Обеспечение пассивной безопасности пожарных автомобилей

Пожары возникают и развиваются всюду, где есть горючие материалы и источники их воспламенения. Пожар – это неконтролируемое горение. Он характеризуется большой скоростью распространения пламени, сопровождается выделением большого количества тепловой энергии и, следовательно, быстрым увеличением температуры вблизи очага горения. Кроме того, в продуктах горения содержатся: сажа, окислы различных газов, ядовитые вещества и т.д.

Таким образом, пожары характеризуются быстрым нарастанием опасных факторов пожара. Это и создает большую опасность для жизни людей и приводит к быстрому уничтожению материальных ценностей. Следовательно, необходимо как можно быстрее ликвидировать загорание и потушить пожар, т.е. создать условия, при которых процессы горения не могут развиваться.

Горению подвергаются материалы различного агрегатного состояния. Тушение их требует применения огнетушащих веществ, обеспечивающих рациональный механизм тушения. Для его реализации в очаг горения должно подаваться необходимое огнетушащее вещество с определенной интенсивностью.

Таким образом, для успешного тушения пожаров следует выполнять два основных требования: как можно быстрее начать их тушение и подавать в очаг горения огнетушащие вещества требуемого состава и с необходимой интенсивностью. Эти два требования отражаются в технических характеристиках пожарной техники.

Пожарная техника – это технические средства тушения пожара, ограничения его развития, защиты людей и материальных ценностей от него.

В настоящее время пожарная техника охватывает большой арсенал различных средств: первичные средства пожаротушения, пожарные машины, установки пожаротушения и средства связи.

Перед началом тушения пожаров могут выполняться ряд специальных работ: разведка пожара, спасание людей, и т.д. Для выполнения этих работ требуется номенклатура специальных пожарных машин со специальным оборудованием.

Пожарная машина – это транспортная или транспортируемая машина, предназначенная для тушения пожара.

Пожарные машины создаются на основе различных транспортных средств: колесных и гусеничных машин, плавательных и летательных аппаратов, поездов. Их называют: пожарные автомобили (ПА), пожарные катера, суда, вертолеты, поезда.

Пожарными автомобилями укомплектованы подразделения Государственной противопожарной службы (ГПС). Пожарными автомобилями укомплектовываются также подразделения пожарной охраны различных министерств (железнодорожный транспорт, лесное хозяйство и т.д.).

Пожарные автомобили состоят из шасси, основы транспортного средства, и пожарной надстройки. Она может включать салон для боевого расчета, агрегаты различного назначения (КОМ, пожарные насосы, СПС), емкости для огнетушащих веществ, отсеки для пожарно-технического вооружения (ПТВ).

Разнообразие пожаров и условий пожаротушения, а также выполняемых работ при боевых действиях потребовали создания ПА различного назначения[1].

Так, жаркое лето 2010 г. и губительные лесные пожары в большинстве областей Центра Европейской части России, приведшие не только уничтожению материальных ценностей, но в том числе и к человеческим жертвам, заставляют задуматься о таких специфических ситуациях работы ПА, как работа в горящем лесу, а, следовательно, и создание специальных ПА, предназначенных для работы в лесных массивах. Основными требованиями, предъявляемыми к данным ПА являются: высокая проходимость, высокая боевая готовность, мобильность развертывания, безопасность и т.д. Примером активного использования таких автомобилей могут послужить зарубежные варианты, некоторые из которых показаны на рисунках 1 и 2.

Рис.1 AMERICAN LA FRANCE Brushmaster

На рисунке 1 представлен ПА AMERICAN LA FRANCE Brushmaster, предназначенный для разведывания очагов возгорания и их мгновенной локализации. Страна производитель США.

Рис.2 Mercedes-Benz Zetros

В свою очередь на рисунке 2 представлен ПА на шасси Mercedes-Benz Zetros также предназначенный для патрулирования лесных массивов, разведывания очагов возгорания и их мгновенной локализации. Страна производитель ФРГ.

В отличие от обычных автомобилей, пассивная безопасность которых достаточно полно регламентируется соответствующими нормативными документами (ГОСТ Р, Правила ЕЭК ООН) и должна быть обеспечена производителем в полном соответствии с ними, обеспечение пассивной безопасности пожарных машин требует дополнительного рассмотрения и внимательного анализа.

Примером служит рассмотрение такой достаточно специфической ситуации, как достаточно частое падение на ПА ствола обгоревшего дерева. Если это 40 - 50-летний лесной массив, то длина ствола дерева l может превосходить 25 м, а его максимальный диаметр d приближается к 0,5 м. Понятно, что если конструкция машины не предусматривает защиту от такого неожиданного случая, возможны очень серьезные повреждения элементов конструкции ПА вплоть до полного выхода ПА из рабочего состояния. Также возможны серьезные травмы и даже гибель пожарного расчета, находящегося в его кабине или обслуживающего его во время работы по обеспечению тушения очага возгорания. Ситуация усугубляется тем, что ПА имеет емкости с легковоспламеняющимся топливом для двигателя, поэтому в случае их разрушения или повреждения топливопроводов ПА сам может стать новым источником пожара или способствовать его интенсификации.

Одним из возможных решений этой проблемы может быть оснащение такой пожарной машины специальным защитным каркасом безопасности. Попробуем определить некоторые исходные параметры для расчета такого каркаса безопасности ПА. Схема ситуации и основные геометрические параметры представлены на рисунке 3.

Принято, что центр масс обгоревшего ствола располагается в зоне 1/3 его высоты. При средней плотности ствола сосны р_с = 0,7 т/м , полная масса т_ст 25-метрового ствола составит:

т,

Рис. 3 Схема падения дерева на ПА.

Время снижения центра масс ствола дерева при его свободном падении до высоты 2,5 — 3 м (ориенти­ровочное расположение по высоте точки встречи ствола с опоясывающим верхнюю часть корпуса автомобиля защитным каркасом) будет в пределах

1 — 1,1 с (пройденное им при этом расстояние по высоте составит 5,5 — 6 м). Вертикальная скорость V движения центра масс в этой точке (g = 9,81 м/с ) будет на уровне 10,7 м/с. Кинетическая энергия Q падающего ствола в этот момент составит:

Эта энергия рассеивается за счет деформации элемента защитного каркаса безопасности (ориентировочно допустимой может быть деформация порядка 0,5 м), а также за счет прогиба подвески автомобиля и его шин (всего около 0,15 м) и прогиба ствола дерева в центре масс (ориентировочно 0,5 м), т.е. работа силы сопротивления происходит на пути S = 1,15 м. Тогда средняя величина силы, действующей на каркас в точке контакта со стволом:

F = Q/S = 62970 /1,15 = 54756 Н ~ 5,5 тс.

Таким образом, защитный каркас пожарной машины, подготовленной к тушению пожаров в лесных массивах, должен рассчитываться на приложение в расчетной точке сосредоточенной вертикальной нагрузки величиной не менее 5,5 тс [2].

Все полученные расчетные данные легли в основу разработки каркаса безопасности (машины лесопатрульной пожарной) МЛП готовящуюся в реальное производство Нижегородской компанией по производству пожарных автомобилей, цветографическая схема которого представлена на рисунке 4.

Рис.4 Цветографическая схема автомобиля МЛП.

На основе ранее полученных расчетов и последующей проработкой компоновки автомобиля, было принято решение о предварительном расчете каркаса безопасности, а также оценки прочности и пассивной безопасности с использованием пакета конечно-элементного анализа ABAQUS, для данного ПА. Программный комплекс ABAQUS представляет собой пакет программ, основанных на методе конечных элементов, и предназначен для проведения многоцелевого инженерного анализа сложных несущих конструкций.

На начальной стадии было необходимо создать геометрическую модель каркаса , которая в свою очередь должна быть представлена в виде линий (отрезков), проходящих через геометрические центры сечений силовых элементов каркаса. Результатом явилась объёмная пространственная модель каркаса безопасности ПА МЛП представленная на рисунке 5.

Рис.5 Объёмная пространственная модель каркаса безопасности.

Следующими этапами в расчете каркаса стали задание свойств материала, задание свойств балочных элементов, присвоение созданных свойств элементам геометрической модели, формирование целостной модели, задание параметров расчета и наконец закрепление и нагружение конструкции. В в нашем случае материалом является нержавеющая сталь 12Х18НТ, с плотностью p = 7,85·10^-9 т/мм³ и упругими характеристиками материала (модуль Юнга – Е = 2,1·10⁵ МПа; коэффициент Пуассона –v= 0,3, круглого сечения d=50 мм и толщиной стенки t=2 мм, точки опор закреплены по трем линейным степеням свободы U1, U2 и U3, а нагрузка приходиться в переднюю левую часть верхнего продольного элемента каркаса. Схема закрепления и нагружения представлены на рисунке 6.

Рис.6 Схема закрепления и нагружения модели.

В данном случае было рассмотрено поведение каркаса под действием нагрузки, суммарное значение которой составляет 55кН. Очевидно, что такая нагрузка должна вызвать пластические деформации в силовых элементах каркаса, поэтому необходимо выполнить статический нелинейный инженерный анализ. В программе ABAQUS имеется возможность расчета конструкции за пределами упругих деформаций, при заданных нелинейных характеристиках материала. Материал является нелинейным, если зависимость между напряжениями и деформациями описывается диаграммой, показанной на рисунке 7.

По окончании нелинейного расчета, были получены эпюры деформации конструкций с различными диаметрами сечений d=50 мм. и d=40 мм, при той же толщине стенки t=2 мм., а также распределение напряжений по элементам модели на каждом шаге последовательного приращения нагрузки. Максимальные напряжения, возникающие в каркасах безопасности с диаметрами сечений d=50 мм. и d=40 мм. представлены соответственно на рисунках 8 и 9 соответственно.

Рис.8 Максимальные напряжения, полученные в каркасе безопасности с диаметром сечений d=50 мм.

Рис.9 Максимальные напряжения, полученные в каркасе безопасности с диаметром сечений d=40 мм

При сравнении полученных результатов можно сделать следующий вывод, что достижение величины предела текучести σ_T = 210МПа у каркаса безопасности с диаметром сечения d=40 мм происходит на 18 шаге, когда как у каркаса безопасности с диаметром сечения d=50 мм только на 26 шаге, что уже говорит о большей несущей способности каркаса безопасности с диаметром сечений d=50 мм.

Но самым главным результатом анализа является сравнение величин максимальных перемещений, так как их значение повлияет на самый главный вывод – сможет ли данный каркас обеспечить безопасность пожарному расчету, находящемуся внутри автомобиля. Результаты максимальных перемещений представлены на рисунках 10 и 11, а так же в таблице 1

Рис.10 Максимальные перемещения по оси Z, полученные в каркасе безопасности с диаметром сечений d=50 мм

Рис.11 Максимальные перемещения по оси Z, полученные в каркасе безопасности с диаметром сечений d=40 мм

Таблица 1

Величины максимальных перемещений

В дальнейшем планируется рассмотрение более подробной модели каркаса безопасности в пакете Hyper Mesh, в котором будет учтено температурное воздействие, а также произведен расчет на устойчивость, с приложением динамической нагрузки. Так же не исключаются натурные испытания, с применением метода тензометрии.

Литература:

1. Безбородько, М.Д. Пожарная техника: Учебник / Под ред. М.Д. Безбородько.-М.: Академия ГПС МЧС России, 2004.-550 с.

2. Колетаев, А.В. К вопросу обеспечения пассивной безопасности пожарных машин / А.В. Колетаев, В.И. Песков // Безопасность транспортных средств в эксплуатации: сб. тез. Докл. 71-й международной науч. – техн. конф. / НГТУ им. Р.Е. Алексеева – Н.Новгород, 2001. – С. 52 – 53.