国产首辆路轨两用消防车的开发研究

薛 林 王丽晶 田永祥 李炳泉/ 文

地下工程火灾是一大难题,尤其是地下交通火灾,即隧道火灾、隧道铁路及地铁火灾,灭火救援人员无法及时赶到施救的话,往往会造成大量人员伤亡和财产损失。
我国至今约有22个大中城市拥有了地铁,截至2013年底,上海地铁运营里程总长达567公里,北京465公里。今后地下交通救灾问题必将日益突出。
地下交通的大规模建设迫使人们重视地下交通的防灾救灾工作。隧道内必须设置供水、通风,排烟及灭火设施。如德国图林根Rudol市的Porz堡隧道有1145 米厂,在2010年开始使用固定式压缩空气泡沫灭火装置,但是人们首先想到的是开发路轨两用消防车。
路轨两用消防车在隧道内使用有许多特殊性。隧道中发生火灾后,虽然有防排烟系统,但因空间狭小仍易充满烟雾,因此消防队员必须携带个人防护装备,同时对驾驶室有密封和增氧要求。隧道中虽有供水系统,但存在恶劣环境下的取用问题,因此必须使用节水型灭火装备。狭小隧道中的大量烟雾,必然含有有毒气体成份,因此消防车必须配置侦检器材,及个人防护设备才能确保救援人员及受灾人员的安全。地下火灾的灭火救援,现场应有足够的照明设备,必须有外接市电或移动发电设备。隧道中交通事故、火灾等,往往造成交通工具变形、损坏,为援救受灾人员,必须配备各种破拆工具。
此外,还应设置牵引装置、通讯系统、器材运输推车等设备。针对地下高温烟雾环境,路轨两用消防车需设自保护系统,用于保护驾驶室和车辆轮胎。
1970年德国马基路斯制造了第一辆路轨两用消防车。底盘发动机额定功率235 kW,其轨道行驶装置采用德国雪岭公司产品。2008年北京购入的车采用底盘为BENZ 3341 6×4型,轨道轮车桥分别置于前桥与后桥之后,是分开的独立结构。上海在2009年购入的路轨两用消防车,轨道行驶机构采用整体式结构。

国产首台路轨两用消防车总体方案的思考

路轨两用消防车的国产化过程,是公安部上海消防研究所联合上海交通大学、上海金盾消防安全设备有限公司协同攻关的过程。
首先,根据初级阶段实际情况,决定在国内合资生产的二桥总质量19 t的商用底盘基础上开发路轨两用消防车。
车辆在轨道行驶的最高车速,在驱动功率足够的条件下,主要取决于车轮在轨道上的附着力,国外同类车的轨道行驶速度均在30~50 km/h之内,我们初定为30 km/h。对于消防系统的设计,主要依据同级别的抢险救援消防车。考虑地下隧道使用条件,灭火应以节水装备为主。整车载水3000 L,A类泡沫液200 L。
整车方案的关键在于液压轨道系统的设计。需要考虑转轨、驱动、制动、转向等许多技术问题。两只串接并联变流量柱塞泵,两只串接独立齿轮泵,分别用两根传动轴驱动,可同时工作,也可分开单独驱动。轨道行驶的转向受总质量限制,决定控制左右马达转速解决。制动问题,行车制动受中心马达驱动的结构限制,只能靠马达降速、反向来实现。停车制动装置为油压盘式制动,制动效果可靠。
车辆在轨道行驶的悬架,与进口车类似,举升油缸加设高强度硬橡胶悬架,刚度及变形量均符合要求。在考虑整车功能监视与控制系统时,为使设计先进、可靠,主控制器及显示模块,采用分路视频切割控制器。入轨、行驶、车辆前进与后退的监控采用一屏多路切换显示。消防系统也采用成熟的独立模块,既符合现有有关国家标准要求,又简化安装、使用和维护。

国产首台路轨两用消防车样车的结构设计

整车主要结构参数及技术性能指标参见附表,对消防系统、轨道系统和监控系统做了重点设计。
1.消防系统设计
消防系统基于常规抢险救援消防车的配置,考虑地下工程灭火的一些特殊要求。
(1)灭火及排烟设备的布置
发动机通过取力器经传动轴给中置高低压消防泵提供动力。取力器输出传动轴首先接空压机下的过渡轴,过渡轴上设置有电磁离合主动盘,过渡轴输出端接消防泵传动轴。消防泵两侧设有两只高压软管卷盘,并接高压喷雾水枪,这是实现快速进攻水喷雾灭火的主要工具。车前炮及铺设水带接移动式消防炮,进行直流或喷雾灭火。
喷雾可有效降低火场温度,进行排烟或灭火。水力排烟机,或使用电动排烟机,可实现排烟、灭火等战术组合。
压缩空气A类泡沫在隧道内是扑救A类火灾或小型B类火灾的有效节水灭火手段。
(2) 其它消防设备及自保护和牵引装置
配有5.5 kW移动式发电机组,备有4×1 kW升降式照明系统及便携式照明灯。侦检器材,可选配热像仪、有毒有害气体的侦检仪。配备4只容积300 L的压缩空气瓶,消防员每人配备双4 L瓶的空气呼吸器。通讯系统方面,可配置语音通话、数据和图像传输设备,由用户根据实际情况选配。
设置轮胎、驾驶室自保护喷淋系统。前后分别设置牵引绞盘,牵引力50 kN。
2.轨道系统设计
轨道系统包括举升系统及行驶驱动系统两大部分。举升系统又包括轨道行驶悬架装置,此外还有原车悬架锁止机构等,全由液压系统提供动力。
(1) 轨道机构液压系统的设计
开式液压系统有两只串列高压齿轮泵,小排量齿轮泵提供举升油缸、锁止油缸油压,大排量齿轮泵给前后油压绞盘及冷却风扇马达提供油压源。闭式系统为两只串列变流量并联柱塞泵,高压油量合并驱动行驶马达及停车制动盘。
(2)举升、悬架机构与应急手动液压泵
顶升油缸压力油可双向流动,缸顶有换向、锁止阀块。8个弹性减震器与每只举升油缸都起到悬架作用。
开式系统小齿轮泵出现故障时,可利用手动液压泵供应压力油以解除举升锁止及车桥锁止缸的锁止状态。
(3)行驶驱动机构
变流量柱塞泵提供200 MPa压力油给轨道轮马达,轨道轮滚动直径为500 mm,油量大小直接影响车速,液压马达持久转速可达500 r/min。液压泵与液压马达的工作关系见图3。
中央传动轴液压马达上还设有停车制动盘,停车时由油压制动锁止转轴。
3.监控系统
路轨两用消防车监控系统的主控制器为可编程控制器,显示模块为触摸式机载工控机。监控系统基本体系结构如图4所示。
该车的监控及显示参数能够满足消防实战的要求。

国产首台路轨两用消防车样车的检测试验结果

该路轨两用消防车(图5)经过上海市科委专家组验收和国家消防装备质量监督检验中心的检测,达到了预期的结果。轨道上最高车速36 km/h,入轨准备时间、0~30 km/h加速时间及30 km/h制动距离和时间,都达到预期目标。
总结经验,展望未来,我们认为:
(1)国内消防车界当前的技术水平,只要产、学、研结合完全可开发出路轨两用消防车产品,经过小批试制、工艺改进,能成为符合实战需要的产品。
(2)闭式液压系统液压油的清洁度要求达到10微米,经反复实践,加深了认识。在分立系统、分立模块布置取得成功的基础上,可向综合集成化方面改进。
(3)产品批量生产前,各系统总成应建立综合试验基地,保证其总成的可靠性、耐久性。
(4)路轨两用消防车的扩大应用,消防管理部门、地铁建设及运营管理部门和制造商之间,尚有许多协调工作要做。地下工程交通安全的保障,需要从规划、法规及管理各个方面共同努力。

图1 马基路斯路轨两用消防车
图1 马基路斯路轨两用消防车

附表 国产首台路轨两用消防车主要结构参数与性能指标
附表 国产首台路轨两用消防车主要结构参数与性能指标

图2 闭式液压系统布置示意图
图2 闭式液压系统布置示意图

图3 液压泵与液压马达工作关系
图3 液压泵与液压马达工作关系

图4 基于PLC 的监控系统体系结构
图4 基于PLC 的监控系统体系结构

图5 国产路轨两用消防车样车在轨道上行驶
图5 国产路轨两用消防车样车在轨道上行驶