CC BY
3За прошедший2014 год из 34 аварий 27 произошло при эксплуатации грузоподъемных кранов, при этом наибольшее число (44% общего количества кранов) произошло на башенных, гусеничных (22%) и автомобильных (19%).
Многолетний опыт работ по исследованию аварийности подъемно-транспортных машин свидетельствует о том, что более половины всех аварий и НС происходят вследствие неудовлетворительного состояния элементов конструкции крана, приборов и устройств безопасности. По-видимому, одной из первых причин этого следует считать старение парка кранов и естественное снижение их надежности. Основные фонды предприятий РФ, в том числе и подъемно-транспортное оборудование не обновлялось последние десятилетия и на настоящий момент более 61% [2] грузоподъемных кранов отработали свой
Основные дефект
нормативный срок службы. Также, по мнению авторов статьи, не менее важной причиной большого числа аварий башенных кранов становится их частая перебазировка с одного объекта на другой, сопровождающаяся частичной, а нередко и полной разборкой крана на составные узлы. И без того тяжелое положение усугубляется тем, что большая часть кранов эксплуатируется с опасными дефектами, которые в большинстве своем образуются в наиболее нагруженных узлах оборудования. Для башенного крана наименее надежным узлом является его кольцевая неповоротная рама: сложная сварная конструкция с местами-концентраторами повышенных напряжений расчет которых представляется затрудненным. В довершение приведем дефекты, наиболее часто встречающиеся в процессе обследования башенных кранов (табл. 1).
Таблица 1
башенных кранов
Элемент крана Дефект
Металлоконструкция - трещины и разрывы по основному металлу; - коррозия основного металла и подкрановых балок; - деформация секции или стрелы; - деформация элементов решетчатых конструкций; - оборванные болты опорно-поворотного устройства; - смятие проушин и выработка отверстий в шарнирах; - скол реборды ходового колеса; - недопустимый перекос поворотной опоры
Устройства и приборы безопасности - отсутствие (неисправность) прибора по ограничению грузоподъемности; - отсутствие дугогасительных камер в защитной панели; - отсутствие заземления контроллеров
При наличии хотя бы одного дефекта эксплуатация башенного крана запрещается до устранения замечаний комиссии по экспертизе промышленной безопасности.
Пренебрежение даже элементарными правилами безопасности при работе на высоте с использованием подъемно-транспортных машин ведёт к трагическим последствиям, вплоть до гибели людей.Результаты исследования показателей аварийности и травматизма подтвер-ждаютэтот факт: любые подъемно-транспортные машины являются потенциально опасными техническими устройствами. Их эксплуатациятребует высокого уровня подготовки не только от непосредственно работающего с ним персонала, но и от обслуживающих организаций в лице экспертов промышленной безопасности.
Литература
1. Годовой отчет Ростехнадзора, 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://www.gosnadzor.ru /public/
annuaLreports/Отчет 2013.pdf (дата обращения: 17.08.2015).
2. Годовой отчет Ростехнадзора, 2014 [Электронный ресурс]. URL: http://www.gosnadzor.ru/public/ annuaLreports/Отчет 2014.pdf (дата обращения: 17.08.2015).
3. Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору [Электронный ресурс]. URL: http://ib.safety.ru (дата обращения: 20.08.2015).
4. Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/document/ cons_doc_LAW_15234 (дата обращения: 16.08. 2015).
АНИЗОТРОПНОСТЬ ВЛАГОПЕРЕНОСА В НЕЛИНЕЙНОЙ ЗАДАЧЕ
ВЛАГОПРОВОДНОСТИ
Тедеев Тимур Рутенович
Канд. тех. наук, старший научный сотрудник, Южный математический институт ВНЦ РАН (РСО-А,
г. Владикавказ)
ANISOTROPY OF MOISTURE TRANSFER IN A NON-LINEAR PROBLEM OF HYDRAULIC CONDUCTIVITY
Tedeev Timur Rutenovich, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, Southern Mathematical Institute of the
Vladikavkaz Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Republic of North Ossetia-Alania, Vladikavkaz)
АННОТАЦИЯ
Представлено решение нелинейного уравнения влагопроводности с учетом анизотропности влагопереноса методом конечных элементов. Методика позволяет определять поля влажности в плоских многосвязных неоднородных средах произвольной конфигурации с внутренними распределенными источниками влаги. Проведены исследования по влагопроницаемости увлажняемых грунтовых массивов, что позволило раскрыть закономерности проницания структурных разновидностей влаги на всем интервале неполного водонасыщения.
ABSTRACT
The article presents the solution of the nonlinear equation of hydraulic conductivity considering the anisotropy of moisture transfer by the finite element method. The method allows determining moisture fields in plane multiple inhomogeneous media of arbitrary configuration with distributed interior moisture sources. The studies of water permeability of moistened soil masses were performed, which allowed revealing the patterns of permeation of structural variations of moisture in the entire range of partial water saturation.
Ключевые слова: анизотропность, влагопроницаемость.
Keywords: anisotropy, water permeability
Математическая постановка решения нелинейной задачи влагопроводности [1-6] с учетом анизотропности влагопереноса следующая: найти функцию влажности W (х,уД), определенную и непрерывную в замкнутой области D вместе со своими частными производными первого и второго порядка, удовлетворяющую внутри этой области нелинейному дифференциальному уравнению
8W _ 8t 8x
8W) 8
wx (W)— l+-
8x ) 8x
8W
0WY (W) —
8У .
+Qw
при заданном начальном условии
W (x, y, o) = f (x, y),
а на границе S области D - граничного условия
W ( x, y, t )|, =v(Ps, t W (W) еш (W) '
(i)
(2)
(3)
где 4 ', 4 ' - коэффициенты влагопроводности по соответствующим направлениям координатных
„ Р
осей; х, у - декартовы координаты; t - время; 4 - точка границы.
Применительно к уравнению (1) введем интегральную подстановку типа подстановки Кирхгофа:
Ф
w
(W) =\ewi(W )dw
i = 1,2
(4)
Ж
где 0 - минимальное значение функции влажности в исследуемом процессе.
Тогда нелинейное дифференциальное уравнение (1) преобразуется к виду
д2.
8W _ 82Ф1 82Ф
+ -
8t 8x 8y
+Qw
(5)
Qw
где - функция внутреннего распределенного источника влажности.
Таким образом, введение функции Фi позволяет заменить исходную нелинейную задачу более простой - квазилинейной.
Так как уравнение (5) содержит систему функции -W и Ф^ то необходимо дополнить условия (2) и (3) соответственно выражениями:
Ф, (х, у,0) = £ (х, у), , = 1,2, (6)
Ф1 (x, y, t)| s =Щ (P, t)
i = 1,2
(7)
где функции £ (х'1 у) и (Р'1 г) получаются преобразо-
„ £(X, у) т(Р, г)
ванием исходных выражений и в зави-
симостях (2) и (3) с помощью подстановок (4).
Экспериментально установлено [4], что величина влагопроницаемости среды в разных направлениях различна. Справедлива следующая зависимость для учета анизотропности влагопереноса:
еш (w )=KtiAewx (W)
(8)
KA
где ~ А - коэффициент анизотропности грунтовой среды.
Дифференциальное уравнение (5) квазилинейной задачи с учетом зависимости (8) можно представить в следующем виде:
дЖ д2Ф , д2Ф -
- ■+КвЛ
8t 8x2
- + Qw
дУ . (9)
Эквивалентная вариационная постановка для исследуемой задачи с учетом анизотропности влагопере-носа заключается в отыскании системы функций W и Ф, определенных и непрерывных в области D вместе с частными производными первого порядка, имеющих в начальный момент времени заданные распределения (2) и (6), удовлетворяющих на границе S области условиям (3) и (7) и сообщающих минимальное значение функционалу
J (ф)=1Я°-5
8Ф 8x
+ KA
8Ф 8y
Qw ^xdy
(10)
Пусть заданная область D представлена совокупностью М конечных элементов, каждый из которых имеет п узловых точек. Примем, что в пределах одного элемента справедливы соотношения:
W (x, y, t) = [ N (x, y)]W3 (t), Ф( x, y, t) = [ N (x, у)]Фэ (t)'
(11)
_ _ (12) жэ Фэ -
где э и э- векторы узловых значений соответствующих функции; ^(х,у)] - матрица функций формы конечного элемента.
Интеграл (10) с учетом зависимостей (11) и (12) принимает следующий вид:
w
2
2
D
2
Jэ (Ф) -JJ 0.5
dN ф
dx
\2
+кв
V
dN ф
dy ;
\2
dxdy-JJ Qw [ N ]ФЭ dxdy + JJ
д([ N Wэ)
dt
[ N ]ФЭ dxdy
Рассмотрим каждое слагаемое из зависимости (13) в отдельности
j(1) - IФ г |(т(Гпг~п
э 2 э | JjJ I dx dx
d[N]г d[N] кв d[N]г d[N] + K
j? =-Ф эг JJ Qw [N]rdxdy
D,
(15)
Jэз) -
Фэг ijj [ N ]г [ N jdxdyl-
dW dt
1— г — -T-—T dw
Jэ (Ф) = 1 Фэ [Л]э Фэ + Фэг^э + Фэг [S]э
2 dt
где
» -JJ(
d[N]' d[N] K edlNt d[N]
dx dx dy dy
dxdy
-T dW 1 -T - -T —
J (Ф) - Ф г [S ]-+ —Ф г [ H ]Ф + Ф TF
dt 2 ew (W)
dy dy
a
dxdy [>ФЭ
(13)
(14)
[S]-BS]э [H]-BhL
где м , м -суммарные мат-
рицы влагоемкости и жесткости всей системы элементов.
Минимальное значение функционала (21) достигается при условии
Ы (Ф) = 0
5Ф , (22)
откуда окончательно можно получить систему дифференциальных уравнений первого порядка
дЖ — -[Б ]-+ [ Н ]Ф + ¥ = 0
. (23)
M
(16)
Следуя правилам матричного анализа, для интеграла (13) в пределах конечного элемента можно получить:
(17)
(18)
dt
(19)
- матрица жесткости конечного элемента;
¥э ="Ц ш N ]Tdxdy
о,
- вектор свободных членов
[Б ], =Я [ N ]т [ N ^у
оэ (20)
- матрица влагоемкости элемента.
Для всей области D зависимость (17) окончательно принимает следующий вид:
Заметим, что система уравнений (23) легко решается методом Рунге - Кутта.
Для полноты описания решения исследуемой за- 0w (W)
дачи рассмотрим несколько зависимостей wV у и соответствующие им функции Ф^).
Наиболее простой зависимостью является условие
в (W) — в — const постоянства wV ' 0 . При этом получается
обычная линейная задача, которая может рассматриваться как частный случай уравнения (1).
Для данного условия из интеграла (4) имеем:
ew (W)-во; Ф^)-eo(W - Wo)
(24)
(21)
В работе А.В. Лыкова [3] указывается, что в некото-
°w (W)
рых случаях коэффициент wv у может аппроксимироваться следующей функцией
(1 - b1W )2
W - Wa
Ф(W) --^- W Wo
V ' (1 - bWo)(1 - biW)
(25)
где
a
b
экспериментальные коэффициенты.
Рассматривая передвижение жидкости при неполном водонасыщении, как движение по частично запол-
ненному капилляру, С.Ф. Аверьянов [1] получил выражение для коэффициента влагопроницаемости в зависимости от влажности. Используя эту зависимость для определения коэффициента влагопроводности, имеем:
eo(W) - a2
W - Wn
. 3.56
n - W
Ф(W)
a„
(W - Wo)
4.56
o У
4.56 (n - Wo):
,3.56
(26)
где
a
2
эмпирический коэффициент;
W
o
количество
прочносвязной влаги в среде; п - пористость среды.
На основе разработанной методики были решены модельные задачи определения полей влажности в многофазной грунтовой системе размерами 30х60м с выемкой трапециевидного сечения. Для учета нелинейности
влагосодержания грунтовой системы были использованы зависимости (26). Увлажнение проводилось по всей ширине дна выемки. При этом начальное влажностное поле равно: W0 =0.02. В силу симметрии ограничились половиной расчетной области. Результаты решения задач определения полей влажности в многофазной грунтовой среде приведены на рис. 1 и 2.
У
d
d
d
d
и
Рисунок 1. Влажностное поле в многофазной грунтовой среде: распределение влажности в расчетной области за
Кв
3 года, А = 3;
Рисунок 2. Влажностное поле в многофазной грунтовой среде: изменение влажности по глубине расчетной области.
В целом анализ результатов проведенных исследований по распределению полей влажности с учетом анизотропности влагопереноса позволяет сделать следующие выводы:
1. Использование интегральной подстановки (4) позволяет получить квазилинейное уравнение анизотропной влагопроницаемости, для которого сформулирован экстремальный принцип и получены все основные соотношения метода конечных элементов.
2. Квазилинеаризация уравнения влагопроницаемости позволила избежать итерационных алгоритмов решения и практически сравняла скорости решения нелинейных и линейных задач влагопереноса того же объема.
3. Основным преимуществом разработанной методики является возможность определения законо-
3.
4.
мерностей проницания структурных разновидностей влаги при инфильтрации на всем интервале неполного водонасыщения.
Учет нелинейности коэффициента влагопроводности позволяет существенно уточнить общий вид профиля влажности в многофазной грунтовой системе и скорость достижения предела проницания в среде.
Список литературы Аверьянов С.Ф. Зависимость водопроницаемости почво-грунтов от содержания в них воздуха. - Доклады АН СССР, 1949, т. 69, № 2. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. Пер. с англ. М.: Недра. 1974.
Лыков А.В. Тепломассообмен. - М.: Энергия, 1972. Лессовые породы СССР: Том 1. Инженерно-геологические особенности и проблемы рационального
использования / Под ред. Е.М. Сергеева, - М.: Недра, 1986.
5. Тер-Мартиросян З.Г. Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов. - М.: Недра, 1986.
6. Тедеев Т.Р. Основные принципы влагопроницаемо-сти. Владикавказ: Труды СКГТУ, 1998.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН «ФИБАН»
Трещалин Михаил Юрьевич
доктор техн. наук, профессор, Московский государственный университет, имени М.В. Ломоносова,
г. Москва
Трещалин Юрий Михайлович
кандидат техн. наук, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва.
EXPERIMENTAL STUDIES OF SAMPLES OF COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIS OF NONWOVENS "FIBAN" Treschalin Michail, doctor of technical sciences, professor. Moscow state University, Moscow Treschalin Yuri, candidate of technical sciences, Moscow state University, Moscow АННОТАЦИЯ
В статье изложены результаты исследований композиционных материалов изготовленных на основе нетканых полотен «ФИБАН». В результате установлено, что использование нетканых полотен «ФИБАН» не целесообразно для создания композиционных материалов, что связано с высокой хрупкость изделий. ABSTRACT
In article results of research of composite materials fabricated on the basis of nonwovens "FIBAN". The results revealed that the use of nonwoven fabrics "FIBAN" it is not advisable to create composite materials, due to the high fragility of the products.
Ключевые слова: композит, нетканый материал «ФИБАН», хрупкость, изгиб, разрушение. Keywords: composite nonwoven material "FIBAN", fragility, bending, fracture.
С цель оценки возможности увеличения прочностных характеристик, проведены исследования образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен «Фибан».
Волокнистые аниониты «ФИБАН», полученные путем полимераналогичных превращений полиакрилнит-рильных волокон с радиационной сополимеризацией функциональных групп в Институте физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси, представляют собой материалы на основе волокон полипропилена или полиакрилонитрила с анионообменными группами различной силы.
Эти материалы предназначены для очистки воздуха от газообразных и аэрозольных примесей кислого (диоксид серы, HF, HCl, HBr, аэрозоли кислот, летучих кислых органических соединений) в вентиляционных системах, изоляции газовыделяющих аппаратов, в средствах индивидуальной защиты органов дыхания и т.п. Они зарекомендовали себя в качестве эффективных сорбентов формальдегида, нитрат-, фторид- и других анионов из водных сред [1 - 3].
Описание используемых в качестве основы образцов нетканых полотен «ФИБАН» (рис. 1) приведены в табл. 1.
Рис. 1. Образцы нетканых полотен «ФИБАН». Описание нетканых полотен «ФИБАН»
Таблица 1
№ образа Характеристика нетканого полотна
Ф1 ФИБАН АК-22 Поверхностная плотность - 200 г/м2 Функциональная группа: - NH2, = NH, -COOH Ионная форма: смешанная (С1-, H+,Ca2+, Mg 2+) Обменная емкость в С1-, H+ - форме: - по амино - 4,2 мг-экв/г; - по -COOH - 1,1 мг-экв/г.
