Объем двигателя д 245: Двигатели МАЗ Зубренок | Какие двигатели ставили, проблемы

Двигатели ГАЗ 3309 и 3307

ГАЗ 3309 и 3307 (Газон) — среднетоннажные автомобили, пришедшие на смену ГАЗ-53 в 1989 году. Грузоподъемность этих грузовиков 4.5 тонны, а колесная формула 4х2.
У этих автомобилей есть полноприводный родственник, имеющий такой же самый внешний вид — ГАЗ-3308 Садко.
В 2014 году появилась новая модель — ГАЗон-NEXT, который постепенно заменяет старый ГАЗ-3309.

Несколько близких к ГАЗ 3309 грузовиков: ГАЗ 3310 Валдай, МАЗ 4370 Зубренок, КамАЗ-4308, ЗиЛ Бычок, КрАЗ-5401, Mitsubishi Canter, Nissan Atlas, Hyundai HD-78 и похожие автомобили.

Давайте разберемся, какие двигатели ставили на ГАЗ-3309 и чем 3309 отличается от 3307.
Первая версия имела обозначение ГАЗ-3307 и оснащалась бензиновым двигателем ЗМЗ-511 с карбюратором. Объем такого мотора 4.2 литра, а его мощность 125 л.с. Через время эту силовую установку заменили на 4.7-литровый ЗМЗ-5231, а потом на ЗМЗ-5244.
Версия ГАЗ-3309 первоначально имел дизельный двигатель ГАЗ-5441 с турбиной, объемом 4.1 литра и мощностью 116 л.с. Затем его поменяли на Д-245.7 от ММЗ, с рабочим объемом 4.75 литра и мощностью 122 л.с. Такой ДВС отвечал стандартам Евро-2 до 2008 года, затем его повысили до Евро-3, а в 2013 году и до Евро-4.

Кроме ММЗ использовался дизель Cummins ISF, который имел 4 цилиндра и 3.8 литра рабочего объема. Этот мотор вписывался в нормы Евро-4.
Под такой же экологический класс выпускался двигатель ЯМЗ-5342 мощностью 150 л.с., позже этот мотор заменили на ЯМЗ-53443 под экологию Евро-5.

Узнайте, какой двигатель стоит на вашем ГАЗ-3309 или 3307, какие марки моторов используются на этих грузовиках, их технические характеристики, неисправности (троит, греется, не тянет, не заводится и др.) и их причины. Кроме того, вы узнаете, какое масло нужно лить, сколько масла в двигателе, вес мотора, где номер двигателя и т.д.

1 поколение (1989 — н.в.):
ГАЗ-3307 (125 л.с.) — 4.2 л.
ГАЗ-3307 (124 л.с.) — 4.7 л.
ГАЗ-3307 (127 л.с.) — 4.7 л.

ГАЗ-3309 (152 л.с.) — 3.8 л.
ГАЗ-3309 (116 л.с.) — 4.1 л.
ГАЗ-3309 (150 л.с.) — 4.4 л.
ГАЗ-3309 (122 л.с.) — 4.75 л.

 

<<НАЗАД

Дизельный двигатель ММЗ Д-245 с мощностью 77 (105) кВт (л.с.)

Технические характеристики
Аккумуляторные батареи	90 А.ч
Вентилятор	шестилопастной диаметром 450 мм, с клиноременным приводом от коленчатого вала
Водяной насос	центробежный с клиноременным приводом от коленчатого вала
Воздушный фильтр	Комбинированный: моноциклон (предварительная ступень очистки воздуха) и воздухоочиститель с масляным пылеуловителем и мокрым капроновым трёхсекционным фильтрующем элементом
Габаритные размеры (ДхШхВ)	965.5х676х968 мм
Диаметр цилиндра	110 мм
Зарядный генератор	переменного тока номинальной мощностью 1,0 кВт, номинальным напряжением 14 В или 28 В
Масляные фильтры	со сменным бумажным фильтрующим элементом
Масса двигателя	450 кг
Минимальная температура запуска	-44 °C
Напряжение в системе электрооборудования	24 В
Объем системы охлаждения	14 л
Объем системы смазки	12 л
Порядок работы цилиндров	1-3-4-2
Пусковое устройство	стартер номинальным напряжением 12 В
Рабочий объем	4.75 л
Расположение цилиндров	рядное
Система топливоподачи	ТНВД с механическим регулятором
Степень сжатия	15.1:1
Тип масла	CF-4, CG-4, CH-4, CI-4
Тип охлаждающей жидкости	Низкозамерзающая «ТС-40» (до-40ºС), «ТС-65» (до-65ºС)
Топливные фильтры грубой очистки	Отстойник
Топливные фильтры тонкой очистки	Неразборного типа
Топливный насос	высокого давления с всережимным регулятором, подкачивающим насосом поршневого типа, двумя рычагами управления, а также с пневматическим ограничителем дымления (пневмокорректором)
Турбокомпрессор	в наличии
Удельный расход масла на угар, не более	0.9 г/(кВт ч)
Удельный расход топлива при 1500 об/мин при 100% мощности	220 г/(кВт ч)
Ход поршня	125 мм
Частота вращения холостого хода максимальная, не более	2380 об/мин
Частота вращения холостого хода минимальная, не более	700 об/мин
Эксплуатационная мощность	74 (101) кВт (л.с.)

Двигатель ММЗ Д-245, производство — Минск. Устанавливается на автомобили ГАЗ.

Про двигатели Минского моторного завода без преувеличения можно сказать: «Надежность, проверенная временем». Практически у всех российских производителей мало-, средне- и крупнотоннажных грузовиков («ЗИЛ», «МАЗ» и др.), а также автобусов (например, «ПАЗ») существует модельный ряд, оснащаемый дизельными двигателями ММЗ Д-245 и его модификациями. Горьковский автомобильный завод для своей продукции уже много лет назад «взял на вооружение» эти надежные, экономичные и простые в обслуживании двигатели. Ими оснащаются среднетоннажные грузовики ГАЗ-3309, ГАЗ-33081 («Садко»), ГАЗ-33086 («Земляк»).

Низкий расход топлива — большой плюс дизельных двигателей. На ГАЗ-3309  расход 14–18 л на 100 км пробега, а на полноприводном «Садко“ 16–19 л. Высокая степень сжатия обеспечивает более полное сгорание горючей смеси, а как следствие —  высокий коэффициент полезного действия. Долговечность работы дизельного двигателя обеспечивает не только прочность деталей и механизмов, а также то, что дизельное топливо помимо основной задачи (образования горючей смеси) частично выполняет функцию дополнительной смазки.

Скептически настроенный водитель может вспомнить времена, когда дизельный автомобиль отказывался заводиться при низкой температуре воздуха, но на сегодня этой проблемы уже не существует: использование свечей накаливания и маловязких масел при правильной последовательности пуска двигателя обеспечивает уверенный запуск в 25-градусные морозы. Еще один момент, приписываемый к недостаткам — это более низкие скоростные характеристики автомобиля с «дизелем». Даже если учесть, что гонки по трассе — не самое востребованное назначение грузовика, то сегодня разница в скоростях между бензиновым и дизельным автомобилем становится все менее значительной, за счет использования системы турбонаддува, существенно повышающей мощность дизельного двигателя.

Двигатели ММЗ Д-245 обладают хорошей тяговой силой, что является приоритетом в выборе двигателя для грузового автомобиля.

Соответствие экологическому стандарту «Евро-4» — с января 2013 года задача всех двигателей автомобилей «ГАЗ».

Технические характеристики двигателя ММЗ Д-245,7
Модель	Д–245.7Е3: 4-х тактный  дизельный двигатель с непосредственным впрыском топлива
Диаметр цилиндра, мм	110
Ход поршня, мм	125
Рабочий объем цилиндров, л	4,75
Число и расположение цилиндров	4L
Тип системы газообмена	ТW
Номинальная мощность, кВт (л.с.)	90 (122.4)
Номинальная частота вращения, об/мин	2400
Максимальный крутящий момент, Н м (кгс м)	422 (43.1)
Частота вращения при максимальном крутящем моменте, об/мин	1500
Удельный расход топлива, г/кВт ч	230
Масса, кг	455

 

характеристики, неисправности и тюнинг. Статьи компании «ООО «К-Сервис»»

Двигатель ММЗ Д 245: характеристики, неисправности и тюнинг

Содержание:

Минский моторный завод специализируется на изготовлении силовых агрегатов для тяжелых грузовых автомобилей. Двигатели ММЗ зарекомендовали себя как надежные, экономичные и простые в эксплуатации силовые агрегаты, которые устанавливались на грузовики и автомобили повышенной проходимости. Двигатель Д 245 оснащен газотурбинным наддувом, что позволяет обеспечить максимальную тягу в широком диапазоне оборотов силового агрегата.

Технические характеристики

Технические характеристики мотора Д 245:

ПАРАМЕТРЫ	ЗНАЧЕНИЕ

Вес двигателя, кг	455
Материал блока цилиндров	чугун
Система питания	непосредственный впрыск топлива
Тип	рядный
Рабочий объем	4.75
Мощность	122 лошадиные силы при 2400 оборотах
Количество цилиндров	4
Количество клапанов на цилиндр	2
Ход поршня, мм	125
Диаметр цилиндра, мм	110
Степень сжатия	42386
Крутящий момент, Нм/об.мин	420/1400
Экологические нормы	ЕВРО 3
Топливо	дизель
Расход топлива	17 л/100 км в смешанном цикле
Масло	SAE 10W-40 и выше
Сколько масла в двигателе	10.7
При замене лить	10 литра
Замена масла проводится, км	25 тысяч
Ресурс двигателя, тыс. км — на практике	500+

Двигатель устанавливается на ГАЗ-3309, ГАЗ-33086, ГАЗ-33081, автобусы ПАЗ, среднетоннажные грузовики ЗИЛ и МАЗ.

История развития

Изначально двигатель серии Д 245 выполнялся в модификации 7Е2, которая имела увеличенные размеры и массу порядка 700 килограмм.

Этот силовой агрегат был фактически модернизированной версией устаревшей 240 серии. Он соответствовал экологической норме Евро 2 и в середине девяностых годов был полностью снят с производства.

В середине девяностых годов мотор Д 245 претерпел существенные изменения. Была полностью изменена система питания, появились прямые форсунки, а сам мотор стал соответствовать экологическим нормам Евро 3.

Этот силовой агрегат отличается простотой устройства и отличной надежностью. Существенно снизилась масса двигателя, которая составляла 455 килограмм.

Описание

Рабочий объём этого силового агрегата составляет 4,75 литра, что позволяет развивать мощность в 105 лошадиных сил.

Этот рядный четырехцилиндровый мотор отличается простотой конструкции, великолепными техническими характеристиками и отличной надежностью.

Капитальный и текущий ремонт не представляет сложности, а сервисное обслуживание было максимально упрощено.

На первый взгляд, показатели мощности недостаточны для двигателей такого объема, однако в действительности этот двигатель ММЗ обеспечивает отличную тягу даже тяжелым модификациям ЗИЛов и различным грузовым автомобилям.Еще одним несомненным преимуществом этого мотора является его великолепная топливная экономичность.

• Использование усиленных силовых элементов и проверенная временем достаточно простая конструкция этого силового агрегата позволили существенным образом повысить моторесурс. Добиться подобного удалось за счет использования усиленной шатунно-поршневой группы и прочного блока цилиндров. Сам мотор выполнен из чугуна и имеет повышенную устойчивость к тепловой нагрузке.
• Использование газотурбинного наддува позволило улучшить тяговые показатели силового агрегата. При этом значительно улучшились тяговые показатели на низких оборотах, поэтому двигатель Д 245 тянет уже с самых низов, обеспечивая уверенный разгон даже тяжелым грузовым автомобилям.
• Газотурбинный наддув отличается простотой устройства, что положительно сказалось на показателях надежности двигателя. Турбина с легкостью поддается ремонту, а при выполнении капитальных работ с двигателем ее замена не представляет особой сложности.
• Мотор был максимально упрощен, что позволило повысить надежность силового агрегата. Каждые 20-25 тысяч километров необходимо производить смену масла и регулировать зазор клапанов, который может нарушаться во время эксплуатации двигателя. Данные работы не представляют сложности и могут быть выполнены силами самих автовладельцев.
• Дизельный двигатель серии Д 245 имеет прямую систему впрыска топлива и соответствует современным экологическим нормам. Он не требователен к качеству солярки, что позволяет повысить надежность двигателя Д 245 и избавляет автовладельца от проблем с эксплуатацией авто в регионах с плохим качеством топлива.

Неисправности

В силу конструкционных особенностей этот дизельный двигатель подвержен гидроудару, поэтому следует соблюдать предельную осторожность при проезде глубоких луж.

Достаточно будет небольшого объема воды, попавшей внутрь цилиндров через воздушный фильтр, что может привести к серьезной поломке двигателя Д 245 и необходимости выполнения капитального ремонта.

НЕИСПРАВНОСТЬ	ПРИЧИНА И МЕТОД УСТРАНЕНИЯ

Двигатель не запускается.	В первую очередь необходимо проверить состояние аккумулятора, реле с предохранителями и наличие электротока в цепи.  Причиной подобной проблемы может стать также поломка системы подачи топлива.  В отдельных случаях устранить поломку не представляет сложности.  Однако при неисправностях топливной системы и проблемах с клапанами приходится вскрывать мотор и проводить капитальный ремонт силового агрегата.
Мотор запускается, однако вскоре глохнет.	Подобное характерно для засорившегося впускного клапана, и есть проблемы с герметичностью трубок подачи топлива.  Также аналогичным образом проявляются поломки наноса высокого давления, который с трудом поддается ремонту и в большинстве случаев требует замены.
Из выхлопной трубы выходит сизый дым, а мотор потерял свою мощность.	Подобное характерно для проблем с топливным фильтром, поломке топливной рейки или же нарушении диафрагмы.  Ремонт в данном случае заключается во вскрытии двигателя Д 245 с глубокой диагностикой и заменой вышедших из строя элементов.

Тюнинг

Дизельный четырехцилиндровый мотор Д 245 имеет существенный запас моторесурса, что позволяло, практически без его ущерба, увеличивать показатель мощности.

1. Так, многие автовладельцы производили замену штатной турбины на наддув большего давления, что позволяло сразу же поднять мощность мотора до отметки в 150-160 лошадиных сил. При установке турбины не требовалось проводить дополнительную замену шатунной группы. Отметим, что данную работу должен выполнять исключительно опытный инженер.
2. Установка модернизированного варианта выхлопной системы позволяла получить дополнительно около 20-25 лошадиных сил. Подобный вариант тюнинга отличался простотой и мог быть выполнен автовладельцем самостоятельно. Необходимо лишь учитывать тот факт, что в зависимости от конкретной разновидности используемой выхлопной системы могли ухудшаться показатели соответствия экологическим нормам этого мотора.
3. Многие автовладельцы решаются на глубокий тюнинг серии Д 245, который подразумевает замену коленвала, клапанов, форсунок и топливного насоса. Данная работа производится также с заменой штатной турбины на наддув большего давления. В итоге при такой комплексной работе возможно увеличение мощности двигателя до отметки в 200 лошадиных сил. При этом эксплуатационный ресурс такого форсированного дизельного двигателя может составлять 200 тысяч километров пробега и более.

Двигатель Д 245-Описание и технические характеристики. Основные проблемы

Минский моторный завод, предприятие, которое прославилось благодаря выпуску современных дизельных силовых установок. Завод известен как в пределах Белоруссии, так и в странах СНГ. По количеству выпускаемых моторов для тракторов и комбайнов производитель занимает лидирующие позиции.

За время работы, популярной и распространённой продукцией завода стала силовая установка Д-240, которая по объёмам выпуска опередила остальные агрегаты. Мотор устанавливался на тракторную технику, среди которой МТЗ-80 и МТЗ-82. В начале девяностых годов возросла потребность в дизельных двигателях для грузовых автомобилей. Мощность, которую развивал Д-240, не хватало, и на основе установки разработан агрегат с увеличенной динамикой и улучшенными показателями, название модели двигатель Д 245.

Трактор МТЗ-80: первое транспортное средство с установкой Д-240

Краткая информация о силовой установке

В шестьдесят третьем году прошлого века в Минске основан завод по выпуску моторов. Изначально предприятие базировалось на производственных мощностях завода тракторной техники (МТЗ). Предполагалось, что моторы будут использоваться исключительно для нужд сельского хозяйства. Со временем, ориентиры поменялись, появилась острая потребность в двигателях для автомобильной техники.

Силовая установка Д 245:

Восемьдесят четвёртый год ознаменовался выпуском первого дизеля под аббревиатурой Д-245. Вариации мотора ставятся на тракторную технику: двигатель Д 245 2S2, Д-245S2, Д-245.5S2, и другие. В девяносто втором году разработан и запущен мотор с обозначением Д-245.1. Агрегат доработали и поставили на транспорт: ГАЗ-3309, ГАЗ-3308, ГАЗ-33081.

ГАЗ 3309 с силовой установкой Д 245:

Базовый двигатель выполнен в виде рядного агрегата, укомплектован четырьмя вертикальными цилиндрами. Если сравнивать двигатель Д 240 и Д 245 отличия касались устройства вала, который фиксировался на пяти опорах, вместо трёх, как это было выполнено у предшественника. Впрыск топлива имел иной характер, за счет установки насоса для топлива с другими настройками. Объём дизеля остался неизменным, 4,75 литра, но параметры агрегата улучшились. Так, топливная экономичность не мешала выдавать 163 лошадиных силы и импульс 595 Нм. Габаритные размеры установки: длина 1000 мм, ширина 702 мм, высота 1080 мм, вес мотора без учёта масла и охлаждающей жидкости 560 кг.

Двигатель пользовался популярностью: аппарат прост и надёжен, технически совершенен, мотор выпускается, по сей день. Сегодня на предприятии мотор изготовляют в семи вариантах. Последняя модель выпущена в 2016 году. Модификация носит аббревиатуру Д-245.35Е5. Агрегат соответствует требованиям заказчика и соответствует экологическим нормам Евро-5.

Силовая установка Д-345.35Е5 (соответствует стандарту «Евро5»):

Модификации силовой установки

За время существования двигателя было выпущено свыше десяти модификаций агрегата. На наименование и классификацию модели влияет тип автомобиля и навесного оборудования, установленного на дизель. Моторы укомплектовываются радиатором для промежуточного охлаждения воздуха, турбинными компрессорами и другим оборудованием на усмотрение клиента.

Модификации силовой установки:

Установка	Газообмен, тип	Мощность ном, (л.с.)	Вращение мин-1	Импульс Нм	Вес, кг
Д-245.1	Т	79	2200	381	456
Д-245.3	ТВ	90	2200	431	456
Д-245.6	ТВ	90	2400	424	430
Д-245.7	ТВ	90	2400	424	430
Д-245.8	ТВ	100	2400	460	430
Д-245.9	ТВ	100	2400	460	430
Д-245.10	Т	79	2400	350	500
Д-245.11	Т	79	2400	350	500
Д-245.12с	Т	80	2400	340	500

• Т – турбинный наддув;
• ТВ – турбинный наддув и промежуточное охлаждение надувочного воздуха.

Каждая силовая установка укомплектована табличкой, с выбитым номером. Табличка расположена на блоке цилиндров и содержит информацию:

• О производителе, эмблема;
• Модель силовой установки;
• Порядковый номер;
• Надпись «Made in Belarus»;

Порядковый номер на табличке в обязательном порядке совпадает с порядковым номером, выбитом на блоке.

Информационная табличка силовой установки Д 245:

Технические характеристики двигателя Д 245

Простота и надёжность, вот преимущество и залог популярности мотора. Благодаря этим параметрам, агрегат на шаг впереди конкурентов. Помимо прочего, технические характеристики двигателя Д 245 удовлетворяют потребности пользователей.

Базовый агрегат:

Данные	Расшифровка
Тип силовой установки	Четырёхтактный
Смесь топлива и воздуха	Введение горючего в камеру сгорания
Цилиндры, итого (шт.)	«4»
Положение цилиндров	вертикально, ряд
Объём агрегата (л.)	4,75
Очерёдность хода	«1» + «3» + «4» + «2»
Кручение кривошипного вала	совпадает со стрелкой часов
Цилиндр Ø (мм.)	110
Поршень, ход (мм.)	125
Отношение полного объёма к объёму камеры сгорания	15,1
Мощность (л.с.)	122
Импульс (Нм.)	460
Вес дизеля (кг.)	560
Размер: Д-Ш-В (мм.)	990+680+1260
Ресурс (км.)	500000
Смазка	Система смазки двигателя д 245 (нагнетание + пары масла)
Моторное масло, объём (л.)	10,8
Масло	5W40, 15W40
Охлаждение	Жидкостью, замкнуто, вентиляция
Объём антифриза (л.)	17

Блок цилиндров силовой установки Д-245:

Изначально силовая установка Д-245 соответствовала классу «Евро-0», после ужесточения требований, агрегат удалось поднять до уровня:

• двигатель Д 245 евро 1 с 1998 года;
• двигатель Д 245 евро 2 с 2005 года;
• двигатель Д 245 евро 3 с 2008 года;
• двигатель Д 245 евро 5 с 2016 года.

Двигатель Д-245, соответствующие стандартам «Евро 2» и «Евро 3» имели в аббревиатуре обозначение Е2 и Е3 соответственно. Такие силовые установки стоят на автомобилях ГАЗ-33104 («Валдай»), ГАЗ-331041, ГАЗ-331042, ГАЗ-331043 (Д-245.7Е3, Д-245.7Е2).

Другая модификация, например, силовая установка Д-245.12С предназначалась для использования на грузовых автомобилях. Параметры этого мотора в сравнении с базой, отличаются по мощности, 80 лошадиных сил и, габаритам.

Модель с аббревиатурой Д-245.9 устанавливают на технику, для перевозки пассажиров и груза. Грузовой и пассажирский автотранспорт ЗИЛ-130, ЗИЛ-5301 «Бычок», ПАЗ-4320 «Аврора», МАЗ-4370 «Зубрёнок» использовал агрегат под капотом. В сравнении с базой, силовая установка отличается распределительным валом на пяти опорах, поршнями, которые конструктивно снабжены тремя канавками, топливным насосом с увеличенной интенсивностью впрыска. Так же установка оснащена охладителем воздуха, с целью увеличить плотность и массу.

Для переоборудования автомобилей ЗИЛ-131 с бензинового двигателя на дизельный мотор, предусмотрена силовая установка Д-245.12С-231. В комплектации агрегата предусмотрен стартер на 12В. Конструктивные отличия в сравнении с базой как у предыдущей модели.

Автомобиль ЗИЛ-5301 «Бычок»:

Компоненты двигателя

Базовая силовая установка, это мотор, работающий на тяжёлом топливе, цилиндры расположены в ряд и совершают работу за четыре такта.

Компоненты силовой установки:

Структура			Расшифровка
Станина			Объединение цилиндров
Конструкции	Распределение газов		Головка, клапаны и толкатели
			Крышка головки, коллектор
			Механизм распределения
	Кривошипы и шатуны		Поршни, шатуны, вал, маховик
Структура	Снижения трения		Клапан отвода газов
			Нижняя часть двигателя
			Помпа и приёмник
			Фильтрующий элемент и регенератор тепла
			Маслопроводы турбокомпрессора
	Подачи топлива		Топливные трубопроводы и аппаратура
			Фильтрующий элемент (тонкий)
			Фильтрующий элемент (грубый)
			Очиститель воздуха и подводящий тракт
	Отвода тепла		Помпа
			Терморегулятор
			Механизм обдува
			Теплообменник жидкость, масло
Устройства	Повышения давления воздуха		Турбинный компрессор
	Запуска		Электрическое устройство пуска, дополнительный двигатель с редуктором
			Электрический элемент накаливания
	Приводы	Электрооборудования	Генератор
		Агрегатов	Нагнетатель
			Шестерённый насос
			Муфта сцепления

Коромысло клапана силовая установка Д-245:

Неисправности двигателя Д 245

Двигатель за время эксплуатации постоянно улучшался и подвергался доработке. Однако, у техники, присутствуют слабые места.

К часто возникающим проблемам относятся:

Причина	Устранение
1. Силовая установка не заводится
Воздушные пробки в элементах подвода горючего.	Устранение воздушных масс возможно посредством прокачки топлива. Операция выполняется ручной помпой.
Топливная помпа не выполняет функции.	Демонтировать и отремонтировать помпу.
Топливные фильтры засорены	Промыть или заменить фильтры
2. Агрегат не набирает необходимую мощность.
Привод топливной помпы открывается не до конца.	Отрегулировать приводы, управляющие рычагом.
Тонкий фильтрующий элемент забит грязью.	Демонтировать и поменять фильтр.
Не работают инжекторы мотора.	Диагностика распылителей, чистка, регулировка.
Сбился угол, отвечающий за подачу смеси.	Регулировка угла опережения.
Засорён очиститель воздуха.	Проверьте и почистите очиститель.
Не исправлена топливная помпа.	Демонтировать помпу, починить.
Снижено давление наддува.	Демонтируйте турбинный компрессор, отремонтируйте.
Нарушение уплотнения механизма, охлаждающего надувочный воздух.	Диагностировать и устранить утечку.
3. Дым при эксплуатации силового агрегата.
Чёрный чад
Засорён очиститель воздуха.	Диагностика и очистка.
Игла в сопле распылителя залипла.	Диагностика и определение не работающего устройства, чистка.
Топливная помпа не исправна.	Демонтировать и устранить неполадки в помпе.
Белый дым
Агрегат холодный.	Прогрейте мотор до рабочей температуры.
Попадание жидкости в горючее.	Слить старый дизель, заменить новым.
Сбился угол, отвечающий за подачу смеси.	Регулировка угла опережения.
Чад синего цвета.
Смазка в рабочей камере агрегата, не достаточная компрессия, износ колец и поршней.	Проведите диагностику, отремонтируйте установку.
Количество смазки в картере превышает требуемый уровень.	Отлить излишки смазки.
4. Работа силовой установки сопровождается избыточной температурой.
Недостаток в антифризе.	Приведите количество жидкости в норму.
Грязь и пыль на теплообменнике.	Проведите очистку радиатора.
Не полное открытие клапана регулировки температуры.	Демонтировать и поменять клапан.
Ремень привода вентилятора провис.	Обеспечить нужное натяжение ремня.
Шкивы и ремень привода в масле.	Демонтировать ремни, очистить.
5. Циркуляция масла на прогретом агрегате происходит с напором, не соответствующем норме.
Датчик или указатель не работают.	Поменять датчик и указатель, предварительно убедившись в неисправности.
Нарушена герметичность патрубков смазки.	Диагностика и устранение утечки.
Не исправлена помпа масла.	Почините помпу, или замените.
Не достаточное количество смазки в картере.	Доведите количество смазки до требуемого уровня.
Заедает перепускной клапан фильтра смазки.	Чистка и устранение дефекта.
6. Силовая установка идёт в «разнос».
Перевести зажигание агрегата в положение «Выключено». Перекрыть горючее и воздух до момента, пока установка не заглохнет. Провести диагностику, отремонтировать мотор.

Двигатель Д 245: характеристики, неисправности и тюнинг

Минский моторный завод специализируется на изготовлении силовых агрегатов для тяжелых грузовых автомобилей. Двигатели ММЗ зарекомендовали себя как надежные, экономичные и простые в эксплуатации силовые агрегаты, которые устанавливались на грузовики и автомобили повышенной проходимости. Двигатель Д 245 оснащен газотурбинным наддувом, что позволяет обеспечить максимальную тягу в широком диапазоне оборотов силового агрегата.

Технические характеристики

Технические характеристики мотора Д 245:

Скачать .xls-файл

Скачать картинку

Отправить на email

mail

ПАРАМЕТРЫ	ЗНАЧЕНИЕ
Вес двигателя, кг	455
Материал блока цилиндров	чугун
Система питания	непосредственный впрыск топлива
Тип	рядный
Рабочий объем	4.75
Мощность	122 лошадиные силы при 2400 оборотах
Количество цилиндров	4
Количество клапанов на цилиндр	2
Ход поршня, мм	125
Диаметр цилиндра, мм	110
Степень сжатия	42386
Крутящий момент, Нм/об.мин	420/1400
Экологические нормы	ЕВРО 3
Топливо	дизель
Расход топлива	17 л/100 км в смешанном цикле
Масло	SAE 10W-40 и выше
Сколько масла в двигателе	10.7
При замене лить	10 литра
Замена масла проводится, км	25 тысяч
Ресурс двигателя, тыс. км — на практике	500+

Двигатель устанавливается на ГАЗ-3309, ГАЗ-33086, ГАЗ-33081, автобусы ПАЗ, среднетоннажные грузовики ЗИЛ и МАЗ.

История развития

Изначально двигатель серии Д 245 выполнялся в модификации 7Е2, которая имела увеличенные размеры и массу порядка 700 килограмм.

Этот силовой агрегат был фактически модернизированной версией устаревшей 240 серии. Он соответствовал экологической норме Евро 2 и в середине девяностых годов был полностью снят с производства.

В середине девяностых годов мотор Д 245 претерпел существенные изменения. Была полностью изменена система питания, появились прямые форсунки, а сам мотор стал соответствовать экологическим нормам Евро 3.

Этот силовой агрегат отличается простотой устройства и отличной надежностью. Существенно снизилась масса двигателя, которая составляла 455 килограмм.

Описание

Рабочий объем этого силового агрегата составляет 4,75 литра, что позволяет развивать мощность в 105 лошадиных сил.

Этот рядный четырехцилиндровый мотор отличается простотой конструкции, великолепными техническими характеристиками и отличной надежностью.

Капитальный и текущий ремонт не представляет сложности, а сервисное обслуживание было максимально упрощено.

На первый взгляд, показатели мощности недостаточны для двигателей такого объема, однако в действительности этот двигатель ММЗ обеспечивает отличную тягу даже тяжелым модификациям ЗИЛов и различным грузовым автомобилям. Еще одним несомненным преимуществом этого мотора является его великолепная топливная экономичность.

• Использование усиленных силовых элементов и проверенная временем достаточно простая конструкция этого силового агрегата позволили существенным образом повысить моторесурс. Добиться подобного удалось за счет использования усиленной шатунно-поршневой группы и прочного блока цилиндров. Сам мотор выполнен из чугуна и имеет повышенную устойчивость к тепловой нагрузке.
• Использование газотурбинного наддува позволило улучшить тяговые показатели силового агрегата. При этом значительно улучшились тяговые показатели на низких оборотах, поэтому двигатель Д 245 тянет уже с самых низов, обеспечивая уверенный разгон даже тяжелым грузовым автомобилям.
• Газотурбинный наддув отличается простотой устройства, что положительно сказалось на показателях надежности двигателя. Турбина с легкостью поддается ремонту, а при выполнении капитальных работ с двигателем ее замена не представляет особой сложности.
• Мотор был максимально упрощен, что позволило повысить надежность силового агрегата. Каждые 20-25 тысяч километров необходимо производить смену масла и регулировать зазор клапанов, который может нарушаться во время эксплуатации двигателя. Данные работы не представляют сложности и могут быть выполнены силами самих автовладельцев.
• Дизельный двигатель серии Д 245 имеет прямую систему впрыска топлива и соответствует современным экологическим нормам. Он не требователен к качеству солярки, что позволяет повысить надежность двигателя Д 245 и избавляет автовладельца от проблем с эксплуатацией авто в регионах с плохим качеством топлива.

Неисправности

В силу конструкционных особенностей этот дизельный двигатель подвержен гидроудару, поэтому следует соблюдать предельную осторожность при проезде глубоких луж.

Достаточно будет небольшого объема воды, попавшей внутрь цилиндров через воздушный фильтр, что может привести к серьезной поломке двигателя Д 245 и необходимости выполнения капитального ремонта.

НЕИСПРАВНОСТЬ	ПРИЧИНА И МЕТОД УСТРАНЕНИЯ
Двигатель не запускается.	В первую очередь необходимо проверить состояние аккумулятора, реле с предохранителями и наличие электротока в цепи. Причиной подобной проблемы может стать также поломка системы подачи топлива. В отдельных случаях устранить поломку не представляет сложности. Однако при неисправностях топливной системы и проблемах с клапанами приходится вскрывать мотор и проводить капитальный ремонт силового агрегата.
Мотор запускается, однако вскоре глохнет.	Подобное характерно для засорившегося впускного клапана, и есть проблемы с герметичностью трубок подачи топлива. Также аналогичным образом проявляются поломки наноса высокого давления, который с трудом поддается ремонту и в большинстве случаев требует замены.
Из выхлопной трубы выходит сизый дым, а мотор потерял свою мощность.	Подобное характерно для проблем с топливным фильтром, поломке топливной рейки или же нарушении диафрагмы. Ремонт в данном случае заключается во вскрытии двигателя Д 245 с глубокой диагностикой и заменой вышедших из строя элементов.

Тюнинг

Дизельный четырехцилиндровый мотор Д 245 имеет существенный запас моторесурса, что позволяло, практически без его ущерба, увеличивать показатель мощности.

1. Так, многие автовладельцы производили замену штатной турбины на наддув большего давления, что позволяло сразу же поднять мощность мотора до отметки в 150-160 лошадиных сил. При установке турбины не требовалось проводить дополнительную замену шатунной группы. Отметим, что данную работу должен выполнять исключительно опытный инженер.
2. Установка модернизированного варианта выхлопной системы позволяла получить дополнительно около 20-25 лошадиных сил. Подобный вариант тюнинга отличался простотой и мог быть выполнен автовладельцем самостоятельно. Необходимо лишь учитывать тот факт, что в зависимости от конкретной разновидности используемой выхлопной системы могли ухудшаться показатели соответствия экологическим нормам этого мотора.
3. Многие автовладельцы решаются на глубокий тюнинг серии Д 245, который подразумевает замену коленвала, клапанов, форсунок и топливного насоса. Данная работа производится также с заменой штатной турбины на наддув большего давления. В итоге при такой комплексной работе возможно увеличение мощности двигателя до отметки в 200 лошадиных сил. При этом эксплуатационный ресурс такого форсированного дизельного двигателя может составлять 200 тысяч километров пробега и более.

Двигатели ММЗ стандарта Евро-5 – Рейс.РФ

Минский моторный завод, освоив выпуск дизелей уровня Евро-4, взялся за доведение своих двигателей до норм Евро-5

Все российские производители дизельных двигателей готовятся к введению в России перспективных для нас норм ­Евро-5 – работают над доводкой своих моторов. Проще всего Ярославскому моторному заводу с его рядными дизелями, в которых изначально был заложен потенциал перехода с Евро-3 на Евро-4, и потом, при желании – на Евро-5. Напомним, в основе ЯМЗ-650 лежит лицензионный Renault dCi11, а семейство ЯМЗ-530 разработано ярославскими инженерами при активном участии австрийской инжиниринговой компании AVL List GMBH. Камский автозавод отлаживает моторы V8 нового семейства КАМАЗ-750, у которого одно из наиболее «видных» отличий от нынешних КАМАЗ-740 Евро-4 с Common Rail – единые чугунные головки для каждого ряда цилиндров. Кроме того, в создании современных рядных «шестерок» объемом 12-13 литров «КАМАЗу» помогает его новый партнер – швейцарская компания Liebherr-International AG, с которой в апреле 2014 года заключен договор на разработку новых дизельных и газовых двигателей, а также на закупку, монтаж и пуск в эксплуатацию производственного оборудования для их выпуска. Понятно, что не будет проблем с переходом с ­Евро-4 на Евро-5 и у моторного завода «Камминс КАМА» из Набережных Челнов. На этом фоне просто долгожитель на всем постсоветском пространстве, если не сказать, один из самых древних дизелей – рядная «четверка» Минского моторного завода. Но и ее тоже готовят к новым нормам.
Помнится, лет 12 назад, при массовом переходе в России с «нуля» на Евро-2, многие перевозчики, да и автомобильные журналисты тоже, говорили, что отечественные дизели невозможно адаптировать под нормы Евро-3. Основополагающим был тезис: «в Европе под эти нормы разрабатывают совершенно новые моторы». Однако уже ближайшее время показало, что это не так. К примеру, немцы из MAN не только создали абсолютно новый мотор D20, но и параллельно довели до Евро-4 «ветерана» D2866. Схожая ситуация была и у других европейских производителей. Причем наиболее болезненным и затратным оказался именно переход с Евро-3 на ­Евро-4 – тогда практически все компании начали внедрять электронноуправляемые топливные системы, в частности, Common Rail. По пути аналогичной модернизации пошли и отечественные производители дизелей. Двигатели ММЗ Д-245 любого экологического уровня – сравнительно недорогие, понятной нашим перевозчикам конструкции и потому элементарно простые в ремонте, с налаженными поставками запчастей. Многие российские транспортники отдают предпочтение моторам ММЗ именно по этим причинам. Они готовы поступиться несколько меньшей, чем на дизелях-иномарках, мощностью и увеличенной массой. Конечно, ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр эффективнее, чем с двумя, но хорошо настроенная турбина выравнивает эту разницу. Естественно, дизель с двумя верхними распредвалами, с регулировкой фаз газораспределения, моторным компрессионным тормозом тоже лучше, чем двигатель с распредвалом в блоке и обычными штангами, но на оборотах чуть выше 2000 – для недорогого грузовика это вроде и не столь существенно.
Но в Минске отлично понимают, что нужен новый мотор, и он есть – ММЗ Д-249. С прежним семейством его роднит только размерность 110х125. Он легче и компактнее старины Д-245, мощность – 190 л. с., момент – 670 Н.м., но его никак не запустят в производство: сначала планировали в 2010-м, потом – в 2012 году. Наверное, не стоит говорить о причинах, все и так понятно.
Двигатели ММЗ Д-245 применяют на среднетоннажных МАЗ-4370 и МАЗ-4371 «Корнет». Ставили на различные модели ЗИЛов, автобусы ПАЗ. На классический «газон» ГАЗ-3309, на вездеход ГАЗ-3308 Д-245 встал вообще хорошо, и перевозчиков этот мотор во многом устраивает. Есть и явно неудачный пример адаптации минской «четверки» – на горьковский «Валдай» ГАЗ-3310, но там было мало места под капотом. Между тем современные моторы ММЗ, их автомобильные версии, становятся еще надежнее, экономичнее и мощнее. Специалисты ММЗ говорят, что сейчас в Нижнем Новгороде как дополнение к дизелю ЯМЗ-534 минский мотор адаптируют на новый «ГАЗон-Next» – тот, что с кабиной от «ГАЗели-Next», но «ГАЗ» этого пока не подтверждает .

Проверенные технологии

Для модернизации до уровня Евро-5 в первую очередь готовят наиболее массовые минские двигатели – четырехцилиндровые Д-245, но скорее всего затем доведут и «шестерки».
Еще в 2009 году в заводских лабораториях ММЗ начинали доводку своих двигателей до Евро-4. При этом использовали оборудование, закупленное у австрийской инжиниринговой фирмы AVL. На основе этих исследований применили технологию EGR – с рециркуляцией отработавших газов. Причем для охлаждения отработавших газов применен жидкостный теплообменник, и уменьшена доза ОГ, подмешиваемых к свежему воздушному заряду. Из-за этого в дополнение к такой версии EGR на автомобиль необходима установка еще и сажевого фильтра. В серийное производство двигатели Евро-4 запустили в декабре 2012 года.
При создании моторов Евро-4 за основу были взяты дизели ­Евро-3 с Common Rail. Но применили «общую магистраль» нового поколения, тоже производства Bosch, с увеличенным до 1600 бар давлением впрыска. Увеличение давления приводит к улучшению распыла топлива и снижению выброса с отработавшими газами твердых частиц, то есть сажи. С августа 2013 года двигатели Д-245.7Е4, поставляемые для грузовых автомобилей ГАЗ, комплектуются топливным насосом высокого давления Bosch модели СВ28 вместо насоса Bosch СР3.3. Это позволило убрать переходной редуктор, повышающий обороты насоса. Кроме того, внедрен электронный блок управлении нового поколения, он тоже производства Bosch. Для достижения уровня ­Евро-5 давление впрыска увеличили до 1800 бар, хотя ТНВД остался тот же, что и у двигателей Евро-4, – Bosch CB 28. На моторах уровня Евро-4, для оптимизации процесса сгорания, используются топливные форсунки Common Rail с другими распылителями – с измененными углами отверстий. На моторах Евро-5 будут установлены другие форсунки – Bosch CRIN 3. Кроме того, поменяют и блок управления Bosch EDC 17, смонтируют новую рампу Bosch HFRN18. Внедрена система бортовой диагностики (EOBD), контролирующая компоненты двигателя, которые отвечают за обеспечение норм токсичности Евро-4 (рециркуляция ОГ, сажевый фильтр, инжекторы, датчики частоты вращения, датчик давления и температуры воздуха, температурный датчик до смешивания с РОГ, дифференциальный датчик давления). В случае появления сбоя компонента, отвечающего за обеспечение норм токсичности ­Евро-4, на панели приборов загорается индикатор – лампа MIL. Код сбоя можно прочитать диагностическим тестером.
Еще при переходе на Евро-4 потребовалось изменить многие детали и узлы двигателя. На Д-245.7Е4 и Д-245.9Е4 для повышения надежности работы датчика давления масла в блоке цилиндров изменили место его установки. На впускном коллекторе введена бобышка для подвода отработавших газов после охладителя и изменено положение датчика наддувочного воздуха. В механизме газораспределения применены клапанные пружины увеличенной жесткости, распределительный вал с измененным профилем кулачков, т. е. с новыми фазами газораспределения, шестерни ГРМ – с измененным углом наклона зубьев, что привело к уменьшению шума при работе двигателя. Внедрен поршень новой конструкции с оптимизированной камерой сгорания, измененными канавками под новое второе компрессионное, а также под новое маслосъемное кольцо. Второе компрессионное кольцо теперь выполнено в виде односторонней трапеции, что в эксплуатации двигателя препятствует вероятному залеганию. Маслосъемное кольцо уменьшенной высоты позволяет снизить расход масла на угар. Все эти изменения востребованы и на двигателях Евро-5.
Еще более глубоко модернизирован 177-сильный двигатель Д-245.35Е4, который должен стать флагманским мотором среди «четверок» ММЗ. Этот дизель, в первую очередь, предназначен для автомобилей и автобусов МАЗ, хотя, видимо, впоследствии его станут применять и другие автопроизводители.
Наряду с теми же доработками, что и у двигателей Д-245.7Е4/Д-245.9Е4 и их версий Евро-5, у Д-245.35 дополнительно изменен коленчатый вал. На Д-245.35Е4 у стального коленвала для усиления прочности и жесткости увеличены коренные и шатунные шейки. Если раньше номинальный диаметр коренных шеек был 75,25 мм, то теперь – 85,25 мм, у шатунных шеек 73,0 мм вместо 68,25 мм. То есть коренные увеличены на 10 мм, а шатунные – меньше чем на 5 миллиметров, тем самым увеличилось перекрытие шеек – на стыке шатунных и коренных шеек стало больше металла. Вал явно будет прочнее. С увеличением диаметра уменьшается и нагрузка на вкладыши, а кроме того, теперь они могут быть не только стале-алюминевыми, но и более долговечными для дизеля – с антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы. Раньше коленвал с увеличенными шейками успешно применялся на рядной минской «шестерке» Д-260 объемом 7,12 литра – размеры взяли с нее. Под новый коленвал пришлось менять и отливку блока цилиндров – в нем увеличен диаметр коренных опор. Изменена конструкция шатуна – увеличен диаметр нижней головки. На этот мотор устанавливают импортные гильзы цилиндров производства чешской фирмы «Ичин», расположенной в одноименном городе. Металлическая прокладка головки блока цилиндров – тоже чешская, фирмы «Темак». У чехов хорошее качество комплектующих, но при этом вполне демократичные цены – ММЗ давно сотрудничает с чешскими предприятиями. Кроме того, применена закрытая система вентиляции картера двигателя английской фирмы Parker с инерционной системой очистки картерных газов. Это уменьшит вероятность потения маслом на разъемах мотора.
Для оптимизации работы системы смазки и системы охлаждения, для увеличения производительности масляного и водяного насосов изменена их конструкция. В системе охлаждения применен вентилятор с вязкостной муфтой модели S710 известнейшей фирмы Borg Warner. Вентилятор увеличенного размера – диаметром 600 мм, раньше «пропеллер» был диаметром 470 миллиметров. Вместо применяемого ранее шестеренного насоса гидроусилителя руля теперь устанавливается насос ГУР лопастного типа. С учетом возможной работы автомобиля в составе автопоезда установлен пневмокомпрессор повышенной производительности производства российской компании «Кнорр-Бремзе РУС» из Нижнего Новгорода.
В зависимости от мощности моторов и требований автозаводов к ним, для достижения норм Евро-5, применяются две хорошо известные по моторам иномарок технологии. Для двигателей Д-245.7Е5 (130 л. с.) и Д-245.9Е5 (136 л. с.) применяется система рециркуляции отработавших газов (EGR) в сочетании с обязательным использованием сажевого фильтра. Дизель Д-245.35Е5 (177 л. с.) оснащается системой SCR – селективного каталитического восстановления, с впрыском водного раствора мочевины AdBlue в глушитель, оснащенный нейтрализатором. Наверное, с таким подходом в Минске одолеют и Евро-6 для Д-245, но тогда вся экологическая навеска будет стоить значительно дороже самого двигателя.

Информация

• Характеристики «четверки» ММЗ Д-245.35 в исполнении Евро-4 и ­Евро-5 сопоставимы с атмосферным V-6 ЯМЗ-236. Мощность составляет 177 л. с. при 2300 об/мин, крутящий момент – 650 Н.м Поэтому на МАЗ-4370 с этим мотором уже ставят не привычную «зиловскую пятиступку» производства смоленского завода СААЗ, а китайскую коробку Fast Gear 6J70T, лицензионную Eaton. Она шестиступенчатая, с диапазоном чисел от 7,31 до 0,84, рассчитана на 700 Н.м.
• Минский моторный завод является одним из ведущих в СНГ разработчиков и производителей современных дизельных двигателей различного назначения. Завод выпускает трех-, четырех- и шестицилиндровые двигатели, а также восьмицилиндровые V8 в кооперации с Тутаевским моторным заводом. Диапазон мощности автомобильных моторов – от 110 до 460 л. с., двигателей для внедорожной техники – от 35 до 300 л. с., двигателей промышленного назначения – от 35 до 510 л. с. В 2013 году было изготовлено и отгружено потребителям свыше 90 тыс. двигателей более чем 40 моделей и модификаций. Автомобильные двигатели сертифицированы по нормам Евро-2, Евро-3 и Евро-4, для внедорожной техники – Stage 3A, Stage 3B и Stage 4. Для выполнения все более ужесточающихся экологических требований, повышения надежности и экономичности на ММЗ постоянно происходит изменение конструкции выпускаемых двигателей и модернизация производства.
• Е динственный неустраняемый недостаток двигателей Д-245 – верхний предел мощности, снимаемый с его 4,75 литра, который составляет около 170 лошадиных сил, а момент – 550-650 Н.м. До уровня многих двигателей иностранных производителей «минчанин» не дотягивает 30-40 сил при сопоставимой массе. Это связано с двухклапанной схемой газораспределительного механизма. Улучшить наполнение цилиндров может только мощный турбокомпрессор, но крайне желательно его дополнить еще головкой блока с четырьмя клапанами на цилиндр.
• Минские дизели Д-245 еще на уровне Евро-1 и Евро-2 пришлось довольно серьезно адаптировать для установки на автомобили. К примеру, модернизировали блоки цилиндров под различную навеску, кроме того, у тракторных моторов три опоры распредвала в блоке, а у автомобильной версии с наддувом – пять. Разные и сами распредвалы – другие фазы газораспределения, а также головки блока: для ГАЗ и ПАЗ в каждом впускном канале нарезают резьбу под индивидуальную для каждого цилиндра свечу накаливания, а для ЗиЛа – одна свеча. Разные поддоны картера: у тракторного стальной, у автомобильного – более тихий, алюминиевый, который еще и придает дополнительную жесткость блоку. У моторов разные комплектующие. На тракторные идут поршни, изготовленные в Минске, а на автомобили – более прочные, лучшей геометрии и с антифрикционным полимерным покрытием Molydag. Это или чешские поршни фирмы Almet, или костромские «Мотордеталь». Изменена система фильтрации масла: центрифуга осталась только на тракторных двигателях – взамен ей устанавливают полнопоточный картонный фильтр, по конструкции сходный с «жигулевским». На автомобильных двигателях устанавливают еще и водомасляные теплообменники. На тракторные двигатели ставят ТНВД ногинского завода, а на автомобильные Евро-2 – ярославские. При переводе Д-245 на уровень Евро-3 белорусские инженеры совместно со специалистами Bosch адаптировали к мотору систему Common Rail. Насос высокого давления установили на старое место, но через повышающий редуктор. Конструкция оказалась удачнее и надежней, чем с ярославским ТНВД, оснащенным электронными регуляторами. Моторы с Common Rail работают тише и мягче – нет гремящего ТНВД, и в камеру сгорания впрыскивается не одна большая порция топлива, а три – разного объема. Нарастание фронта пламени и давления происходит ровнее, что сказывается не только на экономичности и уменьшении токсичности, но и на шуме.Минские дизели Д-245 еще на уровне Евро-1 и Евро-2 пришлось довольно серьезно адаптировать для установки на автомобили. К примеру, модернизировали блоки цилиндров под различную навеску, кроме того, у тракторных моторов три опоры распредвала в блоке, а у автомобильной версии с наддувом – пять. Разные и сами распредвалы – другие фазы газораспределения, а также головки блока: для ГАЗ и ПАЗ в каждом впускном канале нарезают резьбу под индивидуальную для каждого цилиндра свечу накаливания, а для ЗиЛа – одна свеча. Разные поддоны картера: у тракторного стальной, у автомобильного – более тихий, алюминиевый, который еще и придает дополнительную жесткость блоку. У моторов разные комплектующие. На тракторные идут поршни, изготовленные в Минске, а на автомобили – более прочные, лучшей геометрии и с антифрикционным полимерным покрытием Molydag. Это или чешские поршни фирмы Almet, или костромские «Мотордеталь». Изменена система фильтрации масла: центрифуга осталась только на тракторных двигателях – взамен ей устанавливают полнопоточный картонный фильтр, по конструкции сходный с «жигулевским». На автомобильных двигателях устанавливают еще и водомасляные теплообменники. На тракторные двигатели ставят ТНВД ногинского завода, а на автомобильные Евро-2 – ярославские. При переводе Д-245 на уровень Евро-3 белорусские инженеры совместно со специалистами Bosch адаптировали к мотору систему Common Rail. Насос высокого давления установили на старое место, но через повышающий редуктор. Конструкция оказалась удачнее и надежней, чем с ярославским ТНВД, оснащенным электронными регуляторами. Моторы с Common Rail работают тише и мягче – нет гремящего ТНВД, и в камеру сгорания впрыскивается не одна большая порция топлива, а три – разного объема. Нарастание фронта пламени и давления происходит ровнее, что сказывается не только на экономичности и уменьшении токсичности, но и на шуме.

Аналитическое исследование смещения грунта, вызванного туннелированием с двойным экраном в полубесконечной вязкоупругой земле

Необходимы эффективные меры для строгого контроля смещения грунта, вызываемого в процессе земляных работ по строительству щита для туннелей городского метро. При расчете смещения грунта, вызванного нагрузкой или разгрузкой, многие предыдущие аналитические исследования предполагали, что грунт является линейно упругим телом, и игнорировали вязкость грунта. В этом исследовании вязкоупругая модель Больцмана и базовое решение Миндлина были объединены для рассмотрения эффектов дополнительных опорных давлений, трения защитной оболочки, давления цементного раствора и потерь грунта, а также трехмерного вязкоупругого решения для смещения грунта, вызванного путем проходки щита был выведен.По результатам расчета примера, аналитическое решение позволило учесть асинхронное строительство левого и правого туннелей и взаимное влияние туннеля с двойным экраном. Рациональность подхода, предложенного в данном исследовании, была проверена путем сравнения теоретического решения с измеренными значениями осадки. Кроме того, влияние различий в вязкоупругих параметрах (коэффициент вязкости, модуль сдвига упругого элемента и модуль сдвига вязкого элемента) и геометрических параметров (расстояние от поверхности выемки, расчетная глубина и расстояние между туннелями) от смещения грунта.Метод расчета в этом исследовании обеспечивает теоретическую основу для прогнозирования трехмерной деформации грунта, вызванной проходкой щита, особенно в мягких глинах.

1. Введение

Из-за постоянного ухудшения условий наземного движения многие крупные и средние города построили подземные транспортные сети, чтобы снизить нагрузку на наземное движение. Строительство туннеля — это первое, что нужно учитывать при создании системы подземного движения. В густонаселенных городских районах смещение грунта и взаимодействие грунта и конструкции, вызванные прокладкой защитных туннелей, являются проблемами, которые необходимо учитывать.Земляные работы неизбежно повлияют на поле смещения и поле напряжений почвы. Таким образом, картина смещения грунта, вызванная строительными нарушениями, всегда была в центре внимания.

С точки зрения теоретического анализа Zhang et al. [1] предложил новый аналитический метод для эффективной оценки оседания грунта, вызванного двойным туннелированием в глине, где интенсивно изучалась неравномерная структура деформации сжатия на границе отверстия туннеля.Лу и др. [2] проанализировали влияние параметров фракционного порядка и вязкого материала на модуль релаксации, и принцип соответствия и метод комплексных переменных были приняты для преобразования упругого аналитического решения в дробное вязкоупругое аналитическое решение смещения грунта. Zhang et al. [3] представили аналитическое решение в замкнутой форме для прогнозирования долгосрочных и краткосрочных деформаций грунта и внутренних сил в облицовке, вызванных проходкой туннелей в насыщенных грунтах, в котором учитываются эффекты выемки щита с давлением воздуха и без него.Jin et al. [4] предложили подход к оценке трехмерных смещений грунта, вызванных проходкой защитного туннеля, с использованием метода суперпозиции, и они также рассмотрели эффекты потерь грунта, дополнительных опорных давлений, трения защитной оболочки и вращения режущей головки во время проходки защитного ограждения. Хешам и Дипанджан [5] установили основные дифференциальные уравнения для смещений балок и грунта, используя расширенный принцип Гамильтона, и предложили новый метод динамического анализа балок Эйлера – Бернулли, покоящихся на многослойных вязкоупругих грунтах.

Что касается численного моделирования и полевых измерений, Zhang et al. [6] описали ключевые влияния рыскания земляных нагрузок на смещение грунта и сегментное напряжение для изогнутого защитного туннеля. Влияния исследуются с помощью моделей конечных элементов, надежность которых подтверждается сравнениями с полевыми данными и аналитическими решениями. Lin et al. [7] установили серию упрощенных трехмерных моделей FEM на фоне 2-й линии метро Чанша в Китае и исследовали перераспределение напряжений и эволюцию прогиба грунта, вызванную проходкой туннелей с защитным экраном баланса давления земли (EPBS).Кроме того, многие ученые [8–10] дополнительно изучили структурную реакцию, вызванную выемкой туннеля, на основе смещения грунта, вызванного выемкой туннеля, включая воздействие на соседние сваи [11–14], существующие туннели [15–19], и подземные трубопроводы [20–23].

Что касается экспериментальных исследований, Сонг и Маршалл [24] полагали, что выбор модельного туннеля влияет на переданные смещения границ туннеля и результирующие деформации грунта, а также контрастирующие результаты испытаний центрифуги с плоской деформацией из экспериментов с использованием гибкой мембраны. модельный туннель с туннелями из недавно разработанной эксцентричной жесткой граничной механической модели туннеля для количественной оценки этого эффекта.Логанатан и др. [25] изучали деформацию глиняного фундамента, вызванную выемкой туннеля, и ее влияние на прилегающий свайный фундамент, используя три испытания на центробежной модели. Лонг и Тан [26] исследовали геологические опасности и изучили связанный с ними механизм разрушения из-за утечки в туннеле, а также провели экспериментальные исследования и обширное численное моделирование с использованием проверенного метода конечных разностей и метода дискретных элементов (FDM-DEM). метод.

При расчете смещения грунта, вызванного нагрузкой или разгрузкой, в первую очередь предполагалось, что грунт представляет собой линейно упругое тело.Это не согласуется с характеристиками почвы, особенно в мягких глинах, и это предположение может даже привести к ошибочным результатам расчетов. Некоторые ученые вывели двумерное вязкоупругое решение, учитывающее влияние вязкоупругости почвы. Однако рытье туннелей представляет собой трехмерный динамический процесс, и возмущения, вызванные проходкой щита, и смещение грунта, вызванное дополнительными силами, со временем меняются. Таким образом, исследование трехмерного вязкоупругого аналитического решения проходки защитных туннелей имеет большое значение для точного понимания и прогнозирования смещения грунта и взаимодействия грунта и конструкции, вызванного строительством.

Это исследование сочетает в себе вязкоупругую модель Больцмана и базовое решение Миндлина и выводит трехмерное вязкоупругое решение смещения грунта, вызванного проходкой защитного туннеля, которое учитывает эффекты дополнительных опорных давлений, трения защитной оболочки, давления цементного раствора и потеря грунта. Затем рациональность решения проверяется с помощью примеров расчетов и измерений на месте. Кроме того, обсуждается влияние различия вязкоупругих параметров и геометрических параметров на смещение грунта.Метод расчета, предложенный в этом исследовании, обеспечивает теоретическую основу для прогнозирования трехмерной деформации грунта, вызванной проходкой щита.

2. Основные предположения и теории

2.1. Основные допущения

Это исследование делает следующие предположения о грунте: (1) Грунт представляет собой линейный вязкоупругий материал. (2) Это однородное и изотропное тело непрерывной деформации, которое бесконечно простирается в направлении глубины и рассматривается как полубесконечное тело.(3) Он находится в трехмерном напряженном состоянии под действием внутренних сил, и связь между тензором девиаторных напряжений и тензором девиаторных деформаций является вязкоупругой зависимостью «напряжение-деформация». (4) Дополнительные опорные давления, трение защитной оболочки и давления цементного раствора, создаваемые туннелированием с двойным экраном, распределены равномерно.

2.2. Вязкоупругая модель

Предполагается, что зависимость вязкоупругого напряжения от деформации грунта соответствует вязкоупругой модели Больцмана, как показано на рисунке 1.Эта модель представлена ​​последовательным расположением модели Кевина – Фойгта и упругим соотношением. Он включает последовательно соединенные упругий элемент H и вязкий элемент K . Он может отражать мгновенную упругую деформацию почвы под нагрузкой и вязкоупругую деформацию, которая постепенно увеличивается со временем и приближается к стабильности.

Основное соотношение модели выглядит следующим образом: где, и — модуль сдвига упругого элемента, модуль сдвига вязкого элемента и коэффициент вязкости вязкоупругой модели Больцмана, соответственно.

Реологические свойства грунта представлены вязкоупругим соотношением между тензором девиаторных напряжений и тензором девиаторных деформаций, а изменение объема в грунте представлено упругим соотношением между тензором сферических напряжений и тензором сферических деформаций. Следовательно, из уравнения (1) вязкоупругая связь девиаторного тензора выглядит следующим образом: где — тензор девиаторных напряжений, а — тензор девиаторных деформаций.

Упругая связь сферического тензора выглядит следующим образом: где — сферический тензор напряжений; — тензор сферической деформации; — модуль объемной упругости.

Согласно классическому трехмерному вязкоупругому определяющему соотношению, унифицированное выражение имеет следующий вид: где,, и — линейные дифференциальные операторы временных переменных, которые могут быть выражены следующим образом:

Из уравнений (2) и (3 ) линейные дифференциальные операторы в уравнении (4) имеют следующий вид:

Преобразование Лапласа уравнения (6) приводит к следующему:

Согласно принципу упруго-вязкоупругого соответствия, выражения преобразования Лапласа модуля упругости, Коэффициент Пуассона и модуль сдвига соответственно равны

2.3. Базовое решение Миндлина для полубесконечного пространства

Wei et al. [27] показали, что основными факторами, вызывающими деформацию поверхности во время проходки защитного туннеля, были дополнительное давление на опору, трение защитной оболочки, давление цементного раствора и потеря грунта. Кроме того, была выведена расчетная формула для трехмерной деформации грунта, вызванной различными факторами. Основываясь на решении упругости Миндлина, когда единичная сосредоточенная сила приложена вдоль оси x во внутренней точке (0, 0, h ) полубесконечного пространства, смещения вдоль x — , y — и z -оси могут быть выражены следующим образом: где,, — модуль сдвига грунта, а — коэффициент Пуассона.

3. Вязкоупругое решение трехмерного смещения грунта, вызванного защитным туннелем

3.1. Механическая расчетная модель

Создание системы координат и механическая расчетная модель показаны на рисунке 2. Предполагается, что щит справа построен в первую очередь. Параметры, включенные в расчет, включали расстояние между первой и второй поверхностью выемки, расстояние между осевой линией туннеля, глубину заглубления туннеля, и внешний радиус туннеля, длину щитовой машины, , дополнительные опорные давления на поверхность выемки, трения защитной оболочки, и давление цементного раствора,.

3.2. Смещения грунта, вызванные дополнительным опорным давлением

Дополнительное опорное давление применяется к поверхности выемки туннеля, а дифференциальная зона находится внутри выемки. Следовательно, опорное давление, действующее на эту область, равно. Координаты любой точки на левой и правой поверхностях выемки равны и, соответственно, и эквивалентные координаты, которые могут быть введены в решение Миндлина, полученное преобразованием координат (нижний индекс обозначает левый туннель, r обозначает правый туннель) следующим образом:

Путем включения уравнений (12) и (13) в уравнения (10) и (11) и интегрирования в пределах диапазона поверхности выемки смещение любой точки ( x , y , z ) в направлениях Y и Z , вызванных дополнительными опорными давлениями, можно получить следующим образом: где для левого туннеля, и, и для правого туннеля, и.

Согласно принципу упруго-вязкоупругого соответствия, при условии одинаковой силы, действующей на вязкоупругое тело, преобразование Лапласа по времени и по времени может быть получено следующим образом:

Обратное преобразование Лапласа уравнений (15) и (16) относительно времени, затем выполняются, и вязкоупругие решения компонентов смещения вдоль направлений Y и Z , генерируемых в любой точке ( x , y , z ), вызывали за счет дополнительных опор давления в полубесконечном пространстве равны и соответственно.Подробные результаты вывода формулы представлены в Приложении. и может быть выражено следующим образом:

3.3. Смещения грунта, вызванные трением защитной оболочки

В качестве силы трения между защитной оболочкой и почвой возьмите дифференциальную площадь поверхности защитной машины, и силу трения на дифференциальной площади. Длина щитовой машины Дж . Координата любой точки на границе раздела защитной оболочки слева и почвы.Точно так же и правая сторона. Эквивалентные координаты, которые могут быть введены в решение Миндлина и после преобразования координат, следующие:

Путем включения уравнений (19) и (20) в уравнения (10) и (11) и интегрирования в пределах диапазона экрана длина машины, смещение любой точки ( x , y , z ) в направлениях Y и Z , вызванное трением защитной оболочки, может быть получено следующим образом: где для левого туннеля, и , а для правого туннеля, и.

Согласно принципу упруго-вязкоупругого соответствия, при условии одинаковой силы, действующей на вязкоупругое тело, преобразование Лапласа и по времени t может быть получено следующим образом:

Обратное преобразование Лапласа Затем выполняются уравнения (22) и (23) относительно времени,, и вязкоупругие решения компонентов смещения вдоль направлений Y и Z генерируются в любой точке ( x , y , z ), вызванные трением оболочки экрана в полубесконечном пространстве, равны и соответственно.Подробные результаты вывода формулы представлены в Приложении. Его можно выразить следующим образом:

3.4. Смещения грунта, вызванные давлением цементного раствора

Для давления цементного раствора, процесс получения вязкоупругого решения был аналогичен дополнительному опорному давлению и трению защитной оболочки. Взяв дифференциальную площадь хвостового оперения щита, сосредоточенная сила в этой области была разложена на горизонтальную силу и вертикальную силу.

Вращая систему координат, можно получить, что смещение грунта в направлении оси y , когда единичная сосредоточенная сила приложена вдоль оси y в точке (0, 0, h ) внутри полубесконечного пространства выглядит следующим образом:

Смещение грунта в направлении оси z выглядит следующим образом:

Таким же образом, когда единица сосредоточила силу вдоль оси z применяется в точке (0, 0, h ) внутри полубесконечного пространства, смещение грунта в направлении оси y выглядит следующим образом:

Смещение грунта в направлении z Направление оси следующее:

Координата любой точки на участке давления затирки слева есть, а справа -.Эквивалентные координаты, которые могут быть введены в решение Миндлина и после преобразования координат, следующие:

Затем делается ссылка на метод решения давлений затирки, и уравнения (30) и (31) преобразуются в уравнения (26), (27), (28) и (29), а затем выполняются преобразование Лапласа и обратное преобразование. Следовательно, временные решения компонентов смещения по направлениям Y и Z , генерируемые в любой точке ( x , y , z ) в полубесконечном вязкоупругом пространстве, вызванном давлением цементирования. можно выразить следующим образом:

3.5. Смещения грунта, вызванные потерей грунта

Для смещения грунта, вызванного потерей грунта, поскольку не учитываются вязкоупругие параметры, в этом исследовании использовалась модель равномерного движения грунта, предложенная Вей [28] для учета различных условий грунта для расчета. Путем пересмотра расчетных формул Верруйта и Букера [29] было получено двумерное решение деформации грунта, вызванной потерей грунта во время строительства защитного туннеля [30]. Предполагалось, что потеря грунта в основном вызывала вертикальное смещение грунта вдоль направления выемки при игнорировании горизонтального смещения.На основе двумерного решения Вэй [31] определил коэффициент потерь на грунт как величину потерь на грунт на единицу длины и предложил выражение потерь грунта, вызванных выемкой щита в направлении X , следующим образом:

Из уравнения (34) можно заключить, что когда,; когда , ; когда , . В то же время, когда,. Это указывает на то, что потеря грунта в основном достигает максимального значения, превышающего трехкратную глубину заглубления туннеля за поверхностью выемки щита.

Точно так же, предполагая, что туннель справа вырывается первым, в сочетании с двумерным решением и уравнением (34), горизонтальное и вертикальное смещение любой точки, ( x , y , z ) , в почве, вызванной потерей грунта, можно выразить следующим образом: где,, где и — эквивалентный параметр потерь на грунт и коэффициент потерь на грунт, соответственно, на расстоянии x от поверхности выемки вдоль направления проходки туннеля, и, , и — расчетные параметры.

Трехмерное решение вводит смещение, b , в горизонтальном направлении, и в то же время дифференцирует расчетные параметры первой и второй конструкции экрана, чтобы учесть взаимное влияние первой и второй конструкции туннеля. . Обратитесь к ссылкам [32, 33] для получения информации о значениях параметров и. Влияние на предыдущее строительство правого туннеля, коэффициент потерь на грунт, вызванный второй конструкцией экрана в этом исследовании, может быть выражен следующим образом [27]:

3.6. Трехмерное вязкоупругое решение для полного смещения грунта

Программа численных расчетов была написана в MATLAB R2017. Горизонтальное смещение грунта в направлении Y было получено путем наложения уравнений (17), (24), (32) и (35), а вертикальное смещение грунта в направлении Z было получено следующим образом: совмещая уравнения (18), (25), (33) и (36). Комбинируя уравнение (9) с методом расчета в этом исследовании, можно также получить горизонтальное смещение в направлении X .Однако в реальном строительстве это обычно игнорируется, поэтому в данном исследовании обсуждаются только изменения значений смещения грунта в направлениях Y и Z при различных координатах X . Затем решения во временной области для горизонтального и вертикального смещения любой точки ( x , y , z ) в земле, вызванной дополнительным давлением опоры, трением защитной оболочки, давлением цементного раствора и потерей грунта. можно выразить следующим образом:

4.Проверка решения во временной области

Точность вязкоупругих параметров напрямую влияет на результаты расчета вязкоупругого решения, предложенного в этом исследовании. Для проекта туннеля значения вязкоупругих параметров следует сначала определить с помощью испытания на ползучесть в помещении, а затем результаты расчетов в этом исследовании следует сравнить с полевыми измерениями, чтобы проверить рациональность аналитического решения. На основе параметров защитного туннеля и параметров вязкоупругости грунта, предложенных Wei et al.[27, 34], рациональность метода в данной работе проверена.

Параметры расчета следующие: внешний радиус тоннеля R = 3,17 м; заглубленная глубина тоннеля х = 19 м; длина щитовой машины J = 8,4 м; расстояние между первым и вторым забоями выемки К = 10 м; межстрочный интервал между центрами двух тоннелей L = 12 м; дополнительные опорные давления P _{1 л} = P _{1 r} = 20 кПа; трение оболочки щита P _{2 l} = P _{2 r} = 10 кПа; давление затирки P _{3 л} = P _{3 r} = 120 кПа.Вязкоупругие параметры: = 3 МПа, = 2 МПа, K, _1, = 20 МПа, и = 0,2 ГПа · день. Расстояния от грунтов, перемещающих фокус левого и правого тоннелей к центру тоннеля, составляют d _l = 0,24 R и d _r = 0,79 R соответственно. , максимальное смещение осадки второго туннеля b = –2,8 м, а окончательные коэффициенты потерь на грунт в левом и правом туннеле равны и, соответственно.

Согласно уравнениям (28) и (29), временные кривые горизонтального и вертикального смещения поверхности земли непосредственно над центральной осью двух туннелей под влиянием дополнительных опорных давлений, трения защитной оболочки, цементации затем были рассчитаны давления и потери на землю. Результаты показаны на Рисунке 3. Можно сделать вывод, что влияние различных факторов на смещение грунта от высокого к низкому — это потеря грунта, трение защитной оболочки, давление цементного раствора и опорное давление.

Из кривых во временной области, показанных на рисунке 3, можно сделать вывод, что трехмерное вязкоупругое аналитическое решение может учитывать изменение смещения грунта во времени. Под действием различных факторов происходит мгновенное смещение грунта при t = 0 d, которое постепенно увеличивается и со временем стабилизируется. Когда t = 300 d, смещение грунта в основном стабильное, а значение смещения в стабильной стадии составляет примерно 2.5-кратное мгновенное смещение. Этот результат расчета связан со значением вязкоупругих параметров.

Смещение грунта, вызванное давлением опоры, распределяется антисимметрично относительно положения поверхности выемки (левая линия x = 0 м, правая линия x = 10 м). Грунт перед выемкой вызывает небольшое горизонтальное смещение вблизи центральной оси двух туннелей, а грунт в задней части — противоположный. Вертикальное смещение грунта, вызванное опорным давлением, в первую очередь проявляется в виде поднятия в передней части выемки и осадки в задней части.Пики горизонтального и вертикального смещения появляются на расстоянии 14 м от поверхности выемки. Влияние трения защитной оболочки было аналогично влиянию давления опоры, но смещение грунта, вызванное трением, было больше, чем давление опоры, а горизонтальные и вертикальные смещения в стабильной стадии достигли 0,6 мм и 1,8 мм соответственно. .

Давления цементного раствора в основном возникали в зоне цементирования хвостовика щита, поэтому пики горизонтального и вертикального смещения грунта появлялись на хвосте щита (левая линия x = –10 м, правая линия x = 0 м. ).Горизонтальные смещения левой и правой линий распределены антисимметрично. Давление цементного раствора привело к тому, что почва в середине двух туннелей сместилась близко к центральной оси, и пиковое значение в стабильной фазе составило 1,8 мм. Вертикальное смещение представлено осадкой грунта непосредственно над зоной цементирования хвостовика щита с пиковым значением 5,8 мм.

Смещение грунта, вызванное потерей грунта, является основной причиной деформации грунта, вызванной проходкой экранирующих туннелей.Конструкция опережающего щита на правой линии вызвала большое горизонтальное смещение грунта за выемкой выемки, которая была смещена к оси правого туннеля. Вторичное возмущение, вызванное сооружением туннеля слева, заставило поверхность почвы на центральной оси снова сместиться влево на основе правого смещения, но смещение уменьшилось примерно на 80% по сравнению с правым. Поэтому горизонтальное смещение грунта было наклонено в сторону, вынутую первой.Вертикальное смещение, вызванное потерей грунта на левой и правой линиях, было асимметричным. Вторичные раскопки вызвали дальнейшее оседание почвы на основе первичных раскопок, что еще больше увеличило общее смещение, что соответствовало исследовательским выводам многих ученых. Это явление подтверждается многочисленными сообщениями. Вдоль противоположного направления туннелирования вертикальное смещение поверхности, вызванное потерей грунта, постепенно увеличивалось и, наконец, достигло стабильного состояния.

Во многих предыдущих исследованиях для прогнозирования осадки на поверхности использовались эквивалентные потери на грунт, но осадки на поверхности, полученные с помощью этого метода прогнозирования, часто были меньше измеренного значения. Этим нельзя объяснить поднятие грунта перед забоем выемки. В этом исследовании было получено решение полного смещения во временной области путем наложения смещения грунта под влиянием четырех факторов и сравнения окончательной осадки с измеренными данными, как показано на рисунке 4.Кривая общей деформации поверхности, вызванной различными факторами, отображалась в виде поднятия перед забоем выемки и осадки за забоем. Результаты расчетов показали, что поднятие грунта перед выемкой в ​​первую очередь вызвано трением защитной оболочки. В задней части поверхности выемки, в направлении, противоположном выемке, по мере увеличения расстояния оседание поверхности сначала увеличивалось, а затем постепенно уменьшалось и, наконец, достигло стабильного состояния.На эту тенденцию повлиял эффект затирки хвостовика щита. Чем лучше эффект затирки, тем значительнее ингибирование оседания почвы и тем более максимальное значение осадки имеет тенденцию быть стабильным.

Поскольку смещение грунта, вызванное проходкой щита, состояло в основном из вертикального и горизонтального смещения, которое редко отслеживалось во время строительства, это исследование подтвердило рациональность аналитического решения путем сравнения вертикального смещения.На рисунке 4 (b) показано сравнение значения осадки в стабильной фазе, рассчитанной вязкоупругим решением на осях y = 0 м и y = 6 м поверхности земли, с результатами измерений. Сравнивая результаты, можно сделать вывод, что теоретическое решение соответствовало измеренному значению. Метод расчета в этом исследовании четко объяснил явление поднятия поверхности перед выемкой щита и осадки задней поверхности под действием нескольких факторов.Однако трехмерное вязкоупругое аналитическое решение включает множество параметров, и точность результата расчета тесно связана с точностью значения каждого параметра. Поэтому возникла необходимость в дальнейшем анализе влияния значений параметров на смещение грунта.

5. Анализ влияния вязкоупругих параметров на вертикальное смещение грунта

5.1. Влияние различных коэффициентов вязкости

Для анализа влияния коэффициента вязкости на смещение почвы на примере вертикального смещения.Точки (20, 0, 10) и (–10, 0, 10) перед и за поверхностью выемки, соответственно, использовались для расчета осадки под влиянием различных факторов. Результаты расчета показаны на рисунке 5. Было установлено 0,1 ГПа · день, 0,2 ГПа · день, 0,3 ГПа · день и 0,4 ГПа · день. Положительное значение указывает на то, что почва осела, а отрицательное значение указывает на то, что почва поднялась.

Время, необходимое для стабилизации оседания, увеличивалось с увеличением коэффициента вязкости, и изменение объема оседания в основном происходило в течение первых 300 дней.Под действием различных факторов разница в коэффициенте вязкости не вызовет изменения окончательной осадки, а величина осадки постепенно стабилизируется с увеличением времени. Кроме того, из рисунка 5 (d) видно, что под действием нескольких факторов величина подъема перед поверхностью выемки будет постепенно увеличиваться и с течением времени станет стабильной. При постепенном продвижении щита расчетные точки перед выемкой поворачивались назад.Когда сегменты хвостовой облицовки щита высвобождаются, грунт за выемкой выемки мгновенно оседает. По мере увеличения времени расчетное значение постепенно уменьшается и имеет тенденцию к стабилизации.

5.2. Влияние различных модулей сдвига

На рисунке 6 показана кривая изменения значений осадки в зависимости от модуля сдвига в точке (–10, 0, 10) при различных факторах. был установлен на 3 МПа, 6 МПа, 9 МПа и 12 МПа. Было обнаружено, что модуль сдвига оказал значительное влияние на смещение грунта.С увеличением модуля сдвига значения осадки и поднятия грунта, вызванные различными факторами, уменьшались. Поскольку выбранная расчетная точка находилась в 10 м от поверхности выемки, это положение сильно зависит от давления цементного раствора. Следовательно, по мере того, как поднятие грунта, вызванное давлением цементного раствора, уменьшалось, общая осадка демонстрировала тенденцию к увеличению. Кроме того, из результатов расчета видно, что разница в модуле сдвига не вызовет изменений во времени, необходимом для стабилизации осадки, и смещение грунта в основном достигло стабильного состояния при 400 d.

5.3. Влияние различных модулей сдвига

На рисунке 7 показана кривая изменения значения осадки в зависимости от модуля сдвига в точке (–10, 0, 10) при различных факторах. был установлен на 2 МПа, 4 МПа, 6 МПа и 8 МПа. По результатам расчетов было обнаружено, что изменение модуля сдвига не вызовет изменения начального значения осадки грунта, но повлияет на смещение грунта во время стабильной стадии. По мере увеличения величина осадки или поднятие почвы постепенно снижается в течение стабильной фазы.Кроме того, изменение модуля сдвига оказывает значительное влияние на время, необходимое грунту для достижения стабильной стадии. Чем больше модуль сдвига, тем меньше требуется времени. Когда это было примерно 400 дней, а когда было примерно 100 дней.

6. Анализ влияния геометрических параметров на вертикальное смещение грунта

6.1. Влияние разных расстояний от поверхности выемки

На рисунке 8 показана взаимосвязь между изменениями осадки поверхности, вызванными различными факторами на разных расстояниях от выемки выемки во времени, где y = 6 м и z = 0 мес.По результатам расчетов можно сделать вывод, что спереди и сзади забоя по мере удаления от забоя осадка постепенно уменьшалась. Для разных расчетных точек значение урегулирования или значение подъема постепенно увеличивалось и, как правило, оставалось стабильным с увеличением времени, что соответствовало результатам предыдущих расчетов. Смещение грунта, вызванное дополнительным опорным давлением и трением защитной оболочки, уменьшилось на порядок на расстоянии 80 м (примерно в четыре раза больше заглубленной глубины) от поверхности выемки.Влияние давления цементного раствора в основном было локализовано около забоя выемки и больше смещено к задней части выемки. Это непосредственно привело к тому, что общая осадка при x = –20 м была ниже, чем полное смещение дальше за поверхностью выемки, а величина поднятия при x = 20 м перед поверхностью выемки была выше, чем на поверхности выемки. дальний фронт. Общее смещение на расстоянии 60 м от поверхности выемки (примерно в три раза превышающей глубину заглубления) в основном вызвано потерей грунта, и этот диапазон можно рассматривать как площадь, на которую влияют различные факторы.

6.2. Влияние различных расчетных глубин

На рисунке 9 показана взаимосвязь между осадкой почвы, вызванной различными факторами на разных глубинах, с течением времени. На этом рисунке положение выемки слева составляет x = 0 м, y = 6 м — это положение центральной оси двух туннелей, а z имеет четыре различных расчетных глубины 0. м, 5 м, 10 м и 15 м. Из результатов расчета видно, что по мере того, как расчетная глубина постепенно приближается к глубине заглубления туннеля, смещение грунта, вызванное опорным давлением, сначала увеличивается, а затем уменьшается, а смещение, вызванное трением защитной оболочки и давлениями цементного раствора, постепенно. увеличивается.Это явление связано с относительным положением силы и расчетных точек. Из результата расчета полного смещения можно сделать вывод, что чем ближе к оси туннеля, тем больше прирост деформации грунта и тем очевиднее влияние временного эффекта на деформацию грунта. По мере увеличения расчетной глубины осадка поверхностного грунта постепенно превращается в поднятие глубокого грунта, указывая на то, что вблизи оси туннеля давление цементного раствора вызовет радиальное смещение грунта с центром на оси туннеля.Величина этого смещения связана с фактическим значением давления цементного раствора.

6.3. Влияние разного расстояния между туннелями

L

На рисунке 10 показана взаимосвязь между оседанием точек (–10, L /2, 0), вызванной различными факторами при разных расстояниях между туннелями со временем. С увеличением времени расчетная стоимость или величина прироста, вызванная различными факторами, постепенно стабилизировалась. Смещение грунта, вызванное давлением опоры, трением защитной оболочки и давлением цементного раствора, уменьшается с увеличением расстояния между туннелями.Это показывает, что увеличение шага снижает влияние конструкции щита двух туннелей на смещение грунта центральной оси.

На рис. 10 (d) показана кривая изменения полного смещения. Из рисунка видно, что при постепенном увеличении расстояния между туннелями осадка поверхности на центральной оси сначала несколько увеличивалась, а затем резко снижалась. Кроме того, изменение осадки, вызванное вязкоупругими свойствами грунта, уменьшается с увеличением расстояния между туннелями.Как упоминалось выше, тенденция к изменению общей осадки обусловлена ​​увеличением расстояния между туннелями, что постепенно снижает влияние различных факторов на центральную ось. Это приводит к постепенному снижению величины надбавки и расчетной стоимости.

7. Заключение

Основываясь на решении Миндлина и вязкоупругой модели Больцмана, это исследование всесторонне рассматривало влияние дополнительных опорных давлений, трения защитной оболочки, давления цементного раствора и потерь на грунт, и было предложено трехмерное вязкоупругое решение смещения грунта, вызванного проходкой щита.Были сделаны следующие выводы: (1) Расчетная модель учитывала несинхронное строительство двухпроводного туннеля и взаимное влияние между двумя туннелями. Из примеров расчетов можно сделать вывод, что трехмерное вязкоупругое аналитическое решение может отражать изменение смещения грунта, вызванное различными факторами во времени. Под действием различных факторов, когда T = 0 d, грунт имел мгновенное смещение, которое со временем постепенно увеличивалось и становилось стабильным.Смещение в стабильной фазе было примерно в 2,5 раза больше мгновенного смещения. Время, необходимое для достижения стабильной стадии, было связано со значением вязкоупругих параметров. Результаты, полученные с помощью метода расчета в этом исследовании, соответствовали результатам измерений. Кроме того, он четко объяснил явление поднятия поверхности перед поверхностью выемки и осадки задней поверхности под действием множества факторов. (2) В этом исследовании обсуждалось влияние изменений вязкоупругих параметров на смещение грунта.Можно сделать вывод, что время, необходимое для стабилизации оседания, увеличивалось с увеличением коэффициента вязкости, и изменение объема оседания в основном происходило в течение первых 300 дней. С увеличением модуля сдвига « величина осадки и величина подъема грунта, вызванного различными факторами, уменьшались, в то время как время, необходимое для смещения грунта для достижения стабильной стадии, было в основном таким же, примерно 400 дней. Изменение модуля сдвига не вызовет изменения начального значения осадки грунта, но повлияет на значение смещения грунта во время стабильной фазы и время, необходимое для достижения стабильной фазы.Чем больше модуль сдвига, тем меньше значение осадки или величина подъема грунта в стабильной стадии и тем короче время, необходимое для достижения устойчивости. (3) В этом исследовании далее обсуждалось влияние изменения геометрических параметров на смещение почвы. Перед и за поверхностью выемки по мере увеличения расстояния от поверхности выемки осадка постепенно уменьшалась. Общее смещение на расстоянии 60 м от поверхности выемки (примерно в три раза превышающей глубину заглубления) в основном было вызвано потерей грунта, и этот диапазон можно рассматривать как площадь, на которую влияют различные факторы.Чем ближе расчетная глубина была к глубине заглубления туннеля, тем больше прирост деформации грунта. Более того, более очевидным было влияние временного эффекта на деформацию грунта. Увеличение расстояния между туннелями постепенно уменьшало влияние различных факторов на центральную ось, что приводило к постепенному снижению величины поднятия и осадки.

8. Обсуждение

(1) Цель этого исследования — предложить метод расчета смещения с учетом характеристик ползучести грунта, который был получен на основе вязкоупругой модели Больцмана.Для различных геологических условий необходимо было провести испытания в помещении и оценить применимость вязкоупругой модели Больцмана. Можно было бы рассмотреть возможность использования различных моделей в сочетании с методом решения, предложенным в этой статье, для получения аналитических решений, подходящих для конкретных условий площадки для удовлетворения инженерных потребностей. (2) В центре внимания этого исследования был анализ вязкоупругого эффекта и временной области деформация грунта, вызванная проходкой щита. Следует отметить, что аналитическое решение, найденное в этом исследовании, ограничивалось смещением грунта, вызванным строительными факторами.В этом исследовании не учитывалось влияние внешних факторов, таких как неоднородность конструкции, гидродинамическое соединение и влияние вторичной цементной заливки. Необходимо провести дополнительное исследование, которое будет сочетаться с более подробными полевыми измерениями смещения грунта на протяжении всего процесса строительства для более точной оценки.

Приложение

Выполняются обратные преобразования Лапласа уравнений (15), (16), (22) и (23) по времени t и вязкоупругие решения компонент смещения вдоль Y и Z направления, генерируемые в любой точке ( x , y , z ), вызванные дополнительным опорным давлением и трением защитной оболочки в полубесконечном пространстве: где,

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51878005).

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Улучшение расчетов смещения и замены атомов с помощью физически реалистичных моделей повреждений

1.

Зейтц, Ф. и Келер, Дж. С. Смещение атомов во время облучения. Физика твердого тела. 2 , 305–448 (1956).

CAS Google ученый

2.

Кинчин Г. Х. и Пиз Р. С. Смещение атомов в твердых телах. Rep. Prog. Phys. 18 , 1–51 (1955).

ADS Статья Google ученый

3.

Робинсон М. Т. и Торренс И. М. Компьютерное моделирование каскадов атомных смещений в твердых телах в приближении двойных столкновений. Phys. Ред. B 9 , 5008–5024 (1974).

ADS CAS Статья Google ученый

4.

Норгетт, М. Дж., Робинсон, М. Т. и Торренс, И. М. Предлагаемый метод расчета мощности вытесняющей дозы. Nucl. Англ. Des. 33 , 50–54 (1975).

Артикул Google ученый

5.

Юнг П. in Атомные дефекты в металлах, конденсированные вещества Ландольта-Бернштейна – III группы Vol. 25 (ред. Ульмайер, Х., Эрхарт, П., Юнг, П. и Шульц, Х.) (Спрингер, Нью-Йорк, 1991).

6.

Авербак Р.С. Процессы смещения атомов в облученных металлах. J. Nucl. Матер. 216 , 49–62 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

7.

Фаррелл К., Махмуд С. Т., Столлер Р. Э. и Мансур Л. К. Оценка механизмов радиационного охрупчивания при низких температурах в ферритных сплавах. J. Nucl. Матер. 210 , 268–281 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

8.

Джонс, Р. Б. и Вуттон, М. Р.Наблюдение за охрупчиванием корпуса реактора (КР) в реакторах Magnox. В Радиационное охрупчивание корпусов реакторов под давлением (КР) на атомных электростанциях . Woodhead Publishing Series in Energy (ed Soneda, N), 156−178 (Sawston, UK, 2015).

9.

Майер, Дж., Джиануцци, Л. А., Камино, Т., Майкл, Дж. Подготовка образцов с помощью ТЕМ и повреждение, вызванное FIB. MRS Bull. 32 , 400 (2007).

CAS Статья Google ученый

10.

Крашенинников А.В., Нордлунд К. Эффекты ионного и электронного облучения в наноструктурированных материалах. J. Appl. Phys. (Appl. Phys. Rev.) 107 , 071301 (2010).

ADS Статья Google ученый

11.

Авербак Р. С., Бенедек Р. и Меркл К. Л. Исследования функции повреждения меди и серебра с помощью ионного облучения. Phys. Ред. B 18 , 4156–4171 (1978).

ADS CAS Статья Google ученый

12.

Jung, P. et al. в 11-й межд. Symp. по воздействию излучения на материалы ASTM STP 782 (ред. Брагер, Х. Р. и Перрин, Дж. С.) 963-982 (Американское общество испытаний и материалов, Филадельфия, 1982).

13.

Цинкль, С. Дж. И Сингх, Б. Н. Анализ повреждений смещения и образования дефектов в условиях каскадных повреждений. J. Nucl. Матер. 199 , 173–191 (1993).

ADS CAS Статья Google ученый

14.

Столлер Р. Э. в книге Comprehensive Nuclear Materials Vol. 1 (ред. Конингс, Р. Дж. М.) 293−332 (Elsevier, Амстердам, 2012 г.).

15.

Кирк М. и Блевитт Т. Х. Атомные перегруппировки в упорядоченных сплавах с ГЦК-решеткой во время нейтронного облучения. Металл. Матер. Пер. А 9 , 1729–1737 (1978).

ADS Статья Google ученый

16.

Ким С.Дж., Николет М.А., Авербак Р.С. и Пик Д. Низкотемпературное ионно-пучковое смешение в металлах. Phys. Ред. B 37 , 38–49 (1988).

ADS CAS Статья Google ученый

17.

Каро, М. и Каро, А. Спектральные эффекты на образование дефектов в корпусе реактора высокого давления тяжеловодного реактора под давлением. Philos. Mag. А 80 (6), 1365–1378 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

18.

Диас де ла Рубиа, Т., Гинан, М. В., Каро, А. и Шеррер, П. Радиационные эффекты в ГЦК-металлах и интерметаллических соединениях — исследование с помощью компьютерного моделирования молекулярной динамики. Radiat. Эфф. Дефекты Твердые тела 130 , 39–54 (1994).

ADS Статья Google ученый

19.

Цинкль, С. Дж. И Киношита, С. Производство дефектов в керамике. J. Nucl. Матер. 251 , 200–217 (1997).

ADS CAS Статья Google ученый

20.

Гао, Ф. и Вебер, У. Дж. Компьютерное моделирование разупорядочения и аморфизации Si и Au отдачей в 3C-SiC. J. Appl. Phys. 89 , 4275–4281 (2001).

ADS CAS Статья Google ученый

21.

Деванатан Р. и Вебер В. Дж. Динамический отжиг дефектов в керамике на основе облученного диоксида циркония. J. Mater. Res. 23 (3), 593 (2008).

ADS CAS Статья Google ученый

22.

Мелдрам А., Цинкль С. Дж., Боатнер Л. А. и Юинг Р. С. Переходная жидко-подобная фаза в каскадах вытеснения в цирконе, гафноне и торите. Природа 395 , 56 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

23.

Нордлунд К., Кейнонен Дж., Гали М. и Авербак Р. С. Когерентное смещение атомов при ионном облучении. Природа 398 (6722), 49 (1999).

ADS CAS Статья Google ученый

24.

Nordlund, K. et al. Первичное радиационное повреждение материалов — Обзор текущего понимания и предлагаемой новой стандартной модели повреждения смещением для включения в эффективность производства каскадных дефектов и эффекты смешения. NEA / NSC / DOC 9. 1−86 (Агентство по ядерной энергии, ОЭСР, Париж, 2015).

25.

Эрхарт, П. Свойства и взаимодействие атомных дефектов в металлах и сплавах . Vol. 25 Ландольта-Бёрнштейна, Новая серия III, гл. 2, 88 (Springer, Берлин, 1991).

26.

Авербак Р. С. и Диас де ла Рубиа Т. Повреждение вследствие смещения в облученных металлах и полупроводниках. Физика твердого тела. 51 , 281–402 (1998).

CAS Статья Google ученый

27.

Мурога Т., Китадзима К. и Ишино С. Влияние энергетического спектра отдачи на каскадные структуры и эффективность образования дефектов. J. Nucl. Матер. 133 и 134 , 378–382 (1985).

Артикул Google ученый

28.

Линдхард Дж., Шарфф М. и Скиотт Х. Э. Концепции диапазонов и диапазоны тяжелых ионов. кг. Дэн. Vid. Сельск., Мат. Fys. Medd. 33 , 1–42 (1963).

Google ученый

29.

Циглер Дж. Ф., Бирсак Дж. П. и Литтмарк У. Остановка и пробег ионов в веществе . (Пергамон, Нью-Йорк, 1985).

Книга Google ученый

30.

Бэкон, Д. Дж., Гао, Ф. и Осецкий, Ю. Н. Состояние первичного повреждения в металлах с ГЦК, ОЦК и ГПУ, как видно из моделирования молекулярной динамики. J. Nucl. Матер. 276 , 1–12 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

31.

Nordlund, K. et al. Образование дефектов в столкновительных каскадах в элементарных полупроводниках и ГЦК-металлах. Phys. Ред. B 57 , 7556 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

32.

De Backer, A. et al. Формирование субкаскадов и масштабирование размеров дефектных кластеров в высокоэнергетических столкновениях металлов. EPL 115 , 26001 (2016).

ADS Статья Google ученый

33.

Нордлунд К., Валлениус Дж. И Малерба Л. Молекулярно-динамическое моделирование пороговых энергий в Fe. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. В 246 , 322 (2005).

ADS Статья Google ученый

34.

Клатт, Дж. Л., Авербак, Р. С. и Пик, Д. Смешивание ионных пучков в сплавах Ag-Pd. Заявл. Phys. Lett. 55 , 1295 (1989).

ADS CAS Статья Google ученый

35.

Диас де ла Рубиа, Т., Авербак, Р. С., Бенедек, Р., Кинг, У. Э. Роль тепловых всплесков в энергетических каскадах столкновений. Phys. Rev. Lett. 59 , 1930–1933 (1987). См. Также erratum: Phys. Rev. Lett. 60, 76 (1988).

ADS CAS Статья Google ученый

36.

Нордлунд, К., Гали, М. и Авербак, Р.С. Механизмы смешивания ионных пучков в металлах и полупроводниках. J. Appl. Phys. 83 , 1238–1246 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

37.

Nordlund, K., Wei, L., Zhong, Y. & Averback, R. S. Роль электрон-фононного взаимодействия в развитии каскада столкновений в Ni, Pd и Pt. Phys. Ред. B (Rapid Comm.) 57 , 13965–13968 (1998).

ADS Статья Google ученый

38.

Zhang, L. & Demkowicz, M. J. Радиационно-индуцированное смешение металлов с низкой растворимостью в твердых телах. Acta Mater. 76 , 135–150 (2014).

CAS Статья Google ученый

39.

Jaouen, C., Delafond, J. & Riviere, J. P. Превращение кристалла в аморфное в NiAl: исследования ионного облучения в зависимости от параметров каскада. J. Phys. F: Металл. Phys. 17 , 335–350 (1987).

ADS CAS Статья Google ученый

40.

Гао, Ф. и Вебер, В. Дж. Каскадное перекрытие и аморфизация в 3C-SiC: накопление дефектов, топологические особенности и разупорядочение. Phys. Ред. B 66 , 024106 (2002).

ADS Статья Google ученый

41.

Колдер А. Ф., Бэкон Д. Дж., Барашев А. В., Осетский Ю.Н. О происхождении крупных межузельных кластеров в каскадах смещений. Philos. Mag. 90 , 863–884 (2010).

ADS CAS Статья Google ученый

42.

Фитиан, У. Дж., Столлер, Р. Э., Форман, А. Дж. Э., Колдер, А. Ф. и Бэкон, Д. Дж. Сравнение каскадов смещения в меди и железе с помощью молекулярной динамики и его применение к эволюции микроструктуры. J. Nucl. Матер. 223 , 245 (1995).

ADS CAS Статья Google ученый

43.

Пейн Б. М. и Авербак Р. С. Смешивание ионных пучков: основные эксперименты. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. В 7/8 , 666 (1985).

ADS Статья Google ученый

44.

Вёртлер К., Юслин Н., Бонни Г., Малерба Л. и Нордлунд К. Влияние длительного облучения на образование и упорядочение дефектов в сплавах Fe-Cr и Fe-Ni. J. Phys .: Condens. Дело 23 , 355007 (2011).

Google ученый

45.

Granberg, F. et al. Механизм снижения радиационных повреждений в эквиатомных многокомпонентных однофазных сплавах. Phys. Rev. Lett. 116 , 135504 (2016).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

46.

Гао, Ф., Бэкон, Д.Дж., Колдер, А. Ф., Флюитт, П. Э. Дж. И Льюис, Т. А. Компьютерное моделирование эффектов перекрытия каскадов в альфа-железе. J. Nucl. Матер. 230 (1), 47 (1996).

ADS CAS Статья Google ученый

47.

Нордлунд К. и Авербак Р. С. Движение точечных дефектов и отжиг в каскадах столкновений. Phys. Ред. B 56 , 2421 (1997).

ADS CAS Статья Google ученый

48.

Björkas, C. & Nordlund, K. Сравнительное исследование каскадных повреждений Fe, смоделированных с недавними потенциалами. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. В 259 , 853 (2007).

ADS Статья Google ученый

49.

Sand, A. E. & Nordlund, K. О нижнем энергетическом пределе электронного торможения в моделируемых каскадах столкновений в Ni, Pd и Pt. J. Nucl. Матер. 456 , 99 (2015).

ADS CAS Статья Google ученый

50.

Келхнер, К. Л., Холстед, Д. М., Перкинс, Л. С., Уоллес, Н. М., ДеПристо, А. Е. Построение и вычисление функций вложения. Surf. Sci. 310 , 425–435 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

51.

Сабошик М. Дж. И Лам Н. К. Радиационно-индуцированная аморфизация упорядоченных интерметаллических соединений CuTi, CuTi3 и Cu4Ti3 Исследование молекулярной динамики. Phys. Ред.В 43 (7), 5243 (1991).

ADS CAS Статья Google ученый

52.

Бьоркас, К., Нордлунд, К. и Дударев, С. Л. Моделирование радиационных эффектов с использованием потенциалов вольфрама и ванадия на основе ab-initio. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 267 , 3204–3208 (2009).

ADS Статья Google ученый

53.

Juslin, N. & Wirth, B. D. Межатомные потенциалы для моделирования образования пузырьков He в W. J. Nucl. Матер. 432 , 61–66 (2013).

ADS CAS Статья Google ученый

54.

Ackland, G. J. & Thetford, R. Улучшенная полуэмпирическая модель N-тела для b.c.c. переходные металлы. Philos. Mag. А 56 , 15–30 (1987).

ADS CAS Статья Google ученый

55.

Альгрен Т., Хейнола К., Юслин Н. и Куронен А. Потенциал порядка Бонда для моделирования точечных и протяженных дефектов в вольфраме. J. Appl. Phys. 107 , 033516 (2010).

ADS Статья Google ученый

Управляемый по качеству алгоритм отслеживания смещения для ультразвуковой визуализации эластичности

Abstract

Оценка смещения является ключевым этапом в оценке эластичности ткани с помощью квазистатической визуализации деформации.Эффективный подход может включать в себя стратегию отслеживания, при которой каждая оценка сначала получается из смещений ее соседей, а затем уточняется с помощью локализованного поиска. Это увеличивает точность и снижает вычислительные затраты по сравнению с исчерпывающим поиском. Однако простые стратегии отслеживания не работают, когда карта целевого смещения имеет сложную структуру. Например, могут быть неоднородности и области неопределенного смещения, вызванные декорреляцией между радиочастотными (RF) эхо-сигналами до и после деформации.В этой статье представлен новый алгоритм отслеживания смещения со стратегией поиска, основанной на индикаторе качества данных. Сравнение с существующими методами показывает, что предложенный алгоритм более надежен, когда распределение смещения является сложным.

Ключевые слова: Ультразвук, эластография, визуализация деформации, отслеживание

1. Введение

После более чем 20 лет исследований и разработок ультразвуковая визуализация эластичности постепенно демонстрирует свою способность характеризовать механические свойства ткани.Научно-исследовательская деятельность перешла от моделирования и лабораторных экспериментов к клиническим испытаниям (Burnside et al., 2007). Эта тенденция поддерживается постоянным развитием методов обработки сигналов и аппаратными инновациями.

Определенная оценка деформации требуется для всех методов визуализации упругости. Например, переходная деформация поперечной волны, вызванная извне (Sandrin et al., 2002; Bercoff et al., 2003) или силой акустического излучения (Sugimoto et al., 1990; Nightingale et al., 2001; Bercoff et al., 2004) можно использовать для получения двухмерной карты механических свойств ткани. В зависимости от величины деформации, некоторые из этих методов могут выиграть от алгоритма отслеживания смещения, который мы описываем в этой статье. Однако наше внимание сосредоточено на квазистатическом подходе к визуализации упругости (Ophir et al., 1991), когда деформация вводится путем нажатия на зонд. Два радиочастотных (RF) ультразвуковых кадра получают до и после деформации.Некоторое указание на эластичность ткани обеспечивается осевой деформацией, которая обычно извлекается в два этапа ¹ : оценка смещения , путем сопоставления окон данных RF до деформации с окнами после деформации; и оценка деформации , дифференцируя поле смещения. Скорость и точность системы визуализации деформации сильно зависит от алгоритма оценки смещения на первом этапе.

Среди нескольких методов оценки смещения (Langeland et al., 2003; Viola and Walker, 2003), максимизация корреляции была предложена первым (Ophir et al., 1991) и остается наиболее широко используемым. РЧ-кадр до деформации разделен на осевую-боковую сетку небольших окон, которые связаны с соответствующими окнами в кадре после деформации путем поиска совпадения с наивысшей корреляцией. Смещение ткани затем определяется сдвигом между окнами до и после деформации. Были предприняты усилия по адаптации алгоритма корреляции для обеспечения точности подвыборки (Céspedes et al., 1995). Более того, стандартная корреляция и ее варианты, такие как сумма абсолютных разностей и сумма квадратов разностей, были интегрированы с многоуровневыми или многомасштабными схемами для повышения стабильности оценки (Chaturvedi et al., 1998; Yeung et al. ., 1998; Pellot-Barakat et al., 2004; Shi, Varghese, 2007). В качестве альтернативы исчерпывающему поиску Чжу и Холл (2002) предложили стратегию отслеживания, которая принимает смещение в каждой строке сетки в качестве начального предположения для следующей строки.Это позволяет уменьшить диапазон поиска и, следовательно, сократить вычислительные затраты.

Второй подход к оценке смещения основан на фазе данных RF. О’Доннелл и др. (1991, 1994) показали, что фаза сложной корреляции между окнами сигнала основной полосы частот связана с относительным смещением двух окон. В частности, пик корреляции соответствует нулевой фазе, в то время как ненулевая фаза может использоваться для оценки местоположения пика без дальнейшего поиска.Основываясь на своей работе, Pesavento et al. (1999) предложили улучшенный метод, который вычисляет смещение путем отслеживания местоположения нулевой фазы от точки к точке. ² Эффективность этого подхода к отслеживанию заключается в способе накопления карты смещения. Смещение точки инициализируется в соответствии со значением ранее рассчитанного смещения соседа. Затем поиск нулевой фазы в новой точке повышает точность этого начального предположения. Если предположение близко к фактическому значению, фаза корреляции может использоваться для оценки местоположения нулевой фазы с минимальными дополнительными вычислениями.

Хотя они используют разные методы для оценки точечного смещения, Zhu and Hall (2002) и Pesavento et al. (1999) оба полагаются на стратегию отслеживания, чтобы продвигать процесс оценки от одной точки к другой. Эта стратегия находится в верхней части низкоуровневого процесса оценки смещения и управляет накоплением карты смещения для всего кадра. Помимо отслеживания от строки к строке, проводилась работа над стратегиями от столбца к столбцу (Jiang and Hall, 2007) и диагональной (Zahiri-Azar and Salcudean, 2006).Более того, отслеживание смещения может быть сформулировано как задача оптимизации и решена с помощью динамического программирования (Jiang and Hall, 2006; Rivaz et al., 2008). Однако основная трудность всех таких схем заключается в неявном предположении, что поле смещения непрерывно. На практике разные слои биологической ткани имеют тенденцию скользить друг по другу под действием механической нагрузки. Следовательно, реальные карты смещения часто показывают несколько непересекающихся областей с непрерывностью смещения только внутри каждой области.Более того, декорреляция РЧ-эха является обычным явлением при сканировании in vivo , создавая области неопределенного смещения, непрерывность которых не может быть допущена. Эти факторы создают серьезные проблемы для алгоритмов отслеживания смещения.

Когда предположение о непрерывности нарушается, алгоритм отслеживания может не только не найти правильное смещение в любой конкретной точке, но также распространить эту неверную оценку на другие части изображения, создавая так называемые выпадения .Чтобы избежать этого, неправильные оценки смещения могут быть обнаружены и заменены значениями, интерполированными из ближайших точек, прежде чем они получат шанс распространиться (Zhu and Hall, 2002; Jiang and Hall, 2007). В качестве альтернативы алгоритм отслеживания может обойти плохие оценки, разрешив инициализацию точки в более крупном и более гибком окружении, как в двухпроходном методе коррекции выпадения Lindop et al. (2008b), Treece et al. (2006, 2008). В первом проходе отслеживания (от верхнего края кадра к низу) смещение каждой точки инициализируется из исходной точки в предыдущей строке.Алгоритм исследует поперечный пролет фиксированной длины в предыдущей строке с центром в текущей точке, чтобы найти лучшую исходную точку. В этом контексте «лучший» определяется в терминах корреляции между предварительно согласованными ВЧ окнами до и после деформации. Второй проход отслеживания (снизу вверх) использует аналогичную стратегию заполнения и исправляет оставшиеся ошибки путем сравнения корреляций между двумя проходами: лучшие коррелированные совпадения, обнаруженные во втором проходе, перезаписывают более плохие совпадения, обнаруженные в первом проходе.

Одним из ограничивающих факторов всех текущих стратегий отслеживания смещения является то, что направление распространения, будь то вверх-вниз, влево-вправо или по диагонали, ограничено. Некоторых ошибок отслеживания можно избежать, распространяя оценки смещения не из заранее определенного фиксированного направления, где могут быть плохие данные, а из другого направления, где данные могут быть лучшего качества. В этой статье мы развиваем эту гипотезу в новом качественном алгоритме отслеживания смещения для ультразвуковой визуализации деформации.Его основой является схема распространения, которая не ограничивается каким-либо конкретным набором направлений, а вместо этого руководствуется качеством данных. Алгоритм можно засеять в одном месте или, для большей надежности, в нескольких точках. Показателем качества, которым руководствуется алгоритм, может быть любая подходящая метрика, рассчитанная на основе данных RF. Статья включает серию экспериментов, демонстрирующих надежность нового метода по сравнению с альтернативными подходами. В частности, алгоритм контроля качества способен отслеживать геометрически нерегулярные и непересекающиеся области и хорошо справляется с областями плохо коррелированных радиочастотных данных.

2. Отслеживание перемещения с учетом качества

2.1. Инициализация начального числа

Предлагаемый алгоритм отслеживания с контролем качества поставляется в вариантах с одним или несколькими начальными числами. Первый демонстрирует фундаментальную структуру стратегии отслеживания, а второй является значительным расширением, которое добавляет надежность, когда есть декоррелированные области и неоднородности смещения. Для обеих версий первым этапом является инициализация начального числа.

Метод инициализации начального числа, используемый в этом исследовании, основан на простом сеточном тесте.В кадре RF сетка из N точек с регулярными интервалами проверяется как кандидаты в начальные числа. В каждой контрольной точке определяется окно с точкой в ​​центре. Величина комплексной взаимной корреляции используется для измерения сходства между соответствующими окнами в RF-кадрах, записанных до и после деформации:

| C (dx, dy) | = ∑x, y∈Wa1 (x, y) a2 ∗ (x + dx, y + dy) ∑x, y∈W | a1 (x, y) | 2∑x, y∈W | a2 (x + dx, y + dy) | 2

(1)

, где C ( d _x , d _y ) — коэффициент корреляции при осевом смещении d _y и боковом смещении d 9 , a ₁ и a ₂ — аналитические РЧ-сигналы, полученные до и после деформации соответственно, a2 ∗ — комплексное сопряжение a ₂ , а W — размер окна.Поиск методом перебора, который варьируется ( d _x , d _y ) в пределах максимального ожидаемого смещения, определяет наилучшее совпадение. Соответствующая величина коэффициента корреляции и смещение записываются для каждой контрольной точки. Поиск имеет точность до одной пробы в осевом направлении и одной линии в поперечном направлении. После того, как все точки сетки были обработаны, в качестве начального числа для алгоритма отслеживания с одним начальным значением выбирается точка с наивысшей корреляцией.Для алгоритма отслеживания нескольких начальных значений все точки сетки используются в качестве начальных значений.

Остается обсудить выбор подходящего значения для N , который является единственным определяемым пользователем параметром алгоритмов. Для алгоритма с одним начальным числом, чем больше значение N , тем выше шанс обнаружения хорошего начального числа. Для алгоритма с несколькими начальными числами N можно рассматривать как параметр естественного масштаба. С малым N алгоритм может заполнить и впоследствии восстановить смещение в небольшом количестве больших непересекающихся областей.Если пользователю требуется повышенная чувствительность к меньшим, непересекающимся областям, следует увеличить значение N . В экспериментах, описанных в разделе 3, мы установили N равным 20, на этом уровне алгоритм способен заполнять области, занимающие около 5% кадра (точное количество зависит от формы областей, так что это просто правило большого пальца). В этом порядке мы увидим, что засев мало влияет на общую вычислительную нагрузку, в которой преобладает последующий этап отслеживания смещения.

2.2. Единичное начальное отслеживание с контролем качества

Предлагаемая стратегия отслеживания требует наличия индикатора качества для определения надежности каждой точки, прежде чем он будет использован для инициализации соседней точки. В качестве индикаторов качества может использоваться ряд критериев, включая дисперсию градиента фазы и коэффициент корреляции. В этой статье все исследования используют комплексный коэффициент корреляции между выровненными окнами RF до и после деформации, как показано в формуле. (1). Карта качества может быть представлена ​​как Q ( x , y ), где y и x — это индексы в осевом и поперечном направлениях соответственно.Алгоритм отслеживания поддерживает набор S , который содержит точки, которые были инициализированы и готовы к обработке. В начале первого шага S ₁ (1 — индекс шага) содержит одно начальное число, p ₁ = ( x ₀ , y ₀ ) . Поскольку p ₁ является единственной точкой, готовой к обработке, она выбирается и вводится в любой подходящий метод оценки смещения (Ophir et al., 1991; О’Доннелл и др., 1991, 1994; Песавенто и др., 1999; Лангеланд и др., 2003; Viola and Walker, 2003), чтобы вычислить смещение в этой точке. При использовании индикатора качества на основе корреляции вычисленное смещение ( d _x , d _y ) затем используется для определения Q ( x ₀ , y ₀ ) в соответствии с формулой. (1).

На втором этапе набор точек обновляется путем удаления p ₁ из S и добавления его четырех соседей, чьи начальные оценки и качества смещения назначаются в соответствии со значениями p ₁ :

, где p ₂ = ( x ₀ + 1, y ₀ ), p ₃ = ( x ₀ — 1, y ), p ₄ = ( x ₀ , y ₀ + 1), и p ₅ = ( x ₀ , y 42 _{— 1).Поскольку теперь есть четыре точки, готовые к обработке, следующая точка для обработки выбирается в соответствии с критерием максимального качества:}

Pt ₂ = argmax ( Q ( p ₂ ), Q ( p ₃ ), Q ( p ₄ ), Q ( p ₅ ))

(3)

где Pt _{2 текущая точка, подлежащая обработке (2 обозначает индекс шага), а оператор arg max () извлекает точку с максимальным значением качества из S .Если есть ничья, что неизбежно произойдет на шаге 2, любая из равных точек выбирается случайным образом. Затем Pt 2 обрабатывается методом оценки смещения, и во время этой процедуры уточняются его смещение и качество.}

Точно так же на третьем этапе Pt ₂ удаляется из набора точек S . Его соседи, которые еще не встречались, инициализируются смещением и качеством Pt ₂ и добавляются к S .Затем выбирается новая текущая точка в соответствии с критерием максимального качества. Этот рекурсивный процесс продолжается и может быть описан как

S _{k +1} = S _k + сосед ( Pt _k ) — Pt k ₉

(4)

Pt _{k +1} = argmax ( Q ( p ) | p ∈ S _{k +1}

2)

)

, где оператор Neighbor () извлекает четырехсторонних соседей точки, которых нет в S и которые еще не были обработаны.Для любого соседа, который уже находится в S , выполняется сравнение между его значением качества и значением текущей точки. Если качество текущей точки выше, первоначальная оценка смещения соседа заменяется смещением текущей точки. Это просто отражает тот факт, что теперь доступна более точная оценка смещения. Алгоритм завершается, когда набор точек S пуст, что указывает на то, что все точки в кадре RF были обработаны.

Эта стратегия гарантирует, что сначала обрабатываются области высокого качества, а области низкого качества избегаются на ранней стадии — см.Точные оценки смещения в регионах с высоким качеством распространяются на другие точки, в то время как неизбежно плохие оценки в регионах с более низким качеством не распространяются. Обратите внимание, однако, что нет гарантии, что точки обрабатываются в порядке качества: точка высокого качества не будет обработана, пока путь отслеживания не достигнет ее. Тем не менее, поскольку нет ограничений на направление распространения, алгоритм может обрабатывать область произвольной геометрической формы.показывает блок-схему для стратегии отслеживания с контролем качества с одним исходным кодом с индикатором качества корреляции.

Иллюстрация алгоритма отслеживания отдельных семян с контролем качества. Рамка содержит область декоррелированных данных (серый цвет), что не является нетипичным при сканировании in vivo . (a) Одно начальное число (красный цвет) выбирается из альтернатив N (синий цвет) на основе корреляции совпадающих окон, обнаруженной методом перебора. (b) Это начальное значение используется для инициализации соседних точек, смещения которых затем уточняются.Активный набор точек S показан красным, обработанные точки — зеленым. (c) S не перерастает в декоррелированную область, поскольку качество совпадения Q низкое на его границе, и S обрабатывается в порядке уменьшения Q . (d) S находит свой путь вокруг декоррелированной области, в отличие от подходов на основе строк или столбцов, которые должны пересекать ее. (e) Когда все хорошо коррелированные данные исчерпаны, S теперь будет проникать в декоррелированную область, но неизбежно плохие оценки смещения не повлияют на остальную часть кадра.(Для интерпретации ссылок на цвет в легенде этого рисунка читатель может обратиться к веб-версии этой статьи.)

Блок-схема алгоритма отслеживания с контролем качества отдельных семян.

2.3. Отслеживание с несколькими начальными числами и контролем качества

Существуют две распространенные ситуации, которые могут привести к сбою алгоритма отслеживания с одним начальным числом, получая только частично правильную карту смещения. Во-первых, могут быть две области высокого качества, разделенные областью плохо коррелированных радиочастотных данных.Какой бы регион ни предоставил начальное семя, маловероятно, что алгоритм отслеживания сможет поддерживать точную оценку, когда он пересекает область низкого качества. Отслеживание во второй области высокого качества не будет правильно инициализировано, и оценка смещения не удастся. Во-вторых, правильная карта смещения может быть прерывистой, что часто встречается при визуализации эластичности артерий (Shi and Varghese, 2007) или, в более общем плане, при наличии границ скольжения. Когда путь отслеживания достигает разрыва, когда происходит резкое изменение истинного смещения, инициализация через границу не подходит, и последующая оценка смещения не удастся.

Для решения этих проблем предлагается вариант стратегии отслеживания с контролем качества с несколькими начальными числами. Как и в версии с одним начальным числом, инициализация начального числа выполняется с помощью теста точки сетки (раздел 2.1), но в этом случае все точки сетки используются как начальные значения и добавляются к точке, установленной на первом шаге:

S ₁ = { p ₁ , p ₂ , p ₃ ,…, p _N }

(6)

Eq.(6) описывает набор точек S , содержащий N семян. Не все начальные числа обрабатываются на первом этапе: вместо этого в качестве текущей точки выбирается только один с максимальным качеством Pt ₁

Pt ₁ = argmax ( Q ( p ₁ ), Q ( p ₂ ), Q ( p ₃ ),…, Q ( p _N ))

(70003

)

и вводится в процедуру оценки смещения.Вся последующая обработка — оценка смещения в текущей точке, инициализация соседей текущих точек, обновление набора точек и создание новой текущей точки — идентична однозначной версии (). Если в каждом непересекающемся регионе высажено хотя бы одно хорошее семя, все регионы следует размножать индивидуально и успешно. Это связано с тем, что качество на границе области относительно низкое либо из-за декорреляции сигнала, либо из-за сбоя отслеживания, вызванного разрывом.Следовательно, когда семя распространяется до границы области, оно перестает расти, и другие семена получают возможность продолжить. В конце концов, области плохо коррелированных данных или точки на границах между прерывистыми областями обрабатываются на последнем этапе отслеживания. Неизбежные ошибки оценки ограничиваются этими небольшими участками и не распространяются где-либо еще.

Проблема, возникающая при использовании нескольких начальных чисел, заключается в исправлении ошибок отслеживания, вызванных плохими начальными числами. Плохие начальные значения возникают из-за того, что стандартная метрика взаимной корреляции, используемая для инициализации начального числа, может легко определить неправильное наилучшее совпадение, особенно когда окно маленькое или сигнал зашумлен (Walker and Trahey, 1995): это известно как скачкообразное изменение пика .Отличительной особенностью таких семян является то, что они способны размножаться только на небольшой площади. Качество на границе быстро падает, и последующие точки обрабатываются оценками хорошего качества, полученными от других семян. Однако результирующая карта смещения содержит небольшие области неправильных данных о смещении, окружающие исходные плохие семена.

Дефект плохих семян может быть устранен путем повторной инициализации любых проблемных областей с использованием точек хорошего качества на их границах и повторением процедуры отслеживания — см.Области, нуждающиеся в такой обработке, идентифицируются с использованием порогового значения количества точек, полученных из любого отдельного семени: небольшие области ниже порогового значения помечаются как требующие повторной обработки. Затем алгоритм множественного семени запускается повторно, но на этот раз отбрасывая семена, из которых выросли небольшие регионы. Во время этого второго прохода отслеживания оценка смещения выполняется только для отмеченных областей. Этот простой метод позволяет избежать значительной избыточной повторной обработки и избавляет от необходимости явно определять граничные точки проблемных областей.

Иллюстрация многоэлементного алгоритма отслеживания с контролем качества. Кадр содержит полосу декоррелированных данных (серый цвет), которая разделяет данные хорошего качества на две непересекающиеся области. (a) Для ясности показаны только четыре семени: на практике обычно бывает больше. Предположим, что зеленые, золотые и синие семена хороши, а голубые семена плохи, даже если корреляция высока. (b) Плохое семя не распространяется очень далеко, так как соседние окна не совпадают при неправильном смещении.Три хороших семени растут как обычно, хотя они не проникают в плохо коррелированную область. Активный набор точек S отображается красным цветом. (c) Ближе к концу отслеживания все данные хорошего качества были обработаны: все, что осталось, — это проникнуть зеленым, золотым и синим фронтами в декоррелированную область. (d) В начале второго прохода плохие семена удаляются, так как на первом проходе выросла только небольшая область: эта область помечена для повторной обработки (голубой). (e) Зеленые, золотые и синие семена размножаются второй раз, но новые оценки смещения не вычисляются в большей части кадра: вместо этого сохраняются значения, найденные в первом проходе.Исключением является небольшая темно-зеленая область, где смещения первого прохода обновляются с использованием значений, полученных из зеленого семени. (Для интерпретации ссылок на цвет в легенде этого рисунка читатель отсылается к веб-версии этой статьи.)

Пороговое значение, указанное в предыдущем абзаце, необходимо установить на максимально возможное значение без запуска риск исключения подходящих регионов, выращенных из хороших семян. Развивая эту цепочку рассуждений, порог можно связать с количеством начальных чисел N , которое определяет естественный масштаб алгоритма.Например, с 20 начальными числами мы уже допускаем, что нельзя полагаться на алгоритм для восстановления смещения в непересекающихся областях, занимающих менее примерно 5% кадра, поскольку такие области вряд ли будут засеяны. Следовательно, 5% также будет приемлемым порогом для исключения семян. Мы принимаем, что области меньшего размера не будут обрабатываться правильно либо потому, что они не содержат начального числа, либо потому, что они впоследствии удаляются перед вторым проходом отслеживания. Если требуется более мелкая обработка, можно увеличить N и уменьшить порог исключения начального числа на соответствующую величину.

2.4. Подробности реализации

Для эффективной реализации алгоритма отслеживания, ориентированного на качество, необходимо, чтобы атрибуты каждой точки (местоположение, принадлежность к S , смещение и качество) хранились в двух отдельных структурах данных. Первый, простой двумерный массив с индексами x и y , используется для быстрой идентификации соседей. Однако эта структура данных не подходит для одного важного этапа алгоритма, а именно для определения точки максимального качества в наборе S .Линейный поиск двумерного массива имеет алгоритмическую сложность 𝒪 ( n ) на каждом шаге отслеживания, где n — количество точек.

Таким образом, набор активных точек S также поддерживается как одномерный список, отсортированный по качеству. Алгоритму отслеживания тогда нужно только выбрать первую точку из S на каждом шаге, без необходимости поиска. Когда соседи текущей точки добавляются в список, они вставляются в соответствующее место в соответствии с их качеством, таким образом сохраняя целостность отсортированного списка.Двоичный поиск со сложностью 𝒪 (log ( n )) используется для поиска индексов вставки, что значительно снижает вычислительную нагрузку. В такой реализации накладные расходы на отслеживание малы по сравнению со стоимостью лежащей в основе оценки смещения, даже с эффективными методами оценки поиска нулевой фазы.

3. Результаты и обсуждение

Моделирование поля II (Jensen, 1996) и сканирование in vivo были использованы для оценки алгоритма отслеживания с ориентацией на качество.Моделирование включало два RF-кадра (256 строк, 3464 отсчета, центральная частота 6,5 МГц, частота дискретизации 66,67 МГц) с однородным полем деформации 1%. Искусственно введенный белый шум повредил определенные области радиочастотных данных. Смещение оценивалось с использованием окон длиной 10 РЧ циклов и шириной пять линий, расположенных с интервалами в три РЧ цикла в осевом направлении и двумя линиями в поперечном направлении. Сканирование in vivo сонной артерии человека было записано с использованием ультразвуковой системы Terason ³ T3000 с 6.Преобразователь с линейной решеткой 25 МГц. Частота дискретизации RF составляла 35,776 МГц, каждый кадр содержал 128 строк по 2395 отсчетов. Смещение оценивалось с использованием окон длиной 10 РЧ циклов и шириной трех линий, расположенных с интервалами в три РЧ цикла в осевом направлении и одной линией в поперечном направлении.

Во всех исследованиях мы использовали комплексный исчерпывающий поиск на основе взаимной корреляции в пределах максимального ожидаемого диапазона смещения для инициализации начального числа в 20 равноудаленных местах; коэффициент корреляции как показатель качества; и поиск фазового нуля (Pesavento et al., 1999) с логарифмической амплитудой сжатого сигнала для оценки осевого смещения. Боковое смещение также оценивалось путем максимизации субстрочной корреляции в диапазоне поиска ± 2 строки. Были протестированы пять алгоритмов, а именно исчерпывающий поиск без отслеживания, отслеживание по A-линиям (Pesavento et al., 1999), коррекция выпадения (Lindop et al., 2008b; Treece et al., 2006, 2008) с боковым поиском. диапазон из девяти окон и оба варианта алгоритма отслеживания с контролем качества.

3.1. Отслеживание геометрически нерегулярных областей

a показывает изображение в B-режиме первого набора смоделированных данных. Сигнал в дугообразной области полностью маскируется белым шумом, обеспечивая проверку способности алгоритмов отслеживать через декоррелированные области. Шум также вводится за пределами дугообразной области с более высоким отношением сигнал / шум (SNR) в центре, чем вверху и внизу.

(a) Изображение моделируемых данных в B-режиме. Область в форме дуги содержит только шум.За пределами дугообразной области на РЧ-сигнал накладывается белый шум, с меньшим шумом в центре, чем на осевых концах. Смещение, полученное (б) исчерпывающим поиском и (в) отслеживанием по A-линиям. Единицы, отображаемые справа, представляют собой радиочастотные циклы.

Распределение смещения, полученное путем полного перебора, показано на b. Ясно, что восстановить смещение в полностью декоррелированной дугообразной области невозможно. Если SNR низкое (вверху и внизу кадра), исчерпывающий поиск выявляет большое количество ложных совпадений и дает ошибочные оценки смещения.Результаты, полученные путем отслеживания сверху вниз по A-линиям, начиная с предполагаемого нулевого смещения вверху, показаны в c. Когда алгоритм отслеживания обнаруживает некоррелированные данные, оценки смещения неизбежно становятся неточными. Поскольку эти неверные оценки используются для инициализации поиска фазового нуля в последующих точках, правильное отслеживание смещения не восстанавливается, даже за пределами дугообразной области. В результате ошибки отслеживания распространяются от дугообразной области вниз.Однако интересно отметить, что, за исключением этих понятных ошибок отслеживания, простая стратегия отслеживания A-line работает лучше, чем исчерпывающий поиск в областях с низким SNR вверху и внизу кадра. Это иллюстрирует преимущество использования непрерывности смещения, присущей всем подходам слежения.

Алгоритм слежения за одним исходным кодом, ориентированный на качество, восстанавливает правдоподобное распределение деформации без каких-либо грубых ошибок за пределами дугообразной области — см. А.Последовательность распространения в b – j демонстрирует поведение, ожидаемое в: сначала обрабатываются данные высокого качества в центральной полосе, затем данные более низкого качества вверху и внизу и, наконец, сама зашумленная дуга. Здесь ошибки оценки неизбежны, но предотвращается их распространение в другие области кадра. Без ограничений на направление распространения алгоритм слежения с учетом качества способен извлекать распределение смещения геометрически нерегулярной области за один проход, сводя к минимуму влияние ошибок оценки.

Те же данные, что и в. (а) Смещение, полученное с помощью алгоритма отслеживания качества отдельных семян. (б) Раннее вытеснение от одинарных семян. Темные пиксели обозначают точки, смещение которых было оценено с помощью поиска нулевой фазы, а яркие пиксели обозначают необработанные точки. (c) — (e) Дальнейшее распространение смещения в область высокого качества, ограниченную дугой. (f) — (h) Последующее распространение в оставшиеся области высокого качества, достигнутое вокруг нижней части дуги.(i) Когда все области высокого качества исчерпаны, оценки смещения распространяются на области более низкого качества вверху и внизу кадра и, наконец, (j) в саму зашумленную дугу.

Хотя в данном случае вариант с одним семенем показал себя безупречно, тем не менее поучительно изучить и вариант с несколькими семенами. В частности, мы увидим на практике, почему этому алгоритму требуется два прохода для противодействия эффектам ошибок скачкообразной перестройки пиков на этапе инициализации начального числа.а показывает распределение смещения, полученное при первом проходе. Распределение в основном правильное, и ошибки внутри дуги не распространяются. Однако очень маленький участок над дугой не был правильно обработан. Окончательная карта распространения (f) показывает, как это соответствует плохим семенам, рост которых впервые проявляется в e. Плохое начальное число можно отследить до ложного пика корреляции, выбранного перебором. Поскольку пик корреляции, тем не менее, был довольно высоким, семена имели шанс немного подрасти, прежде чем выдыхаться, поскольку качество на его границах ухудшалось.

Те же данные, что и в. (а) Смещение, полученное при первом проходе алгоритма с несколькими начальными числами. (b) Раннее распространение смещения от двух семян (оранжевого и синего), которые были помещены в области с более высококоррелированными данными, чем другие 18 семян. (c) — (d) Все области высокого качества впоследствии размножаются оранжевыми и синими семенами и третьим (зеленым) семенем, которое выросло из довольно хорошо коррелированной области слева. (e) — (f) Когда все данные высокого качества исчерпаны, недействительные семена в дуге начинают расти.(Для интерпретации ссылок на цвет в легенде этого рисунка читатель отсылается к веб-версии этой статьи.)

Второй проход алгоритма с несколькими начальными числами устраняет проблему с минимальными дополнительными вычислениями. Получено правильное распределение смещения, как показано в. Второй проход повторяет процесс оценки смещения для точек, выращенных из семян, которые образуют область меньше порогового значения, в данном случае 5% всего кадра. ⁴ Начальные оценки смещения для этих повторно обработанных областей получаются на их границах с использованием информации, передаваемой от других семян, как показано на рисунке e.Для этого конкретного набора данных 5% -ный тест исключает все исходные 20 семян, кроме трех. b – f показывают ход второго прохода: обратите внимание, как выжившие три семени размножают области, ранее обработанные отброшенными семенами. Хотя b – f намекает на те же вычислительные затраты, что и при первом проходе, на самом деле это не так. Трекинг действительно повторяется полностью, хотя и для уменьшенного набора семян, но дорогостоящие расчеты смещения выполняются только в небольших областях, отмеченных для повторной обработки.Как объяснялось в разделе 2.4, при эффективной реализации время, потраченное на отслеживание, можно спокойно игнорировать. Таким образом, второй проход отвечает лишь за небольшую часть общих вычислительных затрат, как показано на рис.

Те же данные, что и в. (а) Смещение, полученное вторым проходом алгоритма с множеством начальных чисел. (b) — (c) Все, кроме трех из первоначальных 20 семян, удаляются, так как они не смогли вырастить значительные области за первый проход. (d) — (f) Эти три семени распространяются по всей рамке, но смещение пересчитывается только в небольших областях, выращенных в первом проходе из 17 удаленных семян.(Для интерпретации цветов на этом рисунке читатель может обратиться к веб-версии этого документа.)

Таблица 1

Время выполнения алгоритма отслеживания смещения с несколькими начальными числами, выполняемого в однопоточном режиме на процессоре Intel Core 6600 с тактовой частотой 2,4 ГГц. процессор. Моделирование было медленнее, так как для оценки смещения использовалось вдвое больше ВЧ-линий и более широкие окна. Время для каждого прохода делится на отслеживание (выбор следующей точки для обработки и поддержание структур данных, описанных в разделе 2.4) и оценка смещения (в данном случае поиском нуля фазы).

5 оценка смещения прохода

Компонент	Время (мс)
	Моделирование	In vivo
Предварительная обработка (вычисление аналитического сигнала основной полосы частот15 16			0,5	0,5
Отслеживание первого прохода	5	5
Оценка смещения первого прохода	46	23
Отслеживание второго прохода		2	2

3.2. Отслеживание непересекающихся областей

Во втором моделировании поля II (а) зашумленная дуга была расширена в сторону, чтобы разделить хорошо коррелированные данные на две непересекающиеся области. Такая ситуация не редкость при сканировании in vivo , как мы увидим в разделе 3.3. Чтобы добиться успеха, алгоритм отслеживания должен будет восстанавливать смещения в двух областях по отдельности. Алгоритм с одиночным семенем, ориентированный на качество, находит правильное распределение смещения над дугой (где было посеяно семя), но не может распространить хорошие оценки смещения по дуге и в нижнюю область — см. B.В этом случае (c) метод коррекции выпадения дает хорошее решение, поскольку одна из оценок паразитного смещения на нижнем крае дуги оказывается в пределах длины волны правильного значения. Эта хорошая оценка затем распространяется вниз и в сторону на первом проходе, а большинство оставшихся плохих оценок корректируется во втором проходе. Однако ошибочные оценки смещения остаются в нижнем левом углу кадра.

(a) Изображение моделируемых данных в B-режиме.Ω-образная область содержит только шум. За пределами Ω-образной области на РЧ-сигнал накладывается белый шум, с меньшим шумом в центре, чем на осевых концах. Смещение, полученное (б) алгоритмом одиночного посева и (в) методом коррекции выпадения.

Для надежного отслеживания в таких ситуациях необходим подход с использованием нескольких семян. a показывает распределение смещения, полученное при первом проходе алгоритма отслеживания с несколькими начальными числами. Точные оценки смещения получены во всех двух хорошо коррелированных регионах.Карта распространения семян в c показывает, как ложные семена внутри шумной области получают шанс вырасти к концу процесса отслеживания, создавая яркие пятна в a.

Те же данные, что и в. Смещение, полученное с помощью первого (а) и второго (б) проходов алгоритма с несколькими начальными числами. Карты распространения семян от первого (c) и второго проходов (d). (Для интерпретации цветов на этом рисунке читатель отсылается к веб-версии этого документа.)

Эти белые пятна попадают ниже порогового значения 5% и, следовательно, относятся к областям, повторно обработанным на втором проходе алгоритма множественного начального числа. (б), который начинается всего с трех семян (г).Хотя в этом случае повторная обработка не является абсолютно необходимой, в целом второй проход действительно помогает исправить прерывистые области, выращенные из плохих семян. Сравнивая карты распространения двух проходов, становится очевидным, что три семени, использованные во втором проходе, вторглись на некоторые территории друг друга, а также на территорию уничтоженных семян. Однако перемещение пересчитывается только в тех небольших регионах, которые помечены как подлежащие переработке. В противном случае — например, перезапись смещений хорошего качества по точкам смещениями более высокого качества — не только замедлит алгоритм, но и внесет нежелательные небольшие разрывы в областях, которые в противном случае постоянно отслеживаются.

3.3.

In vivo отслеживание смещения

a показывает изображение в В-режиме сонной артерии человека. Артерия разделяет хорошо коррелированные данные на две области. Внутри артерии рассеяние слабое, и кровоток вызывает значительную декорреляцию между кадрами до и после деформации. Еще одной проблемой при оценке смещения является пульсация артериальной стенки, которая вызывает прерывистое распределение деформации в ее окрестностях. Оба эти фактора указывают на необходимость надежного алгоритма отслеживания.В этом случае ни алгоритм простого начального числа (b), ни метод коррекции выпадения (c) не работают. Хотя нельзя было ожидать хорошей оценки смещения внутри артерии или в шумной области в нижней части кадра, алгоритм единственного семени не смог восстановить смещение выше артерии (поскольку семя было ниже нее), в то время как Метод коррекции out явно не работает в небольшой области справа от кадра, чуть ниже середины кадра.

(а) Изображение сканирования сонной артерии в B-режиме.Смещение, полученное (б) алгоритмом одиночного посева и (в) методом коррекции выпадения.

Первый проход алгоритма отслеживания нескольких семян дает многообещающие результаты с правдоподобными смещениями как выше, так и ниже артерии — см. А. Однако есть видимая ошибка — крошечная яркая точка — ниже артерии в a, справа от центра. Это результат плохого начального числа, которому удалось немного вырасти на более поздних этапах отслеживания, когда большая часть высококачественных данных была исчерпана.b показывает, как эта ошибка исправляется с небольшими вычислительными затратами () на втором проходе. c показывает результирующее изображение деформации с участками, затемняющими размытость синего цвета, где корреляция падает ниже заданного пользователем порога.

Те же данные, что и в. (a) Смещение, полученное первым (a) и вторым (b) проходами алгоритма с несколькими начальными числами. (c) Изображение деформации, полученное из (b), где черный и белый представляют деформацию 0% и 0,5% соответственно. Синяя маска подавляет проявление деформации в областях низкого качества.(Для интерпретации ссылок на цвет в легенде этого рисунка читатель отсылается к веб-версии этой статьи.)

3.4. Влияние SNR и длины окна

Остается сравнить различные стратегии отслеживания с точки зрения их устойчивости к разным уровням SNR и разной длине окна RF. Для любой заданной величины деформации и отношения сигнал / шум существуют нижняя и верхняя границы длин РЧ окна, которые позволяют точно оценить смещение (Lindop et al., 2008b).Слишком короткое окно и правильное совпадение будет иметь такую ​​же корреляцию, как и неправильные совпадения на расстоянии одного или нескольких циклов RF: это особенно очевидно при низком SNR. И наоборот, слишком длинное окно и деформация внутри окна снизят корреляцию правильного совпадения, что сделает его менее отличимым от неправильных совпадений: это особенно очевидно при высокой деформации. ⁵ В этом разделе мы демонстрируем, что алгоритм отслеживания также играет свою роль: более сложные подходы позволяют использовать более широкий диапазон длин окон для любой заданной деформации и отношения сигнал / шум.

Два RF-кадра были смоделированы с однородной амплитудой эхо-сигнала и полем деформации 1%. Случайный белый шум был добавлен на пяти уровнях отношения сигнал / шум (4 дБ, 2 дБ, 0 дБ, −2 дБ и −4 дБ) для оценки возможности отслеживания. В отличие от предыдущих тестов, здесь нет полностью декоррелированной области, а отношение сигнал / шум одинаково для каждого кадра. Таким образом, эксперимент может быть сосредоточен на основной способности каждого алгоритма отслеживания восстанавливать непрерывное поле смещения в присутствии шума без дополнительных проблем, связанных с жесткой локальной декорреляцией данных и неоднородностью смещения.

На каждом уровне SNR были протестированы четыре стратегии отслеживания: отслеживание по A-линиям, метод коррекции выпадения, алгоритм с одним начальным числом, ориентированный на качество, и алгоритм с несколькими начальными числами, ориентированный на качество. Длина RF-окна базового алгоритма оценки смещения (поиск нулевой фазы) варьировалась от 1 до 50 циклов. Мы считали каждый эксперимент успешным, если более 90% оценок смещения были правильными, где «правильный» означает в пределах четверти цикла от известного истинного значения.Хотя этот критерий произвольный, он позволяет провести содержательное сравнение различных алгоритмов отслеживания. Как и ожидалось, на каждом уровне шума имелись четкие верхняя и нижняя границы длины окна, что позволяло успешно восстанавливать поле смещения. Эти границы нанесены в. Область, ограниченная нижней и верхней границами, обеспечивает меру устойчивости каждого алгоритма к разным SNR и длинам окна. Мы называем эту область эффективной дальностью слежения . Хотя результаты основаны на 1% деформации, другие уровни деформации давали аналогичные модели, как и другие пороги успеха (мы пробовали 75% и 95%).

Эффективная дальность слежения. На графике показаны верхняя и нижняя границы длины окна для эффективного отслеживания при нескольких уровнях шума. Планки погрешностей ± 1 стандартного отклонения основаны на 20 повторениях.

Самая простая стратегия, отслеживание по A-линиям, имеет наименьшую эффективную дальность отслеживания. Если возникает ошибка оценки, метод не имеет механизма, препятствующего ее распространению. Алгоритм с одним семеном также работает плохо. При низких уровнях SNR (ниже 0 дБ) одиночное начальное число часто бывает плохим, даже если оно имеет самое высокое качество среди всех точек сетки.Когда это происходит, отслеживание немедленно прекращается и никогда не восстанавливается. Это очевидная хрупкость подхода «единого семени», о котором мы до сих пор не упоминали.

Хотя алгоритм с одним начальным числом превосходит метод коррекции выпадения при отслеживании геометрически нерегулярной области, его слабость заключается в плохой устойчивости к шуму. Последний, с другой стороны, более устойчив к шуму, потому что он ищет в нескольких ранее обработанных точках наилучшее начальное предположение в каждой новой точке.Хрупкость алгоритма с одним исходным кодом преодолевается в его варианте с несколькими начальными числами. Если область, выращенная из одного семени, испортится, другие все равно смогут продолжить работу. Алгоритм множественного начального числа имеет эффективный диапазон отслеживания, сравнимый с таковым у метода коррекции выпадения, с тем преимуществом, что он может обрабатывать непересекающиеся области и области неправильной формы.

4. Заключение

Отслеживание смещения — это алгоритмическая процедура, неявная в конвейерах обработки данных всех систем ультразвуковой визуализации деформации.Несмотря на то, что он играет большую роль в эффективности и стабильности процесса оценки смещения, предыдущая работа по отслеживанию была тесно связана с конкретными методами оценки смещения. В этом документе была предложена общая структура отслеживания с ориентированием на качество. Его можно интегрировать с широким спектром методов оценки смещения, включая максимизацию корреляции и поиск нулевой фазы. Алгоритм единственного начального числа демонстрирует фундаментальный рабочий механизм стратегии отслеживания, ориентированной на качество.Вариант с несколькими начальными числами значительно повышает устойчивость алгоритма к шумам и прерываниям данных.

Дальнейшие исследования отслеживания перемещения должны изучить альтернативные показатели качества. Показатель, использованный в этом исследовании, комплексный коэффициент взаимной корреляции, в целом был эффективен, но менее эффективен при низком SNR. Альтернативные подходы, возможно, включая элемент непрерывности, могут лучше работать в ситуациях с высоким уровнем шума. Еще одна область для дальнейших исследований касается размеров окон RF.Сложные стратегии отслеживания позволяют использовать более короткие окна RF, а некоторые классы методов постфильтрации (для оценки деформации и подавления шума) обещают особенно хорошо работать с короткими окнами (Lindop et al., 2008a). И, наконец, версия алгоритма отслеживания, ориентированного на качество, с несколькими начальными числами производит в качестве побочного продукта приблизительную сегментацию кадра на области непрерывного смещения. Эта сегментация может быть уточнена, а затем использована для улучшения последующего расчета деформации.В частности, можно избежать дифференциации неоднородностей смещения, тем самым устраняя некоторые артефакты, которые обычно влияют на изображения деформации.

Методика оценки производных от зашумленных данных биомеханического смещения с использованием процедуры выбора полосы пропускания на основе модели

Акаике, М. (1969 a ) Подгонка моделей авторегрессии для прогнозирования. Ann. Inst. Статист. Математика. , 21 , 243–247.

MATH MathSciNet Google ученый

Акаике, М. (1969 b ) Оценка спектра мощности посредством подбора модели авторегрессии., 21 , 407–419.

MATH MathSciNet Google ученый

Акаике, М. (1970 a ) О полуавтоматической процедуре оценки спектра.Proc. 3-й Гавайский международный Конф. Системные науки, часть 2, 974–977.

Акаике, М. (1970 b ) Статистическая идентификация предикторов. Ann. Inst. Статист. Математика. , 22 , 203–217.

MATH MathSciNet Google ученый

Акаике, М. (1971) Подгонка модели авторегрессии для управления., 23 , 163–180.

MATH MathSciNet Google ученый

Акаике, М.(1972) Использование теоретико-информационной величины для идентификации статистической модели. Proc. 5-й Гавайский международный Конф. Системные науки, 249–250.

Акаике, М. (1974) Новый взгляд на идентификацию статистической модели. IEEE Trans. , AC – 19 , 716–723.

MATH MathSciNet Google ученый

Андерссен, Р.С., Блумфилд, П.(1974) Процедуры численного дифференцирования для неточных данных. Нумер. Математика. , 22 , 157–182.

MATH MathSciNet Статья Google ученый

Блэкман, Р. Б. и Тьюки, Дж. У. (1958) Измерение спектров мощности с точки зрения техники связи , Dover Publications Inc., Нью-Йорк.

Google ученый

Бург, С.П. (1967) Спектральный анализ максимальной энтропии. Proc. 37-е собрание Общества геофизиков-разведчиков, Оклахома-Сити, Оклахома.

Каппоццо А., Лео Т. и Педотти А. (1975) Общий вычислительный метод для анализа передвижения человека. J. Biomech. , 8 , 307–344.

Артикул Google ученый

Кули Дж. У. и Тьюки Дж.W. (1965) Алгоритм машинного вычисления комплексных рядов Фурье. Math. Comput. , 19 , 297–301.

MATH MathSciNet Статья Google ученый

Крейвен П. и Вахба Г. (1979) Сглаживание зашумленных данных с помощью сплайн-функций. Нумер. Математика. , 31 , 377–403.

MATH MathSciNet Статья Google ученый

Каллум, Дж.(1971) Численное дифференцирование и регуляризация. SIAM J. on Numer Computat. , 8 , 254–265.

MATH MathSciNet Статья Google ученый

Каллум Дж. (1979) Эффективный выбор сглаживающей нормы в регуляризации. Math. Computat. , 33 , 149–170.

MATH MathSciNet Статья Google ученый

Д’Амико, М.andFerrigno, G. (в печати) Оценка скоростей и ускорений на основе кинематических данных с шумом. Proc. ISBS 6-й Междунар. Symp. Биомех. in Sports, Бозман, Монтана (в печати).

Дурбин, Дж. (1960) Подгонка моделей временных рядов. Rev. Inst. Int. de Stat. , 28 , 233–244.

MATH Статья Google ученый

Ферриньо, Г.andPedotti, A. (1985) ELITE: цифровая специализированная аппаратная система для анализа движения посредством обработки телевизионного сигнала в реальном времени. IEEE Trans. , BME — 32 , 943–950.

Google ученый

Гассер, Т., Колер, В., Яннен-Стейнмец, К. и Срока, Л. (1986) Анализ зашумленных сигналов с помощью непараметрического сглаживания и дифференцирования., BME — 32 , 1129–1133.

Google ученый

Адамар, Дж. (1902) Sur les issues aux derivees partielles et leurs значение телосложения. Бык. Принстонский университет , 13.

Харрис, Ф. Дж. (1978) Об использовании окон для гармонического анализа с дискретным преобразованием Фурье. Proc. IEEE , 66 , 51–83.

Google ученый

Джетто, Л.(1985) Процедура на малом компьютере для оптимальной фильтрации гемодинамических данных. Med. И Биол. Англ. & Comput. , 23 , 203–208.

Google ученый

Кей, С. Н. и Марпл, С. Л. (1981) Спектральный анализ — современная перспектива. Proc. IEEE , 69 , 1380–1419.

Google ученый

Ланшаммар, Х.(1981) Пределы точности производных, полученных на основе данных измерений. In Biomechanics VII-A .Morecki, A., Fidelus, K., Kedzior, K. andWit, A. (Eds.), Дом польских издателей и University Park Press, Балтимор.

Google ученый

Ланшаммар, Х. (1982 a ) О практической оценке методов дифференциации для анализа походки человека. J. Biomech. , 15 , 99–105.

Артикул Google ученый

Ланшаммар, Х. (1982 b ) Об ограничениях точности для производных, численно рассчитываемых на основе зашумленных данных., 15 , 459–470.

Артикул Google ученый

Левинсон, Н. (1947) Критерий ошибки Винера (среднеквадратичный) при проектировании и прогнозировании фильтров. J. Math. Phys. , 25 , 261–278.

MathSciNet Google ученый

Махоул, Дж. (1975) Линейное предсказание: обзор учебного пособия. Proc. IEEE , 63 , 561–580.

Google ученый

Марпл, С. Л. (1987) Цифровой спектральный анализ с приложениями .Prentice-Hall Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси.

Google ученый

Мерфи, М. К. и Манн, Р. В. (1987) Сравнение сглаживания и цифровой фильтрации / дифференцирования кинематических данных. 9-я Энн. Конф. IEEE Eng. в Мед. И Биол. Soc., Бостон, Массачусетс, 13–16 ноября, 852–853.

Наттолл, А. Х. (1976) Спектральный анализ одномерного процесса с неверными точками данных, с использованием максимальной энтропии и методов линейного прогнозирования.Центр морских подводных систем, Тех. Rep.5303, Нью-Лондон, Коннектикут.

Оппенгейм А. В. и Шафер Р. В. (1975) Цифровая обработка сигналов . Prentice-Hall Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси.

MATH Google ученый

Parzen, E. (1974) Некоторые недавние достижения в моделировании временных рядов. IEEE Trans. , AC – 19 , 723–730.

MATH MathSciNet Google ученый

Пеззак, Дж. К., Норман, Р. В. и Винтер, Д. А. (1977) Оценка методов определения производных, используемых для анализа движения. J. Biomech. , 10 , 377–382.

Артикул Google ученый

Рабинер Л. Р. и Голд Б. (1975) Теория и применение цифровой обработки сигналов .Prentice-Hall Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси.

Google ученый

Рейнш, К. Х. (1967) Сглаживание сплайн-функциями. Нумер. Математика. , 10 , 177–183.

MATH MathSciNet Статья Google ученый

Райнш, К. Х. (1971) Сглаживание сплайн-функциями II., 16 , 451–454.

Артикул MathSciNet Google ученый

Шустер А. (1898) Об исследовании скрытых периодичностей применительно к предполагаемому 26-дневному периоду метеорологических явлений. Земной магнетизм , 3 , 13–41.

Google ученый

Schuster, A. (1899) Периодограмма магнитного склонения, полученная из записей Гринвичской обсерватории за 1871–1895 годы. Пер. Cambridge Philosophical Soc. , 18 , 107–135.

Google ученый

Слепян Д. (1976) О пропускной способности. Proc. IEEE , 64 , 292–300.

MathSciNet Статья Google ученый

Судан, К. и Диркс, П. (1979) Расчет производных и коэффициентов Фурье данных о движении человека при использовании сплайн-функций. J. Biomech. , 12 , 21–26.

Артикул Google ученый

Ульрих, Т. Дж. И Клейтон, Р. В. (1976) Моделирование временных рядов и максимальная энтропия. Phys. Земля Планетарные внутренние поверхности , 12 , 188–200.

Артикул Google ученый

Утрерас, Ф. (1980) Пакет для сглаживания зашумленных данных с помощью сплайнов.Технический отчет MA-80-B-209, математический факультет Чилийского университета, Сантьяго.

Google ученый

Воган, К. Л. (1982) Сглаживание и дифференциация данных времени смещения: применение сплайнов и цифровой фильтрации. Внутр. J. Biomed. Comput. , 2 , 349–362.

Google ученый

Винер, Н.(1949) Об интерполяции, сглаживании и экстраполяции стационарных временных рядов . Вили, Нью-Йорк.

Google ученый

Уинтер Д. А. (1987) Биомеханика и моторный контроль походки человека . Пресса Университета Ватерлоо, Библиотека Даны Портер, Ватерлоо, Онтарио, Канада.

Google ученый

Вольтринг, Х.Дж. (1985) Об оптимальном сглаживании и оценке производной по зашумленным данным смещения в биомеханике. В Наука о движении человека , 4 (3), Elsevier Science Publishers B.V., Северная Голландия, 229–245.

Google ученый

Woltring, H.J. (1986) Пакет FORTRAN для обобщенного сглаживания и дифференцирования сплайнов с перекрестной проверкой. Adv. Англ. Программное обеспечение , 8 , 104–113.

Артикул Google ученый

Вуд, Г. А. (1982) Процедуры сглаживания и дифференциации данных в биомеханике. Exercise & Sport Sci. Ред. , 10 , 308–362.

Google ученый

Понимание механизма смещения под давлением для выбора эффективных наножидкостей в различных капиллярах

Разработка жидкостей для регулирования двухфазного вытеснения представляет большой интерес из-за их роли в восстановлении подземных вод, добыче нефти и опреснении воды.В настоящее время наблюдается зависимость эффективности вытеснения жидкостей от свойств поверхности капилляров и внешнего давления. Здесь механизмы смещения, вызванные давлением, в различных капиллярах исследуются с помощью моделирования молекулярной динамики. Наши результаты показывают, что смачиваемость поверхности и давление имеют решающее значение для вытеснения жидкостей. В частности, снижение межфазного натяжения жидкостей благоприятно сказывается на эффективности вытеснения в гидрофобных капиллярах, в то время как увеличение вязкости жидкостей способствует гидрофильным капиллярам.На основе предложенных нами механизмов и с учетом смачиваемости капилляров разработаны три типа наножидкостей для повышения эффективности вытеснения различных капилляров. Наши результаты важны для понимания явлений потока жидкости и обеспечивают эффективный способ разработки целевых жидкостей для многочисленных приложений.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Повышение нефтеотдачи за счет вытеснения смеси CO2 на месторождении Литл-Нож, округ Биллингс, Северная Дакота | Journal of Petroleum Technology

Резюме

Минитест CO2, включающий процесс смешивающегося вытеснения, был проведен в процессе образования каньона Мишн, который был проведен в формации каньона Мишн (нижняя часть Миссисипи) на месторождении Литл-Нож, Северная Дакота.Каньон Мишн представляет собой доломитизированный карбонатный резервуар на глубине примерно от 9,700 до 9,900 футов [от 2957 до 3018 м] под землей, который подвергается первичному истощению. Четыре скважины были пробурены в перевернутой конфигурации с четырьмя точками на площади 5 акров [20 234 м2]. Центральная скважина служила нагнетательной и была окружена тремя непроизводительными наблюдательными скважинами. Ориентированные керны были вырезаны в каждой скважине для детального описания коллектора и лабораторных испытаний. Кроме того, была проведена программа испытаний скважин, которая включала два импульсных испытания, а также программа, которая включала два импульсных испытания и испытания приемистости на отдельных скважинах.Результаты этих испытаний были использованы для обновления двух имитационных моделей коллектора. Различные параметры в компьютерных моделях были изменены, чтобы определить наиболее эффективный план закачки для конкретных характеристик коллектора. план с учетом конкретных характеристик коллектора. Последовательность закачки типа вода-газ с чередованием (WAG) имела пять чередующихся пробок пластовой воды и CO2. Предварительная закачка началась 11 декабря 1980 г., за ней последовали пробки WAG с 7 января по 25 марта 1981 г.24, 1981. Скорость закачки поддерживалась на уровне 1150 баррелей в день [183 м3 / день] во время закачки воды и 40 тонн / день [36 мг / день] во время закачки CO2. Индикаторы использовались во время предварительной промывки заводнения и с водой во время WAG. Для подтверждения остаточной нефтенасыщенности в проектном интервале был получен керн давления за фронтом паводка. В целом извлечение породы было отличным, 90%, но извлечение пробы под пластовым давлением оказалось меньше ожидаемого. Проникновение бурового раствора во время отбора керна было остановлено введением в него радиоактивного индикатора.Композиционная имитационная модель использовалась для исторического сопоставления полевых характеристик мини-тестера CO2. Подробная характеристика коллектора была разработана и использована в симуляторе для сопоставления забойного давления, времени прорыва воды и CO2 и историй флюидонасыщения в наблюдательных скважинах. Также были исследованы эффекты гравитационной сегрегации, стратификации и перетока, а также неоднородности коллектора. Эффективность развертки схемы для CO2 приблизилась к 52% в минимальной зоне. Эффективность вытеснения, как показывает исследование с помощью моделирования, составляла 50% от нефти на месте в начале проекта, по сравнению с эффективностью 37% для заводнения.В общей сложности потребовалось 3 100 стандартных кубических футов CO2 на дополнительные баррели [558 стандартных кубических футов / кубические метры дополнительных] вытесненной нефти. На эти показатели положительно повлияло отсутствие добывающих скважин и затопление только одной зоны в каньоне Мишн.

Введение

Месторождение Little Knife находится недалеко от центральной части Уиллистонской впадины (рис. 1). Поле изолировано в пределах широкой низменной антиклинали Малого Ножа, уходящей на север, антиклинального носа. Закрытие на востоке, севере и западе создается пологой антиклинальной складкой со стратиграфическим захватом, образующим закрытие на юге.Добыча ведется из доломитизированных пористых пластов Добычи из доломитизированных пористых пластов формации Каньон Миссии. Коллектор изначально был недонасыщенным и не имел газонасыщения. Первичный механизм извлечения в пласте — это механизм извлечения жидкости из пласта, первичный механизм извлечения флюида в пласте — расширение флюида с ограниченным подачей воды по краю. С момента открытия в январе 1977 г. по 1 июня 1984 г. на месторождении было добыто 31 × 106 баррелей [4,47 × 106 м3] нефти, 9 × 109 куб футов [1,33 × 109 м3] высокосернистого газа (газовый фактор 1380) и 5 ​​запасов.8 × 106 баррелей [0,92 × 106 м3] воды. Плотность нефти 41 град. API [0,82 г / см3] с вязкостью 0,20 сП [0,0002 Па · с] и плотностью 0,6043 г / мл [604 кг / м3] при температуре пласта 245 град. F [118 град. C] (Таблица 1). Газовый фактор раствора составляет 1,119 стандартных кубических футов на стандартное кубическое давление [199,4 стандартных кубических метра на кубический метр резервуара] с давлением насыщения 2698 фунтов на квадратный дюйм [18 602 кПа].