森林消防泵滅火體系及便攜式四級(jí)消防泵研制

陳文龍， 張榮山， 仲偉兵， 黃 勇， 袁露華

(江蘇林海動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300)

在森林消防滅火中，水是天然的滅火劑。水的比熱容和汽化潛熱大，在升溫和汽化時(shí)可吸收大量的熱量，能對(duì)燃燒物進(jìn)行有效地冷卻，而且水在受熱蒸發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣占據(jù)燃燒空間，阻礙空氣進(jìn)入燃燒區(qū)，從而阻斷燃燒。此外，水經(jīng)消防泵增壓后動(dòng)能增加，能以更大的動(dòng)能沖散燃燒物，減弱燃燒強(qiáng)度[1]。水泵滅火具有撲滅火線迅速、攔截火頭安全高效、清理火場(chǎng)徹底、應(yīng)用范圍廣泛、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，早在上世紀(jì)70年代，美國(guó)，加拿大、澳大利亞等國(guó)家在森林滅火中消防泵就已廣泛應(yīng)用[2-3]。我國(guó)通過(guò)近三十年的發(fā)展，以水滅火為基礎(chǔ)的森林防火滅火技術(shù)及設(shè)備研究發(fā)展迅速，已成功開(kāi)發(fā)便攜式消防泵、高揚(yáng)程柱塞消防泵、高揚(yáng)程隔膜泵、以及高壓細(xì)水霧消防泵等類(lèi)型森林消防泵系列產(chǎn)品，和以消防泵為基礎(chǔ)的森林消防水滅火系列技術(shù)，消防泵已成為水源豐富地區(qū)森林防火的優(yōu)選設(shè)備。

1 我國(guó)森林消防泵研發(fā)情況和主要應(yīng)用

我國(guó)早期森林消防采用手抬機(jī)動(dòng)泵，由于手抬機(jī)動(dòng)泵主要是為工礦和城鎮(zhèn)消防設(shè)計(jì)，流量較大，揚(yáng)程不高，重量較重，在森林防火中運(yùn)輸轉(zhuǎn)場(chǎng)極不方便，目前在森林消防設(shè)備體系中，主要用于近距離森林消防及補(bǔ)水設(shè)備使用。

90年代初，北京林業(yè)大學(xué)與林海集團(tuán)合作研發(fā)生產(chǎn)BJL4和BJL5微型消防泵，最高揚(yáng)程達(dá)80 m，最大流量150 L/min，整機(jī)質(zhì)量約15 kg。與手抬機(jī)動(dòng)消防泵相比，該系列消防泵具有重量輕、體積小便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)野外火場(chǎng)林火撲滅環(huán)境，在我國(guó)一些林區(qū)得到推廣應(yīng)用，使用效果較好。

本世紀(jì)以來(lái)，林海集團(tuán)等企業(yè)先后成功開(kāi)發(fā)高揚(yáng)程柱塞消防泵、高揚(yáng)程隔膜泵、以及高壓細(xì)水霧消防泵、便攜式森林消防泵(型號(hào)有SFBA10/2、QB260-TB等)等類(lèi)型消防泵系列產(chǎn)品。其中，高揚(yáng)程柱塞消防泵單機(jī)揚(yáng)程極高，最高揚(yáng)程可達(dá)500 m，工作揚(yáng)程可達(dá)300 m。該類(lèi)泵型由于柱塞直接與水接觸，水中雜質(zhì)、磨粒極易導(dǎo)致柱塞磨損損壞，故使用中，柱塞泵對(duì)水質(zhì)要求較高，在森林消防中通常與消防水罐車(chē)配合，使用水罐車(chē)攜帶的清潔水源進(jìn)行林火消防撲救。

隔膜泵單機(jī)最高揚(yáng)程可達(dá)500 m，工作揚(yáng)程可達(dá)300～400 m，水平輸送距離達(dá)3 000 m。隔膜泵工作時(shí)，由于僅隔膜與介質(zhì)水接觸，并且往復(fù)行程小，可應(yīng)用于含有細(xì)小砂礫的水源，可使用水罐車(chē)水源或?yàn)?zāi)區(qū)附近的自然水源進(jìn)行消防撲救，單臺(tái)機(jī)器即可對(duì)垂直高度350 m 左右的山嶺實(shí)施覆蓋作業(yè)，特別適用于南方地區(qū)山體海拔低、水源豐富的區(qū)域[4]。

柱塞泵和隔膜泵設(shè)備較重，不便于林區(qū)轉(zhuǎn)場(chǎng)搬運(yùn)，目前在森林水滅火系統(tǒng)中，通常與消防車(chē)輛配合，用于車(chē)輛易于到達(dá)的林區(qū)進(jìn)行消防作業(yè)。柱塞泵與隔膜泵同屬于容積泵，受發(fā)動(dòng)機(jī)性能限制，水泵容積不能過(guò)大設(shè)計(jì)，水泵最高轉(zhuǎn)速低，故兩種泵型均難以設(shè)計(jì)成大流量。

2010年以來(lái)，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)參照加拿大Wick250型便攜式森林消防泵，開(kāi)發(fā)出國(guó)產(chǎn)同類(lèi)別森林消防產(chǎn)品，主要有林海集團(tuán)SFBA10/2便攜式森林消防泵、陜西航天動(dòng)力QB260-TB型便攜式消防泵等。與90年代的BJL4、BJL5微型消防泵相比，重量相當(dāng)，便于攜帶，機(jī)動(dòng)靈活，且具有更高的揚(yáng)程和更大的流量，可進(jìn)行單泵架設(shè)使用，也可通過(guò)并聯(lián)、串聯(lián)、或通過(guò)中繼水池進(jìn)行接力，達(dá)到更高揚(yáng)程、更長(zhǎng)距離水源輸送，目前已被國(guó)內(nèi)森林消防廣泛應(yīng)用，并在實(shí)際林火撲救中發(fā)揮了重要作用。國(guó)內(nèi)典型類(lèi)型消防泵性能主要技術(shù)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)典型消防泵性能對(duì)比

在實(shí)際森林火災(zāi)撲救中，由于森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、地點(diǎn)不確定、往往無(wú)路可達(dá)、消防車(chē)輛及設(shè)備難以通過(guò)道路送達(dá)撲救現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常需要人力長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離地背負(fù)消防設(shè)備行進(jìn)，因此，便攜式森林消防泵成為森林消防水泵的優(yōu)先設(shè)備。目前在國(guó)內(nèi)，便攜式消防泵多采用SFBA10/2等國(guó)產(chǎn)便攜式森林消防泵，也有采用進(jìn)口WICK250森林消防泵。為提高滅火效率和更好地適應(yīng)林區(qū)高低落差地形，選擇較高揚(yáng)程和流量的水泵比較有利。WICK375是加拿大生產(chǎn)的高揚(yáng)程森林消防泵，該泵采用4級(jí)離心泵，泵組與發(fā)動(dòng)機(jī)快速安裝組接分體結(jié)構(gòu)形式，最大揚(yáng)程可達(dá)260 m。與WICK250、SFBA10/2等森林消防泵相比，揚(yáng)程高，串接數(shù)量減少，流量大，滅火效率大幅提高，且能夠快速拆分人工攜帶轉(zhuǎn)場(chǎng)。該泵已在國(guó)內(nèi)部分森林防火地區(qū)采購(gòu)，用戶(hù)使用體驗(yàn)良好。為替代進(jìn)口，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)高揚(yáng)程大流量便攜式森林消防泵欠缺，林海集團(tuán)自行研發(fā)了SFBD12/3.5便攜式四級(jí)森林消防泵。

2 SFBD12/3.5四級(jí)森林消防泵的研發(fā)

SFBD12/3.5便攜式四級(jí)森林消防泵開(kāi)發(fā)包含消防泵動(dòng)力汽油機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、消防泵泵頭開(kāi)發(fā)、以及機(jī)組整體開(kāi)發(fā)等。消防泵總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用泵體與發(fā)動(dòng)機(jī)分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)快速卡箍連接發(fā)動(dòng)機(jī)與泵體法蘭，實(shí)現(xiàn)快速組裝；拆分后能夠減輕重量便于人工攜帶轉(zhuǎn)運(yùn)，SFBD12/3.5森林消防泵結(jié)構(gòu)、泵頭與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力快速連接結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 SFBD12/3.5森林消防泵結(jié)構(gòu)圖

圖2 泵頭與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力快速連接結(jié)構(gòu)圖

為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，缸體采用鍍陶工藝，以保證耐磨性能；發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)減壓裝置，保證良好的起動(dòng)性能；汽油機(jī)動(dòng)力設(shè)計(jì)了手起動(dòng)裝置和電起動(dòng)裝置，方便現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)操作和保證起動(dòng)裝置可靠性；電起動(dòng)裝置采用高性能起動(dòng)電機(jī)，具有質(zhì)量輕、功率大等特點(diǎn)，起動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)一體設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)場(chǎng)直接發(fā)揮起動(dòng)效能。

消防泵動(dòng)力采用升功率較高的二沖程汽油機(jī)設(shè)計(jì)。為盡可能給消防泵泵頭提供最大的功率，同時(shí)盡可能控制機(jī)組質(zhì)量、以便于人工攜帶，汽油機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)為：缸徑72 mm、排量210 CC；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)二沖程汽油機(jī)進(jìn)排氣掃氣角度、相位、和缸頭燃燒室形狀等參數(shù)，汽油機(jī)最大功率達(dá)到12馬力；汽油機(jī)缸體、曲軸箱體等采用鋁合金材質(zhì)，以減消防泵泵頭采用高揚(yáng)程、大流量四級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消防泵泵體采用蝸殼式結(jié)構(gòu)，第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)均設(shè)計(jì)為導(dǎo)葉式壓水室結(jié)構(gòu)，末級(jí)設(shè)計(jì)成帶導(dǎo)葉的螺旋式壓水室結(jié)構(gòu)，四級(jí)水泵泵頭結(jié)構(gòu)如圖3所示；其進(jìn)水口徑50 mm、出水口徑40 mm，最大揚(yáng)程達(dá)到270 m、最大流量超過(guò)386 L/min，整機(jī)質(zhì)量25 kg，可以通過(guò)串接達(dá)到更大揚(yáng)程和更遠(yuǎn)距離輸送。由于采用四級(jí)離心設(shè)計(jì)，水泵泵軸長(zhǎng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸跳動(dòng)偏大，普通的機(jī)械密封會(huì)產(chǎn)生密封不可靠的現(xiàn)象，產(chǎn)生滲漏，經(jīng)優(yōu)化選型試驗(yàn)，選用彈性補(bǔ)償平衡型機(jī)械密封。便攜式森林消防泵主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 四級(jí)水泵泵頭結(jié)構(gòu)

表2 SFBD12/3.5便攜式森林消防泵主要性能參數(shù)

消防泵發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與泵體采用分體快速組裝結(jié)構(gòu)，汽油機(jī)動(dòng)力輸出軸與高揚(yáng)程水泵離心泵頭聯(lián)結(jié)采用彈性體聯(lián)軸節(jié)傳送動(dòng)力，通過(guò)快速可拆卸卡箍連接動(dòng)力與泵頭兩部分法蘭，分體狀態(tài)下的單體質(zhì)量輕，方便人工攜帶進(jìn)入森林火災(zāi)撲救現(xiàn)場(chǎng)，使用時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)工具快速組合裝配。

為減輕機(jī)組整體質(zhì)量，機(jī)組機(jī)架結(jié)構(gòu)件采用輕質(zhì)鋁合金材料；為防止水泵缺水引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超速導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)及水泵破壞，在汽油機(jī)動(dòng)力上設(shè)計(jì)了超速保護(hù)裝置，采用點(diǎn)火線圈的信號(hào)頻率作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋，通過(guò)電路邏輯控制防止發(fā)動(dòng)機(jī)超速，同時(shí)可有效排除發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使機(jī)器運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠；利用發(fā)動(dòng)機(jī)磁電機(jī)加裝發(fā)電線圈繞組，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電源輸出和USB電源接口輸出，工作時(shí)可作為照明電源、以及給其他設(shè)備提供電源輸出，為救火現(xiàn)場(chǎng)提供便利。

3 SFBD12/3.5便攜式四級(jí)森林消防泵的應(yīng)用前景

SFBD12/3.5便攜式森林消防泵采用快速連接結(jié)構(gòu)，火場(chǎng)救災(zāi)能夠快速組裝；分體質(zhì)量輕，便于人工林區(qū)攜帶；具備手起動(dòng)和電起動(dòng)功能，設(shè)置超速保護(hù)裝置，使用方便，可靠性高；該泵采用四級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)，揚(yáng)程最高、流量大，對(duì)水質(zhì)要求不高，適應(yīng)野外水源取水進(jìn)行林火撲救，也可應(yīng)用于城市高層建筑的消防滅火。國(guó)內(nèi)外主要便攜式消防泵性能對(duì)比見(jiàn)表3，與國(guó)內(nèi)原有普遍使用的8馬力森林消防泵相比，本消防泵揚(yáng)程提高60%左右，使用效能相當(dāng)于2臺(tái)8馬力森林消防泵串聯(lián)。本消防泵采用通用接口，可以與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有8馬力森林消防泵裝備串聯(lián)使用，有效減少串聯(lián)臺(tái)數(shù)，提高滅火效率，減輕作業(yè)強(qiáng)度。該消防泵的成功研發(fā)為國(guó)內(nèi)森林消防替代進(jìn)口設(shè)備，提供一款國(guó)產(chǎn)化高揚(yáng)程、大流量、便攜式森林消防泵，是對(duì)我國(guó)現(xiàn)有森林防火設(shè)備的重要補(bǔ)充。

表3 國(guó)內(nèi)外主要便攜式消防泵性能對(duì)比