Арболит технологиясындағы кешенді минеральды қоспалар

● Техникалыќ єылымдар 
 
ЌазЎТУ хабаршысы №1 2014  
 
89
УДК 534. 286 
 
А.К. Нургалиев, С.С. Омаров, М.А. Тукибаева, А.М. Абзалиева  
(Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева,  
Алматы, Республика Казахстан) 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИССИПАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ В СПЛАВАХ 
АВТОМАТНЫХ СТАЛЕЙ
 
 
Аннотация.  Исследована  диссипация  ультразвуковой  энергии  в  автоматных  сталях.  Относительно 
более высокие значения диссипативных параметров показали стали с максимальным содержанием углерода и 
кремния. Для исследования была использована фононная теория звукопоглощения. 
Kлючевые слова: энергия, сталь, сплавы. 
 
Стандартные автоматные стали, широко используемые в промышленности для изготовления 
частей  и  деталей  оборудовании  и  механизмов,  обладают  самым  низким  уровнем  звука  (УЗ  А40Г  и 
А40ХЕ=80 дБА, УЗ А35 и УЗ АС45Г2=79 дБА) среди всех известных марок автоматных сталей.  
В  работах [1–5] исследованы  диссипативные  параметры  ряда  сплавов  при  воздействии 
звукового  давления  с  частотами  звукового  диапазона  до 2000-4000 Гц.  Среди  стандартных 
автоматных сталей выбраны марки А20 и А35 по акустическим характеристикам и демпфирующим 
свойствам, наиболее близкие к разработанным автоматным сталям ОРС-3, ОРС-4 и ОРС-6, которые 
обладают  заметными  демпфирующими  свойствами  и  диссипативными  характеристиками. 
Физические свойства рассмотренных металлических материалов [2] представлены в таблице 1. Расчет 
акустических  сопротивлений  по  методике [6] на  границе  раздела  среды  для  определения  перехода 
акустической  энергии  в  области  «сталь-алюминий», «сталь-чугун»  и  обратно  дает  возможность 
предварительно выяснить акустические возможности исследуемых материалов. 
 
Таблица 1. Физические свойства исследуемых металлических материалов 
 
№ 
Марка образца 
Плотность ρ, кг/м
3
 
Скорость звука в 
образце, v, м/с 
Акустическое 
сопротивление, 
г/см
2
·с 
1 
А20 7,794 300 
2,3382 
2 
А35 7,899 310 
2,4486 
3 
СЧ20 7,100 450 
3,050 
4 
Д16 2,800 280 
1,450 
5 
ОРС-3 7,889  288 
2,2710 
6 
ОРС-4 7,889  290 
2,2907 
7 
ОРС-6 7,869  388 
3,0521 
 
Сравнительная акустическая характеристика сплавов ОРС-3, ОРС-4, ОРС-6 представлена в таблице 2. 
 
Таблица 2. 
 
№ 
Марка 
сплава 
УЗД, дБА, в октавных полосах со среднегеометрическими 
частотами, Гц 
Пик 
УЗД, дБ 
Уровень звука, 
(L
A
) дБА 
125 250 500 1000 2000 4000 8000  16000 
1 
ОРС-3  41 
44 
45 50 58 66 72  75 
96 
74 
2 
ОРС-4  40 
45 
44 51 59 65 75  79 
99 
70 
3 
ОРС-6  41 
45 
46 55 59 65 83  86 
97 
72 
 
Различие  акустических  характеристик  обусловлено  структурным  состоянием  сплавов, 
зависящим  от  их  химического  состава.  Среди  разработанных [1-5] сплавов  стали  образцы  ОРС-3, 
ОРС-4 и ОРС-6 максимальное звукопоглощение. Сплав ОРС-4, который  содержит максимум 0,50% 

● Технические науки 
 
     
                                               
№1 2014 Вестник КазНТУ  
         
90 
углерода,  кремния (0,37%), марганцем (1,7%), хрома (1,2%) и  дополнительное  повышенное 
содержание  серы (0,4%) и,  фосфора (0,5%), имеет  снижение  шума  до 4 дБА  среди  высоко 
демпфированных  образцов  и  на 10-16 дБА  по  сравнению  со  стандартными  автоматными  сталями. 
Максимальное  легирование  углеродом  и  кремнием (0,50% и 0,37% соответственно)  способствует 
образованию графита в структуре сплава, что обеспечило дополнительные демпфирующие свойства. 
Сравнительные  характеристики  уровня  звукового  давления  сплавов  стали  ОРС-3,  ОРС-4,  ОРС-6  в 
октавных полосах частот [1-5] представлены на рисунке 1. 
 
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
125
250
500
1000
2000
4000
8000
16000
А
Частота, Гц
УЗД
, 
дБ
ОРС-3
ОРС-4
ОРС-6
 
 
Рис. 1. Сравнение УЗД сплавов стали  ОРС-3, ОРС-4 и ОРС-6 в октавных полосах частот [1-5] 
 
Рассмотрим  физическую  картину  на  примере  ультразвукового  поглощения  кристаллической 
решеткой твердых тел.  
Для  исследования  диссипации  ультразвуковой  энергии  в  образцах  автоматной  стали  были 
использованы  следующие  марки:  А12,  А20,  А30,  АЗ5,  А40Г,  А11,  АС40,  АС14,  АС35Г,  АС45Г2, 
А35Е, А45Е, А40ХЕ. Химический состав данных марок стали представлен в таблице 3.  
 
На  поглощение  ультразвуковой  энергии  в  кристаллической  решетке  оказывают  влияние 
взаимодействия  между  звуковыми  и  тепловыми  фононами,  а  также  электрон  фононные 
взаимодействия.  В  чистых  металлах  основными  носителями  тепла  являются  свободные  электроны. 
При  достаточно  высоких  температурах  металлов  решеточная  составляющая  теплопроводности 
составляет  всего  1−2 % от  электронной  теплопроводности.  Этим  объясняется  высокая 
теплопроводность  чистых  металлов  по  сравнению  с  диэлектриками.  В  диэлектриках  вклад 
звукопоглощения  за  счет  решеточных  колебаний  заметно  возрастает.  Это  поглощение  вызывается 
ангармоничностью  решетки  и  объясняется  при  Ω  τ>>1  трехфононным  взаимодействием  (механизм 
Ландау - Румера) [7]; при Ω τ<<1 объясняется механизмом Ахиезера [8]. 
 
Таблица 3. 
 
Марка 
стали 
Содержание элементов,% 
C Si Mn Pb Ni Cr Se 
Cu S  P  Fe 
А12 
0,16 
0,35 
1      
0,2 
0,15 
98,14 
А20 
0,24 
0,35 
1      
0,15 
0,06 
98,2 
А30 
0,35 
0,35 
1      
0,15 
0,06 
98,09 
А35 0,4 
0,35 
1      
0,15 
0,06 
98,4 
А40Г  0,45 0,35 1,55   
 
 
 
 
0,3  0,05  97,3 
А11  0,15 0,1 1,2 0,3   
      0,25 0,1  97,9 
АС40 
0,17 
0,12 
1,3 
0,3      0,2 
0,1 
97,81 
АС14  0,48 0,1 1,65 0,35   
 
 
  0,35 0,04  97,3 
АС35Г2 0,45 0,37 0,8  0,3 0,25 0,25   
  0,04 0,04  97,5 

● Техникалыќ єылымдар 
 
ЌазЎТУ хабаршысы №1 2014  
 
91
 
АС45Г2  0,39 0,37 1,65  0,3  0,25 0,25   
  0,13  0,04  96,62 
А35Е 0,4  0,8  0,12 
0,25 
0,1 
0,3 
0,12 
0,04 97,87 
А45Е 0,4  0,8  0,12 
0,25 
0,1 
0,3 
0,12 
0,04 97,87 
А40ХЕ 
0,44  0,8  0,3 
1,1 
0,1 
0,3 
0,12 
0,35 96,49 
 
Для  низких  частот  спектр  тепловых  фононов  (дебаевских  квантов  упругой  энергии) 
определяется  размерами  образца,  в  то  время  как  для  наивысших  частот  фононный  спектр 
определяется параметром решетки а. 
Степень жесткости в кристалле к
Б
 можно оценить из выражения: 
                                            к
Б
 = ħω
D
/θ
D
                                                                 (1) 
где  θ
D
 - характеристическая  температура  Дебая, 
D

 - максимальная  частота  колебаний 
кристаллической решетки, равная полному числу колебательных степеней свободы решетки. 
Следовательно, для определения коэффициента жесткости к
Б
 необходимо знать температуру Дебая и 
максимальную частоту колебаний кристаллической решетки. Таким образом, чем выше θ
D
, тем ниже 
жесткость и выше звукопроводность кристалла. 
Температуру Дебая  определим по формуле [2]: 
                                             θ
D
 = 
3
/
1
2
6
2






V
Nv
r
hc


                                                                   (2) 
где   
; 
,  ρ – плотность,  М – молярная  масса, N
a
 – 
постоянная Авогадро. 
Дебаевская частота колебаний 
D

 = 
3
/
1
3
0
2
6






V
Nv

.                                                                      (3) 
Результаты расчета коэффициента к
Б
 для металлов представлены в таблице 4. 
 
Таблица 4. Темепература и частота Дебая, коэффициент жесткости для автоматной стали 
 
Марка стали 
Темп. Дебая, К 
Частота Дебая, ·10
13 
с
-1
 
Коэф. жесткости, 
·10
-23
 Дж/К 
А12 
621,2471 8,6006 
1,45917 
А20 
621,2497 8,6006 
1,45917 
А30 
621,4296 8,60313 
1,45917 
А35 
621,5115 8,60426 
1,45917 
А40Г 
621,7387 8,60741 
1,45917 
А11 
619,3054 8,57372 
1,45917 
АС40 
619,3179 8,57389 
1,45917 
АС14 
619,6110 8,57795 
1,45917 
АС35Г2 
619,8225 8,58088 
1,45917 
АС45Г2 
619,8361 8,58107 
1,45917 
А35Е 
620,9494 8,59648 
1,45917 
А45Е 
620,9494 8,59648 
1,45917 
А40ХЕ 
621,4088 8,60284 
1,45917 
 
Результаты расчета коэффициента к
Б
 для диэлектриков 
33
As
75
, 
14
Si
28
, 
6
C
12 
представлены в таблице 5.  
 
Таблица 5. 
 
Элемент 
θ
D
, K 
D

, ·10
11
 Гц 
к
Б 
, ·10
-26
 
33
As
75 
394 2,12 
7,85 
14
Si
28 
285 1,65 
2,79 
6
C
 
12 
1860 2,19 
1,20 

● Технические науки 
 
     
                                               
№1 2014 Вестник КазНТУ  
         
92 
Анализ  расчетных  данных  таблиц 5 и 6 показывает,  что  жесткость  кристаллических  решеток 
выше  у  диэлектриков 
6
C
12
 
и 
4
Si
28
.  Следовательно,  наличие  углерода  и  кремния  с  точки  зрения 
фононной  теории  повышает  звукопоглощающую  способность  твердых  тел.  Из  анализа  таблицы 3 
видно,  что  наибольший  процент  углерода  и  кремния  у  марок  автоматной  стали  А40Г,  АС35Г2  и 
АС45Г2.  Увеличение  составляющих 
6
C
12
 
и 
4
Si
28
  в  сплавах  исследуемых  сталей  увеличивает 
диссипацию ультразвуковой энергии во всем звуковой диапазоне. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
1.  Омирбай  Р.С.  Влияние  химического  состава  сплавов  на  его  демпфирующие  свойства.  Труды VIII МНТК 
«Новое в безопасности жизнедеятельности (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, 
экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика)» -Алматы: КазНТУ, 2006, с.21-25. 
2.  Утепов  Е.Б.,  Сулеев  Д.К.  Научные  основы  создания  «тихих»  сплавов  (проблемы  акустической 
экологии) /Под общей редакцией д.т.н., профессора Утегюва КБ. Алматы: ТОО «Принт», 2000. 332 с. 
3.Утепов Е.Б. Сталь для борьбы с шумом в источнике. Госплан Казахской ССР, Актюбинский ЦНТИ, 
сер. НТД № 91- 90. 1990 г.   
4. Сулеев Д.К. Вибродемпфирующие сплавы в технике борьбы с шумом Алматы, Гылым - с.350  
5.  Сулеев  Д.К.  Зависимость  скорости  звука  от  вида  материала //Пятая  Международная  научно-
техническая конференция «Новое в охране труда окружающей среды и защите человека в чрезвычайных 
ситуациях», 4.1: Алматы: КазНТУ. 2002-380 (211-213) 
6. Омаров С.С. Инженерная акустика. Учебник. Изд. МОН. КазГАСА. 2002 г. с.10 
7. Landau L., Rumer G. -Phys. Z. (USSR), 1937, Bd, H, S, 18 (перевод Ландау Л.Д. Собр. тр. -М; Наука, т.1. с.237. 
8. Ахиезер А.И. –ЖЭТФ, 1938, т.8. с.13-18. 
 
REFERENCES 
1.  Omirbay R.S. Vliyanie himicheskogo coctava splavov na ego dempfiruyushchiye svoystva. Trudy VIII 
“Novoe  v bezopasnosti zhiznedeyatel’nosti (ohrana truda, ekologiya, valeologiya, zashita cheloveka v CHS, 
toksikologiya, ekonomicheskie, pravovye I psihologicheskie aspekty BZHD, logika)’’-Almaty: KazNTU, 2006, s.21-25. 
2.  Utepov E.B., Suleev D.K. Nauchnye osnovy sozdaniya “tihih” splavov (problem akusticheskoy ekologii) 
//Pod obshey redakcieyd.t.n.,professor Utegurova K.B. Almaty: TOO ‘Print”, 2000. s.332. 
3.  Utepov E.B. Stal’ dlya bor’by s shumom v istochnike. Gosplan Kazahskoy SSR, Aktubinskiy CNTI, ser. 
NTD № 91-90. 1990. 
4.  Suleev D.K.Vibrodempfiruyushchiye splavy v tehnike bor’by s shumom Almaty, Gylym – s.350  
5.  Suleev D.K. Zavisimost’ skorosti zvuka ot vida materisla //Pyataya Mezhdunarodnaya nauchno-
tehnicheskaya kohferenciya ‘’Novoe v ohrane truda.okruzhaushey sredy I zashite cheloveka v chrezvychaynyh 
situaciyah”, 4.1: Almaty: KazNTU, 2002-380 (211-213) 
6.  Omarov S.S. Inzhenernaya akustika. Ucchebnik. Izd. MON. KazGASA.2002, s.10 
7.  Landau L., Rumer G.-Phys. Z. (USSR), 1937, Bd, H, S, 18 (perevod Landau L.D. Sobr.tr. -M: Nauka, t.1. s.237 
8.  Ahiezer A.I. – ZHETF, 1938, t.8. s.1318 
 
Нургалиев А.К., Омаров С.С., Түкібаева М.А., Абзалиева А.М. 
 Автоматты болат құймасындағы ультрадыбыстық энергияның диссипациясын зерттеу  
Түйіндеме.  Фонондық  теория  негізінде  автоматты  болат  құрамындағы  кремний  мен  көміртегі 
компоненті өсуі есебінен дыбысжұтудың арту мүмкіндігі зерттелді. 
 
Нургалиев А.К., Омаров С.С., Тукибаева М.А., Абзалиева А.М. 
Исследование диссипации ультразвуковой энергии в сплавах автоматных сталей 
Резюме.  На  основе  фононной  теории  исследована  возможность  повышения  звукопоглощения  за  счет 
увеличения компонент из углерода и кремния в составе автоматных сталей.  
 
Nurgaliev A.K., Omarov S.S., Tukibayeva M.A., Abzalieva A.M. 
The study of ultrasonic energy dissipation in alloys steels 
Summary. Based on the theory of phonon investigated the possibility of increasing absorption by increasing the 
component of carbon and silicon in the composition of steels
. 
 
 
 
 

● Техникалыќ єылымдар 
 
ЌазЎТУ хабаршысы №1 2014  
 
93
УДК 62-83:621.313 
 
А.Б. Бекбаев, Е.А. Сарсенбаев, Ю.П. Самчелеев, В.Г. Дрючин, Г.С. Белоха  
(Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева 
Алматы, Республика Казахстан 
Донбасский государственный технический университет, Алчевск, Украина) 
 
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА, ЭЛЕКТРОМАГНИТНО СОВМЕСТИМАЯ С СЕТЬЮ 
 
Аннотация. Рассматривается  система  стабилизации  тока  на  базе  последовательного  силового  активного 
фильтра  при  питании  от  трехфазной  сети  без  нулевого  провода.  Приведены  результаты  аналитического 
исследования  процессов  в  силовом  активном  фильтре,  получены  уравнения,  показывающие  связь  величины 
пульсаций  напряжения  на  конденсаторах  с  частотой  сети,  емкостью  конденсаторов,  напряжением  сети  и 
мощностью нагрузки. Получены выражения для расчета величины емкости конденсаторов фильтра и частоты 
релейного  режима.  Показана  инвариантность  системы  стабилизации  к  действию  возмущений.  Приведены 
осциллограммы различных режимов ее работы. 
Ключевые  слова:  система  стабилизации  тока,  электромагнитная  совместимость,  инвариантность, 
силовой активный фильтр. 
 
Введение.
 В [1] рассмотрена система стабилизации тока (ССТ) при питании от трехфазной сети 
без  нулевого  провода.  Присущие  ей  недостатки  устраняются,  если  ССТ  подключена  к 
четырехпроводной трехфазной сети, а управление по-прежнему ведется по трем токовым каналам [2]. 
Поскольку оба  вида трехфазных сетей (с  нулевым проводом  и без него)  имеют место быть, то 
работы  посвященные  созданию  универсальной  ССТ,  обеспечивающей  работу  потребителей  от 
указанных сетей, являются актуальными. 
При  этом  ССТ  должна  сохранить  все  качественные  показатели:  предельное  быстродействие, 
малую  чувствительность  к  действию  возмущений,  широкий  диапазон  регулирования, 
электромагнитную совместимость. 
Цель  работы – 
исследование  электромагнитных  процессов  и  режимов  работы  системы 
стабилизации тока. 
Материал и результаты исследования. 
В предложенной ССТ, функциональная схема которой 
представлена  на  рис.1,  сохранен  принцип  совмещения  принудительного  формирования 
потребляемых  из  сети  токов  синусоидальной  формы  при cosφ=1 (решена  задача  электромагнитной 
совместимости)  и  релейного  управления  системой  (решена  задача  предельного  быстродействия  и 
малой чувствительности к действию возмущений).  
Принудительное  формирование  токов  синусоидальной  формы  осуществляется  посредством 
последовательного  силового  активного  фильтра  (САФ).  САФ  представляет  собой  однофазный 
мостовой  активный  выпрямитель (US), выход  которого  соединен  с  двумя  последовательно 
соединенными конденсаторами, средняя точка соединения которых подключена к одной из фаз сети. 
Напряжение с конденсаторов через реверсор (UM), выполненный на четырех IGBT – транзисторах, 
подается на нагрузку с последующим преобразованием его в стабилизированный ток. Величина тока 
нагрузки может регулироваться путем изменения 
dz
I
. 
Силовая часть системы стабилизации состоит из контуров формирования потребляемых из сети 
синусоидальных токов и контура формирования тока нагрузки. 
Для  обеспечения  работоспособности  двух  контуров  необходимо,  чтобы  выполнялся  баланс 
мощностей  между  потребляемой  мощностью  из  сети  и  мощностью  нагрузки,  т.е.  Р=kP
d
,  где k – 
коэффициент,  учитывающий  потери  в  источнике.  Обеспечение  баланса  мощностей  осуществляется 
соответствующим вычислением амплитуды  І
mz
 фазных токов, потребляемых из сети. 
 

● Технические науки 
 
     
                                               
№1 2014 Вестник КазНТУ  
         
94 
 
 
Рис.1. Функциональная схема ССТ 
 
Процессы в контурах формирования входных токов описываются следующими уравнениями 
 
Фаза А 
 
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
i
i
i
Az
A
A
2
C
C
A
A
A
A
A
Az
A
A
1
C
C
A
A
A
A
A
Az
A
A
1
C
C
A
A
A
A
A
Az
A
A
2
C
C
A
A
A
A
A
A
A
Az











































 (1) 
 
Фаза В 
 
 
,
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
0
i
0
dt
di
a
i
a
U
u
u
R
i
dt
di
L
i
i
i
Bz
B
B
2
C
C
B
B
B
B
B
Bz
B
B
1
C
C
B
B
B
B
B
Bz
B
B
1
C
C
B
B
B
B
B
Bz
B
B
2
C
C
B
B
B
B
B
B
B
Bz











































 (2) 

жүктеу/скачать 43,12 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: