轮式森林消防车与高压储能式脉冲灭火水枪的组合与应用

崔 航，张运林，舒 展

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

森林火灾在自然灾害中占很大比例。我国森林占地面积达到1.2×108hm2，每年林火损害的林地面积占全部森林面积的1%左右，对生态系统破坏严重[1-2]。面对如此严峻的森林火灾发展趋势，选择合适的扑救方式，防止林火蔓延成大火尤为重要。水是最有效的灭火剂，用水灭火是发达国家灭火优先考虑的方法[3]。水蒸发会降低燃烧区域的温度及可燃性气体的浓度，使可燃物无法燃烧，达到扑灭林火的目的。此外，采取以水灭火还具备环保、高效、安全及扑灭完全等优点，所以，以水灭火成为森林扑救最主要的方法[4-5]。

高压储能式脉冲灭火水枪是以水灭火方式最常用的防火机具，通过将空气压缩与水碰撞，将水以细水雾的方式喷出(细水雾直径范围在200 μm以下)[6]，因为水雾直径小、表面积大，增加了水雾表面的换热系数，在很短时间内能够汽化降低燃烧区温度。高压储能式脉冲灭火水枪喷出的水雾可以吸收燃烧区60%左右的热量，会使火场能量降低至无法引燃其他可燃物，进而扑灭森林火灾。其特点是风水结合灭火效率高，对环境污染小，体积小，机动灵活性强[7]，特别是对于有可燃性高压气体引起的火灾，尤其适用[8]。但高压储能式灭火水枪需要扑火人员背负，这就无疑增加了扑火队员的体力消耗，而且该机具储水少，水量消耗快，喷射几次就需要重新装水，影响扑火效率[6,9]。

森林火灾发生时扑火人员及消防设备是否能快速到达火场、迅速控制火势，关系到火灾损失的大小和扑火的成败。轮式森林消防车自身具有良好的灭火能力、越野性能、运输能力[10]，而且其机动性能强，单车可携带2吨水、6名扑火队员，在密度小于0.5的泥泞地、沼泽地同性能力较好，时速可达到40 km[10]；在森林火灾对扑火人员造成生命威胁时，森林消防车能够穿越火场进入火场内部营救扑火人员，保障了扑火队员的人身安全[11]。此外，轮式消防车的车载水泵水量大，水泵喷出的水快速扑灭明火，较好地发挥了水的渗透性能，但由于是通过单纯以水覆盖或机械作用去灭火，在短时间内即可将水箱中的水耗尽，水资源利用率极低，是对水源的最大浪费[10]。

基于此，在轮式森林消防车上加载高压储能式脉冲灭火水枪，不但可以保留原有消防车扑火进度快、机动性能强及储水量大等优点，又能够利用高压储能式脉冲灭火水枪将水以细雾方式喷出，扩大灭火范围、提高水的使用效率。这样就可以将林火消灭在森林火灾发生初期，对于实现“打早、大小、打了”意义重大。该装置与基层人员灭火工作息息相关，不但提高了灭火效率，更有效的减少了灭火人员的人身伤亡。改造中体现的创新思路，对我国基层森林消防装备研究工作具有一定建设作用，为今后研究设计提供了新方向。

1 研究方法

1.1 研究目标

研究目标应该从森林火灾扑救的实用及安全性能考虑。加装高压储能式脉冲灭火水枪的轮式森林消防车，可以直接利用消防车为水枪供水，在车附近较大范围内进行灭火。在一些车辆较难进入的火区，可以将水枪与车体分离，使水枪和备用水桶连接进行灭火。而且，水枪在车辆上可以较为机动地在火场中游走，提高灭火效率并且减少扑火人员的体力消耗。整套脉冲灭火水枪的水源系统由车载水箱或消防水车供应，所用动力与轮式消防车的车载气泵提供，从而满足持续灭火，灭火多元化，提高灭火效率和车辆灵活使用的最终要求。

具体目标如下：

运输时应能安全牢固地固定在运载地盘相关位置上，并保证安装和使用方便，不会影响运载底盘原有功能的发挥。

运载底盘的要求：a)承载能力大于500 kg；b)在满载后，能够搭载3名或3名以上扑火队员；c)能够灵活穿越密林地、泥泞路、陡坡等复杂地域。

轮式森林消防车与高压储能式脉冲枪结合要求：a)水源不小于300 L；b)具有自吸水功能，即在车载水源用完的情况下，能够靠近水源地进行补给。主要考核指标如表1所示。

表1 考核指标Table 1 Assessment index

1.2 研究方案

1.2.1 轮式森林消防车的选择

当前，小型全地形越野车在森林火灾的扑救中广泛使用。这种车型车身较小，但未影响扑火人员和灭火机具的运输，机动性强，能够较为灵活地在火场中行驶，可以快速到达火场，能大大提高扑火效率。

北极星6×6全地形越野消防车由美国北极星工业公司生产销售。消防车的接近角越大，车辆通过各种地形的能力也就越强，该车接近角超过90°，底盘距离地面超过30 cm，可以穿过任何地形，能够保证稳定行驶。全车体结构为驾驶舱+后斗，自重704 kg，可载货907 kg，搭载3人。发动机功率为40马力，最高行驶速度可达74 km·h-1，可以通过30°以下的坡地。车体牵引力为907 kg，其车型采用双A柱独立悬挂方式，最大减震距离可达30 cm，车身宽度仅为1.2米。从上述参数中可知该车具有较强的运载能力，能够轻松穿越疏林地和复杂的泥泞路段。该车示意图及具体规格参数如图1及表2所示。

图1 北极星6×6全地形越野消防车Fig.1 Polaris 6×6 all terrain off-road fi re engines

表2 北极星6×6全地形越野消防车规格参数Table 2 Polaris 6×6 all terrain off-road fire truck specifications

1.2.2 高压脉冲灭火水枪介绍

高压脉冲灭火水枪由水枪枪体、储气罐、储水桶、气水输水管、减压器及背负运载体构成。其中水枪枪体结构较为复杂，由储能喷水器及后方的供水泵构成，具体构造如图2所示。

图2 脉冲灭火水枪构造示意图像Fig.2 Schematic diagram of the pulse extinguishing nozzle

脉冲枪前方的喷水器是由3（前端盖）、4（储能管）、7（储能活塞）、6（前导管）、5（弹簧）、11（后端盖）以及1（喷头）构成。将前导管与储能活塞连接，并将9（密封垫）覆盖。前导管及储能活塞都安装在储能管中，前导管及储能管通过弹簧相连。前端盖安装于储能管处，将其密封。后端盖与脉冲水枪后方的供水泵连接。

供水泵是由26（外管）、25（内管）、19（阀球）、18（活塞）、32（后接头）、17（前手柄）、30（后手把）、29（后枪管）、14（逆止阀）构成。脉冲枪前体喷水器通过逆止阀与供水泵的外管衔接，前手柄固定在外管上，单向阀腔内安装阀球及卡簧。活塞后半部分连接于内管上，并将后手把安装在内管上，并与后接头相连[12]。

高压式脉冲灭火水枪的具体工作原理见文献[12]，其工作中主要参数为：1）最大喷射距离为20 m；2）每次脉冲喷水量为1 L；3）冲水时间为3 s；4）额定工作压力为2.5 MPa；5）气雾喷射器重为6.8 kg；6）气雾喷射器外形尺寸为70×800；7）整体储水量为12 L；8）净质量（包括气雾喷射器）为16.5 kg；9）储水桶工作压力为0.6 MPa。

脉冲灭火水枪的气瓶可有效喷射70枪，其水枪可有效喷射次数≥10次。

1.2.3 水源、气源、输出配套构成

水源包括两种：一是车载水箱；二是脱离车体后，使用水枪时扑火队员随身携带的水源。选用不锈钢水箱，水箱尺寸为400 mm×1 300 mm×600 mm，总容积为312 L在水箱顶部设置有6.8 L气瓶套装固定架2套，以保证整套系统的水源。

气源主要依赖于汽油机启动，包括电启动和手拉启动。发动机功率为8.1 kw，最大输出压力8 MPa，柱塞流量为21 L·min-1。扑火队员携带的气瓶为6.8 L，经过换算，水枪手背负6.8 L气瓶能够喷射脉冲水雾有效次数不少于70次。当水用完后，可更换6.8 L气瓶，空气瓶通过充气泵进行充气，每次充气时间小于8 min。

输出管为2根，可以互相连接，每根长10 m。工作时，扑火队员手持脉冲水枪，背负6.8 L气瓶，就可以以车为圆心，在半径为10 m或20 m（2根输水管连接后）的范围内实施灭火作业。输出设备配有单路减压器，其可以将气瓶的压力从30 MPa减至0.6 MPa，以供水枪使用。

1.2.4 设备安装

为保证车辆满载时行驶的安全性和以水灭火模块使用的便捷性，将系统中各部分设备放置于车辆后斗中，通过快接工具架和车箱自带的快速插口固定起来，以达到结构稳固、行驶安全的效果。具体放置方法如下：

（1）水箱放置在车后斗前侧，通过底盘与车架固定。进水口设于水箱左上部分，放水口及储水连接口置于水箱下部；

（2）汽油机柱塞水泵放置在车后斗的后部，水泵输出压力为8 MPa，进水口连接在水箱底部，出水口装有三通，一路通过一条10 m水管接脉冲枪，另一路通过安全溢流阀降压后由一条10 m水管连接另一只脉冲枪；

（3）汽油自吸水泵放置在车后斗的右左后部；

（4）两套供脉冲枪用的6.8 L气瓶和背板平放在水箱上面，用束紧带固定。

（5）两支脉冲枪立在水箱后面用卡箍固定。整个轮式森林消防车的装备如表3所示。

表3 整车装备列表Table 3 Vehicle equipment list

2 结果与分析

2.1 整车平衡测试

本研究选择的运载底盘北极星6×6车型，是一种具有高通过性、高机动性、大承载能力等功能于一身的特种车辆，且体积小、重量轻。为加装风水灭火系统，并且保证当防火期结束后，整套风水灭火系统可以自行拆卸，本研究使用白钢焊接框架，所有设备都集成在此框架上，利用原车后斗的固定点，将整套设备稳稳固定住。系统处于工作状态时，总重量大约为560 kg，这对车辆原有的配重和性能都会造成一定的影响，因此，在整机改装完毕后，需要对车辆行驶性能、安全性能进行调校测试，以达到目标要求。通过测试，发现研究的自走式风水灭火机在满载的情况下，爬25°侧倾坡时并未发生翻车现象。由于车辆在空载时重心靠前并且靠下，所以通过性更好，也不会发生翻车的现象。改装后符合野外扑火基本条件。

2.2 整车试验结果

整个试验以室外模拟试验为主，包括通过性测试、模拟扑火测试两方面。

2.2.1 通过性试验

车辆通过性测试主要包括爬坡、泥泞道路的通过性能，实地参与整个测试内容，所有测试都是在车辆满载时进行的。

测试试验在黑龙江省阿城消防大队附近的林间进行，行驶路线分为南北及东西两个方向，最大坡度为25°，其中上坡路段约占全部路段的70%以上，最大坡度占10%以上。车辆通过性测试期间，空气温度及风速分别为17～20 ℃及≤3.5 m·s-1。共进行3次重复，结果表明，改造后车辆满载后能顺利通过25°的斜坡和较为泥泞的沼泽路面，虽然改造后会略微增高车辆的重心，但其操作性及制动性都符合消防车的使用要求。

2.2.2 模拟扑火性能测试

扑火性能测试是为了检查改造车的扑火能力、脉冲式灭火水枪在消防车内的安装配置是否合理，以及在林火环境中的使用是否安全。主要包括了脉冲灭火水枪储水瓶自身打水功能以及连接车载水箱的脉冲枪扑火能力的测试。图3给出测试效果示意图。具体各项指标如下所示：

(1)脉冲灭火水枪打水测试。利用脉冲灭火水枪进行打水，使用3瓶6.8 L气瓶，喷射枪数及打水量如图4所示。可以看出，每个气瓶都可以发射100枪左右，平均消耗106 L水。本研究的轮式森林消防车与高压储能式脉冲灭火水枪中可以储存312 L水，一次性大约可以打300枪，大大提高了扑火效率。

图3 测试效果示意图Fig.3 Schematic diagram of test effect

图4 打水测试图Fig.4 Water test chart

(2)扑火测试。共进行了3次扑火测试试验，试验时空气温度为12～15 ℃，空气相对湿度为52%，风速为≤3.8 m·s-1。可燃物类型为草甸，地表可燃物载量约为13 t·hm-2，引燃可燃物后火头蔓延速度约为4.2 m·minv，平均火焰高度为1.2 m。将改造后的消防车驶入草甸中，扑火队员使用脉冲枪，利用跪姿对火线进行扑救，研究发现，平均2枪即可将火线全部扑灭。

在与地表火相似环境条件下，将木枝和棉布浸油后，捆绑在4 m高的木杆上，充分燃烧1 min模拟树冠火。首先利用1枝脉冲水枪进行降温覆盖，使队员可以靠近可燃物，然后用2枝脉冲水枪同时发射，所产生的冲击力将可燃物（木枝和棉布）瞬间冲散，只剩下木杆支架，扑灭树冠火效果非常明显，符合设计要求。

当水箱内无水条件时，单独利用压缩气瓶中的压缩空气对可燃物进行扑打，结果表明脉冲枪射出的压缩空气能够将可燃物吹起，在利用压缩气体的冲击波将火焰吹灭的同时，还达到了翻转可燃物，隔绝氧气的效果。

(3)车载水泵吸水测试主要是为了测试改造后水泵系列装备各项性能以及零件是否符合森林火灾扑救要求。首先检查水泵管道等是否出现破裂。在正常工作压力的1.5倍条件下观察一段时间，管道并未出现破裂、渗透等现象。测试水泵在长时间工作条件下，是否还能正常工作。水泵在标定转速下连续工作3 h，每隔30 min测试水泵的各项指标（压力、流量等），结果显示都符合要求。最后将水泵置于一定高度，观察装备装满1箱水需要的时间。将水泵放置于距离水平地面高度约3.4 m处，在水泵标定转速条件时，重复进行了3次试验，研究发现装满1箱水的时间平均为3′45″。

(4)风水灭火系统脱离车体扑打明火性能测试。当车辆无法近距离靠近火场时，风水灭火系统需要脱离车体进行扑救。脉冲水枪手摘掉与车辆相连接的输水管，与一名扑火队员背负水桶的输水管相连，脱离车体20 m以外，对火场进行扑救，完全可以正常工作，并能达到扑救森林火灾的要求。此时火场环境条件与(2)中的相似。参与测试的扑火队员表示，森林消防车的运输可以帮助节省很多体力，即使采用背负式的方式进行扑火，也可以保留较多的体力，对扑火人员的安全有了保障。

(5)风水灭火系统充气性能测试。当风水灭火气筒气瓶中的压缩空气用完后，利用车载充气泵对气瓶进行充气，充气结果如表4所示。可以看出，气瓶的充气速度平均值约为0.95 L·min-1，随着气瓶量程的增加，充气速度略有下降。气瓶充满后查看气瓶上的压力表，均能够达到30 MPa，满足了设计要求。

表4 充气性能测试表Table 4 Inflatable performance test table

3 结论与讨论

森林消防车辆灭火手段多样化已经成为发展趋势，简单的利用水泵进行喷水灭火，水利用率低，可持续灭火时间短，已经不能满足森林防火工作的需要。本研究的组合集多种灭火手段于一身，并且灭火方式、灭火效率、水利用率都大大优于以往。在水源紧缺的火灾地，该设备能够有效地利用水资源实施有效、可持续灭火，使该车型具有了较强的竞争优势。

本研究对轮式森林消防车加装脉冲式灭火水枪进行了研究与应用测试，选择了北极星全地形森林消防车作为研究对象，并进行了通过性及模拟扑火测试等多个试验，并且都达到了研究的目标要求。主要的工作及创新如下：

(1)将高压储能式脉冲灭火水枪与6轮6驱越野摩托轮式消防车底盘相结合，这种新的尝试，将水利用率低、可持续灭火时间短这些传统以水灭火方式的弊端，实现通过此车将节能、省水、可持续等特点进行了互补，充分发挥了越野摩托道路通行能力强、运载能力突出的优势。

(2)布局合理。在通过综合分析，在保证整机功能实现的情况下，两支脉冲灭火水枪保证了扑火工作的可持续性。

(3)整机还包括了自吸水功能，当车载300 L水箱中的水用完后，还可以靠近水源地，就近取水，真正地形成了独立作战单元。

北极星全地形森林消防车安装脉冲式灭火水枪，对于森林火灾扑救有重要意义，既规避了消防车水利用率低等缺点，又避免了脉冲式灭火水枪使用效率低下，将两者结合起来，扬长补短，实现了具有一定综合能力的森林火灾扑救功能。北京林业大学森林消防车课题组[13]也曾经选择越野性能较好的消防车作为研究对象，为其配备灭火机具作为一种新型的高强度消防车，并在野外试验及实际火场中得到应用，反响极好；王运泰[10]等人通过加大轮式森林消防车的发动机马力、改变汽车传动形式及安装一套消防设备等，提高消防车的利用效率，使其在林火扑救中起到更重要的作用；于文男[14]等课题组通过为脉冲式灭火水枪配备一套移动式的充气供水站，解决了其水利用率低等问题，并已经在黑龙江省部分地区试用；陈鹏[15]等人为解决传统脉冲灭火水枪在森林火灾扑救应用中的难题，通过对其自身结构及气水供应进行改造，提高了脉冲灭火水枪水、气利用率，以6.8 L气瓶为例，改造后有效喷射次数可达70枪，效果极好也降低了消防人员的负荷量。本研究选择将消防车与脉冲灭火水枪结合，改造简单，既利用了消防车的机动性及容量大等优点，也满足脉冲灭火水枪扑火效率高的特点。

本研究得到的防火机具是在人为模拟的地表火、树冠火等条件下进行测试的，由于人为模拟火场与实际火场还有一些差距，该防火机具组合灭火性能的测试结果具有一定局限性。今后应考虑将改造后轮式消防车投入真正火场使用，测试其实际扑火效果。此外，在今后还应该向2个方面改进：1)考虑使用改造后的脉冲灭火水枪与多种类型的消防车结合使用，这样又可以进一步提高脉冲灭火水枪的使用效率，同时选择不同类型的消防车，不断适应多种林区路段，更增强了防火机具的机动性，提高灭火效率。2)考虑将森林消防车与多个单人使用扑火机具结合起来，例如将喷雾式灭火水枪灯机具，这样可以显著提高森林消防车的利用率，进一步降低扑火队员的体力消耗，保证扑火人员生命安全，也提高了扑火效率。

[1]张兴荣.我国的火灾形势与工业防火对策[J].人类功效学,1999, 5(1):63-65.

[2]金 森,张俪斌,于宏洲,等.风速对红松针叶床层两个重要失水时间的影响[J].中南林业科技大学学报,2016,36(12): 6-10.

[3]乔启宇,陈 劭,于文华.现阶段中国森林消防水灭火方法探讨[J].森林防火,2003(3):27-29.

[4]Kim A. Overview of recent progress in fire suppression technology[C]//Invited Keynote Lecture at the 2nd NRIFD Symposium, Proceedings, Tokyo, Japan, 2002: 1-13.

[5]刘富斌, 田志定.舰船细水雾灭火系统[J].船舶,2002,4(8):32-34.

[6]吴 鹏.用于森林消防的水雾灭火雾化喷头的设计与研究[D].北京:北京林业大学, 2009.

[7]范垣霄. 细水雾灭水过程数值模拟及气动高能灭火机的研制[D].杭州:浙江大学, 2006.

[8]包志宇. “另类”灭火水枪[J].北方消防, 2003(5): 47.

[9]毕智华,刘毅.蓄能脉冲水射流灭火水枪的研制[J].福建林业科技,2014,41(2):70-78.

[10]王运泰,马志远,吕显洲.轮式森林消防车的设计[J].林业机械与木工设备,1999,27(9):16-18.

[11]郭克君,张 伟,渠聚鑫.森林防火装备的现状及展望[J].林业机械与木工设备, 2009,37(7):7-10.

[12]丛 燕,张 浩.高压储能灭火水枪的研制[J].林业机械与木工设备,2007,35(6): 17-18.

[13]森林消防课题组. CGL25/5型轮式森林消防车的研制[J].北京林业大学学报,1992,14(3):1-7.

[14]于文男.森林防火多气源水源脉冲风水灭火装备的应用初探[J].林业科技,2015,40(5):43-44.

[15]陈 鹏,于文男,张 巍.森林防火脉冲风水灭火系统的改进与研究[J].林业科技,2015,40(4):39-41.