Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Место радиоактивно зараженных территорий в общей структуре земель России и стран СНГ 7
1.2. Особенности эксплуатации машин на радиоактивно зараженной местности 8
1.3. Защита оператора, как способ повышения эффективности использования техники 15
1.4. Способы и конструктивно-технологические особенности защиты оператора от ионизирующих излучений 16
1.5.Существующие методы проектирования машин с биологической защитой оператора. Задачи исследования 22
1.6. Выводы по главе 1 27
Глава 2. Разработка математических моделей и методик расчета параметров машины с защитой оператора от излучений 28
2.1. Анализ влияния узлов шасси на уровень защиты оператора от гамма-излучения грунта радиоактивно зараженной местности .29
2.2. Определение габаритно-массовых и противорадиационных параметров кабины 42
2.3. Экспресс-методики расчета защиты оператора от излучений 62
2.4. Основные технические параметры машин с учетом установки противорадиационной защиты 68
2.5. Технико-экономическая оценка машины с биологической защитой оператора 71
2.6. Выводы по главе 2 78
Глава 3. Экспериментальные исследования параметров машины с противорадиационной защитой оператора 81
3.1. Основные положения методики испытаний 81
3.2. Цели и объекты исследований 83
3.3. Порядок проведения испытаний 85
3.4. Основные результаты экспериментальных исследований 89
3.5. Выводы по главе 3 96
Глава 4. Практическая реализация результатов исследований... 97
4.1. Предельный уровень защиты оператора
от гамма-излучения узлами машины 97
4.2. Особенности расчета противорадиационной защиты кабины с разной толщиной стенок 98
4.3. Зависимость противорадиационной защиты кабины от количества и размещения экипажа 100
4.4. Влияние места установки кабины в машине на радиационную безопасность оператора 104
4.5. Выбор рациональных технических параметров конкретных машин 112
4.6. Перспективные направления в конструкции и технологии изготовления защитных кабин 118
4.7. Примеры расчета технико-экономической эффективности машин с противорадиационной защитой оператора 131
4.8. Выводы по главе 4 135
Основные выводы и результаты 136
Список литературы 138
Приложение
- Особенности эксплуатации машин на радиоактивно зараженной местности
- Способы и конструктивно-технологические особенности защиты оператора от ионизирующих излучений
- Основные технические параметры машин с учетом установки противорадиационной защиты
- Особенности расчета противорадиационной защиты кабины с разной толщиной стенок
Введение к работе
Радиационно дестабилизированных территорий в Российской Федерации около 1 млн.км2[15]. Проблема борьбы с радиоактивным загрязнением выдвигается на первый план среди других экологических проблем ввиду ее огромных масштабов и особо опасных последствий [39].
Первый этап дезактивации радиоактивно зараженных территорий (РЗМ) включает в себя: удаление и захоронение верхних наиболее загрязненных участков грунта, засыпку чистым грунтом, перекопку земель, уборку и вывозку мусора. При этом широко используются различные машины с защитой оператора от гамма-излучения (ГИ) РЗМ. Так, например, дезактивацию сельскохозяйственных территорий после удаления наиболее загряненной части грунта производили в основном путем обычной, а зетем глубокой вспашки с захоронением верхнего загрязненного слоя грунта на глубину более 50 см. Перепахивание земель позволило до 10 раз снизить дозу внешнего ГИ [58, 69].
Очевидно, что комплексное решение проблемы борьбы с радиоактивным загрязнением требует выполнения большого объема землеройных и дорожностроительных работ на радиоактивно зараженной местности с широким использованием бульдозерных агрегатов (БА). Такими агрегатами могут быть как дистанционно управляемые, применение которых ограничено, так и агрегаты с непосредственным управлением оператором, находящимся в кабине машины. Применение последних выдвигает задачу создания противорадиационной защиты оператора (ПРЗ). Эта задача может решаться как путем создания специальных машин, так и за счет модернизации серийно выпускаемых, установкой на них ПРЗ оператора. Второй путь позволяет в короткие сроки и с наименьшими затратами удовлетворить потребности в технике для работ на РЗМ.
ПРЗ должна обеспечивать безопасные условия работы оператора при рациональных параметрах машины и ее эффективной работе. Наиболее полно эти требования закладываются на этапе проектирования. Процесс проектирования такой машины требует расчета и сопоставления большого количества вариантов (значительных затрат времени на проектирование и расчет).
Существующие методики расчета защищенности оператора опираются на подробную компоновочную схему машины и не дают конкретной информации по построению ПРЗ оператора в части соотношения основных параметров узлов защиты, увязанных с параметрами машины. Поэтому необходимо
создание методик, позволяющих на начальном этапе разработки конструкции осуществлять выбор параметров машины с учетом ПРЗ оператора.
Работа выполнялась в соответствии с рядом программ, в том числе с федеральной целевой программой «Преодоление последствий радиационных аварий на период до 2010 года», утвержденной правительством России в августе 2001 г.
Цель работы - создание методик проектирования машин с ПРЗ оператора и рекомендаций по совершенствованию параметров машины и защиты, позволяющих повысить эффективность использования работающей на РЗМ техники.
Объект исследований — гусеничные (преимущественно на базе тракторов типа Т10 (Т-170) и ДЭТ-250) машины с защитой оператора (экипажа) от ионизирующих излучений.
Научная новизна. Разработаны математические модели и методики, раскрывающие на начальном этапе проектирования взаимосвязи между параметрами ПРЗ оператора (габаритно-массовыми, толщинами, уровнем ослабления излучения, экономическими) и габаритно-массовыми, компоновочными, функционально-стоимостными параметрами машины.
Получены зависимости уровня защиты оператора от места расположения оператора на шасси, габаритно-массовых параметров шасси и энергии поля ГИ на грунте. Предложены критерии качественной и количественной оценки зависимости толщины защитных стенок-панелей кабины от изменения уровня защиты отдельных проекций, количества и расположения операторов.
На примере БА разработана методика выбора рациональных параметров трактора с учетом параметров ПРЗ оператора.
Новые научные результаты выполненной работы позволяют решать задачи определения основных параметров машины с ПРЗ оператора и их взаимосвязи в рамках теории аналитического конструирования при минимуме исходных данных.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованностью исходных посылок, вытекающих из основ теорий гусеничных и колесных машин и защиты человека от радиации; принятыми уровнями допущений при математическом описании ПРЗ оператора и параметров машины; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами
экспериментов, выполненных с использованием реальных машин и моделей; достаточным объемом и результатами практических и экспериментальных исследований, проведенных ФГУП 15 ЦНИИ МО РФ, НИИСта-ли, РФЯЦ НИИТФ, ГУП 38НИИИ БТ, ГосНИИ ПТ и др.
Практическая ценность заключается в повышении качества и сокращении сроков проектирования техники, работающей на РЗМ.
Разработанные в диссертации методики и рекомендации позволяют на ранней стадии проектирования: выбирать основные параметры машины, обеспечивающие ее максимальную эффективность; оценивать эффективность и возможный уровень ПРЗ конкретной машины и решать обратную задачу по расчету параметров техники из условия обеспечения заданного уровня защиты оператора.
Новые конструктивные и технологические решения повышают уровень биологической защиты оператора, качество и безопасность работ при изготовлении защитной кабины.
Реализация результатов работы. Разработанные методики и рекомендации, конкретные технические решения использованы ГСКБ ОАО «ЧТЗ» при проектировании различных образцов техники, работающей на РЗМ. В том числе бульдозеров ДЗ-171.1КЗ и ДЗ-132-1КЗ, которые прошли Государственные испытания, рекомендованы в серийное производство и приняты на снабжение Российской армии.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в разные годы на научно-технических конференциях ОАО «ЧТЗ», ГосНИИ ПТ, ЮУрГУ, ЧГАУ.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 патента РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 152 страницы машинописного текста состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, трех приложений и содержит 38 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 84 наименований.
Особенности эксплуатации машин на радиоактивно зараженной местности
Основная цель защиты оператора от излучений РЗМ состоит в снижении дозы излучения на рабочих местах до периодически меняющихся [2, 3, 4, 79] допустимых норм, согласно которым на сегодняшний день предельно допустимая эквивалентная доза (ПДД) облучения составляет 20 мЗв (2 бэр) в год. В особых случаях эта норма может быть изменена. Так, например, для работы в условиях ЧАЭС ПДД была принята равной 250 мЗв (25 бэр) в год. Так как обычно на РЗМ источники излучения рассредоточены весьма неравномерно и следовательно мощность экспозиционной дозы излучения изменяется в широких пределах, то уровень защиты оператора задается исходя из предполагаемой зоны эксплуатации, на которой он работает, либо из максимально допустимых объемно-массовых характеристик техники. Машина должна обеспечивать защиту оператора со всех возможных направлений облучения, так опыт работ в районе ЧАЭС показал, что источники излучения могут находиться не только на грунте, но и на развалинах сооружений, уцелевших зданиях, включая крыши, и на верхушках деревьев. Следовательно, оператор должен быть хорошо защищен как со стороны грунта, так и с верхней полусферы. Уровень защиты, как правило, определяется для самых неблагоприятных условий энергетического состава ГИ (для ЧАЭС оценка чаще всего производилась на основе энергии излучения радионуклида Ег =1,25 МэВ), что гарантирует запас по уровню защищенности оператора (в реальных условиях ЧАЭС Ег 1,25 МэВ). Анализ условий и опыта использования различных видов техники в условиях ЧАЭС показал, что радиационную обстановку, с точки зрения допустимого пребывания оператора в зараженной местности целесообразно характеризовать четырьмя зонами, отличающимися значениями экспозиционной мощности дозы ГИ (измеряется по внешней границе, очерчиваемой линиями одинаковой мощности излучения — Ро) [57]: а) Ро = 1,44-10 5 А/кг; в зоне должны использоваться специальные сред ства, имеющие кратность ослабления дозы ГИ Км 1000; б) Ро = 1,44-Ю 6 А/кг, в зоне наиболее эффективна техника с Км = 100...200; в) Ро = 1,44-10 7 А/кг, здесь лучше применять машины с Км = 15.„25; г) Ро = (1,44...3,6)-10-9 А/кг, целесообразно использовать технику с Км = 2...10. Классификация зон не является полной и окончательной, однако может служить основой при разработке машин для работ в условиях радиоактивного заражения. РЗМ обычно рассматривается в двух состояниях: сразу после аварии; по истечении некоторого времени после аварии.
Для первого состояния характерно резкое изменение уровней ГИ на местности («радиоактивные пятна»). Точечные и протяженные источники находятся на поверхности грунта, ветвях деревьев и т.д. Так как нет точных карт распределения уровней излучения на местности, ПРЗ оператора обычно создается максимально возможной, из условий грузоподъемности шасси, с равным уровнем защиты со всех направлений. Исходя из дозы излучения на рабочем месте оператора назначается время пребывания машины на РЗМ. Для второго состояния характерно выравнивание уровней излучения на местности. Преобладают радиоактивные поля (протяженные источники) с равными параметрами ГИ по всей площади поля. Источники распределяются «вглубь» грунта. Есть карты распределения уровней излучения на местности, возможно довольно точное прогнозирование уровня излучения на годы вперед. У техники, работающей на такой РЗМ, возможен выбор параметров ПРЗ, позволяющих максимально эффективно использовать машину на данной местности (группе местностей) или зоне. Эффективность использования техники зависит от ее производительности, времени работы, а также затрат на ее изготовление и эксплуатацию. При работе на РЗМ эффективность машины во многом определяется уровнем биологической защиты оператора и стоимостью затрат на ее создание. Применение защиты человека от радиации снижает его поглощенную дозу (ПД) излучения, что позволяет (при заданной ПДД) увеличить время нахождения оператора под воздействием ионизирующих излучений и, следовательно, время работы машины в зоне радиоактивного заражения. Продолжительность работы одного оператора в сутки (время смены) является функцией мощности ГИ на открытой местности: где Км — кратность ослабления ГИ машиной; Ро — мощность дозы ГИ на участке производства работ. Время смены может быть уменьшено исходя из установленных норм поступления радиоактивных веществ в организм человека или по другим соображениям, при этом следует учесть, что по мере работы на РЗМ и «загрязнения» машины кратность ослабления будет уменьшаться.
Эффективность использования техники на РЗМ по критерию «эффект-затраты» можно оценить в денежном выражении по формуле, предложенной в литературе [23] для конструкций, снижающих уровень излучения: Э =Qee„-[3w + 3, + 3Jt (1.2) где Q об111.— общая польза применения конструкции; 3w — затраты на конструкцию без защитного экрана; З з — затраты на защитный экран; Зче., — затраты на работающих с учетом затрат на реабилитацию ущерба здоровью от радиации. Кроме затрат на конструкцию без защитного экрана все остальные параметры формулы (1.2) во многом определяются ПРЗ оператора. Следовательно, совершенствование защиты является одним из наиболее эффективных факторов повышения производительности машины.
Способы и конструктивно-технологические особенности защиты оператора от ионизирующих излучений
Снижение дозы облучения оператора у техники, работающей на РЗМ, достигается за счет узлов навесного оборудования, шасси, кабины и ее оборудования. Вклад каждого узла в защиту определяется его размерами, массой, материалами, из которых он изготовлен и расположением относительно рабочего места оператора.
Можно выделить четыре основных способа защиты оператора от ГИ РЗМ: общая защита, локальная защита, индивидуальная защита, комбинированная защита.
Способ общей защиты реализуется размещением ПРМ по всей поверхности обитаемого объема. Примером такой защиты может служить кабина, поверхность которой (снаружи или внутри) покрыта листовым свинцом, а смотровые окна выполнены из свинцовистого стекла типа ТФ-5 (рис. 1.3а).
Способ локальной защиты осуществляется путем установки защитных экранов там, где необходимо поднять уровень ПРЗ, чаще всего на направлениях «прострела» ГИ в обитаемый объем, преимущественно в зоны расположения головы и низа живота оператора. Примером локальной защиты является кресло оператора, в спинку и сиденье которого установлены свинцовые пластины. На рис. 1.5 показан вариант локальной защиты рубки первых образцов инженерной машины разграждения (ИМР).
Применение и варианты локальной защиты подробно рассмотрены в литературе [48]. Способ индивидуальной защиты — размещение ПРМ непосредственно на теле человека (противорадиационные жилеты, фартуки, шлемы). В настоящее время применяются комплекты защитной одежды КЗО-1 (для разнорабочего, строителя) и КЗО-2 (для водителя-оператора гусеничных и колесных машин). На рис. 1.6 показан вариант комплекта защитной одежды, включающий жилет с одноразовой накидкой, которые одеваются на штатную одежду. Жилет состоит из тканевой оболочки, заполненной защитным материалом и системы индивидуальной регулировки и подгонки. Способ комбинированной защиты — применение одновременно нескольких из перечисленных выше способов. На уровень ПРЗ оператора и, следовательно, на эффективность и ряд других параметров машины большое влияние оказывают особенности конструкции и технологии изготовления защитного экрана. При выборе материала защиты необходимо учитывать два основных его показателя — коэффициент ослабления ГИ и стоимость. Оценим ряд материалов, используемых в конструкциях кабин. Сталь — дешевый, прочный материал, хорошо обрабатывается и надежно соединяется, например сваркой. Основной недостаток — относительно низкий уровень защиты от ГИ. Поэтому для достижения заданного уровня защиты необходимы большие толщины стенок и соответственно масса конструкции, чем, например, при применении в качестве ПРМ свинца. Уровень защиты от ГИ зависит в первую очередь от плотности материала. Из «тяжелых» и сравнительно дешевых материалов высокий линейный коэффициент ослабления ГИ, который зависит от противорадиационных свойств материала, имеет свинец. Свинец в качестве основного ПРМ в 1,25...1,5 раза эффективнее стали по ослаблению потока ГИ большой энергии (Е \,25 МэВ). Еще более эффективен свинец при малых энергиях потока ГИ [20, 49]. Основной недостаток чисто свинцовой защиты состоит в низкой конструктивной прочности листов и их соединений («текучести» свинца), поэтому для свинца необходима поддерживающая конструкция. Наиболее полно требования к конструкции защитных стенок-панелей можно обеспечить, используя в качество основного ПРМ — свинец, размещенный на стальной конструкции или внутри нее. Рассмотрим конструктивно-технологические особенности создания свинцового защитного экрана. Существуют три основных варианта такой защиты. Свинцовые плиты крепятся болтами на кабину, при этом в местах крепления и между плитами есть «зазоры» (отсутствует свинец), через которые возможен прямой «прострел» радиоактивных излучений. Засыпка свинцовой дробью полостей защитных стенок-панелей кабины. При этом нет прямого «прострела» радиоактивных излучений, однако между отдельными дробинами существует свободное пространство, что уменьшает плотность и соответственно уровень такой защиты по сравнению со свинцовым монолитом. Для обеспечения равного с монолитом уровня защиты от ГИ использование свинцовой дроби приводит к большему габариту и весу конструкции. Кроме того, такой способ является довольно дорогим, так как связан с изготовлением дроби. Сейчас наиболее часто используется изготовление защитного экрана путем заливки жидким свинцом полостей между стальными листами защитных стенок-панелей. При этом наиболее полно выполняется основное требование к кабине — надежная ПРЗ оператора и можно практически избежать зазоров и ослаблений в свинцовой защите. Конструкция проста и дешева в изготовлении. Однако предъявляются повышенные требования к качеству заливки (контроль толщины свинца, отсутствие раковин и полостей, не заполненных свинцом, которые являются ослаблениями ПРЗ) и к безопасности работ с расплавленным свинцом, так как пары свинца чрезвычайно вредны для здоровья. До настоящего времени кабины с защитным экраном, полученным заливкой свинца внутри стенок, разрабатываются с использованием технических решений Центрального НИИ конструкторских и монтажных технологий (г. Москва), в которых кабина представляет собой сварную конструкцию — стальной каркас из труб, «обшитый» снаружи и внутри стальными листами (толщина стенок трубы и листа выбирается из учета обеспечения необходимой прочности и жесткости кабины). Полость между листами и трубами и полости самих труб заполнены свинцом. Толщина свинца выбирается исходя из условий необходимой ПРЗ оператора. Места проходов через стенки воздуховодов, тяг и проводов дополнительно защищаются стальными коробками заполненными свинцом. Внутри кабины установлена теплоизоляция. При изготовлении кабины таким способом, уровень ПРЗ оператора снижается за счет: — «прострела» излучения через стенку трубы каркаса (так как сталь имеет более низкие показатели защиты от ГИ, чем свинец); — накопления радиоактивной пыли внутри кабины в местах крепления, вырезах и порах материала теплоизоляции, схема установки которой исключает возможность дезактивации внутреннего объема кабины без снятия и замены теплоизоляции. Существующие варианты защиты стыка стенок-панелей кабин (от «прострела» ГИ через стенку трубы каркаса) приводят к значительному усложнению и утяжелению конструкции, а также не всегда возможны по компоновочным соображениям. Один из таких вариантов, выполненных по патенту США №4514640 [61] заключается в установке локальных элементов защиты в районе соединения стенок снаружи кабины. До сих пор значительную сложность представляет дезактивация кабины изнутри и решение целого ряда вопросов технологических и техники безопасности, связанных с изготовлением свинцового защитного экрана кабины.
Основные технические параметры машин с учетом установки противорадиационной защиты
Для защиты оператора от ГИ РЗМ применяются материалы высокой плотности, а это, в свою очередь, приводит к значительным массам конструкций ПРЗ и увеличению массы машины в целом. На начальном этапе проектирования возможен расчет и проверка допустимой массы кабины по нагрузкам на шасси (разделы 2.2, 4.1). Как показывает практика и расчеты по нагрузкам на шасси, приведенные в разделе 4.1, максимальное увеличение массы бульдозера на базе гусеничного промышленного трактора, связанное с установкой защиты, как правило, не превышает 25% массы базового агрегата без ПРЗ. Для колесных грузовых машин этот параметр ниже и определяется грузоподъемностью переднего моста (раздел 2.2.1.2). Трактор, как тяговая машина, может нести различное оборудование и имеет запас по грузоподъемности ходовой части, прочности и др. На его базе могут создаваться разнообразные модификации, отличающиеся конструктивными особенностями, в том числе и массой, в зависимости от предъявляемых к ним требований. При этом для производительной работы агрегата необходим определенный уровень его основных технических параметров. Главным критерием эффективности БА является его производительность [51, 62]. Для машины, работающей на РЗМ, технические параметры, в том числе и производительность, могут оцениваться только после определения необходимого уровня защиты оператора. Следует также отметить, что экстремум производительности и расхода топлива на 1 м3 разработанного грунта достигается при одних и тех же тяговых усилиях [51]. То есть, оптимизируя параметры машины по производительности, мы одновременно оптимизируем их и по расходу топлива. Для агрегата с ПРЗ оператора все это имеет смысл только при обеспечении необходимого уровня защиты оператора (массы ПРМ).
Поэтому параметры технической характеристики машины с ПРЗ, обеспечивающие ее высокую производительность и топливную экономичность определяются с учетом роста габаритно-массовых параметров машины, связанных с использованием ПРЗ оператора. В связи с увеличением массы агрегата за счет тяжелой кабины (с использованием ПРМ) задача обеспечения высокой эффективности и производительности требует анализа необходимых показателей тяговой характеристики, удельной мощности, удельного давления агрегата на грунт, поворотливости, емкости отвала и т.д. Из теории гусеничного промышленного трактора [51, 62] известно, что для грунтов I... IV категорий прочности эффективно разрабатываемых БА достаточно иметь не более 2-х рабочих передач. Кроме того, известны оптимальные удельные тяговые усилия агрегата, обеспечивающие его максимальную производительность на грунтах различной плотности [51], которые составляют: С учетом формул (2.27) и (2.28) существует несколько возможных направлений обеспечения тяговых показателей машины с ПРЗ, из которых можно выделить два наиболее значимых: - не изменять передаточные числа трансмиссии базового трактора; - изменять передаточные числа трансмиссии, для обеспечения наилучшей эффективности (по технической производительности) БА с ПРЗ, учитывая рост массы агрегата. Первое направление незначительно снижает производительность машины с ПРЗ, по сравнению с базовой в связи с ростом R f по формуле (2.27). При этом изменение удельного тягового усилия составит: А(ркрВ=/АМПРЗ/МБіу=0,02 (при росте массы БА с ПРЗ на 25% и /= 0,08). В соответствии с известными исследованиями [51] для агрегата на базе трактора Т10, Т-170 такое изменение Арк Б относительно базового снизит производительность БА с ПРЗ на грунте II категории при работе на наиболее распространенной траншейной технологии с отсыпкой грунта в кавальер менее, чем на 1%. Второе направление для машины является наиболее эффективным, поскольку позволяет обеспечить максимальную производительность агрегата с ПРЗ с учетом увеличения его массы. Из формул (2.27) и (2.28) необходимые изменения оптимального передаточного числа трансмиссии трактора с ПРЗ, по сравнению с базовым, составит: Для БА на базе Т-170 с ПРЗ оператора с іБтт при (ркрБопт Ъ,1 производительность агрегата вырастет при AA//7W=2300 кг на 9%, при АМя„ = 5500кг на 22%. Выбор оптимальных передаточных чисел трансмиссии применительно к конкретным агрегатам на базе тракторов Т-170 и ДЭТ-250 приведен в разделе 4.5. Даже при условии оптимизации работы агрегата с ПРЗ по тяговым усилиям (передачам) для достижения максимальной производительности БА требуется соответствующее увеличение емкости отвала пропорционально увеличению веса машины (массы ПРЗ). Как показывают расчеты и зависимости [51], прирост производительности БА на базе трактора Т-170.61 с ПРЗ оператора и увеличенной емкостью отвала, по сравнению с базовым БА, может составить: - для ДЛ/яяз=2300кг - 12% (с учетом іБтт , которые дают прирост производительности 9%); - для АМПРЗ= 5500кг - 30% (с учетом іБтт , которые дают прирост производительности 22%о). Технико-экономическая оценка различных механизмов и машин рассмотрена в ряде работ [41, 55], в том числе и связанных с ПРЗ человека, обслуживающего ядерную установку [23]. Согласно этой оценке решение о целесообразности создания и внедрения новой техники принимается на основе ожидаемого экономического эффекта, определяемого чаще всего на годовой объем производства новой техники в расчетном году. Однако, несмотря на ряд рекомендаций общего характера, непосредственно применять методики, рассмотренные в этих работах для оценки влияния ПРЗ оператора на эффективность машины, работающей на РЗМ на начальном этапе проектирования, не представляется возможным. Эффективность машины на этом этапе оценивается по компоновочной схеме, используя которую можно приближенно определить параметры защиты и затраты на ее изготовление. Разработка компоновочной схемы защиты оператора в настоящее время является сложной трудоемкой задачей и проводится методом проб и ошибок, что не гарантирует оптимального результата (подробнее см. раздел 1.5). Используя формулы и выводы, полученные во 2 и 4 главах диссертации, можно значительно снизить трудоемкость и повысить качество оценки эффективности ПРЗ машины на этапе проектирования. Рассмотрим более подробно задачу оптимизации защиты оператора от ГИ РЗМ с точки зрения анализа соотношения «эффект-затраты».
Особенности расчета противорадиационной защиты кабины с разной толщиной стенок
Противорадиационная защита кабины определяется материалом и толщиной защитных стенок-панелей. В разделе 2.2 приведена методика расчета уровня защиты оператора машины стенками кабины равной толщины. Защита кабины реальной машины чаще всего выполняется дифференцированной. При постоянной массе кабины, определяемой характеристиками машины (в первую очередь грузоподъемностью ходовой части), изменение толщины и связанное с ним изменение массы одних панелей приведет к перераспределению этого изменения массы на другие панели: снижение массы одних панелей вызовет такое же увеличение массы других панелей и наоборот. Тем самым можно повышать уровень защиты (толщину стенок) с одних направлений за счет других. В зависимости от особенностей работы на радиоактивно зараженной местности, расположения кабины на шасси, назначения машины обычно применяются следующие характерные изменения по уровню (толщине) защиты отдельных проекций: а) уменьшена толщина крыши — так как вероятность нахождения источника излучения под углами к плоскости крыши, близкими к 90, практически равна нулю, а защита верхней проекции от источников, находящихся под другими углами к крыше, обеспечивается меньшей толщиной защиты, поэтому, как правило, толщина крыши на 30% мень ше толщины боковых стенок; б) уменьшена толщина панелей, у которых дополнительной защитой от излучений могут служить узлы и агрегаты шасси, например, пол защитной кабины, установленной на шасси тракторов Т-170 и ДЭТ-250; в) увеличена толщина задней стенки кабины для грузового автомо биля, так как, чаще всего, наиболее высокий уровень излучения имеет груз, размещенный за кабиной в кузове.
Рассмотрим общий случай, когда все защитные стенки-панели имеют разную толщину. Учитывая, что при одинаковых параметрах увн , Mt и Р сумма масс (толщин) стенок-панелей кабины с различной толщиной должна быть равна сумме масс (толщин) стенок-панелей кабины одной толщины, и, что кабина в форме куба имеет шесть панелей, получаем: где Ъ\ — толщина любой панели, взятая за базовую; / — условный порядковый номер панели; , — толщина / панели. Задаваясь отношением ci=b/ Ы с учетом формул (2.21) и (4.1) получаем следующие уравнения для нахождения толщины стенок кабины с разным уровнем защиты проекций: Зная толщину каждой из защитных стенок-панелей можно легко определить уровень противорадиационной защиты различных проекций кабины от источников излучения с любого направления. Внутренний объем и форма кабины для машин, работающих на РЗМ, как правило, определяется расположением и размерами рабочих мест экипажа (см. раздел 2.2.3). Главная задача компоновки кабины для таких машин — получение высокого уровня ПРЗ экипажа при выполнении эргономических и других требований, предъявляемых к размещению оператора и внутреннего оборудования кабины. Минимально допустимый внутренний объем кабины, при рациональном соотношении размеров, сокращает площадь защитных стенок-панелей и позволяет получить максимально возможный уровень защиты при заданной массе, отводимой на кабину, зависящей в первую очередь от грузоподъемности базового шасси. Наиболее плотная компоновка внутреннего пространства кабины с минимальным объемом, занимаемым каждым членом экипажа, обеспечивающим его нормальное функционирование, и зазорами между находящимися в кабине экипажем и оборудованием, достигается выполнением кабины по минимальным размерам ГОСТ 27250-87 и ГОСТ 12.2.120-88 [8, 9], которые использовались при разработке различных образцов машин, применявшихся для ликвидации последствий аварии на ЧАЭС. В методике, изложенной в разделе 2.2, при заданном внутреннем объеме и ограничениях по форме кабины, минимальная площадь защитных стенок-панелей, а, следовательно, и максимально возможный уровень защиты от радиоактивных излучений достигается у кабины в виде куба. Однако форма реальной кабины определяется не только антропометрическими параметрами человека и возможностью получения высокого уровня защиты от ГИ, но и общей компоновкой машины, поэтому не всегда возможно получить близкое к рациональному сооотношение размеров кабины. Рассмотрим более подробно влияние размещения одного и двух операторов на внутренний объем кабины и площадь поверхности защитных стенок-панелей (табл. 4.1, рис. 2.13, 4.1). Экипаж в количестве более двух человек у машин, работающих на РЗМ, практически не применяется. Площадь поверхности кабины определяется двумя факторами: внутренним пространством кабины и толщиной ПРМ. Толщина ПРМ — величина переменная — зависящая не только от компоновки внутреннего объема кабины, но и от ее массы, конструкции стенок-панелей... Так как обычно внутренние размеры кабины значительно больше толщины ПРМ и разница толщин ПРМ стенок, пола и крыши незначительна (мало влияет на форму кабины), то рациональность соотношения размеров реальной кабины можно оценивать по площади поверхности ее внутреннего объема. Результаты расчета приведены в табл. 4.1, 4.2, 4.3. Увеличенная площадь поверхности реальной кабины Sp, или отдельной ее проекции, по сравнению с соответствующей площадью кабины идеальной (теоретической) S при одинаковом внутреннем объеме и массе кабин, приведет к уменьшению толщины стенок-панелей. Эта зависимость выражается следующим соотношением: где bp,b — толщина стенок-панелей, соответственно, реальной и идеальной кабины. Определив параметры идеальной кабины (раздел 2.2) и, зная соотношение площадей поверхностей внутреннего объема (табл. 4.1, 4.2, 4.3), по формуле (4.3) довольно точно находится толщина ПРМ реальной кабины: — при одинаковой толщине стенок-панелей:
