徐艾青，薛 濤，李鳳斌，梁江富

（湖北三六一一應(yīng)急裝備有限公司，武漢 430000）

城市高層供水主戰(zhàn)壓縮式空氣消防車（以下簡(jiǎn)稱壓縮空氣消防車）主要用于城市消防滅火，具有高效泡沫滅火、搶險(xiǎn)救援、火場(chǎng)照明和水罐泵浦4大功能?？捎糜诔鞘谢馂?zāi)中高層供水，也可用于城市街道社區(qū)等狹小區(qū)域的火災(zāi)撲救。該城市高層供水主戰(zhàn)壓縮式空氣消防車采用斷軸式取力器取力，驅(qū)動(dòng)高壓水泵和壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，高壓工作模式下可將水從地面輸送至城市高層，撲滅高層火災(zāi)，常壓工作模式下可輸出壓縮空氣泡沫滅火混合液或B類泡沫混合液，撲滅A類和B類火災(zāi)。

1 主要技術(shù)參數(shù)及要求

城市高層供水主戰(zhàn)壓縮式空氣消防車主要用于城市消防滅火，水泵為高低壓轉(zhuǎn)換離心式水泵，具備低壓大流量供水和高壓高層供水模式?？奢敵龈邏杭兯駽AFS A或B類泡沫，用于撲滅高層和任何A和B類火災(zāi)。

消防泵常壓流量為100 L/s；消防泵常壓壓力為1.0 MPa。

消防泵高壓流量為20 L/s；消防泵高壓壓力為4.0 MPa。

供水高度大于等于200 m。

壓縮空氣系統(tǒng)額定供氣量為100 L/s；額定供氣壓力為0.85 MPa。

消防炮額定流量為80 L/s。

水罐容積為4 800 L；A類泡沫罐容積為300 L；B類泡沫罐容積為700 L。

升降照明燈功率為4×1 000 W；升降照明燈離地高度為7 m。

2 設(shè)計(jì)方案

該消防車主要是采用壓縮空氣的方式噴射A、B類泡沫混合液，主要用于大型A、B類火災(zāi)和高層供水，200 m以上高層供水；泡沫混合比例0.1%~3.0%，相對(duì)于普通泡沫消防車具有用水、泡沫量少、泡沫滅火滲透力強(qiáng)、復(fù)燃性小和滅火效率高的特點(diǎn)。

為滿足城市高層供水主戰(zhàn)壓縮式空氣消防車的功能需要和性能要求，采用的設(shè)計(jì)方案是：①根據(jù)整車的載重量、外形尺寸及消防泵功率要求，選用18 t 4×2型汽車底盤，底盤功率大于等于245 kW；②設(shè)計(jì)整體副車架，通過(guò)螺栓固定于汽車底盤上，通過(guò)彈性支撐連接罐體，滿足汽車底盤的連接，滿足罐體及上裝部分的承載要求；③汽車變速箱輸出的第一根傳動(dòng)軸中間位置加裝斷軸取力器，取力器驅(qū)動(dòng)上裝傳動(dòng)軸為高壓水泵和壓縮空氣泡沫系統(tǒng)提供動(dòng)力；④按作業(yè)功能需求設(shè)計(jì)，布置器材箱、罐體、泵房及管路系統(tǒng)等；⑤斷軸取力器和水泵集成一體化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械傳動(dòng)效率，合理優(yōu)化管路，減少阻力，提升系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性；⑥后器材箱采用鋁合金無(wú)骨架拼接結(jié)構(gòu)，整體無(wú)焊接位置，避免了焊接變形。

該壓縮空氣消防車在底盤大梁上布置整體副大梁，駕駛室后部布置泵房，泵房左側(cè)布置操作面板，泵房?jī)蓚?cè)布置消防泵進(jìn)、出水管路，泵房?jī)?nèi)部集成斷軸取力器和壓縮空氣泡沫消防，泵房后部布置罐體，罐體兩側(cè)布置前器材箱，罐體后部布置后器材箱，上裝頂部布置吸水管翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

高層供水主戰(zhàn)壓縮式空氣消防車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高層供水主戰(zhàn)壓縮式空氣消防車結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 斷軸取力器和壓縮空氣泡沫系統(tǒng)

斷軸取力器和壓縮空氣泡沫系統(tǒng)由斷軸取力器、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速傳感器及壓縮空氣泡沫系統(tǒng)等組成。

采用斷軸取力器，提高傳動(dòng)效率。經(jīng)過(guò)水泵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試，常規(guī)的取力方式（夾心取力）只能提取發(fā)動(dòng)機(jī)約60%左右的功率，在滿足高機(jī)動(dòng)性的前提下，底盤軸距受限，導(dǎo)致底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率受限，從而影響消防泵的輸入功率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法，對(duì)照水泵工作曲線，每縮短1根傳動(dòng)軸，傳動(dòng)效率提高2%~4%，采用減少傳動(dòng)距離的方式提高傳動(dòng)效率，采用斷軸取力器，取力器直接與底盤傳動(dòng)軸相連，發(fā)動(dòng)機(jī)一軸傳導(dǎo)扭矩到第一根傳動(dòng)軸，斷軸取力器直接安裝在第一根傳動(dòng)軸中間，功率損失極少，取力器與水泵集成在一起，取力器直接與水泵輸入軸相連，除去取力器自身效率，幾乎沒(méi)有功率損失；采用斷軸取力器取力，可在有限的發(fā)動(dòng)機(jī)功率下，最大限度輸出功率，從而使水泵實(shí)現(xiàn)各種工況。

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)由消防泵、空氣壓縮機(jī)、泡沫泵、流量計(jì)、低液位傳感器、泡沫比例混合器及閥門等組成；斷軸取力器為壓縮空氣泡沫系統(tǒng)提供動(dòng)力。增加斷軸取力器后，水泵在工作過(guò)程中，由于車輛未行走，底盤變速箱一軸轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)對(duì)底盤主電路產(chǎn)生錯(cuò)誤的反饋，導(dǎo)致底盤故障。根據(jù)變速箱結(jié)構(gòu)原理，可以將傳導(dǎo)信號(hào)源修正，解決誤報(bào)警問(wèn)題，同時(shí)將轉(zhuǎn)速傳感器安裝于斷軸取力器后部，避免消防泵工作時(shí)車輛計(jì)算行駛里程出現(xiàn)誤差。

選用多級(jí)泵，具備大流量常壓工況和小流量高壓工況，在滿足消防泵軸功率的情況下，使城市高層供水壓縮空氣主戰(zhàn)消防車同時(shí)具備大流量供水和高層供水的功能，消防泵設(shè)置常壓和高壓2種模式，切換為高壓模式，泵輸出流量20 L/s，輸出壓力4.0 MPa，可實(shí)現(xiàn)200 m以上高層供水；切換為常壓模式，泵輸出流量100 L/s，輸出壓力1.0 MPa。

在消防泵常壓模式下，啟動(dòng)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，消防泵為系統(tǒng)提供滅火介質(zhì)水，流量計(jì)測(cè)試水流量同時(shí)反饋給泡沫比例混合器，泡沫比例混合器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的混合比控制泡沫泵轉(zhuǎn)速，使水和泡沫始終按預(yù)先設(shè)定的比例進(jìn)入系統(tǒng)，同時(shí)空氣壓縮機(jī)將大量空氣注入系統(tǒng)，水、泡沫和空氣共同作用，產(chǎn)生大量泡沫滅火混合液。

閥門上的控制裝置可根據(jù)預(yù)選設(shè)定的“干泡沫”或“濕泡沫”狀態(tài)，自動(dòng)控制閥門開(kāi)度，調(diào)節(jié)滅火混合液中水的占比。

3.2 泵房和管路系統(tǒng)

泵房和管路系統(tǒng)由泵房框架、控制面板、管路系統(tǒng)和消防炮等組成。泵房采用整體鋁框架結(jié)構(gòu)，控制面板集成在泵房框架左側(cè)；管路系統(tǒng)由B類泡沫管路、A類泡沫管路系統(tǒng)、消防泵進(jìn)水管路和消防泵出水管路、消防炮管路等組成。管路采用軟管、硬管和哈弗接頭等多種連接方式，管路上設(shè)置可顯示出口壓力、進(jìn)口真空度的多種傳感器，安裝管路沖洗裝置，管路排空裝置，實(shí)現(xiàn)管路沖洗和排空功能。

3.3 整體副車架

整體副車架采用整體貫通式副梁結(jié)構(gòu)，副梁上的安裝支座上連輔梁，下連汽車大梁，彈性支撐連接罐體，整體式副車架前后貫穿整個(gè)上裝，既保證了柔性連接又保證了強(qiáng)度。

3.4 罐體

罐體由水罐、A類泡沫罐和B類泡沫罐組成。罐體整體為品字形結(jié)構(gòu)，前部?jī)蓚?cè)為前器材箱留夠空間，A類泡沫罐、B類泡沫罐根據(jù)容積狀況，制作成獨(dú)立罐體，嵌入進(jìn)水罐。罐體采用不銹鋼材質(zhì)，采用氬弧焊焊接方式，避免罐體變形。

3.5 后器材箱

后器材箱由器材箱框架、發(fā)電機(jī)、升降照明燈和器材附件等組成。器材箱框架采用鋁合金無(wú)骨架結(jié)構(gòu)，整體無(wú)焊接位置，避免了焊接變形；所有部件均為鋁板折彎，通過(guò)三維設(shè)計(jì)，所有鋁板下料時(shí)，均采用激光切割機(jī)將折彎后的安裝孔切出，器材箱框架全部由螺栓連接，整體無(wú)焊接位置，環(huán)保，高效。

后器材箱內(nèi)配備10 kW汽油發(fā)電機(jī)組和升降照明燈組，升降照明燈組從底盤取氣，多節(jié)氣動(dòng)升降燈桿將云臺(tái)上照明燈舉升到離地7 m高度，發(fā)電機(jī)組為照明燈提供電力，方便車輛夜間作業(yè)。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 整車軸荷、輪荷與質(zhì)心計(jì)算

坐標(biāo)系：以整車一軸中心與地面的接觸中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以車尾方向?yàn)閄坐標(biāo)正向，右側(cè)寬度方向?yàn)閅坐標(biāo)正向，高度向上車廂地板為Z坐標(biāo)正向。

根據(jù)內(nèi)外布局情況，對(duì)車廂及主要上裝設(shè)備重量和質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行核計(jì)，計(jì)算內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 整車及裝置設(shè)備重量和質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算表

4.1.1 質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

4.1.2 軸荷比計(jì)算

4.1.3 軸荷分布計(jì)算

最大總質(zhì)量分布在前軸的載荷為N1=Gm-N2=5 405.211（kg）。

4.1.4 質(zhì)心位置計(jì)算

由以上計(jì)算可得

最大總質(zhì)量：Gm=16 352＜18 000 kg。

最大總質(zhì)量分布在后軸的載荷為N2=10 946.789＜11 500 kg。

最大總質(zhì)量分布在前軸的載荷為N1=5 405.211＜7 100 kg。符合GB 1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中車輛的最大允許軸荷限制的要求及底盤質(zhì)量分布的要求。

4.2 整車行駛安全性計(jì)算

4.2.1 縱向上坡時(shí)的穩(wěn)定性

依據(jù)要求，行駛最大坡度大于等于30%（16.7°）的要求。

式中：L為單前軸與后軸的中心距；Lnk為最大質(zhì)量時(shí)整車距前橋距離；Hxk為最大質(zhì)量時(shí)整車質(zhì)心偏移。

綜上計(jì)算證明，車輛的穩(wěn)定性滿足車輛安全形式的要求。

4.2.2 縱向下坡制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性

式中：Lnm為最大總質(zhì)量時(shí)整車距前橋距離，mm；φ為道路附著系數(shù)，取φ=0.7；Hxm為最大總質(zhì)量時(shí)整車質(zhì)心偏移

故該車在下坡制動(dòng)時(shí)，在縱向前翻前不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪打滑現(xiàn)象，具有良好的下坡制動(dòng)穩(wěn)定性。

4.2.3 橫向穩(wěn)定性

本車應(yīng)滿足使用性能中靜態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定角大于等于23°的要求。

汽車在橫坡上作直線行駛的橫向側(cè)翻穩(wěn)定性，滿足行駛安全性的要求為

式中：B為后橋最外車2個(gè)輪胎中心距離，B=2 102 mm；Hxm為最大總質(zhì)量時(shí)整車質(zhì)心高度。

由上述計(jì)算可知，該車在整車布置上滿足主要使用性能中對(duì)整車滿載時(shí)橫向穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）綜上分析，結(jié)構(gòu)部件及各分系統(tǒng)可以滿足車輛各項(xiàng)指標(biāo)要求。

2）車輛穩(wěn)定性符合國(guó)標(biāo)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求。