Influenţa forţei reactive la ţeava de refulare asupra reacţiunilor din cuplele cinematic

Nicolae Ştefan Trache, lect.drd.ing

Facultatea de Pompieri, Academia de Poliţie „Alexandru Ioan Cuza”

  1. Introducere

Ritmul rapid de dezvoltare a tehnologiei şi progresele înregistrate în domeniul ingineriei mecanice permit astăzi realizarea unor echipamente deosebit de performante şi cu un înalt grad de „inteligenţă” încorporat.

Performanţele deosebite (în special cele geometrice) obţinute de actualele autospeciale cu mecanisme articulate (pot atinge înălţimi de lucru de până la 90 m) nu ar fi fost posibile fără abordări teoretice temeinice, care să pătrundă în intimitatea proceselor cinematice şi dinamice şi fără desfăşurarea unor cercetări experimentale de fineţe care să permită investigarea fenomenelor din ce în ce mai complexe care însoţesc funcţionarea acestora.

Asemenea autospeciale (platforme de lucru la înălţimi, pompe de beton) au fost utilizate iniţial în domeniul construcţiilor (finisaje exterioare, pomparea betonului la înălţime etc.). Plecând de la aceste idei firme ca Pierce, Schwing au realizat autospeciale cu mecanisme articulate ce sunt utilizate cu succes de către pompieri în lupta acerbă cu focul.

Una din cerinţele de bază impuse astăzi autospecialelor de pompieri cu mecanisme articulate o constituie obţinerea unor performanţe de intervenţie tot mai ridicate (atingerea unor înălţimi de intervenţie tot mai mari, stabilitate atunci când se utilizează debite şi presiuni mari – când efectorul se află la înălţimea maximă, minimizarea timpului de intervenţie prin desfăşurarea rapidă a braţelor şi detectarea imediată a focarului cu ajutorul camerelor de luat vederi, etc.), în condiţiile unor gabarite, mase şi costuri minime.

Satisfacerea unor cerinţe din ce în ce mai restrictive şi condiţiile permanent variabile în care se exploatează autospecialele de pompieri (spaţii înguste între clădiri, înălţime mare de lucru, ocolirea unor obstacole, imposibilitatea refulării de la înălţime etc.) sunt principalii factori care au impus studierea unor mecanisme articulate în vederea[1], [2]:

  • modernizării acestora prin propunerea unui model de autospecială cu braţe articulate care să utilizeze jeturile de substanţe de stingere la distanţe cât mai mari asigurându-se o protecţie suficientă a echipamentelor;
  • reducerii consumului de substanţe de stingere şi combustibil prin minimizarea timpului de intervenţie;
  • diminuării riscurilor de accidente prin faptul că la ţeava de refulare nu se mai află servanţi sau mărind distanţa dintre operator şi focar;

2. Determinarea forţei reactive la ţeava de refulare

2.1.Determinarea teoretic a forţei reactive la ţeava de refulare

În prima etapă, cu ajutorul unui program elaborat de firma suedeză „CONJET”, s-a determinat teoretic forţa reactivă la ţeava de refulare dotată cu ajutaj de 1”. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 1[3], [4].

2.2 Determinarea experimentală a forţei reactive utilizând apa neaditivată ca agent de refulare

Măsurătorile s-au efectuat utilizând apa neaditivată ca agent de refulare, variind presiunea de lucru între 6-15 bari.

Cu un anumit grad de eroare s-a variat presiunea de lucru cu un pas de 0,5 bar. Prin măsurare directă la dinamometru s-au obţinut următoarele valori pentru forţa reactivă, valori prezentate în tabelul 2.

Graficul variaţiei forţei reactive determinată experimental, în cazul refulării apei neaditivate, comparativ cu cel al forţei reactive determinată teoretic este prezentat în figura 1.

Fig. 1 – Reprezentarea grafica a variaţiei forţei reactive la ţeava de refulare în funcţie de presiune

3. Determinarea reacţiunilor din cuplele cinematic

Mecanismul modelului de autospecială propus pentru studiu este de tipul 4R

Pentru studiul cinetostatic vor fi luate în considerare numai forţele de greutate şi forţa reactivă la ţeava de refulare (Fr) (figura 2). Aceste forţe vor fi reduse la articulaţia din punctul D. Ecuaţiile de reducere sunt redate în relaţia 1.

Fig.2 – Schema autospecialei cu figurarea forţelor

Forţele de inerţie s-au neglijat fiind foarte mici în raport cu celelalte forţe date de greutăţile braţelor şi ale cilindrilor de acţionare.

Schema cinematică necesară calculului este prezentată în figura 3, pe care sunt reprezentate forţele de greutate şi torsorul de reducere.

În schema cinematică, braţul O1D are o mişcare de rotaţie în jurul axei orizontale ce trece prin O1, cu viteza unghiular ω1. Corpul cilindrului hidraulic 1 are o mişcare de rotaţie absolută în jurul unei axe orizontale ce trece prin B cu viteza unghiulară ω2, iar tija acestuia are o mişcare de rotaţie relativă faţă de braţul O1D, în jurul unei axe orizontale ce trece prin A, cu viteza unghiulară ω3.[5]

Fig.3-Schema cinematică

Pentru calcule vom considera poziţia imediat următoare începerii acţionării cilindrului hidraulic (poziţia O1D), poziţie ce face unghiul φ1 cu poziţia iniţială (orizontală).

Considerând ω1 constant şi cunoscut, putem impune pentru elementul O1D o lege de mişcare. În calculele următoare am considerat o lege de mişcare de forma

unde: φ0 – unghiul făcut de elementul O1D0 aflat în poziţie iniţială cu elemental O1B considerat fix; se consideră cunoscut.

După izolarea elementelor şi figurarea tuturor forţelor şi momentelor ce acţionează asupra acestora, prin scrierea ecuaţiilor de echilibru se determină reacţiunile din cuplele cinematice, după cum urmează:

în care unghiul ξ este cunoscut (unghiul făcut de baza fixă O1B cu orizontala). În acest caz avem:

Se pot propune următoarele valori pentru diferiţi parametrii ce intervin în relaţiile de mai sus, valori apropiate de cele ale pompei de beton Z36 produsă de firma Putzmeister:

O1A=1,9m

O1B=0,7m

O1C=L1/2=4,37m

AD=6,84m

L1=8,74m – lungimea primului element(„braţ”)

L2=7,70m – lungimea elementului doi;

L3=7,71m – lungimea elementului trei;

L4=7,54m – lungimea elementului patru;

m1=1815kg – masa primului element;

m2=1600kg – masa elementului doi;

m3=1395kg – masa elementului trei;

m2=1125kg – masa elementului patru;

mcil.2=360kg – masa cilindrului doi de acţionare;

mcil.3=219kg – masa cilindrului trei de acţionare;

mcil.4=180kg – masa cilindrului patru de acţionare;

Impun: τ=30° – unghi de refulare apropiat de cel al lui Freeman;

Pentru forţa reactivă am ales valoarea Fr=1418,538N determinată experimental în cazul refulării apei neaditivate la presiunea de 15 bari.

Înlocuind aceste valori în relaţia 3 se obţin pentru variaţia reacţiunilor din cuplele cinematice valorile prezentate grafic în figura 4

Fig.4-Variaţia reacţiunilor

Utilizând un soft (de exemplu Working Model 2D) elaborat de Working Model, Inc. care este liderul mondial în programele pentru simularea mişcării se pot obţin valori pentru variaţia reacţiunilor.

Bibliografie

[1]TRACHE ŞT. – Tipologii de mecanisme utilizate la autospecialele de pompieri, Bucureşti, 2006;

[2]FIRE AND RESCUE – Fire and Rescue,pg. 43, May 1999;

[3]FIRE ENGINEERING – Fire Engineering, Pg. 21, Apr. 2002;

[5]FIREFFIGHTING IN CANADA – Fireffighting in Canada, Pg. 35, Sept. 2003;

[6]THOT-TAŞCĂU M. – Elemente de inginerie mecanică. Introducere în cinematica şi dinamoca roboţilor, vol. I, II, DRĂGULESCU D. Timişoara, 1993.

Citiți și:

ROBOT DESTINAT STINGERII INCENDIILOR ÎN MEDII OSTILE OMULUI

Lect.univ.drd.ing. Ştefan TRACHE1 Prof.dr.ing. Ioan FLUCUŞ1 Conf.dr.ing. Dan CAVAROPOL1 Academia de Poliţie “Alexandru Ioan Cuza” Facultatea de Pompieri Rezumat În acest articol se prezintă un model de robot utilizat atât la stingerea incendiilor cât şi la diferite operaţii simple (de exemplu închiderea sau deschiderea unor vane). Acesta este dotat cu un minitun pentru refularea agentului […]

Mai mult

Website-ul proiectului international RESIST este acum online!

Avem plăcerea de a anunța că  website-ul  proiectului international RESIST este acum online și disponibil pe www.project-resist.eu   . Proiectul RESIST este finantat prin  Programul Uniunii Europene de consolidare a capacității CBRN si reprezintă un parteneriat între instituții din Italia si Romania. Pe parcursul acestui proiect se vor crea primele 10 „Grupuri de intervenție CBRN”, compuse […]

Mai mult