Закупки

Все закупки
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

Декабрь 2018

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
26 27 28 29 30
11 13 14 15
17 18 20 21 22 23
24 25 27 28 29 30
31 1 2 3 4 5 6
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