姜晨龍，汪 東

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

森林消防風(fēng)力滅火機(jī)研究綜述

姜晨龍，汪 東

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

介紹了風(fēng)力滅火機(jī)在森林消防中的應(yīng)用背景，闡述了森林消防風(fēng)力滅火機(jī)的研究現(xiàn)狀，探討了森林消防風(fēng)力滅火機(jī)研究存在的問(wèn)題及對(duì)策，指出風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)仿真制造的一體化以及風(fēng)力滅火機(jī)的電動(dòng)化和智能化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

森林消防；風(fēng)力滅火機(jī)；設(shè)計(jì)仿真；電動(dòng)化；智能化

0 引言

自地球出現(xiàn)森林以來(lái)，森林火災(zāi)就伴隨發(fā)生。全世界每年平均發(fā)生森林火災(zāi)20多萬(wàn)次，燒毀森林面積約占全世界森林總面積的1‰以上。中國(guó)現(xiàn)在每年平均發(fā)生森林火災(zāi)1萬(wàn)多次，燒毀森林幾十萬(wàn)至上百萬(wàn)公頃，約占全國(guó)森林面積的5‰～8‰。1987年5月6日大興安嶺發(fā)生的特別重大森林火災(zāi)，大火持續(xù)了21天，過(guò)火面積101萬(wàn)hm2，燒毀房屋、設(shè)備、各類基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量巨大，受災(zāi)群眾達(dá)5萬(wàn)多人，死亡193人，受傷226人，直接經(jīng)濟(jì)損失約5億元人民幣。這僅僅是森林火災(zāi)直接造成的損失，此外還破壞生態(tài)環(huán)境，生態(tài)及氣候調(diào)節(jié)也受到影響，自然環(huán)境溫度升高、土地干旱、荒漠化、山洪暴發(fā)，其造成的間接危害也是不可估量的。由此可見，森林火災(zāi)是當(dāng)今世界最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。我國(guó)的森林火災(zāi)頻發(fā)，防火和滅火的形勢(shì)嚴(yán)峻。在1987年“5·6”大火之后，風(fēng)力滅火機(jī)逐漸成為我國(guó)森林火災(zāi)十分重要的滅火機(jī)具，也是專業(yè)滅火隊(duì)伍配備的主要滅火機(jī)具之一，具有良好的滅火效果，發(fā)揮了非常重要的作用。目前森林滅火便攜式機(jī)械仍然以風(fēng)力滅火機(jī)為主。如何提高其滅火效率，重點(diǎn)就是現(xiàn)有風(fēng)力滅火機(jī)的不斷優(yōu)化和新型風(fēng)力滅火機(jī)的研究和開發(fā)。

1 風(fēng)力滅火機(jī)研究現(xiàn)狀

風(fēng)力滅火機(jī)的基本功能是用風(fēng)力滅火。風(fēng)力滅火機(jī)的工作原理是用高速?gòu)?qiáng)制氣流吹散燃燒物產(chǎn)生的火苗和熱量，以氣流隔斷火苗與燃燒物，破壞其繼續(xù)燃燒的條件，直至燃燒物表面溫度降到燃點(diǎn)以下，達(dá)到滅火的目的。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)做了大量的研究，取得了一定的成果，為風(fēng)力滅火機(jī)的進(jìn)一步完善提供了參考。國(guó)內(nèi)風(fēng)力滅火機(jī)的研究主要集中在風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)及多功能化、風(fēng)力滅火機(jī)仿真及試驗(yàn)研究、軸流式風(fēng)力滅火機(jī)研究以及風(fēng)力滅火機(jī)人機(jī)工程學(xué)研究等方面。

1.1 風(fēng)力滅火機(jī)多元化設(shè)計(jì)研究

風(fēng)力滅火機(jī)最初的設(shè)計(jì)理念是1979年我國(guó)東北伊春林區(qū)一名老伐木工人郭躍增提出的,并用西北林機(jī)廠生產(chǎn)的高把油鋸GJ85改裝了最早期的風(fēng)力滅火機(jī)的樣機(jī)，經(jīng)過(guò)小范圍的滅火實(shí)踐，同年提請(qǐng)西北林機(jī)廠進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。在風(fēng)力滅火機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)中，西北林業(yè)機(jī)械廠最先用本廠產(chǎn)品GJ85高把油鋸和3MF-4彌霧噴粉機(jī)進(jìn)行改制，并于1981年小批試生產(chǎn)SF85型手提式風(fēng)力滅火機(jī)[1]。之后，黑龍江森保所、泰州林機(jī)廠等單位陸續(xù)設(shè)計(jì)了多款風(fēng)力滅火機(jī)，在手提式基礎(chǔ)上開發(fā)了背負(fù)式，在功能上設(shè)計(jì)增加了噴水、噴粉、噴土、彌霧及點(diǎn)火等功能，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力滅火機(jī)的多功能化。2010年中南林業(yè)科技大學(xué)提出了CO2氣瓶輔助風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)方案[2]。2014年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)空氣引射增大其出口空氣流量，減緩風(fēng)速衰減，并對(duì)無(wú)擴(kuò)壓空氣噴射器進(jìn)行了設(shè)計(jì)[3]。2014年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在風(fēng)力滅火機(jī)的基礎(chǔ)上提出便攜噴粉式風(fēng)力滅火機(jī)、手搖式噴粉滅火機(jī)、中型噴粉式風(fēng)力滅火機(jī)等設(shè)計(jì)方案[4]。從2009年開始東北林業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于動(dòng)力底盤的思路分別就機(jī)載式大功率風(fēng)力滅火機(jī)、履帶手扶步進(jìn)式風(fēng)力滅火機(jī)和履帶遙控雙風(fēng)機(jī)等機(jī)載式風(fēng)力滅火機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括履帶式或輪式行走機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)等[5]?？偠灾?，隨著作業(yè)要求的不斷提高和科技不斷發(fā)展，風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)將更加多元化，設(shè)計(jì)方式將由粗放式注重功能實(shí)現(xiàn)向精細(xì)式注重性能提升轉(zhuǎn)變。

1.2 風(fēng)力滅火機(jī)仿真及試驗(yàn)研究

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為研究流體機(jī)械內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律、預(yù)測(cè)流體機(jī)械性能的一種重要手段。森林消防風(fēng)力滅火機(jī)復(fù)雜的內(nèi)部流場(chǎng)可以用CFD軟件進(jìn)行分析，借助控制微分方程、紊流子模型、三維幾何模型的建立與流動(dòng)區(qū)域的離散化等，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。早在1987年西北林機(jī)廠和浙江大學(xué)成立聯(lián)合研制組，對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)出口后湍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，改善了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能[6]。2003年，南京森林警察學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)借助CFD軟件對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)內(nèi)部氣流進(jìn)行仿真分析[7]。從2007年開始，北京林業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于CFD軟件，對(duì)軸流式風(fēng)力滅火機(jī)流體仿真方面進(jìn)行了相關(guān)研究。2011年開始，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于CFD對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，基于CFD-DEM耦合法對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒進(jìn)行優(yōu)化研究[8]。因?yàn)閿?shù)值試驗(yàn)不能替代實(shí)際的試驗(yàn)，所以數(shù)值試驗(yàn)總是和實(shí)際試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，相互補(bǔ)充[9]。因此，設(shè)計(jì)適合森林消防風(fēng)機(jī)特點(diǎn)的性能試驗(yàn)裝置就非常關(guān)鍵，2016年黑龍江森保所研發(fā)了一種便攜式風(fēng)力滅火機(jī)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，可以快速對(duì)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為風(fēng)力滅火機(jī)性能試驗(yàn)研究提供了便利[10]。

1.3 軸流式風(fēng)力滅火機(jī)研究

便攜式風(fēng)力滅火機(jī)大多數(shù)都采用離心式風(fēng)機(jī)。離心式風(fēng)機(jī)的缺點(diǎn)是氣流經(jīng)過(guò)葉輪時(shí)流速和方向都要發(fā)生很大變化，這樣風(fēng)壓較高，能耗較大，滅火效率低，同時(shí)噪聲和振動(dòng)也大。而軸流風(fēng)機(jī)中氣體是沿軸向進(jìn)入和排出的，沒(méi)有離心慣性力，產(chǎn)生的風(fēng)壓很小，產(chǎn)生的風(fēng)量和出口風(fēng)速很大，能提供強(qiáng)大的高速空氣射流，符合便攜式風(fēng)力滅火機(jī)所需要的滅火要求，有助于便攜式風(fēng)力滅火機(jī)滅火效率的提高。從2007年起，北京林業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)單級(jí)軸流式風(fēng)力滅火機(jī)、旋式軸流式風(fēng)力滅火機(jī)、多級(jí)軸流式風(fēng)力滅火機(jī)等進(jìn)行系列研究，主要是基于葉型、葉片數(shù)、葉片安裝角、風(fēng)筒等結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行了氣動(dòng)性能試驗(yàn)，同時(shí)將試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，論證了數(shù)值模擬的可靠性，為研究新型軸流式風(fēng)力滅火機(jī)提供了理論依據(jù)[11]。

1.4 風(fēng)力滅火機(jī)人機(jī)工程學(xué)研究

便攜式風(fēng)力滅火機(jī)工作時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)烈，其產(chǎn)生的振動(dòng)直接作用于手臂，長(zhǎng)期承受局部振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)體造成損傷，嚴(yán)重影響工人的健康。強(qiáng)烈的噪聲對(duì)人的生理和心理也有一定的影響，不合理的操作姿勢(shì)和操作規(guī)程也會(huì)對(duì)人體造成不良影響。所以，從人機(jī)工程學(xué)角度對(duì)便攜式風(fēng)力滅火機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而提出合理的優(yōu)化建議和操作規(guī)程是很有必要的。早在1996年，黑龍江森保所研究人員首先開展了風(fēng)力滅火機(jī)對(duì)人體的影響及防護(hù)對(duì)策的研究[12]。2001年起，北京林業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)就人體平衡功能與便攜式林業(yè)機(jī)械作業(yè)安全關(guān)系進(jìn)行研究，風(fēng)力滅火機(jī)氣動(dòng)噪聲分析、風(fēng)力滅火機(jī)振動(dòng)及其沿人體手臂傳遞特性研究，以及系統(tǒng)的風(fēng)力滅火機(jī)的人機(jī)工程學(xué)研究[13]。

2 森林消防風(fēng)力滅火機(jī)研究存在的問(wèn)題及對(duì)策

2.1 森林消防風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)仿真制造集成度不高

森林消防風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、葉輪、導(dǎo)葉、風(fēng)筒等，其設(shè)計(jì)主要以理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行參數(shù)化建模和圖紙繪圖，并通過(guò)計(jì)算機(jī)流體仿真軟件進(jìn)行模擬仿真。近年來(lái)，建模軟件和仿真軟件得到了迅猛的發(fā)展，但是各有側(cè)重，有些側(cè)重建模，有些側(cè)重流體分析，很少有專門針對(duì)森林消防風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)仿真一體化集成軟件，所以在模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出時(shí)難免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。另外，計(jì)算機(jī)性能、網(wǎng)格劃分質(zhì)量、參數(shù)的設(shè)置也直接影響分析結(jié)果，因而仿真分析結(jié)果并不完全可信，還是需要進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)的驗(yàn)證。制造環(huán)節(jié)需要進(jìn)行二維圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)注、加工工藝和路徑的設(shè)計(jì)。雖然仿真分析給改進(jìn)設(shè)計(jì)方案提供了一定的參考依據(jù)，但是由于集成度和精確度的問(wèn)題，效率仍然有提升的空間。此外，隨著增材制造、智能制造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造將會(huì)更好地集成，進(jìn)一步地縮短周期，降低成本。

2.2 森林消防風(fēng)力滅火機(jī)燃油消耗經(jīng)濟(jì)性不高

森林消防風(fēng)力滅火機(jī)大多采用汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了提供潤(rùn)滑，將汽油和機(jī)油按比例混合。由于林火撲救具有情況緊急、滅火時(shí)間長(zhǎng)，燃油消耗大等特點(diǎn)，在實(shí)際操作過(guò)程中很難保證按規(guī)定比例混合?；旌媳壤苯佑绊戯L(fēng)力滅火機(jī)的使用性能。混合比例不當(dāng)容易導(dǎo)致風(fēng)力滅火機(jī)工作故障，另一方面，風(fēng)力滅火機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也很難保證。同時(shí)，由于風(fēng)力滅火機(jī)工作方式比較粗放，往往存在漏油、排放濃煙廢氣等不經(jīng)濟(jì)、不環(huán)保的現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)燃油的高效利用進(jìn)行研究，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少有害廢氣的排放。同時(shí)，采用更加方便的燃油供給方式，保證燃油存儲(chǔ)的密封性，避免燃油的泄露。此外，還可以考慮采用電動(dòng)風(fēng)力滅火機(jī)替代傳統(tǒng)的汽油風(fēng)力滅火機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力風(fēng)滅火機(jī)的電動(dòng)化，進(jìn)而達(dá)到更加節(jié)能和環(huán)保的目的。

2.3 森林消防風(fēng)力滅火機(jī)操作舒適性不高

風(fēng)力滅火機(jī)由汽油機(jī)提供動(dòng)力，汽油機(jī)本身和燃油的重量占比比較大，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)、葉輪工作時(shí)振動(dòng)和風(fēng)機(jī)工作氣流的作用，導(dǎo)致操作工作強(qiáng)度大。由于風(fēng)機(jī)都在火場(chǎng)中工作，溫度高、粉塵顆粒多、振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲大，整個(gè)工作環(huán)境惡劣，稍有不慎，還有可能造成安全事故。所以，如何降低工作強(qiáng)度，提高風(fēng)機(jī)操作的舒適性、安全性就顯得非常必要。比如可以從結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、材料的選擇等方面進(jìn)行研究，借助相關(guān)軟件進(jìn)行振動(dòng)和噪聲的仿真分析，依據(jù)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到輕量化、減振和降噪的效果?？梢愿鶕?jù)風(fēng)力滅火機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的安全保護(hù)裝置和個(gè)人防護(hù)裝備，以提高風(fēng)機(jī)使用的安全性。此外，還可以考慮通過(guò)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力滅火機(jī)的智能化，將操作人員從繁重的作業(yè)中解放出來(lái)，改為在后方遠(yuǎn)程操控，從根本上解決森林消防風(fēng)力滅火機(jī)舒適性不高的問(wèn)題。

3 森林消防風(fēng)力滅火機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)仿真制造的一體化

以往的風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和制造都是分開單獨(dú)進(jìn)行，各環(huán)節(jié)存在一定程度的脫節(jié)，研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、增材制造技術(shù)、智能制造等新技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)仿真制造的一體化已經(jīng)成為可能。通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)與性能仿真，基于仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，這樣縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了成本。同時(shí)，通過(guò)智能制造技術(shù)，三維設(shè)計(jì)模型可以直接生成加工路徑，實(shí)現(xiàn)零件的加工，省去二維圖紙的轉(zhuǎn)化標(biāo)注等環(huán)節(jié)，大大提高風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)制造效率。隨著中國(guó)制造2025、智能制造等理念的提出，風(fēng)力滅火機(jī)設(shè)計(jì)仿真制造的一體化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 風(fēng)力滅火機(jī)的電動(dòng)化

傳統(tǒng)風(fēng)力滅火機(jī)采用小型汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在燃油經(jīng)濟(jì)性差、潤(rùn)滑磨損、振動(dòng)、噪聲、廢氣排放等問(wèn)題。隨著電機(jī)技術(shù)和蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)和蓄電池的體積不斷減小，蓄電池的蓄電量不斷增加，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力滅火機(jī)成為可能。電動(dòng)風(fēng)力滅火機(jī)具有環(huán)保、節(jié)能、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于電機(jī)和電池的輕量化，在風(fēng)機(jī)性能不受影響的情況下，電動(dòng)風(fēng)機(jī)比汽油風(fēng)機(jī)更加輕便，操作強(qiáng)度也得到很好緩解。然而，電動(dòng)風(fēng)機(jī)是通過(guò)電池給電機(jī)供電，電池的容量是一定的，存在單個(gè)電池不能持續(xù)工作的問(wèn)題，所以有必要解決好蓄電池的快充和電池的便捷更換。隨著國(guó)家綠色發(fā)展理念的提出，人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，電動(dòng)風(fēng)力滅火機(jī)將是風(fēng)力滅火機(jī)未來(lái)發(fā)展的一種可行方案。

3.3 風(fēng)力滅火機(jī)的智能化

常規(guī)風(fēng)力滅火機(jī)為便攜式風(fēng)力滅火機(jī)，分為手提式風(fēng)力滅火機(jī)和背負(fù)式風(fēng)力滅火機(jī)。作業(yè)時(shí)一人一機(jī)，重量大，離火源近，工作人員的工作強(qiáng)度大、工作危險(xiǎn)性高。因此，如何將工作人員從危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力滅火機(jī)的智能化將會(huì)是研究的重點(diǎn)方向。風(fēng)力滅火機(jī)的智能化主要包括行走的智能化、環(huán)境識(shí)別的智能化、工作裝置的智能化。智能行走可以采用將風(fēng)力滅火機(jī)安裝在動(dòng)力底盤上，比如履帶式和輪式動(dòng)力底盤，通過(guò)控制底盤的行走實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)行走。環(huán)境智能識(shí)別可以采用數(shù)碼相機(jī)采集圖像，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行處理，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行識(shí)別判斷。工作裝置安裝在動(dòng)力底盤上，應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)和俯仰動(dòng)作、風(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟停以及風(fēng)速和風(fēng)量的調(diào)整。

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S762.3

A

2017-09-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助（LGYB201617）

陳小華）