Определение устойчивости производственного комплекса объекта к воздействию воздушной ударной волны

Устойчивость элементов производственных комплексов объектов экономики и их структурных подразделений к воздействию воздушной ударной волны заключается:

– в выявлении основных элементов производственного комплекса, от которых зависит функционирование объектов и их структурных подразделений;

– в определении (по формулам, таблицам) расчетной устойчивости каждого элемента производственного комплекса цеха – по нижней границе диапазона давлений, вызывающих средние разрушения;

– в определении расчетной устойчивости группы элементов (зданий, оборудования и т. п.) и производственного комплекса цехов в целом – поминимальной расчетной устойчивости элемента (группы элементов), выход из строя которого (которых) приведет к остановке производства;

– в сравнении расчетной устойчивости производственного комплекса цехов (объектов в целом) свеличиной прогнозируемого избыточного давления воздушной ударной волны взрыва;

– в разработке мероприятий по повышению устойчивости наиболее уязвимых элементов производственного комплекса цехов и объектов.

 

Задание: определить устойчивость механического цеха машиностроительного завода к воздействию воздушной ударной волны с максимальным избыточным давлением DР_Ф =45 кПа.

Исходные данные цеха:

− здание цеха с тяжелым металлическим каркасом.

− Оборудование цеха включает в себя станки: токарно-револьверный прутковый, копировально-фрезерный с программным управлением; зубообрабатывающий; фрезерно-центровальный полуавтомат.

− КЭС цеха: электрические сети кабельные, наземные и трубопроводы наземные.

Зоны разрушения показаны на рис. П.3 в Приложении.

1. По табл. П.6 [1] для каждого элемента производственного комплекса механического цеха находим величины DР_Ф, вызывающие полное, сильное, среднее и слабое разрушения. Эти данные заносятся в Таблицу 3.

Таблица 3. Степень разрушения элементов производственного комплекса цеха

№ п/п	Исследуемый элемент	Краткая характеристика исследуемого элемента	Степень разрушения при DРф, кПа												Расчетная устойчивость элементов производствен-ного комплекса цеха, кПа		Расчетная устойчивость группы элементов производственного комплекса цеха, кПа	Расчетная устойчивость производствен-ного комплекса цеха, кПа
			10	20		30		40		50		60	70
1	Здание	с тяжелым металлическим каркасом														30			20
															30
2	Оборудова-ние (станки)	-токарно-револьверный, прутковый; -копировально-фрезерный; -зубообрабаты-вающий; -фрезерно-центровальный.														20
															20
															20
															25
															25
3	Транспорт	напольные краны													30	30
		электрокары													40
		мотороллеры													40
4	Связь	телефонная													50	50
		диспетчерская													50
5	КЭС															40
	трубопроводы	наземные													50
	эл. сети	наземные,													40

 

	– слабые;		– средние;
	– сильные;		– полные.

2. По нижней границе средних разрушений определяем расчетную устойчивость каждого элемента производственного комплекса цеха к воздействию воздушной ударной волны. Результаты заносим в Таблицу 3.

 

3. Определяем расчетную устойчивость групп элементов и всего производственного комплекса цеха к воздействию воздушной ударной волны – по минимальной величине DР_Ф элемента и группы элементов, выход из строя которого (которых) приведет к остановке производства.

Расчетная устойчивость здания                   30 кПа;

Расчетная устойчивость оборудования      20 кПа;

Расчетная устойчивость транспорта           30 кПа;

Расчетная устойчивость связи                     50 кПа;

Расчетная устойчивость КЭС                      30 кПа.

Расчетная устойчивость цеха                      20 кПа.

 

Полученные данные заносим в Таблицу 3.

 

4. Сравнив расчетную устойчивость производственного комплекса цеха

(20 кПа) и прогнозируемое значение DР_Ф (45 кПа), можно сделать вывод: производственный комплекс цеха не устойчив к воздействию воздушной ударной волны.

 

5. Для повышения устойчивости производственного комплекса цеха к действию воздушной ударной волны необходимы следующие мероприятия по повышению физической устойчивости наиболее уязвимых элементов производственного комплекса:

– установка дополнительных рамных конструкций, подкосов и т.п.,

– создание защитных кожухов на оборудование. По данным Таблицы 3 составим схемы возможного разрушения оборудования механического цеха при фиксированных давлениях DР_Ф = 10, 20, 30, 40, 50, 60 кПа (рис. 7).

Давление DР_Ф = 10 кПа.

 

Давление DР_Ф = 20 кПа.

 

Давление DР_Ф = 30 кПа.

 

Давление DР_Ф = 40 кПа.

 

Давление DР_Ф = 50 кПа.

 

Давление DР_Ф = 60 кПа.

 

	– слабые;		– средние;
	– сильные;		– полные.

Рис. 7. Разрушение станочного оборудования механического цеха при различных значениях давления DР_Ф.

Определение (расчет) устойчивости некоторых элементов промышленного комплекса объекта, быстро обтекаемых воздушной ударной волной (дымовые трубы, опоры ЛЭП, высокие станки, шкафы с аппаратурой и т.п.) производится не по величине избыточного давления DР_Ф, а по величине давления скоростного напора воздуха ΔР_ск, движущегося за фронтом ударной волны.

Давление скоростного напора воздуха ΔР_ск зависит от избыточного давления воздуха DР_Ф и определяется по формуле или графику.

 

Формула для определения давления скоростного напора воздуха:

                       (2)

График зависимости ΔР_ск от DР_Ф приведен на рис.8.

Рис. 8. Зависимость скоростного напора ΔР_ск от избыточного давления DР_Ф

 

При воздействии давления скоростного напора воздуха DР_ск возникает так называемая смещающая сила Р_см. Она может вызвать смещение или отбрасывание элементов производственного комплекса относительно их основания (фундамента) или их опрокидывание. При этом смещение приводит, как правило, к средним разрушениям, а опрокидывание – к сильным.

Смещение незакрепленного оборудования (рис. 9) произойдет при превышении силы Р_см над силой трения F_тр, т.е. при выполнении условия:

 

                      (3)

где Р_см – смещающая сила скоростного напора воздуха, Н,

ΔР_ск – величина скоростного напора воздуха, кПа;

S = b×h – площадь поверхности обтекаемого оборудования, м²;

b и h – ширина и высота оборудования, м.

С_x – коэффициент аэродинамического сопротивления оборудования, определяемый по табл. П.8 [1],

f – коэффициент трения, определяемый по табл. П.9 [1],

g – ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с².

m – масса предмета, кг.

                                

Рис. 9. Силы, действующие на оборудование при смещении: 1 – центр давления; 2 – центр тяжести; 1 – длина, м; h – высота, м.

 

Из формулы (3) можно определить величину DР_ск, при которой смещения оборудования не пройдет (Р_см = F_тр):

.                                       (4)

 

Определить предельное значение DР_Ф(min), не вызывающее смещение незакрепленного оборудования (шкаф с контрольно-измерительными приборами, металлическое основание) по бетону.

Данные станка: длина l = 880 мм, ширина b = 750 мм, высота h = 1750 мм, масса m = 680 кг.

1. По формуле (4) находим предельное значение давления скоростного напора воздуха, еще не вызывающее смещение станка.

 Коэффициент аэродинамического сопротивления оборудования С_x определяем по табл. П.8 [1]. Для параллелепипеда он равен С_x = 1,3.

Коэффициент трения f металла по бетону равен 0,3 (определяется по табл. П.9 [1]).

Тогда:                 

2. Из графика рис.8 по величине ΔР_cк(min) = 1,3 кПа определяем величину ΔР_ф(min)= 23 кПа.

Можно сделать вывод что при DР_Ф > 23 кПа давление скоростного напора воздуха ударной волны взрыва вызовет смещение станка и его среднее разрушение.

 

Опрокидывание незакрепленного оборудования произойдет, если смещающая сила Р_см, действуя на плече z = h/2 будет создавать опрокидывающий момент, превышающий стабилизирующий момент от веса оборудования G на плече l/2 (рис. 10).

Рис. 10. Силы, действующие на оборудование при опрокидывании: 1 – центр давления; 2 – центр тяжести; 1 – длина, м; h – высота, м.

 

Он находится по формуле:

Р_см × h/2 > G×l/2,                                            (5)

где Р_см = DР_ск × S × C_x = DР_ск × b × h × C_x;

G = mg.

Из формулы (5) можно определить величину DР_ск, при которой опрокидывания оборудования не произойдет:

                        (6).

Определить предельное значение ΔP_ф(min), не вызывающее опрокидывание незакрепленного оборудования (шкаф с контрольно-измерительными приборами, металлическое основание) по бетону. Данные для станка те же.

 

1. По формуле (6) определяем предельное значение давления скоростного напора ΔР_ск(min), при котором станок еще не опрокидывается:

 

Из графика рис.8 по величине ΔР_ск(min) = 2 кПа определяем величину DР_Ф(min)= 25 кПа.

Отсюда можно сделать вывод: при DР_Ф > 24кПа давление скоростного напора воздуха вызовет опрокидывание станка и его сильное разрушение.

 

Для предотвращения смещения и опрокидывания станка необходимы соответствующие мероприятия: закрепление станка, проектирование защитных устройств для особо ценного оборудования.

 

При определении устойчивости закрепленного оборудования дополнительно учитывают:

• при возможном смещении – усилия болтов крепления, работающих на срез Q_г:

Р_см > F_тр + Q_г;                                                 (7)

• при возможном опрокидывании – реакцию крепления Q на плече l:

Р_см × z > G × ½ + Ql.                                       (8)

 

По результатам исследований устойчивость производственного комплекса цехов и других структурных подразделений к воздействию воздушной ударной волны строят сводную таблицу устойчивости к воздушной ударной волне производственного комплекса завода в целом.

 

Расчетная устойчивость производственного комплекса завода определяется по минимальной величине расчетной устойчивости цеха (отдела, лаборатории и т.п.), выход из строя которых приведет к остановке производства.