CC BY
0
УДК 614.8
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАЗБИВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ СТЕКОЛ
В. Е. ИВАНОВ, П. В. ПУЧКОВ, А. В. ТОПОРОВ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: vitaliyivanov@yandex.ru
В данной статье пойдет речь о разработке конструкций устройств для разбивания автомобильных стекол при блокировании дверей в результате дорожно-транспортных происшествий. При разработке данных устройств учтено, что они должны быть оснащены стропорезом, бойком нажимного типа и бойком ударного типа, так же должно быть обеспечено удобство использования в защитных перчатках (крагах) пожарного. При разработке устройств применялись системы автоматизированного проектирования Autodesk AutoCAD, Autodesk Inventor и технология трехмерной печати. Разработанные трехмерные модели устройств загружались в программу Autodesk Inventor, где производился прочностной расчет конструкций.
Ключевые слова: конструкция, устройство, дорожно-транспортное происшествие, 3D-печать, автомобильное стекло, боек, трехмерная модель, прочность.
DESIGN DEVELOPMENT OF A DEVICE WITH A SLINGER FOR BREAKING CAR WINDOWS
V. E. IVANOV, P. V. PUCHKOV, A. V. TOPOROV
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: vitaliyivanov@yandex.ru
In this article we will talk about the development of designs of devices for breaking car windows when blocking doors as a result of road accidents. When developing these devices, it is taken into account that they must be equipped with a sling cutter, a pressure-type striker and a shock-type striker, convenience of use in protective gloves (leggings) of a firefighter must also be ensured. During the development of the device, computer-aided design systems Autodesk AutoCAD, Autodesk Inventor and three-dimensional printing technology were used. The developed three-dimensional models of devices were loaded into the Autodesk Inventor program, where the strength calculation of structures was performed.
Key words: construction, device, traffic accident, 3D printing, car glass, firing pin, three-dimensional model, durability.
Согласно статистике, количество дорожно-транспортных происшествий в России в 2022 году по сравнению с 2021 годом снизилось на 4,97 % и составило 126705 ДТП, что остается на достаточно высоком уровне. Во время аварии при деформации кузова автомобиля блокируются двери, и для того чтобы быстро выбраться из автомобиля необходимо разбить стекло, в таких случаях применяются устройства для разбивания автомобильных стекол самими пострадавшими. Спасатели для
© Иванов В. Е., Пучков П. В., Топоров А. В., 2023
извлечения пострадавших могут использовать как шанцевый, так и специальные инструменты - стеклобои. Поэтому актуальной задачей будет являться разработка конструкции устройств для разбивания стекол, которые без затруднений могут использовать и спасатели, и сами пострадавшие.
Перед разработкой устройств для разбивания автомобильных стекол были учтены достоинства и недостатки существующих конструкций [1]. Разработка конструкций устройств производилась в системах автоматизированного проектирования AutoCAD и Autodesk Inventor, так как данные программы поддержи-
вают экспорт файлов в формат для 3D-ne4aTM, и позволяют создавать трехмерные модели сложной формы. В программе Autodesk Inventor производился прочностной анализ разрабатываемых конструкций устройств для разбивания автомобильных стекол, так как данная программа имеет встроенный модуль для прочностного расчета [2-4]. Кроме этого, в данной программе имеется генератор форм, который позволяет снизить вес детали, не уменьшая при этом ее прочность. Такой подход на этапе проектирования значительно снижает вероятность появления перегруженных участков на детали и позволяет создать опытный образец устройства без существенных доработок после проведения экспериментальных исследований [5, 6].
На рис. 1 представлена конструкция ручного комбинированного устройства для разбивания автомобильных стекол.
Корпус (1) стеклобоя оснащен гардами (4) для защиты рук от порезов при разбивании
стекла. Металлический боек (3) предназначен для разбивания стекла при помощи удара за счет человеческой силы. Боек (2) оснащен пружинным механизмом, а удар происходит при сжатии данного механизма. Боек (2) предназначен для применения в ограниченном пространстве, когда нет возможности замахнуться и сделать сильный удар по стеклу бойком (3). Габариты комбинированного устройства спроектированы с учетом того, что пожарные и спасатели при спасении пострадавших будут работать в защитных перчатках (крагах). Если пострадавшему требуется экстренно покинуть автомобиль при ДТП или при падении автомобиля в воду, и отсутствует возможность размахнуться рукой, то разбивать стекло необходимо бойком нажимного типа.
На рис. 2 представлено устройство для разбивания стекла и разрезания строп, ремней безопасности и одежды.
Рис.1. Трехмерная модель стеклобоя
ручного комбинированного: 1 - рукоять;
2 - стеклобой нажимного типа;
3 - стеклобой ударного типа;
4 - гарда; 5 - отверстие под темляк
Рис. 2. Конструкция устройства для разбивания стекла со стропорезом: 1 - рукоять; 2 - крюк для разрезания одежды и ремня безопасности; 3 - лезвие;
4 - стеклобой;
5 - гарда; 6 - подпальцевая выемка; 7 - отверстие под темляк; 8 - темляк
Разработанное устройство позволит не только разбить стекло автомобиля, но и перерезать ремень безопасности. При использовании данного устройства пожарными и спасателями оно дает возможность разрезать ремень безопасности или одежду при оказании помощи пострадавшим. Выполненная часть устройства в виде крюка с лезвием обеспечивает эффективное разрезание одежды на пострадавшем и защищает кожу от порезов. При заклинивании ремней безопасности данный стропорез так же будет необходим и позволит без затруднения их перерезать и освободить пострадавших при ДТП. Конструкцией устройства предусмотрена смена лезвий при их многократном применении. Корпус изготовлен при
помощи технологии трехмерной печати из пластика PLA. Стальной боек встроен в корпус и выполнен из закаленной стали, что способствует многократному применению в пожарно-спасательных подразделениях при спасении пострадавших в результате дорожно-транспортных происшествий. Размеры и форма корпуса спроектирована с учетом использования защитных перчаток (краг), чтобы обеспечить удобное расположение в руке. Габаритные размеры стеклобоя составляют 61х212х40 мм [2,3]. Гарды (5) и (7), встроенные в корпус, защищают руки от проскальзывания и дальнейших повреждений. Выемки под пальцы (6) формируют удобный хват в крагах.
Рис. 3. Конструкция разработанного устройства: 1 - корпус устройства, 2 - зажим-клипса, 3 - насечка, 4 - винт крепежный, 5 - отверстие для крепления темляка, 6 - V-образный стропорез, 7 - гарда, 8 - корпус механизма для разбивания стекла, 9 - боек
Устройство оснащено ^образным лезвием для разрезания строп, ремней безопасности, одежды. По сравнению с устройством, которое представлено на рис. 2, ^образное лезвие обеспечивает наибольшую безопасность при работе с ним, так как лезвие скрыто в ^образом профиле. Зажим-клипса (2) позволяет размещать устройство на ремне пожарного или спасателя. Боек нажимного типа (9) обеспечивает разбивание стекла без предварительного замаха рукой, что повышает его удобство использования в ограниченном пространстве.
Для разработки опытного образца применялась технология 3D-печати [7, 8]. Перед распечатыванием деталей для стеклобоя были проведены исследования режимов печати и степени заполнения объектов с сохранением прочностных характеристик. При 100 % запол-
нении деталей формируется монолитная структура, но в изделии присутствуют ненагру-женные участки. При уменьшении плотности заполнения создается квадратная сетка, при этом, можно задать различную толщину начального и конечного слоев, чтобы обеспечить оптимальную износостойкость формируемой детали. Экспериментальные исследования на сжатие проводились согласно ГОСТ 4651-2014. В качестве основного материала для изготовления опытных образцов выбран пластик PLA. Согласно справочным данные для пластика PLA предел прочности составляет от 40 до 70 МПа. Экспериментальные исследования на сжатие проводились на машине ПСУ-10. На рис. 4 представлены фотографии внутренней структуры образцов с различной плотностью заполнения.
Рис. 4 Фотографии внутренней структуры образцов с различной плотностью заполнения: а - 20 % заполнение, б - 80 % заполнение, в - 100 % заполнение
Для проведения испытаний экспериментальные образцы изготавливались квадратного сечения со стороной 15 мм и высотой 10 мм. 3D печать образцов производилась двумя способами: 1 - от основания, 2 - от боковой грани. Таким образом, достигалось различное расположение сетки при не 100 %-ом заполнении образцов. В первом случае сила, приложенная к образцам, располагалась вдоль сетки, а во втором случае сила располагалась поперек сетки. 3D-принтер формирует квадратную сетку с разной степенью заполнения. На рис. 4а показана сетка при 20 %-ом заполнении, на рис. 4б показана сетка при 80 %-ом заполнении образцов. В ходе проведения испытаний определено, что следы разрушения образца отчетливо видны при внутреннем заполнении пластиком на 20 %, при этом высота образцов с таким заполнением составила 7,8 мм. Эксперимент проводился с шагом по
заполнению в 20 %. На других образцах, с внутренним заполнением выше 20 %, видимых трещин при сжатии не наблюдалось, но при этом происходило выпучивание боковых поверхностей. Образцы с внутренним заполнением 80 % и 100 % подверглись наиболее значительной деформации, их высота после испытаний составила 5,9 мм и 5,1 мм соответственно. При внутреннем заполнении образцов на 40 % их высота после испытаний составила 7,1 мм, а при заполнении на 60 % - 6,4 мм. Данные высоты образцов измерялись после извлечения из машины ПСУ-10, а приведенные величины носят справочный характер. Выявлена закономерность, что при увеличении степени заполнения пластиком образцов, увеличивается их деформация.
На рис. 5 представлена зависимость предела прочности образцов от плотности заполнения пластиком PLA.
50
ffii С
s40
н о
о
к ..
fr 30
о с
и 20 ЕХ
с
10
Вдоль сетки
Поперек сетки
20
40 60 SO
Плотность заполнения, %
Рис. 5. Зависимость предела прочности образцов от плотности заполнения
При проведении экспериментальных исследований на сжатие были определены нормальные напряжения при разрушении образцов. Разрушение фиксировалось по падению нагрузки, прилагаемой к образцу. Зависимость предела прочности от плотности заполнения представлена на рис. 5. Как видим из рисунка, предел прочности материала вдоль линий сетки на 50 % выше, чем поперек линий сетки. Для графика нагружения вдоль сетки характерны два практически параллельных участка, имеющих различные углы наклона к горизонтальной оси. На участке от 100 % до 40 % заполнения наблюдается более интенсивное уменьшение величины предела прочности по сравнению с участком 40 %-20 %. Возможно, это обусловлено потерей устойчивости отдельных элементов внутренней структуры, на которые действует продольная сила, что наиболее значительно проявляется при снижении плотности заполнения менее 40 %. Нагрузка при этом воспринимается в основном сплошной внешней оболочкой. При нагружении образца поперек сетки происходит ее смятие и деформация ячеек. Это сказывается уже при незначительном снижении плотности внутрен-
Список литературы
1. Иванов И. В., Пучков П. В. Разработка ручного инструмента для разбивания автомобильных стекол в аварийных ситуациях // Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XVI Международной научно-практической конференции, посвященной проведению в Российской Федерации Года науки и технологий в 2021 году и 55-летию учебного заведения. Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2021. С. 293-295.
2. Суконщиков А. А., Пучков П. В. Восстановление деталей механизмов с помощью 3D печати // Надежность и долговечность машин и механизмов: cборник материалов X Всероссийской научно-практической конференции. Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2019. С.540-543.
3. Иванов В. Е., Легкова И. А., Пучков П. В. Применение современного программного продукта для трехмерного моделирования деталей и узлов пожарной техники // Пожарная и аварийная безопасность. 2017. № 2 (5). С. 53-65.
4. Иванов В. Е. Снижение металлоемкости конструкции средствами Autodesk Inventor // Надежность и долговечность машин и механизмов: сборник материалов X Всероссийской научно-практической конференции.
него заполнения (порядка до 80 %). Таким образом, установлено, что прочность на сжатие изделий, полученных при помощи технологии 3D-печати, на 50 % выше при их нагружении вдоль линий сетки практически во всем диапазоне изменения плотности внутреннего заполнения. С учетом проведенных испытаний печать деталей для сборки стеклобоя осуществлялась при 80 % заполнении, что обеспечивает оптимальную прочность детали и снижает расход пластика. Высота нижнего и верхнего слоев составила 1 мм.
Вывод
Разработаны новые конструкции устройств для разбивания автомобильных стекол при дорожно-транспортных происшествиях. Данные устройства могут применять пассажиры автомобилей для разбивания автомобильных стекол, если будут заблокированы двери в результате ДТП. Также могут применять пожарные и спасатели при спасении пострадавших в результате дорожно-транспортных происшествий для разбивания автомобильных стекол и перерезания ремней безопасности.
Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2019. С. 427-429.
5. Иванов В. Е., Головатенко А. Ю. Современное программное обеспечение для проведения прочностных исследований разрабатываемых конструкций // Надежность и долговечность машин и механизмов: сборник материалов XII Всероссийской научно-практической конференции. Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2021. С.224-227.
6. Иванов В. Е., Пучков П. В. Исследование технического состояния объектов машиностроения на основе компьютерного моделирования на примере разработки зажимов для устранения неисправностей пожарных рукавов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2021. № 12. С. 543-546.
7. Иванов В. Е., Пучков П. В. Использование современных методов исследования при разработке новых конструкций зажимов для восстановления работоспособности напорных пожарных рукавов и оценка их технического состояния на основе компьютерного моделирования // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2021. № 3. С. 114-118.
8. Топоров А. В., Иванов В. Е. Исследование механических свойств модельного материала, полученного при помощи технологии 3D печати // Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XVII Международной научно-практической конференции, посвящен-
ной 90-й годовщине образования гражданской обороны. Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2022. С. 565-568.
References
1. Ivanov I. V., Puchkov P. V. Razrabotka ruchnogo instrumenta dlya razbivaniya avtomo-bil'nyh stekol v avarijnyh situaciyah [Development of a hand tool for breaking car windows in emergency situations]. Pozharnaya i avarijnaya be-zopasnost': sbornik materialov XVI Mezhdunarod-noj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyash-chennoj provedeniyu v Rossijskoj Federacii Goda nauki i tekhnologij v 2021 godu i 55-letiyu uchebnogo zavedeniya. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2021 б pp. 293-295.
2. Sukonshchikov A. A., Puchkov P. V. Vosstanovlenie detalej mekhanizmov s pomoshch'yu 3D pechati [Restoration of mechanism parts using 3D printing]. Nadezhnost' i dol-govechnost' mashin i mekhanizmov: cbornik materialov X Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2019, pp. 540-543.
3. Ivanov V. E., Legkova I. A., Puch-kov P. V Primenenie sovremennogo pro-grammnogo produkta dlya trekhmernogo mod-elirovaniya detalej i uzlov pozharnoj tekhniki [Application of a modern software product for three-dimensional modeling of parts and components of fire equipment]. Pozharnaya i avarijnaya be-zopasnost', 2017, vol. 2 (5), pp. 53-65.
4. Ivanov V. E. Snizhenie metalloemkosti konstrukcii sredstvami Autodesk Inventor [Reduction of metal consumption of the structure by means of Autodesk Inventor]. Nadezhnost' i dol-govechnost' mashin i mekhanizmov: sbornik materialov X Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2019. pp. 427-429.
5. Ivanov V. E., Golovatenko A. Yu. Sov-remennoe programmnoe obespechenie dlya provedeniya prochnostnyh issledovanij raz-rabatyvaemyh konstrukcij [Modern software for conducting strength studies of developed structures]. Nadezhnost' i dolgovechnost' mashin i mekhanizmov: sbornik materialov XII Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2021, pp. 224-227.
6. Ivanov V. E., Puchkov P. V. Issledo-vanie tekhnicheskogo sostoyaniya ob»ektov mashinostroeniya na osnove komp'yuternogo modelirovaniya na primere razrabotki zazhimov dlya ustraneniya neispravnostej pozharnyh rukavov [Investigation of the technical condition of mechanical engineering objects based on computer modeling on the example of the development of clamps for troubleshooting fire hoses]. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii, 2021, issue 12, pp. 543-546.
7. Ivanov V. E., Puchkov P. V. Ispol'zovanie sovremennyh metodov issledovani-ya pri razrabotke novyh konstrukcij zazhimov dlya vosstanovleniya rabotosposobnosti napornyh pozharnyh rukavov i ocenka ih tekhnicheskogo sostoyaniya na osnove komp'yuternogo modelirovaniya [The use of modern research methods in the development of new clamp designs for restoring the operability of pressure fire hoses and assessing their technical condition based on computer modeling]. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii, 2021, issue 3, pp. 114-118.
8. Toporov A. V., Ivanov V. E. Issledo-vanie mekhanicheskih svojstv model'nogo materi-ala, poluchennogo pri pomoshchi tekhnologii 3D pechati [Investigation of the mechanical properties of a model material obtained using 3D printing technology]. Pozharnaya i avarijnaya bezopas-nost': sbornik materialov XVII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyash-chennoj 90-j godovshchine obrazovaniya gra-zhdanskoj oborony. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2022, pp. 565-568.
Иванов Виталий Евгеньевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: vitaliyivanov@yandex.ru
Ivanov Vitaly Evgenievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: vitaliyivanov@yandex.ru
Пучков Павел Владимирович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, старший преподаватель
E-mail: palpuch@mail.ru
Puchkov Pavel Vladimirovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, senior lecturer
E-mail: palpuch@mail.ru
Топоров Алексей Валерьевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: ironaxe@mail.ru
Toporov Alexey Valerievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: ironaxe@mail.ru
