И. К. Бейсембетов ректор Зам главного редактора

 

●

 Технические науки 

 

188                                                                                            

№2 2016 Вестник КазНИТУ

 

 

На  рисунке  2а)  показан  график  микротвердости  исходного  образца  (А),  по  которому  видны 

резкие острые пики, свидетельствующие о неоднородности микроструктуры. Значения микротвердо-

сти варьируются от 15 до 70, разница между максимальным и минимальным значением микротвердо-

сти  отличается    в  4,5  раза.  Это  объясняется  тем,  что  в  металлической  основе  образца  присутствует 

цементитная фаза с высокой твердостью  (HV ≈ 50-70) и вместе с тем встречается  более мягкая гра-

фитная составляющая с меньшими значениями твердости. Графитной фазы здесь мало: из 55 точек на 

графит попадает 10, а цементита достаточно много (около 14). Цементит является нежелательной фа-

зой, приводящей к охрупчиванию материала. 

На  графике  изменения  микротвердости  модифицированного  образца  Б  (рис.2б)  увеличилось 

количество  точек  с  пониженными  значениями  микротвердости  (в  пределах  от  16  до  37).  Разница 

между максимальным и минимальным значением микротвердости уменьшилась почти в 2 раза. Оче-

видно, что модифицирование привело к уменьшению цементита и образованию большего количества 

графитной фазы. Из 55 точек на графит попадает 20, на цементит - 2, основная металлическая основа 

- ферито-перлитная.  

В образце В, модифицированного модификатором с нанодобавкой ФЧ, значения микротвердо-

сти  варьируются от 16 до 32 (рис. 2 в). Микротвердость металлической основы снизилась, увеличи-

лось количество графитной фазы вследствие увеличения степени графитизации. Разница между мак-

симальным и минимальным значением микротвердости уменьшилась в 2 раза по сравнению с исход-

ным образцом. Из 55 точек на графит попадает 29, а цементитной точки не наблюдается.  

Данные  микротвердости согласуются с данными металлографического анализа, где видно, что 

исходный  образец  имеет  грубые  включения  графита  шаровидной  и  пластинчатой  формы,  присут-

ствует также грубая цементитная составляющая. (рисунок 3-а).  

В  образце  модифицированного  ферросилицием  прослеживается  увеличение  количества  гра-

фитных включений пластинчатой и шаровидной формы с оторочками ферритной фазы и уменьшени-

ем цементитной составляющей. Металлическая основа - ферито-перлитная (рисунок 3б).  

На снимках микроструктуры образца В видно увеличение количества мелких графитных вклю-

чений,  преимущественно  шаровидной  формы.  Металлическая  основа  ферито-перлитная,  что  под-

тверждается данными микротвердости. Графитные включения распределены более равномерно  (ри-

сунок 3в). 

 

   

    

 

а) 

 

 

                 б)  

 

 

 

          в) 

Рис.  3. Микроструктуры исследуемых образцов, х200: а) исходный образец А;  б) образец Б модифицирован-

ный ФС75; в) образец В модифицированный ФС75+ФЧ 

 

Количественный металлографический анализ осуществлялся с помощью программы Image SP. 

Обсчет доли площади графитной фазы в образцах проводился на торцевой поверхности  образцов, в 

центре, на периферии и на произвольном участке. Во всех образцах прослеживается наличие графита 

различной  морфологии  и  размера.  В  исходном  образце  доля  площади  графита  составляет  3,09%,  в 

модифицированном образце доля площади графита 4,14%, а в образце обработанного нанодобавкой, 

доля площади составляет 6,2%, что в 2 раза больше исходного образца и в 1,5 раза больше модифии-

рованного ФС75. Это свидетельствует о пложительном влиянии нанодобавки на графитизацию чугу-

на. Данные обсчета доли графитной фазы в структуре образцов приведены в таблице 2. 

Из  приведенных  данных  количественного  анализа  видно,  что  нанодобавка  ФЧ  увеличивает 

графитные включения чугуна, усиливая действие основного модификатора. 

Следует отметить, что на эффект модифицирования будут оказывать влияние элементы, содер-

жащиеся в основном модификаторе ФС75 (С, Si, Mn, S, P, Cr, Al). Они  способствуют графитизации в 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №2 2016                                          

189 

 

разной степени в зависимости от количества и химической активности каждого, связанной с их элек-

тронным  строением.  Введенные  нанодобавки  участвуют  в  процессе  графитизации  вместе  с  указан-

ными элементами основного модификатора, которые  в качестве своеобразного «транспорта» для уг-

леродных наноструктур обеспечивают взаимодействие с образованием новых подложек для кристал-

лизации [6]. 

 

Таблица 2. Распределение графитных включений на поверхности шлифа 

 

 

Образцы 

Изображение микроструктуры с выде-

ленным графитными включениями, х200 

Доля площади графита в 

кадре  

 

 

Исходный образец  А 

 

 

 

 

 

3,09% 

 

 

 

 

Модифицированный обра-

зец  Б 

 

 

 

 

 

4,14% 

 

Образец В модифициро-

ванный с нанодобавкой   

 

 

 

 

 

6,12% 

 

Нанодобавка приводит к образованию новых центров кристаллизации графита под воздействи-

ем  активных  наноразмерных  частиц,  которые  присутствуют  в  расплаве  железо-углеродистой  систе-

мы.  Как  известно,  структурное  состояние  расплава  допускает  существование  фуллереновых  частиц 

углерода  в  чугуне,  которые  как  готовые  наноповерхности  являются  затравками  с  заданной  кристал-

лографической  ориентацией.  В  процессе  модифицирования,  ФЧ  усиливает  диффузию  углерода, 

находящегося  в  расплаве  чугуна  в  виде  фуллереноподобных  структур.  Это  приводит  к  флуктуации 

концентраций и свободной энергии, а следовательно, становится причиной резкого увеличения числа 

центров графитизации и ускорения всего процесса графитизации в целом.  

Выводы.  1.  Ввод  небольших  добавок  модификатора  с  наноразмерной  структурой  приводит  к 

увеличению  количества  графитной  фазы  чугуна,  выступая  новыми  затравками  графитной  фазой  и 

образуя  соединения  с  другими  элементами,  формируя    новые  центры  кристаллизации  графита.  Это 

подтверждают испытания на микротвердость образцов чугуна наномодифицированных ФЧ-добавкой, 

а также результаты металлографических исследований. 

2. Графитизация как физико-химический процесс в присутствии углеродных наноструктур по-

лучает дополнительный импульс. Углеродные наноструктуры адсорбируясь на поверхности неметал-

лических  включений  при  кристаллизации,  превращают  эти  включения  в  активированные  центры 

графитизации. 

3. Использование ФЧ в целях модифицирования выглядит весьма перспективным  с учетом  ее 

низкой стоимости, позволяя создавать комплексные модификаторы нового поколения для получения 

качественных чугунных отливок.  

 

 

●

 Технические науки 

 

190                                                                                            

№2 2016 Вестник КазНИТУ

 

 

ЛИТЕРАТУРЫ 

[1] Гиршович Н.Г. Чугунное литье. Ленинград-Москва: Металлургиздат. 1949. С.708 

[2] Давыдов  С.В.  Фуллереновая  природа  жидкого  чугуна  –  основа  технологии  наномодифицирования  / 

Труды седьмого съезда литейщиков России / Т1. Общие вопросы. Черные и цветные сплавы: Новосибирск 23-

27 мая 2005 г. – Новосибирск: Изд. Дом «Историческое наследие Сибири, -2005. – С.101-108. 

[3] Закирничная М.М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и 

термических воздействиях: автореф. дис..докт. техн. наук / М.М. Закирничная. – Уфа: УГНТУ, 2001. – 48 с. 

[4] Кущ С.Д., Куюнко Н.С. Фуллереновая чернь: строение, свойства и каталитические приложения / Аль-

тернативная энергетика и экология. - №2(58), 2008, с.59-65. 

[5] Левицкий В.В., Дозморов C.B. Кластерный механизм образования центров кристаллизации графита в 

расплаве чугуна// Литейное производство, 1988.- №9.С.6-7. 

[6] Кондратьев В.В., Балановский А.Е., Иванов Н.А., Ершов В.А., Корняков М.В. Оценка влияния соста-

ва модификатора с наноструктурными добавками на свойства серого чугуна / Металлург, 2015. - №5 – с.48-56 

 

REFERENCES 

[1] Girshovich N.G. Chugunnoe lit'e. Leningrad-Moskva: Metallurgizdat. 1949. S.708 

[2] Davydov  S.V.  Fullerenovaja  priroda  zhidkogo  chuguna  –  osnova  tehnologii  nanomodificirovanija  /  Trudy 

sed'mogo s"ezda litejshhikov Rossii / T1. Obshhie voprosy. Chernye i cvetnye splavy: Novosibirsk 23-27 maja 2005 g. 

– Novosibirsk: Izd. Dom «Istoricheskoe nasledie Sibiri, -2005. – S.101-108. 

[3] Zakirnichnaja M.M. Obrazovanie fullerenov v uglerodistyh staljah i chugunah pri kristallizacii i termicheskih 

vozdejstvijah: avtoref. dis…dokt. tehn. nauk / M.M. Zakirnichnaja. – Ufa: UGNTU, 2001. – 48 s. 

[4] Kushh  S.D.,  Kujunko  N.S.  Fullerenovaja  chern':  stroenie,  svojstva  i  kataliticheskie  prilozheni-

ja/Al'ternativnaja jenergetika i jekologija. - №2(58), 2008, s.59-65. 

[5] Levickij  V.V.,  Dozmorov  C.B.  Klasternyj  mehanizm  obrazovanija  centrov  kristallizacii  grafita  v  rasplave 

chuguna// Litejnoe proizvodstvo, 1988.- №9.S.6-7. 

[6] Kondrat'ev  V.V.,  Balanovskij  A.E.,  Ivanov  N.A.,  Ershov  V.A.,  Kornjakov  M.V.  Ocenka  vlijanija  sostava 

modifikatora s nanostrukturnymi dobavkami na svojstva serogo chuguna/Metallurg, 2015. - №5 – s.48-56 

 

Ускенбаева А.М., Шамельханова Н.А. 

Наноқұрылымды қоспалардың шойынға модификациялау мүмкіндіктерін бағалау. 

Түйіндеме. Мақалада, шойындардың наноқоспасы ретінде фуллеренді қара-күйе деп аталатын (ФҚ) на-

ноқұрылымды көміртектің қолдану  мүмкіншілектері қарастырылған.  

Шойында наноқұрылымды көміртегімен бірге фуллеренді қара-күйенің әрекеттесудің теориялық моделін 

негізге ала отырып, наноматериалдың модификаттау мүмкіндігін  бағалау үшін шойынның  графиттеу дәрежесі 

бойынша микроқаттылық   экспериментінің сынау мәліметтері алынды. Санды металлографиялық микроқұры-

лым  анализы  бойынша  метал  матрицасында  графиттік  қоспалардың  санның  артыуы  және  олардың  бір  келкі 

орналасуы байқалады сонымен қатар цементиттің жойылуы анықталды.   

Микроқаттылқты  өлшеу  барсысында  наноөлшемді  фулеренді  қара-күйе  шойындардың  графиттеу  дәре-

жесін ұлғайта отырып негізгі модификатордың күшейткіш міндетін атқаратыны  анықталды.  Фуллеренді қара-

күйені қолданудың тиімділігі көрсетілді. 

Түйінді сөздер: шойын, наномодификаттау, фуллеренді қара-күйе, микроқаттлық   

 

Uskenbayeva A. M Shamelkhanova N.A 

Assessment Of Modifying Ability Of Nanostructural Additives  To Cast Iron 

Summary. The possibility  of using of nanostructured carbon containing in  fullerene soot - so-called fullerene 

black  (FB)  -  as  nanoadditive  to  cast  irons  modifiers  was  investigated.    In  order  to  assess  modifying  ability  of  nano-

material by graphitization degree and based on theoretical model of interaction between FB and nanostructured carbon, 

containing in cast iron, experimental research of ductile iron modified with nanoadditives  was carried out.  

Obtained  results  of  quantitative  metallographic  analysis  showed  an  increase  of  the  number  of  graphite  inclu-

sions, their uniform distribution in the plane of sample, as well as the complete absence of cementite in metal matrix. 

Microhardness tests confirmed that FB increases graphitization degree of cast iron as amplifier of the modifier. 

Key words: cast iron, nanomodification, fullerene black, microhardness. 

 

 

 

 

 

 

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №2 2016                                          

191 

 

УДК: 004.42 

1

С.Д. Ермаганбетова, 

2

М.Б. Жаркынбекова, 

2

М.Б. Жаркынбекова,  

2

Ж.Ж. Тойгожинова, 

2

Ю.И. Шадхин  

(

1

Казахский национальный университет им. аль-Фараби 

2

Алматинский университет энергетики  и  связи  

Алматы, Республика Казахстан) 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ СИСТЕМЫ ТПН - АД МЕТОДОМ 

ФАЗОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ НА ЭВМ 

 

Аннотация.  Приведена  структурная  схема  замкнутой  нелинейной  системы  тиристорный  преобразова-

тель частоты–асинхронный двигатель с  короткозамкнутым ротором и математическое  описание динамики си-

стемы. Приводится расчет фазовой траектории системы в MATLAB. 

Ключевые слова: асинхронный двигатель, тиристорный преобразователь напряжения, структурная схе-

ма, нелинейная система, дифференциальные уравнения, устойчивость. 

 

Определение устойчивости движения замкнутой нелинейной системы тиристорный преобразо-

ватель напряжения – асинхронный двигатель является одной из необходимых задач проектирования 

данной системы. Поставленная задача устойчивости движения замкнутой системы ТПН – АД может 

быть решена методом Ляпунова или методом гармонической линеаризации [1]. Однако поставленная 

задача  может  быть  также  успешно  решена  методом  фазовых  траекторий  с  помощью  компьютерной 

системы MATLAB на ЭВМ.  

Метод фазовых траекторий позволяет определить устойчивость системы ТПН – АД и, что осо-

бенно важно, автоколебания системы. Структурная схема замкнутой нелинейной системы ТПН – АД 

в среде MATLAB представлена на (рисунке -1).  

 

 

 

Рис. 1. Структурная схема системы ТПН – АД с обратной связью 

по скорости 

 

Для  исследования  устойчивости  движения  нелинейной  системы  ТПН-АД  методом  фазовых 

траекторий составленные дифференциальные уравнения динамики этой системы при 

0



Mc

 (стати-

ческий момент нагрузки) имеют вид: 

 





m

m

d

T

U

T

k

dt

d

1

1





; 

                                     

 

●

 Технические науки 

 

192                                                                                            

№2 2016 Вестник КазНИТУ

 

 

                                    



dt

dU

1

1

1

)

(

)

(

U

T

k

U

abs

T

k

P

OC

Z

P

P











;                                     (1) 

 

,

1

)

(

1







T

k

Z

U

sign

T

dt

d

OC







 

 

где 





скорость двигателя; 



1

U

напряжение на выходе тиристорного преобразователя напря-

жения; 





сигнал на выходе инерционного звена регулятора скорости; 





)

/

(

W

U

d

k

k

k

передаточ-

ный  коэффициент  асинхронного  двигателя; 



P

k

коэффициент  передачи  ТПН; 



OC

k

коэффициент 

обратной связи по скорости; 





)

/

(

J

k

T

W

m

электромеханическая постоянная времени AD; 



P

T

по-

стоянная времени ТПН; 



T

постоянная времени инерционного звена нелинейного фильтра с ампли-

тудным ослаблением; 



Z

U

задающее воздействие. 

Для расчета фазовой траектории фазового пространства системы уравнений (1) на ЭВМ приве-

дем уравнения (1) к следующему виду: 

 

1

2

2

1

1

y

a

y

a

dt

dy





; 

 

                                              



dt

dy

2

2

4

1

3

3

)

(

)

(

y

a

y

k

u

y

abs

a

OC









                                           (2) 

                                          

,

)

(

3

5

1

5

3

y

a

y

k

u

sign

a

dt

dy

OC







 

                    

здесь 

.

/

1

,

,

/

,

/

1

,

/

,

)

3

(

,

)

2

(

,

)

1

(

4

3

2

1

1

T

a

T

k

a

T

a

m

T

k

a

y

U

y

y

P

P

m

d



















 

 

Численное  интегрирование  дифференциальных  уравнений  (2)  осуществляется  в  системе 

MATLAB [2, 3]. Программа решения системы уравнений (2) приведена на (рисунке-2). 

 

 

 

Рис. 2. Программа решения системы уравнений 

 

В  программе  коэффициенты  системы  дифференциальных  уравнений  (2)  рассчитаны  для  асин-

хронного  двигателя  с  короткозамкнутым  ротором  типа  RA132MA6.  Фазовая  кривая  динамики  за-

мкнутой системы ТПН-АД приведена на (рисунке-3). 

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №2 2016                                          

193 

 

 

 

Рис. 3. Фазовая траектория динамики замкнутой системы ТПН-АД 

 

Фазовая  траектория  стремится  в  начала  координат  замкнутой  нелинейной  системы  ТПН-АД, 

что соответствует устойчивости движения системы [4]. 

 

ЛИТЕРАТУРА 

[1]  Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и  управления. - М.: Наука, 

Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988. 

[2]  Терехов  В.М.,  Осипов  О.И.  Системы  управления  электроприводов.-М.:  Издательский  центр  «Ака-

демия», 2008.           

[3]  Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005.  

[4]  Бесекерский  В.А.,  Попов  Е.П.  Теория  систем  автоматического  управления.-СПб.:    Издательство 

«Профессия», 2004. 

 

REFERENCES 

[1]  Popov E. P. Theory of nonlinear systems of automatic regulation and control. - M.: Science, CH. ed. Fiz. - 

Mat. lit., 1988. 

[2]  Terekhov V. M., Osypov O. I. control Systems of electric drives.-M.: Publishing center "Academy", 2008 

[3]  Anufriev I. E., Smirnov A. B., Smirnova E. N. MATLAB 7. - SPb.: BHV - Petersburg, 2005. 

[4]  4. Besekerskiy V. A., Popov E. P. Theory of automatic control systems.-SPb.: The "Profession" Publishing 

House, 2004. 

 

Ермаганбетова С.Д., Жаркынбекова М. Б., Тойгожинова Ж.Ж., Шадхин Ю.И. 

жүктеу/скачать 51,43 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: