多功能森林消防车改进设计与改造方法研究

朱 陈

（安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237100）

1 水罐消防车特点及其基本构成

消防车是应对火情的重要工具，一款功能强大、性能稳定的消防车能够有效降低火灾造成的经济损失和人员伤亡。因此，有必要根据消防车的作业环境对消防车进行功能改造与优化设计，以确保消防车功能的实现。水罐消防车是消防车中的一个大类，是我国最主要的消防车类型，我国约有15 000 辆在役水罐消防车[1]。水罐消防车本质上就是搭载水罐的运输车辆，同时搭载与本车发动机相连的车载水泵作为高压水枪的动力源，通过管路连接水罐、水管、水枪形成能够装载大量水并通过高压水枪喷射灭火的消防车辆。从根本上来说，水罐消防车就是具备较强荷载能力的水运输车辆。

水罐消防车能够以发动机为动力源驱动水泵，从而将水加压输出，最终通过水源直接淋灭火源来实现消防目的[2]。水罐消防车诞生于20 世纪初期，是最早发明的消防车，随着水罐消防车不断完善，其成为现阶段专用的消防车辆之一。根据水罐的荷载量，通常将水罐消防车分为小型（2 t～5 t）、中型（8 t～12 t）、重型（14 t 及以上）3 种规格[3]。相较于其他消防特种车辆（干粉消防车、泡沫消防车、消防救援车等）来说，水罐消防车更具泛用性，一方面是水罐消防车的荷载量较大，允许进行长时间作战，在各种规模火情中均能够良好表现；另一方面则是与水灭火的特性有关，相较于其他灭火技术而言，高压水枪喷射灭火的技术成本、环境成本、人力成本更低，可用于多种类型火情，只有极少数特殊火情不适合使用水灭火（油气火灾、特殊化学制品火灾等）[4]。正是因为水灭火具有极高的泛用性，即使高压水枪喷射灭火效率偏低，但仍是最普遍的、最常用的火情应对策略。

常见的水罐消防车由3 个部分组成，分别为二类汽车底盘（基本车辆框架）、水罐（水源容器）和水泵系统（加压喷水系统）。其中，二类汽车底盘是水罐消防车的基本框架，所有的仪器、设备均由底盘搭载；水罐是水罐消防车储存和荷载水源的容器，通常为具备有限通道或缺口的密闭容器；水泵系统是水罐消防车功能实现的基础，也是水罐消防车应对火情的工作单元，是水罐消防车的核心所在。

2 森林消防车的功能需求

2.1 复杂的路面环境

森林地区不同于城市地区，消防车的作业环境复杂多变，有些森林处于地势相对平坦的区域，有些则处于多水体的沼泽湿地周边，也有存在于高山丘陵的森林地带。总的来说，森林消防车的作业环境复杂多变，路面条件较差。因此，森林消防车应当具备相当的地面适应能力，能够在平原、丘陵、湿地周边保持高速运动，以适应森林消防安全需求。

2.2 多变的作业条件

相较于平原城市地区而言，森林消防工作的作业条件更加多变，消防车应当能够满足地表作业、中等高度作业、斜坡作业等各种消防作业条件，以更好地完成各种各样的森林消防安全工作，即森林消防车能够适应森林多变的消防作业环境，在多种环境中均能够保持良好的操纵稳定性和使用安全性[5]。

2.3 多样的工作需求

森林消防安全管理和城市地区消防安全管理在工作内容上存在差异，森林消防车的工作需求更加多样，不仅仅局限于应对森林火情[6]。我国森林资源主要分布于远离城市的乡村地区、山区、边缘地区，相较于城市而言，这里的资源更加有限。因此，消防车往往还需要兼具其他功能，比如农业供水车、山区降尘洒水车、区域绿化浇水车等，森林消防车应当能够满足多元化的工作需要。

3 多功能森林消防车改进设计与改造

3.1 基本功能确认

对森林消防车进行多功能化改进与改造，需要先明确森林消防车具体需要哪些功能[7]。首先，基础的消防安全功能，消防车应当具备较高的荷载水能力，以更好地应对森林火情及其他功能需求，这主要从森林火情发展快、蔓延广的角度进行考量，因此森林消防车应当以重型水罐车为基础进行多功能化的改造；其次，充分考虑森林地区消防安全作业环境，考虑到森林地区地面条件，多功能消防车应当能够适应各类地面环境、工作环境，因此在底盘、轮毂、液压升降系统上应当有所调整；最后，多功能森林消防车除了储水、送水的基本功能外，还应当能够控制水罐水加压输出模式，既能够产生灭火用的高压水枪，又能够产生用于林木浇水的花洒，还能够变成稳定出水的水龙头，以满足多功能需求。

3.2 底盘及罐体的选择

根据森林消防安全工作内容，初步确定消防车底盘信息。首先，驾驶室应当具备双排、四开门、4～6人容量空间，同时具备前后门两个出入口，以便于快速反应。考虑到安全性和使用效率，前后门二级踏步宽度应当在80 cm～85 cm 以上，以便于快速进出。在此基础上，结合我国国家标准，凡是具备消防这一特种功能的车辆必须具备良好的动力性、机动性、操纵稳定性、使用可靠性等性能，根据标准消防车性能参数以及森林消防安全实际作业条件，最终选择中型消防车底盘，其性能参数如表1所示。

表1 中型消防车底盘性能参数

考虑到改装后消防车的功能需求，拟定水罐自重和车重在7 t 左右。因此，最终选用EQ1125KJ 车底盘作为多功能消防车底盘，罐体选择为标准3 t 水罐，最终连带车底盘及上层结构，空载状态下消防车重6.9 t。

3.3 动力系统改造

为适应森林作业环境，对消防车动力系统进行优化和改造。考虑到森林中可能存在坡道、泥泞道路、湿地、地表水流等地面，因此仅适应普通道路的车轮设计并不适用于森林消防车，需要对车轮及相关动力系统进行优化设计，采用履带替代传统车轮就能够适应绝大多数路面条件。同时，考虑到实际作业期间可能存在短期涉水的情况，因此还需要进行底盘密封设计，以便在车辆涉水时保持一定浮力和防水性能[8]。在改造过程中，考虑到森林消防安全作业中可能遇到特殊情况，专门在履带最前端保留了能够连接液压装置的部件，能够根据实际需要加装推土铲等破障设备，以便于在森林、丘陵地带行进。同时，履带采用双齿单销结构，宽度400 mm，具有良好的附着性能，且单位压力较小[9]。履带以及前端可外接推土铲的设置能够保证车辆在满载的情况下快速穿越沼泽、雪地、河滩、沙漠、丘陵等复杂地带，确保车辆及工作人员能够快速到达目标地点。

3.4 改造后动力系统性能测试

采用SEA 模型对改造后车辆动力系统性能进行仿真测试，就测试结果来看，改造后消防车动力性能良好，能够适应森林区域复杂的路况，在绝大多数路况下均能够保持良好的操纵稳定性和快速反应能力，具体测试结果如表2 所示。

表2 改造后森林消防车动力性能测试结果

就动力系统来说，改造后的森林消防车已满足森林地区绝大多数路面条件，能够做到辖区内快速反应。同时，对履带前端连接推土铲后的破障能力进行了仿真测试。结果显示，在液压装置的支撑下，推土铲最高可撞断破除25 cm 直径乔木、劈开并压平高密度灌木荆棘丛，行进中也可持续保持低高度清扫前方碎石，具有良好的破障开路能力。

改造后森林消防车动力强劲、破障开路能力优秀，能够适应森林消防作业的绝大多数路面条件，唯一问题就是履带替代传统车轮后，车辆满载功率增幅较大，消防车续航能力降低。若无中途补给，单消防车能够覆盖的范围为150 km～200 km，若地形复杂、路面不良，续航距离将进一步降低。

3.5 水罐出水口改造

对消防车水罐出水口进行改造设计，主要就出水口阀门进行替换，将单向阀替换成三通，分别连接不同内径的输水管，以改变输水管出口处的输出水压，从而提高水罐消防车在森林消防安全管理中的功能性，实现多功能特征[10]。同时，在消防车两侧加设长度为3.3 m 的多孔水管，开启水泵、打开水罐出水阀，水罐水沿管路流至两侧并从各孔隙中喷出，消防车兼具洒水车功能；三通接口另外一段连接普通消防水管，水泵全功率开启时输出为高压水枪，水泵半功率开启或不开启时为一般水流，这样就兼具了高压水枪和水龙头的功能。在SEA 模拟仿真测试中，对水泵、水枪、洒水车性能进行了测试。就结果来看，水枪强度可满足森林消防需求，具体性能如表3所示。

表3 改造后消防水泵、水枪性能

为了尽可能降低消防水泵运行时的能量损耗，延长消防车的续航时间，对改造后消防车的水箱、水泵连接方式进行了调整。消防水泵由原来的车下或一侧转移至水箱顶部右侧，采用油电混合动力水泵，根据现场情况选择水泵动力源。同时，出水口设置在水箱底部左侧，若洒水或居民供水，则可以不启动水泵，通过重力让水自水罐中流出，半功率开启水泵则由电驱动，全功率开启水泵则由发动机驱动，以此来控制水泵功率，实现流量控制。此外，消防灭火仍是消防车的主要功能，为了提高森林消防管理效率，在水罐右后方保留0.5 m×0.5 m×0.4 m的带盖密封箱，箱内日常存放外接水枪软管和多种消防水炮。

3.6 其他优化设计

车头部位进行空间分割，分为驾驶室和载员室，驾驶室采用三面开窗设计，以保证良好视野。同时，调高驾驶员座位高度，以便驾驶员行驶过程中观察路面情况，提高操作的稳定性和安全性。此外，驾驶室和载员室可通过驾驶员后方小窗进行交流，也可通过车内内置电话进行交流，便于工作人员沟通协调。充分利用载员室空间，采用壁挂的方式存放森林消防安全工作中可能使用到的工具，如铁锹、绞盘、伐木锯等，以便于森林消防工作的展开。同时，采用铆接合方式设置固定锁，以更好地固定各类工具，避免意外发生。