摘要：消防救援人員在野外火災(zāi)、自然災(zāi)害救援時，會面臨物資裝備快速、安全運(yùn)送難題。為解決這一難題，設(shè)計并研發(fā)了一種電助力兩輪運(yùn)輸車。該運(yùn)輸車具有可折疊、重量輕的特性，在復(fù)雜路況或無道路環(huán)境下通過性好、系統(tǒng)穩(wěn)定，可供消防員在野外環(huán)境中單人操控使用。

關(guān)鍵詞：消防；電助力；兩輪；運(yùn)輸車

中圖分類號：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0016-03

0 引言

在野外開展森林火災(zāi)撲救以及地震、泥石流、洪澇等自然災(zāi)害救援時，由于災(zāi)害導(dǎo)致救援現(xiàn)場末端道路不通或者損毀，大型運(yùn)輸車輛往往無法直接抵達(dá)災(zāi)害救援現(xiàn)場，救援人員只能依靠人力或其他小型運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)送相關(guān)救援物資和裝備。在這種復(fù)雜多變的環(huán)境下，如何能迅速、方便地將救援物資和裝備送達(dá)災(zāi)害救援現(xiàn)場，成為消防救援人員亟待解決的難題?；诖耍疚脑O(shè)計并研發(fā)了一種消防救援專用的電助力兩輪運(yùn)輸車，具有可折疊、重量輕、復(fù)雜路況下通過性好、系統(tǒng)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，可由單人操控輔助運(yùn)送物資，既保證了運(yùn)輸過程中的安全性，又節(jié)省了消防救援人員的體力。

1 消防救援用電助力兩輪運(yùn)輸車設(shè)計

1.1" 總體設(shè)計

針對消防員在野外處置山火和自然災(zāi)害時面臨的物資運(yùn)輸需求，消防救援用運(yùn)輸車在設(shè)計上需考慮適用于消防野外救援場景的便攜性（重量、體積）、通過性（爬坡、越障、涉水）、操控性（單人使用）、防火性（耐高溫環(huán)境）等主要特性。為實(shí)現(xiàn)以上功能，達(dá)到消防野外使用的目標(biāo)，通過以下方式進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)：

1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，車體框架能夠進(jìn)行兩次折疊并可將兩輪快速拆裝分離，既可以減少長途隨車運(yùn)輸過程中所占的空間，又可快速安裝成車。同時采用高強(qiáng)度、低密度的車體材料，如鋁合金、碳纖維等，減輕整車重量。

2）該運(yùn)輸車在動力設(shè)計上采用小型高扭矩的輪轂電機(jī)，并配備公路、草地、沙地等多種類型輪胎，提升越障能力與不同救援環(huán)境的適應(yīng)性。同時輪轂驅(qū)動、動力系統(tǒng)和操控系統(tǒng)均采用防水設(shè)計，提升涉水性能與整車防水性能。

3）在控制系統(tǒng)上采用陀螺儀+加速度儀感知車體狀態(tài)，通過傳感器感知行進(jìn)速度與傾斜角度，并以高性能處理芯片作為處理單元的全數(shù)字控制方式，自動輔助調(diào)節(jié)車速與輪速差，減少人員手動調(diào)節(jié)，并增強(qiáng)使用安全。

4）所有電子器件和線路均采用準(zhǔn)軍用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，能耐105℃高溫，同時關(guān)鍵部件采用隔熱設(shè)計、非金屬材料采用阻燃材料，進(jìn)行阻燃、隔熱處理，進(jìn)一步提升整機(jī)耐環(huán)境溫度性能與防火性。

基于以上設(shè)計，整車系統(tǒng)由主體框架、輪胎與電機(jī)、供電電池、驅(qū)動及控制系統(tǒng)組成，見圖1。

整車可快速分解為3部分，左輪（含懸掛減震）、右輪（含懸掛減震）、主體框架。拆裝時單人即可完成操作，分解或組裝時間小于10min。

在組拆解態(tài)下，車架、電池及控制艙可翻折，進(jìn)一步減小其體積，同時左右兩個車輪也可進(jìn)行快速拆卸，見圖2。

1.2" 車架與控制設(shè)計

主體框架采用高強(qiáng)度鋁合金、碳纖維、工程塑料共同組合構(gòu)成，其中高強(qiáng)度鋁合金保證車體的強(qiáng)度，在承載重物以及越野震動時不易變形；在與人體接觸的相關(guān)部位使用碳纖維以及工程塑料，具有減震功能，既降低整體車重，又提高人機(jī)協(xié)同性。

主體框架由3部分組成，分別是牽引部、支撐部、電池及控制艙，見圖3。

1.3" 動力部分設(shè)計

動力部分主要由輪轂電機(jī)以及輪胎構(gòu)成。兩輪轂電機(jī)與懸掛減震部分連接，安裝在車體兩側(cè)。懸掛部分與車體之間有快速組裝與分解裝置，見圖1、圖2。

配備的兩個電機(jī)可獨(dú)立控制，通過電子差速器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車原地掉頭、轉(zhuǎn)彎。同時根據(jù)地形不同可配置14寸、16寸等不同尺寸輪轂以及草地、公路、沙地等不同類型外胎，以適應(yīng)在不同救援環(huán)境中的越障需求。

為滿足兩輪運(yùn)輸車所具備的越野越障功能，采用的電機(jī)具有IP57級的防護(hù)能力，具有短途涉水功能。電機(jī)內(nèi)部安裝有光學(xué)傳感器，可實(shí)時監(jiān)控反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度等特性。同時，電機(jī)內(nèi)設(shè)有抱閘系統(tǒng)，可防止駐坡時溜坡。

1.4" 動力驅(qū)動與控制系統(tǒng)設(shè)計

為了提高車輛內(nèi)部空間利用率、減少裝備體積，設(shè)計時通過分層、分區(qū)域優(yōu)化，集成驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

驅(qū)動與控制電路整體封裝在外形為220mm×85mm的屏蔽盒中，安裝在電池與控制艙內(nèi)部。屏蔽盒內(nèi)部電路均噴涂三防漆，且外部屏蔽盒做密封處理，線纜連接處均使用防水接頭，具有IP68防護(hù)等級。

1.4.1" 動力驅(qū)動電路設(shè)計

為滿足電機(jī)的驅(qū)動力，動力驅(qū)動電路需要與電機(jī)完全適配，為電機(jī)極限工作提供可靠的能源輸入，同時兼顧可靠性與散熱性。具體設(shè)計如下。

1）通過電路分層、不同功能電路分區(qū)域等電路排版布線方式，將驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行集成化設(shè)計，提高車輛內(nèi)部空間利用率，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計。

2）通過良好的信號接地、供電電源接地設(shè)計，在關(guān)鍵位置增設(shè)屏蔽網(wǎng)，做好電路的電磁屏蔽體系，防止驅(qū)動電路信號泄露造成干擾；同時防止外部復(fù)雜電磁環(huán)境對驅(qū)動電路進(jìn)行干擾。

3）在高功耗電子元器件處加裝金屬散熱片，在散熱片與高功耗電子元器件之間填充導(dǎo)熱硅脂，確保散熱良好，防止溫度過高造成芯片失效，以及長時間高溫導(dǎo)致芯片使用壽命縮短。

4）驅(qū)動電路由全固態(tài)芯片組裝而成。所選用的芯片級別均達(dá)到車規(guī)級以上標(biāo)準(zhǔn)，部分關(guān)鍵芯片選用軍用級，提高整體電路的可靠性和壽命。

1.4.2" 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用高性能芯片控制[1]，通過讀取陀螺儀和加速度計傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合測算出車輛的當(dāng)前姿態(tài)和速度。根據(jù)不同的姿態(tài)和速度對應(yīng)的輸出電機(jī)控制信號，對電機(jī)進(jìn)行有效控制，調(diào)整運(yùn)輸車的運(yùn)動，控制系統(tǒng)原理見圖4。

車輛的系統(tǒng)控制算法采用經(jīng)典的PID控制方式。PID控制方式[2]已在兩輪電動滑車上成熟應(yīng)用，控制框架結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性較強(qiáng)，可保證控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定的閉環(huán)控制，減少控制誤差。

通過加速度計實(shí)時感知車身速度，并據(jù)此自動調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速[3]，減少車輛與人體之間因阻力或過大推力產(chǎn)生的不適感，降低使用時對車輛速度的手動干預(yù)。同時，通過陀螺儀對車身角度的感知，控制系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)兩個車輪的轉(zhuǎn)速差，提高車輛在坡地環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性。

1.4.3" 電源管理與電池設(shè)計

車輛的電源管理采用電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對電池的電壓、充放電電流、溫度、剩余電量與電池壽命進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時具備過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)等功能，可對電池組進(jìn)行有效管理，提升動力電池的安全性與使用壽命。在電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計上，采用模塊化設(shè)計，構(gòu)建了包含主控單元、從控單元和通信接口的分層結(jié)構(gòu)；狀態(tài)監(jiān)控上，采用高精度電壓采集電路、雙向電流監(jiān)測和多點(diǎn)溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能更加精準(zhǔn)、快速檢測到電池組的工作狀態(tài)與異常，及時調(diào)整電池組的充、放電策略，保障電池組的使用安全。

車輛的動力電池采用安全可靠性更高的磷酸鐵鋰電池組，相較于其他類型電池，磷酸鐵鋰電池成本更低、熱穩(wěn)定性更好，在高溫環(huán)境下不易分解，熱失控風(fēng)險低于三元鋰電池等其他電池。此外，電池充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)2000～5000次，能夠滿足運(yùn)輸車長期充放電使用的需求。

2 性能測試

2.1" 峰值扭矩測試

采用高精度扭矩傳感器，將其安裝在電機(jī)與負(fù)載之間，利用負(fù)載模擬最大負(fù)載以及爬坡所需的牽引力。測試時，先進(jìn)行空載測試，后逐步給電機(jī)增加機(jī)械負(fù)載，增加過程平穩(wěn)緩慢，記錄電機(jī)在不同負(fù)載下的扭矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載增加到一定程度后，扭矩數(shù)值不再上升，而轉(zhuǎn)速急劇下降，則該值為峰值扭矩。

2.2" 最大轉(zhuǎn)速測試

通過電機(jī)內(nèi)置光電傳感器，配合測試軟件，可直接讀取電機(jī)在最大負(fù)載、坡地測試中的最大轉(zhuǎn)速。

2.3" 爬坡越野性能測試

在測試車輛爬坡性能、續(xù)航性能時，參考《軍用越野汽車設(shè)計定型試驗(yàn)規(guī)程》，搭建相關(guān)測試平臺，測試平臺包含30°測試斜坡、0.2m垂直障礙、0.3m深度水池等障礙設(shè)施，以模擬實(shí)際救援場景中的復(fù)雜路況。續(xù)航性能測試通過搭建專用滾輪帶，模擬平地以及30°坡度，讓車輛負(fù)載后連續(xù)工作，測得最大續(xù)航里程。

2.4" 測試結(jié)果

經(jīng)坡地上測試，在30°坡度下，運(yùn)輸車最大負(fù)載60kg時，單個輪轂電機(jī)最大輸出扭力可達(dá)42N·m，最大轉(zhuǎn)速71.5r/min，最大行進(jìn)速度5.4km/h；在平地上最大行進(jìn)速度10km/h，涉水深度最大0.3m，越障高度最大0.2m，續(xù)航時間為6h，同時，空載時整車重量不超過40kg，可較好滿足消防救援人員在野外救援現(xiàn)場最后幾公里的物資運(yùn)輸需求。

3 結(jié)束語

消防救援用電助力兩輪運(yùn)輸車，能較好適應(yīng)野外山地叢林環(huán)境下的救援物資裝備的輸運(yùn)需求，既能夠提高單人負(fù)載能力，節(jié)省消防員體力，還能提高物資裝備的運(yùn)送效率。該運(yùn)輸車具有折疊后體積小、操作簡便、在復(fù)雜路況下通過性好的優(yōu)點(diǎn)，可輔助消防員在野外無道路的救援環(huán)境中運(yùn)送物資、裝備，解決消防野外救援現(xiàn)場最后幾公里的運(yùn)輸難題。若對該裝備的重量與體積進(jìn)一步優(yōu)化，將具有較好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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