多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火裝備設(shè)計(jì)

劉凱 魏艷秀 許京港

摘要 根據(jù)我國(guó)的林區(qū)分布特點(diǎn)和交通狀況，針對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合我國(guó)林區(qū)環(huán)境的森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火裝備。首先，介紹了滅火裝備車(chē)輛的選取與主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)車(chē)輛越過(guò)障礙物時(shí)的力學(xué)關(guān)系以及越障條件建立車(chē)輛跨越障礙物時(shí)的力學(xué)模型圖，對(duì)車(chē)輛越野性能進(jìn)行分析；然后，針對(duì)我國(guó)林區(qū)環(huán)境對(duì)多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火裝備車(chē)輛進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，加裝防火阻隔開(kāi)帶裝置以及自動(dòng)化滅火系統(tǒng)；最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火裝備進(jìn)行滅火性能實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，防火阻隔開(kāi)帶裝置有效推力可達(dá)4 500 N以上，可達(dá)到預(yù)期理想防火效果，脈沖式消防水槍水平射程大于25 m，噴射口初速度可達(dá)146 m/s，可直接撲滅高強(qiáng)度的地表火和樹(shù)冠火。

關(guān)鍵詞 森林火災(zāi)；阻隔開(kāi)帶裝置；消防水槍

中圖分類(lèi)號(hào) S762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）21-0182-03

Abstract According to the characteristics of forest distribution and traffic conditions in China， and in view of the characteristics of forest fires， we designed a forest firefighting mobile fire inspection firefighting equipment suitable for the forest environment in China. Firstly， the selection and main structural design of the fire extinguishing equipment vehicle were introduced. Based on the mechanical relationship when the vehicle crosses the obstacle and the obstruction condition， the mechanics model diagram when the vehicle crosses the obstacle was established to analyze the offroad performance of the vehicle. Then， in the forest area environment， the multifunctional forest firefighting mobile inspection firefighting equipment vehicles were structurally improved， firefighting barrier devices and automatic fireextinguishing systems were installed. Finally， the firefighting performance test analysis of the designed multifunction forest firefighting mobile inspection firefighting equipment was conducted. Results showed that the effective thrust of the firefighting and separation belt device could reach more than 4 500 N， which could achieve the desired ideal fireprevention effect. The pulsetype firefighting water gun had a horizontal range of more than 25 m and the initial velocity of the injection port could reach 146 m/s. It could directly extinguish highintensity surface fires and tree crowns fire.

Key words Forest fires；Fire barrier device working principle；Fire hoses

森林資源是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要依托，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的位置，森林資源的保護(hù)和利用，直接影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的興衰。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)尚屬于少林國(guó)家，森林資源極其可貴。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年被火災(zāi)吞噬的森林面積為110萬(wàn)hm2，占全國(guó)森林面積的0.8%～0.9%，可見(jiàn)森林火災(zāi)對(duì)我國(guó)森林危害相當(dāng)嚴(yán)重，對(duì)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)影響巨大[1-2]。森林滅火的原則是“打早、打小、打了”，因此，如何迅速發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)，如何在最短時(shí)間內(nèi)攜帶有效的消防設(shè)備到達(dá)著火現(xiàn)場(chǎng)，迅速撲滅林火，將損失降到最低非常重要[3]。

我國(guó)森林資源在平原、淺山和深山等廣闊區(qū)域均有分布，各地經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及自然環(huán)境條件參差不齊，在當(dāng)前天氣條件日趨惡劣的情況下，森林防火任務(wù)相當(dāng)艱巨[4]。目前在廣大林區(qū)森林防火工作主要采用地面瞭望巡查與地面撲火相結(jié)合的工作方式，該方法在火情初期撲救中效果非常明顯。地面瞭望巡查是林火監(jiān)測(cè)的重要組成部分，目前，我國(guó)地面瞭望巡查方式有定點(diǎn)瞭望和步行、騎馬、摩托車(chē)移動(dòng)巡查等，其中摩托車(chē)巡查以其方便、快捷等特點(diǎn)，在依法檢查和監(jiān)督防火、及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情方面發(fā)揮出越來(lái)越大的作用[5-7]。然而，在早期撲救方面，苦于無(wú)法攜帶必要的撲火工具設(shè)備，導(dǎo)致巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)也無(wú)法立即撲滅或采取有效控制，貽誤最佳撲救時(shí)機(jī)，造成火勢(shì)擴(kuò)大，災(zāi)害難以控制，教訓(xùn)十分慘痛；同時(shí)，因受限于摩托車(chē)的穩(wěn)定性、越野性以及配置的滅火裝備的效率，嚴(yán)重限制了其直接撲火的工作能力[8]。因此，目前亟需一種性?xún)r(jià)比較高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)并配備智能化高效滅火設(shè)備的多功能森林消防車(chē)輛，應(yīng)用于林區(qū)火災(zāi)巡查和早期撲救。筆者通過(guò)采用自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及高壓滅火技術(shù)對(duì)現(xiàn)有農(nóng)用輪式機(jī)車(chē)進(jìn)行性能改良，并設(shè)計(jì)可自動(dòng)控制的防滅火機(jī)具使之成為有機(jī)整體，最終研制完成一套適合我國(guó)國(guó)情、價(jià)格適宜、性?xún)r(jià)比佳且小型化的林火地面巡查與撲救機(jī)動(dòng)防滅火裝備，對(duì)全面提升現(xiàn)有地面林火巡查和撲救的工作效率、降低火災(zāi)損失意義重大。

1 裝備車(chē)輛選取

該研究設(shè)計(jì)的多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)輛，是以國(guó)產(chǎn)SF324P型四輪拖拉機(jī)為主體，在其上加裝有效的滅火裝置，使其不僅可以用于林區(qū)火災(zāi)巡護(hù)，而且在巡護(hù)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)火情時(shí)又可以用于先期的撲救工作。設(shè)備配置的滅火裝備主要有：前部的阻隔開(kāi)帶液壓鏟和上部的脈沖式水槍以及后部的水泵、水帶等以水滅火系統(tǒng)。滅火裝置結(jié)構(gòu)合理、裝拆方便、滅火效率高，其是在保證不破壞原車(chē)結(jié)構(gòu)和不改變?cè)?chē)行駛性能的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝的，卸下滅火裝備后可以恢復(fù)原車(chē)功能。

選取國(guó)產(chǎn)的SF324P型四輪拖拉機(jī)為主體，通過(guò)對(duì)原車(chē)前橋及傳動(dòng)部分的改裝，使其具有后輪驅(qū)動(dòng)（2WD）和四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）自由轉(zhuǎn)換功能，使車(chē)輛可在各種地形（如沙地、草地、森林、鄉(xiāng)道等）行駛。其最高時(shí)速可達(dá)50 km/h，爬坡能力達(dá)到25°；可以在35 cm深的淺水區(qū)正常行駛；標(biāo)定功率23.8 kW/2 200 r/min；變速箱形式：8個(gè)前進(jìn)擋和2個(gè)倒車(chē)檔；差速器形式為直齒圓錐形星齒輪式；制動(dòng)器形式為固定凸輪蹄式。選取該型號(hào)拖拉機(jī)作為主體主要原因是其具有良好的越野性能、通過(guò)性能和機(jī)動(dòng)性能。該車(chē)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

2 裝備車(chē)輛性能分析

2.1 越障條件分析

輪式車(chē)輛超越階狀障礙或垂直凸起障礙的性能主要由它所能克服的垂直障礙高度來(lái)評(píng)價(jià)[9]。在林區(qū)林道中行駛的車(chē)輛，常常會(huì)遇到較大的巖石或倒下的樹(shù)木，一旦這些障礙物超過(guò)了車(chē)輛的可跨越高度，車(chē)輛就無(wú)法通過(guò)。為了確定該車(chē)前輪可跨越障礙物的高度，進(jìn)行了障礙條件計(jì)算。

多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)輛所采用的驅(qū)動(dòng)方式為后輪驅(qū)動(dòng)（2WD）和四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）自由切換方式，操作者可以在行駛過(guò)程中根據(jù)地形以及行駛條件選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式。該研究主要探討該車(chē)在四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）狀態(tài)下所具有的障礙通過(guò)性能。

圖2所示為四輪驅(qū)動(dòng)（4 WD）狀態(tài)下多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)前輪越障時(shí)的受力分析圖。根據(jù)力矩平衡方程計(jì)算出該車(chē)所能越過(guò)階狀障礙物的高度值，從而幫助操作者在行駛過(guò)程中能安全通過(guò)障礙物。具體做法：首先對(duì)多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)前輪超越階狀障礙物的瞬間（即前輪即將離地時(shí)）進(jìn)行受力分析，后根據(jù)前輪的無(wú)因次表達(dá)式即可計(jì)算出該車(chē)輛的前輪越障高度。

2.2 越障高度計(jì)算

該研究中的多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)參數(shù)如下：W=1 235 kg；l=1 585 mm；r=330 mm；a值受操作者乘坐位置以及整車(chē)裝備和裝載的影響，在一定范圍變化，并影響該車(chē)可跨越障礙物的h值，當(dāng)系數(shù)μ分別為0.5和0.6時(shí)，相應(yīng)的h-a變化曲線圖3所示。由圖3可知，該車(chē)在越野環(huán)境中行駛超越障礙物的能力很強(qiáng)。

因?yàn)槎喙δ苌址阑饳C(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)的軸距和車(chē)輪直徑固定，所以重心高度對(duì)車(chē)輛的通過(guò)性能影響較小。另外該車(chē)體積小、質(zhì)量輕，以操作者體重、裝備裝載的質(zhì)量及其位置對(duì)該車(chē)重心位置影響較大，而且重心在水平方向上的前置對(duì)該車(chē)的越障能力影響也比較大。因此，為了更好地提高該車(chē)的越障能力，操作者在駕駛時(shí)應(yīng)將重心位置后移，并且保持穩(wěn)定的車(chē)速行駛。該車(chē)進(jìn)行裝備或載物時(shí)，參照?qǐng)D3所示曲線，合理確定其位置及重量，使該車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中具有較高的越障能力。

3 裝備車(chē)輛結(jié)構(gòu)改良

3.1 前置阻隔開(kāi)帶設(shè)備的設(shè)計(jì)

在撲救森林火災(zāi)中開(kāi)隔離帶是一種十分有效的滅火方法，但由于開(kāi)隔離帶需要大量的人力及時(shí)間易貽誤時(shí)機(jī)[10-11]。為了解決這一問(wèn)題筆者在多功能森林機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)上設(shè)計(jì)了一種液壓的阻隔開(kāi)帶設(shè)備。在充分對(duì)液壓連桿、液壓缸、泵及專(zhuān)用液壓油箱、阻隔開(kāi)帶鏟等部件進(jìn)行性能比較的基礎(chǔ)上，選擇性?xún)r(jià)比高、符合實(shí)際要求，且與車(chē)輛性能匹配，滿足推力大于4 500 N的實(shí)際需求，并對(duì)其液壓驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之最終與底盤(pán)相配套、且滿足需求的阻隔開(kāi)帶配套設(shè)備。圖4所示為阻隔開(kāi)帶裝置工作原理，圖5所示為阻隔開(kāi)帶鏟設(shè)計(jì)。

3.2 滅火裝置設(shè)計(jì)與配置

為多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)輛設(shè)計(jì)配置的滅火裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

首先是以水滅火系統(tǒng)：水是一種綠色環(huán)保型滅火劑，目前以水滅火還是許多發(fā)達(dá)國(guó)家首選的林火撲救方法。此車(chē)配備的以水滅火系統(tǒng)由350 L的水罐、WB30XH型消防水泵、雙位聯(lián)通閥和脈沖式消防水槍等組成，將其安裝在車(chē)頂及車(chē)身后部，在車(chē)身中部還配備一條80 m的滅火水龍帶，以備從近處水源地取水時(shí)使用。車(chē)上的脈沖式滅火水槍采用搖桿式控制，以計(jì)算機(jī)、電子控制、機(jī)電一體化以及高壓滅火原理技術(shù)為依托，對(duì)供水管路系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、高壓噴水裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)控制云臺(tái)以及操控顯示部件進(jìn)行設(shè)計(jì)及研制。脈沖式滅火水槍是利用壓縮空氣產(chǎn)生的動(dòng)能，以脈沖噴射的方式將水快速射出槍筒，再通過(guò)槍筒出口和空氣的2次沖擊后，將水瞬時(shí)霧化，以較大的初速度將水霧送出，實(shí)現(xiàn)快速滅火。其特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：①高效吸熱，降低火場(chǎng)溫度；②窒息作用，擠占氧氣空間；③沖擊作用，沖散可燃物。另外，節(jié)水是脈沖式滅火水槍的特點(diǎn)，每發(fā)射一槍用水量在1 L左右，該研究設(shè)計(jì)的多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)水箱容積為350 L，也就是說(shuō)在沒(méi)有后續(xù)水源的情況下，可以持續(xù)發(fā)射350次左右，以水滅火系統(tǒng)原理如圖7所示。

另外，多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火車(chē)還在適當(dāng)?shù)奈恢门鋫淞耸止c(diǎn)火器、無(wú)線電通訊工具、鍬、斧頭、橡膠打火拍等工具，在實(shí)際的林區(qū)巡查過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)可以起到一定的滅火作用。

4 裝備滅火性能實(shí)驗(yàn)分析

4.1 阻隔開(kāi)帶裝置性能實(shí)驗(yàn)分析

阻隔開(kāi)帶功能可以大大減少撲火隊(duì)員的體力消耗，同時(shí)也可以減少開(kāi)隔離帶的時(shí)間，延長(zhǎng)火場(chǎng)蔓延的速度，為撲火作業(yè)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：加裝的阻隔開(kāi)帶裝置，利用液壓工作的原理，在工作時(shí)可以推力大于4 500 N，控制裝置可以隨時(shí)調(diào)整推土鏟的角度，使所開(kāi)設(shè)的隔離帶達(dá)到預(yù)期的要求。

4.2 脈沖式消防水槍性能實(shí)驗(yàn)分析

利用WB30XH型消防水泵對(duì)水罐加水，通過(guò)對(duì)脈沖式水槍加壓，讓水從槍管中以霧狀射出，水槍可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射和點(diǎn)射的功能，以節(jié)省滅火用水。采用WB30XH型消防水泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其流量為35 m3/h，揚(yáng)程為17.3 m。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，脈沖式消防水槍水平射程大于25 m，噴射口初速度可達(dá)146 m/s，噴射出的水可直接撲滅高強(qiáng)度的地表火和樹(shù)冠火。

5 結(jié)語(yǔ)

該研究設(shè)計(jì)的多功能森林防火機(jī)動(dòng)巡查滅火裝備設(shè)計(jì)了多種滅火方式，是一臺(tái)滅火能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能和越野性能優(yōu)越的森林防火地面巡護(hù)與早期撲救設(shè)備，特別適合于我國(guó)林區(qū)，是切實(shí)貫徹“打早、打小、打了”森林滅火方針，維護(hù)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展強(qiáng)有力的防火及滅火裝備，應(yīng)積極推廣應(yīng)用。

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