高層建筑智能高效拋射滅火裝置研究

王 喆 孔維浩 安偉光

（中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 前言

與普通建筑火災(zāi)相比，高層建筑火災(zāi)撲救主要存在以下難題：高層建筑功能復(fù)雜、人員流動大、火災(zāi)蔓延途徑多、消防員行動能力受限、火災(zāi)撲救難度大。

針對上述難題，前人研發(fā)了多種滅火裝備。俄羅斯研制的GAZ-5903滅火車、美國O’Dwyer James Michael發(fā)明的移動式滅火炮等，這些裝備在調(diào)控、射程、機動性能、揚程等性能方面不能兼顧。另外，國外直升機參加高層建筑滅火也有先例，由于起火建筑上空存在強烈的上升氣流和紊流，其噴灑的滅火劑受到氣流影響很難形成有效的覆蓋面積[1]。劉少剛等發(fā)明了一種高層建筑消防炮，可以遠(yuǎn)距離將裝有干粉滅火劑的滅火彈投送到火場內(nèi)部彌散滅火[2]。缺點是消防炮采用了車載的方式，而高層建筑周邊地形、交通復(fù)雜，機動性較差。鄧全龍發(fā)明了一種氣動破窗滅火炮，可以實現(xiàn)大曲率射擊。但是否能夠在火災(zāi)發(fā)生時打碎高層較厚玻璃，并將滅火彈射入室內(nèi)，進(jìn)行有效滅火，有待于實踐驗證[2]。

高層建筑消防滅火需要智能化程度高、滅火效率高、反應(yīng)速度快、機動性能好的裝置[1]。該文設(shè)計的高層建筑智能拋射滅火裝置可以實現(xiàn)在起火的高層建筑外部自動調(diào)壓調(diào)角，精準(zhǔn)發(fā)射滅火彈，很大程度上彌補了我國在高層建筑滅火設(shè)備上存在的不足[3]。

1 技術(shù)路線

通過理論建模和實驗，建立多因素耦合的精準(zhǔn)拋射模型，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高效拋射系統(tǒng)、智能化調(diào)角調(diào)壓系統(tǒng)等，實現(xiàn)智能拋射滅火。高層建筑智能高效拋射滅火裝置研究的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 高層建筑智能高效拋射滅火裝置技術(shù)路線

2 設(shè)計方案

高層建筑智能高效拋射滅火裝置包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高效拋射系統(tǒng)、智能化調(diào)壓調(diào)角系統(tǒng)、控制面板、氣源及底座系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在選擇合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時一般遵循：滿足測量精度；抗干擾（多為環(huán)境等影響因素）能力強；使用壽命長這3項原則。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括測距部分、風(fēng)向風(fēng)速采集部分。拋射裝置的拋射高度可達(dá)到100m，因此選取保時安CS系列激光測距儀（最大測距600m，精度±0.3m）作為測距系統(tǒng)儀器。風(fēng)向、風(fēng)速采集部分采用三杯式風(fēng)速測定儀及風(fēng)向測定儀，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號反饋給PLC控制系統(tǒng)。

2.2 高效拋射系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由干粉滅火彈體、氣室以及減震裝置組成。干粉滅火彈彈體本身長為0.6m，內(nèi)部裝有適量的干粉。為使拋射速度更穩(wěn)定，設(shè)計氣動拋射裝置如圖2所示。工作原理：當(dāng)擊發(fā)電磁閥打開，氣路上的氣體通過通氣孔一（圖2，左圖中短的箭頭指向的孔）與通氣孔二（圖2，左圖中長的箭頭指向的孔）分別進(jìn)入活塞與內(nèi)缸體形成的腔室內(nèi)、外缸體內(nèi)腔?；钊c內(nèi)缸體形成的腔室內(nèi)的氣體會通過通氣孔一向外排出，由于單向閥的設(shè)置，通氣孔不能向外排氣，此時，外缸體內(nèi)腔的氣壓大于活塞與內(nèi)缸體形成的腔室內(nèi)的氣壓，將活塞的另一端從外缸體的出口端頂開，達(dá)到拋投的狀態(tài)。

圖2 氣動拋射裝置圖

同時，在該拋射系統(tǒng)中還裝有減震裝置，減少因為發(fā)射時所產(chǎn)生的后坐力，使發(fā)生的過程更穩(wěn)定、高效、精準(zhǔn)。

2.3 智能化調(diào)壓、調(diào)角系統(tǒng)

2.3.1 自動調(diào)壓系統(tǒng)

自動調(diào)壓系統(tǒng)包括電動調(diào)壓閥及壓力傳感器，調(diào)壓系統(tǒng)對準(zhǔn)確地調(diào)整拋射裝置的壓力起至關(guān)重要的作用。PID控制器具有簡單易懂，可以調(diào)節(jié)控制規(guī)律如比例、積分、微分控制等優(yōu)點，且使用中不需要精確的系統(tǒng)模型[4]，是應(yīng)用最為廣泛的控制器。因此調(diào)壓系統(tǒng)采用PID運算控制器，可編程控制器PLC可以根據(jù)實際拋射高度的需要，自動計算出所需工作壓力值，電控減壓閥自動設(shè)定輸出壓力。壓力傳感器用于測定真實壓力值[5]，并將真實值反饋給PLC，PLC控制調(diào)壓閥做出調(diào)整，直至壓力與設(shè)定值一致，以達(dá)到更好的調(diào)整拋射壓力的效果。在該系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)所需壓力為P，壓力傳感器檢測到真實壓力值達(dá)到P時，反饋給PLC，待PLC控制調(diào)壓閥做出調(diào)整會出現(xiàn)一小段延遲時間，該時間內(nèi)充氣會出現(xiàn)延遲誤差，為了對該誤差進(jìn)行一定彌補，設(shè)計出先粗調(diào)后微調(diào)的充氣計劃，以所需調(diào)節(jié)壓力為6MPa為例，當(dāng)壓力達(dá)到5.8MPa時，即控制調(diào)壓閥關(guān)閉，完成粗調(diào)，微調(diào)時以ns（短時，如0.02s）為充氣時長，開關(guān)調(diào)壓閥，進(jìn)行比對，直至達(dá)到所需6MPa后停止。自動調(diào)壓系統(tǒng)研發(fā)示意如圖3所示。

圖3 自動調(diào)壓系統(tǒng)研發(fā)示意圖

2.3.2 自動調(diào)角系統(tǒng)

自動調(diào)角系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)編碼器、聯(lián)軸器、減速器、伺服電機及滾珠絲杠等部分。編碼器的使用可以使調(diào)角更快速、精準(zhǔn)，加強調(diào)角系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自動調(diào)角系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)整角度，旋轉(zhuǎn)編碼器基于電磁原理將機械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號反饋給聯(lián)軸器，針對實際所需的拋射角度對控制電機發(fā)送正（負(fù)）反饋信號，從而使PLC啟動電機和減速器調(diào)整角度及速度。根據(jù)計算的拋射角度，電機旋轉(zhuǎn)到位，并根據(jù)編碼器反饋信號進(jìn)行微調(diào)，精確到0.1°。當(dāng)速度過快時，減速器利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達(dá)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩[6]。自動調(diào)角系統(tǒng)工作示意圖如圖4所示。

圖4 自動調(diào)角系統(tǒng)工作示意圖

2.4 控制面板

面板顯示內(nèi)容包括目標(biāo)距離、最優(yōu)氣壓、當(dāng)前氣壓最佳拋射角度和當(dāng)前拋射角度等，并設(shè)置有一鍵調(diào)壓調(diào)角按鈕，操作人員可進(jìn)行一鍵調(diào)壓調(diào)角，最后點擊屏幕上的發(fā)射鍵，即可實現(xiàn)快速拋射。如果第一次拋射不理想，還可根據(jù)具體實際情況自行進(jìn)行增減壓或增減角度。增減角度精度為1°，增減壓力精度為0.1MPa，使設(shè)備在操作上更加人性化。

2.5 氣源及底座系統(tǒng)

氣源是高效拋射滅火裝置的動力，氣源的選型決定了拋射高度能否達(dá)到預(yù)期結(jié)果，項目設(shè)計的氣源及底座系統(tǒng)包括氣瓶、彈頭、底座等。針對不同火災(zāi)環(huán)境，制定了多規(guī)格1/2/3/4/6/8L容積的壓縮空氣碳纖維氣瓶利用方案，其中1L容積碳纖維氣瓶充到30MPa可以工作4～5次，其余容積氣瓶拋射次數(shù)等比增加，可以保證設(shè)備拋射效率的同時實現(xiàn)多次拋射。將電控器件和氣源置于底座，利于便攜和更換，不僅達(dá)到縮減整體尺寸的目的，還能增加底座穩(wěn)定性。底座采用扁平化設(shè)計，并且底座設(shè)計有可收縮滑輪，需要移動時，滑輪凸出，運送便捷。發(fā)射時，滑輪隱入，底座面著地，增加穩(wěn)定性。

3 樣機

樣機主箱體尺寸為700mm×560mm×580mm（長×寬×高），主箱體分為2個部分，一部分是用于調(diào)節(jié)壓力和角度的PLC電控設(shè)備，另一部分用于儲存氣瓶。工作臺包括角度調(diào)節(jié)模塊、工作腔、緩沖裝置、控制面板（7.9英寸觸屏式）、風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、測距儀（時安CS系列激光測距儀，精度±0.3m）、彈頭（長0.6m）及彈體（長0.9m）。

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

精度指標(biāo)（以高層建筑著火房間窗戶中心為基點）：縱向上/下1m、橫向左/右0.5m。響應(yīng)指標(biāo)：拋射完成時間為2min。智能化指標(biāo)：調(diào)壓、調(diào)角誤差控制在1%以內(nèi)。拋射高度指標(biāo)：100m。

3.2 性能參數(shù)

高層建筑智能拋射滅火裝置總尺寸為750mm×560mm×750mm，壓力范圍為 0 MPa～8 MPa，角度范圍為 0°～70°，總重量50 kg，拋射高度為0 m～100 m，完成拋投平均時間≤2min，測距儀距離為600 m。裝置性能參數(shù)具體見表1。

表1 高層建筑智能拋射滅火裝置的性能參數(shù)表

3.3 功能

裝置工作時，先將環(huán)境信息測量后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柗答伣o系統(tǒng)，然后系統(tǒng)根據(jù)算法優(yōu)化輸出最優(yōu)拋射參數(shù)，最后控制器調(diào)整工作氣壓及拋射角度至指定值，一鍵觸屏完成拋射，將滅火彈發(fā)射到指定著火房間發(fā)揮作用。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)包括精準(zhǔn)拋射理論和自動調(diào)壓調(diào)角并一鍵拋射。

3.4.1 精準(zhǔn)拋射理論

建立彈體飛行的三維理論模型并通過模擬以及現(xiàn)場實驗結(jié)果優(yōu)化參數(shù)，使該模型可以對現(xiàn)場信息采集裝置反饋回的數(shù)據(jù)快速處理，選擇最佳拋射方案。

3.4.2 自動調(diào)壓調(diào)角并一鍵拋射

通過PLC與顯示器、電機旋轉(zhuǎn)編碼器、自動調(diào)壓閥的協(xié)同運作，實現(xiàn)裝置自動調(diào)壓、調(diào)角的功能，操作簡單快捷。

3.5 運行條件

該裝置須在一定的運行條件下進(jìn)行使用，運行條件如下：1） 難于發(fā)現(xiàn)，所以還無法應(yīng)用該裝置，但是，隨著火災(zāi)繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)達(dá)到轟燃時，房間的玻璃會由于過熱而炸裂，這時，則可采用該裝置，將滅火彈打到著火房間內(nèi)，幫助消防隊員滅火救援，因此，該裝置所需運行條件的第一點就是要使著火房間內(nèi)的火勢達(dá)到轟然。2） 由于高層建筑分布集中，相鄰高層中間應(yīng)保留一定的間距，當(dāng)裝置達(dá)到70°仰角時可以將滅火彈拋射至建筑的最高層。3） 滅火彈拋射軌跡中無阻隔物。

4 結(jié)論

針對高層建筑火災(zāi)撲救存在的難題，該文研發(fā)了一款氣動式高層建筑智能高效拋射滅火裝置。該裝置通過PLC與顯示器、電機旋轉(zhuǎn)編碼器、自動調(diào)壓閥的協(xié)同運作，完成裝置的自動調(diào)壓、自動調(diào)角，采用無火藥的氣動發(fā)射方式從遠(yuǎn)距離將裝有滅火劑的滅火彈一鍵投送到火場內(nèi)部彌散滅火，具有操作簡單、智能化水平高、精確性強等特點，提高了滅火效率，彌補了當(dāng)今高層建筑滅火裝備的不足之處，為高層建筑滅火難題的解決提供了新思路和方法。