CC BY
10СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 4 (63). С. 69-76. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 4 (63). Р. 69-76.
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья УДК 656.2
doi 10.52170/1815-9265_2022_63_69
Климатическая камера для проведения испытаний на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах
Виктор Анатольеви ч Макаро в
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Санкт-Петербург, Россия, mv1254143@gmail.com
Анн от ация. В статье описана климатическая камера для проведения испытаний строительных конструкций на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах окон и дверей вагонов поездов и транспортных объектов (в том числе для определения ресурса работоспособности), которая может быть использована в различных отраслях промышленности, преимущественно в транспортном машиностроении и в строительной индустрии при испытаниях окон и дверей для жилых, общественных, производственных и вспомогательных зданий и помещений.
В отличие от известных аналогов данная климатическая камера позволяет проводить испытания на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах как внутри, так и снаружи помещений в условиях, практически приближенных к реальным, что дает возможность существенно повысить надежность и долговечность ограждающих конструкций.
Ключ евые слова: надежность, переменное давление, определение прочности, климатическая камера, климатические испытания
Для цитиро вания : Макаров В. А. Климатическая камера для проведения испытаний на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 4 (63). С. 69-76. DOI 10.52170/1815-9265_2022_63_69.
BUILDING AND ARCHITECTURE
Original article
Climatic chamber for testing resistance to variable pressure at specified temperature conditions
Victor A. Makarov
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, St. Petersburg, Russia, mv1254143@gmail.com
Abstrac t. The article describes a climatic chamber for testing building structures for resistance to variable pressure at given temperature conditions of windows and doors, including for determining the service life, and can be used in various industries, mainly in transport engineering and in the construction industry during testing windows and doors for residential, public, industrial and auxiliary buildings and premises.
In contrast to known analogues, a climatic chamber is described for testing resistance to variable pressure at specified temperature conditions for testing windows of train cars and transport facilities, which allows testing for resistance to variable pressure at specified temperature conditions both inside and outside the premises. Keywords : reliability, variable pressure, determination of strength, climatic chamber, climatic tests For citation: Makarov V. A. Climatic chamber for testing resistance to variable pressure at specified temperature conditions. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(63):69-76. (In Russ.). DOI 10.52170/1815-9265 2022 63 69.
© Макаров В. А., 2022
Введение
Актуальность разработки климатической камеры для проведения испытаний на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах [1] обосновывается тем, что основным свойством современных окон, устанавливаемых в вагонах поездов и в строительных конструкциях, расположенных вблизи транспортных объектов, является стойкость к переменному давлению, которое возникает в момент прохождения транспорта вблизи строительных конструкций, прохождения тоннеля или расхождения транспортных потоков встречных направлений [2-4].
В условиях возрастания скорости движения транспорта повышение стойкости к переменному давлению при заданных температурных режимах является очень важным испытанием, так как при увеличении скорости движения увеличивается и величина переменного давления, воздействующего на окна строительных конструкций и объектов транспорта, что может привести к разрушению окон, а также травмированию пассажиров и обслуживающего персонала [5, 6].
В конструкциях окон современных вагонов поездов и транспортных объектов [7-11] используются различные материалы, прочностные характеристики которых изменяются в зависимости от температуры [12-15]. Поэтому необходимо производить испытания на стойкость переменному давлению в различных температурных режимах. К примеру, резиновые уплотнения окон вагонов поездов и транспортных объектов могут пройти испытания на стойкость к переменному давлению при нормальных климатических условиях (термин «нормальные климатические условия» подробно описан в ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения»). Однако при понижении температуры происходит уменьшение подвижности полимерных цепей, что приводит к уменьшению эластичности резиновых изделий, входящих в состав оконного блока. Другими словами, при многократно повторяющихся циклах воздействия переменного давления на испытуемые оконные блоки вагонов поездов и транспортных объектов в условиях пониженных температур наблюда-
ется появление трещин в резиновых изделиях, входящих в состав оконных блоков; резиновые уплотнения разрушаются и перестают выполнять свою функцию, что впоследствии может привести к полному разрушению остекления оконного блока и травмированию пассажиров и обслуживающего персонала [16].
При повышении температуры также происходит ухудшение прочностных характеристик резиновых уплотнений, входящих в состав оконного блока. Резиновые изделия становятся более пластичными, что может привести к выпадению остекления оконного блока и травмированию пассажиров. Так как использование оконных блоков на железнодорожном транспорте и транспортных объектах предполагает эксплуатацию в температурных режимах от -50 до +50 °С, то и испытание этих изделий на воздействие переменного давления необходимо проводить при данных температурных значениях, при этом следует имитировать температурные режимы как снаружи, так и внутри вагона.
Известные методы климатических испытаний боковых окон железнодорожного подвижного состава включают в себя испытания на воздействие:
- верхнего значения температуры среды при эксплуатации;
- нижнего значения температуры среды при эксплуатации;
- влажности воздуха.
Существующий способ проведения климатических испытаний не имитирует работу окон вагонов поездов и транспортных объектов в реальных условиях по следующим причинам:
1. Во время проведения испытаний на окна воздействуют только климатические факторы, а в реальных условиях, помимо температуры и влажности, добавляется переменное давление. Если проводить испытания на динамическое давление при нормальных климатических условиях, то испытуемое окно и резиновые уплотнения в его составе могут пройти испытания, а в реальных условиях при одновременном воздействии температуры и динамического давления резиновые уплотнения, использующиеся в окнах, могут менять свою характеристики, а именно «дубеть» при низких температурах и быть более пластичными
при высоких. Если при этом на окно не воздействуют механически, имитируя переменное давление, характерное для прохождения тоннелей или расхождения поездов, то оно может считаться прошедшим испытания. Но в реальных условиях окна поезда могут разрушиться в связи с деформацией резиновых уплотнений в составе окна. Так же может случиться и при высоких температурах. При воздействии высоких температур резиновые уплотнения становятся более пластичными, что при воздействии переменного давления может привести к выдавливанию остекления и последующему разрушению окон.
2. Во время прохождения климатических испытаний на окно действует одинаковая температура, что не характерно для реальных условий, при которых температура различается внутри и снаружи помещений. Согласно СП 2.5.1198-03, температура воздуха в помещениях в зимнее время должна поддерживаться на уровне (22 ± 2) °С, а в летнее время (для помещений с установками для кондиционирования воздуха) при внешней температуре 24-40 °С - 22-26 °С.
В связи с тем что на окно действуют разные температурные режимы внутри и снаружи помещений, также возможны деформации и разрушения составляющих частей окна.
Недостатком известного метода испытаний является невозможность проводить климатические испытания при воздействии переменного давления, а также имитировать различные температурные режимы внутри и снаружи помещений, что не позволяет оценить работу окон и дверей при работе в реальных условиях. В связи с этим данный метод испытаний не подходит для проведения испытаний окон [17]. Для имитации реальных процессов необходимо во время проведения климатических испытаний не только оказывать переменное давление на окна, имитируя прохождение транспортом тоннеля или расхождение транспортных потоков встречных направлений, но и выдерживать заданные температурные режимы, характерные для помещений и окружающей среды. Существующие климатические камеры не имеют такой возможности.
Описанная в данной статье климатическая камера для проведения испытаний окон ваго-
нов поездов и транспортных объектов на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах [1] позволяет проводить испытания при воздействии переменного динамического давления в заданных температурных режимах, характерных для использования окон, установленных в движущихся объектах (например, в зданиях, расположенных вблизи транспортных объектов или в высокоскоростном наземном транспортном средстве). Использование описанной в статье климатической камеры позволит расширить состав существующих испытаний, а следовательно, изготавливать окна, стойкие к переменным аэродинамическим нагрузкам в заданных температурных режимах, что в конечном счете положительно отразится на повышении безопасности.
Материалы и методы исследования
Климатическая камера для проведения испытаний на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах [1] позволяет производить испытания при воздействии переменного аэродинамического давления в заданных температурных режимах, характерных для использования окон и дверей жилых, общественных, производственных и вспомогательных зданий и помещений.
Климатическая камера (рис. 1) содержит основание 1, на котором установлены операторский 2, среднетемпературный 3 и низкотемпературный 4 отсеки, оборудованные установками для создания климатических режимов и аппаратурой для регистрации темпе-ратурно-влажностных параметров; в низкотемпературном отсеке камеры установлена рама 5 с возможностью возвратно-поступательного движения относительно каркаса для крепления испытуемого изделия 6, установленного между средне- и низкотемпературным отсеками посредством гидропривода 7; дополнительно содержит установленный на основании электродвигатель с регулятором напряжения 8, связанный посредством гидропривода 7 с рамой 5, на которой установлен датчик импульсов, электрически связанный со счетчиком циклов 9 в операторском отсеке 2.
Для получения достоверных результатов испытаний необходимо установить испытуемое окно в каркас, полностью имитирующий
Рис. 1. Климатическая камера: 1 - основание; 2 - операторский отсек; 3 - среднетемпературный отсек; 4 - низкотемпературный/высокотемпературный отсек; 5 - рама с возможностью возвратно-поступательного движения; 6 - каркас для крепления испытуемого изделия; 7 - гидропривод; 8 - электродвигатель с регулятором напряжения; 9 - счетчик циклов;
10 - пульт управления
крепление в реальных условиях. Если необходимо произвести испытания не одного окна, а вместе с частью ограждающей конструкции, то следует изготовить каркас, не только имитирующий крепление окна в проеме вагона, но и часть ограждающей конструкции с термоизоляцией.
Испытуемое окно в каркасе устанавливается не только с аналогичными используемым в реальности крепежными элементами, но и с теплоизолирующими материалами с такими же свойствами (рис. 2), как и у используемых в строительных конструкциях, на которые планируется установка испытуемых окон.
В качестве основания 1 может быть использован пол производственного помещения либо отдельная конструкция, например плита или рама, как показано на рис. 1.
Камера состоит из операторского отсека 2, среднетемпературного отсека 3, низкотемпературного отсека 4. Необходимая температура в низкотемпературном отсеке 4 поддержива-
ется за счет низкотемпературной компрессорной установки. Также в низкотемпературном отсеке 4 расположен воздухоохладитель низкотемпературной установки, клапан для выравнивания давления и дверь. В среднетемпе-ратурном отсеке 3 размещается аппаратура для съема и передачи данных, оборудование для создания и поддержания климатических условий при проведении испытаний. С целью исключения влияния оператора на процесс испытаний операторский отсек 2 оснащен пультом управления 10 и аппаратурой для контроля за ходом проведения лабораторных испытаний.
Поддержание и фиксирование необходимой температуры внутри отсеков камеры происходит с помощью установок для создания климатических режимов и аппаратуры для регистрации температурно-влажностных параметров. Таким образом, можно проводить теплотехнические испытания, как в стандартных камерах.
Рис. 2. Испытуемое окно в каркасе с теплоизолирующим материалом
При необходимости проведения теплотехнических испытаний под воздействием переменного динамического давления необходимо также вставить испытуемое изделие в каркас 6, который устанавливается в проем между сред-нетемпературным 4 и низкотемпературным 3 отсеками так, чтобы имитировалась установка изделия в штатную конструкцию. Подвижная рама 5 низкотемпературного отсека 4 климатический камеры приводится в движение с помощью гидропривода 7. Шток гидроцилиндра через шланги соединен с гидрораспределителем и гидронасосом гидропривода. Гидронасос соединен с электродвигателем 8, баком, предохранительным и обратным клапанами. Электродвигатель 8 электрически соединен с пультом управления, установленным внутри операторского отсека.
При проведении теплотехнических испытаний под воздействием переменного динамического давления климатическая камера [1] работает следующем образом. При помощи пульта управления, расположенного внутри
операторского отсека 2 климатической камеры, включается в электродвигатель 8. Он приводит в движение гидронасос системы гидропривода 7, который при помощи жидкости из бака через шланги и распределитель приводит в возвратно-поступательное движение шток поршня гидроцилиндра. Для безопасной работы в гидроприводе 7 имеются предохранительный и обратный клапаны. Шток гидроцилиндра соединен с подвижной рамой 5 низкотемпературного отсека 4 климатической камеры. При возвратно-поступательном движении штока приводится в движение подвижная рама 5 низкотемпературного отсека 4 климатической камеры, при этом создается переменное давление внутри низкотемпературного отсека 4 климатической камеры, что имитирует разряжение либо избыточное давление, создаваемое при прохождении поездами тоннелей или расхождении поездов встречных направлений.
Величина создаваемого давления и разряжения внутри камеры зависит от смещения
рамы 5 низкотемпературного отсека 4, таким образом можно имитировать различные скоростные режимы поездов, поскольку величина переменного динамического давления зависит от скорости движения поездов. Также допускается изменение скорости возвратно-поступательного движения рамы 5 с помощью регулятора напряжения электродвигателя 8 и гидропривода 7. Количество циклов перемещений рамы 5 фиксируется датчиком импульсов 9 и отображается на счетчике циклов.
Таким образом, можно отслеживать изменения испытуемых изделий в зависимости от температуры и количества циклов нагрузки, а следовательно и проводить теплотехнические испытания окон и дверей при воздействии переменного динамического давления в различных температурных режимах, характерных для окон и дверей движущихся объектов, например высокоскоростного наземного транспорта, движущегося в различных температурных режимах.
Тем самым был достигнут технический результат и расширен функционал возможностей климатической камеры за счет проведения теплотехнических испытаний в различных температурных режимах при воздействии переменного давления на испытуемое изделие.
Результаты исследования
С помощью описанной климатической камеры были проведены испытания комплекта окон вагонов поездов и транспортных объектов на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах. Воздействие переменного давления на испытуемые окна производилось при имитации климатической камерой воздействия:
- верхнего значения температуры среды при эксплуатации;
- нижнего значения температуры среды при эксплуатации;
- влажности воздуха при эксплуатации.
В ходе проведения перечисленных испытаний были выявлены следующие недостатки существующих конструктивных решений испытуемых окон:
- недостаточные теплоизолирующие свойства ввиду полного промерзания стеклопакета. Температура на поверхности испытуемого окна внутри среднетемпературного отсека камеры опустилась ниже допустимых пределов, что
свидетельствует о низких теплоизоляционных свойствах испытуемого изделия;
- полное разрушение стеклопакета с выпадением его из конструкции испытуемого окна, что свидетельствует о низкой прочности стек-лопакета, используемого в конструкции испытуемого изделия;
- «дубение» резиновых уплотнений при воздействии низких температур и переменного давления с образованием трещин в местах склеивания;
- нарушение герметичности стеклопакета с образованием влаги внутри стеклопакета при проведении испытания на воздействие влажности воздуха;
- разрушение клея-герметика в местах соединений, которое информирует о необходимости замены используемых в конструкции клеевых составов;
- разрушение механизма закрытия форточки и деформация резиновых уплотнений, указывающие на недостаточную прочность механизмов и невозможность использования данного механизма в окнах вагонов поездов и транспортных объектов.
После выявления недостатков, свойственных существующим конструктивным решениям испытуемых окон вагонов поездов и транспортных объектов, были произведены замены поставщиков стеклопакетов и резиновых уплотнений, стали использоваться другие составы для склеивания и герметизации, а также были внесены изменения в конструкцию окон.
Выводы
В данной статье рассмотрена климатическая камера для проведения испытаний окон вагонов поездов и транспортных объектов на стойкость к переменному давлению при заданных температурных режимах [1]. В отличие от существующих климатических камер и методов испытаний на них, описанная в данной статье климатическая камера дополнительно предусматривает возможность проведения климатических испытаний при воздействии переменного аэродинамического давления при заданных температурных режимах и дает возможность отслеживать изменения испытуемых изделий в зависимости от температуры и количества циклов нагрузки, а следовательно и проводить теплотехнические ис-
пытания окон и дверей при воздействии переменного аэродинамического давления в различных температурных режимах, характерных для использования окон и дверей вблизи движущихся объектов и на транспорте, движущемся в различных температурных режимах, вследствие чего повысится безопасность нахождения людей в зданиях и высокоскоростном наземном транспорте.
После проведения испытаний и выявления недостатков существующих конструктивных решений испытуемых окон вагонов поездов и транспортных объектов были произведены замены поставщиков стеклопакетов и резиновых уплотнений, стали использоваться другие составы для склеивания и герметизации, были внесены изменения в конструкцию окон.
Список источников
1. Патент на полезную модель № 182624 Российская Федерация, МПК G01N 25/58 (2006.01). Стенд для испытаний на надежность окон и дверей : № 2018117084 : заявл. 07.05.2018 : опубл. 24.08.2018 / Макаров В. А., Бороненко Ю. П. ; заявитель ПГУПС. 7 с.
2. Лопушинский В. И. Сопротивление паровозов и вагонов в движении и действии паровой машины паровоза на основании динамометрических и индикаторных опытов, проведенных в 1877-1879 гг. на Мор-шанско-Сызраньской железной дороге. Санкт-Петербург : Типография Министерства путей сообщения (А. Бенке), 1883. 152 с.
3. Астахов П. Н. Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава // Труды ЦНИИ МПС. Москва : Транспорт, 1966. Вып. 311. 178 с.
4. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. Москва : Физматлит, 2008. 368 с.
5. Аэродинамика тел при движении в тоннелях (стволах шахт) : отчет о НИР / Петербургский государственный университет путей сообщения ; руководитель И. И. Челноков. № ГР 75046741. СПб., 2005. 98 с.
6. Романенко Г. А., Сюзюмова Е. И. Исследования аэродинамического сопротивления скоростных поездов // Некоторые вопросы экспериментальной аэродинамики. 1973. Вып. 24. С. 110-118.
7. Лазаренко Ю. М., Капустин А. Н. Аэродинамическое воздействие высокоскоростного электропоезда «Сапсан» на пассажиров на платформах и на встречные поезда при скрещении // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2012. № 4. С. 11-14.
8. Чурков Н. А. Аэродинамика железнодорожного поезда. Москва : Желдориздат, 2007. 332 с.
9. Soper D. The aerodynamics of a container freight train // University of Birmingham Research Archive. 2014. 371 p.
10. Mohammad A. R., Mohebbi M. Numerical calculations of aerodynamic performance for ATM train at crosswind conditions // Wind and Structures. 2014. Vol. 18. P. 529-548.
11. Сидоров О. А., Смердин А. Н., Чепурко А. Е. Применение CFD-метода для определения аэродинамических сил токоприемника и его аэродинамического устройства // Электрификация транспорта. 2013. № 6. С. 113-119.
12. Flow structures in the near wake of the Ahmed model / G. Vino, S. Watkins, P Mousley, J. Watmuff, S. Prasad // Journal of Fluids and Structures. 2005. Vol. 20. P. 673-695.
13. Schulte-Werning B., Heine C., Matschke G. Unsteady wake characteristics of high speed trains // PAMM Proceedings Applied Maths and Mechanics. 2003. Vol. 2. Р. 332-333.
14. Сюзюмова Е. М., Романенко Г. А. Оценка количественных и качественных характеристик воздушного сопротивления скоростного поезда // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 1978. № 4. С. 31-34.
15. Spalart P. R. Strategies for turbulence modeling and simulations // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2000. Vol. 21. Р. 252-263.
16. The slipstream and wake of a high speed train / C. J. Baker, S. J. Dalley, T. Johnson, A. Quinn, N. G. Wright // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F Journal of Rail and Rapid Transit. 2001. Р. 83-99.
17. Piomelli U., Balaras E. Wall-layer models for large-eddy simulations // Annual review of fluid mechanics. 2002. Vol. 34. Р. 349-374.
References
1. Makarov V. A., Boronenko Yu. P.; applicant Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University. Utility model patent No. 182624 Russian Federation, IPC G01N 25/58 (2006.01). Test bench for reliability of windows and doors: No. 2018117084: application 07.05.2018: publ. 24.08.2018. 7 p. (In Russ.).
2. Lopushinsky V. I. Resistance of steam locomotives and wagons in motion and operation of a steam engine of a steam locomotive based on dynamometric and indicator experiments conducted in 1877-1879 on the Morshan-Syzran railway. St. Petersburg: Printing House of the Ministry of Railways named A. Behnke; 1883. 152 p. (In Russ.).
3. Astakhov P. N. Resistance to the movement of railway rolling stock. Proceedings of the Central Research Institute of the Ministry of Railways. Moscow: Transport; 1966. Issue. 311. 178 p. (In Russ.).
4. Volkov K. N., Emelyanov V. N. Modeling of large eddies in the calculations of turbulent flows. Moscow: Fizmatlit; 2008. 368 p. (In Russ.).
5. Aerodynamics of bodies when moving in tunnels (mine shafts): research report. St. Petersburg State University of Railway Engineering; head I. I. Chelnokov. N GR 75046741. St. Petersburg; 2005. 98 p. (In Russ.).
6. Romanenko G. A., Syuzyumova E. I. Studies of the aerodynamic resistance of high-speed trains. Some questions of experimental aerodynamics. 1973. Issue. 24. Р. 110-118. (In Russ.).
7. Lazarenko Yu. M., Kapustin A. N. Aerodynamic impact of the Sapsan high-speed electric train on passengers on platforms and on oncoming trains when crossing. Bulletin of the Research Institute of Railway Transport. 2012;(4):11-14. (In Russ.).
8. Churkov N. A. Aerodynamics of a railway train. Moscow: Zheldorizdat; 2007. 332 p. (In Russ.).
9. Soper D. The aerodynamics of a container freight train. University of Birmingham Research Archive. 2014. 371 р.
10. Mohammad A. R., Mohebbi M. Numerical calculations of aerodynamic performance for ATM train at crosswind conditions. Wind and Structures. 2014;18:529-548.
11. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Chepurko A. E. Application of the CFD method to determine the aerodynamic forces of the pantograph and its aerodynamic device. Electrification of transport. 2013;(6):113-119. (In Russ.).
12. Vino G., Watkins S., Mousley P., Watmuff J., Prasad S. Flow structures in the near wake of the Ahmed model. Journal of Fluids and Structures. 2005;20:673-695.
13. Schulte-Werning B., Heine C., Matschke G. Unsteady wake characteristics of high speed trains. PAMM Proceedings Applied Maths and Mechanics. 2003;2:332-333.
14. Syuzyumova E. M., Romanenko G. A. Evaluation of the quantitative and qualitative characteristics of the air resistance of a high-speed train. Bulletin of the Research Institute of Railway Transport. 1978;(4):31-34. (In Russ.).
15. Spalart P. R. Strategies for turbulence modeling and simulations. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2000;21:252-263.
16. Baker C. J., Dalley S. J., Johnson T., Quinn A., Wright N. G. The slipstream and wake of a high speed train.
Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers. Part F Journal ofRail and Rapid Transit. 2001. P. 83-99.
17. Piomelli U., Balaras E. Wall-layer models for large-eddy simulations. Annual review of fluid mechanics. 2002;34:349-374.
Информация об авт оре
В. А. Макаров - аспирант, ассистент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I.
Information about the author
V. A. Makarov - Postgraduate Student, Assistant of the Wagons and Carriage Economy Department, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University.
Статья поступила в редакцию 22.03.2022; одобрена после рецензирования 20.04.2022; принята к публикации 03.10.2022.
The article was submitted 22.03.2022; approved after reviewing 20.04.2022; accepted for publication 03.10.2022.
