多功能森林防火机动巡查灭火装备设计

刘凯 魏艳秀 许京港

摘要 根据我国的林区分布特点和交通状况，针对森林火灾发生的特点，设计了一种适合我国林区环境的森林防火机动巡查灭火装备。首先，介绍了灭火装备车辆的选取与主要结构设计，并根据车辆越过障碍物时的力学关系以及越障条件建立车辆跨越障碍物时的力学模型图，对车辆越野性能进行分析；然后，针对我国林区环境对多功能森林防火机动巡查灭火装备车辆进行结构改良，加装防火阻隔开带装置以及自动化灭火系统；最后，对所设计的多功能森林防火机动巡查灭火装备进行灭火性能实验分析。结果表明，防火阻隔开带装置有效推力可达4 500 N以上，可达到预期理想防火效果，脉冲式消防水枪水平射程大于25 m，喷射口初速度可达146 m/s，可直接扑灭高强度的地表火和树冠火。

关键词 森林火灾；阻隔开带装置；消防水枪

中图分类号 S762 文献标识码 A 文章编号 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

森林資源是生态环境建设的重要依托，在国民经济中占有极其重要的位置，森林资源的保护和利用，直接影响到国民经济的兴衰。与发达国家相比我国尚属于少林国家，森林资源极其可贵。据不完全统计，每年被火灾吞噬的森林面积为110万hm2，占全国森林面积的0.8%～0.9%，可见森林火灾对我国森林危害相当严重，对国家生态文明建设影响巨大[1-2]。森林灭火的原则是“打早、打小、打了”，因此，如何迅速发现火点，如何在最短时间内携带有效的消防设备到达着火现场，迅速扑灭林火，将损失降到最低非常重要[3]。

我国森林资源在平原、浅山和深山等广阔区域均有分布，各地经济、社会以及自然环境条件参差不齐，在当前天气条件日趋恶劣的情况下，森林防火任务相当艰巨[4]。目前在广大林区森林防火工作主要采用地面瞭望巡查与地面扑火相结合的工作方式，该方法在火情初期扑救中效果非常明显。地面瞭望巡查是林火监测的重要组成部分，目前，我国地面瞭望巡查方式有定点瞭望和步行、骑马、摩托车移动巡查等，其中摩托车巡查以其方便、快捷等特点，在依法检查和监督防火、及时发现火情方面发挥出越来越大的作用[5-7]。然而，在早期扑救方面，苦于无法携带必要的扑火工具设备，导致巡查时发现火灾也无法立即扑灭或采取有效控制，贻误最佳扑救时机，造成火势扩大，灾害难以控制，教训十分惨痛；同时，因受限于摩托车的稳定性、越野性以及配置的灭火装备的效率，严重限制了其直接扑火的工作能力[8]。因此，目前亟需一种性价比较高、机动性强并配备智能化高效灭火设备的多功能森林消防车辆，应用于林区火灾巡查和早期扑救。笔者通过采用自动控制、计算机视觉以及高压灭火技术对现有农用轮式机车进行性能改良，并设计可自动控制的防灭火机具使之成为有机整体，最终研制完成一套适合我国国情、价格适宜、性价比佳且小型化的林火地面巡查与扑救机动防灭火装备，对全面提升现有地面林火巡查和扑救的工作效率、降低火灾损失意义重大。

1 装备车辆选取

该研究设计的多功能森林防火机动巡查灭火车辆，是以国产SF324P型四轮拖拉机为主体，在其上加装有效的灭火装置，使其不仅可以用于林区火灾巡护，而且在巡护的过程中发现火情时又可以用于先期的扑救工作。设备配置的灭火装备主要有：前部的阻隔开带液压铲和上部的脉冲式水枪以及后部的水泵、水带等以水灭火系统。灭火装置结构合理、装拆方便、灭火效率高，其是在保证不破坏原车结构和不改变原车行驶性能的前提下进行设计安装的，卸下灭火装备后可以恢复原车功能。

选取国产的SF324P型四轮拖拉机为主体，通过对原车前桥及传动部分的改装，使其具有后轮驱动（2WD）和四轮驱动（4WD）自由转换功能，使车辆可在各种地形（如沙地、草地、森林、乡道等）行驶。其最高时速可达50 km/h，爬坡能力达到25°；可以在35 cm深的浅水区正常行驶；标定功率23.8 kW/2 200 r/min；变速箱形式：8个前进挡和2个倒车档；差速器形式为直齿圆锥形星齿轮式；制动器形式为固定凸轮蹄式。选取该型号拖拉机作为主体主要原因是其具有良好的越野性能、通过性能和机动性能。该车型结构简图见图1。

2 装备车辆性能分析

2.1 越障条件分析

轮式车辆超越阶状障碍或垂直凸起障碍的性能主要由它所能克服的垂直障碍高度来评价[9]。在林区林道中行驶的车辆，常常会遇到较大的岩石或倒下的树木，一旦这些障碍物超过了车辆的可跨越高度，车辆就无法通过。为了确定该车前轮可跨越障碍物的高度，进行了障碍条件计算。

多功能森林防火机动巡查灭火车辆所采用的驱动方式为后轮驱动（2WD）和四轮驱动（4WD）自由切换方式，操作者可以在行驶过程中根据地形以及行驶条件选择合适的驱动方式。该研究主要探讨该车在四轮驱动（4WD）状态下所具有的障碍通过性能。

图2所示为四轮驱动（4 WD）状态下多功能森林防火机动巡查灭火车前轮越障时的受力分析图。根据力矩平衡方程计算出该车所能越过阶状障碍物的高度值，从而帮助操作者在行驶过程中能安全通过障碍物。具体做法：首先对多功能森林防火机动巡查灭火车前轮超越阶状障碍物的瞬间（即前轮即将离地时）进行受力分析，后根据前轮的无因次表达式即可计算出该车辆的前轮越障高度。

2.2 越障高度计算

该研究中的多功能森林防火机动巡查灭火车参数如下：W=1 235 kg；l=1 585 mm；r=330 mm；a值受操作者乘坐位置以及整车装备和装载的影响，在一定范围变化，并影响该车可跨越障碍物的h值，当系数μ分别为0.5和0.6时，相应的h-a变化曲线图3所示。由图3可知，该车在越野环境中行驶超越障碍物的能力很强。

因为多功能森林防火机动巡查灭火车的轴距和车轮直径固定，所以重心高度对车辆的通过性能影响较小。另外该车体积小、质量轻，以操作者体重、装备装载的质量及其位置对该车重心位置影响较大，而且重心在水平方向上的前置对该车的越障能力影响也比较大。因此，为了更好地提高该车的越障能力，操作者在驾驶时应将重心位置后移，并且保持稳定的车速行驶。该车进行装备或载物时，参照图3所示曲线，合理确定其位置及重量，使该车在行进过程中具有较高的越障能力。

3 装备车辆结构改良

3.1 前置阻隔开带设备的设计

在扑救森林火灾中开隔离带是一种十分有效的灭火方法，但由于开隔离带需要大量的人力及时间易贻误时机[10-11]。为了解决这一问题笔者在多功能森林机动巡查灭火车上设计了一种液压的阻隔开带设备。在充分对液压连杆、液压缸、泵及专用液压油箱、阻隔开带铲等部件进行性能比较的基础上，选择性价比高、符合实际要求，且与车辆性能匹配，满足推力大于4 500 N的实际需求，并对其液压驱动及控制系统技术进行设计，使之最终与底盘相配套、且满足需求的阻隔开带配套设备。图4所示为阻隔开带装置工作原理，图5所示为阻隔开带铲设计。

3.2 灭火装置设计与配置

为多功能森林防火机动巡查灭火车辆设计配置的灭火装置结构如图6所示。

首先是以水灭火系统：水是一种绿色环保型灭火剂，目前以水灭火还是许多发达国家首选的林火扑救方法。此车配备的以水灭火系统由350 L的水罐、WB30XH型消防水泵、双位联通阀和脉冲式消防水枪等组成，将其安装在车顶及车身后部，在车身中部还配备一条80 m的灭火水龙带，以备从近处水源地取水时使用。车上的脉冲式灭火水枪采用摇杆式控制，以计算机、电子控制、机电一体化以及高压灭火原理技术为依托，对供水管路系统、压力控制系统、高压喷水装置、转动控制云台以及操控显示部件进行设计及研制。脉冲式灭火水枪是利用压缩空气产生的动能，以脉冲喷射的方式将水快速射出枪筒，再通过枪筒出口和空气的2次冲击后，将水瞬时雾化，以较大的初速度将水雾送出，实现快速灭火。其特点有以下几个方面：①高效吸热，降低火场温度；②窒息作用，擠占氧气空间；③冲击作用，冲散可燃物。另外，节水是脉冲式灭火水枪的特点，每发射一枪用水量在1 L左右，该研究设计的多功能森林防火机动巡查灭火车水箱容积为350 L，也就是说在没有后续水源的情况下，可以持续发射350次左右，以水灭火系统原理如图7所示。

另外，多功能森林防火机动巡查灭火车还在适当的位置配备了手工点火器、无线电通讯工具、锹、斧头、橡胶打火拍等工具，在实际的林区巡查过程中一旦发现起火点可以起到一定的灭火作用。

4 装备灭火性能实验分析

4.1 阻隔开带装置性能实验分析

阻隔开带功能可以大大减少扑火队员的体力消耗，同时也可以减少开隔离带的时间，延长火场蔓延的速度，为扑火作业争取宝贵的时间。通过实验得出：加装的阻隔开带装置，利用液压工作的原理，在工作时可以推力大于4 500 N，控制装置可以随时调整推土铲的角度，使所开设的隔离带达到预期的要求。

4.2 脉冲式消防水枪性能实验分析

利用WB30XH型消防水泵对水罐加水，通过对脉冲式水枪加压，让水从枪管中以雾状射出，水枪可实现连续发射和点射的功能，以节省灭火用水。采用WB30XH型消防水泵进行实验，其流量为35 m3/h，扬程为17.3 m。通过实验得出，脉冲式消防水枪水平射程大于25 m，喷射口初速度可达146 m/s，喷射出的水可直接扑灭高强度的地表火和树冠火。

5 结语

该研究设计的多功能森林防火机动巡查灭火装备设计了多种灭火方式，是一台灭火能力强、机动性能和越野性能优越的森林防火地面巡护与早期扑救设备，特别适合于我国林区，是切实贯彻“打早、打小、打了”森林滅火方针，维护林业可持续发展强有力的防火及灭火装备，应积极推广应用。

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