Введение. Системы интервального регулирования движения поездов эксплуатируются в условиях воздействия значительных индустриальных помех, помех от электротока тягового подвижного состава и изменений климатических условий в широких пределах, приводящих к колебаниям параметров элементов схем, что становится причиной появления внутренних возмущений. Колебания в широком диапазоне проводимости изоляции рельсовых линий относятся к основным внешним возмущениям, приводящим к изменению в большом диапазоне информативного параметра - напряжения на выходе рельсовых линий. В настоящее время известно множество способов и методов подавления возмущений, позволяющих, не ухудшая качество классификации, корректировать колебания информативного сигнала. В статье решается задача обеспечения нечувствительности выходного информативного сигнала к воздействию возмущения принципами координатной компенсации с корректирующим звеном. Материалы и методы. Для решения поставленной задачи в статье рассмотрены различные методологии компенсации возмущений; в качестве основного принят метод координатной компенсации возмущений на входе четырехполюсника рельсовых линий. Для этого определено уравнение передаточной функции корректирующего звена, предполагающее косвенное измерение входного сопротивления рельсовых линий, являющегося функцией проводимости изоляции. Результаты исследования. В статье приведены результаты исследования инвариантных возможностей, которыми обладает предложенный принцип компенсации возмущений. Показано, что при компенсации возмущений корректирующим звеном, включенным на входе четырехполюсника рельсовых линий, возможно существенное уменьшение диапазона изменения выходного информативного сигнала в каждом из классов, т. е. классы становятся более компактными, а качество классификации оказывается в 5 раз выше, чем при отсутствии компенсации возмущений. Обсуждение и заключение. Результаты, полученные в ходе исследования, подтверждают эффективность предложенного способа координатной компенсации возмущений в рельсовых линиях с разомкнутой схемой замещения в условиях отсутствия возможности организации обратной связи, переменной схемы замещения в каждом из классов состояний и невозможности создания дополнительного физического канала передачи возмущения. Использование предложенного метода при построении современных классификаторов позволит существенно повысить устойчивость функционирования систем управления движением поездов, а также исключить ошибки первого рода, приводящие к непроизводительным простоям поездом, и ошибки второго рода, приводящие к авариям и крушениям.
Инженерные технологии и системы
2019. — Выпуск 2
Содержание:
Введение. В статье представлен междисциплинарный подход к проектированию летающего робота (квадрокоптера), основанный на использовании интегрированной модельной среды. Процесс проектирования реализуется как создание моделей разного типа: натурной и виртуальной. Материалы и методы. Под виртуальной моделью понимается совокупность математических, алгоритмических, программных и 3D-моделей, обеспечивающих ее функционирование в виртуальной среде. Проектное решение представляет собой комплект конструкторско-технологической документации, включающей в себя интегрированную модель проектируемого объекта, компоненты которой связаны друг с другом. Натурная часть интегрированной модельной среды включает в себя следующие компоненты: несущую силовую систему; корпусные детали; электромеханические и электронные системы управления, навигации, телеметрии и сенсорики. Для несущих систем и корпусных деталей используются полиамидные бионические конструкции, приобретенные и напечатанные на 3D-принтере; базовым элементом электронной системы является полетный контроллер ArduPilot (ArduCopter). Виртуальная среда моделирования формируется на базе CAD/CAE/CAM/PDM/PLM SolidWorks (Motion, Simulation). Основными инструментами, используемыми для создания связей между моделями разного типа и уровня, являются COM-техноло-гия, API CAD/CAE/CAM/PDM/PLM-системы, MS Visual Studio C++, позволяющие разработать единый интерфейс для управления полетом и планирования траектории как в реальной, так и в виртуальной среде. Результаты исследования. Разработана интегрированная (натурная и виртуальная) модельная среда для квадрокоптера. На данной основе получено проектное решение в виде реального объекта и его виртуальной модели. Состояние и поведение этих объектов контролируется и управляется программным обеспечением, имеющим доступ как к реальному объекту, так и к его 3D-модели. Полученный результат можно рассматривать как инструмент инжиниринга для решения широкого спектра научно-технических и производственных задач: проведения дефектоскопии, диагностики аварийных ситуаций, 3D-сканирования удаленных и труднодоступных объектов. Обсуждение и заключение. В статье показана эффективность подхода к проектированию как к процессу создания междисциплинарных моделей разного типа и уровня. При этом особую значимость приобретает проблема интеграции этих моделей в единое целое за счет формирования двунаправленных ассоциативных связей. Дальнейшего развития требуют технологические (программные) средства синхронизации состояния и поведения натурной и виртуальной моделей объекта проектирования.
Ключевые слова
Введение. Для решения задач моделирования, критичных к ошибкам округления (включая задачи вычислительной математики, математической физики, оптимального управления, биохимии, квантовой механики, математического программирования и криптографии), требуется точность от 100 до 1 000 десятичных цифр и более. Главным недостатком программных библиотек высокоточных вычислений является неприемлемое для практических задач снижение быстродействия, в особенности при выполнении операции умножения. Одним из способов повышения скорости вычислений над длинными числами является использование системы счисления в остаточных классах. В данной статье рассматривается новый, более быстрый по сравнению с аналогами метод выполнения операции умножения длинных чисел с масштабированием результата за счет применения оригинальной гибридной модулярно-позиционной интервально-логарифмической формы представления чисел с плавающей точкой. Материалы и методы. Для повышения скорости вычислений разработан новый способ организации числовой информации (модулярно-позиционная интервально-логарифмическая форма), в котором мантисса представлена в системе остаточных классов, а информация об абсолютной величине числа (характеристика) - в интервально-логарифмической системе счисления, что позволяет ускорить выполнение операций сравнения и масштабирования. Для сравнения модулярных чисел применяются положения интервального анализа; для масштабирования модулярных чисел - свойства логарифмической системы счисления, а также приближенные интервальные вычисления с использованием китайской теоремы об остатках. Результаты исследования. Разработан и запатентован новый быстрый метод умножения модулярных чисел с плавающей точкой, проведена оценка быстродействия разработанного метода, выполнено сравнение данного метода с классическими и конвейерными методами умножения длинных чисел. Обсуждение и заключение. Разработанный метод в 2,4-1,0 раза быстрее конвейерного метода умножения и в 6,4-12,9 раз - классических методов умножения.
Ключевые слова
Введение. Целью статьи является снижение требований к размерам тестовой выборки при проверке гипотезы нормальности. Материалы и методы. Используется нейросетевое обобщение трех известных статистических критериев: хи-квадрат критерия, критерия Андерсона - Дарлинга в обычной форме и критерия Андерсона - Дарлинга в логарифмической форме. Результаты исследования. Нейросетевое объединение хи-квадрат критерия и критерия Андерсона - Дарлинга позволяет снизить требования к объему выборки приблизительно на 40 %. Добавление третьего нейрона, воспроизводящего логарифмический вариант критерия Андерсона - Дарлинга, приводит к незначительному снижению вероятности ошибок (2 %). В статье рассматриваются однослойная и многослойная нейронные сети, обобщающие множество известных на данный момент статистических критериев. Обсуждение и заключение. Высказано предположение о том, что каждому из известных статистических критериев может быть поставлен в соответствие искусственный нейрон. Необходимо изменить отношение к синтезу новых статистических критериев, господствовавшее в ХХ в. В настоящее время отсутствует необходимость стремиться к созданию статистических критериев высокой мощности. Гораздо более выгодными являются попытки обеспечить низкую коррелированность данных вновь синтезируемых статистических критериев с множеством уже созданных критериев.
Ключевые слова
Введение. В настоящее время особую актуальность приобретает проблема повышения эксплуатационных свойств деталей машин, инструментов и технологической оснастки посредством улучшения физико-химико-механических характеристик их исполнительных рабочих поверхностей. Одним из современных методов получения покрытий на поверхностях деталей является метод электроискрового легирования, при котором важную роль играет выбор теплофизических свойств материалов для получения покрытий с заданными физико-механическими и триботехническими свойствами. С целью выбора материала электрода в статье изложены результаты разработки метода расчета нестационарного температурного поля обрабатываемого материала (катода) в виде прямоугольного параллелепипеда, на одной грани которого в процессе электроискрового легирования формируется легированный слой. Материалы и методы. Для формирования легированного слоя при каплевидном электромассопереносе в качестве обрабатываемого материала (катода) использовалось железо в форме параллелепипеда, а в качестве обрабатывающего материала (анода) - вольфрам. Предложена нелинейная начально-краевая задача и вычислительная схема для определения значений температуры во всех точках температурного поля катода в форме параллелепипеда с расположением нескольких теплоизлуча-ющих капель на его грани. Результаты исследования. В статье изложен алгоритм решения задачи в соответствии со второй формулой Грина для нахождения температурного поля в катоде, имеющем форму параллелепипеда; при этом описанная нелинейная модель потока из капель в параллелепипед заменяется линейной моделью. Построен алгоритм, проведены расчеты для определения значений температуры во всех точках и температурного потока в катоде в случае одной среднестатистической капли на его грани. По данному алгоритму создан пакет программ, проведены экспериментальные расчеты. Показана динамика значений температуры (во всех точках) и теплового потока исследуемых точек катода. Обсуждение и заключение. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что для достижения более высоких свойств покрытий и большей эффективности электроискрового легирования необходим расчет температурного поля и теплового потока исследуемых точек катода. Представленная математическая модель получена для нанесения одной капли, помещенной на границу теплопроводящего полупространства. При выборе анодного материала в зависимости от эрозионной стойкости для получения необходимой толщины поверхностных слоев с заданными функциональными свойствами используется разработанный метод расчета, который позволяет описать процесс остывания одной нанесенной капли и использовать затем полученную информацию для усредненного описания эффекта нагрева тела параллелепипеда рядом таких капель.
Ключевые слова
Введение. Актуальной задачей является развитие теории графена для поиска способов управления его физическими и механическими свойствами. В статье исследованы электропроводные свойства графена (в частности, линейный закон дисперсии электронов и следствия из этого закона). Материалы и методы. В качестве материала для построения теории были использованы проверенные экспериментальные данные, а также основные положения физики твердого тела и квантовой механики. В статье использован универсальный синергетический принцип, согласно которому строятся две разноуровневые согласованные математические модели движения квазичастиц в графене при воздействии электрического поля. На макроскопическом уровне графен предложено рассматривать как кристалл, состоящий из трех параллельных плоскостей: две плоскости представляют собой электронный газ, еще одна является основной частью кристалла. На микроскопическом уровне движение квазичастиц электронной волны описывается уравнением Шредингера. Результаты исследования. Получен альтернативный метод вывода линейного закона дисперсии в графене на макроскопическом уровне. На основе анализа модели предложена гипотеза о согласованном движении пар электронов, образующих бозон. Данная гипотеза отличается от традиционной, согласно которой квазичастицы в графене являются фермионами Дирака. Для проверки непротиворечивости гипотезы рассмотрен эффект Холла в графене. Также из уравнения Шредингера выведен линейный закон дисперсии для пары электронов. Как макроскопическая, так и микроскопическая модели в достаточной степени согласуются с опытными данными. Обсуждение и заключение. Основным результатом статьи является построение многоуровневой математической модели, адекватно описывающей электропроводные свойства графена (линейный закон дисперсии, аномальный эффект Холла). Практическая значимость состоит в создании возможности регулирования электропроводных свойств графена путем воздействия на электронные пары.
Ключевые слова
Введение. При уборке зерновых культур в бункер комбайна кроме зерна поступают также различные сорные и вредные примеси. К вредным примесям относятся ядовитые склероции спорыньи. Различные современные зерноочистительные машины не обеспечивают полного отделения склероциев спорыньи от зерен вследствие близости линейных размеров (ширины, толщины и длины) и скорости витания склероциев и зерен. Очистка семян от склероциев спорыньи, имеющих меньшую плотность, чем у зерна, возможна в водном растворе соли. Для механизации выделения склероциев спорыньи из семян ржи мокрым способом актуальным вопросом является разработка устройства очистки зернового материала. Материалы и методы. Исследуется погружение отдельно взятых зерен ржи в воду (плотность p = 1,0 • 10 кг/м) и водные растворы хлористого натрия (NaCl) плотностью 1,09 • 10 кг/м и 1,15 • 10 кг/м. За геометрическую модель зерновки принимается эллипсоид. Теоретические исследования проведены на основе методов математического моделирования с использованием законов гидродинамики при плотности зерна p от 1,2 • 10 кг/м до 1,5 • 10 кг/м, длине l от 5,0 • 10 м до 10,0 • 10 м, ширине b от 1,4 • 10 м до 3,6 • 10 м и толщине S от 1,2 • 10 м до 3,5 • 10 м. Для проведения практических опытов использовано зерно озимой ржи сорта Фаленская 4 плотностью p от 1,1 • 10 кг/м до 1,3 • 10 кг/м, длиной l от 5,0 • 10 м до 8,0 • 10 м, шириной b от 1,4 • 10 м до 3,6 • 10 м и толщиной S от 1,2 • 10 м до 3,5 • 10 м. Результаты исследования. Скорость v и длительность t погружения зерна в жидкость являются одними из основных параметров, учитываемых при разработке машины очистки зернового материала мокрым способом от склероциев спорыньи. Значения данных величин определяют конструктивно-технологические параметры разрабатываемой машины. Для определения данных параметров необходимо учесть геометрические формы зерновок, которые обладают значительным многообразием. В качестве формы, наиболее близкой к форме зерновки, предлагается эллипсоид © Сысуев В. А., Саитов В. Е., Фара с малой 2c = S, средней 2b = b и большой 2a = l осями. Из основного закона динамики движения зерновки в жидкостях различной плотности (p) получена формула для определения скорости, расчетные значения которой согласуются с полученными экспериментальными данными. Обсуждение и заключение. Установлено, что расчетные значения скоростей погружения зерна в жидкости различной плотности имеют один порядок с экспериментальными значениями: они отличаются не более чем на 10 %. Данный подход к определению скорости погружения зерна в жидкость можно использовать при разработке машины очистки зернового материала по плотности мокрым способом для обоснования ее конструктивно-технологических параметров.
Ключевые слова
Введение. При возделывании корнеплодов одной из важнейших операций является уборка. В промышленном производстве широко известна техника для уборки различных видов овощей (свеклы, моркови, редьки, цикория и др.), за исключением одной из наиболее перспективных овощных культур - редиса, который существенно отличается схемой посева, сроками созревания и физико-механическими свойствами самих растений. В связи с этим в рамках исследования, посвященного разработке средств малой механизации уборки редиса, авторами было проведено определение его основных физико-механических свойств. Материалы и методы. Исследование проводилось на растениях двух сортов (Селеста и Белокрайка), типичных для Южного и Северо-Кавказского федеральных округов. При этом по известным методикам определялись размерные, массовые и фрикционные характеристики растений редиса. Результаты исследования. Установлено, что редис сорта Селеста в 1,2-2,1 раза крупнее и в 1,8-2,8 раза тяжелее редиса сорта Белокрайка. Масса головок корнеплодов (10-28 г) в общей массе растения составляет 52-90 %, а масса корешков - 0,5-0,6 %. Средний диаметр головок корнеплодов составляет 26,7-34 мм при коэффициенте вариации (V) около 13-14 %; высота головок - 29-15 мм при V около 18-20 %. Выявлено наличие прямой корреляции между всеми рассмотренными размерами. Коэффициент трения покоя корнеплодов о неокрашенную сталь составил 0,63-0,66, движения - 0,44-0,58. Фрикционные характеристики стеблей ботвы в среднем в 1,25 раза выше. Диаметр пучка стеблей в месте предполагаемого среза - 9-12 мм. Обсуждение и заключение. В целом физико-механические характеристики растений редиса существенным образом зависят от их сорта, степени созревания, свежести и других факторов, поэтому результаты исследования варьируются в значительных пределах. Тем не менее, они могут быть использованы в качестве первичной информации при проектировании машин для уборки и переработки редиса.
Ключевые слова
Введение. Результаты многочисленных исследований доказывают, что качество корма из измельченных растений зависит от качества измельчения, которое обеспечивается кормоуборочным комбайном и определяется путем взвешивания фракций частиц разной длины. Представляет интерес теоретическое обоснование режимов измельчения трав на сенаж и другие виды кормов. Целью данной статьи является разработка алгоритма и методики оценки качества измельчения растений на основе математической модели измельчения кормоуборочным комбайном с роторным измельчающе-швыря-ющим аппаратом и кормоуборочным комбайном двойного измельчения (с двойным измельчающим аппаратом). Материалы и методы. Изложены необходимые положения теории роторного измельчающего аппарата и двойного измельчающего аппарата кормоуборочного комбайна, на основе которых разработаны алгоритмы, методика расчета массовой доли частиц в заданных диапазонах длины и компьютерная модель измельчения. Результаты исследования. Представлены алгоритмы и методика расчета массовой доли частиц растений, измельченных роторным аппаратом и двойным измельчающим аппаратом. Установлена связь массовой доли частиц в заданных диапазонах длины с высотой растений, высотой среза, подачей, средней расчетной длиной резки. Обсуждение и заключение. Кормоуборочные комбайны с роторным измельчающе-швыряющим аппаратом не позволяют обеспечить заготовку трав на сенаж с массовой долей частиц длиной 8-19 мм в пределах от 45 % до 65-75 %, комбайны с двойным измельчающим аппаратом дают такую возможность только при регулировании угловой скорости шнека и/или дискового или цилиндрического барабана. Двойной измельчающий аппарат позволяет выполнить требования к качеству измельчения разных кормов, если предусмотрено регулирование угловой скорости шнека и/или дискового или цилиндрического барабана.
Ключевые слова
Введение. Протекание технологических процессов отмывания загрязнений во многом определяется природой очищаемой поверхности, загрязнения и среды, в которой проводится очистка. Эффективность процесса зависит от контакта моющего средства с обмываемой поверхностью. Характеристикой смачивания служит контактный угол, являющийся мерой относительного притяжения жидкости к твердому телу и к самой себе. Физико-химическая активность моющей среды определяет затраты, а следовательно, и оптимальные параметры моечного процесса. Кроме того, она влияет на повышение коррозионной стойкости обмываемых деталей. Поэтому актуальным является определение функциональной зависимости контактного угла смачивания от концентраций различных комбинаций поверхностно-активных веществ. Материалы и методы. Определение контактного угла смачивания основывается на статистической обработке фотографии капли раствора моющего средства на горизонтальной поверхности специально созданной программой, позволяющей получить массив данных для описания формы капли, по которой рассчитывается контактный угол смачивания. Проведены измерения значений контактного угла смачивания при изменении концентраций таких синтетических моющих средств, как Лабомид-203, МС-8, МЛ-51. Получены мультипликативные степенные функции, связывающие величину угла смачивания с концентрациями поверхностно-активных веществ. Результаты исследования. Исследования показали, что увеличение средних значений концентраций монобората калия и Лабомида-203 в растворе на 1 % приводит к уменьшению среднего значения угла смачивания на 0,54 %; монобората калия и МС-8 - на 0,78 %; а монобората калия и МЛ-51 - на 0,48 %, т. е. функция показывает убывающую отдачу от увеличения средних значений концентраций монобората калия и синтетических моющих средств. Обсуждение и заключение. Во всех рассмотренных случаях установлена убывающая отдача величины контактного угла смачивания от увеличения концентрации поверхностно-активных веществ независимо от комбинации компонентов моющего раствора, т. е. исследуемые концентрации поверхностно-активных веществ превысили то граничное значение, когда они давали возрастающую отдачу от увеличения их содержания в моющем растворе. Таким образом, можно сделать вывод, что для рассмотренных комбинаций процентное содержание поверхносто-активньгх веществ избыточно.
Ключевые слова
Введение. Объективное определение спелости семян растений является одним из направлений развития сельскохозяйственных электротехнологий. Оптические методы и средства диагностики, исследованные в статье, являются высокоточными, селективными и экспрессными, а также могут легко интегрироваться в действующие современные сельскохозяйственные машины и аппараты. Материалы и методы. Проведены поисковые исследования оптических спектральных люминесцентных свойств семян зерновых растений различной степени спелости. Отобраны партии семян овса и пшеницы в фазах молочной, молочно-восковой и восковой спелости, а также спелые семена. Исследование проведено на спек-трофлуориметре «Флюорат-02-Панорама». Измерены спектры возбуждения при синхронном сканировании, и на их основе - спектры люминесценции. Вычислены интегральные параметры спектров. Результаты исследования. Семена молочной спелости имеют наибольший пик возбуждения на длине волны около 362 нм и существенно меньший - на 424 нм. У спелых семян коротковолновый пик (Л, = 362 нм) отсутствует; остаются пики 424 нм и 485 нм, причем длинноволновый пик повышается с увеличением срока спелости. Кроме того, с увеличением спелости семян возрастает отношение длинноволнового потока к коротковолновому. Зависимости могут быть статистически достоверно линейно аппроксимированы. Полученные зависимости можно использовать для определения степени физиологической зрелости семян. Предложена методика определения спелости семян зерновых растений при созревании, включающая пробоподготовку, возбуждение люминесценции в коротковолновом и длинноволновом диапазонах, ее регистрацию, усиление и обработку полученного фотоэлектрического сигнала. Для реализации методики разработана конструкция прибора объективного экспресс-анализа степени физиологической зрелости семян. Обсуждение и заключение. В ходе созревания семян зерновых растений меняется соотношение их уровней возбуждения и потоков люминесценции: для незрелых семян характерна коротковолновая люминесценция, а в спелых семенах преобладает длинноволновая. Зависимости соотношения потоков фотолюминесценции от времени созревания являются возрастающими. Разработан прибор для определения уровня спелости семян, позволяющий определить, на какой стадии созревания находится семя.