CC BY
5
УДК 621:961:967:968
О РЕЗУЛЬТАТАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
С.А. Гарелина
кандидат технических наук, доцент
доцент кафедры механики и инженерной графики
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: s.garelinaQamchs.ru
К.П. Латышенко
доктор технических наук, профессор
профессор кафедры механики и инженерной графики
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: к.latyshenkoQamchs.ru
Аннотация. В статье обоснована актуальность работы по математическому моделированию применения механического аварийно-спасательного инструмента для совершенствования учебного процесса в Академии гражданской защиты МЧС России, приведен пример математического моделирования процесса пиления ножовкой по дереву и металлу, а также представлены результаты обработки экспериментального исследования бросания грунта (песка и земли) штыковой и совковой лопатами. Полученные результаты позволяют разработать рекомендации по применению механического аварийно-спасательного инструмента и повысить эффективность проведения аварийно-спасательных работ.
Ключевые слова: механический аварийно-спасательный инструмент, математическая модель, моделирование применения аварийно-спасательного инструмента, повышение эффективности аварийно-спасательных работ.
Цитирование: Гарелина С.А., Латышенко К.П. О результатах моделирования применения механического аварийно-спасательного инструмента // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 3 (42). С. 85-92.
Современное высшее образование направлено на формирование профессиональной компетентности выпускника, необходимой для осуществления им результативной профессиональной деятельности по выбранной специальности. Профессиональная направленность обучения предусматривает сочетание общего и профессионального образования, требует осознанного применения полученной системы знаний, умений и навыков. Принцип профессиональной направленности в обучении позволяет успешно формировать интерес и ценностное отношение к выбранной профессии, профессиональные качества личности, основы мировоззрения и профессионального мышления.
Эффективный путь реализации профессиональной направленности в обучении состоит в комплексной интеграции учебных дисциплин, которая должна обеспечить содержательно-логические связи общеобразовательных и профессиональных дисциплин на выпускающих кафедрах.
В Академии гражданской защиты МЧС России (далее — АГЗ) в процессе изучения общеобразовательной дисциплины «Механика» было осуществлено математическое моделирование применения механического
аварийно-спасательного инструмента (далее - ДСП).
В рамках проведенных исследований были получены математические модели применения ножниц по металлу, кусачек, ножовки по дереву и металлу, лома пожарного, гвоздодёра, топора строительного, лопаты и других механических инструментов. Сформулированы рекомендации по применению механического АСИ, находящегося на снабжении подразделений МЧС России, которые позволяют повысить эффективность его применения при проведении аварийно-спасательных работ в области резки и перекусывания конструкций, подъема и перемещения объектов, пробивания отверстий и проемов в строительных конструкциях, дробления крупных элементов. Полученные математические модели позволяют также оценивать производительность, затраты труда или энергии, границы применимости инструментов и, как следствие, осуществлять научно обоснованный выбор механического АСИ при организации и выполнении аварийно-спасательных работ.
Интеграционная функция проведенных исследований состоит в использовании системы научных знаний по дисциплине «Механика» для изучения специальной дисциплины «Технология аварийно-спасательных работ». При этом совокупность знаний, умений и навыков по дисциплине «Механика» является основанием для осуществления профессиональной деятельности.
В основе проведенных исследований лежит использование известных из механики законов для моделирования применения механического АСИ и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными и сведениями из нормативно-технической документации. Входными величинами (аргументами) математических моделей являются размеры аварийно-спасательного оборудования и мышечная сила спасателей.
При проведении исследований получено, что время пиления (резания) прямоугольной заготовки зависит от давления резания, размеров заготовки, длины пилы, шага и количества зубьев в комбинации разводки
т = К • Ь • I • Р • {Ь - 1/2)
т • £ • 0 ' 1 ;
где К — средняя сила резания на поперечное сечение стружки; Ь — толщина пропила; I — ширина заготовки; И — высота заготовки; Ь — длина пилы; т, — количество зубьев в комбинации разводки, которая обеспечивает толщину пропила Ь\ £ — шаг пилы; @ — мощность мышц, являющаяся мерой общего количества рабочей нагрузки, выполняемой в единицу времени спасателем.
Формула (1) получена на основе равенства работы, которую совершает человек по пилению образца за один ход, и работы, которую необходимо совершить по снятию стружки ножовкой за один ход.
Для проверки формулы (1) в таблице 1 представлены нормы времени резки ручной ножовкой прямоугольного сечения стали разных размеров с! х I [1]. Выбраны попарно заготовки х ¿1 и (12 х ¿2, вычислено отношение нормативных времен пиления Т1Н/Т2Н этих заготовок. Соответственно, для этих же загото-
1 / 2
Т^ = 11 • Р1 • {Ь - ¿1/2)
Т2Р 12 • В2 • {Ь - ¿2/2) ' 1 '
Для определенности примем Ь = 300 мм.
Таблица 1 - Отношение нормативных времен Т!н/Т2Н и расчетных времен Т^/Т2Р пиления двух заготовок прямоугольных сечений размерами х ¿1 и ^2 х ¿2 из стали ручной ножовкой
Размеры заготовок, мм Нормативное время пиления, мин Отношение времен пиления заготовок 1 и 2
Нормативное Расчетное Погрешность, %
1 2 1 2
X 11 ^2 X ¿2 ¿2н Ты/Т2а Т1р/Т2р 6
20x4 50x8 0,3 2,73 0,22 0,20 8
40x6 50x6 1,78 2,58 0,69 0,8 15
30x6 50x10 1,28 2,88 0,44 0,36 18
20x4 30x4 0,6 1,08 0,56 0,67 20
В таблице 2 приведены результаты опытов по пилению шестью разными ножовками ^о | _ заготовок круглого сечения
диаметров И из сосны (К = 15 Н/мм2) и стали
/2
Таблица 2 - Параметры ножовки, заготовки круглого сечения и времена пиления Тэ
Номер ножовки 1 2 3 4 5 6
Ь, мм 300 300 550 350 550 350
Ь, мм 0,9 0,9 1,5 1,4 1,50 1,40
¿, шаг 1,1 1,1 9 2,3 9.00 2,30
И, мм 18 10 120 120 200,00 200
К, К/мм2 2500 2500 15 15 15 15
Т9,с 120 59 50 75 240 420
В таблице 3 приведены результаты отношения расчетного ТРг/Трз (где г и ] - номера выбранных ножовок) по формуле (2)
и экспериментального ТЭг/Т9j времен пиления заготовок различными ножовками.
Таблица 3 - Отношения расчетного и экспериментального времен пиления
Выбор 1 ж ] Тр г/Тр з Тд г/Тэ 3 Ножовка 2, 3 =2 Ножовка 3, 3 =3 Ножовка 4, 3 =4 Ножовка 5, 3 = 5 Ножовка 6, 3 =6
Ножовка 1, г = 1 Тр 1/Тр i 3,20 2,73 1,26 1,07 0,53
тэ 1/Тэ 3 2,03 2,4 1,60 0,50 0,29
Ножовка 2, г = 2 Тр 2/Тр i _ 0,86 0,40 0,34 0,17
тэ 2/Тэ 3 _ 1,18 0,79 0,25 0,14
Ножовка 3, г = 3 Тр 3/Тр ^ _ _ 0,46 0,39 0,19
Тэ 3/ТЭ 3 _ _ 0,67 0,21 0,12
Ножовка 4, г = 4 Тр 4/Тр з _ _ _ 0,84 0,41
Тэ 4/Тэ з _ _ _ 0,31 0,18
Ножовка 5, г = 5 Тр 5/Тр з _ _ _ _ 0,49
Тд 5/Тэ з _ _ _ _ 0,57
Данные таблицы 3 свидетельствуют об удовлетворительном совпадении в большинстве случаев экспериментальных и расчетных значений отношений времени пиления заготовок шестью различными ножовками. Отсюда можно сделать вывод о пригодности полученной формулы (1) для оценки времени пиления и использования ее для подбора рационных параметров ножовки для выполнения аварийно-спасательных работ.
Из формулы (1) следует, что на производительность и качество пиления оказывает влияние выбор соответствующего
пильного полотна, основные свойства которого определяются его материалом, размером, количеством и формой зубьев.
Одним из основных способов тушения возгораний является их изоляция от доступа воздуха (перекрытие доступа окислителей). Песок, грунт и гравий относят к сыпучим ог-нетушащим материалам изолирующего действия [2].
Минимальное расстояние от очага пожара, на котором может находиться человек I = 1,6 где Н - средняя высота факела пламени, м [2].
Д.ля исследования были использованы штыковая и совковая лопата [3, 4|. Для измерения веса сыпучего материала применены весы БШ1 с диапазоном измерений 0 - 10000 г. и погрешностью ± 5 г. Экспериментально получено, что максимальный вес песка, который можно захватить штыковой лопатой, равен 1475 I'., а совковой 1550 г. Максимальный вес земли, которую можно захватить штыковой лопатой, равен 2130 г., а совковой 4005 г.
Было совершено по 20 бросков песка и
земли штыковой и совковой лопатами на максимальную дальность. Внешне кучи песка и земли условно представляет собой овал (рисунок 1) длиной Ь и шириной Ь. После этого насыпи огнетушащих материалов были разбиты на отрезки 51 длиной по 40 см, материал с каждого из отрезков собран и взвешен (таблица 4).
На рисунке 2 представлены диаграммы распределения веса огнетушащих материалов по длине разброса.
Рисунок 1 Вид на насыпь земли
Таблица 4 - Распределение веса С огнетушащих материалов по длине разброса с шагом А1
А1, см 560 -600 560 -600 600 -640 640 -680 680 -720 720 -760 760 -800 800 -840 840 -880 880 -920 920 -960 960 -1000
Песок / Штыковая лопата Ь 460 см, Ь = 143 см
С,г 675 715 1335 1530 1980 3005 2645 2215 1665 1210 815 485
Песок / Штыковая лопата Ь 400 см, Ь = 140 см
С,г 455 585 895 1525 3695 6390 7140 7235 5810 4445 1635 760
А1, см 420 -460 460 -500 500 -540 540 -580 580 -620 620 -660 660 -700 700 -740 740 -780 570 -820
Земля / Штыковая лопата Ь 400 см, Ь = 140 см
С,г 300 1415 2000 3590 4650 6515 5250 3055 1815 1300
Земля / Штыковая лопата Ь 400 см, Ь = 110 см
С,г 300 1225 2950 5920 9830 13385 10110 8115 4215 1010
Полученные результаты распределения разброса были статистически обработаны веса огнетушащих материалов по длине (таблица 5).
Таблица 5 Результаты статистической обработки распределения веса огнетушащих материалов по длине
Параметр Штыковая лопата, песок Совковая лопата, песок Штыковая лопата, земля Совковая лопата, земля
Выборка 1 2 3 4
Среднее арифмети чеекое, I' 1523 3381 2990 5706
Стандартная ошибка, I' 234 784 629 1424
Стандартное отклонение, I' 812 2715 1988 4502
Эксцесс, Ег -0,75 -1,77 -0,74 -1,16
Асимметричность, А^ 0,50 0,33 0,52 0,38
Асимметричность, Акр 0,58 0,61
Эксцесс критический, Екр 2,42 2,06
Рисунок 2 Диаграммы распределения веса огнетушащих материалов (но вертикали) но длине
разброса (но горизонтали)
Оценим нулевую гипотезу [5], заключающуюся в том, что выборки 1, 2, 3 и 4 подчиняются нормальному закону распределения. Согласно данным таблицы 5, для всех выборок 1, 2, 3 и 4 Ег < Екр и Аг < Акр. Следовательно, выборки 1, 2, 3 и 4 подчиняются нормальному закону распределения.
Из таблицы 5 следует, что суммарная масса 20 бросков земли превышает суммарную массу 20 бросков песка примерно на 50 %.
Наибольшая масса за 20 бросков обеспечивается совковой лопатой при бросании земли. Но при этом интервал дальности среднего распределения самый маленький из всех рассмотренных вариантов.
Расчет объема песка, который может поместиться на лопате, если угол естественного откоса песка а = 28°, а лопата имеет размер 320x240 мм даёт V = №0 см3. Масса такого объёма песка равна (по ГОСТ 8736-77 р = 156 -10-3 г/см3) С = 1,04 кг. Экспериментальное количество песка на лопате, равно примерно 1500 г., что в полтора раза больше теоретического, что можно объяснить влажностью песка (эксперимент проводился в апреле месяце).
Работа по перемещению (бросанию) песка к очагу пожара равна
А = С - к, (3)
где к - высота, на которую перемещают песок.
Для тела, брошенного под углом а к горизонту, высота подъема к и дальность полета I соответственно равны
Ц? 8т2а , V? 8т2а
к = —-,1 = —-. (4)
2д , д К ;
Как известно, наибольшая длина полета тела будет при а = 45°. Тогда расчет дает, что Уо = 8,3 м/с и к = 1,76 м.
Следовательно, работа, затрачиваемая на перемещение лопаты песка, равна А = 13,3 Дж. Энергия, которую необходимо сообщить человеком лопате с песком для броска песка на 3 м, равна К = тУ$/2 = 27 Дж.
Экспериментальное исследование длины броска штыковой и совковой лопатой сыпучего материала (песка, земли) и его математическая обработка показали нормальность закона распределения массы по длине
броска, позволили выявить среднее расстояние броска и определить наиболее эффективное сочетание грунта и лопаты (совковой, штыковой) в зависимости от расстояния броска и требуемого объема сыпучего материала для тушения пожара.
Результаты работы по математическому моделированию применения АСИ внедрены в учебный процесс в виде учебного пособия «Анализ и расчет аварийно-спасательного инструмента».
В первой части учебного пособия кратко изложены основы теоретической механики, теории механизмов и машин, сопротивления материалов и деталей машин, которые были использованы при математическом моделировании. Приведена классификация конструкций зданий и сооружений, физические и механические свойства строительных материалов и изделий, что позволит осознанно осуществлять выбор механического АСИ при организации и выполнении аварийно-спасательных работ на основе поученных моделей.
Во второй части пособия рассмотрен механический АСИ для резки и перекусывания конструкций; для подъема, перемещения и фиксации строительных конструкций; для пробивания отверстий и проемов в строительных конструкциях, дробления крупных элементов, а также для герметизации. Проведено моделирование и анализ применения механического АСИ.
Таким образом, в представленной статье показана целесообразность реализации принципа профессиональной направленности при изучении общеобразовательной дисциплины «Механика» в АГЗ МЧС России, заключающегося в использовании некоторых ее положений для выбора механического АСИ при проведении аварийно-спасательных работ.
Приведены конкретные примеры математического моделирования процессов пиления ножовкой по металлу и древесине, бросания штыковой (совковой) лопатой песка и земли для тушения пожара. Полученные модели позволяют разработать рекомендации по наиболее эффективному использованию АСИ при ведении аварийно-спасательных работ.
Представлена формула для расчета времени пиления, позволяющая осуществлять вы-
бор ножовки для пиления с наивысшей производительностью, с наименьшими затратами материала, труда и энергии. Показано, что время пиления зависит от свойств и размеров пильного материала, толщины полотна и разводки, шага и длины ножовки. При этом получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, что позволяет сделать вывод о достоверности выведенной формулы.
Экспериментально исследован и математи-
чески описан процесс бросания штыковой и совковой лопатой сыпучего материала (песка, земли и гравия) с целью тушения плоскостного пожара. Доказана нормальность закона распределения массы материала по длине броска, что позволило выявить среднее расстояние броска и определить наиболее эффективное сочетание грунта и лопаты (совковой, штыковой) в зависимости от расстояния броска и требуемого объема сыпучего материала для тушения пожара.
Литература
1. Постановление Госкомтруда СССР, Секретариата ВЦСПС от 21.05.1990 N204/8-1 «Об утверждении Общемашиностроительных нормативов времени на слесарно-инструментальные работы, выполняемые на станках и вручную». [Электронный ресурс]. URL: Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_102400/ (дата обращения дата обращения: 1.06.2019).
2. ГОСТ 12.4.009^83 ССБТ. Пожарная техника для защиты объектов. Основные виды. Размещение и обслуживание.
3. Федорук, B.C. Организация и ведение аварийно-спасательных работ. Часть 3. Аварийно-спасательный инструмент и оборудование. Книга 1 / B.C. Федорук. - Химки: АГЗ МЧС России, 2012. - 156 с.
4. Федорук, B.C. Организация и ведение аварийно-спасательных работ. Часть 3. Аварийно-спасательный инструмент и оборудование. Книга 2 / B.C. Федорук, С.А. Харитонов, В.Г. Желтов. - Химки: АГЗ МЧС России, 2012. - 173 с.
5. Применение коэффициентов асимметрии и эксцесса для проверки нормальности распределения. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studfiles.net/preview/2906492/page:4/ (дата обращения: 1.06.2019).
ON THE RESULTS OF MECHANICAL MODELING EMERGENCY-RESCUE
INSTRUMENT
Svetlana GARELINA
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Associate professor of the Department of mechanics
and engineering graphics
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md.
Novogorsk
E-mail: s.garelinaQamchs.ru
Konstantin LATYSHENKO
Doctor of Technical Sciences, Professor
Professor of the Department of mechanics
and engineering graphics
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md.
Novogorsk
E-mail: k.latyshenkoQamchs.ru
Abstract. In the article the urgency of the work on mathematical modeling the use of a mechanical emergency rescue tool to improve the educational process in the Academy of civil defence EMERCOM of Russia, the example of mathematical simulation of the process of sawing with a hacksaw on wood and metal, and also presents the results of processing experimental study of the cast of the soil (sand and earth) bayonet and shovel. The results obtained allow us to develop recommendations for the use of mechanical rescue tools and improve the efficiency of rescue operations.
Keywords: mechanical rescue tool, mathematical model, modeling rescue tool, improving the efficiency of rescue work.
Citation: Garelina S.A., Latyshenko K.P. On the results of mechanical modeling Emergency-rescue instrument // Scientific and educational problems of civil protection. 2019.No 3 (42). pp. 85-92.
References
1. Decree of the USSR State Committee for Labor, the Ail-Union Central Council of Trade Unions of the Council of 21.05.1990 N204 / 8-1 "On the approval of the General machine-building time standards for metalwork and manual work performed on machines and manually."[Electronic resource]. URL: Access mode: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_102400/ (appeal date access date: 1.06.2019).
2. GOST 12.4.009-83 SSBT. Fire fighting equipment to protect objects. The main types. Accommodation and service.
3. Fedoruk, V.S. Organization and conduct of emergency rescue operations. Part 3. Rescue tools and equipment. Book 1 / V.S. Fedoruk. - Khimki: AGZ EMERCOM of Russia, 2012. - 156 p.
4. Fedoruk, V.S. Organization and conduct of emergency rescue operations. Part 3. Rescue tools and equipment. Book 2 / V.S. Fedoruk, S.A. Kharitonov, V.G. Yellow. - Khimki: AGZ EMERCOM of Russia, 2012. - 173 p.
5. The use of asymmetry and excess coefficients to check the normality of the distribution. [Electronic resource]. Access mode: https://studfiles.net/preview/2906492/pageready/ (accessed date: 1.06.2019).
