CC BY
6
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) WATER SUPPLY, SEWER SYSTEM, CONSTRUCTION SYSTEMS OF PROTECTION OF WATER RECOURSES (TECHNICAL)
УДК 692.78
СПЕЦИАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ОТКРЫВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЫШКИ ЛЮКА ВОДОПРОВОДНОГО КОЛОДЦА
Д. Ю. ПАЛИН, П. В. ПУЧКОВ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: denis_palin@bk.ru
В данной статье описывается конструкция специального магнитного приспособления, предназначенного для поднятия (открывания) металлических крышек люков водопроводных колодцев. Подробно описана конструкция и принцип работы приспособления, кроме того указаны основные технические характеристики и достоинства приспособления перед другими устройствами. В статье приведены результаты экспериментальных исследований, позволивших определить рациональную конструкцию пластикового корпуса приспособления. В заключении сформулированы выводы о перспективах применения устройства в пожарно-спасательных формированиях.
Ключевые слова: крышка люка; водопроводный колодец; постоянный магнит; магнитная система, 3D-печать, ударная вязкость
SPECIAL MAGNETIC DEVICE FOR OPENING THE METAL MANHOLE COVER
OF A WATER WELL
D. Yu. PALIN, P. V. PUCHKOV
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: denis_palin@bk.ru
This article describes the design of a special magnetic device designed to lift (open) metal manhole covers of water wells. The design and principle of operation of the device are described in detail, in addition, the main technical characteristics and advantages of the device over other devices are indicated. The article presents the results of experimental studies that made it possible to determine the rational design of the plastic housing of the device. In conclusion, conclusions are formulated about the prospects of using the device in fire and rescue formations.
Key words: manhole cover; water well; permanent magnet; magnetic system, 3D printing, impact
strength
Известно, что крышки люков водопроводных колодцев предназначены для защиты от попадания в них мусора, посторонних предметов, падения людей, животных, а также для обеспечения безопасности движения на авто-
© Палин Д. Ю., Пучков П. В., 2022
трассах и городских улицах. Кроме того, крышки люков служат для свободного и оперативного доступа к различным коммуникациям для обслуживания или пожарным гидрантам при тушении пожаров в условиях города. Необходимо отметить, что крышки люков классифицируются по материалу изготовления. Напри-
мер, они могут быть выполнены из высокопрочного серого чугуна, пластика, полимер-песчаной смеси, композитного состава и резины. В настоящее время наиболее широко используются крышки люков, изготовленные из высокопрочного серого чугуна, так как они обладают высокой прочностью, устойчивостью к механическим повреждениям, легко переносят интенсивные и локальные нагрузки, достаточно долговечны1,2. Такой вид люков устанавливается на городских автомобильных дорогах с интенсивным движением.
а -
Стоит отметить, что некоторые модификации крышек люков не имеют области или отверстий для зацепления крюком, а часть крышек люков заглублены в дорожное покрытие, что значительно усложняет их открывание (рис. 1б). Достаточно часто при тушении пожара в городской среде возникает проблема с открыванием крышки люка колодца водопроводной сети для установки автоцистерны на гидрант. Установленные ненадлежащим образом крышки люков приводят к потере времени при их открывании, что в свою очередь влечет за собой увеличение времени локализации и ликвидации пожара и как следствие приводит к росту ущерба от пожара. Кроме того, использование инструмента в виде металлического крюка для отрывания и закрывания крышки люка водопроводного колодца может быть травмоопасным для исполнителя. Подведя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что вопрос создания принципиально новых безопасных устройств для оперативного открывания крышек люков является весьма акту-
1
ГОСТ 3634-2019. Люки смотровых колодцев и дождеприемники ливнесточных колодцев. М.: Изд-во стандартов, 2019. 19 с.
2 Канализационные полимерные люки: виды и характеристики URL: https://sovet-ingenera.com/ kanaliz/ truby/kanalizacionnye-lyuki. (дата обращения 01.07.2022).
На сегодняшний день различные службы жизнеобеспечения города для открывания и закрывания крышек люков колодцев: водопроводной сети, канализационной системы, дождевой и ливневой канализации и т.п. применяют ручной немеханизированный инструмент в виде стального крюка или шанцевого инструмента. Однако, как показывает практика, крышки люков водопроводных колодцев в городах достаточно часто установлены ненадлежащим образом, что создает определенные трудности при их открывании с помощью крюков (рис.1а и 1б).
альным на сегодняшний день. Однако, информация о способах открывания заклинивших металлических крышек люков в открытой печати практически отсутствует.
Для решения проблемы оперативного открывания крышек люков, установленных ненадлежащим образом разработано новое специальное магнитное приспособление с грузоподъемностью 120 кгс (СМП-120). Трехмерная модель конструкции приспособления представлена на рис. 2 [1].
Специальное магнитное приспособление для открывания (закрывания) крышек люков колодцев различного назначения состоит из корпуса в виде крестовины (поз. 1), магнитной системы, состоящей 4-х постоянных магнитов с креплением, изготовленных из сплава неодим-железо-бор (поз. 3), закрепленных на корпусе с помощью гаек М6 (поз. 2) (рис. 2). В центре корпуса установлена подъемная рым-гайка М8, предназначенная для подъема, опускания или удержания на весу крышки люка (поз. 4) на которой закрепляется винтовой карабин с муфтой (поз. 5), служащий для присоединения к устройству тяги блочной (поз. 6) с рукоятью (поз. 7). Разработанное приспособление предназначено для открывания крышек люков, обладающих ферромагнитными свойствами (сталь, чугун) фис. 3).
а) б)
Рис. 1. Крышки люков водопроводных колодцев, установленные в городской среде: крышка люка установлена ненадлежащим образом; б - крышка заглублена в дорожное покрытие
Рис. 2. Виртуальная трехмерная модель Рис. 3. Подъем чугунной крышки люка
СМП-120 для открывания крышек люков водопроводного колодца с помощью СМП-120
водопроводного колодца: 1 - корпус устройства; 2 - крепежные элементы; 3 - магнит постоянный; 4 - кольцо соединительное; 5 - карабин винтовой с муфтой; 6 - стропа; 7 - рукоять
Рис. 4. Экспериментальный образец Рис. 5. Зависимость затрачиваемой работы
СМП-120 для открывания и закрывания крышки на разрушение образца от плотности заполнения люка водопроводного колодца
В таблице 1 представлены технические характеристики магнитной системы с креплением3 .
Таблица 1. Технические характеристики магнитной системы
Параметр Характеристики
Форма Диск с винтом
Диаметр, мм 42
Материал Неодимовый магнит, сталь
Покрытие Никель
Рабочая температура, °С От -60 до +80
Резьба, мм М6
Сила сцепления макс., кгс 60
Срок размагничивания, прибл. 1% в 10 лет
Толщина / Высота с выступом, мм 20
Толщина / Высота, мм 9
Вес, г 80
3 Магнитное крепление с винтом С42 (М6) URL:https://www.chipdip.ru/product0/8003276195. (дата обращения 01.07.2022).
К преимуществам магнита NdFeB можно отнести:
- независимость магнитного момента от его формы;
- способность полностью восстанавливать магнитный поток в процессе магнитного возврата;
- высокое значение коэрцитивной силы.
Данный тип постоянных магнитов обладает способностью сохранять свои магнитные свойства при разборке, ударах, вибрациях и других внешних воздействиях, что немаловажно при эксплуатации приспособления СМП-120 в тяжелых условиях4 [2].
Выбор спеченного постоянного магнита на основе сплавов типа NdFeB в качестве магнитной системы обусловлен следующими преимуществами перед другими магнитами с точки зрения миниатюризации магнитных устройств:
■ более высокими магнитными параметрами по сравнению с литыми и феррито-выми магнитами (NdFeB в 8-10 раз мощнее феррита);
■ возможность создания сильных магнитных полей при малых габаритах;
■ обладает одним из наилучших отношений энергетического произведения к цене.
Для защиты поверхности магнитной системы от самопроизвольного случайного при-магничивания мелких посторонних металлических предметов (при транспортировке приспособления) изготовлен пластиковый чехол (рис. 4).
Для проведения экспериментальных исследований работоспособности устройства изготовлен опытный образец СМП-120 (Рис. 4). Корпус приспособления изготовлен из биораз-лагаемого термопластичного PLA пластика с помощью технологий 3D-печати. Достоинством технологии 3D-печати является дешевизна, доступность оборудования и полное отсутствие дополнительной оснастки, кроме того технология легко переналаживаемая. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что технология 3D-печати незаменима в единичном и штучном производстве. Материал для изготовления корпуса устройства СМП-120 обладает достаточными механическими свойствами для выполнения своих функций: прочность на разрыв 57,8 МПа, модуль упругости при растяжении 3,3 Гпа, модуль упругости при изгибе 2,3 ГПа. Кроме того, наличие 4-х ребер жесткости на корпусе устройства повышает его
4 Магниты. На основе сплава неодим-железо-бор марки Ч36Р. Технические условия. ТУ 480531-384-88. Введ. 01.10.88.- Пышемский опытный завод «Гиредмет».
жесткость и прочность (рис. 4). Для изготовления опытного образца из пластика необходимой прочности предварительно были проведены эксперименты по определению прочности образцов из PLA пластика с различной плотностью заполнения на ударный изгиб (метод Шарпи). При подготовке образцов для проведения эксперимента задавались следующие параметры: температура печати - 220 0С, высота слоя - 0,25 мм, толщина стенки - 0,8 мм, температура рабочего стола - 60 0С, материал для 3D-печати - PLA пластик. Плотность заполнения образца изменялась с шагом в 10 % в интервале от 30 % до 100 %. На рис. 5 показана зависимость затрачиваемой работы на разрушение образца от плотности заполнения формы. Как видно из рис. 5, затрачиваемая работа на разрушение образца при 70 % заполнении ниже, чем при 60 % заполнении. Это можно объяснить тем, что внутри детали увеличивается количество концентраторов напряжения при заполнении внутренней части детали в виде сеточной (ромбовидной) структуры. Далее для каждого эксперимента рассчитывалась ударная вязкость образца (кДж/см2). При плотности заполнения образца на 60 % ударная вязкость составила 0,99 кДж/см2, а при заполнении на 70 % - 0,9 кДж/см2. Эксперимент показал, что при уменьшении плотности заполнения на 10 %, ударная вязкость изменилась всего 0,09 %.
Исходя из результатов экспериментальных исследований выявлено, что для обеспечения необходимой и достаточной прочности и жесткости корпуса СМП-120 необходимо обеспечить плотность заполнения формы при 3D-печати в пределах 60-70 %. При увеличении плотности заполнения формы до 80-90 % расход материала увеличивается на 10-20 % соответственно, а прочность конструкции возрастает незначительно (рис. 5) [3,4].
Грузоподъемность устройства СМП-120 установлена экспериментально с помощью разрывной машины Р-5 (рис. 6).
Сила на отрыв магнитной системы СМП-120 от металлической поверхности измерялась в момент отрыва 4-х постоянных магнитов при испытании на растяжение. Винтовой карабин корпуса специального магнитного приспособления фиксировался в губках неподвижного верхнего захвата разрывной машины Р-5, а магнитная система устройства примагничивалась к стальной траверсе подвижного захвата разрывной машины. Затем к устройству прикладывалась статическая осевая нагрузка. Силоизмеритель машины фиксировал максимальную силу сцепления устройства с металлической поверхностью при ее отрыве. Было получено максимальное усилие отрыва в 1240 Н (~120 кгс). Достаточно
большая грузоподъемность СМП-120 объясняется наличием 4-х постоянных магнитов NdFeB с максимальной силой сцепления каждого магнита в 60 кгс (табл. 1). В ходе тестирования СМП-120 при подъеме стандартных чугунных крышек люков (легкого класса -48 кг, среднего класса - 82 кг) было установлено, что предложенная конструкция приспособления позволяет оперативно открывать те
люки, крышки которых невозможно подцепить за край металлическим крюком или подобным шанцевым инструментом. Кроме того, устройство позволяет снизить затраты времени на выполнение действий по открыванию крышки люка водопроводного колодца по сравнению с металлическим крюком, особенно при ненадлежащем монтаже люка.
Рис. 6. Эксперимент по определению величины силы сцепления на отрыв СМП-120 на разрывной машине Р-5: 1 - верхний захват разрывной машины Р-5; 2 - Приспособление СМП-120; 3- стальная траверса подвижного захвата
Также следует отметить, что опытный образец разработанного магнитного приспособления обладает целым рядом преимуществ перед другими традиционными устройствами: небольшой вес (0,8 кг); компактные размеры (габаритные размеры: 100х100х55мм); большая грузоподъемность (до 120 кг); ремонтопригодность устройства за счет крепления магнитной системы с помощью резьбы; высокая мобильность; высокая коррозионная стойкость.
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что разработанное магнитное приспособление СМП-120 позволит пожарно-спасательным формированиям не только оперативно получить доступ к пожарным гидран-
там, установленным в водопроводных колодцах, оснащенных чугунными крышками люков, но и перемещать (транспортировать) металлические элементы конструкций для расчистки завалов при выполнении аварийно-спасательных работ. Предложенное устройство СМП-120 не снижает физических нагрузок человека при открывании люка, а лишь позволяет оперативно извлечь крышку из обечайки люка, который не получается вскрыть традиционными способами. Проведенные эксперименты по определению прочности изготовленного корпуса устройства СМП-120 позволили установить, что для обеспечения достаточной прочности пластиковый корпус можно изготавливать не полнотелым, а с ячеистой структурой, с плотностью заполнения 60-70 %.
Список литературы
1. Палин Д. Ю. Разработка магнитного устройства для открывания крышек люков водопроводного колодца // 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. 361-363.
2. Вонсовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. 1032 с.
3. Пучков П. В. К вопросу о методике определения ударной вязкости металлов и сплавов. Научно-популярный журнал NovaInfo. 2017. № 72. Т. 1. С. 59-66.
4. Иванов В. Е., Пучков П. В. Разработка конструкции устройства со стропорезом для разбивания автомобильных стекол // Современные проблемы гражданской защиты. № 2 (43). 2022. С. 66-71.
References
1. Palin D. Yu. Razrabotka magnitnogo ustroystva dlya otkryvaniya kryshek lyukov vodoprovodnogo kolodtsa [Development of a magnetic device for opening manhole covers of a water well]. Pozharnaya i avariynaya bezopas-nost': sbornik materialov XVI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyash-chennoy provedeniyu v Rossiyskoy Federatsii Goda nauki i tekhnologiy v 2021 godu i 55-letiyu uchebnogo zavedeniya. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii. 2021, pp. 361-363.
2. Vonsovsky S. V. Magnetizm [Magnetism]. M.: Nauka, 1971, 1032 p.
3. Puchkov P. V. K voprosu o metodike opredeleniya udarnoy vyazkosti metallov i splavov [To the question of the method of determining the impact strength of metals and alloys]. Nauchno -populyarnyy zhurnal Novalnfo, 2017, issue 72, vol. 1, pp. 59-66.
4. Ivanov V. E., Puchkov P. V., To-porov A. V. Razrabotka konstruktsii ustroystva so stroporezom dlya razbivaniya avtomobil'nykh stekol [Design development of a device with a sling cutter for breaking car windows]. Sovremen-nyye problemy grazhdanskoy zashchity, 2022, vol. 2 (43), pp. 66-71.
Палин Денис Юрьевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
научный сотрудник отделения информационного обеспечения населения и технологий информационной поддержки РСЧС и пожарной безопасности научно-технического отдела E-mail: denis_palin@bk.ru Palin Denis Yurievich
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
researcher of the department of information support for the population and information support technologies of the RSChS and fire safety of the scientific and technical department E-mail: denis_palin@bk.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
