Метод оценки динамических нагрузок, действующих на рабочие органы инженерных средств, при выполнении аварийно-спасательных работ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

/16 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 3 (53) УДК 62-97/-98

Метод оценки динамических нагрузок, действующих на рабочие органы инженерных средств, при выполнении аварийно-спасательных работ

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2017

В.В. Овчинников, Д.В. Баев, С.Г. Жесткова

Аннотация

Предложен метод оценки динамических нагрузок для поддержания работоспособного состояния инженерной техники, применяемой при ликвидации чрезвычайных ситуаций. Метод основан на том, что коэффициент жесткости упругого элемента (в расчетной схеме) должен быть, при действии одинаковых нагрузок, равен значению деформации элементов машины. Коэффициент жесткости такого «эквивалентного» упругого элемента определен теоретически из условия, что при действии одинаковых нагрузок потенциальные энергии деформаций упругого элемента и элементов машины равны.

Ключевые слова: аварийно-спасательные работы; динамические нагрузки; коэффициент жесткости конструкции; коэффициент жесткости преград; путепрокладочные средства; демпфирующее устройство.

The Method for Estimating the Dynamic Loads Acting on Working Bodies of Engineering Equipment in Rescue Operations

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2017

V. Ovchinnikov, D. Baev, S. Zhestkova

Abstract

The proposed method for estimating dynamic loads is intended to support the operability of engineering equipment used in emergency response. The method is based on the fact that under identical loads the stiffness coefficient of an elastic element (in the computational model) should be equal to the deformation of the machine elements. The stiffness coefficient of such 'equivalent' resilient element can be theoretically determined from the assumption that under same loads the potential energies of deformation of the resilient element and the machine structure are equal.

Key words: rescue operations; dynamic loads; structural stiffness coefficient; stiffness coefficient of obstacles; track-laying equipment; damper device.

Ликвидация чрезвычайных ситуаций (далее— ЧС), связанных с разрушением зданий и сооружений, предполагает проведение аварийно-спасательных и других неотложных работ (далее—АСиДНР), отличительной особенностью которых является то, что они выполняются, в основном, в крайне неблагоприятных внешних условиях, в сжатые сроки, с высокой эффективностью и привлечением значительных сил и средств. При данных ЧС, для организации и проведения АСиДНР, доставки сил и средств, а также эвакуации пострадавших применяются различные инженерные средства и в первую очередь инженерные машины разборки завалов, экскаваторы со сменным рабочим оборудованием, землеройные машины и путепрокладчики.

Техника, стоящая на вооружении в частях инженерных войск, соответствует своему предназначению, и применение ее в современных условиях актуально. Поддержание работоспособного состояния инженерных машин является сложной задачей из-за отсутствия запасных частей на месте ЧС, тяжелых условий работы. Одно из направлений поддержания работоспособного состояния инженерной техники—модернизация систем приводов ее рабочего оборудования.

При выполнении АСиДНР имеют место частые встречи рабочего органа (манипулятор, отвал и др.) инженерной машины (машины разборки завалов, экскаваторы со сменным рабочим оборудованием, землеройные машины и путепрокладчики) с различными преградами в грунтах и завалах. К числу таких преград относятся: фундаменты разрушенных зданий и сооружений, камни различных размеров, массивы мерзлого грунта и т.д. В результате данного столкновения происходит резкое замедление рабочего органа инженерной машины и как результат—возникновение и действие на его конструкцию динамических (инерционных) нагрузок. Часто динамические нагрузки по своей величине значительно превосходят максимально допустимые расчетные нагрузки для инженерных машин, что вызывает их поломки.

Таким образом, для решения ряда практических вопросов, часто встающих при ведении АСиДНР, необходимо получить зависимости для определения динамической нагрузки, возникающей при поступательном движении рабочего органа таких инженерных машин как путепроводчики, бульдозеры, инженерные машины разграждения и др.

Эти зависимости могут быть использованы при проектировании новых машин, так как все необходимые для расчетов величины могут быть определены расчетным путем, за исключением коэффициента суммарной жесткости.

Любую инженерную машину в расчетных схемах, в первом приближении, можно представить в виде сосредоточенной массы и упругого элемента (демпфера, пружины). Жесткость этого демпфера должна быть такой, чтобы при действии одинаковых нагрузок конструкция машины и заменяющий ее в расчетной схеме демпфер деформировались на одинаковую величину.

Коэффициент жесткости такого «эквивалентного» демпфера может быть определен из условия, что при действии одинаковых нагрузок потенциальные энергии деформаций упругого элемента и конструкции машины равны.

Значительное влияние на надежность трансмиссии инженерных машин оказывают динамические нагрузки, возникающие при встрече рабочего органа машины с препятствием.

Расчетная схема удара рабочего органа инженерной машины о непреодолимую преграду представлена на рис.

Рис. Расчетная схема удара рабочего органа инженерной машины о непреодолимую преграду, где (т1 — масса преграды, кг; т2 — масса конструкции машины, кг; 90 — начальная скорость удара машины в преграду, см/с; г0 — коэффициент суммарной жесткости конструкции машины и преграды)

На рис. масса преграды (да1) при различных грунтах, элементах завала и других условиях работы может быть от 0 до ® кг. При значительной массе преграды (т1 ^ да), высоком коэффициенте суммарной жесткости конструкции машины и преграды (г0), большой начальной скорости удара машины в преграду (#„), и полной массе конструкции машины (т2) возникают динамические нагрузки, действующие на конструкцию рабочего органа машины и значительно превосходящие максимально допустимые расчетные нагрузки. При данных условиях работы наиболее вероятно нарушение работоспособности инженерных машин, простой на рабочем месте других сил и средств ведения АСиДНР, и, как следствие, увеличение количества пострадавших и невыполнение графика работ по ликвидации ЧС.

При встречных ударах о преграду рабочего органа инженерной машины, как правило до его остановки наступает полное буксование гусениц машины или ведущих колес. В этом случае на отвал рабочего органа будет передаваться инерционная сила от поступательно движущейся массы машины и избыточная сила тяги по сцеплению, то есть:

Р = р + ризб тах ин.тах сц '

(1)

где

Р — сила, поступающая на рабочий орган инженерной машины, кг;

Р — инерционная сила от поступательно дви-

ин.тах А ^

жущейся массы машины, кг;

Ршб—избыточная сила тяги по сцеплению, кг.

9

0

/18 См! SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, N0. 3 (53)

В свою очередь, избыточная сила тяги по сцеплению:

С = ТсЧ-КБ =Ф- ■• (f сов £±&ш£), кг, (2) где

Т — сила тяги базовой машины по сцеплению,

сц

кг;

RБ—сопротивление передвижению базовой машины, кг;

Ф — коэффициент сцепления гусениц или колес с грунтом;

G0—полный вес машины, кг; С — угол уклона местности, град; f — коэффициент сопротивления передвижению базовой машины.

Максимальная инерционная нагрузка, действующая на рабочий орган:

(3)

где

#0—начальная скорость удара машины в преграду, см/с;

г0—коэффициент суммарной жесткости конструкции машины и преграды, кг/см;

т — масса машины, кг.

□ ^

Как видно из (3), сила инерции от поступательно движущейся массы машины Р зависит от скорости, массы инженерной машины и суммарной жесткости ее корпуса, а также рабочего органа, оборудования и преграды. Причем инерционная сила может превышать тяговое усилие в 2-5 раз, и возникает вероятность деформации корпуса машины, нарушения центровки узлов и механизмов ее ходовой части.

Рабочая скорость 90 обычно задается на основе тактико-технических требований к машине, а масса машины определяется, как:

ё

-, кг,

(4)

где g = 9,81 — гравитационная постоянная.

Поэтому снижение динамических нагрузок на рабочий орган во многих случаях может быть достигнуто за счет введения в его конструкцию демпфирующих устройств, снижающих жесткость конструкции рамы рабочего органа и способных «гасить» пиковые нагрузки. В то же время, для прочностных расчетов необходимо знать максимальную нагрузку, действующую на рабочий орган. Для этого необходимо подставить значения формул (2) и (3) в формулу (1):

Ртах = ЗоуГГт + 9 С0 • соэ£ - ОД сс^С ± sin£ ),кг, (5)

Таким образом, получены зависимости для определения динамической нагрузки, возникающей при поступательном движении рабочего органа таких

инженерных машин как путепроводчики, бульдозеры, инженерные машины разграждения и др.

Приведенные формулы могут быть использованы при проектировании новых машин, так как все величины, входящие в эти формулы, могут быть определены расчетным путем, за исключением коэффициента суммарной жесткости.

Коэффициент суммарной жесткости определяется из соотношения:

(6)

где

г — коэффициент жесткости препятствия; г2—коэффициент жесткости металлоконструкций рабочего органа.

В большинстве случаев из-за сложности физических явлений, происходящих при взаимодействии рабочего органа с преградой, теоретическое определение коэффициентов жесткости различных преград крайне затруднено.

Ввиду этого, для наиболее распространенных преград были проведены экспериментальные исследования на полигоне Военно-инженерной академии под руководством начальника кафедры машин инженерного вооружения доктора технических наук профессора Н. В. Федотова по определению коэффициентов жесткости различных преград.

Коэффициенты жесткости преград, по данным профессора Н. Ф. Федотова [2], представлены в таблице.

В рамках теории живучести инженерно-технических средств обеспечения АСиДНР идет процесс формирования системы показателей живучести. В общем случае под живучестью несущих конструкций понимаются их свойства сохранять в течение заданного времени работоспособность при наличии повреждений различной природы [3]. Источниками живучести являются: физико-механические свойства материалов сопротивляться разрушению;

запасы прочности, определяющие напряженно-деформированное состояние,

структурная избыточность и резервирование элементов.

Для данного случая представляют интерес—режимы функционирования конструкции за пределами номинальных условий работы.

Во-первых, это режим инициирования аварийной ситуации, кратковременный по длительности, в течение которого проектные параметры конструкции выходят за пределы допустимых значений.

Во-вторых, режим возможного развития аварийной ситуации может быть произвольной длительности, в течение которого происходит деградация конструкции до полной потери ею прочности, несущей способности и конструктивной целостности.

Целесообразно при проектировании в качестве вероятной ситуации рассматривать последовательное разрушение одного или нескольких несущих

Г0 =

т0 =

Таблица

Коэффициенты жесткости преград

Вид преграды Коэффициент жесткости r , кг/см Удельный коэффициент жесткости —, кг/см2 F

Массив мерзлого грунта, неповоротный отвал Ь = 125 см, заглубляется под углом £ = 60° 2360 Не определяется

Сосновая свая с заделкой нижнего конца. Удар отвалом на высоте 15 см от заделки. Диаметр сваи 30 см 1730 2,45

Кирпичный столб шириной Ь = 65 см, с площадью поперечного сечения F = 3900 см2.Удар отвалом на высоте 15 см от заделки 18150 4,65

Камень (гранит) - массив шириной Ь = 50 см. Удар отвалом при £ = 60° 130000 Не определяется

элементов рабочего органа. Расчеты проводить последовательно. Это дает возможность на этапе проектирования рассмотреть возможные сценарии развития аварийной ситуации и исключить возникновение «эффекта домино». Целесообразно также в конструкцию рабочего органа вводить демпфирующее устройство для сглаживания пиковых нагрузок на машину.

При проведении расчетов возникает необходимость многократного повторения опытов в одинаковых условиях, а также при различных начальных данных (различные варианты машин, преград, значения коэффициентов, скоростей и масс). При этом возможно проведение машинных экспериментов с использованием моделей выполнения аварийно-спасательных работ, построенных в программах для имитационного моделирования (Any Logic, Net Logo, Jason и др.).

Преимуществом данного подхода является не только снижение затрат на проведение экспериментов, но и возможность построения 3-D моделей процесса проведения работ, позволяющих более точно оценить результаты моделирования.

Практическая значимость изложенных в данной статье материалов обусловливается тем, что предложенный метод динамических нагрузок позволяет повысить показатели живучести инженерных машин за счет введения в их конструкцию демпфирующих устройств, снижающих жесткость конструкции рамы рабочего органа машин.

Кроме того, возникает возможность еще на этапе проектирования рассмотреть вероятные сценарии развития аварийной ситуации и исключить возникновение «эффекта домино». Это повышает практическую значимость проведенных исследований для МЧС России.

Литература

1. Тараканов Н. Д., Овчинников В. В. Комплексная механизация спасательных и неотложных аварийно-восстановительных работ. М.: Энергоатомиздат, 1984. 304 с.

2. Николаев В. Н., Федотов Н. Ф., Фомичев М. П. Войсковые дорожные и землеройные машины (теория, конструкция и расчет). М.: Изд. ВИА, 1993.

3. Ольшанский А. В. Войсковые дорожные машины (конструкция, расчет и применение). Калининград: Изд. КВНУ, 1987. 246 с.

4. Технические средства проведения и обеспечения аварийно-спасательных работ: Справ. пособ. М.: НПЦ «Средства спасения», 2008. 288 с.

5. Гуревич Ю. Е., Выров Б. Я., Косов М. Г., Кузнецов А. П. Инженерные основы расчетов деталей машин. М.: Кнорус, 2013. 482 с.

6. Чумак С. П. Аварийно-спасательные работы в условиях разрушенных зданий. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2010. 232 с.

Сведения об авторах

Овчинников Валентин Васильевич: д. т. н., проф., ФГБУ

ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

SPIN-код — 6751-9380.

Баев Дмитрий Витальевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), м. н. с. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: bbgpresent@mail.ru

Жесткова Светлана Григорьевна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: svetg11@mail.ru SPIN-код — 9556-1980.

Information about authors

Ovchinnikov Valentin V.: ScD (Technical Sc), Professor, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Senior Researcher.

7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: avo69l1@rambler.ru SPIN-scientific — 6751-9380.

Baev Dmitry V.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Junior Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: bbgpresent@mail.ru

Zhestkova Svetlana G.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: svetg11@mail.ru SPIN-scientific — 9556-1980.