# echo off (

11 июня 2015

Разработки Тульского Государственного университета

)
Разработки Тульского Государственного университета
Для промышленности, сельского хозяйства, экологии...
 
В рамках программы импортозамещения по стране прозвучал клич о «зеленом свете» для российской продукции. Однако ряд отечественных ученых, проявив настоящее творческое мужество, неустанно работали на технический прогресс задолго до этого. В частности, туляки могут гордиться научными достижениями Тульского государственного университета. О его новых разработках нашим читателям рассказывает проректор по научной работе Тульского государственного университета, доктор технических наук, профессор Владимир Кухарь.
 
Контактный телефон: (4872) 35-82-00
EmailScience@tsu.tula.ru
 
 

 
 

Для промышленности

Многооборотные приводы для запорной арматуры
 
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» совместно с ОАО «Мичуринский завод «Прогресс» занимается разработкой, производством и внедрением интеллектуальных электроприводов МРЭП для трубопроводной арматуры. Данный проект выполняется в рамках постановления правительства № 218 о мерах поддержки и кооперации высших учебных заведений и предприятий.
Электроприводы МРЭП (для клиновых и шиберных задвижек всех типоразмеров) оптимизированы под  управление движением потоков рабочих сред в нефтяной, газовой, теплоэнергетической, химической и других отраслях промышленности.
Есть несколько импортных производителей продукции для данной отрасли. Соответственно, нам была поставлена задача разработать изделие, не только превосходящее по каким-то техническим характеристикам зарубежные конкурентные образцы. Один наш привод должен был заменять целую линейку аналогичной импортной продукции. То есть, нам предстояло создать с небольшими модификациями достаточно широкую гамму некоего универсального устройства. Скажу больше – сейчас ведутся переговоры и испытания по его применению не только в заявленных, но и в смежных отраслях плюс в оборонной промышленности.
На сегодняшний день изготовлены образцы электроприводов 5МРЭП и 7МРЭП. Они уже получили высокие оценки на выставках РУСПРОМЭКСПО 2013 и 2014 годов.
 
Внешний облик многооборотных электроприводов показан на рисунке, а их параметры приведены в таблице 1.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Электроприводы 5МРЭП и 7МРЭП
 

Таблица 1. Параметры электроприводов

Параметр

5МРЭП

7МРЭП

Размер присоединительного фланца, мм

125x125

200x200

Максимальный диаметр шпинделя, мм

30

44

Максимальный момент, Нм

250

700

Скорость вращения, Об/мин

25-50

6-50

Количество задвижек закрываемых данным электроприводом

14

15

Мощность электродвигателя до, кВт

3,65

1,3

Наибольший диаметр трубы, мм

250

500

 
 
 

Для сельского, лесного хозяйства и МЧС

 
Беспилотный летательный аппарат сельскохозяйственного назначения
 
В Институте высокоточных систем им. В.П. Грязева ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» кафедрой «Приборы управления» ведутся работы по созданию комплексированных систем ориентации и навигации для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Разрабатываемые системы могут быть установлены на БПЛА с взлетной массой от сотен грамм до нескольких килограмм, что допускает их запуск «с руки» без необходимости иметь взлетно-посадочную площадку либо специализированные средства запуска. Это позволяет создавать БПЛА на базе стандартных авиамоделей с небольшой стоимостью изготовления и эксплуатации.
Разрабатываемый кафедрой БПЛА способен проводить аэрофотосъемку сельскохозяйственных земель, лесов, осуществлять  мониторинг состояния подготовки почвы, контроль всхожести посевов, прогнозирование урожая, охрану сельхозугодий и др. функции.
Кроме того, эта разработка связана с таким актуальным направлением как детектирование пожаров и вообще помощь в различных чрезвычайных ситуациях. Например, куда-то человеку достаточно сложно попасть или необходимо много людских ресурсов, чтобы охватить большое пространство. Тогда эту территорию можно исследовать относительно быстро с помощью видеокамеры БПЛА, поднятого на определенную высоту.
Радиус действия аппарата зависит от его размеров и элементов питания. Примерно 20-25 км – это вполне нормальный охват территории. И эффективность приборов еще больше возрастет, если взять несколько БПЛА, управляемых одним оператором.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
БПЛА сельскохозяйственного назначения на базе авиамодели Twinstar
 
Преимущества БПЛА:
  • возможность получения снимков в условиях облачности;
  • увеличенное разрешение снимков;
  • мобильность и автономность;
  • возможность использования готовых авиамоделей.
 
 
Фотографии, полученные с борта БПЛА
 

 

Экологической направленности

 
Биосенсорный анализатор для экспресс-определения биохимического потребления кислорода в водных средах
 
Для оценки степени загрязненности воды органическими веществами в настоящее время применяется параметр, определенный как «индекс биохимического потребления кислорода» (БПК). Существующий метод определения БПК основан на тестах, продолжительность которых составляет 5, 10 или 20 суток (ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97). В силу значительной продолжительности процедуры метод не является адекватным в современных условиях жизни, поскольку представляет результаты анализа со значительной задержкой (минимум 5 суток от момента поступления пробы). В настоящее время все промышленные предприятия и водоочистные сооружения РФ используют для повседневного рутинного анализа сточных вод упомянутый метод БПК5.
В рамках выполнения Соглашения № 14.574.21.0062 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»  разрабатывается аналитический прибор нового поколения, предназначенный для экспресс-оценки индекса БПК. Руководитель проекта – директор Естественнонаучного института ТулГУ В.А.Алферов, общий объем финансирования проекта – 27 млн. руб., из них 20 млн. руб. – средства федерального бюджета, 7 млн. руб. – внебюджетные средства. Разрабатываемый экспресс-анализатор БПК представляет собой амперометрический биосенсор на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов.
Решение поставленных задач будет достигнуто за счет применения уникальных штаммов микроорганизмов из Всероссийской коллекции микроорганизмов ИБФМ РАН, современных методов исследования, новой аппаратуры, имеющей высокую точность измерения.
Экспериментальные исследования проводятся на уникальном оборудовании, которое разработано по заказу исполнителей проекта. Высокочувствительный электрохимический метод регистрации окислительной активности биологического материала основан на компьютерной обработке сигналов и позволяет производить высокоточные измерения в наноамперном диапазоне токов, что дает возможность исследовать свойства микрограммовых количеств биомассы.
Использование уникальных, запатентованных авторами проекта, методов иммобилизации микроорганизмов позволит повысить характеристики разрабатываемых приборов и снизить их стоимость по сравнению с зарубежными аналогами. Использование различных штаммов микроорганизмов и способов их иммобилизации позволяет добиться желаемых характеристик биосенсорного анализатора в соответствии с типом анализируемого образца.
В выполнении проекта активно участвуют студенты, аспиранты и молодые ученые кафедр «Химии» и «Биотехнологии» ТулГУ, среди исполнителей их доля более 70%.
В России аналогичные анализаторы в настоящее время промышленно не выпускаются. Стоимость БПК-биосенсоров зарубежного производства на порядок превышает стоимость анализаторов, предлагаемых в проекте. Еще одним конкурентным преимуществом разрабатываемого аналитического оборудования является сложность регулярного приобретения расходных материалов (биорецепторов) для закупленного за рубежом оборудования. Разработка собственной технологии РФ и производство аналитической аппаратуры данного класса представляется намного более предпочтительным и диктуется, в том числе, соображениями экологической и технологической безопасности страны.
Используемые микроорганизмы и способы их иммобилизации защищены патентами РФ (№ 106898 от 3.12.2010, № 2461625 от 30.12.2010, № 117918 от 28.10.2011).  Биосенсорный анализатор для экспресс-определения биохимического потребления кислорода обеспечивает определение биохимического потребления кислорода в поверхностных пресных, подземных, питьевых и сточных водах в диапазоне 2 – 1000 мг/дм3. Принципиальным отличием метода анализа с использованием разрабатываемого прибора от существующего является сокращение времени анализа от 5 суток до 5 - 15 мин. С помощью данного анализатора возможно осуществлять измерения в режиме реального времени, для анализа не требуется привлекать высокоспециализированный персонал. Прибор может использоваться как в стационарных условиях, так и в составе подвижных лабораторий.
Ведущую роль в доведении до потребителя ожидаемых результатов проекта будет играть «Индустриальный партнер» выполнения проекта - ООО "Эконикс-Эксперт". Данная компания имеет широкую дилерскую сеть, в том числе и в странах СНГ.  Важно отметить, что ООО "Эконикс-Эксперт" специализируется именно на промышленном выпуске и продаже аналитического оборудования для контроля водных сред. В настоящее время компания занимает лидирующее место среди производителей лабораторного оборудования в РФ. Поэтому большая клиентская база организации-индустриального партнера позволит быстро распространить информацию о разработанном анализаторе.
Данный анализатор может быть использован Станциями санитарно-эпидемиологического контроля, службами МЧС, Минприроды, экологическими структурами и биотехнологическими производствами для выполнения ежедневных текущих анализов проб воды на предприятиях системы водоочистки РФ.
Использованная авторами проекта отечественная сенсорная база обеспечит эффективное применение аналитической аппаратуры в Российской Федерации. Следует отметить, что в полном масштабе, необходимом для решения практических задач, это невозможно сделать за счет зарубежных закупок. Основным ограничением в данном случае будет не только высокий объем расходных материалов, но и, прежде всего, необходимость создания собственной аппаратуры и оборудования.
DSC03194
 
Фотография демонстрационного экземпляра биосенсорного анализатора БПК кюветного типа.
 
 
Фотография демонстрационного экземпляра биосенсорного анализатора БПК проточно-инжекционного типа.
Фотография студентки Козловой Татьяны за работой на БПК-биосенсоре кюветного типа.
 
 
Автоматизированная система экологического мониторинга
 
Автоматизированная система экологического мониторинга позволяет осуществлять: непрерывный сбор экологической и метеоинформации;           запись и хранение информации; преобразование информации в вид, наиболее удобный для анализа; формирование рекомендаций для принятия управленческих решений.
Система  включает в себя автономные экологические метеокомплексы, которые предназначены для получения основных параметров текущего состояния погодных условий, и программное обеспечение.
Автономный экологический метеокомплекс имеет функцию прогноза погоды, которая учитывает координаты места расположения комплекса, время года, текущее значение атмосферного давления и его изменение, скорость и направление ветра, температуру и влажность воздуха, количество осадков, состояние почвы, загрязненность воздуха и радиационный фон. Передача данных  осуществляется по беспроводному каналу GSM/GPRS на удаленный сервер сбора и обработки данных.
Программное обеспечение состоит из отдельных модулей, таких как:
- «Экомонитор», который позволяет в реальном времени осуществлять мониторинг состояния загрязнения воздуха;
- модуль расчета и отображения зон распространения опасных химических веществ;
- модуль расчета распространения выбросов в воздушной среде застроенных территорий в виде программного комплекса «Эмиссия».
Таким образом, метеокомплекс непрерывно собирает информацию, которая проходит компьютерный анализ. И в зависимости от экологической ситуации, возможных выбросов, степени вредности выделяемой производством пыли, погодных условий, влияющих на высоту ее подъема, система делает свои прогнозы и предупреждает о возможной опасности. Самый простой вариант – возможность выделить некоторые точки зоны, где необходимо дополнительное применение фильтров и очистных сооружений.
Область применения системы – весь регион и, в особенности, предприятия химической и металлургической промышленности, а также газового хозяйства.
(Иллюстрации по системе экомониторинга есть, на сайте их разместим).
 
 

Разработки на ближайшую перспективу

 
Обучающие тренажеры
 
Данная разработка связана с применением когнитивных технологий, то есть, обучения с тщательно рассчитанным уровнем нарастания сложности материала. Это может быть управление боевой техникой, какими-либо видами транспорта, станками. В любом случае, главная задача – максимально эффективно обучить курсанта, студента, сотрудника, рабочего.
Для решения этой задачи в ТулГУ первыми в России заложили в основу обучения математическую базу. Это, во-первых, позволяет подстроить процесс под конкретного учащегося. А во-вторых, как показали предварительные исследования, так можно добиться 20-30-процентного сокращения сроков обучения без потери качества. 
Технология данного процесса, с одной стороны, достаточно проста, а с другой – сложна. Это применение так называемых петримартовских моделей, разработки профессора Тульского госуниверситета, заведующего кафедрой «Робототехника и автоматизация производства» Евгения Ларкина.
Тренажеры с использованием данных разработок могут применяться везде, где необходимо готовить специалистов, призванных работать на какой-либо технике, чем-то управлять. То есть, в машиностроении это – сложные современные станки с ЧПУ, в транспортной сфере – автомобили. Еще более трудный процесс – управление железнодорожным транспортом.
Ведь почему во всем мире непосредственному обучению все больше предпочитают тренажеры? Потому что на них можно смоделировать любую критическую ситуацию - различные аварии, варианты отказов систем. Проиграть такие ситуации в реальности невозможно, потому что это будет связано либо с утратой техники, либо, в критических случаях, с человеческими жертвами. В тренажере же такие ситуации легко смоделировать и сделать практически реальными за счет средств симуляции.
Таким образом, если мы подготовим оператора к работе в таких и, в том числе, чрезвычайных, условиях, доведем до автоматизма его действия, то он в критический момент примет нужное решение и за счет сформированной мышечной памяти предпримет все необходимые шаги.
Эта разработка особенно актуальна для предприятий, аварии на которых связаны с опасностью взрывов и других масштабных катастроф, крупных экологических загрязнений. Не будем забывать, что на территории Тульской области таких производств хватает.
А принятие верного решения в критической ситуации зависит от чего? Либо от большого опыта, либо от приобретенных навыков работы и, в том числе, на тренажерах. Просто на них мы можем процесс получения опыта сконцентрировать по времени. Опять же, что немаловажно, с помощью тренажеров можно снизить затраты на обучение, потому что большая часть процессов будет моделироваться компьютерной техникой.
По данной разработке все научные исследования уже завершены. Необходимы опытно-экспериментальные работы. После чего при наличии финансирования проект можно запускать в серийное производство.  
Сейчас ТулГУ достаточно плотно взаимодействует с ЦКБА, которое производит тренажерные системы, это вообще совместная разработка. Просто выход в серию требует дополнительных именно практических исследований. Ведь производство будет в значительной степени зависеть от того, для какой именно отрасли тренажеры понадобятся. Например, чтобы смоделировать критические ситуации, которые встречаются в автомобильном или железнодорожном транспорте, нужно изготовить те же самые кабины и механику. Это одна ситуация. А для станков с ЧПУ – другая ситуация. Таким образом, в некоторых случаях это может быть даже мелкосерийное или штучное производство, поскольку через учебные центры идет не такой большой поток обучающихся. 
 
 
Системы автоматизированного пилотирования
 
Разработки Тульского госуниверситета, связанные с системами автоматизированного пилотирования, находятся на стадии экспериментального исследования. Они помогут в любых критических ситуациях сохранить управление воздушным судном. Как показали последние события, это достаточно актуальная тематика, поскольку при выходе из строя современных систем самолет может оказаться практически неуправляемым.
 
 
 
Комплекс по переработке метана
Этот проект так или иначе связан и с экологией, и с получением энергии на основе, скажем так, источников, которые раньше не применялись. Сейчас при добыче угля из  метаново-угольных месторождений метан в большинстве случаев все еще просто сжигается на поверхности. 
Разработки нашего научного центра по рациональному природопользованию предлагают сделать следующее. Метан извлекается и не просто сжигается, а перерабатывается в электроэнергию, используемую в шахте. В итоге угледобывающее предприятие сможет работать практически на автономном источнике питания. При наличии же излишков этот комплекс может выступать как генерирующий для энергосистем.
Если мы хотим быть рачительными хозяевами, то, прежде всего, должны следить за безопасностью производства. А во-вторых, нужно максимально использовать все то, что мы можем извлечь из недр.