陳曉龍，李海波，吳乃紅

（水利部機電研究所，天津 301900）

0 引言

我國各種災(zāi)害、事故發(fā)生頻繁，而且發(fā)生在夜間的幾率較高，應(yīng)急照明設(shè)備對夜間的搶險救援工作起到至關(guān)重要的作用。目前市場上的各種應(yīng)急照明設(shè)備較多，但缺乏能夠提供大范圍、高亮度的照明，并且適應(yīng)災(zāi)害、事故現(xiàn)場復(fù)雜多變的情況且輕便快捷、機動靈活的專業(yè)應(yīng)急照明裝備。本文設(shè)計一種以液壓機械臂作為照明燈組的支撐，能夠?qū)⒐庠磁e升到一定高度，并且能夠靈活調(diào)節(jié)高度和角度，實現(xiàn)大范圍、高亮度照明效果的專業(yè)應(yīng)急高空照明車。

1 應(yīng)急照明裝置的發(fā)展?fàn)顩r

目前國內(nèi)應(yīng)急照明裝置品種繁多，歸納起來，主要有以下類型和特點：

（1）建筑行業(yè)的消防應(yīng)急照明裝置獨立成系統(tǒng)。GB 50016-2018《建筑設(shè)計防火規(guī)范》對建筑物消防應(yīng)急照明設(shè)置及照明要求有明確規(guī)定。消防應(yīng)急照明系統(tǒng)對火災(zāi)現(xiàn)場人員的安全疏散和消防員安全有著重要作用，該系統(tǒng)包括應(yīng)急電源、應(yīng)急照明配電箱、應(yīng)急照明燈具和應(yīng)急照明控制器。

（2）工程應(yīng)急搶險用的照明燈具。這類照明燈具大多選用功率為1 000～4 000 W的氣體放電燈，其缺點是能耗高、壽命短、運行溫度高。LED等新型光源還沒有普遍應(yīng)用到應(yīng)急照明裝置上。

（3）手提式強光巡視照明燈。這種照明燈優(yōu)點是體積小、便于攜帶，缺點是其強光照明只是相對于傳統(tǒng)的普通手電而言的強光，總的光通量有限。用于船舶、部隊、電力、冶金等行業(yè)工作人員現(xiàn)場移動照明使用，同時也可以用于鐵路，航運以及其他交通運輸作為信號燈和安全指示燈使用。

（4）簡易移動照明裝置。這類燈具在市場上非常多見，大多由車架、發(fā)電機、燈桿、燈具、行走輪及萬向輪組成，能夠進行人工拖拽移動。燈桿一般采用氣動伸縮式和機械升降式，高度一般可在2～6 m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，燈具也可進行旋轉(zhuǎn)和上下調(diào)節(jié)，能夠提供一定范圍內(nèi)的照明需求，適合應(yīng)急施工作業(yè)。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用，缺點是采用傳統(tǒng)鹵素?zé)纛^，耗能不環(huán)保，提供的照明范圍有限。

（5）多功能組合式應(yīng)急搶險車輛。有些消防應(yīng)急救援車和應(yīng)急電源車，安裝有應(yīng)急照明裝置，這類車輛是集應(yīng)急供電、起吊、滅火、救援工器具儲存、照明等多功能為一體的車輛，照明只是其中附屬功能。從提供照明角度看，其缺點是車輛噸位大、不靈活，照明裝置的照明范圍有限且調(diào)節(jié)不靈活，燈具采用傳統(tǒng)鹵素?zé)簟?/p>

2 設(shè)計思路

本文提出研制一種適用于防汛搶險、事故應(yīng)急救援、工程施工、野外作業(yè)等復(fù)雜現(xiàn)場情況，可提供大范圍、高亮度、持續(xù)性的照明光源，能夠在復(fù)雜多變的氣象條件下作業(yè)，具有抗風(fēng)雨能力和防雷接地裝置。設(shè)計思路:

（1）為滿足應(yīng)急場所現(xiàn)場復(fù)雜路況，車底盤采用小噸位貨車底盤，具有一定的通過性，達(dá)到機動靈活，響應(yīng)速度快的目的。

（2）為達(dá)到高亮度的照明需求，采用由多燈頭組合成燈組的設(shè)計，提供足夠的光通量，滿足照度需求；燈具光源采用新型綠色光源（例如LED），達(dá)到低碳、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)；燈組可實現(xiàn)智能控制。

（3）為達(dá)到大范圍的照明需求，需要將光源舉升到一定的高度，采用液壓機械折疊臂或伸縮臂的方式作為燈組的支撐，機械臂能夠靈活回轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)燈組的高度和角度，機械臂在回收狀態(tài)下能夠臥在車廂內(nèi)；照明范圍按距離燈組200 m直徑100 m范圍內(nèi)滿足施工作業(yè)的照明要求設(shè)計。

（4）為保證燈組供電可靠性，采用雙路電源進線方式，可由發(fā)電機或市電兩種方式提供電源，保證供電可靠性，同時具有漏電保護和防雷接地措施。

3 結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計實現(xiàn)

3.1 整體結(jié)構(gòu)組成

高空照明車整體主要由照明燈組、電氣控制系統(tǒng)車輛底盤、液壓機械臂、發(fā)電機、支腿和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 高空照明車整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 照明燈組

照明燈組主要由光源和平面基板構(gòu)成。光源選用新型COB（Chip On Board）光源，COB是將多個LED芯片呈矩形陣列或圓形陣列封裝在一個平面基板上，具有發(fā)光面積小、中心光強、無光斑的特點。本方案采用圓形COB芯片為直徑30 mm，鋁基板整體厚度為1.0 mm，絕緣層厚度50 μm，功率300 W，壽命50 000 h。COB光源具有高光通量、高光密度、大功率更具穿透力、射程遠(yuǎn)、易配光的優(yōu)點，是低碳節(jié)能綠色光源。芯片外觀如圖2 所示。

圖2 COB芯片外觀圖

散熱問題是大功率COB芯片要解決的關(guān)鍵問題，LED芯片平放安裝在鋁合金翅片散熱器的基板上，熱量由芯片傳導(dǎo)到鋁基板，最后傳導(dǎo)到散熱器上。翅片與散熱器基板通過導(dǎo)熱筋過渡連接，利用“煙囪效應(yīng)”合理設(shè)置空氣通道，增強散熱器自然對流強度。

燈具采用鋁合金反光罩，反光罩內(nèi)表面通過陽極氧化獲得較高的反射率，為COB光源提供較高的光提取效率；采用水晶玻璃透鏡配光，具有透光率高、耐高溫、壽命長的優(yōu)點。燈具采用硅橡膠密封材料，電源配有防水接頭，燈具整體防護等級達(dá)IP67。光源通過透鏡和反光罩可改變投射角度。

燈組由9盞300 W燈具及框架組成，呈矩形陣列燈組安裝架采用高強度鋁合金焊接，框架底部安裝板與車輛機械臂端部平臺通過螺栓連接。

3.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用電力載波技術(shù)將控制信號加載到燈組供電電源線上，無需單獨敷設(shè)控制電纜，減少故障率，提高可靠性；控制系統(tǒng)采用模塊化集成芯片，對燈組的功率和開斷組合控制，控制方式采用有線和無線雙通道，可實現(xiàn)燈具的單獨和整體的開斷控制、明暗調(diào)節(jié)、適應(yīng)工況需求。電源采用發(fā)電機或市電兩種供電方式，有雙電源互投開關(guān)，市電作為優(yōu)先使用的主電源，發(fā)電機為備用電源，兩路電源可自動/手動切換，同時配電箱裝有漏電保護器和車體配備防雷接地裝置。

3.4 液壓機械臂

液壓機械臂的作用是托舉照明燈組，同時具有伸縮和旋轉(zhuǎn)功能，可將燈組舉升到一定高度，同時可靈活調(diào)節(jié)照明角度。機械臂采用液壓驅(qū)動，由2節(jié)折疊臂和5節(jié)伸縮臂組成，材質(zhì)為汽車結(jié)構(gòu)用高強度鋼材，截面為五邊形的箱型結(jié)構(gòu)，最大臂展為18 m，內(nèi)側(cè)伸縮臂由一根伸縮油缸及多根鋼絲繩共同驅(qū)動，臂架由變幅油缸控制升降和變幅。機械臂底部有臂架回轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)180°回轉(zhuǎn)，頂部燈架平臺可實現(xiàn)水平360°回轉(zhuǎn)，仰俯角調(diào)節(jié)角度范圍為100°。

3.5 車輛底盤

根據(jù)機械臂的整備質(zhì)量選取6 t貨車二類底盤（二類底盤一般指未安裝車廂而其它裝置齊全的底盤），其特點是通過性強、輕便快捷、機動靈活。液壓系統(tǒng)的動力由安裝在汽車變速箱取力口上的取力器輸出，直接驅(qū)動油泵。液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、過濾器、油泵、壓力表、換向閥、液壓油缸和液壓馬達(dá)組成。

3.6 支腿和回轉(zhuǎn)機構(gòu)

支腿的作用是將作業(yè)車輛支起并調(diào)平，對照明車在作業(yè)狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。車輛支腿分為前、后兩組，支腿形式為H型，可橫向伸縮。水平支腿和垂直支腿均為箱形截面的焊接結(jié)構(gòu)，由內(nèi)、外筒組成。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)由轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)驅(qū)動總成和回轉(zhuǎn)支承組成，回轉(zhuǎn)支承通過液壓馬達(dá)帶動減速機傳動小齒輪在回轉(zhuǎn)支承外齒圈上滾動，帶動轉(zhuǎn)臺及臂架旋轉(zhuǎn)。

4 關(guān)鍵問題的解決

4.1 安全自動保護系統(tǒng)

照明車在正常作業(yè)過程中，可能會偶然發(fā)生發(fā)動機故障性熄火，若短時間內(nèi)無法使發(fā)動機正常工作，可使用電動應(yīng)急泵。液壓系統(tǒng)中裝有電動應(yīng)急泵，它通過底盤電瓶驅(qū)動直流電機再帶動與之相連的油泵輸出壓力油，這時可及時回收臂架，保證安全。

支腿裝置設(shè)有虛腿報警傳感器，可有效保障作業(yè)安全。照明車在作業(yè)過程中，四條垂直支腿必須可靠支撐，當(dāng)其中一條支腿支撐力降為零時，即為虛腿，這時警示燈閃爍、蜂鳴器報警，必須正確調(diào)整上裝姿態(tài)，使支腿重新獲得支撐力，報警才可解除，進入正常工作狀態(tài)。

車輛的伸縮、變幅、從動調(diào)平油缸上均裝有平衡閥，垂直支腿油缸上裝有雙向液壓鎖，二者可有效杜絕因管路意外破裂而造成的缸桿急速回縮的危險狀態(tài)。

4.2 高空作業(yè)穩(wěn)定性校核

照明燈組能夠通過機械臂舉升到十幾米的高度進行照明作業(yè)，穩(wěn)定性是高空作業(yè)車輛的重要安全指標(biāo)，在高空作業(yè)時，必須保證臂架在預(yù)先設(shè)定的安全工作范圍內(nèi)運動，以確保在任何作業(yè)工況下，車輛不會傾翻。

保證高空作業(yè)車具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性，是高空作業(yè)車輛設(shè)計中最關(guān)鍵和重要的內(nèi)容。本設(shè)計最主要的分析方法是力矩法。其基本原則是：在工作狀態(tài)下，風(fēng)荷載（按8級風(fēng)計算）、慣性力和額定荷載（燈組重量按200 kg×9.8 N/kg計算）對傾覆線求力矩，稱為傾覆力矩；高空照明車自身結(jié)構(gòu)重量相對傾覆線求力矩，稱為穩(wěn)定力矩，傾覆力矩不能大于穩(wěn)定力矩的90%，視為安全。受力分析示意圖如圖3所示。

圖3 車輛整體受力示意分析圖

高空照明車的4個支腿最底端與地面接觸點的連線構(gòu)成車輛的傾覆線，工作狀態(tài)時支腿將車輛支起離開地面。當(dāng)伸縮臂中線與傾覆線垂直，且處于最大幅度工況時，高空照明車的穩(wěn)定性最差，為危險工況。分別是伸縮臂在后方、伸縮臂在前方和伸縮臂在側(cè)方三種姿態(tài)且伸出幅度最大時為最危險工況，對三種最危險工況進行校核計算。經(jīng)代入車輛參數(shù)計算程序，穩(wěn)定力矩，Mdw＞Mdq，且Mdq/Mdw＜90%，滿足作業(yè)穩(wěn)定性需求。

4.3 防雷接地措施

高空照明車伸縮臂展開高度達(dá)10 m多，在雷雨天氣條件下進行應(yīng)急搶險作業(yè)必須考慮車輛整體防雷接地問題。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，車輛采取的防雷接地措施為：車輛電源配電箱內(nèi)在開關(guān)電源側(cè)與外殼之間裝設(shè)過電壓保護器，對電源系統(tǒng)進行防雷保護；在車的主梁位置（車頭后部）兩側(cè)焊接40 mm×70 mm×6 mm的接地端子，主梁與車體、機械臂等均為金屬連接，能夠有效的實現(xiàn)電氣導(dǎo)通。采用25 mm2攜帶型短路接地線制作兩根長度分別10 m和20 m的短路接地線，兩端配有接地端子，該接地線采用多股軟質(zhì)細(xì)銅線絞編而成，外覆柔軟、耐寒耐高溫的透明絕緣護層，接地針采用Φ16 mm×800 mm的鋼釬，使用時接地針插入土地中形成良好接地，接地針上的接地端子和車體主梁上的接地端子與短路接地線的端子用螺栓可靠連接，實現(xiàn)車輛整體可靠接地。

5 現(xiàn)場測試及應(yīng)用

高空照明車在道路、體育場、河道等場所進行了夜間照明效果測試，經(jīng)過現(xiàn)場多點測試和計算，測試情況為：照射強度在距離燈組100 m，直徑150 m范圍平均照度42 Lux，最大照度240 Lux；照射強度在距離燈組200 m，100 m直徑范圍平均照度12 Lux，最大照度117 Lux。從現(xiàn)場試驗效果及測試數(shù)據(jù)判斷，滿足應(yīng)急搶險施工作業(yè)的照明需求?，F(xiàn)場測試情況如圖4所示。

圖4 照明效果現(xiàn)場測試

2019～2020年防汛期間，該型應(yīng)急搶險高空照明車為某水電站的水工建筑物和渠道的夜間巡查工作發(fā)揮了重要作用。擴大了巡查范圍，解決了以往巡查中由于照明不足而影響巡查效果的環(huán)節(jié)，為巡查人員提供了新的技術(shù)手段，提高了巡查能力。應(yīng)用現(xiàn)場情況如圖5所示。

圖5 應(yīng)用現(xiàn)場情況

該產(chǎn)品能夠滿足水利、公路、鐵路、電力等復(fù)雜的工程現(xiàn)場，以及體育場館、廣場、機場、碼頭、景區(qū)等大型公共場所的應(yīng)急照明需求。適合應(yīng)急搶險救援、工程施工、事故處理、大型集會等工況。隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，該種照明車將會在各種照明需求的場所起著關(guān)鍵的作用。