сотрудник
Красноярский край, Россия
Статья посвящена разработке автономной системы для обеспечения стабильной работы дисковых резаков в условиях задымления. Актуальность решения обусловлена проблемой нарушения работоспособности двигателей внутреннего сгорания при недостатке кислорода в непригодной для дыхания среде. На основе теоретических расчетов по закону Бойля-Мариотта и уравнениям расхода воздуха разработана конструкция системы, использующая баллон со сжатым воздухом и модифицированный узел воздухозабора инструмента. Экспериментальные испытания подтвердили эффективность решения - в течение 12-минутного рабочего цикла обеспечена стабильная работа инструмента без использования ресурса дыхательных аппаратов газодымозащитников. Практическая значимость работы заключается в создании простой, надежной и экономически эффективной системы, повышающей безопасность и автономность звеньев ГДЗС при проведении аварийно-спасательных работ
Пожарная безопасность, газодымозащитная служба, аварийно-спасательный инструмент, дисковый резак, работоспособность в задымленной среде, автономная система подачи воздуха
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. Теребнев В.В. Пожарная техника. Пожарно-техническое вооружение. – М.: Центр Пропаганды, 2007. – 113 с.
2. Климовцов В.М. Сравнительный анализ современных образцов гидравлического аварийно-спасательного инструмента // Технологии техносферной безопасности. – 2008. – № 4(20). – С. 4.
3. Сацук И.В. Закономерности распределения и технического состояния эксплуатируемых пожарных автомобилей // Сибирский пожарно-спасательный вестник. – 2022. – № 2(25). – С. 31-38.
4. Палубец С.М., Кукшинов М.С., Садовский А.А., Зелененко К.В. Устройство для подачи воздуха к двигателю внутреннего сгорания аварийно-спасательного инструмента // Чрезвычайные ситуации: образование и наука. – 2012. – Т. 7, № 2. – С. 120-122.
5. Кононов И.А., Топоров А.В. Принципиальная схема устройства для обеспечения работоспособности бензинового аварийно-спасательного инструмента в условиях недостатка воздуха // Надежность и долговечность машин и механизмов. – Иваново, 2021. – С. 258-260.
6. Кононов И.А., Топоров А.В. Повышение тактических возможностей бензомоторного ручного механизированного инструмента, стоящего на вооружении подразделений пожарной охраны МЧС России // Общенаучные проблемы инженерной подготовки кадров МЧС России. – Химки, 2020. – С. 54-88.
7. Беликов, К. А. Особенности вскрытия входных дверей при помощи бензореза / К. А. Беликов, О. Н. Белорожев // Актуальные вопросы пожаротушения : Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, Иваново, 30 мая 2019 года. – Иваново: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ивановская пожарно-спасательная академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий», 2019. – С. 11-14.
8. Максимкин В.А. Улучшение эффективности работы звеньев газодымозащитной службы в непригодной для дыхания среде с использованием аварийно-спасательного инструмента для вскрытия конструкций (бензореза) // Сборник материалов «Есть идея!» XII Международного салона средств обеспечения безопасности «Комплексная безопасность 2019». – М.: ФГБУ ВНИИПО, 2019. – С. 26-33.
9. Ширинкин П.В., Трояк А.Ю., Куртов С.О. [и др.] К вопросу оснащенности инструментом и оборудованием основных пожарных автомобилей общего применения // Сибирский пожарно-спасательный вестник. – 2022. – № 2 (25). – С. 15–23.
10. Устройство для подачи воздуха к двигателю внутреннего сгорания аварийно-спасательного инструмента / С. М. Палубец, М. С. Кукшинов, А. А. Садовский, К. В. Зелененко // Чрезвычайные ситуации: образование и наука. – 2012. – Т. 7, № 2. – С. 120-122.
