XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Пожарная машина
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Быстрее, посылайте робота!». Представьте, что именно так будут говорить пожарные в самом недалеком будущем, когда приедут на место инцидента.
Человечество живёт в мире природных, техногенных и других опасностей, которые часто угрожают нашему здоровью и жизни. Каждый день в средствах массовой информации и интернет сети нам сообщают об очередных авариях, катастрофах или стихийных бедствиях, из-за которых погибли или пострадали люди.
При возникновении различных чрезвычайных ситуаций специальным государственным структурам приходится проводить аварийно-спасательные и другие неотложные работы, направленные на спасение жизни и сохранение здоровья людей, а также на снижение размеров ущерба окружающей среде и материальных потерь.
Актуальность темы:
Пожарная робототехника - это основа прорывных технологий, которые позволят в ХХI веке отвечать на вызовы стихии и решать проблемы пожарной безопасности с наибольшей эффективностью.
Статистические данные о пожарах и авариях, происходивших на территории Российской Федерации, показывают, что они довольно часто приводят к травмированию и гибели людей, возникновению экологического и материального ущербов, как прямого, так и косвенного характера. При тушении пожаров, помимо воздействия на личный состав опасных факторов пожара, могут возникать и события, при которых происходит обрушение строительных конструкций на обширных площадях, взрывы емкостей, находящихся под давлением, поражения электрическим током и др. Все это неуклонно влияет на процесс тушения пожара, который приходится прерывать, отводя силы и средства на безопасные расстояния, что приводит к распространению пожара. В связи с этим для эффективного тушения пожаров в условиях возникающих угроз предлагается применение мобильной робототехники пожаротушения, разработке которой и посвящена настоящая работа.
Цель исследования: Создание специализированной пожарной машины для более эффективного действия на очаг возникновения пожара.
Задачи исследования:
Изучить причины возникновения пожаров;
Проанализировать различные методы их предотвращения;
Рассмотреть устройство современной пожарной машины и требования к сотрудникам;
Познакомиться с видами роботизированных устройств для тушения пожаров;
Сконструировать и запрограммировать собственную пожарную машину на платформе образовательного набора Spike Prime.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
Глава 1. Общие сведения о пожаре и пожарной машине.
Причины возникновения пожаров
Пожар – это процесс неконтролируемого горения сооружений, материалов, природных объектов, товарно-материальных ценностей, устройств и механизмов.
В настоящее время главными причинами возникновения бытовых и промышленных пожаров являются неосторожное обращение с огнем и нарушение правил эксплуатации, обслуживания оборудования и электроустройств [4].
Причины пожаров могут быть следующие:
Самовозгорание горючих и самовоспламеняющихся материалов;
Возгорания, вызванные солнечными лучами, проходящими через оптику (это может быть даже осколок стекла);
Молнии;
Поджоги;
Нарушение правил пользования газовыми приборами.
Основные причины возникновения природных пожаров: непотушенная сигарета, горящая спичка, тлеющий пыж после выстрела, масляная тряпка или ветошь, стеклянная бутылка, преломляющая лучи солнечного света, искры из глушителя транспортного средства, сжигание старой травы, мусора вблизи леса или торфяника, расчистка с помощью огня лесных площадей для сельскохозяйственного использования или обустройства лесных пастбищ. Но одним из основных потенциальных источников природных пожаров является костёр. В ряде случаев природные пожары становятся следствием умышленного поджога, техногенной аварии или катастрофы [5].
Еще одной причиной стало Глобальное потепление. Глава Минприроды Александр Козлов заявил, что пожары в России стали возникать из-за изменения погодных условий на фоне глобального потепления [6].
Пожары наносят огромный вред народному хозяйству и людям. Статистика неумолимо свидетельствует, что количество пожаров, регистрируемых в год, за 100 лет в нашей стране увеличилось в 10 раз. К сожалению, Россия возглавляет список развитых стран по величине ущерба, наносимых пожарами. Каждый год в стране происходит 140-150 тысяч пожаров. Экономика в среднем теряет от огня около 15-18 миллиардов рублей ежегодно, и это только прямой актированный ущерб. Зависимость прямая – чем более жаркий год, тем больше пожаров и ущерба [7].
Самая главная беда, которую несет пожар – гибель и лишение здоровья людей. Каждый год в нашей стране в огне гибнут 10-12 тысяч человек, и столько же получают травмы. К сожалению, около 10% из этого числа составляют дети. Большой вред пожары наносят экологии, животному миру, растительному покрову и сельскому хозяйству. По официальной статистике каждый год выгорает от 2 до 3 миллионов гектар леса. Экономический ущерб от лесных пожаров в России, по предварительным подсчетам, составил 10,6 млрд рублей в 2021 году. Об этом сообщает "Рамблер"
Методы предотвращения пожаров
Средства тушения пожара – это вещества и пожарная техника, способные прекратить процесс горения различных веществ и материалов.
В качестве огнетушащих средств используются:
вода и водные растворы некоторых солей, а также вода со смачивателями и другими добавками;
водопенные растворы;
инертные разбавители;
хладоны;
комбинированные составы;
порошки;
аэрозольные составы.
Выбор огнетушащего средства определяется условиями возникновения и развития пожара и типом горючего вещества [8].
Кроме самих огнетушащих веществ для борьбы с огнем используется широкий спектр технических средств. Основные технические средства тушения – это стационарные системы пожаротушения, смонтированные внутри зданий, технологических, общественных сооружений; первичные средства, включающие в себя все виды ручных или мобильных огнетушителей, пожарного инвентаря; ПК с комплектами рукавных линий, установленные на сетях внутреннего противопожарного водопровода. В случаях, когда с пожаром не смогли справиться самостоятельно с помощью всех этих средств для борьбы с огнем, то на помощь, как и всегда, приходят боевые расчеты пожарных подразделений, имеющие на вооружении мобильные средства для тушения пожаров и эвакуации людей; экипировку, средства защиты и огромный опыт.
Простейшие средства
Огнетушащие средства
Вода – наиболее распространенное средство тушения, она обладает высокой удельной теплоемкостью и большой скрытой теплотой парообразования, химической инертностью к большинству веществ и материалов, низкой стоимостью и доступностью. Основные недостатки воды как огнетушащего средства – это высокая электропроводность, низкая смачивающая способность, недостаточная адгезия к объекту тушения. Воздушно-механическая пена представляет собой коллоидную систему, состоящую из пузырьков газа, окруженных пленками жидкости. Пены применяют, в первую очередь, для тушения нефтепродуктов, а также твердых и жидких веществ, не вступающих во взаимодействие с водой. Огнетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли с различными добавками. Огнетушащие аэрозоли – это твердотопливные составы, содержащие рецептурные композиции, основой которых являются геторогенные конденсированные смеси кислородосодержащих и горючих компонентов с добавками (или без них) целевых и технологических компонентов. Инертные разбавители – сжатые газы (азот, аргон, азот их смеси), диоксид углерода, хладоны (227еа, 125, 318Ц и др.). Ингибиторы – это вещества, тормозящие процесс горения. Ингибиторы могут находиться как в жидкой, так и газообразной фазе.
Установки пожаротушения
Они бывают как разных видов в зависимости от огнетушащих веществ, составов или смесей, используемых в них; так и от способа пуска в действие, который может быть ручным, дистанционным или полностью автоматическим, инициируемым устройствами контроля/управления пожаротушением после срабатывания датчиков дыма, газовых, тепловых или комбинированных пожарных извещателей.
Технические средства
Нормативные документы по ПБ, в частности ст. 42 ФЗ-123, классифицирует всю пожарную технику по назначению, области применения на такие типы: системы, установки АПС, АУПТ, СОУЭ, пожарной связи, автоматики.; первичные, мобильные средства пожаротушения; пожарное оборудование; средства индивидуального/группового самоспасения, защиты органов дыхания; ручной, механизированный инструмент.
Первичные средства
Согласно ст. 43 ФЗ-123, классифицирующей все типы первичных средств, к ним относят:
- Все виды изделий переносных/передвижных устройств пожаротушения – водных, воздушно-пенных, порошковых, воздушно-эмульсионных, углекислотных, хладоновых, ранцевых (лесных) огнетушителей.
- Пожарные краны, установленные на стояках внутреннего противопожарного водопровода с комплектами из рукавов с соединительными головками, ручных стволов, уложенными в пожарные шкафы.
- Все виды пожарного инвентаря – ведра, емкости для воды, вилы, ломы, багры, совковые/штыковые лопаты, крюки с деревянными ручками, ящики пожарные для песка; комплекты для резки электрических кабелей, состоящие из ножниц, диэлектрических бот, коврика.
- Противопожарные полотна/кошмы, покрывала; защитные экраны со стойками для их установки/подвески.
- Переносные генераторы аэрозоля.
Мобильные средства
Это все виды/типы транспортных средств, предназначенных для тушения пожаров, используемых личным составом государственных/муниципальных, корпоративных/частных, добровольных пожарных подразделений/формирований. Их применение обусловлено необходимостью быстрой доставки к местам ЧП боевых расчетов пожарно-спасательных подразделений со всем необходимым комплектом насосно-рукавного оборудования, механизированного, ручного инструмента, различных средств защиты для ведения разведки, работ по эвакуации людей из зданий/сооружений, локализации/ликвидации пожара [9].
Подручные средства
В названии заложена вся суть такой разновидности средств тушения пожаров. Под руку людям, обнаружившим открытый огонь, клубы дыма, обычно попадаются емкости – ведра, канистры, котелки, бачки. Поэтому тушение пожаров водой, набранной из бочек, баков, других резервуаров, различных сетей водопровода, с их помощью – это наиболее распространенный вид борьбы с огнем подручными средствами; эффективный, если используется на ранней стадии развития пожара [10].
Устройство современной пожарной машины и требования к сотрудникам
Пожарные автомобили используются для доставки личного состава и средств тушения огня. Независимо от типа, все пожарные машины имеют шасси и надстройку, включающую в себя кабину для боевого расчета, агрегаты для тушения пожара, емкости для ОТВ и отсеки для хранения инвентаря.
За основной кабиной крепится кабина боевого расчета, ее вместимость редко превышает 6 мест. Сиденья сконструированы таким образом, что человек может сидеть в них в полном обмундировании, включая СИЗОД за спиной.
Устройство установки с насосом зависит от комплектации фронтальной части пожарной машины. В базовой версии (кабина плюс дополнительный ряд сидений) насос находится в днище кабинного блока. Это позволяет высвободить дополнительное пространство для рамы с функциональным оборудованием и пульта управления. Снаружи насосная установка защищена поддоном. Ряд сидений для боевого расчета при этом расположен в кабинном блоке за насосом. Он крепится при помощи двух пар амортизирующих элементов, расположенных на равном удалении от центральной оси этого блока. При многоместных кабинах насос располагают в задней части кузова, при этом управление им осуществляется исключительно вне транспортного средства.
В кузовной части расположена цистерна для ОТВ. Она делится на две емкости: большая для воды и меньшая для пены. С ними запитан насос, который и подает ОТВ. Он получает энергию от двигателя через дополнительную трансмиссию, включающую в себя коробку отбора мощности и карданную передачу. Как правило, в ПА используют насосы двух типов: вакуумный и центробежный. Первый обеспечивает засасывание воды из емкости цистерны или водоема (сети) и подает ее на центробежную установку. Там при помощи вращающихся лопастей создается давление для подачи ОТВ в шланги.
Вакуумная система представлена не только насосом, но и кранами, управляющими приводами и трубопроводами. Различают четыре типа вакуумных установок: струйные; шиберные; поршневые; водокольцевые. Комплектация зависит от вида автомобиля. Управление системами осуществляется автоматически или вручную. С наиболее распространенными насосами ПН-40 работают газоструйные вакуумные установки. Они обеспечивают забор огнетушащих жидкостей в процессе работы насосной системы и восстанавливают водяной столб в случае его обрыва.
С системой насосов обычно запитана механическая трансмиссия. Чтобы насосное оборудование всегда было в рабочем состоянии, систему охлаждения двигателя дополняют теплообменником. Его задача – подогрев оборудования и воды в цистерне в холодное время года, а также охлаждение механизмов летом. По периметру цистерны располагаются отделения для перевозки и хранения инвентаря и спасательного оборудования. Основную часть составляют пожарные рукава и стволы. Отдельные виды автомобилей комплектуются лестницами.
Обязательное наличие электрооборудования. Сюда входят приборы сигнализации и освещения. Все выключатели обычно размещают в кабине водителя. Для освещения объекта используется фара-прожектор, установленная на кронштейне по внешним углам кабины. В задней части автомобиля расположена задняя фара, которая освещает насосное отделение при заборе воды из водоема. На крыше ПА закреплены фонари, которые подают прерывистые сигналы синего цвета. Для освещения кабины и салона боевого расчета, отделения для насоса и отсеков с ПТВ используются плафоны. Активация ламп насосного отделения осуществляется при помощи кнопок на щитке этой секции. На нем расположены контрольные лампочки наполнения цистерны: четверть, половина и полная заправка. Здесь же находится и индикатор нагрева воды в системе охлаждения. Также предусмотрена отдельная лампочка, показывающая падение давления в системе смазки двигателя. На щиток вынесена и кнопка дистанционного запуска стартера.
Обязательным условием работы по профессии пожарного является полное среднее образование, и противопожарная подготовка по специальной программе, а также соответствующее условиям профессии, состояние здоровья. Профессиональный стаж, для вновь поступающих сотрудников, не требуется.
Пожарный должен знать:
- законодательные, правовые и нормативные акты и регламент Государственной противопожарной службы Российской Федерации;
- правила пользования, устройство и способы применения пожарной и аварийно-спасательной техники, оборудования, индивидуальных средств защиты органов дыхания;
- способы локализации и ликвидации возгораний, последствий техногенных катастроф и стихийных бедствий в условиях неблагоприятного климата и труднодоступной местности;
- горючие свойства материалов, побочные факторы горения взрывчатых и радиационных веществ;
- тактику тушения возгораний, правила борьбы с распространением пламени в жилых и производственных зданиях, городских и сельских населенных пунктах, на морском, речном, железнодорожном и автомобильном транспорте;
- способы спасения, эвакуации людей, а также материальных ценностей из очагов возгорания и потенциально опасных зон;
- пожарную безопасность и способы тушения возгораний в электроустановках;
- способы вскрытия и разборки завалов, образовавшихся в результате обрушения зданий и сооружений;
- применение средств индивидуальной защиты, при наличии взрывчатых и радиоактивных веществ в очаге возгорания;
- содержание требований и порядок проверки пожарной безопасности жилых и социально значимых объектов;
- адресное расположение объектов на закрепленной за частью территории; принцип организации сетей противопожарного водопровода, расположение пожарных гидрантов;
- приемы оказания помощи при ожогах, переломах, внутренних кровотечениях, отравлениях продуктами горения до приезда медиков;
- способы соблюдения личной безопасности.
Выполнение должностных обязанностей обеспечивает определенный уровень образования, состояния здоровья, специальной практической и теоретической подготовки.
Глава 2. Автоматизация тушения пожаров.
2.1 Роботизированные устройства для тушения
Пожарный робот — это мобильный, стационарный робот, который предназначен для тушения пожара.
Одной из важнейших специальных проблем робототехники является проведение работ в экстремальных условиях. При этом необходимо удаление человека на безопасное расстояние. Возможно применение различных типов устройств. Дистанционно управляемые манипуляторы не имеют автоматических режимов, полностью управляются человеком-оператором. Для дистанционно управляемых роботов человек-оператор задает программу или вмешивается в управление в критических случаях. Возможно применение роботов, действующих автоматически по программе, однако, как известно, не все операции для экстремальных условий поддаются роботизации. Робот не может нести ответственности за принимаемые решения, одобрять или отвергать решения робота может только человек — юридически ответственное лицо, должностное лицо организации или специальной службы, которые удалённо управляют всеми действиями пожарного робота.
Для поиска, сбора, переработки и передачи информации в условиях крупных пожаров могут использоваться информационные роботы.
Роботы для пожаротушения и спасательных операций должны выдерживать 30-минутное воздействие температуры 400°C и трехминутное 800°C. Для обеспечения работоспособности может использоваться охлаждение, прочные материалы и другие варианты. Таким образом, учитывая все необходимые требования, мы решили создать своё устройство – беспилотную пожарную машину, которая работает по заданной оператором программе (Рисунок 2.1.1 Приложения).
2.2 Пожарная машина на платформе образовательного набора Spike Prime
Наша модель представляет собой миниатюрную версию беспилотной пожарной машины, которая при запуске начинает ехать вперёд, а при нажатии датчика касания оператором опускает ковш для того, чтобы прорыть вокруг очага огня в лесу или в поле ров (Рисунок 2.2.1 Приложения). Параллельно созданию рва сзади машины в образовавшиеся углубления сразу же заливается вода. В итоге, место возникновения пожара наша машина окружает водой и не позволяет огню распространиться за пределы очага до самого появления сотрудников пожарной службы (Рисунок 2.2.2 Приложения). Благодаря такому устройству возможно избежать распространения пожара на ещё большие площади, а значит, и снизить риск появления пострадавших.
В модели установлено:
1 хаб для управления всеми элементами модели (Рисунок 2.2.3 Приложения);
1 большой мотор для создания рва вокруг огня специальным ковшом;
1 большой мотор для передвижения пожарной машины (Рисунок 2.2.4 Приложения).;
1 средний мотор для поднятия и опускания ковша;
1 датчик касания для управления ковшом (Рисунок 2.2.5 Приложения).
Заключение
Изучив причины возникновения пожаров, мы узнали, что в настоящее время главными причинами возникновения бытовых и промышленных пожаров являются неосторожное обращение с огнем и нарушение правил эксплуатации, обслуживания оборудования и электроустройств.
Таким образом, мы проанализировали различные методы их предотвращения и выделили самые эффективные.
А также мы рассмотрели устройство современной пожарной машины и требования к сотрудникам и сделали вывод, что выполнение должностных обязанностей обеспечивает определенный уровень образования, состояния здоровья, специальной практической и теоретической подготовки.
В итоге мы познакомились с видами роботизированных устройств для тушения пожаров, в результате чего сконструировали и запрограммировали собственную пожарную машину на платформе образовательного набора Spike Prime.
Список используемой литературы:
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники:
https://fireman.club/statyi-polzovateley/prichinyi-vozniknoveniya-pozharov/
https://www.mchs.gov.ru/
https://lenta.ru/news/2022/05/30/climate_change/
https://справка01.рф/articles/o_pozhare/chto_takoe_pozhar_osnovnye_faktory_pozhara_prichiny_vozniknoveniya_pozharov/
https://fireman.club/statyi-polzovateley/sredstva-tusheniya-pozharov-vidyi-i-klassifikatsiya/
https://fireman.club/statyi-polzovateley/podruchnyie-sredstva-dlya-tusheniya-pozharov/
https://06.mchs.gov.ru/deyatelnost/napravleniya-deyatelnosti/grazhdanskaya-zashchita/3-formirovanie-kultury-bezopasnosti-zhiznedeyatelnosti-naseleniya/3-2-metodicheskie-rekomendacii-po-realizacii-zadach-i-funkciy/metodicheskie-rekomendacii-dlya-organov-mestnogo-samoupravleniya-po-obucheniyu-naseleniya-meram-pozharnoy-bezopasnosti
Приложение
Рисунок 2.1.1 – Создание беспилотной пожарной машины
Рисунок 2.2.1 – Постройка рва
Рисунок 2.2.2 – Ров вокруг очага пожара
Рисунок 2.2.3 – Хаб в модели
Рисунок 2.2.4 – Проверка большого мотора
Рисунок 2.2.5 – Наша программа