Ликвидация горения – боевое действие, при котором использование АЦ следует рассматривать как боевые условия эксплуатации. 3 глава

Коэффициент сопротивления f_n у ведущих и ведомых колес отли­чается мало. Поэтому при расчетах движения ПА P_f можно вычислять по формуле (рис. 6.1)

, (6.13)

где α — угол продольного уклона дороги; f— коэффициент сопротив­ления качению колеса; g= 9,81 м/с² — ускорение свободного падения.

Коэффициент сопротивления качению f зависит в основном от типа и состояния дорожного покрытия, конструкции шин и давления возду­ха в них. Для практических расчетов в интервалах скоростей до 80... 100 км/ч коэффициент f можно считать постоянной величиной, зави­сящей только от типа и состояния дорожного покрытия (табл. 6.2).

Таблица 6.2

При скоростях движения ПА, больших 80...100 км/ч, необходимо учитывать увеличение f.

Коэффициент уменьшается с увеличением размера (и соответст­венно грузоподъемности) шины. Увеличение нагрузки на колесо сверх номинальной приводит к увеличению f . Например, при превышении нагрузки на колесо на 20 % сверх номинальной f увеличивается на 4 %.

На дорогах с твердым покрытием f уменьшается при увеличении дав­ления воздуха в шинах, меньшие f имеют шины с мелким рисунком протектора.

Мощность N_f (кВт), необходимая для преодоления сил сопротив­ления качению колес АТС, определяется по формуле

, (6.14)

здесь υ в м/с²; G в кг; g в м/с².

6.1.3. Сила сопротивления подъему пожарного автомобиля

Сила сопротивления подъему ПА P_i (Н) является составляющей си­лы веса (рис. 6.1).

. (6.15)

Вместо α может быть задан уклон i. Уклон может быть выражен в про­центах i % и промилле i, o/оо). Уклон дороги i представляет собой отношение (рис. 6.1)

, (6.16)

где h_i— превышение дороги; S_i— заложение дороги. Между i, i % и z_i ‰ существует соотношение

. (6.17)

При малых углах подъема дороги (/α/< 10°) tg α ≈ sin α можно счи­тать, что

. (6.18)

Мощность N_i (кВт), необходимая для преодоления силы сопротивления подъему АТС, определяется по формуле

, (6.19)

здесь G в кг; g в м/с²; υ в м/с.

При /α/< 10° можно считать, что

. (6.20)

6.1.4. Сила сопротивления воздуха

Движущийся ПА часть мощности двигателя расходует на переме­щение воздуха и его трение о поверхность АТС.

Сила сопротивления воздуха Рв (Н) определяется по формуле

, (6.21)

где F — лобовая площадь, м²; К_в — коэффициент обтекаемости, (Н • с²/м⁴; υ— скорость автомобиля, м/с.

Лобовой площадью называют площадь проекции АТС на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля. Лобовую площадь можно определить по чертежам общего вида ПА.

При отсутствии точных размеров ПА лобовая площадь вычисляется по формуле

, (6.22)

где В — колея, м; Н_r — габаритная высота ПА, м.

Коэффициент обтекаемости определяется для каждой модели АТС экспериментально, при продувке автомобиля или его модели в аэроди­намической трубе. Коэффициент К_в равен силе сопротивления воздуха, создаваемой 1 м² лобовой площади автомобиля при его движении со скоростью 1 м/с. Для ПА на шасси грузовых автомобилей К_в = 0,5... 0,6 (Н • с²)/м⁴, для легковых К_в - 0,2...0,35 (Н • с²/м⁴, для автобусов К_в = 0,4...0,5 (Н • с²/м⁴.

При прямолинейном движении и отсутствии бокового ветра силу Р_в принято направлять вдоль продольной оси АТС, проходящей через центр масс автомобиля или через геометрический центр лобовой площа­ди.

Мощность N_в (кВт), необходимая для преодоления силы сопротив­ления воздуха, определяется по формуле

, (6.23)

здесь F в м², υ в м/с.

При υ≤ 40 км/ч сила сопротивления воздуха мала и при расчетах движения ПА на этих скоростях ее можно не учитывать.

6.1.5. Сила инерции

Часто движение ПА удобнее рассматривать в системе отсчета, жест­ко связанной с автомобилем. Для этого к ПА необходимо приложить инерционнные силы и моменты. В теории АТС инерционные силы и мо­менты при прямолинейном движении автомобиля без колебаний в про­дольной плоскости принято учитывать силой инерции Р_j, (Н)

, (6.24)

где j — ускорение центра масс АТС, м/с².

Сила инерции направлена параллельно дороге через центр масс АТС в сторону, противоположную ускорению. Для учета увеличения силы инерции из-за наличия у АТС вращающихся масс (колес, деталей, трансмиссии, вращающихся деталей двигателя) введем коэффициент δ. Коэффициент δ учета вращающихся масс показывает, во сколько раз энергия, затрачиваемая при разгоне вращающихся и поступательно движущихся деталей АТС, больше энергии, необходимой для разгона АТС, все детали которого движутся только поступательно.

При отсутствии точных данных коэффициент δ для ПА можно опре­делять по формуле

. (6.25)

Мощность N_j (кВт), необходимая для преодоления силы инерции, определяется по формуле

. (6.26)

6.1.6. Нормальные реакции опорной поверхности колес

При движении ПА нормальные реакции R_n изменяются. Уменьше­ние или увеличение нагрузки на п-е колесо при движении АТС харак­теризуется коэффициентом λ_п изменения нормальной реакции

(6.27)

где z_n— нормальная реакция опорной поверхности (нагрузка) n-го колеса при стоянке АТС на горизонтальной дороге; G_n — масса АТС, сила веса от которой создает нагрузку z_n.

Если нормальные реакции колес левой и правой стороны одной оси ПА равны, то коэффициент λ_n характеризует также и изменение на­грузки на ось.

Распределение силы веса (Gg) между колесами ПА зависит от по­ложения центра масс автомобиля, жесткости подвески и рамы, давления воздуха в шинах. При вычислении z_n влиянием всех факторов, кро­ме положения центра масс, обычно пренебрегают. Для двухосного ав­томобиля нагрузки z_n вычисляют по формулам (рис. 6.5):

(6.28)

(6.29)

где z₁, z₂ —соответственно нагрузка на левое и правое колесо перед­ней оси; z₃, z₄ — соответственно нагрузки на левые и правые колеса задней оси.

При компоновке ПА добиваются равного распределения силы веса между колесами одной оси:

(6.30)

(6.31)

Из-за обязательного выполнения требований по равенству нагруз­ки на левые и правые колеса одной оси в технических характеристиках АТС и ПА принято указывать только G, расстояние между осями и массы, силы веса, от которых передаются каждой осью. Для двухос­ного АТС указываются: G, L и G₁₂, G₃₄ Данные по G₁₂ и G₃₄, которые приводятся в технических характеристиках АТС, определяются, как правило, экспериментально. Для аналитического определения G₁₂ и G₃₄ необходимо знать расстояния а, L или b, L. Основная погрешность аналитического определения G₁₂ и G₃₄ для двухосного автомобиля свя­зана с ошибками в вычислении положения центра масс АТС, коорди­наты которого (a или b) определяются по формулам для вычисления по­ложения центра масс абсолютно твердого тела. Вычисление а или b по этим формулам приводит к ошибке до 10...15 %.

Для экспериментального определения z₁₂ или z₃₄ колеса передней или задней оси ПА устанавливают на весы (рис. 6.5). Для проверки равенств (6.30), (6.31) ПА устанавливают на весы колесами одной сто­роны. Основные требования при взвешивании: полная комплектация ПА (при отсутствии боевого расчета его имитируют балластом); гори­зонтальная опорная поверхность колес ПА при взвешивании; расторможенные колеса и нейтральное положение рычага механической ко­робки передач. Взвешивают ПА, как правило, два раза: первый при въезде на весы передним ходом, второй — при въезде на весы задним ходом. За зачетные значения G, z₁₂ и z₃₄ принимаются их средние арифметические.

По результатам взвешивания судят о возможности эксплуатации ПА. Необходимо выполнение трех основных требований:

масса G ПА не должна превышать полной массы базового шасси — собственной массы базового шасси плюс грузоподъемность;

распределение массы G между осями ПА (G₁₂ или G₃₄) Должно соответ­ствовать распределению между осями полной массы базового шасси;

нагрузка на колеса левой и правой стороны ПА должна быть рав­ной.

Нагрузки на оси R₁₂ и R₃₄ при движении ПА определяются из урав­нений:

(6.32)

(6.33)

После преобразований уравнений (6.32), (6.33) и подстановки R₁₂ и R₃₄ и z₁₂ и z₃₄ формулы (6.28), (6.29) в формулу (6.27) получим

(6.34)

(6.35)

где α > 0, ј > 0 — при подъеме и разгоне АТС; α < 0, ј< 0— спус­ке и торможении АТС.

Анализ формул (6.34) и (6.35) показывает, что при движении на подъеме и разгоне ПА увеличивается нагрузка на заднюю ось и умень­шается на переднюю. При движении на спуске и торможении ПА про­исходит обратное явление. Этим объясняется, например, подъем пе­редней части ПА, наблюдаемый при разгоне, и наклон ее вниз («кле­вок») при торможении. При движении по дорогам с асфальтобетонным покрытием коэффи­циенты λ₁₂ и λ₃₄ ПА могут изменяться в пределах от 0,5 до 1,5. Пре­дельные значения коэффициентов достигаются при движении по кру­тым уклонам и при интенсивном разгоне или торможении ПА со всеми ведущими осями, или при экстренном торможении.

6.1.7. Уравнение силового баланса пожарного автомобиля

При использовании метода силового баланса уравнение (6.1) запи­сывается в виде

(6.36)

и называется уравнением силового баланса.

Последовательность решения уравнения (6.36) методом силового баланса.

1. По уравнению (6.36) вычисляется суммарная сила тяги ведущих колес, которую необходимо реализовать для движения ПА на заданной передаче (заданном и) в известных дорожных условиях (α,f) со ско­ростью υ и ускорением j. Вычислять необходимую Р_к удобнее по фор­муле

(6.37)

где ψ = fcоsα + sinα — коэффициент сопротивления дороги.

Формула (6.37) получена после подстановки в правую часть урав­нения (6.36) правых частей формул (6.13), (6.15), (6.21), (6.24) и после­дующих преобразований.

2. По формуле (6.10) вычисляется максимальная сила тяги Рφ, ко­торую могут обеспечить ведущие колеса ПА по сцеплению с дорогой. Сила Рφ вычисляется с учетом перераспределения нагрузки между колесами ПА.

Двухосные и трехосные ПА при движении с подводом крутящего момента двигателя к ведущим колесам задних осей могут обеспечить по сцеплению с дорогой

(6.38)

Использование для создания силы тяги всех колес ПА позволяет уве­личить Рφ на 15...30 %. Максимальная сила тяги Рφ, полнопроводных ПА определяется по формуле

(6.39)

3. Проверяется выполнение неравенства (6.11). Если неравенство (6.11) не выполняется, то длительное (безостановочное) движение ПА на заданной передаче в известных дорожных условиях (α, f) со ско­ростью υ и ускрением j невозможно. В зависимости от решаемой задачи изменяется один из перечисленных параметров и расчеты повторя­ются.

4. По формуле (6.4) вычисляется суммарная сила тяги (обозначим ее Р_кд), которую может обеспечить двигатель на ведущих колесах ПА. Крутящий момент двигателя М_д определяется по внешней скоростной характеристике (рис.5.9) или по формуле (5.8) при частоте вращения коленчатого вала

(6.40)

здесь n_д в об/мин; υ в мс; r_D в м.

5. Необходимая для движения сила тяги (обозначим ее Р_кн), вы­численная по формуле (6.37), сравнивается с силой тяги Р_кд , которую может обеспечить двигатель.

Если Р_кн < Р_кд, то движение ПА возможно при неполном откры­тии дроссельной заслонки (карбюраторный двигатель) или при непол­ной подаче топлива (дизель).

Если Р_кн = Р_кд , то уравнение (6.36) решено и движение ПА воз­можно только при полном открытии дроссельной заслонки или полной подаче топлива, т. е. при использовании внешней скоростной харак­теристики двигателя.

Если Р_кн > Р_кд, то движение ПА при заданных условиях (и,α,f,υ,j) невозможно— двигатель не может обеспечить необходимую силу тяги на ведущих колесах. Один из параметров— и,α,f,υ или j изме­няется и расчеты повторяются с п. 1.

Методом силового баланса можно определить υ_max и υ_min. Для это­го при расчетах необходимо изменять и и υ при j = 0, α = 0. Для опре­деления а_max необходимо изменять υ и а при движении ПА на первой передаче и Р_в ≈ 0. Для определения t_υ метод силового баланса не при­меняют из-за большого объема расчетов.

6.1.8. Уравнение мощностного баланса пожарного автомобиля

Метод мощностного баланса основан на анализе использования мощ­ности двигателя при движении ПА. По аналогии с уравнением силового баланса уравнение мощностного баланса ПА можно записать в следую­щем виде

(6.41)

где N_д—мощность, которая передается от двигателя к трансмиссии ПА; N_тр — мощность, затрачиваемая на преодоление трения в трансмиссии; N_по — мощность, затрачиваемая на привод пожарного оборудования (например, насоса, механизма прокладки и сборки рукавных ли­нии) при движении ПА.

После учета расхода мощности двигателя на работу дополнитель­ного оборудования базового шасси (коэффициентом К_с) и на трение в трансмиссии (учитывается коэффициентом η) (6.14), (6.19), (6.23) и (6.26) уравнение (6.41) можно преобразовать к виду

(6.42)

Графическое решение уравнения мощностного баланса для опреде­ления скорости движения ПА на первой и второй передачах с одновре­менной подачей воды из цистерны через лафетный ствол приведено на рис. 6.6.

Внешняя скоростная характеристика двигателя N_e(n) (рис.5.9) построена в координатах N — υ. При построении зависимости N_e(υ) (рис. 6.6, поз. 1) предполагается, что нет пробуксовки ведущих колес ПА и для пересчета n_д в υ и наоборот можно использовать формулу (6.40).

Вниз от N_e(υ) отложена мощность, которая затрачивается на преодо­ление трения в трансмиссии и на обеспечение работы дополнительного оборудования базового шасси. Для движения ПА и привода насоса может быть использована мощность К_сηN_e (рис. 6.6, поз. 2).

Мощность N_по отложена вниз от мощности К_сηN_e. Мощность N_по, затрачиваемая на привод пожарного центробежного насоса, пропорцио­нальна третьей степени частоты вращения рабочего колеса насоса. За­висимость N_e(n), а следовательно, и зависимость К_сηN_e в координатах N— υ (рис. 6.6, поз. 2) также представляет собой многочлен третьей степени (формула 5.11). Поэтому зависимость мощности, которую может обеспечить двигатель на ведущих колесах ПА (рис. 6.6, поз. 3) — ку­бическая парабола, вид которой зависит: от внешней скоростной харак­теристики двигателя N_e(n_д), от передаточного числа и и коэффициента полезного действия η трансмиссии ПА на включенной передаче, от передаточного числа и_тн и коэффициента полезного действия η_тн трансмиссии пожарного насоса, от подачи Q_н, напора H_н и коэффициента по­лезного действия η_н насоса.

Если принять, что коэффициент f — величина постоянная и сила сопротивления воздуха при движении на первой и второй передаче пренебрежимо мала, то правая часть уравнения (6.42) представляет собой наклонную прямую (рис. 6.6, поз. 4), проходящую через начало координат.

При полном открытии дроссельной заслонки карбюраторного двига­теля или при полной подаче топлива дизельного двигателя движение. ПА на первой и второй передачах не может быть более скоростей υ₁ и υ₂. Скорости υ₁ и υ₂ определяются по точкам пересечения (рис. 6.6). Для равномерного движения в тех же условиях со скоростью, меньшей υ₁ или υ₂, водитель должен прикрыть дроссельную заслонку карбю­раторного двигателя или уменьшить подачу топлива дизельного дви­гателя, что приведет к уменьшению частоты вращения коленчатого ва­ла двигателя и, как следствие, к уменьшению подачи Q_н и напора Н_н насоса. Если на ПА установлена коробка отбора мощности (КОМ) с постоянным передаточным числом, то водителю сложно одновременно обеспечить и необходимую скорость движения, и необходимую подачу воды из лафетного ствола. Для того чтобы обеспечить водителю воз­можность одновременного выбора требуемых скорости движения и по­дачи воды из лафетного ствола, необходимо или устанавливать КОМ с переменным передаточным числом, или устанавливать на ПА такие двигатели и насосы, у которых кривая 3 на первой и второй передачах не пересекают кривую 4.иМетод мощностного баланса удобно использовать при выборе дви­гателя базового шасси ПА. Использовать этот метод для определения υ_max , t_{υ ,} а_max, υ_min нецелесообразно, так как приходится дополни­тельно вычислять Р_к, Р_φ проверять выполнение неравенства (6.11).

6.1.9. Динамическая характеристика пожарного автомобиля

Методы силового и мощностного баланса имеют общий недостаток — при использовании этих методов трудно сравнивать тягово-скоростные свойства АТС с различными массами, так как при движении в одинаковых условиях силы и мощности, необходимые для преодоления сопротивления дороги, различны. От этого недостатка свободен метод динамической характеристики, предложенный Е. А. Чудаковым.

Динамическим фактором D АТС называется отношение

D = (P_к-P_в)/Gg. (6.43)

Если в правую часть уравнения (6.43) подставить значения P_к и P_в (6.4) и (6.21), то после преобразований получим формулу для вычисления динамического фактора,

, (6.44)

который может обеспечить двигатель и трансмиссия на ведущих колесах АТС.

Если подставить значение P_к (6.37), то получим формулу для вычисления динамического фактора,

, (6.45)

который необходимо обеспечить для движения в заданных условиях.

Чтобы учесть ограничение реализуемых P_к силами сцепления ведущих колес с дорогой, необходимо использовать предельное значение силы тяги по формуле (6.10). Автомобиль из-за ограниченной силы сцепления P_φ колес с дорогой не может реализовать динамический фактор, больший

. (6.46)

Длительное движение АТС в заданных дорожных условиях (ψ или α, f) со скоростью υ и ускорением j возможно, если выполняется условие

_. (6.47)

При равномерном движении (f = 0) полноприводного ПА с малой скоростью (P_В = 0) условие (6.48) после учета формул (6.40) и (6.46) записывается в виде

. (6.48)

При равномерном движении (j = 0) двухосных и трехосных ПА по горизонтальной дороге (α = 0) с малой скоростью (P_В = 0) условие (6.48) после учета формул (6.36), (6.39) и (6.46) записывается в виде

(G₃₄/G) . (6.49)

Динамической характеристикой автомобиля D(υ) называют зависимость динамического фактора D (6.45) от скорости движения на различных передачах.

Для построения динамической характеристики необходимо:

1. На внешней характеристике двигателя М_e (см. рис. 5.9) выбрать несколько значений n_дi, и соответствующих им М_ei. По формуле (6.2) определить М_Дi;

2. По формуле (6.40) определить v_i , которые соответствуют n_дi, на первой передаче;

3. По формуле (6.45) определить D_i, соответствующие υ_i, на первой передаче. Повторить расчеты с п. 2 для каждой последующей передачи.

По динамической характеристике D(υ) определяются υ_max , a _max и υ_min.

Для определения υ_max на участке дороги с коэффициентом сопротивления качению f и уклоном а необходимо по оси ординат динамической характеристики D(υ) отложить коэффициент y (см. (6.38), масштаб D и y должен быть одинаков) и провести прямую, параллельную оси абсцисс. Возможны несколько случаев.

1. Если линия y (прямая 1 на рис. 6.7) пересекает динамическую характеристику в одной точке, то υ_max= υ₁, так как при превышении этой скорости не выполняется условие (6.48). В зависимости от y это пересечение может быть на любой передаче.

2. Если линия y (прямая 2 или 3 на рис. 6.7) не пересекает динамическую характеристику, то равномерное движение ПА при полностью открытой дроссельной заслонке карбюраторного двигателя или при максимальной подаче топлива дизельного двигателя невозможно, так как D > D_y и начинается разгон ПА. Чтобы обеспечить равномерное движение, водитель должен прикрыть дроссельную заслонку карбюраторного двигателя или уменьшить подачу топлива дизельного двигателя. Максимальная скорость ПА будет ограничена максимально допустимой угловой скоростью коленчатого вала двигателя. Например, υ_max= υ₂ при движении на пятой передаче и υ_max= υ₃ при движении на второй передаче.

3. Если линия y (прямая на рис.6.7) пересекает динамическую характеристику в двух точках, то ПА может равномерно двигаться как со скоростью υ₄, так и со скоростью υ₅.

4. Если линия y (прямая 5 на рис. 6.7) выше динамической характеристики, то не выполняется условие (6.48), и равномерное движение ПА при таком коэффициенте y невозможно.

Для определения (a_max необходимо по динамической характеристике определить максимальное сопротивление дороги D_y=D_max, которое может преодолеть ПА на первой передаче (рис. 6.7), и затем по формуле (6.46) вычислить a_max при известном коэффициенте f и j=0. Приближенно можно считать (6.16) и (6.38), что

tga_max = i_max= D_max - f. (6.50)

Скорость υ_min определяется, как правило, только для низшей (первой) передачи (рис. 6.7). Для определения υ_min ПА при движении по поверхности с твердым покрытием необходимо знать частичные характеристики двигателя и учитывать использование части крутящего момента двигателя M_Д на привод пожарного оборудования, например, насоса.

6.1.10. Разгон пожарного автомобиля

Время равномерного движения ПА невелико по сравнению с общим временем следования к месту вызова. При эксплуатации в городах ПА движутся равномерно не более 10...15 % времени. Более 40...50 % времени ПА движутся ускоренно.