I – защищаемый объект, II – место установки молниеотвода

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задача 1.............................................................................................. 3

2................................................................................................... Задача 2 11

3................................................................................................... Задача 3 15

4................................................................................................... Задача 4 17

Список литературы................................................................................ 21

1. Задача 1 (В4)

Определить величину тока I_h, который пройдет через тело человека, и величину напряжения прикосновения U_пр, при следующих случаях включения человека в 3-хфазную электрическую сеть.

Исходные данные: U_ф = 127 В, R_h = 1,1 кОм, R₀ = 4 Ом

Случай 1. Сеть с глухозаземленной нейтралью, двухфазное прикосновение (табл. 1.2, схема 1).

Варианты заданий - в табл. 1.1., расчетные формулы в - табл. 1.2. Сравнить полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3). Дать оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4.

Случай 2. Сеть с глухозаземленной нейтралью, однофазное прикосновение, режим работы сети – нормальный (табл. 1.2, схема 2).

Сравнить полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3). Дать оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4.

Случай 3. Сеть с глухозаземленной нейтралью, однофазное прикосновение, режим работы сети – аварийный (табл. 1.2, схема 3).

Расчет выполнить для двух вариантов:

Вариант 1. R_зм = 0, а R₀ = 4 Ом;

Вариант 2. R_зм = 100; 50; 4; 0,5, а R₀ = 4 Ом;

Случай 4. Сеть с изолированной нейтралью, однофазное прикосновение, режим работы сети – нормальный (табл. 1.2, схема 4).

Расчет выполнить для двух вариантов:

Вариант 1. Сеть воздушная, короткая:

С_А = С_В = С_С = 0 и R_А = R_В = R_С = R_ИЗ

Сопротивление изоляции: R_ИЗ = 3; 5; 10; 20; 40; 60 кОм

Построить график зависимости I_h = f(R_из)

Вариант 2. Сеть кабельная длинная:

С_А = С_В = С_С = С_ИЗ и R_А = R_В = R_С = ¥

Емкости присваиваются значения: С_ИЗ = 0,03; 0,05; 0,1; 0,3; 0,6; 1,2 мкФ

Построить график зависимости I_h = f(С_из)

В обоих вариантах сравнить полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3). Дать оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4.

Случай 5. Сеть с изолированной нейтралью, однофазное прикосновение, режим работы сети – аварийный (табл. 1.2, схема 5).

Сопротивление замыкания провода на землю, последовательно принимает значения: R_ИЗ = 100; 50; 4; 0,5; 0 Ом.

Построить график зависимости I_h = f(R_зм)

РЕШЕНИЕ:

Случай 1. Сеть с глухозаземленной нейтралью, двухфазное прикосновение

Определяем величину тока I_h, который пройдет через тело человека, и величину напряжения прикосновения U_пр:

Сравним полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3):

U_пр.доп = 2 (В) < U_пр = 219 (В)

I_h_.доп = 0,3 (мА) < I_h = 199 (мА)

Дадим оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4: дыхание прекращается при действии тока более 2 с, ток и напряжение не совместимы с жизнью.

Определяем величину тока I_h, который пройдет через тело человека, и величину напряжения прикосновения U_пр:

Сравним полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3):

U_пр.доп = 2 (В) < U_пр = 126,5 (В)

I_h_.доп = 0,3 (мА) < I_h = 115 (мА)

Расчет выполняем для двух вариантов:

Вариант 1. R_зм = 0, а R₀ = 4 Ом, тогда:

Сравним полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3):

U_пр.доп = 60 (В) < U_пр = 220 (В)

I_h_.доп = 50 (мА) < I_h = 200 (мА)

Вариант 2. R_зм = 100; 50; 4; 0,5, а R₀ = 4 Ом, тогда:

Во всех случаях ток не совместим с жизнью человека.

Построим график зависимости I_h = f(R_зм):

Рис. 1. График зависимости I_h = f(R_зм)

Как видно из графика аварийное однофазное прикосновение в сети с глухозаземленной нейтралью смертельно в любом случае (I_h > 100 А).

Расчет выполнить для двух вариантов:

Вариант 1. Сеть воздушная, короткая:

С_А = С_В = С_С = 0 и R_А = R_В = R_С = R_ИЗ

Сопротивление изоляции: R_ИЗ = 3; 5; 10; 20; 40; 60 кОм

тогда для R_из = 3 Ом:

I_h = U_ф / (R_h+R_из/3) = 127 / (1100 + 3000/3) = 0,0605 A = 60,5 мА

U_пр = I_hR_h = 0,0605 ∙ 1100 = 66,52 В

Аналогично для

R_из = 5 Ом: I_h = 0,0459 A = 45,9 мА, U_пр = 50,49 В

R_из = 10 Ом: I_h = 0,0286 A = 28,6 мА, U_пр = 31,51 В

R_из = 20 Ом: I_h = 0,0164 A = 16,4 мА, U_пр = 17,99 В

R_из = 40 Ом: I_h = 0,0088 A = 8,8 мА, U_пр = 9,68 В

R_из = 60 Ом: I_h = 0,0060 A = 6,0 мА, U_пр = 6,62 В

Построим график зависимости I_h = f(R_из):

Рис. 2. График зависимости I_h = f(R_из)

График показывает, что с увеличением сопротивления изоляции сила тока, проходящая через тело человека, сокращается.

Сравним полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3):

R_из = 5 Ом:

U_пр.доп = 2 (В) < U_пр = 50,49 (В)

I_h_.доп = 0,3 (мА) < I_h = 45,9 (мА)

Дадим оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4: человек испытывает затруднение дыхания, не может оторвать рук от электродов, не может самостоятельно разорвать цепь поражающего его тока. Такой ток называют пороговым неотпускающим.

R_из = 60 Ом:

U_пр.доп = 2 (В) < U_пр = 6,62 (В)

I_h_.доп = 0,3 (мА) < I_h = 6 (мА)

Дадим оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4: руки трудно, но можно оторвать от электродов, сильные боли в пальцах, кистях рук.

Вариант 2. Сеть кабельная длинная:

С_А = С_В = С_С = С_ИЗ и R_А = R_В = R_С = ¥

Емкости присваиваются значения: С_ИЗ = 0,03; 0,05; 0,1; 0,3; 0,6; 1,2 мкФ

тогда для С_из = 0,03 мкФ:

аналогично для

С_из = 0,05 мкФ: I_h = 0,006 (А) = 6 (мА); U_пр = 6,57 (В)

С_из = 0,1 мкФ: I_h = 0,0119 (А) = 11,9 (мА); U_пр = 13,09 (В)

С_из = 0,3 мкФ: I_h = 0,0343 (А) = 34,3 (мА); U_пр = 37,7 (В)

С_из = 0,6 мкФ: I_h = 0,061 (А) = 61 (мА); U_пр = 67,06 (В)

С_из = 1,2 мкФ: I_h = 0,09 (А) = 90 (мА); U_пр = 98,97 (В)

Построим график зависимости I_h = f(С_из):

Рис. 3. График зависимости I_h = f(С_из)

График показывает, что с увеличением С_из сила тока, проходящая через тело человека, растет.

Сравним полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3):

С_из = 0,05 мкФ:

U_пр.доп = 2 (В) < U_пр = 6,57 (В)

I_h_.доп = 0,3 (мА) < I_h = 6,0 (мА)

С_из = 1,2 мкФ:

U_пр.доп = 2 (В) < U_пр = 98,97 (В)

I_h_.доп = 0,3 (мА) < I_h = 90,0 (мА)

Дадим оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4: можно считать, что в данном случае дыхание прекращается при действии тока более 2 с, ток и напряжение не совместимы с жизнью.

Сопротивление замыкания провода на землю, последовательно принимает значения: R_зм = 100; 50; 4; 0,5; 0 Ом, тогда для R_зм = 100 Ом:

аналогично для

R_зм = 50 Ом:

R_зм = 4 Ом:

R_зм = 0,5 Ом:

R_зм = 0 Ом:

Сравним полученные значения I_h и U_пр с допустимыми (табл. 1.3):

R_зм = 50 Ом:

U_пр.доп = 60 (В) < U_пр = 210,4 (В)

I_h_.доп = 50 (мА) < I_h = 191,3 (мА)

Дадим оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4: в данном случае дыхание прекращается при действии тока более 2 с, ток и напряжение не совместимы с жизнью.

R_зм = 0 Ом:

U_пр.доп = 60 (В) < U_пр = 220 (В)

I_h_.доп = 50 (мА) < I_h = 200 (мА)

Дадим оценку характера воздействия тока, пользуясь табл. 1.4: ток и напряжение не совместимы с жизнью.

Построим график зависимости I_h = f(R_зм)

Рис. 4. График зависимости I_h = f(R_зм)

2. Задача 2 (В4)

Рассчитать виброизоляцию электродвигателя массой Q, кг, с частотой вращения n, об/мин, для двух случаев:

1) фундамент изолирован от элекгродвигателя 4-мя резиновыми виброизоляторами, изготовленными из резины марки М:

2) фундамент изолирован от электродвигателя 4-мя металлическими пружинами.

Виброизоляторы расположены по углам опорной рамы, на которой установлен электродвигатель.

Сравнить эффективность рассчитанных виброизоляторов.

Исходные данные:

– масса электродвигателя – Q = 360 кг;

– число оборотов вала ЭД – n = 1300 об/мин;

РЕШЕНИЕ:

I. Резиновые виброизоляторы:

1). Находим площадь поверхности всех амортизаторов S, см²:

S = Q / σ = 360 / 3 = 120 см²

где Q – масса электродвигателя, кг;

σ – расчетное напряжение в резине, 2-4 кг/см²;

2). Площадь поверхности оного виброизолятора, S_в, см²:

S_в = S / n_в = 120 / 4 = 40 см²

где n_в – число виброизоляторов;

Принимаем сечение виброизолятора – квадрат со стороной:

3). Находим частоту вынужденных колебаний, создаваемых электродвигателем f, Гц:

f = n / 60 = 1300 / 60 = 21,7 (Гц)

где n – число оборотов вала ЭД, об/мин;

4). Определяем частоту собственных колебаний электродвигателя f₀, Гц:

f₀ £ f / 3 = 21,7 / 3 = 7,23 принимаем 7 (Гц)

5). Находим суммарную жесткость виброизоляторов, k_c, кг/см:

k_с = 4p²f₀²Q/g = 4 ∙ 3,14²∙ 7² ∙ 360 / 981 = 709,16 кг/см

где g = 981 см/с²

6). Расчетная высота виброизоляторов (высота деформируемой части) Н_р, см, составит:

Н_р = E_dS / k_c = 38 ∙ 120 / 709,16 = 6,43 (см)

где E_d– динамический модуль упругости резины, принимаем 38 кг/см², резина марки 2566;

7). Находим полную высоту виброизоляторов, Н, см:

Н = Н_р + d/8 = 6,43 + 6,5/8 = 7,25 (см)

Резиновые виброизоляторы сохраняют устойчивость от опрокидывания при эксплуатации при условии 1,5Н_р £ d £ 8Н_р:

1,5 ∙ 6,43 = 9,65 > 6,5 < 8 ∙ 6,43 = 51,44 – условие не выполняется

Меняем резину на 9831 с динамическим модулем упругости равным 16,6 кг/см². Тогда:

Н_р = E_dS / k_c = 16,6 ∙ 120 / 709,16 = 2,8 (см)

Н = Н_р + d/8 = 2,8 + 6,5/8 = 3,6 (см)

1,5 ∙ 2,8 = 4,2 < 6,5 < 8 ∙ 2,8 = 22,4 – условие выполняется

8). Определяем фактическую жесткость принятых резиновых виброизоляторов k, кг/см:

k = E_δS / H = 16,6 ∙ 120 / 3,6 = 554 кг/см

9). Определяем фактическую частоту собственных колебаний электродвигателя f₀, Гц:

10). Определяем коэффициент передачи резиновых виброизоляторов по формуле:

m_р = 1 / ((f/f₀)² – 1) = 1 / ((21,7/6,19)² – 1) = 1/11

Виброизолирующая способность резиновых амортизаторов с m = 1/5-1/20 считается хорошей, т.е. виброизоляторы поглощают энергию вибрации в пределах 80-95%.

II. Пружинные виброизоляторы:

1). Зададимся статической осадкой пружинных виброизоляторов под действием веса электродвигателя l_ст= 0,5-0,8 см;

2). Зная l_ст находим требуемую суммарную жесткость пружинных виброизоляторов k_c, кг/см:

k_c = Q / l_ст = 360/0,7 = 515 кг/см

3). Определяем жесткость одной пружины k_п, кг/см, при заданном числе пружин n_п = 4: k_п = k_c / 4 = 129 кг/см

4). Находим расчетную нагрузку на одну пружину, Р, кг:

Р = Q / n_п = 360/4 = 90 кг

5). Определяем диаметр проволоки для изготовления пружины d, см:

где N – коэффициент, учитывающий кривизну пружины, он зависит от индекса пружины С = D/d, принимаем С = 7, кривизна N = 1,2;

[τ] – допускаемое напряжение на срез = 3-4,5∙10³ кг/см²

6). Диаметр пружины:

D = C ∙ d = 7 ∙ 0,57 = 4 (см)

7). Число рабочих витков пружины:

i₁ = σ∙d / 8∙k_п∙C³ = 8∙10⁵∙0,57 / 8∙129∙7³ = 1,3

где σ – модуль упругости на сдвиг (σ = 8∙10⁵ кг/см²)

8). Число нерабочих витков при i₁ < 7 принимают i₂ = 1,5:

i = i₁ + i₂ = 1,3 + 1,5 = 2,8 шт.

9). Определяем высоту ненагруженной пружины, Н₀, см:

Н₀ = i₁h₁ + (i₂ + 0,5)d = i₁∙0,5D + (i₂ + 0,5)d =

= 1,3∙0,5∙4 + (1,5 + 0,5)∙0,57 = 3,74 (см)

10). Для обеспечения устойчивости пружины на сжатие необходимо, чтобы выполнялось условие H₀/D £ 1,5. Проверяем 3,74/4 = 0,935<1,5 – условие выполняется.

11). Определяем частоту собственных колебаний пружин:

12). Определяем коэффициент передачи пружинных виброизоляторов:

m_р = 1 / ((f/f₀)² – 1) = 1 / ((21,7/5,77)² – 1) = 1/13

В нашем случае пружинные виброизоляторы поглощают 92,3% энергии вибрации, что выше, чем в случае с резиновыми виброизоляторами.

3. Задача 3 (В4)

Рассчитать зону защиты отдельно стоящего стержневого молниеотвода для защиты здания от прямых ударов молнии.

Исходные данные: наружные размеры здания: ширина S = 9 м, длина L = 16 м, высота h_х = 5 м, расстояние между зданием и молниеотводом l = 3,5, категория производства по степени пожарной опасности, класс опасных зон по пожаро- и взрывоопасности – П-I, интенсивность грозовой деятельности 55 ч/год.

РЕШЕНИЕ:

1). Определяем ожидаемое количество ударов молний в год здания, не оборудованного молниезащитой, по формуле:

N = (S + 6h_x)(L + 6h_x) ∙ n ∙ 10^-6 =

= (9 + 6∙5)(16 + 6∙5) ∙ 6 ∙ 10^-6 = 510 ∙ 10^-6

где S, L – соответственно ширина и длина здания, имеющего в плане прямоугольную форму, м.

h_x – высота здания по его боковым сторонам, м;

n – среднегодовое число ударов молний на 1 км² земной поверхности в районе расположения здания, выбираемое в зависимости от интенсивности грозовой деятельности, при 55 ч/год – n = 6;

2). По приложению 1 по N и исходным данным табл.3.1 определяем тип зоны защиты здания (А или Б) и категорию молниезащиты (I, II или III):

Зона Б, категория молниезащиты III

3). Записываем геометрические размеры выбранной зоны защиты:

h₀ = 0,92h

r₀ = 1,5h

r_x = 1,5(h – h_x/0,92) или

где h₀ – высота конуса зоны защиты, м;

h – высота стержневого молниеотвода, м;

r₀ – радиус зоны защиты на уровне земли, м;

r_x – радиус зоны защиты на высоте защищаемого объекта, м;

h_x – высота защищаемого объекта, м.

Тогда:

h = (r_x + 1,63h_x) / 1,5 = (13,3 + 1,63 ∙ 5) / 1,5 = 14,3 (м)

h₀ = 0,92 ∙ h = 0,92 ∙ 14,3 = 13,2 (м)

r₀ = 1,5 ∙ h = 1,5 ∙ 14,3 = 21,5 (м)

4). Строим на схеме зону защиты (вид сбоку) и проверяем вписываемость здания в зону защиты по высоте:

Рис. 5. Схема зоны защиты

I – защищаемый объект, II – место установки молниеотвода

4. Задача 4 (В4)

Рассчитать освещение горизонтальной рабочей поверхности производственного помещения методом коэффициента использования светового потока.

Исходные данные:

a,м	b,м	h,м	h_р.п.,м	Е_н, лк	Тип светильника	r_п,%	r_с,%	r_рп,%	k
		3,8	0,6		ЛДОР				1,7

РЕШЕНИЕ:

1). Для заданного светильника по типу кривой силы света (КСС) определим l. Светильник ЛДОР имеет в поперечный плоскости кривую светораспределения типа Д, т.е. косинусное распределение. В этом случае l = 1,4.

Дополнительные данные для ЛДОР: число ламп в светильнике – 2, мощность лампы 40/80 Вт, длина светильника 1,24/1,54 м, высота свеса h_с = 0,4 м, косинусная (Д).

2). Определить расчетную высоту подвеса светильника h_р, м:

h_р = h – h_c – h_р.п. = 4,2 – 0,4 – 0,6 = 3,2 (м)

где h – высота помещения, м;

h_с – высота свеса, м;

h_рп – высота рабочей поверхности, м;

3). Определим расстояние между рядами светильников L, м:

L = h_p ∙ l = 3,2 ∙ 1,4 = 4,5 (м)

4). Определим число рядов светильников m:

m = b / L = 20/4,5 = 4,44 принимаем 5 рядов

5). Определим расстояние от крайнего ряда светильников до стены l, м:

l = (b – L(m-1))/2 = (20 – 4,5 ∙ (5 – 1))/2 = 1 (м)

6). Определим индекс помещения, i:

i = ab/h_p(a+b) = 40∙20 / 3,2∙(40+20) = 4,16

7). По таблице 4.3 интерполированием находим коэффициент использования светового потока h,% в зависимости от i: h = 61%

8). Определим потребный световой поток ламп в каждом из рядов светильников, F₁, лм:

где Е_н – нормируемая минимальная освещенность, принимаемая по СНиП 23-05-95, лк;

А – площадь освещаемого помещения (а ∙ b), м²;

Z – коэффициент минимальной освещенности (Z = 1,1-1,15).

k – коэффициент запаса, зависящий от вида технологического процесса и типа принимаемых источников света, обычно k = 1,3-1,8.

9). По табл. 4.4 в зависимости от мощности лампы в светильнике определим световой поток выбранной лампы F₁ и рассчитаем количество светильников в ряду N₁ (светильники типа ЛДОР выпускаются с двумя лампами 40 и 80 Вт (табл. 4.2):

а) Если взять светильники с двумя лампами по 40 Вт и потоком F_л= 3000 лм каждая, то необходимое число светильников в ряду составит:

N₁ = F₁/F_л∙n = 73573/3000∙2 = 12,26 принимаем 12

б) Если взять светильники с двумя лампами по 80 Вт и потоком F_л = 5220 лм каждая, то необходимое число светильников в ряду составит:

N₂ = F₁/F_л∙n = 73573/5220∙2 = 7

10). Распределяем светильники в ряду, зная их количество N₁, длину светильника l ₁ и длину помещения а (для ламп различной мощности).

а) Для ламп мощностью P₁ = 40 Вт и длине светильника l₁ = 1,24 м (табл.4.2) общая длина светильников составит:

L₁ = l₁N₁ = 1,24 ∙ 12 = 14,88 м» 15 м.

При длине помещения а = 40 м примем расстояние между светильниками 2,2 м и от крайних светильников до стен – 1 м, тогда:

15 + 2,09 ∙ 11 + 1∙2 = 40 м.

б) Для ламп мощностью Р₁ = 80 Вт и длине светильника l₂ = 1,54 м общая длина светильников составит:

L₂ = 7∙1,54 = 11 м.

L₂ = 11 + 4,53 ∙ 6 + 1∙2 = 40 м.

11). Определяем суммарную мощность ламп осветительной установки Р, Вт:

а). для ламп мощностью Р₁ = 40 Вт:

Р = m ∙ N₁ ∙ n ∙ P₁ = 5 ∙ 12 ∙ 2 ∙ 40 = 4800 Вт

б). для ламп мощностью Р₁ = 80 Вт:

Р = m ∙ N₂ ∙ n ∙ P₂ = 5 ∙ 7 ∙ 2 ∙ 80 = 5600 Вт

12). Установка с лампами по 40 Вт предпочтительнее из-за меньшей электрической мощности Р₁< Р₂ и более равномерного распределения светового потока по освещаемой поверхности.

13). Составим схему размещения светильников в помещении согласно выбранному варианту:

Рис. 6. Схема размещения светильников в помещении

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов – 3-е изд. испр. и доп., Белова С.В., Издательство: «Высшая Школа», 2001. – 484 с.

2. Виноградов Б.В. Безопасность труда и производственная санитария в машиностроении. Сб. расчетов. – М.: Машиностроение, 1963. – 246 с.

3. Щербакова, Е.В. Безопасность жизнедеятельности. Примеры и задачи: учебное пособие / Е.В. Щербакова. – Орел: ОрелГТУ, 2006. – 206 с.

4. Безопасность жизнедеятельности в примерах и задачах: Учеб.пособие: Ч.4. Голотин Г.И.. – Челябинск: Изд-во ЧГТУ. – 1997. – 45 с.