The object of research, development or design (in Russian) : волоконно-оптические датчики смещения пород горных выработок шахт и карьеров

The object of research, development or design (in Kazakh) : шахталар мен карьерлердегі тау жыныстарының ығысуына арналған талшықты-оптикалық сенсорлар

Aim of work (in Russian) : Разработка методов и средств контроля на основе интеллектуальных волоконно-оптических измерительных систем с высокими метрологическими характеристиками с проведением комплексных научных исследований для создания опытных образцов и их внедрение на производстве для повышения безопасности и экономической эффективности проведения горных работ на шахтах и карьерах, а также практической реализации цифровых технологий Индустрии 4.0.

Aim of work (in Kazakh) : Шахталар мен карьерлердегі тау-кен жұмыстарының қауіпсіздігі мен экономикалық тиімділігін арттыру үшін прототиптер жасау және оларды өндіріске енгізу бойынша кешенді ғылыми зерттеулерді қоса алғанда, жоғары метрологиялық сипаттамалары бар интеллектуалды талшықты-оптикалық өлшеу жүйелеріне негізделген басқару әдістері мен құралдарын әзірлеу, сондай-ақ 4.0 индустриясының цифрлық технологияларын практикалық енгізу.

Методы исследования (на русском) : 1) теоретический – проведение численных методов исследования с использованием компьютерных программ COMSOL Multiphysics для выполнения численного моделирования процессов распространения световых волн, основанная на методе конечных элементов. В проекте будет создана физико-математическая модель оптико-механических процессов в оптоволоконном детекторе с использованием нулевого приближения теории возмущений по безразмерным малым параметрам деформаций с учетом фотоупругого эффекта. Для построения графиков зависимости и оценки их точности будут использоваться компьютерные программы Excel, Wolframalpha; 2) экспериментальный – проведение экспериментальных исследований с использованием лабораторного образца; использование модельного метода с постепенным приближением к оригиналу. Экспериментальный метод определения характеристик световой волны при механическом воздействии на ОВ с изменением параметров преломления 3) аналитические – исследование оптического спектра светового пятна, падающего на поверхность фотоматрицы при различном воздействии на ВОД; исследование процессов интерференции световых волн, дифракции, пятен Пуансона, связанных с изменением свойств ОВ в момент возникновения фотоупругого эффекта; применение законов преломления и отражения в ОВ при распространении световой волны по его сердцевине.

Методы исследования (на казахском) : 1) Теориялық – жарық толқынының таралу процестерінің сандық модельдеуін орындау үшін COMSOL Multiphysics бағдарламалық жасақтамасын пайдаланып сандық зерттеу әдістерін жүргізу, шекті элементтер әдісіне негізделген. Жоба фотосерпімділік әсерін ескере отырып, өлшемсіз кіші деформация параметрлері үшін пертурбация теориясының нөлдік жуықтауын қолдана отырып, талшықты-оптикалық детектордағы оптомеханикалық процестердің физикалық және математикалық моделін жасайды. Excel және Wolframalpha бағдарламалық жасақтамалары тәуелділік графиктерін салу және олардың дәлдігін бағалау үшін қолданылады; 2) Эксперименттік – зертханалық үлгіні пайдаланып эксперименттік зерттеулер жүргізу; түпнұсқаға біртіндеп жуықтаумен модельдеу әдісін қолдану. Әртүрлі сыну параметрлері бар оптикалық талшыққа механикалық әсер ету кезінде жарық толқынының сипаттамаларын анықтаудың эксперименттік әдісі. 3) Аналитикалық – оптикалық талшыққа әртүрлі әсер ету кезінде фотоматрица бетіне түсетін жарық дақының оптикалық спектрін зерттеу. Фотосерпімділік әсерінен туындаған кезде оптикалық талшық қасиеттерінің өзгеруімен байланысты жарық толқынының интерференциясын, дифракциясын және соққы дақтарын зерттеу; жарық толқынының өзегі арқылы таралуы кезінде оптикалық талшықтардағы сыну және шағылысу заңдарын қолдану.

Obtained results and novelty (in Russian) : Получены результаты анализа международных стандартов и нормативных документов для определения критериев оценки разрабатываемой системы. Разработаны и обоснованы граничные условия эксплуатации. Создана физико-математическая модель системы и проведено математическое моделирование по влиянию окружающей среды на работу датчиков. Получены результаты исследования параметров волоконно-оптических датчиков различных конструкций включая распределенного или квази-распределенного типа для горнодобывающей промышленности. Разработана экспериментальная конструкция волоконно-оптических датчиков смещения и деформации, включая распределенного типа, а также интеллектуального аппаратно-программного комплекса для анализа светового пятна, падающего на поверхность фотоматрицы высокого разрешения. Рекомендации по нормативно-технической документации по использованию. Разработана система передачи данных по волоконно-оптическим направляющим линиям связи или по каналам сотовой связи с обязательным хранением информации на выделенном сервере и передачи сообщений о результатах измерений на мобильное устройство. Получены результаты апробации системы мониторинга на производстве. Разработаны рекомендации для промышленного использования волоконно-оптических датчиков с высокими метрологическими характеристиками. Выполнено научно-техническое обоснование по созданию систем мониторинга с высокими метрологическими характеристиками.

Obtained results and novelty (in Kazakh) : Әзірленген жүйенің бағалау критерийлерін анықтау үшін халықаралық стандарттар мен нормативтік құжаттарды талдау нәтижелері алынды. Шекаралық жұмыс жағдайлары әзірленіп, негізделді. Жүйенің физикалық-математикалық моделі жасалды, сондай-ақ сенсордың жұмысына қоршаған ортаның әсерін математикалық модельдеу жүргізілді. Тау-кен өнеркәсібі үшін таратылған немесе квази-таратылған түрлерін қоса алғанда, әртүрлі конструкциядағы талшықты-оптикалық сенсорлардың параметрлерін зерттеу нәтижелері алынды. Таратылған түрлерін қоса алғанда, талшықты-оптикалық ығысу және деформация сенсорларының эксперименттік дизайны, сондай-ақ жоғары ажыратымдылықтағы фотоматрица бетіне түсетін жарық дақтарын талдауға арналған интеллектуалды аппараттық және бағдарламалық жүйе жасалды. Қолдануға арналған нормативтік-техникалық құжаттамаға ұсыныстар берілді. Ақпаратты арнайы серверде міндетті түрде сақтау және өлшеу нәтижелерін мобильді құрылғыға беру арқылы талшықты-оптикалық бағыттаушы желілер немесе ұялы арналар арқылы деректерді беру жүйесі жасалды. Мониторинг жүйесін өндірісте сынау нәтижелері алынды. Жоғары метрологиялық сипаттамалары бар талшықты-оптикалық сенсорларды өнеркәсіптік пайдалану бойынша ұсыныстар жасалды. Жоғары метрологиялық сипаттамалары бар мониторинг жүйелерін құрудың ғылыми-техникалық негіздемесі аяқталды.

The main constructive and technical economic indicators (in Russian) : В Казахстане развита горнодобывающая промышленность и потенциальными потребителями могут быть около 80 крупных предприятий, занятых добычей различных полезных ископаемых. Т.к. предложенная система решает важную задачу ранней диагностики обрушения горных выработок и бортов карьеров и разрезов, то позволит потенциальным потребителям существенно сократить материальные издержки на ликвидацию аварии и избежать утрат технологического оборудования, а также жертв среди производственного персонала при внезапном обрушении породы в местах проведения горных работ.

The main constructive and technical economic indicators (in Kazakh) : Қазақстанда тау-кен өнеркәсібі дамыған, ал әлеуетті пайдаланушыларға әртүрлі пайдалы қазбаларды өндірумен айналысатын шамамен 80 ірі кәсіпорын кіруі мүмкін. Ұсынылған жүйе кен жұмыстарын және карьерлер мен ашық карьерлердің қабырғаларын ерте анықтаудың маңызды мәселесін шешетіндіктен, бұл әлеуетті пайдаланушыларға төтенше жағдайларға жауап берудің материалдық шығындарын айтарлықтай азайтуға және тау-кен жұмыстарында кенеттен тау жыныстарының құлауы жағдайында технологиялық жабдықтардың жоғалуын және өндірістік персонал арасындағы шығындарды болдырмауға мүмкіндік береді.

Level of implementation (in Russian) : Результаты научной работы внедрены на 2 предприятиях.

Level of implementation (in Kazakh) : Ғылыми жұмыстың нәтижелері екі кәсіпорында енгізілді.

Efficiency (in Russian) : Экономическая эффективность работы заключается в снижении затрат на ручной контроль состояния выработок, уменьшении вероятности аварийных ситуаций и простоев техники, увеличении срока службы горной инфраструктуры, оптимизации применения крепёжных материалов и повышении общей эффективности производственных процессов. Внедрение интеллектуальной системы мониторинга позволяет предприятиям повысить уровень промышленной безопасности, уменьшить издержки, связанные с авариями и ремонтами, и перейти от реактивной модели управления рисками к проактивной.

Efficiency (in Kazakh) : Шығындардың тиімділігі жұмыс процестерін қолмен бақылау шығындарын азайтуда, апаттар мен жабдықтардың тоқтап қалу ықтималдығын азайтуда, тау-кен инфрақұрылымының қызмет ету мерзімін ұзартуда, бекіту материалдарын пайдалануды оңтайландыруда және өндірістік процестердің жалпы тиімділігін арттыруда жатыр. Интеллектуалды мониторинг жүйесін енгізу компанияларға өнеркәсіптік қауіпсіздікті жақсартуға, апаттар мен жөндеу жұмыстарымен байланысты шығындарды азайтуға және реактивті тәуекелдерді басқару моделінен проактивті модельге көшуге мүмкіндік береді.

Field of application (in Russian) : Полученные волоконно-оптические датчики могут быть использованы в различных областях промышленности, например, авиакосмической, нефтегазовой, оборонной, строительной.

Field of application (in Kazakh) : Алынған талшықты-оптикалық сенсорларды аэроғарыш, мұнай-газ, қорғаныс және құрылыс сияқты әртүрлі өнеркәсіп салаларында пайдалануға болады.