employee
Krasnoyarsk, Russian Federation
The article is devoted to the development of an autonomous system for ensuring the stable operation of disc cutters in smoke-filled conditions. The relevance of the solution is determined by the problem of internal combustion engine performance degradation under oxygen deficiency in an irrespirable atmosphere. Based on theoretical calculations using Boyle-Mariotte's law and airflow equations, a system design was developed that utilizes a compressed air cylinder and a modified tool air intake unit. Experimental tests confirmed the effectiveness of the solution — stable tool operation was maintained throughout a 12-minute work cycle without using the air supply from the gas and smoke protection service members' breathing apparatus. The practical significance of the work lies in the creation of a simple, reliable, and cost-effective system that enhances the safety and autonomy of gas and smoke protection service units during emergency rescue operations
Fire safety, gas and smoke protection service, emergency rescue tool, disc cutter, operability in smoke-filled environment, autonomous air supply system
Обеспечение безопасности пожарно-спасательных подразделений при тушении пожаров и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций представляет собой одну из наиболее актуальных задач современной пожарной охраны. Эффективность действий спасателей напрямую зависит от надежности и бесперебойной работы применяемого технического оборудования, особенно в экстремальных условиях ведения боевых действий по тушению пожара [1]. Особое значение приобретает использование моторизированного аварийно-спасательного инструмента (МАСИ), который позволяет существенно сократить время проведения аварийно-спасательных работ (АСР) и повысить их результативность [2].
Среди всего многообразия МАСИ особое место занимают дисковые резаки с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), которые широко применяются для вскрытия металлических дверей, решеток и других конструкций. Однако современные условия пожаров характеризуются интенсивным задымлением, высокой температурой, наличием абразивной пыли, сажи и химически агрессивных веществ, что создает экстремальные условия для работы техники [3]. Особую проблему представляет недостаток кислорода в непригодной для дыхания среде (НДС), приводящий к нарушению нормального режима работы двухтактных ДВС, потере мощности, остановке двигателя и затрудненному повторному запуску [4].
Исследование факторов, влияющих на работоспособность двухтактных ДВС в НДС, выявило комплекс проблем. Ключевыми из них являются: снижение коэффициента избытка воздуха, ведущее к неполному сгоранию топлива; абразивный износ деталей цилиндропоршневой группы вследствие высокой концентрации твердых частиц; засорение воздушного фильтра, приводящее к падению давления в кривошипной камере и нарушению продувки цилиндра [5].
Особенностью двухтактных двигателей является их высокая чувствительность к качеству воздушного заряда, поскольку процессы газообмена в них осуществляются под действием перепада давлений между кривошипной камерой и цилиндром. Было установлено, что для стабильной работы двухтактного ДВС в условиях задымления необходимо обеспечить подачу очищенного воздуха в зону впуска с небольшим избыточным давлением [6].
По результатам анализа методики вскрытия дверей при помощи бензореза [7] выявлено, что работы по вскрытию состоят из нескольких этапов, при этом, при условии соблюдения методики и наличия опыта у боевого расчета, на непосредственную работу с дисковым резаком приходится около трех минут в режиме работы на максимальных оборотах и девяти минут работы на холостом ходу. Эти данные стали основой для последующих расчетов и разработки технического решения.
В случаях сильного задымления для стабильной работы двигателя дискового резака на практике применяют резервный дыхательный аппарат, обеспечивая подачу воздуха через впускные отверстия решетки воздухозаборника (рис. 1)».
а) б)
Рис. 1. Место забора воздуха дисковых резаков:
а) типа Husqvarna и Partner; б) типа STIHL
Анализ существующего способа поддержания работоспособности МАСИ в условиях задымления [8] выявил существенные недостатки применяемых решений. Использование воздуха от дыхательных аппаратов на сжатом воздухе (ДАСВ) звена ГДЗС приводит к сокращению времени их работы в задымленной зоне [9]. Альтернативные способы, такие как подача воздуха по гибкому воздуховоду [10] или использование автоматизированных систем [5] с микроконтроллерами, имеют ограничения, связанные с потерей мощности двигателя, сложностью и дороговизной реализации.
Для решения поставленной задачи был применен комплексный методический подход, включающий теоретические расчеты, экспериментальные исследования и практическую апробацию. Основой для расчетов послужили фундаментальные положения теории двигателей внутреннего сгорания и газодинамики.
Для определения потребности в воздухе использовалась теория ДВС с учетом особенностей работы двухтактных двигателей при различных режимах рабо
|
(1) |
где: Vвозд – необходимый объем воздуха для работы двухтактного ДВС, л;
mт.хх – массовый расход топлива на холостом ходу, кг/ч;
τхх – время работы инструмента на холостом ходу, ч;
mт.maх - массовый расход топлива при максимальной нагрузке, кг/ч;
τmax – время работы инструмента при максимальной нагрузке, ч;
– плотность воздуха, кг/м3.
P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2
P_1 \times V_1 = P_2 \times V_2
$$P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2$$
На основе закона Бойля-Мариотта был определен требуемый объем баллона со сжатым воздухом:
|
|
(2) |
где P₁ - давление в баллоне, МПа,
V₁ - объем баллона, л
P₂ - атмосферное давление, МПа;
V₂ - расчетная потребность воздуха для работы дискового резчика по вскрытию двери, л.
Для определения параметров воздуховода и редуктора использовалось уравнение расхода сжатого воздуха через дросселирующее устройство:
|
(3) |
где Q – расход воздуха, л/ч;
d – внутренний диаметр воздуховода, м;
– перепад давления, Па.
На основе этих расчетов были определены оптимальные параметры системы. Результаты расчетов для различных режимов работы представлены в таблице.
Таблица Параметры редуцируемого давления при различных требуемых расходах воздуха и диаметра воздуховодов
|
Массовый расход топлива, кг/ч |
Объемный расход воздуха, л/ч |
Внутренний диаметр воздуховода, мм |
||||
|
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
||
|
Показания манометра редуктора на выходе из баллона, МПа |
||||||
|
0,3 |
3,25 |
0,64 |
0,32 |
0,21 |
0,16 |
0,13 |
|
0,35 |
3,79 |
0,73 |
0,36 |
0,22 |
0,17 |
0,14 |
|
0,7 |
7,58 |
1,35 |
0,61 |
0,35 |
0,23 |
0,18 |
|
1 |
12,5 |
2,16 |
0,95 |
0,51 |
0,32 |
0,23 |
|
1,2 |
15 |
2,58 |
1,12 |
0,59 |
0,37 |
0,26 |
|
1,25 |
15,62 |
2,68 |
1,16 |
0,61 |
0,38 |
0,26 |
|
2,35 |
29,37 |
4,95 |
2,09 |
1,06 |
0,62 |
0,40 |
На примере дискового резака Stihl TS 420 с расходом топлива 0,3 кг/ч на холостом ходу и 1 кг/ч под нагрузкой была рассчитана потребность в воздухе для вскрытия одной двери, которая составила 1070,8 л, для чего необходим баллон объемом 3,6 л при давлении в нем 30 МПа. А при диаметре воздуховода 10 мм следует подобрать редуктор с возможностью снижения давления от 30 МПа (зависит от характеристик выбранного баллона и его рабочего давления) до 0,32 МПа при работе на холостом ходу и до 0,95 МПа при максимальных оборотах.
На основе полученных расчетов разработана автономная система подачи воздуха, состоящая из следующих основных элементов системы. В качестве источника сжатого воздуха выбран баллон БМК-300-В от самоспасателя «Фенист-300-2» объемом 4 л с рабочим давлением 29,4 МПа (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид системы после соединения элементов
Преимуществами данного баллона являются его низкая масса (3,4 кг) за счет применения безосколочных металлокомпозитных материалов, способность выдерживать воздействие высоких температур, а также наличие встроенного редуктора.
Модификация дискового резака заключалась в установке Г-образного фитинга на крышку воздушного фильтра с подключением его в центральной части фильтра для обеспечения равномерного распределения воздуха. В фильтровальной системе с циклонной предварительной очисткой подаваемый воздух создает подпор, предотвращающий попадание задымленной среды и обеспечивающий оптимальные условия для работы двигателя.
Экспериментальные испытания системы проводились в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации. В течение 12 минут работы дискового резака (3 минуты под нагрузкой и 9 минут на холостом ходу) осуществлялся мониторинг основных параметров системы.
После завершения испытаний в баллоне оставалось около 3,5 МПа воздуха, что соответствует расчетным значениям давлений и подтверждает адекватность примененной методики расчета. Наблюдался устойчивый подпор воздуха из системы воздухозабора, свидетельствующий о создании избыточного давления в полости воздушного фильтра. Это подтверждает эффективность предложенного решения в предотвращении засорения фильтра продуктами горения и обеспечении стабильного состава топливовоздушной смеси.
равнительный анализ разработанной системы с существующими аналогами показал ее существенные преимущества. Конструкция системы отличается простотой, что обуславливает ее высокую надежность и возможность ремонта в условиях пожара. Низкая стоимость доработки делает решение доступным для широкого внедрения в подразделениях пожарной охраны. Автономность от ДАСВ газодымозащитников позволяет сохранить время их работы в НДС, что напрямую повышает безопасность проведения АСР.Экспериментальные испытания подтвердили, что штатного композитного баллона объемом 4 л достаточно для обеспечения бесперебойной работы дискового резака в течение полного цикла вскрытия конструкций (12 минут). Внедрение данного решения способствует повышению эффективности и безопасности действий пожарно-спасательных подразделений при ликвидации чрезвычайных ситуаций.
1. Terebnev V.V. Pozharnaya tehnika. Pozharno-tehnicheskoe vooruzhenie. – M.: Centr Propagandy, 2007. – 113 s.
2. Klimovcov V.M. Sravnitel'nyy analiz sovremennyh obrazcov gidravlicheskogo avariyno-spasatel'nogo instrumenta // Tehnologii tehnosfernoy bezopasnosti. – 2008. – № 4(20). – S. 4.
3. Sacuk I.V. Zakonomernosti raspredeleniya i tehnicheskogo sostoyaniya ekspluatiruemyh pozharnyh avtomobiley // Sibirskiy pozharno-spasatel'nyy vestnik. – 2022. – № 2(25). – S. 31-38.
4. Palubec S.M., Kukshinov M.S., Sadovskiy A.A., Zelenenko K.V. Ustroystvo dlya podachi vozduha k dvigatelyu vnutrennego sgoraniya avariyno-spasatel'nogo instrumenta // Chrezvychaynye situacii: obrazovanie i nauka. – 2012. – T. 7, № 2. – S. 120-122.
5. Kononov I.A., Toporov A.V. Principial'naya shema ustroystva dlya obespecheniya rabotosposobnosti benzinovogo avariyno-spasatel'nogo instrumenta v usloviyah nedostatka vozduha // Nadezhnost' i dolgovechnost' mashin i mehanizmov. – Ivanovo, 2021. – S. 258-260.
6. Kononov I.A., Toporov A.V. Povyshenie takticheskih vozmozhnostey benzomotornogo ruchnogo mehanizirovannogo instrumenta, stoyaschego na vooruzhenii podrazdeleniy pozharnoy ohrany MChS Rossii // Obschenauchnye problemy inzhenernoy podgotovki kadrov MChS Rossii. – Himki, 2020. – S. 54-88.
7. Belikov, K. A. Osobennosti vskrytiya vhodnyh dverey pri pomoschi benzoreza / K. A. Belikov, O. N. Belorozhev // Aktual'nye voprosy pozharotusheniya : Sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii, Ivanovo, 30 maya 2019 goda. – Ivanovo: Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya Gosudarstvennoy protivopozharnoy sluzhby Ministerstva Rossiyskoy Federacii po delam grazhdanskoy oborony, chrezvychaynym situaciyam i likvidacii posledstviy stihiynyh bedstviy», 2019. – S. 11-14.
8. Maksimkin V.A. Uluchshenie effektivnosti raboty zven'ev gazodymozaschitnoy sluzhby v neprigodnoy dlya dyhaniya srede s ispol'zovaniem avariyno-spasatel'nogo instrumenta dlya vskrytiya konstrukciy (benzoreza) // Sbornik materialov «Est' ideya!» XII Mezhdunarodnogo salona sredstv obespecheniya bezopasnosti «Kompleksnaya bezopasnost' 2019». – M.: FGBU VNIIPO, 2019. – S. 26-33.
9. Shirinkin P.V., Troyak A.Yu., Kurtov S.O. [i dr.] K voprosu osnaschennosti instrumentom i oborudovaniem osnovnyh pozharnyh avtomobiley obschego primeneniya // Sibirskiy pozharno-spasatel'nyy vestnik. – 2022. – № 2 (25). – S. 15–23.
10. Ustroystvo dlya podachi vozduha k dvigatelyu vnutrennego sgoraniya avariyno-spasatel'nogo instrumenta / S. M. Palubec, M. S. Kukshinov, A. A. Sadovskiy, K. V. Zelenenko // Chrezvychaynye situacii: obrazovanie i nauka. – 2012. – T. 7, № 2. – S. 120-122.
