朱 艳， 程 乐， 胡 月， 袁露华

(江苏林海动力机械集团有限公司，江苏 泰州 225300)

森林在国民经济中占有极其重要的位置，森林资源的增长和利用，直接影响国民经济的发展。森林火灾，是一种失去人为控制，在森林草地上快速蔓延、燃烧和扩展，对大自然的生态系统和人类生活带来危害和损失的行为，是一种突发性强、破坏性大、展开救助困难的自然灾祸。近几年，我国森林火灾的发生频率及火险等级越来越高，给国家和人民生命财产安全造成重大损害，因此对突发森林火灾积极响应和快速扑救是我国林业森防系统急待解决的迫切问题。

1 研究背景

在早期的森林火灾扑救中，往往以风力灭火机为主要机械装备进行扑救，但由于风力灭火机控制范围小，灭火效果差，就必须要采用大兵团作战的人海战术。这样的作战方式，在经济上耗费高，损失大；在灭火中操作难度大、效率低，在较恶劣的森林火灾里面就更加难以发挥作用，控制其火势，容易出现死灰复燃的现象，甚至还会出现人员伤亡的现象。而且风力灭火机仅适用于低矮的灌木火和地表火，对树冠火、高灌木火等完全发挥不了作用，还可能造成“火借风势”的不利结果。

近年来，随着我国森林防火事业的迅速发展及森林灭火技术的转型升级，“以水灭火”逐渐成为扑救森林火灾的主流机械化手段。水是自然界中最普通的灭火剂，是森林火灾的天然克星。水可以对燃烧物进行覆盖，阻止氧气参与燃烧反应。以水灭火是既经济又简便的方法，也是最有效的方法。

一般来说，在江苏、浙江等南方方林区沟谷交错、河流众多，自然水源比较丰富，水量充足，为以水灭火提供了先决条件。在实际工作中，则要做好以勘测调查水源为先导的基础工作，对现有的自然水源、溪流、湖泊、常年积水的沟塘地带进行全面的勘测调查，绘制出水源分布图，宏观上确定每个水源所能承担供水的区域、面积，并根据水源分布的地理位置，沿主要河流、水系选定供水点。对水量充足、地面容易接近的区段进行人工修建加固，有利于森林消防泵取水并且迅速作业。而便携式森林消防泵作为实现以水灭火的重要设备占有举足轻重的地位，已经成为各级森林消防队伍必备的基础装备。

2 风冷和水冷森林消防泵的特点

目前国内大多数的便携式森林消防泵都是以美国的Fyr Pak和加拿大的wick250为开发蓝本，重量在15～16 kg之间。这样的重量对于欧美人而言相对轻巧，但对于亚洲人就显得笨重。而且由于野外水资源并非随处可得，往往需要消防队员携带设备长途跋涉进入林区进行多台水泵的串联以实现长距离输水，因此需要森林消防泵在具备理想的扬程和流量的同时，还应尽可能重量轻、体积小以便于在道路崎岖、路况复杂、山势陡峭的林区长时间携行。

现阶段，大多数的便携式森林消防泵均以风冷二冲程汽油机为动力，具有结构简单、动力强劲的特点，它采用的是发动机曲轴带动风扇旋转强制吹出气流，通过机体上的散热片为发动机降温的冷却方式。经过实践，这种冷却方式普遍存在以下不足：

(1)风扇由曲轴直接驱动，再经过导风罩将冷却风引向需要散热的汽缸和汽缸盖等部位来完成散热，因此风扇高速转动产生和驱动气流都需要消耗发动机的部分功率。

(2)散热系统零件多，包括风扇、导风罩、散热片等，结构复杂。发动机气缸和缸盖需要布置较大的散热片以及导风零件来增加散热面积，控制气流导向，使得机器体积变大，重量增加。

(3)冷却不均匀，迎风面的气缸冷却强，背风面的冷却效果较差，冷却不均匀导致气缸热膨胀不一致，内径圆度变形，存在内壁磨损不均匀等问题，影响缸体及活塞寿命。

(4)空气的比热容较小，温度变化大。冬季气温低的情况下使用，可能会冷却温度过低，致使燃油气化不良，燃烧效率降低，功率不足，严重时会造成发动机积炭过多，破坏活塞环与气缸壁的密封效果和合理的压缩比，导致功率大幅降低。此时必须增加人工维护次数，否则会大大降低机器的性能或者损坏机器。而在天气炎热的情况下又存在冷却效果差，温度过高而导致功率迅速下降，严重者可导致因过热而爆缸或拉缸，产生不可逆的损坏，给消防作业造成负面影响。

针对上述不足，结合森林消防泵的使用条件，不难发现消防泵的输送介质——水，本身就是良好的天然冷却剂，可以通过水泵工作时水的不断流动来冷却发动机，带走发动机高温部件的热量，控制其温度，提高发动机的热稳定性和动力输出的可靠性。水泵叶轮在工作时，水路不停泵水，水泵入水口和水泵出水口存在较大压差，根据此特性，选择高低压两处各设一条管路，将源源不断的水引向发动机需要散热的缸盖和汽缸位置实现冷却的目的。其优势主要体现在以下方面：

(1)空气在常温下的导热系数是0.026，水的导热系数是0.62，水的散热系数是空气的23.84倍，利用水泵内部不同位置的压力差，将水分流出极小的一部分(大约总流量的1%)，引入冷却管道，其产生的散热效果比空气散热明显提高，同时基本无功率损失，对水泵的影响也很轻微。

(2)消防泵水冷发功机缸体需要增加提供介质流动的水道，但相对风扇强制冷却的发动机而言，减除了风扇、大面积的散热片、曲轴和风扇的连接部件、导风罩等零件，结构简单，体积更小，重量更轻。

(3)冷却水道环绕包裹燃烧室，直接带走燃烧热量，效果明显、冷却均匀，缸体热梯度小，变形均匀一致，有利于运动件的高速运转。

(4)水的比热容大，不同季节温度变化小，变化幅度要比气温小得多，因此不会因环境温度差别而影响冷却效果，即使在高温、高湿的恶劣环境下，只要保证水泵正常运转，也不会产生由于发动机过热导致拉缸的故障。

(5)由于负载减少、冷却效果好，水冷型发动机在同排量情况下相较风冷型功率输出提高20%，可驱动更大功率的水泵，提高输送扬程；或者在水泵不变的情况下，减小排量，可显著降低整体重量，方便消防队员携行。

综上所述，森林消防泵的水冷化研究方向在技术上是正确和切实可行的，具有很强的可操作性。

3 一种新型水冷森林消防泵的设计方案要点

以现阶段相关的研究为基础，结合市场需求，针对现有森林消防泵重量过重、热稳定性差的不足，提出一种新型水冷森林消防泵的设计方案：

(1)发动机功率达8.83 K，配套的离心泵头最大扬程200 m，最大流量14 t/h，保证灭火效率。

(2)整体重量控制在11 kg左右，比现有装备至少减重25%。

(3)借助水冷辅助，在水泵扬程参数(200 m)保持先进水平的情况下，发动机排量控制在85 ml左右，动力小型化，从根本结构上控制整机重量。

(4)水泵泵头不采用常规的重力砂型浇铸，采用高强度铝合金低压浇铸，可以使壁厚减少至5 mm，水泵重量可以减轻至原工艺的约65%。

(5)叶轮、导叶采用高强度铝合金叶轮，表面阳极硬化处理，既减重又保证了叶轮的防腐和耐磨要求。

(6)采用高强度铝合金(航空铝7系)框架，在保证框架强度的情况下有效控制整机重量。

(7)通过调整水冷管道的直径来控制冷却介流量，控制火花塞温度在190～200 ℃，避免温度过低造成发动机早期积碳产生。

(8)合理设置水道首末端的取压点，将压差控制在0.2～0.3 MPa，既保证水冷介质的流量，又保证缸体水道与燃烧室的密封可靠性。

(9)采用双级叶轮设计，保证水泵流量和扬程参数的同时，可获得较小泵头径向尺寸，使结构紧凑。

(10)采用手、电双模的启动方式，即可以用掌上电源进行电启动，又可以手拉启动，并且手拉启动为双弹簧(启动弹簧+储能弹簧)设计的易启动结构，手拉更轻松、方便。

(11)采用直流点火方式，相较传统的磁电机交流点火，具有极低的稳定点火转速(约100～150 r/min)，并且在低速和高速时都能产生稳定和高能的点火能量，发动机输出功率随之得到提升。

(12)内置强磁发电机和整流稳压系统，充分保障充电性能，可配置LED强光应急照明，为夜间操控提供可视化保障。

(13)智能高温监控系统可以在水循环失效的极端情况下(比如水管突然爆裂、进水堵塞)，启动热保护，自动关闭设备，避免因高温产生故障。

4 结束语

通过上述方案的设计，开发一款体积小，重量轻，热稳定性强，动力输出可靠的新型水冷森林消防泵产品，可积极契合当前森林消防队伍的实际需求，大大地弥补了现有设备的短板，对于推动新老设备的迭代更新具有重要的意义。该产品可以为市场提供更为环保、轻便、高效的机械化扑灭工具，极大地满足各级森林消防部门的需求，有效推动森林火灾“防治救”技术装备同步发展，使森林灭火装备技术水平迅速步入现代化，为国民经济和社会发展创造良好的消防安全环境，切实解决广大林区的消防安全保障问题，产生显著的社会效益。