Автоматизация трибоэкологических процессов с целью снижения воздействия на окружающую среду при контактном взаимодействии

1. Тема: Автоматизация трибоэкологических процессов с целью снижения воздействия на окружающую среду при контактном взаимодействии

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
(ФГАОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»)
Тема: Автоматизация трибоэкологических процессов с
целью снижения воздействия на окружающую среду при
контактном взаимодействии
________________________________________
Аспирант группы АСП-21-01 Мирзоев Самир Эйнуллаевич
Научный руководитель: проф., д.т.н. Шварцбург Леонид Эфраимович

2.

Научная новизна, цели и задачи
Научная новизна: Реализована гибридная система, сочетающая традиционные
физические модели (теплопередачи, износа, механических напряжений) с алгоритмами
машинного обучения (например, моделью случайного леса). Это обеспечивает более
высокую точность предсказания износа по сравнению с классическими подходами.
Цель: Разработка комплексной системы математического моделирования и
прогнозирования трибологических процессов с использованием методов машинного
обучения для повышения точности предсказания износа оборудования.
Задачи:
•Анализ современных
трибологии.
методов
автоматизации
и
экологического
мониторинга
в
•Разработка математической модели, учитывающей технические и экологические
параметры.
•Реализовать математические модели с использованием библиотек Python (NumPy, SciPy,
Pandas), разработать модуль машинного обучения для предсказания износа на базе Scikitlearn, создать систему визуализации результатов с использованием Matplotlib и Seaborn,
построить веб-интерфейс с помощью Streamlit для удобного взаимодействия с моделью.

3. Анализ современной литературы

4. Основные положения трибоэкологии

Трибология — наука о
взаимодействии
поверхностей в
относительном
движении,
охватывающая
процессы трения,
износа и смазки.
Трибоэкология — это
наука о гармонизации
трибологических
процессов с
требованиями
экологической
безопасности и
устойчивого развития.

5. Математическое моделирование

Модель теплопередачи
Интегрированная система
взаимосвязанных уравнений
Упрощенная интегрированная система
Модель износа
Механическая модель
Основные обозначения и параметры
— плотность материала (кг/м³)
— удельная теплоемкость при постоянном давлении (Дж/(кг·К))
— коэффициент теплопроводности (Вт/(м·К))
— твердость материала (Па)
— эффективный модуль Юнга (Па)
— радиус кривизны контактирующей поверхности (м)
— предварительный коэффициент износа (м³/(Н·м))
— энергия активации процесса износа (Дж)
— постоянная Больцмана (Дж/К)
— температура материала (К)
— температура окружающей среды (К)
— коэффициент теплоотдачи (Вт/(м²·К))
— приложенная сила (Н)
— механическое напряжение (Па)
— площадь контакта (м²)
— касательное напряжение при трении (Па)
— коэффициент преобразования трения (безразмерный)
— относительная скорость скольжения (м/с)
— время (с)

6. Инструменты и библиотеки Python

NumPy и Pandas — для численных вычислений и обработки данных.
SciPy — для решения дифференциальных уравнений и оптимизации.
Matplotlib, Seaborn, Plotly — для визуализации данных.
Scikit-learn, TensorFlow, PyTorch — для применения методов машинного обучения.
FEniCS — для решения задач методом конечных элементов.
Streamlit или Dash — для создания интерактивного веб-интерфейса.
Git — для контроля версий и совместной работы.

7.

Реализация численного моделирования
1. Цель применения метода
Решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ),
которые описывают динамику процессов в исследуемой задаче.
2. Суть метода Рунге-Кутты
Метод Рунге-Кутты (обычно 4-го порядка) — это численный метод для
приближенного решения ОДУ.
Основное преимущество: высокая точность за счет учета промежуточных
значений производной на каждом шаге интегрирования.

8.

Визуализация и пользовательский интерфейс
Начало функции run_streamlit_app():
Создаёт заголовок приложения "Автоматизация Трибоэкологических
Процессов "Добавляет раздел "Входные параметры модели"
Создаёт элементы ввода для параметров:
Сила трения (Н)
Скорость контакта (м/с)
Начальная температура (°C)
Масса материала (кг)
Удельная теплоёмкость (Дж/(кг·K))
Коэффициент охлаждения (Дж/(с·°C))
Добавляет кнопку "Запустить моделирование» При нажатии кнопки
вызывает функцию simulate() с заданными параметрами
Выводит таблицу результатов и начинает создавать графики
визуализации
Создаёт первый график для отображения температуры и объёма
износа

9. Визуализация и пользовательский интерфейс

10.

1.
Ось X (Горизонтальная ось):
Назначение: Отражает истинные значения объёма
износа.
Единица Измерения: Объём износа, задан в
миллиметрах кубических (мм³).
Диапазон: от 0 до 3.5x10^-5 мм³.
1.
Ось Y (Вертикальная ось):
Назначение: Отражает значения, предсказанные
моделью предсказанные объёма износа.
Единица Измерения: Объём износа, заданный в
миллиметрах кубических (мм³).
Диапазон: от 0 до 3.5x10^-5 мм³.

11. Результаты и выводы по работе

Разработана комплексная система автоматизации трибоэкологических
процессов, объединяющая математические модели с методами машинного
обучения.
Система продемонстрировала высокую точность предсказания объема износа
при валидации.
Создана интерактивная платформа на Python с удобным интерфейсом для
работы с моделью в реальном времени.
Разработка позволяет повысить эффективность промышленных процессов и
снизить экологическое воздействие.
Система имеет потенциал для внедрения в различные отрасли промышленности
и дальнейшего совершенствования.

12.

Спасибо за внимание!