Ликвидация горения – боевое действие, при котором использование АЦ следует рассматривать как боевые условия эксплуатации. 1 глава

Продолжительность ликвидации горения изменяется в очень широких пределах (рис.5.6). До 10 минут ликвидируется около 20% пожаров. Это время соизмеримо со временем следования на пожар. От 30 до 60 мин тушат до 20% пожаров и т.д. Однако около 14% пожаров тушат более 2-х часов. Тушение крупных пожаров может производиться в течение 5…6 часов и более в случае затяжных пожаров.

При тушении пожара двигатели ПА работают в стационарных условиях. При этом ухудшаются условия их охлаждения, так как отсутствует натекающий поток воздуха на радиаторы. Поэтому двигатель, насос и его трансмиссия должны эффективно работать в течение не менее 6 часов.

Виды ПТВ и их возимый запас на АЦ обосновываются на основании опыта тушения пожаров. Так, в соответствии с НПБ 163-98 вместимость цистерны для воды рекомендуется выбирать из ряда от 0,8 до 8 м³ и подаче лафетного ствола 20…40 л/с. Вместимость бака для пенообразователя предлагается равной 6% от вместимости цистерны (0,08…1 м³).

Пожарные автоцистерны практически применяются для тушения подавляющего большинства пожаров. При этом с участием 1 АЦ тушат до 50% всех пожаров, с участием 2 АЦ – около 35%, а 3-х АЦ – тушат около 10% всех пожаров.

Стволы РС-50 применяют при тушении около 7,5%, а на 70% используют от 1 до 3 стволов. Стволами РС-70 тушат около 2% пожаров.

При тушении одним стволом РС-50 1 м³ воды расходуется за время не более 5 минут, а тремя стволами – за время, не превышающее 1,5 минут. Сопоставляя эти результаты со временем продолжительности тушения пожаров, легко приходим к выводу, что возимые на АЦ запасы воды, не обеспечат тушение всех пожаров. Поэтому на АЦ, кроме возимого запаса воды должен быть предусмотрен забор воды от водопроводной сети и из различных водоемов.

В зависимости от условий применения АЦ на них могут устанавливаться центробежные насосы в различными рабочими параметрами с подачей 30-110 л/с и напорах 100 м и больше. Возможно применение насосов высокого давления или комбинированных.

При боевой работе на пожарах нефтегазовых предприятий, в лесах, лесобиржах, торфяных разработках ПА могут подвергаться воздействию мощных тепловых потоков (рис.5.7). Для уменьшения воздействия их на пожарные автомобили ограничивается время их нахождения на одном месте, т.е. осуществляется дополнительное маневрирование.

Тепловые потоки могут являться причиной повреждения ПА различной степени. В некоторых случаях обгорает краска, растрескиваются стеклянные ограждения, обгорают резинотехнические и пластмассовые детали, загораются и сгорают автомобили. Поэтому конструкция ПА по требованию заказчика должна обеспечивать теплозащиту основных агрегатов для их защиты от теплового излучения u 14,0 и 25 кВт/м² в течение ограниченного времени.

Безопасность от теплового воздействия должна сочетать пассивную (теплооотражательные покрытия) и активную разомкнутую теплозащиту, в которой вода служит охладителем.

Сбор и возвращение в подразделение не требуют каких-либо специфических требований для их проведения. Необходимо только для обеспечения готовности ПА осуществить техническое обслуживание после пожара в требуемом объеме.

Приспособленность к человеку обеспечивается предъявлением к конструкции ПА ряда эргономических санитарно-гигиенических требований. На их основании салоны, кабины, отсеки с ПТВ, пульты управления должны быть приспособлены для обитания и работы в них пожарных различного роста.

Ряд требований предъявляется к конструкции салонов. Они должны обогреваться зимой. Для ПА, эксплуатация которых возможно в условиях высоких тепловых потоков, должна быть предусмотрена теплоизоляция кабин. Этим должно предотвращаться термическое разложение обивочных материалов, продукты которых загрязняют атмосферу салонов.

Совершенствуя конструкцию ПА, не всегда удается реализовать все требования к ним. Поэтому на практике всегда разрабатываются мероприятия, в максимальной степени обеспечивающие рациональное использование технических возможностей АЦ. К ним относятся обучение личного состава, организация необходимых условий содержания АЦ в гаражах, выбор маршрутов следования на пожары, содержание АЦ в технически исправном состоянии.

5.3. Базовые транспортные средства и двигатели пожарных автомобилей

Пожарные машины создаются на шасси грузовых автомобилей. К ним предъявляют два основных требования: они должны обладать высокими удельными мощностями и проходимостью.

Для АЦ и специальных ПА используются шасси ЗИЛ, ГАЗ, КамАЗ, Урал, МАЗ. Они могут быть полноприводными (колесная формула 8х8.1; 6х6.1; 4х4.1) и неполноприводными (6х4.1; 4х2.2 и др.). Это дает возможность выбирать рациональные шасси для заданных регионов дислокации подразделений ГПС.

На шасси этих автомобилей установлены четырехтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания или дизели. Двухтактные двигатели имеют ограниченное применение – только на некоторых мотопомпах.

В отличие от грузовых автомобилей двигатели на пожарных машинах эксплуатируется в транспортном и стационарном режимах. Потребителями энергии на ПМ являются пожарные насосы, генераторы электрического тока, приводы пожарных автомобильных лестниц и коленчатых подъемников и т.д.

В карбюраторных двигателях смесеобразование бензина с воздухом осуществляется вне их цилиндров. Готовая рабочая смесь поступает в цилиндры двигателя от карбюратора. Эта смесь, при положении поршней вблизи верхней мертвой точки, воспламеняется от искры свечи зажигания.

В дизелях дизельное топливо впрыскивается форсунками в цилиндры при положении поршней вблизи верхней мертвой точки. Образовавшаяся смесь распыленного форсункой дизельного топлива и воздуха воспламеняется от сжатия.

Работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) характеризуют рядом показателей. Отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c называют степенью сжатия (рис.5.8)

e = (5.4)

Изменение давления внутри цилиндра двигателя по ходу поршня в различных тактах называют индикаторной диаграммой.

Индикаторная диаграмма – диаграмма изменения давления газа в цилиндре двигателя в зависимости от изменения положения поршня, записанная с помощью прибора индикатора. Пример такой диаграммы для карбюраторного двигателя показан на рис.5.9.

Важными параметрами индикаторной диаграммы являются давление в конце такта сжатия Р_с , МПа и давление в конце сгорания Р_z , МПа.

Площадь a,c,z,b индикаторной диаграммы характеризует индикаторную работу. Принято считать, что на поршень действует некоторое среднее индикаторное давление Р_i. Оно на протяжении рабочего хода поршня характеризует полезную работу. На диаграмме она обозначена знаком «плюс». Знаком «минус» обозначена работа, затрачиваемая на всасывание рабочей смеси и удаление отработавших газов.

Зная среднее индикаторное давление Р_i, МПа, рабочий объем цилиндра V_p, л, число цилиндров i частоту вращения коленчатого вала n об/мин определяют индикаторную мощность двигателя.

(5.5)

где: d - тактность двигателя.

Мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя меньше индикаторной мощности, так как часть ее расходуется на преодоление трения рабочих деталей, на приведение в действие вспомогательных механизмов (топливного насоса, газа, распределительного механизма и т.д.). Мощность, соответствующая этим потерям, называется мощностью механических потерь N_м.

Полезную мощность, которую можно снимать с коленчатого вала двигателя называют эффективной мощностью

N_е = N_i - N_м , кВт (5.6)

Совершенство конструкции двигателя оценивают величиной механического коэффициента полезного действия

h_м = (5.7)

Мощность N_e и N_м определяют на специальных стендах. С помощью тормозных устройств определяют также крутящие моменты M_e Нм при заданных частотах вращения коленчатого вала n об/мин. Эффективную мощность определяют по формуле

N_e = M_e · w = M_e (5.8)

где: M_е - эффективный крутящий момент, Нм; ω – скорость вращения коленчатого вала двигателя, С^-1;

Важной характеристикой является удельный эффективный расход топлива g_e

g_e = , кг/кВт·ч (5.9)

где: G_т - часовой расход топлива, кг/ч.

Параметры основных показателей, характеризующих двигатели, приводятся в табл.5.2.

Таблица 5.2

На пожарных автомобилях предпочтительнее использовать дизели, т.к. расход топлива в них меньше на 25…30%, чем у карбюраторных двигателей. Одновременно следует указать, что пуск дизеля более тяжел, чем карбюраторного двигателя вследствие различия величины e.

Различаются двигатели и по значениям величин, характеризующих токсичность отработавших газов (табл.5.3).

Таблица 5.3

Концентрацию w выражают в объемных процентах. Концентрацию СН и NO_x записывают в миллионных долях, например

r_CH = (5.10)

где: r_CH - концентрация СН в отработавших газах, млн^-1; V_CН - парциальный объем СН, м³; V_CM - объем выпускных газов, м³.

Очень опасной является сажа. На ней адсорбируется большое количество веществ и она, к сожалению, не улетучивается, а осаждается на пол. Наиболее опасным из них является бенз- -пирен, так как по некоторым данным он является возбудителем онкологических заболеваний.

Характеристики двигателей – это зависимости основных показателей двигателей ( N_e, M_e и g_e ) от частоты вращения его коленчатого вала n, об/мин.

Характеристику N_e = f(n) называют скоростной (кривая 1 на рис.5.9). Скоростную характеристику, полученную при полной подаче топлива, называют внешней. Характеристики, получаемые при неполной подаче топлива, называют частичными (кривая 2).

На характеристиках указывают минимальные обороты двигателя n_min; обороты n_N соответствующие максимальной мощности N_{e max} и обороты максимального крутящего момента n_{Me max}.

В случае установки на двигателе ограничителей скорости N_e и M_e изменяются, как показано прямыми 5. Максимальная скорость n_max отличается от n_N величину около 10%.

Из рис. 5.9 следует, что область, ограниченная внешней скоростной характеристикой (кривая 1) и диапазоном скоростей от n_{Me max} до n_N, является областью, в которой эксплуатируются двигатели. Для примера приводится внешняя скоростная характеристика дизеля КамАЗ-740.11 мощностью 176 кВт (рис.510).

В документации на двигатели наиболее часто указывают N_{e max} и n_N. По параметрам этих величин можно построить внешнюю скоростную характеристику двигателя, используя формулу

N_e = N_{e max} (5.11)

где: n - текущие значения частот вращения вала двигателя, об/мин.

Для карбюраторных двигателей а = b = с = 1, а для дизелей а = 0,53; b = 1,56 и с = 1,09.

Приводимые в справочниках значения N_{e max} и n_N, получены на основании стендовых испытаний. На автомобилях же она частично расходуется на привод вентилятора, компрессора, часть ее теряется в глушителе и т.д. Поэтому в расчетах эту часть энергии учитывают коэффициентом коррекции К_к. Для двухосных автомобилей К_к = 0,88, а для трехосных К_к = 0,85.

Важной характеристикой для двигателей внутреннего сгорания является величина крутящий момент. Его величина и крутизна изменения в зависимости от частоты вращения вала двигателя M = f(n) и характеризуют приспособляемость двигателя. Это способность двигателя преодолевать (без воздействия со стороны водителя) возможное увеличение сопротивления от внешней нагрузки. Она характеризуется отношениями

K = или K = (5.12)

Чем круче поднимается кривая М_е при уменьшении n, тем меньше снизится скорость автомобиля при увеличении сопротивления движению. Следовательно, можно будет преодолевать более крутые подъемы, не переходя на пониженную передачу. Следовательно, чем больше К_, тем лучше тяговые качества автомобиля, выше средняя скорость движения и легче управление.

По показателю К предпочтительнее бензиновые двигатели. У них К = 1,2…1,4, а у дизелей К = 1,05…1,15. Поэтому у дизелей имеются корректоры, повышающие К. Кроме того, на автомобилях с дизелями всегда больше число ступеней скоростей в коробке передач, чем у автомобилей с карбюраторными двигателями.

На пожарных автомобилях используются двигатели различных типов и серий. Параметры основных характеристик некоторых двигателей приводятся в табл.5.4.

Таблица 5.4

Примечание: К – карбюраторный двигатель; Д – дизель.

Режимы эксплуатации двигателей ПА характеризуются рядом особенностей.

В гаражах пожарных частей они содержатся при температурах окружающей среды, а зимой при температуре не ниже 12⁰С. Естественно, что это и температура охлаждающей жидкости двигателя. При вызове и следовании на пожар в течение 5…10 минут двигатели работают в режиме прогрева. Так как пути следования относительно небольшие, то следует, что в транспортном режиме ПА двигатели эксплуатируются в режиме прогрева. В среднем, в течение года пробеги ПА по спидометру достигают значений 3500…4000 км.

Второй особенностью эксплуатации двигателей является продолжительный отбор мощности от него в стационарном режиме. В стационарном режиме работа на насосе достигает 100-120 часов в год. Так как один час работы двигателя в стационарном режиме эквивалентен пробегу, равному 50 км, то приведенный пробег равен 5000…6000 км в год. Это соизмеримо с продолжительностью эксплуатации в транспортном режиме.

Требованиями НПБ обусловлено, что двигатель должен обеспечить непрерывную работу насоса в течение шести часов при номинальных значениях напора и величины подачи воды. Это очень жесткие условия еще и потому, что в стационарном режиме эксплуатации отсутствует стационарный натекающий поток воздуха на радиатор, имеющий место в транспортном режиме эксплуатации. Поэтому не исключено, что в некоторых случаях произойдет перегрев двигателя. Во избежание этого неприятного явления экспериментально была установлена необходимость ограничить величину мощности, потребляемой в стационарном режиме n_ст = 0,7 N_max . Во избежание большой интенсивности износа двигателей было установлено ограничение частоты вращения вала двигателя n = 0,75 n_N.

Отобразим эти ограничений на внешней скоростной характеристике двигателя (рис.5.11) и из точки «К» построим частичную скоростную характеристику «ак». Ее можно построить по приведенной выше формуле, приняв координаты точки «К» за исходные. Рекомендуется также, чтобы в точке «К» был запас мощности не менее 15%, так показано на рисунке.

Ограничение режимов эксплуатации двигателя по мощности и частоте вращения вала значительно сокращает поле использования полезной его мощности. Это, естественно, требует жесткого согласования режимов работы двигателя и потребителя.

В случае, если потребляемая мощность будет превосходить мощность, соответствующую точке «К», то необходимо устройство дополнительного охлаждения двигателя. Для этого на некоторых автоцистернах установлены теплообменники (рис.5.12). Вода из системы охлаждения двигателя поступает в корпус 1 теплообменника и охлаждается водой, поступающей из пожарного насоса.

В двигателях автоцистерн изменена система выпуска отработавших газов. Перед глушителем 3 (рис.5.13) установлен газоструйный вакуумный аппарат 2. Отработавшие газы двигателя поступают к патрубкам 1. Газоструйный насос в аппарате 2 отсасывает воздух из пожарного насоса по трубке 6. В пожарном насосе создается необходимый вакуум для заполнения его водой из постороннего источника.

Из аппарата 2 отработавшие газы поступают в резонатор, соединяющий звуковые сигналы. Из глушителя отработавшие газы выходят в атмосферу по трубопроводу 4. В зимнее время они по трубопроводу 5 направляются в систему обогрева цистерны или насосного отсека с пожарным насосом.

5.4. Трансмиссии и приводы управления ПА

Трансмиссией называется совокупность кинематически связанных между собой узлов и деталей, предназначенных для передачи и распределения энергии от двигателя к исполнительным механизмам.

Тарнсмиссии обеспечивают: включение и выключение исполнительных механизмов, передачи крутящего момента, изменения частоты вращения вала исполнительного механизма и изменения направления (если это необходимо) направления его вращения.

На ПА, как правило, кроме основной трансмиссии, для привода ведущих колес устанавливают дополнительную для передачи энергии от базового двигателя шасси к исполнительным механизмам. Исполнительными механизмами являются: пожарные насосы, механизмы подъема, поворота и выдвигания автолестниц и коленчатых подъемников, электрогенераторов на специальных ПМ и т.д.

В современных конструкциях пожарных машин применяются трансмиссии механические, гидромеханические, комбинированные. Они должны удовлетворять ряду требований:

– быть компактными, легкими в управлении и иметь высокий КПД;

– обеспечивать в широком интервале изменение нагружения исполнительных механизмов;

– иметь предохранительные устройства, защищающие детали и узлы исполнительных механизмов от возможных перегрузок.

Все используемые в конструкциях пожарных машин трансмиссии характеризуются следующими основными параметрами: передаточным числом, КПД и передаваемым вращающим моментом.

Передаточное число простейшей механической передачи, состоящей из ведущей и ведомой шестерен, определяется следующим соотношением

, (5.13)

где: n₁, n₂, z₁, z₂, d₁, d₂- соответственно частота вращения, число зубьев и диаметры начальных окружностей ведущего и ведомого зубчатых колес.

При u < 1 передача называется ускоряющей и при u >1 – понижающей.

Если трансмиссия имеет несколько передающих пар, из которых каждая имеет свое передаточное число, то общее передаточное число трансмиссии будет равно

u_общ = u₁, u₂...u_n (5.14)

КПД трансмиссии оценивается потерей мощности при передаче ее от двигателя к исполнительному механизму и определяется по формуле

h = (5.15)

где: N_e - эффективная мощность двигателя; N_м - мощность механических потерь в трансмиссии; N_и - мощность, подводимая к исполнительному механизму.

КПД определяется экспериментальным путем при стендовых испытаниях трансмиссии.

Величина η в значительной степени зависит от типа и конструкции трансмиссии, частоты вращения ее элементов, передаваемой величины крутящего момента, а также вязкости и уровня масла в агрегатах трансмиссии.

Общий КПД трансмиссии, состоящий из нескольких механизмов, определяется по формуле

h_общ = h₁ h₂ … h_{n ,} (5.16)

где: h₁ ,h₂, h_n - соответственно КПД промежуточных элементов, составляющих трансмиссию.

Крутящий момент исполнительного механизма М_и связан с эффективным крутящим моментом двигателя М_е для случая равномерного вращения зависимостью

М_и = М_е u_общ h_общ . (5.17)

Механические трансмиссии включают в себя механические передачи, муфты, сцепления и другие элементы, обеспечивающие передачу энергии.

Механические передачи по принципу работы делят на: передачи трением с непосредственным контактом тел качения (фрикционные) и с гибкой связью (ременные передачи); передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые и червячные) и с гибкой связью (цепные).

Во фрикционных передачах движение передается с помощью сил трения скольжения.

Схема простейшей фрикционной передачи с постоянным передаточным отношением показана на рис.5.14. Полезное окружное усилие F определяется по формуле:

bF = Qf, (5.18)

где: b - коэффициент запаса сцепления, учитывающий упругое скольжение; Q - усилие прижатия трущихся поверхностей муфт; f - коэффициент трения.

В связи с упругим проскальзыванием ведомого ролика его окружная скорость u₂ равна

u₂ = xu_1, (5.19)

где: x - коэффициент, учитывающий упругое скольжение; для передач, работающих без смазки x = 0,995…0,99; u₁ - окружная скорость ведущего ролика.

Передаточное отношение этой передачи равно

i = n₁/n₂ = d²/d¹ x , (5.20)

где: n₁ и n₂ - частоты вращения ведущего и ведомого тел качения.

Такие передачи используются в качестве привода вакуумных пластинчатых насосов пожарных центробежных насосов нового поколения.

Коэффициент запаса сцепления для силовых передач принимают равным 1,25…1,5.

Коэффициент трения резины по стали можно принимать равным 0,35…0,45.

Простейшая ременная передача (рис.5.15) состоит из ведущего и ведомого шкивов и ремня, надетого на шкивы с натяжением и передающего окружное усилие с помощью сил трения.

В пожарных машинах используются преимущественно клиноременные передачи. Для них величина полезного окружного усилия F равна

F = z c F ₀/к , (5.21)

где: F₀ - допускаемая полезная нагрузка на ремень; z - число ремней в передаче; c - коэффициент, зависящий от угла обхвата и скорости ремня; к – коэффициент, учитывающий режим нагрузки К = 1…1,6.

Ременные передачи используются в приводах электрогенераторов, дымососов и т.д.

Зубчатые передачи. Эти механизмы с помощью зубчатого зацепления передают или преобразуют движение с изменением угловых скоростей и моментов. В пожарных машинах зубчатые передачи применяют для преобразования и передачи вращательного момента между валами с параллельными или перекрещивающимися осями.

В первом случае они используются в коробках отбора мощности в дополнительных трансмиссиях привода пожарных насосов. В них используются зубчатые колеса с прямыми и косыми зубьями. Они применяются в комбинированных пожарных насосах для передачи крутящего момента от валов низконапорной к валам высоконапорной ступени. В механизмах поворота пожарных автолестниц и пожарных подъемников используются передачи с внутренним зацеплением.

Во втором случае используются червячные передачи в механизмах поворота и подъема колен пожарных автолестниц и пожарных автоподъемниках.

Зубчатые передачи для преобразования вращательного движения в поступательное используются в приводе перепускного клапана пеносмесителя насоса ПЦНН-40/400. В них движение осуществляется зубчатым колесом и рейкой.

Зубчатые передачи составляют основу коробок отбора мощности (КОМ). Принципиальная схема одной из них представлена на рис.5.16. Корпус 4 КОМ крепится на картере коробки передач или раздаточной коробки трансмиссии автомобиля. От шестерни 1 на валу коробки передач, мощность передается с помощью промежуточного зубчатого колеса 2 к ведомой шестерне 3 КОМ. С помощью зубчатой муфты он затем передается на вал 5 привода пожарного насоса.

КОМ являются основным механизмом дополнительных трансмиссий на автоцистернах. В зависимости от колесной формулы шасси и места размещения пожарного насоса (в кормовом насосном отсеке или у кабины АЦ) схемы компоновок этих трансмиссий могут быть различными (рис.5.17).

Вариант I (рис.5.17,а) применяют на АЦ-40(131)137; на автоцистернах на шасси Урал АЦ-8-40(55571), на шасси ЗИЛ АЦ-2-40(5301) и др. Разновидностью первого варианта является схема со средним расположением насоса (рис.5.17, б), например, на АЦ-40(43202) на шасси Урал и др.

Отличительной особенностью такой схемы является укороченная длина карданной передачи, не имеющей промежуточной опоры. В обеих схемах варианта I крутящий момент от двигателя 1 передается через механизм сцепления 2, коробку передач 7, коробку отбора мощности 3, карданную передачу 4 и вал пожарного насоса 6. Карданная передача при заднем расположении насоса имеет две промежуточные опоры 5. На всех пожарных автомобилях, выполненных на шасси ЗИЛ, устанавливают коробку отбора мощности КОМ-68Б, а на шасси «Урал» – КОМ-Ц1А;

Вариант II (рис.5.17, в) осуществляют на автоцистернах АЦ-30(53А0106Б, АЦ-2,5-40(33092), монтируемых на шасси ГАЗ с колесной формулой 4х2. Мощность от двигателя 1 к валу насоса передается через механизм сцепления 2, коробку перемены передач 7, коробку отбора мощности 3 и далее через два карданных вала 4, соединенных на вал насоса 6. Карданная передача от коробки отбора мощности к валу насоса имеет промежуточную опору 5.

Вариант III представлен на рис.5.17, г. Такую схему применяют, как правило, на всех пожарных автомобилях, монтируемых на шасси повышенной проходимости с колесной формулой 4х4. Например, на АЦ-30(66)-146 пожарный насос 6 приводится в действие от двигателя 1 через механизм сцепления 2, коробку передач 7, карданный вал 4, раздаточную коробку 8, коробку отбора мощности 3.

Рассмотренные варианты схем компоновки дополнительных трансмиссий показывают, что наиболее рациональной схемой является вариант среднего размещения пожарного насоса, ввиду существенных преимуществ по сравнению с задним расположением. К числу таких преимуществ относятся: более короткие элементы водопенных коммуникаций; отсутствие дополнительной системы управления сцеплением; укороченная длина карданных валов, позволяющая осуществлять более низкое размещение емкости цистерны и, следовательно, снизить центр массы пожарного автомобиля.