关于城市高层供水主战压缩式空气消防车的设计开发

徐艾青，薛 涛，李凤斌，梁江富

（湖北三六一一应急装备有限公司，武汉 430000）

城市高层供水主战压缩式空气消防车（以下简称压缩空气消防车）主要用于城市消防灭火，具有高效泡沫灭火、抢险救援、火场照明和水罐泵浦4大功能。可用于城市火灾中高层供水，也可用于城市街道社区等狭小区域的火灾扑救。该城市高层供水主战压缩式空气消防车采用断轴式取力器取力，驱动高压水泵和压缩空气泡沫系统，高压工作模式下可将水从地面输送至城市高层，扑灭高层火灾，常压工作模式下可输出压缩空气泡沫灭火混合液或B类泡沫混合液，扑灭A类和B类火灾。

1 主要技术参数及要求

城市高层供水主战压缩式空气消防车主要用于城市消防灭火，水泵为高低压转换离心式水泵，具备低压大流量供水和高压高层供水模式。可输出高压纯水或CAFS A或B类泡沫，用于扑灭高层和任何A和B类火灾。

消防泵常压流量为100 L/s；消防泵常压压力为1.0 MPa。

消防泵高压流量为20 L/s；消防泵高压压力为4.0 MPa。

供水高度大于等于200 m。

压缩空气系统额定供气量为100 L/s；额定供气压力为0.85 MPa。

消防炮额定流量为80 L/s。

水罐容积为4 800 L；A类泡沫罐容积为300 L；B类泡沫罐容积为700 L。

升降照明灯功率为4×1 000 W；升降照明灯离地高度为7 m。

2 设计方案

该消防车主要是采用压缩空气的方式喷射A、B类泡沫混合液，主要用于大型A、B类火灾和高层供水，200 m以上高层供水；泡沫混合比例0.1%~3.0%，相对于普通泡沫消防车具有用水、泡沫量少、泡沫灭火渗透力强、复燃性小和灭火效率高的特点。

为满足城市高层供水主战压缩式空气消防车的功能需要和性能要求，采用的设计方案是：①根据整车的载重量、外形尺寸及消防泵功率要求，选用18 t 4×2型汽车底盘，底盘功率大于等于245 kW；②设计整体副车架，通过螺栓固定于汽车底盘上，通过弹性支撑连接罐体，满足汽车底盘的连接，满足罐体及上装部分的承载要求；③汽车变速箱输出的第一根传动轴中间位置加装断轴取力器，取力器驱动上装传动轴为高压水泵和压缩空气泡沫系统提供动力；④按作业功能需求设计，布置器材箱、罐体、泵房及管路系统等；⑤断轴取力器和水泵集成一体化设计，提高机械传动效率，合理优化管路，减少阻力，提升系统运行平稳性；⑥后器材箱采用铝合金无骨架拼接结构，整体无焊接位置，避免了焊接变形。

该压缩空气消防车在底盘大梁上布置整体副大梁，驾驶室后部布置泵房，泵房左侧布置操作面板，泵房两侧布置消防泵进、出水管路，泵房内部集成断轴取力器和压缩空气泡沫消防，泵房后部布置罐体，罐体两侧布置前器材箱，罐体后部布置后器材箱，上装顶部布置吸水管翻转机构。

高层供水主战压缩式空气消防车结构示意图如图1所示。

图1 高层供水主战压缩式空气消防车结构示意图

3 主要部分系统设计方案

3.1 断轴取力器和压缩空气泡沫系统

断轴取力器和压缩空气泡沫系统由断轴取力器、联轴器、转速传感器及压缩空气泡沫系统等组成。

采用断轴取力器，提高传动效率。经过水泵实验平台测试，常规的取力方式（夹心取力）只能提取发动机约60%左右的功率，在满足高机动性的前提下，底盘轴距受限，导致底盘发动机功率受限，从而影响消防泵的输入功率。经过实验对比的方法，对照水泵工作曲线，每缩短1根传动轴，传动效率提高2%~4%，采用减少传动距离的方式提高传动效率，采用断轴取力器，取力器直接与底盘传动轴相连，发动机一轴传导扭矩到第一根传动轴，断轴取力器直接安装在第一根传动轴中间，功率损失极少，取力器与水泵集成在一起，取力器直接与水泵输入轴相连，除去取力器自身效率，几乎没有功率损失；采用断轴取力器取力，可在有限的发动机功率下，最大限度输出功率，从而使水泵实现各种工况。

压缩空气泡沫系统由消防泵、空气压缩机、泡沫泵、流量计、低液位传感器、泡沫比例混合器及阀门等组成；断轴取力器为压缩空气泡沫系统提供动力。增加断轴取力器后，水泵在工作过程中，由于车辆未行走，底盘变速箱一轴转动，会对底盘主电路产生错误的反馈，导致底盘故障。根据变速箱结构原理，可以将传导信号源修正，解决误报警问题，同时将转速传感器安装于断轴取力器后部，避免消防泵工作时车辆计算行驶里程出现误差。

选用多级泵，具备大流量常压工况和小流量高压工况，在满足消防泵轴功率的情况下，使城市高层供水压缩空气主战消防车同时具备大流量供水和高层供水的功能，消防泵设置常压和高压2种模式，切换为高压模式，泵输出流量20 L/s，输出压力4.0 MPa，可实现200 m以上高层供水；切换为常压模式，泵输出流量100 L/s，输出压力1.0 MPa。

在消防泵常压模式下，启动压缩空气泡沫系统，消防泵为系统提供灭火介质水，流量计测试水流量同时反馈给泡沫比例混合器，泡沫比例混合器根据预先设置的混合比控制泡沫泵转速，使水和泡沫始终按预先设定的比例进入系统，同时空气压缩机将大量空气注入系统，水、泡沫和空气共同作用，产生大量泡沫灭火混合液。

阀门上的控制装置可根据预选设定的“干泡沫”或“湿泡沫”状态，自动控制阀门开度，调节灭火混合液中水的占比。

3.2 泵房和管路系统

泵房和管路系统由泵房框架、控制面板、管路系统和消防炮等组成。泵房采用整体铝框架结构，控制面板集成在泵房框架左侧；管路系统由B类泡沫管路、A类泡沫管路系统、消防泵进水管路和消防泵出水管路、消防炮管路等组成。管路采用软管、硬管和哈弗接头等多种连接方式，管路上设置可显示出口压力、进口真空度的多种传感器，安装管路冲洗装置，管路排空装置，实现管路冲洗和排空功能。

3.3 整体副车架

整体副车架采用整体贯通式副梁结构，副梁上的安装支座上连辅梁，下连汽车大梁，弹性支撑连接罐体，整体式副车架前后贯穿整个上装，既保证了柔性连接又保证了强度。

3.4 罐体

罐体由水罐、A类泡沫罐和B类泡沫罐组成。罐体整体为品字形结构，前部两侧为前器材箱留够空间，A类泡沫罐、B类泡沫罐根据容积状况，制作成独立罐体，嵌入进水罐。罐体采用不锈钢材质，采用氩弧焊焊接方式，避免罐体变形。

3.5 后器材箱

后器材箱由器材箱框架、发电机、升降照明灯和器材附件等组成。器材箱框架采用铝合金无骨架结构，整体无焊接位置，避免了焊接变形；所有部件均为铝板折弯，通过三维设计，所有铝板下料时，均采用激光切割机将折弯后的安装孔切出，器材箱框架全部由螺栓连接，整体无焊接位置，环保，高效。

后器材箱内配备10 kW汽油发电机组和升降照明灯组，升降照明灯组从底盘取气，多节气动升降灯杆将云台上照明灯举升到离地7 m高度，发电机组为照明灯提供电力，方便车辆夜间作业。

4 设计计算

4.1 整车轴荷、轮荷与质心计算

坐标系：以整车一轴中心与地面的接触中点为坐标原点，以车尾方向为X坐标正向，右侧宽度方向为Y坐标正向，高度向上车厢地板为Z坐标正向。

根据内外布局情况，对车厢及主要上装设备重量和质心坐标进行核计，计算内容见表1。

表1 整车及装置设备重量和质心坐标计算表

4.1.1 质量参数计算

4.1.2 轴荷比计算

4.1.3 轴荷分布计算

最大总质量分布在前轴的载荷为N1=Gm-N2=5 405.211（kg）。

4.1.4 质心位置计算

由以上计算可得

最大总质量：Gm=16 352＜18 000 kg。

最大总质量分布在后轴的载荷为N2=10 946.789＜11 500 kg。

最大总质量分布在前轴的载荷为N1=5 405.211＜7 100 kg。符合GB 1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》中车辆的最大允许轴荷限制的要求及底盘质量分布的要求。

4.2 整车行驶安全性计算

4.2.1 纵向上坡时的稳定性

依据要求，行驶最大坡度大于等于30%（16.7°）的要求。

式中：L为单前轴与后轴的中心距；Lnk为最大质量时整车距前桥距离；Hxk为最大质量时整车质心偏移。

综上计算证明，车辆的稳定性满足车辆安全形式的要求。

4.2.2 纵向下坡制动时的稳定性

式中：Lnm为最大总质量时整车距前桥距离，mm；φ为道路附着系数，取φ=0.7；Hxm为最大总质量时整车质心偏移

故该车在下坡制动时，在纵向前翻前不会出现驱动轮打滑现象，具有良好的下坡制动稳定性。

4.2.3 横向稳定性

本车应满足使用性能中静态侧翻稳定角大于等于23°的要求。

汽车在横坡上作直线行驶的横向侧翻稳定性，满足行驶安全性的要求为

式中：B为后桥最外车2个轮胎中心距离，B=2 102 mm；Hxm为最大总质量时整车质心高度。

由上述计算可知，该车在整车布置上满足主要使用性能中对整车满载时横向稳定性的要求。

5 结束语

1）综上分析，结构部件及各分系统可以满足车辆各项指标要求。

2）车辆稳定性符合国标GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》要求。