CC BY
10
УДК 614.843.27; 614.843.3
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ К НАПОРНОМУ ПОЖАРНОМУ РУКАВУ
И. В. САРАЕВ, А. Д. СЕМЕНОВ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected] [email protected]
В статье представлена разработка совершенно нового устройства, позволяющего уйти от устарелой проволочной намотки напорного пожарного рукава к соединительной головке. Представлено общее устройство и планируемые элементы конструкции разработанного устройства. Вместе с тем, представлен расчёт прочностных характеристик основных элементов конструкции разработанного устройства. Также показано, что разработанное устройство не требует изменения конструктивных элементов, существующих соединительных головок, а лишь дополняет и расширяет их функционал.
Ключевые слова: соединительная головка, рукав, пожар, отказ, пожарный рукав, устройство крепления.
DEVELOPMENT OF THE DEVICE FOR FIXING THE CONNECTING HEAD
TO THE PRESSURE FIRE HOSE
I. V. SARAEV, A. D. SEMENOV
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected] [email protected]
The article presents the development of a completely new device that allows you to get away from the outdated wire winding of the pressure head fire hose to the connecting head. The general device and planned structural elements of the developed device are presented. At the same time, the calculation of the strength characteristics of the main structural elements of the developed device is presented. It is also shown that the developed device does not require changes in structural elements, existing connecting heads, but only supplements and expands their functionality.
Key words: connecting head, hose, fire, failure, fire hose, fastening device.
Введение
Аварии и чрезвычайные ситуации (ЧС) -далеко не редкость в современном мире. Зачастую они сопровождаются значительными разрушениями и ущербом для общества и государства1 [1]. При этом, для минимизации ущерба от аварий и ЧС необходимо не только своевременно реагировать на такие вызовы, но и сохранять высокий темп проведения работ.
Темп и эффективность тушения пожара, а также проведения спасательных работ зави-
© Сараев И. В., Семенов А. Д., 2021
1 Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2020 году». М.: МЧС России. ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2021. 264 с.
сят от множества факторов, определяющих боевую готовность пожарно-спасательного подразделения, поэтому выбор оптимальных мер противодействия последствиям ЧС в условиях ограниченных ресурсов имеет одно из наиболее важных значений [2-5]. Пожарные рукава, наряду с другим пожарно-техническим оборудованием, можно отнести к наиболее часто применяемому его виду.
Вместе с тем, известно, что до 85 % отказов от всей пожарной техники приходится именно на долю пожарных рукавов [6]. Таким образом, от их надёжности во многом зависит эффективность и успешность действий пожар-но-спасательных подразделений МЧС России (ПСП) при тушении пожара. Наиболее часто встречающиеся отказы пожарных рукавов приходятся на деформацию пожарных соедини-
тельных головок и перетирание поверхности пожарного рукава в месте его крепления к соединительной головке. В связи с этим характер их эксплуатации предъявляет повышенные требования к безотказности работы. Возникновение отказов пожарных рукавов на пожаре наиболее опасно, т.к. вследствие такого деструктивного события увеличивается среднее время тушения на 5-8 мин [7], что, в свою очередь, приводит к снижению эффективности действий ПСП и увеличению причинённого ущерба обществу и государству.
Ремонт пожарных рукавов осуществляется исключительно в условиях ПСП и подразумевает наложение заплат, вулканизацию, а также сокращение длины рукава, но не менее 17 метров2. Пожарные соединительные головки в настоящее время крепятся к пожарному рукаву путём намотки проволокой, а ремонт пожарного рукава с деформированной соединительной головкой подразумевает извлечение соединительной головки с последующей её заменой при помощи специализированного оборудования и инструмента, что сопровождается значительными трудовыми и временными затратами. Все эти технологические операции снижают эффективность процесса восстановления технической готовности рукавов к использованию.
Таким образом, разработка устройства для крепления соединительных головок к напорному пожарному рукаву является важной и актуальной задачей.
Цель исследования цель исследования - разработка универсальной конструкции устройства, повышающего безотказность и техническую готовность пожарных рукавов при эксплуатации.
Материал и методы исследования При решении задач, поставленных в исследовании, использовались основные положения теории надёжности, элементы сопромата, трибологии и 3й моделирования.
Результаты исследования и их обсуждение
Напорные соединительные головки предназначены для быстрого и прочного соединения напорных пожарных рукавов между собой, а также для присоединения их к пожарному оборудованию.
Для быстрой замены соединительной головки, при возникновении деструктивного события, выраженного в выходе из строя (отказа)
2 Приказ МЧС России от 01.10.20 № 737 «Об утверждении Руководства по организации материально-технического обеспечения Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий».
напорного пожарного рукава, в ходе проведения боевых действий по тушению пожара, разработано устройство, которое имеет сборно-разборную конструкцию, позволяющую крепить и фиксировать соединительные головки на пожарные напорные рукава.
Разработанное устройство состоит из двух симметричных частей и представляет собой конусовидный насадок (рис. 1), крепящийся на штуцер пожарной соединительной головки, тем самым закрепляя соединительную головку на пожарном рукаве.
ш 1
12 3 4
Рис. 1. Общее устройство и спецификация разработанного устройства: 1 - соединительная головка; 2 - штуцер соединительной головки; 3 - устройство крепления соединительной головки; 4 - пожарный рукав
Процесс крепления соединительной головки к пожарному рукаву выглядит следующим образом:
1) подготовка напорного пожарного рукава, соединительной головки и устройства крепления;
2) надевание напорного пожарного рукава на штуцер соединительной головки;
3) установка устройства крепления на штуцер соединительной головки;
4) фиксация устройства на соединительной головке.
Стоит отметить, что конструкция устройства подразумевает возможность протяжки соединительных головок в местах соединения специальными ключами, а также удобство их соединения вручную. Конусовидная форма (рис. 2) обеспечит беспрепятственную прокладку рукавной линии по неровной поверхности путём обеспечения скольжения соединительных головок исключая какие-либо зацепления.
Рис. 2. Общий вид разработанного устройства в установленном на напорный пожарный рукав виде
Конструкция устройства также подразумевает небольшой отступ от края штуцера соединительной головки, что предотвращает абразивный износ напорного пожарного рукава в месте крепления.
Отличительной особенностью разработанного устройства является простота конструкции, существенное снижение времени и средств на ремонт (замену соединительных головок) напорных пожарных рукавов, а также отсутствие аналогов.
Следует отметить, что разработанное устройство может быть изготовлено из алюминиевых сплавов не выше II группы по ГОСТ 1583-933 или латуни по ГОСТ 17711-934, а также из других материалов, устойчивых к условиям эксплуатации.
После разработки конструкции устройства возникла задача определения усилия, необходимого для прочного крепления напорного пожарного рукава к соединительной головке.
Для определения требуемого усилия прижатия проводился расчёт прочностных характеристик основных элементов конструкции устройства для крепления соединительных головок к напорному пожарному рукаву.
В первую очередь определили требуемое усилие прижатия рукава к штуцеру соединительной головки. Приняли допущение, что соединительная головка не имеет выступов и ее поверхность гладкая (рис. 3).
На рукав, одетый на соединительную головку в осевом направлении, будет действовать сила Fp, обусловленная давлением перекачиваемой жидкости Р.
I
пр
Рис. 3. Расчетная схема по определению усилия прижатия
Величина силы будет определяться следующим образом [9]:
Рр = Р-5, (1)
где S - площадь проходного сечения рукава.
Тр = 600 ■ 1 0 3 ■ 0,004 = 2 4О 0(Н ).
Площадь проходного сечения будет определяться по формуле:
F
3
ГОСТ 1583-1993. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. Межгосударственный стандарт. Введ. 1997-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. 48 с.
4 ГОСТ 17711-1993 Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Межгосударственный стандарт. - Введ. 1995-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. - 8 с.
5 = ^ , (2)
где d - рабочий диаметр рукава.
5= 3^12^= 0,004 (м 2 ).
Что бы предотвратить соскальзывание рукава со штуцера соединительной головки сила Рр должна компенсироваться силой трения Ртр материала рукава о материал соединительной головки:
Ртр > Рр . (3)
В свою очередь сила трения определяется следующим образом:
Ртр = к ■ Рп р, (4)
где к - коэффициент трения материала рукава о материал соединительной головки;
Рпр - усилие прижатия рукава к штуцеру соединительной головки.
/ТР = 0,8 ■ 1 , 5 ■ 1 03 = 1 2 2 5 (Н ).
Выразим усилие прижатия подставив в уравнение соответствующие величины и заменив силу трения Ртр осевой силой Рр, определив, таким образом критическую величину силы прижатия:
РП Р = — (5)
Примем величину давления в пожарном рукаве 600 кПа5. Примем величину коэффициента трения к = 0,8 для пары трения резина - алюминий [9]. По данной формуле определим величину требуемого усилия прижатия:
- 600-103-3,14-0,0512 ,ЛЛ\
= -= 1 5 3 1 ( Н).
г 4-0,8 4 '
Поскольку в данной конструкции планируется 6 болтов, предполагаем, что усилие прижатия от них распределяется равномерно по площади, при расчете момента затяжки одного болта уменьшим величину Р пр в 6 раз. Так же будем пренебрегать возможным снижением усилия прижатия в плоскости перпендикулярной стержням болтов.
Тогда, величина момента завинчивания на гайке для одного болта составит:
Гзав=Fпр•Дn р/6, (6)
где Тзав - момент завинчивания, приложенный к гайке, Нм;
Д„р - величина, определяемая геометрическими параметрами болтового соединения, мм.
*nP=f-( да + рО+Уф, (7) где <¿2 - средний диаметр резьбы, мм;
// - угол подъема витка резьбы, град. При расчетах принять значение /?=2°^3°;
р; - приведенный угол трения в резьбе,
град.;
/т - коэффициент трения на торце гайки (/т =0,2 без смазки, /т =0,09 для жидкой смазки с присадками, /т =0,14 для пластичной смазки);
D-i - наружный диаметр опорной поверхности гайки (равный размеру «под ключ»), мм.
ЯпР = т" ( ^ + 0 '5 3 ) + 0 '2 " Ф = 0 '9 9 ■
Приведённый угол трения в крепёжной метрической резьбе подсчитывают по приближенной зависимости:
Р 'о=Й? (8)
где - угол трения для материалов резьбовой пары, град.
= Of = 0, 5 3 (град.)
р=arct, (/), (9)
где - коэффициент трения для материалов резьбовой пары (для стали принять /=°,3-°,5).
р = arc t,( 0 , 5 ) = 0, 4 6 (град.)
Определим требуемый момент затяжки болтов в предложенной конструкции для рукава условным проходным диаметром 51 мм:
1531-0,0013 n.m ,
^зав = --- = 0 , 3 ( Н М ).
Проведённый расчёт подтверждает, что разработанное устройство и соединение обеспечит:
1) возможность создания больших осевых нагрузок при малых усилиях;
2) возможность фиксации в затянутом состоянии (самоторможение);
3) удобство сборки и разборки с применением стандартных инструментов;
4) простоту конструкции и возможность точного изготовления;
5 ГОСТ Р 51049-2019 Техника пожарная. Рука-
ва пожарные напорные. Общие технические требования. Методы испытаний. Националь-
ный стандарт Российской Федерации. М.:
Стандартинформ, 2019. 12 с.
5) низкую стоимость крепёжных изделий благодаря массовости и высокой степени автоматизации производства.
Заключение
Таким образом, разработана и спроектирована конструкция устройства крепления соединительной головки к напорному пожарному рукаву, обеспечит надёжную фиксацию последнего, что подтверждается расчётами прочностных характеристики основных элементов конструкции.
Разработанное устройство позволит:
1) минимизировать последствия аварий и ЧС, в частности, позволит сократить ущерб от пожаров, путём оперативного («горячего») ремонта пожарных рукавов на месте
пожара, что позволит сохранять высокий темп работы ПСП даже при отказах пожарных рукавов;
2) сократить финансовые затраты на приобретение и содержание специализированного оборудования для намотки соединительных головок на пожарные рукава;
3) сократить время и трудозатраты на проведение ремонта (замена соединительных головок) пожарных рукавов.
Наряду с этим следует отметить, что разработанное устройство не требует изменения конструктивных элементов, существующих соединительных головок, а лишь дополняет и расширяет их функционал.
Список литературы
1. Рыбаков А. В., Арефьева Е. В., Ма-тюшкин Д. И. Оценка степени разрушения конструкции зданий от взрывной нагрузки // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2014. № 3. С. 35-41.
2. Statheropoulos M., Agapiou A., Pal-lis G. C., Mikedi K., Karma S., Vamvakari J., Dan-doulaki M., Andritsos F. and Paul Thomas C. L. Factors that affect rescue time in urban search and rescue (USAR) operations. Natural Hazards, 2014, vol. 75, pp. 57-69. DOI: 10.1007/s.11069-014-1304-3.
3. George Psarros, Rolf Skjong and Magnus S. Eide. The acceptability of maritime security risk. Journal of Transportation Security, 2009, vol. 2, pp. 149-163. DOI: 10.1111/j.1541-1338.2004.00080.x.
4. Lemanska K., Gtowka S. Review, application and development trends of firefighting equipment. Bezpieczenstwo i technika pozar-nicza, 2013, issue 30, pp. 91-99.
5. Matteini L., Schwartz S. J., Hellinger P., LandI S. Fire hose instability driven by alpha particle temperature anisotropy. The astrophysical journal, 2015, issue 1, pp. 13-16.
6. Относительная общая польза - дополнительный комплексный критерий выбора пожарных рукавов / И. В. Сараев, А. Г. Бубнов,
B. Ю. Курочкин [и др.] // Пожаровзрывобез-опасность. 2015. Т. 24 (№ 4). С. 66-71.
7. Полозов А. А., Самохвалов Ю. П. Определение относительных частот использования пожарного оборудования на пожарах // Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т. 15 (№ 4).
C. 62-65.
8. Богданович П. Н., Прушак В. Я. Трение и износ в машинах: Учебник для вузов. Мн.: Выш. Школа, 1999. 374 с.
References
1. Rybakov A. V., Arefyeva Ye. V., Matyushkin D. I. Otsenka stepeni razrusheniya konstruktsii zdaniy ot vzryvnoy nagruzki [Assessment of the degree of destruction of buildings from an explosive load]. Nauchnyye i obrazovatel'nyye problemy grazhdanskoy zashchity, 2014, issue 3, pp. 35-41.
2. Statheropoulos M., Agapiou A., Pallis G. C., Mikedi K., Karma S., Vamvakari J., Dandoulaki M., Andritsos F. and Paul Thomas C. L. Factors that affect rescue time in urban search and rescue (USAR) operations. Natural Hazards, 2014, vol. 75, pp. 57-69. DOI: 10.1007/s.11069-014-1304-3.
3. George Psarros, Rolf Skjong and Magnus S. Eide. The acceptability of maritime security risk. Journal of Transportation Security, 2009, vol. 2, pp. 149-163. DOI: 10.1111/j.1541-1338.2004.00080.x.
4. Lemanska K., Gtowka S. Review, application and development trends of firefighting equipment. Bezpieczenstwo i technika pozar-nicza, 2013, issue 30, pp. 91-99.
5. Matteini L., Schwartz S. J., Hellinger P., LandI S. Fire hose instability driven by alpha particle temperature anisotropy. The astrophysical journal, 2015, issue 1, pp. 13-16.
6. Otnositel'naya obshchaya pol'za -dopolnitel'nyy kompleksnyy kriteriy vybora pozharnykh rukavov [Relative overall benefit - additional comprehensive criterion for the selection of fire hoses] / I. V. Sarayev, A. G. Bubnov, V. Yu. Kurochkin [et al.]. Pozharovzryvobezopas-nost', 2015, vol. 24 (issue 4), pp. 66-71.
7. Polozov A. A., Samokhvalov Yu. P. Opredeleniye otnositel'nykh chastot ispol'zovaniya pozharnogo oborudovaniya na pozharakh [Determination of the relative frequencies of use of fire
fighting equipment on fires]. Pozharovzryvobe-zopasnost'. 2006, vol. 15, (issue 4), pp. 62-65.
8. Bogdanovich P. N., Prushak V. Ya. Treniye i iznos v mashinakh: Uchebnik dlya vuzov [Friction and Wear in Machines: A Textbook for High Schools]. Mn.: Vysh. Shk., 1999, 374 p.
Сараев Иван Витальевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, преподаватель
E-mail: [email protected]
Saraev Ivan Vitalievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, lecturer
E-mail: [email protected]
Семенов Андрей Дмитриевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, заместитель начальника кафедры E-mail: [email protected], Semenov Andrey Dmitrievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, deputy chief of chair
E-mail: [email protected].
