Повышение эффективности эксплуатации двигателей основных пожарных автомобилей в условиях отрицательных температур

Пожары — это мощный фактор, негативно влияющий на социально-экономическое состояние страны. Ежегодно в России происходит более 264 тыс. пожаров, в результате которых гибнет более 13,5 тыс. человек. Полные потери от пожаров, составляют более 22 млрд руб., т. е. почти 5% от бюджета 1999 года. Полные потери от пожаров в стране почти в 10 раз превышают сумму средств (2,4 млрд руб.), выделяемых отдельной строкой в бюджете для Государственной противопожарной службы МВД России [1]. При общих положительных данных относительные показатели случаев гибели людей на пожарах в России остаются в 5. 12 раз выше, чем в других странах. Таким образом, степень негативного влияния их последствий на состояние социальной, техногенной и экологической безопасности недопустимо высока.

За год подразделениями ГПС МВД России совершаются более 1,8 млн. выездов. В условиях заметного роста интенсивности дорожного движения средняя скорость движения ПА на пожар постоянно снижается, увеличивается время подачи первого ствола, что объективно приводит к возрастанию количества жертв и материальных убытков. Так среднее время следования ПА по вызову выросло в 1992. 1996 гг. в городах с 7,66 до 8,08 мин, а на селе с 15,41 до 18,9 мин [2]. В 1999 году среднее время прибытия первого пожарного расчета по вызову составило немногим более 11 мин. Среднее время ликвидации — порядка 35 мин. [3].

Оперативно-техническая деятельность службы отличается многообразием операций различной энергоемкости, которые выполняются с помощью основных, специальных и вспомогательных ПА [4] при изменяющихся воздействиях внешней среды.

В 1999 году в подразделениях ГПС МВД России эксплуатировалось 17 302 основных ПА, при штатной положенное&trade- 23 294 (т.е. оснащенность составила лишь 74%) [3]. Из основных ПА 39,37% находились на вооружении УГПС холодных климатических районов России [5], в т. ч. в оперативных подразделениях ГПС Уральского, Сибирского и Дальневосточного Федеральных округов — 35,45%. Кроме того, 7928 единицы техники (34,03%) отработали свой срок и, тем не менее, активно эксплуатируются.

В обширных регионах Уральского, Сибирского и Дальневосточного Федеральных округов, где сосредоточен экспортный и значительная часть оборонного потенциала государства в частности, в осенне-зимний период, характеризующийся низкими температурами окружающего воздуха и различной степенью загрузки силового агрегата ПА, производится более 56% (без учета ложных вызовов) годового объема работ данных оперативных подразделений ГПС по обслуживанию защищаемых объектов и территорий [6].

ПА, как известно, приспособлены для эксплуатации только в интервале температур +35° до — 35 °C. Зимой из-за пониженного теплового состояния ДВС и агрегатов трансмиссии снижается оперативно-технические показатели ПА (возрастает время следования к месту вызова), топливная экономичность и ресурс. Поэтому особую актуальность приобретает проблема повышения эффективности использования имеющегося достаточно изношенного парка ПА, решение которой невозможно без совершенствования и поддержания в работоспособном состоянии двигателей ПА, при изменяющихся в широком диапазоне внешних воздействиях.

Существенная зависимость выходных показателей ДВС от теплового состояния предопределяет повышенные требования к температурам рабочих сред основных функциональных систем. В условиях отрицательных температур, из-за пониженного теплового режима, становится весьма проблематичным не только реализация потенциальных возможностей, но даже сохранение работоспособности ДВС. Так, в условиях холодного климата появляются трудности с созданием и последующим поддержанием, при работе на привод спецагрегата, оптимального теплового режима работы двигателей ПА. Это особенно относится к дизелям. Низкая температура в СО способствует образованию смолистых и окисляющих веществ. При этом резко увеличивается отложение нагара и ускоряется износ поршней, поршневых колец и стенок цилиндров. Эксплуатация ДВС при температуре ОЖ до +55°С приводит к увеличению износов в 4 раза по сравнению с износом при номинальном тепловом режиме, до +40°С — в 12 раз, а при +30°Св 20раз [7].

Поэтому разработка комплекса технических решений и мероприятий по адаптации двигателей ПА к эксплуатации в условиях отрицательных температур имеет важное научно-практическое, и, в конечном счете, социально-экономическое значение. Результаты данных исследований могут быть использованы при создании ДВС для АТС «северного исполнения», а также для приспособления двигателей ЗИЛ и дизелей ЯМЗ к работе в условиях низких температур окружающего воздуха.

Подобные проблемы зимней эксплуатации справедливы и для механических транспортных средств, состоящих на вооружении других оперативных и специальных служб, пассажирского и грузового автотранспорта, сельского и лесного хозяйства, строительной, дорожной, коммунальной служб и т. д.

Из вышеизложенного следует, что наиболее напряженно используются ПА в зимних условиях. Поэтому до настоящего времени актуальна проблема обеспечения эффективности и надежности эксплуатации двигателей ПА при тушении пожаров в условиях низких температур.

На основании изложенного целью данной работы является повышение эффективности эксплуатации ДВС основных ПА в условиях отрицательных температур окружающего воздуха, т. е. уменьшению количества жертв и материальных убытков от пожаров на основе сокращения времени прибытия ПА к месту вызова, которое может быть достигнуто, прежде всего, максимальным сохранением тепла в агрегатах и механизмах ПА, форсированием послепускового прогрева ДВС, наряду с улучшением их топливно-экономических и экологических показателей, максимальным сохранением остаточного моторесурса.

Реализация цели достигалась различными методами. Был проведен статистический анализ пожаров в России в целом, а также по Свердловской области и по административно-территориальным ATE Сибири и Дальнего Востока помесячно и по сезонам за три последних года. Для сокращения времени прибытия ПА к месту вызова, на основе ускорения послепускового прогрева ДВС, предложены следующие технические решения: модульный (т.е. имеющий помимо основного также дополнительный экран — жалюзи / шторку — на фронте со стороны вентилятора) радиатор, а также комбинированный способ питания ДВС. Экспериментально проверена их эффективность. Для реализации этой части работы были созданы на базе пожарных автоцистерн АЦ-40(130) модель 63Б (базовое шасси ЗИЛ-130) и АЦП-6/3−40(5557) (базовое шасси УРАЛ-5557) специальные испытательные лаборатории. С их использованием были проведены экспериментальные исследования работоспособности предложенных систем охлаждения и питания двигателей ПА и обоснованы мероприятия по улучшению адаптивности карбюраторных и дизельных ДВС для эксплуатации при отрицательных температурах окружающего воздуха.

Кроме того, прошло экспериментальную проверку на эффективность техническое устройство, позволяющего замедлить темп остывания силового агрегата ПА после его останова.

Новизна полученных в работе результатов характеризуется следующим.

1. Аналитически изучена возможность ускорения послепускового прогрева ДВС за счет реструктуризации внешнего теплового баланса (например: уменьшением теплоотвода радиатором, а также внешними поверхностями собственно ДВС). Сокращение такого неблагоприятного, в смысле тепловой и механической напряженности деталей, увеличения износов, ухудшения экономических и экологических показателей, периода в работе двигателя возможно посредством применения дополнительного экрана радиатора с фронта, обращенного к вентилятору и повышением нагрузки ДВС;

2. В диапазоне температур 0. 30 °C установлена степень приспособленности для эксплуатации в условиях отрицательных температур силовых агрегатов ПА наиболее распространенных в подразделениях ГПС и исследована эффективность технических решений, позволяющих осуществить форсирование послепускового прогрева двигателей ПА для сокращения времени прибытия к месту вызова, а также замедление их остывания после останова.

3. Выведены рациональные формулы для определения режима и темпов охлаждения радиатора (или любого другого элемента) ДВС в условиях естественной конвекции. Последующая экспериментальная проверка их адекватности позволили утверждать, что процесс охлаждения в условиях естественной конвекции не является регулярным и темп охлаждения зависит от времени и текущей температуры.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем.

1. Использование результатов исследований в практике оперативных подразделений ГПС позволит решить проблему повышения эффективности эксплуатации двигателей ПА при отрицательных температурах путем сокращения времени их прибытия к месту вызова: при радиусе выезда 6 км время прибытия пожарных автоцистерн уменьшается соответственно на 2,0 минуты АЦ-40(130)-63Б и на 1,8 минуты АЦП-6/3−40(5557), которое достигнуто форсированием послепускового прогрева основных функциональных систем ДВС до оптимальных температур. Апробированный способ питания карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 топливно-масляной смесью при прогреве также позволяет уменьшить время следования отделения на АЦ-40(130)-63Б на 0,7 минуты.

2. Обоснованные, экспериментально проверенные на адекватность, математические модели позволяют рассчитывать интенсивность охлаждения ДВС и их отдельных элементов на спокойном воздухе при различных значениях его температуры.

3. Технические решения и рекомендации по улучшению адаптации двигателей ПА к изменяющимся воздействиям внешней среды предложены для использования оперативным подразделениям ГПС, получили практическое применение в учебном процессе, а также могут быть использованы заводами-изготовителями.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Направления обеспечения эффективной эксплуатации двигателей основных пожарных автомобилей в условиях отрицательных температур.

2. Исследований степени адаптивности различных силовых агрегатов к эксплуатации в осенне-зимних условиях на всех режимах.

3. Исследований эффективности технических решений, позволяющих осуществить форсирование послепускового прогрева двигателей пожарных автомобилей в ходе следования к месту вызова, а также замедлению их остывания после останова и проверки адекватности полученных формул.

4. Исследований по экономической и экологической целесообразности оптимизации теплового состояния двигателей пожарных автомобилей в осенне-зимний период эксплуатации.

Работа выполнена на кафедре «Тракторы и автомобили» Уральской Государственной сельскохозяйственной академии.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Сокращение времени прибытия пожарных расчетовважная социально-экономическая проблема.

Несмотря на тенденцию сокращения числа пожаров и случаев гибели людей, наблюдаемую в последние годы эти показатели остаются высокими: за десять лет количество пожаров возросло более чем в два раза, ущерб от них — почти в четыре раза [8]. Этот ущерб определен величиной только прямых фактических потерь от воздействия опасных факторов пожара — пламени, повышенных температур, токсичных продуктов горения и термического разложения, дыма, огнетушащих веществ и т. д. на основные фонды и имущество юридических и физических лиц, если эти потери находятся в прямой причинной связи с пожарами.

Так называемый косвенный ущерб от пожаров, связанный с недовыпуском продукции и снижением прибыли за время вынужденного простоя производства, нарушением хозяйственных и технологических связей, оплаты штрафов за недопоставку продукции, затрат на демонтажные работы и работы по расчистке и уборке строительных конструкций, капитальных вложений на восстановление основных фондов, затрат на ликвидацию пожара, расходов, связанных с гибелью и травмированием людей и т. п. получается значительно больше. В общей структуре потерь от пожаров около 28% приходится на стоимость уничтоженных и поврежденных огнем и дымом материальных ценностей, 50% - на потери от вынужденных простоев производства, 11,4% - на стоимость восстановительных мероприятий на объектах, 10,6% - на экономические потери от гибели и травмирования людей [8].

Ограничить воздействие опасных факторов пожара на людей и материальные ценности объективно допустимыми пределами удается не всегда из-за недостаточно высокого уровня развития пожарной техники. В этой связи повышение эффективности пожарной техники — актуальная задача, т.к. ее создание и использование является важным средством обеспечения пожарной безопасности, снижения экономических потерь от пожаров, защиты жизни и здоровья людей.

Разработка принципиально новой пожарной техники, а также ее обновление и модернизация на основе улучшения целевых параметров рабочих органов (скорости следования к месту вызова, сокращением боевого развертывания, надежности, производительности, долговечности, ресурса и т. д.) связаны с определением социально-экономической эффективности, отражающей степень превышения результатов использования пожарной техники над суммарными затратами.

Таким образом, категорию «эффективность» в данном случае следует рассматривать как количественную оценку заданных целевых характеристик осуществляемых мероприятий по обеспечению пожарной безопасности страны. Целевыми характеристиками могут по ГОСТ 12.1.004−91 [9], в частности, служить время свободного горения, критическая продолжительность пожара, время полного боевого развертывания, огнетушащая способность, время локализации, время ликвидации и другие.

Весьма важным моментом, например, является сокращение времени прибытия к месту вызова. Специалисты считают, что в случае задержки прибытия оперативных расчетов к месту пожара, резко возрастают размеры социально-экономических последствий от огня. По оценке английских специалистов [8], например, потеря каждой минуты при следовании на пожар в середине 70-х годов приводила к гибели двух человек на каждые 100 пожаров и дополнительной потере 60.70 фунтов стерлингов в производственных и других нежилых помещениях. Аналогичные оценки имеются в американских работах. Исследования также показывают, что потери от пожара в течение первых 10 мин. составляют 1500.2000 ф. ст. в минуту, затем растут в ускоряющемся темпе. Приводятся также данные о влиянии внедренной в округе Вест-Мидленс (Великобритания) современной компьютерной системы (стоимостью 5 млн. ф. ст.) на сокращение времени прибытия к месту вызова пожарных подразделений. Отмечено, в частности, что в 60% пожаров время прибытия подразделений сократилось на 2 мин., что дало уменьшение годовых потерь на 10 млн.ф.ст. [10]. Это означает, что чем быстрее прибывает первый оперативный расчет (и все остальные) к месту вызова, чем совершеннее дислокация пожарных подразделений, тем выше эффективность их деятельности.

В связи с тем, что в отечественной статистике никак не отражается связь между своевременностью прибытия оперативных расчетов и размерами потерь от пожаров [11], представляется интересным оценить в первом приближении каждую минуту официально зарегистрированного пожара в 1999 году с точки зрения наносимого экономике полного ущерба. При этом сделаем одно допущение. Ввиду малозначимости, в сравнении с продолжительностью тушения среднестатистического пожара, временем боевого развертывания пренебрегаем [12]. Таким образом, время свободного горения включает время сообщения о пожаре (в среднем по стране 9 мин), а также среднее время прибытия первого пожарного подразделения (11 мин) и в масштабе страны составляет порядка 19 мин. Среднее же время ликвидации — 35 мин [3] (для Свердловской области соответственно 11 и 57 мин). Принимаем время развития среднестатистического пожара — 55 мин. Таким образом, совокупное время всех пожаров происшедших в стране в 1999 году суммарно составило порядка.

55 ¦ 264 ООО = 14 520 ООО мин.

Отсюда, за одну минуту пожаров полные материальные потери составили.

22 ООО ООО ООО руб. / 14 520 ООО мин. = 1515,152 руб./мин., а гибель — 13 500 / 14 520 000 = 0,9 297 чел./мин.

Или на каждые 100 пожаров приходится следующее количество жертв:

0,9 297 • 55) • 100 = 5,11 чел.

Таким образом, одна минута среднестатистического пожара в 1999 году обошлась российскому обществу более чем в 1515 руб. полного ущерба (а одна секунда — 25,25 руб.) и гибелью 0,9 297 чел. или более 5,11 жертв на каждые 100 пожаров.

В то же время известно, что подавляющая доля погибших граждан от общего числа жертв, приходится на первый период пожара в результате воздействия на них не повышенных температур, а, прежде всего, таких опасных факторов, как дым и токсичные продукты горения и термического разложения (так, в Свердловской области в 1996.99 годах в среднем 83,2% жертв имели место еще до прибытия оперативных подразделений ГПС — табл. 1.1). Экстраполируя ситуацию с погибшими в Свердловской области на Россию в целом можно полагать, что в 1999 году на пожарах еще до прибытия оперативных расчетов было 11 232 случая летальных исходов. Таким образом, в масштабе страны снижение среднего времени прибытия пожарных подразделений всего на 1 минуту могло бы спасти в 1999 году 1404 жизни (а на 1 секунду — соответственно 23,4 человека) или в.

Таблица 1.1.

Состояние оперативной обстановки по пожарам 1 группы (УГПС ГУВД Свердловской области).

Кол-во пожаров Гибель людей / %.

Всего: До прибытия пожарной охраны В ходе ликвидации пожара В течение до 7 суток после пожара После 7 суток.

1999 г.

7821 441 /100 381 /86,4 2/0,45 36/8,2 13/2,9.

1998 г.

8089 454/100 372/81,9 11 / 2,4 39/8,6 26/5,7.

1997 г.

8799 473 / 100 381 /80,5 19/4,0 56/ 11,8 14/2,9.

1996 г.

9975 479/ 100 402/83,9 19/4,0 43 / 9,0 13/2,7.

За период 1996. 1999 г. г. по гарнизону в среднем:

8671,25 461,75/ 100 384 /83,2 12,75/2,8 43,5/ 9,4 16,5/3,6 пересчете на 100 пожаров — 4,25 человек. Последнее в 2,1 раза превышает соответствующий британский показатель (в Свердловской области эти цифры соответственно 35 и 4,68).

Следовательно, эффективное решение такой оперативно-тактической задачи как увеличение средней скорости следования ПА, сокращение времени прибытия первых пожарных расчетов к месту вызова (в частности посредством форсирования послепускового прогрева двигателей) из сугубо инженерной, переходит в социально-экономическую плоскость, так как объективно приводит, прежде всего, к снижению трагических последствий, а также материальных убытков от пожаров.

4.3. Выводы и рекомендации.

1. Анализ исследований показал, что зимой, в связи с изменением теплофизических свойств воздуха, увеличивается период послепускового прогрева ДВС, резко снижаются его мощностные качества, уменьшается средняя скорость движения ПА, что объективно приводит к увеличению количества жертв и материальных потерь от пожаров.

В результате проведенного исследования предложено решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности эксплуатации двигателей ПА при отрицательных температурах окружающего воздуха, которое может быть достигнуто посредством интенсификации послепускового прогрева ДВС для сокращения времени прибытия ПА к месту вызова, что имеет важное значение для общества и национальной экономики.

2. Теоретически обоснованы и получили экспериментальное подтверждение технические решения по сокращению времени послепускового прогрева ДВС, включающие установку дополнительного экрана радиатора жидкостной СО с фронта, обращенного к вентиляторудополнительной теплоизоляции как радиатора, так и ДВС в целом, а также применением в первый период после пуска ДВС топливно-масляной смеси. На эти технические решения получены патенты РФ на изобретения.

3. В работе дано теоретическое обоснование целесообразности и возможности реструктуризации внешнего теплового баланса ДВС. Поскольку эффективность даже исправных термостатов невелика, то идея реструктуризации практически реализована дополнительным экранированием радиатора СО, что позволило уменьшить рассеивание тепла и сократить время прогрева ДВС до эксплуатационных температур. Как следствие, в условиях низких температур (от 0 до -30°С) время прибытия к месту вызова пожарных автоцистерн АЦ-40(130)63Б и АЦП-6/3−40(5557) может быть сокращено на 1,8 .2,0 минуты.

4. ПА выезжают на пожар в течение суток в случайные промежутки времени. Поэтому стало необходимым изучить динамику охлаждения ДВС после останова в условиях гаража. Для оценки изменения теплового состояния ДВС находящегося в гараже получены формулы для определения режима и темпов остывания ДВС. Экспериментально установлено, что уже через 2.3 часа пребывания ПА в гараже необходим интенсивный послепусковой прогрев ДВС. Для уменьшения темпов остывания требуется обеспечить более эффективную теплоизоляцию радиатора и ДВС в целом.

5. Реализация задач исследования позволит получить следующие социальный и экономический эффекты: одна минута среднестатистического пожара в 1999 году обошлась российскому обществу более чем 1,5 тыс. рублей полного ущерба. Кроме того, в масштабе страны сокращение времени прибытия оперативных расчетов всего на одну минуту могло бы спасти 1404 жизни (а на 1 сексоответственно 23,4 чел) или в пересчете на 100 пожаров — 4,25 человек.

Расчетный годовой экономический эффект в эксплуатации от внедрения разработанных мероприятий на одну пожарную автоцистерну типа АЦ-40(130)63Б, находящуюся на боевом дежурстве в объектовой части УГПС ГУВД Свердловской области составил 1111, 82 руб.

В дальнейшем необходимо продолжить исследования по общему подогреву ПА и их двигателей в гаражах.

При эксплуатации ПА с двигателями ЗИЛ-130 и ЯМЭ-236 в условиях отрицательных температур рекомендуется:

1. В обязательном порядке утеплять чехлом не только облицовку радиатора, но и капот.

2. В гараже боевых машин осуществлять как общий подогрев ПА, так и местный подогрев ДВС тем, или иным способом.

3. Предусмотреть отключение вентилятора от ДВС.

4. В перспективе радиаторы ДВС оснастить дополнительными жалюзи / шторкой. В настоящее же время целесообразно все дизели ЯМЗ-236 дооборудовать дополнительным экраном радиатора (пластик, резинотекстиль, фанера или какого либо другой листовой материал), разместив последний в имеющемся зазоре между радиатором и кожухом вентилятора.