Оценка несущей способности контактного соединения полюсного вывода свинцовой аккумуляторной батареи

Введение. Приведенные в статье данные свидетельствуют, что проблема повышения пожарной безопасности при эксплуатации автотранспортных средств очень актуальна. Целью статьи является разработка научно-­обоснованного метода исследования контактного соединения полюсного вывода свинцовой стартер­ной батареи, имеющего признаки большого переходного сопротивления или изменение геометрической формы, для установления причины повреждения в ходе пожарно-технической экспертизы.

Материалы и методы. Исследования проводились с использованием растрового электронного микроскопа JSM-6390LV с приставкой для энергодисперсионного микроанализа. Объектами исследования являлись полюсные выводы свинцовой батареи европейского типа (EU) и их наконечники. Контактные поверхности наконечников подвергались анализу без предварительной пробоподготовки.

Теоретические основы (теория и расчеты). Разработана физико-математическая модель предельной несущей способности контактного соединения полюсного вывода свинцовой аккумуляторной батареи, соответ­ствующая реальной конструкции, и на этой основе сформулирован расчетно-практический алгоритм экспер­тного анализа ее механико-геометрических характеристик. Решение доведено до простых расчетных формул, позволяющих оценивать несущую способность контакта. На конкретном примере показана при­менимость разработанной математической модели для проведения пожарно-технической экспертизы.

Результаты и обсуждение. Приведены примеры возгораний автомобилей, возникновение которых обусловлено утратой несущей способности в контакте полюсных выводов аккумуляторной батареи с наконечниками проводов в процессе эксплуатации. Приведены снимки результата большого переходного сопротивления на поверхности контакта и его элементный состав. Экспериментальными данными подтверждено, что перенос материала полюсного вывода на наконечники проводов в виде капель свинца и его наслоений является значимым криминалистическим признаком при установлении причины пожара.

Выводы. Предложен метод определения несущей способности контакта полюсного вывода свинцовой аккумуляторной батареи с наконечником провода, на основании которого можно сделать вывод о причастности большого переходного сопротивления в контакте к последующему пожару. Приведенные в статье данные могут быть использованы специалистами при экспертном исследовании наконечников проводов свинцовых аккумуляторных батарей, изымаемых с мест пожаров, установлении механизма их повреждения и, в конечном счете, причины пожара.

1. Брушлинский Н.Н., Соколов С.В. Какова «стоимость» пожаров в современном мире? // Пожаро­взрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. Т. 29. № 1. С. 79–88. DOI: 10.18322/PVB.2020.29.01.79-88

2. Quintiere J.G. Fundamentals of fire phenomena. Chichester : John Wiley and Sons Ltd., 2006. DOI: 10.1002/0470091150.fmatter

3. Babrauskas V. Arc mapping: a critical review // Fire Technology. 2018. Vol. 54. Issue 3. Pp. 749–780. DOI: 10.1007/s10694-018-0711-5

4. Недобитков А.И., Абдеев Б.М. О физической основе локальной токовой перегрузки в автомобильной электрической сети // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 6. С. 18–28. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.06.18-28

5. Недобитков А.И., Абдеев Б.М. Оценка несущей способности гнездовых контактов розетки при экспертизе пожаров // Пожаровзрывобез­опасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 1. С. 65–76. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.01.65-76

6. Dorsz A, Lewandowski M. Analysis of fire hazards associated with the operation of electric vehicles in enclosed structures // Energies. 2022. Vol. 15. Issue 1. P. 11. DOI: 10.3390/en15010011

7. Gudym V., Mykhalichko B., Nazarovets O., Gavry­liuk A. The effect of short circuits and flame tempe­rature modes on the change in the microstructure of copper in automotive wiring // Engineering Failure Analysis. 2022. Vol. 136. P. 106198. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106198

8. Brzezinska D., Ollesz R., Bryant P. Design car fire size based on fire statistics and experimental data // Fire and Materials. 2020. Vol. 44. Issue 8. Pp. 1099–1107. DOI: 10.1002/fam.2913

9. Hui Zhu, Yunji Gao, Haidong Guo. Experimental investigation of burning behavior of a running vehicle // Case Studies in Thermal Engineering. 2020. Vol. 22. P. 100795. DOI: 10.1016/j.csite.2020.100795

10. Park Y., Ryu J., Ryou H.S. Experimental study on the fire-spreading characteristics and heat release rates of burning vehicles using a large-scale calorimeter // Energies. 2019. Vol. 12. Issue 8. P. 1465. DOI: 10.3390/en12081465

11. Hyeongho Choi, Lee Eui-Pyeong. Analysis of a fire in a parked camping car // Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation. 2019. Vol. 19. Issue 1. Pp. 217–223. DOI: 10.9798/KOSHAM.2019.19.1.217

12. Dayan Li, Guoqing Zhu, Hui Zhu, Zhichao Yu, Yunji Gao, Xiaohui Jiang. Flame spread and smoke tempe­rature of full-scale fire test of car fire // Case Studies in Thermal Engineering. 2017. Vol. 10. Pp. 315–324. DOI: 10.1016/j.csite.2017.08.001

13. Xiao-hui Jiang, Guo-qing Zhu, Hui Zhu, Da-yan Li. Full-scale experimental study of fire spread behavior of cars // Procedia Engineering. 2018. Vol. 211. Pp. 297–305. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.12.016

14. Lee Eui-Pyeong. Analysis of a car fire caused by a fuel leakage from the common rail // Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation. 2018. Vol. 18. Issue 4. Pp. 225–231. DOI: 10.9798/KOSHAM.2018.18.4.225

15. Kruger S., Hofmann A., Berger A., Gude N. Investigation of smoke gases and temperatures during car fire — large-scale and small-scale tests and numerical investigations // Fire and Materials. 2016. Vol. 40. Issue 6. Pp. 785–799. DOI: 10.1002/fam.2342

16. Okamoto K., Otake T., Miyamoto H., Honma M., Watanabe N. Burning behavior of minivan passenger cars // Fire Safety Journal. 2013. Vol. 62. Pp. 301–310. DOI: 10.1016/j.firesaf.2013.09.010

17. Okamoto K., Watanabe N., Hagimoto Y., Chi­gira T., Masano R., Miura H., et al. Burning behavior of sedan passenger cars // Fire Safety Journal. 2008. Vol. 44. Issue 3. Pp. 301–310. DOI: 10.1016/j.firesaf.2008.07.001

18. Xioa-hui J., Guo-qing Z., Hui Z., Dayan L. Full-scale experimental study to fire spread behawior of cars // Procedia Engineering. 2018. Vol. 211. Pp. 297–305. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.12.016

19. Ferrone C.W. Commercial vehicle fire, cause and origin analysis // Mechanical, electrical and forensic methods : 2nd int. conf., Fires in Vehicles. Chicago, USA, 2012. Pp. 83–93.

20. Скодтаев С.В. Механизм и морфологические признаки аварийных пожароопасных процессов в электросетях автомобилей : дис. … канд. техн. наук. М. : Академия ГПС МЧС России, 2018. 140 с.

21. Johnsson E.L., Yang J.C. Experimental study on hardening a motorcoach against tire fire penetration // Fire and Materials. 2016. Vol. 4. Issue 3. Pp. 416–426. DOI: 10.1002/fam.2295

22. Харламенков А.С. Пожарная опасность применения литий-ионных аккумуляторов в России // Пожаро­взрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 3. С. 96–102. URL: https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1120/0

23. Ложкин В.Н. Теория и практика диагностики пожаро­опасных режимов эксплуатации каталитических нейтрализаторов // Пожаровзрывобез­опасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 3. С. 65–74. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.03.65-74

24. Ворошилов Р.Ф. Мурашкевич Е.А. Исследование поврежденного огнем легкового автомобиля после воздействия тепла пожара при разгерметизации топливной системы // Сибирский пожарно-­спасательный вестник. 2020. Т. 18. № 3. С. 38–41. DOI: 10.34987/vestnik.sibpsa.2020.18.3.006

25. Чешко И.Д., Плотников В.Г. Анализ экспертных версий возникновения пожара. Кн. 1. СПб: Типография «Береста», 2010. 708 с.

26. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок. М. : ООО «Кабель», 2009. 328 с.

27. Недобитков А.И. Экспертное исследование автомобильных латунных кабельных наконечников провода массы // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2015. Т. 24. № 6. С. 29–35. URL: https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/431

28. Prengaman R.D. The metallurgy and performance of cast and rolled lead alloys for battery grids // The Battery Man. 1997. Pp. 16–36.

29. Rand D.A.J., Boden D.P., Lakshmi C.S., Nelson R.R., Prengaman R.D. Manufacturing and operational issues with lead-acid batteries // Journal of Power Sources. 2002. Vol. 107. Issue 2. Pp. 280–300. DOI: 10.1016/S0378-7753(01)01083-7

30. Русин А., Найденов В., Кудрявцев А. Современные свинцовые аккумуляторы / под ред. проф. А.И. Русина. СПб. : Петрополис, 2017. 148 с.

31. Barnett G.J. Vehicle battery fires: why they happen and how they happen. Warrendale, Pennsylvania : SAE International Ltd., 2017. DOI: 10.4271/R-443

32. Горбунов А.С., Васильев А.В., Беляк А.Л., Могильникова А.В. Порядок отработки версии о причастности плохого контакта на клемме аккумуляторной батареи автомобиля к возникновению пожара // Образование и право. 2021. № 10. С. 450–456. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poryadok-otrabotki-versii-o-prichastnosti-plohogo-kontakta-na-klemme-akkumulyatornoy-batarei-avtomobilya-k-vozniknoveniyu-pozhara

33. Zhenyu Li, Zhongjie Wang, Liang Wang. Discussion of the relationship between failure and fire of valve regulated lead acid battery // E3S Web of Confe­rences. 2020. Vol. 185. P. 01058. DOI: 10.1051/e3sconf/202018501058

34. Карасев Е.В., Таратанов Н.А., Чурбанов Н.Б. Исследование процесса возникновения и развития пожара на объекте строительной техники // Пожарная и аварийная безопасность. 2021. № 2 (21). С. 26–39. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46249438

35. Волкова О.Г., Жорняк Л.Б. Исследование характера механического взаимодействия рабочих поверхностей сильноточных разрывных контактов // Электротехника и электромеханика. 2016. № 1. С. 12–16. DOI: 10.20998/2074-272X.2016.1.02. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-haraktera-mehanicheskogo-vzaimodeystviya-rabochih-poverhnostey-silnotochnyh-razryvnyh-kontaktov

36. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3-х т. : Т. 2. 8-е изд., перераб. и доп. / под ред. И.Н. Жестковой. М. : Машиностроение, 2001. 912 с.

37. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов : учеб. пос. М. : Наука, 1986. 560 с.

38. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев : Наукова думка, 1975. 704 с.

39. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин : справочник. М. : Машиностроение, 1979. 702 с.

40. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1. М. : Наука, 1975. 832 с.

41. Жидков А.В., Любимов А.К. Плоские задачи теории упругости : учеб.-мет. пос. Н. Новгород : Нижегородский госуниверситет, 2019. 38 с.

42. Стружанов В.В., Бурмашева Н.В. Теория упругости: основные положения : учеб. пос. / В.В. Стружанов, Н.В. Бурмашева. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. 204 с.

43. Хан X. Теория упругости: Основы линейной теории и ее применения / пер. с нем. М. : Мир, 1988. 344 с.

44. Кац А.М. Теория упругости. СПб. : Изд-во Лань, 2002. 208 с.

45. Скрипняк Е.Г., Жукова Т.В., Скрипняк В.А. Математическая постановка задач линейной теории упругости : учеб. пос. Томск : Изд-во ТГУ, 2005. 26 с.

46. Киселев В.А. Плоская задача теории упругости : учеб. пос. для вузов. М. : Высшая школа, 1976. 151 с.

47. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / пер. с англ. М.И. Рейтмана, под ред. Г.С. Шапиро. М. : Наука, 1975. 576 с.

48. Александров В.М., Чебаков М.И. Аналитические методы в контактных задачах теории упругости : монография. М. : Физматлит, 2004. 299 с.

49. Бояршинов С.В. Основы строительной механики машин : учеб. пос. М. : Машиностроение, 1973. 456 с.

50. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд. испр. М. : Наука, 1986. 544 с.

51. Берент В.Я. Электроэрозия электрических контактов // Вестник ВНИИЖТ. 2016. Т. 75. № 2. С. 88–96.

52. Лютов В.П., Шлыков Д.А. Оптическая микроскопия как источник экспертных ошибок // Энциклопедия судебной экспертизы: научно-практический журнал. 2016. Вып. 4 (11). URL: http://proexpertizu.ru/theory_and_practice/ted/703/