森林消防风力灭火机研究综述

姜晨龙，汪 东

（南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

森林消防风力灭火机研究综述

姜晨龙，汪 东

（南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

介绍了风力灭火机在森林消防中的应用背景，阐述了森林消防风力灭火机的研究现状，探讨了森林消防风力灭火机研究存在的问题及对策，指出风力灭火机设计仿真制造的一体化以及风力灭火机的电动化和智能化是未来的发展趋势。

森林消防；风力灭火机；设计仿真；电动化；智能化

0 引言

自地球出现森林以来，森林火灾就伴随发生。全世界每年平均发生森林火灾20多万次，烧毁森林面积约占全世界森林总面积的1‰以上。中国现在每年平均发生森林火灾1万多次，烧毁森林几十万至上百万公顷，约占全国森林面积的5‰～8‰。1987年5月6日大兴安岭发生的特别重大森林火灾，大火持续了21天，过火面积101万hm2，烧毁房屋、设备、各类基础设施数量巨大，受灾群众达5万多人，死亡193人，受伤226人，直接经济损失约5亿元人民币。这仅仅是森林火灾直接造成的损失，此外还破坏生态环境，生态及气候调节也受到影响，自然环境温度升高、土地干旱、荒漠化、山洪暴发，其造成的间接危害也是不可估量的。由此可见，森林火灾是当今世界最严重的自然灾害之一。我国的森林火灾频发，防火和灭火的形势严峻。在1987年“5·6”大火之后，风力灭火机逐渐成为我国森林火灾十分重要的灭火机具，也是专业灭火队伍配备的主要灭火机具之一，具有良好的灭火效果，发挥了非常重要的作用。目前森林灭火便携式机械仍然以风力灭火机为主。如何提高其灭火效率，重点就是现有风力灭火机的不断优化和新型风力灭火机的研究和开发。

1 风力灭火机研究现状

风力灭火机的基本功能是用风力灭火。风力灭火机的工作原理是用高速强制气流吹散燃烧物产生的火苗和热量，以气流隔断火苗与燃烧物，破坏其继续燃烧的条件，直至燃烧物表面温度降到燃点以下，达到灭火的目的。随着时代的发展和科技的进步，人们对风力灭火机提出了更高的要求。国内相关机构对风力灭火机做了大量的研究，取得了一定的成果，为风力灭火机的进一步完善提供了参考。国内风力灭火机的研究主要集中在风力灭火机设计及多功能化、风力灭火机仿真及试验研究、轴流式风力灭火机研究以及风力灭火机人机工程学研究等方面。

1.1 风力灭火机多元化设计研究

风力灭火机最初的设计理念是1979年我国东北伊春林区一名老伐木工人郭跃增提出的,并用西北林机厂生产的高把油锯GJ85改装了最早期的风力灭火机的样机，经过小范围的灭火实践，同年提请西北林机厂进行设计制造。在风力灭火机的开发设计中，西北林业机械厂最先用本厂产品GJ85高把油锯和3MF-4弥雾喷粉机进行改制，并于1981年小批试生产SF85型手提式风力灭火机[1]。之后，黑龙江森保所、泰州林机厂等单位陆续设计了多款风力灭火机，在手提式基础上开发了背负式，在功能上设计增加了喷水、喷粉、喷土、弥雾及点火等功能，实现了风力灭火机的多功能化。2010年中南林业科技大学提出了CO2气瓶辅助风力灭火机的设计方案[2]。2014年中国农业大学研究团队提出通过空气引射增大其出口空气流量，减缓风速衰减，并对无扩压空气喷射器进行了设计[3]。2014年中国农业大学研究团队在风力灭火机的基础上提出便携喷粉式风力灭火机、手摇式喷粉灭火机、中型喷粉式风力灭火机等设计方案[4]。从2009年开始东北林业大学的研究团队基于动力底盘的思路分别就机载式大功率风力灭火机、履带手扶步进式风力灭火机和履带遥控双风机等机载式风力灭火机进行了设计研究，设计结构主要包括履带式或轮式行走机构、风机系统和智能控制系统等[5]。总而言之，随着作业要求的不断提高和科技不断发展，风力灭火机的设计将更加多元化，设计方式将由粗放式注重功能实现向精细式注重性能提升转变。

1.2 风力灭火机仿真及试验研究

随着计算流体力学的发展，数值模拟技术已经成为研究流体机械内部运动规律、预测流体机械性能的一种重要手段。森林消防风力灭火机复杂的内部流场可以用CFD软件进行分析，借助控制微分方程、紊流子模型、三维几何模型的建立与流动区域的离散化等，对计算结果进行分析。早在1987年西北林机厂和浙江大学成立联合研制组，对风力灭火机出口后湍流场进行数值模拟计算，改善了风机的气动性能[6]。2003年，南京森林警察学院研究团队借助CFD软件对风力灭火机内部气流进行仿真分析[7]。从2007年开始，北京林业大学研究团队基于CFD软件，对轴流式风力灭火机流体仿真方面进行了相关研究。2011年开始，中国农业大学的研究团队基于CFD对风力灭火机进行多目标优化研究，基于CFD-DEM耦合法对风机风筒进行优化研究[8]。因为数值试验不能替代实际的试验，所以数值试验总是和实际试验同时进行，相互补充[9]。因此，设计适合森林消防风机特点的性能试验装置就非常关键，2016年黑龙江森保所研发了一种便携式风力灭火机自动检测平台，可以快速对风机关键参数进行测量，为风力灭火机性能试验研究提供了便利[10]。

1.3 轴流式风力灭火机研究

便携式风力灭火机大多数都采用离心式风机。离心式风机的缺点是气流经过叶轮时流速和方向都要发生很大变化，这样风压较高，能耗较大，灭火效率低，同时噪声和振动也大。而轴流风机中气体是沿轴向进入和排出的，没有离心惯性力，产生的风压很小，产生的风量和出口风速很大，能提供强大的高速空气射流，符合便携式风力灭火机所需要的灭火要求，有助于便携式风力灭火机灭火效率的提高。从2007年起，北京林业大学研究团队对单级轴流式风力灭火机、旋式轴流式风力灭火机、多级轴流式风力灭火机等进行系列研究，主要是基于叶型、叶片数、叶片安装角、风筒等结构对风机气动性能的影响进行了数值模拟分析，并进行了气动性能试验，同时将试验与数值模拟结果进行对照，论证了数值模拟的可靠性，为研究新型轴流式风力灭火机提供了理论依据[11]。

1.4 风力灭火机人机工程学研究

便携式风力灭火机工作时，振动强烈，其产生的振动直接作用于手臂，长期承受局部振动会对机体造成损伤，严重影响工人的健康。强烈的噪声对人的生理和心理也有一定的影响，不合理的操作姿势和操作规程也会对人体造成不良影响。所以，从人机工程学角度对便携式风力灭火机进行评价，进而提出合理的优化建议和操作规程是很有必要的。早在1996年，黑龙江森保所研究人员首先开展了风力灭火机对人体的影响及防护对策的研究[12]。2001年起，北京林业大学研究团队就人体平衡功能与便携式林业机械作业安全关系进行研究，风力灭火机气动噪声分析、风力灭火机振动及其沿人体手臂传递特性研究，以及系统的风力灭火机的人机工程学研究[13]。

2 森林消防风力灭火机研究存在的问题及对策

2.1 森林消防风力灭火机设计仿真制造集成度不高

森林消防风力灭火机的设计主要包括动力传动机构、叶轮、导叶、风筒等，其设计主要以理论结合经验设计为主，通过计算机辅助进行参数化建模和图纸绘图，并通过计算机流体仿真软件进行模拟仿真。近年来，建模软件和仿真软件得到了迅猛的发展，但是各有侧重，有些侧重建模，有些侧重流体分析，很少有专门针对森林消防风力灭火机的设计仿真一体化集成软件，所以在模型数据导入导出时难免出现数据丢失的问题。另外，计算机性能、网格划分质量、参数的设置也直接影响分析结果，因而仿真分析结果并不完全可信，还是需要进行实际试验的验证。制造环节需要进行二维图纸的标准化标注、加工工艺和路径的设计。虽然仿真分析给改进设计方案提供了一定的参考依据，但是由于集成度和精确度的问题，效率仍然有提升的空间。此外，随着增材制造、智能制造技术的发展，设计与制造将会更好地集成，进一步地缩短周期，降低成本。

2.2 森林消防风力灭火机燃油消耗经济性不高

森林消防风力灭火机大多采用汽油机驱动，为了提供润滑，将汽油和机油按比例混合。由于林火扑救具有情况紧急、灭火时间长，燃油消耗大等特点，在实际操作过程中很难保证按规定比例混合。混合比例直接影响风力灭火机的使用性能。混合比例不当容易导致风力灭火机工作故障，另一方面，风力灭火机的燃油经济性也很难保证。同时，由于风力灭火机工作方式比较粗放，往往存在漏油、排放浓烟废气等不经济、不环保的现象。因此，有必要对燃油的高效利用进行研究，提高燃油经济性，减少有害废气的排放。同时，采用更加方便的燃油供给方式，保证燃油存储的密封性，避免燃油的泄露。此外，还可以考虑采用电动风力灭火机替代传统的汽油风力灭火机，实现风力风灭火机的电动化，进而达到更加节能和环保的目的。

2.3 森林消防风力灭火机操作舒适性不高

风力灭火机由汽油机提供动力，汽油机本身和燃油的重量占比比较大，同时内燃机、叶轮工作时振动和风机工作气流的作用，导致操作工作强度大。由于风机都在火场中工作，温度高、粉尘颗粒多、振动产生的噪声大，整个工作环境恶劣，稍有不慎，还有可能造成安全事故。所以，如何降低工作强度，提高风机操作的舒适性、安全性就显得非常必要。比如可以从结构轻量化设计、材料的选择等方面进行研究，借助相关软件进行振动和噪声的仿真分析，依据仿真分析的结果进行优化设计，从而达到轻量化、减振和降噪的效果。可以根据风力灭火机的工作特点，设计合适的安全保护装置和个人防护装备，以提高风机使用的安全性。此外，还可以考虑通过实现风力灭火机的智能化，将操作人员从繁重的作业中解放出来，改为在后方远程操控，从根本上解决森林消防风力灭火机舒适性不高的问题。

3 森林消防风力灭火机的发展趋势

3.1 风力灭火机设计仿真制造的一体化

以往的风力灭火机设计、仿真试验和制造都是分开单独进行，各环节存在一定程度的脱节，研发周期长、成本高。随着计算机技术、增材制造技术、智能制造等新技术的发展，风力灭火机设计仿真制造的一体化已经成为可能。通过计算机实现参数化设计与性能仿真，基于仿真结果对设计进行优化，这样缩短了研发周期，节省了成本。同时，通过智能制造技术，三维设计模型可以直接生成加工路径，实现零件的加工，省去二维图纸的转化标注等环节，大大提高风力灭火机的设计制造效率。随着中国制造2025、智能制造等理念的提出，风力灭火机设计仿真制造的一体化是未来的发展趋势。

3.2 风力灭火机的电动化

传统风力灭火机采用小型汽油机驱动，存在燃油经济性差、润滑磨损、振动、噪声、废气排放等问题。随着电机技术和蓄电池技术的不断发展，电机和蓄电池的体积不断减小，蓄电池的蓄电量不断增加，使得电机驱动的风力灭火机成为可能。电动风力灭火机具有环保、节能、工作稳定等特点。由于电机和电池的轻量化，在风机性能不受影响的情况下，电动风机比汽油风机更加轻便，操作强度也得到很好缓解。然而，电动风机是通过电池给电机供电，电池的容量是一定的，存在单个电池不能持续工作的问题，所以有必要解决好蓄电池的快充和电池的便捷更换。随着国家绿色发展理念的提出，人们节能环保意识的不断加强，电动风力灭火机将是风力灭火机未来发展的一种可行方案。

3.3 风力灭火机的智能化

常规风力灭火机为便携式风力灭火机，分为手提式风力灭火机和背负式风力灭火机。作业时一人一机，重量大，离火源近，工作人员的工作强度大、工作危险性高。因此，如何将工作人员从危险的工作环境中解放出来，实现风力灭火机的智能化将会是研究的重点方向。风力灭火机的智能化主要包括行走的智能化、环境识别的智能化、工作装置的智能化。智能行走可以采用将风力灭火机安装在动力底盘上，比如履带式和轮式动力底盘，通过控制底盘的行走实现风机的自动行走。环境智能识别可以采用数码相机采集图像，再经过计算机视觉技术进行处理，对工作环境进行识别判断。工作装置安装在动力底盘上，应可以实现360度旋转和俯仰动作、风机的自动启停以及风速和风量的调整。

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S762.3

A

2017-09-19

中央高校基本科研业务费专项资金项目资助（LGYB201617）

陈小华）