CC BY
27
УДК 530.1..531
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Р.И. Нигматулин,1 О.И. Мансуров,1 В.И. Тагасов2
1) Научный центр нелинейной волновой механики и технологий РАН Россия, 117334, Москва, ул. Бардина, 4
2) Кафедра промышленной экологии и жизнеобеспечения Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
В статье рассмотрены подходы к решению задачи по созданию систем общей и групповой защиты объектов в энергетике, как от мощных низкочастотных вибраций, так и от ударов большой амплитуды и длительности, передаваемых через основание. Представлены результаты исследований упругодемпфирующих тросово-торсионных элементов последовательного типа, явившихся основой для создания оригинальных кинематических схем вибро-ударозащитных платформ для защиты операторов мобильных систем. Даны описания платформ, пригодных для практического использования.
Мощные низкочастотные колебания и ударные воздействия, возникающие при эксплуатации мобильных объектов в энергетике, зачастую носят случайный характер и являются причиной нарушения работы систем жизнеобеспечения, а иногда и выходу их из строя. Такого рода воздействия представляют опасность также для обслуживающего персонала и операторов мобильных систем, работа которых связана с эксплуатацией строительных комплексов, буровых установок, погрузочных машин и т.п. Как правило, такие воздействия носят непредсказуемый характер, а эффективная защита от таких воздействий высоких уровней является весьма актуальной и до конца не решенной задачей.
Известно, что наиболее действенными мерами защиты от ударных и колебательных воздействий высоких уровней является снижение этих уровней до безопасных пределов на пути их распространения. Очевидно, что соответствующие решения должны быть приняты уже на стадии проектирования. В настоящее время для виброударной защиты часто применяются однонаправленные системы, виброударные изоляторы, виброизоляторы с квазину-левой жесткостью и преобразованием движения, другие пассивные системы защиты. Появились активные системы с устройствами управления от внешних источников энергии [1]. Стали применяться жидкости, газы, устройства, регулирующие бесконтактное силовое возбуждение и т.п. Расширился ассортимент материалов, применяемых в качестве упругодемпфирующих элементов, получили распространение устройства, обладающие повышенным демпфированием, сетчатые структуры, металлическая резина, металлический порошок, стальные гибкие тросы и другие материалы.
Однако до настоящего времени не созданы изоляторы, которые в одинаковой мере эффективно защищают от воздействия и ударов, и вибраций, хотя эта задача поставлена уже давно [2]. При этом характерно, что амортизаторы, предназначенные для защиты от вибраций, не обеспечивают защиты от ударов большой амплитуды и длительности, так как для этого необходим значительный «ход» системы защиты в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В то же время системы защиты от ударов должны обеспечивать плавное снижение энергии ударного импульса до безопасных пределов в течение этого «хода», а также возврат объекта защиты в исходное положение при требуемом уровне демпфирования. Очень важным является тот факт, что на практике чаще встречаются полигармонические и случайные вибрации, а синусоидальные колебания используются в основном при испытаниях на вибростендах.
Мобильные объекты производственного характера, к которым можно отнести в частности машины, применяющиеся для строительства электростанций, имеют ряд характерных особенностей. Внешние динамические воздействия, возникающие при их эксплуатации, носят случайный характер, обусловленный сопротивлением скальных пород разрушению, перемещению, погрузке и т.п., что создает для рабочих мест обслуживающего персонала широкий спектр возмущений высокой интенсивности. Кроме того, нестационарное положе-
ние таких машин предъявляет особые требования к их устойчивости в пространстве, что также отражается на требованиях к виброзащитным системам. Необходимо отметить, что строительные машины часто работают в агрессивной среде с высоким уровнем загазованности, пыли и шума.
В этой связи представляется обоснованным вывод о том, что для распространенных типов рабочих мест операторов и обслуживающего персонала проходческих комплексов, по-грузочно-доставочных машин, буровых установок, а также экскаваторов, бульдозеров, большегрузных самосвалов наиболее экономичным и целесообразным способом защиты является применение виброударозащитных и шумоизолирующих кабин [1]. Эта задача может быть решена на базе специально разработанных для этих целей виброударозащитных платформ, обеспечивающих пространственную защиту от мощных низкочастотных вибраций и ударов. Следует отметить, что решение этой проблемы во многом зависит от характеристик упругодемпфирующих систем, встраиваемых в эти платформы.
В группе машин, операторы которых подвергаются воздействию вибрации, рабочие места защищаются с помощью сидений, подножек и площадок. В нашем случае рассматриваются площадки для пространственной виброзащиты операторов, работающих в положении «сидя».
Большинство известных схем групповой и общей защиты, к которым относятся платформы, выполняются в опорном, подвесном или вывешенном вариантах. Опорный вариант предусматривает размещение виброизоляторов в определенных точках, выбранных с учетом центра масс и положения объекта. Обычно такие виброизоляторы не могут обеспечить эффективную защиту при значительном горизонтальном вибрационном воздействии и от ударов высоких уровней.
Вывешенный вариант общей защиты выполняется в виде платформы с защищаемым объектом, которая закреплена по внешнему контуру платформы с помощью упругодемпфи-рующих элементов на уровне основания. При этом должно быть обеспечено достаточное перемещение самой платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечивающее требуемый «ход» для эффективной защиты в этих плоскостях. Перемещение платформы зависит от массы защищаемого объекта, уровня динамического воздействия (особенно от амплитуды и длительности ударного импульса), необходимого уровня демпфирования и сохранения части кинетической энергии для возврата платформы в исходное положение после окончания динамического воздействия. При этом раскачивание объекта должно быть минимальным, а снижение амплитуды динамического воздействия составлять допустимые пределы.
Рассмотрим отдельные решения таких проблем. Виброзащитные площадки и подножки в системах виброзащиты операторов не столь распространены и на это есть свои причины. Главная из них - обеспечение устойчивости площадки при перемещениях оператора. При этом под устойчивостью площадки следует понимать поворот опорной поверхности относительно горизонтальных осей на допустимый угол.
Возникают значительные трудности и с развязкой колебаний в разных плоскостях. Поэтому площадки чаще всего применяют для защиты оборудования с неизменным центром масс [1]. Для решения рассматриваемой задачи более предпочтительны системы защиты в виде платформ в вывешенном варианте. Такие системы способны обеспечить эффективную защиту от динамических воздействий в любой плоскости. Обладая значительным «ходом», они способны снижать амплитуду мощных колебаний до безопасных пределов. Особую роль при этом играют упругодемпфирующие элементы, входящие в состав платформы. К этим элементам предъявляются весьма жесткие и противоречивые технические требования, на которые накладываются еще и требования экономического характера. Наряду с обеспечением значительного перемещения (хода) при мощных воздействиях необходимо также обеспечить возврат системы в исходное положение. При этом уровень демпфирования должен быть таким, чтобы снизить амплитуду динамического воздействия до безопасных пределов, снизив до минимума колебания объекта защиты. Система не должна иметь резонансных зон и гасить низкочастотные составляющие. Наиболее эффективными и экономически оправданными представляются конструктивные решения в виде пространственных выве-
шенных пассивных нелинейных систем со встроенными упругодемпфирующими элементами «сухого» трения. При выборе таких элементов следует руководствоваться следующими обстоятельствами.
Известно, что при параллельном включении упругих связей имеет место равенство деформаций упругих связей
5 = 5,=82 =...8п.
Сила действия на массу т равна сумме сил в упругих связях
Р = Р1+Р2+...Р„.
Отсюда эквивалентная жесткость при параллельном соединении упругих связей составляет
сэкв=с1+с2+...сп.
При последовательном способе включения упругих связей общая деформация упругих связей равна
8 = 8, + 82
При этом каждая из этих связей находится под действием одной и той же силы Р , приложенной к массе Ш . Эквивалентная жесткость при последовательном соединении упругих связей равна
1_ ±_ с„~ с/ с/"с/
Таким образом, при последовательном соединении суммарное перемещение возрастает, а эквивалентная жесткость меньше чем при параллельном соединении.
Очевидно, что для обеспечения требуемого «хода» виброударозащитных платформ необходимо чтобы упругодемпфирующие элементы содержали составляющие, обеспечивающие требуемые перемещения и снижение собственной частоты за счет уменьшения суммарной жесткости и вывода ее из резонансной зоны. Для создания такого рода элементов весьма важным является выбор материалов для этих элементов.
В последнее время получила широкое распространение тенденция применения в качестве таких материалов стальных гибких тросов (канатов) [6]. Рабочие отрезки тросов обладают требуемой несущей способностью и значительным демпфированием. При широкополосном и случайном возмущении тросовые виброизоляторы не имеют резонансных зон. Через них можно передавать значительные статические нагрузки без заметного снижения виброзащитных свойств. В процессе действия нагрузки они выдерживают деформации изгиба, кручения, хорошо противостоят вибрационным и линейным перегрузкам, а также многократным ударам высокой интенсивности.
Тросовые виброизоляторы имеют высокую поглощающую способность, а по рассеивающей - превосходят сетчатые структуры. Для тросовых систем характерно большое демпфирование за счет необратимого межпроволочного трения и стабильность свойств при долговременном воздействии динамических нагрузок. Тросы мало подвержены воздействию температуры, влажности, радиации и агрессивных сред. Канат как упругодемпфирую-щий материал применяется в виброзащитных рукоятках переносных перфораторов, в стопорных устройствах и т.п. [1]. В целях повышения надежности, изготовленные конструкции должны пройти воздействие циклическим нагружением продолжительностью до 100 циклов и превышающим номинальное значение в полтора раза. При этом характеристики виброизолятора должны стабилизироваться.
К недостаткам тросовых систем следует отнести большую сложность их расчета. Аналитическое описание физических свойств каната затруднено, так как он представляет собой сложную структуру, обладающую свойством конструктивной анизотропии. Трудно учесть эффекты при сложном нагружении упругих элементов. Сильное влияние оказывают условия заделки концов троса. По этой причине определение упругих постоянных с необходимой точностью невозможно, а значения модулей Е и С находят по экспериментальным данным, полученными в ходе статических испытаний образцов троса на изгиб и кручение [3]. Следует отметить, что отрезки тросов легко сочетаются с упругими элементами, выполненными в виде цилиндрических пружин и рычажных торсионов.
На базе тросовых упругодемпфирующих элементов последовательного типа были разработаны кинематические схемы виброударозащитных платформ различной грузоподъемности. Общим для всех платформ явилось применение тросово-торсионных систем в вывешенном варианте.
Испытания макета такой платформы с грузоподъемностью до 300 кг показали высокую эффективность защиты от мощных ударных импульсов амплитудой до 20g и длительностью импульса 30-50 мсек. Ударные импульсы имитировали свйсмовоздействия высокой интенсивности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом обеспечивалось эффективное снижение амплитуды ударного импульса по вертикали в 5-6 раз, в горизонтальной плоскости - в 6-8 раз. Происходило плавное снижение энергии импульса и устойчивый возврат в исходное положение. Требуемый уровень демпфирования был обеспечен подбором характеристик троса, используемого в качестве несущего элемента [7,8].
Таким образом, экспериментально подтверждена возможность эффективной защиты от колебаний и ударов высоких энергий кабин и рабочих мест операторов горных машин с помощью платформ, построенных на этих принципах.
Предложены оригинальные кинематические схемы тросово-торсионных систем общей защиты кабин и рабочих мест операторов мобильных объектов (экскаваторов, погрузчиков и т.п.). Причем данные кинематические схемы разработаны с учетом особенностей эксплуатации машин при строительстве электростанций и других объектов энергетики и рассчитаны на защиту операторов от пространственных внешних динамических воздействий, возникающих при работе этих машин. Все кинематические схемы и конструктивные решения обеспечены патентами на изобретения [9,10]. Ниже представлены описания двух конструкций ударозащитных платформ.
Торсионно-тросовое ударозащитное устройство
Устройство предназначено для защиты от ударов и вибраций, передаваемых через основание в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Устройство состоит из внутренней и наружной рам. По периметрам рам параллельно сторонам расположены металлические штанги, диаметр которых равен 8-10 диаметрам троса. Штанги выполнены в виде отрезков, равных по длине сторонам наружной и внутренней рам. Штанги жестко закреплены по периметру внутренней рамы в ее нижней части. Такие же штанги расположены в верхней части наружной рамы и жестко соединены с концами торсионов, выполненных в виде набора круглых стержней и закрепленных на сторонах наружной рамы. Стальной трос поочередно пропущен между штангами, расположенными по периметрам наружной и внутренней рам, охватывая их восьмиобразно. Техническим результатом является повышение степени защиты в области нерегулярных низкочастотных и одиночных знакопеременных ударных нагрузок различной амплитуды и длительности, передаваемых через основание [4]. На рис.1 представлена кинематическая схема этого устройства.
Рис 1 Торсионно-тросовое ударозащитное устройство:
/-платформа; 2- наружная рама; 3- штанги платформы; 4 - штанги наружной рамы,
5 - торсионы; 6 - стальной трос.
Виброударозащитная площадка
Площадка предназначена для защиты от ударов и вибраций, возникающих при работе на подвижных объектах и при транспортировке. Сущность изобретения заключается в том, что площадка содержит прямоугольную опорную раму и расположенную внутри нее прямоугольную площадку для установки объекта защиты. Они соединены отрезками стальных упругодемпфирующих тросов. Эти тросы проложены вдоль площадки так, что концы этих тросов заведены через неподвижные сегменты, закрепленные вертикально с наружной стороны опорной рамы. Затем заведены на сегменты, расположенные горизонтально, и соединены с упругими элементами, установленными на наружных сторонах опорной рамы [5]. На рис.З представлена кинематическая схема площадки.
Рис.2 Виброударозащитная площадка;
1 - опорная рама; 2- платформа; 3, 4 - втулки; 5 - сегменты; 6 - упругие элементы (пружины).
Предложенные схемы могут найти широкое применение для создания устройств эффективной защиты различных объектов от ударов, вибраций и иных внешних динамических воздействий, возникающих при эксплуатации и транспортировке, а также для защиты жизненно важных объектов и обслуживающего персонала. Разработанные схемы могут найти широкое применение в горно и нефтедобывающей промышленности для защиты от вибра-
ций операторов машин и бурильных установок; защите от взрывов и сейсмоударных воздействий нефтепроводов, подстанций, а также при транспортировке хрупких материалов и прецизионного оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Канатные виброизоляторы для защиты операторов горных машин.- Новосибирск: Наука.- 1988.- 163 с.
2. Ильинский B.C. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий.- М.: Радио и связь,- 1982,- 294 с.
3. Резников ИГ., Савенко В.Ю. Расчет параметров канатных модулей в системе виброзащиты площадки // Известия Вузов //Горный журнал,- 1985 . №3,- С. 57-60.
4. Грибов М. М. Регулируемые амортизаторы РЭА.-М.: Советское радио.- 1974,- 128 с.
5.Справочник по математике для экономистов. / Под редакцией Ермолова В.И.- М.: Высшая школа.- 1987,- 336 с.
6. Мигиренко Г.С. и др. Принципы конструирования объемных упругодемпфирующих подвесок для защиты объектов от всенаправленных динамических воздействий. Колебания, удар, защита //Межвузовский сборник научных трудов,- Новосибирск:НЭТИ,- 1982,- С.3-16.
7. Журавский В.Г., Мансуров О.И. Канатная сейсмоударозащитная платформа// Радиопромышленность,- 2001.- №1,- С. 60-63.
8. Мансуров И.Я., Журавский В.Г., Мансуров О.И. Сейсмоударное защитное устройство. Патент на изобретение № 2163985 от 10 марта 2001.
9. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Торсионно-тросовое ударозащитное устройство. Патент на изобретение № 2180412 от 10 марта 2002.
10. Мансуров О.И. Виброударозащитная площадка. Патент на изобретение № 2190132 от 27 сентября 2002.
UDC 530.1.531
SAFETY CONTROL OF ENVIRONMENT CONTROL SYSTEMS IN POWER ENINEERING AT ORIGINATING EXTRAORDINARY SITUATION
R.I. Nigmatulin., O.I. Mansourov.,1 V.I. Tagasov2
1). Centre of science of a non-linear wave mechanics and technologies.
Russian Academy of Sciences Bardina St., 4, 117334, Moscow, Russia
2). Department of Industrial Ecology and Survivals Russian Peoples Friendship University Miklukho-Maklaya St., 6, 117198, Moscow, Russia
In the article the approaches to the solution of a problem on creation of systems of general and formation protection of objects, both from potent low frequency chatterings, and from impacts of large amplitude and duration transmitted through the basis are reviewed. The outcomes of researches of damped rope-torsion members of a series type being the basis of creation of original kinematic configurations of protective gantries for protection of the operators of mobile systems are submitted. The descriptions of gantries suitable for practical usage are submitted.
