Вадим Ковтун: «Инновационные методы в повышении эксплуатационной надежности ПАСА»

Вадим Ковтун: «Инновационные методы в повышении эксплуатационной надежности ПАСА»

Вадим Ковтун: «Инновационные методы в повышении эксплуатационной надежности ПАСА»

Вадим Ковтун: «Инновационные методы в повышении эксплуатационной надежности ПАСА»

Сегодня в рубрике «Взгляд на проблему» представлен авторский взгляд Вадима Ковтуна, д.т.н., профессора кафедры оперативно-тактической деятельности и техники и Сергея Короткевича, преподавателя кафедры промышленной безопасности Университета гражданской защиты МЧС на актуальные проблемы повышения надежности пожарной аварийно-спасательной техники.

Ежедневно аварийно-спасательные подразделения сталкиваются в своей работе с различными чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера. Время оказывает решающее влияние на процесс развития пожара и размер причиняемого ущерба. Статистика свидетельствует, что 98% от общего числа погибших приходится именно на начальный период развития пожаров и чрезвычайных ситуаций. Для оперативного прибытия пожарных аварийно-спасательных подразделений необходимо наличие новой высокотехнологичной техники либо постоянная модернизация существующей. Поэтому проведение и реализация мероприятий по обновлению и модернизации пожарной аварийно-спасательной техники является одной из приоритетных задач Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь.

Сравнительный анализ количества выездов пожарной аварийно-спасательной техники на ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций (рисунок 1) показал, что основной привлекаемой единицей является пожарная автоцистерна [1].

 

Рисунок 1 – Усредненная диаграмма процентного отношения количества выездов пожарной аварийно-спасательной техники на ликвидацию последствий ЧС на территории Республики Беларусь за период с 2014 по 2017 год включительно

При производстве пожарных автомобилей округлые формы цистерн не позволяют рационально использовать пространство под различное совместно перевозимое аварийно-спасательное оборудование, количество которого превышает 100 наименований, а также увеличить объём перевозимой огнетушащей жидкости, необходимой при тушении пожаров. По этой причине был осуществлён переход на тонкостенные конструкции цистерн прямоугольного сечения.

С 2015 года проводится работа по обновлению парка пожарных автоцистерн, при этом делается акцент на увеличение объёма цистерн. Новые образцы техники на базе шасси МАЗ-6317 способны перевозить 8-12 тонн воды. Эффективность использования пожарных автомобилей с цистерной большого объёма обусловлена следующими показателями:

повышение тактических возможностей автоцистерн при тушении пожаров за счет увеличения объёма, что позволяет в 2-3 раза эффективнее работать в сравнении с предыдущими моделями автоцистерн;

уменьшение количества дополнительно привлекаемой и задействованной техники, суммарного пробега, затрат на их ремонт и техническое обслуживание;

снижение финансовых затрат за счет сокращения расходов на приобретение двух и более автоцистерн с меньшим объёмом цистерн;

создание идеальных условий для тушения пожаров в безводных районах и населённых пунктах, не оснащенных водными коммуникациями, а также для тушения лесных и торфяных пожаров;

обеспечение большой проходимости в условиях бездорожья за счет применения конструкции полного привода колёсной базы;

увеличение объёма внутреннего пространства для удобного размещения личного состава и надстройки для размещения пожарно-технического вооружения, аварийно-спасательного оборудования и инвентаря.

При производстве пожарных автоцистерн особенно важно соблюдение повышенных требований к прочности конструкции самой цистерны. Как показывает практика, одной из встречающихся причин их ремонта является появление течи в конструкции цистерны. Это обусловлено, в первую очередь, ежедневным оперативным движением к месту произошедшей чрезвычайной ситуации в режимах ускорение, торможение, поворот. Процесс перевозки жидких грузов характеризуется большими перемещениями центра масс груза в резервуаре [2]. Возникающие колебания жидкости приводят к большим нагрузкам, действующим на боковые стенки и днище цистерны. Существующие модели цистерн, конструктивно схожие с европейскими аналогами, применяются универсально, и не учитывают всех особенностей при эксплуатации на территории Республики Беларусь, как например, движение по просёлочной дороге в сельских населённых пунктах или в условиях бездорожья при следовании к месту тушения лесных и торфяных пожаров. Воздействия рельефа местности и колебаний жидкости передают цикличные динамические нагрузки на конструкцию цистерны и приводят к нарушению герметичности по причине появления трещин в местах сварных соединений волноломов с оболочкой цистерны, а также в угловых сварных соединениях. Устранение возникающих повреждений ведёт к простою техники и снижению боеспособности подразделения в течение продолжительного периода времени. Поэтому применение современных научно-обоснованных подходов при проектировании конструкции цистерны позволит повысить их эксплуатационную надёжность и увеличить межремонтный период обслуживания [3].

В целях возможности проведения оценки надёжности конструкций цистерн пожарных автомобилей в зависимости от различных эксплуатационных режимов движения Университетом гражданской защиты МЧС была разработана «Методика динамического моделирования напряженно-деформированного состояния элементов и узлов конструкций оболочечного типа». Этот методологический подход позволяет исследовать возникающее напряженно-деформированное состояние конструкций для перевозки жидких грузов при помощи измеренных значений вибрации и компьютерного моделирования [4]. В качестве средства расчёта использовался программный продукт ANSYS. Были разработаны расчётные 3D модели, позволяющие оценить напряжённо-деформированное состояние конструкции цистерны пожарного автомобиля в зависимости от различных эксплуатационных режимов (рисунок 2).


Рисунок 2 – Распределение полей эквивалентных напряжений по Мизесу в конструкции цистерны пожарного автомобиля на базе шасси МАЗ-5337 (вид сбоку) в движении при повороте на скорости 10-15 км/ч

Актуальность задачи обеспечения прочности при проектировании разнообразных типов конструкций цистерн обуславливает наличие различных методов оценки их напряжен­но-деформированного состояния. Эксплуатационная надёжность цистерны обеспечивается наличием волноломов и рёбер жёсткости (прямоугольного сечения), поэтому их расположение и конструктивное исполнение требует точный инженерный расчёт.

На данный момент выделяют следующие методы исследования напряженно-деформированного состояния:

экспериментальные (неразрушающий контроль);

аналитические (математический расчёт);

численные (компьютерное моделирование).

Особенностью экспериментальных методов является необходимость проведения исследований непосредственно на об­разце конструкции; при поиске оптимальной конструкции зачастую требуется прове­сти несколько экспериментов и измерений, что влечет за собой зна­чительные затраты материальных ресурсов и времени, кроме того, внесение любого изменения в объект требует изготовление нового образца изделия. Таким образом, данный метод длителен, трудоёмок и экономически не оправдан, что обуславливает необходимость рассмотрения альтернативных путей для исследования напряженно-деформированного состояния конструкций ёмкостей для жидкости оболочечного типа [5]. Доступными видами контроля сварных швов являются визуальный осмотр и испытания гидростатическим давлением, что не позволяет оценить надёжность конструкции от действия динамических нагрузок.

Аналитический метод в решении задач динамики движения твёрдого тела в полости, заполненной жидкостью, значительно усложняется в связи с необходимостью составления и решения полных нелинейных уравнений движения. При этом требуется применять численные методы с учётом наличия разрывных решений, обусловленных нелинейностью и гиперболичностью уравнений, или аналитические методы со специальными условиями, которые описаны в исследованиях различных учёных. Наличие препятствий, которыми и являются устройства гашения колебаний жидкости в полости, ведёт к образованию вертикальной неоднородности течения. Аналитическое решение названных уравнений до настоящего времени не получено, определение напряжений возможно только для достаточно простых конструкций. Поиск решения обуславливает необходимость внесения значительных упрощений в модель. В противном случае применение данных методов совместно с теорией упругости к расчёту напряженно-деформированного состояния цистерны приводит к сложному математическому аппарату вычислений [6-7].

Современные компьютеры дают возможность широкого использования численных методов определения напряжений и деформаций в элементах конструкций слож­ной формы. Главное преимущество численных методов заключается в том, что они яв­ляются универсальными по отношению к вариациям исходной силовой и гео­метрической информации и позволяют быстро выполнять анализ воздействия разнообразных определяющих переменных (геометрических, нагружения, осо­бенностей структуры и свойств) на состояние механической системы [8-9]. Метод конечных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами анализа напряженно-деформированного состояния:

широкий диапазон применимости (в отличие от аналитических ме­тодов, разработанных для прочностного анализа достаточно простых конструкций, метод конечных элементов позволяет осуществлять расчет деталей любых форм с учетом всех особенностей геометрии, наличия концентраторов напряжений и т.д.);

легкость учета граничных условий и условий нагружения;

экономия временных и материальных ресурсов, воспроизводимость эксперимента.

Проведённый обзор существующих методов оценки напряжённо-деформированного состояния конструкций ёмкостей для перевозки жидких грузов позволил установить, что классические подходы накладывают определённые ограничения на точность и возможность получения определённых результатов. Исследования с использованием возможностей 3D моделирования позволяют эффективно оценить и спрогнозировать эксплуатационное состояние, как в целом исследуемой конструкции, так и отдельных её элементов. Возможность учёта особенностей эксплуатационных режимов движения в зависимости от различных видов переменных нагрузок особенно актуально при определении напряжённо-деформированного состояния конструкций цистерн пожарных автомобилей, с целью последующей разработки оптимальных решений для увеличения эксплуатационной надёжности и межремонтного периода.

Литература

1.   Концепция оснащения подразделений по чрезвычайным ситуациям пожарной аварийно-спасательной техникой Казябо В.А., Шавель Ю.И., Гончаров И.Н. НИИ ПБ и ПЧС сборник отчётов о НИР С. 4 – 9.

2.   Безухов, Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н.И. Безухов – Минск: Высшая школа, 1993. – 512 с.

3.   Короткевич, С.Г. Компьютерное моделирование и исследование напряжённо-деформированного состояния конструкций цистерн пожарных автомобилей / С.Г. Короткевич, В.А. Ковтун В.А. Жаранов // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. – 2018. – № 1. – С. 81 – 90.

4.    Головченко, В.И. Проверка прочности элементов крепления цистерны к шасси автотопливозаправщика от смещения при действии продольной нагрузки / В.И. Головченко, Н.Л. Иванина // Весник НТУ «ХПИ». – 2012. – №1 (975) – С. 22–35.

5.   Методика динамического моделирования напряжённо-деформированного состояния элементов и узлов конструкций оболочечного типа. – Гомель: ГФ УГЗ МЧС РБ, 2017. – 8 с. – от 24.07.2017 г.

6.   Петросян, А.С. Дополнительные главы гидродинамики тяжелой жидкости со свободной границей / А.С. Петросян. – Москва: ИКИ РАН, 2010. – 127 с.

7.   Богомаз, Г.И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн / Г.И. Богомаз. – Минск: Наукова думка, 2004. – 224 с.

8.   Елисеев, К.В. Вычислительный практикум в современных CAE-системах / К.В. Елисеев, Т.В. Зиновьева // Компьютерное моделирование. – Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет, 2008. – С. 36-54.

9.   Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, M.A. Олферьева; под. ред. А.В. Войтик. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 272 с.


 
Текст сообщения*
Загрузить файл или картинкуПеретащить с помощью Drag'n'drop
Перетащите файлы
Ничего не найдено
Защита от автоматических сообщений
 

Факультеты и филиалы


83eee8bf5cb8310150bcbd0e586bea54  

Календарь мероприятий

Октябрь 2019

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
30
17 18 19 20
21 22 24 25 26 27
28 29 30 31 1 2 3
Университет гражданской защиты МЧС Республики Беларусь logo
Республика Беларусь, г. Минск 220118 ул. Машиностроителей, 25
+375 (17) 340-35-57 +375 (17) 340-35-57 mail@ucp.by