輪式森林消防車與高壓儲能式脈沖滅火水槍的組合與應用

崔 航，張運林，舒 展

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林火災在自然災害中占很大比例。我國森林占地面積達到1.2×108hm2，每年林火損害的林地面積占全部森林面積的1%左右，對生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重[1-2]。面對如此嚴峻的森林火災發(fā)展趨勢，選擇合適的撲救方式，防止林火蔓延成大火尤為重要。水是最有效的滅火劑，用水滅火是發(fā)達國家滅火優(yōu)先考慮的方法[3]。水蒸發(fā)會降低燃燒區(qū)域的溫度及可燃性氣體的濃度，使可燃物無法燃燒，達到撲滅林火的目的。此外，采取以水滅火還具備環(huán)保、高效、安全及撲滅完全等優(yōu)點，所以，以水滅火成為森林撲救最主要的方法[4-5]。

高壓儲能式脈沖滅火水槍是以水滅火方式最常用的防火機具，通過將空氣壓縮與水碰撞，將水以細水霧的方式噴出(細水霧直徑范圍在200 μm以下)[6]，因為水霧直徑小、表面積大，增加了水霧表面的換熱系數(shù)，在很短時間內(nèi)能夠汽化降低燃燒區(qū)溫度。高壓儲能式脈沖滅火水槍噴出的水霧可以吸收燃燒區(qū)60%左右的熱量，會使火場能量降低至無法引燃其他可燃物，進而撲滅森林火災。其特點是風水結合滅火效率高，對環(huán)境污染小，體積小，機動靈活性強[7]，特別是對于有可燃性高壓氣體引起的火災，尤其適用[8]。但高壓儲能式滅火水槍需要撲火人員背負，這就無疑增加了撲火隊員的體力消耗，而且該機具儲水少，水量消耗快，噴射幾次就需要重新裝水，影響撲火效率[6,9]。

森林火災發(fā)生時撲火人員及消防設備是否能快速到達火場、迅速控制火勢，關系到火災損失的大小和撲火的成敗。輪式森林消防車自身具有良好的滅火能力、越野性能、運輸能力[10]，而且其機動性能強，單車可攜帶2噸水、6名撲火隊員，在密度小于0.5的泥濘地、沼澤地同性能力較好，時速可達到40 km[10]；在森林火災對撲火人員造成生命威脅時，森林消防車能夠穿越火場進入火場內(nèi)部營救撲火人員，保障了撲火隊員的人身安全[11]。此外，輪式消防車的車載水泵水量大，水泵噴出的水快速撲滅明火，較好地發(fā)揮了水的滲透性能，但由于是通過單純以水覆蓋或機械作用去滅火，在短時間內(nèi)即可將水箱中的水耗盡，水資源利用率極低，是對水源的最大浪費[10]。

基于此，在輪式森林消防車上加載高壓儲能式脈沖滅火水槍，不但可以保留原有消防車撲火進度快、機動性能強及儲水量大等優(yōu)點，又能夠利用高壓儲能式脈沖滅火水槍將水以細霧方式噴出，擴大滅火范圍、提高水的使用效率。這樣就可以將林火消滅在森林火災發(fā)生初期，對于實現(xiàn)“打早、大小、打了”意義重大。該裝置與基層人員滅火工作息息相關，不但提高了滅火效率，更有效的減少了滅火人員的人身傷亡。改造中體現(xiàn)的創(chuàng)新思路，對我國基層森林消防裝備研究工作具有一定建設作用，為今后研究設計提供了新方向。

1 研究方法

1.1 研究目標

研究目標應該從森林火災撲救的實用及安全性能考慮。加裝高壓儲能式脈沖滅火水槍的輪式森林消防車，可以直接利用消防車為水槍供水，在車附近較大范圍內(nèi)進行滅火。在一些車輛較難進入的火區(qū)，可以將水槍與車體分離，使水槍和備用水桶連接進行滅火。而且，水槍在車輛上可以較為機動地在火場中游走，提高滅火效率并且減少撲火人員的體力消耗。整套脈沖滅火水槍的水源系統(tǒng)由車載水箱或消防水車供應，所用動力與輪式消防車的車載氣泵提供，從而滿足持續(xù)滅火，滅火多元化，提高滅火效率和車輛靈活使用的最終要求。

具體目標如下：

運輸時應能安全牢固地固定在運載地盤相關位置上，并保證安裝和使用方便，不會影響運載底盤原有功能的發(fā)揮。

運載底盤的要求：a)承載能力大于500 kg；b)在滿載后，能夠搭載3名或3名以上撲火隊員；c)能夠靈活穿越密林地、泥濘路、陡坡等復雜地域。

輪式森林消防車與高壓儲能式脈沖槍結合要求：a)水源不小于300 L；b)具有自吸水功能，即在車載水源用完的情況下，能夠靠近水源地進行補給。主要考核指標如表1所示。

表1 考核指標Table 1 Assessment index

1.2 研究方案

1.2.1 輪式森林消防車的選擇

當前，小型全地形越野車在森林火災的撲救中廣泛使用。這種車型車身較小，但未影響撲火人員和滅火機具的運輸，機動性強，能夠較為靈活地在火場中行駛，可以快速到達火場，能大大提高撲火效率。

北極星6×6全地形越野消防車由美國北極星工業(yè)公司生產(chǎn)銷售。消防車的接近角越大，車輛通過各種地形的能力也就越強，該車接近角超過90°，底盤距離地面超過30 cm，可以穿過任何地形，能夠保證穩(wěn)定行駛。全車體結構為駕駛艙+后斗，自重704 kg，可載貨907 kg，搭載3人。發(fā)動機功率為40馬力，最高行駛速度可達74 km·h-1，可以通過30°以下的坡地。車體牽引力為907 kg，其車型采用雙A柱獨立懸掛方式，最大減震距離可達30 cm，車身寬度僅為1.2米。從上述參數(shù)中可知該車具有較強的運載能力，能夠輕松穿越疏林地和復雜的泥濘路段。該車示意圖及具體規(guī)格參數(shù)如圖1及表2所示。

圖1 北極星6×6全地形越野消防車Fig.1 Polaris 6×6 all terrain off-road fi re engines

表2 北極星6×6全地形越野消防車規(guī)格參數(shù)Table 2 Polaris 6×6 all terrain off-road fire truck specifications

1.2.2 高壓脈沖滅火水槍介紹

高壓脈沖滅火水槍由水槍槍體、儲氣罐、儲水桶、氣水輸水管、減壓器及背負運載體構成。其中水槍槍體結構較為復雜，由儲能噴水器及后方的供水泵構成，具體構造如圖2所示。

圖2 脈沖滅火水槍構造示意圖像Fig.2 Schematic diagram of the pulse extinguishing nozzle

脈沖槍前方的噴水器是由3（前端蓋）、4（儲能管）、7（儲能活塞）、6（前導管）、5（彈簧）、11（后端蓋）以及1（噴頭）構成。將前導管與儲能活塞連接，并將9（密封墊）覆蓋。前導管及儲能活塞都安裝在儲能管中，前導管及儲能管通過彈簧相連。前端蓋安裝于儲能管處，將其密封。后端蓋與脈沖水槍后方的供水泵連接。

供水泵是由26（外管）、25（內(nèi)管）、19（閥球）、18（活塞）、32（后接頭）、17（前手柄）、30（后手把）、29（后槍管）、14（逆止閥）構成。脈沖槍前體噴水器通過逆止閥與供水泵的外管銜接，前手柄固定在外管上，單向閥腔內(nèi)安裝閥球及卡簧?；钊蟀氩糠诌B接于內(nèi)管上，并將后手把安裝在內(nèi)管上，并與后接頭相連[12]。

高壓式脈沖滅火水槍的具體工作原理見文獻[12]，其工作中主要參數(shù)為：1）最大噴射距離為20 m；2）每次脈沖噴水量為1 L；3）沖水時間為3 s；4）額定工作壓力為2.5 MPa；5）氣霧噴射器重為6.8 kg；6）氣霧噴射器外形尺寸為70×800；7）整體儲水量為12 L；8）凈質(zhì)量（包括氣霧噴射器）為16.5 kg；9）儲水桶工作壓力為0.6 MPa。

脈沖滅火水槍的氣瓶可有效噴射70槍，其水槍可有效噴射次數(shù)≥10次。

1.2.3 水源、氣源、輸出配套構成

水源包括兩種：一是車載水箱；二是脫離車體后，使用水槍時撲火隊員隨身攜帶的水源。選用不銹鋼水箱，水箱尺寸為400 mm×1 300 mm×600 mm，總?cè)莘e為312 L在水箱頂部設置有6.8 L氣瓶套裝固定架2套，以保證整套系統(tǒng)的水源。

氣源主要依賴于汽油機啟動，包括電啟動和手拉啟動。發(fā)動機功率為8.1 kw，最大輸出壓力8 MPa，柱塞流量為21 L·min-1。撲火隊員攜帶的氣瓶為6.8 L，經(jīng)過換算，水槍手背負6.8 L氣瓶能夠噴射脈沖水霧有效次數(shù)不少于70次。當水用完后，可更換6.8 L氣瓶，空氣瓶通過充氣泵進行充氣，每次充氣時間小于8 min。

輸出管為2根，可以互相連接，每根長10 m。工作時，撲火隊員手持脈沖水槍，背負6.8 L氣瓶，就可以以車為圓心，在半徑為10 m或20 m（2根輸水管連接后）的范圍內(nèi)實施滅火作業(yè)。輸出設備配有單路減壓器，其可以將氣瓶的壓力從30 MPa減至0.6 MPa，以供水槍使用。

1.2.4 設備安裝

為保證車輛滿載時行駛的安全性和以水滅火模塊使用的便捷性，將系統(tǒng)中各部分設備放置于車輛后斗中，通過快接工具架和車箱自帶的快速插口固定起來，以達到結構穩(wěn)固、行駛安全的效果。具體放置方法如下：

（1）水箱放置在車后斗前側(cè)，通過底盤與車架固定。進水口設于水箱左上部分，放水口及儲水連接口置于水箱下部；

（2）汽油機柱塞水泵放置在車后斗的后部，水泵輸出壓力為8 MPa，進水口連接在水箱底部，出水口裝有三通，一路通過一條10 m水管接脈沖槍，另一路通過安全溢流閥降壓后由一條10 m水管連接另一只脈沖槍；

（3）汽油自吸水泵放置在車后斗的右左后部；

（4）兩套供脈沖槍用的6.8 L氣瓶和背板平放在水箱上面，用束緊帶固定。

（5）兩支脈沖槍立在水箱后面用卡箍固定。整個輪式森林消防車的裝備如表3所示。

表3 整車裝備列表Table 3 Vehicle equipment list

2 結果與分析

2.1 整車平衡測試

本研究選擇的運載底盤北極星6×6車型，是一種具有高通過性、高機動性、大承載能力等功能于一身的特種車輛，且體積小、重量輕。為加裝風水滅火系統(tǒng)，并且保證當防火期結束后，整套風水滅火系統(tǒng)可以自行拆卸，本研究使用白鋼焊接框架，所有設備都集成在此框架上，利用原車后斗的固定點，將整套設備穩(wěn)穩(wěn)固定住。系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，總重量大約為560 kg，這對車輛原有的配重和性能都會造成一定的影響，因此，在整機改裝完畢后，需要對車輛行駛性能、安全性能進行調(diào)校測試，以達到目標要求。通過測試，發(fā)現(xiàn)研究的自走式風水滅火機在滿載的情況下，爬25°側(cè)傾坡時并未發(fā)生翻車現(xiàn)象。由于車輛在空載時重心靠前并且靠下，所以通過性更好，也不會發(fā)生翻車的現(xiàn)象。改裝后符合野外撲火基本條件。

2.2 整車試驗結果

整個試驗以室外模擬試驗為主，包括通過性測試、模擬撲火測試兩方面。

2.2.1 通過性試驗

車輛通過性測試主要包括爬坡、泥濘道路的通過性能，實地參與整個測試內(nèi)容，所有測試都是在車輛滿載時進行的。

測試試驗在黑龍江省阿城消防大隊附近的林間進行，行駛路線分為南北及東西兩個方向，最大坡度為25°，其中上坡路段約占全部路段的70%以上，最大坡度占10%以上。車輛通過性測試期間，空氣溫度及風速分別為17～20 ℃及≤3.5 m·s-1。共進行3次重復，結果表明，改造后車輛滿載后能順利通過25°的斜坡和較為泥濘的沼澤路面，雖然改造后會略微增高車輛的重心，但其操作性及制動性都符合消防車的使用要求。

2.2.2 模擬撲火性能測試

撲火性能測試是為了檢查改造車的撲火能力、脈沖式滅火水槍在消防車內(nèi)的安裝配置是否合理，以及在林火環(huán)境中的使用是否安全。主要包括了脈沖滅火水槍儲水瓶自身打水功能以及連接車載水箱的脈沖槍撲火能力的測試。圖3給出測試效果示意圖。具體各項指標如下所示：

(1)脈沖滅火水槍打水測試。利用脈沖滅火水槍進行打水，使用3瓶6.8 L氣瓶，噴射槍數(shù)及打水量如圖4所示?？梢钥闯?，每個氣瓶都可以發(fā)射100槍左右，平均消耗106 L水。本研究的輪式森林消防車與高壓儲能式脈沖滅火水槍中可以儲存312 L水，一次性大約可以打300槍，大大提高了撲火效率。

圖3 測試效果示意圖Fig.3 Schematic diagram of test effect

圖4 打水測試圖Fig.4 Water test chart

(2)撲火測試。共進行了3次撲火測試試驗，試驗時空氣溫度為12～15 ℃，空氣相對濕度為52%，風速為≤3.8 m·s-1。可燃物類型為草甸，地表可燃物載量約為13 t·hm-2，引燃可燃物后火頭蔓延速度約為4.2 m·minv，平均火焰高度為1.2 m。將改造后的消防車駛?cè)氩莸橹?，撲火隊員使用脈沖槍，利用跪姿對火線進行撲救，研究發(fā)現(xiàn)，平均2槍即可將火線全部撲滅。

在與地表火相似環(huán)境條件下，將木枝和棉布浸油后，捆綁在4 m高的木桿上，充分燃燒1 min模擬樹冠火。首先利用1枝脈沖水槍進行降溫覆蓋，使隊員可以靠近可燃物，然后用2枝脈沖水槍同時發(fā)射，所產(chǎn)生的沖擊力將可燃物（木枝和棉布）瞬間沖散，只剩下木桿支架，撲滅樹冠火效果非常明顯，符合設計要求。

當水箱內(nèi)無水條件時，單獨利用壓縮氣瓶中的壓縮空氣對可燃物進行撲打，結果表明脈沖槍射出的壓縮空氣能夠?qū)⒖扇嘉锎灯?，在利用壓縮氣體的沖擊波將火焰吹滅的同時，還達到了翻轉(zhuǎn)可燃物，隔絕氧氣的效果。

(3)車載水泵吸水測試主要是為了測試改造后水泵系列裝備各項性能以及零件是否符合森林火災撲救要求。首先檢查水泵管道等是否出現(xiàn)破裂。在正常工作壓力的1.5倍條件下觀察一段時間，管道并未出現(xiàn)破裂、滲透等現(xiàn)象。測試水泵在長時間工作條件下，是否還能正常工作。水泵在標定轉(zhuǎn)速下連續(xù)工作3 h，每隔30 min測試水泵的各項指標（壓力、流量等），結果顯示都符合要求。最后將水泵置于一定高度，觀察裝備裝滿1箱水需要的時間。將水泵放置于距離水平地面高度約3.4 m處，在水泵標定轉(zhuǎn)速條件時，重復進行了3次試驗，研究發(fā)現(xiàn)裝滿1箱水的時間平均為3′45″。

(4)風水滅火系統(tǒng)脫離車體撲打明火性能測試。當車輛無法近距離靠近火場時，風水滅火系統(tǒng)需要脫離車體進行撲救。脈沖水槍手摘掉與車輛相連接的輸水管，與一名撲火隊員背負水桶的輸水管相連，脫離車體20 m以外，對火場進行撲救，完全可以正常工作，并能達到撲救森林火災的要求。此時火場環(huán)境條件與(2)中的相似。參與測試的撲火隊員表示，森林消防車的運輸可以幫助節(jié)省很多體力，即使采用背負式的方式進行撲火，也可以保留較多的體力，對撲火人員的安全有了保障。

(5)風水滅火系統(tǒng)充氣性能測試。當風水滅火氣筒氣瓶中的壓縮空氣用完后，利用車載充氣泵對氣瓶進行充氣，充氣結果如表4所示。可以看出，氣瓶的充氣速度平均值約為0.95 L·min-1，隨著氣瓶量程的增加，充氣速度略有下降。氣瓶充滿后查看氣瓶上的壓力表，均能夠達到30 MPa，滿足了設計要求。

表4 充氣性能測試表Table 4 Inflatable performance test table

3 結論與討論

森林消防車輛滅火手段多樣化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢，簡單的利用水泵進行噴水滅火，水利用率低，可持續(xù)滅火時間短，已經(jīng)不能滿足森林防火工作的需要。本研究的組合集多種滅火手段于一身，并且滅火方式、滅火效率、水利用率都大大優(yōu)于以往。在水源緊缺的火災地，該設備能夠有效地利用水資源實施有效、可持續(xù)滅火，使該車型具有了較強的競爭優(yōu)勢。

本研究對輪式森林消防車加裝脈沖式滅火水槍進行了研究與應用測試，選擇了北極星全地形森林消防車作為研究對象，并進行了通過性及模擬撲火測試等多個試驗，并且都達到了研究的目標要求。主要的工作及創(chuàng)新如下：

(1)將高壓儲能式脈沖滅火水槍與6輪6驅(qū)越野摩托輪式消防車底盤相結合，這種新的嘗試，將水利用率低、可持續(xù)滅火時間短這些傳統(tǒng)以水滅火方式的弊端，實現(xiàn)通過此車將節(jié)能、省水、可持續(xù)等特點進行了互補，充分發(fā)揮了越野摩托道路通行能力強、運載能力突出的優(yōu)勢。

(2)布局合理。在通過綜合分析，在保證整機功能實現(xiàn)的情況下，兩支脈沖滅火水槍保證了撲火工作的可持續(xù)性。

(3)整機還包括了自吸水功能，當車載300 L水箱中的水用完后，還可以靠近水源地，就近取水，真正地形成了獨立作戰(zhàn)單元。

北極星全地形森林消防車安裝脈沖式滅火水槍，對于森林火災撲救有重要意義，既規(guī)避了消防車水利用率低等缺點，又避免了脈沖式滅火水槍使用效率低下，將兩者結合起來，揚長補短，實現(xiàn)了具有一定綜合能力的森林火災撲救功能。北京林業(yè)大學森林消防車課題組[13]也曾經(jīng)選擇越野性能較好的消防車作為研究對象，為其配備滅火機具作為一種新型的高強度消防車，并在野外試驗及實際火場中得到應用，反響極好；王運泰[10]等人通過加大輪式森林消防車的發(fā)動機馬力、改變汽車傳動形式及安裝一套消防設備等，提高消防車的利用效率，使其在林火撲救中起到更重要的作用；于文男[14]等課題組通過為脈沖式滅火水槍配備一套移動式的充氣供水站，解決了其水利用率低等問題，并已經(jīng)在黑龍江省部分地區(qū)試用；陳鵬[15]等人為解決傳統(tǒng)脈沖滅火水槍在森林火災撲救應用中的難題，通過對其自身結構及氣水供應進行改造，提高了脈沖滅火水槍水、氣利用率，以6.8 L氣瓶為例，改造后有效噴射次數(shù)可達70槍，效果極好也降低了消防人員的負荷量。本研究選擇將消防車與脈沖滅火水槍結合，改造簡單，既利用了消防車的機動性及容量大等優(yōu)點，也滿足脈沖滅火水槍撲火效率高的特點。

本研究得到的防火機具是在人為模擬的地表火、樹冠火等條件下進行測試的，由于人為模擬火場與實際火場還有一些差距，該防火機具組合滅火性能的測試結果具有一定局限性。今后應考慮將改造后輪式消防車投入真正火場使用，測試其實際撲火效果。此外，在今后還應該向2個方面改進：1)考慮使用改造后的脈沖滅火水槍與多種類型的消防車結合使用，這樣又可以進一步提高脈沖滅火水槍的使用效率，同時選擇不同類型的消防車，不斷適應多種林區(qū)路段，更增強了防火機具的機動性，提高滅火效率。2)考慮將森林消防車與多個單人使用撲火機具結合起來，例如將噴霧式滅火水槍燈機具，這樣可以顯著提高森林消防車的利用率，進一步降低撲火隊員的體力消耗，保證撲火人員生命安全，也提高了撲火效率。

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