Формирование облика перспективного базового шасси для мобильных технических средств пожаротушения в арктических зонах Российской Федерации

E.E. Bazhenov1,2, ,

Актуальность исследований. Дорожная сеть удалённых районов Российской Федерации не имеет достаточной плотности, что не позволяет средствам пожаротушения беспрепятственно достигать территорий и объектов, подвергшихся возгоранию. Такие ситуации возможны как в средней полосе и южных областях страны, так и на арктических территориях.

Чтобы понять ситуацию, которая сегодня формируется вокруг арктических территорий, необходимо понять, насколько эти территории важны в экономическом плане. Там есть два главных богатства: нефть и газ. По предварительным оценкам запасы указанных полезных ископаемых, которыми обладает арктический морской шлейф, составляют 30 % от всех мировых запасов [1] . Сегодня из-за уменьшения ледяного покрова полярные залежи стали легкодоступными. При доле населения меньше 1 % в российской Арктике производится продукция, которая обеспечива-

Баженов Е.Е., Бондарь В.Н., Елфимова М.В. и др.

ет около 20 % ВВП России и составляет более 22 % общероссийского экспорта. В районах Крайнего Севера добывается 80 % газа, 17 % нефти, основная часть никеля, олова, платиноидов, золота и алмазов [1]. Основные трудности обеспечения бесперебойной работы добывающих и перерабатывающих отраслей экономического комплекса заключаются в том, что дорожное строительство в Арктике ведется в экстремальных климатических условиях. Прокладывать дороги приходится практически на ледяном панцире, в условиях вечной мерзлоты. Строить дороги на вечной мерзлоте можно только с применением специальных технологий, помогающих стабилизировать грунт. Практически весь год почвы в арктических пустынях находятся в замерзшем состоянии. Из-за вечной мерзлоты дренаж воды невозможен. С приходом тепла поверхность земли немного оттаивает, образуя мелкие озёра из талой воды. В таких условиях работа спасательной техники весьма затруднена. Основные БШ, на которых размещено специализированное оборудование для проведения спасательных работ, рассчитаны для работы на дорогах с твёрдым покрытием или пересечённой местности. Это автомобили категорий 1 и 2 в соответствии с [2]. В условиях Арктической зоны Российской Федерации, при практически полном отсутствии дорог, требуются машины категории 3, позволяющие не только перемещаться по сильнопересечённой местности, но и обеспечивать весь комплекс технологических операций при проведении спасательных работ. Таким образом, работы, направленные на создание перспективных базовых шасси (БШ), позволяющих реализовать главные параметры, являются актуальными.

Цель работы - формирование облика перспективного базового шасси мобильного технического средства пожаротушения в экстремальных климатических условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• -    анализ условий эксплуатации БШ;

• -    определение основных путей создания новых и совершенствования существующих базовых шасси специальной техники для предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций;

• -    декомпозиция базового шасси для формирования его основных структурных объектов;

• -    методы повышения эффективности базовых шасси;

• -    формирование облика перспективного базового шасси.

Методология исследований

Поставленные в работе задачи необходимо решать комплексно, во взаимосвязи БШ с внешней средой и одновременно с учётом технических характеристик машины и требуемыми тяговоскоростными свойствами. Возможность анализировать роль БШ при работе в условиях экстремальных ситуаций с учётом климатических условий и особенностей опорной поверхности позволяет объективно оценить конструктивные особенности вновь создаваемой техники и требования, предъявляемые к ней. Наиболее эффективным подходом для решения поставленных задач следует считать методологию системного анализа [3, 4].

Структура работы

Работа содержит следующие разделы:

• -    анализ условий эксплуатации БШ;

• -    выбор основных методов создания и совершенствования БШ;

• -    декомпозиция БШ для формирования его основных структурных объектов;

• -    методы повышения эффективности БШ;

• -    формирование облика перспективного БШ;

• -    результаты работы.

Основная часть

Анализ условий эксплуатации БШ

Существующие конструкции, назначение которых близко к назначению разрабатываемой машины [5], в некоторой степени позволяют решить часть задач, которые возникают в процессе предотвращения и ликвидации техногенных и ландшафтных пожаров, доступ к которым ограничен отсутствием дорог, наличием водных преград, заболоченных участков с сильно увлажнённым грунтом и наличием травянистой растительности [5–8]. Важным моментом является то, что в Арктических зонах растительный покров глеевой и очень тонкий, отогревается в летний период на незначительную глубину. Особенностью такого слоя является его ранимость. Даже пеший человек, прошедший по такому грунту, оставляет следы, не заживающие много лет. В музее г. Са- лехарда есть экспонат, показывающий уязвимость Арктической земли. Выпускаемые отечественными производителями машины [5–8], способные преодолевать труднопроходимые участки, имеют, как правило, гусеничный движитель. Даже если машина оснащена не металлическим, а резинометаллическим движителем, она при движении и во время манёвров оставляет даже на более крепких, с точки зрения глубины плодородного слоя, грунтах серьёзные повреждения [9].

Анализ условий, в которых планируется использование перспективной платформы мобильных средств пожаротушения (далее БШ – базовое шасси) показывает, что для исключения отрицательного влияния на верхний слой опорной поверхности и обеспечения высокой мобильности машины на слабонесущих грунтах следует применять колёсный движитель с регулируемым давлением.

Выбор основных методов создания и совершенствования БШ

Синтез новых свойств БШ может проводиться двумя путями:

– создание машины с новыми свойствами на основе существующих методик проектирования и реализация её в металле, то есть проведение научно-исследовательских и опытноконструкторских работ по созданию новой машины;

– адаптация существующих, выпускаемых отечественными производителями машин для соответствующих внешних условий.

В любом из перечисленных вариантов развития событий необходимо рассматривать БШ как систему с учётом её связей с внешней средой [9, 20–22].

Системный анализ позволяет провести декомпозицию и рассмотреть каждый элемент технической системы БШ во взаимодействии и взаимовлиянии в зависимости от решаемых задач или выполняемых функций. Схема «Система БШ и её связь с внешней средой» показана на рис. 1.

Анализ рис. 1 даёт возможность сделать важный вывод: для того чтобы получить наилучшие показатели эффективности и качества, характеризующие, в конечном счёте, параметры технической системы, необходимо проводить оптимизацию при определённых ограничениях.

Как видно из рис. 1, параметры технической системы непосредственно зависят от параметров элементов БШ и характера их расположения в системе, то есть структуры.

Таким образом, для проведения оптимизации системы БШ как при создании новой машины, так и при адаптации существующей под требования реальных природных условий возможно использовать только два пути: параметрической оптимизации и структурной оптимизации [19, 20].

Декомпозиция БШ для формирования его основных структурных объектов

Структурная функциональная схема БШ представлена на рис. 2.

Структурный элемент «источник активных сил» – субстанция, влияющая и определяющая все требуемые свойства остальных структурных элементов БШ. То есть «источник активных сил» задаёт начальные условия для формирования свойств и параметров всех остальных элементов в структуре.

Рис. 1. Система БШ и её связь с внешней средой

Fig. 1. BS system and its connection with the external environment

Рис. 2. Структурная схема перспективного базового шасси Fig. 2. Block diagram of a promising basic chassis

«Источник внешних сил» обладает определёнными свойствами и параметрами, которые воздействуют на «движитель» (рабочий орган). Задача рабочего органа - реализовать энергетические характеристики БШ и обеспечить баланс сил между «источником активных сил» и «движителем».

Источник энергии должен выдать БШ такое количество энергии (энергия - мера движения материи [10]), которое позволит обеспечить движение БШ по местности. Трансмиссия обеспечивает трансформацию энергии при механическом исполнении [11] или её трансмутацию при электрическом или гидравлическом исполнении трансмиссии. Степень трансформации или трансмутации зависит от характеристик субстанции.

Элементы схемы «система измерения» и «система управления» обеспечивают возможность контроля оператором изменяющихся внешних условий и внесения коррективов в работу элементов БШ. При выполнении определённых конструктивных требований [18] такая схема и наличие систем измерения и управления позволяют реализовать на БШ адаптивную систему управления и беспилотный режим использования или автоматическую спутниковую систему управления.

Таким образом, разработка БШ должна пройти следующие этапы:

• -    оценка параметров источника внешних сил, то есть, исходя из характеристик опорной поверхности, рельефа местности и весовых показателей планируемого для перевозки на нём технологического оборудования, определяется величина сопротивления перемещению БШ в заданных условиях;

• -    определение типа движителя, который должен обеспечить максимальную проходимость БШ по опорно-сцепным характеристикам;

• -    оценка энергообеспечения БШ для осуществления транспортной операции и выбор вида источника энергии.

Методы повышения эффективности БШ

Подход к оценке эффективности БШ должен основываться на функциональной направленности машины [17, 21, 22]. Целевая функция БШ - доставка специального оборудования к месту проведения работ по предотвращению чрезвычайных ситуаций или ликвидации их последствий. Следует подходить дифференцировано к эффективности работы специального технологического оборудования и эффективности транспортной операции.

Рассмотрим эффективность транспортной операции. В общем виде эффективность транспортной операции определяется её полезностью, то есть коэффициентом полезного действия, известного как отношение совершённой полезной работы к затратам, которые мы претерпели, совершая эту работу.

Полезная работа при транспортной операции, во-первых, включает количество груза, которое перевезено транспортной системой. Во-вторых, как быстро этот груз был доставлен к месту назначения. Математически, на языке физики, полезная работа определится как произведение силы, которую мы вынуждены приложить к рабочему органу БШ для преодоления сил сопротивления перемещению груза, на расстояние, которое преодолевает БШ:

Л = Р-ф _гр • S = С_гр • (f • Cos а ± Siner) • S, где Р-ф _гр = С _гр ■ (f • Cosr ± Sin er) - сила сопротивления перемещению груза БШ; S - путь, пройденный БШ при перемещении груза; О гр - вес перевозимого груза; f - коэффициент сопротивления качению колёс по опорной поверхности [12]; а - угол наклона (+)/спуска (-) опорной поверхности по пути движения БШ.

Вторым компонентом показателя эффективности следует считать тот факт, как быстро будет доставлен груз к месту назначения, то есть скорость движения БШ на участке пути. И, наконец, необходимо учитывать затраты на перемещение груза. Самым простым вариантом учёта затрат можно считать расход топлива двигателем за время совершённой работы. Поэтому показатель эффективности в самом общем виде будет: ᴦр∙ Q ’ где - скорость движения БШ; - расход топлива на пути следования.

Скорость перемещения БШ по бездорожью в условиях северных и Арктических территорий зависит от показателей проходимости БШ. Эти показатели делятся на две большие группы: геометрические и опорно-сцепные. Геометрические показатели характеризуют способность БШ «вписываться» в макронеровности местности - подъёмы, спуски, вертикальные препятствия и т. п. Они включают в себя базу, габариты машины, продольные и поперечные радиусы проходимости, углы свеса и другие.

Опорно-сцепные показатели определяют способность при взаимодействии с опорной поверхностью обеспечить возможность движения БШ. Рассматривают два вида показателей: по сцеплению - правая часть неравенства (1) и сопротивлению - левая часть:

^Рф — ^Рк — Рр,                                                                       (1)

где P k - ведущая сила на колёсах БШ; P_v = О ТС (f'Cosa ± Sina) - сила суммарного сопротивления движению БШ (с грузом); О ТС - полный вес БШ; Р_ф = О ТС 'ф - сила сцепления ведущих колёс с опорной поверхностью для полноприводной машины; ф - коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью.

Если не выполняется левая часть неравенства (1), то на колёсах БШ недостаточное тяговое усилие для преодоления внешних сопротивлений. В случае движения по бездорожью не учитывается аэродинамическая составляющая [13]. Если не выполняется правая часть неравенства (1), то ведущие колёса теряют сцепление с опорной поверхностью и происходит их буксование.

Оба коэффициента, определяющие способность БШ перемещаться по опорной поверхности, носят стохастический характер. Это ведёт к тому, что в один и тот же момент времени разные движители БШ могут находиться в дорожных условиях, характеризуемых различными параметрами сцепления и сопротивления. Для того чтобы исключить возможность потери проходимости по сцеплению или сопротивлению, в привод силового потока необходимо включать контроллер адаптивного распределения силовых потоков между движителями БШ.

Оба вида показателей проходимости задаются и закладываются в конструкцию БШ при его создании.

Таким образом, на повышение эффективности БШ влияют:

• -    повышение грузоподъёмности;

• -    повышение скорости доставки технологического оборудования к месту проведения работ за счёт увеличения проходимости;

• -    снижение прямых затрат на транспортировку груза.

Формирование облика перспективного базового шасси

В условиях Крайнего Севера и Арктических территорий БШ должно перевозить как можно больше оборудования, обладать высокой средней скоростью движения на участке пути и при этом быть достаточно экономичным.

Предусмотренная в [2] классификация пожарных автомобилей (ПА) в зависимости от их функционального назначения подразумевает существование главного параметра - одной из базовых характеристик, определяющих функциональное назначение ПА и одновременно являющихся отправной точкой для формирования других параметров транспортно-технологической системы. Проведение на местности специфических технологических операций, направленных на предотвращение или ликвидацию последствий ЧС, требует использование ПА со специализиро- ванным оборудованием, перечень которого довольно широк [2]. Доставка требуемого оборудования по характерным для Арктических территорий опорным поверхностям весьма затруднена. Таким образом, для того чтобы повысить эффективность доставки, необходимо максимально увеличить нагрузку на БШ, разместив на нём самое необходимое оборудование.

Увеличение массовых показателей БШ неизбежно ведет к увеличению удельного давления на грунт при сохранении габаритных показателей, что снижает проходимость машины, либо к увеличению опорной поверхности движителей. В любом случае такое увеличение ограничивается шириной БШ, предельная величина которой определяется транспортными габаритами (т. е. возможностью перевозки как железнодорожным, так и воздушным транспортом) и длиной по предельно допустимым значениям поворотливости. Известно, что машина с протяженной опорной поверхностью при прочих равных условиях обладает худшей маневренностью и плохо приспосабливается к рельефу местности, в результате чего не полностью используются тяговые возможности движителя.

Наиболее рациональным выходом из этой ситуации является использование сочлененной (двух- или многокомплектной) схемы БШ (СБШ). Использование таких схем в транспортных системах находит широкое применение [14].

Отличительными особенностями СБШ от других видов машин, например, с шарнирной рамой, являются:

• –    многокомплектность (наличие двух и более секций);

• –    наличие механизма сочленения, обеспечивающего как минимум 2 степени свободы;

• –    наличие привода на движители всех секций (как от одной, так и от нескольких силовых установок, размещаемых на каждой секции);

• –    наличие возможности использования секций как автономных или отдельных транспортных единиц;

• –    возможно наличие механизма поворота, обеспечивающего поворот за счет изменения взаимного положения секций [15, 16].

СБШ имеют следующие преимущества перед одиночными машинами:

• –    увеличение полной массы БШ при сохранении удельного давления на грунт, как у одиночной машины;

• –    возможность обеспечения высоких тягово-сцепных показателей;

• –    наилучшие показатели профильной проходимости, хорошая приспосабливаемость секций к рельефу местности в поперечной плоскости (вследствие этого более равномерное распределение вертикальных нагрузок по длине опорной поверхности);

• –    снижение потерь мощности при повороте за счет осуществления его путем складывания секций;

• –    большая площадь реализации тяговых сил на грунте;

• –    возможность принудительного складывания секций в вертикальной плоскости, что создает дополнительную возможность преодоления сильно деформируемых грунтов и препятствий на местности;

• –    возможность комплектования секций с необходимым для конкретной операции технологическим оборудованием;

• –    изменение комплектности в короткое время за счёт использования быстроразъёмных соединений [17].

Возможная структура перспективного СБШ представлена на рис. 3.

На рис. 3 сплошными линиями показана комбинация из технологических модулей, определяемая потребностями выполнения конкретной задачи. При этом количество и технологическая направленность каждой секции определяются исходя из сложности, удалённости, типа и масштаба возникшей ЧС. Пунктирной линией показана возможность включения в ансамбль машин любого количества технологических модулей, что возможно при возникновении ЧС в неблагоприятных погодных условиях или при значительной удалённости очага ЧС от места дислокации технической базы подразделения МЧС.

Рис. 3. Структура перспективного сочленённого базового шасси Fig. 3. The structure of a promising articulated base chassis

Результаты работы

• 1.    Создание облика перспективного базового шасси мобильного средства пожаротушения основывается на методах структурной оптимизации.

• 2.    Повышение эффективности перспективного базового шасси мобильного средства пожаротушения достигается:

  – увеличением грузоподъёмности за счёт распределения основной нагрузки между несущими секциями;

  – повышением проходимости и манёвренности за счёт активного привода движителей секций.

• 3.    Облик перспективного базового шасси мобильного средства пожаротушения должен иметь следующие признаки:

  – многосекционная активная платформа с единой энергетической и различным числом технологических секций с адаптивным распределением силовых потоков между ними;

  – различные виды оборудования для пожаротушения располагаются на

различных секциях, имеющих быстроразъёмные соединения с энергетической секцией и другими технологическими секциями;

– формирование ансамбля активного мобильного технического средства пожаротушения проводится в зависимости от типа, вида, удалённости очага чрезвычайной ситуации, климатических, погодных условий и рельефа местности в месте расположения очага и на пути следования к нему.