劉凱 魏艷秀 許京港

摘要 根據(jù)我國的林區(qū)分布特點和交通狀況，針對森林火災發(fā)生的特點，設計了一種適合我國林區(qū)環(huán)境的森林防火機動巡查滅火裝備。首先，介紹了滅火裝備車輛的選取與主要結構設計，并根據(jù)車輛越過障礙物時的力學關系以及越障條件建立車輛跨越障礙物時的力學模型圖，對車輛越野性能進行分析；然后，針對我國林區(qū)環(huán)境對多功能森林防火機動巡查滅火裝備車輛進行結構改良，加裝防火阻隔開帶裝置以及自動化滅火系統(tǒng)；最后，對所設計的多功能森林防火機動巡查滅火裝備進行滅火性能實驗分析。結果表明，防火阻隔開帶裝置有效推力可達4 500 N以上，可達到預期理想防火效果，脈沖式消防水槍水平射程大于25 m，噴射口初速度可達146 m/s，可直接撲滅高強度的地表火和樹冠火。

關鍵詞 森林火災；阻隔開帶裝置；消防水槍

中圖分類號 S762 文獻標識碼 A 文章編號 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

森林資源是生態(tài)環(huán)境建設的重要依托，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的位置，森林資源的保護和利用，直接影響到國民經(jīng)濟的興衰。與發(fā)達國家相比我國尚屬于少林國家，森林資源極其可貴。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年被火災吞噬的森林面積為110萬hm2，占全國森林面積的0.8%～0.9%，可見森林火災對我國森林危害相當嚴重，對國家生態(tài)文明建設影響巨大[1-2]。森林滅火的原則是“打早、打小、打了”，因此，如何迅速發(fā)現(xiàn)火點，如何在最短時間內(nèi)攜帶有效的消防設備到達著火現(xiàn)場，迅速撲滅林火，將損失降到最低非常重要[3]。

我國森林資源在平原、淺山和深山等廣闊區(qū)域均有分布，各地經(jīng)濟、社會以及自然環(huán)境條件參差不齊，在當前天氣條件日趨惡劣的情況下，森林防火任務相當艱巨[4]。目前在廣大林區(qū)森林防火工作主要采用地面瞭望巡查與地面撲火相結合的工作方式，該方法在火情初期撲救中效果非常明顯。地面瞭望巡查是林火監(jiān)測的重要組成部分，目前，我國地面瞭望巡查方式有定點瞭望和步行、騎馬、摩托車移動巡查等，其中摩托車巡查以其方便、快捷等特點，在依法檢查和監(jiān)督防火、及時發(fā)現(xiàn)火情方面發(fā)揮出越來越大的作用[5-7]。然而，在早期撲救方面，苦于無法攜帶必要的撲火工具設備，導致巡查時發(fā)現(xiàn)火災也無法立即撲滅或采取有效控制，貽誤最佳撲救時機，造成火勢擴大，災害難以控制，教訓十分慘痛；同時，因受限于摩托車的穩(wěn)定性、越野性以及配置的滅火裝備的效率，嚴重限制了其直接撲火的工作能力[8]。因此，目前亟需一種性價比較高、機動性強并配備智能化高效滅火設備的多功能森林消防車輛，應用于林區(qū)火災巡查和早期撲救。筆者通過采用自動控制、計算機視覺以及高壓滅火技術對現(xiàn)有農(nóng)用輪式機車進行性能改良，并設計可自動控制的防滅火機具使之成為有機整體，最終研制完成一套適合我國國情、價格適宜、性價比佳且小型化的林火地面巡查與撲救機動防滅火裝備，對全面提升現(xiàn)有地面林火巡查和撲救的工作效率、降低火災損失意義重大。

1 裝備車輛選取

該研究設計的多功能森林防火機動巡查滅火車輛，是以國產(chǎn)SF324P型四輪拖拉機為主體，在其上加裝有效的滅火裝置，使其不僅可以用于林區(qū)火災巡護，而且在巡護的過程中發(fā)現(xiàn)火情時又可以用于先期的撲救工作。設備配置的滅火裝備主要有：前部的阻隔開帶液壓鏟和上部的脈沖式水槍以及后部的水泵、水帶等以水滅火系統(tǒng)。滅火裝置結構合理、裝拆方便、滅火效率高，其是在保證不破壞原車結構和不改變原車行駛性能的前提下進行設計安裝的，卸下滅火裝備后可以恢復原車功能。

選取國產(chǎn)的SF324P型四輪拖拉機為主體，通過對原車前橋及傳動部分的改裝，使其具有后輪驅動（2WD）和四輪驅動（4WD）自由轉換功能，使車輛可在各種地形（如沙地、草地、森林、鄉(xiāng)道等）行駛。其最高時速可達50 km/h，爬坡能力達到25°；可以在35 cm深的淺水區(qū)正常行駛；標定功率23.8 kW/2 200 r/min；變速箱形式：8個前進擋和2個倒車檔；差速器形式為直齒圓錐形星齒輪式；制動器形式為固定凸輪蹄式。選取該型號拖拉機作為主體主要原因是其具有良好的越野性能、通過性能和機動性能。該車型結構簡圖見圖1。

2 裝備車輛性能分析

2.1 越障條件分析

輪式車輛超越階狀障礙或垂直凸起障礙的性能主要由它所能克服的垂直障礙高度來評價[9]。在林區(qū)林道中行駛的車輛，常常會遇到較大的巖石或倒下的樹木，一旦這些障礙物超過了車輛的可跨越高度，車輛就無法通過。為了確定該車前輪可跨越障礙物的高度，進行了障礙條件計算。

多功能森林防火機動巡查滅火車輛所采用的驅動方式為后輪驅動（2WD）和四輪驅動（4WD）自由切換方式，操作者可以在行駛過程中根據(jù)地形以及行駛條件選擇合適的驅動方式。該研究主要探討該車在四輪驅動（4WD）狀態(tài)下所具有的障礙通過性能。

圖2所示為四輪驅動（4 WD）狀態(tài)下多功能森林防火機動巡查滅火車前輪越障時的受力分析圖。根據(jù)力矩平衡方程計算出該車所能越過階狀障礙物的高度值，從而幫助操作者在行駛過程中能安全通過障礙物。具體做法：首先對多功能森林防火機動巡查滅火車前輪超越階狀障礙物的瞬間（即前輪即將離地時）進行受力分析，后根據(jù)前輪的無因次表達式即可計算出該車輛的前輪越障高度。

2.2 越障高度計算

該研究中的多功能森林防火機動巡查滅火車參數(shù)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車裝備和裝載的影響，在一定范圍變化，并影響該車可跨越障礙物的h值，當系數(shù)μ分別為0.5和0.6時，相應的h-a變化曲線圖3所示。由圖3可知，該車在越野環(huán)境中行駛超越障礙物的能力很強。

因為多功能森林防火機動巡查滅火車的軸距和車輪直徑固定，所以重心高度對車輛的通過性能影響較小。另外該車體積小、質量輕，以操作者體重、裝備裝載的質量及其位置對該車重心位置影響較大，而且重心在水平方向上的前置對該車的越障能力影響也比較大。因此，為了更好地提高該車的越障能力，操作者在駕駛時應將重心位置后移，并且保持穩(wěn)定的車速行駛。該車進行裝備或載物時，參照圖3所示曲線，合理確定其位置及重量，使該車在行進過程中具有較高的越障能力。

3 裝備車輛結構改良

3.1 前置阻隔開帶設備的設計

在撲救森林火災中開隔離帶是一種十分有效的滅火方法，但由于開隔離帶需要大量的人力及時間易貽誤時機[10-11]。為了解決這一問題筆者在多功能森林機動巡查滅火車上設計了一種液壓的阻隔開帶設備。在充分對液壓連桿、液壓缸、泵及專用液壓油箱、阻隔開帶鏟等部件進行性能比較的基礎上，選擇性價比高、符合實際要求，且與車輛性能匹配，滿足推力大于4 500 N的實際需求，并對其液壓驅動及控制系統(tǒng)技術進行設計，使之最終與底盤相配套、且滿足需求的阻隔開帶配套設備。圖4所示為阻隔開帶裝置工作原理，圖5所示為阻隔開帶鏟設計。

3.2 滅火裝置設計與配置

為多功能森林防火機動巡查滅火車輛設計配置的滅火裝置結構如圖6所示。

首先是以水滅火系統(tǒng)：水是一種綠色環(huán)保型滅火劑，目前以水滅火還是許多發(fā)達國家首選的林火撲救方法。此車配備的以水滅火系統(tǒng)由350 L的水罐、WB30XH型消防水泵、雙位聯(lián)通閥和脈沖式消防水槍等組成，將其安裝在車頂及車身后部，在車身中部還配備一條80 m的滅火水龍帶，以備從近處水源地取水時使用。車上的脈沖式滅火水槍采用搖桿式控制，以計算機、電子控制、機電一體化以及高壓滅火原理技術為依托，對供水管路系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、高壓噴水裝置、轉動控制云臺以及操控顯示部件進行設計及研制。脈沖式滅火水槍是利用壓縮空氣產(chǎn)生的動能，以脈沖噴射的方式將水快速射出槍筒，再通過槍筒出口和空氣的2次沖擊后，將水瞬時霧化，以較大的初速度將水霧送出，實現(xiàn)快速滅火。其特點有以下幾個方面：①高效吸熱，降低火場溫度；②窒息作用，擠占氧氣空間；③沖擊作用，沖散可燃物。另外，節(jié)水是脈沖式滅火水槍的特點，每發(fā)射一槍用水量在1 L左右，該研究設計的多功能森林防火機動巡查滅火車水箱容積為350 L，也就是說在沒有后續(xù)水源的情況下，可以持續(xù)發(fā)射350次左右，以水滅火系統(tǒng)原理如圖7所示。

另外，多功能森林防火機動巡查滅火車還在適當?shù)奈恢门鋫淞耸止c火器、無線電通訊工具、鍬、斧頭、橡膠打火拍等工具，在實際的林區(qū)巡查過程中一旦發(fā)現(xiàn)起火點可以起到一定的滅火作用。

4 裝備滅火性能實驗分析

4.1 阻隔開帶裝置性能實驗分析

阻隔開帶功能可以大大減少撲火隊員的體力消耗，同時也可以減少開隔離帶的時間，延長火場蔓延的速度，為撲火作業(yè)爭取寶貴的時間。通過實驗得出：加裝的阻隔開帶裝置，利用液壓工作的原理，在工作時可以推力大于4 500 N，控制裝置可以隨時調(diào)整推土鏟的角度，使所開設的隔離帶達到預期的要求。

4.2 脈沖式消防水槍性能實驗分析

利用WB30XH型消防水泵對水罐加水，通過對脈沖式水槍加壓，讓水從槍管中以霧狀射出，水槍可實現(xiàn)連續(xù)發(fā)射和點射的功能，以節(jié)省滅火用水。采用WB30XH型消防水泵進行實驗，其流量為35 m3/h，揚程為17.3 m。通過實驗得出，脈沖式消防水槍水平射程大于25 m，噴射口初速度可達146 m/s，噴射出的水可直接撲滅高強度的地表火和樹冠火。

5 結語

該研究設計的多功能森林防火機動巡查滅火裝備設計了多種滅火方式，是一臺滅火能力強、機動性能和越野性能優(yōu)越的森林防火地面巡護與早期撲救設備，特別適合于我國林區(qū)，是切實貫徹“打早、打小、打了”森林滅火方針，維護林業(yè)可持續(xù)發(fā)展強有力的防火及滅火裝備，應積極推廣應用。

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