Selecting a base chassis for a mobile medical unit in construction
Selecting a base chassis for a mobile medical unit in construction
Abstract
An analysis has been conducted of the requirements for the mobility of medical care in off-road and rough terrain conditions. The work presents an engineering calculation of the engine power and constructs an external speed characteristic curve for the Ural-4320 vehicle, the chassis of which is optimal for accommodating the medical module of a mobile medical complex. Calculations have been done for conditions of maximum road resistance (gradients of up to 10°, wet ground) and maximum speed (asphalt road). The obtained data confirm the feasibility of effectively using the Ural-4320 chassis for the complex to operate directly at construction sites, in challenging terrain and climatic conditions.
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.