消防水帶清洗晾曬技術與裝備的研究進展

孟祥毅，劉艷秋，王靜，馮怡然，蘆金石，金志遠，劉磊，陶學恒

消防水帶清洗晾曬技術與裝備的研究進展

孟祥毅，劉艷秋*，王靜，馮怡然，蘆金石，金志遠，劉磊，陶學恒*

（1.大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034；2.大連大兵救援裝備有限公司，遼寧 大連 116600）

綜述了國內外對于消防水帶清洗與晾曬技術裝備的研究進展，從水帶清洗和晾曬的技術和裝備兩方面分析在實際工作中的應用情況。針對現存的消防水帶清洗與晾曬技術和裝備的相關問題，通過對大連大兵救援裝備有限公司研發的消防水帶清洗與晾曬裝備在實際工作中的研究，探索水帶在不同條件下的清洗與晾曬的效果，總結了新型消防水帶清洗晾曬裝備在工作中的具體表現。為今后消防水帶的清洗與晾曬效率和機械化智能化的提升以及設備技術的升級提供參考。

消防水帶；清洗；晾曬；裝備技術；機械自動化

消防水帶是一種生活中常見的軟管，可以用來輸送高壓水或者泡沫等阻燃液體，是消防滅火中最常使用的裝備。每次消防行動中，消防隊員會使用大量的消防水帶，從火災現場回來后，消防水帶上會有大量的泥土和雜質，隨之而來的問題就是消防水帶的清洗和晾曬，而消防隊員在完成了滅火任務后還要再對消防水帶進行清洗，無疑是巨大的負擔。人工清洗水帶既費時又費力，晾曬在空曠的地上占用資源又不整齊美觀。為減輕消防隊員的作業壓力，人們對消防水帶的清洗和晾曬方法越來越重視，開始研發智能化機械化的消防水帶清洗晾曬裝備。

1 國內外水帶清洗技術與設備研發應用動態

1.1 國內現狀

當前世界各國各地對于消防水帶的清洗有著各種手段和技術，包括人工清洗、機械清洗、化學清洗、超聲波清洗等[1]。

國內對于消防水帶的清洗現階段主要采用人工刷洗或者使用一些簡易的清洗設備。人工刷洗的主要方式是利用水槍對消防水帶表面的贓物進行沖擊，對于沖洗不掉的，消防員再使用毛刷逐步清洗。整個清洗過程效率低下，效果較差[2-3]。

國內的某生產廠家制造出了一些簡易的清洗裝置，但使用時需要兩到三個人才能完成一次的清洗任務，需要將消防水帶接口由機器的一端穿過機器內部，然后從機器的另一端穿出，最后固定消防水帶接口，進行刷洗[4]，如圖1所示，采用半機械化設備，耗費了大量的人力物力，所達到的清潔程度也不是很理想。

圖1 國內消防水帶清洗設備

山東省有一支消防支隊研制出了一款消防水帶清洗機器設備[5]，如圖2所示，該設備主要的工作原理是，采用電力驅動，利用水流和毛刷清洗水帶。目前可以實現自動清洗消防水帶、自動收卷水帶、反向刷洗和翻卷的功能。

圖2 某消防支隊水帶清洗機

目前消防水帶晾曬的方法是鋪在地面上或懸掛在外墻壁上，這樣操作不規范不美觀，而且晾曬效果不好，浪費時間和人工。目前所采用的機械化消防水帶晾曬機，基本的工作原理就是在清洗水帶后，轉動把手將水帶緩慢纏繞在設備轉軸上，這種晾曬設備的缺點在于體積過于龐大且笨重。

1.2 國外現狀

國外從很早開始就重視消防水帶的清洗和保養。歐洲的一家消防器材供貨商AWG公司研發了一款便攜式的水帶清洗接頭，其結構大致可分為空心接頭和進水管[6]。工作原理是，通過消防水帶去連接供水車上的出水口，壓力水在接頭的內部形成高壓噴射，再把需要清洗的消防水帶穿過接頭，從而清洗消防水帶。此套裝備可以進行小規模的清洗，但每次任務結束后會有大量的消防水帶需要清洗，這套設備就顯得吃力。

德國的消防部門研制出了一整套專業的水帶護理裝備，可以對消防水帶進行清洗晾曬，如圖3、圖4所示。整個機器的運行都由系統自帶的程序來控制完成，大大節省了人力資源，為消防隊員減輕了壓力，全程可以一人獨立完成。但該設備成本高、占地面積大，不適用于國內的基層中隊。

對比國內外的清洗和烘干方式，我國的設備技術機械化程度低，浪費大量的人力物力且達不到清洗目的，而國外的設備機械化、自動化程度高，但體型龐大，價格昂貴，我國消防隊分布廣、不集中[7]，不適合使用國外的設備。

圖3 國外消防水帶清洗裝備

圖4 裝備進行自動懸掛晾曬

2 新型消防水帶清洗技術與設備的研制與應用概況

2.1 第一代消防水帶清洗機

目前對于水帶的清洗，國內外都多是使用傳統的手段，即依靠消防人員手工進行清洗。已知一條消防水帶的長度大約是25 m[8]，如果僅依靠人工的方式進行處理和清洗，那么這項工作很難完成，不僅需要消耗大量的體力而且清洗后的效果也不盡人意，盡管目前國內已經生產制造了一些可以實現半自動化的消防水帶清洗裝置，但清洗后的效果不是特別顯著，且還是又耗時又耗力。國外同類清洗產品機械自動化的程度較高，但由于制造成本太高，不適用于國內的情況。

基于以上問題，大連工業大學與大連大兵科技有限公司研究出第一代消防水帶清洗機，目前可以使用的水帶清洗工藝有兩種方式，第一種是直接清洗，針對沒有太多污染物和雜物的水帶，使用毛刷刷洗和水流噴洗的方式即可處理；第二種工藝是針對于有過多臟物的水帶，清洗流程為，首先將水帶放入專用的液體倉中浸泡，之后使用化學試劑對其產生清洗效果，可以實現對水帶的初步清洗，再結合第一種工藝達到最后的清洗目的。

2.1.1 第一代消防水帶清洗機工作概況

如圖5所示，水帶浸泡裝置[9]長1650 mm、寬950 mm、高1000 mm，功率1.7 kW，用水量為450 L/次。浸泡倉分為十格，每格每次可放置一卷水帶，采用PLC控制方式進行自動控制，通過觸摸屏手動設置浸泡水帶的時間，時間可以根據水帶表面的污染程度來確定，向浸泡倉注入清水之后，加入特定的清洗劑，開啟設備，待浸泡結束后，開啟排水口將其排至下水道，完成初步清洗。

圖5 消防水帶浸泡設備

由于消防水帶表面的污染程度以及污染物的成分存在差異，消防水帶浸泡的時間也有差異。根據多次試驗結果顯示，在水帶污染程度較低時，一般情況下清洗次數可以為1～2次，清洗時間在2～5 min；當消防水帶污染程度較高時，需要將消防水帶先在浸泡設備里完全浸泡5～10 min，等浸泡結束后，把消防水帶運送至清洗設備清洗1～3 min即可，清洗速度快且效果顯著。

如圖6所示，消防水帶清洗機[9]長2350 mm、寬820 mm、高1550 mm，功率1.4 kW，用水量8 L/min，每次可以清洗2卷水帶。開啟設備時，提升上蓋，使上排毛刷和下排毛刷之間留有足夠間距，把消防水帶放入清洗箱中，由控制箱來對水液位的高度以及往復的清洗次數進行控制，等待清洗工作完成后，將水帶從清洗箱中拿出，然后重復循環清洗操作。按對稱放置的方式在清洗機的兩側分別放置一臺步進電機，通過控制箱的控制，使其中一側的步進電機啟動旋轉，在旋轉的同時將水帶纏繞到電機連接的主軸上，在纏繞后另外一側的步進電機就會停止工作，但在消防水帶的作用下，另外一臺步進電機會一同發生旋轉，于此就會完成消防水帶從一側移動到另外一側的工作，在消防水帶移動的同時清洗設備會對水帶完成清洗工作。最后人為控制清洗次數來保證水帶的清潔程度。

圖6 消防水帶清洗設備

2.1.2 第一代消防水帶清洗機測試評估

在大連消防支隊進行了多次清洗實驗，并由消防員進行實時的現場測試。隨機在現場選取部分未進行清洗過的水帶進行操作。通過實驗可以清晰地展示本設備的一些顯著優點，例如設備清洗的速度快、操作簡易方便，且設備大小適中、方便推拉等。通過計算可知本設備清洗兩盤水帶的時間大約為2～5 min，而采用人工清洗的方式，刷洗一盤水帶至少需要15～20 min，且在人工操作的過程中，若操作不當，還容易損傷水帶表面，直接影響水帶使用壽命。

2.2 第二代消防水帶清洗機

目前社會發展的速度越來越快，消防問題對于人類生命安全尤為重要[10]。火災的頻發對消防水帶的清洗工作帶來更大的壓力。對于普通火災過后的消防水帶，使用第一代水帶清洗機可以將水帶清洗至達到要求。可對于帶有化學污染的火災過后的水帶，水帶上可能會殘留化學試劑，這時候普通的機械式毛刷清洗就難以將水帶清洗干凈。因為通常使用的消防水帶是用橡膠作為內襯，在水帶的外面包裹著亞麻類編織物，屬柔性材料，對于此類材料的清洗需要特別注意，于此Q.Li等[11]研究了超聲波清洗羊毛的手段，實驗后可以發現此種方式清洗的效果相較于人工清洗效果好很多，并且對纖維產生的損傷大大降低。

大連工業大學與大連大兵科技有限公司、大連消防支隊聯合開發了新的清洗方式，將機械式毛刷清洗、高壓水射流及超聲波清洗三種清洗方式集于一體，制造生產了消防水帶清洗機，該機器已可實現四條消防水帶一起清洗、往復清洗及自動收卷的功能，如圖7所示。此設備長1500 mm、寬1000 mm、高1500 mm，電壓220 V，功率1.5 kW。

圖7 第二代消防水帶清洗機

2.2.1 第二代消防水帶清洗機原理

設備主要由三大系統結構組成，包括測控系統、清洗系統和機械系統。首先對設備相關的設置及參數進行檢測和控制，PLC控制系統對超聲波電源及各閥門進行控制。其次運用混合清洗的方式，包括化學浸泡裝置、超聲波清洗裝置、毛刷清洗裝置和水射流清洗裝置。超聲波清洗裝置主要由換能器、超聲波發生器和清洗槽三個部分組成[12]。

本操作設備的工作原理是基于信號的轉化以及超聲波的振動產生的空化現象。其具體實現過程是：首先由超聲波發生器發射出來電磁信號，然后通過換能器將所發射的電磁信號轉化為清洗劑的超聲振動，通過振動的作用，使設備水槽內發生空化現象。對于空化現象的具體解釋為，水帶在超聲波水槽中時，當超聲波工作則水帶表面就會發生這種空化現象，而這種空化現象在超聲波的作用下，促使清洗劑中的空化核發生了一定的振動，當聲壓上升到一定閾值時，空化核就會迅速膨脹，膨脹到一定程度后則會發生破裂，破裂后在水帶表面形成沖擊波，且伴隨著在氣泡周圍形成的高溫，將水帶表面的污漬以及化學殘留物瓦解，以達到清洗污漬的效果。最后通過鏈傳動方式使水帶向前運動，采用升降機構來實現水帶的自動收卷[13]，如圖8所示。設備兩側設計了可以上下拉動的玻璃門，這樣做控制了清洗時清洗劑的噴濺，且有效降低了設備噪音。

該清洗設備通過混合清洗的方式，首先將消防水帶放置在裝有化學清洗劑的超聲波水槽中，然后利用化學清洗劑分解水帶上的污染物，接著再通過超聲波產生的振動，使污染物振動脫落或者使其松動，繼而使消防水帶通過帶有高速轉動的毛刷清洗掉表面污染物，最后再利用水射流清洗水帶，從而達到消防水帶清洗的目的。伴隨清洗次數的增多，清洗介質的差異會影響到清洗效果，根據不同的污染程度，可以采取不同的清洗方式。如果消防水帶上的污染物少，只有少量的泥土和灰，可以采取清水作為清洗介質，通過清洗劑的往復清洗，完全可以將水帶清洗干凈。如果消防水帶上的污染物多，除泥土和灰塵外，還有大量的油漬和一些化學殘留物，則采用清潔劑作為清洗介質，通過設備反復清洗，從而達到清洗效果。

使用超聲波清洗機后，不僅可以避免手工清洗對工件產生的損害，還大大降低了工作人員的勞動強度[14]，也減少了有毒溶劑對人體健康的損害，切實實現了節能環保的理念。清洗劑可以多次使用，降低成本[15-17]。

2.2.2 第二代消防水帶清洗機測試評估

超聲波清洗分別給予不同強度的振子，效果如圖9所示[18]。

圖9 給予不同振子清洗前后效果圖

影響消防水帶超聲波自動清洗機對于消防水帶清洗效果的因素，除了清洗時間和清洗介質外，毛刷清洗機構和超聲波清洗機構也起著不可替代的作用。毛刷清洗機構對清洗效果的影響主要表現在兩個方面：毛刷的轉速以及刷毛壓過水帶留下的水痕。而影響超聲波清洗機構的清洗效果的因素更多一些，在這其中最重要的是超聲波頻率、超聲波密度、介質種類、介質溫度等。

綜上所述，用超聲波清洗技術來清洗消防水帶可以達到更好的清洗效果，與傳統的人工清洗方式相比更加高效且優勢顯著。

2.3 消防水帶晾曬機

2.3.1 第一代消防水帶晾曬機

大連工業大學、大連大兵科技有限公司以及大連消防支隊三方聯合開發了一臺消防水帶晾曬收卷設備，該設備采用了滑輪組傳動機構，屬于鏈傳動與單向傳動機構，能實現水帶的懸掛晾曬與自動收卷兩項功能，如圖10所示。

1.卷揚機；2.槽型鋼條；3.鏈條單向傳動盤；4.鏈條；5.滑輪；6.鋼絲繩；7.消防水帶。

該設備工作原理如下：通過墻壁上的滑輪以及鋼絲繩使卷揚機固定在墻壁上，之后通過滑輪的作用帶動裝置整體自動上升，且在裝置上升的同時，利用驅動作用使主軸發生正轉，然后帶動鋼絲繩繞進卷揚機，此過程發生后，鋼絲繩會產生一個反作用力，可帶動底板上升，與此同時，單向傳動機構不工作，水帶輪盤在單向傳動機構作用下也不會發生旋轉，當底板上升到指定高度時就會停止工作。當裝置開始下降時，鏈條單向傳動盤發生正向旋轉，鋼絲繩逐漸伸開，消防水帶在底板的帶動下開始下降，此時鏈條單向傳動盤和收卷軸鏈條在單向傳動機構作用下將水帶收卷成盤狀，通過這種操作過程實現水帶的自動收卷工作。

對研究成功后的消防水帶自動晾曬收卷裝置進行測試。通過設備擁有的智能控制系統和自動操作機構，可以實現將水帶在室外晾曬、對折收卷等功能[19]，如圖11所示。在完成各項試驗任務過程中未發生停機、爬行、脫落和異響等現象，各承載部件和傳動部件未發現開裂和異常變形。消防水帶自動晾曬裝置設計巧妙、操作簡單，降低了消防官兵的勞動強度，提升了工作效率。

圖11 消防水帶晾曬機

2.3.2 第二代消防水帶晾曬機

在第一代消防水帶晾曬機的基礎上進行改良，研發出了新一代的消防水帶晾曬機設備。該設備可實現對消防水帶的自動晾曬和收卷，裝備內部是由驅動電機、電葫蘆升降裝置、收卷機構、控制柜、操作面板等結構零件組成。設備選用歐姆龍PLC及人機交互界面，通過這種裝配手段可以實現對操作儀器的控制和操作。它是一臺將自動和手動結合于一體的設備，可以通過觸摸屏上的按鍵對設備進行一鍵啟動和停止的操作，設備的實時運行情況也可以通過這種方式來監控。設備運行過程中，采用、雙軸移動機械臂，實現對水帶掛鉤組的抓取、移動等行為，實現多工位水帶晾曬工作，如圖12所示。

日常消防任務完成后需要對消防水帶進行清洗，這就導致了有很多的問題需要解決，例如水帶清洗完成后沒有特設的地點進行水帶晾曬，以及晾曬占地面積過多導致生活空間縮小且晾曬后的水帶干燥程度也無法達到要求的標準，可能會對于后期的使用產生影響。平時的晾曬地點多數是在可以運動休息的操場上，這種情況讓消防人員的生活變得非常不便，如何占用最小的生活空間完成晾曬工作是一大問題，而若引入水帶晾曬機構，利用高空空間懸掛水帶，充分風干水帶多余的水分，就既高效保證了干燥程度，又不會占用過多的生活及地面空間，對比明顯。清洗后的水帶在晾曬完畢后，干燥的水帶會通過收卷機構進行收卷。

該設備還采取了電伺服控制技術，利用機械手對水帶掛鉤組進行抓取，自動完成水帶從晾曬工位到收卷機構的移動過程。與傳統的水帶清洗晾曬相比，本設備的一大優點為，可通過PLC控制系統，利用設備自有的數據庫系統，自動完成消防水帶的晾曬及收卷一系列工作，數字化程序代替傳統工藝手段，大大提高了效率。基于目前所掌握的消防水帶晾曬基本原理，大部分消防基地以及各級消防編隊可在日常辦公樓墻壁側或訓練塔側端安裝此晾曬機構。

3 總結與展望

目前的消防水帶清洗和晾曬裝備，雖然在一定程度上降低了勞動強度，但功能單一，仍然屬于機械化半自動化產品，工作效率還是較低，而國外的類似裝備自動化程度高，但價格昂貴，建立一整套系統需幾百萬甚至上千萬，且還需要專門的維護人員，大大增加了成本，不適用于國內的情況。針對種種問題，基于現有情況進行技術突破，大連工業大學和大連大兵救援裝備有限公司將進行消防水帶智能化清洗與晾曬一體機的關鍵智能技術的研發。

應用人工智能技術、傳感監測技術，不僅可以提高一體機的自動化程度，還可以提高其智能化水平，更可以進一步增加一體機的可靠性，降低設備所需的維護成本；實現故障診斷智能化等。通過自動檢測污水的過濾程度，對污水實現智能化反復過濾，確保經過過濾后排出的水能夠循環使用，以實現最大程度的環保和可循環利用。實現設備工作過程的自動測控，構建消防水帶智能化清洗晾曬一體機的人工神經網絡，采集消防水帶表面的污染程度數據，智能檢測清洗物品表面的污染程度，根據內置數據庫進行污染程度比對，進而對不同污染程度的水帶進行不同時長的清洗；并通過智能算法，使清洗晾曬過程中的溫度、濕度、排風送風等可以智能化調節。通過測溫探頭可以測量晾曬室內的溫度、濕度，在溫度和濕度沒有達到預定標準的時候，計算機會按照預先設定好的程序，自主采取措施以達到預設情況，例如溫度高于預設時，計算機就會控制設備自動打開通風機，直至溫度降到規定的范圍內；而溫度低時，就會打開相關的升溫設備，提高室內的溫度，使得問題得到最優化的解決，大大降低勞動強度。

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Research Progress on Cleaning and Drying Technology and Equipment of Fire Hose

MENG Xiangyi，LIU Yanqiu，WANG Jing，FENG Yiran，LU Jinshi，JIN Zhiyuan，LIU Lei，TAO Xueheng

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China;2.Dalian Dabing Rescue Equipment Co., Ltd.,Dalian 116600,China)

This article reviews the domestic and foreign research progress on the technology and equipment of fire hose cleaning and drying, and analyzes the application in actual work from two aspects of the technology and equipment of water hose cleaning and drying. Aiming at the problems related to the existing fire hose cleaning and drying technology and equipment, through the research on the actual work of the fire hose cleaning and drying equipment developed by Dalian Dabing Rescue Equipment Co., Ltd., the effect of cleaning and drying of the hose under different conditions is explored, and the performance of the new type of fire hose cleaning and drying equipment in work is summarized, which provides a reference for the improvement of the cleaning efficiency and mechanized intelligence of fire hose and the upgrade of equipment technology in the future.

fire hose；cleaning；drying；equipment technology；mechanical automation

TU998.13

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.05.002

1006-0316 (2021) 05-0007-08

2020-09-24

孟祥毅（1996－），男，吉林白山人，碩士研究生，主要研究方向為機械結構設計。

劉艷秋（1971－），女，黑龍江五常人，碩士，副教授、碩士生導師，主要研究方向為機器視覺、機械設計及理論，E-mail：liuyq@dlpu.edu.cn；陶學恒（1963－），男，北京人，博士，教授、博士生導師，主要研究方向為自動化機械裝備與配套技術研發，E-mail：xhtao@dlpu.edu.cn。