Распространение зимних наводнений на реках
северо-Кавказского региона (реки бассейна реки Кубань)1
Л. С. Банщикова
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный гидрологический институт», г. Санкт-Петербург, Россия, gu_ggi@mail.ru
В последние годы наблюдается увеличение числа природных чрезвычайных ситуаций гидрологического генезиса на реках России, в том числе и на реках бассейна реки Кубань. Поскольку Северо-Кавказский регион активно осваивается, то системный подход к рациональному использованию водных ресурсов, оценка риска и потенциального ущерба при освоении прибрежных речных территорий является единственно возможным путем решения этой проблемы.
Река Кубань – это сложный водный объект, протекающий в горной, предгорной и равнинной областях, что существенно отражается на водном режиме объекта. Так особенностью зимнего режима, вследствие частой смены погодных условий, являются повторные замерзания и вскрытия, сопровождающиеся заторно-зажорными явлениями, вызывающими существенный подъем уровня воды, а соответственно затопление прибрежных территорий [1].
Наводнения, вызвавшие наибольший подъем уровней воды отмечались при зажорах по основному руслу Кубани, реках Афипс, Пшиш, Шебш, Белая, Фарс; максимальные уровни достигали 256-636 см и наибольшими были на реках Афипс (ст-ца Смоленская — 606 см) и Пшиш (п. Габукай — 636 см). Наиболее значительные заторные наводнения отмечались на р. Кубань — в 1927 г. и 2002 г., р. Пшиш - 1937 г., р.Афипс — 1945 г., р.Шебш — 1956 г., р. Белая — 1937 г. [23].
Наблюденные подъемы уровней воды вызвали затопление значительных по площади прибрежных территорий, на фоне этого существенно возрос риск использования прибрежных территорий. Характеристикой риска от заторно-заженых наводнений является вероятность наступления события, причиняющего ущерб.
Целесообразность эксплуатации и освоения той или иной прибрежной территории, с точки зрения возможного риска, оценивается величиной потерь. Определяющим гидрологическим фактором величины потерь при затоплении территории является глубина и продолжительность затопления территории.
По гидрологическим условиям в русле с учетом особенностей прилегающей территории для оценки зон затопления, используются значения величины превышения наивысшего заторного (зажорного) уровня 1% - ной обеспеченности над отметкой бровки поймы. Эта величина определяется как разница между отметкой возможного уровня воды 1%-ой обеспеченности и отметкой бровки поймы:
h1%зп=H1%з-Hп, (1.1)
где H1%з - наивысший заторный уровень (м) 1%-ной вероятности превышения;
Hп - отметка уровня бровки поймы , м.
Ежегодная вероятность превышения максимальных зажорных (заторных) уровней определяется по формуле
 , (1.2)
где m - порядковый номер членов ряда уровней, расположенных в убывающем порядке,
n - общее число членов ряда.
Эмпирическая вероятность превышения последнего члена ряда максимальных уровней воды ΔHз определяется по формуле (1.3)
ΔHз = hQз [( α1,5 + 1 )0,4 - 1 ] + 0,9 tл , (1.3)
В формуле (1.3) hQз - глубина реки при отсутствии ледовых явлений, соответствующая уровню НQз, tл - толщина льдин. Коэффициент α вычисляется при nл = 0,015 весной (осенью) Для экстраполяции кривых распределения вероятностей превышения максимальных уровней воды, обусловленных заторами (зажорами), используются аналитические функции распределения вероятностей. Параметры кривой распределения определяются графоаналитическим способом по трем опорным точкам Нз,р1, Нз,р2 и Нз,р3, соответствующим с учетом усеченности кривой Нз= f (р) значениям вероятностей , р2 = 0,5(р1+р3) и р3 равное повторяемости заторов(зажоров). Для экстраполяции максимальных заторных (зажорных) уровней воды до отметок заданной вероятности превышения часто заторный (зажорный) уровень представляют в виде суммы уровня НQв, соответствующего в условиях свободного ото льда русла расходу воды в момент вскрытия (замерзания) реки, и превышения над ним δНз. Такой подход позволяет учитывать дополнительную информацию о случаях вскрытия (замерзания). Интегральная кривая распределения вероятностей превышения заторных (зажорных) уровней совпадает при этом в нижней своей части с кривой обеспеченности уровней вскрытия (замерзания). Точка соединения кривых соответствует повторяемости заторов (зажоров). По данным многолетних наблюдений за уровнем воды,ледовыми явлениями, повторяемости заторно-зажорных явлений, сроков замерзания и вскрытия и другими ледовыми явлениями на реках бассейна р. Кубань были рассчитаны значения h1%зп и создан «Каталог уровненных характеристик затопления пойм рек бассейна р. Кубань при заторно-зажорных явлениях», в котором приведены данные о значениях h1%зп по 66 постам.
По данным этого каталога построена карта-схема распространения превышения заторного уровня 1%-ной обеспеченности над поймой на изученных участках реках бассейна реки Кубань (рисунок 1).
Рис. 1. Превышения наивысшего заторно-зажорного уровня воды 1% обеспеченности над поймой ( м) на реках бассейна р. Кубань.
Как видно из карты, наиболее часто заторно-зажорные наводнения наблюдаются в среднем и нижнем течениях р. Кубань и её крупных притоках, в горных и предгорных районах заторные подъемы не так велики. Глубина затопления пойм для различных рек изменяется в диапазоне от 0,01 м (р. Большой Зеленчук - аул Даусуз) до 8,06 м (р. Афипс - ст-ца Смоленская). На рисунке 1 так же приведена диаграмма распределения превышения наивысшего заторного уровня 1%-ной обеспеченности над поймой заторно-зажорных участков на реках бассейна р. Кубань. Анализ диаграммы позволяет отметить, что в 14% случаев затопление не происходит, в основном это участки рек в горных и предгорных областях. Превышение 1% уровня над отметкой поймы при заторно-зажорных наводнениях составляет не более 1 м на 14% постов, подъем уровня воды до 3-4 м – 26% от общего числа. Эти подъемы характерны на участках рек в среднем течении р. Кубань и её притоках – р. Белая, р. Пшиш, где пойменные участки являются единственно доступными для сельского хозяйства и животноводства. Катастрофические подъемы уровней воды (более 5 м) характерны для устьевых участков и притоков ах в нижнем течении Кубани и на самой р. Кубань. Данные участки характеризуются широкой поймой до нескольких километров. Использование пойменных участков весьма разнообразно, но в основном это земли для сельскохозяйственных нужд.
Своевременность оценки опасности образования затора (зажора) и развития обусловленного им наводнения важна для принятия решения о выборе вариантов воздействия на процесс в критических, быстро развивающихся ситуациях. Поэтому выполненные расчеты и оценка величины превышения наивысшего заторно-зажорного уровня воды 1%-ой обеспеченности над уровнем выхода воды на пойму позволяет оценить наиболее рациональное использование пойменных территорий, а так же оценить потенциальный риск и ущерб.
Литература
Донченко Р. В. Ледовый режим рек СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 248 с.
Лурье П. М., Панов В. Д., Ткаченко Ю. Ю. Река Кубань: гидрография и режим стока. –С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2005. – 498 с.
Секция 6. Технические науки
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАНОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
ДЛЯ СИНТЕЗА НЕПРЕРЫВНО-СТУПЕНЧАТЫХ
ГИДРООБЪЕМНО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ
Е. И. Вансович
Южно-Уральский Государственный Университет, г. Челябинск, Россия
egor.omega@gmail.com
В трансмиссиях гусеничных и колесных машин все большее применение находят бесступенчатые передачи. Одним из наиболее перспективных видов передач с возможностью бесступенчатого изменения передаточного числа относятся двух- и трехпоточные непрерывно-ступенчатые передачи включающие в свой состав несколько планетарных механизмов (ПМ), согласующие передачи и бесступенчатый трансформатор крутящего момента.
На сегодняшний день существует несколько методов синтеза непрерывно-ступенчатых передач [1, 2], однако ни один из них не дает возможность рассмотреть всех возможных вариантов схем, что затрудняет выбор подходящего механизма.
Автором предложена методика синтеза непрерывно-ступенчатых гидрообъемно-механических передач (НСГОМП), основанная на использовании планов угловых скоростей (ПУС) для синтеза схемы дифференциального (планетарного) механизма и определения необходимых передаточных чисел согласующих редукторов.
НСГОМП с изменяемыми параметрами согласующих передач имеют базовый механизм с четырьмя или более основными звеньями (в зависимости от количества передач), которые соединяются с внешними звеньями: входным звеномд, выходным –х и валом гидромотора –Г. Свободные звенья базового механизма в определенной последовательности подключаются к внешним валам, что при правильном выборе схемы и передаточных чисел согласующих передач позволяет многократно повторять заданный режим работы.
Рассмотрим построение ПУС двухступенчатой ГОМП с двумя входными валамид1 и д2. На любом ПУС однозначно задана только прямая угловой скорости вала х – она проходит через начало координат и точку с координатами (1; 1). Для построения ПУС необходимо выбрать масштаб. Пусть точка переключения передачиωх1=1 при ωГmax=2,0, тогда максимальная относительная скорость выходного вала ωх2=2,0; нулевые режимы ωх02(1)=0,5; ωх02(2)=1,5.
Рассмотрим ПУС на рис. 1 а – из него видно, что прямая звена х пересекается с прямыми звена Г в двух точках А и Б. При использовании двух входных звеньев д1 и д2 существует только один вариант их расположения на ПУС, представленный на рис. 1 а – звено д1 проходит через точку А, а звено д2 – через точку Б. При работе на первом диапазоне входной вал подключен к звену д1 (рабочий отрезок звена прямой д1 выделен основной линией, остальная часть прямой показана тонкой линией), что, при изменении скорости звена Г от -2 до +2 обеспечивает плавное увеличение скорости выходного вала х от 0 до +1, после достижения валом х угловой скорости +1, происходит переключение входного вала на звено д2 и при изменении скорости звена Г от +2 до -2 скорость вала х увеличивается от +1 до +2, достигая своего максимального значения при ωГ = - 2. Из ПУС на рис. 1 а видно, что подключение входного звена д к звеньям д1 и д2 должно происходить через согласующие передачи с разными передаточными числами, так как звенья д1 и д2имеют отличные друг от друга угловые скорости.
Так как звенья д1, д2, Г и х входят в состав планетарного механизма (состоящего из двух элементарных планетарных механизмов – ЭПМ) с двумя степенями свободы и ни одно из них не остановлено постоянно, то этот ПМ обладает свойством блокировки, когда все его звенья приобретают равную угловую скорость. На ПУС этот режим будет отображаться точкой, в которой пересекаются все четыре звена, причем на ПУС уже имеются две точки, в которых пересекаются по три звена, следовательно, в каждой из этих точек и будут пересекаться все четыре звена. Для точки А нам необходимо достроить прямую звена д2, так как прямые остальных звеньев заданы исходя из обеспечения кинематики механизма; для точки Б нам необходимо достроить прямую звена д1. Скорости звеньев Г и х в момент переключения передачи синхронизированы, поэтомубудут синхронизированы и скорости остальных звеньев – д1 и д2, то есть в конце первого диапазона регулирования и в начале второго диапазон скорость звена д1 одинакова и равна скорости звена д1 на первом диапазоне. Таким образом, нам известно две точки, через которые будет проходить прямая звена д1 на втором диапазоне регулирования: одна из них является точкой Б, вторая – точка на прямой д1 в первом диапазоне, соответствующая моменту переключения передачи. Прямая угловой скорости звена д1 на второй передаче, проходящая через эти две точки показана на рис. 1 б и обозначена д1 (2). Таким же образом строится прямая д2 (1).
В результате построения получен план угловых скоростей ПМ (см. рис. 1 б), включающего в свой состав четыре основных звена. На этом ПУС наглядно видно как изменяются скорости всех звеньев в зависимости от режима работы НСГОМП.
а б
Рис. 1 – Построение ПУС для НСГОМП с двумя входными валами
Для построения определенной схемы НСГОМП нам необходимо знать значения ВПЧ состав двух ЭПМ, входящих в нее. Любые три луча на ПУС образуют ЭПМ с тремя основными звеньями, поэтому возможное число сочетаний из четырех имеющихся звеньев можно определить по формуле (1):
 (1)
Из каждой тройки лучей можно получить 10 видов ЭПМ [3].
Благодаря своим массогабаритным показателям, достаточно высокому КПД и относительной простоте производства в машиностроении нашли наиболее широкое применение ЭПМ с одновенцовыми сателлитами, солнцем и эпициклом, поэтому ограничимся рассмотрением только этих механизмов.
ЭПМ с одновенцовыми сателлитами, солнцем и эпициклом имеют отрицательное ВПЧ, рациональные значения которого лежат в пределах ; это позволит отбраковать механизмы, заведомо непригодные для использования. Также можно произвести отбраковку по максимальным относительным угловым скоростям сателлитов. Обычно принимают, что максимальные относительные скорости сателлитов не должны превышать |ωст|<2,5ωд, однако, в рассматриваемом случае задано два различных ωд, поэтому оценивать угловую скорость сателлитов будем относительно ωхmax (|ωст|≤2,5ωхmax).
Обычно скорости сателлитов рассчитываются при известных числах зубьев центральных зубчатых колес и сателлитов, однако для ЭПМ с одновенцовым сателлитом возможно производить расчет, пользуясь кинематической характеристикой ЭПМ, по формуле (2) [3]:
 , (2)
где k – кинематическая характеристика ЭПМ (k=|iсэ|), ωс – угловая скорость солнечного колеса, ωв – угловая скорость водила.
Угловые скорости солнечного колеса ωси водилаωвлегко найти из ПУС, зная структуру ЭПМ.
Для сравнения ЭПМ, полученных из ПУС, составим таблицу 1.
Таблица 1
Параметры элементарных планетарных механизмов
№
|
Сочетания
|
Символическое обозначение (с-в-э)
|
ВПЧ
|
|ωст1|≤(2,5·ωхmax=5)
|
|ωст2|≤(2,5·ωхmax=5)
|
1
|
Г х д1
|
Г х д1
|
-3,0
|
2
|
4
|
2
|
Г х д2
|
Г д2 х
|
-4,0
|
1,06(6)
|
2,13(3)
|
3
|
Г д1 д2
|
Г д2 д1
|
-1,50
|
9,6
|
12,8
|
4
|
х д1 д2
|
д1 х д2
|
-1,6(6)
|
2
|
4
|
Из таблицы 1 видно, что для построения схемы подходят три ЭПМ: №1, №2, №4. Механизм №3 отбракован, т.к. его сателлиты имеют слишком большую относительную угловую скорость.
Для построения схемы из трех ЭПМ необходимо использовать только два, поэтому количество вариантов схем  , т.е. возможно построение трех схем:
1) Г х д1; Г д2 х (рис. 2 а);
2) Г х д1;д1 х д2 (рис. 2 б);
3)Г д2 х;д1 х д2(рис. 2 в).
а б в
Рис. 2 – Возможные варианты схем
Необходимо отметить, что отбраковка механизма №3 с высокой относительной угловой скоростью сателлитов может значительно повысить долговечность подшипниковых опор сателлитов, так как «подшипниковая опора сателлита на водиле является, как правило, узлом с самой высокой скоростной и достаточно большой радиальной силовой нагрузкой в подавляющем большинстве известных ПКП. Кроме того, обычно достаточно сложно обеспечить надежную принудительную смазку указанного узла». [3, стр. 22]
Так, в схеме на рис. 3, которая защищена патентом [4], наряду с механизмом Г х д1 используется механизм Г д2 д1, который имеет высокие относительные угловые скорости сателлитов. Следовательно, при прочих равных условиях долговечность подшипниковой опоры сателлита ЭПМ Г д2 д1 в схеме на рис. 3 будет значительно ниже, чем в любой из синтезированных нами схем, приведенных на рис.2. Возможно, выбор схемы в патенте [4] обусловлен более простой конструкцией, однако вышеприведенный анализ показывает, что эта схема не является наилучшей.
Рис. 3 – Кинематическая схема НСГОМП по патенту JP60227045A1
Очевидно, что любая из рассмотренных схем полностью обеспечивает кинематическое задание и полную синхронизацию скоростей всех звеньев в момент переключения передач. Однако силовая и мощностная нагруженность звеньев ЭПМ может отличаться в зависимости от выбранной схемы, например, может присутствовать циркуляция мощности в механической части, поэтому был проведен полный анализ каждой схемы полученных схем.
Очевидно, что схема Г х д1; Г д2 хне имеет контуров циркуляции мощности в базовом механизме, так как в ней на каждой передаче работает только один ЭПМ. Схема Г х д1;д1 х д2 имеет контур циркуляции мощности на второй передаче, причем величина циркулирующей мощности может составлять до 125% от максимальной передаваемой мощности. Схема Г д2 х;д1 х д2имеет контур циркуляции мощности на первой передаче, причем величина циркулирующей мощности может составлять до 75% от максимальной передаваемой мощности. В схеме на рис. 3 также наблюдается циркуляция мощности на второй передаче, при ωГ<0, а величина циркулирующей мощности не превышает 25% от максимальной передаваемой мощности.
Из четырех рассмотренных схем только в схеме Г х д1; Г д2 х(рис. 2 а)нет циркулирующей мощности и обеспечиваются приемлемые угловые скорости сателлитов и остальных звеньев. Также эта схема конструктивно достаточно простая. Следовательно, среди рассмотренных вариантов именно эта схема более всего подходит для использования в НСГОМП.
Необходимо отметить, что в этом примере мы рассмотрели только один вариант подключения звеньев (подключение двух входных звеньев) и одно значение ωГmax=2,0, в то время как для выбора оптимальной схемы необходимо проанализировать все возможные варианты.
Выводы:
Методика синтеза НСГОМП с помощью ПУС дает возможность рассмотреть все возможные варианты передач и выбрать наилучший из них.
Синтезирована схема двухступенчатой НСГОМП отличающаяся небольшими угловыми скоростями основных звеньев и сателлитов, приемлемыми передаточными числами согласующих передач, отсутствием циркулирующей мощности, простотой при компоновке и изготовлении.
Литература
Планетарные передачи: справочник / под ред. В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кирдяшева. – Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1977. – 536 с.
Объемные гидромеханические передачи: расчет и конструирование / О.М. Бабаев, Л.Н. Игнатов, Е.С. Кисточкин и др. – Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1987. – 256 с.
Филичкин, Н.В. Анализ планетарных коробок передач транспортных и тяговых машин: Учебное пособие / Н.В. Филичкин. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2005. – 175 с.
ПатентJP60227045A1Япония, МПК7F16H3/72. Speed change steering device / Nomura Kouichirou [Япония]; Yamamoto Shiyunei [Япония]. Опубл. 12.11.85.
|
