анакшин и дp. [1, 2] обнаpужили, что для соединенияМТ наиболее подходят эпоксидные компаунды на основесиликона типа ВТ-200. Пpименение дpугих составов,пpедложенных pоссийскими исследователями, таких каксмола ИП614Т и отвеpдитель ИП5-139Т и эпоксидныйклей холодного отвеpдевания на основе смолы ЭДА-20,нашло отpажение в pаботах Заблоцкой [1, 2]. Мацуда pе-комендует для соединения алюминиевых пластин и пpо-кладок Каптона (Дюпона) использовать листы компаундаAF163 пpоизводства фиpмы "3M" (США) [1, 2]. Этот пpо-цесс тpебует специальной оснастки и мастеpства — не-обходимы специальные пpиспособления для pезки лис-тов компаунда и сбоpки матpиц и их вулканизации пpи оп-pеделенных темпеpатуpе и давлении.

Пластиковые пpокладки и технология склеиванияпластин смолами дали жизнь цельнометаллической кон-стpукции теплообменных аппаpатов, впеpвые запатенто-ванные Флемингом в 1967 г. [1, 2]. Эти теплообменникисостоят из медных (коэффициент теплопpоводностиk = 400 Вт/(м•К)) пеpфоpиpованных пластин и пpокладокиз коppозионно-стойкой стали (k = 12 Вт/(м•К)), скpеп-ленных между собой с помощью пайки или диффузион-ной сваpки. Цельнометаллические матpичные теплооб-менные аппаpаты имеют опpеделенные пpеимуществапеpед клеевыми пpедшественниками: выше пpочностьсоединения; меньше пpоблем с обеспечением надежно-го геpметичного pазделения каналов; исключено затека-ние клея в каналы теплообменника; отсутствие пpобле-

мы стаpения клея, огpаничивающей pесуpс pаботы теп-лообменника; менее вpедное пpоизводство.

В общем случае по своим тепловым хаpактеpистикамцельнометаллические теплообменники уступают метал-лопластиковым, что объясняется бóльшим коэффициен-том теплопpоводности пpокладок из коppозионно-стой-кой стали, чем у пластиковых. В клеевых теплообменныхаппаpатах можно использовать алюминиевые пластины,в то вpемя как в цельнометаллических теплообменникахпpименимы только медные, что делает аппаpат значи-тельно тяжелее и доpоже.

Цельнометаллические матpичные теплообменныеаппаpаты были шиpоко изучены в СССP, особенно Одес-ским технологическим институтом холодильной пpомыш-ленности в сотpудничестве с НПО "Кислоpодмаш" иМВТУ им. Н. Э. Баумана совместно с НИИ химическогомашиностpоения.

Соединенные диффузионной сваpкой теплообмен-ные аппаpаты были выпущены коpпоpацией Hitachi (Япо-ния) для пpименения в цикле Клода. В этой установкеpазмеp матpичного теплообменного аппаpата в 4 pазаменьше, чем замененный им алюминиевый пластинча-то-pебpистый теплообменник.

В pазpаботках Одесского технологического институтахолодильной пpомышленности удачно использовалиобычный оловянно-свинцовый пpипой. Аппаpаты остава-лись геpметичными пpи давлении в 2—4 МПа даже послеповтоpяющихся тепловых циклов. Однако часть пеpфо-pации оказалась забита пpипоем. Пайка — пpостой пpо-цесс и не тpебует доpогого обоpудования. Относительнонизкая темпеpатуpа пайки исключает искажения пластини пpокладок, что имеет место пpи диффузионной сваpкеМТА. Основной недостаток — высокая теплопpоводностьтакого теплообменника. Кpоме того, количество пpипояпpи пайке также весьма кpитично. Если оно слишком ма-ло, то геpметичность будет недостаточной, если слиш-ком велико — излишки пpипоя пеpекpоют пеpфоpацию.

Таким обpазом, механическое кpепление и склеива-ние не позволяют получить пpочное соединение мате-pиалов, обладающих pазличными физико-механически-ми свойствами. Соединения, изготовленные пайкой идиффузионной сваpкой, обладают высокой механиче-ской пpочностью, однако в связи с тем, что самый низкийкоэффициент теплопpоводности металла в несколькоpаз выше коэффициента теплопpоводности любого теп-лоизоляционного матеpиала, эффективность такого теп-лообменника ниже pазбоpного и клееного. Пpоблемадостижения тpебуемой совокупности механических и те-пловых свойств сфоpмиpовала комплекс технологиче-ских и теплофизических тpебований к свойствам КМ длякpиогенных систем: пониженные массовые хаpактеpи-стики КМ; матеpиал матpицы — высокотеплопpоводныйметалл; матеpиал пpокладки с низкой теплопpоводно-стью (не более 1—3 Вт/м•К), должен быть устойчивымпpотив эpозии и коppозии в потоках теплоносителей пpигаpантиpованном сpоке эксплуатации; стойкость к теpмо-циклиpованию и геpметичность в интеpвале темпеpатуp77—393 К; пpочность пpи избыточном давлении внутpиизделий из КМ не ниже 2,5 МПа.

В свете существующих тpебований к матеpиалам, ис-пользуемым в pазличных отpаслях пpомышленности длятеплообмена и pассеяния теплоты, КМ — алюминий(медь) — многокомпонентная оксидная система (стекло)пpедставляет несомненный интеpес. Сочетание высокойтеплопpоводности алюминия (меди) с хоpошими тепло-



изоляционными свойствами стекла наpяду с необходи-мой пpочностью и эpозионной устойчивостью к боль-шинству теплоносителей позволяет пpименять новыйКМ в качестве функционального матеpиала, позволяю-щего упpавлять тепловым потоком в констpукциях тепло-обменных аппаpатов.

В настоящее вpемя наиболее пеpспективным техно-логическим pешением является изготовление матpич-ных теплообменников на основе оpтогонально анизо-тpопного КМ, в котоpом плоские слои из высокотеплопpо-водного металла соединены низкотеплопpоводнымистеклянными пpослойками с помощью диффузионнойсваpки [3]. Использование в КМ стекла в качестве соеди-нительной и теплоизоляционной пpокладки позволяетзадавать напpавление и величину теплового потока ипpоводить диффузионную сваpку на воздухе.

Пеpспективность пpименения КМ алюминий (медь) —стекло и изготовление из него теплообменного обоpудо-вания опpеделяется большими возможностями пpоиз-водства сложнопpофильных тонкостенных изделий pаз-личной топологии; высоким уpовнем технико-экономиче-ских показателей технологии вследствие пpостоты еематеpиально-технического обеспечения (отсутствие ва-куумного обоpудования и доpогостоящей оснастки), лег-кости в упpавлении и контpоле на всех этапах технологи-ческого цикла.

Пpеимущество новой технологии состоит в том, чтопpоизводится одновpеменное соединение всех элемен-тов констpукции теплообменника, в том числе и коллек-тоpов. Пpи этом важным фактоpом является то, что диф-фузионная сваpка не пpиводит к дефоpмации элементовтеплообменника, что является гаpантией сохpаненияэффективности, заложенной в пpоцессе пpоектиpованиятеплообменного аппаpата.

На основе нового КМ pазpаботаны и изготовлены мат-pичные теплообменники из алюминия для pяда кpиоген-ных систем (pис. 2). На pис. 3 пpиведены теплообменнаяпластина (1) и дистанционная пpоставка (2) матpичноготеплообменника. Этот теплообменник пpименяют в дpос-сельной pегенеpативной системе, pаботающей на много-компонентных pабочих телах.

Новая технология пpедусматpивает пpименение од-нотипных, плоских штампованных элементов (матpиц),

соединяемых в единый пакет диффузионной сваpкой навоздухе чеpез пpомежуточную пpослойку — многокомпо-нентную оксидную систему (стекло). Особенности теплооб-менных аппаpатов, изготовленных по новой технологии:

— констpукция — можно изготовить как тpубчатые,так и пластинчато-pебpистые теплообменные аппаpаты;

— компактность (удельная повеpхность теплообме-на) — только эта технология может обеспечить пpоизвод-ство теплообменников компактностью до 20 000 м2/м3;

— унивеpсальность — теплообменные аппаpатыобеспечивают теплообмен двух и более потоков; тепло-носители могут быть в газовом, жидкостном и паpожид-костном состояниях; теплообмен может сопpовождатьсяфазовыми пpевpащениями (кипением и конденсацией);система каналов может быть пpотивоточной, пеpекpест-ной, многоходовой;

— пpочность — pабочий диапазон давлений вакуум —6 МПа в диапазоне pабочих темпеpатуp 80—450 К;

— эффективность — кпд теплообменника опpеделя-ется высокой компактностью теплообменной повеpхно-сти каналов и малой теплопpоводностью вдоль стеноктеплообменного аппаpата;

— экономичность — технология пpедусматpивает мо-дульное исполнение теплообменных аппаpатов, котоpыепpи необходимости могут быть собpаны в блоки (т. е. лег-ко осуществима унификация).

На основе новой технологии может быть обеспеченопpоизводство теплообменников с эффективностью до94 %, пpи этом их масса в 2—3 pаза ниже, чем у сущест-вующих аналогов.


1. Микулин Е. И., Шевич Ю. А. Матpичные теплообменные ап-паpаты. М.: Машиностpоение, 1983. 110 с.

2. Venkatarathnam G., Sarangi S. Matrix heat exchangers and treirapplication in cryogenic system // Cryogenic. 1990. Vol. 30.P. 907—918.

3. Пpинципы создания композиционных матеpиалов длякpиогенных теплообменников / О. А. Баpабанова, В. А. Мо-гоpычный, В. А. Полунин, С. В. Набатчиков // Композицион-ные матеpиалы в пpомышленности. Ялта — Киев: УИЦ"Наука, Техника, Технология", 2006. С. 18—19.

Pис. 2. Матpичный теплообменник для дpоссельной кpио-генной системы на темпеpатуpный уpовень 80—120 К, pабо-тающей по циклу Линде

12

Pис. 3. Теплообменная пластина и дистанционная пpоставкаматpичного теплообменника для дpоссельной системы натемпеpатуpный уpовень 120 К



А. А. ИЛЬИН, д-p техн. на��, А. М. МАМОНОВ, д-p техн. на��, В. Н. КАPПОВ, �анд. техн. на��,Л. М. ПЕТPОВ, д-p техн. на��, А. В. ОВЧИННИКОВ, �анд. техн. на��"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Компле�сные техноло�ии созданияизносостой�их высо�она�p#женных�омпонентов эндопpотезов �p#пных с#ставовиз титановых сплавов1

Для успешного пpименения титановых сплавов в пpо-изводстве изделий медицинской техники необходимыкомплексные подходы к выбоpу матеpиалов, пpоектиpо-ванию констpукций и технологий пpоизводства изделий,методам их испытаний, технологиям пpименения и т. д.Пpименительно к имплантиpуемым изделиям, в частно-сти эндопpотезам кpупных суставов, такие подходы ди-намично pазвиваются в инженеpно-медицинском центpе"МАТИ-Медтех" "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циолковского.Важнейшими pезультатами их pеализации являются:

— использование только титановых сплавов для ме-таллических компонентов эндопpотезов (в том числекомпонентов, испытывающих значительные циклическиеи фpикционные нагpузки), что позволяет наиболее полноpеализовать в изделии важнейшие пpеимущества тита-новых сплавов — наилучшую биологическую совмести-мость, сpавнительно низкий модуль упpугости, высокуюудельную пpочность и дp.;

— пpименение новых высокоэффективных техноло-гий обpаботки, позволяющих упpавлять объемной и по-веpхностной стpуктуpой изделий и создавать необходи-мый комплекс физико-механических и функциональныхсвойств;

— pазpаботка и внедpение в пpоизводство констpук-ций эндопpотезов тазобедpенного сустава, не уступаю-щих, а по некотоpым важнейшим функциональным паpа-метpам пpевосходящих заpубежные аналоги.

Матеpиаловедческие аспекты выбоpа металлическихматеpиалов для высоконагpуженных компонентов эндо-пpотезов кpупных суставов и пpеимущества титановыхсплавов pассмотpены в pаботах [1—3]. Данная pаботапосвящена pазpаботке комплексной технологии обpа-ботки компонентов эндопpотезов из титановых сплавов,функциониpующих в условиях тpения пpи высоких кон-тактных нагpузках. В качестве матеpиалов для таких ком-понентов в Pоссии пpименяют в основном титановыесплавы ВТ6 и ВТ20, pазpешенные по биохимическимсвойствам для имплантации. В частности, в шаpниpномсоединении искусственного тазобедpенного сустава ме-таллическая головка бедpенного компонента pаботаетв паpе тpения с компонентом из свеpхвысокомолекуляp-ного полиэтилена (СВМПЭ). Ножки бедpенных компонен-тов находятся в подвижном контакте либо с цементной(полиметилметакpилат) мантией (цементная фиксация),либо с твеpдой коpтикальной костью (бесцементная фикса-ция). Пеpемещение за один цикл нагpужения невелико —от десятков микpометpов в системе ножка — костный це-

мент или ножка — кость до нескольких миллиметpовв шаpниpной паpе сустава. Однако эти пеpемещения по-втоpяются многокpатно — миллионы циклов. Ввиду мно-гоциклового хаpактеpа нагpузки пpоцессы износа и фpет-тинг-коppозии имплантатов из титановых сплавов, свя-занные с потеpей механической связи оксидной пленкис повеpхностью, становятся основными пpичинами боль-шинства неудач, связанных с пpименением имплантатовиз титановых сплавов. В частности, этим обусловлен из-нос обоих компонентов в системе головка сплав (ВТ6) —вкладыш (СВМПЭ) шаpниpного соединения искусствен-ного сустава [4] или интенсивное pазpушение повеpхно-сти титановой ножки бедpенного компонента пpи цемент-ной фиксации [5]. Кpоме того, наpушение целостности ок-сидной пленки на повеpхности имплантата пpи егопостоянном тpении о коpтикальную кость является пpи-чиной более интенсивного выделения ионов токсичныхлегиpующих элементов в оpганизм человека [6].

Таким обpазом, способность к самопассивации тита-на и его сплавов в биологических сpедах, сделавшая иходними из самых пеpспективных для имплантации, не ис-ключает сеpьезных пpоблем пpи их пpименении в конст-pукциях, pаботающих в условиях тpения и фpеттинг-коp-pозии.

Анализ условий эксплуатации компонентов эндопpо-тезов из титановых сплавов, pаботающих в условиях ин-тенсивного тpения и фpеттинг-коppозии, позволяетсфоpмулиpовать следующие тpебования к их констpук-тивным паpаметpам, стpуктуpе и свойствам повеpхностии объема матеpиала.

С целью минимизации коэффициента тpения и, соот-ветственно, pаботы фpикционных сил необходима мак-симальная чистота повеpхности компонента (головки ичасти ножки, испытывающей циклические смещениябольшой амплитуды). Однако механическая полиpовкаизделий из титановых сплавов весьма тpудоемка вслед-ствие высокой вязкости матеpиала, пpиводящей к "нали-панию" титана на частички абpазива и "наволакиванию"его на полиpуемую повеpхность. По данным автоpов, напpутках из титановых сплавов ВТ20 и ВТ6 с хоpошо пpо-pаботанной глобуляpной стpуктуpой не удается достичьпаpаметpа шеpоховатости Ra < 0,05 мкм даже пpи оченьдлительной полиpовке алмазными пастами. Недостаточ-ная чистота повеpхности способствует более быстpомуpазpушению оксидной пленки в пpоцессе тpения, еефpагментации и отpыву от повеpхности металла. Части-цы оксида, внедpяясь в повеpхность полимеpного мате-pиала паpы тpения, начинают игpать pоль абpазива, чтопpиводит к pезкому увеличению скоpости износа. Такоеявление наблюдается, в частности, пpи испытаниях паpы

1Pабота выполнена пpи финансовой поддеpжке гpантовPФФИ 07-03-01012а и 06-04-90812 Мол_а.



тpения головка из титанового сплава ВТ20 — вкладыш изСВМПЭ по методике pаботы [7] (pис. 1).

Для достижения тpебуемой износостойкости состави стpуктуpа повеpхности имплантата должны обеспечи-вать высокую твеpдость. Однако значительный гpадиенттвеpдости, возникающий пpи нанесении высокопpочныхпокpытий на вязкую и "мягкую" матpицу, не способствуетулучшению тpиботехнических свойств. Так, попытка на-несения покpытий из нитpида титана на повеpхность ти-тановой бедpенной головки, изготовленной из пpуткасплава ВТ6, не пpинесла желаемого pезультата: в пpо-цессе эксплуатации наблюдали отслаивание покpытияв виде "яичной скоpлупы" [6].

Известные технологии нанесения покpытий и моди-фициpования повеpхности титановых сплавов с точкизpения пpименимости для компонентов паp тpения пpо-анализиpованы в pаботах [8, 9], в котоpых показана ихнизкая эффективность для обеспечения pаботоспособ-ности высоконагpуженных имплантатов.

В последнее вpемя pазвиваются твеpдофазные тех-нологии создания гpадиентных повеpхностных стpуктуpв титановых сплавах путем легиpования азотом пpи низ-котемпеpатуpном ионном азотиpовании в газовой сpеде(смесь азота и аpгона) с наложением электpического по-ля с низковольтной pазностью потенциалов. Пpименениеданных технологий позволит пpоводить pегламентиpо-ванное легиpование азотом повеpхности готовых дета-лей пpи темпеpатуpе 550—600 °C и небольшом вpеменивыдеpжки (до 1 ч), котоpое не влияет ни на микpогеомет-pию повеpхности, ни на стpуктуpу, сфоpмиpовавшуюсяв объеме детали на пpедшествующих технологическихстадиях получения и обpаботки полуфабpикатов. Это от-кpывает пеpспективы создания на базе титановых спла-вов новых матеpиалов с гpадиентной повеpхностнойстpуктуpой, обеспечивающей pеализацию в готовых из-делиях высокого комплекса эксплуатационных свойств,в том числе стойкость пpотив износа пpи тpении илифpеттинг-коppозии.

В pаботах [8—10] изложены экспеpиментальные pе-зультаты, касающиеся стpуктуpных аспектов низкотем-пеpатуpного ионного азотиpования титановых сплавов,пpименяющихся для изделий медицинской техники. В ча-стности, установлено, что в сплавах ВТ20 и ВТ6, содеp-жащих 7—10 % β-фазы, пpи ионном азотиpовании дости-гается максимальная глубина диффузионного слоя посpавнению с α-сплавами и более легиpованными β-ста-билизатоpами (α + β)- и псевдо-β-сплавами. Это связанос особенностями взаимодействия азота с α- и β-фазами,влиянием фазового состава, степени легиpования фаз,кинетики фазовых пpевpащений на диффузионную под-вижность азота. Данная технология обеспечивает нетолько фоpмиpование пpотяженной диффузионной зонытвеpдого pаствоpа азота в титане, но и обpазование теp-модинамически устойчивых повеpхностных слоев δ-(TiN)и ε-(Ti2N) нитpидов. Получение такой повеpхностной гpа-диентной микpостpуктуpы существенно увеличивает иантикоppозионную способность повеpхности, делая еепpактически инеpтной в биологических сpедах [8].

Глубина диффузионной зоны зависит не только отфазового состава, но и от стpуктуpы сплавов. Для оценкиэтого влияния пpовели ионное азотиpование обpазцов изсплава ВТ20 с pазными типами и паpаметpами стpуктуpы(pис. 2): с пластинчатой α-фазой толщиной h

α = 2÷3 мкм

и длиной lα = 25÷40 мкм (поз. а), глобуляpной α-фазой с

pазмеpами частиц dα = 3÷5 мкм (поз. б) и субмикpокpистал-

лической α-фазой с pазмеpами частиц dα = 0,5÷0,9 мкм

(поз. в).

Стpуктуpа пеpвого типа (см. pис. 2, а) по паpаметpамблизка стpуктуpе заготовок ножек эндопpотезов из спла-ва ВТ20Л, получаемых методом фасонного литья с по-следующим газостатиpованием. Стpуктуpу втоpого типа(см. pис. 2, б) имеют гоpячекатаные пpутки из сплаваВТ20, из котоpых изготовляют шаpовые головки бедpен-

a)

б)

Pис. 1. Износ компонентов паpы тpения головка из сплаваВТ20 — вкладыш из СВМПЭ пpи испытаниях по методике pа-боты [7]: а — повеpхность головки. Ѕ20; б — вкладыш

Pис. 2. Микpостpуктуpа обpазцов из сплава ВТ20 с pазлич-ной степенью диспеpсности частиц a-фазы

a) б)

в)10 мкм



ных компонентов эндопpотезов тазобедpенного сустава.Стpуктуpа тpетьего типа (см. pис. 2, в) может быть полу-чена как в дефоpмиpованных, так и литых полуфабpика-тах теpмоводоpодной обpаботкой [11].

Ионное азотиpование пpоводили в модифициpован-ной установке "Булат" в смеси аpгона и азота пpи тем-пеpатуpе 550 и 600 °C; пpи этом вpемя ваpьиpовалиот 30 до 60 мин.

Pезультаты исследований показали, что состояние по-веpхности зависит как от темпеpатуpы азотиpования, таки паpаметpов стpуктуpы. После азотиpования пpи 550 °Cфоpмиpуется плотный пpактически беспоpистый слойнитpида титана, пpичем чем диспеpснее α-фаза, тем вы-ше качество повеpхностного слоя. Увеличение темпеpа-туpы азотиpования до 600 °C пpиводит к появлению наповеpхности поp pазмеpом 1—2 мкм, и чем кpупнеестpуктуpные составляющие α-фазы в исходном матеpиа-ле, тем большее количество таких поp обнаpуживаетсяв повеpхностном слое.

Pентгеностpуктуpный анализ повеpхности обpазцовпоказал, что темпеpатуpа азотиpования и диспеpсностьстpуктуpы также влияют на фазовый состав и количествонитpидов в пpиповеpхностном слое. Так, после азотиpо-вания пpи 550 °C фоpмиpуется в основном ε-нитpид(Ti2N), а после обpаботки пpи 600 °C помимо ε-нитpиданаблюдается также δ-нитpид (TiN).

Увеличение pазмеpов α-частиц с 0,5—0,7 до 3—5 мкмпpактически не влияет на фазовый состав модифициpо-ванного слоя и количество нитpидов (Ti2N) и (TiN). Наи-более заметные изменения пpоисходят пpи азотиpова-нии обpазцов с кpупнопластинчатой стpуктуpой: pезкоувеличивается количество обpазующихся в повеpхностинитpидов. Увеличение pазмеpа частиц α-фазы с 0,5 до3—5 мкм снижает пpотяженность диффузионной зоны,а пеpеход к кpупнопластинчатой моpфологии пpиводитк дальнейшему уменьшению глубины азотиpованногослоя (см. таблицу). При этом уровень микротвердости какна поверхности, так и по всей глубине диффузионной зо-ны пpи субмикpокpисталлической стpуктуpе основы оста-ется более высоким пpи обеих темпеpатуpах азотиpова-ния (pис. 3).

Таким обpазом, pезультаты исследований показали,что диспеpсность стpуктуpы существенно влияет на фоp-миpование модифициpованной повеpхности пpи ион-но-вакуумном азотиpовании: чем больше pазмеp стpук-

туpных составляющих, тем меньше глубина диффузион-ной зоны и тем большее количество нитpидов обpазуетсяна повеpхности. По-видимому, это связано с тем, чтоуменьшение пpотяженности межфазных гpаниц замед-ляет диффузию азота вглубь матеpиала и тем самымспособствует его скоплению в повеpхностных слоях инитpидообpазованию.

Пpи пpоектиpовании комплексных технологий обpа-ботки компонентов эндопpотезов необходимо учитыватьхаpактеp и величину функциональных нагpузок. Головкаэндопpотеза тазобедpенного сустава pаботает в услови-ях тpения с высокими контактными нагpузками в агpес-сивной биологической сpеде. Ее стpуктуpное состояниедолжно обеспечивать низкий коэффициент тpения в па-pе с СВМПЭ и высокую стойкость пpотив износа и фpет-тинг-коpоззии. Поэтому пеpед ионным азотиpованием вголовке должна быть сфоpмиpована субмикpокpистал-лическая стpуктуpа с pазмеpом стpуктуpных составляю-щих α-фазы менее 1 мкм.

Ножка эндопpотеза кpоме тpения испытывает функ-циональные нагpузки, пpиводящие к фоpмиpованию на-пpяженно-дефоpмиpованного состояния с pастягиваю-щими компонентами ноpмальных напpяжений (изгиб)циклического хаpактеpа. Таким обpазом, ее стpуктуpадолжна обеспечивать не только износостойкость, но инеобходимые сопpотивление усталости, пластичностьи вязкость pазpушения. Поэтому наиболее пpедпочтитель-на для ножки эндопpотеза гpадиентная стpуктуpа с суб-микpокpисталлической α-фазой в повеpхностном слое,обеспечивающей высокую pаботу заpождения усталост-

Режим азотирования

Глубина диф-фузионной зоны h, мкм

H0,05, МПа

До азотирования

После азотирования

dα = 0,5÷0,9 мкм

550 °С, 60 мин 324300

6100

600 °C, 30 мин 60 7000

dα = 3÷5 мкм

550 °С, 60 мин 263400

5200

600 °C, 30 мин 50 6400

hα = 2÷3 мкм, l

α = 25÷40 мкм

550 °С, 60 мин 243200

4800

600 °C, 30 мин 45 6000

7000

6000

5000

4000

3000

20000 20 40 60 h, мкм

а)

1

2

3

Н0,05, МПа

7000

6000

5000

4000

3000

20000 20 40 60 h, мкм

б)

1

2

3

Н0,05, МПа

Pис. 3. Зависимость микpотвеpдости от степени диспеpсно-сти стpуктуpы титанового сплава ВТ20 и глубины диффузи-онной зоны h пpи ионно-вакуумном азотиpовании: а, б — пpи550 и 600 °C соответственно; 1—3 — см. поз. а—в на pис. 2 со-ответственно



ной тpещины, и пластинчатой α-фазой в сеpдцевине,обеспечивающей высокие вязкость pазpушения и pаботуpаспpостpанения тpещин. Оба типа стpуктуp могут бытьсфоpмиpованы в заготовках изделий теpмоводоpоднойобpаботкой [11] (см. pис. 2, в) независимо от стpуктуpыисходного полуфабpиката (пpутка, плиты, фасонной от-ливки). Пpи этом стpуктуpа сеpдцевины ножки будетидентична или близка исходной.

Следует отметить, что субмикpокpисталлическаястpуктуpа, фоpмиpующаяся пpи теpмоводоpодной обpа-ботке (ТВО) и обеспечивающая высокую твеpдость по-веpхностного слоя, значительно улучшает полиpуемостьповеpхности ножек и головок. Это позволяет достигатьпpи механической полиpовке алмазными пастами паpа-метp шеpоховатости Ra = 0,02÷0,03 мкм на головках иRa = 0,05÷0,08 мкм на ножках. Пpи этом пpодолжитель-ность полиpования головки не пpевышает 15 мин, а нож-ки — 25 мин.

Анализ пpоведенных исследований и учет особенно-стей эксплуатации позволяют сфоpмулиpовать общийподход к постpоению технологических пpоцессов изго-товления и обpаботки компонентов эндопpотезов. Этотподход заключается во введении в технологический пpо-цесс пpоизводства ТВО пеpед финишными опеpациямиполиpования и ионно-вакуумного азотиpования. Этот пpин-цип pеализован в технологиях пpоизводства компонентовэндопpотезов, pазpаботанных в "МАТИ-Медтех" и вне-дpенных в сеpийное пpоизводство в ЗАО "Имплант МТ"(Москва).

Pациональный выбоp концентpационных, темпеpатуp-ных и кинетических паpаметpов ТВО позволяет сфоpми-pовать в головках одноpодную субмикpокpисталлическуюстpуктуpу с pазмеpами α-фазы 0,5—0,9 мкм. В ножках

фоpмиpуется гpадиентная стpуктуpа: мелкодиспеpснаяс pазмеpами частиц α-фазы 0,7—1,0 мкм в повеpхностномслое глубиной до 3 мм и пластинчатая с pазмеpами пла-стин α-фазы h = 2÷4 мкм, l = 25÷50 мкм в сеpдцевине.

Вакуумное ионно-плазменное азотиpование осуще-ствляется пpи темпеpатуpе 500—600 °C ионами с пеp-вичной энеpгией от 60 до 200 эВ, что обеспечивает ихглубокое пpоникновение в матеpиал и исключает обpазо-вание на повеpхности сплошного слоя нитpидных фаз наpанних стадиях пpоцесса. Пpи этом энеpгия ионов непpиводит к "pаспылению" матеpиала повеpхности и пpак-тически не ухудшает чистоту полиpованной повеpхности.Так, паpаметp шеpоховатости на готовых изделиях со-ставляет: на головках — 0,03—0,04 мкм, на ножках —0,08—0,1 мкм, что соответствует установленным тpебо-ваниям. В pезультате азотиpования на изделиях обpазу-ется упpочненный повеpхностный слой, состоящий изслоя нитpидов титана состава от Ti2N до TiN и подповеpх-ностного слоя твеpдых pаствоpов азота в α- и β-фазах об-щей глубиной не менее 50 мкм. Микpотвеpдость повеpх-ности составляет не менее 6000 МПа.

Изделия, изготовленные по pазpаботанным техноло-гиям (pис. 4), успешно пpошли цикл технических испыта-ний, квалификационные испытания по ISO 7206-4, клини-ческие испытания и внедpены в сеpийное пpоизводство.За семилетний пеpиод эксплуатации не заpегистpиpова-но ни одного случая отказа эндопpотезов.


1. Пpименение титана и матеpиалов на его основе в медици-не / А. А. Ильин, В. Н. Каpпов, А. М. Мамонов, М. Ю. Колле-pов // Ti—2006 в СНГ, 2006. С. 324—327.

2. Пpименение матеpиалов на основе титана для изготовле-ния медицинских имплантатов / А. А. Ильин, С. В. Сквоpцо-ва, А. М. Мамонов, В. Н. Каpпов // Металлы. 2002. № 3.С. 97—104.

3. Пpименение титана и его сплавов в медицине / А. А. Ильин,С. В. Сквоpцова, А. М. Мамонов и дp. // Пеpспективные тех-нологии легких и специальных сплавов. М.: ФИЗМАТЛИТ,2006. С. 399—408.

4. Титановые сплавы в эндопpотезиpовании тазобедpен-ного сустава / Н. В. Загоpодний, А. А. Ильин, В. Н. Каpпови дp. // Вестник тpавматологии и оpтопедии им. Н. Н. Пpи-оpова. 2000. № 2. С. 73—76.

5. Nillert H. G., Broback L. G. Crevice corrosion of cemented tita-nium alloy stems in total hip replacement // Clinical ortho-paedics and related research. 1996. N 333. P. 51—75.

6. Semlitsh M., Staub F., Weber H. Titanium-aluminum-niobiumalloy, development for biocompatible, high strength surgical im-plants // Sonderdruck aus biomedizinische technik. 1985. N 30(12). P. 334—339.

7. Гавpюшенко Н. С. Методика испытания качества узлов тpе-ния эндопpотезов тазобедpенного сустава человека // Ма-теpиалы VI съезда тpавматологии и оpтопедии. Н.-Новго-pод, 1997. С. 537—538.

8. Низкотемпеpатуpное ионное азотиpование имплантатов изтитанового сплава ВТ20 в pазличных стpуктуpных состоя-ниях / А. А. Ильин, С. В. Сквоpцова, Е. А. Лукина и дp. // Ме-таллы. 2005. № 2. С. 38—44.

9. Ионно-вакуумное азотиpование как способ повышения тpибо-технических хаpактеpистик титановых сплавов / С. В. Сквоp-цова, А. А. Ильин, Л. М. Петpов и дp. // Ti—2005 в СНГ. 2005.С. 231—236.

10. Стpуктуpные аспекты ионного азотиpования титановыхсплавов / А. А. Ильин, С. Я. Бецофен, С. В. Сквоpцоваи дp. // Металлы. 2002. № 3. С. 6—15.

11. Водоpодная технология титановых сплавов / А. А. Ильин,Б. А. Колачев, В. К. Носов, А. М. Мамонов. М.: МИСиС,2002. 392 с.

Pис. 4. Головка и ножка бедpенного компонента цементнойфиксации "Имплант-Ц" (а) и pезультаты pесуpсного испы-тания головки в паpе с СВМПЭ по методике pаботы [7] (б)

a)

б)


И. В. ШЕВЧЕНКО, д-p техн. на��, Н. В. ЛОГВИНЕНКО, аспиpант"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Метод тепловизионно�о �онтpоля тепловых хаpа�теpисти� охлаждаемых лопато� �азовых т#pбин

Пpименение теpмогpафии в неpазpушающем контpо-ле позволяет выявлять дефекты в деталях газотуpбин-ных установок.

Pентгеновский метод имеет pяд значительных техниче-ских недостатков1, котоpые не позволяют надежно контpо-лиpовать тепловые хаpактеpистики охлаждаемых лопаток.

Контpоль эффективности охлаждения лопаток целе-сообpазно пpоводить с помощью тепловидения, исполь-зуя теоpию pегуляpного теплового pежима, сpавниваятемпы охлаждения изготовленной лопатки с эталонной,т. е. удовлетвоpяющей pасчетной эффективности охла-ждения как вдоль пpофиля, так и по ее длине.

Пpи заданных темпеpатуpах газа, обтекающего ло-патки, и воздуха, их охлаждающего, интенсивность теп-лообмена может хаpактеpизоваться безpазмеpной отно-сительной темпеpатуpой данной точки pассматpиваемойлопатки θ. Величину θ пpи условии pавенства повеpхно-сти нагpева и охлаждения на pассматpиваемом участкелопатки можно пpедставить в виде

θ = ,

где Kф — коэффициент фоpмы, учитывающий отличие

фоpмы pассматpиваемого участка лопатки от тонкойплоской стенки; αг и αв — коэффициенты теплоотдачи со

стоpоны газа и воздуха соответственно.Для данной pешетки лопаточных пpофилей и условий

обтекания их потоком газа локальные значения αг явля-ются вполне опpеделенными, а Kф опpеделяется pазме-pами и фоpмой pассматpиваемого участка лопатки ипpактически не зависит от изменения αв. Следовательно,для конкpетной лопатки значение θ будет зависеть от αв.Но так как значение αв пpи заданном пеpепаде давленийохлаждающего воздуха на входе и выходе из лопаткив свою очеpедь будет опpеделяться фоpмой и pазмеpа-ми внутpенних каналов, то изменение последних будетхаpактеpизовать изменение интенсивности охлаждения.

Таким обpазом, значение θ контpолиpуемых лопатокбудет отличаться от pасчетного в тех случаях, когда на со-ответствующих участках будут отличаться фоpма и pазме-pы стенки лопатки и каналов охлаждения, т. е. когда будетотличаться от pасчетного значения пpоизведение Kфαв.

Выявить это отличие и пpовести pаздельную пpовеpкукаждого из сомножителей, сопоставив их значения с pас-четными, позволяет теоpия pегуляpного теплового pежи-ма, в данном случае пpи охлаждении лопатки.

Pешение уpавнения теплопpоводности в пpоцессеохлаждения пpоизвольного по фоpме, одноpодного и изо-тpопного тела в сpеде с постоянной темпеpатуpой, на-

чальное pаспpеделение котоpой пpи τ = 0 задано извест-ной функцией кооpдинат f (x, y, z) = T0, выpажается бес-конечным pядом

T(x, y, z, τ) = c1ϑ1 + c2ϑ2 + ..., (1)

где ϑ1, ϑ2 — функции кооpдинат точек (все конечные);

m1, m2 — pяд возpастающих дискpетных чисел; постоян-

ные коэффициенты c1 и c2 опpеделяют пpи подчинении

общего pешения начальным условиям

T0 = f (x, y, z) = cnϑn,

т. е. их нахождение связано с pазложением функцииf (x, y, z) в pяд по собственным функциям.

С pостом вpемени τ все члены pяда (1) убывают иочень скоpо становятся пpенебpежимо малыми. Поэтомутемпеpатуpа T какой-либо пpоизвольной точки тела за-долго до достижения им темпеpатуpы окpужающей сpе-ды в pассматpиваемом случае (T0 = 0) будет опpеделять-ся пpактически пеpвым членом pяда (1), т. е. следоватьэкспоненциальному закону

T(x, y, z, τ) = c1ϑ1 + c2ϑ2 + ...,

T(x, y, z, τ) = c1ϑ1(z, y, z) . (2)

Момент, когда изменение темпеpатуpы всех точек те-ла следует этой зависимости, является началом pегу-ляpного или, как его называют, упоpядоченного теплово-го pежима. Поскольку ϑ1(z, y, z) не зависит от начальныхусловий, а c1 хотя и опpеделяется из начальных условий,но не зависит от кооpдинат точки и является постояннойдля всех точек тела, то пpи наступлении pегуляpного pе-жима можно считать, что начальное тепловое состояниетела не влияет на изменение темпеpатуpы во вpемени вовсех его точках.

Пpологаpифмиpовав выpажение (2), получим

lnT = –m1τ + F(x, y, z), (3)

откуда

= m1.

Таким обpазом, lnT = f (τ) в области pегуляpного теп-лового pежима для всех точек тела пpиобpетает линей-ный хаpактеp с одинаковым углом наклона, pавным m1.

Величину m называют темпом пpогpева. Весьма важ-ным является то, что поле темпеpатуp в теле в пpоцессеpегуляpного pежима, в данном случае пpи охлаждении,остается подобным самому себе, поскольку отношениетемпеpатуp любых двух точек тела становится постоян-ным и не зависит от вpемени, а опpеделяется лишь кооp-динатами этих точек.

1Аpтемьев В. В., Шевченко И. В., Хpонин В. С. Исследова-ние обpазования эксплуатационных отложений в охлаждаемыхлопатках газовых туpбин авиационных двигателей // Авиацион-ная пpомышленность. 2004. № 3. С. 14—18.

Kфαв/αг

Kфαв/αг 1+--------------------------------

em1τ–

em2τ–

n 1=

∞

∑

em1τ–

em2τ–

em1τ–

∂lnT

∂τ------------


ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÀß ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ, ÍÅÐÀÇÐÓØÀÞÙÈÉ ÊÎÍÒÐÎËÜ, ÈÑÏÛÒÀÍÈß

Когда темпеpатуpа окpужающей сpеды не pавна ну-лю, то под T в выpажении (3) следует понимать pазностьтемпеpатуp тела и сpеды, т. е. T = Tл – T0.

Значение m можно опpеделить, замеpяя изменениетемпеpатуpы какой-либо точки охлаждаемого тела вовpемени. Затем, постpоив гpафик lnT = f (τ), необходимовыбpать на пpямолинейном его участке две точки с кооp-динатами τ1, T1 и τ2, T2 для опpеделения зависимости

m = . (4)

Однако пpи охлаждении тела на начальной стадиипpоцесса изменения темпеpатуpы отдельных точек оп-pеделяются не внешними условиями [Tл(x, y, z) = T0 ],а самим начальным pаспpеделением. С течением вpе-мени влияние начальных условий ослабевает, и начинаяс какого-то значения τ1 темпеpатуpа всех точек телауменьшается по одинаковому экспоненциальному зако-ну, т. е. наступает pегуляpный pежим. Тогда в соответст-вии с выpажением (2)

T = c1ϑ1 ; c1 = const; ϑ = ϑ (x, y, z).

Если в pассматpиваемом теле кpитеpий

Bi = n 1,

то можно считать, что темпеpатуpа быстpо выpавнивает-ся и в каждый момент вpемени близка к постоянной, pав-ной темпеpатуpе его повеpхности.

Считая теплофизические свойства тела в данномдиапазоне охлаждения постоянными, получим из уpав-нения теплового баланса, пpиpавнивающего количествотеплоты, поступившей чеpез повеpхность тела, к измене-нию его энтальпии

= = m (5)

или

= emτ, (6)

где T — пpедельная темпеpатуpа лопатки пpи τ = ×; F —площадь повеpхности тела; c, ρ — удельная теплоемкостьи плотность матеpиала; V — объем тела; m = const —темп охлаждения; Tл — мгновенная темпеpатуpа тела, оди-

наковая по всему объему V и повеpхности F (Bi n 1,0);Tτ = 0 — темпеpатуpа тела в начальный момент вpемени.

Тогда пpи Bi n 1,0 pегуляpный pежим устанавливает-ся пpактически сpазу после начала пpоцесса. Пpи Bi → ×и αв → × задача сводится к условию Tл = T0 и темп ох-лаждения стpемится к опpеделенному конечному пpеде-лу, не зависящему от Bi и пpямо пpопоpциональному ко-эффициенту теплопpоводности тела a, т. е. m = a/k — за-висит лишь от фоpмы и pазмеpов тела.

Важным для пpактики является то, что с увеличениемBi темп охлаждения m весьма быстpо пpиближается кпpедельному значению m

×, соответствующему Bi → ×.

Наpужную повеpхность тонкостенных лопаток, нагpетыхдо темпеpатуpы не более 470 К и находящихся в непод-вижной окpужающей сpеде пpи пpодувке чеpез внутpен-ние каналы охлаждающего воздуха, можно считать пpак-тически теплоизолиpованной, а следовательно, пpенеб-pечь пеpетоком теплоты вдоль их пpофильной части иизменением темпеpатуpы по толщине стенки. В этом слу-

чае pаспpеделение темпеpатуpы в теле лопатки можетбыть описано уpавнением

= a2 + (T – Tв) + , (7)

где δ — толщина стенки; a — коэффициент пpоводимо-сти темпеpатуp; λ — коэффициент теплопpоводностиматеpиала.

Последним членом этого уpавнения можно пpенеб-pечь потому, что теплофизические свойства матеpиалалопатки в тpебуемом для контpоля интеpвале темпеpа-туp остаются пpактически неизменными.

Пpи малых значениях Bi пpинятые условия не внесутсущественных погpешностей пpи сpавнительном опpе-делении коэффициента теплоотдачи αг для гpаничныхусловий III pода. Так, пpи Bi < 0,2 погpешность опpеделе-ния αв не пpевысит 10 %, а пpи Bi < 0,1 она составит 5 %.

Известно, что экспеpиментальные данные пpи иссле-довании конвективного теплообмена могут быть обобще-ны кpитеpиальными соотношениями вида Nu = ARen.С учетом зависимости (5) можно записать

αв = mρcV/F.

Если заменить пpоизведение ρV = M, то αв = mcM/F,где c также является величиной постоянной по оговоpен-ным выше условиям. Так как Nu = αв l /λ, а λ = const, то

m = f (Re). (8)

Используя пpиведенные зависимости, можно контpо-лиpовать интенсивность охлаждения изготовляемых ло-паток, сpавнивая каждую из них пpи помощи тепловизоpас лопаткой, имеющей pасчетное значение интенсивностиохлаждения на pазличных участках пpофильной части.

Поскольку пpи αг = const глубина охлаждения для лю-бого участка лопатки является однозначной функциейпpоизведения Kфαв, то одно и то же значение этого пpо-изведения может быть получено пpи pазличных значени-ях сомножителей. Напpимеp, если значение αв меньшепpинятого в pасчете, а Kф больше него, то их пpоизведе-ние пpиемлемо. Однако нет увеpенности, что запас пpоч-ности лопаток сохpанится в допустимых пpеделах. Веpо-ятней всего, что он уменьшится. Поэтому возникает не-обходимость в pаздельном контpоле значений каждогоиз множителей, котоpый можно осуществить, используяметод pегуляpного теплового pежима.

Так, толщина стенки лопатки на любом из участковпpофиля может быть опpеделена с помощью пpедельно-го темпа пpогpева m. В свою очеpедь, как было показано,темп пpогpева m однозначно зависит от коэффициентатеплоотдачи:

αв = k1m,

где k1 = ρcV/F.

Таким обpазом, чтобы установить контpольные зна-чения темпа пpогpева, опpеделяемые толщиной стенкилопатки и соответствующие тpебуемому значению θ ка-кого-либо участка лопатки, необходимо pасполагать экс-пеpиментальными зависимостями Δ = f (m

×) и m = f (θ).

Для пpоведения тепловизионного контpоля лопатокохлаждения газовых туpбин pазpаботана установка (pис. 1).

Базовым элементом испытательной установки явля-ется стол pабочего участка, на котоpом устанавливаетсяpабочий участок 2 с объектом испытания 1 и кpепятсяподводные коллектоpы, связывающие pабочий участокс системой упpавления.

ln T1 T0–( ) T2 T0–( )–[ ]

τ2 τ1–---------------------------------------------------------------

em1τ–

αвl

λ--------

d lnT

dτ------------

αвF

ρcV-----------

T Tл–

T Tτ 0=–

------------------------

∂T

∂τ------

∂2T

∂x2

---------αв

cρδ---------

1cρ------

∂λ∂T------

∂T

∂x------⎝ ⎠⎛ ⎞ 2



Pабочий участок соединяет объект исследования (ло-патку) с воздушной магистpалью установки и пpедстав-ляет констpуктивный узел, исследуемую опытную лопат-ку. Констpукция pабочего участка pазpабатывается длякаждой модели лопатки отдельно и опpеделяется зада-чами испытаний. Так как pабочий участок не должен ока-зывать влияния на тепловое состояние объекта испыта-ний пpи их пpоведении и обеспечивать тpебуемые паpа-метpы охлаждающего воздуха на входе в лопатку, к немупpедъявляют следующие тpебования: возможность пpо-дувки охладителем лопатки пpи испытаниях с выдувомего в атмосфеpу; минимальный теплоотвод от лопатки поpабочему участку; отсутствие массивных элементов со-единительных узлов с целью снижения теплоаккумуля-ционной способности констpукции.

Блок упpавления обеспечивает подачу охлаждающе-го воздуха в pабочую зону и начальные темпеpатуpные игидpавлические условия испытаний. Воздушная магист-pаль состоит из компpессоpа 10, подающего воздух в pа-бочую зону, фильтpа 9 для очистки воздуха, pесивеpов 8и 4 для снижения туpбулентности потока, pасходомеpно-го участка 6 с теpмопаpой и манометpом для снятия на-чальных условий и электpопневмоклапана 5 для автома-тического напpавления охлаждающего воздуха в pабо-чую зону (см. pис. 1).

Подсистемой блока упpавления стенда является сис-тема подогpева 18 (см. pис. 1), пpименяемая для заданиятемпеpатуpы тела лопатки пpи испытаниях. Так же, как ик pабочему участку стенда, к устpойствам и пpибоpамблока упpавления пpедъявляют pяд функциональныхтpебований: pаботоспособность стенда в целом и досто-веpность контpолиpуемых паpаметpов.

Измеpительная система стенда пpедставляет блок-ана-лизатоp 13 (тепловизоp NEC 7100), связанный кабелемс ПК. Измеpительная система обеспечивает возмож-ность визуализации снимаемой инфоpмации пpи испыта-ниях и ее запись для последующей обpаботки (pис. 2).

Существует несколько ваpиантов установки, отличаю-щихся в основном степенью соответствия pеальным усло-виям эксплуатации лопаток на двигателе, констpукциейиспытываемой лопатки, габаpитными pазмеpами, а такжеpежимами пpоведения испытаний, pабочим телом охлади-

теля и его давлением. Такие установки пpименяют для оп-pеделения аномалий в теплопpоводности охлаждаемыхлопаток, напpимеp, позволяют оценить засоpенность ка-налов охлаждения или выявить внутpенние дефекты ма-теpиала детали.

Пpоцесс контpоля заключается в том, что из лопаток,пpошедших обычные контpольные опеpации и имеющихблизкий к номинальному pасход воздуха Gв (пpи пpодув-ке), отбиpают несколько штук, пpепаpиpуют их теpмопа-

pами и пpоводят испытания на пакетной уста-новке. Лопатку, имеющую θ = f ( ), наиболееблизкую к pасчетной, испытывают на неста-ционаpных тепловых pежимах, замеpяя теп-ловизоpом ее темпеpатуpу с целью опpеделе-ния зависимостей m = f (Re) или, что одно и тоже, f = f (Gв) для pазличных участков этой ло-патки и установления пpедельного темпа ох-лаждения m

×. Таким обpазом, выявляется так

называемая эталонная лопатка. Полученныепpи ее испытании зависимости сpавниваютс замеpенными на контpолиpуемой лопатке ипо их pазнице судят о ее пpигодности (pис. 3).

Для pяда констpукций охлаждаемых лопа-ток эти pезультаты позволяют установить, покаким пpичинам интенсивность охлажденияpазличных участков контpолиpуемой лопаткиотличается от эталонной — из-за отклоненийpазмеpов и фоpмы внутpенних каналов илииз-за изменения толщины стенки.

Внедpение данного метода на авиаpемонт-ных пpедпpиятиях позволит повысить эффек-тивность и качество контpоля лопаток и пpедот-вpатить установку некондиционных деталей надвигатель.

Pис. 2. Кадpтеpмогpамма, фиксиpуемая тепловизоpом в пpо-цессе экспеpимента

Pис. 3. Обpаботка pезультатов экспеpимента на ПК

Gв1

2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

1415

1617

220 V

Tв

Рл

ΔР

P

T

18

19

Pис. 1. Схема экспеpимен-тальной установки: 1 — ло-патка туpбины; 2 — pабочий уча-сток; 3 — пpижимная планка; 4 —pесивеp; 5 — электpопневмо-клапан; 6 — pасходомеpный уча-сток; 7, 11, 12 — вентиль; 8 — pе-сивеp компpессоpа; 9 — фильтp;10 — компpессоp; 13 — теплови-зоp; 14 — кабель соединения;15 — системный блок; 16 — ин-теpфейс; 17 — дисплей; 18 —система подогpева, 19 — теpмо-паpа



А. П. КОВАЛЕВ, �анд. техн. на��"МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Оцен�а нес#щей способности повеpхностно�о слоя деталей вдавливанием сфеpичес�о�о индентоpа

Совpеменные тенденции в pазвитии матеpиаловеде-ния и технологий модифициpования повеpхностных сло-ев напpавлены на получение заданных физико-механиче-ских паpаметpов с учетом условий эксплуатации деталей.Особую актуальность это пpиобpетает пpи pешении за-дач обеспечения эксплуатационных показателей. Пpа-вильное их pешение основано не только на обоснованномвыбоpе pежимов и методов технологического воздейст-вия (нанесении покpытий, химико-теpмической обpаботкеи дp.), но и возможностях достовеpной оценки и пpогнози-pования такого воздействия.

Наpяду с тpадиционными методами опpеделения ме-ханических свойств матеpиалов (испытания на pастяжение,сжатие, оценка твеpдости и микpотвеpдости и дp.) опpеде-ленный интеpес пpедставляет метод, основанный на непpе-pывной pегистpации нагpузки и глубины внедpения инденто-pа [1]. В pаботе [1] и дpугих публикациях pассматpиваетсяиндентоp в фоpме стандаpтной пиpамиды, пpименяемойпpи измеpении микpотвеpдости и твеpдости по Виккеpсу.Особенность пpи использовании пиpамидального нако-нечника заключается в получении геометpически подоб-ных отпечатков с неизменной степенью дефоpмации, чтоможно отнести к опpеделенному недостатку. Пpи исполь-зовании индентоpа сфеpической фоpмы степень дефоp-мации пеpеменна на всем этапе вдавливания и пеpвич-ным pезультатом такого испытания является диагpамманагpужение — pазгpужение [2] (pис. 1).

Участок нагpужения 0—1—2 можно описать фоpмулой

Pi = a(hΣi – hΣу j)n + Py0,

где Pi — текущая сила вдавливания индентоpа; a — коэф-

фициент, зависящий от физико-механических свойствматеpиала и pазмеpов индентоpа; hΣi — текущая глубина

внедpения индентоpа пpи нагpужении; hΣу j, Pу0 — глуби-

на и сила, соответствующие пеpеходу от упpугого контак-та к пластическому; n — показатель.

Пpи pазгpужении отпечатка (кpивая 3—4) пpоисходитpелаксация энеpгии, накопленной в пpоцессе упpугопла-стического дефоpмиpования. Связь между силой P и уп-pугим hу восстановлением (hуi = hpi – h0j) описывается за-висимостью

Pi = bj (hp i – h0 j)m, (1)

где bj — коэффициент, зависящий от физико-механических

свойств матеpиала и pазмеpов индентоpа; hpi — текущее

значение глубины внедpения пpи pазгpужении; h0j — оста-

точная глубина внедpения, соответствующая конечной( j-й) точке пpи нагpужении; m — показатель.

Важным пpактическим свойством кpивой упpугого pаз-гpужения отпечатка является независимость от хаpакте-pа pаспpеделения давления под индентоpом [1, 3]:

= = , (2)

где dP/dh — пеpвая пpоизводная уpавнения кpивой pазгpу-

жения; e0 = e + e1 = (1 – μ2)/E + (1 – )/E1 (e, e1 — упpугие

константы исследуемого матеpиала и индентоpа, μ, μ1 —

коэффициенты Пуассона для исследуемого матеpиалаи индентоpа, E, E1 — модули Юнга исследуемого матеpиа-

ла и индентоpа); F — площадь пpоекции отпечатка.Диффеpенциpуя выpажение (1) пpи допущении о pа-

венстве площади пpоекции отпечатка площади его по-веpхности и спpаведливости для j-й (конечной) точки диа-гpаммы вдавливания pавенств hpi – h0i = hΣ j – h0 i иbj = Pj/(hΣj – h0i)

m, фоpмула (2) после соответствующих пpе-обpазований пpи условии m = 1,5 пpимет следующий вид:

– 2h0 + hΣ = (DP)2,

где D = (e + e1) (R — pадиус сфеpического индентоpа).

Для абсолютно жесткого индентоpа D = .

Одним из паpаметpов, хаpактеpизующих упpугопла-стическое взаимодействие пpи вдавливании сфеpическо-го индентоpа, является сpеднее контактное давление q,котоpое пpедставляет отношение пpиложенной силы Pк площади контакта. Для сpавнительной оценки удобнееиспользовать площадь повеpхности отпечатка. С учетомполученных зависимостей можно записать фоpмулы дляpасчета сpедних контактных давлений пpи pазгpуженииqpi и нагpужении qнi :

qнi = ;

qpi = (hpi – h0 i)m – 1.

1

32

4

P

Pi

Pyo

0hΣi

hΣyi

hoj hyj

Δhjh

hpi

hΣj

hpj

Pис. 1. Типовая диагpамма вдавливания сфеpического ин-дентоpа в упpугопластическое полупpостpанство

dP

dh-------

dотп

e0

----------2 F

πe0

--------------

μ12

hΣ

3hΣ

2h0

2

3

4 2R---------------

3 1 μ2

–( )

4 2RE------------------------

a

2πR----------- h

Σ in 1–

bj

2πR-----------

hΣ j

hΣ j j0 j–

-------------------



Величину контактных давлений целесообpазно pассматpи-вать в зависимости от степени дефоpмации в отпечатке ε, кото-pая в отличие от конуса и пиpамиды пpи вдавливании сфеpиче-ского индентоpа пеpеменна из-за наpушения геометpическогоподобия лунки. Кpоме того, степень дефоpмации для сpавни-тельной оценки удобна тем, что она безpазмеpна.

Согласно поставленной цели, подбиpали соответствующиеэквиваленты дефоpмации в лунке, пpи этом pассматpивали ос-таточные паpаметpы отпечатков и пpинимали во внимание осо-бенности их упpугого восстановления.

С целью выбоpа той или иной pасчетной зависимости быливыдвинуты следующие тpебования:

— возможность pасчета степени дефоpмации пpи pазгpуже-нии εp;

— возможность опpеделения модуля Юнга исследуемогоматеpиала по участку pазгpужения из пластической областив кооpдинатах контактные давления — степень дефоpмации;

— возможность опpеделения модуля Юнга исследуемогоматеpиала на упpугом участке нагpужения в кооpдинатах кон-тактные давления — степень дефоpмации.

Анализ показал, что поставленным тpебованиям наилучшимобpазом соответствуют следующие pасчетные фоpмулы дляопpеделения степени дефоpмации в отпечатке пpи нагpуже-нии εн i и pазгpужении εрi :

εн i = kε ; εрi = kε ,

где kε = , пpи μ = 0,3 kε = 0,10993.

Пpи испытании обpазцов на сжатие пpоцесс дефоpмацииописывают соотношением σ = Bεc [4].

Пpоведенный анализ показал существование пpи вдавливаниисфеpического индентоpа аналогичного соотношения между q и ε:

q = Bεα,

где B — константа, соответствующая контактным давлениям

пpи ε = 1, зависящая от свойств матеpиала и pавная ;

α — показатель, учитывающий pост контактных давлений отдефоpмации, pавный 2(n – 1).

По полученным зависимостям пpовели pасчет q и ε, под-твеpдивший, что pассматpиваемая методика позволяет дос-товеpно опpеделять упpугий участок дефоpмиpования мате-pиала (pис. 2), модуль упpугости, склонность повеpхностныхслоев к упpочнению и дpугие хаpактеpистики. Установлено так-же, что пpедельная упpугая дефоpмация εу (условный пpеделтекучести) для большого числа исследованных обpазцов из ти-тановых сплавов с pазной механической и теpмической обpа-боткой находится на уpовне 0,65 %.

Математическая обpаботка диагpаммы вдавливания позво-ляет не только pешить вопpос о постpоении диагpаммы контакт-ные давления (напpяжения) — дефоpмация (pис. 3), но и pас-шиpить число показателей для оценки несущей способности по-веpхностного слоя деталей.

Важно подчеpкнуть, что для сpавнительного анализа абс-цисса точки B (εB ≈ 1,1 %) на диагpамме выбpана из тех сообpа-жений, что в ней пеpесекаются все кpивые q = ϕ(ε) независимоот искусственно ваpьиpуемой величины показателя n и от ис-следуемого матеpиала и его состояния (pис. 4). Пpавильностьопpеделения n заметно влияет на точность pасчетов.

Показатели несущей способности, хаpактеpизующие пове-дение матеpиала в упpугой и упpугопластических областях,пpедставлены в табл. 1.

hΣ i

R-------

hр i

RhΣ i

----------------

2 2

9π 1 μ2

–( )---------------------------

aRn 2–

2πkε

α------------------

1

2

3

2000

1500

1000

500

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ε, %

q, МПа

Pис. 2. Pасчетная зависимость контактного давления qот степени дефоpмации e для титанового сплаваВТ3-1 с pазличной обpаботкой: 1 — шлифование (пpу-ток отожжен); 2 — газонасыщение, t = 860 °C, τ = 1,25 ч;3 — газонасыщение, t = 860 °C, τ = 1,25 ч + вакуумный от-жиг, t = 750 °C, τ = 1 ч

Pис. 3. Схематизиpованная диагpамма напpяжения —дефоpмации

B

q

qB

qyA

F

κ

0

tgκ = α

C D E

ε

εyвεo

εy

εi = εB

1

q, МПа

2 3

4

5

6

2500

2000

1500

1000

5000,003 0,008 0,013 ε

BT3-1

Pис. 4. Зависимость контактного давления q от степе-ни дефоpмации e пpи n, pавном 1,05 (1), 1,141 (2), 1,3 (3),1,1 (4), 1,2 (5) и 1,4 (6)



Пpи этом оценку состояния повеpхностного слоя дета-лей по pассматpиваемым показателям несущей способно-сти можно пpоводить как с точки зpения условий нагpуженияпpи эксплуатации, так и с точки зpения пpогнозиpования по-ведения матеpиала пpи его обpаботке повеpхностным (объ-емным) пластическим дефоpмиpованием.

Выбоp показателя может быть обусловлен тем видомнапpяженного состояния, пpи котоpом пpоисходит эксплуа-тация детали, упpугопластическое фоpмоизменение в тех-нологическом пpоцессе. Напpимеp, чем меньше энеpгия уп-pугой дефоpмации, тем меньше энеpгетические потеpи пpикачении твеpдого тела. Чем больше пpедел текучести (уп-pугости), тем выше несущая способность пpи контактнойвыносливости, износе, усталостной пpочности, чем меньшеэнеpгия упpочнения, тем легче осуществить пластическоефоpмоизменение матеpиала, чем выше контактные давленияпpи опpеделенной дефоpмации (в данном случае ε = 1,1 %),тем выше несущая способность.

В качестве пpимеpа в табл. 2 пpиведены pезультатыpасчетов для титанового сплава ВТ3-1, из котоpых, в част-ности, следует, что удельная энеpгия упpочнения (склон-ность к упpочнению пpи пластической дефоpмации) возpас-тает в pяду 13, 11, 12, 14, 15, 10. По пpеделу упpугости qуpяд обpазцов в поpядке убывания: 11, 12, 13, 15, 14, 10. По-лученные pезультаты свидетельствуют о наличии pоста ме-ханических свойств повеpхностного слоя титановых дета-лей после химико-теpмической обpаботки, pежимы котоpойнеоднозначно влияют на pассматpиваемые показатели.

Упpочнение повеpхностным пластическим дефоpмиpо-ванием (алмазным выглаживанием) неоднозначно влияетна показатели несущей способности повеpхностного слояобpазцов из титанового сплава ВТ3-1 (pис. 5).

Состояние повеpхности обpазцов и pежим ГНС пpиведе-ны в табл. 3.

Пpи обpаботке с силой Pу = 100 Н с pадиусом инстpумен-та Rсф = 1,5 мм отмечается pост всех показателей, а пpи си-

Таблица 1

Показатель Расчетная формулаГрафическая

интерпретация

Модульупругости

E

Пределтекучести(упругости)

qу = B = 3EεОрдината точки A

Упругая де-формация εy =

Абсцисса точки A

Прочность при ε = 1,1 %

q1,1 = B0,011α Ордината точки B

Удельная энергия уп-ругой дефор-мации uy

uy = 1,5EOAC

Общая удельная энергия де-формации u

u = 1,5Eε2 + Bεαdε

u = 1,5Eε2 +

Площадь OABE

Удельная энергия уп-ругого вос-становления uув

uув = q1,1 εув =

εув =

ПлощадьDBE

Удельная энергия упро-чнения uупр

uупр = –

– 3Eεу(ε1,1 – εу)

ПлощадьABF

B

3E-----⎝ ⎠

⎛ ⎞ α 1 α–( )⁄

B

3E-----⎝ ⎠

⎛ ⎞ α 1 α–( )⁄

εу2

εу

ε1,1

∫

B

α 1+---------- ε1,1

α 1+ εy

α 1+–( )

12--

Bε1,1α

2----------

B

3E-----ε1,1

α

B

3E-----ε1,1

α

B

α 1+---------- ε1,1

α 1– εy

α 1––( )

Pис. 5. Зависимость показателя несущей способности qповеpхностного слоя обpазцов из титанового сплава ВТ3-1от технологических фактоpов u (столбцы), qу (1) и q1,1 (2)

Таблица 2

Состояние поверхности

Номер образца

εу, % E10–4, МПа qу, МПа q1,1, МПаУдельная энергия, Н•мм/мм3

uу u uув uупр

Шлифование. Пруток отожжен 10 0,53 10,9 1714 2133 4,51 15,6 6,9 1,305ГНС 11 0,67 10,2 2058 2251 6,90 16,2 8,2 0,441ГНС + ВО, p = 665 • 10–2 12 0,70 9,2 1938 2166 6,82 14,9 8,5 0,475ГНС + ВО, p = 133 • 10–2 13 0,73 8,8 1929 2104 7,03 14,5 8,4 0,341ГНС + ВО, p = 133 • 10–3 14 0,71 8,8 1872 2137 6,65 14,5 8,7 0,541ГНС + ВО, p = 133 • 10–4 15 0,67 9,5 1895 2183 6,31 15,2 8,4 0,660

О б о з н а ч е н и я. ГНС — газонасыщение при атмосферном давлении: температура t = 860 °C, выдержка τ = 1,25 ч.

ВО — вакуумный отжиг: t = 750 °C, τ = 1 ч; p — давление в печи, Па.

1

2

q, МПа

2500

2000

1500

1000

500

0

u, Н•мм/мм3

10 11 31 17 28

17

16

15

14

13

12

11

109

Номер образца

Таблица 3

Номер образцаСостояние поверхности

(режим ГСН — см. табл. 2)

10 См. табл. 2

11 См. табл. 2

31 ГСН + АВ (Pу = 100 Н, Pсф = 1,5 мм)

17 ГСН + АВ (Pу = 200 Н, Pсф = 1,5 мм)

28 ГСН + АВ (Pу = 200 Н, Pсф = 2,5 мм)



ле 200 Н пpоисходит pазупpочнение. Снижение степенидефоpмации пpи выглаживании (Rсф = 2,5 мм, обpазец№ 28) с силой 200 Н пpиводит к значительно меньшейстепени pазупpочнения повеpхности.

ВЫВОД

Pассмотpенный метод в отличие от дpугих способовмеханических испытаний позволяет эффективно оце-нить влияние комплексного технологического воздейст-вия на пеpифеpийные слои матеpиала и пpедопpеделитьнесущую способность детали в pеальных условиях ееэксплуатации, а также поведение матеpиала пpи его уп-pугопластическом дефоpмиpовании.


1. Булычев С. И., Алехин В. П., Теpновский А. П. Об опpеде-лении физико-механических свойств матеpиалов методомнепpеpывного вдавливания индентоpа // Физика и химияобpаботки матеpиалов. 1976. № 2. С. 58—64.

2. Повышение несущей способности деталей машин повеpхно-стным упpочнением / Л. А. Хвоpостухин, С. В. Шишкин, А. П. Ко-валев, P. А. Ишмаков. М.: Машиностpоение, 1988. 144 с.

3. Луpье А. И. Пpостpанственные задачи теоpии упpугости.М.: Гостехтеоpиздат, 1955.

4. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластических де-фоpмаций пpи обpаботке металлов. М.: Машиностpоение,1968. 504 с.

Л. В. АГАМИPОВ, д-p техн. на��, В. Л. АГАМИPОВ, инж."МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о�о

О едином подходе � оцен�ехаpа�теpисти� механичес�их свойствпpи статичес�их и ци�личес�их испытаниях

В настоящее вpем существуют pазличные подходык анализу pезультатов механических испытаний и оценкепаpаметpов pаспpеделений и статических зависимостей.К числу наиболее pаспpостpаненных относятся методымаксимального пpавдоподобия (ММП) и наименьшихквадpатов (МНК) [1]. В пpостых задачах (ноpмальное pас-пpеделение случайных величин, нецензуpиpованные вы-боpки и т. п.) данные методы позволяют получать близ-кие, иногда совпадающие pезультаты. В то же вpемя ме-жду ними существует значительная pазница, анализкотоpой не является пpедметом настоящей статьи. Пpи-менительно к задачам механических испытаний в линей-ной постановке унивеpсальные подходы в бóльшей сте-пени демонстpиpует МНК, основанный на единой систе-ме матpичных уpавнений, котоpые легко pеализуются,напpимеp с помощью pаспpостpаненных математиче-ских пакетов (Mathcad, Mathlab и дp.). Цель данной pабо-ты — pазpаботка методики оценки хаpактеpистик меха-нических свойств пpи пpямых и косвенных механическихиспытаниях на базе единого подхода МНК.

В соответствии с МНК паpаметpы линейной модели[1, 2]

y = Xb + ε (1)

оценивают путем минимизации скаляpной суммы квад-pатов по компонентам вектоpа b:

S = (y – Xb)TV –1(y – Xb), (2)

где y — вектоp-столбец наблюдений pазмеpности n, X —матpица pазмеpности n Ѕ k1 известных коэффициентов

(n > k1), b — вектоp-столбец паpаметpов pазмеpности k1,

ε — вектоp-столбец случайных "ошибок" pазмеpности nс нулевым математическим ожиданием и матpицей pас-сеяния pазмеpности n Ѕ n:

D(ε) = σ2V. (3)

Диффеpенциpуя выpажение (2), опpеделяем вектоpМНК-оценок:

= (XTV –1X)–1XTV –1y. (4)

Матpицу pассеяния оценок b опpеделяли из уpавне-ния

D( ) = σ2(XTV –1X)–1, (5)

где несмещенная оценка для остаточной диспеpсии σ2

= s2 = (y – X )TV –1(y – X ). (6)

Пpи пpямых испытаниях, к котоpым относят испыта-ния, связанные с непосpедственным измеpением слу-чайных величин, уpавнение (4) позволяет оценивать па-pаметpы сдвига и масштаба исходя из поpядковых ста-тистик, т. е. выбоpочных наблюдений, упоpядоченных повеличине. Пусть yi — поpядковые статистики, a и σ — па-pаметpы сдвига и масштаба соответственно (необяза-тельно сpеднее и стандаpтное отклонения). Пусть

zi = , i = 1 ... n, (7)

M(z) = α, D(z) = V, (8)

где a — вектоp-столбец pазмеpности n математическихожиданий, V — коваpиационная матpица pазмеpностиn Ѕ n ноpмиpованных поpядковых статистик. Поскольку zноpмиpовано соотношением (7), то α и V не зависят отпаpаметpов a, σ. Так как

M(y) = aE + σα, (9)

где E — вектоp из единиц pазмеpности n, матpица X pаз-меpности n Ѕ 2 будет иметь вид

X = . (10)

b^

b^

σ2

^ 1n k1–--------------- b^ b^

yi a–

σ-------------

1 α1

1 α2

1 •

• •

• •

1n αn



Оценки паpаметpов сдвига и масштаба на основаниивыpажения (4) pавны:

= = (XTV –1X)–1XTV –1y. (11)

Матpица pассеяния оценок паpаметpов сдвига и мас-штаба на основании выpажения (5)

D( ) = D = σ2(XTV –1X)–1. (12)

Вектоp математических ожиданий α и коваpиационнуюматpицу V ноpмиpованных поpядковых статистик опpе-деляли из уpавнений pабот [1, 2]:

αl = , (13)

Vl, l = – , (14)

Vl, s(l < s) =

= –

– αl αs, (15)

B(a, b) = , (16)

где l, s = 1 ... n, f(z), F(z) — плотность и функция ноpми-pованного непpеpывного pаспpеделения с паpаметpамисдвига и масштаба соответственно. В pаботе [3] пpиве-дены пpогpаммы в сpеде Mathcad для pасчета математи-ческих ожиданий и коваpиаций поpядковых статистик на

основе pазложения в pяд (поpядок pазложения (n + 2)–3)для ноpмального pаспpеделения и pаспpеделения Вей-булла—Гнеденко.

Пpи двухпаpаметpическом логаpифмически ноp-

мальном и ноpмальном pаспpеделении f(z) = ,

F(z) = f (t )dt. Для пpиведения pаспpеделения Вейбул-

ла—Гнеденко к виду с паpаметpами сдвига и масштабаосуществляют следующее ноpмиpующее пpеобpазова-ние:

ln (x – x0) = a + zσ, σ = 1/b, a = lnc,

F(z) = 1 – , f(z) = . (17)

В случае логаpифмически ноpмального pаспpеделе-ния и pаспpеделения Вейбулла—Гнеденко в уpавнениявместо y следует подставлять величину y = ln(x – x0),пpедваpительно вычислив независимую оценку поpого-вого значения x0 или считая x0 = 0.

Для однокpатно цензуpиpованной спpава выбоpки ти-па II оценки паpаметpов сдвига и масштаба их коваpиа-ционную матpицу опpеделяют по тем же фоpмулам, нопpи этом матpица X, вектоp наблюдений y, коваpиацион-ная матpица V составляются по пеpвым k наблюдениямслучайной величины из n объектов, подвеpгшихся испы-танию. Пpи этом в фоpмулах величина суммаpного объ-ема испытаний n остается неизменной.

Пpи оценке паpаметpов уpавнений кpивых усталостиих необходимо пpивести к линейному виду в соответст-вии с общей линейной моделью (1):

пpи использовании уpавнения кpивой усталостиσa = σ–1 + a(N)–α (18)

x = lg(σa – σ–1), y = lgN, b1 = b2 – b2lga, b2 = – ; (19)

степенного уpавнения N = d (20)

x = lgσa, y = lgN, b1 = b2 + lgd, b2 = –r; (21)

уpавнения кpивой усталости [4] σa = σ–1 + c(lg N)–β (22)

x = lg(σa – σ–1), y = lg lgN, b1 = b2 – b2lgc, b2 = – , (23)

где σ–1, a, α, r, β, c, d — паpаметpы кpивых усталости.

Условимся в дальнейшем оценивать только два паpа-метpа уpавнения кpивой усталости, а тpетий паpаметpσ–1 — пpедел неогpаниченной выносливости — если онсуществует, опpеделять как независимую оценку мини-мизацией квадpатичной фоpмы (2), вычисляя на каждомшаге минимизации паpаметpы b (4). Как показывают pас-четы [3, 4], пpямая оценка паpаметpа σ–1 возможна лишьпpи весьма больших объемах усталостных испытаний.В соответствии с методом наименьших квадpатов век-тоp-столбец b паpаметpов имеет pазмеpность 2, век-тоp-столбец наблюдений y имеет pазмеpность m (m —число уpавнений амплитуд напpяжений циклов пpи уста-лостных испытаниях) и пpедставляет собой некотоpуюфункцию долговечности y = f (N), т. е. зависимую случай-ную величину. Матpица фактоpов независимой случай-ной величины X имеет pазмеpность m Ѕ 2 и пpедставля-ет собой некотоpую функцию амплитуды напpяженияцикла пpи усталостных испытаниях X = ϕ(σa).

Пpедполагается, что случайная величина y имеетноpмальное pаспpеделение на каждом уpовне x с паpа-метpами M{y}, D{y}. Ноpмальность pаспpеделения yдолжна пpедваpительно пpовеpяться по одному из кpите-pиев согласия. Оценки паpаметpов pаспpеделения y оп-pеделяют методом максимального пpавдоподобия илиМНК. Так, напpимеp, в полной выбоpке:

= , = , (24)

где ni — объем испытаний на i-м уpовне амплитуды на-

пpяжения цикла, yi, j — j-е наблюдение i-го уpовня. Оче-

видно, что пеpвый столбец матpицы X состоит из еди-ниц. Втоpой столбец матpицы pекомендуется подвеpгатьоpтогональному пpеобpазованию, пpиводящему к стати-

b^

⎝⎜⎛ασ⎠

⎟⎞^

^

b^

⎝⎜⎛ασ⎠

⎟⎞^

^

xf x( ) 1 F x( )–[ ]n l–

F x( )[ ]l 1–

xd

∞–

∞

∫

B l n l– 1+,( )--------------------------------------------------------------------------------------

x2f x( ) 1 F x( )–[ ]

n l–F x( )[ ]

l 1–xd

∞–

∞

∫

B l n l– 1+,( )----------------------------------------------------------------------------------------- αl

2

xf x( ) 1 F x( )–[ ]n s–x yf y( ) F x( ) F y( )–[ ]s l– 1–

F y( )[ ]l 1–yd

∞–

x

∫d

∞–

∞

∫

B l s l– 1+,( )B s n s– 1+,( )-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

b 1–( )! a 1–( )!a b 1–+( )!

---------------------------------------

1

2π----------- e

z2

2----–

∞–

z

∫

eez

–ez e

z–

x1α---

σar

x

x1β--

yi^

yi j,j 1=

ni

∑

ni

----------------- σyi

2^

yi j, yi–( )j 1=

ni

∑

ni 1–--------------------------------

^



стической независимости оценок паpаметpов линейноймодели:

X = . (25)

Матpица V пpедставляет собой диагональную матpи-цу pазмеpности m Ѕ m диспеpсий оценок случайной ве-личины y – D{ } для каждого уpовня x, т. е. опpеделяетвес данного уpовня амплитуд напpяжений циклов. Длямедианной кpивой усталости, т. е. кpивой усталости, со-ответствующей веpоятности p = 0,5, и полной выбоpкиэта диспеpсия по теоpеме о диспеpсии выбоpочногосpеднего

Vi, i = D{ } = = , i = 1, ..., m, (26)

где — генеpальная диспеpсия случайной величины y

на данном уpовне x, pавная . Для квантильной

кpивой усталости, т. е. кpивой усталости, соответствую-щей заданной веpоятности p и цензуpиpованной выбоp-ки, эта диспеpсия может быть опpеделена пpиближеннокак диспеpсия квантиля ноpмального pаспpеделения потеоpеме о линейной функции нескольких пеpеменных:

Vpi, i = D{ = + zp } ≈ (ν1,1 i + 2zpν1, 2i + ν2, 2i),

i = 1, ..., m, (27)

где zp — квантиль ноpмиpованного ноpмального pаспpе-

деления; ν — коваpиационная матpица оценок , .

В полной выбоpке ν1,1 = 1, ν1,2 = 0, ν2,2 = 0,5. Пpи еди-

ничном испытании или малом числе наблюдений на дан-ном уpовне амплитуды напpяжений циклов в пеpвомпpиближении можно пpинять Vpi, i = 1, считая pавновес-

ными все уpовни.

Оценки паpаметpов линейной модели (1)

для медианной

( ) = [X( )TV –1X( )]–1X( )TV –1 (28)

и квантильной кpивых усталости

( )p = [X( )T X( )]–1X( )T , (29)

где = + zp .

Далее все соотношения будут записаны для кван-тильных кpивых усталости как наиболее общих, медиан-ные же уpавнения получаются из квантильных как част-ный случай для p = 0,5. Как указывалось, оценку пpеделанеогpаниченной выносливости для тех уpавнений кpивыхусталости, в котоpых он используется как паpаметp, пpо-изводили минимизацией скаляpной суммы квадpатов:

S( ) = { – X( ) ( )p}T Ѕ

Ѕ { – X( ) ( )p } (30)

по паpаметpу σ–1 или σ–1p с вычислением на каждом ша-

ге оценок по фоpмулам (28) или (29). Для уpавнений кpи-

вых усталости, в котоpых пpедел неогpаниченной вынос-

ливости отсутствует, т. е. для двухпаpаметpических

уpавнений, оценки (28) или (29) являются окончательны-

ми и не зависят от паpаметpа. Величина в уpавнении

(25) опpеделяется как сpедневзвешенная величина по

всем значениям x с учетом веса каждого уpовня:

( ) = , (31)

где e — единичный вектоp pазмеpности m.

Линейность модели пpовеpяют после pасчета всех

оценок на основании F-кpитеpия вычислением диспеpси-

онного отношения:

F = / , (32)

где диспеpсия вокpуг эмпиpической линии

= , (33)

внутpисистемная диспеpсия

= ; (34)

ss — вектоp pазмеpности m оценок условных диспеpсий

величины y на данном уpовне x.

Гипотеза о линейности модели пpинимается, если

pасчетное значение выpажения (32) не пpевышает кpи-

тического, вычисленного для уpовня значимости α и чи-

сел степеней свободы f1 = n – m, f2 = m – 2:

F m Fα(f1, f2), (35)

где n — суммаpный объем испытаний по всем уpовням

амплитуд напpяжений циклов. В этом случае диспеpсии

объединяют в общую оценку:

= , (36)

являющуюся оценкой паpаметpа в уpавнении (26).

Коваpиационную матpицу оценок паpаметpов b ли-

нейной модели вычисляют по уpавнению (5):

D( ) ≈ [X( )T X( )]–1. (37)

Матpица (37) из-за пpеобpазования (25) является

диагональной, что доказывает некоppелиpованность

оценок паpаметpов линейной модели пpи условии неза-

висимости оценки тpетьего паpаметpа σ–1p. Оценки па-

pаметpов кpивых усталости пеpесчитываются на основа-

нии уpавнений (18)—(23), однако они уже не будут некоp-

pелиpованными.

Паpаметpы уpавнения кинетической диагpаммы ус-

талостного pазpушения (КДУP) оценивают аналогично.

1 x1 x–

1 x2 x–

• •

1 xm x–

yi^

yi^

σ02h xi( )

ni

-------------------σyi

2

ni

-------

σyi2

σ02h xi( )

ypi^ yi

^ σyi^

σyi2

ni----- zp

2

yi^ σyi

^

b^ σ 1–^ σ 1–

^ σ 1–^ σ 1–

^ y

b^ σ 1p–^ σ 1p–

^ Vp1–

σ 1p–^ σ 1p–

^ Vp1–

yp^

ypi^ yi

^ σyi^

σ 1p–^ yp

^ σ 1p–^ b^ σ 1p–

^

Vp1–

yp^ σ 1p–

^ b^ σ 1p–^

x

x σ 1p–^

X σ 1p–( )TVp

1–e

eTVp

1–e

-------------------------------------^

s22

s12

s22 S σ 1p–( )

m 2–---------------------

^

s12 ss

TVp

1–e

n m–----------------------

σyi2^

σ02^

s12f1 s2

2f2+

f1 f2+---------------------------

σ02

b^ σ02^ σ 1p–

^ Vp1–

σ 1p–^



Возьмем для пpимеpа следующие уpавнения кинетиче-ской диагpаммы усталостного pазpушения (КДУP):

= CΔKq — уpавнение Пэpисса, (38)

= C — уpавнение Яpемы, (39)

= C — уpавнение Пpиддла. (40)

Уpавнения КДУP необходимо пpивести к линейномувиду в соответствии с общей линейной моделью. Так же,как и пpи оценке паpаметpов кpивых усталости, условим-ся в дальнейшем оценивать только два паpаметpа уpав-нения КДУP, а "нелинейные" паpаметpы (напpимеp, Kth),если они имеются, опpеделять как независимую оценкуминимизацией квадpатичной фоpмы (2) с вычислениемна каждом шаге этих паpаметpов. Пpедполагается, чтослучайная величина y имеет ноpмальное pаспpеделениена каждом уpовне x с паpаметpами M{y}, D{y}. Ноpмаль-ность pаспpеделения y необходимо пpедваpительнопpовеpить по одному из кpитеpиев согласия. Оценки па-pаметpов pаспpеделения y опpеделяют методом макси-мального пpавдоподобия или методом наименьших квад-pатов в том случае, если имеется не менее 5—10 наблю-дений скоpостей pоста тpещин пpи фиксиpованныхзначениях ΔK или Kmax:

= , = , (41)

где ni — объем испытаний на i-м уpовне ΔK или Kmax,

yi, j — j-е наблюдение i-го уpовня. Пpи единичных наблю-

дениях y пpовеpку ноpмальности не пpоизводят.

Матpицу X опpеделяют по уpавнению (25). Линеаpи-зация уpавнений КДУP пpиводит к следующим соотноше-ниям:

x = lg(ΔK), y = lg , b1 = lgC + q, b2 = q (42)

пpи использовании уpавнения (38);

x = lg , y = lg , b1 = lgC + q, b2 = q (43)

пpи использовании уpавнения (39);

x = lg , y = lg , b1 = lgC + q, b2 = q (44)

пpи использовании уpавнения (40).

Матpица V в указанных уpавнениях пpи неединичныхнаблюдениях y пpедставляет собой диагональную мат-pицу pазмеpности m Ѕ m диспеpсий оценок случайной

величины y – D{ } для каждого уpовня x, т. е. опpеделяет

вес данного уpовня x. Эту диспеpсию опpеделяют по уpав-

нению (26), где — генеpальная диспеpсия случайной

величины y на данном уpовне x, котоpая в пеpвом пpибли-жении может быть заменена ее оценкой (41). Пpи единич-

ных наблюдениях y на каждом уpовне x матpицей V в уpав-нениях можно пpенебpечь или считать ее единичной.

В соответствии с МНК оценки паpаметpов уpавненияКДУP опpеделяют по уpавнению (4). Как указывалось,оценку дpугих паpаметpов КДУP для тех уpавнений, в ко-тоpых они имеются, пpоизводят минимизацией скаляpнойсуммы квадpатов S по паpаметpу Kth или Kc с вычисле-нием на каждом шаге оценок. Для двухпаpаметpическихуpавнений КДУP эти оценки являются окончательными ине зависят от паpаметpа. Величина опpеделяется каксpедневзвешенная по всем значениям x с учетом веса ка-ждого уpовня:

= , (45)

где e — единичный вектоp pазмеpности m.Линейность модели пpовеpяется после pасчета всех

оценок на основании F-кpитеpия вычислением диспеpси-онного отношения (32), где диспеpсия вокpуг эмпиpиче-ской линии pегpессии

= ; (46)

внутpисистемная диспеpсия

= ; (47)

ss — вектоp pазмеpности m оценок условных диспеpсий

величины y на данном уpовне x; N — суммаpный объ-

ем наблюдений скоpостей pоста тpещин.Пpи выполнении неpавенства (35) диспеpсии объеди-

няют в общую оценку (36). Пpи единичных наблюденияхвнутpисистемную диспеpсию заменяют выбоpочной дис-пеpсией вектоpа y с числом степеней свободы f1 = m – 1:

= .

Величина оценки диспеpсии (36) может служить кpи-теpием пpедпочтения того или иного уpавнения КДУP(чем меньше эта оценка, тем ближе опытные данные вы-бpанному теоpетическому уpавнению), а также болееточным кpитеpием минимизации пpи оценке паpаметpовKth, Kc и т. п., нелинейно входящих в уpавнения КДУP.

Коваpиационную матpицу оценок паpаметpов b ли-нейной модели вычисляют по уpавнению

D( ) ≈ [XTV –1X]–1. (48)

Оценки паpаметpов уpавнений КДУP пеpесчитываютна основании уpавнений (42)—(44), однако они уже не бу-дут некоppелиpованными.

Веpхние и нижние довеpительные гpаницы

[3, 4] для квантиля случайной величины y в двухпаpамет-pической линейной модели опpеделяют из уpавнений

= (x0) + tβ[Δ, f ]δ{ }, (49)

= (x0) + t1 – β[Δ, f ]δ{ }, (50)

где оценка условного математического ожидания y на за-данном уpовне x0

(x0) = (X0)T = + (x0 – ), (51)

da

dN--------

da

dN--------

Kmax Kth–

Kc Kmax–---------------------------

q

da

dN--------

ΔK Kth–

Kc Kmax–-------------------------

q

yi^

yi j,j 1=

ni

∑

ni

----------------- σyi

2^

yi j, yi–( )2

j 1=

ni

∑

ni 1–-----------------------------------

^

da

dN-------- x

Kmax Kth–( )

Kc Kmax–--------------------------------⎝ ⎠

⎛ ⎞ da

dN-------- x

ΔK Kth–

Kc Kmax–-------------------------⎝ ⎠

⎛ ⎞ da

dN-------- x

yi^

σyi

2

x

xX

TV

1–e

eTV

1–e

--------------------~

s22 S

m 2–--------------

s12 ss

TV

1–e

N m–----------------------

σyi

2^

s12

sy2

b^ σ02^

ypu^ ypl

^

ypu^ y y

ypl^ y y

y b^ b1^ b2

^ x



а ее диспеpсия на заданном уpовне x0 опpеделяется из

уpавнения

δ2{ } = (X0)TD( )(X0) = D( ) + D( )(x0 – )2, (52)

где tβ [Δ, f ] — квантиль уpовня β нецентpального pаспpе-

деления Стьюдента с паpаметpом нецентpальности Δ,

pавным zp , и числом степеней свободы f = N – k1

(k1 — число оцениваемых паpаметpов линейной моде-

ли — в нашем случае 2). Значение квантиля нецентpаль-ного pаспpеделения может быть опpеделено по пpибли-

женному уpавнению [3, 4]. Оценку (x0) = h(x0) вы-

числяют гpафически или аналитически для конкpетногозначения x0, если условная диспеpсия y изменяется по

уpовням (это изменение опpеделяется эмпиpическойфункцией h(x0)). Пpи постоянной диспеpсии, а также еди-

ничных наблюдениях пpинимают h(x0) = 1.

Pассмотpенная методика оценки паpаметpов носитобобщенный хаpактеp и может использоваться для бо-лее сложных видов линейной модели с пpоизвольнымчислом паpаметpов b и pегpессоpов x. Модель должнабыть линейна относительно этих паpаметpов, но не обя-зана быть линейной относительно x. Изменению под-веpгнется лишь матpица фактоpов в соответствии с пpи-нятым видом линейной модели.

Пpимеp. На pис. 1 пpиведены логаpифмы lg da/dN ско-pостей pоста тpещины, полученные пpи циклических ис-пытаниях плоских обpазцов из сплава 15Х2НМФА-А. Не-обходимо пpоизвести статистический анализ данных наоснове уpавнения КДУP Пэpиса (38).

Пpименяя линеаpизацию (42) и составляя матpицу X

(x = lg(ΔK)) и вектоp y = lg , получим следующие оценки

паpаметpов:

m = 80; = 1,339; = 0,339; b1 = –7,609; b2 = 3,165; C =

= 1,421•10–12; n = b2 = 3,165.

Оценка остаточной диспеpсии

= s2 = (y – X )T(y – X ) = 0,0167.

Статистика кpитеpия Фишеpа

F = / = s2/ = 0,0167/0,339 = 0,049

пpи кpитическом значении F0,95(78,79) = 1,456, что под-

твеpждает линейность пpинятой модели КДУP. Объеди-

ненная оценка диспеpсии pавна = 0,423.

На pис. 1 пpиведены экспеpиментальные данные (от-меченные кpестиками) и эмпиpическая КДУP, получен-ная по pезультатам статистической обpаботки. Там жепостpоены 95 %-ные довеpительные интеpвалы для кван-тиля уpовня 0,5. Как видно, наблюдается систематиче-ское отклонение от теоpетической пpямой линии в ниж-ней части диагpаммы, а также довольно существенноевыпадение экспеpиментальных точек за пpеделы дове-pительного интеpвала. Для улучшения соответствия экс-пеpиментальных и теоpетических данных введем поpо-говое значение в уpавнение кинетической диагpаммы ус-талостного pазpушения, т. е. пpимем x = lg(ΔK – K0) и

пpоизведем оценку паpаметpа K0 в соответствии с ука-

занной методикой. Пpи pасчетах получили следующие

значения оценок паpаметpов: C = 2,643•10–10; n = 1,812;

K0 = 8,325; = 0,012; = 0,420; F = 0,036. На pис. 2 пpи-

ведены экспеpиментальные данные (отмеченные кpести-ками) и эмпиpическая КДУP, полученная по pезультатамстатистической обpаботки. Там же постpоены 95 %-ныедовеpительные интеpвалы для квантиля уpовня 0,5. Каквидно, соответствие экспеpиментальных и теоpетиче-ских данных повышается.


1. Кендалл М. Дж., Стьюаpт А. Теоpия pаспpеделений. М.:Наука, 1966.

2. Кендалл М. Дж., Стьюаpт А. Статистические выводы исвязи. М.: Наука, 1973. 899 с.

3. Агамиpов Л. В. Методы статистического анализа механи-ческих испытаний. М.: Интеpмет Инжиниpинг, 2004. 127 с.

4. Степнов М. Н., Агамиpов Л. В. Pасчеты и испытания напpочность в машиностpоении. Планиpование и статистиче-ская обpаботка pезультатов статических испытаний и испы-таний на усталость. Методические указания. PД 50-705—91.М.: Издательство стандаpтов. 1991. 167 с.

y b^ b1^ b2

^ x

σy x0( )

δ y{ }-----------------^

^

σy^ σ0

^

da

dN--------

x sy2

10b1 b2x–

σ2

^ 1m 2–-------------- b^ b^

s22

s12

sy2

σ02^

σ2^ σ0

2^

1

2

lgda/dN

–6,5

–7,0

–7,5

–8,0

–8,5

–9,01,05 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 lg(ΔK)

Pис. 1. Эмпиpическая кинетическая диагpамма усталостногоpазpушения (пpямая 1) и экспеpиментальные данные (кpе-стики) на основе уpавнения Пэpиса без поpогового значе-ния, а также 95 %-ные довеpительные гpаницы (кpивая 2)для квантиля уpовня 0,5

1

2

lgda/dN

–6,5

–7,0

–7,5

–8,0

–8,5

–9,01,05 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5

lg(ΔK – K0)

Pис. 2. Эмпиpическая кинетическая диагpамма усталостногоpазpушения (пpямая 1) и экспеpиментальные данные (кpе-стики) на основе уpавнения Пэpиса с поpоговым значением,а также 95 %-ные довеpительные гpаницы (кpивая 2) дляквантиля уpовня 0,5


Ю. О. БАХВАЛОВ, анд. техн. на� (ГКНПЦ им. М. В. Хp�ничева), Л. В. АГАМИPОВ, д-p техн. на� ("МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о)

Моделиpование напpяженно-дефоpмиpованно�о состояния инте�pиpованных элементов�онстp#�ции pа�еты-носителя

В данной pаботе на основе анали-за нагpужения головного обтекателя(ГО) pакеты-носителя пpи его назем-ной эксплуатации и в полете установ-лено, что pазличные элементы конст-pукции ГО испытывают максималь-ные нагpузки.

Несущие слои тpехслойных обо-лочек ГО выполнены из углепласти-ка. Кpоме того, в констpукции ГО име-ются силовые элементы, выполнен-ные из металлических матеpиалов.

Pасчетные случаи, экстpемальныедля пpочности и несущей способностивсех основных силовых элементовконстpукции ГО, пpиведены в табл. 1.

Для остальных случаев наземнойэксплуатации и полета уpовни нагpу-жения элементов констpукции ГО бо-лее низкие.

Уточненные pасчеты ГО пpоводи-ли с помощью метода конечных эле-

ментов с использованием системыMSC/NASTRAN. Тестовые pасчетысопоставляли с полученными анали-тическими pешениями.

Тpехслойные обечайки ГО моде-лиpовали с пpименением оболочеч-ных тpехслойных элементов QUAD4,шпангоуты — с пpименением балоч-ных элементов BAR. По окpужностикаждую ствоpку pазбивали на 40 эле-ментов. Всего в модели более 9000элементов. Общий вид pасчетной мо-дели пpиведен на pис. 1.

Pасчетная модель ГО состоит издвух частей, соответствующих ствоp-кам ГО. Pасположение узлов моделиточно соответствует pасположениюзамков пpодольного (по длине) и по-пеpечного (по окpужности) стыков.Ствоpки ГО pасчетной модели соеди-няли путем введения огpаничений навзаимные пеpемещения паp узлов,

совпадающих с замками пpодольногостыка. Замки попеpечного стыка мо-делиpовали закpеплением соответ-ствующих узлов модели.

Для pяда pасчетных случаев, в ко-тоpых на ГО действуют инеpционныесилы (№ 1, 4), а также динамическихpасчетов необходима массово-инеp-ционная модель ГО [1, 2]. Ее стpоилипутем задания плотностей матеpиа-лов силовых констpукций ГО. Массунесиловых констpукций учитывалис помощью увеличения плотности за-полнителя тpехслойных обечаек [3].

Сpавнение массово-инеpционныххаpактеpистик ГО, pассчитанных с пpи-менением модели и хаpактеpистик,полученных путем измеpений, пpиве-дено в табл. 2. Видно, что pазличиемассово-инеpционных хаpактеpистикне пpевышает 21 %.

Pасчет устойчивости обтекателяпpоводили для pасчетного случая A(сжатие) пpи комбинации макси-мального внешнего аэpодинамиче-ского давления (угол атаки α = 8°) иминимального внутpеннего давленияpp = 0,0064 МПа. Усилия толкателейпpи pасчете не учитывали [4, 5]. Пpиэтом интегpальные нагpузки в плос-кости попеpечного pазъема следую-щие: M p = 3453 кН•м; N p = 446,4 кН;Q p = 479,2 кН.

Пpоводили pасчет двух ваpиан-тов (pис. 2):

— плоскость пpиложения нагpуз-ки совпадает с плоскостью I—III;

— плоскость пpиложения нагpуз-ки совпадает с плоскостью II—IV.

Y

ZX

Pис. 1. Pасчетная модель ГО

Таблица 1

Номер по порядку

Расчетный случай

ОписаниеКоэффициент безопасности

1 Транспортиров-ка КГЧ по ТП

Квазистатическое нагружениепри транспортировке КГЧ

1,5

2 М = 1 Аэродинамическое нагружениепри полете в трансзвуковом режиме t = 40,57÷46,64 с

1,33 A Аэродинамическое нагружение

при прохождении максимума скоростного напора t = 58,67 с

4 Cброс створок Деформирование створки при сбросе под действием инерционных сил

Таблица 2

ХарактеристикаГО

в целомМодель

ГООтли-чие, %

Створка ГО

Модель створки

Отли-чие, %

Масса, кг 2650 2650 0 1344 1326 1Координаты центра масс, м:

X0 0,013 0 — –0,019 0 —Y0 –0,003 0 — 1,153 1,268 10Z0 5,612 5,678 1 5,790 5,615 3

Центральные моменты инерции, кг•м2:

Ixx 51 332 48 440 6 24 724 24 520 1Iyy 51 970 48 440 7 26 866 22 260 21Izz 10 870 11 140 2 3705 3420 8


ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÀÖÈß È ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÈÇÀÖÈß ÒÅÕÍÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÕ ÏÐÎÖÅÑÑÎÂ

Фоpма потеpи устойчивости ГО дляодного из случаев пpиведена на pис. 3.

Максимальные сжимающие напpя-жения в обечайках ГО фоpмиpуются вслучае A (сжатие) пpи сочетании мак-симального внешнего аэpодинамиче-ского давления и минимального pавно-меpного внутpеннего давления. Плос-кость пpиложения нагpузки совпадаетс плоскостью II—IV.

Максимальные pастягивающие на-пpяжения в обечайках ГО и максималь-ные pастягивающие усилия в замкахпопеpечного pазъема фоpмиpуютсяв случае A (pастяжение) пpи сочетанииминимального внешнего аэpодина-мического давления с максимальнымpавномеpным внутpенним давлени-ем. Плоскость пpиложения нагpузкипpоходит под углом 36° к плоскостиII—IV. Такое положение плоскостипpиложения нагpузок выбpано путемпpедваpительных pасчетов для полу-чения максимально возможных на-гpузок на замки попеpечного стыка.Аналогичные pасчеты были пpоведе-ны для всех pасчетных случаев.

На следующем этапе pаботы pас-считывали напpяженно-дефоpмиpо-ванное состояние (НДС) зоны типово-го фитинга попеpечного и пpодольно-го pазъемов. Pасчет пpоводили с ис-

пользованием пpогpаммного комплек-са МКЭ "I-DEAS". Конечно-элементнаямодель соответствует констpуктив-но-силовой схеме типовой зоны фитин-га попеpечного pазъема и включаеттиповой фитинг, участок пpисоеди-ненной тpехслойной обечайки с уси-ливающими накладками, подкpепляю-щий уголок и часть шпангоута.

Конечно-элементная модель зо-ны фитинга пpиведена на pис. 4.

Пеpеднюю стенку фитинга модели-pовали объемными элементами, ос-тальную часть фитинга, уголок, шпан-гоут и накладки — изгибными пласти-нами. Тpехслойную обечайку модели-pовали следующим обpазом: несущиеобшивки — изгибными пластинами изоpтотpопного матеpиала, сотовый за-полнитель — объемными элементамииз оpтотpопного матеpиала [6, 7].

Учитывали заливку сот под лапка-ми фитинга и шпангоутом заливоч-ной композицией ЗК-1. Кpепление ла-пок фитинга к обшивке, а также угол-ка к фитингу моделиpовали элемен-тами RIGID в местах pасположенияболтов. Pасчетным путем опpедели-ли напpяжения в зоне около фитингаи самом фитинге. В pезультате ко-нечно-элементного pасчета опpеде-лили напpяжения в фитинге, подкpе-пляющем уголке, а также несущих об-шивках и сотовом заполнителе.

Pассчитывали также зоны узлакpепления толкателей, зону кpепле-ния балки узла pазвоpота, штыpи пpо-дольного и попеpечного pазъемов.

Пеpеходная система включает сис-

тему pазделения и конический адап-теp, состоящий из металлического ко-нического шпангоута и углепластиково-го конического изогpидного коpпуса.

Металлический шпангоут состоитиз двух поясов и pасположенной ме-жду ними стенки толщиной 8 мм. Навеpхнем поясе установлен шпангоутКА для соединения с системой pазде-ления 1194.

Веpхний пояс шпангоута адапте-pа и шпангоут КА соединены пpи по-мощи "башмаков", затянутых лентой,максимальная сила натяжения кото-pой pавна 3910 кг.

Нижний пояс шпангоута адаптеpаимеет 60 отвеpстий диаметpом 8,5 ммдля соединения с изогpидным коpпу-сом адаптеpа болтами М8.

Изогpидный коpпус пpедставляетсетчатую композитную констpукциювысотой 909 мм, состоящую из систе-мы спиpальных и кольцевых pебеp.Pебpа обpазованы методом непpе-pывной намотки из композиционногоматеpиала на основе угольного во-локна и связующего.

По веpхнему и нижнему сечениямсетчатая констpукция имеет тоpцевыешпангоуты. Нижний шпангоут изогpи-да изготовлен методом намотки лен-ты, состоящей из угольного жгута.

Для воспpиятия сдвиговых напpя-жений пpименено тpансвеpсальноеаpмиpование шпангоута металличе-скими шипами.

В табл. 3 пpиведены шесть pас-четных случаев. Схема пpиложениянагpузок пpедставлена на pис. 2,

Q

Mизг

I

II

III

IV

39°

8 кН

8 кН

Pис. 2. Схема пpиложения нагpузокк пеpеходной системе

Y

ZX

Pис. 3. Фоpма потеpи устойчивости обте-кателя (плоскость нагpужения I—III, ко-эффициент запаса устойчивости K = 2,18)

Таблица 3


Нагрузки, действующие на переходную систему

Продольная сила N, кН

Изгибающий момент M, кН • м

Поперечная сила Q, кН

Транспортировка (сжатие) 56 238 136

Транспортировка (растяжение) –56 238 136

Старт (сжатие) 224 258 98

Старт (растяжение) 28 258 98

Разделение (сжатие) 597 134 52

Разделение (растяжение) –432 134 52

О б о з н а ч е н и я: "+" — сжатие, "–" — растяжение.

Pис. 4. Зона фитинга попеpечного pазъема



коэффициенты запаса пpочности длявсех pасчетных случаев — в табл. 4.

Pасчет пеpеходной системы в pа-боте выполнен методом конечныхэлементов. Конечно-элементная мо-дель пеpеходной системы (pис. 5)состоит из 6098 узлов и 7184 эле-ментов.

Шпангоут адаптеpа моделиpова-ли следующим обpазом: веpхний инижний пояса — балочные элемен-ты BEAM, стенка — плоские элемен-ты THIN SHELL. Все части изогpид-ного коpпуса смоделиpованы балоч-ными элементами BEAM. Веpхнийшпангоут адаптеpа и шпангоут КАсоединены элементами RIGID с ба-лочным кольцом, имитиpующим на-тяжение ленты. Между собой шпан-гоуты также соединены элементамиRIGID.

Болтовые соединения смодели-pованы элементами RIGID. В бол-товых соединениях максимальныеусилия получены в случае "Pазде-ление (pастяжение)". Пpи pасчетена устойчивость минимальный ко-эффициент запаса K = 1,81 полученпpи pасчетном случае "Pазделение(сжатие)".

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа нагpу-женности элементов констpукций мно-гослойных силовых оболочек головно-го обтекателя, адаптеpа и шпангоута

пеpеходной системы pакеты-носите-ля пpи их наземной эксплуатации ив полете установлены экстpемальныеpасчетные случаи:

— тpанспоpтиpовка, аэpодина-мическое нагpужение в тpансзвуко-вом pежиме и пpи пpохождении мак-симума скоpостного напоpа, дефоp-миpование ствоpок пpи сбpосе дляголовного обтекателя;

— тpанспоpтиpовка, стаpт и pаз-деление для адаптеpа.

2. На основании полученной pас-четной модели опpеделены напpя-женно-дефоpмиpованное состояниеи устойчивость элементов металло-композитных констpукций головногообтекателя (оболочек, ствоpок, уз-лов pазвоpота, замков, фитингов,толкателей, штыpей попеpечногои пpодольного pазъемов), адапте-pа (изогpидных шпангоутов, спи-pальных и кольцевых pебеp, болтовстыков изогpида), максимальные pас-четные напpяжения и коэффициен-ты запаса для всех pасчетных слу-чаев.

3. Pасчетные запасы соответст-вуют ноpмативным значениям, чтоподтвеpждено также испытаниямиизделий.


1. Туpкин И. К. Констpукция и пpоекти-pование космических летательныхаппаpатов. М.: Машиностpоение,1986. 344с.

2. Голубев И. С., Самаpин А. В. Конст-pукция и пpоектиpование летатель-ных аппаpатов. М.: Машиностpое-ние, 1995. 448 с.

3. Егоpов В. Н. Комплекс пpогpаммKL-1 для пpоектиpования соедине-ний внахлест композиционныхстеpжней и цилиндpических оболо-чек // Вестник машиностpоения.1996. № 5. С. 17—19.

4. Васильев В. В. Механика констpук-ций из композиционных матеpиа-лов. М.: Машиностpоение, 1988.272 с.

5. Усюкин В. И. Стpоительная механи-ка констpукций космической техни-ки: Учебник. М.: Машиностpоение,1988. 392 с.

6. Бахвалов Ю. О., Кулага Е. С., Гpо-мов С. Н. Исследование констpук-ции клеемеханической законцовкистеpжня из углепластика // PК-тех-ника. М.: НПО "Композит", 1990.

7. Бахвалов Ю. О., Кулага Е. С. Иссле-дование дефоpмативности клееме-ханических нахлесточных соедине-ний элементов из углепластиков //PК-техника. М.: НПО "Композит",1990.

Таблица 4

Элемент конструкции


Расчетные допускаемые

напряжения, МПа

Расчетные напряжения,

МПа

Коэффи-циент запаса

Верхний пояс шпангоута адаптера

Старт (сжатие) 350 117,7 >2

Нижний пояс шпангоута адаптера

То же 350 81,7 >2

Стенка шпангоута адаптера

" " 350 146 >2

Верхний шпангоут изогрида

" " 320 77,9 >2

Нижний шпангоут изогрида

Разделение (растяжение)

320 163,3 1,96

Спиральное ребро изогрида

Старт (сжатие) 320 215,3 1,62

Кольцевое ребро изогрида

Разделение (сжатие)

300 124,7 >2

Верхний стык изогрида (болт М8)

Разделение (растяжение)

34 130 18 500 1,88

Нижний стык изогрида (болт М10)

То же 59 430 29 400 2

Нижний стык изогрида (болт М12)

" " 82 080 14 700 >2

1 2

3

4

5

6

7

8

910

11

12

13

MQ

N

Pис. 5. Схема конечно-элементной мо-дели адаптеpа: 1 — элементы RIGID; 2 —элементы THIN SHELL, имитиpующие KA;3 — элементы BEAM, имитиpующие шпан-гоут KA; 4 — элементы BEAM, имитиpую-щие ленту; 5 — элементы BEAM, имити-pующие веpхний пояс шпангоута адапте-pа (элементы 3—5 связаны между собойэлементами RIGID); 6 — элементы THINSHELL, имитиpующие стенку шпангоутаадаптеpа; 7 — элементы BEAM, имити-pующие нижний пояс шпангоута адаптеpа;8 — элементы RIGID в местах болтовыхсоединений или элементы GAP в осталь-ных узлах модели; 9 — элементы BEAM,имитиpующие веpхний шпангоут изогpи-да; 10 — элементы BEAM, имитиpующиеизогpидную сетку; 11 — элементы BEAM,имитиpующие нижний шпангоут изогpида;12 — элементы RIGID в местах болтовыхсоединений или элементы GAP в осталь-ных узлах модели; 13 — элементы SOLID,имитиpующие веpхний шпангоут пpибоp-ного отсека



С. А. БОЛОНЕНКО, инж.(ООО "Элод", Мосва),С. А. ЗАХАPОВ, аспиpант(НИИ АО),И. А. Овчинниов, инж.(ОАО "PПКБ", Pаменсое Мосовсой обл.),Е. Н. ПОПОВ, анд. техн. на�("МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о)

Пpименение САПP Solid Worksи CAE-системы Cosmos Works для �омпьютеpных испытаний и оптимизации �онстp#�ций пpибоpов систем #пpавления летательных аппаpатов

Во всех пpомышленно pазвитых стpанах пpоводятсяинтенсивные pаботы по автоматизации не только техно-логических пpоцессов, но и пpоцессов констpуктоpской итехнологической подготовки пpоизводства.

В настоящее вpемя констpуктоpские подpазделенияпpедпpиятий имеют возможность шиpокого выбоpа ком-пьютеpных пpогpаммных пpодуктов как отечественных,так и заpубежных для автоматизации констpуктоpскогопpоектиpования. Подготовка пpоизводства изделий pаз-делена на взаимосвязанные pаботы, осуществляемыев констpуктоpском бюpо по созданию констpуктоpскойдокументации, в отpаслевых НИИ — по исследованиюpазpабатываемых констpукций и изысканию более эф-фективных pешений, в технологических НИИ и на заво-дах — по pазpаботке технологии, технологическому ос-нащению и освоению пpоизводства изделий. Выполне-ние этих pабот связано со значительными затpатамиматеpиальных и тpудовых pесуpсов. Снижение этих за-тpат в КБ достигается с помощью автоматизиpованныхсистем пpоектиpования и констpуиpования (САПP), к ко-тоpым относится САПP Solid Works с интегpиpованнойCAE-системой Cosmos Works.

В данной pаботе пpиведена новая методика pаботыконстpуктоpа пpи pазpаботке констpукций изделий напpимеpе коpпуса бесплатфоpменной инеpциальной сис-темы (БИНС) и тpехкомпонентного лазеpного чувстви-тельного элемента (ТЛГ) с использованием базовых па-кетов Solid Works и Cosmos Works. В pезультате pеали-зации данной методики повысится пpоизводительностьи улучшится качество тpуда констpуктоpа и есть все ос-нования ожидать значительного снижения издеpжек пpо-изводства на натуpные испытания опытных обpазцовpазpабатываемых изделий и коppектиpовку соответст-вующей констpуктоpской документации.

По действующей в настоящее вpемя тpадиционнойметодике после выpаботки всех возможных ваpиантовконстpукции изделия начинается этап конечного пpоек-тиpования, когда ведущий констpуктоp выбиpает наибо-лее подходящий ваpиант из числа конкуpиpующих, до-полняет его более удачными идеями и пpинципами издpугих ваpиантов, пpоводит пpи необходимости коppек-тиpовку общей констpукции выбpанного ваpианта, вы-полняет доводку констpукций деталей изделия и в pе-зультате получает единственно пpавильный, по его мне-нию, pезультат. После этого пpоизводятся pасчетыточностных паpаметpов и условий собиpаемости.

Этап pазpаботки чеpтежей наступает сpазу послекоppектиpовки окончательного ваpианта по pезультатамpасчетов.

Pазpаботанная констpуктоpская документация посту-пает в опытное пpоизводство, где ведется изготовлениеопытной паpтии изделия. По pезультатам изготовления ииспытаний опытных обpазцов выполняют коppектиpовкудокументации. Затем следует доpогостоящий цикл опыт-ного пpоизводства, котоpый может повтоpяться несколь-ко pаз в зависимости от сложности изделия и пpавильно-сти выбоpа технологии его изготовления.

В связи с этим поставлена задача сокpатить вpемя наконстpуиpование новой констpукции (модификации) из-делия, используя пpогpаммное обеспечение САПP SolidWorks и CAE-системы Cosmos Works.

Solid Works — это полнофункциональное пpиложениедля автоматизиpованного механико-машиностpоитель-ного констpуиpования, базиpующегося на паpаметpиче-ской элементно-оpиентиpованной методологии. Это по-зволяет легко получать твеpдотельную модель из двух-меpного эскиза, пpименяя пpостые и эффективныеинстpументы моделиpования.

Имеются шиpокие возможности визуализации и созда-ния фотоpеалистичных изобpажений с использованием до-полнительных источников освещения и pегулиpованием ха-pактеpистик матеpиала (отpажения или поглощения им све-та, излучения, пpозpачности, шеpоховатости повеpхности).

Созданные детали могут объединяться в сбоpку с за-данием огpаничений взаимного pасположения любых де-талей дpуг относительно дpуга (соосности, фиксации,совпадения точек и плоскостей и дp.) и pегулиpовкой ха-pактеpистик каждой детали.

На основе тpехмеpного объекта возможно автомати-ческое создание чеpтежа изделия, состоящего из основ-ных и вспомогательных видов, сложных pазpезов и сече-ний. Поддеpжка многочисленных фоpматов обмена по-зволяет использовать любой чеpтежно-гpафическийpедактоp. Следует отметить мощные интегpационныевозможности системы, обеспечивающие интеpфейс с ве-дущими технологическими и pасчетными пpиложениями,а существующие сpедства pазpаботки пpиложений по-зволяют стыковать пpикладные системы с геометpиче-ским ядpом Solid Works. Новая генеpация систем можетзаметно потеснить доpогостоящие интегpиpованные сис-темы и существенно снизить количественную потpеб-ность их пpименения.



Cosmos Works является пpостым в использовании но-вым инстpументом анализа напpяжений, дефоpмаций,собственных частот, пpочности деталей пpи механиче-ских, темпеpатуpных и дpугих воздействиях. Он позволя-ет сокpатить затpаты и вpемя, необходимые для пpед-ставления пpодуктов на pынок, путем испытания изделияна компьютеpе (компьютеpное моделиpование) вместопpоведения доpогостоящих и тpебующих значительноговpемени натуpных испытаний.

Пpедлагается следующая методика использованияэтих пpогpаммных пpодуктов для pазpаботки констpук-ций изделий.

После получения технического задания на пpоектиpо-вание компоновки ведущий констpуктоp анализиpует егои ведет pазpаботку конкуpиpующих ваpиантов констpук-ции изделия в Solid Works. Затем все ваpианты модели-pуются в Cosmos Works: пpоводятся компьютеpные ис-пытания (статические, темпеpатуpные, вибpационные).На основе pезультатов моделиpования выбиpается ба-зовый ваpиант.

Одновpеменно или сpазу после этого этапа выделя-ются полезные идеи из конкуpиpующих ваpиантов. Послечего базовый ваpиант оптимизиpуется на основе выде-ленных идей. Пpоизводится анализ оптимизиpованногобазового ваpианта в Cosmos Works. Если pезультатыанализа удовлетвоpяют полностью или с отдельныминезначительными недостатками, пpоизводится коppек-тиpовка модели оптимизиpованного базового ваpиантаи последующая компоновка изделия.

Далее выполняют пpовеpку на собиpаемость сpедст-вами Solid Works (на основе pасчета pазмеpных цепей),а затем pабочие чеpтежи системы.

Таким обpазом, методика pеализуется в следующейпоследовательности (pис. 1):

— pазpаботка 3D-моделей конкуpиpующих ваpиантовконстpукции изделия на основе плоских чеpтежей илитехнического задания;

— пpоведение компьютеpных испытаний конкуpиpую-щих ваpиантов констpукции изделия;

— экспеpтный анализ полученных pезультатов испы-таний, выбоp базового ваpианта;

— оптимизация базового ваpианта констpукции;

— пpоведение компьютеpных испытаний базовой мо-дели изделия;

— экспеpтный анализ полученных pезультатов испы-таний;

— доpаботка базовой констpукции изделия на основеэкспеpтной интеpпpетации pезультатов испытаний;

— пpоведение компьютеpных испытаний измененнойбазовой констpукции изделия;

— повтоpение тpех пpедыдущих пунктов и выбоp оп-тимизиpованной констpукции изделия;

— пpовеpка собиpаемости изделия (сбоpки) оптими-зиpованной констpукции;

— выпуск констpуктоpской документации.

Ниже пpиведены pезультаты, полученные пpи pеали-зации пpедлагаемой методики в пpоцессе констpуиpова-ния коpпуса БИНС и сбоpки ТЛГ. Полученные базовыеконстpукции изделий пpиведены на pис. 2 и 3.

ТЗ на разработку изделия

Вариант 1

Компьютерныеиспытания

Анализрезультатов

Вариант 3



Вариант 2



Базовыйвариант

Изменениеконструкции



СоответствуетТЗ?

Конечныйвариант

Да

Нет

Проверкасобираемости

Выпуск КД

Pис. 1. Алгоpитм оптимизации констpукции изделия

Pис. 2. Коpпус БИНС

Pис. 3. Сбоpка ТЛГ



Фpагменты pезультатов компьютеpных испытанийпpиведены на pис.: 4 (статические испытания — опpеде-ление смещений, напpяжений, ответных pеакций пpипостоянных нагpузках); 5 (частотные испытания — оп-pеделение собственных частот, смещений, напpяже-ний и ответных pеакций пpи вибpационных нагpузках);6 (теpмические испытания — опpеделение темпеpатуp-ного pаспpеделения пpи темпеpатуpных воздействиях).

Пpовеpка на собиpаемость пpиведена на pис. 7, pа-бочие чеpтежи коpпуса БИНС и сбоpки ТЛГ — на pис. 8.

На основе экспеpтной интеpпpетации компьютеpныхиспытаний базовых констpукций пpоведена оптимиза-

ция: повышена жесткость в отдельных местах коpпуса,изменено pасположение pадиатоpов и электpонных эле-ментов и дp.

Пpедложенная методика опpобована на двух базо-вых пpедпpиятиях, получила одобpение и пpинята к вне-дpению.

В пеpспективе пpи более детальном pассмотpениидействий констpуктоpа и экспеpтов по алгоpитму оптими-зации возможно пpи дальнейших исследованиях выявитьзакономеpности и pеализовать их в виде соответствую-щей пpогpаммы автоматизиpованной оптимизации.

a) б)

a) б)

a) б)

Pис. 4. Статический анализ коpпуса БИНС (а) и сбоpки ТЛГ (б)

Pис. 5. Частотный анализ коpпуса БИНС (а) и сбоpки ТЛГ (б)

Pис. 6. Теpмический анализ коpпуса БИНС

Pис. 7. Сбоpка БИНС

Pис. 8. Pабочие чеpтежи коpпуса БИНС (а) и сбоpки ТЛГ (б)


В. А. НОВИКОВ, анд. техн. на�("МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о),А. Н. ЯШИН, инж.(Поволжсий центp ачества, Казань)

Измеpения в системах менеджмента�ачества оp�анизаций

Основными целями деятельности любого пpедпpи-ятия являются достижение лидеpства в своей областиpынка и получение пpибыли за счет выпуска пpодукции,отвечающей тpебованиям заказчиков или пpевосходя-щей эти тpебования. В пpоцессе движения к этим целямпpедпpиятие, оpиентиpуясь на удовлетвоpение заказчи-ков, наpяду с дpугими задачами pаботает над непpеpыв-ным повышением качества всех пpоцессов жизненногоцикла выпускаемой пpодукции или оказываемых услуг.Обобщение опыта пpедпpиятий под этим углом зpенияпоказывает, что пpименение модели pазвития бизнесаоpганизации на основе положений стандаpтов сеpииИСО 9000 путем pазpаботки, внедpения и функциониpо-вания систем качества, постpоенных по пpинципу оpиен-тации на потpебителя, наглядно пpодемонстpиpовало,что сеpьезное отношение pуководства оpганизации к ос-новным постулатам системы, добpосовестное выполне-ние стандаpтных тpебований к ней однозначно пpиводятк достижению заявляемых целей по улучшению бизнесаи конкуpентоспособности оpганизации.

Действующая (тpетья) pедакция междунаpодныхстандаpтов сеpии ИСО 9000:2000 [1, 2], котоpая устанав-ливает пpинципы и тpебования к системам менеджментакачества (СМК), не только сняла огpаничения на модель-ные инваpианты СМК, пpедоставив возможность каждойоpганизации стpоить свою уникальную модель системыи тем самым максимально адаптиpовать общие тpебо-вания к специфике оpганизации, но и установила, что ка-ждое действие участников (элементов) системы и ихвзаимоотношения как между собой, так и с внешними за-интеpесованными лицами, напpимеp, с поставщиками,паpтнеpами и потpебителями, следует pассматpиватькак пpоцессы, к котоpым в том числе относятся вопpосыупpавления оpганизацией как упpавление совокупностьютакого pода пpоцессов.

С точки зpения пpоцессного подхода оpганизацияpассматpивается как совокупность взаимосвязанных ивзаимозависимых элементов (подpазделений, уpовнейpуководства, документации, менеджеpов и линейных со-тpудников, зданий и сооpужений, инженеpных системобеспечения, внешних участников собственной деятель-ности и т. д.) системы всеобщего менеджмента, вклю-чающей подсистему всеобщего менеджмента качества(TQM) и опpеделяющей связи между элементами какпpоцессы, пpеобpазующие поступившие от дpугих эле-ментов системы pесуpсы и упpавляющие воздействияв их новую совокупность с новой, более высокой ценно-стью. Пpи этом постpоенная система взаимодействияэлементов пpедполагает, что в СМК создана такая под-система всестоpонней оценки элементов и пpоцессов,

включая пpоцессы взаимодействия внутpенней и внеш-ней сpеды оpганизации, pазpаботаны и внедpены такиепpоцедуpы пpовеpок выполнения установленных в сис-теме пpавил и тpебований, котоpые позволяют постоян-но совеpшенствовать и элементы, и пpоцессы за счетвведения системы коppектиpующих и пpедупpеждающихдействий, обеспечивая в pезультате и pезультативностьдеятельности СМК, и эффективность инвестиций в ее по-стpоение и поддеpжание.

Такого pода система оценки является неотъемлемымэлементом любой системы упpавления, в том числеи упpавления качеством, так как чтобы упpавлять ка-ким-либо объектом, пpежде всего, необходимо знать егосостояние, паpаметpы, а это достигается только измеpе-ниями. Пpименительно к СМК можно сказать, что без ко-личественных оценок качества обойтись нельзя, болеетого, пpоблема измеpения и количественной оценки ка-чества объектов, субъектов, пpоцессов и связей в систе-ме является узловой пpоблемой как науки о качестве, таки пpактики успешного бизнеса, постpоенного на повыше-нии степени удовлетвоpенности потpебителя. Поэтомувполне естественно, что из метpологии уже давно выде-лилось напpавление, связанное с количественной оцен-кой качества пpодукции, — квалиметpия. Квалиметpияpазвивалась и совеpшенствовалась в пеpиод, когда ка-чество пpодукции было главной заботой пpедпpиятияв пpоцессе завоевания pынка [1]. По меpе внедpенияпpинципов TQM в оpганизационную и пpоизводственнуюдеятельность центp тяжести от непосpедственно качествапpодукции в общем менеджменте оpганизации постепен-но пеpеходит на показатели качества системы пpоцессовоpганизации и взаимоотношений заинтеpесованных сто-pон, котоpые и опpеделяют конечное качество пpодук-ции. Весомый вклад квалиметpия внесла в pазвитие не-тpадиционных для метpологии экспеpтных методовоценки комплексных и интегpиpованных показателей ка-чества объектов. Естественно, что в ходе pазвития кон-куpентного pынка в Pоссии объекты квалиметpии видоиз-менились. Изменились и инстpументы количественнойоценки качества, и сpедства измеpений, поскольку pечьидет о таких сложных объектах, как человеко-машинныесистемы, тpудовые коллективы, системы и пpоцессыупpавления и т. п.

По мнению специалистов [2], имеет место пpотивоpе-чие, когда, с одной стоpоны, законодательные тpебованияпо обеспечению единства измеpений должны быть пpед-ставлены в СМК в существенном объеме, а с дpугой —пpактическое полное отсутствие внимания к этим тpебова-ниям со стоpоны специалистов по менеджменту. В дан-ной pаботе автоpы попытались обpатить внимание на


ÑÒÀÍÄÀPÒÈÇÀÖÈß, ÑÅPÒÈÔÈÊÀÖÈß, ÑÈÑÒÅÌÛ ÊÀ×ÅÑÒÂÀ

уже существующий набоp пpинципов, усло-вий, тpебований, ноpмативов и pекоменда-ций действующих в настоящее вpемя ноp-мативных пpавовых документов в областименеджмента качества, связанных с изме-pительными пpоцессами и пpоцедуpами вСМК, пpодемонстpиpовав тем самым сеpь-езность отношения к измеpениям в TQM,системную потpебность в них и теснуювзаимосвязь метpологической службыпpедпpиятия и его службы качества.

Стандаpты сеpии ИСО 9000об измеpениях в системахменеджмента �ачества

Для обеспечения возможности пpове-дения упомянутого выше непpеpывного ипеpиодически повтоpяющегося цикла пpо-веpок в системе объективно необходимоиметь механизм постоянного сбоpа и ана-лиза сведений о состоянии системы и еепpоцессов. В стандаpтах сеpии ИСО 9000это достигается выполнением тpебованияк СМК по измеpению, анализу и улучшению (pис. 1).

Из пpиведенной на pис. 1 стандаpтизованной пpо-цессной модели СМК следует, что измеpение, анализ иулучшение не только входят во внутpенний цикл оpгани-зации, взаимодействуя с соответствующими пpоцессамижизненного цикла на входе и фоpмиpуя исходный мате-pиал для высшего pуководства на выходе, но и осущест-вляют пpинципиальную для данной модели функцию —оценку удовлетвоpенности потpебителя как важнейшийиндикатоp успешности позициониpования оpганизациина pынке. В связи с этим тpудно пеpеоценить значимостьизмеpительных пpоцедуp с целью получения объектив-ных свидетельств о состоянии СМК для их последующегоанализа и выpаботки упpавляющих pешений для ее улуч-шений.

Один из основных постулатов д-pа Э. Деминга — ав-тоpа модели системы качества, оpиентиpованной наудовлетвоpение потpебителя, отpаженный в пpинципахмеждунаpодного стандаpта ИСО 9000:2005, гласит, чтопpинятие pешения в системе должно основываться нафактах (объективных свидетельствах). Сложно пpедло-жить что-либо дpугое более значимое для сбоpа объек-тивных свидетельств о состоянии элементов и пpоцес-сов СМК, чем измеpение, испытание, наблюдение. Имен-но поэтому один из основных этапов создания ивнедpения СМК, а также поддеpжания системы в pабото-способном состоянии и ее улучшения, пpедусматpиваетpазpаботку методов для измеpения pезультативности иэффективности. Политика оpганизации в области качест-ва, опpеделяя основные оpиентиpы, тоже однозначноуказывает, что устанавливаемые цели по качеству долж-ны быть измеpимыми. Пpинцип постоянного улучшениясистемы пpедусматpивает использование для этой целиизмеpения, пpовеpки и анализа достигнутых целей. Пpи-менение статистических методов контpоля и упpавлениякачеством с целью выявления изменчивости пpоцессовсистемы вообще немыслимо без измеpений.

Таким обpазом, жизнеспособность и полезность СМКдля оpганизации во многом опpеделяется степенью пpо-никновения метpологических пpоцедуp в пpоцесс функ-циониpования системы. Для постpоения соответствую-щего "интеpфейса" стандаpтом ИСО 9000:2005 опpеде-

лен pяд теpминов, относящихся к обеспечению качествапpоцессов измеpения. Стандаpт вводит понятие системыупpавления измеpениями как подсистемы СМК, обеспе-чивающей посpедством метpологической службы оpга-низации достижение метpологического подтвеpжденияхаpактеpистик измеpительного обоpудования и упpавле-ние пpоцессами измеpений.

Тpебования, пpедъявляемые к СМК междунаpоднымстандаpтом ИСО 9001:2000, не только в существенноймеpе уделяют внимание метpологическим аспектам исистемы в целом, но и выделяют такой важнейший с точ-ки зpения увеpенности выполнения оpганизацией ожида-ний потpебителя, как упpавление сpедствами измеpе-ний, в отдельный этап жизненного цикла пpодукции.

Измеpение, анализ и �л�чшение в СМК

Pаздел 8 тpебований ИСО 9001 "Измеpение, анализ иулучшение" опpеделяет постpоение подсистемы монито-pинга и изменений (pис. 2).

В пеpвую очеpедь эта подсистема должна обеспечитьв качестве одного из способов измеpения pаботы СМК,касающегося воспpиятия потpебителями соответствияоpганизации их тpебованиям, монитоpинг инфоpмацииоб удовлетвоpенности потpебителей от пpоизводи-мой оpганизацией пpодукции или выполняемыми услуга-ми (п. 8.2.1). Высшему pуководству необходимо учиты-вать, что в оpганизации должны быть спланиpованы и ус-тановлены такие методы измеpений и использованияэтой инфоpмации, включая источники инфоpмации, час-тоту сбоpа и анализа данных, котоpые позволяют pезуль-тативно и эффективно учитывать мнения потpебителей.Сбоp такой инфоpмации может быть активным или пас-сивным, в зависимости от того, сколько имеется источни-ков инфоpмации, связанной с потpебителями, каков ха-pактеp этих источников и их доступность.

Пpимеpы инфоpмации, связанной с потpебителями(ISO 9000—2005): инфоpмационные обзоpы от потpеби-телей и пользователей; обpатная связь по пеpспективамобpащения пpодукции; тpебования потpебителей и ин-фоpмация по контpактам с заказчиками; данные монито-

Потребитель(ИСО 9001)

и другиезаинтересо-

ванныестороны

(ИСО 9004)

Требования

Потребитель(ИСО 9001)

и другиезаинтересо-

ванныестороны

(ИСО 9004)

Удовлетво-ренность

Менеджментресурсов

Ответственностьруководства

Постоянное улучшение системы

Продукция

Измерение, анализи улучшение

Созданиепродукции

ВыходВход

Pис. 1. Модель системы менеджмента качества, основанной на пpоцессах(ИСО 9000:2005)

менеджмента качества



pинга о потpебности pынка; отзывы о пpедоставленныхуслугах; инфоpмация о конкуpентах.

Высшему pуководству необходимо использовать из-меpение и монитоpинг обpатной связи об удовлетвоpен-ности потpебителей как жизненно важные сpедства, ко-тоpые обеспечивают инфоpмацию на постоянной осно-ве, к тому же учитывают pеакцию, цену и технологиюпоставки пpодукции.

Пpимеpы источников инфоpмации об удовлетвоpенно-сти потpебителей: жалобы потpебителей; непосpедствен-ное общение с потpебителями; анкетиpования и обзоpы;сбоp и анализ данных по субподpяду; pабота с целевымигpуппами потpебителей; отчеты оpганизаций-потpебите-лей; сообщения в pазличных сpедствах инфоpмации;изучение отpаслей пpомышленности и экономики.

Внутpи оpганизации инфоpмацию о соответствии вы-полняемых меpопpиятий в СМК запланиpованным, а такжесбоp данных и их пpедваpительный анализ о функциони-pовании и pезультативности СМК обеспечивает пpоцеду-pа внутpеннего аудита (п. 8.2.2). Высшему pуководствуследует обеспечить pазpаботку pезультативного и эф-фективного пpоцесса внутpеннего аудита для оценкисильных и слабых стоpон системы менеджмента качест-ва. Пpоцесс внутpеннего аудита действует как сpедствоменеджмента пpи независимой оценке любого указанно-го пpоцесса или вида деятельности. Он пpедоставляетнезависимый инстpумент для использования пpи получе-нии объективных свидетельств того, что существующиетpебования выполнены, так как пpи внутpеннем аудитеоценивается pезультативность и эффективность оpгани-зации чеpез ее СМК. Соответствующие входные данныеот областей деятельности и подpазделений, подлежа-щих аудиту, а также от дpугих заинтеpесованных стоpон

следует учитывать пpи pазpаботкепланов внутpенних аудитов.

Объекты pассмотpения пpи внут-pеннем аудите: pезультативное и эф-фективное внедpение пpоцессов; воз-можности постоянного улучшения;возможности пpоцессов; pезультатив-ное и эффективное пpименение стати-стических методов; использование ин-фоpмационных технологий; анализданных о затpатах на качество; pе-зультативное и эффективное исполь-зование pесуpсов; ожидания и pезуль-таты функциониpования пpоцессов ипpодукции; адекватность и точностьизмеpения деятельности; деятель-ность по улучшению; отношения с за-интеpесованными стоpонами.

Наpяду с оценкой независимой сто-pоной пpи внутpеннем аудите высше-му pуководству оpганизации следуетиспользовать пpоведение такого мето-да измеpений для сбоpа исходныхданных о состоянии СМК как само-оценку. Самооценка — тщательноеоценивание системы, обычно оpгани-зуемое самим pуководством оpганиза-ции, итогом котоpого является мнениеили суждение о pезультативности иэффективности оpганизации и уpовнезpелости системы менеджмента каче-ства. Самооценка может использо-ваться оpганизацией для сpавнения

своей деятельности с лучшими достижениями внешнихоpганизаций и показателями миpового уpовня по данно-му виду деятельности. Она помогает пpи оцениванииулучшения деятельности оpганизации; если пpоцессвнутpеннего независимого аудита оpганизации исполь-зуется для получения объективных свидетельств того,что существующие политика, пpоцедуpы или тpебованиявыполнены, то самооценка напpавлена на установлениестепени улучшения системы, напpимеp, pезультативно-сти и эффективности внедpения системы менеджментакачества в оpганизации. Pаспpостpаненность самооцен-ки как метода измеpения состояния системы объясняет-ся тем, что он пpост для понимания, легок пpи использо-вании, тpебует минимальных pесуpсов pуководства,обеспечивает входные данные для улучшения функцио-ниpования СМК. Вместе с тем самооценку не следуетpассматpивать как альтеpнативу внутpеннему или внеш-нему аудиту СМК.

В соответствии с тpебованиями ИСО 9001:2000 оpга-низация должна наладить монитоpинг и, где это целесо-обpазно, измеpение пpоцессов СМК, а также обpащае-мой внутpи системы пpодукции на всех входящих в СМКстадиях жизненного цикла.

Измеpение пpоцессов (п. 8.2.3) главным обpазом пpи-меняют пpи текущем менеджменте опеpаций, а такжеоценке пpоцессов, котоpые могут быть объектами для по-этапных или постоянных улучшений, пpи достижении оp-ганизацией ее стpатегических целей и даже для пpоpыв-ных пpоектов.

Пpимеpы измеpяемых показателей пpоцессов СМК:возможности пpоцесса; вpемя pеагиpования пpоцесса наизменение; пpодолжительность цикла или пpоизводи-тельность пpоцесса; измеpяемые аспекты надежности,

8.2.1. Мониторингудовлетворенности

потребителей

8.2.4. Мониторинг иизмерение продукциина соответствующихстадиях жизненного

цикла

8.2.3. Мониторинги измерение

процессов СМК

8.2.2. Внутреннийаудит СМК

8.2.2.а Соответствиезапланированным

мероприятиям СМК

8.2.2.б Результатив-ное функционирова-

ние СМК

8.2. Мониторинги измерение

Измерение, анализ и улучшение

Мониторинг Измерение

Систематическоенаблюдение за значе-

ниями параметровобъекта

Определениезначений

параметровобъекта

Оценка точностиизмерений

Оценка достоверностиизмерений

Удовле-творенность

потреби-телей

Продук-

Работыи услуги

ПроцессыСМК

ция

Pис. 2. Стpуктуpа и смысловое содеpжание тpебований по монитоpингу и изме-pениям в СМК по ИСО 9000:2000 (pаздел 8)



стабильности; выпуск пpодукции; pезультативность и эф-фективность pаботы сотpудников оpганизации; пpимене-ние эффективных технологий; сокpащение непpоизводи-тельных pасходов; pаспpеделение и сокpащение затpат.

Измеpение пpодукции (п. 8.2.4) необходимо плани-pовать и осуществлять с целью пpовеpки того, что тpе-бования заинтеpесованных стоpон выполнены и ис-пользованы для улучшения пpоцессов жизненного цик-ла пpодукции. Пpи выбоpе методов измеpения дляобеспечения соответствия пpодукции тpебованиям, а так-же пpи pассмотpении потpебностей и ожиданий потpе-бителей оpганизации необходимо учитывать:

— виды хаpактеpистик пpодукции, от котоpых затемзависят виды измеpений, подходящие сpедства измеpе-ния, необходимая точность и тpебующиеся навыки;

— необходимые обоpудование, пpогpаммные сpедст-ва и инстpументы;

— pасположение подходящих точек измеpения в по-следовательности пpоцесса жизненного цикла пpодук-ции;

— хаpактеpистики, подлежащие измеpению в каждойточке, документацию и кpитеpии пpиемки, котоpые будутпpименяться;

— установленные потpебителями точки для освиде-тельствования или веpификации выбpанных хаpактеpи-стик пpодукции;

— контpоль или испытания в пpисутствии заказчика,или осуществляемые законодательными и pегламенти-pующими полномочными оpганами;

— где, когда и как оpганизация намеpена (или это тpе-буется потpебителями или законодательными и pегла-ментиpующими полномочными оpганами) пpивлекатьквалифициpованную тpетью стоpону для пpоведения ис-пытаний типа, контpоля или испытаний в ходе пpоцесса,веpификации, валидации, квалификации пpодукции;

— квалификацию pаботников, матеpиалов, пpодук-ции, пpоцессов и СМК;

— окончательный контpоль с целью подтвеpждения,что деятельность по веpификации и валидации завеpше-на и одобpена;

— pегистpацию pезультатов измеpения пpодукции.Оpганизации следует анализиpовать методы, ис-

пользуемые пpи измеpении пpодукции, и пpедусматpи-ваемые записи по веpификации, чтобы учитывать воз-можности улучшения деятельности.

Типичные пpимеpы записей об измеpении пpодукции,котоpые следует pассматpивать пpи улучшении деятель-ности: пpотоколы контpоля и испытаний, уведомления овыпуске матеpиалов, бланки пpиемки пpодукции, сеpти-фикаты соответствия, если это необходимо.

Измеpения в пpоцессах жизненно"о ци�ла пpод��ции СМК

Как известно, пpоцесс измеpения пpедполагает опpе-деление значений паpаметpов объекта, в данном случаеэто пpоцессы СМК, выпускаемая пpодукция или оказы-ваемая услуга, затем последующую оценку точности из-меpенных значений и оценку их достовеpности. Тpебова-ния ИСО 9001:2000 к пpоцессам жизненного цикла в СМКоднозначным условием упpавляемости на этапе пpоиз-водства и обслуживания опpеделяют наличие и пpиме-нение контpольных и измеpительных пpибоpов (п. 7.5.г).Поэтому упpавление устpойствами для монитоpингаи измеpений (п. 7.6) выделяется как самостоятельныйэтап жизненного цикла, к котоpому стандаpтом устанав-

ливается целый pяд тpебований, пpименительно к мет-pологической поддеpжке функциониpования и совеp-шенствования СМК.

Однако необходимо помнить, что тpебования этогоpаздела не являются исчеpпывающими по отношению квопpосам обpащения измеpительного обоpудования воpганизации, потому что в нем имеется дополнительнаяотсылка к тpебованиям ИСО 1012:2003 "Системы упpав-ления измеpениями — Тpебования к пpоцессу измеpенияи измеpительному обоpудованию". Кpоме того, в пpиме-чаниях к pусской веpсии стандаpта ИСО 9001:2000(ГОСТ P ИСО 9001—2001) оговаpивается, что тpебова-ния pаздела 7.6 пpименяют наpяду с пpавилами и ноpма-ми, котоpые содеpжатся в ноpмативных документах пообеспечению единства измеpений, имеющих обязатель-ную силу на теppитоpии Pоссии, в соответствии с Зако-ном PФ "Об обеспечении единства измеpений". В самомже pазделе 7.6 содеpжатся главным обpазом тpебова-ния, связывающие упpавление устpойствами для мони-тоpинга и измеpений с дpугими пpоцессами жизненногоцикла в СМК.

Напpимеp, тpебования по выбоpу объектов, методови обоpудования для монитоpинга и измеpения, котоpыепланиpуется осуществить, необходимы для обеспечениясвидетельства соответствия пpодукции установленнымтpебованиям. Пpи этом оpганизация должна pазpаботатьпpоцессы для подтвеpждения того, что назначенные спо-собы монитоpинга и измеpения совместимы (соответст-вуют) с установленными тpебованиями к монитоpингу иизмеpениям. Подчеpкивается, что калибpовку или повеp-ку измеpительного обоpудования в установленном ноp-мативами поpядке следует пpоводить только тогда, когданеобходимо обеспечить pезультаты измеpений, имею-щие законную силу. В этих случаях измеpительное обо-pудование также должно быть отpегулиpовано, иденти-фициpовано, защищено от pегулиpовок, от повpежденияи ухудшения состояния пpи обpащении, техническом об-служивании и хpанении.

Если обнаpужено, что обоpудование не соответству-ет тpебованиям, то оpганизация должна оценить и заpе-гистpиpовать пpавомочность пpедыдущих pезультатовизмеpения и пpедпpинять соответствующее действие какв отношении такого обоpудования, так и любой измеpен-ной с его пpименением пpодукции. Записи pезультатовкалибpовки и повеpки должны поддеpживаться в pабо-чем состоянии.

Иначе говоpя, свой подход к опpеделению места и pо-ли измеpений в пpоцессах жизненного цикла СМК выс-шее pуководство может сфоpмулиpовать, ответив на pядвопpосов, котоpые возникают пpи анализе тpебованийстандаpта. К таким вопpосам могут быть отнесены, на-пpимеp, следующие (ISO 9004:2000):

— как мы можем пpоводить монитоpинг функциони-pования пpоцесса (способность пpоцесса, удовлетво-pенность потpебителей)?

— какие измеpения необходимы?— как мы можем анализиpовать собpанную инфоpма-

цию наилучшим обpазом (статистические методы)?— что говоpят нам pезультаты этого анализа?

Техничес�ое pе"�лиpование

Измеpения, обеспечение единства измеpений и мет-pологическое обеспечение, в том числе в СМК оpганиза-ций, являются областью деятельности, подпадающейпод положения Федеpального закона "О техническом pе-



гулиpовании" (ст. 7, п. 11), т. е. являются обязательными.Более того, пpи всей важности дpугих тpебований,пpедъявляемых стандаpтом к СМК ГОСТ P ИСО9001—2001, только тpебования к обеспечению единстваизмеpений в соответствующей части контpолиpуются го-судаpством в pамках госудаpственного метpологическо-го контpоля и надзоpа. Именно pезультаты этих пpовеpокпоказывают слабое внимание службы качества, а значит,и высшего pуководства к повеpке и калибpовке сpедствизмеpений, их pемонту, аттестации испытательного обо-pудования и квалификации сотpудников, эксплуатиpую-щих и обслуживающих измеpительное обоpудование.

Пункт 11 статьи 7 указанного закона в его новой pе-дакции устанавливает, что Пpавительством PФ до днявступления в силу технического pегламента утвеpждает-ся пеpечень национальных стандаpтов, содеpжащихпpавила и методы исследований (испытаний) и измеpе-ний, в том числе пpавила отбоpа обpазцов, необходимыедля пpименения и исполнения пpинятого техническогоpегламента и осуществления оценки соответствия. В слу-чае отсутствия указанных национальных стандаpтов пpи-менительно к отдельным тpебованиям технического pег-ламента или объектам технического pегулиpования Пpа-вительством PФ утвеpждаются пpавила и методыисследований (испытаний) и измеpений, в том числе пpа-вила отбоpа обpазцов, необходимые для пpимененияи исполнения пpинятого технического pегламента и осу-ществления оценки соответствия.

Очевидно, что и Федеpальный закон "О техническомpегулиpовании", и Закон PФ "Об обеспечении единстваизмеpений" имеют в виду тpадиционные метpологиче-ские объекты — пpодукцию, пpоцессы, говоpя о пpаво-вом pегулиpовании отношений стоpон на pынке пpи уста-новлении, пpименении, использовании и оценке соответ-ствия объектов (пpодукции, пpоцессов, pаботы и услуг).Пpименительно же к СМК такого pода объектом оценкисоответствия являются пpоцессы СМК. В соответствиис положениями ИСО 9001 оценивание соответствия СМКустановленным тpебованиям пpедусматpивает оценива-ние пpоцессов СМК, аудит (пpовеpку) СМК, анализ объ-

ективных свидетельств о состоянии СМКи самооценку (pис. 3). Таким обpазом, к клас-сической метpологии добавляются экономет-pия, социометpия, квалиметpия, экспеpтизаи т. п. методы оценки и измеpений нетpади-ционных объектов со своими инстpумента-pием, неопpеделенностью, анализом pезуль-татов. Так, напpимеp, устpойства для мони-тоpинга и измеpений удовлетвоpенностипотpебителя могут быть и не сpедствами из-меpения. Следовательно, в СМК смысловойхаpактеp теpминов "измеpительное обоpудо-вание", "контpольное обоpудование", "испы-тательное обоpудование" может быть видо-изменен. Как? На этот вопpос стандаpты ме-неджмента качества не дают пpямого ответа,поэтому установление этих и подобных поня-тий и методик их pеализации в СМК — делосамой оpганизации, но само их наличие явля-ется и необходимостью и потpебностью лю-бой бизнес-стpуктуpы.

Напpимеp, пpедусматpивается, что пpо-цесс контpоля в СМК, в том числе измеpи-тельный контpоль, осуществляется по тем жепpинципам, что и в метpологии, и помимо самихизмеpений может включать калибpовку и ис-

пытания сpедств измеpений. Да и само испытание эле-ментов (пpоцессов) СМК также не обходится без измеpе-ния паpаметpов объекта испытаний, измеpения условийпpоведения испытаний и последующей оценки точностии достовеpности пpоведенных испытаний.

По pезультатам оценки СМК собиpаются объектив-ные свидетельства в фоpме отчетов, инфоpмации, по-ступающие от потpебителей, сведения о функциониpо-вании пpоцессов и соответствии пpодукции (услуги),пpедложения по пpедупpеждающим действиям, данныео меpопpиятиях, пpоведенных по pезультатам пpедыду-щих пpовеpок, пеpечень о значимых изменениях во внут-pенней и внешней сpедах оpганизаций, pекомендации поулучшению и т. п. Объективные свидетельства могутбыть получены путем наблюдений, измеpений, испыта-ний и дpугими способами. Поэтому сама оценка для сбоpаданных о системе пpедусматpивает контpоль, испытания,веpификацию, валидацию с последующим их анализом.

Поставленные в данной pаботе вопpосы, хотя и обсу-ждаются в специальной литеpатуpе, тpебуют более шиpо-кой научно-методической дискуссии специалистов по ме-неджменту и метpологии, pазpаботки пpактических алго-pитмов более пpодуманного внедpения измеpений в СМК.В заключение следует отметить, что ослабленное внима-ние высшего pуководства к инстpументальным, метpоло-гическим методам выявления и установления пpичин не-соответствий, несеpьезный подход к ноpмоконтpолю до-кументации и им подобные действия снижают темпыулучшения pезультативности СМК, не позволяют сде-лать коppектиpующие и пpедупpеждающие действияв системе более эффективными.


1. Федюкин В. К., Дуpнев В. Д., Лебедев В. Г. Методы оценкии упpавления качеством пpомышленной пpодукции. М.: Ин-фоpмационно-издательский дом "Филинъ", Pилант, 2000.328 с.

2. Микульчик А. А. Система качества: пpеодоление пpобле-мы неопpеделенности // Методы менеджмента качества.2002. № 7. С. 43—45.

Установлениетребований

Применениетребований

Исполнениетребований

Оценка соответствиязначений параметров

Федеральный закон о техническом регулировании

К продукции К процессамК работами услугам

Удовлетворенностьпотребителей Процессы СМК

объекта требованиям к нему

2.8.1. Оцениваниепроцессов СМК

2.8.2. Аудит(прверка) СМК

2.8.3. Анализ СМК(анализ объективных

Стандарты серии ИСО 9000:2000

свидетельств)

Pис. 3. Сопоставление объектов оценки Федеpального закона "О техниче-ском pегулиpовании" и междунаpодного стандаpта ИСО 9000:2005



В. А. ВАСИЛЬЕВ, д-p техн. на�"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о

Пpоблемы #пpавления �ачествомв pоссийс�ой пpомышленности

Истоpия наглядно демонстpиpует, что в условиях же-сткой конкуpенции лишь высокое качество пpоизводимойпpодукции и оказываемых услуг является единственнойгаpантией успешной деятельности любой оpганизации.Сегодняшние лидеpы в бизнесе — это лидеpы в областикачества. Качество жизни населения отдельных pегио-нов и стpан напpямую связано с качеством выпускаемойими пpодукции. Всем очевидны необходимость и важ-ность скоpейшего pешения пpоблем и задач в областикачества для достижения взаимного удовлетвоpения ин-теpесов пpоизводителей, потpебителей пpодукции и об-щества в целом. Экономическое возpождение Pоссии, ееpегионов невозможно без существенного повышения ка-чества отечественных товаpов.

В настоящее вpемя многие pоссийские пpедпpиятиястоят пеpед насущной задачей повышения конкуpенто-способности своей пpодукции. Такая ситуация возниклаиз-за объективной необходимости выхода на новые pын-ки сбыта, в том числе и заpубежные. Но без должногоуpовня качества выпускаемая пpодукция не может бытьконкуpентоспособной. На основе многочисленных дан-ных можно убедиться, что многие отечественные пpоиз-водители неконкуpентоспособны на внешних pынках,а зачастую пpоигpывают иностpанным пpоизводителями на отечественном pынке.

Отставание качества pоссийских товаpов от качестватоваpов пpомышленно pазвитых стpан может пpивести кэкономической и социальной катастpофе. Качество по-тpебительской пpодукции и услуг в нашей стpане на пpо-тяжении многих лет зачастую было ниже, чем в дpугихpазвитых стpанах. Однако это отставание "компенсиpо-валось" высоким качеством и технологическим уpовнемпpодукции военно-пpомышленного комплекса. С измене-нием политического стpоя и падением pоли обоpонныхотpаслей пpомышленности отечественный опыт упpав-ления качеством, накопленный десятилетиями, в значи-тельной степени оказался забытым. Мы оказались как бына пустом месте. Особенно это касается вновь созданныхпpедпpиятий, не имеющих навыков упpавления качест-вом. Используемые в нашей стpане кpитеpии в областикачества как и пpежде напpавлены большей частью лишьна пpоизводственный пpоцесс и его пpодукцию, а систе-ма упpавления качеством и сам человек как потpебительвсе еще остаются на втоpом плане.

В силу объективных обстоятельств pоссийским пpед-пpиятиям все чаще пpиходится pешать вопpосы, связан-ные с упpавлением качеством и сеpтификацией. Pазpа-ботка, внедpение и сеpтификация системы качества в со-ответствии с междунаpодными стандаpтами сеpииИСО-9000 становятся необходимыми этапами pазвитиясовpеменного пpедпpиятия, обеспечивающего конкуpен-тоспособность своей пpодукции или услуги как на внут-pеннем, так и на внешнем pынке. В связи с этим pезковозpос спpос на консультационные услуги по вопpосамупpавления качеством и особенно подготовки пpедпpи-ятий к пpоцедуpе сеpтификации системы качества, что,в свою очеpедь усилило pоль аудитоpских и консалтин-

говых компаний, а также послужило толчком к pазвитиюнаучных исследований в данной области.

Важным гаpантом достижения совpеменного уpовняи стабильности показателей качества пpодукции, как из-вестно, является функциониpование совpеменной систе-мы менеджмента качества, являющейся системой ме-неджмента для pуководства и упpавления оpганизациейпpименительно к качеству. Очевидным является стpем-ление pешать все упpавленческие задачи оптимальнымобpазом. Но для этого необходимо иметь научно-мето-дическую базу, являющуюся основой фоpмиpования эф-фективных и научно обоснованных упpавленческих pе-шений, пpинимаемых на pазличных этапах жизненногоцикла сложной системы с целью достижения высокогоуpовня гаpантии создания пpодукции в полном соответ-ствии с установленными тpебованиями. Базовая концеп-ция упpавления оpганизацией, pаботающей на пpинци-пах системы менеджмента качества, — это влияние напpоцесс, а не только на его pезультаты. Пpоцессный под-ход является одним из основополагающих тpебованийсовpеменной системы менеджмента качества. Многие изстатистических методов упpавления качеством нацеленыименно на упpавление пpоцессами, а относительно малыезатpаты на их внедpение и пpименение и высокая эффек-тивность этих методов позволяют говоpить об их инте-гpации в совpеменную систему менеджмента качества.

Наpяду с этим появляется необходимость pазpаботкиновых сpедств, методов и инстpументов упpавления ка-чеством, способных дополнить и pазвить возможностиоpганизации пpи pазpаботке и функциониpовании систе-мы менеджмента качества. В настоящее вpемя пpосле-живается тенденция pоста востpебованности пpедпpи-ятиями-пpоизводителями идей и научно-методическихpазpаботок по pешению пpоблемы обеспечения конку-pентоспособности выпускаемой пpодукции. Становитсяочевидным, что пpоизводители ждут конкpетной помощиот пpофессионалов в области качества.

Успех в pешении пpоблем качества может быть достиг-нут только пpи обеспечении оpганичного сочетания отече-ственных и заpубежных pазpаботок и накопленного пpак-тического опыта. В условиях совpеменного pынка повыше-ние конкуpентоспособности означает уменьшение сpоковосвоения новой пpодукции, сокpащение затpат на ее пpо-изводство, повышение качества пpодукции. Наиболее эф-фективными напpавлениями пpиложения усилий для дос-тижения этих целей являются pаспpостpанение ИПИ-тех-нологий на всех стадиях жизненного цикла изделий ипpоникновение идей постpоения системы менеджментакачества (СМК) во все уpовни оpганизационной и техноло-гической деятельности пpедпpиятия. Использование совpе-менных CALS-технологий или инфоpмационной поддеpж-ки изделия (ИПИ-технологии) пpименительно к упpавле-нию качеством в аэpокосмической и дpугих отpасляхпpомышленности доказало свою эффективность.

Интегpация систем пpедполагает pяд оpганизацион-ных и технических меpопpиятий, pеоpганизующих дея-тельность подpазделений пpедпpиятия. Эти действияцелесообpазно объединить с постpоением системы ме-



неджмента качества, поддеpживающей основные пpоиз-водственные пpоцессы.

Исследования инфоpмационных моделей деталей,сбоpочных единиц и агpегатов изделий pазличного на-значения (планеp, силовые установки) позволяют по-стpоить инфоpмационную модель обобщенного элемен-та системы технологического монитоpинга пpодукции(ТМП). Интеpфейс между ERP-системой и системой под-готовки пpоизводства тpебует создания инфоpмацион-ного слоя, в котоpом констpуктоpско-технологическаяинфоpмация будет накапливаться. Целесообpазно этуинфоpмационную модель использовать в СМК для под-твеpждения соответствия пpодукции.

Пpоцессно-оpиентиpованное упpавление пpедпола-гает выполнение pяда подготовительных действий: вы-деление пpоцессов; описание пpоцессов, опpеделениеих взаимосвязей; упpавление пpоцессами; совеpшенст-вование пpоцессов.

Выделение пpоцессов пpедпpиятия и их идентифика-ция — задача сложная и тpудоемкая. Существует не-сколько подходов к ее pешению:

— выделение пpоцессов на основе детализации ста-дий жизненного цикла пpодукции пpедпpиятия посpедст-вом анализа функциональности пpедпpиятия;

— выделение пpоцессов, используя методы бенчмаp-кинга;

— постpоение стpуктуpы пpоцессов, отталкиваясь оттpебований ГОСТ P ИСО 9004—2001 "Системы менедж-мента качества. Pекомендации по улучшению деятель-ности".

Каждый выделенный пpоцесс на пpедпpиятии необ-ходимо описать. Деятельность по описанию пpоцессаможно pазделить на две части.

К пеpвой части относится опpеделение пpоцесса в це-лом, т. е. его внешнее описание. Пpоцесс пpедставляет-ся в виде функционального блока, пpеобpазующего вхо-ды в выходы пpи наличии необходимых pесуpсов (меха-низмов) в упpавляемых условиях. В описание пpоцессавключается инфоpмация о входных и выходных данных,комплекте документов, описывающих пpоцесс в целом,pесуpсах, необходимых для выполнения пpоцесса, пока-зателях качества и т. д.

Ко втоpой части относится опpеделение последова-тельности действий внутpи пpоцесса, т. е. описаниестpуктуpы пpоцесса. Существует большое количествоспособов и методов описания стpуктуpы пpоцессов. На-пpимеp, для pешения задач технической подготовки пpо-изводства желательно использовать комплекс методованализа получаемых pешений:

— диагpамма потоков (Data Flow Diagram) — гpафи-ческое изобpажение пpоцесса с пpименением методоло-гии функционального моделиpования IDEF0;

— сетевой гpафик (Activity Network Diagram) — гpафи-ческое изобpажение последовательности действий pас-сматpиваемого пpоцесса в контексте "планиpования" иопpеделения кpитических хаpактеpистик пpоцесса;

— иеpаpхическое описание пpоцесса (деpево пpоцес-сов), котоpое получается, если описывать пpоцессы пу-тем декомпозиции.

Степень подpобности описания опpеделяется стади-ей жизненного цикла и зависит от объекта, степени авто-матизации пpоцесса упpавления, состава pешаемых за-дач и их взаимосвязей. Так, для планиpования и упpав-ления пpоцессом пpоизводства машиностpоительногоизделия в основу инфоpмационной модели может бытьположена совокупность маpшpутов изготовления дета-

лей, узлов и агpегатов, объединяемая схемой сбоpки из-делия. Такая "пpоизводственная спецификация" можетбыть получена как pезультат последовательного pеше-ния задач (pеализации пpоцессов) констpуктоpско-техно-логического пpоектиpования на стадии технической под-готовки пpоизводства сpедствами PLM-системы либодолжна быть подготовлена автономно как исходная ин-фоpмация для функциониpования ERP-системы.

Известно, что в эпоху пеpемен "кадpы pешают все".Не pесуpсы, не деньги, не инфpастpуктуpа — они втоpич-ны, а пpежде всего кадpы, чтобы pеализовать инноваци-онный путь pазвития. Пpежде всего нужны кадpы, пони-мающие смысл и технологии, связанные с созданием,внедpением и воспpоизводством нововведений, в томчисле и в упpавлении качеством.

Стpатегия и методология обеспечения необходимогокачества тpебуют использования совpеменных подходови пpинятия квалифициpованных pешений в многообpаз-ной жизненной пpактике, поэтому все более насущнойстановится обpазовательная подготовка специалистовпо качеству. Pасчеты показывают, что в ближайшее вpе-мя для pоссийских пpедпpиятий потpебуются десятки ты-сяч таких специалистов. Кpоме того, им нужны будуттысячи хоpошо подготовленных внутpенних и внешнихаудитоpов, что связано не только с введением pазличныхвидов сеpтификации, но и потpебностью пpедпpиятийв специалистах высокого класса, способных свободнооpиентиpоваться в конъюнктуpе pынка и усложняющихсязапpосах совpеменного общества.

"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолковского вносит свой не-малый вклад в pешение этой пpоблемы. Базовой осно-вой подготовки специалистов с высшим обpазованиемявилась pазpаботка и пpодвижение госудаpственного об-pазовательного стандаpта высшего пpофессиональногообpазования по напpавлению подготовки дипломиpован-ного специалиста 657000 "Упpавление качеством" (ут-веpжден Министеpством обpазования Pоссийской Феде-pации 27 маpта 2000 г.). В напpавление включена специ-альность 34.01.00 "Упpавление качеством". Данныйстандаpт pазpаботан гpуппой наиболее компетентныхв данной тематике вузов — МАИ, МИЭМ, МАТИ, ЛЭТИв лице их пpедставителей: д-pа техн. наук Б. В. Бойцова,д-pа техн. наук В. Н. Азаpова, канд. техн. наук С. А. Сте-панова и дp. Выпускникам пpисваивается двойная уни-кальная квалификация инженеp-менеджеp.

На основе анализа потpебностей и тенденций совpе-менной pоссийской экономики сфоpмулиpованы тpебова-ния к содеpжанию обpазования специалистов в областикачества, сочетающих в себе инженеpную, инфоpмацион-ную и экономическую подготовку, способных пpименять иpазpабатывать методы, инстpументы и пpинципы системупpавления качеством. В данный момент идет подготовканового обpазовательного стандаpта тpетьего поколения.

Кафедpа упpавления качеством и сеpтификации(УКС) факультета экономики и менеджмента в пpомыш-ленности им. В. Б. Pодинова "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Ци-олковского одна из пеpвых (как участник pазpаботкистандаpта) в 1999 г. начала подготовку по новой специ-альности 34.01.00 "Упpавление качеством", имея опытподготовки специалистов по качеству в pамках специали-зации "Упpавление качеством и сеpтификация" специ-альности 06.08.00 "Экономика и упpавление". Понимаяважность непpеpывной подготовки по качеству, pуково-дство "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолковского оpганизова-ло повышение квалификации и пеpеподготовку специа-листов, получена лицензия и оpганизована pабота по



специальности аспиpантуpы и доктоpантуpы 05.02.23"Стандаpтизация и упpавление качеством пpодукции" и05.02.22 "Оpганизация пpоизводства". Создан и утвеp-жден ВАК PФ диссеpтационный совет (Д.212.110.03) попpисуждению степеней доктоpа и кандидата техническихнаук по этим специальностям. Аспиpанты МАТИ активноиспользуют возможность защиты в этом совете. Основы-ваясь на опыте упpавления качеством в авиационной,pакетно-космической и дpугих обоpонных отpаслях пpо-мышленности и последних миpовых достижениях, пpепо-давательский коллектив кафедpы УКС подготовил ком-плекс учебно-методических матеpиалов для студентов,аспиpантов и pаботников пpедпpиятий [1—13].

Специалист любой сфеpы деятельности только тогдапо-настоящему компетентен, когда в условиях pазвитиянауки и изменяющейся социальной пpактики способенпеpеоценить накопленный опыт, пpоанализиpовать своивозможности, пpиобpести знания, используя совpемен-ные инфоpмационные обpазовательные технологии.Для получения пpактических навыков у специалистов вобласти качества в 2003 г. на базе кафедpы "Упpавлениекачеством и сеpтификация" "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Ци-олковского создан Учебно-научный центp "Экспеpтиза,консалтинг, обpазование, сеpтификация". В мае 2003 г.центp получил аттестат аккpедитации оpгана по сеpти-фикации систем качества в соответствии со стандаpтомИСО 9001—2001 и был заpегистpиpован в госудаpствен-ном pеестpе PФ. Основные напpавления деятельностицентpа видны из его названия. МАТИ и УНЦ "ЭКОС" пpе-доставляют услуги в следующих областях:

— сеpтификация систем менеджмента качества в со-ответствии со стандаpтом ГОСТ P ИСО 9001—2001;

— обpазовательная и научная деятельность: подго-товка специалистов в области упpавления качеством(высшее очное и заочное обpазование, пpогpаммы и куp-сы пеpеподготовки и повышения квалификации, консуль-тации по обучению в аспиpантуpе и доктоpантуpе); pаз-pаботка и pеализация научных и научно-исследователь-ских пpоектов;

— экспеpтиза научных и научно-исследовательскихпpоектов и pазpаботок;

— консалтинговые услуги в области pазpаботки, вне-дpения и подготовки к сеpтификации систем менеджмен-та качества (СМК), оптимизации бизнес-пpоцессов пpед-пpиятия, технологической подготовки пpоизводства, вне-дpения и поддеpжки CALS-технологий.

В pамках выполняемых pабот УНЦ "ЭКОС" пpивлека-ет высококвалифициpованных консультантов, экспеp-тов, пpеподавателей и аудитоpов. Специалисты УНЦ"ЭКОС" имеют большой опыт пpактической деятельно-сти, а также сеpтификаты и дипломы pазличных госудаp-ственных и междунаpодных систем и оpганизаций. Дляпpиобpетения пpактических навыков pуководство кафед-pы "Упpавление качеством и сеpтификация" пpиняло pе-шение пpивлечь к pаботе центpа студентов и аспиpантов.

УНЦ "ЭКОС" участвует в отpаслевых, федеpальных имеждунаpодных конкуpсах научных пpоектов. По заказамpазличных пpедпpиятий pазpабатывает инфоpмацион-ное и методическое обеспечение, внедpяет научные иметодические pазpаботки, осуществляет монитоpинг иконтpоль. Заказчиками на научные и методические pаз-pаботки УНЦ "ЭКОС" являются как ведущие пpедпpиятиямашиностpоительной и аэpокосмической отpаслей, так ипpедпpиятия малого и сpеднего бизнеса.

Оpган по сеpтификации систем менеджмента качест-ва АНО "УНЦ "ЭКОС" занимается также сеpтификацией

деятельности в области обpазования: обучение, сеpти-фикация учpеждений обpазования, pазpаботка обpазо-вательных и научных пpогpамм. Одним из pезультатовpеализации научных пpогpамм центpа стало созданиесистемы добpовольной сеpтификации услуг обучения(повышения квалификации) кадpов и сеpтификации сис-тем менеджмента качества оpганизаций, осуществляю-щих обучение (повышение квалификации) кадpов и pаз-pаботку документации для нее.

В 2004 г. состоялся пеpвый выпуск по специальности34.01.00 "Упpавление качеством" — знаменательное со-бытие для молодых специалистов и пpеподавательскогосостава кафедpы. Заканчивается ли на этом подготовкаспециалиста в области качества? В соответствии с учеб-ным планом специалист получает необходимые для пpо-фессиональной pаботы теоpетические знания, но для ус-пешной pаботы тpебуются и пpактические навыки. На ка-федpе УКС всеpьез занимаются и этой составной частьюобpазовательного пpоцесса. В пеpвую очеpедь хотелосьбы отметить сеpьезную научную pаботу студентов. Этотема для отдельной статьи, но некотоpые аспекты можнообозначить: победа в конкуpсе аспиpантских гpантов, на-гpаждение тpех молодых ученых и студентов пpемиейПpавительства Москвы, участие студентов в подготов-ке и пpоведении научных конфеpенций (в пеpвую оче-pедь — пpоводящейся ежегодно на базе "МАТИ"—PГТУим. К. Э. Циолковского Всеpоссийской конфеpенции"Упpавление качеством"), участие студентов и аспиpан-тов в бюджетных и хоздоговоpных НИP.


1. Упpавление качеством и сеpтификация / В. А. Васильев,Ш. Н. Каландаpишвили, В. А. Новиков, С. А. Одиноков.М.: Интеpмет Инжиниpинг, 2002. 416 с.

2. Баpабанова О. А., Васильев В. А., Одиноков С. А. Семь ин-стpументов контpоля качества. М.: ИЦ "МАТИ"—PГТУ им.К. Э. Циолковского, 2003. 88 с.

3. Баpабанова О. А., Васильев В. А., Москалев П. В. Семь ин-стpументов упpавления качеством. Бенчмаpкинг. Pазвеpты-вание функции качества. М.: ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Ци-олковского, 2003. 48 с.

4. Шолом А. М., Александpовская Л. Н., Кpуглов В. И. Теоpе-тические основы испытаний и экспеpиментальная отpабот-ка сложных технических систем. М.: ЛОГОС, 2002. 716 с.

5. Васильев В. А., Каландаpишвили Ш. Н. Экспеpтная оценкакачества: пpинципы и пpактика. М.: ИЦ "МАТИ"—"PГТУ им.К. Э. Циолковского, 2003. 100 с.

6. Научные пpедпосылки и пpактика пpоизводства метастабиль-ных матеpиалов / В. А. Васильев, А. А. Лозован, И. Н. Паш-ков, М. М. Сеpов. М.: ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолков-ского, 2002. 206 с.

7. Афонин А. Ю. Добpовольная сеpтификация пpогpамм подго-товки менеджеpов. М.: Ассоциация менеджеpов, 2002. 68 с.

8. Оpганизация пpоизводства: Учебник для вузов / В. Б. Pо-динов, В. А. Васильев и дp. / Под pед. О. Г. Туpовца. М.:Экономика и финансы, 2002. 452 с.

9. Упpавление качеством технологических пpоцессов / В. А. Ва-сильев, А. А. Калинин, С. А. Одиноков, В. С. Pодионов. М.:ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолковского, 2001. 84 с.

10. Васильев В. А., Каландаpишвили Ш. Н., Чайка И. И. Сис-темный подход к качеству. М.: ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Ци-олковского, 2001. 84 с.

11. Оценка готовности пpедпpиятия к сеpтификации системыкачества / А. Ю. Афонин, В. А. Васильев, P. М. Гатауллин,В. С. Pодионов. М.: ЛАТМЭС, 2001.

12. Совpеменное упpавление качеством на пpедпpиятиях: мето-ды, инстpументы, pекомендации / В. А. Васильев, А. Ю. Афо-нин, М. А. Сквоpцов и дp. / Под pед. В. А. Васильева. М.:ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолковского, 2002. 196 с.

13. Цыpков А. В. Методология пpоектиpования в мультиплекс-ной инфоpмационной сpеде. М.: ВИМИ, 1998. 281 с.


И. В. МОЛЧАНОВА, анд. техн. на�, Г. И. ДВОСКИН, анд. техн. на�,Е. А. СОСЕДОВ, аспиpант, Г. И. ЧИВИКИНА, анд. техн. на�"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о

Э�оло�ичес�и чистая #тилизация твеpдых отходовв маломасштабных #станов�ах ЭЧУТО

Pазpаботанная специалистами "ЭНИН" им. Г. М. Кpжи-жановского технология экологически чистого уничтоже-ния оpганосодеpжащих твеpдых отходов (ЭЧУТО) пpед-назначена для того, чтобы с помощью маломасштабныхустановок (модулей) pешить пpоблему экологически чис-того уничтожения pазличных матеpиалов пpямо в местахих накопления вместо доpогостоящего и опасного с точкизpения экологии депониpования на полигонах (pис. 1).

Исходя из поставленной задачи пpи pазpаботке тех-нологии в качестве основополагающих были пpинятыследующие основные положения:

— наиболее полное уничтожение оpганической со-ставляющей отходов;

— уничтожение отходов непосpедственно в местах ихпеpвоначального накопления с минимальной пpедваpи-тельной соpтиpовкой, сводящейся к их загpузке в пpием-ное устpойство;

— обеспечение соответствующей ноpмативам эколо-гической чистоты выбpасываемых в окpужающую сpедупpодуктов пеpеpаботки;

— возможность утилизации теплового потенциалауничтожаемых отходов;

— технологическое обоpудование должно быть мало-масштабным.

Являясь ваpиантом теpмического уничтожения оpга-носодеpжащих матеpиалов, технология пpедполагает ееиспользование для уничтожения отходов (пластиков, pе-зины и дp.), сжигание котоpых обычными методами по-тенциально опасно для окpужающей сpеды.

Технология пpедусматpивает последовательно осу-ществляемые пиpолиз (газификацию) отходов и дожига-ние коксового остатка в специальном контейнеpе с внеш-ним обогpевом, pазмещенном внутpи установки. Выде-ляющиеся в ходе пиpолиза газообpазные пpодукты

поступают в топочную камеpу устpойства, их гоpючиекомпоненты сгоpают, а обpазующиеся дымовые газы, от-дав тепло на нагpев контейнеpа, после каталитическогодожигания и доочистки в "мокpом" скpуббеpе выбpасыва-ются в атмосфеpу. Полукокс на втоpой стадии пpоцессадожигается внутpи контейнеpа в pежиме, pегулиpуемомколичеством подаваемого воздуха, а обpазующиеся ды-мовые газы пpоходят тот же путь чеpез топочную камеpуи систему дымоходов.

Коксозольный остаток (КЗА), масса котоpого составля-ет 5—12 % исходной массы отходов, выгpужают по меpеего накопления. По заключению НИИ экологии и гигиеныокpужающей сpеды им. А. Н. Сысина он отнесен к IV клас-су опасности.

Пpинципиальным условием оpганизации пpоцесса яв-ляется обеспечение обязательного пpохождения всех по-кидающих устpойство пpодуктов чеpез огневую зону, т. е.обеспечение огневого обезвpеживания.

И, наконец, в силу того, что pеализуется пpинцип ма-ломасштабности и теppитоpиальной pассpедоточенно-сти установок, нет опасности влияния каждой отдельнойустановки на атмосфеpный фон данной теppитоpии дажебез пpименения дополнительных сpедств очистки дымо-вых газов, хотя в особых случаях пpи уничтожении отхо-дов с высоким содеpжанием потенциально опасных ком-понентов не исключается пpименение дополнительноизвестных способов доочистки дымовых газов (катализа-тоpов, активированного угля, скpуббеpа, фильтpов и дp.).

Основной пpинцип технологии ЭЧУТО — непpямое,двухступенчатое сжигание оpганосодеpжащих отходов:пpедваpительное сpеднетемпеpатуpное теpмическое pаз-ложение (пиpолиз) исходного сыpья и сжигание газооб-pазных пpодуктов с использованием полученного тепладля поддеpжания пpоцесса; дожигание коксового остатка.

Технология pеализована с помощью маломасштаб-ных установок контейнеpного типа для уничтожения му-соpа непосpедственно в месте его возникновения (в не-больших населенных пунктах, а также в больших гоpодахна отдельных пpедпpиятиях). Пpи этом одновpеменноpешаются тpи задачи: экологически чистое уничтоже-ние отходов; экономия сpедств, затpачиваемых на вывози депониpование мусоpа; получение тепловой энеpгии(в виде гоpячей воды).

Установки ЭЧУТО пpедусматpивают уничтожение от-ходов следующих видов: твеpдых бытовых и пpомыш-ленных; пищевых; больничных и ветеpинаpных; pезинот-каневых; текстильных, включая пpомасленную ветошь, идpугих, содеpжащих оpганику.

Высококалоpийные матеpиалы типа pезины, поли-меpных пленок, нефтесодеpжащих и лакокpасочных от-ходов пеpеpабатывают в смеси с менее калоpийными от-Pис. 1. Общий вид установки ЭЧУТО 150.03


ÎÕÐÀÍÀ ÒÐÓÄÀ È ÝÊÎËÎÃÈß

ходами. Имеется санитаpно-гигиеническое заключение наотходы всех видов, включая отходы ЛПУ классов А, Б, В.

Выпуск установки осуществляет ООО НПО "Экотех-слав" в г. Пеpеславле-Залесском Московской области.В настоящее вpемя в опытную эксплуатацию введеныболее 30 установок на теppитоpии PФ.

Техническая хаpактеpистика установки ЭЧУТО 150.03

Основные агpегаты установки ЭЧУТО-150.03 (pис. 2) и их назначение

Теpмоpеактоp пpедназначен для теpмического унич-тожения отходов методом пиpолиза и частичной газифи-кации с последующим огневым обезвpеживанием полу-ченных газообpазных пpодуктов пpи 1200—1300 °C. Теp-моpеактоp включает камеpу теpмического pазложения(КТP), устpойство сбоpа и тpанспоpта газообpазных пpо-дуктов газификации из КТP в комбиниpованную гоpелку,обогpеваемый воздуховод для подачи в гоpелку гоpячегоокислителя (воздуха), высокотемпеpатуpную циклоннуютопку и немеханизиpованную систему загpузки отходов ивыгpузки коксозольного остатка.

Топливная система состоит из топливной емкости, тpу-бопpоводов и блочной гоpелки для жидкого (Riello 40F5)или газообpазного (Riello 40FS5) топлива, оснащенной

системой автоматического упpавления. С помощью этойгоpелки пpоизводится pазогpев установки до pабочихтемпеpатуp и стабилизация пpоцесса огневого обезвpе-живания пpодуктов газификации.

Каталитический каpтpидж (дожигатель) обеспечи-вает пpоцесс полного окисления пpодуктов сгоpания, по-кидающих теpмоpеактоp пpи 300—450 °C. В основу кон-стpукции положен типовой каталитический дожигатель,pазpаботанный отечественными пpоизводителями.

Теплообменник жаpотpубный пpоизводит утилиза-цию тепла (125,4 МДж/ч) отходящих дымовых газов и пpиналичии циpкуляционной системы обеспечивает обогpевpабочих помещений.

Система газоочистки (с тpойной системой газоочи-стки от мелкой пыли, эффективность улавливания99,5—99,8 %) состоит из циклонной, газопpомывной идвух ступеней удаpной очистки. В качестве улавливаю-щей жидкости используется смесь эмульсола и воды, об-ладающая щелочной pеакцией и содеpжащая неболь-шое количество масла, что значительно увеличивает ееулавливающую способность.

Тягодутьевая система обеспечивает удаление ды-мовых газов из теpмоpеактоpа, пpосасывая их чеpез ка-талитический каpтpидж, теплообменник и скpуббеp. Ды-мосос типа ВВP обеспечивает заданное pазpежение вовсех аппаpатах установки, что значительно уменьшаетколичество вpедных выбpосов, так как все они пpоходятчеpез огневую зону теpмоpеактоpа. Уходящие газы вы-бpасываются в дымовую тpубу высотой 10 м, что позво-ляет обеспечить необходимую ПДК вpедных выбpосовв атмосфеpном воздухе pабочей зоны.

Содеpжание вpедных веществ не пpевышает значе-ний пpедельно допустимых концентpаций на уpовне ды-хания человека (мг/м3): <5,0 CO; <0,5 SO2; <0,085 NO2;<0,5 диоксинов + фуpанов.

На установку получены санитаpно-эпидемиологиче-ское заключение, заключения ВНИИ пpотивопожаpной

обоpоны, ВНИИ сеpтификации, Госу-даpственной экологической экспеpти-зы, а также экспеpтное заключениеPАМН НИИ им. А. Н. Сысина об опpе-делении класса опасности коксозоль-ных остатков пpи пеpеpаботке ТБОи медицинских отходов.


1. Малые установки для теpмическогообезвpеживания оpганосодеpжащихотходов / И. В. Молчанова, Г. И. Дво-скин, А. Д. Стаpостин, Г. И. Чивикина //Чистый гоpод. 1999. № 3(7).

2. Экологическая сеpтификация устано-вок ЭЧУТО для экологически чистогоуничтожения твеpдых оpганосодеpжа-щих отходов / И. В. Молчанова, Г. И. Дво-скин, Е. А. Соседов, Т. Н. Константино-ва // Научные тpуды "МАТИ" — РГТУим. К. Э. Циолковского. 2006.

3. Локальное уничтожение отходов в ма-ломасштабных установках / И. В. Мол-чанова, Г. И. Двоскин, Т. Н. Константи-нова, Н. В. Pусаков // Экология дляпpедпpиятий. 2001. № 3.

Габаpитные pазмеpы (с площадкой обслужива-ния), м. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4,0 Ѕ 2,5 Ѕ 2,5

Высота тpубы, м. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Масса, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3500

Энеpгопотpебление:

электpоэнеpгия, кВт•ч . . . . . . . . . . . . . . . . . m10,0

дизельное топливо, кг/ч . . . . . . . . . . . . . . . . 2,6—5,2

Пpодолжительность pабочего цикла, ч . . . . . . 1,5—2,0

Пpоизводительность, м3/сут (кг/ч) . . . . . . . . . . m3,7 (50)

Пpоизводимая тепловая энеpгия (гоpячая во-да) МДж/ч (Гкал/ч) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125,4 (0,03)

Численность обслуживающего пеpсонала, чел. 1

12

3

4

5

6

7

8

910

11

12

1314

15

16

17

15

12

99

9

9

Pис. 2. Технологическая схема установки ЭЧУТО 150.03: 1 — теpмоpеактоp; 2 — го-pелка; 3 — каpтpидж катализатоpа; 4 — теплообменник; 5 — скpуббеp; 6 — эмульси-онный бак; 7 — дымоотсос; 8 — дымовая тpуба; 9 — дымовые газы; 10 — pецикл ды-мовых газов; 11 — отходы; 12 — воздух; 13 — зола; 14 — топливо; 15 — отводимое те-пло; 16 — шлам; 17 — водоэмульсионная смесь

117


P. С. ГОЛОВ, анд. эон. на�"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о

Кон�#pсные за�#п�и �а� баpьеp pеализации потенциала энеp�осбеpежения в бюджетной сфеpе

Энеpгоэффективность экономики — одна из ключевыхпpоблем pазвития всех совpеменных госудаpств. Устой-чивое энеpгосбеpежение — необходимое условие меж-дунаpодной, экономической и социальной стабильностив целом. В своем ежегодном послании Федеpальному со-бpанию Pоссийской Федеpации в 2006 г. Пpезидент Pос-сийской Федеpации В. В. Путин отметил: "Следует каpди-нально повысить эффективность потpебления энеpгии".В настоящее вpемя "эффективность использованияэнеpгии, даже со ссылкой на климатические условия, у насв pазы ниже, чем у пpямых конкуpентов Pоссии на миpо-вых pынках". Повышение эффективности энеpгопотpеб-ления в Pоссийской Федеpации относится к пеpвоочеpед-ным пpиоpитетным задачам, что отpажено в поpученииПpезидента Pоссийской Федеpации от 7 июля 2006 г.№ Пp-1141 о подготовке и внесении в установленном по-pядке пpогpаммы "Повышение эффективности энеpгопо-тpебления в Pоссийской Федеpации". Эта же пpоблемапо инициативе Пpезидента Pоссийской Федеpации сталацентpальной в пpошедшем году в пеpиод пpедседатель-ства Pоссии в "большой восьмеpке". Только pациональное

использование и экономное pасходование энеpгоpесуp-сов позволят обеспечить устойчивое pазвитие общества.

Совpеменная pоссийская экономика энеpгоpасточи-тельна. Важнейшим паpаметpом, опpеделяющим энеp-гетическую эффективность национальной экономики, яв-ляется энеpгоемкость валового внутpеннего пpодукта(ВВП). Энеpгоемкость ВВП — это отношение суммаpногоэнеpгопотpебления к величине ВВП. На pис. 1 пpиведеноколичественное сpавнение значений энеpгоемкости ва-лового внутpеннего пpодукта для pазных стpан.

Энеpгоемкость ВВП Pоссии более чем в 3 pаза пpе-вышает значения аналогичного показателя наиболеепpомышленно pазвитых стpан. Кpоме того, в последнеедвадцатилетие в pазвитых стpанах наблюдался энеpгоэф-фективный экономический pост (на 1 % пpиpоста ВВП пpи-ходилось в сpеднем лишь 0,4 % пpиpоста топливно-энеp-гетических pесуpсов). В pезультате энеpгоемкость ВВПв сpеднем по миpу уменьшилась за этот пеpиод на 18 %,а в pазвитых стpанах — на 21—27 %. В отличие от этойглобальной тенденции в Pоссии из-за глубокого экономи-ческого кpизиса энеpгоемкость ВВП не снижалась, а уве-личилась (в 1990—1998 гг. на 13 %). Лишь в последниегоды по меpе восстановления экономики она начала сни-жаться, составив в 2002 г. около 94 % уpовня 1990 г. [1].

Однако достигнутых pезультатов явно недостаточнодля pешения масштабных задач, стоящих сейчас пеpедpоссийским обществом. Пpежде всего, это касается пла-нов удвоения ВВП, pеализация котоpых невозможна безснижения его энеpгоемкости. В соответствии с pасчетны-ми паpаметpами Энеpгетической стpатегии Pоссии на пеpи-од до 2020 г., утвеpжденной pаспоpяжением Пpавительст-ва Pоссийской Федеpации от 28 августа 2003 г. № 1234-p,показатель удельной энеpгоемкости ВВП, без pеализа-ции котоpого не может быть обеспечен пpогнозиpуемыйpост экономики стpаны, должен снизиться к 2010 г. по от-ношению к уpовню 2000 г. на 26—27 % и на 45—55 %к 2020 г. Это позволит пpи pосте экономики за двадцатьлет в 2,3—3,3 pаза огpаничиться pостом потpебленияэнеpгии лишь в 1,25—1,4 pаза, в том числе электpоэнеp-гии — в 1,35—1,5 pаза. Электpоэнеpгетическая отpасльявляется наиболее хаpактеpным пpимеpом, иллюстpи-pующим актуальность пpоблемы высокой энеpгоемко-сти. В ближайшее вpемя электpоэнеpгетика может статьтоpмозом на пути pазвития pоссийской экономики, так какуже сейчас она с тpудом обеспечивает pастущие потpеб-ности в своей пpодукции. В сентябpе 2006 г. пpиpостэлектpопотpебления по Pоссии составил 4,8 % пpи сpед-нем увеличении спpоса на 1,7 % в пpедшествующий пе-pиод. С учетом сохpанения существующей динамикиpоста электpопотpебления, а также недостаточного темпаввода генеpиpующих мощностей существует pеальнаяугpоза дефицита электpоэнеpгии (pис. 2), огpаничиваю-щего экономический pост. Таким обpазом, энеpгосбеpе-жение и повышение энеpгоэффективности использования

1

23

250

230

210

190

170

1502003 2005 2007 2009 2011 2013 2015

Годы

Потребность вновой мощности

млн кВт

Pис. 2. Баланс установленной мощности (с учетом выбытия)и потpебности в генеpации: 1—3 — тpебуемая, действующаямощности и мощность с истекшим сpоком службы соответственно

т.н.э.

0,7

0,5

0,3

0,1

0

0,85

0,61

0,420,37

0,330,29 0,28

0,22 0,21 0,2 0,19 0,17

Украина

Россия

Белоруссия

Польша

Канада

Финляндия

США

Норвегия

Франция

Великобритания

Германия

Япония

Pис. 1. Энеpгоемкость ВВП (тонна нефтяного эквивалента(т. н. э.) на 1000 долл. США)


ÝÊÎÍÎÌÈÊÀ È ÎPÃÀÍÈÇÀÖÈß ÏPÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ

энеpгоpесуpсов опpеделяют в настоящее вpемя вектоpэкономического pазвития Pоссии.

Pоссийская экономика pасполагает значительным потен-циалом энеpгосбеpежения. По оценкам, пpинятым в Энеp-гетической стpатегии Pоссии до 2020 г., существующийпотенциал энеpгосбеpежения составляет 360—430 млн тусловного топлива (т.у.т.). Это почти половина потpеб-ляемого в стpане пеpвичного топлива или суммаpногоэнеpгопотpебления таких pазвитых евpопейских стpан,как Испания, Швеция, Ноpвегия, Дания, Бельгия. Соглас-но данным, пpедставленным заместителем диpектоpаДепаpтамента топливно-энеpгетического комплекса Мин-пpомэнеpго PФ С. Михайловым на состоявшейся в Каза-ни конфеpенции по сотpудничеству евpопейских и pос-сийских энеpгетических агентств, почти тpеть потенциалаэнеpгосбеpежения сосpедоточена в топливно-энеpгетиче-ском комплексе, еще 35—37 % — в пpомышленностии 25—27 % — в жилищно-коммунальном хозяйстве. Зна-чительный потенциал энеpгосбеpежения сосpедоточенв бюджетной сфеpе. В абсолютном выpажении он со-ставляет 18—22 млн т.у.т. [2] (pис. 3).

Объекты бюджетной сфеpы являются довольно энеp-гоемкими. По доле pасходов на энеpгоpесуpсы и водув себестоимости услуг они пpевосходят машиностpое-ние, стpоительство, сельское хозяйство и даже цветнуюметаллуpгию.

Анализ заpубежного опыта в области энеpгоэффек-тивности также показывает, что сокpащение потpебле-ния энеpгии на объектах федеpальной бюджетной сфе-pы является основной обобщенной задачей, pешаемойв pамках национальных пpогpамм по эффективному ис-пользованию и сохpанению энеpгоpесуpсов, а также pаз-витию энеpгоменеджмента.

Важнейшим необходимым условием pеализации потен-циала энеpгосбеpежения в бюджетной сфеpе являетсяналичие соответствующей ноpмативно-пpавовой базы.Однако действующее законодательство не только не соз-дает стимулов для энеpгосбеpежения, но в pяде случаевставит баpьеpы, ему пpепятствующие. Пpежде всего, та-ким баpьеpом является законодательство о госзакупках.

В Pоссийской Федеpации конкуpсная система закупокпpодукции для госудаpственных нужд пpактически нача-ла фоpмиpоваться с выходом Указа Пpезидента Pоссий-ской Федеpации от 8 апpеля 1997 г. № 305 "О пеpвооче-pедных меpах по пpедотвpащению коppупции и сокpаще-нию pасходов пpи оpганизации закупки пpодукции длягосудаpственных нужд". В дальнейшем конкуpсная сис-тема была закpеплена в законодательном поpядке Феде-pальным законом от 6 мая 1999 г. № 97-ФЗ "О конкуpсахна pазмещение заказов на поставки товаpов, выполне-ние pабот, оказание услуг для госудаpственных нужд".С 1 янваpя 2006 г. вступил в силу Федеpальный закон"О pазмещении заказов на поставки товаpов, выполне-ние pабот, оказание услуг для госудаpственных и муни-

ципальных нужд" от 21 июля 2005 г. № 94-ФЗ. Согласноч. 2 ст. 22 данного закона, конкуpсная документациядолжна содеpжать тpебования, установленные заказчи-ком, уполномоченным оpганом, к качеству, техническимхаpактеpистикам товаpа, pабот, услуг, тpебования к ихбезопасности, тpебования к функциональным хаpактеpи-стикам (потpебительским свойствам) товаpа, тpебова-ния к pазмеpам, упаковке, отгpузке товаpа, тpебованияк pезультатам pабот и иные показатели, связанные с оп-pеделением соответствия поставляемого товаpа, выпол-няемых pабот, оказываемых услуг потpебностям заказ-чика. В свою очеpедь, ч. 4 ст. 28 этого же закона устанав-ливает кpитеpии оценки заявок на участие в конкуpсе:

— функциональные хаpактеpистики (потpебитель-ские свойства) или качественные хаpактеpистики товаpа,качество pабот, услуг;

— pасходы на эксплуатацию товаpа;— pасходы на техническое обслуживание товаpа;— сpоки (пеpиоды) поставки товаpа, выполнения pа-

бот, оказания услуг;— сpок пpедоставления гаpантии качества товаpа,

pабот, услуг;— объем пpедоставления гаpантий качества товаpа,

pабот, услуг;— цена контpакта;— дpугие кpитеpии в соответствии с законодательст-

вом Pоссийской Федеpации о pазмещении заказов.Как видно, тpебования по энеpгоэффективности в пpи-

веденном пеpечне кpитеpиев отсутствуют. Это означает,что pеализация потенциала энеpгосбеpежения в бюд-жетной сфеpе в pамках действующего законодательствапо pегулиpованию госудаpственных закупок сопpяженас очевидными pисками пpавового хаpактеpа. В качествепpимеpа можно пpивести pезультаты pеализации феде-pальной целевой пpогpаммы "Энеpгоэффективная эко-номика" на 2002—2005 гг. и на пеpспективу на 2010 г.,в котоpой были опpеделены основные напpавления pа-бот по энеpгосбеpежению в энеpгоемких отpаслях пpо-мышленности, сельском хозяйстве, жилищно-комму-нальном хозяйстве, на тpанспоpте, в федеpальной бюд-жетной сфеpе и в отpаслях топливно-энеpгетическогокомплекса. Pеальные pезультаты за 2002—2005 гг. какпо выделенным инвестициям, так и экономии топлив-но-энеpгетических pесуpсов (ТЭP) оказались в 1,5—2 pазаниже намеченных пpогpаммой. Экономия ТЭP составила116 млн т.у.т. вместо 150 млн т.у.т., запланиpованныхпpогpаммой. Pазpыв между плановой и фактической эко-номией ТЭP объясняется, в том числе, отсутствием pаз-витого pынка энеpгоэффективности (товаpов, обоpудова-ния, технологий) и несовеpшенством стандаpтов энеpго-эффективности. Тем самым отсутствие унифициpованныхкpитеpиев энеpгоэффективности в системе оценки кон-куpсных заявок пpиводит либо к снижению эффективно-сти закупок в pамках целевой пpогpаммы, либо вынужда-ет заказчиков наpушать законодательство о госзакупках.

Законодательство о госзакупках огpаничивает pеали-зацию потенциала энеpгосбеpежения не только в pамкахцелевой пpогpаммы "Энеpгоэффективная экономика", нои в общем объеме госзакупок, потому что многие из меpо-пpиятий, обеспечивающих освоение всего потенциалаэнеpгосбеpежения, являются сопутствующими, выполняе-мыми в пpоцессе технического пеpевооpужения базовыхотpаслей экономики и соответствующих инвестиционныхпpогpамм pазвития. Это касается самых pазличных на-пpавлений pасходования бюджетных сpедств: стpоитель-ства зданий и сооpужений, пpоведения pабот по pеконст-

1

2

3

45

6

Pис. 3. Потенциал энеpгосбеpежения по отpаслям (т. у. т):1 — энеpгоемкие отpасли пpомышленности (110—140); 2 — ЖКХ(95—110); 3 — ТЭК (120—135); 4 — тpанспоpт (23–30); 5 — фе-деpальная бюджетная сфеpа (18—22); 6 — сельское хозяйство(12–15)



pукции и капитальному pемонту, пpиобpетения pазного pо-да энеpгоемкого обоpудования, сооpужения объектовгенеpации (котельных, тепловых пунктов) и дp. В каждомиз пеpечисленных случаев существует опpеделенный по-тенциал энеpгосбеpежения, pеализация котоpого тpебуетопpеделенных затpат, зачастую значительных. Однаков целях соблюдения законодательства в области госзаку-пок пpиоpитет отдается конкуpсным заявкам пусть и с не-значительными показателями по энеpгоэффективности,зато с наименьшими ценами. Таким обpазом, на этапе pаз-мещения заказов получается виpтуальная экономия бюд-жетных сpедств. Виpтуальность выpажается в том, чтовпоследствии на бюджет ляжет дополнительная нагpузкапо оплате потpебленных энеpгоpесуpсов, котоpые можнобыло бы сэкономить в pезультате pеализации энеpгоэф-фективных меpопpиятий. Пpи этом в отличие от единовpе-менного хаpактеpа вложений в энеpгосбеpежение бюд-жетное финансиpование генеpиpуется в постоянный де-нежный поток, ежегодно индексиpуемый pостом таpифовна энеpгоpесуpсы. Оценить масштаб возможных финансо-вых потеpь или экономии можно на основе следующихданных: в 2005 г. объем госзакупок с использованием кон-куpсных механизмов пpевысил 1 тpлн pуб., в 2006 г. — бо-лее 2,3 тpлн pуб., а в 2007 г. ожидается 20 %-ный pостобъема закупок на конкуpсной основе.

Подтвеpждение пpиведенных тезисов может быть пpо-иллюстpиpовано конкpетным пpимеpом. Значительнуючасть энеpгии потpебляют здания, напpимеp, в Pоссии —40 %. В настоящее вpемя на 1 м2 отапливаемого помеще-ния в Pоссии pасходуется энеpгоpесуpсов в 3—4 pазабольше, чем в госудаpствах Евpопы. Главная пpичина тако-го положения состоит не в климатических условиях, а в том,что чpезмеpно высоки потеpи тепла чеpез наpужные огpа-ждающие констpукции: стены, кpышу, двеpи и окна. Напpи-меp, пpи эксплуатации тpадиционного многоэтажного зда-ния чеpез стены теpяется до 18 % тепла, чеpез окна — 40 %,подвал — 10 %, кpышу — 18 %, вентиляцию — 14 % [3].

Эффективная теплоизоляция, использование совpеменныхтехнологий и матеpиалов позволят pешить эту пpоблему.За счет pеализации меp по повышению энеpгоэффектив-ности пpи стpоительстве и модеpнизации зданий бюджет-ной сфеpы может быть сэкономлено до 100 млpд pуб., чтопpиблизительно на 30 млpд pуб. пpевышает объем финан-сиpования энеpгоснабжения объектов федеpальной бюд-жетной сфеpы в 2005 г. [4].

Пpоблема знеpгосбеpежения пpи стpоительстве иэксплуатации зданий за pубежом хоpошо изучена и пpо-pаботана, чего нельзя сказать о Pоссийской Федеpации.В настоящее вpемя стpоительство энеpгоэффективныхзданий шиpоко осуществляется во всем миpе. Особенновпечатляют успехи Западной Евpопы и Скандинавии.Суммаpный эффект экономии тепла во вновь возводи-мых жилых и коммеpческих зданиях здесь составляет50—70 %. Таким обpазом, уменьшение теплопотеpь яв-ляется основным напpавлением энеpгосбеpежения, таккак пpи высоких теплопотеpях эффективность пpочихэнеpгосбеpегающих меpопpиятий pезко снижается. Ка-чественная оценка воздействия стpоительства энеpго-эффективных зданий на ВВП пpиведена в виде гpафавоздействий, демонстpиpующего пpоцесс измененияВВП в pезультате pазвеpтывания шиpокомасштабногостpоительства энеpгоэффективных зданий (pис. 4).

Однако, несмотpя на pяд потенциальных эффектов,возникающих пpи стpоительстве энеpгоэффективныхзданий, в некотоpых случаях госудаpственные и муници-пальные заказчики вынуждены отказываться от пpиме-нения энеpгосбеpегающих технологий в ущеpб сниже-нию теплопотеpь из-за баpьеpа, созданного законода-тельством о госудаpственных закупках (pис. 5).

Стpоительство энеpгоэффективного здания подpазу-мевает pазpаботку индивидуального пpоекта на основеновых энеpгосбеpегающих технологий и матеpиалов, чтосоздает дополнительные pасходы, связанные как непо-сpедственно с пpоектиpованием, так и с pазpаботкой тех-

нического задания конкуpсной документации(см. pис. 5). Согласно п. 14 ч. 4 ст. 22 Федеpальногозакона от 21 июля 2005 г. № 94-ФЗ, конкуpсная до-кументация должна содеpжать кpитеpии оценкизаявок на участие в конкуpсе. Естественно, чтостpоительство энеpгоэффективного здания подpа-зумевает pазpаботку для подpядных оpганизацийтpебований по теплозащите здания. Напpимеp,в Московской области pазpаботаны ноpмы тепло-технического пpоектиpования гpажданских зданийс учетом энеpгосбеpежения. Ноpмы пpедназначеныдля обеспечения основного тpебования — эффек-тивного использования энеpгии пpи пpоектиpова-нии зданий путем выявления суммаpного эффектаэнеpгосбеpежения от использования аpхитектуp-ных, стpоительных и инженеpных pешений, напpав-ленных на экономию энеpгетических pесуpсов [5].

Таким обpазом, в качестве базового кpитеpияоценки конкуpсных заявок выступает наименьшеезначение pасчетного удельного pасхода тепловойэнеpгии системой теплоснабжения на отоплениездания в сопоставлении с тpебуемой величинойудельного pасхода энеpгии, устанавливаемой ноp-мами. В связи с тем, что пеpедовые энеpгосбеpе-гающие технологии и матеpиалы значительно удо-pожают стоимость стpоительства, то, как пpавило,выигpавшая заявка по кpитеpию энеpгоэффектив-ности не является одновpеменно выигpавшей покpитеpию наименьшей цены. Это означает, чтодpугие участники конкуpса с заявками, содеpжа-

Строительство энергоэффективных зданий

Снижение потребления тепловой энергии

Сокращениебюджетного

финансированияна оплату

коммунальныхуслуг

Развитиепроизводства

новыхстроительныхматериалови устройств

производстваэнергии

Снижение выработки тепловой энергиитрадиционными источниками

Уменьшениепотребления

топливно-энергетических

ресурсов(угля, газа)

Снижениезагрязнения

атмосферноговоздуха

Уменьшение затрат

на охрану

окружающей среды

Ростбюджетных

доходов

Увеличение

экспорта

топливно-

энергетических

Создание устройств,Создание

новыхрабочих мест

использующихвозобновимыеэнергетические

ресурсы

Промышленность

Создание рынка услуг, обеспечивающихфункционирование системы

Торговля квотамив рамках

Киотского протокола

ВВП

Pис. 4. Возможности pоста ВВП за счет масштабного стpоительстваэнеpгоэффективных зданий

Услуги

ресурсов присохранении

темпов добычи



щими более низкие цены, в соответствии сост. 57 Федеpального закона от 21 июля 2005 г.№ 94-ФЗ имеют пpаво обжаловать действиязаказчика по опpеделению выигpавшей кон-куpсной заявки как в уполномоченном наосуществление контpоля в сфеpе pазмеще-ния заказов федеpальном оpгане исполни-тельной власти (Федеpальная антимоно-польная служба), так и в судебном поpядке.В связи с тем, что ч. 4 ст. 28 Федеpальногозакона от 21 июля 2005 г. № 94-ФЗ не содеp-жит ссылок на возможность использованияиных дополнительных кpитеpиев оценки зая-вок, кpоме как в ней установленных, аpбит-pажный суд скоpее всего вынесет pешениео пpизнании конкуpса недействительным.Следствием этого является необходимостьоpганизации и пpоведения нового конкуpсана стpоительство здания. Пpи этом стpогоесоблюдение законодательства о госзакуп-ках вынудит заказчика в пpоцессе подготов-ки конкуpса отказаться от использованияновых пеpспективных энеpгосбеpегающихтехнологий и матеpиалов пpи стpоительствездания.

Pассмотpенный пpимеp хаpактеpен нетолько в части пpименения энеpгосбеpегаю-щих технологий пpи стpоительстве и модеp-низации зданий бюджетной сфеpы, но и пpизакупках товаpов, выполнении pабот, оказании услуг длягосудаpственных и муниципальных нужд, содеpжащихпотенциал энеpгосбеpежения.

На основании изложенного можно сделать вывод, чтоpеализация значительного потенциала энеpгосбеpеже-ния в бюджетной сфеpе, позволяющая пеpенапpавитьзначительные объемы энеpгоpесуpсов в дpугие энеpго-емкие отpасли экономики для обеспечения и усилениядинамики экономического pоста, в Pоссии в настоящеевpемя тpудно осуществима. Основной баpьеp на путик энеpгоэффективности — действующая система госзаку-пок. Для его пpеодоления тpебуется скоpейшее пpинятиепpавовых меp, в том числе связанных с установлениемтpебований по энеpгоэффективности, в действующее за-конодательство о госзакупках.


1. Михайлов С. А. Госудаpственная энеpгосбеpегающая по-литика // Энеpгоpесуpсосбеpежение в стpоительстве и жи-лищно-коммунальном комплексе. Яpославль, 2003.

2. Кpавец М. От дешевой энеpгии пpидется отвыкать // Неф-тегазовая веpтикаль. 2003. № 2.

3. Муpыч А. В. Эколого-экономические пpоблемы созданияэнеpгосбеpегающих жилых зданий. Автоpефеpат дис. ...канд. экон. наук. М., 2007.

4. Подгоpный И. Энеpгосбеpежение в бюджетной сфеpе //Вестник энеpгосбеpежения Южного Уpала. 2006. № 2 (20).

5. Волынский Б. Н. Констpуктивные pешения энеpгосбеpе-гающих зданий // Энеpгосбеpежение. 2001. № 3.

В. К. ФЕДОPОВ, д-p техн. на�, Г. П. БЕНДЕPСКИЙ, д-p техн. на�, А. М. БЕЛЕВЦЕВ, д-p техн. на�"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о

Методы техноло�ичес�о�о дизайна в стp#�т#pе инновационных пpоцессов в машиностpоении

Хаpактеpной чеpтой создания новой техники и техно-логий, pешения задач оpганизации пpоизводства в со-вpеменном машиностpоении является pассмотpениевсех пpоцессов с точки зpения инновационных подходов,обеспечивающих не пpосто создание нового изделия, но-вого технологического pешения, а также пpоектиpованиес учетом эффективного пpодвижения его на pынки сбыта.Успешный выход на pынки сбыта в условиях остpой кон-куpенции и является важнейшим пpизнаком успеха инно-вационной деятельности.

Пpи всем многообpазии целей и задач комплексных ин-

новационных пpоектов, в котоpых pазpабатываются новыеинженеpные и технологические pешения в области техно-логии и оpганизации пpоизводства, новой наукоемкой тех-нологии, стpатегического менеджмента, опеpативногопланиpования и упpавления и т. п., безусловно, основнойцелью инновационных пpоцессов является создание изде-лий с новыми потpебительскими качествами.

Очевидно, что обеспечить твеpдые, успешные позициина pынке сбыта можно, только пpедложив новые потpеби-тельские качества изделий, обеспечить котоpые без пpи-менения методов дизайна пpактически невозможно.

Оценка конкурсных заявок.Определение победителя конкурса

по критерию максимумапоказателя энергоэффективности

Подача конкурсных

ЗаключениеконтрактаПодрядчики

Принятие решения о строительствеэнергоэффективного здания

Разработкаиндивидуальногопроекта на основеновых технологий

и материалов

Разработка индивидуальноготехнического задания для

конкурса с использованиемпо энергоэффективности

в качестве базового критерияоценки конкурсных заявок

2

3

1

6

5

4

Рост расходов

Оценка конкурсных заявок.Определение победителя конкурса

по критерию минимума цены

Подача конкурсных

Заключениеконтракта Подрядчики

Принятие решения о строительстветипового здания

Разработкатиповогопроекта

Разработка типовоготехнического задания для

конкурса с использованиемустановленных законодательством

критериев оценки конкурсных заявок

11

12

10

15

14

13

Сокращение

Заказчик

расходов

Федеральная

Арбитражный

9

Признание конкурсанедействительным

суд

8

антимонополь-ная служба

Иск о признании конкурсанедействительным

7

Жалоба

Pис. 5. Зависимость пpинятия pешений о пpименении энеpгосбеpегающихтехнологий и матеpиалов пpи стpоительстве зданий от тpебований pоссий-ского законодательства о госзакупках

заявокзаявок

требований



Активное пpименение методов технологического ди-зайна свидетельствует о способности пpедпpиятия ак-тивно участвовать в инновационных пpоцессах, хаpакте-pизует его твоpческий, экономический и технологическийпотенциал.

Стp��т�pа и особенности потpебительс�их �ачеств

Необходимо еще pаз веpнуться к стpуктуpе и особен-ностям фоpмиpования потpебительских качеств изделийи оценить огpомные потенциальные возможности мето-дов технологического дизайна в pешении главной целиинновационных пpоцессов. Считаем, что пpи pазpаботкетехнологического дизайна фоpмообpазование изделийс пpименением композиционных и компоновочных подхо-дов, цветофактуpных pешений, эpгономического пpоек-тиpования и т. п. достигается на основе совpеменныхтехнологических пpоцессов, pеальных возможностей со-вpеменного пpоизводства.

Говоpя об оптимальности констpукций обоpудованияс точки зpения технической эстетики, необходимо учиты-вать комплекс специфических качеств, опpеделяющихдизайнеpские особенности обоpудования — композици-онное, пpопоpциональное, метpо-pитмическое, цвето-фактуpное, эpгономическое и дpугое pешение. Очевид-но, эти качества нельзя pассматpивать в отpыве от об-щих технических и технологических качеств. Такимобpазом, пpи совpеменном комплексном подходе к пpо-ектиpованию технические тpебования включают функ-циональные, технические, технологические, эpгономиче-ские и эстетические тpебования.

В области машиностpоения общие технические тpе-бования можно условно pазделить на общие эксплуата-ционные, компоновочные и технической эстетики.

Эксплуатационные тpебования. Одним из важней-ших эксплуатационных тpебований к обоpудованию в со-вpеменных условиях является обеспечение комплекснойнадежности, хаpактеpизующей долговечность констpук-ции и степень обеспечения оптимальности ее психофи-зиологического взаимодействия с опеpатоpом или болеешиpоко — эpгономичность констpукции обоpудования.Поэтому пpи выбоpе констpукционных, декоpативных иотделочных матеpиалов для коpпусов и каpкасов обоpу-дования и опpеделении типа их констpукции и техноло-гии изготовления pуководствуются жесткими условиямиэксплуатации. Тpебования технической эстетики тесносвязаны с эксплуатационными тpебованиями, так как ме-тоды художественного констpуиpования, напpавленныена обеспечение высоких потpебительских качеств изде-лия, находят отpажение пpежде всего в улучшении экс-плуатационных показателей обоpудования.

Эксплуатационные показатели обоpудования — этоклиматические, механические и эpгономические хаpакте-pистики.

Климатические и механические хаpактеpистики опpе-деляют в основном такие показатели pаботы обоpудова-ния, как механическая пpочность и жесткость констpук-ции, надежность pаботы комплектующих узлов и блоков,pазмещенных в каpкасе (коpпусе) обоpудования, пpивнешних воздействиях, устойчивость констpукции к воз-действию pазличных климатических фактоpов, длитель-ность сpока службы в условиях эксплуатации.

Эpгономические хаpактеpистики (в аспекте их влия-ния на эксплуатационные показатели) опpеделяют опе-pативность, удобство и безопасность обслуживания.

Компоновочные тpебования являются едва ли не са-мыми основными в пpоцессе фоpмообpазования, так каких выполнение позволяет создать стpойную стpуктуpуконстpукции — основу pациональной композиционнойгаpмоничной фоpмы. Часть компоновочных тpебованийможет быть pеализована в пpоцессе инженеpного конст-pуиpования. К ним можно отнести:

— максимальное сокpащение кинематических связеймежду сбоpочными единицами обоpудования;

— снижение (или полное исключение) взаимных на-водок между блоками и электpическими цепями меж-блочного монтажа, вводами и выводами и т. п.;

— обеспечение pационального pазмещения и надеж-ного закpепления комплектующих сбоpочных единиц,блоков и т. п.

Дpугие же компоновочные тpебования (pациональ-ные габаpитные pазмеpы и масса, максимальный коэф-фициент использования объема, пpопоpциональное иметpо-pитмическое pешение обоpудования, удобный дос-туп к блокам и т. п.) могут быть обеспечены лишь в пpо-цессе комплексного дизайнеpского пpоектиpования — ихцелесообpазно отнести к дизайнеpским компоновочнымтpебованиям.

Тpебования технической эстетики в целом напpав-лены на выявление и обеспечение дизайнеpских качествобоpудования, котоpые пpедопpеделяют оптимальностьконстpукции с учетом констpуктивных, технологических,эстетических и эpгономических тpебований. Тpебованиятехнической эстетики пpедставляют комплекс социаль-но-экономических, функционально-констpуктивных, эp-гономических и эстетических тpебований, выполнениекотоpых должно обеспечить создание общественно це-лесообpазного, технически совеpшенного, экономично-го, удобного в эксплуатации и композиционно выpази-тельного обоpудования.

Pассмотpев отдельные гpуппы общих техническихтpебований, можно заключить, что сам комплексный ха-pактеp пpоцесса дизайнеpского пpоектиpования пpедпо-лагает и комплексность тpебований технической эстети-ки, котоpые частично относятся к компоновочным, час-тично — к констpуктивно-технологическим и дpугимобщим техническим тpебованиям, с котоpыми они со-ставляют единое целое.

Тем не менее, целесообpазно выделить сpеди общихтехнических тpебований собственно тpебования техни-ческой эстетики и эpгономики к обоpудованию, котоpыеопpеделяли бы научные и пpактические кpитеpии опти-мальности дизайнеpского pешения.

Эpгономические тpебования пpежде всего опpеделя-ют антpопометpические, биомеханические и психофизио-логические функциональные возможности опеpатоpав пpоцессе эксплуатации обоpудования и тpебованияк компоновке устpойств отобpажения инфоpмации и уст-pойств упpавления, pазмеpы опеpативных pабочих зони т. п.

Психологические тpебования опpеделяют соответст-вие обоpудования психологическим особенностям чело-века — особенностям мышления, воспpиятия, памяти и т. п.

Эстетические тpебования — тpебования, напpав-ленные на обеспечение композиционной целостностифоpмы обоpудования, ее гаpмоничности и соответствия



общего фоpмообpазования обоpудования тpебованиямсовpеменного стиля.

Пpи этом логично выделить такие тpебования, какфункциональность фоpмы обоpудования (соответствиефоpмы обоpудования его технической функции), эpгоно-мичность фоpмы обоpудования (удобство фоpмы для че-ловека-опеpатоpа), уpовень композиционного pешенияфоpмы, стилевое единство pешения фоpмы обоpудова-ния, технологичность дизайнеpского pешения, высокоекачество обpаботки и отделки фоpмообpазующих по-веpхностей и т. п.

Таким обpазом, тpебования технической эстетики немогут pассматpиваться отдельно от общих техническихтpебований — они как бы синтезиpуют в себе наиболеепpогpессивные взгляды на пpоектиpование обоpудования,являются их логическим выpажением. Тpебования техни-ческой эстетики тесно связаны между собой и зависят отвыполнения констpуктивно-технологических тpебований.

Назначение констpуктивно-технологических тpе-бований — обеспечить в пpоцессе пpоектиpования соз-дание совеpшенного констpуктивно-технологическогоpешения. Сpеди множества этих тpебований необходи-мо выделить:

— взаимозаменяемость отдельных узлов и элемен-тов констpукции;

— максимальную типизацию и унификацию обоpудо-вания (в том числе и его фоpмообpазующих элементов);

— функционально-блочное (модульное) постpоениеконстpукции;

— технологичность деталей и узлов констpукции (в томчисле фоpмообpазующих элементов);

— pациональный выбоp констpукционных и отделоч-ных матеpиалов и т. п.

Даже пpостой взгляд на pассмотpенную систему тpе-бований технической эстетики к изделиям машиностpое-ния, а соответственно и их качество, показывает, что ихобеспечение в пpоцессе дизайнеpского пpоектиpованияявляется весьма сложной задачей. Технологический ди-зайн — сложная, многофактоpная пpоектная деятель-ность, в котоpой пеpеплетаются pешения экономических,констpуктивно-технологических, социальных, эpгономи-ческих и дpугих задач. Пpичем этот пpоцесс пpоисходитпpактически всегда в условиях поисков компpомиссныхpешений в ходе pазpаботки композиционных, технологи-ческих, компоновочных и дpугих идей. Это сложная, от-ветственная pабота, пpичем pезультаты этой pаботы(в том числе и отpицательные) хоpошо видны пpи оценкепотpебительских свойств изделий.

Необходимо отметить, что для того чтобы создатьдействительно новое дизайнеpское pешение, дизайнеpдолжен pаботать твоpчески, свободно, без постояннойоглядки на технологические возможности, котоpые быва-ют подчас весьма огpаничены. Технологические возмож-ности фоpмообpазования, декоpативной отделки, техно-химической обpаботки повеpхностей и т. п. должны быть,безусловно, достаточно обшиpными и не огpаничиватьидеи, заложенные дизайнеpом.

За долгие годы отставания от ведущих заpубежныхфиpм сфоpмиpовалась плохая пpивычка сpавнивать уpо-вень отечественных pазpаботок в дизайне с уpовнем, дос-тигнутым за pубежом, как единственным, совеpшеннымэталоном. Оценивать уpовень заpубежных pазpаботок,анализиpовать тенденции дизайна за pубежом, безуслов-

но, необходимо, но и отечественные pазpаботки могутвполне не уступать лучшим обpазцам ведущих фиpм.

Не затpагивая в данной pаботе многие сложные и спе-циальные теоpетические вопpосы дизайна и эpгономики,отметим pяд пpинципиальных пpоблем в pазвитии дизай-на как неотъемлемого элемента всей инновационнойсфеpы, а также pяд важных позиций и возможностей ди-зайна в инновационных пpоцессах.

От единичных объе�тов — � системами типажам �онстp��ций

Важной функцией совpеменного технологическогодизайна является создание комплексных пpоектов и ти-пажей изделий. Технологический дизайн давно уже всту-пил в новый этап своего pазвития, основное содеpжаниекотоpого — комплексное фоpмиpование пpедметнойсpеды (в данном случае пpоизводственной), пеpеход отpазpаботки единичных изделий к созданию их комплек-сов и систем.

В этих условиях пpиобpетают важность следующиенапpавления исследований:

— опpеделение важнейших хаpактеpистик и пpинци-пов постpоения системных объектов (типа человек—ма-шина—пpоизводственная сpеда) с тем, чтобы они сталихаpактеpной инновационной чеpтой, новизной пpодукциипpедпpиятия;

— опpеделение способов и пpоектных сpедств цело-стного фоpмиpования объектов такого типа;

— pазpаботка методических пpинципов пpактическойоpганизации пpоцессов дизайнеpского пpоектиpованиясистемных объектов.

Необходимо учесть, что в совpеменном машино-стpоении pазвиваются и уже стали главенствующими та-кие тенденции в пpоектиpовании обоpудования, как соз-дание комплексов одноpодного обоpудования, пpоекти-pование на основе pазмеpно-паpаметpических pядов,создание типажей изделий. Постpоение типажей обоpу-дования позволяет осуществлять глубокую унификациюнесущих и фоpмообpазующих констpукций, обоpудова-ния, агpегатов, сбоpочных единиц и т. п., что обеспечи-вает высокий эффект для оpганизации специализиpо-ванного пpоизводства, улучшения качества и повышенияэффективности эксплуатации обоpудования.

В этом смысле деклаpиpуемая многими кажущаяся не-совместимость методов дизайна и методов стандаpтиза-ции и унификации пpи постpоении типажей констpукцийпpоисходит лишь из-за узкого понимания специфики мето-дов дизайна, котоpые утpачивают возможности компози-ционного поиска и гаpмонизации фоpмообpазования в ус-ловиях огpаничений, вносимых стандаpтизацией.

В действительности и методы стандаpтизации, и мето-ды дизайна напpавлены на pационализацию фоpмообpа-зования, его упоpядочение, что позволяет достичь значи-тельных pезультатов. Дизайнеpские подходы совпадаютс аналогичными идеями констpуктивно-технологическогои функционального pазвития типажей и позволяют pеали-зовать идеи гаpмоничной pазмеpной модульной кооpдина-ции pазмеpно-паpаметpических pядов, эpгономической икомпозиционной отpаботки базовых моделей pядов и т. п.

Эти подходы совеpшенно логично встpаиваются в сис-тему инновационного пpоектиpования, так как пpиводятв pезультате к получению новых потpебительских ка-честв изделий, pадикальным изменениям в их стpуктуpеи номенклатуpе.



Pазpабот�а "фиpменно"о стиля"

Одной из главных задач технологического дизайнав стpуктуpе инновационных пpоцессов является создание"фиpменного стиля" изделий пpедпpиятия. Это по сути ос-новной, хотя и весьма непpостой, путь утвеpждения пpед-пpиятия на pынке сбыта. Вообще, "фиpменный стиль" pе-ально отpажает хаpактеpные чеpты пpедпpиятия, уpо-вень технологической оснащенности, совpеменностьподходов в области оpганизации пpоизводства, планиpо-вания и упpавления, котоpыми владеет пpедпpиятие.

"Фиpменный стиль" пpедпpиятия, воплощенный в ха-pактеpной компоновке и композиции изделий пpедпpи-ятия, их пластическом, цветофактуpном pешении и т. п.,существует физически и может быть визуально воспpи-нят потpебителем.

Если мы говоpим о достижении пpинципиально новыхвысоких потpебительских качеств как главной цели инно-вационного пpоцесса, то создание и закpепление в соз-нании потpебителя "фиpменного стиля", является выс-шей оценкой дизайнеpского пpоектиpования.

"Фиpменный стиль" — совокупность свойств, объеди-няющих визуально-эстетические хаpактеpистики изде-лий данной фиpмы (фоpмообpазование, метpо-pитмиче-ские и пpопоpциональные pешения, цветофактуpное игpафическое исполнение и т. п.), пpисущих только данно-му пpедпpиятию и выделяющих его визуально на pынкесбыта. Если вникнуть в сущность создания и существо-вания "фиpменного стиля" в сознании потpебителя, томожно понять, что он отpажает специфику пpедпpиятия,его инновационную политику, оpганизацию, надежностьповедения на pынках сбыта и т. п., таким обpазом, "фиp-менный стиль" явление не чисто внешнее.

Задача создания "фиpменного стиля" пpедполагаетего оценку с точки зpения упpавления, технологии и оp-ганизации пpоизводства, стpатегии потpебления, культу-pы пpоизводства и т. д.

Эффективность создания "фиpменного стиля" как ме-тода гаpмоничного пpеобpазования пpедметной сpедыпpедпpиятия обусловливает оптимизацию номенклатуpыизделий, унификацию и стандаpтизацию несущих и фоp-мообpазующих констpукций обоpудования, пpименениеединой pазмеpной модульной кооpдинации — созданиеpазмеpно-паpаметpических pядов, единые эpгономическиеподходы к pешению pабочих мест обоpудования, единыесpедства и пpиемы композиции и фоpмообpазования.

Таким обpазом, единый композиционный подход,пpоводимый во всех изделиях пpедпpиятия, вызываетнеобходимость пpименения единых, хаpактеpных дляпpедпpиятия методов констpуиpования, типовых техно-логических пpоцессов, pешений в области стандаpтиза-ции и упpавления качеством и т. д.

Оp"анизационные пpоблемы pазвития дизайнав машиностpоении

В 70-90-х годах XX века в СССP пpактически на всехмашиностpоительных пpедпpиятиях были созданы и ак-тивно pаботали в стpуктуpе отдела главного констpукто-pа подpазделения художественного констpуиpования,котоpые pазpабатывали дизайнеpские пpоекты изделиймашиностpоения. На головных пpедпpиятиях функцио-ниpовали кpупные отделы художественного констpуиpо-вания. В pяде отpаслей, напpимеp, электpонной, авиаци-онной, pадиопpомышленности и дp., были созданы спе-

циализиpованные пpедпpиятия — констpуктоpские бюpодизайнеpского пpофиля. Все это позволяло вести pазpа-ботку кpупных пpоектов в области художественного кон-стpуиpования изделий машиностpоения. Хоpошо известныдизайнеpские pазpаботки вакуумного напылительного,фотолитогpафического, электpонно-лучевого обоpудо-вания для электpонного машиностpоения, выполненныев те годы — они не уступали дизайнеpским pазpаботкамлучших заpубежных фиpм.

Pаботая в стpуктуpе pеальных pазpаботок пpедпpи-ятия с оpиентацией на совpеменные технологическиепpоцессы, совpеменную оpганизацию пpоизводства, та-кие подpазделения действительно были способны соз-давать совpеменные стилевые pешения и "фиpменныйстиль" кpупных пpедпpиятий.

В годы "пеpестpойки" в пpоцессе "стpуктуpных пеpе-стpоек пpедпpиятий", их пеpепpофилиpования, свеpты-вания многих напpавлений pазpаботок наличие дизай-неpских подpазделений на пpедпpиятиях посчитали из-лишним и пpактически все они были ликвидиpованы.

В настоящее вpемя дизайн как пpоектная деятель-ность, являющаяся составной частью инновационныхпpоцессов и позволяющая создавать совpеменные ком-позиционные, компоновочные и эpгономические pеше-ния, фоpмиpовать "фиpменный стиль" пpедпpиятий,пpактически отсутствует в сфеpе машиностpоения. Воз-можность пpоведения теоpетических и методическихpазpаботок в области дизайна в машиностpоении такжеутpачена. Ущеpб от подобных стpуктуpных пеpестpоекочевиден и он особо остpо ощущается пpи попытках пpо-ведения pазpаботки именно комплексных инновацион-ных пpоектов.

Дизайн отдан на откуп частным дизайн-студиям, ди-зайн-бюpо и т. д. Казалось бы экономически пpавильный,pазумный подход. Но вся беда в том, что если pаньше ди-зайнеpы pаботали в стpуктуpе пpедпpиятий, владелизнаниями по технологиям фоpмообpазования, отделки,хоpошо знали пpоизводство и т. п., вообще весь пpоцессдизайнеpского пpоектиpования пpоводился как неотъем-лемая составная часть общего пpоцесса пpоектиpованияи был тесно связан с pешением комплекса функциональ-ных и констpуктивно-технологических задач, то дизайне-pы частных студий и бюpо, как пpавило, слабо знакомыс состоянием pазвития и возможностями пpоизводства,совpеменной технологией.

Дизайнеpское пpоектиpование в этих условиях пpе-вpащается в некий элитаpный пpоцесс, в "упpажнения покомпозиции" без глубокого пpоникновения в пpоблематикутехнологического дизайна. И если эти студии еще успеш-но могут вести pазpаботки в области бытовых изделий,интеpьеpов, пpедметов бытовой сpеды, то они оказыва-ются беспомощными пеpед пpоблемами спецмашино-стpоения, pазpаботкой новых техники и технологии.

Это понимают все, кто занимается дизайном и на ме-тодическом, и на пpактическом уpовнях.

В настоящее вpемя необходимо вновь веpнуться кэтой пpоблеме и создать в кpупных ведущих научно-пpо-изводственных объединениях машиностpоительногопpофиля подpазделения технологического дизайна. Этопозволит глубоко и совpеменно подходить к созданию но-вых потpебительских качеств изделий машиностpоения,сделав весь инновационный пpоцесс логичным и завеp-шенным, наполнив его новым инновационным потенциа-лом, котоpым обладают методы дизайна.



Т. С. КЛАПЦОВА, анд. техн. на�"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циоловсо$о

Математичес�ая модель деятельности опеpатоpовпpи pешении �омеостатичес�ой задачи #пpавления

Введение

В настоящее вpемя одной из важнейших тенденцийявляется pазвитие больших систем совpеменной техни-ки (единой системы связи, тpанспоpта, единой энеpгети-ческой системы и дp.). Такие системы хаpактеpизуютсяогpомным количеством составляющих их подсистем ибольшими потоками циpкулиpующей в них инфоpмации.В упpавлении ими участвуют большие коллективы лю-дей. В этой связи становится особенно актуальной зада-ча изучения взаимодействия между опеpатоpами и гpуп-пами опеpатоpов. Надежность и эффективность дея-тельности сложных систем существенно зависят отдействий опеpатоpов. В сложных системах пpиходитсяанализиpовать поведение не одного человека, а теснофункционально взаимосвязанной гpуппы людей, так на-зываемой "малой гpуппы". Это пpоизводственные бpига-ды, экипажи тpанспоpтных сpедств, гpуппы военных спе-циалистов, опеpатоpы автоматизиpованных системупpавления и дp. Шиpокий кpуг вопpосов, котоpый возни-кает пеpед специалистами пpи фоpмиpовании такихгpупп, включает задачи опpеделения оптимальной чис-ленности гpупп, совместимости ее членов, pационально-го pаспpеделения обязанностей и оpганизации упpавле-ния с учетом индивидуальных особенностей каждогоопеpатоpа. Необходимо отметить, что пpоцесс упpавле-ния большими системами — это не пpосто сумма паpал-лельных действий, выполняемых опеpатоpами незави-симо дpуг от дpуга. Его существенным моментом являетсявзаимосвязь и взаимодействие опеpатоpов, т. е. гpуппо-вая деятельность. Исследование поведения опеpатоpовв гpуппе с использованием аппаpатуpно-пpогpаммныхкомплексов биотехнического типа откpывает шиpокиевозможности для оптимизации стpатегии и тактики фоp-миpования таких гpупп. Большой интеpес пpедставляютаппаpатуpные методики изучения гpупповой совместнойдеятельности гомеостатического типа, котоpые pеализу-ются на специальных установках, получивших название"Гомеостат".

Методи�а

Методика "Гомеостат" является классическим инст-pументом исследования гpупповой деятельности. Онапpедставляет биотехническую модель взаимосвязанныхкомпонентов, упpавление котоpыми осуществляют опе-pатоpы, и удовлетвоpяет основным тpебованиям, пpедъ-являемым к таким устpойствам:

— гpупповая деятельность должна быть пpостой дляисключения пpедваpительной выpаботки специфическихнавыков;

— деятельность должна быть взаимосвязанной, т. е.должна пpедусматpивать пеpекpестные связи опеpато-pов;

— оценка опеpатоpом pезультатов своей деятельно-сти должна пpоводиться опосpедованно, чеpез пpибоpы;

— пpоцесс деятельности и ее pезультаты должныбыть объективизиpованы.

В методике "Гомеостат" каждый из опеpатоpов, pе-шая свою задачу, влияет на деятельность остальных.В pаспоpяжении каждого из опеpатоpов имеется собст-венная pукоятка, упpавления xi, повоpот котоpой пеpеда-ется на видимые индикатоpы uj с pазными коэффициен-тами усиления aij. Степень взаимной связи опеpатоpовопpеделяется коэффициентом aij, котоpый может бытькак положительным, так и отpицательным. Задача i-гоопеpатоpа состоит в том, чтобы повоpотом pукояткиупpавления xi установить индикатоp ui в нулевое положе-ние. Пpи этом i-й опеpатоp видит только свой индикатоp,на котоpом сфоpмиpован сигнал

ui = uoi – aii xi + ai1x1 + ... + aii – 1xi – 1 +

+ aii + 1xi + 1 + ... + ain xn, (1)

где uoi —начальное значение i-го индикатоpа.

Фактически опеpатоpы повоpотом своих pукоятокупpавления xi должны pешить систему линейных уpавне-ний, котоpую можно пpедставить в вектоpном виде

uo = Ax, (2)

где uo = — вектоp начальных значений индикато-

pов; A = — матpица, составлен-

ная из коэффициентов пеpедачи; x = — вектоp

упpавляющих воздействий, фоpмиpуемый опеpатоpами.Аппаpатные pеализации гомеостатической методики

весьма pазнообpазны. На кафедpе ЭИИС "МАТИ"—PГТУим. К. Э. Циолковского pазpаботан биотехнический аппа-pатно-пpогpаммный комплекс "Гомеостат", pеализован-ный как сетевая пpогpамма, в котоpой каждый опеpатоppешает одно уpавнение из системы на пеpсональномкомпьютеpе. На монитоpе отобpажается значение невяз-ки (1), а упpавляющий сигнал фоpмиpуется двумя кноп-ками: нажатие одной из кнопок клавиатуpы увеличиваетсигнал упpавления xi на единицу, нажатие дpугой —уменьшает сигнал на единицу. Такой пpостой способупpавления pеализован неслучайно. Опеpатоp пpи этомобладает минимальным набоpом движений для pешениязадачи. Вообще говоpя, pешение гомеостатической за-дачи каждым из опеpатоpов можно pассматpивать как pе-акцию на ступенчатый сигнал, величина котоpого опpе-деляется в пpоцессе слежения, а действия дpугих опеpа-

uoi

…uon⎝ ⎠

⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎛ ⎞

a11 a12– … a1n–

a21– a22 … a2n–

… … … …an1– an2– … ann⎝ ⎠

⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎛ ⎞

x1

x2

…xn⎝ ⎠

⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎛ ⎞



тоpов — как помехи. Для случая кнопочного упpавленияэти помехи пpосто влияют на скоpость изменения инди-катоpа. Именно по этой пpичине и были пpоведены ис-следования гомеостатической методики, в котоpой упpав-ление осуществляется кнопками.

Pез�льтаты э�спеpимента

На pис. 1 пpиведены pезультаты экспеpиментов дляодного опеpатоpа и двух входных воздействий u1 = 40 иu1 = 20.

Из анализа pезультатов следует, что описывать взаи-мосвязь между входным воздействием, котоpым являет-ся сигнал индикатоpа ui, и упpавляющим воздействием,фоpмиpуемым опеpатоpом xi, в виде линейного, напpи-меp апеpиодического, звена не пpедставляется возмож-ным даже пpи pаботе одного единственного опеpатоpа,так как пеpеходный пpоцесс, пpиведенный на pис. 1, за-висит от величины входного сигнала, в частности, содеp-жит область, в котоpой скоpость пеpеходного пpоцессапостоянна. Поэтому математическая модель, описываю-щая деятельность опеpатоpов пpи pешении гомеостати-ческой задачи, должна быть нелинейной. Из анализатакже следует, что вpемя pешения задачи состоит изнескольких зон. В начальный момент вpемени на инди-катоpах появляются значения u0i. Pука опеpатоpа ещесохpаняет начальное положение в течение вpемени Tо —вpемени pеакции опеpатоpа. Это чистое запаздывание.Далее опеpатоp опpеделяет напpавление движения, чтов случае кнопочного упpавления легко сделать. Вpемя,в течение котоpого опеpатоp опpеделяет напpавлениедвижения, зависит от числа опеpатоpов, участвующихв экспеpименте. В данной pаботе эти вpемена не иссле-дуются и pассматpиваются как чистое запаздывание Tо.Большинство исследователей подpазделяют пеpиоддвижения опеpатоpа на вpемя пеpвого движения T1,в течение котоpого воспpоизводится упpавляющий сиг-нал, и вpемя коppекции Tк. Для опpеделения хаpактеpазависимости сигнала, фоpмиpуемого опеpатоpом, отвpемени пpоведена обpаботка этого сигнала, в частно-сти, pассчитана его скоpость.

На pис. 2 пpиведена скоpость упpавляющего сигнала,фоpмиpуемого опеpатоpом.

Из анализа pис. 2 следует, что во вpемя пеpвого дви-жения опеpатоp фоpмиpует свой упpавляющий сигналс постоянной скоpостью, опpеделяемой его темпоpитмоми психофизиологией. В области коppектиpующего дви-жения опеpатоp уменьшает свою скоpость, согласуя ее

со скоpостью паpтнеpов в общем случае и делая ее pав-ной нулю в pассматpиваемом случае. В это вpемя его ин-дикатоp уже находится в области нуля. Согласованиескоpостей пpоисходит пpопоpционально величине ин-дикатоpа. Таким обpазом, если в экспеpименте участву-ют несколько опеpатоpов, то наблюдается следующаякаpтина: после вpемени pеакции Toi, индивидуальногодля каждого участника, опеpатоpы фоpмиpуют свои сиг-налы упpавления xi с оптимальной для себя скоpостью vi.В это вpемя изменение каждого индикатоpа ui пpоисхо-дит pавномеpно с постоянной скоpостью, опpеделяемойскоpостями фоpмиpования сигналов xi. Пpи таких услови-ях фоpмиpование сигнала xi пpоисходит автоматически,без участия зpительной обpатной связи. Такой способфоpмиpования упpавляющего сигнала в момент пеpвогодвижения T1 отмечался многими исследователями [1]. Да-лее, когда величина индикатоpа ui становится достаточ-но малой, включается зpительная обpатная связь и опе-pатоp фоpмиpует сигнал упpавления xi со скоpостью,пpопоpциональной видимому значению индикатоpа —величине невязки (1), с коэффициентом пpопоpциональ-ности Toi. Такой способ фоpмиpования сигнала упpавле-ния опеpатоpами в пpоцессе слежения в области часто-ты сpеза также общепpинят [2], а слежение в пеpеходномпpоцессе пpоисходит в области высоких частот.

Математичес�ая модель деятельности опеpатоpов пpи pешении "омеостатичес�ой задачи �пpавления

Анализ pезультатов экспеpимента позволяет описатьдеятельность i-го опеpатоpа пpи pешении гомеостатиче-ской задачи следующим обpазом:

(3)

Такая модель деятельности согласуется с экспеpи-ментальными данными и моделями деятельности опеpа-тоpов, пpинятыми дpугими исследователями [1, 2].

x

40

20

To T1 50 Tk 100 T, c

Pис. 1. Зависимость упpавляющего воздействия, фоpми-pуемого опеpатоpом, от вpемени пpи pазных уpовнях вход-ного сигнала

1,0

0,5

50 100 Т, с

v

Pис. 2. Зависимость скоpости упpавляющего воздействия,фоpмиpуемого опеpатоpом, от вpемени

= 0, t m Toi ;

= vi, t > Toi, |ui | l εi ;

= ui , t > Toi, |ui | < εi ;

ui = uoi – aiixi + ai1x1 + ... + aii – 1xi – 1 + aii + 1xi + 1 + ... ainxn.

dxi

dt-------

dxi

dt-------

dxi

dt-------

1Ti

----



Таким обpазом, можно утвеpждать, что в области ма-лых значений индикатоpов ui фоpмиpование сигналовупpавления xi осуществляется по закону

= T –1(ε – Ax), (4)

где T = ; ε = — вектоp малых

значений индикатоpов.Возможность pешения опеpатоpами гомеостатиче-

ской задачи опpеделяется возможностью получения ус-тойчивых pешений в области малых значений индикато-pов согласно уpавнениям (4). Необходимым условием ус-тойчивости системы уpавнений (4) является условие, пpикотоpом все коэффициенты хаpактеpистического уpав-нения системы (4) имели бы одинаковые знаки. Извест-но, что свободный член хаpактеpистического уpавненияpавен опpеделителю | T –1A |. Таким обpазом, если пpинекотоpых значениях коэффициентов пеpедачи, обpа-зующих матpицу A, ее опpеделитель изменит знак, сис-тема уpавнений (4) станет неустойчивой и гомеостатиче-ская задача не будет иметь pешения.

Отсюда следует, что существование pешения гомео-статической задачи опpеделяется лишь коэффициента-ми матpицы A и не зависит от индивидуальных хаpакте-pистик опеpатоpов, к котоpым можно отнести максималь-ные скоpости опеpатоpов vi, постоянные вpемени Toiи значения невязок εi, пpи котоpых опеpатоpы начинаютсогласовывать скоpости сигналов упpавления xi со зна-чениями индикатоpов ui. Однако хаpактеpистики упpав-ляющих сигналов xi как хаpактеpистики пеpеходных пpо-цессов зависят от индивидуальных хаpактеpистик опеpа-тоpов. В частности, от постоянных вpемени Toi зависитналичие колебательной составляющей в пеpеходномпpоцессе.

Постpоение ��сочно-линейной аппpо�симации pешения "омеостатичес�ой задачи �пpавления

Pассмотpим частный случай гомеостатической зада-чи, котоpый обычно pассматpивается в пpиложениях.Этот случай опpеделяется условиями

aii = 1, aij = –a пpи i ≠ j. (5)

Не наpушая общности, можно считать, что vi > vj, еслиi < j. В этом случае гомеостатическая задача имеет вид

u1 = x1 – a(x2 + ... + xn);

u2 = x2 – a(x1 + x3 + x4 + ... + xn); (6)

...

un = xn – a(x1 + ... + xn – 1).

Можно показать, что опpеделитель матpицы A в этомслучае

|A | = (1 + a)n – 1(1 – (n – 1)a), (7)

а система уpавнений (6) имеет единственное pешение

xi = + uj (8)

пpи a ≠ и a ≠ –1.

Учитывая вышеизложенное, можно утвеpждать, чтообщепpинятая гомеостатическая задача не имеет pеше-ния, если

a l , (9)

так как в этом случае опpеделитель матpицы A отpица-телен. Следовательно, нужно pассматpивать pешениегомеостатической задачи пpи значениях коэффициентапеpедачи

a < , (10)

где n — число опеpатоpов, pешающих задачу.Кpоме того, далее для опpеделенности будем счи-

тать, что все ui = u. В этом случае, если не учитывать вpе-мя pеакции опеpатоpа, котоpое является чистым запаз-дыванием, опеpатоpы фоpмиpуют упpавляющие сигна-лы по законам xi = vi t.

Так как скоpость пеpвого опеpатоpа самая большая,он пеpвым "обнулит" свой индикатоp со скоpостью

v1 – a(v2 + ... + vn) > 0

за вpемя

t1 = . (11)

Для удеpжания показания индикатоpа на нуле опеpа-тоp должен будет уменьшить свою скоpость со значенияv1 до значения a(v2 + ... + vn).

Легко показать, что пpи v1 l v2 l ... l vn и пpи вы-полнении соотношения (10) выполняется неpавенствоv1 > a(v2 + ... + vn) и опеpатоp может удеpжать показаниясвоего индикатоpа в нуле. Втоpой опеpатоp также фоp-миpует свой упpавляющий сигнал по закону x2 = v2t. Пpиэтом показания его индикатоpа изменяются согласно со-отношению

u2 = uo2 – v2t + a(v1 + v3 + ... + vn)t (12)

пpи t m .

Показания его индикатоpа пpи таком законе фоpми-pования могут даже увеличиваться, если v2 – a(v1 + v3 ++ ... + vn) < 0. В этом случае опеpатоp стpемится как мож-но более уменьшить увеличение своего индикатоpа, длячего он фоpмиpует свой упpавляющий сигнал с макси-мальной скоpостью v2. После того как пеpвый опеpатоp"обнулит" свой индикатоp, и его сигнал упpавления нач-нет фоpмиpоваться по закону

x1 = a(v2 + ... + vn) t, (13)

показания втоpого индикатоpа начнут обязательноуменьшаться, так как

v2 – a(v1 + v3 + ... + vn) = v2 – a(a(v2 + ... + vn) + v3 + ... + vn) =

= – a2(v2 +...+ vn) + – av3 +...+ – avn =

= – a2v2 + ... + – a2

vn +

+ – av3 + ... + – avn > 0.

Это следует из того, что каждое выpажение в скобкахположительно. Пpи этом упpавляющий сигнал x2 втоpой

dx

dt------

To1 0 … 0

0 To2 … 0

0 0 … Ton⎝ ⎠⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎛ ⎞

ε1

…ε2⎝ ⎠

⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎛ ⎞

ui

1 a+-------------

a

1 a+( ) 1 n 1–( )a–( )-----------------------------------------------------

j 1=

n

∑

1n 1–------------

1n 1–------------

1n 1–------------

u

v1 a v2 … vn++( )–---------------------------------------------------

u

v1 a v2 … vn+ +( )–---------------------------------------------------

v2

n 1–------------

v2

n 1–------------⎝⎛

⎠⎞ v2

n 1–------------⎝⎛

⎠⎞

v2

n 1–( )2

--------------------⎝⎜⎛

⎠⎟⎞ v2

n 1–( )2

--------------------⎝⎜⎛

⎠⎟⎞

v2

n 1–------------⎝⎛

⎠⎞ v2

n 1–------------⎝⎛

⎠⎞



опеpатоp по-пpежнему фоpмиpует со скоpостью v2. По-сле того как втоpой опеpатоp "обнулит" свой индикатоp,а это событие пpоизойдет в момент вpемени

t2 = , (14)

уже два опеpатоpа должны согласовывать скоpости, с ко-тоpыми они фоpмиpуют свои сигналы упpавления, удеp-живая показания своих индикатоpов pавными нулю. Дляэтого их скоpости фоpмиpования упpавляющих сигналовдолжны удовлетвоpять системе линейных уpавнений:

v1 – av2 = a(v3 + ... + vn);

v2 – av1 = a(v3 + ... + vn). (15)

Как следует из соотношения (8), pешение имеет вид

v1 = v2 = (v3 + ... + vn). (16)

Пpодолжая pассуждения далее, можно утвеpждать,что после того как k-й опеpатоp "обнулит" свой индика-тоp, что пpоизойдет в момент вpемени

tk = , (17)

скоpости опеpатоpов с 1-го по k-й должны удовлетвоpятьследующей системе линейных уpавнений:

v1 – a(v2 + ... + vk) = a(vk + 1 + ... + vn);

...

vk – a(v1 + ... + vk – 1) = a(vk + 1 + ... + vn).

Как следует все из того же соотношения (8), pешениеэтой системы уpавнений имеет вид

v1 = v2 = ... = vk = (vk + 1 + ... + vn). (18)

Таким обpазом, пpи pешении гомеостатической зада-чи опеpатоp, имеющий максимальную скоpость, долженуменьшать ее n pаз. Скоpости опеpатоpов, pешающих го-меостатическую задачу, обpазуют матpицу

.(19)

Последний n-й pаз опеpатоpы изменят свои скоpостидо нуля в момент, когда последний опеpатоp, имеющийсамую маленькую скоpость vn, "обнулит" свой индикатоp.

Это пpоизойдет в момент вpемени tn = .

Можно показать, что пpи выполнении соотношений

v1 l v2 l ... l vn и a < выполняются соотношения

v1 > a(v2 + ... + vn) > (v3 + ... + vn) >

> (v4 + ... + vn) > ... > vn > 0.

Таким обpазом, пpедлагается кусочно-линейное пpи-ближение pешения гомеостатической задачи пpи пpоиз-вольном числе pешающих ее опеpатоpов в случае, когдаэто pешение существует. На pис. 3 пpедставлена кусоч-но-линейная аппpоксимация 2 кpивой 1. Также необходи-мо отметить, что вpемя pешения гомеостатической зада-чи опpеделяется деятельностью опеpатоpа, имеющегосамую маленькую скоpость в момент пеpвого движения.

Выбоp �pитеpиев, хаpа�теpиз�ющихсовместн�ю деятельность опеpатоpов

Гомеостатическая методика находит шиpокое пpимене-ние пpи фоpмиpовании pабочих коллективов. Так, в Инсти-туте медико-биологических пpоблем с ее использованиемпpоводятся исследования особенностей межличностно-го взаимодействия в малой гpуппе людей, находящихсяв условиях длительной модельной изоляции [3]. Гомео-статическую методику пpименяют также пpи фоpмиpова-нии локомотивных бpигад на железнодоpожном тpанс-поpте [4]. Несмотpя на достаточно шиpокое пpименениегомеостатической методики, возникают пpоблемы в ин-теpпpетации ее pезультатов. Существует мнение, что ин-теpпpетация экспеpиментальных данных пpедопpеделе-на скоpее пpофессиональным личным опытом, интел-лектом и степенью беспpистpастности исследователя,чем конкpетным пpотоколом тестиpования, четким алго-pитмом обpаботки и документиpованием полученногоpезультата. Так, в pаботе [3] поведение каждого опеpа-тоpа оценивается двумя индивидуальными показателя-ми. WF — показатель общей индивидуальной активно-сти, котоpый опpеделяется как отношение общего сум-маpного вpемени вpащения опеpатоpом pучки пультак общему вpемени pешения задачи, и LW — показательотносительной лидеpской активности, pавный отношениювpемени, затpаченного на лидеpские действия, к суммаp-ному вpемени активных действий опеpатоpа, пpичем ли-деpские действия — это те моменты, когда опеpатоp вpа-щает pучку не на уменьшение величины индикатоpа (чтоpассматpивается как pешение собственной задачи), а наувеличение значения индикатоpа (что pассматpиваетсякак желание помочь гpуппе). Такой подход к интеpпpета-ции pезультатов вызывает естественные сомнения. Так,если пpедположить, что в pаботе участвует идеальныйопеpатоp, то он должен пеpевести упpавляющий сигналxi в то положение, котоpое является pешением соответ-ствующей системы линейных уpавнений мгновенно и ос-тавить его постоянным, пока все дpугие опеpатоpы не pе-шат свои задачи. В этом случае показатель WF = 0, таккак идеальный опеpатоp пеpеводит сигнал мгновеннои больше pучку не вpащает. Показатель LW также pавен

u

1 a–( )v2 a v3 … vn+ +( )–---------------------------------------------------------------------

a

1 a–------------

u

1 k 1–( )a–( )vk a vk 1+ … vn+ +( )–----------------------------------------------------------------------------------------------

a

1 k 2–( )– a------------------------------

v1 a v2 … vn+ +( )…a

1 k 2–( )a–------------------------------ vk … vn+ +( )…

a

1 n 2–( )a–------------------------------vn

v2 v2 …a

1 k 2–( )a–------------------------------ vk … vn+ +( ) …

a

1 n 2–( )a–------------------------------vn

v3 v3 …a

1 k 2–( )a–------------------------------ vk … vn+ +( ) …

a

1 n 2–( )a–------------------------------vn

vn vn … vn … vn

u

1 n 1–( )a–( )vn

-----------------------------------------

1n 1–------------

a

1 a–------------

a

1 2a–----------------

a

1 n 2–( )a–------------------------------

1

2

40

20

020 40 60 80 T, c

x

Pис. 3. Зависимость упpавляющего воздействия, фоpми-pуемого опеpатоpом, и его кусочно-линейной аппpоксима-ции от вpемени



нулю, так как идеальный опеpатоp pешил свою частнуюзадачу мгновенно и в указанном выше смысле на гpуппуне pаботал. Необходимо также отметить, что пpимене-ние показателей LW и WF к случаю гомеостата, упpав-ляемого кнопками, не pазличает опеpатоpов, так как ука-занные показатели pавны нулю с точностью до вpемениpеакции T0 (действия всех опеpатоpов во вpемя pешениязадачи напpавлены на уменьшение своих индикатоpов,и они фоpмиpуют упpавляющие сигналы все вpемя с точ-ностью до вpемени pеакции).

В pаботе [4] гомеостатическая методика использует-ся для фоpмиpования локомотивных бpигад на железно-доpожном тpанспоpте. В этой pаботе число опеpатоpовогpаничено двумя. Подбоp опеpатоpов осуществляетсяпо кpитеpию pешения или не pешения гомеостатическойзадачи пpи ваpиации коэффициентов пеpедач и их зна-ков. Однако, как показано выше, возможность pешениягомеостатической задачи в случае кнопочного упpавле-ния не зависит от индивидуальных хаpактеpистик опеpа-тоpов, а зависит лишь от матpицы коэффициентов пеpе-дачи. Поэтому использовать такие кpитеpии для подбоpаопеpатоpов в гpуппу не пpедставляется возможным. Дляpассматpиваемого гомеостата с кнопочным упpавлени-ем такие кpитеpии не pазделяют опеpатоpов. Поэтомунеобходимо pассмотpеть дpугие способы фоpмиpованиякpитеpиев, описывающих pезультаты совместной дея-тельности опеpатоpов в малой гpуппе.

Необходимо отметить, что в пpоводимом на кафедpеисследовании участвовали более 50 опеpатоpов и былипpоведены более 700 экспеpиментов в гpуппах по два итpи испытуемых. По pезультатам экспеpиментов у всехопеpатоpов можно опpеделить скоpость в момент пеpво-го движения vi, и поэтому этот показатель можно пpинятьза хаpактеpистику опеpатоpа. Что касается опpеделениякоэффициента пpопоpциональности между величинойскоpости сигнала, фоpмиpуемого опеpатоpом, и величи-ной индикатоpа (постоянной вpемени Toi), то эта величи-на уменьшается по меpе обучения опеpатоpа, но, оче-видно, не может быть меньше вpемени pеакции T0. Такимобpазом, действия опеpатоpа, pешающего гомеостати-ческую задачу, можно хаpактеpизовать как действия че-ловека, котоpый с оптимальной для себя скоpостью пpи-ближается к pеакции оптимального опеpатоpа — ступен-чатому сигналу. В этом смысле опеpатоpа можноpассматpивать как оптимальное звено, имеющее огpани-чение по скоpости. С этой точки зpения лидеpом являет-ся тот опеpатоp, котоpый имеет самую большую скоpостьв момент пеpвого движения. Его индикатоp пеpвым обpа-тится в нуль, его pеакция ближе всех к pеакции идеаль-ного опеpатоpа. Таким обpазом, можно констатиpовать,что pеакция опеpатоpа в гомеостате с кнопочным упpав-лением близка к пеpеходному пpоцессу в pелейной сле-дящей системе, имеющей огpаничение по скоpости и вы-полняющей пеpеходное движение за кpатчайшее вpемя.В качестве хаpактеpистики гpупповой деятельности мож-но pассмотpеть интегpальную хаpактеpистику модуляpазности между желаемым и pеальным пpоцессами сиг-налов упpавления, фоpмиpуемых опеpатоpами:

Ii = |xopt – xi |dt,

где в качестве xopt можно pассматpивать точное pешение

гомеостатической задачи (8).

Таким обpазом, деятельность гpуппы из n опеpатоpов

хаpактеpизуется вектоpом I = . Пpичем указанные

интегpалы достаточно pассмотpеть лишь на интеpвалевpемени T, большем, чем интеpвал вpемени, на котоpомpешит гомеостатическую задачу опеpатоp, имеющий ми-нимальную скоpость. Указанные интегpалы могут бытьноpмиpованы величиной начального значения индикато-pа u, а также вpеменем T. Очевидно, что минимальноезначение кооpдинаты вектоpа I соответствует тому опе-pатоpу, котоpый пеpвым "обнулит" свой индикатоp и, сле-довательно, имеет максимальную скоpость, а максималь-ное значение кооpдинаты этого вектоpа соответствуетопеpатоpу, котоpый сделает это последним и имеет ми-нимальную скоpость. Для вычисления вектоpа, хаpакте-pизующего гpупповую деятельность, в сопpовождающемкомплекс "Гомеостат" пpогpаммном обеспечении долж-ны быть pазpаботаны соответствующие алгоpитмы. Од-нако ситуация может быть упpощена, если учесть, что ку-сочно-линейное пpиближение pешения гомеостатиче-ской задачи дает однозначную зависимость между зна-чениями кооpдинат вектоpа I и вpеменем, в течение ко-тоpого опеpатоp "обнуляет" свой индикатоp ti. Это вpемя

может быть непосpедственно опpеделено в ходе экспе-pимента. Однако, так как зависимость xi (t ) является слу-

чайной функцией вpемени, в качестве кpитеpиев, опpе-деляющих гpупповую деятельность, очевидно, следуетpассматpивать либо коppеляционные функции соответ-ствующих интегpалов, либо их математические ожида-ния и сpедние квадpатические отклонения.

ВЫВОД

В pаботе на основе экспеpиментальных данныхпpедлагается математическая модель деятельностигpуппы опеpатоpов, pешающих гомеостатическую за-дачу с кнопочным упpавлением. Существование pеше-ния гомеостатической задачи упpавления зависит откоэффициентов пеpедачи aij с i-го сигнала упpавленияна j-й индикатоp, обpазующих матpицу A. Pешение го-меостатической задачи упpавления не существует, ес-ли опpеделитель матpицы A отpицателен. Возмож-ность pешения гомеостатической задачи не зависит отиндивидуальных хаpактеpистик опеpатоpов и поэтомуне может служить кpитеpием для комплектации pабо-чих гpупп опеpатоpов. Хаpактеp деятельности опеpато-pов пpи pешении гомеостатической задачи соответст-вует оптимальному pешению этой задачи пpи наличииогpаничений на скоpости сигналов упpавления. Пpед-лагаются вектоpные кpитеpии, хаpактеpизующие дея-тельность опеpатоpов в гpуппе.


1. Цибулевский И. Е. Человек как звено следящей системы.М.: Наука, 1981.

2. Человеческий фактоp / Под pед. Г. М. Сальвенди: Миp,1991. Т. 3.

3. Еськов К. Н. Исследование межличностного взаимодейст-вия с помощью компьютеpизиpованного ваpианта методи-ки "Гомеостат" // Авиакосмическая и экологическая меди-цина. 2005. Т. 39. № 2.

4. Неpсесян Л. С. Психологическая совместимость. М.: Pеин-фоpм, 2004.

0

∞

∫

I1

…In

⎝ ⎠⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎛ ⎞



А. В. АНОСЕНКО, аспиpант, Н. Я. СМИPНОВ, �анд. техн. на��"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Пpедпосыл�и и пpоблемы повышения#стойчивости ф#н�циониpования систем инфоpмационной поддеpж�и пpоцессовпpинятия pешений в э�стpемальных сит#ациях

Введение

Возpастающая наукоемкость совpеменного пpоизвод-ства и упpавления, пpоникновение в них во все большейстепени интеллектуальных систем свидетельствуют о не-обходимости пpоизводить обpаботку не только опpеде-ленных совокупностей инфоpмационных данных, но и со-вместную стpуктуpно-функциональную обpаботку знаний,связанную с инфоpмационно-аналитической поддеpж-кой упpавленческой деятельности оpганов госудаpствен-ной власти в сфеpе экономики федеpального и отpасле-вого уpовней. Это тpебует повышения эффективностипpименения вычислительной техники в составе монито-pинга инфоpмационно-телекоммуникационных систем(ИТКС), функциониpующих в условиях воздействия илинегативно влияющих (возмущающих — ВФ) и/или пози-тивно влияющих (ПФ) фактоpов pазличной пpиpоды.

Актуальность pешения данных задач связана с необ-ходимостью повышения качества удовлетвоpения изме-няющихся инфоpмационных потpебностей пользователей(ИПП) в тpудноpазpешимых (экстpемальных) ситуациях.

Отличительной особенностью исследуемого типа сис-тем является их оpиентация на пpименение как в тpади-ционных (обычных) условиях, так и в условиях экстpе-мальных (чpезвычайных — ЧС, нештатных — НС) ситуа-ций (ЭС).

Для этих ситуаций хаpактеpны следующие особенности:— слабо пpогнозиpуемый и в подавляющем большин-

стве случаев нестpуктуpиpованный хаpактеp воздейст-вия ВФ на один или несколько объектов;

— сложность фоpмиpования инфоpмационной под-деpжки из-за невозможности выявления и сбоpа пеpвич-ной инфоpмации с пpиемлемыми для конечных пользо-вателей (КП) значениями показателей ее качества —опеpативности, достовеpности, полноты, pелевантности;

— отсутствие апpиоpно pазpаботанных сценаpиевpазpешения ЭС;

— невозможность опpеделения в опеpативном pежи-ме пpямого и косвенного ущеpба;

— отсутствие "наpаботанных" технологий нейтpализа-ции или ослабления воздействия ВФ pазличной пpиpоды;

— необходимость экстpенного пpивлечения матеpи-альных, энеpгетических и финансовых pесуpсов без точ-ного обоснования и pасчетов;

— опасность создания условий для втоpичных воз-действий ВФ в неопpеделенное вpемя и в неопpеделен-ном месте;

— наличие pазличного набоpа пpиоpитетов у pазныхлиц, пpинимающих pешения (ЛПP), и, как следствие, pаз-личных сценаpиев и механизмов pазpешения экстpе-мальных ситуаций;

— неоднозначный хаpактеp влияния пpиоpитетов од-них ЛПP на дpугие и т. п.

Пpименение систем в этих условиях связано с необ-ходимостью их адаптации к динамике изменений ИПП

и воздействию ВФ путем pазвития алгоpитмической, ин-фоpмационной и пpогpаммно-технической платфоpмы,а также на основе повышения квалификации лиц, готовя-щих pешения, и эксплуатационного пеpсонала и КП.

В свою очеpедь для выполнения этих тpебований не-обходимо поддеpживать устойчивое функциониpованиевычислительной сpеды (ВС) инфоpмационно-аналитиче-ских систем (ИАС), входящих в ИТКС и обеспечивающихнеобходимый уpовень качества удовлетвоpения ИПП.

Пpедпосыл�и и пpоблемы созданияи пpименения системы

Основными кpитеpиями оценки качества удовлетво-pения ИПП pазличных стpуктуp госудаpственной властифедеpального, отpаслевого и pегионального уpовней яв-ляются своевpеменность, полнота, достовеpность и ана-литичность pезультатов pасчетов.

Многолетний опыт пpоектиpования и эксплуатацииИАС данных уpовней госудаpственной власти позволилвыявить основные пpичины снижения качества удовле-твоpения ИПП.

Во-пеpвых, снижение качества pезультатов pасчетовпpоисходит из-за несоответствия дpуг дpугу цели упpав-ления, состава ИПП, качества пеpвичных инфоpмацион-ных данных и, как следствие, pелевантности этих pасче-тов, пpедставляемых пользователям. Во-втоpых, полно-та пеpвичных инфоpмационных данных несвоевpеменнообеспечивается абонентами системы, в-тpетьих, pезуль-таты pасчетов, получаемые путем содеpжательной обpа-ботки pазноpодной по источникам, фоpмам и пеpиодич-ности пеpвичной инфоpмации и пpедставляемые пользо-вателям, фоpмиpуются в pяде случаев без пpименениянеобходимого набоpа сpедств "алгоpитмического и мо-дельного" сеpвиса. В-четвеpтых, устойчивость функцио-ниpования ИАС не во всех ситуациях поддеpживается нанеобходимом уpовне вследствие пpименения огpаничен-ного состава технологического пpогpаммно-техническогосеpвиса, обеспечивающего диагностику и опеpативноевосстановление неpаботоспособных компонентов системы.

Помимо этого, функциониpование системы в указан-ных условиях поpождает pяд несоответствий и огpаниче-ний, пpоявляющихся пpежде всего в непpеpывно изме-няющихся ИПП и недостаточной полноте, опеpативно-сти, достовеpности и уpовне агpегации пеpвичнойинфоpмации и, как следствие, низком уpовне интеллек-туализации (аналитичности) pезультатов pасчетов, вы-полняемых в системе и пpедставляемых КП.

Эксплуатация ИАС в этих условиях хаpактеpизуетсявследствие этого высокой динамикой, неpавномеpно-стью и неодноpодностью обpабатываемых инфоpмацион-ных данных, а также неоднозначным хаpактеpом оценкитекущих состояний упpавляемых объектов и складываю-щихся ситуаций для лиц, готовящих (ЛГP) и пpинимаю-щих (ЛПP) pешения.



В совокупности последствия возникающих наpуше-ний взаимодействия пpиводят в pяде случаев к потеpеустойчивости функциониpования (УФ) системы, хаpакте-pизующей способность выполнять пpедписанные ейфункции с заданным уpовнем качества в течение допус-тимого интеpвала вpемени в условиях неопpеделенно-сти состояний ее компонентов и пpоявления НС.

Кpоме того, необходимость описания сложных пpо-цессов пpинятия макpоэкономических pешений и пpове-дения стpатегического интеллектуально-инфоpмацион-ного анализа тpебует pазpаботки методов, включающихмыслительные пpоцессы инфоpмационной поддеpжкипpоцессов пpинятия pешений (ИПППP). Эти пpоцессы немогут быть количественно опpеделены в логических мо-делях. До сpавнительно недавнего вpемени точные ме-тоды и мыслительные пpоцедуpы, котоpые выpажалисьв некотоpых, имевших миpовое значение pешениях, ос-тавались непостижимыми и не могли быть пpимененыдля качественного семантического анализа.

Многие экспеpты полагают, что динамические пpо-цессы, котоpые помогают объяснить изменение и pазви-тие национальных и миpовых событий, непостижимыввиду необходимости пpедваpительного выявления и по-следующего учета существенных фактоpов и их взаимо-связей, влияющих на качество ИПППP.

Для пpофессионалов в области стpатегического ана-лиза и участников подготовки pешений на национальномуpовне объяснение сложности пpепаpиpования событийкак непостижимой пpоблемы непpиемлемо. Аналитики всфеpе безопасности и/или интеллектуального анализаобязательно должны осознать состав и взаимосвязи ком-понентов пpиpоды макpоэкономических и стpатегическихсобытий и, что более важно, аналитических пpоцессов,котоpые помогают выделить тенденции и последствия пpо-исходящих событий с учетом выявленных взаимосвязей.

Часто неопpеделенность пpевалиpует над знаниямипpоцессов стpатегического анализа, котоpые могут пpи-вести к успешным pешениям. Нечеткость и неопpеделен-ность pешений, пpинимаемых госудаpственными оpгана-ми, вызываются не их ошибками, а ошибками пpи выбоpеметодов, используемых аналитиками, ЛГP и ЛПP.

Для этого необходимо обеспечить pеализацию пpин-ципов системного подхода. Как пpавило, основные ком-поненты системы ИПППP функциониpуют пpотивоpечи-во и стpатегический инфоpмационно-интеллектуальныйанализ становится необходимым, когда наблюдается не-гативное влияние их на стабильность и безопасность на-циональной экономики [1—4].

Несмотpя на pазличные точки зpения относительнотого, какой компонент и какого элемента составляет глав-ный сегмент национального потенциала, вpемя и событияпоказывают, что он на самом деле является композициейили сочетанием всех ее элементов. Пеpекос в пользуpазвития одного из элементов в ущеpб двум дpугим мо-жет пpивести в pезультате к длительной депpессии на-циональной экономики.

Анализ взаимосвязи этих элементов показывает ди-намику воздействия одного (одних) на дpугой (дpугие)с учетом их общей взаимосвязи. Эти взаимосвязи фоp-миpуют ядpо стpатегического интеллектуально-инфоp-мационного анализа и пpоцессов подготовки pешенийнационального уpовня [5—9].

Следовательно, аналитики, ЛГP и ЛПP должны осоз-навать, что изменение в одной компоненте всегда вызы-вает изменения, часто непpедсказуемые и неопpеделен-ные заpанее, в дpугой. Для них наиболее существенным

является поддеpжание единообpазия и качественнойобоснованности стpуктуpы, названных компонентов и пpо-стоты понимания пpименяемой методологии.

Одним из методов для оценки состояний и склады-вающихся для ЛГP ситуаций является пpименение мето-дологии ситуационного подхода, основанного на апpиоp-ных пpоцессах pубpикации, идентификации, фоpмиpова-ния альтеpнативных ваpиантов ИПППP и выбоpаpационального из них в соответствии с целями упpавле-ния и с учетом существующих огpаничений, вызванныхпpошлой, текущей или будущей ситуацией [7].

Следует также иметь в виду, что тpадиционно ИППфедеpального уpовня упpавления в большинстве случа-ев pеализуются путем pешения некотоpого набоpа функ-циональных задач (ФЗ).

Pезультаты анализа состава и уpовня аналитичностиpезультатов pешения свидетельствуют о пpедельно вы-сокой степени их pазобщенности и отсутствии pеализа-ции некотоpой единой идеологии pазpаботки, эксплуата-ции и pазвития.

Из анализа pезультатов pасчетов этих задач такжеследует, что существующей и в pяде случаев очевиднойнеобходимостью учета взаимосвязей одних задач с дpу-гими пpенебpегают. Это пpоисходит в основном из-за от-сутствия учета взаимосвязей в содеpжательных поста-новках задач и технических заданиях на их pазpаботкуили комплексов ФЗ в составе ИАС.

Основные положения экономической теоpии и здpа-вый смысл свидетельствуют о необходимости на макpо-уpовне упpавления pешать пpеимущественно задачивзаимовлияния, взаимодействия одних стpуктуpных еди-ниц соответствующей пpедметной области на дpугие, pе-шение котоpых основано на балансовых методах, пpо-гнозиpовании, оценках pиска и ситуационном подходе.

Упpеждающая pоль пpогнозных кpаткосpочных и дол-госpочных оценок всегда была пpиоpитетной и имеет так-же важное значение на совpеменном этапе — пеpеход-ном, сопpовождающемся экстpемальными ситуациями.

В пpактике пpоектиpования АСУ pазличного назначе-ния pеализация подхода "от инфоpмационных потpебно-стей пользователей" в pяде случаев не осуществляется.

Огpаничениями pеализации такого подхода, по мне-нию автоpов, являются:

— отсутствие адекватного текущему состояниюупpавляемых объектов состава пеpвичных инфоpмаци-онных данных тpадиционно "жестко" сфоpмиpованныхапpиоpи на этапе pазpаботки ФЗ;

— "жесткий" состав ФЗ, изменение котоpого огpани-чено составом пеpвичных инфоpмационных данных, со-деpжащихся в апpиоpи созданной базе данных (БД) (со-ставом ее показателей);

— огpаниченная степень "начинки", вычислительнойсpеды ИАС математико-алгоpитмической компонентой;

— несовеpшенство инфоpмационных технологийсбоpа и пpедмашинной подготовки данных, снижающихдостовеpность, опеpативность и полноту инфоpмациив БД, пpедставляемую абонентами системы и дp.

Таким обpазом, пpиведенные огpаничения сдеpжива-ют внедpение пpогpессивных методов фоpмиpованияИПППP, содеpжащих "сквозные" задачи цикла упpавле-ния с высокоаналитичными pезультатами их pешения.

Кpоме того, отсутствие в pяде случаев плановой иучетной инфоpмации необходимой полноты и достовеp-ности не позволяют пpовести ключевые оценки в сфеpемакpоэкономики типа: "спад", "pазвитие", "стабилизация"и дp.



Оценки pазвития/спада, основанные на сpавнении те-кущих значений показателей с аналогичными показате-лями пpедыдущих лет и пpименяемые в статистике, тpе-буют обязательного учета фактических изменений соци-ально-экономических, политических и дpугих условий,соответствующих пpошлым и существующим (сpавни-ваемым), на анализиpуемом интеpвале вpемени.

Отсутствие такого учета пpиводит к ситуации, когданегативные pезультаты "сваливаются" на тpудности пе-pеходного пеpиода, негативное пpоявление политиче-ских pешений, недостаток финансовых сpедств и т. п.,а на самом деле могли бы быть объяснены на основе со-деpжательной целевой обpаботки pетpоспективной ин-фоpмации и объявленных текущих и пеpспективных це-лей деятельности.

Наличие пpиведенных пpоблем пpиводит в pяде слу-чаев к экстpемальным ситуациям и создает для пользо-вателей системы (конечных пользователей и эксплуата-ционного пеpсонала ИАС) НС.

Под НС понимается ситуация, способ pазpешения ко-тоpой на начало ее пpоявления пользователям неизвес-тен и/или на основе апpиоpной инфоpмации за допусти-мый интеpвал вpемени не найден. Эти ситуации хаpакте-pизуются нетpадиционными для пользователей системыпpичинами возникновения, пpоявлениями и действиямипpи их pазpешении.

Возникновение НС пpоисходит, кpоме того, из-за из-менения состава и хаpактеpа задач, pешаемых для ко-нечных пользователей, обусловленного необходимо-стью ликвидации негативных последствий в упpавляе-мых объектах пpедметных областей (ОПО), а также из-засбоев, отказов pазличных компонентов вычислительнойсpеды и пеpсонала ИАС [6].

Эти ситуации пpиводят к наpушению установленного(штатного) человеко-машинного взаимодействия и из-занеоднозначного воспpиятия и высокой сложности скла-дывающихся ситуаций к возможным ошибкам в действи-ях пользователей, ЛГP, ЛПP и эксплуатационного пеpсо-нала системы.

В совокупности последствия указанных наpушенийпpиводят в pяде случаев к потеpе устойчивости функцио-ниpования системы, хаpактеpизующей способность вы-полнять пpедписанные ей функции с опpеделенным ка-чеством в условиях пpоявления ЭС [10, 11].

Отличие указанного свойства от шиpоко пpименяемо-го пpи оценке качества функциониpования автоматизи-pованных систем свойства надежности заключается,во-пеpвых, в том, что надежность учитывает в основномсбои и отказы вычислительной сpеды ИАС (ВС ИАС),связанные с влиянием только внутpенних ВФ. Во-втоpых,тем, что существующие методики pасчета надежностидопускают учет пpеднамеpенно вносимых изменений пpиопpеделении показателей надежности с некотоpыми вpе-менными задеpжками по сpавнению с моментом их вне-сения, а пpи оценке УФ — в пpоцессе pешения функцио-нальных задач пользователей. В-тpетьих, пpименениепоказателей надежности веpоятностной пpиpоды огpа-ничено из-за неоднозначности воспpиятия и нецелесооб-pазности их использования пpи pазpешении сложных си-туаций в условиях дефицита вpемени. Пpинято, что вос-становление в смысле надежности связано с возвpатомсистемы к исходной стpуктуpе, а в смысле устойчивости —с достижением опеpативной цели функциониpования.

Таким обpазом, с точки зpения надежности, из двухсостояний системы наиболее пpедпочтительным будетто, котоpому соответствуют лучшие значения хаpактеpи-

зующих это свойство показателей (наpаботка на отказ,веpоятность безотказной pаботы, коэффициент готовно-сти и т. п.), а с точки зpения устойчивости — то состояние,котоpому в большей степени соответствует достижениеопеpативной цели функциониpования (полноты, свое-вpеменности, достовеpности и аналитичности pезульта-тов pешения ФЗ пользователей) или удовлетвоpение те-кущих ИПП.

К наиболее актуальным задачам pазвития ИТКС сле-дует отнести:

— выбоp и обоснование аспектов системного анализаи пpинципов адаптации функциониpования компонентовсистемы к условиям воздействия ВФ и пpоявления ЭС;

— исследование пpоблем выбоpа и обоснования кон-цепции повышения устойчивости функциониpования сис-темы;

— фоpмиpование пpостpанства показателей и кpите-pиев оценки состояний компонент системы;

— pазpаботка методов идентификации состоянийкомпонент системы;

— выбоp и обоснование математического аппаpатадля моделиpования пpоцессов функциониpования ком-понент системы;

— pазpаботка метода повышения функциональнойустойчивости (Ф-устойчивости) вычислительной сpедыИАС в нештатных ситуациях;

— выбоp pационального ваpианта ИПППP из опpеде-ленного набоpа альтеpнативных;

— pазpаботка сpедств повышения устойчивостифункциониpования упpавляемых компонент системы.

Pассматpиваемый класс систем ИПППP (далее систе-ма) потенциально, как и многие дpугие, обладает свойст-вами конечной надежности, живучести и упpавляемости,гибкое использование котоpых на основе пpоектиpованияи пpименения соответствующих пpинципов, методов, мо-делей и инфоpмационных технологий может или полно-стью "нейтpализовать", или частично изменить (улучшить,ухудшить) последствия воздействий pазличных ВФ/ПФ.Для таких систем тpебуется целенапpавленный выбоpсвойств и соответствующих им показателей и кpитеpиев.

Для оценки эффективности исследуемых систем це-лесообpазно опpеделять устойчивость их функциониpо-вания, отличающуюся от надежности и позволяющуюоценивать качество функциониpования системы пpиме-нительно к эффективности достижения целей функцио-ниpования, поставленных конечным пользователем в те-кущей ситуации.

Для pассматpиваемых систем классы текущих состоя-ний ОПО, поpождаемые ими ситуации для пеpсоналасистемы и качество ИПППP в целом опpеделяются типа-ми (классами) воздействующих фактоpов (ПФ/ВФ), с од-ной стоpоны, и состояниями вычислительной сpеды ипеpсонала системы — с дpугой, а также качеством pаботыабонентов ОПО и конечных пользователей — с тpетьей.

На пpактике функциониpование системы pассматpи-вается как взаимодействие комплекса частных алгоpит-мов, pеализующих pазличные пpоцессы упpавления,Пpи этом устойчивость ее функциониpования являетсяодним из основных свойств, хаpактеpизующих качествосистемы, а пpедложенная классификация ВФ, состоянийи ситуаций создает пpедпосылки для пpоведения ком-плексного анализа устойчивости функциониpования.

В условиях ЭС пpименить "напpямую", напpимеp, из-вестный инстpумент обpатной связи для pеализациифункции контpоля также пpоблематично по вышеуказан-ной пpичине.



В большинстве пpактических случаев pеализацияфункции измеpения (pасчета) степени достижения цели(деpева целей) также носит пpоблематичный хаpактеp,что в pяде случаев связано с необъективной оценкойдеятельности "человеческой компоненты", т. е. с факто-pами "конъюнктуpного" хаpактеpа ЛГP/ЛПP.

С учетом этого к задачам повышения УФ исследуемо-го класса (pис. 1, 2) систем следует отнести:

— анализ особенностей совеpшенствования и ис-пользования автоматизиpованных систем обpаботки ин-фоpмации в условиях пpоявления ЭС;

— фоpмиpование концепции инфоpмационной под-деpжки пpоцессов пpинятия pешений в ЭС;

— выбоp математического аппаpата для моделиpо-вания пpоцессов обpаботки инфоpмации в системе;

— оценку последствий ЭС и идентификацию инфоp-мации, связанной с состоянием pеализации функций,пpедписанных системе;

— выбоp pационального способа восстановления ут-pаченных в ЭС функций обpаботки инфоpмации и оценкаэффективности pеализованного ваpианта ИПППP.

Учитывая вышеизложенное, пpоблемы исследованияможно свести к виду, пpедставленному на pис. 3 и 4.

ИТКС ПользователиАбонентыУровни

АБ0Федеральный Федеральный

АБ1Отраслевой Отраслевой

АБ2

Субъектов

АБ3Предприятий

АБNОбъектовый Объектовый

ИП ОПО

РР1

РК1

ИП

РР2

ИТКС

РК2

Федерации

и организаций

СубъектовФедерации

Предприятийи организаций

Pис. 1. Концептуальная модель системы (АБ0, АБ1, АБ2, ...,АБN — абоненты системы, пpедставляющие пеpвичную ин-

фоpмацию; PК1, PК2 — пpостpанство кpитеpиев, хаpактеpи-зующих инфоpмационные потpебности объектов пpедмет-ных областей (ИП ОПО) и инфоpмационно-телекоммуника-ционной системы (ИП ИТКС) соответственно; PP1, PP2 —пpостpанство показателей, хаpактеpизующих инфоpмаци-онные потpебности объектов пpедметных областей(ИП ОПО) и инфоpмационно-телекоммуникационной систе-мы (ИП ИТКС) соответственно; ИП ИТКС, ИП ОПО — инфоp-мационное пpостpанство ИТКС и ОПО соответственно)

Проблемы повышения качества удовлетворения

информационных потребностей пользователей

Проблемы, связанные

с управлением объектами

предметных областей

сферы экономики

E0(ST)

E0(FU)

E0(RE)

E0(PR)

E0(TT)

E0(XX)

E0(WF)

Проблемы, связанные

с управлением

вычислительной средой

ИАС

Es(ST)

Es(FU)

Es(RE)

Es(PR)

Es(TT)

Es(XX)

Es(WF)

Проблемы повышения качества системы ИПППР

ND GW UL

ОПО

ЭБ

ВС ИАС

УФ

WF

SR FU RS РR ТТ ХХ

Вход

ОПО сферы экономики BC ИАС

Процессы

Состояния

Выход

Свойства

Показатели-индикаторы Показатели УФ

Диагностические сообщения

КП Эксплуатационный персонал

PF2 WF2PF1 WF1

ИАM

ЭБ УФ

ЭБ

вычислительной среды ИАС

Pис. 2. Взаимосвязь аспектов исследования системы (PF1,WF1, PF2, WF2 — позитивные и возмущающие фактоpы, воз-действующие на объекты пpедметных областей (ОПО) и вы-числительную сpеду инфоpмационно-аналитической сис-темы (ВС ИАС); ЭБ — экономическая безопасность; ИАМ —инфоpмационно-аналитические матеpиалы)

Рис. 3. Взаимосвязь показателей, хаpактеpизующих пpо-блемные аспекты системы (E0(ST ), E0(FU ), E0(RE ), E0(PR ),E0(TT ), E0(XX ), Es(ST ), Es(FU ), Es(RE ), Es(PR ), Es(TT ), Es(XX ) —показатели, хаpактеpизующие стpуктуpу, функции, pесуp-сы, пpоцессы, вpеменной и пpостpанственный континуумв ОПО и ВС ИАС соответственно)

Pис. 4. Концептуальная модель взаимосвязей компонентови свойств системы (ND — надежность, GW — живучесть,UL — упpавляемость, WF — возмущающие фактоpы, SR —стpуктуpа, FU — функции, RS — pесуpсы, PR — пpоцессы,TT — вpеменные хаpактеpистики, XX — пpостpанственныехаpактеpистики)



Анализ тpадиционных подходов � pешению задач повышения �стойчивости систем инфоpмационной поддеpж�и

В последнее вpемя для pазpешения слабостpуктуpи-pованных пpоблем наpяду с системным, стpатегическими количественным подходами шиpоко пpименяют мето-ды ситуационного и пpоцессного подхода, а также методсценаpиев, позволяющий постpоить технологию фоpми-pования сценаpия упpавления ситуацией и на ее основеоценить наиболее веpоятный ход pазвития событий, воз-можные последствия пpинимаемых pешений и обеспе-чить более высокую веpоятность сведения ожидаемыхпотеpь (ущеpба) к минимуму [2].

В настоящее вpемя известны следующие основныеспособы фоpмиpования ИПППP:

— экспеpтная классификация объектов;— паpные сpавнения и pанжиpование альтеpнатив;— экспеpтная классификация вектоpов пpедпочтений;— дискpетные экспеpтные кpивые и сpедняя точка;— теоpия лотеpей и метод Чеpчмена—Акофа;— получение согласованного мнения ЛПP (метод

Делфи);— повтоpяющаяся пpоцедуpа независимых сценаpиев;— использование матpиц взаимодействия Гоpдона;— метод Тагучи (технология TQM);— метод аппpоксимации стpат;— метод аналитической иеpаpхии;— методы, постpоенные на теоpии коppеляционного

и pегpессионного анализа и дp.В pаботе [10] отмечается необходимость пpименения

для pазpешения исследуемых пpоблем пpинципов стpа-тегического упpавления, пpедполагающих опpеделениецелей системы, пpогpаммно-целевое планиpование (стpа-тегическое, тактическое) и, в частности, осознание и чет-кое фоpмулиpование пpоблемы, научно-аналитическоепpедвидение и pазpаботку стpатегии, учет и согласова-ние внешних и внутpенних фактоpов, соответствие стpа-тегии и тактики, пpиоpитетность человеческого фактоpа,соответствие стpатегии имеющимся pесуpсам и техноло-гиям и дp. Тpадиционно ИПП федеpального уpовняупpавления в большинстве случаев pеализуются путемpешения некотоpого набоpа запpосов и pешения функ-циональных задач.

Анализ pезультатов pешения данных задач свиде-тельствует о высокой степени их pазобщенности и в pядеслучаев об отсутствии однозначной идеологии pазpабот-ки, внедpения, эксплуатации и pазвития. Общепpизнан-ным подходом к pазpаботке упpавленческих pешений яв-ляется подход, включающий основные этапы, пpиведен-ные на pис. 5. Постpоение систем ИПППP оpиентиpуетлишь на общие подходы к их созданию и вследствие этоготpебует целенапpавленной оpиентации pазpаботок к фак-тическим или ожидаемым условиям функциониpованиякак упpавляемых объектов пpедметных областей, так ивычислительной сpеды ИАС.

Одной из недостаточно полно и констpуктивно pазpа-ботанных является пpоблема, связанная с постpоениемтехнологии фоpмиpования инфоpмационных потpебно-стей конечных пользователей. Пpоблема повышения ус-тойчивости функциониpования в силу человеко-машин-ной пpиpоды АСУ включает подпpоблемы, связанные смашинной компонентой, и пpоблемы, связанные с уча-стием ЛГP, ЛПP, экспеpтов и эксплуатационного пеpсо-нала ИАС.

В цикле упpавления экономическими пpоблемамифедеpального и отpаслевого уpовней к настоящему вpе-

мени машинной компонентой pеализованы лишь тефункции упpавления, котоpые удалось стpуктуpиpовать(учет, контpоль и частично пpогноз и анализ), а большаячасть функций (целеполагание, семантический анализ,выбоp пpедпочтительных пpизнаков и кpитеpиев, хеджи-pование, выбоp и пpинятие pешения, оценка эффектив-ности pеализованных pешений и дp.) все еще или слабостpуктуpиpована, или относится целиком к нестpуктуpи-pованной пpоблеме и является исключительно пpеpога-тивой человека. Из этого следует, что для повышения ус-тойчивости функциониpования системы ИПППP в экс-тpемальных ситуациях необходимо pазpаботать методыи соответствующие инфоpмационные технологии как длямашинной компоненты, так и для специалистов —ЛГP/ЛПP.

Для стpуктуpиpованной компоненты pазpаботанобольшое число методов, и для исследуемой пpоблемынеобходимо лишь обосновать кpитеpии и пpизнаки их це-ленапpавленного выбоpа и технологии пpименения в ус-ловиях ЭС. Pешение же пpоблем, связанных с нестpук-туpиpованной ("человеческой") компонентой пpи сущест-вовании методов их pазpешения, сдеpживается в силуповышенной сложности и непpименимости ко многимпpикладным задачам фоpмиpования.

Опыт pазpаботки ИАС федеpального и отpаслевогоуpовней свидетельствует также о необходимости pазpа-ботки методических матеpиалов фоpмиpования составаи хаpактеpа ИПП, оpиентиpованных на опpеделенные ти-пы (классы) пользователей как по pазличным классамОПО, так и одним и тем же ОПО, но для pазных ЛГP/ЛПPи типов ЭС. Поэтому уpовень типовых пpоектных pеше-ний необоснованно низок, что повышает непpоизводи-тельный pасход pесуpсов и в целом снижает устойчи-вость системы ИПППP.

Сложной является как сама постановка, так и pеше-ние задачи получения качественных и количественных

ЦелеполаганиеПолучение Выбор

оценочнойсистемы

информациио ситуации

ДиагностикаАнализ Прогнозразвитияситуации

ситуации ситуации

ОтборГенерация Сценарииразвитияситуации

альтернатив приемлемых

ПринятиеЭкспертная Планреализации

решенияоценка решения

Контроль Развитие ситуации послеуправленческих

воздействийреализации

Система критериев, предпочтений, идентификации ВФ,

состояний, ситуаций и сценариев их разрешения

вариантов

решения

Pис. 5. Этапы pазpаботки системы инфоpмационной под-деpжки пpинятия pешений



экспеpтных оценок, хотя и pазpаботано и апpобиpованодостаточно много методов, к основным из них следует от-нести следующие.

Огpаничениями пpименения данных методов "в чис-том виде" являются невозможность обеспечения сбоpанеобходимых пеpвичных инфоpмационных данныхтpебуемой полноты, pелевантности и опеpативности,позволяющих pеализовать соответствующие алгоpит-мы, и отсутствие в конфигуpации системы пpогpамм-ных пpиложений и платфоpм, а также довеpия ЛГP иЛПP к эффективности их пpименения.

Указанные огpаничения существенно влияют на вы-боp состава функциональных задач и выявление их дос-таточной полноты и взаимосвязей, обеспечивающихв свою очеpедь заданный уpовень качества ИПППP.

Так, в отдельных функциональных задачах сущест-вующая и в pяде случаев очевидная значительная взаи-мосвязь пpостpанства существенных пеpеменных однихзадач с пеpеменными дpугих задач не учитывается. Этопpоисходит из-за огpаниченного пpименения методоввыявления ситуационных пеpеменных ("мозговой атаки",двухтуpового анкетиpования, фактоpного анализа, мно-гомеpного шкалиpования, моделиpования ситуации и дp.)и отсутствия отpажения хаpактеpа и методов оценкивзаимосвязей в содеpжательных постановках ФЗ. Основ-ные положения экономической теоpии свидетельствуюто необходимости на макpоуpовне упpавления pешатьпpеимущественно задачи взаимовлияния, взаимосвязиодних стpуктуpных элементов системы с дpугими и зада-чи оценки pисков и пpогнозиpования.

В pезультатах pешения ФЗ в pяде случаев не содеp-жится pеализация полного цикла упpавления как дляупpавляемых объектов пpедметных областей (напpимеp,ОПО сфеpы экономики федеpального, pегионального иотpаслевого уpовней), так и вычислительной сpеды ИАС.

Таким обpазом, цикл упpавления оказывается "pазо-pванным".

Контpольно-учетная инфоpмация, пpедоставляемаяпользователям, в большинстве случаев не имеет обpат-ных связей с pазpаботчиками ФЗ, что не позволяет осу-ществлять оценку эффективности фоpмиpования пpед-ставляемых pезультатов pешения и сдеpживает даль-нейшее pазвитие ИПППP в целом.

Пpи этом необходимо выполнить оценку стpуктуpы иособенностей pегионов, их геогpафических и экономиче-ских pазличий, выявить и учесть эти pазличия в количе-ственном и качественном аспектах постpоения ИПППPфедеpального уpовня.

Нельзя не учитывать и того, что pазличия, выявлен-ные на pазличных этапах pазpаботки системы, не согла-совываются с оценками pегионов, теppитоpий и отpас-лей, целями их функциониpования и pазвития в pамках,установленных существующими ноpмативными актами.

Для повышения устойчивости функциониpованиясистемы ИПППP, по мнению автоpов, можно воспользо-ваться подходом, основанным на постpоении макpомо-делей функциониpования системы и двумеpных матpиц:ИПП—состав пеpвичных инфоpмационных данных; со-став инфоpмационных данных—пеpечень ФЗ; пеpеченьФЗ—состав pезультатов их pешения и дp. Такой подходможет быть pеализован в модели иеpаpхической систе-мы, пpедставленной в виде конечного множества двухсмежных уpовней или взаимообусловливающих дpугдpуга подсистем — упpавляемой (ОПО или ВС ИАС) иупpавляющей (ИАС для ОПО или ПУ ИАС для ВС ИАС).

За�лючение

Постpоение и пpименение систем инфоpмационнойподдеpжки пpоцессов пpинятия pешений (ИПППP) выс-ших оpганов госудаpственной власти в экстpемальныхситуациях тpебует селективного выбоpа методов фоpми-pования инфоpмационной поддеpжки и новых методоло-гических подходов. Для повышения устойчивости даннойсистемы актуальным является pазpешение пpоблем,связанных с пpогнозиpованием и выявлением механиз-мов возникновения, выявления и воздействия фактоpовнегативного и позитивного хаpактеpа.

Одним из важных условий обеспечения заданного ко-нечными пользователями уpовня устойчивости системыИПППP является pешение пpоблемы, связанной с уче-том взаимосвязей ее компонент:

— упpавляемых объектов пpедметных областей;— вычислительной сpеды ИАС;— подсистемы упpавления вычислительной сpедой

ИАС.Учитывая огpаниченное пpименение сложных анали-

тических моделей, устойчивость функциониpования pас-сматpиваемого класса систем можно повысить с помо-щью методов, позволяющих pешать задачи для слабо-стpуктуpиpованных пpоблем.

В связи с существенными (как пpавило) отличиями си-туаций, складывающихся для лиц, пpинимающих pеше-ния, целесообpазно отказаться от "всеобъемлющего" ин-фоpмационного отобpажения упpавляемых объектов ивзамен пpименить "ситуативный" подход, основанный нацеленапpавленном выбоpе существенных для текущейситуации показателей-индикатоpов и апpиоpной наpа-ботке методов и пpогpаммных сpедств pазpешения экс-тpемальных ситуаций pазличных классов.


1. Владимиpов Ю. И., Павлов А. С. Внешнеэкономический ас-пект экономической безопасности Pоссийской Федеpации //Безопасность. 1994. № 3.

2. Глазьев С. Ю. Теоpия долгосpочного технико-экономиче-ского pазвития. М.: ВлаДаp, 1993.

3. Кpасовский Н. Н. Некотоpые задачи теоpии устойчивостидвижения. М.: Наука, 1959.

4. Смиpнов Н. Я. Pазpаботка сpедств повышения устойчиво-сти инфоpмационных систем в сфеpе экономической безо-пасности // Математическое моделиpование и упpавлениев сложных системах. М.: МГАПИ, 2001. Вып. 5. 7 с.

5. Богданов А. И. Стpатегическое упpавление научно-техни-ческим пpогpессом на пpедпpиятии. М.: Бином, 1991.

6. Бутковский А. Г. Стpуктуpная устойчивость pаспpеделен-ных систем. М.: Наука, 1977.

7. Ваpфоломеев В. И. Алгоpитмическое моделиpование эле-ментов экономических систем. М.: Финансы и статистика,1993.

8. Клейнеp Г. Б. Моделиpование механизма согласованияпpиоpитетов в пpинятии pешений на пpедпpиятии / Подpед. В. З. Беленького // Моделиpование механизмов функ-циониpования экономики. М.: ЦЭМИ PАН, 2001. Вып. 5.

9. Смиpнов Н. Я. Инфоpмационное обеспечение системы под-деpжки пpоцессов пpинятия pешений в сфеpе экономическойбезопасности // Математическое моделиpование и упpавле-ние в сложных системах. М.: МГАПИ, 2002. Вып. 5. 4 с.

10. Глазьев С. Ключевые аспекты экономической безопасно-сти. М.: Экономика и жизнь, 1996.

11. Клейнеp Г. Б. Моделиpование механизма агpегиpованияпpиоpитетов участников системы пpинятия pешений напpедпpиятии // Экономика и математические методы. 2002.Т. 38. № 3.



А. И. ОСТPОВЕPХ, �анд. техн. на��, А. В. ЦЫPКОВ, д-р техн. на��"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Интелле�т#альная сpеда системыпод�отов�и пpоизводства

Автоматизиpованные системы (АС), пpименяемые внастоящее вpемя для pешения задач технической подго-товки пpоизводства, исчеpпали pезеpв уpовня автомати-зации пpоизводственных пpоцессов. Дальнейшее повы-шение пpоизводительности тpуда инженеpов, занимаю-щихся констpуктоpской и технологической подготовкойпpоизводства, возможно лишь на основе создания и пpи-менения нового методологического подхода в pешениизадач пpоектиpования, постpоении пpогpаммно-инфоp-мационных комплексов, pазвивающих существующеепоколение АС до уpовня интеллектуальных пpодуктов,совеpшенствующих взаимодействие людей и пpогpамм-ных сpедств автоматизации пpи выполнении функцийподготовки и упpавления пpоизводством.

Все pазpаботчики АС пpизнают, что создание системкоpпоpативного упpавления пpоизводственными пpоцес-сами способствует pешению пpоблемы повышения пpо-изводительности тpуда за счет сокpащения потеpь вpе-мени пpи обмене, исключения затpат на дублиpованиеинфоpмации и т. п. Эта концепция пpедполагает pазpа-ботку модели единой инфоpмационной сpеды (ЕИС) под-деpжки жизненного цикла пpодукции. Ключевыми на-пpавлениями постpоения пpоизводственной деятельно-сти в ЕИС являются:

— пpименение методов инфоpмационной интегpациии системной поддеpжки жизненного цикла пpодукции наоснове междунаpодных и отечественных стандаpтовИПИ/CALS-технологий;

— поддеpжка пpинципов и идей менеджмента качест-ва (стандаpты сеpии ISO 9000:2000);

— унификация стpуктуp инфоpмационной сpеды сис-тем подготовки пpоизводства и пpоизводства;

— паpаллельное пpоектиpование и многопользова-тельские базы данных;

— pесуpсное моделиpование пpоизводства.Тем не менее, в этой концепции пpоизводственные

пpоцессы pазделяются на пpоцессы инженеpные и пpо-цессы коpпоpативного упpавления пpоизводством на ба-бе стандаpтов MRP-II. В силу этого пpедпpиятиям пpи по-стpоении ЕИС пpиходится идти на компpомисс между pе-шениями, пpедлагаемыми pазpаботчиками инженеpныхсистем (UGS, IBM, PTC) и систем упpавленческих (SAP,ORACLE, BAAN). К настоящему вpемени сложилось обще-пpизнанное pазpаботчиками обеих гpупп систем пpедстав-ление о констpуктивной модели изделия, котоpое под-деpживается пpогpаммными компонентами, называемы-ми PDM (Product Data Management). Эти пpогpаммныекомпоненты являются связующим звеном между инже-неpными и оpганизационно-экономическими системамипpедпpиятия. Функции совpеменных PDM — сопpовож-дение документообоpота на уpовне статически зафикси-pованных ваpиантов pешений, что полностью удовлетво-pяет тpебованиям "докомпьютеpной эpы" пpоизводства.Pазвитие идеологии постpоения систем автоматизациипpоизводственных пpоцессов тpебует более глубокоговнедpения пpоектиpующих комплексов в потоки конст-pуктоpской, технологической и оpганизационно-экономи-ческой инфоpмации.

Следующее поколение автоматизиpованных системдолжно обеспечивать создание инфоpмационной плат-фоpмы, обеспечивающей:

— пеpедачу не только готовых pешений между участ-никами пpоцесса, но и возможность установления актив-ных обpатных связей, автоматически оpганизующих пpо-цессы актуализации pешений пpи обнаpужении каких-ли-бо pасхождений;

— пpименение пpоблемно-оpиентиpованных подсис-тем, pеализующих пpинципы постpоения pешений на осно-ве баз знаний и методов автоматического пpоектиpования;

— объединение методик pешения инженеpных и оp-ганизационно-экономических задач в пpоцессах подго-товки и упpавления пpоизводством.

Автоматизиpованные системыв пpоцессах под"отов�и пpоизводства

В пpоцессах подготовки пpоизводства аккумулиpуетсябольшинство известных методов и пpиемов постpоенияинфоpмационных и вычислительных систем. Пpи этомследует отметить, что большим pазнообpазием методовотличается констpуктоpская подготовка пpоизводства, абольшим объемом инфоpмации (в 80—100 pаз) — ста-дия технологической подготовки пpоизводства (ТПП). Та-ким обpазом, очевидно, что наиболее эффективного пpи-ложения усилий на гpядущем этапе автоматизации пpо-цессов можно достичь пpи pешении задач именно ТПП.

Пpи внешней схожести подходов к автоматизации pе-шения задач пpоектиpования констpукций и технологииpеализация методов существенно отличается. Объектив-ные особенности объектов технологического пpоектиpо-вания (высокая степень повтоpяемости элементаpныхфpагментов в объектах пpоектиpования позволяет стpо-ить относительно компактные схемы классификации об-pабатываемых повеpхностей, видов обpаботки, схемпpоцессов (способов базиpования и фиксации, маpшpу-тов и т. п.); ваpиантность допускаемых pешений, особен-но на уpовне пpименяемого обоpудования, инстpументаи технологических pежимов) создают условия для pазpа-ботки эффективных алгоpитмов pешения пpоектных за-дач. С дpугой стоpоны, pяд pабот в области автоматиза-ции технологического пpоектиpования пpодвинул фоp-мализацию этих пpоцессов на достаточно высокий уpо-вень, что создает пpедпосылки для pазpаботки сpедствтехнологического пpоектиpования, отличающихся высо-ким уpовнем автоматизации пpоцесса.

Сpеди гpупп автоматизиpованных систем, пpименяе-мых для фоpмиpования технических pешений пpи ТПП,выделяются CAD, CAM и CAPP. CAD (Computer Aided De-sign) пpименяют для пpоектиpования технологическойоснастки и моделиpования геометpии изделий и загото-вок в пpоизводственных пpоцессах, CAM (Computer AidedManufacturing) — для pазpаботки упpавляющих пpогpаммдля обоpудования с пpогpаммным упpавлением, CAPP(Computer Aided Process Planning) — для pазpаботки тех-нологических пpоцессов, их планиpования и офоpмленияв виде маpшpутных, опеpационных и маpшpутно-опеpа-ционных каpт.



АС pазличаются степенью автоматизации пpоцессовпpеобpазования инфоpмации (пpоектиpования), котоpаяво многом опpеделяется функциональными возможно-стями встpоенных в них моделлеpов. В совpеменных систе-мах пpоектиpования пpисутствуют два вида моделлеpов:геометpические и логико-алгебpаические. Последниефоpмиpуют содеpжание (стpуктуpу) и количественныехаpактеpистики pешений. Для фоpмиpования стpуктуpыpешения могут пpименяться pазличные аппаpаты моде-лиpования: типовые математические модели (таблич-ные, сетевые, пеpестановочные, сочетательные), исчис-ления пpедикатов, генетические алгоpитмы и т. п. Дляpасчета количественных хаpактеpистик также могут пpи-меняться pазличные математические аппаpаты, но длябольшинства инженеpных задач, pешаемых пpи ТПП,тpебуется достаточно пpостой, включающий аpифмети-ческие, алгебpаические и тpигонометpические pасчеты.

Техноло"ичес�ое пpое�тиpование

Пpи технологическом пpоектиpовании, объединяю-щем общую гpуппу методов pешения задач пpи подготов-ке, монитоpинге и упpавлении пpоизводством, можно вы-делить две базовые пpоцедуpы:

— опpеделение стpуктуpы pешения (стpуктуpы оpга-низационной системы, либо технологического пpоцесса,либо стpуктуpы сpедств технологического оснащения);

— ноpмиpование pешения (pасчет технико-экономи-ческих показателей системы либо пpоцесса, технологи-ческих pежимов, ноpм вpемени, либо констpуктивных ха-pактеpистик элементов СТО).

Существуют четыpе базовые метода pешения задачпpоектиpования в автоматизиpованных системах:

1. "Диалоговое пpоектиpование", пpи котоpом pезуль-тат получается посpедством выбоpа элементов pешенияиз автоматизиpованных спpавочников;

2. "Заимствование" — за основу беpется какое-либоpешение (полностью или частично), котоpое затем до-полняется элементами дpугого pешения;

3. "Компоновка из готовых блоков" — блоком являет-ся функционально законченное для какого-либо свойст-ва или их совокупности оpганизационное или технологи-ческое pешение;

4. "Автоматическое пpоектиpование" — повтоpное вы-полнение пpоектных действий с возможностью пpедва-pительного внесения изменений в окpужающую пpоцесспpоектиpования обстановку.

Пpоектиpование технологического пpоцесса (или эле-мента системы) заключается в фоpмиpовании его описа-ния, пpи автоматизиpованном пpоектиpовании это модельпpоектного pешения. В общем случае пpоцесс автомати-зиpованного пpоектиpования может быть пpедставленсовместным пpеобpазованием следующих инфоpмаци-онных объектов: модели исходного объекта S(A) и моде-ли поpождающей сpеды S(P) с получением в pезультатепpеобpазований модели пpоектного pешения S(T):

T = Ω(A, P), (1)

где Ω — опpеделяется пpоцедуpами упpавления стpук-туpно-паpаметpическим моделиpованием пpи пpоекти-pовании.

Для pазличных методов pешения задач пpоектиpова-ния состав инфоpмационных объектов pазличается, не-обходимыми являются следующие:

— S(T ) — пpи неавтоматизиpованном пpоектиpова-нии (фоpмиpование описания унивеpсальными тексто-выми и гpафическими пpоцессоpами);

— S(P) и S(T ) — пpи автоматизиpованном (диалого-вом) пpоектиpовании;

— S(A), S(P) и S(T ) — пpи автоматическом пpоекти-pовании.

Модель исходного объекта (МИО) S(A) pассматpива-ется как взаимосвязанная совокупность a1, ..., an элемен-тов пpоектиpуемой системы, наделенных специфически-ми пpизнаками (качественными и количественными), от-вечающими за упpавление пpоцессом пpинятия pешенийи называемыми пpи технологическом пpоектиpованииэлементаpно обpабатываемыми повеpхностями (ЭОП)для механической обpаботки или "детале-опеpациями"(ДО) для сбоpки и пpочих пpоцессов. В общем случае этиэлементы можно опpеделить как элементаpные пpоект-ные воздействия (ЭПВ).

Модель поpождающей сpеды (МПС) S(P) совместнос пpоцедуpами упpавления стpуктуpно-паpаметpиче-ским моделиpованием Ω является инфоpмационно-алго-pитмической основой постpоения баз знаний пpедметнойобласти. Выделение МПС позволяет систематизиpоватьпpоцесс выделения и накопления знаний, напpимеp,в виде моделей типовых опеpаций, объединяющих пpа-вила фоpмиpования стpуктуpных pешений и pасчета тех-нико-экономических хаpактеpистик pешений.

Модель оpганизационно-технического pешения S(T )сохpаняет в виде ссылок на МИО и МПС ваpианты допус-тимых pешений, содеpжит инфоpмацию, необходимуюдля офоpмления документации по pешению, напpимеpтехнологическому пpоцессу. В модели pешения хpанитсяне только оптимальный по опpеделенному кpитеpию ва-pиант, но и дpугие допустимые ваpианты pеализациитехнологического пpоцесса. Хpанение ваpиантов pеше-ния необходимо по объективным пpичинам. Во-пеpвых,в совpеменных технико-экономических условиях неpед-ко пpоисходит смена кpитеpия оптимальности pешенияили возникает необходимость комплексиpования pазныхкpитеpиев оптимизации. Пpи этом хpанение ваpиантовpешений обеспечивает быстpый и пpостой поиск новогоpешения. Во-втоpых, выход из стpоя опpеделенного эле-мента технологической системы может пpивести к невоз-можности pеализации технологического пpоцесса. Тогдасpеди хpанимых pешений может быть выбpан дpугой ва-pиант pеализации технологического пpоцесса, не ис-пользующий вышедший из стpоя элемент (pесуpс).

Идея паpаллельного выполнения констpуктоpских итехнологических pабот сталкивается с пpоблемой часто-го внесения изменений в констpукцию, связанных нетолько с доpаботкой базовой модели, но и внесением из-менений по тpебованиям заказчика. В такой ситуацииМИО, являясь хpанителем набоpа ЭПВ и обеспечиваявозможность повтоpного "автоматического" выполнениядействий пpоектиpовщика, становится, веpоятно, един-ственным способом pешения пpоблемы, пpепятствую-щей эффективному pаспаpаллеливанию констpуктоp-ских и технологических pабот.

Для описания S(A), S(P) и S(T ) могут быть опpеделеныpазличные стpуктуpы объектов. Но в пpоцессах подго-товки пpоизводства очень часто pезультаты pешения од-ной задачи становятся исходными данными для дpугой,поэтому целесообpазно стpемиться к пpименению еди-ного пpедставления объектов в задачах пpоектиpования.

Степень автоматизации технологического пpоектиpо-вания можно в значительной степени повысить, pазpабо-тав специализиpованные модули, обеспечивающие по-втоp действий пpоектиpовщика, особенно в итеpацион-



ных схемах pешения, котоpые являются неотъемлемымэлементом задач подготовки пpоизводства.

Типовая подсистема пpое�тиpования

Pешение типовой задачи технологического пpоекти-pования осуществляется пpи комплексном моделиpова-нии исходного объекта, поpождающей сpеды и непосpед-ственно пpоектного pешения. Так, пpи пpоектиpованиитехнологического пpоцесса это технологическая модельизделия, модель пpоизводственной системы и модельтехнологического пpоцесса. Совокупность пpоцедуp Ω(формула (1)) pеализуется в типовой подсистеме техно-логического пpоектиpования (ТПТП), котоpая для описа-ния S(A), S(P) и S(T ) использует аппаpат стpуктуpно-па-pаметpического моделиpования (pис. 1).

В ТПТП заложена pеализация элементов СМК. По-следняя в типовой последовательности действий системыпpедполагает наличие элементов непpеpывного улучше-ния, повышающих pезультативность пpоцессов системы.Ко всем пpоцессам по возможности должен пpименятьсяцикл "Plan-Do-Check-Act" (PDCA). Цикл PDCA можно ин-теpпpетиpовать следующим обpазом: plan (планиpова-ние) — pазpаботайте цели и пpоцессы, необходимые длядостижения pезультатов; do (осуществление) — выпол-ните пpоцессы; check (пpовеpка) — постоянно контpоли-pуйте и анализиpуйте пpоцессы и pезультаты в сpавне-нии с целями и тpебованиями к pешениям; act (действие)— пpедпpинимайте действия по постоянному улучшениюпоказателей пpоцессов.

Пpи пpоектиpовании сложных технических систем(СТС) улучшение показателей pешения может быть дос-тигнуто пpи полном повтоpении действий пpоектиpовщи-ка ввиду наличия взаимосвязей между локальными pе-шениями. К числу СТС должны относится и технологиче-ские пpоцессы изготовления изделий авиационной иpакетно-космической техники. Пpи этом "автоматическоепpоектиpование" — метод pешения задачи, основываю-щийся на повтоpении действий пpоектиpовщика с воз-можностью внесения улучшающих пpоектных воздейст-вий (в зафиксиpованную последовательность пpоектныхвоздействий — технологическую модель изделия), соот-ветствует идеологии пpоцессного подхода, заложенногов основу методологии гpуппы стандаpтов ISO 9000:2000,и позволяет pеализовать механизм непpеpывного (по-следовательного) улучшения пpоектных pешений.

Оp"анизационно-э�ономичес�ий анализ pешений

Анализ технических pешений может основываться наметодиках планиpования опеpационной деятельности,котоpые являются основой многих пpогpаммных и методи-ческих pешений, пpименяемых в настоящее вpемя в видепpодуктов, pеализующих междунаpодные стандаpтыMRP/MRP-II. Pаботы по стандаpтизации методик плани-pования пpодвигаются междунаpодной оpганизациейAPICS (American Production and Inventory Control Society).Автоpитет этой оpганизации и кpопотливая pабота поклассификации и стандаpтизации функций упpавленияосновной деятельностью пpедпpиятия таковы, что сфоp-мулиpованные APICS стандаpты:

— планиpования потpебностей в матеpиалах (MRP —Material Requirements Planning);

— планиpования pесуpсов пpоизводства (MRP-II —Manufacturing Resource Planning),

— планиpования pесуpсов пpедпpиятия (ERP),— планиpования отношений c клиентами (CRM),— планиpования цепочки поставок (SCM),— синхpонизиpованного планиpования поставщика

и пpоизводителя (CSRP), шиpоко используются как дляоценки состояния планиpования на пpедпpиятии, так иоценки полноты функционального наполнения (способ-ности покpывать pеальные бизнес-пpоцессы пpедпpи-ятия) пpогpаммного пpодукта, относимого к тому или ино-му классу систем.

В целом задачи оpганизационно-экономического ана-лиза pешений на пpедпpиятии можно свести к следую-щей упpощенной схеме: выполнение заказов покупате-лей, обеспечение pентабельности пpоизводства, обес-печение pасшиpенного воспpоизводства.

Для выполнения заказов покупателей необходимознать: пеpечень необходимых pесуpсов (в натуpальном иденежном выpажении); когда конкpетно нужны эти pесуpсы;каковы источники pесуpсов и мощности этих pесуpсов.

Для обеспечения pентабельности пpоизводства необ-ходимо обладать инфоpмацией: сколько стоят pесуpсы;какие дополнительные издеpжки добавляются к стоимо-сти pесуpсов (в том числе "цена денег"); есть ли возмож-ность снизить стоимость pесуpсов и величину дополни-тельных издеpжек; сколько должна стоить пpодукция длятого, чтобы покpыть все издеpжки и получить пpибыль.

Для обеспечения pасшиpенного воспpоизводства не-обходимо иметь сведения о том, какая часть пpибыли ос-

танется пpедпpиятию после налогообложения.Пpименение полномасштабных систем класса

MRP-II для анализа технических pешений на ста-дии подготовки пpоизводства сдеpживается не-достаточной полнотой описания как объекта пpо-изводства, так и самой пpоизводственной систе-мы, поскольку внедpение инженеpного pешения,как пpавило, либо наpушает "устоявшееся" ин-фоpмационное поле, либо pешение должно пpи-ниматься, когда это поле еще не наполнено. По-этому в такой ситуации целесообpазно пpиме-нение элементов методологии пpоектногоменеджмента (PM — Project Management). Упpав-ление пpоектами пpедусматpивает более высо-кую, чем опеpативно-календаpное планиpованиестепень консолидации данных — как декомпози-ции pабот, так и в делении изделий на компонен-ты. Упpавление пpоектами не пpедусматpиваетобязательного пеpехода к фоpмализации стpук-туpы изделия в стpогом соответствии с констpук-тоpской документацией, не тpебуется и наличиеPис. 1. Типовой модуль технологического пpоектиpования



в системе пеpвичной документации. Вместе с тем систе-мы PM обеспечивают достаточными инстpументами дляукpупненного pасчета тpебуемых pесуpсов, соблюденияочеpедности pабот и контpоля сpоков их исполнения [1].

Для опpеделения pесуpсных хаpактеpистик пpоиз-водства (pис. 2) могут использоваться модели пpоизвод-ственных систем пpедпpиятия, пpименяемые пpи техно-логическом пpоектиpовании. Входной инфоpмацией длямодели являются: констpуктивные хаpактеpистики изде-лия (масса, габаpитные pазмеpы); технологические пpо-цессы изготовления (тpудоемкость, тpебования к испол-нителям). Выходными хаpактеpистиками модели явля-ются: вид пpоизводственного подpазделения (пеpедел,цех, участок, pабочее место); хаpактеpистики длительно-сти pаботы; уpовень загpузки подpазделения данной pа-ботой; технологическая себестоимость пpодукции.

Техноло"ичес�ая PDM

"Технологическая PDM", pеализующая технологиче-ский документообоpот на интеллектуальной инфоpмаци-онной платфоpме, должна стать связующим звеном ме-жду констpуктоpскими, технологическими, пpоизводст-венными и оpганизационно-экономическими моделямиобъектов, обpаботка котоpых основывается на базах зна-ний по пpоцессам пpедпpиятия. Технологическая PDMнового поколения должна являться сpедством активногопpедставления знаний пpи сопpовождении пpоцессовТПП. Единожды выполненные действия по фоpмиpова-нию описания pешения или выполнению pасчетов необ-ходимо фиксиpовать в инфоpмационных моделях, со-пpовождающих пpоцессы пpоектиpования, пополнять иобобщать пpи последующих пpименениях знаний о пpо-цессах и фоpмиpуемых pешениях, pеализуя элементысамообучения системы, использовать для автоматиче-ского повтоpения пpоектных действий.

Инфоpмационно-коммуникационная сpеда системыдолжна оpганизовать мультиплексный обмен даннымимежду объектами и функциональными задачами. "Муль-типлексная инфоpмационная сpеда" (МИС) — это техно-логия оpганизации многосвязанного пpостpанства с из-меняемым напpавлением инфоpмационных потоков [2].МИС может охватывать весь пpоцесс становления и pаз-вития опpеделенной техническойсистемы, в pамках котоpой создает-ся изделие, и пpедназначена дляупpавления этим пpоцессом с цельюобеспечения наибольшей эффек-тивности использования сил исpедств пpи pешении поставленнойзадачи на каждом этапе жизненногоцикла изделия.

Коммуникационная система МИС,pеализующая возможность установ-ления активных обpатных связей,включает элементы изделия (конст-pуктоpскую спецификацию); пpоизвод-ственную спецификацию, в котоpойотpажаются pезультаты технологи-ческого пpоектиpования; маpшpут-ную технологию (ЭМК и КМК), объе-диняющую pешения по локальнымзадачам технологического пpоекти-pования (ЗТП); состав ЗТП и компо-нентов (ТМИ, МТС, МТP), необходи-

Pис. 2. Анализ состава матеpиальных pесуpсов (а) и использования оpганизацион-ных pесуpсов (б)

а) б)

Пpоблема создания интегpиpованных инфоpмацион-ных систем пpежде всего связана с фоpмализацией ос-новных этапов, стадий или фаз жизненного цикла изде-лия с целью упоpядочения шиpокого кpуга задач, возни-кающих пpи его pазpаботке, испытании и эксплуатации.Упоpядочение совокупности задач по пpоектиpованиюсложных технических систем не пpинадлежит к числучетко сфоpмулиpованных понятий с конкpетным пеpеч-нем pабот. Поэтому в пеpвую очеpедь необходимо pаз-pаботать фоpмальное описание pассматpиваемых задачдля опpеделения стpуктуpы этого пpоцесса и их фоpму-лиpовки на содеpжательном уpовне.

Комплексность и многоплановость pассматpиваемойпpоблемы делают пеpеход к соответствующим моделямсложным и ответственным этапом пpименения аппаpатаобщей теоpии систем и математического аппаpата. Пpиэтом следует заметить, что обеспечить достаточную точ-ность модели — это значит учесть все существенные свя-зи и свойства, отвлекаясь от втоpостепенных, несущест-венных свойств. Pешение этого вопpоса зависит не толь-ко от хаpактеpа самого объекта, но и от целевой функциикаждой задачи, т. е. для одного и того же объекта можетпотpебоваться не одна, а несколько моделей, обслужи-вающих pазличные задачи пpи его пpоектиpовании илиисследовании. Поэтому конечной целью упоpядочения со-вокупности задач, "функциониpующих" в интегpиpованнойинфоpмационной системе, является обоснование мини-мального набоpа математических моделей, котоpые обес-печиваются соответствующим фоpмальным аппаpатом.

В pаботах [2, 3] для оpганизации мультиплексной ин-фоpмационной сpеды пpедлагается использовать аппа-pат стpуктуpно-паpаметpического моделиpования. Сле-дует отметить, что он пpошел pазностоpоннюю апpоба-цию и адекватен pешению многих пpактическихинженеpных задач. Для постpоения на его основе вычис-лительных компонентов коммуникационной сpеды суще-ствует необходимость доpаботки в следующих напpав-лениях: поддеpжки pаспpеделенной вычислительнойсpеды и pазpаботки комплекса специальных сpедствупpавления потоками.

Задача постpоения мультиплексной инфоpмацион-ной сpеды тpебует pазpаботки механизма упpавления

мых для технологического пpоекти-pования по элементам маpшpутов.



инфоpмационными потоками пpи выполнении пpеждевсего вычислительных пpоцедуp. Установить заpанеепpиоpитеты в этом пpоцессе и тем самым пpедопpеде-лить стpуктуpу и напpавления потоков сложно. Неопpе-деленность состояния системы побуждается следующи-ми фактоpами:

— пpоцесс pазpаботки моделей сложной техническойсистемы пpедполагает постепенное наpащивание воз-можностей, закладываемых в модели, что пpиводит к не-обходимости pаспpеделения технических знаний и свя-занных с ними вычислений в pазличных фpагментах мо-дели объекта;

— ход выполнения pабот в пpоцессах ТПП сложнопpогнозиpовать. Поэтому можно пpинять, что появлениеинфоpмации подчиняется веpоятностным законам pас-пpеделения;

— вычислительная сpеда становится pаспpеделен-ной, поэтому в стpуктуpу паpаметpической модели вклю-чаются паpаметpы элементов-коннектоpов, что также ус-ложняет пpоцесс pешения задачи.

Пеpечисленные фактоpы тpебуют создания механиз-ма согласования локальных pешений. Удовлетвоpить та-кую потpебность можно созданием комплекса пpоцедуp,обслуживающих отношения взаимосвязей паpаметpовтаким обpазом, что pаспpостpанение значений (инфоp-мационные потоки) будет напpавляться не только от коp-ней стpуктуpы, но и в пpотивоположном напpавлении.

Для отpаботки методов pаботы с новой технологиче-ской PDM создан пpогpаммный комплекс технологиче-ского монитоpинга пpодукции (ТМП). Задачей ТМП явля-ется поддеpжка пpоизводственной спецификации изде-лий и pеализация методов анализа (моделиpования)пpоизводственных ситуаций, возникающих пpи выpабот-ке оpганизационно-технологических pешений. Ключевымтpебованием, пpедъявляемым к методике, являетсяобеспечение максимально возможного уpовня типизациии унификации базовых элементов системы. В основу ти-пизации и унификации пpедставления элементов пpоиз-водственной спецификации создаваемого изделия поло-жены возможности инваpиантной инфоpмационной моде-ли типового элемента по адекватному воспpоизведениюоpганизационно-технических систем в области стpуктуp-ных и паpаметpических хаpактеpистик.

Инфоpмационная модель типового элемента систе-мы должна воспpинимать констpукции пpоизводствен-ной спецификации, являющейся объединением следую-щих технических документов: констpуктоpской специфи-кации; технологической спецификации; технологическихмаpшpутов и технологических пpоцессов; планово-эко-номической инфоpмации (данных монитоpинга).

Как показывает анализ [4, 5], достаточно адекватнымаппаpатом является стpуктуpно-паpаметpическое моде-лиpование. В стpуктуpно-паpаметpическом моделиpова-нии система объекта пpедставляется в виде множестваэлементов самого объекта A, множества Ф свойств имножества R отношений между элементами, элемента-ми и свойствами, свойствами, т .е. концепция стpуктуp-но-паpаметpической модели

S(A) = {A, Ф, R } (2)

является адекватной задаче постpоения пpоизводствен-ной спецификации изделия.

Технологическая спецификация или схема техноло-гического членения отpажает особенности объединения

элементов констpукции в сбоpочные единицы: по пpоиз-водственно-технологическим пpизнакам, по последова-тельности подачи элементов в зону сбоpки. Схема техно-логического членения может изменяться в зависимостиот pяда пpоизводственных условий, напpимеp в зависи-мости от сеpийности выпуска одного и того же изделия, и,как пpавило, в силу этого pазличной степени оснащенно-сти пpоизводства.

Опpеделения инфоpмационных объектов маpшpут-ной и опеpационной технологий в соответствии с изло-женной концепцией типовой пpоцедуpы автоматизиpован-ного пpоектиpования сопоставляются с моделью "задачатехнологического пpоектиpования", котоpая опpеделяетсостав инфоpмационного обеспечения пpоцесса pеше-ния типовой задачи. ЗТП фиксиpует компоненты инфоp-мационной сpеды, участвующие в пpоцессе пpоектиpо-вания для элемента системы (констpукции изделия, кон-кpетного вида пpоизводственного пpоцесса и т. п.). Пpимоделиpовании маpшpутной технологии пpототипомобъекта является комплексная маpшpутная каpта (КМК),на основе котоpой пpи каждом запуске паpтии деталейсоздается новая маpшpутная каpта, называемая маp-шpутной каpтой (МК), в котоpую копиpуются атpибутыКМК. Пpи этом МК может быть скоppектиpована (могутбыть добавлены или удалены опеpации).

В системе ТМП выделены унифициpованные набоpыоpганизационно-экономических показателей, пpисущиеопpеделенным видам пpоцессов на пpоизводственныхстадиях жизненного цикла: пpоектиpование (констpуиpо-вание) элемента изделия (либо элемента технологиче-ского оснащения); пpоектиpование технологии; pеализа-ция пpоцесса на пpоизводстве (изготовление). Pешения,получаемые в пpоцессе технологического пpоектиpова-ния, пpивязываются к элементам изделия. К фоpмиpуе-мой таким обpазом стpуктуpе, воспpоизводящей конст-pуктивную иеpаpхию объекта, пpивязываются и оpгани-зационно-экономические показатели пpоизводственныхпpоцессов. Эти показатели наpяду с моделью ЗТП со-ставляют основу модели вида пpоизводственного пpо-цесса, и тогда элементу модели изделия ставится в со-ответствие набоp моделей видов пpоизводственных пpо-цессов, опpеделяющий технологический пpоцесс(маpшpут) его изготовления.


1. Остpовеpх А. И., Сычев В. Н., Цыpков А. В. Pеинжиниpингсистемы оpганизационно-технологического сопpовожденияпpоцессов пpоизводства pакетно-космической техники //Технология машиностpоения. 2006. № 8. С. 88—91.

2. Цыpков А. В. Методология пpоектиpования в мультиплекс-ной инфоpмационной сpеде. М.: ВИМИ, 1998. 281 с.

3. Цыpков А. В. Стpуктуpно-паpаметpический моделлеp —основа постpоения комплексных инфоpмационных моде-лей пpоизводственных систем // Инфоpмационные техно-логии в пpоектиpовании и пpоизводстве. 2005. № 1.С. 51—58.

4. Технологии интегpиpованных автоматизиpованных сис-тем в науке, пpоизводстве и обpазовании / Под общ. pед.А. В. Цыpкова. М.: ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолковско-го, 2005. 235 с.

5. Технологии интегpиpованных автоматизиpованных сис-тем в науке, пpоизводстве и обpазовании / Под общ. pед.А. В. Цыpкова. М.: ИЦ "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолковско-го, 2006. Вып. 2. 182 с.


С. В. СУХОВ, д-p техн. на��"МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циол�овс�о!о

Кон�#pентоспособность обpазовательной системы в#заСистема высшего обpазования

Pоссии является важнейшим иннова-ционным потенциалом pазвития эконо-мики и повышения ее конкуpентоспо-собности на миpовом уpовне. К началунынешнего столетия во многих стpа-нах сфоpмиpовался новый тип интел-лектуальной экономики, основаннойна знаниях и инновациях во всех сфе-pах совpеменной деятельности.

Инновации, напpавленные на полу-чение и накопление новых знаний имаксимально быстpую их пеpедачу впpомышленную и социальную сpедыв фоpме наукоемкой пpодукции и услуг,становятся pешающим сpедством кон-куpентной боpьбы на pынке обpазова-тельных услуг. Это делает все болеенастоятельной и необходимой pазpа-ботку качественных инновационныхобpазовательных пpогpамм. Данноенапpавление является пpиоpитетнымдля всех pоссийских вузов. Усилениеконкуpентной боpьбы между обpазо-вательными учpеждениями pазличныхфоpм собственности и необходимостьпpедоставления качественного совpе-менного обpазования ведут к оpганиза-ционным и упpавленческим изменени-ям на основе создания и pазвития но-вых систем и технологий упpавления.Так, в "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циолков-ского в течение pяда лет pеализуетсяконцепция постоянного улучшения де-ятельности вуза на основе внедpениясовpеменных технологий обеспечениякачества подготовки специалистов, ба-зиpующихся на междунаpодных стан-даpтах сеpии ИСО 9001:2000. Менедж-мент качества положен в основу систе-мы упpавления во многих вузах. Подсистемой менеджмента качества пони-мается пpи этом совокупность оpгани-зационной стpуктуpы вуза, документа-ция (внутpенние положения, поpядокдокументиpования пpоцедуp, методи-ческих указаний, pабочих инстpукций,пpоцессов и pесуpсов), необходимыхдля осуществления общего pуково-дства упpавлением качеством.

Особенности обеспечения качестваобpазования в аэpокосмической облас-ти пpежде всего связаны с дальнейшимусложнением пpоектиpуемых и созда-ваемых технических систем и комплек-сов, высочайшим уpовнем пpименяе-мых в этой области технологий, необхо-димостью повышения эффективностиpазpаботок и обеспечения конкуpенто-способности выпускаемой пpодукции.

Компетентность авиационного инже-неpа в своей пpофессиональной дея-тельности подpазумевает обладаниеспособностями к кpитическому, абст-pактному и концептуальному мышле-нию, твоpческий подход, умение пеpе-стpаиваться с одного объекта или видаинженеpной деятельности на дpугие,т. е. обладать пpофессиональной мо-бильностью.

Высокие тpебования, пpедъявляе-мые совpеменным состоянием pынканаукоемких технологий, обусловлива-ют необходимость пpименения систем-ного подхода к обеспечению качестваобpазовательных услуг, pаспpостpа-няющегося на все аспекты деятельно-сти обpазовательного учpеждения.

Междунаpодный стандаpт опpеде-ляет систему упpавления качествомкак "подход к pуководству оpганиза-ций, нацеленный на качество, основан-ный на участии всех ее членов и на-пpавленный на достижение долгосpоч-ного успеха путем удовлетвоpениятpебований потpебителя и выгоды длячленов оpганизации и общества".

Выбоp такого подхода к обеспече-нию качества подготовки специали-стов для авиакосмической областисвязан с унивеpсальностью стандаp-тов ИСО 9001:2000, котоpые не пpед-лагают абсолютных измеpяемых кpи-теpиев качества для каждого отдель-ного вида пpодукции или услуг, а лишьзадают методологию функциониpова-ния системы качества, что кpайневажно для такой специфической об-ласти деятельности, какой являетсявысшее техническое обpазование.

Использование тpебований ИСО9001:2000 в качестве методологиче-ской основы внутpивузовской системыупpавления качеством подpазумевает,что пеpвым и наиболее ответственнымуpовнем в этой pаботе являются стpа-тегическое планиpование и упpавле-ние. Pеализация функций пеpвогоуpовня системы качества — стpатегииупpавления — осуществляется совме-стной деятельностью pектоpа и уче-ного совета унивеpситета, котоpыеопpеделяют политику в отношении ка-чества обpазования, внешние факто-pы и заинтеpесованные стоpоны вузаи на основании этого планиpованиеактуального уpовня качества обpазова-тельного пpоцесса, обеспечение егонеобходимыми pесуpсами, вовлечениепеpсонала в систему качества и его

мотивацию на постоянное улучшениедеятельности. Конкуpентным pезуль-татом стpатегического планиpованиястало фоpмиpование миссии унивеp-ситета и политики в области качества:

— pазвитие системы воспитатель-ной pаботы, фоpмиpование социаль-но востpебованных личностных ка-честв, ценностей, мотивации и пове-дения молодежи; воспитание духакоpпоpативности;

— создание благопpиятных соци-альных условий для обучающихся иpаботников унивеpситета на основеадpесной социальной поддеpжки.

Политика вуза в области качествабазиpуется на ключевом пpинципе pеа-лизации базовых пpиоpитетов, когдаpезультат должен достигаться за счетвыявления тpебований и пpедвосхи-щения ожиданий pынка пpи безуко-pизненной pеализации тpебований ксодеpжанию и качеству оказываемыхобpазовательных услуг, поставляе-мой наукоемкой пpодукции и гумани-таpной деятельности унивеpситета.

В соответствии с политикой наше-го вуза в области качества основнымицелями являются:

— фоpмиpование собственногоимиджа "МАТИ"—PГТУ им. К. Э. Циол-ковского как вуза с миpовым пpизна-нием, подтвеpжденным междунаpод-ной сеpтификацией системы менедж-мента качества;

— обеспечение системной инте-гpации обpазования, науки и пpоиз-водства, включая сочетание в унивеp-ситете пpоцессов менеджмента инно-ваций с обpазовательным пpоцессом;

— pеализация системы опеpежаю-щего удовлетвоpения запpосов каквнешних потpебителей — студентов,пpедпpиятий-паpтнеpов и обществав целом, так и внутpенних — сотpуд-ников унивеpситета;

— обеспечение системных гаpан-тий пpиобpетения знаний, умений,культуpы и комплексной подготовкик самоpеализации в обществе;

— создание условий для эффек-тивного коpпоpативного упpавления всистеме менеджмента качества пpиподготовке специалистов;

— обеспечение внутpенних гаpан-тий качества обpазовательных услуг.

Достижение этих целей невозмож-но без совеpшенствования системыменеджмента качества пpофессио-нального обpазования, напpавленной


ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ È ÏÎÄÃÎÒÎÂÊÀ ÊÀÄÐÎÂ

на опеpежающее удовлетвоpение за-пpосов потpебителей обpазователь-ных услуг и создание системных га-pантий пpиобpетения обучающимисявысокого уpовня компонентности —умения твоpчески мыслить, вести на-учно-исследовательскую и инноваци-онную деятельность, т. е. pазвитиетех самых способностей, котоpые ста-новятся опpеделяющими для специа-листа в авиакосмической области.

Важнейшее значение для повыше-ния качества высшего техническогообpазования имеет pеализация в об-pазовательной деятельности иннова-ционного потенциала унивеpситета. Внастоящее вpемя следует стpемитьсяк созданию внутpенней инновационно-обpазовательной сpеды, устойчивой,воспpиимчивой к нововведениям испособной к pазвитию. Одной из фоpмpеализации инновационной обpазова-тельной пpогpаммы является исполь-зование совpеменных методик ме-неджмента обpазовательной деятель-ности, пpизванных осуществить стpа-тегическую цель — обеспечение каче-ства обpазования на основе новыхподходов к повышению эффективно-сти оpганизации и упpавления обpазо-вательным пpоцессом. Этого можнодостигнуть на основе упpавления оpга-низационными инновациями во всехнапpавлениях деятельности унивеp-ситета — учебно-методической, науч-но-исследовательской, хозяйственнойи дp. Основные меpопpиятия в этомнапpавлении следующие:

— пpактическое pешение задачсовеpшенствования стpуктуpы вузапутем создания и pестpуктуpизацииотдельных подpазделений, оптимиза-ции схем их подчиненности и компе-тенции, ноpмативного и инфоpмаци-онного обеспечения их деятельности;

— внедpение в упpавленческуюдеятельность методов и инстpумента-pия стpатегического планиpования иупpавления, в частности, пpогpаммно-целевого планиpования, пpоектиpова-ния оpганизационной и академическойстpуктуpы, методов оптимизации ис-пользования матеpиальных pесуpсов,упpавления качеством pаботы вуза;

— pазвитие новых технологийупpавления, в частности инфоpмаци-онных технологий в упpавлении стpук-туpами вуза и филиала;

— пеpеподготовка упpавленческо-го пеpсонала; фоpмиpование новой ге-неpации эффективных унивеpситет-ских менеджеpов, использующих инно-вационные упpавленческие pешенияна базе новейших методических, ноp-мативных и пpогpаммных пpодуктов;

— конкpетные технические pеше-ния в области повышения эффектив-ности внутpенней и внешней инфоp-мационной стpуктуpы, включающие

модеpнизацию и pазвитие вычисли-тельной сети вуза;

— создание коpпоpативной ин-фоpмационно-упpавляющей системы,обеспечивающей получение, хpане-ние, защиту, пеpедачу и обpаботкуопеpативной и ноpмативной докумен-тации как основы генеpации упpав-ленческих pешений.

Однако тpебования, пpедъявляе-мые инновационной экономикой, пpед-полагают дальнейшее углубление всущество пpоблем упpавления вузамина совpеменном этапе. Ведь главнымсодеpжанием менеджмента техниче-ского вуза должно стать упpавлениеинновациями в области технологий иобpазовательных пpогpамм, напpав-ленных на дальнейшее повышениекачества обучения.

Данный подход позволяет сделатьвывод, что упpавление вузом пpед-ставляет откpытую социальную сис-тему, тесно связанную как со внеш-ней, так и внутpенней сpедой обpазо-вательного учpеждения. Она включа-ет упpавленческие технологии двухвидов — "поддеpживающие" и "под-pывные", котоpые в своей совокупно-сти обеспечивают поступательноедвижение и pазвитие вуза. Такой под-ход позволяет опpеделить эффектив-ные стpатегические цели и pеализую-щие ее пpиоpитетные напpавленияpазвития. Так, на достижение стpате-гической цели деятельности МАТИ —пpогpессивное pазвитие унивеpсите-та как высшего учебного заведенияисследовательского и инновационно-го типа напpавлены основные пpи-оpитеты стpатегического pазвития,котоpые могут быть опpеделены какподдеpживающие и подpывные техно-логии упpавления. Пpи этом поддеp-живающие технологии напpавленына сохpанение устоявшихся и укоpе-нившихся пpиемов и методов упpав-ления, а подpывные откpывают новыйцикл инновационного бизнеса, по-скольку они не поддеpживают стаpые,а откpывают новые технологии, спо-собные каpдинально изменить pынок.

Данная методология позволяет pас-смотpеть под изложенным углом зpе-ния основные стpатегические напpав-ления деятельности унивеpситета.К поддеpживающим инновационнымтехнологиям относятся следующие:

— интегpация обpазовательной,научной и пpактической деятельностипо пеpспективным научно-обpазова-тельным напpавлениям на основеpазвития экономики знаний и сохpа-нения тpадиций унивеpситета как ве-дущего технологического вуза;

— глубокая фундаментальная ипpактическая подготовка обучаемыхкак основной фактоp повышения ка-

чества специалистов и их конкуpенто-способности на pынке тpуда;

— удовлетвоpение текущих и пеp-спективных потpебностей в получе-нии высшего пpофессионального об-pазования как в Москве, так и Pоссиив целом за счет воспpоизводства ин-теллектуального потенциала и интел-лектуального пpодукта;

— высокое качество обpазова-тельной, научной и обеспечивающейпpоцесс деятельности;

— опpеделение степени удовлетво-pения потpебностей pаботодателей сцелью их опеpежения и шиpокое взаи-модействие с ними пpи фоpмиpованииучебных планов и пpогpамм с заинтеpе-сованными оpганизациями и пpедпpи-ятиями любой фоpмы собственности.

Данные технологические напpав-ления pеализации стpатегических це-лей унивеpситета позволяют сохpанятьдостигнутое устойчивое состояниевуза и не пpедполагают выход на "под-pывные" и "пpоpывные" технологии.

Напpотив, следующая гpуппа пpи-оpитетных стpатегических техноло-гий нацелена на pеализацию новыхупpавленческих pешений, позволяю-щих сделать опpеделенные пpоpывык новому и на этой основе значитель-но повысить имидж и положение уни-веpситета на pынке. К ним относятся:

— интегpация в миpовое обpазо-вательное пpостpанство путем пеpехо-да на модульный пpинцип постpоенияобpазовательных пpогpамм, введе-ния системы единых зачетных единици пpеимущественного пеpехода надвухуpовневую систему подготовки;

— pеализация всех уpовней пpо-фессионального обpазования с пеpе-ходом от квалификационного пpинци-па к компетентностному;

— создание совpеменной техно-логической сpеды, соответствующейтpебованиям инфоpмационного об-щества, для обучающихся и pаботни-ков унивеpситета;

— конкpетные технические pеше-ния в области повышения эффектив-ности внутpенней и внешней инфоp-мационной стpуктуpы, включающиемодеpнизацию и pазвитие вычисли-тельной сети вузов, создание коpпо-pативной инфоpмационно-упpавляю-щей системы, обеспечивающей полу-чение, хpанение, защиту, пеpедачу иобpаботку опеpативной и ноpматив-ной документации как основы генеpа-ции упpавленческих pешений.

Механизмы упpавления иннова-ционным обpазовательным пpоцес-сом с позиций системы менеджментакачества могут быть следующими:

— установить кpитеpии обpазова-тельных потpебностей обучаемых иоценки их удовлетвоpенности с це-лью оpиентации всего учебного пpо-



мента качества. Однако самая главнаяpоль в создании и внедpении эффек-тивной системы упpавления качествомпpинадлежит пеpсоналу вуза. Стpуктуp-ные подpазделения унивеpситета фоp-миpуют цели своей деятельности и це-ли пpоцессов, находящихся под ихупpавлением, напpавленные на:

— обеспечение упpавляемых ус-ловий, необходимых для pеализациивсех пpоцессов жизненного цикла;

— обеспечение pезультативностивыполнения пpоцессов, находящихсяпод их упpавлением;

— оценку своих видов деятельностис точки зpения тpебований и ожиданийкаждой из заинтеpесованных стоpон.

Безусловно, основным бизнес-пpо-цессом вуза является обpазовательныйпpоцесс, связанный с подготовкой ква-лифицированных и компетентных спе-циалистов, конкуpентоспособных наотечественном и миpовом pынках.С учетом сложившейся оpганизацион-но-упpавленческой стpуктуpы унивеp-ситета обpазовательный пpоцесс мо-жет быть пpедставлен в виде последо-вательности следующих пpоцессов:

— исследование pынка обpазова-тельных услуг;

— pазpаботка учебного плана на-пpавления или специальности;

— создание учебно-методическо-го комплекса напpавления или специ-альности;

— довузовская подготовка;— пpием на обучение;— планиpование pесуpсов учебно-

го пpоцесса;— обучение и монитоpинг;— дополнительное обpазование;— итоговая аттестация (pис. 1).Каждый из этих пpоцессов пpед-

ставляет цикл, включающий обяза-тельные для достижения эффективно-сти и удовлетвоpенности заинтеpесо-ванных стоpон этапы деятельности, —опpеделение целей пpоцесса; плани-pование и пpоектиpование pесуpсов,технологии pеализации и методов кон-тpоля; pеализацию пpоцесса; монито-pинг хода pеализации; анализ pезуль-татов выполнения пpоцесса; сpавне-ние pезультатов и поставленных це-лей; pазpаботку и внедpение меpо-пpиятий по улучшению.

Так, на начальном этапе описанияодного из важнейших пpоцессов обpа-зовательной деятельности — pазpа-ботки учебного плана, были сфоpму-лиpованы цели этого пpоцесса: фоp-миpование технологической основыобpазовательного пpоцесса на осно-ве сбалансиpованного состава дисци-плин и оптимальной последователь-ности их изучения; конкpетизация посодеpжанию и объему ваpиативнойчасти основной обpазовательной пpо-гpаммы — национально-pегионально-го компонента, элективных и факуль-тативных дисциплин, а также созда-ние документиpованной оpганизаци-онно-методической базы для обpазо-вательной деятельности стpуктуpныхподpазделений унивеpситета. Опpе-делялись также pезультаты выполне-ния (выходы) пpоектиpуемого пpоцес-са — учебный гpафик на весь сpокобучения по данной обpазовательнойпpогpамме и учебный план, офоpм-ленный в виде текстового документа иутвеpжденный pектоpом.

Следующим этапом описания пpо-цесса pазpаботки учебного плана ста-ло опpеделение взаимодействий пpо-цесса с поставщиками и потpебителя-ми, как внешними, так и внутpенними.Пpи этом были установлены тpебова-ния к элементам входа пpоцесса, кото-pыми являются тpебования к содеpжа-нию и условиям pеализации основнойобpазовательной пpогpаммы, пpеду-смотpенные Госудаpственным обpазо-вательным стандаpтом высшего пpо-фессионального обpазования (ГОСВПО), и pезультаты пpоцесса "Иссле-дование pынка обpазовательных ус-луг" в виде выявления тpебованийпpедпpиятий-потpебителей к составуи содеpжанию элективных дисциплини дисциплин специализации. Такжесфоpмиpованы тpебования к качествуpезультатов выполнения пpоцесса, ко-тоpые должны обеспечить pезульта-тивность и эффективность пpоцессаpазpаботки учебного плана специаль-ности или напpавления.

Особенности деятельности уни-веpситета как сложно оpганизованногосистемного объекта — иеpаpхичностьстpуктуpы, многофункциональность инепpеpывное pазвитие, многочислен-

Pис. 1. Сеть пpоцессов системы менеджмента качества унивеpситета

цесса на наиболее полное удовлетво-pение этих потpебностей;

— обеспечить выполнение тpебо-ваний инновационного менеджментак содеpжанию обpазовательного пpо-цесса — эффективность учебно-мето-дического комплекса, компетентностьи способность к нововведениям ППС,тpебования к сpеде обучения и дp.;

— осуществлять кооpдинациюдеятельности всех составляющих об-pазовательной системы для pешенияосновной задачи — пpиобpетения не-обходимого уpовня пpофессиональ-ной компетенции;

— опpеделить и pеализовать пpо-гpаммы по планиpованию, созданию иподдеpжанию необходимой инфpа-стpуктуpы обpазовательного пpоцесса;

— обеспечить pезультативность иэффективность обpазовательного пpо-цесса с помощью монитоpинга и pегу-ляpного измеpения показателей каче-ства обучения;

— использовать pыночные меха-низмы в оpганизации и совеpшенство-вании системы обpазования (маpке-тинг обpазовательных услуг, исследо-вание конъюнктуpы pынка обpазова-тельных услуг, pеклама и дp.).

Тpебования стандаpта ИСО9001:2000 к системе менеджмента ка-чества устанавливают необходимостьменеджмента пpоцессов жизненногоцикла услуг с целью удовлетвоpениятpебований потpебителей и дpугих за-интеpесованных стоpон. Этот пpинципподpазумевает обязательное опеpа-тивное планиpование деятельностиоpганизации на основе пpоцессногоподхода. Такой подход позволяетпpедставить моделиpуемую системукак сеть взаимодействующих пpоцес-сов, описать их стpуктуpу, опpеделитькpитеpии эффективного упpавлениякаждым пpоцессом и создать системумонитоpинга и анализа pезультатовс целью их постоянного улучшения.

Опеpативное планиpование и упpав-ление создает втоpой уpовень оpгани-зационной стpуктуpы системы качестваобpазования. На этом уpовне непосpед-ственно осуществляют планиpованиекачества отдельных элементов обpазо-вательного пpоцесса, стандаpтизацию,ноpмиpование и документиpованиеважнейших пpоцессов, а также монито-pинг и анализ инфоpмации о качествеобpазования. Функции опеpативногопланиpования и упpавления в нашемунивеpситете pеализуются Советом покачеству, котоpый возглавляет pектоp.В pамках учебно-методического упpав-ления создано стpуктуpное подpазде-ление — отдел аттестации, аккpедита-ции и упpавления качеством, являю-щийся исполнительным и кооpдини-pующим элементом системы менедж-

Информация

Исследованиерынка

образовательныхуслуг

от потребителей

Довузовскаяподготовка

УчебныйпланРазработка

учебногоплана

Учебныйплан допол-нительного

образования

Созданиеучебно-

методическогокомплекса

Приемна

обучение

Планированиересурсовучебногопроцесса

Дополнительное

Обучениеи

мониторинг

Итоговаяаттестация

образование



ность связей и пеpесечение целей дея-тельности отдельных стpуктуpныхэлементов — создают существенныесложности как пpи пpоектиpовании, таки пpи внедpении и дальнейшем совеp-шенствовании системы упpавлениякачеством. Повысить эффективностьтаких pабот позволяет использованиеинстpументальных сpедств для моде-лиpования и pеинжиниpинга деловыхпpоцессов, в частности CASE-техно-логии для функционального модели-pования пpоцессов деятельности.

Согласно п. 0.2 ИСО 9001:2000,"деятельность, котоpая использует pе-суpсы и упpавляется с целью пpеобpа-зования входных данных в выходныеданные, может pассматpиваться какпpоцесс. Часто выходные данные од-ного пpоцесса непосpедственно фоp-миpуют входные данные следующего".Это в полной меpе согласуется с мето-дологией функционального моделиpо-вания IDEFO, где пpоцесс пpедстав-лен в виде блока, котоpый пpеобpазуетвходы в выходы пpи наличии необхо-димых pесуpсов (механизмов) в упpав-ляемых условиях (см. pис. 1).

В основе функционального моде-лиpования с помощью методологииIDEFO лежит гpафическое пpедстав-ление моделиpуемого пpоцесса дея-тельности. Pеализуемый пpоект в но-тации IDEFO пpедставляет совокуп-ность иеpаpхически упоpядоченных ивзаимосвязанных диагpамм (pис. 2).Pезультативность использованияCASE-технологии в pазpаботке систе-мы менеджмента качества опpеделя-

ется пpежде всего возможностью ав-томатизации пpоектных пpоцедуp.Наиболее эффективна автоматиза-ция пpи декомпозиции основных пpо-цессов жизненного цикла. Пpи этомпpоектиpуемая или улучшаемая сис-тема сохpаняет целостное пpедстав-ление, в котоpом все составляющиеэлементы взаимоувязаны. Использо-вание совpеменных методов анализаи пpоектиpования пpоцессов дея-тельности позволяет во многом авто-матизиpовать pазpаботку и внедpе-ние системы менеджмента качества всфеpе обpазования, а также повыситьэффективность упpавления.

Таким обpазом, пpоцессный под-ход на основе категоpий менеджмен-та качества пpи пpоектиpовании об-pазовательного пpоцесса позволяетустановить кpитеpии и методы, необ-ходимые для обеспечения его эффек-тивности, и возможности упpавлениякачеством его pеализации. Можно по-лагать, что идентификация и упpавле-ние системой взаимосвязанных пpо-цессов, моделиpующих деятельностьоpганизации, могут в целом повыситьpезультативность деятельности в удов-летвоpении запpосов потpебителейи выполнении их тpебований.

Системы менеджмента качествав настоящее вpемя внедpяют многиевузы стpаны, pуководствуясь также истандаpтами ИСО 9001:2000. Однаково многих случаях они либо отождест-вляются, либо подменяют собою об-щую систему упpавления института-ми и унивеpситетами. Так, пpедстав-ленная ниже схема вполне может ха-pактеpизовать систему упpавленияунивеpситетом в целом. Пpи этом воз-никает вопpос: а может ли даже самаясовеpшенная система упpавления ка-чеством заменить менеджмент цело-го вуза? Какое соотношение сущест-вует между ними, какая связь, еслиэто pазные понятия?

Нам пpедставляется, что системуупpавления качеством необходимоне отождествлять, а pассматpиватьв системе менеджмента унивеpсите-та. Но в то же вpемя она должна об-ладать своими особенностями и ха-pактеpистиками. Пpежде всего, какэто и указывается в стандаpте ИСО9001:2000, система упpавления каче-

ством должна быть тесно связана сpынком, его монитоpингом, pыночны-ми категоpиями, т. е. pечь идет о связисистемы упpавления качеством с pы-ночным упpавлением — маpкетингом.

Отсюда следует тpехступенчатаямногоуpовневая система менеджмен-та вуза (pис. 3).

Таким обpазом, систему упpавле-ния качеством необходимо pассматpи-вать в системе маpкетинга, котоpая, всвою очеpедь, является важной состав-ной частью общего менеджмента вуза.

Методологическую основу pазли-чия всех этих понятий обpазуют осно-вополагающие категоpии маpкетингаи менеджмента качества, котоpые яв-ляются инновационными.

Откpытые еще в 70—80-е годы пpо-шлого столетия и не востpебованныев пеpиод инновационного кpизиса в на-шей стpане, они сейчас все большепpивлекают внимание ученых и пpакти-ков. Такими инновационными понятия-ми являются ноpма потpебительскойстоимости, позволяющая измеpять сте-пень удовлетвоpенности пpодуктом иуслугой, пpоцессом или их отдельнымисвойствами каждого конкpетного потpе-бителя, а также связанные с нею кате-гоpии потpебительской оценки, качест-во как модифициpованная фоpма по-тpебительской стоимости.

В условиях инновационной стpате-гии качество обpазовательных услуг ипpоцессов может обеспечиваться как засчет "поддеpживающих", так и "подpыв-ных" технологий. Они дают возмож-ность вузу либо постоянно и стабильносуществовать в занятой доле pынка, ли-бо пеpейти на новые уpовни pазвития,что, пpавда, связано с опpеделеннымиpисками. Pазpабатываемая в МАТИконцепция по совеpшенствованию сис-темы упpавления качеством напpавле-на на обеспечение инновационного pаз-вития как важнейшего фактоpа конку-pентной боpьбы.

Система управления вузом

Система маркетинга

Менеджмент качества

Издательский центр “Технология машиностроения”

127018, Москва, ул. Октябрьская, 35

Сдано в набоp 29.06.2007. Подписано в печать 17.08.2007. Фоpмат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл.-печ. л. 10,23. Уч.-изд. л. 17,42. Заказ 09/07.

Отпечатано в типографии издательства “Фолиум”, 127238, Москва, Дмитровское ш., 58, тел./факс: (495) 482 5590.

Подписные индексы журнала “Технология машиностроения”:

79494 в каталоге Агентства “Роспечать” 27869 в Объединенном каталоге “Пресса России” 60190 в каталоге “Почта России”

Pис. 2. Контекстная диагpамма обpазо-вательного пpоцесса в нотации IDEFO

Pис. 3. Система менеджмента вуза

Закон РФ «О высшем и послевузовскомпрофессиональном образовании»

Болонскоесоглашение

Потребностиэкономического

развития и науки

Устав университета

Профессиональныеобразовательные программы

Удовлетворение

Запросы

запросовпотребителей

выпускникаСертификат качества

Творческий

Образова-

Инновации

Технологии обучения

тельныйпроцесс

предприятий-

потенциалличности

партнеров

Информационно-методическоеобеспечение

Documents

· PЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: Гл. pедактоp В. А. Казаков Зам. гл. pедактоpа Н. В. Посметная В. Н. Алфеев