一種便攜式、通用化排煙消防車風量風壓測試裝置的研究與實現(xiàn)

朱義　蔣旭東　張嵐

摘要：消防車消防性能的驗收、年檢越來越受到相關(guān)部門的重視。風量、風壓是排煙消防車關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，但由于標準測試方法成本高、難度大，在消防車驗收、年檢場合難以使用。本文參照GB/T 10178-2006《工業(yè)通風機 現(xiàn)場性能試驗》，研制了一套便攜式、通用化的測試裝置，采用“固定架+旋轉(zhuǎn)軸”的方案，能夠快速測量風量、風壓并輸出性能變化曲線，通過實際應用和比對驗證，證明裝置工作可靠、精度理想。

關(guān)鍵詞：排煙消防車；風機；風量；風壓；測試裝置

引言

排煙消防車是消防員進行排煙、送風、水霧滅火降塵等滅火救援作業(yè)依靠的重要裝備，在控制火場煙霧方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。近幾年，該類產(chǎn)品的市場規(guī)模增長較大、技術(shù)水平發(fā)展較快。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前在我國消防救援隊伍中排煙消防車的保有量約有300輛左右，同時每年新購排煙消防車約50輛左右，對該類產(chǎn)品的驗收及年檢有較大需求。排煙風機的風量、風壓是表征排煙消防車消防性能的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，在新車驗收及在用車輛年檢時，測試風機風量、風壓對保障排煙消防車的作戰(zhàn)效能具有重要意義。

根據(jù)風機性能測試相關(guān)標準[3-5]，風量、風壓測試方法主要有以下兩種：一是利用專用測試風筒進行測試[6-7]，依據(jù)標準為GB/T1236-2017《工業(yè)通風機用標準化風道性能試驗》。這種測試方法精度高，但是需要制造大型專用測試風筒配合試驗，設備體積巨大、成本很高、風筒直徑不通用，不適用于消防隊進行現(xiàn)場產(chǎn)品驗收或年檢（如圖1）；二是利用速度場法進行測試[8-9]，依據(jù)標準為GB/T10178-2006《工業(yè)通風機現(xiàn)場性能試驗》。這種方法通過風速儀測試風機出風口截面各位置的風速計算平均風速，從而計算出風機風量，并計算平均風壓。這種測試方法相較前一種方法精度較低，成本較低，比較適合在使用現(xiàn)場進行測試。不過由于目前市場上沒有專用測試裝置，尚存在以下不足：現(xiàn)場測試點偏差大，造成誤差較大；測試人員需緊靠風機出風口測試，噪音極大且有安全隱患；耗時較長，24個測點測完再手動計算才得到一個數(shù)據(jù)點，難以形成變化曲線，無法捕捉性能異常；對測試人員的專業(yè)要求較高，需要在風機出風截面上自己選點、手動計算。

為解決以上問題，本文設計開發(fā)了一種適用于消防隊現(xiàn)場驗收、年檢使用的排煙消防車風量風壓測試裝置，該裝置具備以下特點：能快速測量排煙消防車風量、風壓，實時輸出排煙風機性能變化曲線；小型化、輕量化，方便攜帶，方便裝備巡檢；具備通用、可靠的固定方式，測試范圍能夠涵蓋目前所有排煙消防車的風機直徑；具備快速、便捷的現(xiàn)場安裝方式，能夠在20min內(nèi)完成組裝和固定。

一、總體方案設計

測試原理參照GB/T10178-2006《工業(yè)通風機現(xiàn)場性能試驗》的速度場法。根據(jù)標準要求，測試點不得少于24個測點，至少分布在3條直徑、各半徑上分布不少于3個測試點，測點位置可按照切貝切夫法確定（如圖2）。

若在24個測點布全傳感器同步測量、計算，固然能夠得到風機性能的動態(tài)曲線，但是一方面?zhèn)鞲衅鞫唷⒖煽啃圆?，且裝置較大，另一方面在風機截面上遮擋物較多，可能對風機性能造成影響。為解決上述問題，本文創(chuàng)新設計了“固定架+旋轉(zhuǎn)軸”整體設計方案：3個可伸縮電機固定桿利用夾緊器固定在排煙風機外罩上，3個風速及3個風壓傳感器分別按標準固定在傳感器固定桿的相應位置，傳感器固定桿由電機驅(qū)動緩慢繞風機軸線轉(zhuǎn)動，同步實時測量當前位置的風速、風壓，每旋轉(zhuǎn)一圈軟件自動計算一次風量和平均風壓，從而在客戶端實時顯示排煙消防車風量、風壓變化曲線。裝置總重30kg，方便攜帶。裝置主體結(jié)構(gòu)如圖3。

二、主要結(jié)構(gòu)設計

（一）伸縮桿

1.電機固定桿

電機固定桿一共3根，均為2節(jié)不銹鋼伸縮桿，中間采用ABS定位器，通過定位器可將固定桿第二管節(jié)定位在任意位置，從而適應風機的不同直徑。三根電機固定桿相互呈120°夾角，通過兩端的螺紋與電機組件及風機固定裝置連接（如圖4）。

2.傳感器安裝桿

傳感器安裝桿分為風速傳感器安裝桿和風壓傳感器安裝桿，均為2節(jié)不銹鋼伸縮桿，一端通過螺紋與電機組件旋轉(zhuǎn)軸連接。每個傳感器安裝桿上套有3個管夾，管夾可在桿上移動，每個管夾裝有一個傳感器固定座，上面安裝傳感器，如圖5和圖6。

排煙消防車風機的出口風速一般不大于50m/s，風壓一般不超過2000Pa，據(jù)此要求對傳感器選型。風速傳感器技術(shù)參數(shù)：量程0.1～60m/s，精度FS0.02%，RS485/RS232輸出，供電DC24V，防護等級IP65。風壓傳感器技術(shù)參數(shù)：0～10000Pa，精度FS0.5%，RS485/RS232輸出，供電DC24V，防護等級IP65。

（二）電機組件

電機組件結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中旋轉(zhuǎn)軸兩端分別與風速/風壓傳感器安裝桿螺紋連接，固定桿座與分別與3條電機固定桿螺紋連接。為每一圈采集更多數(shù)據(jù)點、并盡可能減少傳感器運動帶來的干擾，同時增加試驗過程的安全性，旋轉(zhuǎn)軸的運動速度應盡量降低，基于此為電機配置了3級減速，減速后輸出轉(zhuǎn)速為9.9rpm?；h(huán)可解決風速/風壓傳感器安裝桿連續(xù)轉(zhuǎn)動時傳感器導線纏繞問題。

電源箱組件包含移動電源、信號收發(fā)器、箱體及電池夾緊器，主要為裝置供電，并收集各傳感器采集的風速、風壓信息傳送給終端平板電腦。

（四）固定裝置

由3個拉緊裝置分別把3根電機固定桿固定在風機罩外壁上。拉緊裝置通過收緊帶將橡膠板壓在風機罩外壁上，利用橡膠頭和風機罩外壁的摩擦力固定電機固定桿及電機組件。

三、強度校核

為保證試驗安全，對風機伸縮桿的強度進行了校核。按照最大風機直徑2200mm、風機截面風速50m/s，風壓1500Pa計算，受力面為3個電機固定桿、2個風速計桿及電機組件的迎風面，總迎風面積為0.0867m2，所受風阻力為130N，如圖8所示，產(chǎn)生的最大應力為45MPa，材料屈服極限為206MPa，安全系數(shù)為4.5，符合設計要求。

四、數(shù)據(jù)傳輸及處理

各風速/風壓傳感器通過串口數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)傳送至無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，經(jīng)該裝置通過4G網(wǎng)絡上傳至云服務器，用戶端通過4G網(wǎng)絡讀取所采集的風速、風壓數(shù)據(jù)，最大采樣頻率為5Hz（如圖9）。根據(jù)設計，電機旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈為6.1s，各風速傳感器采集的風速均值與風筒截面面積的乘積即為當前風量、風壓傳感器采集的風壓均值即為當前風壓，軟件可輸出風機風量、風壓波形圖。

五、比對試驗驗證

對某排煙消防車風機性能進行現(xiàn)場比測試驗，分別用標準風筒以及本文研制的裝置進行實際測試，比對風機相同轉(zhuǎn)速下的風量、風壓（如圖10）。

根據(jù)實際試驗結(jié)果（見表1），用本裝置得到的結(jié)果與用標準測試風筒得到的測試結(jié)果相比較，平均風量約偏小2.1%、平均風壓約偏小4.2%，整體而言達到了較為理想的效果。

結(jié)語

本文研制了一套適用于消防隊伍現(xiàn)場驗收、年檢場合使用的排煙消防車風量風壓測試裝置，相對于標準測試方法，本裝置具有成本低、可攜帶、易安裝等優(yōu)點，且通過實測比對，測試精度達到了誤差小于5%的滿意結(jié)果。本項目的研究將大幅提高消防救援隊伍對排煙消防車的驗收和年檢能力，從而為作戰(zhàn)裝備把好質(zhì)量關(guān)，為滅火救援做好保障。

參考文獻

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作者簡介：朱義（1983- ），男，漢族，上海人，碩士，助理研究員，研究方向：消防車輛裝備技術(shù)及檢測認證。

項目來源：1.國家消防救援局科技計劃項目：消防車驗收規(guī)范及測試裝置的研究（編號：2020XFCX25）；2.應急管理部上海消防研究所科技計劃項目：便攜式、通用化排煙消防車風量風壓測試裝置研究（編號：23SX34）