CC BY
150
Общетехнические задачи и пути их решения
197
УДК 656.13.658
И. Р. Мингулова
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ПОСТУПАЮЩИХ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ МЕГАПОЛИСА ПРИ ИСТИРАНИИ ПРОТЕКТОРОВ ШИН И КОЛЕСНЫХ ТОРМОЗНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Автомобильный транспорт наряду с промышленными объектами является основным источником загрязнения окружающей среды мегаполисов. При эксплуатационном износе тормозных накладок колесных тормозных механизмов, протектора автомобильных шин образуются мелкодисперсные пылевые частицы. Наибольшую опасность представляют частицы размером 10 мкм и менее (РМ 10, РМ 2,5).
В статье предложена методика для определения количественной характеристики износа транспортного средства (шин и тормозного механизма).
количественная оценка истирания, протекторы шин, тормозные колодки, окружающая среда.
Введение
В настоящее время окружающая природная среда испытывает значительное антропогенное воздействие от деятельности автомобильного транспорта. По данным Управления государственной инспекции безопасности дорожного движения ГУВД, численность автотранспортных средств постоянно увеличивается. Только в Санкт-Петербурге количество автотранспортных средств (АТС) за прошедшие 10 лет увеличилось более чем в 1,5 раза и составило в 2009 году более 1,7 млн. ед. [1].
Вклад автомобильного транспорта в общее количество выбросов вредных химических веществ в атмосферу мегаполиса составляет до 90 % [2]. До настоящего времени считалось, что основным компонентом загрязнений, существенно влияющим на здоровье населения, являются отработавшие газы [3], которые содержат оксид углерода (II), оксиды азота, углеводороды, альдегиды, диоксид серы и др. Анализ зарубежной литературы показал, что все большее значение приобретают загрязнители в виде взвешенных веществ различной дисперсности, также поступающие в атмосферу вследствие функционирования транспортной инфраструктуры. Взвешенные вещества образуются при эксплуатационном износе протектора автомобильных шин, тормозных накладок колесных тормозных механизмов, истирания дорожного полотна. В зимний период к ним добавляются противогололедные реагенты.
Из взвешенных частиц наибольшую опасность представляют мелкодисперсные частицы размером 10 мкм и менее (РМ10, РМ 2,5), состав-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
198
Общетехнические задачи и пути их решения
ляющие около 70 % от всей суммы взвешенных частиц (TSP) [4]. Мелкодисперсные частицы представляют собой разнородную смесь органических и неорганических веществ. РМ10 длительное время удерживаются в воздухе, наибольшая их концентрация наблюдается на высоте 100-150 см (в зоне дыхания человека) [5]. Благодаря своим микроскопическим размерам такие частицы легко проникают в легкие человека, накапливаются там, что впоследствии ведет к развитию различных респираторных, онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний [2], [6], [7]. Анализ, проведенный в рамках программы Европейской комиссии «Чистый воздух для Европы» (CAFE), показал, что РМ-частицы из антропогенных загрязнителей во всех странах Европейского Союза являются причиной почти 290 тысяч преждевременных смертей в год [8], [9].
В результате проведенных исследований установлено, что для оценки негативного влияния автомобильного транспорта на условия жизни людей и прогнозирования рисков для здоровья населения необходимо знать количество выбросов, поступающих в атмосферный воздух при эксплуатации автомобилей. Известно около 20 основных компонентов, к ним относятся составляющие резиновой смеси: каучук, сажа, кремниевая кислота, масла и смолы, сера, вулканизационные активаторы и др. Из числа этих веществ 80 % обладают канцерогенными свойствами (бензпирены, нитрозамины, ароматические углеводороды и др.).
Целью настоящей работы является разработка метода определения количества пылевых частиц, образующихся при истирании протекторов шин и колесных тормозных механизмов.
1 Оценка количества загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду мегаполиса при истирании протекторов шин
Для количественной характеристики износа протектора шин, а именно определения массы ти.п истирания зон предельного износа рисунка протектора колес автотранспортного средства, на основании формулы расчета площади истирания зоны предельного износа рисунка протектора [10] нами предложена следующая модель:
ти.п = П -Рп.ш • (^6^ • 0,56 • b) • (И. - нд •1,
6 t
(1)
где пк = 2, 4, 6, 8, 10, 12 - число колес данного транспортного средства (легкового автомобиля, грузового автомобиля, автобуса), шт.; рпш - плотность протектора шины, г/см ; R0 - радиус обода колеса, см; H - высота профиля шины, см; b - ширина профиля шины, см; НН - высота рисунка протектора новой шины, см; НДОП - минимально допустимая высота рисунка протектора шины, см [10]; t - период полного износа шины, в среднем t = 2 года.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
199
Плотность резины (основного элемента протектора шины) рассчитывают как средневзвешенное по объему значение плотностей отдельных компонентов. Плотность (удельная масса) резины зависит от плотности каждого из ингредиентов резиновой смеси и составляет 1000-2000 кг/м . Наиболее частое применение находит резина с плотностью 11001400 кг/м3 [12].
2 Оценка количества загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду мегаполиса при истирании колесных тормозных механизмов
Как указывалось выше, источниками массы пылевых частиц, в том числе РМ-частиц, являются продукты износа тормозных накладок колесных тормозных механизмов. Характерное для мегаполиса частое торможение АТС в плотных транспортных потоках приводит к попаданию большой массы частиц, образующихся в результате износа тормозных накладок, в атмосферный воздух.
Каждый вид транспортных средств комплектуется тормозными накладками различной толщины и формы, однако изготавливаются они из одного и того же сырья, различающегося соотношением компонентов. В состав смеси входят фенольные смолы, каучук, металлические включения в виде порошков и стружки. Обычно в качестве материала для изготовления контртела (тормозного барабана или диска) используются чугуны марки СЧ24 ГОСТ 1412-85 твердостью 187-241 НВ. Следовательно, спектр химических веществ, поступающих в окружающую среду от работы тормозных механизмов различных транспортных средств, приблизительно одинаков.
На основе исследований, проведенных в 2009 году [4], можно считать, что на тормозные накладки для различных транспортных средств во время эксплуатации действуют одинаковые удельные давления. Следовательно, интенсивность изнашивания тормозных накладок на 1 м тормозного пути будет одна и та же независимо от типа транспортного средства.
Для определения массы изнашиваемого фрикционного материала тормозных накладок одного автомобиля в год можно использовать следующую модель:
Щин = «Г.Е • Z.H -Рф.м 'Км , (2)
где тин - масса изнашиваемого фрикционного материала тормозных накладок одного автомобиля в год; птн - количество тормозных накладок на одном автомобиле; zx.H - количество изнашиваемых тормозных накладок за год; Рфм - плотность фрикционного материала, г/см ; Ким - объем изно-
3
шенного материала, см .
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
200
Общетехнические задачи и пути их решения
3 Суммарная оценка количества загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду мегаполиса при истирании протекторов шин и колесных тормозных механизмов
По данным УГИБДД Санкт-Петербурга, количество автотранспортных средств в городе в 2009 году составляет 1 712 399 единиц, в том числе легковых автомашин 1 421 214 ед., грузовых - 117 231 ед., автобусов -22 030 ед., мототранспорта - 49 333 ед., прицепов - 75 948 ед., полуприцепов - 26 643 ед.
В таблице 1 представлены прогнозируемые величины численности основных транспортных средств на период до 2020 г.
ТАБЛИЦА 1. Прогнозируемое количество автотранспортных средств
в Санкт-Петербурге
Группа АТС Прогнозируемое число АТС в СПб., тыс. шт.
в 2011 г. в 2015 г. в 2020 г.
Легковые а/м 1 563,0 1 857,0 2 224,0
Грузовые а/м 129,4 142,8 159,4
Автобусы 26,4 30,9 36,6
Итого 1 718,8 2 030, 8 2 420,0
Для определения количества загрязняющих окружающую среду пылевых частиц нами использовалась следующая модель:
М = ^Nt ■ тш1 + £n, • m. (3)
Проведенные расчеты с использованием модели (3) позволили получить следующие результаты (табл. 2).
ТАБЛИЦА 2. Прогнозируемое количество выбросов пыли от автотранспортных средств
Группа АТС Прогнозируемое количество выбросов истираемых тормозных накладок, т в год Прогнозируемое количество выбросов истираемой шинной пыли, т в год Суммарный прогнозируемый показатель количества пыли от эксплуатационного износа АТС
Год
2011 2015 2020 2011 2015 2020 2020
Легковые а/м 781,5 928,5 1112,2 1298,79 1543,09 1848,06 2960,26
Грузовые а/м 196,2 216,5 241,7 688,86 760,20 848,57 1090,27
Автобусы 52,7 62,0 73,2 92,80 108,86 128,89 202,09
Итого 1030,4 1207,0 1427,1 2080,45 2412,15 2825,52 4252,62
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
201
Полученные результаты свидетельствуют о том, что ежегодно при эксплуатации автотранспортных средств в окружающую среду Санкт-Петербурга выделяется более 3 тысяч тонн высокотоксичных химических веществ, которые не учитываются природоохранными службами. При сохранении сложившейся тенденции развития автотранспортного комплекса прогнозируемое количество взвешенных загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду города, составит 4,2 тысячи тонн.
Заключение
Проведенные исследования позволили предложить модели определения величины износа протектора шин, а также количества загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду в результате износа протектора шин и при эксплуатации АТС.
Расчеты по предложенным моделям дали возможность определить прогностическое количество выбросов высокотоксичной пыли на период до 2020 г., которое составит не менее 4,2 тысяч тонн.
Библиографический список
1. К вопросу о количестве автотранспортных средств на автомагистралях Санкт-Петербурга / В. Ф. Хватов, Д. В. Федцов, Э. Н. Исмаилов // Охрана окружающей среды. Атмосфера. - 2010. - № 4. - С. 15-18.
2. Региональные особенности здоровья населения и перспективы социальногигиенического мониторинга / О. И. Копытенкова. - СПб. : СПбГУСЭ, 1997. - 151 с.
3. Защита атмосферного воздуха от антропогенного загрязнения. Основные понятия, термины и определения : справочное пособие / НИИ «Атмосфера» и портал нормативных документов www.OxnGost.ru.
4. Бюллетень о загрязнении воздушного бассейна города Москвы в 2005 году. -М. : Г осударственное природоохранное учреждение «Мосэкомониторинг» Департамента природопользования и охраны окружающей среды города Москвы при поддержке Британского Совета, 2006.
5. Сравнительная оценка экологичности барабанных и дисковых колесных тормозных механизмов автотранспотных средств / А. Ревин, С. Тюрин, В. Федотов, А. Дроздов // SCIENCE - FUTURE OF LITHUANIA. Transport Engineering. Vehicle -Environment Interaction. - 2009. - Vol. 1. - No. 6. - PP. 49-52.
6. WHO (2003). Health aspects of air pollution with particulate matter, ozone and nitrogen dioxide. - Bonn, WHO ECEH.
7. Методические аспекты гигиенической оценки атмосферного воздуха в районах с развитой транспортной инфраструктурой : материалы V Международной научнопрактической конференции «Автотранспорт: от экологической политики до повседневной практики» / О. И. Копытенкова, А. В. Леванчук. - СПб., 2010. - С. 11-13.
8. Рамочный план организации мониторинга взвешенных веществ в атмосфере в странах Восточной Европы, Кавказа и Центральной Азии / R. Baumann, M. Krzyzanowski, С. Чичерин. - Бонн : ВОЗ, Европейский центр по окружающей среде и охране здоровья, 2006. - 52 с.
9. CAFE CBA: Baseline analysis 2000 to 2020 / Watkiss P. et al.Didcot // AEA Technology Environment, 2005.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
202
Общетехнические задачи и пути их решения
10. АЭ 001-04. Правила эксплуатации автомобильных шин. http://www.texkom-avto.ru/showpage/?name=tyres_rules.
11. Методика оценки остаточной стоимости транспортных средств с учетом технического состояния. Р-03112194-0376-98. http://www.6pl.ru/insure/r0376-98-2.htm.
12. Резина в автомобилях / В. М. Харчевников. - 354 с. http://shinyavto.ru/.
УДК 539.3:4
В. И. Миронов, А. В. Якушев
ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВАГОННЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ПОЛНЫХ ДИАГРАММ
Приведены основные положения метода полных диаграмм. Установлено, что данный метод дает более полное представление о механических свойствах сталей. В этой связи применение энергетического подхода в задачах прогнозирования долговечности деталей вагонов является перспективным.
Предложена методика расчета долговечности деталей вагонов с учетом истории их нагружения и деградации механических свойств стали. Даны рекомендации по расширению области внедрения метода полных диаграмм.
полная диаграмма деформирования, свойства сталей, испытания, многоцикловая усталость, прогнозирование, долговечность, прочность, трещиностойкость, детали вагонов.
Введение
Максимальное использование резервов материала снижает металлоёмкость вагонов и затраты на перевозку тары, что повышает эффективность использования подвижного состава. При этом грузовые вагоны должны обладать высокой долговечностью и эксплуатационной живучестью, предполагающей безопасную эксплуатацию при наличии различных повреждений. Эффективное решение проблем вагоностроения предполагает использование резервов традиционных и внедрения новых материалов, новых технологий изготовления и обработки несущих элементов вагонов.
В результате приходится проводить целый комплекс разного рода испытаний образцов материала, высокозатратных натурных испытаний деталей и узлов, а также ходовых испытаний вагонов. Обоснованное сокращение объема испытаний уменьшит затраты и время на доведение вновь проектируемых изделий, повысит их конкурентоспособность.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
