Забезпечення ліквідації пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування

Размещено на http://www.allbest.ru/

УНІВЕРСИТЕТ ЦИВІЛЬНОГО ЗАХИСТУ УКРАЇНИ

УДК 614.843(075.32)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидат технічних наук

Забезпечення ліквідації пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування

Спеціальність 21.06.02 - Пожежна безпека

Мовчан Іван Олександрович

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності, МНС України, м. Львів

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Гуліда Едуард Миколайович Львівський державний університет безпеки життєдіяльності МНС України, професор кафедри фундаментальних дисциплін.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Алексієв Олег Павлович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет МОН України, завідуючий кафедри мехатроніки автотранспортних засобів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Альбощий Віктор Михайлович, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, начальник науково-дослідного відділу.

Захист відбудеться “27” вересня 2007р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.707.01 в Університеті цивільного захисту України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Університету цивільного захисту України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

Автореферат розіслано “ 7 ” серпня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.А.Чуб

ліквідація пожежа надійність технологічний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах гасіння пожеж на промислових підприємствах виконують підрозділи пожежно-рятувальної служби із застосуванням технології ліквідації пожеж тільки з точки зору пожежної тактики. При цьому не враховують питання її надійності в екстремальних умовах, а вибір оптимального варіанта технології залежить переважно тільки від суб'єктивних поглядів керівника гасіння пожежі.

В роботах, які присвячені тактиці ліквідації пожеж, наведено технологію ліквідації пожеж, але не розглянуті питання її надійності для кожного конкретного випадку. Аналіз вибору варіанта технологічного процесу ліквідації пожеж свідчить про відсутність обґрунтованого прийняття рішення стосовно проведення пожежно-рятувальних робіт на підприємствах промислово-виробничого призначення.

Результати аналізу робіт Ю.О. Абрамова, В.П. Іваннікова, П.П Клюса, А.С. Пустового, Ю.М. Сенчихіна, В.В. Сирового, А.І. Бондаренка, В.М. Михайлова, Я.С. Повзика, В.П. Бута, І.Ф. Кімстача., П.П. Девлішева., М.М. Евтюшкіна та багатьох інших авторів дали можливість зробити висновок, що на сьогоднішній день питання вибору оптимального варіанта технології та технічних засобів ліквідації пожежі з урахуванням конкретних умов її виникнення та розповсюдження на промислових об'єктах розглянуто недостатньо. Крім того, не взято до уваги можливі відмови роботи пожежної техніки та устаткування в процесі слідування до місця виклику та під час ліквідації пожежі на об'єкті. Відсутні результати статистичних і експериментальних досліджень стосовно надійності пожежної техніки та відповідного технологічного спорядження. Тому забезпечення технології ліквідації пожежі на промислових підприємствах з розробленням методу її обґрунтованого вибору, спрямованого на забезпечення високої оперативності та надійності, є важливою і актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з тематичним планом науково-дослідних робіт Львівського державного університету безпеки життєдіяльності (ЛДУБЖД), тема дисертації відповідає вимогам Постанови Кабміну України від 01 липня 2002 року № 870 “Про затвердження Державної програми забезпечення пожежної безпеки в період до 2010 року…”, у розділі ІІ якої “Пріоритетні напрямки наукових досліджень та розробок у галузі пожежної безпеки” визначено: “Виконати комплекс науково-дослідних, проектних дослідно-технологічних робіт, спрямованих на розвиток теорії пожежогасіння …”, а також пов'язана з науково-технічною темою “ Забезпечення надійності технології гасіння пожежі на машинобудівних підприємствах” (№ д.р. 0104U 0100750).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень методу оперативного вибору варіанта технології, сил і засобів пожежогасіння, які б забезпечували ліквідацію пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування.

Для досягнення мети було сформульовані та розв'язувалися такі задачі:

1. Визначення структури технології ліквідації пожежі як багатоваріантної задачі надійності.

2. Встановлення закону розподілу можливих раптових відмов у процесі виконання технології ліквідації пожеж пожежною технікою та відповідним технологічним устаткуванням.

3. Розроблення методології визначення надійності пожежної техніки та відповідного технологічного устаткування з використанням методу статистичного моделювання.

4. Перевірка на підставі статистичних даних показників надійності технологічного процесу ліквідації пожежі.

5. Розроблення й експериментальне дослідження нового методу подавання компактного струменя вогнегасної рідини в осередок пожежі.

6. Розроблення математичної моделі та методу оперативного вибору варіанта технології, визначення сил і засобів пожежогасіння, які б забезпечували ліквідацію пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування.

Об'єкт дослідження - технологічний процес ліквідації пожежі на промислових підприємствах.

Предмет дослідження - операції ліквідації пожежі та відповідна їм пожежна техніка та устаткування.

Методи дослідження - теоретичні дослідження базувалися на основних положеннях теорії надійності, теоретичної механіки, аналітичної геометрії та теорії імовірності. Результати теоретичних досліджень підтверджено результатами експериментів. Експериментальні дослідження проводили на полігоні з використанням методу повнофакторного експерименту та визначенням оптимальних значень конструктивних і експлуатаційних чинників. Розрахунки виконано з використанням ПЕОМ. Для розв'язування оптимізаційної задачі вибору оптимального технологічного процесу ліквідації пожежі використовували метод Монте-Карло.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше запропоновано для визначення імовірності безвідмовної роботи технічних засобів пожежогасіння метод статистичного моделювання.

2. Вперше на підставі статистичних даних перевірено адекватність отриманих за допомогою методу статистичного моделювання значення показників надійності технічних засобів і відповідних технологічних операції процесу ліквідації пожежі.

3. Отримано залежності впливу конструктивних і технологічних чинників на основні тактико-технічні параметри дослідного взірця вібраційного лафетного ствола (ВЛС).

4. Вперше розроблено математичну модель вибору варіанта технології ліквідації пожежі.

5. Отримав подальший розвиток метод розроблення оперативних планів пожежогасіння, який забезпечує оперативний розрахунок необхідної оптимальної кількості сил і засобів для ліквідації пожеж на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані математичні залежності дають змогу визначати оптимальний варіант технологічного процесу ліквідації пожежі, який забезпечує його надійність. Отримані результати можуть бути впровадженні в підрозділах МНС України, а також у науково-дослідних і проектних організаціях у процесі проектування та виробництва нових видів устаткувань для підрозділів МНС України.

На базі результатів дисертаційних досліджень Львівським заводом фрезерних верстатів було виготовлено дослідний зразок вібраційного лафетного ствола (акт від 20.08.2004 р.) та проведено його випробовування в пожежно-рятувальний частині №2 Сихівського району м. Львова (акт від 13.07.2005 р.). Результати дисертаційних досліджень також впровадженні в Головну управлінні МНС України у Львівській області для створення автоматизованої системи оперативного управління підрозділами служби цивільного захисту (акт від 10.10.2006 р.) і в навчальний процес Львівського державного університету безпеки життєдіяльності, де використовується при викладанні дисципліни “Теорія інженерних експериментів” (акт від 01.03.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором самостійно. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем особисто: визначено розміри плоскої пружини для ВЛС [3, 4]; розроблена оптимізаційна математична модель визначення оптимального варіанта технології пожежегасіння [5, 19]; розглянута конструкція ВЛС [2, 11, 12, 18, 20]; розроблено спосіб подачі коловогвинтового компактного струменю в осередок пожежі [14]; розроблено метод вибору оптимального варіанта технології гасіння пожежі з урахуванням його надійності [6, 8, 10, 13, 15, 16]; розроблено математичну модель вибору технологічного процесу гасіння пожежі [17]; розглянуто можливість застосування ВЛС для гасіння лісових пожеж [7]; виконані експериментальні дослідження та проаналізовано їх результати [1, 9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на конференціях: ІІІ Міжнародна науково-практична конференція „Динаміка наукових досліджень - 2004”, м. Дніпропетровськ; Міжнародна науково-практична конференція “Dekontam - 2004”, Технічний університет, м. Острава, Чехія; Міжнародна науково-практична конференція “Fire protection - 2004”, Технічний університет, м. Острава, Чехія; І Міжнародна науково-практична конференція „Науковий потенціал світу - 2004”, м. Дніпропетровськ; VIII Міжнародна науково-практична конференція “Наука і освіта - 2005”, м. Дніпропетровськ; Науково-практична міжвузівська конференція “Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту”, м. Черкаси; VII Всеукраїнська науково-практична конференція рятувальників. “Пожежна безпека та аварійно-рятувальна справа: стан, проблеми і перспективи”, м. Київ, 2005.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 8 статтях у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України, а також у тезах 9-х доповідей, отримано Деклараційний патент на винахід.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків та 5 додатків на 81 сторінці. Загальний обсяг роботи - 261 сторінка. Дисертація містить 41 ілюстрацію, 32 таблиці, список використаних джерел із 134 назв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуті питання стосовно сучасного стану забезпечення технологій ліквідації пожежі на промислових підприємствах.

Пожежі, що виникають на промислових підприємствах та відповідно їх класифікація має умовний характер, і під час її обґрунтування з погляду тактики ліквідації пожеж основним критерієм її побудови є загальні ознаки, що характеризують процеси розвитку і ліквідації пожежі.

Класифікація пожеж які можуть виникати на промислових підприємствах дає змогу проаналізувати і виявити подібні ознаки локалізації та ліквідації певних класів пожеж, а також визначити способи і прийоми їх ліквідації з використанням необхідних видів пожежної техніки та пожежно-технічного озброєння.

Опрацьовані статистичні дані свідчать, що найбільш поширеними класами пожеж є пожежі класу А і В. Цей висновок підтверджується також статистичними даними УкрНДІПБ МНС України за 2006 рік, а саме: на промислових підприємствах виникло 612 пожеж, з яких було ліквідовано за допомогою води 592 пожежі (92%), піни - 35 пожеж (6%), вогнегасних порошків - 12 пожеж (2%). Аналізуючи статистичні дані УкрНДІПБ бачимо, що в більшості випадків для гасіння пожеж використовували воду та водні розчини, які ефективно застосовувати для пожеж класів А і В (горючих рідин). Такі ж класи пожеж можна гасити з використанням вогнегасних порошків, на що і вказують результати статистики. Для ліквідації цих пожеж існують певні технології і відповідна пожежна техніка та устаткування. За основу приймалсь типова технологія ліквідації пожежі, яка використовується майже всіма пожежно-рятувальними частинами МНС України.

Слід також зазначити, що при існуючому підході до ліквідації пожеж вибір варіанта технології залежить в більшості випадків від суб'єктивних поглядів керівника гасіння пожежі. Вибір варіанта технології ґрунтується на результатах розвідки та відомих тактичних прийомів (вирішальний напрямок проведення бойових дій, оцінка ситуації тощо). Для цього використовують типову технологію ліквідації пожежі з різними можливими варіантами тактики, які можуть бути зміненні керівником гасіння пожежі залежно від рівня його знань і вміння правильно оцінити обставини, які сприяють або перешкоджають розвитку пожежі, та прийняти найбільш раціональне ефективне рішення дій бойового підрозділу.

Аналіз та дані літературних джерел щодо її застосування свідчать, що у процесі розв'язання питань забезпечення ліквідації пожеж на промислових підприємствах не враховуються показники надійності пожежної техніки та устаткування, від яких залежить і надійність технологічного процесу. Результати аналізу робіт стосовно тактики ліквідації пожеж дали можливість зробити висновок, що питання вибору оптимального варіанта технології, технічних засобів і тактичних прийомів ліквідації пожежі з урахуванням їх надійності недостатньо розглядалися.

У другому розділі дисертаційної роботи був розглянутий типовий технологічний процес ліквідації пожежі, як багатоваріантна задача її надійності. Цей типовий технологічний процес, який складається з чотирнадцяти операцій, був прийнятий за основу для ліквідації пожеж на промислових підприємствах. Така технологія ліквідації пожежі може бути представлена у вигляді каскадного графу її варіантів (рис.1).

На ньому не наведено операції розвідки. Перша операція повідомленням про пожежу, яка може здійснюватися декількома варіантами. Друга операція - опрацювання сигналу, а третя - збір особового складу по сигналу „Тривога” і виїзд. Четверта операція - слідування на пожежу може виконуватися декількома варіантами.

П'ята - восьма операції - прибуття до місця пожежі, оцінка ситуації, визначення вирішального напрямку бойових дій, вибір засобів захисту пожежного. На дев'ятій операції виконують рятувальні роботи, а на десятій визначають кількість сил і засобів, необхідних для ліквідації пожежі. Одинадцята операція - гасіння пожежі, а дванадцята, тринадцята та чотирнадцята операції є завершальними. Представлений граф варіантів технологічного процесу ліквідації пожежі дає можливість визначити загальну кількість можливих варіантів В_У за залежністю

(1)

де О_і - кількість варіантів кожної технологічної операції від першої до n-ї.

Для визначення надійності пожежної техніки її було поділено на дві групи систем, а саме: на групу нескладних технічних систем та групу складних технічних систем. До нескладних технічних систем віднесено: ручні пожежні стволи, повітряно-пінні пожежні стволи, всмоктувальні сітки, головки з'єднува-льні, напірні рукави тощо. Складними технічними системами можна вважати, наприклад, автомобіль гасіння та його складові агрегати, стаціонарні лафетні стволи, мотопомпи тощо. Для визначення надійності пожежної техніки та устаткування згідно із стандартом ДСТУ 2860-94 були прийняті такі показники: імовірність безвідмовної роботи R(t), інтенсивність відмов л(t) та коефіцієнт готовності (комплексний показник надійності) К_Г(t).

Для нескладних технічних систем пожежної техніки та устаткування згідно із ДСТУ 2107-92, ДСТУ 2112-92, ДСТУ 2113-92 та рекомендацій науково-технічної та довідкової літератури імовірность безвідмовної роботи пожежної техніки підпорядковується експоненціальному закону розподілу.

Для складних технічних систем пожежної техніки та устаткування згідно із рекомендаціями О.С. Пронікова, Б. І. Костецького, М.О. Єлізаветіна, Б Діллона, Ч. Сінгха імовірність безвідмовної роботи підпорядковується закону розподілу Вейбулла.

Коефіцієнт готовності пожежної техніки та устаткування визначався d залежності від середнього часу напрацювання на відмову Т_в(t) та середнього часу тривалості відновлення Т_від(t).

Згідно з рекомендаціями середньостатистичне значення часу локалізації та ліквідації пожежі дорівнює 1,2год, що і було прийнято за основу. Середній наробіток до відмови приймався згідно із рекомендаціями стандартів. При визначенні коефіцієнта готовності К_Г(t) використовувалися нормативи часу на заміну та поточний ремонт техніки. Були розраховані значення імовірності безвідмовної роботи та коефіцієнт готовності для нескладних технічних систем пожежної техніки та устаткування, а саме: стволів пожежних ручних, стволів повітряно-пінних, сітки всмоктуючої, гідроелеватора пожежного, головок з'єднувальних тощо. Значення імовірності безвідмовної роботи для цього устаткування коливалися в межах R(t)= 0,998…0,999, а коефіцієнт готовності - К_Г(t) = 0,97…0,99.

Інтенсивність відмов пожежної техніки та устаткування відбувається навіть під час перебування в бойовому розрахунку (в режимі очікування) за рахунок їх безперервної деградації та відповідного зменшення якості складових елементів, що впливає на зменшення середнього наробітку на відмову. Статистичний аналіз впливу зменшення середнього наробітку на імовірність безвідмовної роботи дав змогу отримати поліноміальну залежність виду

,(2)

де z - кількість років експлуатації агрегату.

За результатами аналізу залежності (2) було встановлено, що в період припрацювання виникають, головним чином, раптові відмови, інтенсивність яких з часом припрацювання зменшується, що призводить до зростання імовірності безвідмовної роботи. Упродовж періоду нормальної експлуатації інтенсивність відмов поступово збільшується до початку періоду інтенсивного зношування, але дуже повільно. Внаслідок цього імовірність безвідмовної роботи поступово зменшується. Це можна пояснити тим, що кожна одиниця пожежної техніки напрацьовує за один рік не більше 40год, а це, в свою чергу, призводить до незначного спрацювання основних агрегатів пожежної техніки.

Період інтенсивного зношування починається у разі виникнення деградаційних і раптових відмов, які призводять до зменшення імовірності безвідмовної роботи пожежної техніки та устаткування до значення R(t) < 0,99.

Для складних технічних систем пожежної техніки та устаткування визначення імовірності безвідмовної роботи виконувалося за допомогою методу статистичного моделювання. Вважаємо, що імовірність безвідмовної роботи R(t) є значення випадкового числа Х, яке отримано з інтервалу [0, 1]. Випадкові числа Y, які є напрацюванням до відмови t, визначаємо як обернену функцію до R(t), тобто t=f(R(t)).

Статистичну оцінку імовірності того, що час безвідмовної роботи t системи не перевищує t_і, перевіряємо за рахунок визначення імовірності безвідмовної роботи з урахуванням t_і згідно з рекомендаціми О.М. Решетова:

(3)

де і=1; 2; 3;…;n - цілі числа, які вказують номер проведення числового експерименту; N = 25 - загальна кількість проведених числових експериментів (реалізації випадкового процесу).

Значення параметру масштабу а визначали за залежністю

,(4)

де с - вільний член рівняння прямої у вигляді залежності lg (-lg(R(t))) = f(lg t);b=2 згідно з рекомендаціями довідникової літератури (в цьому випадку розподіл Вейбулла перетворюється в розподіл Релея з лінійною функцією відмов); значення b уточнюється після отримання рівняння lg (-lg (R(t))) = f(lg t), яке не проходить через початок координат і має вигляд у=bx-c, де b = tgб - параметр форми, який дорівнює тангенсу кута нахилу цієї лінії до осі Х.

Наведений метод статистичного моделювання розглянемо для визначення імовірності безвідмовної роботи складної технічної системи, а саме насосної установки пожежних автомобілів типу АЦ, АНР, АА, АВ, АКТ за середнього наробітку до відмови 100год згідно із ДСТУ 3687-98. Результати розрахунку зображено на рис.2. Графічна залежність отримана в системі Microsoft Excel з проведенням через отримані точки прямої тренда, рівняння якої буде: у=2,3604х-5,1859. На підставі цього рівняння визначено параметр форми b=2,3604, а с=5,1859. Тоді параметр масштабу на підставі уточнення буде дорівнювати а = 110,58 год, а імовірність без-

відмовної роботи насосної установки R(t)=0,999. Таке значення імовірності безвідмовної роботи може бути у випадку, коли коефіцієнт її готовності К_Г(t)=0,96.

Наведені розрахунки були виконані для складних технічних систем пожежної техніки та устаткування, а саме: двигуна пожежного автомобіля (ПА), коробки передач ПА, карданної передачі ПА, редуктора приводу задніх коліс ПА, шасі та ходової частини ПА, коробки відбору потужності ПА, трансмісії приводу пожежного насосу ПА, мотопомп, стаціонарних лафетних стволів тощо. Значення імовірності безвідмовної роботи для цієї техніки та устаткування знаходяться в межах R(t)=0,991…0,999, а коефіцієнт її готовності К_Г(t)=0,90…0,99

Рис.2. Залежність розподілу напрацювання системи за законом Вейбулла

З метою підви-щення ефективності ліквідації пожеж на промислових об'єктах пропонується перед-бачати застосування стаціонарних лафет-них стволів, які працюють разом з насосною установкою від водогону і можуть бути застосовані як для локалізації та ліквідації пожежі, так і для проведення дій з захисту сусідніх споруд від проявів теплового випромінювання, а також для осадження продуктів горіння тощо. Для покращення тактико-технічних параметрів стаціонарних лафетних стволів у ЛДУБЖД було розроблено нову конструкцію стаціонарного ВЛС. Розроблена конструкція дає змогу за рахунок колових коливань ствола навколо його осі створювати коловогвинтовий компактний струмінь, який подається в осередок пожежі. Використання такого методу подавання компактного струменя в осередок пожежі дає можливість збільшити площу гасіння та зменшити час ліквідації пожежі. Результати аналізу показників надійності ВЛС порівняно з серійними стаціонарними лафетними стволами (наприклад, ствол типу ЛСД-С40Уе та ін.) свідчать, що його надійність вища, а ЦК дозволяє рекомендувати його для використання у процесі ліквідації пожеж на відкритих пожежонебезпечних об'єктах, технологічних установках тощо.

Отримані результати щодо надійності дали змогу визначити межі значення генеральної середньої імовірності безвідмовної роботи R(t)_Г для нової пожежної техніки та устаткування з використанням параметра розподілення Стьюдента, а саме 0,98<R(t)_Г<1.Це підтверджує те, щл прийнята вибірка N = 25 найкращим чином відтворює характер і властивості генеральної сукупності, тобто її можна вважати репрезентативною вибіркою.

На значення імовірності безвідмовної роботи R(t) в першу чергу впливає тривалість роботи пожежного устаткування в процесі ліквідації пожежі. Аналізуючи залежність для R(t) насосної установки (рис.3) від часу її роботи бачимо, що в межах від 0 до 5 год R(t) змінюється від 1 до 0,99.

У разі подальшого збільшення часу її роботи R(t) починає різко зменшуватися. Наприклад, під час роботи насосної установки від 5 до 15год R(t) зменшується з 0,99 до 0,96, тобто на 3%, а під час роботи до 25год R(t) зменшується порівнянно з 5год роботи в 1,1 разу. На практиці насосна установка в процесі ліквідації пожежі працює не більше 1,5год, що забезпечує їй високу імовірність безвідмовної роботи в межах R(t)= 0,99…0,999.

Рис. 3. Залежність розподілу напрацювання насосної установки за законом Вейбулла

Після визначення показників надійності пожежної техніки та устаткування була встановлена імовірність безвідмовної роботи кожної технологічної операції ліквідації пожежі та загалом всього технологічного процесу. Загальна розрахункова імовірність безвідмовної роботи технологічного процесу ліквідації пожежі коливається в межах від 0,98 до 0,69 (середнє значення R(t)_сер.= 0,83). Значення імовірності безвідмовної роботи технологічного процесу ліквідації пожежі впливає на прогнозований час її ліквідації. Тому на підставі теоретичних досліджень було запропоновано залежність для визначення прогнозованого часу ліквідації пожежі з урахування імовірності безвідмовної роботи всього технологічного процесу.

В третьому розділі дисертаційної роботи було виконано дослідження коловогвинтового методу подачі рідини в осередок пожежі.

На підставі аналізу сучасного стану засобів подачі компактного струменя в осередок пожежі була поставлена задача, що полягає в розробленні технічного засобу для подавання компактного коловогвинтового струменя в осередок пожежі. Для розв'язування цієї задачі був запропонований метод подавання лафетним стволом компактного струменя з використанням колових коливань. На рис.4, а зображено загальний вигляд ВЛС для подачі в осередок пожежі коловогвинтового компактного струменя.

Основою конструкції є вібраційний стіл 2, на якому закріплено ствол 1. Вібраційний стіл 2 підресорюється за допомогою пружних в'язей 3 до основи 7, яка може обертатися навколо двох взаємо перпендикулярних осей пристрою, який закріплений на підставці. Коливання вібраційного стола 2 здійснюються дисбалансами 4, які розміщуються на валу, що знаходиться у підшипникових вузлах стола 2. Вал дисбалансів з'єднується з двигуном 6 за допомогою еластичної муфти 5. У разі обертання дисбалансів 4 навколо своєї осі виникає відцентрова сила Fщ, яка і приводить в коливний рух стіл 2 разом зі стволом 1. Якщо жорсткість пружних в'язей 4 буде однаковою в вертикальній і горизонтальній площинах, то стіл 2 у разі обертання дисбалансів 4 буде виконувати колові коливання, що дає змогу створити під час виходу зі ствола 1 коловий рух компактного струменя рідини з переміщенням по гвинтовій лінії 8 (рис 4, б) вздовж осі його подачі.

На підставі теоретичних досліджень було отримано залежність для визначення довжини подачі компактного коловогвинтового струменя ВЛС.

Отримані теоретичні залежності дали змогу визначити деякі технічні характеристики ВЛС. Наприклад, у разі розміщення осі Х, навколо якої коливається ствол по коловій траєкторії з радіусом R, на висоті h = 2м від основи поверхні довжина коловогвинтового струменя знаходиться в межах 20...23м з кінцевим радіусом R_кінц = 2м, тобто площею покриву приблизно 12,5м². У разі встановлення ствола під кутом 10...15є довжина коловогвинтового струменя зростає майже в 1,5 разу з площею покриву 28м².

На підставі теоретичного аналізу було встановлено, що амплітуда коливання вібраційного стола та відповідно і ствола повинна знаходитися в межах 60…100мм. Виходячи із значення цієї амплітуди була визначена кутова швидкість і частота обертання валу дисбалансів, які знаходилися в межах резонансної зони, що відповідають частоті обертання валу в межах 400…500хв^-1, що забезпечує необхідну амплітуду коливань.

У четвертому розділі розроблена методика експериментальних досліджень для перевірки на підставі статистичних даних показників надійності технологічного процесу ліквідації пожежі (перший етап) та впливу технологічних і конструктивних чинників розробленої типової структури ВЛС на його тактико-технічні параметри (другий етап).Для виконання цих досліджень використовувалися пожежні автомобілі АЦ40(130)63Б; ручні пожежні стволи ДСТУ 2112-92; пожежні рукави типу Т; К; ВТ; Л, ДСТУ 3810-98; розгалуження пожежне ДСТУ 2111-92. телефонні апарати типів ТАН - 70 - 4; ВЛС; лафетний ствол ПЛС-20П У1; насадки до стволів d = 12; d = 28мм В3-1, ГОСТ 9.014; манометри для вимірювання тиску типу ДМ 1001У2, ГОСТ 2405-88; інструмент для вимірювання відстані - рулетка 50м, ГОСТ 427-75; модельне вогнище пожежі класу 15А; бензин марки А-76, ГОСТ 2084; дека для модельного вогнища класу 15А;

Для виконання першого етапу експериментальних досліджень з метою перевірки на адекватність результатів теоретичних досліджень з надійності відносно реальних значень була поставлена задача дослідити імовірність безвідмовної роботи пожежної техніки та відповідно технологічного процесу ліквідації пожежі в процесі його виконання. Тому було проведено аналіз дійсних статистичних даних по відмовах, які отримано з пожежно-рятувальних підрозділів МНС України західного регіону в кількості N = 100. Результати статистичних досліджень заносили до анкети, яка була розроблена з урахуванням правил обліку пожеж та їх наслідків, що затверджені постановою Кабінету Міністрів України від 21 жовтня 1999 р. № 1943.

Для отримання даних використовували випадкові безповторні вибірки з різних пожежно-рятувальних частин. На підставі опрацювання статистичних даних визначалася імовірність безвідмовної роботи відповідних елементів пожежної техніки, які відмовили в процесі виконання технології по ліквідації пожежі. Після цього визначали імовірність безвідмовної роботи пожежної техніки (за сукупністю всіх елементів системи) та відповідно технологічного процесу ліквідації пожежі. Було визначено середньостатистичне значення імовірності безвідмовної роботи технологічного процесу ліквідації пожежі, яке дорівнювало R(t)_стат = 0,9. Відносна похибка імовірності безвідмовної роботи за результатами статистичних досліджень порівняно з теоретичними не перевищує 8,4%, що є допустимою для досліджень такого характеру.

Для виконання другого етапу експериментальних досліджень, тобто визначення тактико-технічних параметрів ВЛС, проводився повнофакторний експеримент з метою дослідження впливу амплітуди коливання ствола А, діаметра насадки d, та тиску рідини P на довжину L коловогвинтового струменя та площу покриву S осередку пожежі. Числові значення параметрів приймалися такими, щоб вони частково співпадали з реальними умовами, а саме: амплітуда коливань ствола A_max=100мм, A_min=6мм; діаметр отвору насадки d_max = 28мм, d_min = 12мм; тиск вогнегасної рідини на вході P_max=6атм, P_min=3атм. ВЛС встановлювали на висоті 0,8 від опорної поверхні під кутом 10⁰.

Результати експериментальних досліджень опрацьовано методом регресійного аналізу з урахуванням математичного планування і проведення повнофакторного експерименту. В результаті отримано регресійні рівняння:

;(5)

(6)

де К_б, К_sб - коефіцієнти впливу кута нахилу ствола відповідно на довжину та площу гасіння.

Ці рівняння перевірялись на адекватність за допомогою критерію Фішера. Їх аналіз показує, що найбільше на довжину подачі коловогвинтового компактного струменя впливає тиск рідини Р (рис.5.), а на площу пожежогасіння - амплітуда коливання ствола (рис.6.).

У разі збільшення тиску подачі рідини з 3атм до 6атм, тобто в 2 рази, довжина струменя збільшується в середньому в 1,4 разу. Внаслідок збільшення амплітуди коливання ствола від 6 до 100мм, тобто в 16,7 разу, площа пожежегасіння збільшується в середньому до 4,1 разу. Менше впливає на довжину струменя діаметр насадки: при його збільшенні в 2,3 разу, довжина струменя збільшується в 1,26 разу.

Рис.5. Вплив тиску рідини на довжину подачі коловогвинтового компактного струменя ( - контрольні випробовування) А=53мм

Рис.6. Вплив амплітуди коливання на площу гасіння пожежі ( - контрольні випробовування) Р = 4,5Атм

Одночасно виконувалися контрольні дослідження ВЛС, які показали, що отримані емпіричні залежності порівняно з контрольними дослідженнями мають похибку в межах від 1,86% - 10,2%, що є допустимим для досліджень такого характеру. Результати другого етапу досліджень дали змогу отримати оптимальні значення тактико-технічних характеристик ВЛС, а саме за діаметром насадки 28мм, робочим тиском 600кПа довжина струміння 33м (за кута його підйому 10⁰) та 49м (за кута його підйому 30⁰) з площею покриву 32м² та 48 м² відповідно.

На наступному етапі експериментальних досліджень визначали час гасіння пожежі з використанням ВЛС та лафетного ствола типу ПЛС-20П (без використання коливань). В процесі виконання експериментальних досліджень лафетні стволи були розташовані на відстані 33м від модельного вогнища 15А.

Результати експериментальних досліджень ефективності ліквідації пожежі з використанням вібраційного лафетного ствола порівняно із лафетним стволом стандартного типу свідчать, що швидкість гасіння пожежі ВЛС в 1,3 разу більша, тобто на 30% зменьшує тривалість гасіння пожежі порівняно з лафетним стволом стандатрного типу, що пояснюється в першу чергу збільшенням площі охолодження.

У п'ятому розділі описано розроблений метод забезпечення технології ліквідації пожежі на промисловому підприємстві на підставі оптимізації її вибору з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування. За основу був прийнятий типовий технологічний процес ліквідації пожежі. В нашому випадку пошук оптимального розв'язку виконується з використанням декількох критеріїв. Згідно із рекомендаціями за критерії оптимізації приймаємо: Вп - витрати пожежно-рятувальних підрозділів на ліквідацію пожежі залежно від тривалості її ліквідації; Впр.п - матеріальні збитки промислового підприємства залежно від площі пожежі на момент її локалізації. На підставі аналізу вартості виконання робіт пожежно-рятувальним підрозділом, яка пов'язана з ліквідацією пожежі, вартості виробничих площ різних промислових підприємств, на яких розмішене відповідне обладнання, та їх статистичної обробки були отримані залежності для визначення Вп, та Впр.п., які наприклад, для деревообробного підприємства (клас пожежі А, форма - кутова 90⁰, автоматична система пожежогасіння відсутня) зображені на рис.7, а на рис.8 - їх двокритеріальна оптимізаційна поверхня.

За критерій оптимізації було прийнято різницю за модулем між значеннями В_п, та В_пр.п, яка повинна наближатися до мінімального значення. Розв'язування задачі вибору оптимального варіанта технології ліквідації пожежі зводиться до нелінійної задачі математичного програмування.

В цьому випадку оптимізаційну математичну модель вибору варіанту ліквідації пожежі класу А можна представити у такому викладі: мінімізувати час ліквідації пожежі

Т => min;(7)

за критерієм

(8)

за обмежень

T ? b;(9)

(10)

(11)

де Т - прогнозований час виконання всіх технологічних операцій ліквідації пожежі; L_і - відстань до місця виклику; V_і - швидкість руху пожежної техніки до місця виклику; - кількість стволів “А” для гасіння пожежі; - кількість стволів “Б” для гасіння пожежі та захисту; К_В.Г - кількість відділень для гасіння пожежі; К_П.А - кількість пожежних автомобілів для ліквідації пожежі; S_П - площа пожежі; а₁, а₂,..., а₄ - мінімальні значення обмежень; b₁, b₂,..., b₄ - максимальні значення обмежень; b₅ - кількість відділень пожежно-рятувальної частини на чергуванні; b₆ - кількість пожежних автомобілів пожежно-рятувальної частини на чергуванні; b₇ - загальна площа приміщення де виникла пожежа; b - орієнтовний середньостатистичний максимальний час виконання всіх технологічних операцій ліквідації пожежі.

Аналогічно формулюється оптимізаційна модель для вибору варіанта технологічного процесу ліквідації пожежі класу В. Для розв'язання сформульованих задач на ПЕОМ використано метод Монте-Карло, який вимагає створення послідовності псевдовипадкових чисел о_і. Ці числа отримували, використовуючи генератор випадкових чисел. Отримані псевдовипадкові числа за залежностями

(12)

перетворювали до інтервалів змінних L_i, V_i, , і заокруглювали до цілого числа в більшу сторону.

Програма оптимізації була поділена на дві частини: навчаючу та виконавчу. Після введення початкових даних навчаюча програма визначає прогнозовану площу S_П та площу гасіння S_Г проводить серії досліджень в області обмежень, оцінює імовірність P попадання окремої точки в межі області допустимих розв'язків і будує новий паралелепіпед, в якому цикл повторюється. Точки, для яких не виконується умова (9), відкидаються, а для точок, які попали в область допустимих розв'язків, визначаються значення часу виконання технології ліквідації пожежі (функція мети) за залежністю (наприклад, для пожеж класу А)

(13)

та критерій оптимізації за залежністю (8), де _п = t₁+t₂+t₃+t₅ - середнє значення часу на отримання та опрацювання сповіщення про пожежу, на залучення сил і засобів гарнізону для ліквідації пожежі, на збір особового складу по сигналу “Тривога”, на проведення бойового розгортання (згідно з нормативними даними); К_п - коефіцієнт, який враховує час ліквідації всієї пожежі; К_п=S_п/S_{г. .}

Значення Т та |В_п-В_пр.п.|, які отримані на кожному етапі, порівнюються з попередніми. Менші з них і відповідні йому значення змінних L_i, V_i, , запам'ятовуються і весь процес повторюється до отримання мінімальних значень часу Т та |В_п-В_пр.п.|. Крім того, одночасно визначається імовірність попадання точок в область допустимих розв'язків до загальної кількості дослідів. За досягненням імовірності Р ? (0,5…0,95) навчаюча програма припиняє роботу та передає керування виконавчій програмі, яка, у свою чергу визначає оптимальний технологічний процес ліквідації пожежі, прогнозований час ліквідації пожежі, відповідну пожежну техніку та устаткування, а також необхідну кількість пожежно-рятувальних відділень. У процесі тестування програми на комп'ютері з тактовою частотою процесора 2,2МГц і 256МВ оперативної пам'яті час роботи становив 5…7с. Питомий економічний ефект від впровадження методу оптимізації вибору технології ліквідації пожежі на промислових об'єктах становить 728грн/м² пошкодженої в наслідок пожежі площі.

ВИСНОВКИ

У роботі отримані науково обґрунтовані результати, які в сукупності дозволяють розробити на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень метод оперативного вибору варіанта технології, сил і засобів пожежогасіння, які б забезпечували ліквідацію пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування, а також зробити такі висновки:

1. Результати аналізу сучасного стану із забезпечення надійності технології ліквідації пожежі на промислових підприємствах свідчать, що основою в цьому є обґрунтований вибір варіанта технологічного процесу ліквідації пожежі з урахуванням конкретних умов її виникнення та розповсюдження. Не виконувалися комплексні дослідження впливу параметрів надійності пожежно-технічного обладнання та устаткування на загальний час виконання всього технологічного процесу ліквідації пожежі та не враховувалися можливі відмови роботи пожежної техніки та устаткування в процесі слідування на пожежу та її гасіння. Відсутні дані та відповідні методики для оперативного визначення технологічного процесу та часу ліквідації пожежі, технічних засобів та їх кількості, а також складу пожежно-рятувальних підрозділів.

2. Результати теоретичних досліджень дали змогу розробити метод визначення показників надійності технологічного процесу ліквідації пожежі на промислових підприємствах з визначенням імовірності безвідмовної роботи цього процесу та коефіцієнта готовності основної пожежної техніки, яка використовується на відповідних технологічних операціях. Встановлено, що імовірність безвідмовної роботи технологічного процесу ліквідації пожежі впливає на значення прогнозованого часу ліквідації пожежі, який може за наявності відмов збільшуватися приблизно в 1,02...1,45 разу.

3. Основним показником надійності ремонтопридатної пожежної техніки є коефіцієнт готовності, на значення якого впливає в першу чергу час, який витрачається на ліквідацію відмови (ремонт) та середнє напрацювання на відмову. Для пожежної техніки значення коефіцієнта готовності коливається в межах від 0,87 до 0,99.

4. Результати експериментальних досліджень надійності технологічного процесу ліквідації пожежі співпадають з теоретичними. Відносна похибка імовірності безвідмовної роботи, яка отримана за результатами статистичних досліджень, становить 8,4% відносно теоретичних, що є допустимою для досліджень такого характеру. Результати статистичних даних свідчать, що загальний час технології ліквідації пожежі при її імовірності безвідмовної роботи R(t)= 0,9 збільшується на 11,1%.

5. Розроблено новий коловогвинтовий метод подачі компактного струменя рідини в осередок пожежі, що значно підвищує ефективність пожежогасіння за рахунок збільшення площі пожежогасіння компактним струменем. За результатами теоретичних досліджень встановлено, що розроблена конструкція дослідного взірця стаціонарного лафетного ствола має кращі показники надійності порівняно з серійними взірцями, які випускаються промисловістю. Наприклад коефіцієнт готовності дослідного взірця в 1,07 разу вищий від серійного. Результати експериментальних досліджень технічних параметрів ВЛС дали можливість встановити основні тактико-технічні параметри його роботи. Найбільша відносна похибка результатів отриманих за емпіричною залежністю порівняно з результатами контрольних досліджень, знаходиться в межах від 7,3% до 10,2%, що є допустимою для досліджень такого характеру.

6. Оптимізаційна двокритеріальна математична модель дає змогу визначати такі оптимальні значення кількості особового складу, кількості та типу пожежної техніки й устаткування, потрібної кількості вогнегасних речовин, які дають змогу отримати максимальний ефект по ліквідації пожежі за мінімального часу. Для розв'язання задачі оптимізації розроблено принципово новий метод, який є синтезом методу послідовної мінімізації з використанням методу Монте-Карло. Оптимізаційна модель дає змогу визначати оптимальний технологічний процес ліквідації пожежі класів А і В.

7. Розроблений на підставі оптимізаційної математичної моделі пакет прикладних програм забезпечує зменшення часу на опрацювання сповіщення та залучення сил та засобів гарнізону для ліквідації пожежі до 1 хв. Крім того, програма дає можливість здійснювати контроль за часом виконанням технології ліквідації пожежі.

8. Розроблений метод забезпечення ліквідації пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування було впроваджено в Головну управлінні МНС України у Львівській області для створення автоматизованої системи оперативного управління підрозділами служби цивільного захисту (акт від 10.10.2006 р.) і в навчальний процес Львівського державного університету безпеки життєдіяльності, де використовується при викладанні дисципліни “Теорія інженерних експериментів” (акт від 01.03.2007 р.).

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Сучасні технічні засоби пожежогасіння // Пожежна безпека. - Львів: ЛІПБ, 2003. - №3. - С. 120 - 124.

2. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Лафетний вібраційний ствол із регульованою жорсткістю підвіски // Проблемы пожарной безопасности. - Харків: АПБУ, 2003.- №14. - С. 82 - 84.

3. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Розрахунок пружних в'язів лафетного вібраційного ствола // Наук. вісн. УкрНДІПБ. - Київ, 2003. - № 2. - С. 95 - 99.

4. Гуліда Е.М., Мовчан І.О., Панів Я.В. Розрахунок плоских пружних в'язей лафетного вібраційного ствола // Пожежна безпека. - Львів: ЛІПБ, 2004. - №4. - С. 25 - 28.

5. Гуліда Е.М., Мовчан І.О., Войтович Д.П. Оптимізація технології пожежогасіння на машинобудівному підприємстві // Пожежна безпека. Львів: ЛІПБ, 2004. - № 4. - С. 92 - 98.

6. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Надійність технології гасіння пожежі на машинобудівних підприємствах // Наук. вісн. УкрНДІПБ. - Київ, 2004.- №2 (10). - С. 42 - 48.

7. Гуліда Е.М., Мовчан І.О, Панів Я.В. Гасіння лісових пожеж з використанням лафетного вібраційного ствола // Пожежна безпека. - Львів: ЛІПБ, 2005. - №6, - С. 46 - 49.

8. Гуліда Е.М., Мовчан І.О., Войтович Д.П., Панів Я.В. Методика визначення оптимального варіанта технології та технологічного спорядження для гасіння пожежі на промислових підприємствах // Пожежна безпека. - Львів: ЛІПБ, №6, 2005. - №6. - С. 7 - 11.

9. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Експериментальне дослідження технічних параметрів вібраційного лафетного ствола // Пожежна безпека. - Львів: ЛІПБ, 2005. - №7. - С. 66 - 73.

10. Гуліда Е.М., Мовчан І.О., Дзюба Л.Ф. Визначення показників надійності пожежної техніки методом статистичного моделювання // Пожежна безпека. - Львів: ЛДУБЖД, 2006. - №8. - С.116 - 121.

11. Гуліда Е.М., Мовчан. І.О. Фізична та фізико-хімічна дезактивація з використанням вібраційних лафетних стволів // Матер. ІІІ Між нар. наук. - практ. конф. „Динаміка наукових досліджень - 2004”. Т. 34. Екологія. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - С. 3 - 4.

12. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Multi-purpose vibrating jet pipe for physical and chemical dekontamination // Матер. Міжнар. наук.-практ. конф. „DEKONTAM - 2004”. - Чехія: Технічний університет Острава, 2004. - С. 8 - 10.

13. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Reliability of technology of fire extinguishing at the machine-building enterprises // Матер. Міжнар. наук.-практ. конф. „Fire protection - 2004”. - Чехія: Технічний університет Острава, 2004. - С. 10 - 14.

14. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. About some features of the organization of struggle agaist mounnains forest fires // Матер. Міжнар. наук.-практ. конф. „Fire protection - 2004”. - Чехія: Технічний університет Острава, 2004. - С. 14 - 16.

15. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Вибір оптимального варіанту технологічного процесу гасіння пожежі на машинобудівних підприємствах // Матер. І Міжнар. наук.-практ. конф. „Науковий потенціал світу - 2004”. Т. 62, Технічні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - С. 55 - 59.

16. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Підвищення надійності технології гасіння пожежі на машинобудівних підприємствах // Матер. VIII Міжнар. наук - практ. конф. “Наука і освіта - 2005”, Т.59. Галузеве машинобудування. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - С. 33 - 37.

17. Гуліда Е.М., Мовчан І.О., Войтович Д.П. Математичне моделювання та вибір оптимального варіанта технологічного процесу гасіння пожежі // Тези наук.-практ. міжв. конф. “Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту”. - Черкаси: ЧІПБ, 2005. - С. 32.

18. Гуліда Е.М., Мовчан І.О Багатоцільовий вібраційний лафетний ствол для фізичної та фізико-хімічної дезактивації // VII Всеукр. наук.-практ. конф. рятувальників “Пожежна безпека та аварійно - рятувальна справа: стан, проблеми і перспективи”. - К.: МНС України, 2005. - С. 182.

19. Гуліда Е.М., Мовчан І.О. Метод статистичного моделювання для визначення показників надійності пожежної та аварійно-рятувальної техніки // Матер. Міжнар. наук.-практ. конф. "Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту". - Черкаси: ЧІПБ, 2006. - С. 13-17.

20. Лафетний вібраційний ствол із регулюючою жорсткістю ресорної підвіски. Гуліда Е.М., Мовчан І.О., Кузик А.Д. Патент України 70521А, опубл. в Бюл. №10. - 2004.

АНОТАЦІЯ

Мовчан І.О. Забезпечення ліквідації пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. - Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Львів, 2007.

Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень для забезпечення ліквідації пожежі на промислових підприємствах з урахуванням надійності пожежної техніки та устаткування, а також проаналізовано існуючі варіанти забезпечення ліквідації пожежі з використанням типової технології та існуючих тактичних прийомів. Визначено ступінь впливу надійності пожежної техніки та устаткування на надійність технологічного процесу ліквідації пожежі. Досліджено з використанням методу статистичного моделювання основні показники надійності пожежно-технічного озброєння. Розроблено новий метод і конструкцію стаціонарного вібраційного лафетного ствола (дослідний взірець) для подачі компактного струменя в осередок пожежі. Крім того, встановлено, що надійність цього ствола вища, ніж надійність існуючих серійних типів стаціонарних лафетних стволів. Проведено експериментальні дослідження конструкції вібраційного лафетного ствола та технологічного процесу ліквідації пожежі, як багатоваріантної задачі надійності. Розроблено оптимізаційні моделі вибору технологічного процесу ліквідації пожежі класів А і В з метою отримання мінімального прогнозованого часу її ліквідації і із забезпеченням заданої надійності.

Ключові слова: надійність, пожежна техніка, пожежне устаткування, технологічний процес ліквідації пожежі, оптимізаційна модель, осередок пожежі, статистичне моделювання.

...