авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 11 |

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАУЧНЫЙ СОВЕТ РАН ПО ПРОБЛЕМАМ МАШИНОВЕДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УЧРЕЖДЕНИЕ ...»

-- [ Страница 7 ] --

dQ - элементарное количество электричества, приходящее в движение по инерции. Интегрируя это выражение, можно получить е/m = LV/ Rg Измерив из опыта величины в правой части полученного уравнения, авторы повторного открытия ИРЗ получили совпадение отношения e/m с удельным зарядом электрона. Таким образом, заслугой Стьюарта и Толмэна является не открытие ИРЗ ( истинными авторами этого эффекта являются все же Л.И.Мальдельштам и Н.Д.Папалекси), а установление того факта, что носителями неэлектрического тока при ИРЗ являются свободные электроны металла, которые, как показал опыт, ведут себя как вода в стакане, продолжая свое движение при резком торможении проводника ( стакана воды в нашем примере), приводя к возникновению импульса тока инерционного происхождения ( выплескивание воды из резко заторможенного стакана).

2. ИРЗ и других электронных явлений в технике и в технологиях ОМД Указанный эффект возникает при резких ускорениях и торможениях металлов.

Например, при старте ракеты электроны смещаются в ее конец, который должен при этом заряжаться отрицательным электричеством, а ее головная часть заряжается положительным электричеством. Разность потенциалов может достигать нескольких десятков вольт.

Другой пример - при взлете самолет двигается с большим ускорением, поэтому его хвостовая часть в силу возникновения ИРЗ отрицательного знака приобретает отрицательный потенциал, а головная часть по причине дефицита электронов приобретает положительный потенциал. При посадке с резким торможением корпуса самолета, напротив, электроны смещаются в головную часть В результате она приобретает отрицательный потенциал, а хвостовая часть, напротив, положительный в силу действия ИРЗ положительного знака.

Наконец, ИРЗ присутствует при волочении (протягивания) проволоки сквозь волоку (фильеру), особенно на скоростных станах и при больших степенях единичного обжатия проволоки, что было доказано экспериментальным путем. В опытах [2] при протягивании медной проволоки сквозь алмазную фильеру со скоростью 1 = 3,5 м/сек до волоки (что является также скоростью движения зоны деформации проволоки) было зарегистрировано наличие электрического потенциала перед зоной деформации (ЗД) или появление своеобразной «электронной подушки», что можно объяснить наличием постоянно действующего градиента электронной плотности в проволоке в силу ИРЗ отрицательного знака.

Действительно, поскольку скорость движения проволоки до волоки 1 всегда меньше ее скорости 2 после волоки, что является обычным условием процесса волочения, в ЗД возникает ускорение ионного остова решетки a = / t, где = 2 ( 1 - 1/ ) и = l1 / l0 - коэффициент вытяжки проволоки во время волочения;

l и l0 - конечная и исходная длина проволоки;

t = l / 2 - время нахождения участка проволоки l в ЗД внутри волоки и l - длина ЗД. Таким образом, ускорение металла ( его ионного остова) в ЗД cоставляет a = / t = 22/ l ( 1 - 1/ ).

Указанное ускорение металла в волоке приводит к инерционному отставанию свободных электронов металла, т.е. к эффекту ИРЗ отрицательного знака как постоянно действующего динамического фактора во время волочения проволоки и причиной возникновения указанной «электронной подушки» в проволоке непосредственно перед волокой на расстоянии сантиметров от нее. Она может создавать электрическое поле E величиной E = ma /e. Используя данные из работы [2], l = 1,8 10-3 см и t = l / = 5,4 10-6 сек, получаем величину ускорения ионного остова решетки в ЗД проволоки, а именно a = / t = 2 108 см /с2.

Следовательно, E = 1,1 10-7 В/ см.

В экспериментах [2] при волочении медной проволоки сквозь алмазную фильеру со скоростью 3,5 м/ cек наблюдалось возникновение электрического потенциала U = 6 10-5 В на расстоянии 4 см перед ЗД внутри волоки, т.е. электрическое поле E было примерно на два порядка большим расчетных значений для ИРЗ по условиям эксперимента [2] и составляло величину напряженности порядка 10-5 В/см.

Причиной указанного расхождение может быть вклад в формирование «электронной подушки» перед ЗД проволоки электронного деформационного эффекта ( ЭДЭ), обусловленного оттеснением в область перед ЗД свободных электронов в результате увлечения их движущимися дислокаций. Существует и обратный эффект.

Указанные эффекты теоретически были рассмотрены В.Б Фиксом и В.Я.Кравченко в работах [3-5]. Возможно, действие эффектов - ИРЗ и ЭДЭ в данном случае складывались.

Отметим также, что ЭДЭ по своему физическому содержанию является эффектом, противоположным электропластическому эффекту (ЭПЭ), открытому в 1968 г в работе [ 6 ], поскольку первый основан на увлечении свободных электронов дислокациями, а второй - увлечением дислокаций свободными электронами при дрейфовом движении последних со скоростью е, зависящей от плотности тока Jm в первой степени по формуле е = Jm / em. В работе [7] ЭПЭ был использован при волочении медной проволоки с импульсным током в ЗД и в других технологических процессах [8]. Была установлена полярность ЭПЭ, что можно связать с противоборством ЭПЭ и ЭДЭ, хотя сам по себе ЭПЭ является более сильным и легко управляемым эффектом, чем ЭДЭ и тем более ИРЗ. Тем не менее в работе [2] было отмечено, что с ростом скорости волочения проволоки роли ЭДЭ и ИРЗ возрастают, а роль ЭПЭ ослабевает. Эффект ИРЗ, таким образом, действует на стороне ЭДЭ.

Наконец, при других технологиях обработки металлов давлением, особенно сопряженных с быстрым движением заготовки сквозь ЗД, эффект ИРЗ всегда присутствует, но его технологическая роль не велика. Исключение составляет процесс волочения проволоки по причине направленности деформации материала проволоки во время волочения. В системе координат движущейся проволоки ЗД перемещается навстречу проволоке и оттесняет свободные электроны с помощью дислокаций и других подвижных дефектов решетки в область впереди ЗД., способствуя тем самым возникновению динамического эффекта ИРЗ. Так можно объяснить возникновение «электронной подушки» перед зоной волочения проволоки. Представляет интерес исследовать ИРЗ при сверхскоростном волочении проволоки, что, возможно, позволит уменьшить и исключить обрывность проволоки в этих условиях.

3. Специальные применения ИЭЗ ЭДЭ может иметь место в зоне деформации металла при скоростном волочении проволоки, что было установлено в работе [ 2 ] по наличию постоянно действующего потенциала и встречно направленному электрическому полю по отношению к движущейся заготовке.

В зоне деформации происходит обжатие кристаллической решетки и ее ускорение на величину а = ( v2 - v1 ) / t, где v1 и v2 - скорость проволоки до и после зоны деформации внутри волоки;

t - время пребывания каждого участка проволоки в зоне деформации внутри волоки.

Поскольку при волочении ( а также при прокатке ) скорость заготовки до зоны деформации v1 всегда меньше ее скорости после этой зоны v2, что является обычным условием обработки давлением длинномерных заготовок, то в самой зоне деформации, имеющей протяженность l от долей до нескольких мм, возникает ускорение кристаллического остова решетки а = v22 ( 1 - 1/ ) где = l1/ l0 - коэффициент вытяжки заготовки.

Величина возникающего напряженности определяется по формуле E = ma / e где e, m - заряд и масса электронов. Величины ускорения а и потенциала Е по условиям экспериментов [ 2 ] имели соответственно величины порядка 2 10 8 см/c и 1,1 10-7 В/cм. Авторы статьи [ 2] назвали обнаруженное явление электроно деформационным эффектом ( ЭДЭ ).

Существует объяснение ЭДЭ, связанное с увлечением газа свободных электронов движущимися дислокациями в зоне деформации l, которое приводит к динамическому оттеснению их в участок заготовки, непосредственно прилегающий к зоне деформации и расположенный перед ней, что, вообще говоря, не связано с эффектом Стьюарта-Толмэна. Как указывалось, теоретически вопрос увлечения газа свободных электронов движущимися дислокациями был рассмотрен В.Д.Фиксом [ 3,4 ].

ЭДЭ очевидно сопутствует электропластическому эффекту (ЭПЭ) при всех способах быстропротекающих процессов ЭПДМ на длинномерных заготовках, но он может существовать и самостоятельно без тока. Роль ЭДЭ остается практически совершенно не изученной, хотя очевидно, что этот эффект существует и не только в лабораториях ученых, но и на современных скоростных станах, скорость движения заготовок в которых достигает величин 50 м/сек и больше. ЭДЭ в этом случае обязательно должен присутствовать и, видимо, именно он создает благоприятные условия для реализации сверхскоростного волочения металла за счет создания в динамическом режиме и поддержания потенциала «электронной подушки» перед зоной деформации. Это смягчает металл и придает ему способность пластически деформироваться при очень высоких скоростях деформации.

Возвращаясь к вопросу о сосуществования ЭПЭ и ЭДЭ в процессах ЭПДМ, следует отметить, во-первых, существенно различную их скоростную зависимость в силу различий физических механизмов этих эффектов. С ростом скорости деформации металла v2 ЭДЭ квадратично увеличивается. Это видно из приведенной выше формулы для ускорения а кристаллического остова решетки. Величина ЭПДМ возрастает также при увеличении степени единичных обжатий и увеличении коэффициента вытяжки.

В то же время с ростом скорости v2 величина ЭПЭ, напротив, падает, что связано с нарушением условия существования ЭПЭ е vд ( где е и vд - скорость дрейфа электронов и скорость дислокаций). Действительно, даже при предельных больших плотностях тока Jm = 106 А/cм2, доступных при реализации ЭПЭ в процессе волочения металла с током на тонких проволоках, скорость дрейфа электронов е (скорость «электронного ветра») не может превышать значений 1 м/cек, что меньше скорости движения заготовки на современных станах.

Эффект Стьюарта- Толмэна и ИРЗ могут быть также зафиксированы с помощью баллистического гальванометра при ударе пули об мишень. Этот феномен может быть в свою очередь использован для разработки и создания образцов новых видов боеприпасов, в частности, пуль с электронной компонентой ( и более тяжелых снарядов ), обладающих повышенной пробивной способностью и состоящих из твердых и тяжелых сердечников ( возможно на основе W и его сплава с Re ) и мягкой металлической оболочкой из специальных так называемых электрондебетных сплавов, а также из металлов 1-ой группы таблицы Менделеева, обеспечивающих уменьшение износа стволов оружия и легкое вхождение твердого сердечника в мишень за счет упреждающего электронного впрыска в мишень со стороны пули при торможении на мишени ее мягкой оболочки, а также специального колпачка с тем же электрондебетным содержанием, сопровождаемым срабатыванием эффекта Стьюарта – Толмэна.

При этом мгновенная плотность импульсного тока в мишени в направлении от головки пули в сторону объема мишени может достигать по расчетам данным 103 – 104 А/см2, а дрейфовая скорость электронов е составляет величину примерно м/сек, что соответствует скорости пули в момент касания ею мишени.

Действительно, по расчетам с использованием формулы Jm = nе e е = ( 1022 – 1023) 1,6 10-19 е =103-104 А/см2 ( где ne – концентрация свободных электронов в металле, эл/см3;

e - заряд электрона, кул/сек и D - поперечный размер пули, см) получается, что при входе пули в мишень возникает импульс тока неэлектрического происхождения плотностью 103 – 104 А/см2, что соответствует плотности тока для возникновения электропластического эффекта ( ЭПЭ ). Длительность возникающего импульса тока по расчетам с применением формулы = е / L ( где L - длина пули ) составляет = 300 / 3 10-2 = 100 мксек, что также совпадает со значениями для реализации ЭПЭ. Следовательно, есть основания предполагать, что во время удара пули об мишень и входа в мишень твердого сердечника пули, особенно для пуль с мягкой оболочкой из элементов 1-ой группы таблицы Менделеева, реализуется электропластический эффект, а применение в качестве материала оболочки пули и колпачка специальных электрондебетных сплавов приведет к усилению ЭПЭ и более легкому вхождению твердого сердечника пули в мишень.

Таким образом, в работе [2] был обнаружен новый электродеформационный эффект ( ЭДЭ ), связанный с увлечением свободных электронов металла движущейся зоной деформации металла, существующий помимо динамического инерционного эффекта Стюарта-Толмэна, который обусловлен отставанием электронов проводимости от ионного остова решетки при ускорении последнего. Полагается, что в основе ЭДЭ, лежит оттеснение электронов проводимости дислокациями и другими дефектами в зоне деформации металла к переднему ее краю навстречу движущейся длинномерной заготовке. Полагается также, что ЭДЭ существует при волочении и прокатке длинномерных заготовок на современных высокоскоростных станах, создавая в металле динамическом режиме «электронную подушку» непосредственно перед входом его в зону деформации, что облегчает сверхскоростное деформирование металла.

Сила увлечения дислокаций потоком свободных электронов может быть представлена, согласно В.Кравченко [ 5 ] в виде Fe = b/4 ( ve/vд – 1 ) vд/vF. дne /д. где, – химический и деформационный потенциал ;

vF - скорость электронов на поверхности Ферми. При условии превышения скоростью дрейфа электронов vе скорости движения дислокаций vд сила Fe становится положительной величиной. В принципе указанное основное положение теории В.Я.Кравченко подтверждается экспериментами по ЭПЭ. Однако в рамках его теории не объясняется вся совокупность экспериментальных данных по ЭПЭ, накопленных к настоящему времени. В частности, совершенно не объясняется сильная зависимость ЭПЭ от концентрации примесей, влияние тока на источники дислокаций и другие вопросы.

Непротиворечивым будет считать, что под влиянием импульсов тока, включая импульсов тока неэлектрического происхожения, как во время удара пули об мишень, усиливается генерирующая работа источников дислокаций. Простой расчет, выполненный В.Д.Фиксом [ 3,4 ] показывает, что «электронный ветер» при больших плотностях тока может вызвать размножение дислокаций в источниках Франка-Рида.

Закрепленные стопорами дислокации могут оторваться от мест закрепления, а местах отрыва возникают новые дислокации, если механические напряжения превышают критический уровень с,необходимый для начала работы источников дислокаций, т.е.

при выполнении условия c = 2/ Lb = 2b/L где - линейное натяжение дислокационной петли;

L - расстояние между точками закрепления и - модуль сдвига. Известно, что при L = 10-3 см напряжения начала работы источников Франка-Рида равны экспериментально наблюдаемому пределу текучести металла.

Размножение дислокаций «электронным ветром» может реализоваться в том случае, если созданные током механические напряжения J = Jm/e mvF станут равными значениям критических напряжений с. В этом случае можно приравнять два последних выражения и получить формулу для критических по величине плотностей тока, при которых начинается мгновенное генерирование дислокаций Jm = 2eb/ mvFL = b/L.

Для цинка энергия Ферми при n = 3,38 1022 составляет величину порядка 5 эв.

Полная площадь поверхности Ферми составляет SF = 1,8 10-37 г2см2/сек2, а средняя скорость электронов на поверхности Ферми равна vF = 0,92 108 см/сек, что на несколько порядков выше дрейфовых скоростей электронов е = 102 см/сек при максимально возможных плотностях тока в металле во время ЭПДМ Jm = 106 А/см2 (в импульсном режиме). Из теории В.Я.Кравченко [5 ] следует, что «электронный ветер»

может производить ускорение дислокаций, действуя на них с максимальной силой Fe,max = b/4 e/vF дn/д Большинство металлов имеют сложный характер проводимости, имея электронную и «дырочную» изоэнергетические поверхности, которые, смещаясь в разные стороны под влиянием поля передают дислокациям импульсы силы и энергии в противоположных направлениях. Одно из представлений о «дырках» заключается в том, что они имеют положительный заряд е 0 и положительную эффективную массу m* 0, занимая область внутри p – пространства после ухода из нее электронов проводимости. С точки зрения механизма ЭПЭ представление о «дырках» как о некоторых аналогов позитронов, имеющих обратную направленность дрейфа во время прохождения тока вполне приемлимо. Они будут влиять на движение не тех дислокаций, которые ускоряются под действием электронов, а других групп дислокаций, имеющих иной знак и положение своих экстраплоскостей относительно плоскости скольжения.

Другим важным аспектом влияния поверхности Ферми на ЭПЭ является участие различных ее частей и фрагментов в передачах импульсов энергии и силы на дислокации.

В процессе электропроводности, как известно, происходит смещение фермиевских электронов по нормали к поверхности Ферми, причем доля таких электронов возрастает с увеличением площади поверхности Ферми и с увеличением степени ее закрытости. В этом смысле. Например, металлы 1 группы Cu, Ag и Au, образующих систему сфер ( «пузо»), соединенных между собой узкими перемычками ( «шейки») в направлении пространственных диагоналей г ц к решетки, с ростом атомного номера в ряду Cu, Ag u Au имеют противоположные тенденции. С одной стороны площадь Ферми SF возрастает и можно ожидать усиления ЭПЭ ЭДЭ в золоте и серебре по сравнению с медью. С другой стороны в этом же ряду диаметр «шейки» возрастает, результируя уменьшение степени ее закрытости. Можно ожидать поэтому, наоборот, уменьшения ЭПЭ в золоте и серебре. Это требует выяснения в экспериментах.

Для анизотропных металлов, имеющих, например, г п у решетку, необходимо учитывать также отсутствие коллинеарности между вектором плотности тока Jm и полем E. При протекании по ним тока, помимо указанного основного поля, возникает поперечное поле Еп, подобное полю Холла, что возможно будет приводить к усилению ЭПЭ и ЭДЭ. Этот вопрос необходимо также уточнять теоретически и спериментально.

Важным вопросом является также уточнение роли малых фрагментов поверхности Ферми. Естественно ожидать, что существенный вклад в ЭПЭ вносят те ее участки, для которых характерны небольшие скорости фермиевских электронов, что обратно пропорционально объемам, охватываемым отдельными фрагментами поверхности Ферми. Поэтому можно считать ЭПЭ, подобно электронной теплоемкости, пропорционален dSF/V, где dSF - элемент площади поверхности Ферми и V- объем, охватываемый поверхностью Ферми. Большое значение для большой величины ЭПЭ конкретного металла имеет наличие у поверхности Ферми большого количества замкнутых фрагментов ее объема в виде «раковин», «линз», «игл» и «сигар», а также различного рода вмятин, гофров и перемычек, ориентированных своими малыми осями по полю Е, когда роль ортогональных смещений и роль всей поверхности Ферми возрастают.

Указанное обстоятельства следует учитывать при выборе материала оболочки пуль и при создании специальных электрондебетных сплавов для решения затронутой в настоящей статье задачи разработки новых видов боеприпасов ( пуль ), обладающих повышенной пробивной способностью за счет упреждающего электронного впрыска в мишень при торможении мягкой оболочки пули на мишени и срабатывании инерционного эффекта Стьюрта- Толмэна.

Использованная литература 1. Н.И.Карякин, К.Н.Быстров, П.С.Киреев, Краткий справочник по физике, М., Высшая школа,, с 600, 1969 г.

2. О.А.Троицкий и В.Г.Рыжков, Возникновение электрического потенциала в зоне деформации меди, Письма в ЖТФ, том 3, вып 14,, стр 680 – 684,1977 г 3. В.Б. Фикс, Ионная проводимость в металлах и проводниках ( электроперенос), Изд во Наука, М., 1969 г.

4.В.Д. Фикс, Увлечение и торможение подвижных дефектов в металлах электронами проводимости. Роль закона дисперсии электронов, ЖЭТФ, т.80, №4, 1539 –1542, 1981 г, 5.В.Я. Кравченко,, Взаимодействие направленного потока электронов с движущимися дислокациями, ЖЭТФ, т.51, № 36 ( 12 ), с.1676 –1681, 1966 г.

6. О.А.Троицкий, Электромеханический эффект в металлах, ж. Письма в ЖЭТФ, т.

т.2,№ 10,18-22 (1969).

7. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, В.Г.Рыжков, А.С.Козырев, Однофильерное электропластическое волочение тончайших медных проволок ДАН СССР, т.231, № 2, 402 (1976).

8. О.А. Троицкий, Ю.В. Баранов, Ю.С. Аврамов и А.Д. Шляпин, Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технологии, структура и свойства), том 1 и том 11 Изд-во АНО ИКИ (Москва-Ижевск) 2004 г, 563 стр и 28 марта 2011 г Москва УДК 620.23, 620. СПИНОВОЕ РАЗУПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ РЕЗАНИИ С ТОКОМ Троицкий О.А., Сташенко В.И, Тяпкин А.В.

Институт машиноведения им А.А.Благонравова РАН, Россия Введение В настоящей работе исследовалось резание металла ( РМ) сверлением с одновременным действием импульсным током в зоне резания. Сделана попытка перенесения на процесс РМ с импульсным током представлений о спиновом разупрочнении металла ( СРМ) при механических испытаниях образцов с одновременным действием импульсного тока. Сформулированы условия возникновения СРМ.

Рассмотрены возможные спин-зависимые реакции между дефектами структуры типа дислокаций и парамагнитными примесями.

1. Теория вопроса Реализация механизма влияния собственного магнитного поля (МП) тока на спиновые степени свободы внутри деформируемого твердого тела протекает путем спиновой конверсии (СК), показанной ниже схематически. Этот механизм может объяснить ряд технологических результатов [ 1]. Полагается, что изначально существуют синглетное S – состояние с Si = 0 и триплетное T - состояние с Ti = реакционных пар ( РП ) дислокация - парамагнитная примесь ( ПП ) в реакционной ячейке со спинами S = +--. Разница в величине обменной энергии UT и US, т.е ( UT - US ) на расстояниях r0 порядка межатомного для ковалентной связи составляет примерно 1 эВ. Под влиянием МП величиной В = 1 Тл состояние РП не может изменяться, поскольку структурному элементу в твердом теле передается энергия не более b g В = 10-4 эВ. Здесь g - фактор, который может иметь значение до и более при развитых процессах СК, а В - магнитная индукция, в данном случае индукция собственного магнитного поля тока [2].

На больших расстояниях r r0 разница в величине обменных энергий исчезает и МП уже не может оказать существенного влияния на структурные перестройки в твердом теле. Однако, как было установлено в целом ряде исследований, обобщенных в монографии [ 3 ], МП способно осуществлять СК на промежуточных расстояниях r0 r 2r0, показанном на схеме как окно чувствительности к влиянию МП, при котором разница в величине обменной энергии ( UT - US ) соответствует удвоенному значению энергии U, передаваемой структурному элементу со стороны МП, т.е. выполняется соотношение Um = 2b g B = ( UT - US ) В этом положении РП может оказаться, согласно [3], при возбуждении под действием не только тепловых флуктуаций и ионизирующего излучения, но и при механических деформациях, а также, как мы полагаем, при резании металла с током. Для срабатывания механизма СК время жизни магниточувствительного состояния * в промежуточном состоянии РП должно быть больше времени СК S-T в магнитном поле, т.е. должно выполняться условие * S-T, чтобы успевала происходить СК. Вместе с тем * должно быть меньше времени S-L спин решеточной релаксации, чтобы созданное МП изменение заселенности спиновых состояний не успевало термолизоваться.

Схема спиновой конверсии во внешнем магнитном поле Таким образом, помимо существования окна чувствительности к МП, существует еще «временные ворота», в которые должно помещаться короткоживущее магниточувствительное состояние РП, а именно должно выполняться условие S-T * S-L. При выполнении этого условия может реализоваться механизм СК. При этом увеличение индукции В будет расширять ворота снизу (ускоряя СК в РП), а понижение температуры будет расширять ворота сверху. Должно выполняться также указанное ниже шестое условие срабатывания механизма влияния МП на ССС и СК. Побуждающим механизмом СК в МП при В, например, равном 1 Тл является наличие разницы в величине g - фактора внутри РП порядка 10-4 - 10-3. Эта ситуация, получившая название g механизма, состоит в том, что угловые скорости прецессий спинов РП в МП отличаются друг от друга. В целом спины РП имеют частоту прецессий, определяемых по формуле f = b g B / h.

Она имеет величину порядка 108 - 10 9 сек-1. При этом происходят переходы из S - состояния в Т - состояние и наоборот.

2. Условия реализации спинового разупрочнения Можно сформулировать следующие условия реализации СКЭ и СРМ 1) Механически деформируемый или обрабатываемый резанием металл должен быть соединен с резонатором;

2) Мощности постоянного и микроволнового МП должны быть повышенными;

3) Указанные МП должны быть скрещены;

4) В образцах должны происходить термодинамически неравновесные процессы, в частности, генерация свежих дислокаций, что обеспечивается активной деформацией образцов или резанием металла в постоянном режиме;

5) Должен быть обеспечен термодинамический выигрыш между начальным и конечным состоянием системы, что достигается, например, при механических испытаниях образцов в режиме остановок испытательной машины и релаксаций приложенных механических напряжений;

6) Время распада r реакционной пары дислокация - парамагнитная примесь из триплетного Т - состояния должно быть меньше времени T-S обратного перехода в синглетное S – состояние, т.е.

r T-S, чтобы ситуация не вернулась к исходному состоянию, а эффект действия МП не свелся бы к нулю.

Существенно отметить ( и это может быть дополнением к пятому условию), что для непрерывности действия механизма СК и ее необратимости, а также для того, чтобы ССС не входили в область насыщения, необходимо обеспечивать быстрое удаление вновь нарабатываемых продуктов (свежепроизведенных дислокаций с обеспеченными условиями для их депиннинга ) из реакционной ячейки, т.е. из деформируемого кристалла в зоне действия МП или из зоны резания в процессах ЭПРМ. Это обеспечивается в ходе медленной, но активной деформации образцов с постоянной скоростью, либо в самые начальные моменты ( первые секунды ) релаксации напряжений после выключения активной деформации образцов. На дне релаксационных кривых по истечению 2-3 мин после остановки испытательной машины эффекта уже не будет, поскольку исчезнут побуждающие дислокации к движению поля внутренних напряжений и истощится потенциал свежепроизведенных дислокаций. Оставшиеся в консервативных скоплениях дислокации не испытывают уже депиннинг как по причине отсутствия побуждающих механических причин, так и по причине остановки процесс СК в РП и вхождения ССС в область насыщения.

Тем не менее метод релаксации напряжений после остановки активной деформации образов без снятия нагрузки очень перспективен как методика наблюдения резонансного спинового разупрочнения металла ( РСРМ ), поскольку, с одной стороны, в первые секунды после остановки машины дислокационный потенциал свежепроизведенных дислокаций и число способных к СК РП максимальны и, с другой стороны, такая постановка эксперимента устраняет противоборство процессов активной деформации образцов и релаксации напряжений, включая деформационное упрочнение.

В начале 90-х годов прошлого столетия приведенные представления были использованы Альшицем и Молоцким [4,5] для объяснения магнитопластического эффекта (МПЭ) и электропластического эффекта (ЭПЭ), базируясь на факте наличия в ядрах дислокаций парамагнитных центров в виде захваченных ступеньками, перегибами и другими особенностями строения линий дислокаций, число которых возрастает с увеличением степени деформации образцов. В диамагнитном материале, например, Al или Zn могут существовать также парамагнитные центры, а также «дырки», экситоны с такими же парамагнитными свойствами. Все эти места на линиях дислокаций и объекты элементарных возбуждений могут вступать в обменное спиновое взаимодействие и становиться партнером в РП при депиннинге дислокаций под влиянием МП.

Доказательством наличия этого механизма служит значение g – фактора, близкое или кратное двум. Двухкратную разницу в величине g –фактора можно определить, исследуя механические характеристики образцов в скрещенных постоянном МП и СВЧ –поле вблизи условий возникновения ЭПР. При этом можно измерять любые характеристики движения дислокаций и любые механические свойства образцов, включая измерения микротвердости и, видимо, резания. Для этого необходимо помещать деформируемый образец в область пучности стоячей волны при частоте, например,m = 9,5 ГГц, а перпендикулярно плоскости поляризации магнитной компоненты волны B1 включать в режиме по шагового нарастания постоянное МП с индукцией В от 0 до 1,0 Тл.

Авторами [ 10-12], например, было установлено наличие увеличения пробегов дислокаций L при В01 = 0,3 Тл, при В02 = Тл и при В03 = 0, Тл, чему отвечали резонансные переходы между зеемановскими уровнями на указанной частоте m = 9,5 ГГц при значениях g – фактора соответственно 2,1 ;

3,8 и 5,7. При действии же одного постоянного МП или вместе с микроволновым, но при В0 || В1, наблюдалась монотонная полевая зависимость L от В0.

Полученные экспериментальные данные [3] доказывают существование и влияние магнитных спиновых резонансов на депиннинг дислокаций. Изложенную методику можно применить для испытаний образцов растяжением или сжатием с постоянной скоростью в скрещенных МП с включением пауз релаксации напряжений при остановках активного деформирования. В этом случае g - фактор на дне релаксационных кривых вернется к значениям, близким к 1 и временная зависимость возвращения g к этому значению( что означало бы прекращение СК ) возможно, будет иной, чем под действием только постоянного МП или комбинации полей, но в конфигурации В0 | | В1.

Это необходимо проверить экспериментально, что будет доказательством необходимости соблюдения шестого указанного условия существования постоянно действующей СК и отсутствия насыщения ССС путем вывода нарабатываемого структурного объекта из зоны действия скрещенных МП.

Вызываемое ЭПР разупрочнение, называемое резонансным спиновым разупрочнением металла ( РСРМ ), несомненно существует и возможно именно этим феноменом объясняется аномально большая величина ЭПЭ в никелевом сплаве ХН78Е, ч то было показано нами экспериментально, сильная зависимость ЭПЭ в цинке и титане от концентрации примесей вплоть до 1 ат % экспериментально установленная российскими [ 1,6 ] и американскими и израильскими учеными [ 7-9], и недавно установленная большая величина ЭПЭ в серебряном сплаве ( припое с деформацией его на 500-600% без промежуточных отжигов. Однако прямых экспериментов, доказывающих существование РСРМ на металлах нет.

Они лишь планируются к проведению в ближайшее время.

Вместе с тем на ионных кристаллах NaCl существование РСР доказано [ 3 ] как на индивидуальных дислокациях, так и в опытах с деформированием образцов в скрещенных МП с записью кривых деформирования. Установлено наличие его в относительно слабых полях, что важно не только для понимания физики явления РСР в ионных кристаллах, но и для того, чтобы можно было бы проще поставить эксперименты с металлами с целью установления существования РСРМ и его закономерностей. В частности, известно, что при частоте переменного МП = 152 МГц согласно [ 1 ] обнаруживается резонансное МП всего лишь В0 = 5,1 мТл, что соответствует значению g - фактора 2 +- 0,2 и свидетельствует о влиянии на пробеги дислокаций СК. Не исключено, что СК может возникать и при еще более слабых МП, в частности, в магнитном поле Земли, имеющем значение индукции В0 порядка 0,05 мТл, чему отвечает резонансная частота m = 1 МГц при g = 2. Это требует экспериментально проверке в специальной камере, экранирующей магнитное поле Земли. Можно ожидать, что эксперименты, поставленные в такой камере в любой постановке опытов как с пробегами индивидуальных дислокаций, так и с оценкой макроскопических механических характеристик образцов покажут уменьшение РСР на ионных кристаллах и РСРМ в случае испытаний металлов. Это будет доказательством существования феномена РСРМ для металлов и уточнит механизм РСР для ионных кристаллов.

Проведение контрольных опытов с РСР различных твердых тел и, в частности, с РСРМ для металлов в камере, экранирующей магнитное поле Земли, имеет, как ни странно, практический смысл. Дело в том, что в случае положительного исхода экспериментов, т.е. в случае установления влияния В0 МП Земли на процессы СК при депиннинге дислокаций, в установках промышленного назначения не потребуется применять установку постоянных магнитов, создающих В0. Их заменит магнитное поле Земли. Остается только установить источник, создающий СВЧ- поле, поперечно ориентированное по отношению к магнитному полю Земли.

Итак, в основе МПЭ лежит скорее всего электронно-спиновая динамика. Это доказанный экспериментальный факт для ионных кристаллов и предположительный механизм для металлов, обоснованный израильскими учеными Молоцким и Флеровым [ 2 ]. Есть все основания считать, что при ЭПЭ в составе этого кооперативного явления присутствует спиновая конверсия и РСРМ даже в диамагнитных металлах, но особенно в присутствии парамагнитных примесей, обеспеченных вместо постоянного МП собственным магнитным полем тока. Задачи проведения фундаментальных НИР в настоящее время в этой области сводятся не столько к тому, чтобы доказать существование СК и РСРМ, а к тому, чтобы выделить эти эффекты внутри других электромагнитных явлений, включая ЭПЭ, из совокупных причин, порождающих, например, ЭПЭ - «электронного ветра», пинч-эффекта и др. Это задача фундаментальной науки, имеющая вместе с тем практическое значение.

Стадия накопления фундаментальных экспериментальных данных в области МПЭ, как и в случае ЭПЭ, при испытаниях на монокристаллах практически пройдена. Достигнуто качественное, а некоторых случаях и количественное понимание превалирующих причин возникновения МПЭ и механизм влияния его на механические свойства твердых тел. Этот механизм многоплановый и сложный. Он может действовать параллельно на нескольких структурных иерархических уровнях. Воздействия постоянным и переменным МП на деформируемое твердое тела можно считать низкоэнергетическим воздействием, поскольку в расчете на один атом в деформируемые образцы вводится не более 10-4 эВ в отличие от механического силового воздействия ( 10-3 эВ ), теплового воздействия (10-2 эВ ) и тем более радиационного воздействия ( единицы эВ ). Тем не менее МП вызывают ощутимые изменения физико- механических свойств твердых тел, особенно сильные за пределом текучести при массовой генерации свежих дислокаций, потенциально способных к перемещениям.

Существует несколько механизмов влияния МП на поведение дислокаций в деформируемом твердом теле. Они объединяют огромный массив экспериментальных данных, выполненных различными авторами, в основном, за последние пятьдесят лет. Актуальным в последнее время стало обсуждение механизма влияния спиновой конверсии ( СК ) и наличие спин- зависимой реакции дислокаций, окруженных парамагнитными примесями, на действие МП. Этот канал влияния МП обуславливает новый вид разупрочнения и повышения пластичности твердых тел, включая металлов - резонансного спинового разупрочнения ( РСР ), основанного на депиннинге дислокаций по влиянием СК.

Установлена мультиплетность неравновесных спиновых состояний и оценены динамические характеристики спиновой подсистемы деформируемых кристаллов во внешних МП. В результате действия МП могут инициироваться многостадийные процессы релаксации дефектной структуры, часть из которых в принципе не может быть вызвана термообработкой или механическими воздействиями. Наиболее важными процессами являются депиннинг дислокаций из окружения парамагнитными примесями, распад примесных комплексов и последующая рекомбинация продуктов распада на других дефектах структуры или между собой.

3. Полученные результаты Предварительные экспериментальные исследования влияния импульсного тока на процесс резания металла сверлением в первой исследованной постановке опыта с пропусканием тока поперек направления движения сверла вглубь обрабатываемого металла, когда вектор плотности тока Jm с одной стороны сверла совпадает с вектором окружной скорости резания, направленной по касательной к диаметру сверла, а с другой стороны направлен навстречу вектору, получены неоднозначные результаты.

На дюрале время сверления на заданную глубину сокращалось примерно на 10-12%, и стружка из сливной ( без тока ) становилась хрупкой и мелкой. В известной мере противоположные результаты по типу получаемой стружки были получены при сверлении с током стали - стружка, полученная без тока, была хрупкой и мелкой, а с током становилась сливной. В случае чугуна стружка оставалась хрупкой, а на титане, как и на меди, оставалась сливной. Во всех случаях стружка не имела следов перегрева. Поскольку физические условия резания различных металлов были одинаковыми, отмеченные различия в поведении стружки можно отнести к природе исследованных металлов, в первую очередь к различиям типов и топографий поверхностей Ферми, к различиям типов проводимости, к величине удельной проводимости, а также к величине константы деформационного потенциала дислокаций, возникающих при деформации резанием указанных металлов.

Указанные процессы и физических параметров металлов предстоит исследовать и оценить по их влиянию на процесс резания металла с током. Необходимо исследовать также влияние иной ориентации вектора плотности тока относительно зоны резания, а именно вдоль направления сверла в направлении его углубления в заготовку, что, возможно, вызовет усиление эффекта действия тока.

Как известно, в 1960 годах был открыт способ УЗ стимулирования процесса резания металла, что позволило сделать прорыв в области обработки жаропрочных и титановых сплавов. Очередь теперь за ЭПРМ и, в частности, за ЭПСМ, хотя сам электропластический эффект (ЭПЭ) на импульсном токе, лежащий в основе технологий ЭПДМ, был открыт также 60 годах прошлого столетия [6].

Отметим также, что ряд наблюдаемых эффектов УЗ- резания и ЭП резания в варианте ЭПСМ, что впервые было осуществлено в настоящей работе на импульсном токе, получили пока предварительное объяснение.

Предстоит исследовать влияние иной ориентации вектора плотности тока относительно зоны резания металла и оценить наличие и ресурсную величину стойкости сверла, изменения характера срезаемой стружки, на которой, как отмечено, отсутствуют следы перегрева и др.

Поскольку пластическая деформация металла под влиянием ЭПЭ облегчается, можно ожидать, что сила трения F стружки об переднюю стенку режущего инструмента уменьшается.. В силу этого может изменяться характерная форма стружки, образующейся при дополнительном энергетическом воздействии. Вместо сливной она станет крошиться, хотя электропластическое действие тока распространяется и на стружку, поэтому явление крошения стружки может и не наблюдаться.

Имеются все основания считать, что сила трения F в процессе ЭПРМ уменьшается на 25-30% подобно тому, как это происходит и количественно определено при разных видах ЭПДМ ( в частности, для электропластического волочения и прокатки ). Вектор силы трения F направлен против движения стружки. Уменьшение силы трения должно приводить к уменьшению радиуса закручивания стружки в силу наличия пластифицирующего действия тока на ее деформацию, и она по виду может стать сливной даже для чугуна. Однако в экспериментах мы пока этого не наблюдали.

Очевидно наблюдаемые эффекты влияния тока обусловлены изменениями физических условий резания металла. Детальный анализ этих процессов будет предметом исследований при продолжении данной работы. Следует отметить также, что эти задачи, как и сами процессы резания металла настолько сложны, что не могут быть решены одними только аналитическими и экспериментальными методами.

В кооперативном МПЭ, инициированном скрещенными постоянным и микроволновом МП, а также деформацией твердого тела, присутствуют влияния МП на спиновые степени свободы ( ССС ) реакционных пар дислокация - парамагнитная примесь ( помимо влияния на орбитальные магнитные моменты ), вызывающее через механизм СК депиннинг дислокаций от точек закрепления. Для этого должны соблюдаться условия электронного парамагнитного резонанса ( ЭПР ) для частиц со спином s = +- и фактором g спектроскопического расщепления g = 2. Метод ЭПР, таким образом, трансформируется в этом случае из метода наблюдений и исследований в способ энергетического воздействия на деформируемое твердое тела с тем, чтобы вызвать в нем спин- зависимые дислокационные реакции. Мощность источника СВЧ – волн должна быть повышена, а резонатор должен быть соединен с деформируемым образцом. Откликом на возникновение в системе резонансных явлений должно быть увеличение поглощения микроволновой энергии, а результатом действия скрещенных МП уменьшение предела текучести образцов, увеличение их пластичности и релаксации напряжений, скорости резания, скоростей перемещения дислокаций, изменение амплитудозависимого трения и т.д.

Необходимо обеспечивать также во время действия скрещенными МП существование и постоянное возобновление неравновесных термодинамических процессов в виде свежепроизведенных дислокаций, что непрерывно обеспечиыается в процессе резания и их пиннинга на парамагнитных примесях, а также гарантированный термодинамический выигрыш между начальным и конечным состоянием системы путем, например, периодической активной деформацией и резанием, в ходе которых происходит депининг дислокаций от точек закрепления в первые секунды после остановки активного деформации и снятия противоборства процессов разупрочнения и упрочнения кристаллов ), а затем перестройка состояний, в которых указанные спин- зависимые процессы уже не происходят.

Другие важные условия существования РСР были указаны выше и кратко сводятся к необходимости поддерживать активной деформацией образцов неравновесность спиновых степеней свободы ( ССС ) и достаточного количества реакционных пар (РП );

соответствия передаваемой им в «окне чувствительности» от МП энергии Um = 2bgB1 разнице ( UT - US ) обменной энергии триплетного Т- и синглетного S - состояний со спинами соответственно 1 и +-.

При экспериментальном исполнении аппаратуры для изучения РСРМ деформируемый или подвергаемый резанию образец необходимо помещать в СВЧ –резонатор в область пучности стоячей волны при частотах, например, m = 9,5 ГГц, а перпендикулярно переменному СВЧ полю В1 ( плоскости поляризации магнитной компоненте В1), т.е. в конфигурации В0 перпендикулярно В1 включать в режиме по-шагового нарастания постоянное МП с индукцией В0 от 0 до 1 Тл, что позволит получать немонотонную зависимость РСРМ от В0 МП. При этом контрольными должны быть три постановки опытов : а) измерения без каких-либо МП;

б) измерения при действии только постоянного МП ;

в) измерения при конфигурации В0 || В1, когда СК отсутствует.

Установлено, что минимально необходимая продолжительность действия переменного МП в виде модулированных СВЧ- волн прямоугольными пакетами составляет 10-6 сек, что на три порядка меньше продолжительности скачков деформации в кристаллах. Таким образом, спиновой механизм деппининга дислокаций из окружения парамагнитными примесями играет роль спускового крючка в МПЭ.

Выводы 1. Показано, что для реализации спинового разупрочнения в процессе электропластического резания металла ( ЭПРМ) с использованием импульсного тока требуется соблюдение шести условий по постановке эксперимента, что надо учитывать также при разработке технологий ЭПРМ.

2. На дюрале при сверлении по технологии ЭПРМ время сверления на заданную глубину сокращалось примерно на 10-12%, и стружка из сливной ( без тока ) становилась хрупкой и мелкой. Противоположные результаты по типу получаемой стружки были получены при сверлении с током стали - стружка, полученная без тока, была хрупкой и мелкой, а с током становилась сливной. В случае чугуна стружка оставалась хрупкой, а на титане, как и на меди, оставалась сливной.

3. Во всех случаях стружка не имела следов перегрева. Отмеченные различия в поведении стружки отнесены к природе исследованных металлов, к различиям типов и топографий поверхностей Ферми, к различиям типов проводимости, к величине удельной проводимости, а также к величине константы деформационного потенциала дислокаций, возникающих при деформации резанием указанных металлов.

Использованная литература 1. О.А.Троицкий, Ю.В.Баранов, Ю.С. Авраамов и А..Д. Шляпин Физические основы и технологии обработки современных металлов, том 1 и том 2, Изд-во РХД, Ижевск – Москва, 590 стр и 467 стр.

2. М.Моlotskii, V. Fleurov, J Phys. Chem., B,2000, 104, 3812 – 3. А.Я. Багаутдинов, В.Г. Громов, Ю.И. Головин, О.А.Троицкий и др Структура и свойства перспективных металлических материалов, г Томск, 2007 г, Изд-во НТЛ, 4. В.И. Альшиц, Е.В.Даринская, Е.А. Петржик, ФТТ, 1991, т 33, № 10, с 3001.

5. М. Молоцкий, ФТТ, 1991, т 33, № 10, с 3112.

6. О.А.Троицкий, Письма в ЖЭТФ, т 10, 18-22,1969, Электромеханический эффект в металлах.

7. A.F. Sprecher, S.L. Mannan, H. Conrad, Acta Met. 34,1145 ( 1986).

8. H. Conrad and A.F. Sprecher in Dislocation in Solids, edited by F.R.N. Nabaro, v 8,p 497 -541.

9. M. Molotskii, Philosophical Magazine,2003, v 83,№ 12, 1421.

10. В.И.Головин, Р.Б.Моргунов, В.Е.Иванов и др Письма в ЖЭТФ, 1998, т 68, № 5, с 11. Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов, В.Е. Иванов, А.А. Дмитриевский, ФТТ, 1999, т 41, № 10, с 1779.

12. Ю.И.Головин, Р.Б. Моргунов, В.Е. Иванов А.А. Дмитриевкий, ЖЭТФ., 2000, т 116, № 6, с 1080.

ДОКЛАДЫ В ПОМЕЩЕНИИ СПбГУ ИТМО по адресу Санкт-Петербургский Государственный университет информа ционных технологий, механики и оптики.

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49.

Телефон (812) 232-31- Вход ЗАСЕДАНИЕ СЕКЦИИ 2.1 – Мехатронные устройства Мини-симпозиум «Российско Эстонская школа по мехатронике»

26 октября 2011 года Председатель Проф. Мусалимов В.М.

Сопредседатель Проф. Тамре Март УДК 655.3.062. ФРАКТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ А.О. Казначеева Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, ме ханики и оптики, Санкт-Петербург Одной из актуальных задач в области цифровых изображений является выбор аде кватных критериев оценки качества. Существует два подхода к оценке качества изо бражений: количественный (использующий математические методы) и субъективный (основанный на экспертных оценках) [1]. Наиболее часто используемыми количествен ными критериями оценки качества двух изображений является среднеквадратическое отклонение и пиковое соотношение сигнал шум, однако в ряде случаев они плохо кор релируют с визуальной оценкой качества [2]. Субъективная оценка зависит от ряда внешних факторов: освещения, качества монитора, характера анализируемых изобра жений, настроения эксперта и др. и так же не является универсальной. Вместе с тем, в большинстве работ выбор количественных критериев носит частный характер, что де лает актуальной задачу поиска универсальных оценок.

В данной работе развивается фрактальный метод анализа качества магнитно резонансных (МР) томограмм, основанный на анализе взаимосвязи фрактальной раз мерности и уровня шума изображения при различных условиях измерения.

Многие экспериментальные сигналы характеризуются полной или случайной по вторяемостью в различных масштабах, анализ которой может быть выполнен с помо щью теории фракталов. Фрактальный подход в количественном анализе сложности сигналов основывается на оценке их фрактальной размерности D, отражающей степень сохраняемости геометрии при изменении масштаба (размерность Хаусдорфа) и других связанных с ней характеристик. В случае объединения фракталов различных размерно стей (мультифракталов) часто используется спектр показателей, характеризуемые раз личными информационными размерностями, чувствительными к неоднородностям рассматриваемых множеств (например, обобщенные размерности Реньи). Часто ис пользуемую в теоретических обоснованиях размерность Хаусдорфа сложно вычислить на практике, поэтому, как правило, оценка степени самоподобия изображения выпол няется посредством расчета параметра Херста (H).

Параметр Херста лежит в интервале 0,5H1, при этом в случае H=0,5 свойства самоподобия процесса отсутствуют (например, при классическом броуновском движе нии). Чем ближе параметр Херста к 1, тем более ярко проявляются фрактальные свой ства. Для самоподобных процессов с долгосрочной зависимостью, значение H изменя ется в пределах 0,7…0,9. Для двумерного случая величина фрактальной размерности связана с параметром Херста как D=2-H.

Фрактальные характеристики отмечаются на изображениях, получаемых с помо щью целого ряда диагностических модальностей, в том числе рентгеновских комплек сов, компьютерных и магнитно-резонансных томографов. В медицинском отображении расчет фрактальной размерности позволяет получить новую информацию о характере структурных изменений, заболеваниях, качестве изображения.

МР-томограммы характеризуются наличием полезного сигнала от протонов водо рода и шумом фона, как правило, имеющим постоянную интенсивность для всех облас тей изображения. Уровень и характер шума томограмм зависят от целого ряда парамет ров сканирования и его количественная оценка играет важную роль при выборе спосо ба устранения зашумленности томограмм. В случае исследования биологического объ екта, он так же является источником шума, вызванного пульсацией жидкостей в орга низме. Среди параметров сканирования наиболее существенное влияние на уровень шума МР-томограмм оказывает число усреднений Nex, увеличение которого приводит к снижению зашумленности изображений.

В литературе описан целый ряд способов оценки уровня шума МР-томограмм [4], большинство из которых использует не комплексные сырые данные, а реконструиро ванные изображения, получаемые на выходе прибора в результате сканирования. Для оценки можно использовать область фона вне отображаемого объекта, присутствую щую на подавляющем большинстве томограмм. Поскольку МР-сигнал воздуха равен нулю, то распределение шума в такой области будет подчинено закону Релея.

Анализируемые МР-томограммы были получены на клиническом МР-сканере EchoSpeed (General Electric) с полем 1,5 Тл;


в качестве исследуемого объекта выбран стандартный фантом для контроля качества. Эксперимент состоял из двух этапов: ска нирование с использованием импульсных последовательности (ИП) быстрое спин эхо (FSE) и градиентное эхо (GRE).

Для FSE ИП базовый протокол выбран с параметрами: время повторения TR= мс, время эхо TE=15 мс, ширина полосы пропускания 62 кГц, длина эхо-трейна ETL=8, поле сканирования 130 мм, толщина среза 2 мм, межсрезовое расстояние 0 мм, матрица 512х256. Моделирование различных условий выполнялось путем изменения парамет ров TR (150, 2000 мс), ETL (2, 4), Nex. Параметры базового протокола исследования для GRE ИП выбраны следующими: время повторения TR=400 мс, время эхо TE=7 мс, ши рина полосы пропускания 62 кГц, угол отклонения FA=90°, поле сканирования 130 мм, толщина среза 2 мм, межсрезовое расстояние 0 мм, матрица 512х256. Моделирование различных условий выполнялось путем изменения параметров FA (45°, 135°), TR (150, 600 мс), Nex. Для каждого сочетания параметров получены 9 изображений аксиальных срезов.

Изменение уровня случайного шума томограмм достигалось изменением числа усреднений Nex от 1 до 10 (при постоянстве прочих параметров сканирования), что для GRE ИП позволяло снизить уровень шума с 233±111 единиц (при Nex=1) до 75±36 еди ниц (при Nex=10).

Анализу подвергалась область размером 252х24 пикселей, расположенная за гра ницами объекта симметрично относительно центральной линии (рис. 1, а), что позволя ло избежать влияния краевых эффектов. Расчет фрактальной размерности при помощи параметра Херста H и погрешности его вычисления выполнялся в пакете Fractan для фрагментов 24х24 пиксела внутри анализируемой области, при этом смещение фраг ментов составляло не менее 6 пикселов.

а) б) Рис. 1. Выбор анализируемой области на томограмме (а) и зависимость параметра Хер ста от числа усреднений Nex для FSE ИП Для спин-эхо последовательности наблюдается зависимость от числа усреднений, выражающаяся в увеличение параметра H и уменьшении фрактальной размерности при снижении уровня шума для различных значений TR (рис. 1,б). Так, для случая TR= значение размерности составило с D=1,4187 при уровне шума 173±88 (Nex=1) и D=1,3068 при уровне шума 85±46 (Nex=5).

В случае градиент-эхо последовательности наблюдается зависимость рассчитан ного значения параметра Херста от времени повторения последовательности импуль сов, при этом для TR=400 мс среднее значение фрактальной размерности составило D=1,3765, в то время как для TR=150 мс оно было незначительно выше и составило D=1,4287. Зависимость фрактальной размерности от уровня зашумленности GRE изо бражения не имеет четко выраженного характера (рис. 2,а).

а) б) Рис. 2. Зависимость параметра Херста для градиент-эхо последовательности от уровня шума для различных периодах повторения (а) и углов поворота (б) Угол первоначального отклонения вектора намагниченности от равновесного со стояния не оказывает существенного влияния на рассчитанное значение фрактальной размерности (рис. 2,б). При этом увеличение или уменьшение его величины приводит к изменению параметра Херста в пределах ±0,03;

среднее значение фрактальной размер ности составляет D=1,3521. Отдельный интерес для исследования представляет зави симость фрактальной размерности при малых (до 10°) значениях угла.

Аналогичные расчеты, выполненные для FSE томограмм головного мозга челове ка, полученных с помощью стандартного клинического протокола, дали значение па раметра Херста в диапазоне 0,78…0,96. При этом наблюдается зависимость между на личием заболеваний и рассчитанным значением H, требующая отдельного рассмотре ния. Таким образом, количественная оценка Херста может служить эффективным ин струментом как для диагностики состояния оборудования и выявления источников шу ма, так и для оценки структурных изменений биологических тканей.

Литература 1.Монич Ю.И., Старовойтов В.В. Оценки качества для анализа цифровых изобра жений // Искусственный интеллект. – 2008. - №4. – с. 376-386.

2.Wilder W.C. Subjective Relevant Error Criteria for Pictorial Data Processing // Purdue University, School of Electrical Engineering, Report TR-EE 72-34, December 1972.

3.Мусалимов В.М., Дик О.Е., Тюрин А.Е. Параметры действия энергетического спектра вейвлет-преобразования // Известия вузов. Приборостроение. 2009. – Т. 52. – № 5. – С. 10-15.

4.Aja-Fernandez S., Antonio T.V., Alberola-Lopez C. Noise estimation in single and multiple magnetic resonance data based on statistical models // Magnetic Resonance Imaging.

– 2009. – Vol. 27. – P. 1397– УДК 519.67;

620. МЕТОД ОБРАТНОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ С ФИЛЬТРАЦИЕЙ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ЛУЧЕВОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ЛАМИНОГРАФИИ А. В. Мяготин, Л. Хелфен, Т. Баумбах Аннотация. Статья посвящена разработке и реализации алгоритма обратного проецирования, используемого для реконструкции внутренней структуры плоских образцов методом компьютерной ламинографии с параллельным пучком излучения.

Ключевые слова: реконструкция, алгоритм, томография, ламинография, рентгеновское излучение.

ВВЕДЕНИЕ Компьютерная томография (КТ) относится к неразрушающим методам контроля, позволяющим получить изображение внутренней структуры исследуемого образца. Несмотря на широкое применение томографии в различных отраслях науки и техники, реконструкция вытянутых, продолговатых и плоских объектов (таких например как печатных плат) с ее помощью является проблемным вопросом: восстановленное изображение, как правило, содержит значительные шумы и дефекты, возникновение которых обусловлено чрезвычайно неравномерным распределением интенсивности излучения после прохождения объекта для различных углов проецирования [1]. Недавно предложенный метод синхротронной рентгеновской компьютерной ламинографии [2] служит для разрешения указанной проблемы. Основное отличие между классической томографией и ламинографией заключается в том, что запись проекционных изображений производиться для образца, ось вращения которого наклонена в направлении пучка излучения, что позволяет существенно уменьшить колебания среднего значения пропускной интенсивности излучения.

Первоначально ламинография использовалась для исследования электронных устройств и печатных плат [3], однако в последнее время данный метод получил применение в таких областях как археология [4], палеонтология [5] и материаловедение [6].

Основой обеих методов (компьютерной томографии и ламинографии) является реконструкционный алгоритм, который принимает на входе серию проекционных изображений, полученных путем облучения образца под различными углами, и вычисляет двумерное или трехмерное распределение линейных коэффициентов поглощения. Благодаря высокому отношению качества восстанавливаемого изображения к вычислительной сложности широкое распространение среди реконструкционных алгоритмов получил метод обратного проецирования с фильтрацией (в английской литературе известен как filtered или сокращенно Представленная статья посвящена вопросу backprojection FBP).

модификации классического алгоритма FBP с целью его адаптации к измененной (ламинографической) процедуре сканирования. Также в статье представлены методики сокращения времени реконструкции путем использования в алгоритме параллельных и распределенных вычислений. В заключительном разделе статьи приведены результаты работы модифицированного FBP-алгоритма для синтетического и реального образца.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Восстановление изображения методом компьютерной ламинографии включает два логических шага – запись серии проекционных изображений и реконструкция. На первом шаге образец вращается с одновременным облучением рентгеновским излучением. При помощи цифрового детектора, размещенного за образцом, выполняется запись серии радиографических изображений. На втором шаге численной процедурой вычисляется неизвестное распределение линейных коэффициентов поглощения : R3 R. Ориентация объекта в пространстве однозначно задается ламинографическим углом (в случае КТ 90 ) и углом вращения (Рис. 1). Пусть L – это линия, соединяющая источник излучения и детектор, тогда изменение интенсивности при прохождение через объект описывается законом Бугера-Ламебрта-Бера pL ( x, y, z )dl ln( IT / I 0 ), (1) L где I 0 и IT – это начальная и пропускная интенсивности излучения. Используя определение -функции, интеграл (1) может быть приведен к следующему виду:

( x )( xu u) ( xv v)dx p, (u, v) (2) R Выражение (2) описывает преобразованием Радона функции [7], в котором p, следует интерпретировать как двумерное проекционное изображение исследуемого образца (проекция), полученное при повороте объекта на углы и.

Рис. 1. Конфигурация эксперимента при ламинографическом сканировании образца.

Рис. 2. Демонстрация центральной проекционной теоремы.

Численные методы, выполняющие реконструкцию функции для серии проекций p,, базируются на свойстве, сформулированным центральной проекционной теоремой. В случае ламинографического сканирования данная теорема принимает следующий вид.

Теорема 1. Двумерный Фурье образ P, (ku, kv ) проекции p, соответствует сечению трехмерного Фурье образа M (k x, k y, k z ) функции ( x, y, z ) вдоль секущей плоскости (u v ) k 0, то есть P, (ku, kv ) M (kuu kvv ).

Таким образом, восстановление функции возможно путем заполнения значениями проекций частотной области с последующим обратным преобразованием Фурье. В действительной области данная операция соответствует «протягиванию» (обратному проецированию) исходной проекции вдоль линии, по которой проекция была получена первоначально (Рис. 2).


Метод обратного проецирования. Классическое уравнение для восстановления объема, вытекающее из центральной проекционной теоремы, имеет вид [8] ( x ) {g h }( x ), (3) где оператор обозначает трехмерную свертку, составное изображение g ( x ) – результат обратного проецирования серии проекций в действительной области g ( x )d, g (x) h – это обратный фильтр, вид которого определен конфигурацией сканирования образца.

Алгоритм, реализующий уравнение (3), утилизирует так называемый принцип фильтрации после обратного проецирования. Подобная реализация неэффективна в практических приложениях, так как требует значительных вычислительных затраты (длительного времени вычисления) для выполнения трехмерной операции свертки. Как будет показано далее, значительное сокращение вычислительных затрат возможно при реализации принципа фильтрации перед обратным проецированием.

Теорема 2. Пусть H, – это двумерное сечение трехмерного фильтра H FT (h ) вдоль плоскости, определенной проекцией p,, тогда выполняется отношение {G, H }(k ) {P, H, }(T1 x ) (T2k ), (4) в котором T1, T2 – матрицы преобразования, которые для заданных углов и ставят в соответствие частотные координаты объекта (k x, k y, k z ) частотным координатам проекции (ku, kv ).

Теорема 2 устанавливает, что трехмерная свертка в выражении (3) может быть эквивалентно заменена менее затратной двумерной сверткой проекции и обратного фильтра H,. В работе [9] было показано, что в случае ламинографического сканирования указанный фильтр принимает вид:

FT h, H, (ku, kv ) sin( ) | ku | / 2. (5) Для / 2 (т.е. для компьютерной томографии) функция (5) трансформируется к q, { p, h, } известному Ram-Lack фильтру [10]. Пусть результирующая проекция после применения обратного фильтра, M – общее число проекций, полученных под углами m 2 m / M, тогда реконструкционное уравнение примет следующий вид 2 M q ( x) (T1 x ). (6) m, M m РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА Обобщенный вид процедуры, реализующей представленный метод обратного проецирования, представлен на Рис. 3. Отметим, что если восстанавливаемый объем включает N 3 точек, то вычислительная сложность представленного алгоритма составляет N / 2, конечное время O(MN 3 ) операций. Так как рекомендуемое число проекций M реконструкции выражается полиномом четвертой степени относительно параметра N. В реальных научных приложениях размер восстанавливаемого объема колеблется от 5123 до 20483 точек и, как следствие, время выполнения программы составляет несколько часов и более на современной вычислительной станции. С другой стороны, запись нескольких тысяч радиографических проекций с использованием существующих цифровых детекторов не превышает, как правило, нескольких минут, именно поэтому длительное время реконструкции является сдерживающим фактором использования компьютерной ламинографии в приложениях, требующих быструю генерацию результата (таких например как наблюдение динамических изменений внутренней структуры объекта в реальном режиме времени).

procedure FBP() 1. for m = 0 … M – загрузить проекцию pm 2.

qm := применить фильтр h, к pm 3.

for all ( x, y, z ) 4.

(u, v) : T1 ( x, y, z ) 5.

увеличить значение ( x, y, z ) на qm (u, v) 6.

7. return ( x, y, z ) Рис. 3. Реализация метода обратного проецирования c фильтрацией.

При детальном рассмотрении уравнения (6) можно заметить, что вычисления значений в разных точках восстанавливаемого объема независимы. Таким образом, очевидной методикой сокращения времени работы алгоритмы – это реализация параллельных вычислений. В случае если вычислительная станция поддерживает параллельные вычисления на аппаратном уровне, становится возможным значительно сократить период ожидания результата. В представленной работе были реализованы и протестированы следующие способы организации параллельных вычислений.

В современных процессорах включена поддержка так называемых векторных (SIMD) инструкций, то есть таких операндами в которых выступают массивы значений, длина которых варьируется от 2 до 256 элементов. Использование векторных операций сложения, умножения и обращения к памяти в процедуре FBP() позволяет сократить общее число итераций цикла пропорционально длине вектора.

Альтернативный способ организации параллельных вычислений – это многопоточное выполнение программы. В вычислительной технике термин поток относится к последовательности инструкций процессора. Программные потоки работают в общем адресном пространстве, то есть они способны обращаться к одним и тем же ячейкам памяти. Для реализации многопоточной версии процедуры FBP() использовался получивший широкое распространение стандарт OpenMP [11], который дополняет компилятор директивами синхронизации и межпоточного доступа к данным. В текущей реализации программы при k одновременно запущенных потоков, каждый из них обрабатывает Nz/k слоев восстанавливаемого трехмерного изображения.

Алгоритм обратного проецирования можно организовать также прибегнув к распределенным вычислениям. В этом случае программа содержит несколько процессов, каждый из которых выполняется на индивидуальной рабочей станции, при этом обмен данными осуществляется через коммуникационную сеть.

Традиционная схема для распределенных вычислений подразумевает наличие головного процесса и несколько вспомогательных. Первый отвечает за разбиение проблемы на меньшие задачи и распределении их между вспомогательными процессами, вторые выполняют непосредственно вычисления. Одна из возможных схем построения распределенных вычислений для проблемы реконструкции представлена на Рис. 4. Головной процесс загружает очередную проекцию, выполняет фильтрацию и отправляет ее всем вспомогательным процессам, каждый из которых выполняет обратное проецирование. Основным достоинством представленной схемы является то, что каждый вспомогательный процесс обрабатывает малую часть восстанавливаемого объема, как следствие максимальный размер матрицы определяется общим размером памяти станций, на которых выполняются вычисления. Для реализации распределенной модели вычислений в работе использовалась программная библиотека MPICH [12].

Рис. 4. Организация обмена данными при реализации распределенных вычислений Для оценки эффективности параллельной реализации алгоритма FBP() в сравнении с последовательной предлагается использовать фактор ускорения ts S, t0 tbp / k где ts – это время выполнения последовательной версии алгоритма;

tbp – время, затраченное на выполнения только обратного проецирования;

t0=ts-tbp;

k – это число одновременно выполняющихся реконструкционных потоков.

ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ Для оценки производительности предложенного реконструкционного алгоритма был подготовлен синтетический фантом, который моделирует плоский протяженный объект (Рис.

5). Для данного фантома была построена последовательность проекционных изображений ( 63 ). Размер восстанавливаемого изображения в численных экспериментах изменялся от 5123 до 10243 точек.

Рис. 5. Синтетический фантом сети.

Результаты тестирования алгоритма FBP с векторными инструкциями на процессоре Intel Xeon E5540 (максимальная длина вектора которого составляет четыре элемента) представлен в Таблице 1. Время работы последовательной версии алгоритма составляет секунд (эксперимент №1). При добавлении в строку компиляции ключей автоматической оптимизации кода время выполнения незначительно уменьшается. В эксперименте № представлено время работы алгоритма, дополненного векторными инструкциями. Как видно из представленных данных фактор ускорения составляет 3.25, что всего на 0. относительных единиц меньше идеального значения.

Таблица 1. Результаты тестирования векторной версии процедуры FBP() № Описание эксперимента trec, c S Последовательное выполнение 1 950 1. Реализация с использованием автоматической оптимизацией 2 920 1. кода компилятором Реализация с использованием векторных инструкций 3 293 3. На Рис. 6 представлена зависимость фактору ускорения от числа потоков при тестировании многопоточной процедуры В представленном эксперименте FBP().

использовалась рабочая станция, содержащая два процессора Intel Xeon E5540, каждый из которых состоял с четырех физических ядер, в свою очередь, каждое из которых поддерживала технологию параллельных вычислений – Hyper-Threading. На представленной кривой можно выделить три различных сегмента. Для k 8 каждый поток выполняется на индивидуальном физическом ядре, что позволяет наблюдать линейный рост фактора ускорения. Для k (8,16] рост еще заметем, но при этом наклон кривой меньше. Причина данного эффекта кроется в том, что технология Hyper-Threading представляет собой псевдо параллельный режим выполнения потоков, т.е. потоки выполняются одновременно только если они обращаются к различным операционным блокам процессора (например, арифметическая операция может выполнятся одновременно с копированием данных в память). Последующее увеличение числа потоков превышает аппаратные возможности к параллельному их выполнению, более того операционной системе требуется больше число операций для переключения между потоками, именно поэтому для k 16 наблюдается снижение производительности программы.

Рис. 6. Зависимость фактора ускорения от числа потоков в многопоточной версии процедуры FBP().

Таблица 2 представляет результаты тестирования распределенного реконструкционного алгоритма. В данном эксперименте вычислительный кластер состоял из одного головного сервера (Intel Xeon MP, 4ГБ RAM) и четырех идентичных рабочих станций (Intel Xeon Сore Duo, 2ГБ RAM), объединенных в 100МБ коммуникационную сеть. Данные, приведенные в таблице, подтверждают высокую эффективность предложенной реализации, так как фактор ускорения растет практически линейно от числа вспомогательных процессов и близок при этом к идеальным значениям Sидеал.

Таблица 2. Результаты тестирования распределенной версии процедуры FBP() Число trec, c Sизм Sидеал вспом.

процессов 2 6676 1.98 2. 3 4482 2.95 3. 4 3387 3.90 4. 5 2738 4.8 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В статье рассматривается проблема восстановления распределения линейных коэффициентов поглощения для компьютерной ламинографии с параллельным пучком излучения. Предложенный метод может рассматриваться как обобщенная версия классического метода обратного проецирования с фильтрацией. В работе показаны пути его реализации и проведены тесты, подтверждающие высокую эффективность алгоритма, использующего параллельные и распределенные вычисления. Благодаря высокой производительности конечного программного продукта предложенные алгоритмы регулярно используются при проведении научных исследований на экспериментальной станции ID Европейского центра синхротронного излучения (Рис. 7).

Рис. 7. Изображение фрагмента печатной платы, полученное предложенным методом обратного проецирования.

ЛИТЕРАТУРА 1. L. Helfen, A. Myagotin, P. Mikulik, P. Pernot, A. Voropaev, M. Elyyan, M. D. Michiel, J.

Baruchel, T. Baumbach, On the implementation of computed laminography using synchrotron radiation, Review of Scientific Instruments 82 (6) (2011) p. 063702.

2. L. Helfen, T. Baumbach, P. Mikulik, D. Kiel, P. Pernot, P. Cloetens, J. Baruchel, High resolution three-dimensional imaging oflat objects by synchrotron-radiation computed laminography, Appl. Phys. Lett. 86 (2005) p. 071915.

3. L. Helfen, A. Myagotin, P. Pernot, M. DiMichiel, P. Mikulik, A. Berthold, T. Baumbach, Investigation of hybrid pixel detector arrays by synchrotron-radiation imaging, Nucl. Inst.

Meth. A 563 (2006) pp. 163-166.

4. K. Krug, L. Porra, P. Coan, A. Wallert, J. Dik, A. Coerdt, A. Bravin, M. Elyyan, P. Reischig, L. Helfen, T. Baumbach, Relics in medieval altarpieces? combining x-ray tomographic, laminographic and phase-contrast imaging to visualize thin organic objects in paintings, J.

Synchrotron Rad. 15 (2008), pp. 55-61.

5. Houssaye, F. Xu, L. Helfen, V. D. Buffrenil, T. Baumbach, P. Taffreau, Three dimensional pelvis and limb anatomy of the cenomanian hind-limbed snake eupodophis descouensi (squamata, ophidia) revealed by synchrotron-radiation computed laminography, J. Vertebrate Paleontology 31 (2011) in press.

6. J. Moffat, P. Wright, L. Helfen, T. Baumbach, G. Johnson, S. M. Spearing, I. Sinclair, In situ synchrotron computed laminography of damage in carbon.bre-epoxy [90/0](s) laminates, Scripta Materialia 62 (2010) pp. 97-100.

7. F. Natterer, The mathematics of computerized tomography, Wiley, 1986.

8. H. Matsui, A. Iwata, I. Horiba, N. Suzumura, Three-dimensional image reconstruction by digital tomo-synthesis using inverse filtering, IEEE Transactions on Medical Imaging (1993) pp. 307-313.

9. L. Helfen, A. Myagotin, A. Rack, P. Pernot, P. Mikulik, M. D. Michiel, T. Baumbach, Synchrotron-radiation computed laminography for high-resolution three-dimensional imaging oflat devices, phys. stat. sol. (a) 204 (2007) pp. 2760-2765.

10. G. Ramachandran, A. Lakshminarayanan, Three-dimensional reconstruction from radiographs and electron micrographs: Application of convolutions instead of Fourier transforms, in:

Proceedings of the National Academy of Science of the USA, Vol. 68, 1971, pp. 2236-2240.

11. OpenMP architecture review board. OpenMP C and C++ application program interface, http://www.openmp.org (2002).

12. MPI-2: Extensions to the Message-Passing Interface, http://www.mcs.anl.gov/ (1997).

УДК 621. НОВЫЙ РЕДУКТОР ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ ТРУБОПРОВОДОВ П.Г.Сидоров, д-р техн. наук, проф., 1 В.Я.Распопов, д-р техн. наук, проф., Е.В.Шалобаев, канд. техн. наук, проф.

Тульский государственный университет Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Работа посвящена созданию нового поколения многооборотных интеллектуальных электропривода запорной арматуры высокопроизводительных автоматизированных трубопроводных магистралей. Указанные трубопроводы уже широко применяются в мировой экономике и имеют реальную перспективу на применение в будущем. В связи с этим наблюдается рост публикаций по данной тематике [1-11].

На основе анализа распространенных серийных электроприводов, используемых в мировом арматуростроении (в том числе «AUMA», Германия, «BIFFI», Италия, «ROTORK», Англия, «», Чехия и др.) доказано, что они, в основном, исчерпали свои возможности по энерго- и ресурсосбережению, надежности и нагрузочной способности [1-6].

Авторы предлагают двухступенчатый редуктор, состоящий из так называемой волновой с гибким звеном и планетарно-роликовой передач, в целом известных в машиноведении, впервые удачно встроенных в многооборотный регулируемый электропривод как самостоятельное машиностроительное изделие (рис. 1).

На рисунке 1 даны следующие обозначения: 1 – корпус;

2 – электродвигатель;

3 – ротор;

4 – входной вал;

5 – редуктор;

6 – водило h ;

7 – первый венец a1 малого центрального колеса;

8 – второй венец a2 малого центрального колеса;

9 – первый ряд сателлитов g1 ;

10 – второй ряд сателлитов g 2 ;

11 – опорное большое центральное i i колсо b1 ;

12 – выходное большое центральное колсо b2 ;

13 – приводная гайка узла Бугеля;

14 – шпиндель;

15 – запорная арматура;

16 – ручной дублр;

17, 18 – коническая передача для связи ручного дублра с водилом ( zш zк ) ;

19 – выходной пустотелый вал;

20 – кулачковая полумуфта;

21 – зубчатая шестерня на консольной части выходного вала;

22 – вход датчика регистрации положения шпинделя электропривода;

23 – адаптер привязки привода к фланцу задвижки;

24 – радиально-упорный подшипник скольжения.

Это позволило качественно улучшить массово-габаритные параметры, надежность, ресурс и нагрузочную способность новых технических решений на механические системы, изменить дизайн и облик электроприводов, максимально вписав их в дизайн и облик запорной арматуры.

Результаты технических решений научно обоснованы и подтверждены необходимыми проектировочными расчетами. Доказано, что для надежных электроприводов с большим ресурсом безопасной работы (10 000 часов и более) предпочтительны только неделимые двухступенчатые многопоточные асинфазные электроприводы (например, 7МРЭП-88), позволяющие согласованным дискретным и бесступенчатым регулированием изменять в широких пределах выходные параметры мощностного потока по скорости и моменту в одном неизменном габарите привода, а, следовательно, использовать этот один габарит привода для нескольких разных по скорости, моменту, габаритам, диаметру и давлению задвижек. Такими возможностями не обладает ни один из известных в мировом арматуростроении серийных многооборотных электроприводов.

Таким образом, впервые представляется возможным построить узкий габаритный ряд (из 5…10 типоразмеров) универсальных электроприводов, охватывающий всю гамму запорной арматуры (до пятисот конструкций) по диаметру, давлению и присоединительным размерам в системе магистрали.

Не менее интересен по конструктивным, технологическим и экономическим соображениям и так называемый волновой многопоточный электропривод (например, МЭП-175), который может найти широкое применение в трубопроводных магистралях с малоцикловой запорной арматурой (до 5 000 циклов нагружения). Он отличается оптимальной удельной массой (0,005…0,008 кг/Нм) и не имеет, как и предыдущий вариант, аналогов в мировом арматуростроении, а поэтому перспективен как для арматуростроения, так и для общего и специального машиностроения.

Многооборотные электроприводы с планетарно-роликовым редуктором уже получили положительную апробацию в серийных многооборотных электроприводах российской фирмы “TOMZEL” с перпендикулярными и параллельными геометрическими осями приводного двигателя и шпинделя. В предлагаемом авторами варианте при коаксиальном расположении геометрических осей электродвигателя, входного, промежуточного и выходного валов редуктора с осью перемещения шпинделя задвижки значительно улучшают облик и дизайн задвижки с электроприводом в целом, что также является прогрессивным и перспективным решением.

Большим достижением всех предлагаемых технических решений является техническое предложение на новый облик задвижек с многооборотным электроприводом – коаксиальное расположение геометрических осей приводного электродвигателя, входного, промежуточного и выходного валов редуктора с осью перемещения шпинделя задвижки. Такое исполнение, по нашему мнению, является оптимальным и классическим.

Обращает на себя внимание совершенная и перспективная новая система ручного, дистанционного и автоматического управления, регулирования, диагностики и защиты электроприводов в экстремальных условиях эксплуатации и высокая экономия электроэнергии (от 20 до 50 %) при стандартных условиях эксплуатации электроприводов за счет согласованного дискретного и бесступенчатого регулирования параметров потока мощности по скорости и моменту в одном габарите. Е достоинства очевидны и не требуют дополнительных обоснований.

Работа выполняется при финансировании Министерства образования и науки РФ, опытный образец изготовляется на ОАО «Мичуринский завод «Прогресс».

ЛИТЕРАТУРА Йонатис Р.Р. Перспективные требования к модернизации трубопроводной арматуры 1.

для АЭС // Арматуростроение. - 2004. - №1. - C.13-15.

Хохряков В.Г. Электропривод нового поколения для запорно-регулировочной 2.

арматуры // Арматуростроение. 2004. №4. – С.32-33.

Гольдфарб В.И., Макаров В.В., Маслов В.М. Перспективы развития приводной 3.

техники для трубопроводной арматуры // Арматуростроение. 2005. №6. – С.43-45.

Виноградов А.Б., Чистосердов В.Л., Сибирцев А.Н., Монов Д.А. Новые 4.



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.