авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Российский государственный университет

экономики и сервиса»

(ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ,

БЕЗОПАСНОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ

НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Монография

Под редакцией к.т.н., доцента Б.Ю. Калмыкова ШАХТЫ ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»

2009 УДК 629.3 ББК 39.33 Ф503 Рецензенты:

д.т.н., профессор, зав. кафедрой СТТМ ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ) А.С. Носенко д.т.н., профессор, зав. кафедрой ПМиКМ ЮРГУЭС К.А. Адигамов Ф503 Физико-механические вопросы движения транспортных средств, безопасности их конструкций и эксплуатации на автомобильных до рогах: монография / Б. Ю. Калмыков, В. В. Дерюшев, Б. Ю. Серби новский, В. А. Першин, И. Ю. Высочин, И. К. Гугуев, О. М. Калмы кова, А. С. Катёлкин, Н. А. Овчинников, С. С. Петренко, О. В. Чеф ранова;

под. ред. Б. Ю. Калмыкова;

ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. – 205 с.

ISBN 978-5-93834-539- В монографии обобщены результаты исследований, проведённых со трудниками Южно-Российского государственного университета экономи ки и сервиса, Ростовского военного института ракетных войск им. Главно го маршала артиллерии М. И. Неделина.

Рассматриваются возможные пути решения проблем в области обес печения безопасности дорожного движения.

Предназначена для инженерно-технических работников автомобиль ной промышленности, сервиса, безопасности дорожного движения, науч ных работников, преподавателей, аспирантов и студентов.

Авторы:

Б. Ю. Калмыков – предисловие, заключение;

Б. Ю. Калмыков, И. К. Гугуев, Н. А. Овчинников, С. С. Петренко – гл. 1;

В. В. Дерюшев – гл. 2;

Б. Ю. Калмыков, И. Ю. Высоцкий, О. М. Калмыкова – гл. 3;

Б. Ю. Калмыков, Н. А. Овчинников – гл. 4;

В. А. Першин, И. К. Гугуев – гл. 5;

А. С. Катёлкин – гл. 6 и 7;

Б. Ю. Сербиновский, О. В. Чефранова – гл. УДК 629. ББК 39. Режим доступа к электронному аналогу печатного издания: http://www.libdb.sssu.ru ISBN 978-5-93834-539-3 © ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие.

.................................................................................................... Глава 1. Анализ статистических данных о дорожно-транспортных происшествиях в Российской Федерации...................................... 1.1. Общая статистика дорожно-транспортных происшествий.......... 1.2. Исследование и анализ состояния безопасности пассажирских автотранспортных средств..................................... 1.3. Статистика крупных ДТП с участием автобусов в РФ в 2009 г...... Глава 2. Методы расчёта температурных полей в многослойных средах.... 2.1. Дифференциальные уравнения теплопроводности и условия на поверхностях конструкций..................................... 2.2. Нестационарная теплопроводность многослойных сред, имеющих круговую симметрию.................................................... 2.2.1. Постановка задачи............................................................... 2.2.2. Конечные интегральные преобразования........................... 2.2.3. Изображение и оригинал функции...................................... 2.3. Нагрев многослойной пластины потоком излучения с круговым распределением.......................................................... 2.3.1. Исходные положения........................................................... 2.3.2. Интегральные преобразования........................................... 2.4. Температура полубесконечной среды с тонким металлическим покрытием............................................. 2.4.1. Основные допущения........................................................... 2.4.2. Погрешности, вносимые допущениями............................. 2.4.3. Погрешность одномерной модели...................................... 2.5. Примеры определения температурных полей в конструкциях.. 2.5.1. Особенности решения задач при последовательном действии нескольких тепловых потоков......................... 2.5.2. Расчёт температуры покрытия....................................... Глава 3. Комплексная система автоматизированного мониторинга за обеспечением безопасности перевозки детей.......................... Глава 4. Исследование коррозионно-усталостного разрушения кузовов автобусов............................................................................ 4.1. Общие сведения о коррозии металлов.......................................... 4.2. Классификация коррозионных процессов.................................... 4.3. Анализ видов корродирования деталей кузовов автобусов........ 4.4. Показатели коррозии....................................................................... 4.5. Влияние различных факторов на скорость коррозии.................. 4.5.1. Внутренние факторы........................................................... 4.5.2. Внешние факторы................................................................ 4.5.3. Влияние конструктивных особенностей на коррозионный процесс..................................................... 4.5.4. Влияние механических факторов на коррозионный процесс.................................................... 4.6. Атмосферная коррозия.................................................................... 4.7. Коррозия под напряжением............................................................ 4.8. Коррозионная усталость металлов................................................. 4.9. Основные законы прочности при переменных напряжениях.

Предел выносливости и опытное его определение...................... Глава 5. Подобие функционирования гидросистем автотранспортных средств............................................................. 5.1. Анализ методов и средств управления качеством функционирования автотранспортных средств в процессе их жизненного цикла.................................................... 5.1.1. Жизненный цикл автотранспортных средств различного назначения........................................................... 5.1.2. Методы и средства управления жизненным циклом автотранспортных средств на этапе эксплуатации....... 5.2. Модели управления техническим состоянием гидросистем машин коммунального назначения на этапе эксплуатации....... 5.2.1. Метод подобия функционирования гидросистем как основа управления техническим состоянием машин коммунального назначения.................................................... 5.2.2. Разработка обобщённых математических моделей подобия функционирования гидросистем автотранспортных средств................................................ 5.2.3. Область использования обобщённых моделей подобия функционирования гидросистем.......................................... 5.3. Разработка методов и средств экспериментальной апробации гидросистем автотранспортных средств....................................... 5.3.1. Методика и средства диагностики элементов гидросистем........................................................................... 5.3.2. Стендовая диагностика........................................................ Глава 6. Расчёт топлива и продуктов их сгорания....................................... 6.1. Методика расчёта............................................................................. 6.2. Последовательность проведения расчётов.................................... 6.2.1. Нахождение условной формулы вещества........................ 6.2.2. Кислородный баланс вещества (КБ)................................... 6.2.3. Уравнение сгорания топлива и состава продуктов полного сгорания................................................................... 6.2.4. Массовое соотношение компонентов топлива................. 6.2.5. Удельная газовая постоянная и молекулярная масса продуктов полного сгорания.............................................. 6.2.6. Удельная теплоёмкость продуктов сгорания................... 6.2.7. Оценка энерговыделения при сгорании топлива................ 6.2.8. Оценка температуры продуктов полного сгорания......... 6.3. Влияние состава топлива на его массовые и энергетические показатели......................................................................................... 6.4. Особенности термодинамического расчёта продуктов сгорания топлива в ДВС.................................................................................. 6.5. Сведения о нефти как источника углеводородных горючих...... 6.6. Общие сведения о способах получения углеводородных горючих............................................................................................. 6.7. Сорта и марки бензинов.................................................................. 6.8. Марки дизельных топлив (ДТ)....................................................... 6.9. Спиртовые горючие......................................................................... Глава 7. Механико-энергетические принципы движения транспорта...... 7.1. Модель идеального движения колёсного транспорта.................. 7.2. Модель движения, основанная на отбрасывании собственной части массы m2........................................................... 7.3. Модель движения тела переменной массы m с опорой на внешнюю массу m2..................................................... 7.4. Определение показателя полезного использования тепловой энергии для рассматриваемых моделей движения...... 7.5. Обобщённая модель движения....................................................... 7.6. Предельные скорости автомобиля на установившемся режиме его движения..................................................................................... Глава 8. Концептуальные положения построения новой системной модели транспортно-дорожного комплекса................................................ Заключение...................................................................................................... Библиографический список............................................................................ ПРЕДИСЛОВИЕ В современном мире автомобиль давно уже перестал быть символом благосостояния и перешёл в разряд предметов первой необходимости. При этом, отношение человека к своему личному автомобилю является отра жением экономических процессов, происходящих в обществе.

Экономический рост, а также увеличение реальных располагаемых доходов населения в новых независимых государствах привели к быстро му росту парка автотранспортных средств (АТС). По оценкам экспертов прирост суммарного числа автомобилей (занятых в экономике, в собствен ности граждан и государства) на постсоветском пространстве варьировал ся от 5–7 % в государствах Центральной Азии до 8–10 % в государствах Балтии, Республике Беларусь, Российской Федерации, Республике Молдо ва, а также в Украине.

Важнейшим аспектом транспортной политики России и других госу дарств является поддержка, неуклонное улучшение и совершенствование условий для обеспечения безопасности дорожного движения.

В силу своей специфики автомобильный транспорт представляет серьёзную угрозу для жизни, здоровья и имущества граждан. По числу по гибших, отнесённых к 10 млн пассажирокилометров, этот вид транспорта занимает первое место среди других видов транспорта. Данные Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) свидетельствуют, что среди причин смертности населения дорожно-транспортные происшествия (ДТП) зани мают третье место в мире после онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.

Согласно различным международным исследованиям, возникнове ние ДТП обусловливается тремя основными причинами. Это так называе мый человеческий фактор, техническое состояние парка автотранспортных средств, состояние дороги и её окружения.

Различные национальные и международные страховые компании имеют подтверждающие материалы о том, что в разных странах от 7 до 25 % фатальных происшествий на автомобильных дорогах были связаны с проблемами безопасности автотранспортных средств. При этом, в новых независимых государствах доли таких факторов, как «транспортное сред ство» и «дорога и её окружение», эксперты ЕЭК ООН и ВОЗ по-прежнему оценивают выше, чем в развитых странах мира.

В монографии авторами предложены различные варианты решения проблем в области обеспечения безопасности дорожного движения.

Монография представляет собой коллективный труд профессорско преподавательского состава и аспирантов кафедры «Организация и безо пасность движения» ГОУ ВПО «ЮРГУЭС».

В первой главе монографии дан анализ статистических данных о ДТП в Российской Федерации за период с 2006 по 2009 гг. Свыше двух третей (69,4 %) всех ДТП за рассматриваемый период по вине водителей связаны с нарушениями Правил дорожного движения (ПДД) водителями легковых автомобилей. При этом навыки нарушения ПДД могут закреп ляться с годами вместе с приобретением водителем уверенности вождения АТС.

Во второй главе изложены методы расчёта температурных полей в многослойных средах, которые могут быть полезны при проведении расчё тов микроклимата в кабинах и кузовах автомобилей и автобусов.

В третьей главе представлена система автоматизированного монито ринга за обеспечением безопасности перевозок детей, позволяющая забла говременно информировать ответственных лиц за обеспечение безопасно сти перевозок о необходимости:

– продления срока различных разрешительных документов;

– своевременного проведения технического обслуживания, государ ственного технического осмотра и ремонта автобуса;

– планирования сроков проведения повышения квалификации пер сонала и т.п., что приведёт к повышению уровня безопасности при перевозках детей.

В четвёртой главе представлено исследование коррозионно-усталост ного разрушения кузовов автобусов, в котором разработаны теоретические основы создания методики оценки прочности их конструкции с учётом коррозионно-усталостного изнашивания в процессе эксплуатации.

В пятой главе представлен метод подобия функционирования гидро систем АТС. В основу метода входят частные и обобщённые критерии и индикаторы подобия, которые могут быть использованы при поддержании технического состояния автотранспортных средств в процессе их эксплуа тации.

В шестой главе представлен расчёт стехиометрического (теоретиче ского) соотношения между массами окислителя и горючего как компонен тов топлива, при котором выделяется наибольшее количество тепловой энергии.

Седьмая глава посвящена механико-энергетическим принципам движения транспорта. В ней сформулированы предложения, позволяющие повысить безопасность дорожного движения.

Восьмая глава содержит результаты анализа существующих систем ных моделей транспортно-дорожного комплекса (ТДК) с обоснованием необходимости преодоления их неполноты путём включения элементов, отражающих его социально-экономическую природу, а также влияние раз вивающейся инфраструктуры ТДК, в которой создаётся множество услуг, потребляемых в общественном и рыночном секторах экономики.

ГЛАВА АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ О ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНЫХ ПРОИСШЕСТВИЯХ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1.1. Общая статистика дорожно-транспортных происшествий По данным Всемирной организации здравоохранения, в мире каждые 30 секунд на дорогах погибает один человек. Таким образом, ежегодно жертвами дорожно-транспортных происшествий становятся 1,2 млн чело век и ещё 20–50 млн получают в авариях тяжёлые увечья.

В Российской Федерации в 2007 г. произошло 233 809 дорожно транспортных происшествий, в которых погибли 33 308 человек и 292 206 – получили ранения. По вине нетрезвых водителей совершено 15 593 ДТП, по вине пешеходов – 43 645 аварий. В произошедших ДТП погибли 1116 детей и 24 707 детей получили ранения. Статистика показы вает, что общее число ДТП по сравнению с 2006 г. выросло на 2 %.

Руководитель ГИБДД России Виктор Кирьянов на ежегодной конфе ренции по безопасности дорожного движения отмечает низкий уровень водительской дисциплины в стране.

По его словам, за последние десять лет в стране в автоавариях по гибли 315 тыс. человек и более 2 млн получили увечья. Кроме того, нане сён огромный экономический ущерб. Общепризнано, что безопасность движения на транспорте – одна из наиболее актуальных проблем, напря мую зависящая от так называемого человеческого фактора, удельный вес которого среди причин транспортных происшествий достигает 90 % и бо лее. Понятие «человеческий фактор» характеризуется чрезвычайной мно гогранностью и сложностью. Это комплекс всех качеств человека, оказы вающих влияние на безопасность жизнедеятельности, происхождение транспортных происшествий и аварий.

Теоретически в это понятие также могут быть включены все явления в организации безопасности движения, так или иначе связанные с челове ком. Вот только основные моменты, которые определяют уровень надёж ности и роль человеческого фактора в системе «человек – транспортное средство – окружающая среда»: установлено, что более половины всех не счастных случаев происходит по вине человеческого фактора. Основной причиной аварийности на автомобильном транспорте является низкая дис циплина водителей и пешеходов, выражающаяся в их сознательном пре небрежении правилами дорожного движения.

Наблюдая за дорожным движением или принимая участие в нём, можно наблюдать следующие нарушения Правил дорожного движения (ПДД):

– выезд на перекрёсток на красный сигнал светофора;

– не предоставление преимущества в движении транспортным сред ствам и пешеходам;

– превышение скоростного режима движения;

– нарушение правил обгона;

– невыполнение требований дорожных знаков и дорожной разметки;

– управление транспортным средством в состоянии алкогольного или наркотического опьянения и др.

Массовость нарушений ПДД свидетельствует о низкой дорожно транспортной культуре участников дорожного движения, о том, что сло жившаяся система государственного и общественного воздействия на соз нание участников дорожного движения на сегодняшний день малоэффек тивна. При этом опросы общественного мнения показывают, что общество не осознаёт той опасности, которая потенциально присуща дорожному движению. Участники движения и пешеходы надеются, что опасность, ко торая носит вероятностный характер, их не коснётся. Если водитель часто нарушает правила движения, и при этом ничего опасного не происходит, он утрачивает способность адекватно реагировать на опасность.

Аналогична и реакция пешеходов. Таким образом, ситуация усугуб ляется низкой степенью информированности граждан о состоянии безо пасности дорожного движения. Высокий уровень аварийности среди води телей обусловлен также и тем, что существующая система подготовки не адаптирована к современным условиям дорожного движения. Кроме того, в полном объёме не выполняются программы их подготовки, остаётся низ ким уровень нормативно-методического и материально-технического обеспечения учебного процесса. В связи с этим назрела острая необходи мость внесения корректив в систему подготовки водителей и их допуска к участию в дорожном движении.

Свыше двух третей (69,4 %) всех ДТП по вине водителей связаны с нарушениями ПДД водителями легковых автомобилей, что также говорит о недостаточной подготовке водителей в автошколах. При этом навыки нарушения правил могут закрепляться с годами вместе с приобретением водителем уверенности вождения ТС.

1.2. Исследование и анализ состояния безопасности пассажирских автотранспортных средств Анализ данных автобусного парка Российской Федерации Определим количественное отношение автобусов ко всему парку ав томобилей (табл. 1.1). Наглядно это можно увидеть на диаграмме, пред ставленной на рисунке 1.1.

Т а б л и ц а 1. Автомобильный парк РФ (на конец года;

тыс. шт.) Автомобильный 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 транспорт грузовые автомобили 2937 4122 4218 4331 4363 4470 4630 автобусы 513 624 648 687 715 747 801 легковые автомобили 14195 20247 21152 22342 23271 24091 25203 прочие 32,2 30,1 29,7 29,1 28,6 28,2 28,2 27, Основную часть автомобильного парка России составляют легковые автомобили (84 %), грузовые автомобили – 14 %, автобусы – 2 %.

груз. автомобили 14% автобусы 2% легк. автомобили 84% Рис. 1.1. Анализ автомобильного парка России на 2006 г.

Согласно приведённым выше данным автобусный парк насчитывает 79,8 тысяч автобусов, что составляет 2 % от общего парка автомобилей России.

Тенденции развития автобусного парка наглядно показаны на диа грамме, представленной на рисунке 1.2.

801 кол-во автобусов, тыс. шт 700 2000 2001 2002 2003 2004 2005 годы Рис. 1.2. Тенденции развития автобусного парка Количество автобусов на 100 тыс. чел. представлено в таблице 1.2.

Данный показатель позволяет судить об уровне оснащённостью автобуса ми в каком-либо регионе и даёт возможность определить уровень риска здоровью, связанный с дорожным движением при сопоставлении его с ко личеством раненых или погибших в дорожном движении на 100 тыс. жи телей.

Т а б л и ц а 1. Число автобусов общего пользования на 100 тыс. человек населения по Южному федеральному округу Российской Федерации, шт., значение показателя за год Субъект РФ 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Республика Адыгея 51 50 47 46 34 28 28 Республика Дагестан 39 37 35 33 30 30 28 Республика Ингушетия 50 54 48 49 47 49 54 Кабардино-Балкарская 69 56 52 52 52 45 54 Республика Республика Калмыкия 64 57 55 44 58 30 16 Карачаево-Черкесская 53 55 56 49 50 48 32 Республика Республика Северная 63 66 63 64 60 58 58 Осетия – Алания Чеченская Республика - - - 51 54 45 42 Краснодарский край 69 66 62 60 57 48 44 Ставропольский край 69 61 63 57 53 43 39 Астраханская область 71 71 68 65 31 29 27 Волгоградская область 77 76 73 70 67 64 63 Ростовская область 56 53 55 42 43 39 37 Сравнительный анализ по обеспеченности автобусами общего поль зования в некоторых регионах наглядно представлен на рисунке 1.3.

шт Адыгея Дагестан Кабардино Балкария Краснодарский край 20 Ставропольский край Волгоградская 0 обл.

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Ростовская обл.

год Рис. 1.3. Диаграмма распределения числа автобусов общего пользования на 100 тыс. человек в Южном федеральном округе Развитие каждого класса автобусов с 1998 по 2004 гг. представлено на рисунке 1.4.

194072 199887 196933 малые кол-во автобусов 121216 средние большие и особо большие 1998 1999 2000 2001 2002 2003 годы Рис. 1.4. Развитие каждого класса автобусов Проанализировав тенденции развития автобусного парка России, можно сделать вывод, что, начиная с 1999 г., происходит постепенное уве личение количества автобусов в стране за счёт пополнения малого и сред него классов. С 1999 по 2002 гг. происходит снижение количества автобу сов большого класса, но затем наблюдается их увеличение.

Распределение автобусного парка России по годам эксплуатации представлено в таблице 1.3, а диаграмма распределения количественного отношения автобусного парка на период эксплуатации представлена на ри сунке 1.5.

Т а б л и ц а 1. Возрастная структура автобусного парка в РФ на период с 2000 по 2007 гг. (в процентах) 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 1 2 3 4 5 6 7 8 Автобусы – всего 100 100 100 100 100 100 100 в том числе находя щиеся в эксплуата ции, лет:

до 2 9 10 10 10 10 11 12 2,1–5 16 15 15 17 18 19 20 5,1–8 24 20 17 16 15 15 16 8,1–10 19 19 18 14 12 11 10 Окончание табл. 1. 1 2 3 4 5 6 7 8 10,1–13 18 19 20 21 20 18 15 более 13 14 17 20 22 25 26 27 Автобусы общего 100 100 100 100 100 100 100 пользования – всего в том числе находя щиеся в эксплуата ции, лет:

до 2 8 10 11 10 10 10 11 2,1–5 15 14 14 16 19 21 21 5,1–8 23 18 15 15 14 14 16 8,1–10 18 17 16 12 10 10 10 10,1–13 21 21 20 20 18 15 13 более 13 15 20 24 27 29 30 29 до 2 лет более 13 лет 13% 27% 2,1 - 5 лет 21% 10,1 - 13 лет 12% 5,1 - 8 лет 8,1 - 10 лет 18% 9% Рис. 1.5. Диаграмма распределения возрастной структуры автобусного парка на период эксплуатации в 2007 г.

Исследуя распределение автобусного парка по годам эксплуатации, констатируем, что в 2007 г. большинство автобусов (39 %) эксплуатирует ся более 10 лет, количество автобусов со сроком эксплуатации от 5 до 10 лет составляет 27 %, а со сроком эксплуатации до 5 лет – 34 %.

Как видно из проведённого анализа автобусного парка, примерно 0,4 автобусов страны составляют автобусы-ветераны, чей возраст уже пе ревалил за 10 лет. В этом, надо полагать, корни высокой аварийности по причине неисправности технических средств.

Данные по производству автобусов в РФ представлены в таблице 1.4, а их импорт из стран дальнего зарубежья – в таблице 1.5.

Т а б л и ц а 1. Производство автобусов в РФ Год Автобусы, тыс. шт.

51 51 48 47 44 36 32 45 45 49 53 58 67 76 76 78 81 88 65 Т а б л и ц а 1. Импорт транспортных средств из стран дальнего зарубежья (млн долл. США) 1995 2000 2005 2006 Транспортные средства – всего 1481 1665 12081 20541 автомобили – всего, тыс. шт. 54,8 68,7 472,4 1016,6 1582, в том числе: автобусы 8,9 3,5 13,5 13 13, На рисунке 1.6 представлена диаграмма производства автобусов в нашей стране за период с 1990 по 2008 гг. Как видно из диаграммы, в про изводстве автобусов в 2000–2006 гг. в России наблюдался плавный рост (3–4 % в год), а в 2007 г. произошёл существенный подъём: на 8 % по сравнению с 2006 г., что превышает среднемировой показатель (+6,8 %), а в абсолютном выражении – свыше 88 тыс. шт. Однако в 2008 г. произошёл спад, в результате которого выпуск автобусов в стране снизился на 25,3 % (до 66,5 тыс. ед.) – до уровня 2002 г. При этом ухудшение показателей имело место на всех без исключения автобусных заводах.

шт.

годы Рис. 1.6. Диаграмма производства автобусов в России в период с 1990 по 2008 гг.

Данные по производству автобусной техники по маркам за 2005– 2008 гг. представлены в таблице 1.6.

Т а б л и ц а 1. Производство автобусной техники предприятиями России, Белоруссии и Украины Предприятие- Прирост, Прирост, Прирост, 2005 2006 2007 изготовитель % % % ЗИЛ 33 42 27,3 26 -36,6 6 -76, ГАЗ 37093 39520 6,5 38625 -6 23557 - АЗ «Урал» 400 532 33 990 86,1 982 -0, УАЗ 20081 15403 -23,3 18255 18,5 16817 -7, ПАЗ 13721 14215 3,6 15031 5,7 13912 -7, ЛиАЗ 2485 2995 20,5 2894 -3,4 2221 -23, ГолАЗ 208 421 102,4 492 16,9 356 -27, КАвЗ 2230 3425 53,6 4083 19,2 1499 -63, ВАП «Волжанин» 198 318 60,6 297 -7,2 298 0, НефАЗ, в том числе: 1157 1320 14,1 1307 -1,2 1108 -15, вахтовые автобусы 79 105 32,9 76 -27,6 29 -61, ВЗТМ «Тушино-Авто» 357 181 -49,3 465 155, МАРЗ 32 88 175 162 84, «Скания-Питер» 191 236 23,6 132 -44, СП РУП 19 4 -78, «ЕвроБус Русланд» 115 152 32,2 241 86, Родниковский МЗ 5 18 МАЗ 938 1691 80,3 1724 1,9 1532 -7, Черкасский автобусный 2007 2687 33,9 3251 20, завод троллейбусы «Тролза» 400 337 -15,7 351 4,2 344 - «Транс-Альфа» (ВМЗ) 78 76 -2,6 122 60,5 145 13, ВЗТМ 39 28 -28,2 10 -64,3 7 - «Тушино-Авто» 210 40 -81 104 141,9 109 3, Башкирский ТЗ 85 44 -48,2 56 27,3 58 3, МАЗ 39 1 -97,4 106 ЛиАЗ 1 52 На рисунке 1.7 представлен выпуск автобусов наиболее распростра ненных марок с 2005 по 2008 гг.

ГАЗ ПАЗ шт.

КАвЗ ЛиАЗ 15000 УАЗ 2005 2006 2007 годы Рис. 1.7. График производства автобусной техники некоторыми предприятиями России, Белоруссии и Украины Отрицательным моментом в динамике российского рынка автобусов стало его падение в 2008 г. Основной причиной этого следует, очевидно, считать относительное насыщение рынка. Кроме того, повышение лизин говых ставок для закупки автобусов вынудило многие городские образова ния отказаться от первоначальных планов обновления парка. Продажи ав тобусов в России по итогам 2008 г. сократились в целом на 30 % – до 64,3 тыс. ед., в том числе продажи отечественных упали на 33,5 % (до 48,9 тыс. ед.) с сужением их рыночной доли до 76,0 %.

В аналогичной пропорции испытал падение и импорт;

в то же время заметно укрепили свои позиции иномарки российской сборки, объём про даж которых вырос с 3,5 тыс. до 5,6 тыс. ед. при соответствующем увели чении их рыночной доли с 3,8 до 8,8 %. Следует также отметить, что ухудшение конъюнктуры рынка не оказало отрицательного воздействия на объём экспортных поставок (по предварительной оценке, не менее 12 тыс.

ед.), что обеспечило российской стороне положительное сальдо внешне торгового баланса по автобусам и позволило частично загрузить производ ство экспортными заказами.

Прогноз развития российского автомобильного рынка в 2009 г. сего дня является предметом оживлённых дискуссий. Разные аналитики пред сказывают разные сценарии, предполагающие падение рынка от 14 до 50 %, и в условиях существующей неопределённости трудно признать лю бое из этих прогнозных ожиданий достаточно обоснованным. Полагаем, что для формирования более или менее состоятельного прогноза потребу ется анализ развития ситуации как минимум по результатам первого квар тала 2009 г.

Анализ данных о пассажирских перевозках Статистические данные по перевозкам пассажиров транспортом об щего пользования по видам сообщения и видам транспорта представлены в таблицах 1.7 и 1.8.

Т а б л и ц а 1. Перевозки пассажиров транспортом общего пользования по видам сообщения, Российская Федерация, значение показателя за год Вид сообщения, млн чел. 2003 2004 2005 2006 Международное сообщение 2,0 1,8 1,7 1,6 1, Междугородное сообщение 181 184 164 162 Пригородное сообщение 2928 2701 1855 1640 Внутригородское сообщение 14787 13665 9276 7283 Т а б л и ц а 1. Основные показатели деятельности общественного транспорта 1970 1980 1990 1995 2000 2005 2006 Перевезено пассажи ров транспортом общего пользования, млн человек:

автобусным 15053 23356 28626 22817 22033 11297 9087 трамвайным 5370 5695 6000 7540 7421 4123 3267 троллейбусным 3358 4739 6020 8475 8759 4653 3775 метро 2047 3036 3695 4150 4186 3574 3466 Пассажирооборот транспорта общего пользования, млрд пассажирокилометров:

автобусного 100 210 262 188 164 96 84 трамвайного 17,2 18,1 19,1 25,1 25,1 13,5 11,1 8, троллейбусного 10,7 16,2 20,5 26,5 28,1 15 12,4 9, метро 19,9 29,4 41 46,2 46,9 43,4 44,2 42, Из таблицы 1.8 видно, что количество пассажиров, перевезённых ав тобусами, увеличивалось с 1970 по 1990 гг. Пик перевозок пришёлся на 90-е гг., далее происходил спад, который наблюдается и в настоящее вре мя. Так, в 2007 г. количество перевезённых пассажиров сократилось в 2,8 раз по сравнению с 2005 г. Пассажирооборот автобусного транспорта имеет такую же закономерность – в 2007 г. он снизился в 1,2 раза по срав нению с 2005 г.

млн. чел.

16000 14787 междугородное 13665 сообщение 10000 пригородное сообщение внутригородское 4000 2928 1855 1640 сообщение 181 184 164 162 год 2003 2004 2005 2006 Рис. 1.8. Диаграмма перевозок пассажиров по видам сообщения Снижение автобусных перевозок наблюдается и по видам сообщения.

Так, внутригородские перевозки в 2007 г. снизились в 2,4 раза, пригород ные перевозки – в 2 раза, междугородные – в 1,12 раза. Международные автобусные перевозки имели максимальное значение в 2003 г. – 2 млн чел.

(рис. 1.8), далее происходило снижение до 2006 г. – 1,6 млн чел., в 2007 г.

снова наблюдался рост – 1,9 млн чел.

На 2008 г. можно отметить следующие результаты в работе автобус ного транспорта:

На отечественном рынке автобусов российским производителям удаётся стабильно удерживать свою долю на уровне 75–80 % всех продаж. Постепенно увеличивается доля продаж иномарок россий ской сборки, которая по итогам 2008 г. составила 8,8 %. Импорт же не играет определяющей роли в данном секторе, занимая рыноч ную долю на уровне 15 %.

В классе особо малых автобусов в 2007 г. начал работать новый за вод в Ростовской области (ТагЗГА), на котором было собрано чуть менее 3 тыс. микроавтобусов «Хендэ Кантри». В то же время при близительно на такую же величину снизился выпуск автобусов се мейств «Соболь» и «ГАЗель» на ГАЗе (-7,3 %).

На 1 января 2008 г. количество хозяйствующих субъектов, осуще ствляющих перевозочную деятельность, составило 560 тыс., из них имеющих лицензии – 86 тыс.

Перевозки пассажиров транспортом общего пользования продол жают сокращаться. Наиболее востребованными остаются внутри городские и пригородные перевозки.

Анализ данных о ДТП с участием автобусов Одной из острейших социальных проблем в мире является проблема высокой аварийности на автомобильных дорогах всех стран мира, посто янно растущее число погибших и пострадавших в дорожно-транспортных происшествиях. Проблема обеспечения безопасности дорожного движения становится глобальным вызовом для всего человечества.

По уровню риска пассажиров и водителей, который определяется от ношением числа пострадавших на 10 тыс. транспортных средств, автобус ный транспорт является наиболее опасным. Количество ДТП на 10 тыс.

единиц транспортных средств при перевозке пассажиров автобусами со ставило 31,4, в целом же на автомобильном транспорте в Российской Фе дерации этот показатель равен 25,6.

Статистические данные по общему количеству ДТП и по ДТП с уча стием автобусов за период 2002–2007 гг. приведены в таблице 1.9. Из при ведённых данных видно, что ДТП с участием автобусов составляет 5,5–6 % от общего количества ДТП.

Т а б л и ц а 1. Статистические данные по ДТП 2002 2003 2004 2005 2006 Общее 184365 204267 208558 223342 229140 С участием автобусов 10201 11376 12306 13226 13840 Удельный вес, % 5,5 5,6 5,9 5,9 6 5, Количество ДТП, а также количество погибших и раненых за рас сматриваемый промежуток времени, общее для всего парка автобусов и по некоторым отечественным маркам автобусов, приведены на рисунке 1.9.

Общее количество ДТП выросло почти в два раза и почти во столько же увеличилось количество раненых. По маркам существенное увеличение показателей наблюдается у автобусов ГАЗ.

Более полную картину по ДТП, погибшим и раненым, по маркам ав тобусов можно получить, рассматривая не только абсолютные цифры, но и относительные (отнесённые к количеству в 1000 автобусов данной марки, прошедшим государственный техосмотр в РФ). На рисунках 1.10 и 1. представлены эти данные по 2003 г.

Рис. 1.9. Распределение ДТП по маркам автобусов Рис. 1.10. Распределение ДТП по маркам в абсолютных единицах Рис. 1.11. Распределение ДТП по маркам в относительных (на 1000 автобусов) единицах в 2003 г.

По количеству ДТП и пострадавших лидируют иномарки и автобусы ГАЗ, а также неидентифицированные автобусы, попавшие в категорию «прочие».

В таблице 1.10 представлены данные по видам ДТП за период с по 2006 гг. В скобках указаны проценты от общего количества ДТП. Из общего количества ДТП с автобусами наибольшее количество составляет такой вид ДТП, как столкновения (рис. 1.12). При общем росте количества столкновений в 1,8 раза за пять лет их доля в общем количестве ДТП со храняется практически неизменной и равной 55–56 %.

Т а б л и ц а 1. Виды ДТП с автобусами Вид ДТП 2002 2003 2004 2005 Столкновения 1538(55) 1848(57) 2099(56) 2487(56) 2809(55) Опрокидывания 337(12) 345(11) 382(10) 347(8) 413(8) Наезд на препятствие 205(7) 196(6) 195(5) 210(5) 214(4) Прочие 291(11) 296(9) 381(10) 415(10) 422(9) Падение пассажира 420(15) 543(17) 687(19) 946(21) 1202(24) Автобусы ГАЗ стоят на одном из первых мест по количеству ДТП и пострадавших. Для автобусов ГАЗ (табл. 1.11) количество столкновений и в абсолютных цифрах и в относительных (свыше 70 %) больше среднеста тистических цифр.

вид ДТП столкновения опрокидывания наезд на препятствие 1000 прочие падение 500 пассажира 2002 2003 2004 2005 годы Рис. 1.12. Диаграмма распределения количественного соотношения ДТП по видам с участием автобусов Т а б л и ц а 1. Виды ДТП для автобусов ГАЗ Вид ДТП ДТП Погибло Ранено Столкновения 612 (70,5) 37 (72,5) 1099 (73,4) Опрокидывания 67 (7,7) 7 (13,7) 126 (8,4) Наезд на препятствия 45 (5,2) 1 (2) 82 (5,6) Падение пассажира 69 (8) 1 (2) 69 (4,6) Прочие 74 (8,6) 5 (9,8) 120 (8) Итого 869 (100) 51 (100) 1498 (100) Статистические данные по местам наибольшего повреждения автобу сов ГАЗ при ДТП указывают на наиболее потенциально опасные зоны ТС (табл. 1.12).

Т а б л и ц а 1. Статистические данные для автобусов ГАЗ по ДТП в зависимости от места наибольшего повреждения ТС В процентах от общего числа Место наибольшего повреждения ДТП Погибло ранено Спереди по центру 36 32,5 Спереди справа 17 32 Сбоку справа 7 9 Сзади справа 3,5 2 3, Сзади по центру 8,5 3 6, Сзади слева 5 0,5 4, Сбоку слева 5 1 Спереди слева 14 10 Крыша 4 10 Для автобусов ГАЗ характерно большое количество погибших при лобовых столкновениях (74,5 %) и порядка 10 % погибших при опрокиды ваниях.

Для более полного анализа ДТП и их последствий необходимо рас смотреть статистические данные по месту размещения в салоне автобуса людей, пострадавших при ДТП. На рисунках 1.13 и 1.14 представлены ука занные результаты для микроавтобусов ГАЗ. Как следует из графиков, ве роятность гибели и ранения пассажиров на передних сиденьях в 1,5 выше, чем средней части салона. Самыми безопасными являются задние сиденья микроавтобуса.

Рис. 1.13. Распределение количества погибших для автобусов ГАЗ в относительных (на 1000 автобусов) единицах Рис. 1.14. Распределение количества раненых для автобусов ГАЗ в относительных (на 1000 автобусов) единицах Дополнительную информацию для анализа причин гибели людей в салоне автобуса ГАЗ дают результаты испытаний на пассивную безопас ность. Журнал «За рулём» провёл краш-тест классической «маршрутки»

ГАЗ-322132 – 13 пассажиров плюс водитель. Испытание проходило на Дмитровском полигоне в Подмосковье. Сам тест представлял собой фрон тальное столкновение с неподвижным препятствием при 40%-м перекры тии на скорости 54,8 км/ч, при этом манекены в салоне не были оснащены датчиками, которые регистрируют нагрузки и не были пристёгнуты рем нями безопасности (за исключением водителя). Расположение манекенов в салоне до и после удара представлено на рисунке 1.15.

а) б) Рис. 1.15. Расположение пассажиров:

а) до столкновения;

б) после столкновения Как показывает анализ видеозаписи столкновения, наибольшую ве роятность получить повреждения могут пассажиры, имеющие при лобовом столкновении свободу перемещения по салону и ударяющиеся о жёсткие части автомобиля при отсутствии ремней безопасности (манекены № 4, 5, 7).

1.3. Статистика крупных ДТП с участием автобусов в РФ в 2009 г.

Девятого ноября 2009 г. в 23:20 на 299 км ФАД «Махачкала – Астра хань» населённого пункта Тарумовка автобус «НЕОПЛАН» гос.

№ С825ВВ 95 под управлением Омарова Магомеда Абдулагаджиевича, 1971 г. р., проживающего в с. Урхучи Акушинского района, выехал на по лосу встречного движения и столкнулся с автомобилем «МЕРСЕДЕС БЕНЦ» гос. № А645МВ 09 (грузопассажирский) под управлением Кубиева Бориса Дамглевича 1957 г. р., проживающего в Карачаево-Черкесии Усть Джегутинском районе ауле Сары-Туйз.

В результате ДТП по предварительным данным три человека погиб ли и четыре ранены. Возгорания автобуса не было. Пострадали водитель автобуса Neoplan и пассажирка автобуса Mercedes. В ГИБДД уточнили, что водитель пассажирского автобуса от госпитализации отказался, мед помощь ему оказана на месте, а пострадавшая женщина госпитализирована в Тарумовскую районную больницу.

М.А. Омаров осуществлял перевозку пассажиров по нерегулярному маршруту «Махачкала – Москва». По предварительным данным ГИБДД, виновным в совершении ДТП признан М.А. Омаров. Автобус «НЕОПЛАН» гос. № С825ВВ 95, со слов водителя, принадлежит предпри нимателю, проживающему в Чеченской Республике.

По базе данных управления М.А. Омаров лицензию на перевозочную деятельность не имеет, автобус «НЕОПЛАН» гос. № С825ВВ 95 лицензи онную карточку не имеет.

Дорожные условия: федеральная дорога 2-й техн. категории, покры тие – асфальтобетон, ширина дорожного полотна – 7 м, ширина обочины по 1,5 м, дорожные знаки – согласно дислокации, погодные условия – дождь, тёмное время суток.

Пятого ноября 2009 г. семь человек погибли в ДТП в Кабардино Балкарии. Авария произошла в четверг утром в Зольском районе респуб лики на 408-м километре федеральной трассы «Кавказ». Грузовик MAN столкнулся с пассажирской «ГАЗелью». В результате погибли восемь че ловек, сообщили ИТАР-ТАСС в Южном региональном центре МЧС РФ.

На место происшествия выехали спасатели, сотрудники центра ме дицины катастроф и ГИБДД. Обстоятельства и причины ДТП выясняются.

Четвёртого ноября 2009 г. в 00.40 мин на 430 км+800 м федеральной автодороги «Астрахань – Махачкала», возле населённого пункта «Львов ские», водитель автобуса «СЕТРА» г.н. № Х174ОС 95 Н.М. Даидов 1973 г. р., проживающий г. Махачкала пр. Гамидова 12а, допустил падение в кювет.

По предварительным данным, у автобуса, в котором находились 20 пассажиров, лопнуло колесо. В результате машина перевернулась.

Жертвами ДТП стали четыре человека, в том числе один из водителей. По страдавшие были доставлены в больницу Будённовска. «Состояние двоих госпитализированных можно назвать крайне тяжёлым, четверых – тяжё лым, ещё шесть пациентов находятся в состоянии средней тяжести», – со общила главный врач больницы Светлана Беженова.

Н.М. Даидов осуществлял перевозку пассажиров по нерегулярному маршруту «Махачкала – Москва».

Автобус «Сетра» гос. № Х1740С 95 принадлежит Т.С. Угульбиевой, проживающей в Чеченской Республике Грозненский район ст. Петропав ловское ул. Нагорная.

Н.М. Даидов лицензию на перевозочную деятельность не имеет, ав тобус «Сетра» № Х1740С 95 не имеет лицензионной карточки.

Дорожные условия: федеральная дорога 2-й техн. категории, покры тие – асфальтобетон, ширина дорожного полотна – 7 м, ширина обочины по 1,5 м, дорожные знаки – согласно дислокации, погодные условия – су хо, тёмное время суток, видимость неограничена.

19 октября авария произошла под Красноярском. Рейсовый автобус, следовавший из Енисейска в Красноярск, занесло, он выехал на полосу встречного движения, сбил дорожное ограждение, съехал в кювет и пере вернулся. В результате четыре человека погибли, ещё 18 получили травмы.

По предварительным данным, авария произошла по вине водителя, кото рый не справился с управлением.

В тот же день произошла авария в Перми. Автобус, у которого отка зали тормоза, проехал по центру города и сбил на своём пути 19 автомоби лей.

Летом в стране произошла серия крупных ДТП, в которых пострада ли пассажиры автобусов. Так, в ночь на 20 июля под Новосибирском рей совый автобус съехал с трассы в кювет и опрокинулся. Трагедия унесла жизни восьми пассажиров, более 30 человек пострадали.

Другая трагедия произошла в июле в Ростовской области на феде ральной трассе «Дон». В результате лобового столкновения рейсового ав тобуса с масловозом погиб 21 человек, ещё восемь попали в больницы. По результатам экспертизы, виновником этого ДТП признан водитель масло воза, который грубо нарушил правила дорожного движения.

3 августа на Рублево-Успенском шоссе в Подмосковье пассажирский автобус опрокинулся в кювет, пострадали 12 пассажиров и водитель.

А 5 августа в Ульяновской области перевернулся автобус Москва – Сама ра, в котором «челноки» возвращались с товаром. По предварительным данным, водитель не справился с управлением. Травмы получили пять пассажиров, все они были госпитализированы.

5 августа в Краснодарском крае автобус, ехавший из Пятигорска в Анапу, лоб в лоб столкнулся с грузовой машиной с прицепом. В результате водитель грузовика погиб, травмы получили 29 пассажиров автобуса.

На основе анализа статистических данных по ДТП были сделаны следующие выводы:

1. Количество ДТП с участием автобусов увеличивается с каждым годом, доля ДТП с участием автобусов Газ достигает 21 %.

2. Основным видом ДТП для автобусов Газ являются столкновения (свыше 70 % от общего числа), 67 % столкновений приходится на переднюю часть. Данный вид ДТП является наиболее вероятной причиной гибели пассажиров в салоне указанных автобусов.

3. Анализ статистики по расположению пострадавших указывает на то, что наиболее опасными являются место водителя и места пас сажиров, расположенные в передней части.

Основываясь на результатах краш-теста и на анализе статистики ДТП, можно выявить ряд причин, приводящих к гибели и травмированию пассажиров в автобусах ГАЗ, а именно:

1. Опасность размещения пассажиров рядом с водителем.

2. Отсутствие ремней безопасности или трудности с их использова нием.

3. Схема расположения сидений в салоне, позволяющая ряду пасса жиров свободно перемещаться по салону при ДТП, что приводит к получению тяжёлых травм.

В результате проведённых исследований можно сформулировать требования к системе пассивной безопасности автобусов:

1. Прочность конструкции кузова (на любом этапе эксплуатации ав тобуса) при опрокидывании должна обеспечивать:

минимальное перемещение его элементов в сторону остаточного (жизненного) пространства в пассажирском салоне;

отсутствие значительной пластической деформации оконных сто ек в месте их соединения с подоконным брусом при опрокидыва нии на крышу (складывания крыши).

2. Прочность крепления сидений к полу кузова.

3. Прочность конструкции сидений и подголовников.

4. Оснащение сидений ремнями безопасности.

5. Отсутствие в персональной зоне безопасности (зона возможного удара головой) выступающих элементов, а также элементов, которые мо гут возникнуть при ДТП.

6. Применение прочного ветрового стекла, использование закалённых боковых стекол.

Для решения вопроса, связанного с повышением конструктивной безопасности маломестных автобусов, можно сформулировать ряд требо ваний и предложений:

1. Выполнение существующих норм и Правил ЕЭК ООН.

2. Удаление пассажирских мест рядом с водителем.

3. Ограничение свободы перемещения пассажиров при столкнове ниях.

4. Изолирование водителя от прямого общения с пассажирами при движении.

В 2007 г. водителями автобусов, имеющими лицензию на перевозоч ную деятельность, совершено 2281 ДТП, в которых погибли 168 и ранены 3732 человека. В сравнении с 2006 г. уменьшилось количество таких ДТП на 7,2 %, число погибших – на 29,1 % и число раненых в них пассажиров – на 5,8 %.

Управлениями государственного автодорожного надзора по фактам ДТП проверено 98 % хозяйствующих субъектов. В ходе проверок выявле но 7142 нарушения, анализ которых показал, что каждое 8-е нарушение – это несоблюдение режима труда и отдыха водителей, а каждое 15-е – ис пользование на должностях, отвечающих за безопасность дорожного дви жения, не аттестованных специалистов. Кроме того, не везде проводится предрейсовый медицинский осмотр водителей. В ряде случаев осуществ ляется допуск водителей к управлению транспортными средствами с на рушением норм стажировки и рабочего стажа. Не везде соблюдается пе риодичность технического обслуживания.

В 2008 г. насчитывалось почти 30 тыс. погибших и 270 раненых.

183 тыс. ДТП из 218 произошли из-за нарушения правил дорожного дви жения водителями авто. Причём более 13 тыс. из них находились в состоя нии алкогольного опьянения. По вине нетрезвых автомобилистов погибли 2383 человека и ранены почти 20 тыс. Свою лепту внесли и пешеходы.

В 2008 г. они создавали аварийные ситуации более 38 тыс. раз, причём бо лее чем в 6 тыс. случаев гибли люди. Боле 20 тыс. раз участниками аварий становились дети младше 16 лет. Из них погибли 1018 человек и получили ранения почти 23 тысячи.

В Инспекции отметили улучшение технического состояния автопар ка. Из-за неисправности автомобилей случилось лишь 1725 аварий, это на 22 % меньше, чем в 2007 г. Также заметно, почти на 18 % снизилось число аварий с особо тяжкими последствиями. К таким относят происшествия, в которых погибли более 4-х или получили ранения более 15 человек. Таких аварий случилось 173. В них погибли 603 человека и пострадали более 1100.

Исходя из проведённого исследования, можно выявить ряд серьёз нейших проблем, влияющих на аварийность пассажирского транспорта:

квалификационный уровень водителей на сегодняшний день не допустимо низок;

не выполняются требования закона «О безопасности движения» и приказа Минтранса № 2 от 1997 г., т.е. не всегда и не везде прово дятся медицинские переосвидетельствования, предрейсовые ме дицинские и технические осмотры, не соблюдаются режим рабо ты водителей, периодичность ТО и др.;

низкий уровень технического состояния автобусов, несовершен ство их конструкции;

критический уровень изношенности подвижного состава;

переизбыток на дорогах автобусов малой вместимости.

Отсюда следует проведение ряда профилактических мероприятий:

необходимы новые подходы к аккредитации автошкол и системе контроля их деятельности;

необходимо 100 % лицензирование всего пассажирского транс порта, а также обязательная сертификация услуг на пассажирские перевозки;

появилась необходимость пересмотра требований государствен ного технического осмотра при оценке пассивной безопасности кузовов автобусов.

Несомненно, к разработке данных мероприятий следует привлечь все заинтересованные в этом стороны: Минтранса РФ, МВД РФ, заводы изготовители автобусов, научно-исследовательские учреждения, испыта тельные центры.

ГЛАВА МЕТОДЫ РАСЧЁТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В МНОГОСЛОЙНЫХ СРЕДАХ 2.1. Дифференциальные уравнения теплопроводности и условия на поверхностях конструкций Одним из главных механизмов воздействия излучения или других тепловых потоков на материалы и конструкции является нагревание среды в результате поглощения энергии, происходящее в форме передачи тепло ты. Все рассматриваемые в монографии задачи о нагреве основаны на вве дении понятия поверхностного или объёмного источника теплоты. Грани цей этого приближения условно считается длительность импульса излуче ния не менее 10 9 с и плотность потока не более 109 Вт/см2.


Одним из наиболее часто встречающихся допущений в термомеха нике является разделение эффектов переноса импульса и теплоты, что для твёрдых тел не даёт существенных погрешностей. В этом случае, полагая рассматриваемую среду покоящейся и определяя внутреннюю энергию как функцию температуры T и плотности (давления) U = c p dT + const, полу чим классическое уравнение, описывающее процесс распространения теп лоты в неподвижной сплошной среде [40]:

) ) c p T = T + qV = div ( gradT ) + qV. (2.1) Здесь ср, – удельная изобарная теплоёмкость и плотность среды (для твёрдых тел первая незначительно отличается от теплоёмкости при постоянном объёме, поэтому в дальнейшем индекс в обозначении тепло ) ёмкости опускается);

– время;

– коэффициент теплопроводности, яв ляющийся для общих случаев симметричным тензором второго ранга, ко торый далее будем называть тензором теплопроводности;

qV – плотность тепловых источников, действующих в объёме тела (объёмная плотность тепловых источников).

Для полного математического описания рассматриваемых процессов необходимо, кроме дифференциального уравнения (2.1), задать так назы ваемые условия однозначности, которые включают в себя:

- геометрические условия, характеризующие форму и линейные размеры конструкций, подвергаемых нагреву;

теплофизические условия, задающие характеристики материалов конструкции, а также закон распределения тепловых источников r qV = qV ( r, ) ;

- начальные условия, задающие закон распределения температуры в конструкции в начальный момент времени воздействия;

- граничные условия, характеризующие взаимодействие рассматри ваемой конструкции с окружающей средой.

Особенностью задания граничных условий при описании процессов нагрева конструкций излучением является необходимость установления однозначной взаимосвязи задаваемых на внешней поверхности конструк ции тепловых источников с потоком падающего на объект излучения.

В настоящее время наиболее апробированными моделями взаимо действия излучения с материалами являются модели, в соответствии с ко торыми граничные условия, описывающие нагрев конструкций при огра ничении плотности потока значением порядка 10 6 Вт/см 2 для металлов и порядка 10 4 105 Вт/см 2 для диэлектриков, являются граничными усло виями второго рода следующего вида:

) rr r Т = q0 (r, ) = n0 A(T,,...)()q cos. (2.2) rr r Здесь n0 – единичный вектор, нормальный к поверхности;

q0 (r, ) – rr r вектор плотности теплового потока;

– угол между q0 (r, ) и n0 ;

() – функция, описывающая временную структуру воздействующего потока излучения;

q* – пространственное распределение плотности потока излу чения на поверхности конструкции;

А(Т,, …) – коэффициент поглоще ния, который чаще всего определяется через коэффициент отражения R по формуле:

A = 1 – R. (2.3) Начальные условия определяются законом распределения темпера туры в конструкции в начальный момент времени исходя из решаемых те пловых задач.

Здесь следует подчеркнуть, что в настоящее время уже решено мно жество задач нестационарной теплопроводности для тел различной формы, для различных граничных условий, для переменных во времени теплофи зических характеристиках среды и граничных условиях.

В обзорных статьях и работах академика А.В. Лыкова [38, 39, 40] об суждаются наиболее эффективные аналитические методы решения таких линейных и нелинейных задач. Эти методы в полной мере могут быть ис пользованы при теоретическом исследовании температурных полей, фор мируемых в результате воздействия тепловых потоков различной плотно сти. Тем не менее, в этой области остаются вопросы и классы задач, реше ние которых представляет интерес как для инженерной практики, так и для развития соответствующего научного направления. К их числу можно от нести и решение задач, рассмотренных в статьях [13, 14, 16].

Одной из них является задача теплопроводности многослойной сре ды с резко отличающимися по своим теплофизическим параметрам слоями с существенно неоднородным по поверхности распределением плотности потока излучения. Далее рассмотрено решение такой задачи.

2.2. Нестационарная теплопроводность многослойных сред, имеющих круговую симметрию 2.2.1. Постановка задачи Рассмотрим нестационарную задачу теплопроводности конечной об ласти V, представляющей собой произвольный многослойный цилиндр с внутренней цилиндрической полостью радиуса R, длиной L несимметрич ного строения с анизотропными слоями (i = 1, N), характеризуемыми удельными темплоёмкостями с i, плотностями i, тензорами теплопровод ) ности i. Верхний индекс, указывающий на принадлежность физической величины i-му слою, в дальнейшем опустим, если это не является необхо димым. Введём в рассмотрение цилиндрическую систему координат x = {r,, z} с центром на оси цилиндра (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Расчётная схема Толщину произвольного i-го слоя обозначим hi. Расстояния от внут ренней поверхности до внешней поверхности k-го слоя обозначим k H k = hi. Координата rk этой точки будет равна rk = R + H k.

i = Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид [40]:

T ( x, ) [ ] ) g ( )G (r ) = div (r )gradT ( x, ) + qV ( x, ). (2.4) Здесь G(r) = с(r)(r) – заданная кусочно-регулярная по координате r функция, определяющая изменение плотности и теплоёмкости с при переходе от слоя к слою и внутри каждого из них. Их изменение во времени описывается безразмерной функцией g().

) Симметричный тензор теплопроводности (r) также является кусочно-регулярной функцией от r, и его матрица в главных осях {r,, z} имеет вид:

) r 0 = 0 0.

0 Z Дифференциальные операторы grad и div в цилиндрической системе координат описываются выражениями [33]:

T 1 T T gradT T = ir + i + iZ, r r z T 1 1 T T + Z div(gradT ) (T ) = r r +.

r r r z z r r Условия контакта на поверхностях сопряжения слоев имеют вид:

T i +1 (ri,, z ) T i (ri,, z ) = ir+ ir, (2.5) r r Т i (ri,, z ) = Т i +1 (ri,, z ), i = 1, N 1.

Начальное условие: при = 0 T ( x,0) = T0 ( x).

Граничные условия на поверхности S имеют в общем случае вид [40]:

T ( x, ) ( xs ) + ( x s )T ( x, ) = f ( x s, ). (2.6) ns Здесь (хs), (хs) и f(xs, ) – кусочно-регулярные функции, имеющие определённый физический смысл:

- для граничных условий первого рода (хs) = 0, (хs) = 1 и f(xs, ) – температура поверхности тела;

- для граничных условий второго рода (хs) – коэффициент тепло проводности, (хs) = 0 и f(xs, ) = q(xs, ) – тепловой поток;

- для граничных условий третьего рода в отличие от этого (хs) – коэффициент теплообмена, f(xs, ) = (хs)Тс(xs, ) (здесь Тс(xs, ) – температура среды, контактирующей с поверхностью S).

2.2.2. Конечные интегральные преобразования Рассмотрим решение задачи методом конечных интегральных пре образований, который полно и подробно разработан Г.А. Гринбергом [11] и поэтому иногда его называют методом Гринберга [39, 43].

Будем искать решение дифференциального уравнения (2.4) в виде ряда по системе собственных функций U mnk, которые определяются из системы уравнений задачи Штурма-Лиувилля:

) div[ (r )gradU mnk ( x)] + µ mG (r )U mnk ( x) = 0, (2.7) U ) ( xs ) mnk + ( xs )U mnk = 0.

ns Здесь µm – константа разделения.

Если принять в пределах каждого i-го слоя (r) и G(r) = const, тогда первое уравнение (2.7) аналогично трёхмерному уравнению Гельмгольца:

2U 1 dU i 1 d 2U Z i d 2U 2+ + i 2 r r d 2 + i dz 2 + (µ / ai )U = 0.

r r r r Здесь аi = ir /(c i i ) – температуропроводность i-го слоя.

Пусть собственные функции Umnk(x) имеют следующий вид:

U mnk ( x) = im (r )n ( z ) f k (). (2.8) Тогда трёхмерное уравнение Гельмгольца разделяется на три обык новенных дифференциальных уравнения:

d f () + k 2 f k () = 0;

(2.9) 2k d d2 ( z ) + n n ( z ) = 0;

(2.10) 2n dz µ 2 m i 2 i k 2 i d2 i 1d i m (r ) + m (r ) + a i i r 2 m (r ) = 0. (2.11) Z r dr dr i r r Здесь k и n – произвольные константы разделения, определяемые краевыми условиями.

Входящая в выражение (2.8) собственная функция im (r ) представ ляет собой цилиндрическую функцию следующего вида () () i i i im (r ) = Ai J r m + B i N r m. (2.12) () () i i i Здесь J r m – функция Бесселя первого рода порядка ;

N r m – функция Неймана (функция Бесселя второго рода) также порядка, кото рый в данном случае определяется по формуле i =k. (2.13) i r Параметры m i и коэффициенты Ai и B i определяются из решения системы 2N линейных однородных алгебраических уравнений, образуемой из граничных условий на внутренней и внешней при r = R + HN поверхно стях и на поверхностях стыковки слоёв при r = R + Hi (i = 1, 2, …, N-1):

[ )]+ B [(Bi + )N (R ) R ( )] ( ) ( A1 (Bi + 1 )J R m R m J +1 R m 1 1 1 1 N+1 R m = 0, 1 m m i+1 i+1 i+1 i+ Ai J (i m ) + Bi N (i m ) Ai+1J (i m ) Bi+1N (i m ) = 0, i i i i i i J (i m ) i i N (i m ) i i i i i i i i A J +1 (i m ) + B N +1 (i m ) i i i m i m i +1 i + i J ( i m ) i + Ai +1 i J +1 ( i m ) i +1 i + i m + i +1 i + i ) N ( i + B i +1 i N +1 ( i m ) i +1 i +i1 m = 0, (2.14) + i m N N J N ( N m ) N N N N N ( N m ) N N N N A J +1 ( N m ) + B N +1 ( N ) = 0.

N N N m N m Здесь i = ( R + H i ), (i = 1, 2, …, N-1);

i = ir+1 / ir ;

Bi = R / 1r – число Био, в котором – коэффициент теплообмена на внутренней по верхности. При отсутствии теплообмена = 0.

Приравнивая к нулю определитель этой системы, составленный из выражений при неизвестных Ai и B i (i = 1, …, N), получим уравнение для определения собственных значений µm, так как значение mi определяется по формуле µ im = m iz ir 2. (2.15) a n i Ввиду «ленточного» характера матрицы определителя с диагональ i i ным расположением отличных от нуля элементов, неизвестные Аm и Вm могут быть определены по рекуррентным соотношениям. Если принять 1 Аm = 1, так как Вm в частном случае при R 0 стремится к нулю, то по лучим следующие соотношения:


1 1 1 1 R m J +1 ( R m ) ( Bi + 1 ) J ( R m ) Bm =. (2.16) 1 1 1 1 ( Bi + 1 ) N ( R m ) R m N +1 ( R m ) i Am+1 = S 2 N S1i N +1 i N S 0 ;

i i (2.17) mi v Вm+1 = S1i JV +1 i JV S 2 JV i i i. (2.18) m i S Здесь S1i = Am JV + Bm NV ;

JV = JV (i );

NV = NV (i ) ;

i i i i v v i S 2 = Am JV +1 i JV + Bm NV +1 i NV m i m i i + v v S 0 = r J V +1 i J V N V N V +1 i NV J V.

i ir mi mi i Выражение в квадратных скобках для S o представляет собой врон i скиан [33], поэтому величина S o определяется по формуле 2 ir+1 i = S0.

ir i im Нормированные собственные функции задачи Штурма-Лиувилля по координате при симметричной относительно = 0 тепловой нагрузке имеют вид 1 f 0* = ;

f k* () = cos(k ), k = 1, 2, … (2.19) 2 Нормированные собственные функции задачи по координате z при отсутствии тепловых потоков на торцах ( n ( z ) z = 0 ) имеют вид z 1 * = * ( z ) = cos n, ;

(2.20) 0 n L L L где n = 1, 2, … Отметим, что значения k и n, кроме k = 0 и n = 0, двукратные.

Определим теперь выражение для нормированных собственных функций im (r ) = im (r ) / N, используя для этого соотношение для квадра * та нормы функции im (r ) :

R+ H N N R + hi G (r )[im (r )]2 rdr i (r )[im (r )]2 rdr.

g = (2.21) N i =1 R + hi R Здесь g i (r ) = с i (r )i (r ).

Введём допущение, практически не сказывающееся на общности рассматриваемой задачи, что в пределах каждого i-го слоя gi(r) = const. То гда выражение (2.21) примет вид R + hi N N = gi [m (r )] rdr = g N i.

2 i 2 i (2.22) N i = i =1 R + hi То есть для многослойного пространства квадрат нормы N равен сумме квадратов норм, соответствующих отдельным слоям и определяе мых по формуле:

r [A J (r ) + B N (r )] dr = R + hi R + hi i i i i r [m (r )] dr = N i2 = i 2 i i m m R + hi 1 R + hi ( R+hi ) mi x 2 i dJ ( x) [ ] dN ( x) i ii i i A J ( x) + B i N i ( x) + + Bi A.

dx x 2 2( mi ) 2 dx ( R+hi 1 ) mi Учитывая известные формулы для производных цилиндрических функций, окончательно получим ( R + hi ) mi i i 2 i [ ] [ ] x P ( x, ) + 1 2 A J ( x ) + B i N ( x ) Ni = (2.23), i 2 x 2( m ) ( R + hi 1 ) mi где P i ( x, ) = Ai i J i ( x ) J 1i ( x) + B i i N i ( x ) N 1i ( x).

x x Выражения для нормы собственных функций были получены исходя их следующих рассуждений.

Пусть U mnk (x) и U m 'n 'k ' ( x) – две системы собственных функций. Обе системы удовлетворяют дифференциальному уравнению и граничным ус ловиям (2.7), которые будут иметь вид µ 2 G (r )U mnk ( x) = div[(r ) gradU mnk ( x)];

m µ 2 'G (r )U m 'n 'k ' ( x) = div[ (r ) gradU m 'n 'k ' ( x)];

(2.24) m U ( xs ) mnk + ( xs )U mnk = 0;

ns U ( xs ) m 'n 'k ' + ( x s )U m 'n 'k ' = 0. (2.25) ns Умножим первое уравнение в (2.24) на U m 'n 'k ' ( x), а второе – на U mnk (x). Вычтем после этого из первого уравнения второе и проинтегри руем по объёму, учитывая теорему Грина [33]. В результате получим U mnk U m 'n 'k ' G ( r )U mnk U m 'n 'k ' dV = 2 ( x s ) U mnk U m 'n 'k ' ds. (2.26) n s n s µm µ2 ' s V m Выражение в квадратных скобках в правой части (2.26) является оп ределителем системы уравнений (2.25) и должно быть равно нулю при mnk m' n' k '. Следовательно собственные функции, соответствующие раз ным собственным значениям, ортогональны между собой с весом G(r).

При mnk = m' n' k ' левая часть (2.26) будет представлять собой квад рат нормы функции Umnk. Правая часть выражения (2.26) в этом случае представляет собой неопределённость, которую можно раскрыть по прави лу Лопиталя [33].

Тогда U mnk U mnk 2U mnk ( xs ) µ n U mnk µ n ds.

Ф= (2.27) 2µ m Si s m s m Нормированные собственные функции определяются выражением:

mnk ( x) = U mnk ( x) f k* ()* ( z )im (r ).

* (2.28) n Ф 2.2.3. Изображение и оригинал функции Примем собственные функции Umnk в качестве ядра интегральных преобразований по координатам x = {r,, z} ~ T (µ m, ) = U mnk ( x)G (r )T ( x, )dV. (2.29) V Умножим уравнение (2.4) на Umnk и вычтем из правой его части пер вое уравнение (2.7), предварительно умноженное на Т(х, ). Результат про интегрируем по объёму, используя теорему Грина [33], связывающую объ ёмный и поверхностный интеграл, и учитывая (2.29):

~ dT (µ m, ) ~ + µ 2 T (µ m, ) = g () (2.30) m d U mnk T ( x, ) U mnk n T ( x, ) n ( xs )ds + qV ( x, )U mnk ( x)dV.

s s s v При выводе уравнения (2.30) интеграл по объёму V цилиндрического тела заменялся суммой интегралов по объёму каждого из N слоёв и осуще ствлялся переход к поверхностному интегралу.

Так как направления положительных нормалей для двух соседних слоёв на поверхности контакта Si (i = 1, …, N-1) взаимно противоположны, то соответствующие производные для этих слоёв имеют разный знак. При суммировании они взаимно уничтожаются, учитывая условия (2.5).

Выражение в квадратных скобках поверхностного интеграла есть определитель системы двух уравнений (2.6) и (2.7). Определяя по правилу Крамера из этих уравнений (хs) и (хs) и суммируя результат, получим выражение для определителя, после подстановки которого в уравнение (2.30) получим линейное уравнение первого порядка относительно изо ~ бражения T (µ m, ).

~ dT (µ m, ) ~ + µ 2 T (µ m, ) = Qmnk (), g () (2.31) m d здесь U mnk ( xs ) U mnk ( xs ) ns Qmnk () = f ( xs, )( xs ) ds + I ( x, )U mnk ( x)dV. (2.32) ( x s ) + ( x s ) s V Решение уравнения (2.31) хорошо известно µ t µ2 Qmnk () t ~ exp m d d, (2.33) T (µ m, ) = exp d P + m g () 0 g ( ) 0 g () 0 где постоянная интегрирования Р определяется из начальных условий P = G (r )U mnk T0 ( x)dV.

V ~ Для перехода от изображения T (µ m, ) к оригиналу T (µ m, ) исполь зуется формула обращения:

~ T (µ m, ) = Ф 1U mnk ( x)T (µ m, ). (2.34) mnk При использовании нормированных собственных функций формулы интегрального преобразования и обращения будут иметь вид ~ TФ (µ m, ) = mnk ( x)G (r )T ( x, )dV ;

(2.35) V ~ mnk ( x)TФ (µ m, ).

T ( x, ) = (2.36) mnk В этом случае решение уравнения (2.4) при соответствующих гра ничных условиях (2.6) и g() =1 будет иметь вид:

Т ( х, ) = exp(µ m ) f k ()n ( z )m (r ) Pmnk + Qmnk (t ) exp(µ 2 t )dt. (2.37) 2 * * i* m mnk 2 L R + hi N Здесь Pmnk = g i * * i* f k ()n ( z )m (r )To (r,, z )rddzdr.

i =1 0 0 R + hi Выражение (2.32) для функции Qmnk (t ) зависит от сочетания различ ных граничных условий.

Если на внутренней поверхности задано граничное условие третьего рода, а на внешней поверхности граничное условие второго рода, то выра жение (2.32) для функции Qmnk (t ) из (2.37) примет следующий вид 2 L RTc (t ) 1* R1* ( R ) N* 1 + Bi Qmnk (t ) = m ( R ) + + ( R + H N )q (t )m ( R + H N ) m r 0 f k* ()* ( z )ddz. (2.38) n Если внутренняя поверхность теплоизолированная, тогда в выраже нии (2.38) необходимо положить Тс(t) = 0, если теплоизолированной явля ется внешняя поверхность, тогда q(t) = 0.

В частном случае, когда начальное условие Т0(х,0) = 0, а граничные условия на внешней и внутренней поверхностях не зависят от координат z и, решение (2.37) значительно упрощается:

2 Т ( r, ) = e µ m im ( r ) Qm (t )e µ mt dt, * (2.39) m а выражение (2.38) принимает вид RTc (t ) 1* R1* ( R) N* Qm (t ) = m ( R ) + + ( R + H N )q(t )m ( R + H N ). (2.40) m 1 + Bi r В данном случае k = 0, n = 0, = 0 и im = µ m / ai.

Таким образом, рассмотренный аналитический метод решения не стационарной задачи теплопроводности позволил получить достаточно простое решение для многослойной цилиндрической конструкции на ос нове усреднённого значения температуры, каковым является изображение ~ Т ( х, ).

2.3. Нагрев многослойной пластины потоком излучения с круговым распределением 2.3.1. Исходные положения Приведённые в предыдущем параграфе подходы и решения можно использовать для определения температурного поля в многослойной пла стине, нагреваемой потоком излучения с круговым распределением (рис. 2.2).

В данном случае конечная область V представляет собой многослой ную пластину с радиусом R и толщиной HN, несимметричного в общем случае строения с N анизотропными слоями, характеризуемыми удельны ) ми теплоёмкостями c i, плотностями i, тензорами теплопроводности.

Введём в рассмотрение цилиндрическую систему координат x = {r,, z} c центром на оси круговой пластины и началом координат на внешней поверхности. Толщина произвольного i-го слоя обозначается hi, расстояние от внешней поверхности пластины до её k-го слоя будет равно:

k z k H k = hi.

i = Рис. 2.2. Расчётная схема Если задаваемый на поверхности тепловой поток имеет круговую симметрию и отсутствуют внутренние тепловые источники, то дифферен циальное уравнение теплопроводности (2.4) принимает вид T (r, z, ) 1 T T g ()G () = r r + z. (2.41) r r r z z На поверхностях стыков слоёв выполняются условия:

T (r, z k, ) = T k +1 (r, z k, );

T(k,+z1,) T(k, zk,) r rk kz+ kz =. (2.42) z z На внешней и внутренней поверхностях T 1 (r,0, ) z = q(r, );

при z = 0 (2.43) z N N T ( r, z N, ) z = 0. (2.44) при zN = HN z В рассматриваемом случае тепловой поток на поверхности может быть описан функцией, близкой к распределению Гаусса q (r, ) = q0 ()e kr, (2.45) здесь k – коэффициент сосредоточенности.

Если соблюдаются условия R k 2 и R ar, где ar – макси * * мальный по слоям коэффициент температуропроводности, тогда можно положить для простоты T ( R, z, ) = 0.

2.3.2. Интегральные преобразования Для отыскания решения подвергнем дифференциальное уравнение (2.41) и граничные условия (2.42–2.44) интегральным преобразованиям по пространственным координатам. В качестве ядра интегральных преобразо ваний используем собственные функции, определяемые из решения задачи Штурма-Лиувилля:

1 U mn U mn r r + z + µ nG ( z )U mn = 0;

(2.46) r r r z z U mn kz = 0 при k = N и z = HN;

z Umn = 0 при r = R;

Umn при r = 0.

Если принять в пределах каждого i-го слоя i = const, G(z) = const и положить U mn = m (r )in ( z ), тогда уравнение (2.46) разделяется на два обыкновенных дифференциальных уравнения 2 m (r ) 1 m (r ) + 2 m (r ) = 0, + (2.47) m r r r 2 in µ n 2 i + i m ir in = 0. (2.48) z 2 a z z Решением уравнения (2.47) будет функция Бесселя первого рода ну левого порядка m (r ) = AJ 0 (r m ). (2.49) Собственные значения m определяются из уравнения J 0 ( R m ) = 0. (2.50) * Нормированная собственная функция m (r ) имеет вид 2 J 0 ( r m ) m* ( r ) = m ( r ) / N =. (2.51) RJ 1 ( R m ) Решением уравнения (2.48) является функция следующего вида in ( z ) = Ai cos( z i ) + Bi sin( z i ), (2.52) ( ) ir µ2 где i = / ai.

n m iz Собственные значения µ 2 определяются из системы 2N-1 линейных т однородных уравнений, соответствующих граничным условиям на по верхностях пластины и условиям идеального контакта слоёв:

Ai cos( H i i ) + Bi sin( H i i ) Ai +1 cos( H i i +1 ) Bi +1 sin( H i i +1 ) = 0;

Ai sin( H i i ) Bi cos( H i i ) i Ai +1 sin( H i i +1 ) + i Bi +1 cos( H i i +1 ) = 0;

AN sin( H N N ) BN cos( H N N ) = 0, (2.53) + где i = iz 1 i +1 /(iz i ) ;

i=1, …, N-1;

B1 = 0;

A1 = 1.

В случае двухслойной пластины (N = 2) и при ir = iz уравнение для определения собственных значений µ n получается из условия равенства нулю определителя системы (2.53) 1 µт / a1 m ctgh1 µт / a1 m 2 µ2 / a2 2 ctgh2 µ2 / a2 2 = 0. (2.54) 2 2 2 т m т m Коэффициенты Аi и Вi собственной функции in (z ) определяются по рекуррентным соотношениям A1 = 1;

B1 = 0;

Ai +1 = Ai cos( H i i ) cos( H i i +1 ) + sin( H i i ) sin( H i i +1 ) + i (2.55) Bi sin( H i i ) cos( H i i +1 ) cos( H i i ) sin( H i i +1 );

i Bi +1 = Ai cos( H i i ) sin( H i i +1 ) sin( H i i ) cos( H i i +1 ) + i Bi sin( H i i ) sin( H i i +1 ) + cos( H i i ) cos( H i i +1 ).

i В случае двухслойной пластины A2 = cos(h11 ) cos(h1 2 ) + sin( h11 ) sin( h1 2 );

i B2 = cos(h11 ) sin( h1 2 ) sin( h11 ) cos(h1 2 ).

i Квадрат нормы функции n (z ) на отрезке от 0 до HN:

[ ] [n ( z )] dz.

HN Hi N 2 = gi in ( z ) dz i = N G( z) i = 0 H i Воспользовавшись тригонометрическими преобразованиями in ( z ) = Ai2 + Bi2 cos( zi i ), i = arctg(Bi /A i ), определим квадрат нормы функции n (z ) на отрезке длиной hi:

[ ] Hi Hi Ai2 + Bi [sin x cos x + x] |Hii1iiii (z ) dz = cos (zi i ) = in (2.56) H 2i H i 1 H i Тогда нормированная функция in* ( z ) будет равна in* ( z ) = in ( z )/N. (2.57) Изображение будет определяться по формуле R HN ) T (n, ) = 2 gi in* ( z )* (r )rdzdr.

m ) Уравнение для изображения T (n, ) будет иметь вид, аналогичный уравнению (2.31), в котором правая часть определяется выражением R Qm ( ) = 2 q(r, )r* (r )dr. (2.58) m Решение этого уравнения имеет вид (2.33), в котором µ m µ n. Об ращение изображения и переход к оригиналу осуществляется по формуле вида (2.36), в которой mnk ( z, r ) = in* ( z )* (r ). В этом случае решение m уравнения (2.41) будет иметь вид T (r, z, ) = exp(µ 2 )in* ( z )* (r ) Qm (t ) exp(µ n t )dt. (2.59) n m mn Одним из методов защиты конструкций от воздействия излучения является уменьшение поглощательной способности путём использования отражающих металлических покрытий. Далее остановимся на вопросе оп ределения температуры такой двухслойной среды.

2.4. Температура полубесконечной среды с тонким металлическим покрытием 2.4.1. Основные допущения Предположим в первую очередь, что радиус пятна нагрева много больше характерной толщины покрытия. В этом случае для коэффициента сосредоточенности k, связанного с радиусом пятна нагрева при гауссовом распределении соотношением k rf2, должно выполняться условие k aп, (2.60) где ап – коэффициент температуропроводности покрытия;

– длительность действия теплового потока.

Тогда теплопроводность вдоль поверхности покрытия можно не учи тывать ввиду малых градиентов температуры и задача становится одно мерной (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Расчётная схема пластины с покрытием:

hп – толщина покрытия;

hс – толщина стенки;

q0 – плотность мощности теплового потока Кроме того, предположим, что теплопроводность покрытия гораздо выше теплопроводности подложки или стенки конструкции. В противном случае можно перейти к однослойной модели, это позволяет рассматривать стенку конструкции до определённого момента времени как полубеско нечную среду с покрытием.

Следующим допущением является положение об отсутствии тепло вых потоков во внешнюю среду, обусловленных собственным тепловым излучением. Предполагается также, что теплофизические характеристики покрытия и стенки конструкции не зависят от температуры и времени. Ес ли также считать, что коэффициент поглощения излучения не зависит от температуры, что в общем случае неверно, то задача теплопроводности становится линейной. Существенно упрощает решение и предположение о постоянстве во времени поглощаемого теплового потока с плотностью мощности q0.

Достаточно грубым, однако возможным при определённых условиях допущением, является предположение о линейном изменении температуры по толщине покрытия. Это допущение соответствует для покрытия регу лярному режиму нагрева, когда темп нагрева является для всех точек по крытия постоянной величиной [23].

Проанализируем возможную погрешность, вносимую в определение температурных полей введёнными допущениями, как это сделано в [15].

2.4.2. Погрешности, вносимые допущениями Допущение об отсутствии тепловых потоков во внешнюю среду, обусловленных собственным тепловым излучением, даёт небольшую по грешность. Если плотность потока падающего излучения значительно пре вышает величину потока, определяемую в соответствии с законом Стефа на-Больцмана [23]:

qизл = 0Т 4, здесь 0 = 5,67 108 Вт/(м 2 К) – постоянная Стефана-Больцмана. Напри мер, если температура Т поверхности покрытия достигнет 400 К (127 С), то плотность потока излучения составит не более 0,15 Вт/см2.

Граница применимости модели полубесконечной среды для стенки конечной толщины устанавливается путём сравнения этой толщины с так называемой эффективной толщиной теплового влияния граничных усло вий. Последнюю определяют, исходя из известных соотношений для од номерного температурного поля полубесконечной среды, подвергающейся нагреву постоянным тепловым потоком q0 [40]:

z 2q Т ( z, ) = 0 ac ierfc, (2.61) 2 a z c здесь ас – коэффициент температуропроводности материала стенки;

ierfc( x) = e x / x[1 erf ( x)].

Приняв в формуле (2.61) значение функции ierfc(x) 10 2, получим при z = hc следующее условие:

hc (ac ) 0,5 3,2 или F0 = ac / hc 0,1.

Следовательно, длительность нерегулярного режима или граница применимости по времени модели полубесконечной среды при заданной погрешности будет определяться по формуле пр = hc2 F0 / ac 0,1hc2 / ac. (2.62) Например, для алюминиевой стенки с коэффициентом температуро проводности ac 0,5 см 2 /с и толщиной hc = 3 мм граница применимости модели полубесконечной среды ограничена временем пр 18 мс.

Допущение о постоянстве теплофизических характеристик и коэф фициента поглощения излучения можно принять, если изменение этих ха рактеристик в предполагаемом интервале температур покрытия и стенки не превышает нескольких процентов (в пределе до 10 %). Эта величина обусловлена погрешностью измерений этих характеристик.

Допущение о линейном характере распределения температурного поля по толщине покрытия можно вводить для относительно тонких по крытий в случае, когда длительность воздействия излучения подчиняется условию Fo = aп / hп 1, (2.63) здесь ап, hп – температуропроводность и толщина покрытия.

В противном случае максимальную погрешность определения тем пературы поверхности можно оценить по формуле Тп П = 1 = 1 Fo, (2.64) Т (0, ) Здесь точная температура поверхности Т(0, ) определяется по фор муле (2.61), приближенная оценка – по формуле 2q Тп = 0. (2.65) ch Если условие (2.63) выполняется, тогда для оценки погрешности ис пользуем известное решение [40]:

( ) 0,5 0, ( F0 ) = 2 F0 0,5 + 2 ierfc n / F0, (2.66) n = здесь ( F0 ) = T (0, ) п /(q0 hп ) – безразмерная температура поверхности покрытия. При F0 = 1 эта температура будет равна (1) = 1,332, при F0 = получим (10) = 10,33.

Погрешность в случае принятия линейного закона распределения температуры по толщине покрытия определяется по формуле Тл П =1 = 1 ( F0 + ) / ( F0 ), (2.67) Т (0, ) здесь – коэффициент, определяемый значением производной температу ры по толщине пластины. Если распределение равномерное, то = 0. Для более точного определения температуры можно принять = 0,33. Тогда при Fo = 1 погрешность будет равна 0,2 % и с увеличением длительности нагрева будет уменьшаться.

2.4.3. Погрешность одномерной модели Оценку максимальной погрешности, обусловленной переходом к од номерной модели, проведём, используя расчётные отношения, полученные в работе [17]. Пусть в покрытии действует линейный источник теплоты с постоянной мощностью теплового потока на единицу длины Q (рис. 2.4).

Погрешность перехода к одномерной модели в этом случае будет максимальной. Пунктиром обозначено распределение, близкое к распреде лению Гаусса. Расстояние l выбирают таким образом, чтобы в его пределах плотность мощности снижалась в е 2 раз. Тогда можно принять l 2 = 1 / k, где k – коэффициент сосредоточенности.

Рис. 2.4. Расчётная схема полубесконечного пространства с покрытием Поскольку покрытие отдаёт часть поступающей в него теплоты на нагрев стенки, то модель системы может быть сведена к одномерному уравнению теплопроводности покрытия со стоками теплоты [17]:

2Т Т q ( x, ) = ап z, (2.68) cп п hп х где qz(x, ) – нормальный к поверхности тепловой поток.

Исходя из условий сопряжения, связь qz и Т можно выразить в сле дующем виде [19]:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.