CC BY
7
ВЗАИМОСВЯЗЬ РЕАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РУЧНОГО ПОЖАРНОГО СТВОЛА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫХОДЯЩЕЙ ИЗ НЕГО СТРУИ ВОДЫ
И.В. Мищенко, доцент, к.т.н., доцент, А.Н. Кондратенко, доцент, к.т.н., Национальный университет гражданской защиты Украины,
Харьков, Украина
Постановка проблемы. Геометрические параметры траектории струи воды из ручного пожарного ствола (РПС), зависят от диаметра его выходного отверстия. В их приближенных расчетах используют номинальное значение этого параметра [1, 2], характеризующегося, впрочем, определенным нормативно установленным (ГОСТ 9923-93) значением точности [3, 4]. Однако, как показывает практика, на боевом дежурстве подразделений Государственной службы по чрезвычайным ситуациям Украины находиться некоторое количество РПС, не отвечающим нормам ГОСТ по точности изготовления, в частности диаметра выходного отверстия. Причем такие отклонения имеют значения в пределах ±5 % как от границ поля допуска. Поэтому исследование влияния реальной точности изготовления РПС на геометрические параметры струи воды из него отличается существенным научно-практическим интересом.
Постановка задачи и ее решение. Целью исследования является обоснование необходимости учета реальных, отличающихся от нормативно установленных, отклонений размеров выходного отверстия РПС в расчете геометрических характеристик траектории струи, в частности длины полета и высоты подъема, и расчетная оценка величины этого влияния. Объект исследования - геометрические характеристики траектории струи воды из РПС. Предмет исследования - влияние реальной точности изготовления РПС как продукта массового производства на объект исследования.
В исследованиях [1, 2] оценено влияние величины погрешности определения диаметра выходного отверстия РС-50А МО (в мм), отвечающей требованиям из ГОСТ 9923-93 [6] и ГОСТ 25347-2013 [7] (то есть, точности изготовления РПС), на абсолютные и относительные величины погрешности определения геометрических характеристик струи воды из РПС - длины полета А/ (в м) и высоты подъема АН (в м). При этом пользуясь данными из исследования [5], выбрана базовая геометрическая характеристика выходного отверстия РПС -диаметр ^0 (в мм). В исследованиях [1, 2] использована методика приближенного расчета (без учета сопротивления воздуха) геометрических характеристик струи воды из РПС - длины полета / и высоты подъема Н в функции изменения влияющих факторов - ^0 и угла наклона оси РПС к горизонту ©0 (в град.). Также в них использована методика оценки погрешностей определения (изготовления, измерения, расчета) выбранного влияющего фактора - А^0 - на погрешности определения характеристик струи - А/ и АН, в которых используются частные производные дю0/д<^0 (м), дРЮ/дю0 (в (м-с)-1), д//дУ0 (в с), ЗН/дУ0 (в с), где ю0 -площадь выходного отверстия РПС (в мм2).
Вышеописанная оценка выполнена в предположении, что на величины A/ и Ah оказывают влияние только величины Ad0 (изменяется дискретно от одной единицы РПС к другой) и ©0 (изменяется непрерывно во время тушения пожара). Другие же влияющие факторы - начальная средняя скорость движения потока воды в живом сечении, совпадающим с выходным отверстием РПС V0 (в м/с), высота размещения центра выходного отверстия РПС относительно произвольной горизонтальной плоскости h0 (в м), объемный расход воды через любое
-5
нормальное сечение РПС Q0 (м /с) либо не являются независимыми (согласно закона неразрывности потока жидкости V0 ~ ю0 ~ d02 при Q0 = const), либо изменяются непрогнозируемо (в существенных пределах, например Q0 в зависимости от свойств огнетушащей жидкости, параметров насоса и рукавной линии) или случайным образом (в незначительных пределах, например h0 как для ручного, так и для лафетного ствола) и поэтому приняты постоянными (h0, Q0).
По ГОСТ 9923-93 [3] установлен ряд номинальных значений d0H, а также квалитет точности и вид поля допуска для них. Так, для ствола РС-50А с d0H = 13 мм, вид поля допуска Н, квалитет точности 11, что согласно данным из ГОСТ 25347-2013 [4] означает, что d0 = [13,00...13,11] мм, а d0H является минимально допустимым значением d0, сам диаметр указываться на чертежах как 013Н11 или 013+0,11. Это значит, что d0 изменяется по нормативным требованиям на величину Ad0 = +0,11 мм или Ad0r = +0,84 % относительно значения d0 = d0H.
Результаты исследований [1, 2], проведенного для ствола РС-50А с максимально возможным в пределах требований ГОСТ 9923-93 значением d0, и типичного случая h0 = 1 м (при размещении РПС в руках спасателя), а V0 = 20 м/с (значение, близкое к предельно возможному в данных условиях), показали, что частные производные принимают следующие значения: ö®0/öd0 = const = 0,0204 м, öV0/ö®0 = const = -1,507-10-5 (м-с)-1, а d//dV0 и dh/dV0 являются функциями ©0.
Стволы РС-50А, которыми оборудованы две исследовательские установки лаборатории гидравлики кафедры прикладной механики факультета техногенно-экологической безопасности Национального университета гражданской защиты Украины, характеризуются значениями d0, отличающимися от нормативно установленных. Для них значения d0 определялись путем усреднения результатов восьмикратного прямого измерения с помощью штангенциркуля ШЦ-[-150-0,02. При этом для первого из них d0 =12,6 мм, а для второго d0 = 13,7 мм, что отличается от номинального значения на Ad0 = -0,40 мм +0,70 мм или Ad0r = -3,1 % и +5,4 % соответственно. Для сравнения выбрано номинальное значение d0 в связи с тем, что именно его используют в расчетах траектории струи. Таким образом, из практики исследований становится понятным, что в эксплуатации находится некоторое количество единиц РПС, которые по различным причинам не соответствуют требованиям ГОСТ по значению d0. Точное количество таких единиц РПС оценить затруднительно, о чем указывалось во введении.
Результаты исследования также представлены на рисунке 1. Зависимости абсолютных и относительных значений величин А/, Ah и A/r и Ahr (в м и %) от величины угла ©0 (в град.) для РС-50А с разной степенью соответствия требованиям ГОСТ 9923-93 показана на рисунке 1.
Al , м rrz' 7WWnr ¥
к- TT нг _ ■ ■
/ V
ll > V—
■ 7- / l < >0 , гр 'ад
ii-
P \ r? ¥ ki
4 i г » /
г ii i1"
% * 1 —i
j < Ii ■ ■
--1 J1 -
Y* l L_ —*■- i>r 1 h'
—
15
10
-10
-15
-20
-25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1 1 1 ЛЬ Ah r , % 1
J . Z u У у ■ / у ■ * ■ £
J Y 4
i S>o , г рад %
. i f
\
\ 1 4
1 s
L » I I
1 I I
\ f I 1 »
L J * \ 1
l J T у Ir1 h * 1 1
"II ■[ 1 <
T
15
10
-10
-15
-20
-25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Б
Рис. 1. Зависимости абсолютных (■,▲,•) и относительных (□, А, о) значений изменения длины полета (а) и высоты подъема (б) значений изменения струи из ствола РС-50А с разной степенью соответствия требованиям ГОСТ 9923-93, от угла наклона оси ствола к горизонту: ■, □ - А<0 = +0,70 мм; ▲, А - А<0 = -0,40 мм; •, о - А<0 = +0,11 мм
3
2
5
5
0
0
0
а
Как видно из данных, представленных на рисунке 1 в том числе и для случая из исследований [1, 2], величины l, dl/dV0 и Al достигают максимумов (41,751 м, 4,08 с и -1,381 м соответственно) при ©0 = 45°, тогда l = = [40,370...41,751] м или l = 41,751-1,381 м, величина А/r = 3,31 %, а сама величина l в этом случае определяется с точностью до ±0,691 м или ±1,66 % относительно значения, соответствующего середине поля допуска влияющего параметра (13,055 мм). Величина Alr достигают максимума, равного -3,345 % при ©0 = 90°. Следует заметить, что при ©0 = 0° эти величины не равны нулю: l = 9,030 м, dl/dV0 = 0,452 с, Al = -0,153 м, Alr = -1,692 %. Величины h, dh/dV0, Ah и Ahr достигают максимумов (21,387 м, 2,04 с, -0,690 м и 3,23 % соответственно) при ©0 = 90°, тогда h = 21,387-0,69 м, или h = = [20,697.21,387] м, а сама величина h в этом случае определяется с точностью до ±0,691 м или ±1,66 % относительно значения d0 = 13,055 мм. При ©0 = 0° величины dh/dV0 и Ah и Ahr равны нулю, а h = h0 [1, 2].
Как видно из данных, представленных на рисунке 1, величины l, dl/dV0, h и dh/dV0 для всех трех рассматриваемых случаев не отличаются от случая РПС с номинальным значением диаметра d0 из исследований [1, 2].
Результаты оценки для первого РПС с Ad0 = -0,40 мм следующие. Абсолютные величины Al и Ah достигают максимумов (5,021 м и 2,509 м соответственно) при ©0 = 45° и 90°. Тогда l = [41,751.46,772] м или l = = 41,751+5,021 м. Относительные величины Alr и Ahr достигают максимумов,
равных +12,162 % и +11,732 % при ©0 = 90°. Тогда h = 21,387+2,509 м, или же h = [21,387...23,896] м. Следует отметить, что при ©0 = 0° Al = +0,556 м, a Alr = +6,154 %, а Ah = 0 м.
Результаты оценки для второго РПС с Ad0 = +0,70 мм следующие. Абсолютные величины Al и Ah достигают максимумов (-8,787 м и -4,391 м соответственно) при ©0 = 45° и 90°. Тогда l = [32,964.41,751] м или l = = 41,7518,787 м. Относительные величины Alr и Ahr достигают максимумов, равных -21,284 % и -20,531 % при ©0 = 90°. Тогда h = 21,387-4,391 м, или же h = [16,996.21,387] м. Следует отметить, что при ©0 = 0° Al = -0,973 м или Alr= -10,769 %, а Ah = 0 м.
Также из данных, приведенных на рис. 1 следует, что значения Alr и Ahr
существенно изменяются при изменении величины ©0 в пределах 0......45°.
После достижения ©0 значения 45° и вплоть до 90° они «выходят на полку», асимптотически приближаясь к значениям около +12,5 % для РПС с Ad0 = -0,40 мм и -22,0 % для РПС с Ad0 = +0,70 мм. При этом следует обратить внимание на то, что влияющий фактор d0 изменился всего на существенно меньшую величину Ad0r (-3,1 % и +5,4 % соответственно), находясь в обратной корреляции с искомыми величинами.
Вышеизложенное дополнительно подтверждает и иллюстрирует целесообразность использования для описания закона распределения физической величины, оказывающей нелинейный влияние на другие физические величины, математического аппарата бета-распределения.
Выводы. Таким образом, в данном исследовании приведена и обоснована методика, оценено, описано формулами и проиллюстрировано графиками влияние точности изготовления ручных пожарных стволов, диаметр выходного отверстия которых не отвечает нормативно установленным требованиям в разной степени, например, выходя за пределы поля допуска по ГОСТ 9923-93 в обе стороны, на геометрические параметры траектории струи воды из них, в частности ее дальность полета и высоту подъема, для различных значений угла наклона оси ствола к горизонту, как в абсолютных, так и в относительных величинах при прочих равных условиях. Дополнительно обоснована целесообразность использования бета-распределения для описания этих величин с учетом нелинейности их взаимного влияния.
Список использованной литературы
1. Кондратенко А.Н., Бурменко А.А. Взаимосвязь нормативной точности изготовления пожарного ствола и дальности полета выходящей из него струи // Матер. V Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2016» (12-13 апр. 2016 г.). - М.: Академия ГПС МЧС России, 2016. - С. 120-124.
2. Мищенко И.В., Кондратенко А.Н. Взаимосвязь нормативной точности изготовления пожарного ствола и высоты подъема выходящей из него струи // «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: сб. ст. по матер. VII Всерос. науч.-практ.
конф. курсантов, слушателей, студентов и молодых ученых с международным участием: в 2 ч. Ч. 1 (28-29 апр.2016 г.). - Воронеж: ВИГПС МЧС России, 2016. -С. 254-258.
3. ГОСТ 9923-93 «Ствол пожарный ручной. Технические условия». - утв. и введ. в действ. 10.03.1980; переутв. 18.10.1994. - М.: Стандартинформ, 1993. -11 с.
4. ГОСТ 25347-2013 «Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Система допусков на линейные размеры. Ряд допусков, предельные отклонения отверстий и валов». - разраб. и утв. 14.11. 2013, введ. в действ. 01.07.2015. - М.: Стандартинформ, 2015. - 54 с.
5. Вамболь С.А., Мищенко И.В., Кондратенко А.Н., Бурменко А.А. Алгоритм построения эмпирического закона распределения данных косвенного определения нелинейных величин на примере геометрических характеристик выходного отверстия ручного пожарного ствола // «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы»: сб. ст. по матер. VI Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. уч. (23-24 сентября 2015 г.). - Воронеж: ВИГПС МЧС России, 2015. -С. 126-129.
