ПРОТИВОТАРАННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к механическим устройствам, в частности к барьерам противотаранным, предназначенным для преграждения несанкционированного проезда транспортных средств на особорежимные объекты и охраняемые территории.
Известен «Противотаранный барьер» RU 2338830 [1], содержащий шарнирную и замковую опоры, с арматурой, залитой бетоном, и балку, сваренную из двух швеллеров в форме короба, закрепленную на опорах, внутри балки вмонтированы предварительно натянутые стальные тросы, закрепленные по концам балки.
Недостатком известной конструкции является высокая сложность устройства и ненадежность, обусловленная сложностью конструкции.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Барьер Противотаранный» RU 2224840 [2], содержащий балку, один конец которой закреплен на одной опоре, а другой закреплен на другой опоре с помощью механического замкового устройства, балка сварена из двух швеллеров и внутри балки вмонтированы и закреплены по концам балки предварительно натянутые стальные тросы.
Недостатком известной конструкции является высокая стоимость устройства, обусловленная высокой стоимостью стального троса и его монтажа, обусловленная сложностью обработки стального каната. Другой недостаток известной конструкции - повышенная масса устройства, ведущая к дополнительным затратам на монтаж устройства. Повышенная жесткость стальных канатов приводит к повышенным усилиям при остановке автомобиля и как следствие к повышенным требованиям к опорам, замкам, поворотным устройствам, что дополнительно удорожает монтаж конструкции и увеличивает материалоемкость всего изделия.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение экономических характеристик производства и монтажа противотаранного устройства, понижение массы устройства и материалоемкости смонтированного изделия.
Технический результат достигается тем, что канат используют из синтетических нитей.
Основными силовыми элементами противотаранного устройства являются канат и два бетонных основания с прочно закрепленными на них металлическими цапфами. Канат располагается внутри короба поворотной балки. Конструкцией балки предусмотрено, что при деформировании автомобилем балки, находящейся в закрытом (горизонтальном) положении, заплетки на концах каната прочно фиксируются на металлических коушах (синонимы - цапфы, держатели, фиксаторы). Последние являются составной частью массивных железобетонных оснований (фундаментов), врытых в грунт.
Выбор каната в качестве основного силового элемента противотаранного устройства обусловлен тем обстоятельством, что изгибающие моменты, возникающие при поперечной деформации каната много меньше, чем в любом прокате соизмеримого сечения. Поэтому разрушение троса, а именно его разрыв, может быть обусловлено только силой его растяжения, причем последняя передается обоим опорам в равной степени.
Схема, поясняющая физические расчеты, представлена на фиг.1, где:
1 - первая опора;
2 - вторая опора;
3 - канат;
4 - середина каната;
5 - точка приложения силы автомобилем.
Опоры равнонагруженные. Полагается, что короб поворотной балки служит лишь для предохранения троса от сильных локальных поперечных (режущих) нагрузок от острых элементов автомобиля и начальной фиксации троса в горизонтальном положении, а его заплеток - на цапфах (держателях, коушей) массивных бетонных оснований. Поэтому работой деформации короба поворотной балки в расчетах пренебрегается.
При столкновении с противотаранным устройством кинетическая энергия автомобиля преобразуется в работу растяжения троса и работу изменения положения (в пределе - извлечения из грунта) массивных бетонных оснований. В реальном процессе оба указанных фактора имеют место одновременно и взаимосвязаны. Действительно, при наезде автомобиля на канат он растягивается. Возникающая при этом сила натяжения каната не только тормозит автомобиль, но и передается на фундаменты, вызывает их перемещение. Таким образом, определенная часть кинетической энергии автомобиля диссипируется в работу изменения положения фундаментов. Между тем, для обеспечения необходимого запаса прочности расчеты основных характеристик противотаранных элементов базируются на рассмотрении предельных, наихудших вариантов их работы. Так, при расчете необходимого сечения каната считаем бетонные основания неподвижными (вмерзшими в грунт). При этом полагаем, что вся кинетическая энергия автомобиля преобразуется в энергию растяжения каната вплоть до его разрыва. Наоборот, при расчете фундаментов энергией деформации каната (в том числе пластической) пренебрегается, и считается, что вся кинетическая энергия автомобиля идет на работу изменения положения фундаментов, в пределе - работу извлечения их из грунта. Такое рассмотрение процесса, помимо существенного упрощения расчетов, гарантирует получение результатов с запасом прочности, как по сечению каната, так и по параметрам фундаментов.
Расчет параметров каната.
0
y
0
Физика процесса сводится к следующему. Автомобиль наезжает на канат 3 длиной L, натянутый поперек проезжей части между двумя неподвижными опорами 1 и 2 (основаниями) фиг.1. Сила F, с которой канат действует на автомобиль, (тормозя его), определяется величиной натяжения каната T, фиг.1. В свою очередь, величина натяжения T является функцией относительного удлинения каната ε=ΔL/L. В рассматриваемом приближении кинетическая энергия автомобиля полностью трансформируется в работу по удлинению каната, в пределе - в энергию его разрыва, т.е. работу, которую необходимо затратить для растяжения каната вплоть до его разрыва. Вполне очевидно, что это утверждение остается справедливым вне зависимости от того, где предпринята попытка несанкционированного проникновения - посредине каната или ближе к одному из его концов. В этом легко убедится, рассмотрев, например, кинематику процесса.
0
Обозначим через x расстояние от середины каната до места воздействия на него автомобиля 5, фиг.1. До столкновения с канатом автомобиль имел скорость V, направленную по оси OY, перпендикулярно натянутому канату. Уменьшение кинетической энергии автомобиля вдоль оси OY
0
0y
y
2
2
ΔW=W-W=m·V /2-m·V /2
равно работе y-овой компоненты силы натяжения троса
где l - расстояние вдоль оси OY, а
Поскольку даже предельные относительные удлинения канатов в большинстве случаев невелики, можно считать
Принимая во внимание малость величины относительного удлинения каната
легко видеть, что допущение (1.3) справедливо для всех x за исключением областей, непосредственно примыкающих к концам каната.
С учетом (1.3), соотношение (1,2) можно представить в виде:
С точностью до членов первого порядка малости соотношение (1.5) эквивалентно следующему:
Подставляя (1.6) в (1.1) получим:
Выразим l через величину удлинения каната ΔL:
Т.е.
или
С учетом (1.9), интеграл (1.7) можно представить в виде:
раз
Последнее эквивалентно (1.1), т.е величина уменьшения кинетической энергии автомобиля равна работе растяжения каната, т.е. для предотвращения проникновения автомобиля через противотаранный барьер необходимо, чтобы энергия разрыва каната была равна либо больше кинетической энергии автомобиля. Таким образом, задача определения сечения каната сводится к задаче определения энергии, необходимой для разрыва каната. Под энергией разрыва каната A понимается величина работы, которую необходимо совершить, удлиняя канат вплоть до его разрыва:
max
где T - сила натяжения каната, возникающая в канате при увеличении его длины на ΔL, ΔL - максимально возможное увеличение длины каната. Полагая, что сила натяжения каната является функцией его относительного удлинения, соотношение (1.11) может быть записано в виде:
0
0
где ε=ΔL/L - величина относительного удлинения каната, L - его начальная длина. Если пренебречь упругостью каната, обусловленной свивкой составляющих его жил, то выражение (1.12) эквивалентно следующему:
0
где F - суммарное сечение нитей (проволок) каната, σ(ε) - напряжение, возникающее в нитях при величине относительного удлинения, равного ε.
Очевидно, что зависимость σ=σ(ε) является характеристикой материала, из которого изготовлен канат.
На фиг.2 приведены зависимости σ(ε) для Стали 30 и Стали 40X, где:
6 - ось X на которой отложена величина относительного удлинения;
7 - ось У на которой отложена величина механического напряжения каната;
8 - график для стали ЗОХ;
9 - график для стали 40Х.
в
в
в
в
в
в
Величина интеграла в (1.13) для указанных металлов соответствует площади областей, заштрихованных на фиг.2, т.е. областям деформаций от нуля до ε. ε - значение ε при напряжении, равном величине временного сопротивления σ. При ε<ε деформации однородны по длине проволоки и справедливы допущения, принятые в (1.12). Деформации ε>ε характеризуются началом локального уменьшения размеров поперечного сечения проволоки (возникновением перетяжки), поэтому для длинных проволок вклад области ε>ε в интеграл (1.11) пренебрежимо мал.
Из фиг.2 можно сделать вывод, что основной вклад в величину интеграла (1.13) дает область пластических деформаций, и потому в противотаранных устройствах предпочтительно применение канатов из ненагартованной металлической проволоки. Например, для Стали 40X и Стали 30 величины интегралов в (1.13) равны соответственно 86 МПа и 70 МПа.
0
С учетом (1.13), минимальная величина сечения каната F определяется из условия
т.е. полагается, что начальная кинетическая энергия автомобиля равна работе разрыва стального каната.
Так, для предотвращения проникновения в охраняемую зону автомобиля массой 10 тонн, движущегося со скоростью 40 км/час, суммарное сечение проволок каната длиной 8 м, изготовленных из Стали 40X, определяется соотношением:
Последняя величина соответствует, например, сечению каната по ГОСТ 3081-80 диаметром порядка 50 мм или двойному канату с d≈35 мм.
0
Проблема использования в рассматриваемом противотаранном устройстве стальных канатов обусловлена следующим. По существующим ГОСТам стальные канаты нормируются лишь по максимально допустимому усилию, выдерживающему канатом. Величина относительного удлинения при этом не нормируется. Поэтому, стальные канаты изготавливаются из проволоки высокоуглеродистой стали (не ниже Стали 75), причем из нагартованной проволоки, в которой для увеличения диапазона допустимых упругих деформаций область однородных пластических деформаций практически сведена к нулю. (Сергеев С.Т. Стальные канаты. Киев. 1974 г.) Последнее уменьшает значение интеграла в правой части (1.14) практически на порядок, а следовательно, на порядок увеличивает значение F в (1.15).
в
2
С точки зрения увеличения энергии разрыва значительно более лучшими характеристиками обладают канаты из синтетических волокон, сочетающие высокую прочность на разрыв (σ≈1000 Н/мм) и высокую эластичность (относительное удлинение ε≈20-30%).
На фиг.3 представлена диаграмма σ(ε)для полиэфирных волокон, где:
9 - ось Y, на которой отложено напряжение гс/текс;
10 - график зависимости для механического напряжения каната от удлинения.
На фиг.4 представлена диаграмма σ(ε) для полиэамидных волокон, где:
11 - график зависимости для механического напряжения каната от удлинения.
Это наиболее распространенные материалы синтетических канатов. («Свойства химических волокон и методы их определения». Москва, «Химия», 1973 г. Под ред. Немченко Э.А., Новиков Н.А. и др., З.А.Роговин «Основы химии и технологии химических волокон. Т.2. Производство синтетических волокон. Москва. «Химия». 1974 г.).
-2
-2
-2
-2
3
-3
2
5
2
5
2
max
max
max
max
0
0
Можно видеть, что для полиэфирных волокон величина интеграла в правой части (1.14) порядка 6.4·10 Н/текс (σ≈57·10 Н/текс, ε≈0.225). Соответствующая величина для полиамидных волокон составляет 8.4·10 Н/текс (σ≈61·10 Н/текс, ε≈0.275). (Поперечное сечение нитей измеряется в тексах. 1 текс - это сечение нити весом в 1 грамм и длиной в 1 км. Плотность синтетических нитей ≈1300 кг/м, поэтому 1 текс соответствует примерно 0.77·10мм.) Подставляя указанные значения интеграла в (1.15) получим суммарную величину поперечного сечения нитей искомого каната из полиэфирного волокон F≈12.1·10 текс (≈900 мм). Аналогично, получаем величину поперечного сечения каната из полиамидных волокон F≈9.1·10 текс (≈700 мм). Максимальные усилия, способные выдержать указанные канаты, составляют 684 кН (68.4 т) и 555 кН (55.5 т) соответственно. Эти максимальные значения натяжения канатов заложены при расчете необходимой прочности цапф, держателей, коушей, фиксаторов, составляющих конструкцию опоры.
Из вышесказанного следует, что заявленный технический результат повышение экономических характеристик производства и монтажа противотаранного устройства достигается большей эластичностью каната из синтетических нитей, более эффективно гасящих энергию движения автомобиля по сравнению с металлическим канатом. Понижение массы устройства происходит благодаря меньшему весу канатов из синтетических нитей. Благодаря снижению пиковых усилий при остановке автомобиля происходит снижение материалоемкости смонтированного изделия, в частности уменьшение величины необходимых фундаментов опор.
Для каната можно использовать полиамидные и/или полиэфирные волокна, которые достаточно распространены.
Канат можно располагать внутри короба поворотной балки. Короб защищает канат от внешних воздействий, а поворотная балка позволяет пропускать автомобили внутрь заграждения.
Заплетки на концах каната могут фиксироваться на металлических держателях (коушах). Металлические держатели легко прикрепить известными способами к металлической арматуре.
Металлические держатели могут являться частью железобетонных опор. При таком выполнении противотаранного устройства достигаются высокие экономические показатели.
Железобетонные опоры могут быть врыты в грунт. Такое закрепление позволяет снизить расход бетона при монтаже противотаранного устройства.
Промышленное применение. Полезная модель может быть с успехом применена для производства противотаранных устройств.