便携式风力灭火机的研究与发展

便携式风力灭火机的研究与发展
张绍全,俞国胜
(北京林业大学工学院,北京100083)
摘
要:便携式风力灭火机是为适合我国林区条件而发展起来的灭火机具,风力灭火机的研究在我国林火扑
救方面有很重要的应用价值和现实意义。

分析了风力灭火机的灭火机理和灭火特性,总结了便携式风力灭火机的发展历程,对风力灭火机的发展趋势进行了展望。

关键词:便携式风力灭火机;灭火机理;灭火特性;发展历程中图分类号:TK83
文献标识码:Ａ
文章编号:2095-2953(2012)06-0008-03
Research and Development of Portable Pneumatic Extinguishers
ZHANG Shao-quan,YU Guo-sheng
(School of Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China )
Abstract :P o rta ble pne um atic exting uis hers a re fire-fig hting equipm e nt deve lo pe d ba s e d on the co nditio n cha ra cte ris tics in C hina ’s fo re s t a re a s .The s tudy o f pne um atic e xting uis he rs is of g re a t a pplica tio n va lue a nd pra ctica l s ig nifica nce in C hina ’s
fo re s t fire fig hting o pe ra tio n.The fire e xting uis hing m e cha nis m and fire -fig hting pro pe rtie s o f pneum a tic e xtinguis he rs a re a na lyz e d a nd the de ve lo pm ent co urs e o f porta ble pne um a tic e xtinguis he rs is s um m ariz e d and the de ve lo pm e nt tre nd of the s tudy o f pne um atic e xting uis he rsispre s e nted.
Key words :po rta blepne um a tic exting uis her;fireextinguis hingm e cha nis m ;fire -fig htingpro pe rtie s ;de ve lo pm e nt co urs e
随着科学技术的不断发展,科研人员对森林火灾的扑灭方法和灭火装备的研究也日趋深入。

许多发达国家对灭火装备的研制都给予了高度重视,并已研制出一些有效的灭火装备,这些装备在森林灭火中也起到了重要作用。

在我国,便携式风力灭火机是目前森林消防部队和各林业局配备的重要灭火机具,经过30年的推广应用,已经得到了长足发展。

大量的实践表明,使用风力灭火机能够迅速有效地扑灭地表火、打防火道,并对一定高度的树冠火有控制作用。

1风力灭火机的灭火机理与灭火特性1.1风力灭火机的灭火机理
燃烧是一种强烈的氧化还原反应,实现这种反应需要3个条件,即燃烧物、空气(氧气)和温度,其中温度是主要因素,在森林中这3个条件同时出现就会引发林火。

灭火时只要去除其中的一个条件就可以终止燃烧。

依据这一原理,用高速强制气流(风速、风量)吹散燃烧物产生的火苗和热量,使气流隔断火苗与燃烧物,直至燃烧物表面温度降到燃点以下破坏燃烧的条件,就能达到灭火的目的。

风力灭火机的灭火机理有两条:一是“阻断燃烧”,二是“加速燃烧”。

阻断燃烧是用风力灭火机所产生的高速气流,将林地不可移动的有机物(苔藓、蒿草、小灌木丛等)燃烧的火焰吹离燃烧物体,降低温度,达到阻断燃烧的目的;加速燃烧则是将火线前林地表面附着的可燃烧移动有机物(枯叶、落果、落地枯枝等)吹进燃烧区加速燃烧,从而形成一段无可燃物的隔离带。

但对于粗大树枝或倒木,由于木质导热系数很小,高速气流只能吹散易燃性蒸汽和火焰,一旦气流离开,焦炭燃烧
收稿日期:2012-02-27
基金项目:国家林业局森林防火指挥部办公室“轴流式风
力灭火机研究”项目
第40卷第6期
林业机械与木工设备
Vo140No.62012年6月
FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENT
Jun.2012
综述
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就向可燃物内部推移并产生复燃。

因此,气流不能对较粗大的可燃物实现降温灭火,这就使风力灭火机的使用受到限制。

依据GB/T 10280-1999《便携式风力灭火机技术条件》,风力灭火机风机的技术性能见表1。

使用风力灭火时,风速的功能是确保单位时间内灭火的能力;风量的作用是保证相对时间内的灭火面积。

所以,风力灭火机在保证灭火临界风速的前提下,风量越大,灭火的速度越快。

1.2风力灭火机的灭火特性
风力灭火机的灭火特性也就是叶轮叶片的空气动力特性。

风力灭火机是通过内燃机带动叶轮将燃料内能转换成叶轮转动的机械能,通过叶轮上叶片的动力作用将能量传递给连续流动的空气,因此叶轮的翼型结构将直接影响整台机器的效率。

影响风力灭火机空气动力性能的因素有风机叶轮上的摩擦阻力、压差阻力、感应阻力、最佳气流特性等。

(1)风机叶轮上的摩擦阻力:
空气是具有黏性的气体,当风机叶轮在转动过程
中将能量传递给空气时,空气与叶轮相互作用,接触叶轮表面的空气分子便附着其上并产生摩擦力,这就形成了摩擦阻力。

由于空气的黏性不会消失,所以叶轮上一定有摩擦阻力存在。

摩擦阻力的大小取决于环境中空气的黏性。

此外,叶轮表面愈粗糙,摩擦阻力愈大;叶轮表面积愈大,摩擦阻力也愈大。

为了减少摩擦阻力,现代风机叶轮(尤其是高速运转的风机)尽量把表面做得光洁如镜,并把暴露在空气中必要部分的面积尽量减至最小。

(2)风机叶轮上的压差阻力:
风机叶轮上压差阻力的大小主要与叶轮曲面形状
有关。

同时叶轮正面面积(叶轮正对风的迎风投影面积)愈大,压差阻力也愈大。

相同的正面面积,形状不同的叶轮叶型,其压差阻力也不相同,其中流线体的压差阻力最小,所以为了减小压差阻力,叶轮的形状应尽量
为流线型。

风机叶轮上的压差阻力和摩擦阻力所占比例的大小随风机叶轮的形状而变化,形状平滑(例如流线体),其压差阻力较小,摩擦阻力相对较大;如果风机叶轮不平滑(例如近似平板),其压差阻力则比较大,摩擦阻力相对就小。

如果叶型的剖面形状相当平滑,接近于完善的流线型,其压差阻力就会很小,摩擦阻力占的比例就大。

风机叶轮的摩擦阻力和压差阻力合称为羽型阻力。

风机叶轮上的羽型阻力在其旋转时起阻碍作用,消耗风机的功率。

(3)风机叶轮上的感应阻力:
风机叶轮上的另外一种阻力是随着叶轮上举力产
生而产生的,这个力称为感应阻力(或诱导阻力,由举力感应出来的阻力)。

它的产生是当气流流过叶轮时(叶轮与气流作相对运动时)上羽面压力低、下羽面压力高,气流有从高压区流向低压区的趋势。

由于风机叶轮羽型长度是有限的,所以气流将由底面高压区绕过羽尖流至上面的低压区,这样在羽尖处造成旋涡(紊流),因此,国外将风机叶轮设计成一种羽型风扇,并在风扇的叶片后缘开有锯齿形缺口,以此来改变引起噪声的涡流流线和噪声频率,从而显著减少涡流噪声的强度。

(4)风力灭火机的最佳气流特性:
风力灭火机在运转时与空气相互作用,叶轮及机
壳内壁上所受的力,特别是叶轮上所受的摩擦、压差、感应等阻力是随着组成风机的叶轮和机壳的材料,机壳内腔的形状、光洁度,风机和叶轮的内外径、轴向长度、叶片数、叶型形面的大小,叶片与轴线的扭转角及其表面粗糙度等诸因素变化而变化的,但最终均体现在风机的空气动力特性——
—最佳气流特性上。

不同类型风机的气流特性均有相同之处:①风机的风量、风压(静压)在平面直角坐标系中都是一条曲线;②风机的风量、风压(静压)之间的变化成反比关系;③
风机的静压最大时风量一般趋向于零,当静压趋向于零时风量为最大;④各种不同类型的风机都有自己固有的风量、风压(静压)曲线图,但它们的曲线形状均不相同,有“S”形、近似“一”形、“凹凸形等等。

2
便携式风力灭火机的发展历程
便携式风力灭火机为我国独创。

最早把风力灭火理论应用于机械的设想是1979年我国黑龙江省伊春林区一名老伐木工人郭跃增提出的,并用原林业部西北林业机械厂生产的高把油锯(GJ85型)改装了最早期的风力灭火机样机,经过小范围的灭火实践,同年提请西北林业机械厂进行设计制造。

在风力灭火机的开发设计中,西北林业机械厂最先用该厂产品GJ85型油锯和3MF-4型弥雾喷粉机进
性能指标
距灭火风机中心2.5m 处风速/m ·s -1
出口风量/m 3·s
-1
风机全压效率/%风机功率/kW 净质量/kg
一次加油连续工作时间/min
24h 可靠性试验噪声/dB (A )
国家标准
22≥0.4≥60≥1.5≤9≥25
转速功率下降≤5%
105
表1
便携式风力灭火机风机的技术性能
张绍全,等:便携式风力灭火机的研究与发展
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第6期
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行改制,并于1981年小批量试生产SF型(手提式)和BF85型(背负式)风力灭火机,先期投入到林区(以伊春林区为主)使用。

同时西北林业机械厂也积极进行风力灭火机的自主设计,针对FM-3型风力灭火机的缺点,该厂以GJ85型油锯动力作试验,最终制作出了GJ85型风力灭火机雏形,经过反复试验改进,于1981年底设计试制成功了CF2-20型手提枪式风力灭火机,并于1982年开始批量生产。

CF2-20型风力灭火机的问世,填补了我国使用机具灭火的空白。

1982-1986年间,西北林业机械厂先后设计和试制出CF2-22型、CF2-16型、6MD5-2型和6MF型等多种机型的风力灭火机。

其中,6MF型风力灭火机是西北林
业机械厂针对FM-3型风力灭火机的缺点,将其设计成机关枪的形状,使排风口气流反力方向与后把手提力方向一致,工作时可减轻操作者的负担,该机工作气流速度和流量都比FM-3型有较大提高。

6MF型风力灭火机的配套动力是1E52F单缸二冲程风冷汽油机,其配有多功能工作部件,安装不同的部件可用于喷粉、喷水、喷雾、喷火等多项作业。

1987年下半年西北林业机械厂和浙江大学流体力学研究所联合攻关,对风机进行计算机优化设计,使风力灭火机整体性能大幅度提高,于1987年11月研制出6MF-A型风力灭火机并通过部级鉴定,该机的各项性能指标均达到或超过了林业部下达的要求,具有国内先进水平;与前一代CF2-20型风力灭火机相比,该机身质量轻、风速大、噪声低、风机效率高、动力强、结构合理、扑火效果更好。

6MF-A型风力灭火机在多年的森林草原灭火使用中也暴露出一些问题,其主要问题是可靠性差。

为了有效地扑灭森林火灾,西北林业机械厂在继续保持6MF-A 型风力灭火机优势的基础上与西北工业大学航空发动机风机教研室、西安交通大学内燃机教研室联合开发研制出6MF-26型新一代便携式风力灭火机,其采用高耐热性全塑风机和把手,使风力灭火机更加美观、安全、可靠,维修、装拆更加方便。

6MF-26型风力灭火机如图1所示,其叶轮采用高强度阻燃工程塑料,改善了风通道的表面质量;前后把手均采取完全减振措施,结构也更加合理。

6MF-26型风力灭火机不仅操作舒适、效率更高、性能更优、质量更轻、可靠性能更好,而且还实现了多功能化。

西北林业机械厂于1999年又研制成功了6MB-26型背负式新型风力灭火机,其更适宜在山坡等特殊地形使用。

背负式灭火机是针对北方林区山坡陡峭的特点设计的,它解放了操作者的双手,使操作者在遇到树林藤蔓阻隔或残枝倒地时可利用双手进行安全防护,
同时也减轻了操作者的劳动强度。

我国普遍使用的风力灭火机多为手提式,携带不方便,劳动强度大。

为了解决这一问题,黑龙江省森林保护研究所借鉴国外风力清扫工具的结构,研制开发了新型背挎式伸缩风筒风力灭火机—6SB-C型风力灭火机。

这一新型风力灭火机具有结构紧凑、质量轻等特点,便于携带其在林间穿行,可采用立姿作业且劳动强度低。

6SB-C型风力灭火机结构上采用了圆形变截面蜗壳、整体注射叶轮、轻型固定式机架、伸缩风筒及可快速转换姿势的强力背带等。

黑龙江省东京城林业机械厂成功研制出HFM-37型风力灭火机,该机以我国林业上广泛使用的3.7kW/ (7000r/min)轻型汽油发动机为动力,其最大扭矩为0.56kg·m/(6000r/min),故所测数据均在发动机工作转
数(5500~680Or/min)范围内;采用前变形叶片,进气口安装整流锥及蛛网状钢质防护罩,使HFM-37型风力灭火机获得了极佳的气动指标。

2009年以来,褚双磊博士在对现有离心式风力灭火机进行深入研究的基础上,提出了用轴流式风机替代离心式风机来改善风力灭火机气动性能的构想,并通过试验及CFD数值模拟对轴流叶轮进行了研究,为轴流式风力灭火机的研制奠定了基础。

3便携式风力灭火机存在的问题及发展展望
便携式风力灭火机是林火扑救的重要机具,其一直占据着十分重要的地位。

便携式风力灭火机经过30多年的发展,灭火性能得到了很大提高,但仍然存在一些技术问题。

(1)近年来,便携式风力灭火机的设计、制造以及使用单位对风力灭火机的性能做了许多研究与改进工作,极大地提高了风力灭火机的使用性能,但其基本结构并没有大的改动。

现有的便携式风力灭火机基本都
1234
5
6
图16MF-26型风力灭火机结构简图
1.1E50汽油机;
2.背挂部件;
3.前把手部件;
4.风机部
件;5.支承部件;6.后把手部件
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(下转第23页) . All Rights Reserved.
采用离心式风机,在灭火时出口风量小、有效风速低、
能耗大、灭火效率低,振动也较大。

(2)随着计算机技术的发展,CFD 数值模拟方法被
广泛应用于产品的设计中,其可以缩短开发周期、提高效率,但在便携式风力灭火机的设计中应用较少,可供参考借鉴的使用经验也较少,对流场的模拟仿真还有很多不足之处。

(3)轴流式风力灭火机的研制还处于起步阶段,在
设计与试验过程中还有许多问题需要解决,比如,高效率、高强度叶轮的设计,轴流式灭火风机在高速旋转状态下的气动性能测试、出口风速的测定等等。

便携式风力灭火机今后应朝着操作简便、质量轻、风速高、风量大等方向发展,在设计制造过程中应将先进的设计制造手段引入其中,进一步提高风力灭火机的气动性能和灭火特性。

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第一作者简介:张绍全(1984-),男,硕士研究生,研究方向为林业与木工机械,E-mail:**********************.cn。

(上接第10页)
状态。

间歇料仓打开,出料螺旋运行直到计量仓中刨花量达到高料位,间歇料仓关闭,刨花供给转为自动状态,计量带按设定的流量值供应刨花,同时出料螺旋继续给间歇料仓供料至间歇料仓达到高料位,出料螺旋停止运行,在此过程中计量料仓不断给拌胶机供料。

当计量料仓中的刨花减少至低料位时间歇料仓打开,给计量料仓一次性供料,加料结束后随即关闭间歇料仓,同时出料螺旋启动给间歇料仓加料,直至高料位时出料螺旋停止运行。

(2)施胶控制:本系统可以对芯层胶和表层胶储罐
称重,通过定时终端程序读取储罐实时质量,读入胶液质量的数据,按先进先出的原则,计算出一定时间段的
胶液损失量,即施胶量。

刨花供给使用质量控制仪表,可以通过调节计量带的速度使刨花质量供给稳定,这时施胶的难度也相应减小,只要按刨花流量乘以设定比例就可以得出胶液流量的目标值。

通过PID 调节胶泵转速,就可以得到稳定的施胶量。

4小
结
(1)采用失重法自动控制刨花和胶料的配比,PID
自动跟踪控制,控制精度高,保证了刨花和胶液配比的准确性。

(2)采用手动控制和自动控制切换方式,当自动控制出现故障时可切换至手动控制方式,以保证生产稳定。

(3)操作采用触摸屏人机界面,设定工艺配方及各
项参数,具有界面友好,操作、修改、维护方便等特点。

经过我们精心调试,目前该施胶系统已在我公司的山
东用户生产现场稳定运行。

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