一種新型水冷森林消防泵的方案設(shè)計

朱 艷， 程 樂， 胡 月， 袁露華

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

森林在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的位置，森林資源的增長和利用，直接影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。森林火災(zāi)，是一種失去人為控制，在森林草地上快速蔓延、燃燒和擴(kuò)展，對大自然的生態(tài)系統(tǒng)和人類生活帶來危害和損失的行為，是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、展開救助困難的自然災(zāi)禍。近幾年，我國森林火災(zāi)的發(fā)生頻率及火險等級越來越高，給國家和人民生命財產(chǎn)安全造成重大損害，因此對突發(fā)森林火災(zāi)積極響應(yīng)和快速撲救是我國林業(yè)森防系統(tǒng)急待解決的迫切問題。

1 研究背景

在早期的森林火災(zāi)撲救中，往往以風(fēng)力滅火機(jī)為主要機(jī)械裝備進(jìn)行撲救，但由于風(fēng)力滅火機(jī)控制范圍小，滅火效果差，就必須要采用大兵團(tuán)作戰(zhàn)的人海戰(zhàn)術(shù)。這樣的作戰(zhàn)方式，在經(jīng)濟(jì)上耗費(fèi)高，損失大；在滅火中操作難度大、效率低，在較惡劣的森林火災(zāi)里面就更加難以發(fā)揮作用，控制其火勢，容易出現(xiàn)死灰復(fù)燃的現(xiàn)象，甚至還會出現(xiàn)人員傷亡的現(xiàn)象。而且風(fēng)力滅火機(jī)僅適用于低矮的灌木火和地表火，對樹冠火、高灌木火等完全發(fā)揮不了作用，還可能造成“火借風(fēng)勢”的不利結(jié)果。

近年來，隨著我國森林防火事業(yè)的迅速發(fā)展及森林滅火技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級，“以水滅火”逐漸成為撲救森林火災(zāi)的主流機(jī)械化手段。水是自然界中最普通的滅火劑，是森林火災(zāi)的天然克星。水可以對燃燒物進(jìn)行覆蓋，阻止氧氣參與燃燒反應(yīng)。以水滅火是既經(jīng)濟(jì)又簡便的方法，也是最有效的方法。

一般來說，在江蘇、浙江等南方方林區(qū)溝谷交錯、河流眾多，自然水源比較豐富，水量充足，為以水滅火提供了先決條件。在實(shí)際工作中，則要做好以勘測調(diào)查水源為先導(dǎo)的基礎(chǔ)工作，對現(xiàn)有的自然水源、溪流、湖泊、常年積水的溝塘地帶進(jìn)行全面的勘測調(diào)查，繪制出水源分布圖，宏觀上確定每個水源所能承擔(dān)供水的區(qū)域、面積，并根據(jù)水源分布的地理位置，沿主要河流、水系選定供水點(diǎn)。對水量充足、地面容易接近的區(qū)段進(jìn)行人工修建加固，有利于森林消防泵取水并且迅速作業(yè)。而便攜式森林消防泵作為實(shí)現(xiàn)以水滅火的重要設(shè)備占有舉足輕重的地位，已經(jīng)成為各級森林消防隊(duì)伍必備的基礎(chǔ)裝備。

2 風(fēng)冷和水冷森林消防泵的特點(diǎn)

目前國內(nèi)大多數(shù)的便攜式森林消防泵都是以美國的Fyr Pak和加拿大的wick250為開發(fā)藍(lán)本，重量在15～16 kg之間。這樣的重量對于歐美人而言相對輕巧，但對于亞洲人就顯得笨重。而且由于野外水資源并非隨處可得，往往需要消防隊(duì)員攜帶設(shè)備長途跋涉進(jìn)入林區(qū)進(jìn)行多臺水泵的串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)長距離輸水，因此需要森林消防泵在具備理想的揚(yáng)程和流量的同時，還應(yīng)盡可能重量輕、體積小以便于在道路崎嶇、路況復(fù)雜、山勢陡峭的林區(qū)長時間攜行。

現(xiàn)階段，大多數(shù)的便攜式森林消防泵均以風(fēng)冷二沖程汽油機(jī)為動力，具有結(jié)構(gòu)簡單、動力強(qiáng)勁的特點(diǎn)，它采用的是發(fā)動機(jī)曲軸帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)強(qiáng)制吹出氣流，通過機(jī)體上的散熱片為發(fā)動機(jī)降溫的冷卻方式。經(jīng)過實(shí)踐，這種冷卻方式普遍存在以下不足：

(1)風(fēng)扇由曲軸直接驅(qū)動，再經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)罩將冷卻風(fēng)引向需要散熱的汽缸和汽缸蓋等部位來完成散熱，因此風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生和驅(qū)動氣流都需要消耗發(fā)動機(jī)的部分功率。

(2)散熱系統(tǒng)零件多，包括風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩、散熱片等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。發(fā)動機(jī)氣缸和缸蓋需要布置較大的散熱片以及導(dǎo)風(fēng)零件來增加散熱面積，控制氣流導(dǎo)向，使得機(jī)器體積變大，重量增加。

(3)冷卻不均勻，迎風(fēng)面的氣缸冷卻強(qiáng)，背風(fēng)面的冷卻效果較差，冷卻不均勻?qū)е職飧谉崤蛎洸灰恢?，?nèi)徑圓度變形，存在內(nèi)壁磨損不均勻等問題，影響缸體及活塞壽命。

(4)空氣的比熱容較小，溫度變化大。冬季氣溫低的情況下使用，可能會冷卻溫度過低，致使燃油氣化不良，燃燒效率降低，功率不足，嚴(yán)重時會造成發(fā)動機(jī)積炭過多，破壞活塞環(huán)與氣缸壁的密封效果和合理的壓縮比，導(dǎo)致功率大幅降低。此時必須增加人工維護(hù)次數(shù)，否則會大大降低機(jī)器的性能或者損壞機(jī)器。而在天氣炎熱的情況下又存在冷卻效果差，溫度過高而導(dǎo)致功率迅速下降，嚴(yán)重者可導(dǎo)致因過熱而爆缸或拉缸，產(chǎn)生不可逆的損壞，給消防作業(yè)造成負(fù)面影響。

針對上述不足，結(jié)合森林消防泵的使用條件，不難發(fā)現(xiàn)消防泵的輸送介質(zhì)——水，本身就是良好的天然冷卻劑，可以通過水泵工作時水的不斷流動來冷卻發(fā)動機(jī)，帶走發(fā)動機(jī)高溫部件的熱量，控制其溫度，提高發(fā)動機(jī)的熱穩(wěn)定性和動力輸出的可靠性。水泵葉輪在工作時，水路不停泵水，水泵入水口和水泵出水口存在較大壓差，根據(jù)此特性，選擇高低壓兩處各設(shè)一條管路，將源源不斷的水引向發(fā)動機(jī)需要散熱的缸蓋和汽缸位置實(shí)現(xiàn)冷卻的目的。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)空氣在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)是0.026，水的導(dǎo)熱系數(shù)是0.62，水的散熱系數(shù)是空氣的23.84倍，利用水泵內(nèi)部不同位置的壓力差，將水分流出極小的一部分(大約總流量的1%)，引入冷卻管道，其產(chǎn)生的散熱效果比空氣散熱明顯提高，同時基本無功率損失，對水泵的影響也很輕微。

(2)消防泵水冷發(fā)功機(jī)缸體需要增加提供介質(zhì)流動的水道，但相對風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻的發(fā)動機(jī)而言，減除了風(fēng)扇、大面積的散熱片、曲軸和風(fēng)扇的連接部件、導(dǎo)風(fēng)罩等零件，結(jié)構(gòu)簡單，體積更小，重量更輕。

(3)冷卻水道環(huán)繞包裹燃燒室，直接帶走燃燒熱量，效果明顯、冷卻均勻，缸體熱梯度小，變形均勻一致，有利于運(yùn)動件的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4)水的比熱容大，不同季節(jié)溫度變化小，變化幅度要比氣溫小得多，因此不會因環(huán)境溫度差別而影響冷卻效果，即使在高溫、高濕的惡劣環(huán)境下，只要保證水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也不會產(chǎn)生由于發(fā)動機(jī)過熱導(dǎo)致拉缸的故障。

(5)由于負(fù)載減少、冷卻效果好，水冷型發(fā)動機(jī)在同排量情況下相較風(fēng)冷型功率輸出提高20%，可驅(qū)動更大功率的水泵，提高輸送揚(yáng)程；或者在水泵不變的情況下，減小排量，可顯著降低整體重量，方便消防隊(duì)員攜行。

綜上所述，森林消防泵的水冷化研究方向在技術(shù)上是正確和切實(shí)可行的，具有很強(qiáng)的可操作性。

3 一種新型水冷森林消防泵的設(shè)計方案要點(diǎn)

以現(xiàn)階段相關(guān)的研究為基礎(chǔ)，結(jié)合市場需求，針對現(xiàn)有森林消防泵重量過重、熱穩(wěn)定性差的不足，提出一種新型水冷森林消防泵的設(shè)計方案：

(1)發(fā)動機(jī)功率達(dá)8.83 K，配套的離心泵頭最大揚(yáng)程200 m，最大流量14 t/h，保證滅火效率。

(2)整體重量控制在11 kg左右，比現(xiàn)有裝備至少減重25%。

(3)借助水冷輔助，在水泵揚(yáng)程參數(shù)(200 m)保持先進(jìn)水平的情況下，發(fā)動機(jī)排量控制在85 ml左右，動力小型化，從根本結(jié)構(gòu)上控制整機(jī)重量。

(4)水泵泵頭不采用常規(guī)的重力砂型澆鑄，采用高強(qiáng)度鋁合金低壓澆鑄，可以使壁厚減少至5 mm，水泵重量可以減輕至原工藝的約65%。

(5)葉輪、導(dǎo)葉采用高強(qiáng)度鋁合金葉輪，表面陽極硬化處理，既減重又保證了葉輪的防腐和耐磨要求。

(6)采用高強(qiáng)度鋁合金(航空鋁7系)框架，在保證框架強(qiáng)度的情況下有效控制整機(jī)重量。

(7)通過調(diào)整水冷管道的直徑來控制冷卻介流量，控制火花塞溫度在190～200 ℃，避免溫度過低造成發(fā)動機(jī)早期積碳產(chǎn)生。

(8)合理設(shè)置水道首末端的取壓點(diǎn)，將壓差控制在0.2～0.3 MPa，既保證水冷介質(zhì)的流量，又保證缸體水道與燃燒室的密封可靠性。

(9)采用雙級葉輪設(shè)計，保證水泵流量和揚(yáng)程參數(shù)的同時，可獲得較小泵頭徑向尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊。

(10)采用手、電雙模的啟動方式，即可以用掌上電源進(jìn)行電啟動，又可以手拉啟動，并且手拉啟動為雙彈簧(啟動彈簧+儲能彈簧)設(shè)計的易啟動結(jié)構(gòu)，手拉更輕松、方便。

(11)采用直流點(diǎn)火方式，相較傳統(tǒng)的磁電機(jī)交流點(diǎn)火，具有極低的穩(wěn)定點(diǎn)火轉(zhuǎn)速(約100～150 r/min)，并且在低速和高速時都能產(chǎn)生穩(wěn)定和高能的點(diǎn)火能量，發(fā)動機(jī)輸出功率隨之得到提升。

(12)內(nèi)置強(qiáng)磁發(fā)電機(jī)和整流穩(wěn)壓系統(tǒng)，充分保障充電性能，可配置LED強(qiáng)光應(yīng)急照明，為夜間操控提供可視化保障。

(13)智能高溫監(jiān)控系統(tǒng)可以在水循環(huán)失效的極端情況下(比如水管突然爆裂、進(jìn)水堵塞)，啟動熱保護(hù)，自動關(guān)閉設(shè)備，避免因高溫產(chǎn)生故障。

4 結(jié)束語

通過上述方案的設(shè)計，開發(fā)一款體積小，重量輕，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，動力輸出可靠的新型水冷森林消防泵產(chǎn)品，可積極契合當(dāng)前森林消防隊(duì)伍的實(shí)際需求，大大地彌補(bǔ)了現(xiàn)有設(shè)備的短板，對于推動新老設(shè)備的迭代更新具有重要的意義。該產(chǎn)品可以為市場提供更為環(huán)保、輕便、高效的機(jī)械化撲滅工具，極大地滿足各級森林消防部門的需求，有效推動森林火災(zāi)“防治救”技術(shù)裝備同步發(fā)展，使森林滅火裝備技術(shù)水平迅速步入現(xiàn)代化，為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展創(chuàng)造良好的消防安全環(huán)境，切實(shí)解決廣大林區(qū)的消防安全保障問題，產(chǎn)生顯著的社會效益。