Опасные и вредные производственные факторы при холодной обработке металлов

Р_см = С_х ∙ S ∙ ∆P_ск.               (6)

Коэффициент аэродинамического сопротивления С_х, зависит от формы тела, ориентации его относительно ударной волны и от скорости движения воздуха. Величины С_х для тел различной формы приведены в прил. 3.

Если тело имеет сложную форму составленную из тел, приведенных в прил. 3, то примерное значение С_х(сл) тела сложной формы определяется:

,                                                                            (7)

где С_хi – коэффициент аэродинамического сопротивления данной части тела; S_i – площадь миделя этой части тела.

Сила Р_см прикладывается в центре тяжести площади S (в центре давления предмета).

 

3. МЕТОДИКА  ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ

ОБОРУДОВАНИЯ  И ТЕХНИКИ

 

Действие ударной волны  на небольшие предметы, элементы оборудования и техники может привести:

– к смещению предметов относительно оснований или к их отбрасыванию;

– опрокидыванию предметов;

– ударной перегрузке, то есть мгновенному инерционному разрушению элементов объекта.

 

3.1. Смещение предметов

 

Предмет (станок, прибор, трансформатор, автомашина и т. п.) сдвинется со своего места, если смещающая сила Р_см будет превосходить силу трения F_тр и горизонтальную составляющую силы крепления Q (рис. 3), то есть

Р_см ³ F_тр + Q,                        (8)

где F_tp = f ∙ G = f ∙ m ∙ q;

f – коэффициент трения (прил. 4);

G – вес оборудования, Н;

m – масса оборудования, кг;

q – ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с;

Q – суммарное усилие болтов, работающих на срез, Н.

Для незакрепленного  оборудования (Q = 0) смещение наблюдается при Р_см ≥ F_тр. Зная силу трения, можно найти давление скоростного напора воздуха ∆Р_ск:

Р_см ∙ С_x ∙ S ³ f ∙ G,

отсюда

.                                                                     (9)

По величине ∆Р_ск, используя формулу (5) или график (рис. 2), находим предельное избыточное давление ∆Р_фlim, при котором предмет ещё не смещается относительно основания. При ∆Р_ф  ≥ ∆Р_фlim предмет смещается относительно основания. Смещение предмета может сопровождаться слабыми, а порой и средними повреждениями, поэтому необходимо решать вопрос об обеспечении неподвижности предмета, то есть закреплении его к фундаменту или основанию.

В случае, когда смещающая сила значительно превосходит силу трения (Р_см >> F_тр), незакрепленные предметы могут отбрасыватъся набольшие расстояния, что может сопровождаться соударениями с другими предметами и резким повышением степени повреждений.

 

Пример 2.

 

Определить ∆Р_фlim(см), не вызывающее смещение незакреплённого вертикально-фрезерного станка относительно бетонного основания.

Длина станка L = 1000 мм, ширина b = 900 мм, высота h = 1800 мм, масса m = 800 кг.

 

Решение.

 

1. Определяют предельное значение скоростного напора, не приводящее к смещению станка, по формуле (9)

,

где S = b ∙ h; f = 35 (по прил. 4), С_х =1,3 (по прил. 3), тогда

= 1300 Па = 1,3 кПа.

2. По величине ∆Р_ск =1,3 кПа по графику (рис. 2) находят

∆Р_фlim(см)  = 20 кПа.

 

Вывод: При Р_ф >20 кПа ударная волна вызовет или отбрасывание станка, соответствующее слабым, средним, сильным или полным его разрушением (прил. 2).

 

 

 

 

3.2. Опрокидывание оборудования

 

Высокие предметы (башенные краны, вертикальные станки, высокие приборы, опоры ЛЭП, дымовые трубы и т.п.) под воздействием ударной волны могут опрокидываться (сваливаться) и сильно разрушаться.

Смещающая сила Р_см, действуя на плечо Z, будет создавать опрокидывающий момент, а вес оборудования G на плече L/2 и реакция крепления Q на плече L – стабилизирующий момент (рис. 4).

Условием  опрокидывания закрепленного оборудования является превышение опрокидывающего момента над стабилизирующим, то есть

,                                                        (10)

а для незакрепленного предмета:

,                                                                (10а)

Считаем, что  точка приложения силы Р_см находится в центре площади стороны S предмета. Реакция крепления Q определяется как суммарное усилие болтов, работающих на разрыв. Из неравенства (10) определяем смещающую силу

,                                                             (11)

Определяем давление скоростного напора воздуха DР_ск ещё не вызывающее опрокидывания оборудования, с использованием формул (6) и (11):

∆P_ск ∙ С_х ∙ S = ,

отсюда

∆P_ск ³ .

Для незакрепленного предмета Q = 0, тогда

∆P_ск ³ .                                        (12)

По значению ∆Р_ск на графике (рис. 2) находим ∆Р_фlim, при котором предмет ещё не опрокинется. При ∆Р_ф >∆Р_фlim предмет опрокинется и получит сильные повреждения.

 

Пример 3.

 

Найти предельное значение избыточного  давления ∆Р_фlim(оп), при котором незакреплённый вертикально-фрезерный станок не опрокинется.

Длина станка L = 1000 мм, ширина b = 900 мм, высота h = 1800 мм, масса m = 800 кг.

 

Решение.

∆P_{ск lim(оп)} = = = =

            = =207 Па = 2,7 кПа,

По величине ∆Р_{ск lim(оп)} = 2,07 кПа из графика (рис. 2) находим ∆Р_{ф lim(оп)} = 25 кПа.

 

Вывод. При ∆Р_ф > 25 кПа ударная волна опрокинет станок что приведёт к сильным или полным его разрушениям (рис. 2).

 

3.3. Инерционное разрушение элементов оборудования

 

Для некоторых видов  оборудования, измерительных приборов и аппаратуры, имеющих чувствительные элементы, опасными будут большие  ускорения, приобретаемые этими  элементами при действии ударной волны. Обладая определённой массой и упругостью (при установке их на амортизаторах), элементы прибора приобретают инерционные силы, которые могут привести к внутренним повреждениям схемы (отрыву припаянных элементов, разрыву соединительных проводов, разрушению хрупких элементов). Инерционные разрушения могут приравниваться к сильной степени разрушения.

Чтобы определить предельное значение избыточного давления ударной  волны ∆Р_{ф lim(инерц)}, при котором оборудование ещё не получит инерционного разрушения, используют график зависимости избыточного давления лобового сопротивления ∆Р_лоб от избыточного давления ударной волны ∆Р_ф (рис. 5).

Для оценки устойчивости прибора к инерционным разрушениям при ∆Р_ф и ∆Р_ск определяется лобовая сила:

∆Р_лоб = (∆Р_ф + ∆Р_ск) ∙ S,

где S – площадь миделя, S = b ∙ h.

Сила инерции равна  сумме сил и реакций связи (для  незакрепленного предмета – это сила трения F_тр):

m ∙ a = Р_лоб – F_тр,

где m – масса предмета, кг;

a – ударное ускорение, м/с² .

Учитывая небольшие  значения силы трения и пренебрегая  ими, получим:

Р_лоб = m ∙ a.                         (13)

Если задаться допустимым ускорением при ударе a_доп или предельной ударной перегрузкой n_доп = a_доп /q, не приводящим к инерционным разрушениям, можно определить, какому избыточному лобовому сопротивлению ∆Р_лоб это будет соответствовать:

DР_лоб = .                                        (14)

Допустимые перегрузки для каждого  конкретного изделия обычно приводятся в технической документации на его изготовление. В прил. 5 даны перегрузки для радиоэлектронной аппаратуры. Они зависят от условий эксплуатации и вида техники, на которой оно установлено.

 

Пример 4.

 

Определить предельное избыточное давление ∆Р_{фlim(инерц)} при котором прибор ещё не получит инерционных разрушений.

Длина прибора L= 400 мм, ширина b = 420 мм, высота h = 720 мм, масса m = 60 кг, допустимое ускорение при ударе a_доп = 100 м/с².

 

Решение

 

1. Определяют лобовую силу, не приводящую к ударной перегрузке, по формуле (13):

Р_лоб = m ∙ a = 60 ∙ 100 = 6000 Н.

2. Находят избыточное лобовое давление по формуле (14), которое может выдержать прибор:

DР_лоб = = = 20000 Па = 20 кПа.

По графику (рис. 5), зная, что ∆Р_лоб = 20 кПа, находим ∆Р_{фlim(инерц)} = 18 кПа.

 

Вывод: При ∆Р_ф > 18 кПа прибор получит сильные повреждения от инерционных перегрузок, вызванных действием ударной волны.

 

4. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОБЪЕКТОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

К ВОЗДЕЙСТВИЮ УДАРНОЙ  ВОЛНЫ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ

ПРИ ВЗРЫВАХ ГАЗОВОЗДУШНЫХ  СМЕСЕЙ

 

При авариях на предприятиях со взрывоопасной и пожароопасной технологией, на складах и хранилищах, где хранятся, и на транспорте, на котором перевозятся взрывоопасные и пожароопасные вещества, вследствие истечения газообразных или сжиженных углеводородных продуктов и перемешивании их с воздухом образуются взрывоопасные и пожароопасные газовоздушные смеси. Смеси горючих газов (метана, пропана, бутана и др.) с воздухом взрывоопасны при любой температуре окружающей среды. Смеси паров легковоспламеняющихся жидкостей с воздухом относятся к взрывоопасным, если температура вспышки их ниже или равна 45°С. Взрыв или возгорание этих газовоздушных смесей происходит при определенном содержании газа в воздухе (от нижнего концентрационного порога воспламенения до верхнего концентрационного порога воспламенения). Взрывоопасны также смеси горючих пылей с воздухом с нижним концентрационным порогом воспламенения (НКПВ) ниже 15 г/м³ и менее взрывоопасны – с НКПВ =15 – 65 г/м³.

При взрыве газовоздушной  смеси образуется очаг взрыва с ударной волной, вызывающей разрушения зданий, сооружений и оборудования аналогично тому, как это происходит от ударной волны ядерного взрыва.

В очаге взрыва газовоздушной смеси принято  выделять три круговые зоны (рис. 6):   

1 – зона детонационной волны;  

2 – зона действия продуктов взрыва;  

3 – зона воздушной ударной волны.

 

3она  детонационной волны находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны  r_i, м, приближенно может быть рассчитан по формуле

r₁ = 17,5 ,                                 (15)

где Q – количество сжиженного углеводорода, т.

В пределах зоны 1 действует  избыточное давление, которое может приниматься постоянным,  ΔP₁ =1700 кПа.

Зона действия продуктов взрыва охватывает всю площадь разлёта продуктов взрыва газовоздушной смеси в результате её детонации. Радиус этой зоны

r₂ = 1,7 r₁.

Избыточное давление в пределах этой зоны ΔP₂ изменяется от 1350 до 300 кПа и может быть определено по формуле

ΔP₂ = 1300 + 50,                                                                   (16)

где r – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м.

 

В зоне действия воздушной ударной волны формируется фронт ударной волны, распространяющийся по поверхности земли.

 Избыточное давление в этой зоне в зависимости от расстояния до центра взрыва r₃ может быть рассчитано. Для этого предварительно определяется относительная величина K:

K = 0,24 ,                                                                                   (17)

где r₃ – радиус зоны 3 или расстояние до точки, в которой требуется определить избыточное давление ударной волны ΔP₃, кПа; r₁ – радиус зоны 1.

При K 2:     ΔP₃ = ;                                   (18)

при K > 2       ΔP₃ = .                                         (19)

Для определения избыточного  давления на определенном расстоянии от места взрыва необходимо знать количество взрывоопасного вещества, хранящегося в ёмкости или ушедшего из трубопровода и смешавшегося с воздухом.

 

Пример 5.

 

При аварии на железной дороге вылилось, испарилось и смешалось с воздухом 150 т взрывоопасных углеводородов. Рассчитать ΔP_фmax, ожидаемое от взрыва этой газовоздушной смеси на территории механического цеха, расположенного в 500 м от места аварии.

 

Решение.

 

1. Рассчитают радиус детонационной зоны (зона 1, рис. 6):

r₁ = 17,5 = 17,5 = 93 м.

 

2. Вычисляют радиус зоны действия продуктов взрыва (зона 2):