Пожарная техника / Глава 10

Глава 10. Компоновка пожарных автомобилей

Работа двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств обеспечивает транспортный процесс-перевозку грузов различного назначения. В транспортном режиме пожарного автомобиля его условия эксплуатации отличаются особенностями движения при выполнении оперативных заданий и еще тем, что пожарные автомобили не имеют холостых (без груза) пробегов. Однако они эксплуатируются еще и в стационарном режиме пожарной машины, когда существенно изменяется их охлаждение. Поэтому становится необходимым оценивать согласование в этих условиях, режимы работы двигателя с потребителями энергии.

Особенности оперативного использования ПМ требуют выполнения работ по развертыванию пожарного оборудования в минимальное время. Поэтому его размещение требует особых условий, учитывающих приспособленность к человеку.

10.1. Согласование режимов работы двигателя ПА

и потребителей энергии

Потребителями энергии могут быть генераторы электрического тока, лебедки, компрессоры, приводы механизмов пожарных автолестниц и автоколенчатых подъемников, а также пожарные насосы на автоцистернах и автонасосах.

Мощность потребителей энергии на пожарных машинах сравнительно небольшая, да и эксплуатируются они в основном (кроме пожарных насосов) при постоянных скоростных режимах. Поэтому согласование режимов их эксплуатации и двигателя в основном осуществляется по скоростным параметрам. Рассмотрим это на следующем примере (рис. 10.1).

На этом рисунке кривая 2 является частичной скоростной характеристикой, ограничивающей мощность двигателя при его работе в стационарном режиме. Кривая 3 характеризует крутящий момент, соответствующий частичной скоростной характеристике (кривая 2). Прямая 4 характеризует максимальную мощность потребителя. Диапазон скоростных его режимов от n_м до n_к может быть рекомендован для привода потребителя. Зная обороты вала потребителя энергии n_п и выбранные обороты двигателя n_дв, определяют передаточное отношение привода:

. (10.1)

Более сложным является согласование режимов эксплуатации пожарных насосов и двигателей. Пожарные насосы эксплуатируются в широком интервале величин развиваемых ими напоров и подач воды. Изменение от максимальных до минимальных значений величин напоров и подач воды образуют поле эксплуатации насосов. Естественно, что каждой точке этого поля будет соответствовать величина потребляемой мощности. Вот эти мощности и необходимо согласовать с полем мощности, отдаваемой двигателем в стационарном режиме работы двигателя.

Для осуществления процедуры согласования необходимо знать зависимости напоров Н, м, развиваемых насосами, от величин подачи Q, л/с. Такие зависимости H = f(Q) при заданной величине высоты всасывания h_вс = 3,5 м и постоянных оборотах вала насоса получают экспериментально. При этом, естественно, определяют мощность N = f(Q) и значение коэффициента полезного действия.

Было установлено, что изменение Н, N и η в зависимости от величины Q можно выразить аналитически:

у_і = A_i + B_iQ - C_iQ² , (10.2)

где i = 1 – величина напора, м вод.ст.; i = 2 – величина потребляемой мощности, кВт; i = 3 – значение коэффициента полезного действия; Q – подача насоса, л/с.

При определении мощности N, потребляемой пожарным насосом, необходимо учитывать ее потери в трансмиссии. При этом будет определена мощность, отдаваемая двигателем. Потери мощности учитываются коэффициентом полезного действия трансмиссии:

, (10.3)

где = 0,97 – КПД зубчатой передачи; = 0,99 – КПД карданного вала; η_п.о= 0,99 – КПД промежуточной опоры; к – количество зацеплений зубчатых колес или опор карданного вала.

С учетом КПД трансмиссии насоса потребляемая им мощность N_н равна

, (10.4)

где N'_н – мощность, вычисленная по формуле (10.2).

Значения Н, N и η, вычисленные по формулам (10.2) и (10.4), характерны только при одной скорости n_н вала насоса. Они изображены кривыми ав и a'в' на рис. 10.2.

Для того чтобы определить поле мощности, потребляемой насосом, необходимо построить зависимости Н = f(Q) и N = f(Q) при частотах вращения вала n_н2 и n_н3. Предположив, что подача воды насосом возможна при 0,5 Н_ном, выбирают величину n_н3. Это соответствует n_н3  0,65 n_н1. Величину n_н2 выбирают в интервале от n_н1 до n_н3.

Обозначим выбираемую скорость n_нх, тогда соответствующие ей значения Q, Н и N определим на основании формулы теории подобия:

. (10.5)

Вычисленные значения Н_х и N_х при различных скоростях n_N изображают, как показано на рис. 7.18. Поле а'b'dc' характеризует потребляемую насосом мощность.

Для сопоставления отбираемой от двигателя мощности и мощности, потребляемой насосом, необходимо согласовать частоты вращения вала двигателя n_дв с частотами вращения n_н вала насоса. Это согласование осуществляется передаточным отношением коробки отбора мощности по формуле

(10.6)

где n_N – частота вращения вала двигателя при максимальной мощности, об/ мин; n_н1 – номинальная частота вращения вала насоса, об/мин.

Рис.10.2. Согласование режимов работы двигателя и пожарного насоса

Используя передаточное отношение, легко находим частоты вращения вала двигателя, соответствующие скоростям вала насоса n₁= i n_н1, n₂ = in_н2 и т.д. Полученные значения частот вращения вала двигателя устанавливаем на оси частот вращения двигателя в третьем квадранте графической схемы расчета. Затем в этом квадранте строим внешнюю скоростную характеристику двигателя и, как указывалось выше, определяем точку К. Из точек n₁, n₂ и n₃ на оси абсцисс опускаем перпендикулярные прямые. На них с помощью горизонтальных прямых c'...c'', d'...d'' и т.д. находим точки a''e"c"d"f"в". Соединяя эти точки отрезками прямых и кривых линий, определяем поле мощности, потребляемой насосом. Если имеется требуемый запас мощности в точке К, то двигатель будет эксплуатироваться в стационарных условиях работы без перегрева.

Из анализа рис.10.1 следует, что прямые линии a''в" в третьем квадрате характеризуют потребляемую насосом мощность при изменении величин подачи воды от Q_min до Q_max при заданной частоте вала насоса n_н1.

Прямая c"d" характеризует потребляемую насосом мощность при частоте вращения вала насоса n_н3, соответственно.

Кривая a''c" характеризует изменение потребляемой мощности при минимальной подаче насоса в зависимости от частоты вращения вала насоса (n_н3 - n_н2 - n_н1), а следовательно, и величин развиваемого напора. Кривая a''d" характеризует тоже, но при максимальной подаче воды насосом.

В поле мощности, потребляемой пожарным насосом, точка в" характеризует максимальную подачу при n_н1 , а точка c" – минимальную при

n_н3 .

Совмещение полей мощности двигателя и насоса позволяет определять и наиболее экономичные по расходу топлива режимы. Для такой оценки на поле мощностей двигателя наносят изолинии удельных расходов топлива.

Изолинии удельных расходов топлива характеризуют его расход в г (граммах) на один киловатт мощности, потребляемой в течение часа – г/кВт·ч. Такие изолинии расхода топлива для одного из дизелей, используемых на ПА, показаны на рис.10.3.

Рис.10.3. Расход топлива (q_e г/кВт) и выбросы сажи г/кг топлива)

в отработавших газах двигателя ЯМЗ-236:

расходы топлива: 1 -225; 2 – 250; 3 – 300; 4 – 375;

выбросы сажи: 5 – 0,05; 6 – 0,1; 7 – 0,2

На поле мощности этого дизеля размещено поле мощности, потребляемой насосом ПН-40УВ a''в"c"d" . В этом поле точки в" и a'' соответствуют подаче насоса 40 л/с и 4 л/с при частоте вала насоса n_н1 = 2700 об/мин, соответственно. Точки d" и c" характеризуют подачу воды 40 л/с и 4 л/с при частоте вала насоса n_н3 = 1700 об/мин, соответственно.

Линии 1 – 4 характеризуют изолинии расходов топлива в г/кВт·ч при различных режимах работы двигателя. Общее заключение из сравнения удельных расходов топлива при различных режимах работы двигателя сводятся к следующему: удельные расходы топлива уменьшаются при повышении мощности двигателя и частоты вращения его коленчатого вала.

Кроме продуктов полного сгорания – углекислого газа и паров воды, в выпускных газах двигателей внутреннего сгорания содержится в небольших количествах вещества, обладающие токсическим действием. Это – продукты неполного сгорания топлива: окись углерода СО, углеводороды различного состава и строения СН, в том числе, пары несгоревшего топлива, сажа (углерод С), а также окислы азота воздуха NO_x/

Окись углерода СО образуется при сгорании богатой смеси ( α > 1) вследствие недостатка кислорода для полного сгорания топлива.

Образование углеводородов СН связано с замедлением реакций окисления в простенном слое топливовоздушной смеси в камере сгорания.

Азот – химически инертный газ. При высокой температуре реагирует с кислородом, образуя NO. В атмосферном воздухе происходит медленное окисление NO в двуокись азота NO₂ . Ее токсичность значительно выше токсичности NO.

В выпускных газах дизелей образуется сажа. Она сама по себе малоопасна. Однако на ней адсорбируются бензпирен (полициклический углеводород ароматического ряда), который обладает концерогенным действием.

Неравномерный расход топлива в поле мощности двигателя, различие режимов его работы являются причиной неравномерного выделения токсичных веществ в отработавших газах двигателя.

Содержание токсичных примесей в отработавших газах двигателя представляют в граммах на один килограмм сгоревшего топлива (г/кг топлива).

Содержание сажи в отработавших газах двигателя представлено на рис.10.3. в виде изолиний с различным ее содержанием (кривые 5,6 и 7). Из рисунка следует, что поле мощности a''в"c"d" , потребляемой пожарным насосом, размещено в области с минимальным содержанием сажи в отработавших газах. Ее количество увеличивается при увеличении мощности, развиваемой двигателем и частоты вращения его коленчатого вала (кривые 5,6 и 7). Эксплуатация двигателя в области указанных режимов будет сопровождаться увеличением количества сажи в отработавших газах двигателя, следовательно, она нежелательна.

Изолиний равных количеств окиси углерода СО (кривые 1-4) и окиси азота NO_x (кривые 5,6 и 7) представлены на рис.10.4. Содержание С в отработавших газах двигателя увеличивается в области малых знаний мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Это характерно для работы насоса с малыми подачами и напорами, развиваемыми им. Однако содержание окислов азота тем больше, чем больше мощности, развиваемые двигателем и частоты вращения его коленчатого вала. Следовательно, необходимо выбрать какие-то средние режимы эксплуатации двигателя.

Рис.10.4. Выбросы оксида углерода (С г/кг топлива) и окислов азота (г/кг топлива) в отработавших газах:

1 – оксид углерода 0,25; 2 – тоже 0,5; 3 – тоже 0,75; 4 – 1,0; окислы азота: 5 – 0.6; 6 – 0,4; 7 – 0,2

10.2. Компоновка пожарного автомобиля

Общие требования. Компоновка – составление целого из частей. В пожарном автомобиле, как уже указывалось, частями являются базовые шасси и пожарная надстройка для размещения цистерн и баков для огнетушащих веществ, пожарного насоса и пожарного оборудования, дополнительная кабина (салон) для личного состава.

На большинстве автомобилей установлены поршневые карбюраторные двигатели или дизели. Наиболее часто двигатели расположены впереди кабины.

Шасси объединяет несущую систему, трансмиссию, мосты, подвеску, колеса, рулевое управление и тормозные системы. Они могут быть полноприводными (4х4; 6х6) и неполноприводными (4х2; 6х2; 6х4).

Кузов грузового автомобиля, размещаемый на раме шасси, состоит из платформы под груз и кабины водителя.

Для создания пожарных машин на шасси грузовых автомобилей сооружают пожарную надстройку. В зависимости от назначения пожарного автомобиля надстройка может включать кабину (салон) для боевого расчета, различные механизмы, цистерны и баки для огнетушащих веществ, пожарно-техническое вооружение.

Пожарная надстройка с содержимым в ней оборудованием и огнетушащими веществами является, таким образом, перевозимым грузом. Масса этого груза постоянна, т.е. пожарный автомобиль не имеет холостых пробегов. По определению, он эксплуатируется в оперативном, т.е. транспортном режиме и в режиме стационарном, когда ПА установлен для выполнения основных работ, т.е. когда работает двигатель и потребители его энергии.

Компоновка пожарных автомобилей должна быть такой, чтобы реализовались его технические возможности в транспортном режиме, в условиях, ограничивающих маневрирование, и в стационарных режимах (работа на месте) при воздействии на него опасных факторов пожара.

Технический уровень и совершенство конструкции пожарной надстройки, а также рациональная ее компоновка с базовым шасси должны обеспечивать реализацию всех требований, предъявляемых к пожарным автомобилям. При этом компоновка должна:

не снижать характеристик безопасности базового шасси;

обеспечивать в минимальное время осуществление действий по тушению пожаров с безопасностью для личного состава;

удовлетворять требованиям охраны труда пожарных и окружающей среды.

Все эти требования будут рассматриваться применительно к автоцистернам. Это обусловлено тем, что они составляют основную массу ПМ. АЦ укомплектованы наиболее многочисленными боевыми расчетами. АЦ перевозят смещаемые и несмещаемые грузы. Важно и то, что большинство пожаров тушат автоцистернами.

Осуществляя компоновку ПА в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, выполняются следующие общие требования:

а) величина полной массы ПА не должна превышать 95% от величины максимальной массы, установленной для базового шасси;

б) удельная мощность (отношение максимальной мощности двигателя к полной массе ПА) должна быть не менее 11 кВт/т;

в) компоновка составных частей на раме автомобиля должна обеспечивать рациональное распределение массы ПА между осями. При этом нагрузка на управляемую ось должна составлять не менее 25% от полной массы ПА. Нагрузка на колеса правого и левого борта могут различаться не более ±1% от полной массы.

Некоторые особенности компоновок других типов ПА будут рассмотрены при описании их конструкций.

Компоновка пожарного автомобиля должна удовлетворять требованиям эргономики, т.е. она должна соответствовать антропометрическим свойствам человека. Основным параметром ее является рост человека. Все остальные размеры (ширина плеч, таза, длины рук и т.д.) определяются его ростом.

Антропометрическая характеристика пожарных принята по величине роста пожарных средней полосы европейской части нашей страны. Было установлено, что рост пожарных характеризуется нормальным законом распределения. Средний рост рост пожарных принят равным 170,5 см. По 5% пожарных самого низкого и самого высокого роста были исключены, как очень редко встречающиеся. Следовательно, учитывались пожарные 5 перцентилей (164,5 см) и 95 перцентилей рост 188,5 см).

Особенности компоновок АЦ. Компоновка АЦ обеспечивает рациональное взаимное расположение элементов надстройки и агрегатов базового шасси. От ее совершенства зависит возможность наиболее эффективной реализации технических возможностей АЦ. В основном она зависит от численности расчетов, а также взаимного расположения цистерн и баков для огнетушащих веществ и пожарного насоса. Последнее будет определять и компоновку отсеков для пожарного оборудования (ПО).

Требования к компоновке АЦ формулирует заказчик. Ее анализ важен также и для потребителя.

Две особенности важны для компоновок АЦ.

Первая особенность, важная для всех ПА, – это размещение салона боевого расчета за кабиной базового шасси. Вторая особенность состоит в том, что размещение цистерны для воды, по существу, определяет всю компоновку.

Размещение цистерны может быть осуществлено вдоль или поперек продольной оси базового шасси (рис. 10.5). Оно и определяет собой возможности и ограничения компоновок ПН и П). Так, при поперечном размещении цистерны пожарный насос можно установить только сзади в кормовом насосном отсеке.

Рис. 10.5. Классификация компоновок АЦ

Компоновка салонов. В зависимости от численности боевого расчета АЦ, как и другие ПА, могут иметь посадочные формулы 1+2; 1+6; 1+8. Каждой из них соответствует своя компоновка салона. Во многих ПА и некоторых АЦ используется кабина базового шасси (рис. 10.6, а). В АЦ могут быть салоны с одним (рис. 10.6, б) или двумя рядами сидений. В салонах возможно размещение СИЗОД или установка пожарного насоса (рис. 10.6, б).

Несколько иная компоновка АЦ на шасси КамАЗ (рис. 10.6, г). Кабина боевого расчета отделена от кабины водителя промежутком с. Кроме того, отсеки 4 могут быть посередине и в кормовой части.

Подножки для доступа в салон устраивают на высоте, обеспечивающей пожарным малого роста свободное пользование ими. Размеры кабин салонов, дверей у них, а также сидений определены, исходя из роста высоких пожарных.

Удобство размещения пожарных в КБР ПА оценивается такими конструктивными параметрами КБР, как длина, ширина, высота КБР; высота расположения сиденья; глубина сиденья; угол наклона подушки сиденья; угол, образованный подушкой и спинкой сиденья; угол наклона спинки сиденья (рис.10.7).

Все соединяемые детали салона должны иметь уплотнения, препятствующие проникновению в кабину пыли, атмосферных осадков и потере тепла. В салоне размещают один или несколько огнетушителей, а также аптечку. Оборудование должно размещаться так, чтобы исключалась возможность его самопроизвольного перемещения при движении автомобиля, а острые углы не наносили травму пожарным.

Сосуды для ОТВ. На АЦ имеются цистерны для воды и баки для пенообразователя. Вместимость цистерн и их форма во многом влияют на компоновку и безопасность движения.

Рис.10.7 Параметры, характеризующие удобство занимаемой позы пожарных в КБР при следовании к месту пожара и оказывающие влияние на основные конструктивные размеры КБР:

α – угол, характеризующий наклон туловища (спинки сиденья);

β – угол, между бедром и туловищем (угол между подушкой и спинкой сиденья);

γ – угол между бедром и голенью;

х – угол наклона полушки сиденья;

h_с – высота сиденья;

1,2,3,4 – проекция стопы, голени, бедра, туловища на горизонтальную плоскость;

⁰ – длина туловища пожарного с головой 95Р в каске;

Δ – расстояние между каской пожарного и потолком салона КБР;

Н_{КБР –} высота КБР;

L_КБР – длина КБР.

Значения х и α зависят от высоты сиденья h_с . Так, при значениях h_с = 290…330 мм х рекомендуется принимать соответственно равным 10⁰…8⁰. Угол α может изменяться в более широких пределах. Для минимального значения h_с = 290 мм рекомендуется α = 5⁰…20⁰, а при максимальном его значении рекомендуется α = 3⁰…18⁰.

Независимо от величины h_с углы и рекомендуются в пределах 85⁰ ≤ β ≤ 100⁰ и 90⁰ ≤ γ ≤ 120⁰.

Сиденья, сооруженные с указанными параметрами обеспечат комфортные условия пожарным при движении пожарного автомобиля.

Традиционно в нашей стране цистерны устанавливали вдоль продольной оси базового шасси. На АЦ с большой вместимостью цистерн стали применять поперечное их размещение (рис. 10.6, в, г). Такая компоновка позволяет более рационально распределять массу ПА по осям, что обеспечивает в случае полноприводных шасси более равномерную реализацию тяговых сил на колесах и улучшает управляемость АЦ.

Цистерны большой вместимости в поперечном сечении имеют прямоугольную форму. По сравнению с другими формами (круглое или эллиптическое) в этом случае значительно уменьшается высота центра массы Н.

В зависимости от степени заполнения цистерны Н уменьшается на 8 – 10 %. Поэтому необходимо после тушения пожара заполнять цистерну водой. Это требуется для обеспечения оперативной готовности АЦ.

В отличие от грузовых автомобилей пожарные автоцистерны перевозят смещающиеся грузы. В АЦ таким грузом является вода. Ее колебания оказывают большое влияние на безопасность движения. Гашение колебаний жидкости осуществляется волноломами.

Волноломы – это перегородки, устанавливаемые поперек цистерны перпендикулярно его продольной оси. Площадь перегородки должна составлять до 95 % от площади поперечного сечения цистерны. Гашение колебаний жидкости волноломами происходит более интенсивно, если их устанавливать под углом 30 – 35^о с наклоном в сторону кормы. В АЦ с поперечным расположением цистерны и пенобаков волноломы устанавливают вдоль оси автомобиля. Гашение колебаний жидкости может осуществляться и губчатым заполнителем, например, на основе полиуретана.

Пожарные насосы. На практике применяют переднее, среднее и заднее размещение насосов. Переднее расположение, главным образом, шестеренных насосов применяется на маломощных, упрощенных автоцистернах. В нашей стране преимущественное распространение получили компоновочные схемы с задним размещением насосов (рис. 10.5).

Схемы компоновок со средним расположением насосов имеют ряд достоинств: улучшаются условия управления насосом, упрощается конструкция трансмиссии, что позволяет уменьшать не только ее массу, но и высоту центра массы, нет необходимости специально обогревать насос. Однако такая схема компоновки имеет и существенные изъяны. Во-первых, возрастает травмоопасность личного состава в кабине в случае ДТП. Во-вторых, вывод всасывающих патрубков на стороны делает забор воды менее удобным, чем в случае компоновки с задним расположением насоса.

Компоновка насоса должна обеспечивать управление насосом пожарными любого роста. Этому же требованию должны удовлетворять расположение сливных кранов, кранов включения дополнительной системы охлаждения двигателя при ее наличии.

Кузов АЦ. В кузовах размещают цистерны и баки для огнетушащих веществ, насосы с водопенными коммуникациями, приводы их управления и пожарно-техническое вооружение ПТВ. Кузова компонуют из различных деталей в зависимости от принятого способа расположения цистерны для воды. В случае размещения цистерны вдоль шасси кузов изготавливают из двух цельнометаллических бескаркасных тумб. Они крепятся к кронштейнам цистерны болтами. Тумбы внутри разделены на отсеки, в которых размещается ПО.

В различных конструкциях АЦ по их борту в тумбах может быть по 2 – 4 отсека. Отсеки снаружи закрываются дверями с замками. Двери навешивают на петлях. Двери могут быть выполнены по схеме, открывающимися вверх с подпружиненными телескопическими стойками или шторного типа.

Пространство между тумбами и задним днищем цистерны используется под насосное отделение. В случае среднего размещения насоса в кормовой части образуется отсек для ПО.

Перечень ПО, возимого на АЦ, включает более 50 наименований различных приспособлений и устройств. На других ПА, например, автомобилях специального применения, перечень ПТВ значительно меньше.

Пожарное оборудование на пожарных автомобилях используется крайне неравномерно. Частота его применения на АЦ изменяются в очень широких пределах. Так, пожарные насосы включаются в работу на всех пожарах. Рукава всасывающие, в зависимости от их диаметра и развития водопроводной сети в городах, используются на 4…10%. всех пожаров. Пожарные напорные рукава диаметром 51 мм применяют на 80% пожаров, а диаметром 77 мм – только на 20% пожаров; а, например, гидроэлеватор – только на 1,1% всех случаев тушения пожаров.

Различные образцы ПО различаются по массе, размерам и занимаемым ими объемам. Так, масса комплекта пожарных рукавов на АЦ-40(131)137 составляет 270 кг, а объем, занимаемый ими равен 35…40% объема отсеков. Масса колонки пожарной равна 18 кг, а габаритные размеры находятся в пределах 430х190х1090 мм, пеносмесители различного типа имеют массу 4,6…6 кг при длине 420…520 мм, стволы различного назначения при длине до 450 мм имеют массу до 2 кг и т.д. Общая масса возимого и снимаемого с ПА пожарно-технического вооружения находятся в пределах 500…700 кг.