Пожарная безопасность

Пожарные автомобили нового поколения: модульная технология и проблемы безопасности

Распад СССР в начале 90-х годов XX века, так или иначе, отразился на всех сферах жизни общества, в том числе на экономике и промышленности. В критическом положении оказалась и отрасль пожарного машиностроения. В связи с тем, что в советское время существовала специализация производства пожарных автомобилей (ПА), после распада СССР основной изготовитель пожарных машин (по номенклатуре, объемам выпуска и востребованности моделей) остался на Украине. Это Прилукский завод «Пожмашина», выпускавший ПА на полноприводных и неполноприводных шасси ЗИЛ (а в последние годы - и на шасси КамАЗ).

В Прилуках осталось также ОКБ пожарных машин - головная конструкторская организация, разрабатывавшая техническую документацию на все виды основных и большую часть специальных ПА. Деятельность этого КБ определяла техническую политику в отрасли.

Два других завода отрасли (Торжокское ПО «Противопожарная техника» и Варгашинский завод противопожарного оборудования) были ориентированы на производство ПА на шасси других типов и оказались не готовы к быстрому воспроизводству относительно новой для них продукции - пожарных машин на шасси ЗИЛ. К тому же в новой России не нашлось конструкторской организации, способной быстро и квалифицированно разработать техническую документацию на воспроизводство данной продукции применительно к технологическим возможностям этих заводов-изготовителей. Отсутствовала и эффективная нормативная правовая база, ориентированная на создание ПА нового поколения, а не на простое воспроизводство ранее выпускавшихся моделей.

Одна проблема, связанная с ограничением возможностей российских производителей по выпуску полной гаммы ПА, наложилась на другую, заключавшуюся в резком снижении спроса на эту продукцию из-за существенного сокращения финансовых ресурсов пожарной охраны.

Рубежом стал 1991 год, после которого начался резкий спад производства ПА и выпуск пожарных машин (уже в рамках Содружества Независимых Государств) происходил скорее «по инерции», чем по плану. Его характерная особенность - ограниченность номенклатуры при большом количестве производимых ПА (около 3700 машин в Прилуках, 2000 - в Варгашах).

Естественно, из-за ограниченной номенклатуры выпускаемых ПА не могли быть удовлетворены потребности пожарной охраны, которая уже в течение многих лет (практически все 80-е годы) испытывала недостаток в специальных пожарных автомобилях.

В сложившейся ситуации, причем в условиях очевидной неопределенности с финансированием, остро встал вопрос о воссоздании отрасли пожарного машиностроения в России (в части как освоения производства, так и поставок ПА).

Процесс начался с организации производства ПА на предприятиях, для которых этот вид продукции являлся непрофильным. В основном это были так называемые конверсионные предприятия, входящие в оборонный комплекс или близкие к нему. Но были и исключения. В частности, о своем желании производить ПА заявил АМО ЗИЛ, который поручил решение этой проблемы дочернему предприятию - Московскому карбюраторному заводу «МосКАРЗ». Проявили интерес к проблеме и дочерние предприятия Уральского завода.

Первым предприятием, включившимся в процесс создания российских пожарных автомобилей, стал Посевнинский машзавод (Новосибирская область), выпустивший в 1992 г. пожарную автоцистерну на шасси Урал 43202 (правда, на базе старых компонентов и технических решений).

В последующем число заводов-изготовителей быстро увеличивалось и к 2002 г. их стало 12. Одновременно достаточно динамично происходило освоение новых моделей ПА: с 1992 по 2001 г. было принято и поставлено на производство более 90 новых моделей.

Возникли и проблемы...

Уже в первые годы оказалось, что старая система создания ПА с жесткой технологией в новых условиях не эффективна. Ее недостатком являлось то, что она не давала возможности в достаточно короткие сроки и с минимальными затратами ставить на производство новые модели машин, проводить глубокую модернизацию серийно выпускаемых моделей, быстро адаптироваться в условиях рыночной экономики к требованиям конкретного потребителя.

Для изменения ситуации потребовался новый концептуальный подход к созданию ПА, основанный на применении гибкой модульной технологии. Кстати, о ней немало говорилось еще в советское время, но реализация этой технологии являлась тогда задачей практически не решаемой по причине возможного увеличения материалоемкости конструкции надстройки: этот параметр жестко регламентировался плановыми органами.

Прошло время, и уже в первые годы XXI века модульную технологию взяли на вооружение многие отечественные предприятия-изготовители пожарных автомобилей, хотя следует отметить, что сама идея требует дальнейшего развития, совершенствования и более глубокого внедрения.

В чем же заключается оригинальность и новизна идеи модульной концепции ПА?

Идея модульной концепции. Оперативные работники пожарной охраны убеждены, что поступающие на вооружение ПА должны быть «гибкими», т. е. максимально адаптированными к широкому диапазону условий боевого использования на конкретном защищаемом объекте (город, территория и т. д.). За такую «гибкость» потребитель готов предложить производителю финансовые средства, что особенно актуально в последнее время.

Стремление производителей удовлетворять меняющиеся запросы потребителей ведет к сокращению доли производства изделий одного наименования, уменьшению сроков обновления моделей, расширению их номенклатуры. Таковы мировые тенденции в производстве ПА.

Таким образом, доминирующим становится многономенклатурное разносерийное производство, а производственная программа, в значительной степени непредсказуемая, в конечном счете, формируется потребителем.

Итак, чтобы ПА был эффективным и в производстве, и в эксплуатации, он должен быть способным перестраиваться (можно сказать: «перенастраиваться» в зависимости от требований заказчика).

Для создания ПА, отвечающих перечисленным требованиям и способных соответствовать конкретным условиям эксплуатации, необходим нетрадиционный подход, базирующийся на принципиально новых идеях.

Один из таких подходов - использование модульного принципа, достаточно давно и успешно применяемого за рубежом в промышленности и, в частности, при производстве ПА.

Новизна идеи заключается в том, что в процессе изготовления ПА строится из ряда модулей, функционально и компоновочно связанных между собой и имеющих идентичные присоединительные размеры. С помощью ограниченной номенклатуры модулей можно существенно трансформировать свойства ПА, а в случае надобности путем перекомпоновки легко перестроить его на ремонтно-восстановительной базе заказчика.

Таковы смысл и новизна идеи модульной концепции. Ее реализация, при ограниченных финансовых средствах, но высококвалифицированных кадрах, позволяет в сжатые сроки создавать конкурентоспособные отечественные пожарные автомобили нового поколения в номенклатуре, установленной действующим типажом.

Но возникают вопросы. Какой смысл вкладывают специалисты в понятие «новое поколение пожарных автомобилей»? Можно ли отнести к новому поколению ПА, изготовленные по модульной технологии, но с использованием старых, полувековой давности компонентов? Для ответа на эти вопросы следует обратиться к утвержденной ГУГПС МЧС России Концепции развития производства ПА в России, в которой определено: будущий парк ПА должен быть укомплектован автомобилями нового, более высокого качественного уровня. Реализация этого положения Концепции возможна лишь при активном участии в процессе заводов-изготовителей ПА и при обеспечении нового качества выпускаемых пожарных автомобилей.

Новое качество продукции есть не что иное, как:

• новый, более высокий уровень безопасности;
• новый дизайн;
• новые конструкционные и технические решения;
• новые компоненты и комплектующие изделия;
• новые технологии;
• новые материалы;
• сочетание всех или части указанных признаков.

Совокупность приведенных признаков характеризует технический уровень продукции, который в нормативных документах трактуется как «относительная характеристика качества ПА, полученная при сопоставлении показателей его технического совершенства с соответствующими базовыми значениями».

Следовательно, новое поколение ПА должно обладать совокупностью приведенных выше признаков, характеризующих его новое качество и более высокий технический уровень по сравнению с уровнем того поколения, на смену которому оно пришло, при безусловном и приоритетном повышении общего уровня безопасности.

Применение модульной технологии решает одну из важнейших проблем при создании ПА -проблему многовариантности компоновки, но не снимает проблему качественного уровня пожарного автомобиля в целом. И в первую очередь проблему обеспечения его безопасности, что особенно актуально в настоящее время, характеризующееся бурным развитием автомобильного парка России. Скажем больше: проблема безопасности по ряду причин обостряется.

Следствием роста парка автомобилей является неконтролируемое повышение плотности транспортного потока, поэтому вполне понятно стремление общества и государственных структур обеспечить в максимальной степени безопасность дорожного движения.

При этом все большее значение приобретает, помимо административных мер, связанных с организацией транспортного потока, обеспечение безопасности специальных транспортных средств, включая ПА, как участников движения, следующих в потоке в оперативном режиме.

Безопасность дорожного движения включает в себя две основные составляющие:

• конструктивную безопасность, обеспечиваемую производителями транспортных средств;
• эксплуатационную безопасность, зависящую от обеспечения и контроля технического состояния транспортных средств.

Эксплуатационная безопасность, безусловно, важна, однако это тема для отдельного анализа. Пока же рассмотрим проблемы с обеспечением конструктивной безопасности.

Требования к конструктивной безопасности условно можно разделить на три категории:

• экологическая безопасность - вредные выбросы и шум, производимые автомобилем, не должны разрушать окружающую среду;
• активная безопасность - при создании автомобиля должен быть реализован комплекс конструктивных решений, помогающих избежать критические ситуации при его движении;
• пассивная безопасность - следует предусмотреть возможность сохранения жизненного пространства в деформированной кабине и свести к минимуму риск в случае дорожно-транспортного происшествия (ДТП) с автомобилем.

Требования экологической безопасности ПА установлены в ГОСТ 2.12.037 [1]. Этот стандарт находится в стадии пересмотра, и после его утверждения ряд требований будет ужесточен в соответствии с современными нормами. Это создаст определенные проблемы перед производителями ПА -требования стандартов необходимо выполнять. Однако следует отметить, что связь между модульной компоновкой и экологической безопасностью прослеживается слабо.

Что касается активной и пассивной безопасности, то здесь связь с компоновкой очевидна, причем применение модульной технологии создает дополнительные проблемы.

В принципе, в части безопасности нет никакого особенного подхода к ПА, для оценки которых применяются в основном те же нормы и методы испытаний, что и для оценки обычных транспортных средств. Большинство ПА являются результатом развития базовых шасси и отличаются от них наличием дополнительного оборудования - пожарной надстройки.

Однако связанное с этим изменение массы в той или иной степени влияет на показатели безопасности: меняются распределение массы по осям, высота центра тяжести, моменты инерции, что сказывается на показателях устойчивости, управляемости, тормозных свойствах и плавности хода машины.

Эти негативные изменения можно компенсировать выбором рациональных характеристик упругих и демпфирующих элементов систем подрессоривания, введением дополнительных элементов в тормозную систему, оптимальным распределением подрессоренных масс.

Однако в современных условиях проводить трудоемкие «доводочные» мероприятия на готовом изделии невозможно (во всяком случае, за воды-изготовители ПА таких испытаний не проводят), а специально изготавливать опытный образец в условиях мелкосерийного и единичного производства нецелесообразно.

Наиболее эффективным способом, который позволит определить рациональные характеристики безопасности ПА и обеспечить их конструктивно, является использование системы комплексного адаптирования компоновки, подвески, тормозов к условиям безаварийного движения.

Основу системы должны составить методики и компьютерные программы для теоретического определения геометрических и инерционных характеристик пожарного автомобиля при известных стратегиях построения компоновочной схемы, параметрах модулей (масса, геометрические параметры, расположение центра тяжести, моменты инерции), прогнозирования показателей плавности хода и поперечной устойчивости с использованием имитационного математического моделирования динамики ПА.

Теоретические подходы к решению этой задачи рассмотрены в работе [2], однако требуется их практическая реализация применительно к современным условиям.

Возникает вопрос: почему проблема безопасности столь актуальна для модульных ПА? Ответ прост: многовариантность компоновки создает сложности с обеспечением оптимальных значений компоновочных параметров ПА, а именно:

• увеличиваются моменты инерции относительно продольной и вертикальной осей автомобиля;
• нарушается осевая развесовка (увеличение или уменьшение нагрузки на переднюю ось относительно нормативных значений).

Проявление этих факторов приводит к снижению показателей устойчивости и управляемости, ухудшению тормозной динамики, появлению «галопирования», что может вызвать необходимость доработки конструкций пожарных автомобилей.

Исследования, проведенные в разные годы во ВНИИПО [3, 4], позволяют определить объем таких доработок, в числе которых:

• установка стабилизаторов поперечной устойчивости;
• увеличение жесткости подвесок;
• применение антиблокировочной системы тормозов (АБС);
• снижение высоты центра тяжести пожарной надстройки компоновочными мерами;
• применение волноломов в цистернах вместимостью более 1500 л согласно требованиям НПБ 163-97 [5]);
• снижение моментов инерции базовых модулей за счет изменения схемы размещения пожарно-технического вооружения (ПТВ);
• оптимизация распределения подрессоренных масс относительно всех осей автомобиля согласно рекомендациям, изложенным в работе [2] (коэффициент распределения подрессоренных масс должен находиться в границах ε = 0,8... 1,2).

Важно, чтобы эти рекомендации были учтены изготовителями пожарных автомобилей. Положительный пример есть: АМО ЗИЛ (ПА на шасси этого предприятия составляют около 50 % всего объема реализации ПА в России [6]) по желанию потребителя (в качестве опциона) устанавливает на спецшасси для ПА стабилизаторы поперечной устойчивости, усиленные рессоры, АБС, специальный надрамник для крепления надстройки.

В связи с внедрением модульной технологии большие проблемы возникают у изготовителей пожарных автомобилей. На рис. 1 видно, сколь радикально изменилась компоновочная схема модульных ПА по сравнению с классической компоновкой. Главные из этих изменений:

• поперечное размещение цистерны, которое создает проблему с обеспечением активной безопасности;
• применение предназначенной для личного состава модульной кабины (рис. 1, б и в) среднего, а на некоторых моделях и заднего расположения, в результате чего возникает проблема обеспечения пассивной безопасности.

Создание базы типовых модулей, казалось бы, упрощает разработку оптимальной компоновки ПА, а фактически может препятствовать полной реализации потенциальных свойств базового шасси.

Обратимся к рис. 1. Вариант компоновки с классической салонной кабиной (см. рис. 1, а) позволяет полностью использовать грузоподъемность шасси при применении модуля цистерны вместимостью 5,0 м³ и обеспечении требуемой развесовки по осям.

При использовании модульной кабины (см. рис. 1, б) применять 5 - кубовую цистерну уже невозможно из соображений обеспечения безопасности: передняя ось оказывается разгруженной до таких пределов, которые делают невозможной эксплуатацию автоцистерны (машина становится неуправляемой).

Предложенный заводом выход - применение 3 - кубовой цистерны - нельзя считать оптимальным: шасси оказывается при этом недогруженным на 2 т, что экономически нецелесообразно. Для использования модуля цистерны У=5 м³ при модульной кабине потребуется применение 3 - основного шасси другого, более высокого класса грузоподъемности (см. рис. 1, в). К преимуществам же модульной кабины можно отнести ее более высокую технологичность в производстве.

Возникают проблемы и при поперечном размещении цистерны. Автоцистерна по сравнению с другими ПА имеет две особенности: наличие постоянно возимого жидкого груза (при этом возможны варианты движения с частично заполненной цистерной) и более высокая средняя скорость как у ПА первого хода.

При наличии жидкого груза повышенная скорость может оказаться критической при прохождении поворотов с радиусом 20 - 25 м. Повысить критическую скорость прохождения поворотов можно за счет изменения конструкции подвески - увеличения жесткости рессор (особенно задней оси) или применения стабилизаторов поперечной устойчивости. Об этом говорилось выше.

Однако одним из основных резервов повышения устойчивости является исключение влияния подвижности жидкого груза, создающего дополнительный опрокидывающий момент при движении автоцистерны не только на повороте, но и в случае заноса во время торможения. При движении автоцистерны и на повороте, и при заносе возникает поперечная составляющая ускорения j_у. Под ее действием центр массы жидкого груза смещается в поперечном и вертикальном направлениях. Причем при ширине модуля - цистерны, равной габаритной ширине ПА (поперечное размещение цистерны), это влияние проявляется особенно заметно.

Решение уравнений опрокидывающего и восстанавливающего моментов при опрокидывании АЦ, учитывающих координаты положения центра массы жидкого груза во всем диапазоне изменения j_у показало, что на устойчивость ПА решающее влияние оказывает поперечное смещение центра массы.

Этот вывод позволил разработать критерий для определения оптимальных геометрических размеров цистерны прямоугольной формы, который выражается соотношением

В_a/h_c =2В_цН_ц

где В_a - колея автомобиля; h_c - высота центра тяжести цистерны относительно дороги; В_ц и Н_ц -соответственно ширина и высота цистерны.

Используя этот критерий, для любого шасси можно определить оптимальное сочетание высоты Н_ц и ширины В_ц цистерны, отвечающее требованиям безопасности.

Если при проектировании выполнить эти условия не удается (по техническому заданию или из компоновочных соображений), то в цистерну необходимо установить продольный волнолом. Более того, требованиями НПБ 163-97 определено, что при ширине цистерны более 80 % от размера колеи задних колес (наружных шин), что бывает при поперечной установке, применение продольного волнолома является обязательным. Если при этом волнолом делит цистерну на отсеки вместимостью более 1500 л, ставятся еще и поперечные волноломы. В результате цистерна обретает довольно сложную внутреннюю конфигурацию.

Предприятия ищут технические решения, упрощающие внутреннее устройство цистерн. Например, на ОАО «Пожтехника» имеется вариант цистерны из цилиндрических обечаек (в зависимости от вместимости от 1 до 8 штук и более), приваренных своими верхними и нижними частями к крышке и днищу. Наружное пространство между цилиндрическими поверхностями закрыто прямоугольными штампованными листами. Сами обечайки выполняют функции волноломов.

Особо следует остановиться на пассивной безопасности модульных кабин.

При столкновении и опрокидывании ПА элементы его конструкции подвергаются кратковременным, но очень существенным нагрузкам, достигающим в месте удара 350 g. Основное требование обеспечения безопасности боевого расчета состоит в том, чтобы жесткость внешних элементов конструкции автомобиля обеспечивала смягчение удара (уменьшение пиковых перегрузок), а деформация кабины водителя и боевого расчета была минимальной.

Анализ последствий ДТП с ПА показывает, что основными причинами травмирования боевого расчета при столкновении и опрокидывании являются:

• уменьшение жизненного пространства салона вследствие его деформации и перемещения элементов интерьера, в первую очередь ПТВ;
• выпадание из кабины через проемы дверей и ветрового стекла;
• локальные перегрузки вследствие удара об органы управления и элементы ПТВ, расположенного в салоне.

Обследование ПА, опрокинувшихся в результате ДТП, показывает, что при старой, традиционной компоновке их салоны в большинстве случаев обеспечивают сохранение необходимого жизненного пространства. Причина тому - наличие жесткой цистерны и закрепленной на ней надстройки (пеналов с всасывающими рукавами, трехколенной лестницы и т. д.), которые нависают над салоном и воспринимают на себя значительную часть нагрузки. Кроме того, надстройка в ряде случаев препятствует «перекатыванию» ПА через крышу, что также способствует снижению деформации салона.

Иная ситуация с обеспечением пассивной безопасности модульных кабин боевого расчета, особенно в случае их заднего расположения (рис. 2). Конструктивно обеспечить нормальный уровень защиты боевого расчета таких автомобилей значительно труднее, при этом появляется дополнительная опасность деформации кабины при наезде сзади.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что для окончательного внедрения модульной технологии в практику отечественного пожарного автомобилестроения потребуется решить следующие основные задачи:

1. Создать базу типовых конструктивных модулей различного целевого назначения, адаптированных к установке на шасси разных классов.

2. Выбрать рациональные стратегии построения компоновочных схем ПА, с использованием типовых модулей, по критерию целевой эффективности и комплексной адаптивности к условиям применения.

3. Создать компьютерные программы для теоретического определения геометрических и инерционных характеристик ПА при известных стратегиях построения компоновочных схем, позволяющих проектировать безопасный модульный пожарный автомобиль.

4. Разработать методы и компьютерные программы для оценки пассивной безопасности модульного ПА на стадии проектирования.

Решение сложных «доводочных» задач на этапе расчета и проектирования модульного ПА позволит снизить издержки производства и сделать автомобиль более привлекательным для потребителя по критерию «цена - качество».

По материалам научно-технического журнала "Пoжарная безопасность" №5 2002 года.