消防水带清洗晾晒技术与装备的研究进展

孟祥毅，刘艳秋，王静，冯怡然，芦金石，金志远，刘磊，陶学恒

消防水带清洗晾晒技术与装备的研究进展

孟祥毅，刘艳秋*，王静，冯怡然，芦金石，金志远，刘磊，陶学恒*

（1.大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034；2.大连大兵救援装备有限公司，辽宁 大连 116600）

综述了国内外对于消防水带清洗与晾晒技术装备的研究进展，从水带清洗和晾晒的技术和装备两方面分析在实际工作中的应用情况。针对现存的消防水带清洗与晾晒技术和装备的相关问题，通过对大连大兵救援装备有限公司研发的消防水带清洗与晾晒装备在实际工作中的研究，探索水带在不同条件下的清洗与晾晒的效果，总结了新型消防水带清洗晾晒装备在工作中的具体表现。为今后消防水带的清洗与晾晒效率和机械化智能化的提升以及设备技术的升级提供参考。

消防水带；清洗；晾晒；装备技术；机械自动化

消防水带是一种生活中常见的软管，可以用来输送高压水或者泡沫等阻燃液体，是消防灭火中最常使用的装备。每次消防行动中，消防队员会使用大量的消防水带，从火灾现场回来后，消防水带上会有大量的泥土和杂质，随之而来的问题就是消防水带的清洗和晾晒，而消防队员在完成了灭火任务后还要再对消防水带进行清洗，无疑是巨大的负担。人工清洗水带既费时又费力，晾晒在空旷的地上占用资源又不整齐美观。为减轻消防队员的作业压力，人们对消防水带的清洗和晾晒方法越来越重视，开始研发智能化机械化的消防水带清洗晾晒装备。

1 国内外水带清洗技术与设备研发应用动态

1.1 国内现状

当前世界各国各地对于消防水带的清洗有着各种手段和技术，包括人工清洗、机械清洗、化学清洗、超声波清洗等[1]。

国内对于消防水带的清洗现阶段主要采用人工刷洗或者使用一些简易的清洗设备。人工刷洗的主要方式是利用水枪对消防水带表面的赃物进行冲击，对于冲洗不掉的，消防员再使用毛刷逐步清洗。整个清洗过程效率低下，效果较差[2-3]。

国内的某生产厂家制造出了一些简易的清洗装置，但使用时需要两到三个人才能完成一次的清洗任务，需要将消防水带接口由机器的一端穿过机器内部，然后从机器的另一端穿出，最后固定消防水带接口，进行刷洗[4]，如图1所示，采用半机械化设备，耗费了大量的人力物力，所达到的清洁程度也不是很理想。

图1 国内消防水带清洗设备

山东省有一支消防支队研制出了一款消防水带清洗机器设备[5]，如图2所示，该设备主要的工作原理是，采用电力驱动，利用水流和毛刷清洗水带。目前可以实现自动清洗消防水带、自动收卷水带、反向刷洗和翻卷的功能。

图2 某消防支队水带清洗机

目前消防水带晾晒的方法是铺在地面上或悬挂在外墙壁上，这样操作不规范不美观，而且晾晒效果不好，浪费时间和人工。目前所采用的机械化消防水带晾晒机，基本的工作原理就是在清洗水带后，转动把手将水带缓慢缠绕在设备转轴上，这种晾晒设备的缺点在于体积过于庞大且笨重。

1.2 国外现状

国外从很早开始就重视消防水带的清洗和保养。欧洲的一家消防器材供货商AWG公司研发了一款便携式的水带清洗接头，其结构大致可分为空心接头和进水管[6]。工作原理是，通过消防水带去连接供水车上的出水口，压力水在接头的内部形成高压喷射，再把需要清洗的消防水带穿过接头，从而清洗消防水带。此套装备可以进行小规模的清洗，但每次任务结束后会有大量的消防水带需要清洗，这套设备就显得吃力。

德国的消防部门研制出了一整套专业的水带护理装备，可以对消防水带进行清洗晾晒，如图3、图4所示。整个机器的运行都由系统自带的程序来控制完成，大大节省了人力资源，为消防队员减轻了压力，全程可以一人独立完成。但该设备成本高、占地面积大，不适用于国内的基层中队。

对比国内外的清洗和烘干方式，我国的设备技术机械化程度低，浪费大量的人力物力且达不到清洗目的，而国外的设备机械化、自动化程度高，但体型庞大，价格昂贵，我国消防队分布广、不集中[7]，不适合使用国外的设备。

图3 国外消防水带清洗装备

图4 装备进行自动悬挂晾晒

2 新型消防水带清洗技术与设备的研制与应用概况

2.1 第一代消防水带清洗机

目前对于水带的清洗，国内外都多是使用传统的手段，即依靠消防人员手工进行清洗。已知一条消防水带的长度大约是25 m[8]，如果仅依靠人工的方式进行处理和清洗，那么这项工作很难完成，不仅需要消耗大量的体力而且清洗后的效果也不尽人意，尽管目前国内已经生产制造了一些可以实现半自动化的消防水带清洗装置，但清洗后的效果不是特别显著，且还是又耗时又耗力。国外同类清洗产品机械自动化的程度较高，但由于制造成本太高，不适用于国内的情况。

基于以上问题，大连工业大学与大连大兵科技有限公司研究出第一代消防水带清洗机，目前可以使用的水带清洗工艺有两种方式，第一种是直接清洗，针对没有太多污染物和杂物的水带，使用毛刷刷洗和水流喷洗的方式即可处理；第二种工艺是针对于有过多脏物的水带，清洗流程为，首先将水带放入专用的液体仓中浸泡，之后使用化学试剂对其产生清洗效果，可以实现对水带的初步清洗，再结合第一种工艺达到最后的清洗目的。

2.1.1 第一代消防水带清洗机工作概况

如图5所示，水带浸泡装置[9]长1650 mm、宽950 mm、高1000 mm，功率1.7 kW，用水量为450 L/次。浸泡仓分为十格，每格每次可放置一卷水带，采用PLC控制方式进行自动控制，通过触摸屏手动设置浸泡水带的时间，时间可以根据水带表面的污染程度来确定，向浸泡仓注入清水之后，加入特定的清洗剂，开启设备，待浸泡结束后，开启排水口将其排至下水道，完成初步清洗。

图5 消防水带浸泡设备

由于消防水带表面的污染程度以及污染物的成分存在差异，消防水带浸泡的时间也有差异。根据多次试验结果显示，在水带污染程度较低时，一般情况下清洗次数可以为1～2次，清洗时间在2～5 min；当消防水带污染程度较高时，需要将消防水带先在浸泡设备里完全浸泡5～10 min，等浸泡结束后，把消防水带运送至清洗设备清洗1～3 min即可，清洗速度快且效果显著。

如图6所示，消防水带清洗机[9]长2350 mm、宽820 mm、高1550 mm，功率1.4 kW，用水量8 L/min，每次可以清洗2卷水带。开启设备时，提升上盖，使上排毛刷和下排毛刷之间留有足够间距，把消防水带放入清洗箱中，由控制箱来对水液位的高度以及往复的清洗次数进行控制，等待清洗工作完成后，将水带从清洗箱中拿出，然后重复循环清洗操作。按对称放置的方式在清洗机的两侧分别放置一台步进电机，通过控制箱的控制，使其中一侧的步进电机启动旋转，在旋转的同时将水带缠绕到电机连接的主轴上，在缠绕后另外一侧的步进电机就会停止工作，但在消防水带的作用下，另外一台步进电机会一同发生旋转，于此就会完成消防水带从一侧移动到另外一侧的工作，在消防水带移动的同时清洗设备会对水带完成清洗工作。最后人为控制清洗次数来保证水带的清洁程度。

图6 消防水带清洗设备

2.1.2 第一代消防水带清洗机测试评估

在大连消防支队进行了多次清洗实验，并由消防员进行实时的现场测试。随机在现场选取部分未进行清洗过的水带进行操作。通过实验可以清晰地展示本设备的一些显著优点，例如设备清洗的速度快、操作简易方便，且设备大小适中、方便推拉等。通过计算可知本设备清洗两盘水带的时间大约为2～5 min，而采用人工清洗的方式，刷洗一盘水带至少需要15～20 min，且在人工操作的过程中，若操作不当，还容易损伤水带表面，直接影响水带使用寿命。

2.2 第二代消防水带清洗机

目前社会发展的速度越来越快，消防问题对于人类生命安全尤为重要[10]。火灾的频发对消防水带的清洗工作带来更大的压力。对于普通火灾过后的消防水带，使用第一代水带清洗机可以将水带清洗至达到要求。可对于带有化学污染的火灾过后的水带，水带上可能会残留化学试剂，这时候普通的机械式毛刷清洗就难以将水带清洗干净。因为通常使用的消防水带是用橡胶作为内衬，在水带的外面包裹着亚麻类编织物，属柔性材料，对于此类材料的清洗需要特别注意，于此Q.Li等[11]研究了超声波清洗羊毛的手段，实验后可以发现此种方式清洗的效果相较于人工清洗效果好很多，并且对纤维产生的损伤大大降低。

大连工业大学与大连大兵科技有限公司、大连消防支队联合开发了新的清洗方式，将机械式毛刷清洗、高压水射流及超声波清洗三种清洗方式集于一体，制造生产了消防水带清洗机，该机器已可实现四条消防水带一起清洗、往复清洗及自动收卷的功能，如图7所示。此设备长1500 mm、宽1000 mm、高1500 mm，电压220 V，功率1.5 kW。

图7 第二代消防水带清洗机

2.2.1 第二代消防水带清洗机原理

设备主要由三大系统结构组成，包括测控系统、清洗系统和机械系统。首先对设备相关的设置及参数进行检测和控制，PLC控制系统对超声波电源及各阀门进行控制。其次运用混合清洗的方式，包括化学浸泡装置、超声波清洗装置、毛刷清洗装置和水射流清洗装置。超声波清洗装置主要由换能器、超声波发生器和清洗槽三个部分组成[12]。

本操作设备的工作原理是基于信号的转化以及超声波的振动产生的空化现象。其具体实现过程是：首先由超声波发生器发射出来电磁信号，然后通过换能器将所发射的电磁信号转化为清洗剂的超声振动，通过振动的作用，使设备水槽内发生空化现象。对于空化现象的具体解释为，水带在超声波水槽中时，当超声波工作则水带表面就会发生这种空化现象，而这种空化现象在超声波的作用下，促使清洗剂中的空化核发生了一定的振动，当声压上升到一定阈值时，空化核就会迅速膨胀，膨胀到一定程度后则会发生破裂，破裂后在水带表面形成冲击波，且伴随着在气泡周围形成的高温，将水带表面的污渍以及化学残留物瓦解，以达到清洗污渍的效果。最后通过链传动方式使水带向前运动，采用升降机构来实现水带的自动收卷[13]，如图8所示。设备两侧设计了可以上下拉动的玻璃门，这样做控制了清洗时清洗剂的喷溅，且有效降低了设备噪音。

该清洗设备通过混合清洗的方式，首先将消防水带放置在装有化学清洗剂的超声波水槽中，然后利用化学清洗剂分解水带上的污染物，接着再通过超声波产生的振动，使污染物振动脱落或者使其松动，继而使消防水带通过带有高速转动的毛刷清洗掉表面污染物，最后再利用水射流清洗水带，从而达到消防水带清洗的目的。伴随清洗次数的增多，清洗介质的差异会影响到清洗效果，根据不同的污染程度，可以采取不同的清洗方式。如果消防水带上的污染物少，只有少量的泥土和灰，可以采取清水作为清洗介质，通过清洗剂的往复清洗，完全可以将水带清洗干净。如果消防水带上的污染物多，除泥土和灰尘外，还有大量的油渍和一些化学残留物，则采用清洁剂作为清洗介质，通过设备反复清洗，从而达到清洗效果。

使用超声波清洗机后，不仅可以避免手工清洗对工件产生的损害，还大大降低了工作人员的劳动强度[14]，也减少了有毒溶剂对人体健康的损害，切实实现了节能环保的理念。清洗剂可以多次使用，降低成本[15-17]。

2.2.2 第二代消防水带清洗机测试评估

超声波清洗分别给予不同强度的振子，效果如图9所示[18]。

图9 给予不同振子清洗前后效果图

影响消防水带超声波自动清洗机对于消防水带清洗效果的因素，除了清洗时间和清洗介质外，毛刷清洗机构和超声波清洗机构也起着不可替代的作用。毛刷清洗机构对清洗效果的影响主要表现在两个方面：毛刷的转速以及刷毛压过水带留下的水痕。而影响超声波清洗机构的清洗效果的因素更多一些，在这其中最重要的是超声波频率、超声波密度、介质种类、介质温度等。

综上所述，用超声波清洗技术来清洗消防水带可以达到更好的清洗效果，与传统的人工清洗方式相比更加高效且优势显著。

2.3 消防水带晾晒机

2.3.1 第一代消防水带晾晒机

大连工业大学、大连大兵科技有限公司以及大连消防支队三方联合开发了一台消防水带晾晒收卷设备，该设备采用了滑轮组传动机构，属于链传动与单向传动机构，能实现水带的悬挂晾晒与自动收卷两项功能，如图10所示。

1.卷扬机；2.槽型钢条；3.链条单向传动盘；4.链条；5.滑轮；6.钢丝绳；7.消防水带。

该设备工作原理如下：通过墙壁上的滑轮以及钢丝绳使卷扬机固定在墙壁上，之后通过滑轮的作用带动装置整体自动上升，且在装置上升的同时，利用驱动作用使主轴发生正转，然后带动钢丝绳绕进卷扬机，此过程发生后，钢丝绳会产生一个反作用力，可带动底板上升，与此同时，单向传动机构不工作，水带轮盘在单向传动机构作用下也不会发生旋转，当底板上升到指定高度时就会停止工作。当装置开始下降时，链条单向传动盘发生正向旋转，钢丝绳逐渐伸开，消防水带在底板的带动下开始下降，此时链条单向传动盘和收卷轴链条在单向传动机构作用下将水带收卷成盘状，通过这种操作过程实现水带的自动收卷工作。

对研究成功后的消防水带自动晾晒收卷装置进行测试。通过设备拥有的智能控制系统和自动操作机构，可以实现将水带在室外晾晒、对折收卷等功能[19]，如图11所示。在完成各项试验任务过程中未发生停机、爬行、脱落和异响等现象，各承载部件和传动部件未发现开裂和异常变形。消防水带自动晾晒装置设计巧妙、操作简单，降低了消防官兵的劳动强度，提升了工作效率。

图11 消防水带晾晒机

2.3.2 第二代消防水带晾晒机

在第一代消防水带晾晒机的基础上进行改良，研发出了新一代的消防水带晾晒机设备。该设备可实现对消防水带的自动晾晒和收卷，装备内部是由驱动电机、电葫芦升降装置、收卷机构、控制柜、操作面板等结构零件组成。设备选用欧姆龙PLC及人机交互界面，通过这种装配手段可以实现对操作仪器的控制和操作。它是一台将自动和手动结合于一体的设备，可以通过触摸屏上的按键对设备进行一键启动和停止的操作，设备的实时运行情况也可以通过这种方式来监控。设备运行过程中，采用、双轴移动机械臂，实现对水带挂钩组的抓取、移动等行为，实现多工位水带晾晒工作，如图12所示。

日常消防任务完成后需要对消防水带进行清洗，这就导致了有很多的问题需要解决，例如水带清洗完成后没有特设的地点进行水带晾晒，以及晾晒占地面积过多导致生活空间缩小且晾晒后的水带干燥程度也无法达到要求的标准，可能会对于后期的使用产生影响。平时的晾晒地点多数是在可以运动休息的操场上，这种情况让消防人员的生活变得非常不便，如何占用最小的生活空间完成晾晒工作是一大问题，而若引入水带晾晒机构，利用高空空间悬挂水带，充分风干水带多余的水分，就既高效保证了干燥程度，又不会占用过多的生活及地面空间，对比明显。清洗后的水带在晾晒完毕后，干燥的水带会通过收卷机构进行收卷。

该设备还采取了电伺服控制技术，利用机械手对水带挂钩组进行抓取，自动完成水带从晾晒工位到收卷机构的移动过程。与传统的水带清洗晾晒相比，本设备的一大优点为，可通过PLC控制系统，利用设备自有的数据库系统，自动完成消防水带的晾晒及收卷一系列工作，数字化程序代替传统工艺手段，大大提高了效率。基于目前所掌握的消防水带晾晒基本原理，大部分消防基地以及各级消防编队可在日常办公楼墙壁侧或训练塔侧端安装此晾晒机构。

3 总结与展望

目前的消防水带清洗和晾晒装备，虽然在一定程度上降低了劳动强度，但功能单一，仍然属于机械化半自动化产品，工作效率还是较低，而国外的类似装备自动化程度高，但价格昂贵，建立一整套系统需几百万甚至上千万，且还需要专门的维护人员，大大增加了成本，不适用于国内的情况。针对种种问题，基于现有情况进行技术突破，大连工业大学和大连大兵救援装备有限公司将进行消防水带智能化清洗与晾晒一体机的关键智能技术的研发。

应用人工智能技术、传感监测技术，不仅可以提高一体机的自动化程度，还可以提高其智能化水平，更可以进一步增加一体机的可靠性，降低设备所需的维护成本；实现故障诊断智能化等。通过自动检测污水的过滤程度，对污水实现智能化反复过滤，确保经过过滤后排出的水能够循环使用，以实现最大程度的环保和可循环利用。实现设备工作过程的自动测控，构建消防水带智能化清洗晾晒一体机的人工神经网络，采集消防水带表面的污染程度数据，智能检测清洗物品表面的污染程度，根据内置数据库进行污染程度比对，进而对不同污染程度的水带进行不同时长的清洗；并通过智能算法，使清洗晾晒过程中的温度、湿度、排风送风等可以智能化调节。通过测温探头可以测量晾晒室内的温度、湿度，在温度和湿度没有达到预定标准的时候，计算机会按照预先设定好的程序，自主采取措施以达到预设情况，例如温度高于预设时，计算机就会控制设备自动打开通风机，直至温度降到规定的范围内；而温度低时，就会打开相关的升温设备，提高室内的温度，使得问题得到最优化的解决，大大降低劳动强度。

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Research Progress on Cleaning and Drying Technology and Equipment of Fire Hose

MENG Xiangyi，LIU Yanqiu，WANG Jing，FENG Yiran，LU Jinshi，JIN Zhiyuan，LIU Lei，TAO Xueheng

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China;2.Dalian Dabing Rescue Equipment Co., Ltd.,Dalian 116600,China)

This article reviews the domestic and foreign research progress on the technology and equipment of fire hose cleaning and drying, and analyzes the application in actual work from two aspects of the technology and equipment of water hose cleaning and drying. Aiming at the problems related to the existing fire hose cleaning and drying technology and equipment, through the research on the actual work of the fire hose cleaning and drying equipment developed by Dalian Dabing Rescue Equipment Co., Ltd., the effect of cleaning and drying of the hose under different conditions is explored, and the performance of the new type of fire hose cleaning and drying equipment in work is summarized, which provides a reference for the improvement of the cleaning efficiency and mechanized intelligence of fire hose and the upgrade of equipment technology in the future.

fire hose；cleaning；drying；equipment technology；mechanical automation

TU998.13

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.05.002

1006-0316 (2021) 05-0007-08

2020-09-24

孟祥毅（1996－），男，吉林白山人，硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计。

刘艳秋（1971－），女，黑龙江五常人，硕士，副教授、硕士生导师，主要研究方向为机器视觉、机械设计及理论，E-mail：liuyq@dlpu.edu.cn；陶学恒（1963－），男，北京人，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为自动化机械装备与配套技术研发，E-mail：xhtao@dlpu.edu.cn。