Выбор базового шасси для передвижного медицинского комплекса в строительстве
Выбор базового шасси для передвижного медицинского комплекса в строительстве
Аннотация
Проведен анализ требований к мобильности медицинской помощи в условиях бездорожья и пересеченной местности. В работе представлен инженерный расчет мощности двигателя и построена внешняя скоростная характеристика для автомобиля Урал-4320, шасси автомобиля являются оптимальными для размещения медицинского модуля передвижного медицинского комплекса. Выполнены расчеты для режимов максимального дорожного сопротивления (уклон до 10°, влажный грунт) и максимальной скорости (асфальтовое шоссе). Полученные данные подтверждают возможность эффективного применения шасси Урал-4320 для работы комплекса непосредственно в месте проведения строительных работ, в сложных ландшафтных и климатических условиях.
1. Введение
Строительная отрасль характеризуется высокой вероятностью возникновения производственного травматизма. Кроме того, объекты строительства могут находиться на значительном удалении от стационарных лечебных учреждений. Оперативность в оказании медицинской помощи является главным условием в спасении жизни пострадавшего. В условиях, когда строительство ведется в тайге, горной местности или на заболоченных участках, единственным решением становится использование передвижного медицинского комплекса на шасси высокой проходимости.
Эффективность такого комплекса напрямую зависит не только от наполнения медицинским оборудованием, но и от способности транспортной базы преодолевать тяжелое бездорожье , , . Целью данной работы является обоснование выбора автомобиля Урал-4320 в качестве платформы для медицинского модуля на основе расчета его мощностных характеристик.
2. Методы и принципы исследования
Крупные инфраструктурные проекты (строительство трубопроводов, дорог, ЛЭП, разработка месторождений) ведутся вдали от городов, где нет пунктов медицинской помощи. В условиях бездорожья и сурового климата стандартный автомобиль скорой помощи не сможет преодолеть сложные дорожные условия и обеспечить эффективную помощь , , , .
На сегодняшний день есть примеры использования реанимобилей на шасси Урал-4320 для оказания помощи на удаленных объектах.
В Челябинской области запущен комплекс на базе КАМАЗа (аналог Урала) для дежурства на трассах и обеспечения безопасности массовых мероприятий в труднодоступной местности , , .
Шасси Урал-4320 с колесной формулой 6х6 и системой регулирования давления в шинах позволяет медицинскому комплексу добираться до строительной площадки в условиях полного бездорожья, грязи или глубокого снега.
В работе применён аналитический метод расчёта тягово-скоростных свойств колёсного транспортного средства для расчета выбранного шасси.
Для оценки требуемой мощности двигателя, обеспечивающего полноценную работу медицинского комплекса и его транспортировки, был произведен ее расчет. На первом этапе была найдена величина касательной силы тяги, которая находится из уравнения тягового баланса:
Fk =Ff+Fh+Fw+Fj
где:
Ff — сила сопротивления качению, определяется по формуле:
Ff=mag∙f∙cosα
Fh — сила сопротивления подъему с углом α:
Fh=mag∙sinα
Fw — сила сопротивления воздушной среды:
Fw=kw∙Aл∙v2
kw — коэффициент обтекаемости; k = 0,9 Н∙с2/м4, при малых скоростях сопротивлением воздуха можно пренебречь;
Aл — площадь миделя, м2
Fj — отношение колеи автомобиля к его высоте:
Fj = В∙Н
B= 2,5 м— колея автомобиля;
H = 3,5 м — высота автомобиля.
Подставив значения в уравнение выше, была определена максимальная сила тяги. Величина данной силы проверялась на условие сцепления с грунтом:
Fkmax ≤ Fφ
где Fφ — максимально реализуемая сцепная сила;
Расчет мощности двигателя производился с использованием следующей формулы:
Ne= (Fkmax ∙ v)/(1000 ∙ ηтр).
Полученные результаты расчетов приведены в таблице 1.
Результаты расчетов мощности двигателя
Мощность двигателя: | α° | f | φ | FK, Н | Fφ, Н | N0, кВт |
При максимальной скорости | 0 | 0,015 | 0,7 | 6067,14 | 39051,16 | 188,48 |
При максимальном дорожном сопротивлении | 10 | 0,25 | 0,4 | 39457,78 | 39457,78 | 143,291 |
При среднем режим | 2 | 0,25 | 0,6 | 10412,06 | 59186,25 | 190,29 |
При максимальном ускорении | 0 | 0,25 | 0,7 | 4266,76 | 69051,16 | 46,59 |
Для построения внешней скоростной характеристики двигателя использовался метод Лейдермана, рассчитаны зависимости мощности и удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала:
Ne = NeN (a(ne/neN)+b(ne/neN)2 – c(ne/neN)3)
ge = gemax (a0 - b0(ne/neN)+c0(ne/neN)2)
где: Ne — эффективная мощность двигателя кВт;
ge — удельный эффективный расход топлива г/кВт·ч;
NeN — номинальная мощность двигателя, кВт;
neN - номинальная частота вращения при максимальной мощности, мин-1;
gemax — удельный расход топлива при номинальной частоте, г/кВт∙ч;
a, b, c — коэффициенты, определяются расчетным путем либо выбираются из справочной литературы. Для автомобиля Урал-4320 эти коэффициенты составили: a = 0,53; b = 1,56; с = 1,09; a0 = 1,55; b0 = 1,55; c0 = 1.
Далее был произведен расчет крутящего момента (Нм) и максимального момента двигателя при максимальной мощности (кВт):
Ме = 9554(Ne/ne)
MN = 9554(Ne/nN)
Воспользовавшись методом Лейдермана, после проведенного расчета, получили основные значения величин внешней скоростной характеристики. Рассчитанные значения приведены в таблице 2.
Значения основных величин внешней скоростной характеристики
n, об/мин | Ме, Н·м | Ne, кВт | GТ, кг/ч | ge, г/кВт·ч |
600 | 914,825 | 57,5 | 14,59 | 253,8 |
700 | 60,19 | 70,41 | 17,18 | 244,08 |
800 | 997,79 | 83,62 | 19,68 | 235,44 |
950 | 1043,85 | 103,85 | 23,3 | 224,42 |
1100 | 1076,52 | 124,05 | 26,86 | 216,54 |
1250 | 1107,1 | 141,68 | 29,74 | 209,52 |
1400 | 1128 | 162,22 | 33,46 | 206,28 |
1550 | 1115,6 | 180,38 | 37,01 | 205,2 |
1700 | 1096,78 | 195,321 | 40,31 | 206,38 |
1850 | 1060,32 | 205,49 | 48,46 | 209,52 |
2000 | 1016,64 | 213 | 46 | 216 |
Рисунок 1 - Внешняя скоростная характеристика
3. Основные результаты
Проведенные расчеты позволили установить, что базовое шасси Урал-4320 полностью соответствует предъявляемым требованиям по оборудованию медицинского пункта.
Расчётная мощность двигателя по режимам:
При максимальной скорости (85 км/ч, асфальт, α=0°): 188,48 кВт
При максимальном дорожном сопротивлении (10 км/ч, грунт, α=10°): 143,291 кВт
При среднем режиме (50 км/ч, сухая грунтовая дорога, α=2°): 190,29 кВт
При максимальном ускорении (0,4 м/с², асфальт): 46,59 кВт
В режиме максимального дорожного сопротивления касательная сила тяги ограничена сцеплением:
Fkmax = Fφ= 39457,78 Н.
Сцепной вес принят как 65% от полной массы:
Gсц=0,65 ⋅ ma ⋅ g = 15470 ⋅ 0,65 ⋅ 9,81 = 98670,6 Н
Внешняя скоростная характеристика двигателя ЯМЗ - 238БК:
Максимальный крутящий момент: 1128 Н·м при 1400 мин⁻¹
Минимальный удельный расход топлива: 205,2 г/кВт·ч при 1550 мин⁻¹
Часовой расход на номинальном режиме: 46 кг/ч.
4. Обсуждение
Полученные результаты позволяют количественно оценить соответствие силовой установки условиям эксплуатации передвижного медицинского комплекса на базе шасси Урал-4320.
Наибольшая потребная мощность зафиксирована в среднем режиме, что обусловлено сочетанием подъёма (α=2°) и повышенного сопротивления качению (f=0,025) при скорости 50 км/ч. Этот режим наиболее вероятен для межпоселковых перевозок по грунтовым дорогам. Режим максимальной скорости требует менее 90% от номинальной мощности (213 кВт), что подтверждает наличие скоростного запаса для движения по асфальтированным трассам.
При движении по влажной грунтовой дороге с уклоном 10° (f=0,25, φ=0,4) касательная сила тяги полностью ограничена сцеплением шин с опорной поверхностью. Мощность 143,3 кВт при скорости 10 км/ч является достаточной, но дальнейшее повышение тяги невозможно без увеличения сцепного веса или улучшения коэффициента сцепления (например, применение блокировки дифференциалов или шин повышенной проходимости).
Полученные значения мощности и момента соответствуют заводским характеристикам ЯМЗ-238БК, что подтверждает корректность расчетов. Для медицинского комплекса с дополнительным оборудованием (кондиционер, генератор) рекомендуется запас по мощности не менее 10–15%, что выполняется (213 кВт против 190 кВт расчётных).
5. Заключение
На основе выполненных теоретических исследований автомобиля Урал-4320 с двигателем ЯМЗ-238БК применительно к передвижному медицинскому комплексу можно сделать следующие выводы:
Двигатель номинальной мощностью 213 кВт обеспечивает выполнение всех заданных эксплуатационных режимов — от движения по асфальту (85 км/ч) до преодоления подъёмов по влажному грунту (α=10°).
В наиболее тяжёлых дорожных условиях для повышения проходимости рекомендуется применение колёсных редукторов или шин низкого давления.
Силовая установка на базе двигателя ЯМЗ-238БК полностью соответствует условиям эксплуатации проектируемого передвижного медицинского комплекса как по мощностным, так и по тягово-сцепным характеристикам.