Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

УДК 537.528: 577.4 
 
Алмагамбетов  Бахитжан  Нуруллаевич – к.т.н.,  зам.директора  (Алматы,  ТОО 
«АЛ+ЕР») 
Аккенжеева Анара – соискатель (Алматы, ТОО «АЛ+ЕР») 
. 
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО 
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ 
 
             Геоэкология  является  областью  науки,  изучающей  экологические  последствия 
антропогенного  влияния  на  окружающую  природную  среду,  разрабатывающей  научные 
основы  рационального  природопользования,  сохранения  и  возрождения  равновесия 
между  природно-техногенными  комплексами  на  основе  управленческих  и  прогнозных 
решений.  Задачей  же  геоэкологии  является  обеспечение  оптимальных  условий 
жизнедеятельности  существующих  био-,  геологических  систем  любого  уровня  в  рамках 
формирующихся и разрушающихся систем, природно-технических систем.     
 
Решение  проблемы  охраны  природы  должно  осуществляться  за  счет  разработки 
эффективных  мер  рационального  использования  минерально-сырьевых  ресурсов    и 
охраны  геолого-разведочных, горно-металлургических и др. объектах. 
 
На  наш  взгляд  проблемы  инженерной  экологии,  включающие  разработку 
высокоэффективных  способов  и  технологий  обезвреживания  жидких,  твердых 
газообразных  отходов,  утилизации  тепла  энергоемких  предприятий  являются 
доминирующими. 
 
Наша  уверенность  базируется  на  следующем.  Еще  в  стадии  проведения  научно-
исследовательских  работ,  составлению  технологического  регламента  переработки  сырья 
составляется  материальный  баланс  потоков  и  материалов,  где  учтен  каждый  грамм 
веществ  поступающих  в  голову  процесса,  а  также  образовавшихся  конечных  продуктов, 
различного  рода  полупродуктов,  отправляемых  на  дальнейшую  переработку  и  жидких, 
твердых,  газообразных,  отходов  нуждающихся  в  обеззараживании,  складировании  в   
хвостохранилищах  и  т.д.  В  процентном  отношении  выход  товарной  продукции 
(концентрат  полиметаллов  и  др.)  по  отношению  к  отходам  предприятия  (хвосты 
обогащения, обедненные шлаки и штейны и др.) составляет 5-25%. Являясь по существу 
громадной  массой  токсичных  отходов,  представляющих  угрозу  следующим  поколениям 
людей  и  занимая  значительные  площади,  пригодные  к  сельскохозяйственной 
деятельности.  Учитывая,  что  как  прежние,  так  и  нынешние  недропользователи,  с 
молчаливого  согласия  соответствующих  органов  относятся  к  финансированию 
природоохранных  мероприятий  по  принципу    остаточного  финансирования  улучшения 
экологического состояния в зонах экологического бедствия ожидать не следует. 
 
Ученым, работающим в области инженерной экологии, следует обратить внимание 
на ряд новых разработок в области использования нетрадиционных источников энергии и 
множество  других  изобретений  и  открытий.  Одним  из  таких  методов  является 
использование  импульсного  электрического  тока,  как  источника  аномальной 
электроэнергии.  Существование  импульсного  электричества  известно  давно  и  успешно 
используется  во  многих  видах  радиоэлектронной  техники,  однако,  некоторые  разделы  
этого процесса до сих пор не поддаются адекватному описанию. 
 
В  качестве  объектов  исследований  на  первом  этапе  использовались  модельные 
растворы,  содержащие 20-50 мг/л  нефтепродуктов.  Источником  озона  являлся  озонатор. 
Для  проведения  экспериментов  была  смонтирована  лабораторная  установка,  показанная 
на рисунке 1. 
Установка  состоит  из  циркуляционной  емкости (1), фильтроса (2), 
циркуляционного насоса (3), эжектора (4), озонатора (5) и газоанализатора (6). 

 
Процесс  осуществляется  следующим  образом.  В  циркуляционную  емкость (1) 
заливается  необходимое  количество  водного  раствора,  загрязненного  фиксированным 
количеством  нефтепродуктов.  Насосом (3) производится  подача  раствора  через  эжектор 
(4)  в  циркуляционную  емкость (1). Во  время  прохождения  раствора  через  эжектор 
происходит  всасывание  озоновоздушной  смеси  в  объем  протекающей  жидкости.  В 
фильтросе (2) происходит  дополнительное  диспергирование  озоновоздушной  смеси  в 
объеме обрабатываемого раствора, а в газоанализаторе (6) анализ воздушной фазы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1 -Принципиальная технологическая схема лабораторной установки по 
озонированию водных растворов нефти и нефтепродуктов 
 
Результаты  опытов,  представленные  в  таблице 1, показали,  что  в  очищенной 
сточной  воде  среднее  содержание  нефти  после 15 минут  озонирования  в  случае 
использования  циркуляционной  схемы  равнялось 4,5-5,5 мг/л  при  среднем  содержании, 
при исходном содержании 40-41 мг/л. 
 
Таблица 1 - Очистка  озоновоздушной  смесью  сточной  воды  нефтеперерабатывающего 
завода 
 
Содержание нефти в сточной 
воде, мг/л 
Продолжите
льность 
очистки 
 
Доза озона, 
мг/л 
Израсходова
но озона на 
окисление, 
мг/л 
до очистки 
после очистки 
Расход 
озона 
мг/мг 
нефти 
5  28,2 25,2 33,2 17,3 1,60 
10 56,4 47,9 
36,1 4,9 1,52 
15 84,6 70,6 
40,5 3,2 1,53 
20 112,8 71,2 41,4  2,9 1,53 
25 141 72,4 
43,2 2,9 1,50 
30 169,2 73,3 44,1  1,6 1,60 
 
Таким  образом,  возникает  проблема  использования  окислителя,  не  имеющего 
некоторых недостатков. К таковым относится озон – экологически чистый газообразный 
окислитель,  широко  использующийся  в  различных  окислительно-восстановительных 
процессах. Однако, и он не лишен некоторых недостатков. 
На  втором  этапе  изучалось  окисление  растворов  того  же  состава,  но  по 
безреагентной схеме.  
Импульсные  электрические  разряды  имеют  достаточно  широкое  распространение  в 
различных  областях  науки  и  техники.  Однако,  широкого  применения  для  синтеза  или 
окисления  различных  химических  веществ  органического  или  неорганического 
происхождения, они не получили. 
Для решения экологических проблем, заключающихся в очистке питьевых и сточных 
вод  сложного  состава  от  различных  вредных  компонентов,  важнейшую  роль  имеет 
 
 
 
1 
6 
2 
3 
4 
5 

 
природа  окисляющего  агента.  Когда  в  результате  химического  вещества  окислитель 
переходит  в  состав  вновь  образующегося,  это  не  приносит  вреда.  Когда  же  вещество-
окислитель после взаимодействия переходит в раствор в виде  балластной нагрузки, тогда 
начинают возникают проблемы с выведением его из технологического процесса. 
Окислительно-восстановительные  реакции  это – процессы,  происходящие  с 
использованием  электронов,  реже  ионов,  свободных  радикалов.  Электрический  ток, 
согласно  теории,  также  протекает  с  помощью  вышеуказанных  компонентов. 
Использование  энергии  некоторых  видов  высоковольтных  разрядов  для  проведения  
окислительного обеззараживания токсичных компонентов в принципе известно, однако, в 
доступной нам технической литературе широко не освещено. Ранее нами был разработан 
способ [1] разрушения  сульфоарсенида  железа  воздействием  на  водную  смесь  его 
электрическим импульсным разрядом, давшим положительный результат. В это же время 
был  разработан  электрод  для  получения  электрогидравлического  эффекта  (ЭГЭ),  также 
давшего положительный результат [2]. 
С  целью  проверки  возможности  использования  импульсного  электричества  в 
качестве  безреагентного  окислителя    и  альтернативы  озонному  окислению  нами  были 
проведены исследования  по озонному окислению на укрупнено-лабораторной установке, 
представленной на рисунке 2. 
Для  проведения  исследований  была  создана  лабораторная  установка, 
представленная на рисунке 2 и изготовленная по материалам предыдущих работ [1,2]. 
Установка  работает  следующим  образом.  В  реактор (2), в  котором  размещено 
разрядное  устройство (4), заливается  отмеренное  количество  того  же  раствора,  что  и  в 
примере  с  озоновоздушной  смесью.  Затем  включается  циркуляционный  насос (1), 
имитирующий  проточную  систему;  источник  импульсного  высокого  напряжения (5) 
подает высокое напряжение на разрядное устройство с определенной частотой (0,0007 с) 
напряжением 1500В  и  скважностью (30-70) для  получения  импульсного  напряжения. 
Эксперимент проводился по схеме предыдущего.  
С целью проверки возможности использования импульсного режима электричества в 
качестве  безреагентного  окислителя    и  альтернативы  озонному  окислению  нами  были 
проведены  исследования  с  его  использованием  на  укрупнено-лабораторной  установке, 
представленной на рисунке 2, где а - электрод для получения импульсного электрического 
тока, б - принципиальная схема установки. 
.                     
 
a) 1- электрод, 2 - изолятор, 3 - юбка; b) 1 - циркуляционный насос, 
2 - реактор, 3 - обрабатываемый раствор, 4 – разрядное устройство, 
5 - источник высокого напряжения 
 
Рисунок 2 – Принципиальная схема лабораторной установки  
 

 
Расчеты,  проведенные  по  результатам  экспериментов  с  использованием  в  качестве 
окислителя  озона,  показали,  что  на  разложение  нефтепродуктов  до  остаточного 
содержания 1,6 мг/л  требуется 5,85 Вт  электроэнергии,  тогда  как  при  использовании 
импульсного  электрического  тока  через 15 минут  в  растворе  остались  следовые 
содержания при расходе энергии, соответствующей 0,485 Вт. 
Выводы 
Таким  образом,  проведенные  оценочные  эксперименты  показали,  что  использование 
импульсного  электрического  тока  является  перспективным  направлением  в  очистке 
сточных вод сложного состава и требует продолжения исследований в этом направлении. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
1.
 
Галимжанов  Э.К.,  Алмагамбетов  Б.Н.  Способ  переработки  сульфоарсенидных 
концентратов. А.С. №123647, СССР, 1984. 
2.
 
Болотов  А.В.,  Гандельсман  И.М.,  Хусаинов  Б.М.,  Маркус  А.С.,  Алмагамбетов  Б.Н. 
Электрод для электрогидравлических установок. А.С. №1093211, СССР, 1984  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

УДК 53.081 
 
Алдекеева Динара Танашбековна – к.т.н., доцент (Алматы, КазАТК)  
Матафонов Анатолий Андреевич – зав. лабораторией (Алматы, КазАТК) 
 
АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ  М. ПЛАНКА 
 
         В  свое  время  М.Планк  предложил  систему  единиц,  не  связанную  с  какими-либо 
эталонами. 
         Рассуждения М.Планка, вероятно, были следующими: в релятивистской физике нет 
эталона длины и из констант с (скорость света) и 
γ
 (гравитационная постоянная Ньютона) 
по  размерности  невозможно  получить  длину.  Но,  если  привлечь  некоторую  массу,  то 
длину, единственным образом, можно представить в виде: 
 
                                          
m
c
l
2
1
γ
=
                                                              (1) 
 
         В квантовой физике также нет эталона длины, из констант 
с и  һ (постоянная Планка) 
тоже невозможно получить длину. Но, опять же, если привлечь массу, то единственным 
образом можно сконструировать длину: 
                                           
cm
l
h
=
2
                                                               (2) 
 
         Теперь  остается  взять  геометрическое  среднее  величин 
1
l
  и 
2
l
  и    получим 
планковскую единицу длины: 
                                                  
м
c
l
l
L
p
35
3
2
1
10
110
,
5
−
×
=
=
=
h
γ
                                          (3) 
 
И далее легко получить следующие единицы: 
время 
                                                   
c
c
t
p
43
5
10
7016
,
1
−
×
=
=
h
γ
                                                (4) 
масса 
                                                   
кг
c
m
p
9
10
189
,
6
−
×
=
=
γ
h
                                                (5) 
частота 
                                                   
1
43
5
10
5866
,
0
−
×
=
=
c
c
w
p
h
γ
                                              (6) 
энергия 
                                                    
Дж
c
E
p
9
5
10
5563
,
0
×
=
=
γ
h
                                           (7)   
      
 
         Привлекая постоянную Больцмана можно написать и единицу температуры: 
 
                                                        
K
c
k
T
p
34
5
10
029
,
4
1
×
=
=
γ
h
                                          (8) 

         Таким  образом,  уравнения (3)-(8) определяют  систему  единиц  М.Планка,  никак  не 
связанную  с  какими-либо  эталонами  и  выражающиеся  через  мировые  физические 
константы. 
         Эти единицы удобно применять при рассмотрении задач, связанных с космическими 
объектами или в задачах по описанию экзотических квантовых систем. 
         Но в уравнениях (3)-(8) нет выражения для электрического заряда. Чтобы дополнить 
(3)-(8)  выражением  для  заряда  можно  поступить  следующим  образом.  Известно,  что 
постоянная  тонкой  структуры,  определяющая  электромагнитное  взаимодействие, 
записывается так: 
                                             
137
1
2
=
=
c
e
h
α
                                                          (9) 
 
Тогда, используя (9) и (5), можно написать: 
 
                                              
γ
α
p
m
е =
                                                      (10) 
 
         Заметим,  что  электрический  и  гравитационный  заряд  связаны  между  собой,  через 
соответствующие  константы  взаимодействия  (постоянную  тонкой  структуры  и 
гравитационную постоянную). 
         Здесь  уместно  вспомнить  теорию  Т.  Калуцы /1/, объединяющую  два  из  четырех 
типов    взаимодействия  (гравитационное  и  электромагнитное)  и  описывающую  оба 
взаимодействия одними общими уравнениями.  
           Отметим еще один интересный момент, связанный с системой единиц (3)-(8). 
           Уравнение (6) определяет  частоту.  Допустим,  что  существует  какой-либо  объект, 
который обладает такой частотой вращения. Тогда энергия его вращения будет: 
J
w
E
p
вр
2
2
1
=
 
         Момент  инерции 
J
определим,  как  момент  инерции  материальной  точки,  с  массой 
равной планковской массе, тогда 
2
5
5
2
1
2
1
p
p
вр
L
m
h
c
c
J
E
γ
γ
=
=
h
    и 
следовательно, 
                                           
p
вр
E
с
Е
2
1
2
1
5
=
=
γ
h
                                                       (11) 
         То  есть,  планковская  энергия  вращения  составляет  ровно  половину  планковской 
энергии. 
 
Выводы 
         
Показано,  что  планковская  кинетическая  энергия  вращения  равна  половине 
планковской энергии, а также, что систему единиц М.Планка можно дополнить единицей 
электрического заряда.  
ЛИТЕРАТУРА 
1.
 
Ходос А. Теория Калуцы-Клейна: общий обзор. УФН, 1985, т.146, №4, с.647  

УДК 615.471:681.31 
 
Савостин Алексей Александрович – аспирант, преподаватель (Петропавловск, 
СКГУ им. М. Козыбаева) 
 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕРДЕЧНОГО  
РИТМА ЧЕЛОВЕКА 
 
Понятие  вариабельности  сердечного  ритма  (ВСР)  отражает  наличие    колебаний 
интервалов  между  последовательными  ударами  сердца    (между  последовательными 
частотами  сердечных  сокращений) [1]. ВСР  является  важным  показателем  оценки 
деятельности  сердечно-сосудистой  системы.  Анализ  ВСР  основан  на  измерении 
длительностей RR-интервалов  электрокардиограммы  и  на  формировании  динамического 
ряда  значений,  которые  визуально  отображаются  в  виде  кардиоинтервалограммы (RR-
итервалограмма). На рисунке 1 представлена  RR-итервалограмма по 256 выборкам [2]. 
 
 
Рисунок 1 – Женщина, 35 лет, нормальный синусовый ритм 
 
Спектральные  методы  анализа  ВСР  получили  в  настоящее  время  широкое 
распространение. Анализ спектральной плотности мощности колебаний дает информацию 
о  распределении  мощности  в  зависимости  от  частоты  колебаний.  Применение 
спектрального  анализа  позволяет  количественно  оценить  различные  частотные 
составляющие колебаний ритма сердца и наглядно графически представить соотношения 
разных  компонентов  сердечного  ритма,  отражающих  активность  определенных  звеньев 
регуляторного  механизма.  На  рисунке 2 представлен  спектр  ВСР  для RR-
интервалограммы рис. 1. 
 
 
Рисунок 2 – Спектр ВСР, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье 
(БПФ) 
 
При  спектральном  анализе  ВСР  особое  значение  имеет  длительность 
анализируемой  выборки.  При  коротких  записях (5 минут)  выделяют  три  главных 

спектральных  компоненты.  Эти  компоненты  соответствуют  диапазонам  дыхательных 
волн  и  медленных  волн 1-го  и 2-го  порядка.  В  западной  литературе  соответствующие 
спектральные  компоненты  получили  названия  высокочастотных (High Frequency – HF), 
низкочастотных (Low Frequency – LF) и  очень  низкочастотных (Very Low Frequency – 
VLF).  Распределение  мощности  и  центральная  частота  каждого  компонента  не 
фиксированы,  а  могут  варьировать  в  связи  с  изменениями  автономных  модуляций 
сердечного цикла (рис. 2). Смысл компонента ОНЧ и его интерпретации на сегодняшний 
день 
является 
спорными, 
поэтому 
при 
спектральном 
анализе 
коротких 
электрокардиограмм его рекомендуется избегать [1]. 
Частота  и  ритмичность  сердцебиений  в  значительной  степени  находятся  под 
воздействием  вегетативной  нервной  системы.  Вагусная  активность  является  основной 
составляющей  ВЧ  компонента.  НЧ  компонент  рассматривают  как  отражающий  и 
симпатическую,  и  вагусную  активность [3]. Отношение  НЧ/ВЧ (LF/HF) компонентов 
отражает вагусно-симпатический баланс или симпатические модуляции. 
По  результатам  исследований  составлена  схема  частотных  диапазонов  при 
спектральном анализе ВСР, которая представлена в таблице 1. 
 
Таблица 1 – Диапазоны компонент спектра ВСР 
Наименование 
компонентов спектра
Частотный диапазон, 
Гц 
Период, с 
HF 
0,4 - 0,15 
2 - 6,6 
LF 
0,15 - 0,04 
6,6 – 20 
 
В кардиологической практике параллельно с выполнением диагностической задачи 
возникает  ряд  трудностей,  которые  легко  решаются  без  использования  реальных 
электрокардиосигналов  (ЭКС),  фиксируемых  в  клинических  условиях.  Это  делает 
обоснованным создание моделей ЭКС различной степени точности. 
Для  синтеза  ЭКС,  учитывающего  спектральные  показатели  ВСР,  необходимо 
разработать  модель  сигнала  сердечного  ритма,  обладающего  заданными  частотными 
свойствами. Форма функции спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала в норме 
будет формироваться из двух огибающих в виде Гауссовых импульсов, центр каждого из 
которых  расположен  в  середине  соответствующего  диапазона  частот.  На  рисунке 3 
изображен спектр ВСР реального процесса и его модельный аналог. Выбор формы СПМ 
обоснован  характером  типичного  спектра  мощности  реальной  кардиоинтервалограммы 
[4]. 
 
 
Рисунок 3 – СПМ модельного сигнала 
 
Таким образом, нормальную кардиоинтервалограмму человека можно представить 
как процесс с СПМ следующего вида: 
 

∑∑
−
=
⎟⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
=
1
0
2
2
2
2
2
exp
1
2
1
N
k
l
l
l
l
l
k
m
k
N
S
σ
π
ρ
σ
π
,                                     (1) 
 
где N – число сердечных циклов; 
]
,
[
HF
LF
l
∈
; σ
l
 – среднеквадратическое отклонение для 
высокочастотной и низкочастотной компонент; m
l
 – математическое ожидание, в данном 
случае представляющее собой центральные частоты заданных диапазонов; коэффициенты 
ρ
2
l
    определяют  мощность  компонент  и  связанны  отношением LF/HF, т.  е.  ρ
LF
/  ρ
HF
.  
Дисперсия процесса равна ρ
2
 = ρ
2
HF
 + ρ
2
LF
.  
Так  как  моделируемый  процесс  является  дискретным,  то  его  спектр  имеет 
периодический  характер  с  периодом  N,  а  так  же  сопряжено-симметричен  относительно 
N/2.  
 Из синтезированной СПМ восстанавливается рад комплексных чисел 
k
C& , модули 
которых равны 
k
k
S
C
=
, а значения аргументов Arg C
k
 = φ равномерно распределены на 
интервале [0; 2π]. Таким образом  
 
( )
,
exp
2
k
k
k
j
S
C
ϕ
=
&
                                                     (2)
 
где j = 
1
− . 
 
При использовании механизма обратного дискретного преобразования Фурье  
 
{
}
1
...,
,
1
,
0
,
2
exp
1
1
0
−
∈
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
∑
−
=
N
i
N
ki
j
C
N
x
N
k
k
i
π
&
                                   (3) 
 
возвращаются  значения  последовательного  числового  ряда Re(x
i
),  который  является 
основой  исходного  процесса.  При  реализации  этой  операции  эффективно  применять 
алгоритм БПФ, поэтому значение N должно быть кратно степени двойки. Так как оценка 
ВСР  производиться  по  коротким  пяти  минутным  интервалам  записи,  то  можно 
остановиться на значении N = 256.  
Масштабируя  члены  ряда  {x
i
}  и  складывая  их  с  величиной  смещения  сердечных 
циклов,  получим  исходный  процесс,  представляющий  собой RR-интервалограмму  
человека.  Т.е. 
 
(
)
,
1
2
1
1
0
2
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
⋅
+
=
−
−
=
∑
N
i
i
i
i
x
x
N
x
φ
δζ
δ
τ
                                        (4)
 
где 
∑
−
=
=
1
0
1
N
i
i
x
N
x
-  математическое  ожидание; 
δ
 = 60/
φ
 (
φ
  -  частота  сердечных  сокращений 
[уд/мин]);  ζ  –  среднеквадратическое  отклонение  количества  сердечных  сокращений, 
[уд/мин].  На  рисунке 4 представлены  результаты  моделирования  в  виде  модельной RR-
интервалограммы.  Моделирование  производилось  с  использованием  стандартных 
инструментов математической матричной лаборатории Matlab. 
 

 
Рисунок 4 – Результаты моделирования 
 

жүктеу/скачать 5,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: