Автомобиля и потребителей мощности

Глава 9. КОМПОНОВКА ПОЖАРНЫХ

АВТОМОБИЛЕЙ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЯ

Компоновать, значит составлять целое из частей. Компоновка пожарных автомобилей включает рациональное соединение шасси и пожарной надстройки. Она обеспечивает размещение ПТВ в соответствии с частотой его применения, массой, и главное, с учетом роста пожарных.

Рациональная компоновка способствует организации развертывания пожарных машин для применения на пожаре в минимальное время, в значительной степени облегчает труд пожарных и охрану их здоровья.

Согласование режимов работы двигателя пожарного

автомобиля и потребителей мощности

Потребителями энергии могут быть: генераторы электрического тока, лебедки, компрессоры, приводы механизмов пожарных автолестниц
и автоколенчатых подъемников, а также пожарные насосы на автоцистернах и автонасосах. Мощность небольшая, да и эксплуатируются они в основном (кроме пожарных насосов) при постоянных скоростных режимах. Поэтому согласование режимов эксплуатации и двигателя в основном осуществляется по скоростным параметрам. Рассмотрим это на примере рис.9.1. На представлены внешняя (кривая 1) и частичная (кривая 2) скоростные характеристики двигателя.

Кривая 3 характеризует крутящий момент, соответствующий внешней скоростной характеристике (кривая 2). Прямая 4 характеризует максимальную мощность потребителя. Диапазон скоростных его режимов от n _м до n _к может быть рекомендован для привода потребителя. Зная частоту вращения вала потребителя энергии n _п и выбранные обороты двигателя n _дв, определяют передаточное отношение привода, i=n_п/n_д.

Более сложным является согласование режимов эксплуатации пожарных насосов с двигателями.

Исходными данными для согласования является внешняя скоросная характеристика двигателя N=f(n) и рабочая характеристика H=f(Q)

Зависимость N=f(n) определяется формулой кубического трехчлена:

Где - максимальная мощность двигателя, кВт

- частота вращения вала двигателя при максимальной мощности, об/мин.

n- частота вращения вала двигателя, об/мин.

Значения a,b и c с достаточной точностью для расчетов можно принимать равными:

для карбюраторного двигателя a=b=c=1

для дизеля a=0.53, b=1.54, c=1.09

Пожарные насосы эксплуатируются в широком интервале величин развиваемых ими напоров и подач воды. Изменения от максимальных до минимальных значений величин напоров и подач воды образуют поле потребляемой мощности насосами. Естественно, что каждой точке этого поля будет соответствовать величина потребляемой мощности. Вот эти мощности и необходимо согласовать с полем мощности, отдаваемой двигателем в стационарном режиме работы двигателя.

Для осуществления процедуры согласования необходимо знать зависимости напоров Н, м, развиваемых насосами, от величин подачи Q, л/с. Такие зависимости H = f (Q) при заданной величине высоты всасывания h _вс = 3,5 м и постоянных оборотах вала насоса получают экспериментально. При этом, естественно, определяют мощность N = f (Q) и значение коэффициента полезного действия η.

Было установлено, что изменение Н, N и η в зависимости от величины Q можно выразить аналитически:

у_і = A_i + B_iQ – C_iQ ², (9.2)

где i = 1 – величина напора, м вод. ст.; i = 2 – величина потребляемой мощности, кВт; i = 3 – значение коэффициента полезного действия;
Q – подача насоса, л/с.

В этой формуле постоянные А, В и С приведены в табл. 9.1.

В табл. 9.1 номера по порядку соответствуют значениям индекса i
в формуле (9.2). Значения расходов Q, л/с, задаются при расчетах.

При определении мощности N, потребляемой пожарным насосом, необходимо учитывать ее потери в трансмиссии. При этом будет определена мощность, отдаваемая двигателем. Потери мощности учитываются коэффициентом полезного действия трансмиссии:

(9.3)

где – КПД зубчатой передачи; = 0,99 – КПД карданного вала; – КПД промежуточной опоры; к – количество зацеплений
зубчатых колес или опор карданного вала.

Таблица 9.1

№ п/п	Показатели	Размерность	Константы
А	В	С
	НЦПН-40/100 Напор Н Мощность N КПД	м кВт %	92,55 20,6	0,815 0,957 3,2	0,014 0,036
	НЦПВ-20/200 Напор Н Мощность N КПД	м кВт %	37,5	1,6 1,54 5,38	0,1 0,15
	НЦПВ-4/400 Напор Н Мощность N КПД	м кВт %	17,66	15,9 4,8 25,6	5,8 5,3

С учетом КПД трансмиссии насоса потребляемая им мощность N _п равна

, (9.4)

где – мощность, вычисленная на основании формулы (9.2).

Значения Н, N и η, вычисленные по формулам (9.2) и (9.4), характерны только при одной скорости n _н вала насоса. Они изображены кривыми аb и a'b' на рис. 9.2.

Для того чтобы определить поле мощности, потребляемой насосом, необходимо построить зависимости Н = f (Q) и N = f (Q) при частоте вращения вала n _н2 и n _н3. Предположив, что подача воды насосом возможна при 0,5 Н _ном, выбирают величину n _н3. Это соответствует n _н3 @ 0,65 n _н1. Величину n _н2 выбирают в интервале от n _н1 до n _н3.

Обозначим выбираемую скорость n _{н х} , тогда соответствующие ей значения Q, Н и N определим на основании формулы теории подобия:

. (9.5)

Вычисленные значения Н_х и N_х при различных скоростях n_N изображают, как показано на рис. 9.2. Поле а'b'd'c' характеризует потребляемую насосом мощность.

Для сопоставления отбираемой от двигателя мощности и мощности, потребляемой насосом, необходимо согласовать частоты вращения вала двигателя n _дв с частотами вращения n _н вала насоса. Это согласование осуществляется передаточным отношением коробки отбора мощности по формуле

(9.6)

где n_N – частота вращения вала двигателя при максимальной мощности,
об/мин; n _н1 – номинальная частота вращения вала насоса, об/мин.

Рис. 9.2. Согласование режимов работы двигателя с пожарным насосом

Используя передаточное отношение, легко находят частоты вращения вала двигателя, соответствующие скоростям вала насоса n ₁ = in _н1,
n ₂ = in _н2 и т. д. Полученные значения частот вращения вала двигателя устанавливаем на оси частот вращения двигателя в третьем квадранте графической схемы расчета. Затем в этом квадранте строим внешнюю скоростную характеристику двигателя и, как указывалось выше, определяем точку K.
Из точек n ₁, n ₂и n ₃ на оси абсцисс опускаем перпендикулярные прямые. На них с помощью горизонтальных прямых c'c'', d'd'' и т. д. находим точки a''e"c"d"f"b". Соединяя эти точки отрезками прямых и кривых линий, определяем поле мощности, потребляемой насосом. Если имеется требуемый запас мощности в точке K, то двигатель будет эксплуатироваться в стационарных условиях работы без перегрева.

Из анализа рис. 10.2 следует, что прямая линия a''b" в третьем квадранте характеризует потребляемую насосом мощность при изменении величин подачи воды от Q _min до Q _max при заданной частоте вращения вала насоса n _н1.

Прямая c"d" характеризует потребляемую насосом мощность при частоте вращения вала насоса n _н3, соответственно.

Кривая a''c" характеризует изменение потребляемой мощности при минимальной подаче насоса в зависимости от частоты вращения вала насоса (n _н3 – n _н2 – n _н1), а следовательно, и величин развиваемого напора. Кривая a''d" характеризует то же, но при максимальной подаче воды насосом.

В поле мощности, потребляемой пожарным насосом, точка b" характеризует максимальную подачу при n _н1 , а точка c" – минимальную подачу при n _н3.

Совмещение полей мощности двигателя и насоса позволяет определять и наиболее экономичные по расходу топлива режимы. Для такой оценки на поле мощностей двигателя наносят изолинии удельных расходов топлива.

Изолинии удельных расходов топлива характеризуют его расход
в граммах на один киловатт мощности, потребляемой в течение часа, – г/(кВт·ч). Такие изолинии расхода топлива для одного из дизелей, используемых на ПА, показаны на рис. 9.3.

		1
	N, кВт
		b''
		4
		6
			а''
		5
			с''

Рис. 9.3. Расход топлива, г/(кВт∙ч),

3

и выбросы сажи, г/кг топлива,

в отработавших газах

7

двигателя ЯМЗ-236:

расходы топлива:

d''

1 – 225; 2 – 250; 3 – 300; 4 – 375;

выбросы сажи:

5 – 0,05; 6 – 0,1; 7 – 0,2

На поле мощности этого дизеля размещено поле мощности, потребляемой насосом ПН-40УВ a''b"d"c". В этом поле точки b" и a'' соответствуют подаче насоса 40 и 4 л/с при частоте вала насоса n _н1 = 2 700 об/мин,
соответственно. Точки d" и c" характеризуют подачу воды 40 и 4 л/с при частоте вращения вала насоса n _н3 = 1 700 об/мин, соответственно.

Линии 1 – 4 характеризуют изолинии расходов топлива, г/(кВт·ч),при различных режимах работы двигателя. Из сравнения удельных расходов топлива при различных режимах работы двигателя следует: удельные расходы топлива уменьшаются при повышении мощности двигателя и частоты вращения его коленчатого вала.

Кроме продуктов полного сгорания – углекислого газа и паров воды,
в выпускных газах двигателей внутреннего сгорания содержатся в небольших количествах вещества, обладающие токсическим действием. Это продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода СО, углеводороды различного состава и строения СН, в том числе: пары несгоревшего топлива, сажа (углерод С), а также оксиды азота воздуха NO _x.

Оксид углерода СО образуется при сгорании богатой смеси (α > 1) вследствие недостатка кислорода для полного сгорания топлива.

Образование углеводородов СН связано с замедлением реакций окисления в простенном слое топливовоздушной смеси в камере сгорания.

Азот – химически инертный газ. При высокой температуре реагирует с кислородом, образуя NO. В атмосферном воздухе происходит медленное окисление NO в двуокись азота NO₂. Ее токсичность значительно выше токсичности NO.

В выпускных газах дизелей образуется сажа. Она сама по себе малоопасна. Однако на ней адсорбируются бенз-а-пирен (полициклический углеводород ароматического ряда), который обладает канцерогенным действием.

Неравномерный расход топлива в поле мощности двигателя, различие режимов его работы являются причиной неравномерного выделения токсичных веществ в отработавших газах двигателя.

Содержание токсичных примесей в отработавших газах двигателя представляют в граммах на один килограмм сгоревшего топлива (г/кг топлива).

Содержание сажи в отработавших газах двигателя представлено
на рис. 9.3 в виде изолиний с различным ее содержанием (кривые 5, 6 и 7). Из рисунка следует, что поле мощности a''b"d"c", потребляемой пожарным насосом, размещено в области с минимальным содержанием сажи в отработавших газах. Ее количество увеличивается при увеличении мощности, развиваемой двигателем, и частоты вращения его коленчатого вала (кривые 5, 6 и 7). Эксплуатация двигателя в области указанных режимов будет сопровождаться увеличением количества сажи в отработавших газах двигателя, следовательно, она нежелательна.

Изолинии равных количеств оксида углерода СО (кривые 1 – 4) и оксидов азота NO _x (кривые 5, 6 и 7) представлены на рис. 9.4.

		1
		5
	2
		а''
		d''
			7
	4
		с''

N, кВт

Рис. 9.4. Выбросы оксида углерода,

г/кг топлива

b''

и оксидов азота, г/кг топлива,

в отработавших газах:

1 – оксид углерода 0,25;

2 – оксид углерода 0,5;

3 – оксид углерода 0,75;

6

4 – оксид углерода 1,0;

3

оксиды азота:

5 – 0,6; 6 – 0,4; 7 – 0,2

Содержание СО в отработавших газах двигателя увеличивается в области малых значений мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Это характерно для работы насоса с малыми подачами и напорами, развиваемыми им. Однако содержание оксидов азота тем больше, чем больше мощности, развиваемые двигателем, и частоты вращения его коленчатого вала. Следовательно, необходимо выбрать какие-то средние режимы эксплуатации двигателя.