一种应急抢险高空照明车的设计与实现

陈晓龙，李海波，吴乃红

（水利部机电研究所，天津 301900）

0 引言

我国各种灾害、事故发生频繁，而且发生在夜间的几率较高，应急照明设备对夜间的抢险救援工作起到至关重要的作用。目前市场上的各种应急照明设备较多，但缺乏能够提供大范围、高亮度的照明，并且适应灾害、事故现场复杂多变的情况且轻便快捷、机动灵活的专业应急照明装备。本文设计一种以液压机械臂作为照明灯组的支撑，能够将光源举升到一定高度，并且能够灵活调节高度和角度，实现大范围、高亮度照明效果的专业应急高空照明车。

1 应急照明装置的发展状况

目前国内应急照明装置品种繁多，归纳起来，主要有以下类型和特点：

（1）建筑行业的消防应急照明装置独立成系统。GB 50016-2018《建筑设计防火规范》对建筑物消防应急照明设置及照明要求有明确规定。消防应急照明系统对火灾现场人员的安全疏散和消防员安全有着重要作用，该系统包括应急电源、应急照明配电箱、应急照明灯具和应急照明控制器。

（2）工程应急抢险用的照明灯具。这类照明灯具大多选用功率为1 000～4 000 W的气体放电灯，其缺点是能耗高、寿命短、运行温度高。LED等新型光源还没有普遍应用到应急照明装置上。

（3）手提式强光巡视照明灯。这种照明灯优点是体积小、便于携带，缺点是其强光照明只是相对于传统的普通手电而言的强光，总的光通量有限。用于船舶、部队、电力、冶金等行业工作人员现场移动照明使用，同时也可以用于铁路，航运以及其他交通运输作为信号灯和安全指示灯使用。

（4）简易移动照明装置。这类灯具在市场上非常多见，大多由车架、发电机、灯杆、灯具、行走轮及万向轮组成，能够进行人工拖拽移动。灯杆一般采用气动伸缩式和机械升降式，高度一般可在2～6 m范围内调节，灯具也可进行旋转和上下调节，能够提供一定范围内的照明需求，适合应急施工作业。优点是结构简单、经济实用，缺点是采用传统卤素灯头，耗能不环保，提供的照明范围有限。

（5）多功能组合式应急抢险车辆。有些消防应急救援车和应急电源车，安装有应急照明装置，这类车辆是集应急供电、起吊、灭火、救援工器具储存、照明等多功能为一体的车辆，照明只是其中附属功能。从提供照明角度看，其缺点是车辆吨位大、不灵活，照明装置的照明范围有限且调节不灵活，灯具采用传统卤素灯。

2 设计思路

本文提出研制一种适用于防汛抢险、事故应急救援、工程施工、野外作业等复杂现场情况，可提供大范围、高亮度、持续性的照明光源，能够在复杂多变的气象条件下作业，具有抗风雨能力和防雷接地装置。设计思路:

（1）为满足应急场所现场复杂路况，车底盘采用小吨位货车底盘，具有一定的通过性，达到机动灵活，响应速度快的目的。

（2）为达到高亮度的照明需求，采用由多灯头组合成灯组的设计，提供足够的光通量，满足照度需求；灯具光源采用新型绿色光源（例如LED），达到低碳、节能、环保的目标；灯组可实现智能控制。

（3）为达到大范围的照明需求，需要将光源举升到一定的高度，采用液压机械折叠臂或伸缩臂的方式作为灯组的支撑，机械臂能够灵活回转，调节灯组的高度和角度，机械臂在回收状态下能够卧在车厢内；照明范围按距离灯组200 m直径100 m范围内满足施工作业的照明要求设计。

（4）为保证灯组供电可靠性，采用双路电源进线方式，可由发电机或市电两种方式提供电源，保证供电可靠性，同时具有漏电保护和防雷接地措施。

3 结构组成与设计实现

3.1 整体结构组成

高空照明车整体主要由照明灯组、电气控制系统车辆底盘、液压机械臂、发电机、支腿和回转机构等组成，如图1所示。

图1 高空照明车整体结构图

3.2 照明灯组

照明灯组主要由光源和平面基板构成。光源选用新型COB（Chip On Board）光源，COB是将多个LED芯片呈矩形阵列或圆形阵列封装在一个平面基板上，具有发光面积小、中心光强、无光斑的特点。本方案采用圆形COB芯片为直径30 mm，铝基板整体厚度为1.0 mm，绝缘层厚度50 μm，功率300 W，寿命50 000 h。COB光源具有高光通量、高光密度、大功率更具穿透力、射程远、易配光的优点，是低碳节能绿色光源。芯片外观如图2 所示。

图2 COB芯片外观图

散热问题是大功率COB芯片要解决的关键问题，LED芯片平放安装在铝合金翅片散热器的基板上，热量由芯片传导到铝基板，最后传导到散热器上。翅片与散热器基板通过导热筋过渡连接，利用“烟囱效应”合理设置空气通道，增强散热器自然对流强度。

灯具采用铝合金反光罩，反光罩内表面通过阳极氧化获得较高的反射率，为COB光源提供较高的光提取效率；采用水晶玻璃透镜配光，具有透光率高、耐高温、寿命长的优点。灯具采用硅橡胶密封材料，电源配有防水接头，灯具整体防护等级达IP67。光源通过透镜和反光罩可改变投射角度。

灯组由9盏300 W灯具及框架组成，呈矩形阵列灯组安装架采用高强度铝合金焊接，框架底部安装板与车辆机械臂端部平台通过螺栓连接。

3.3 电气控制系统

电气控制系统采用电力载波技术将控制信号加载到灯组供电电源线上，无需单独敷设控制电缆，减少故障率，提高可靠性；控制系统采用模块化集成芯片，对灯组的功率和开断组合控制，控制方式采用有线和无线双通道，可实现灯具的单独和整体的开断控制、明暗调节、适应工况需求。电源采用发电机或市电两种供电方式，有双电源互投开关，市电作为优先使用的主电源，发电机为备用电源，两路电源可自动/手动切换，同时配电箱装有漏电保护器和车体配备防雷接地装置。

3.4 液压机械臂

液压机械臂的作用是托举照明灯组，同时具有伸缩和旋转功能，可将灯组举升到一定高度，同时可灵活调节照明角度。机械臂采用液压驱动，由2节折叠臂和5节伸缩臂组成，材质为汽车结构用高强度钢材，截面为五边形的箱型结构，最大臂展为18 m，内侧伸缩臂由一根伸缩油缸及多根钢丝绳共同驱动，臂架由变幅油缸控制升降和变幅。机械臂底部有臂架回转平台实现180°回转，顶部灯架平台可实现水平360°回转，仰俯角调节角度范围为100°。

3.5 车辆底盘

根据机械臂的整备质量选取6 t货车二类底盘（二类底盘一般指未安装车厢而其它装置齐全的底盘），其特点是通过性强、轻便快捷、机动灵活。液压系统的动力由安装在汽车变速箱取力口上的取力器输出，直接驱动油泵。液压系统主要由液压油箱、过滤器、油泵、压力表、换向阀、液压油缸和液压马达组成。

3.6 支腿和回转机构

支腿的作用是将作业车辆支起并调平，对照明车在作业状态下的整体稳定性具有至关重要的作用。车辆支腿分为前、后两组，支腿形式为H型，可横向伸缩。水平支腿和垂直支腿均为箱形截面的焊接结构，由内、外筒组成。

回转机构由转台、回转驱动总成和回转支承组成，回转支承通过液压马达带动减速机传动小齿轮在回转支承外齿圈上滚动，带动转台及臂架旋转。

4 关键问题的解决

4.1 安全自动保护系统

照明车在正常作业过程中，可能会偶然发生发动机故障性熄火，若短时间内无法使发动机正常工作，可使用电动应急泵。液压系统中装有电动应急泵，它通过底盘电瓶驱动直流电机再带动与之相连的油泵输出压力油，这时可及时回收臂架，保证安全。

支腿装置设有虚腿报警传感器，可有效保障作业安全。照明车在作业过程中，四条垂直支腿必须可靠支撑，当其中一条支腿支撑力降为零时，即为虚腿，这时警示灯闪烁、蜂鸣器报警，必须正确调整上装姿态，使支腿重新获得支撑力，报警才可解除，进入正常工作状态。

车辆的伸缩、变幅、从动调平油缸上均装有平衡阀，垂直支腿油缸上装有双向液压锁，二者可有效杜绝因管路意外破裂而造成的缸杆急速回缩的危险状态。

4.2 高空作业稳定性校核

照明灯组能够通过机械臂举升到十几米的高度进行照明作业，稳定性是高空作业车辆的重要安全指标，在高空作业时，必须保证臂架在预先设定的安全工作范围内运动，以确保在任何作业工况下，车辆不会倾翻。

保证高空作业车具有足够的抗倾覆稳定性，是高空作业车辆设计中最关键和重要的内容。本设计最主要的分析方法是力矩法。其基本原则是：在工作状态下，风荷载（按8级风计算）、惯性力和额定荷载（灯组重量按200 kg×9.8 N/kg计算）对倾覆线求力矩，称为倾覆力矩；高空照明车自身结构重量相对倾覆线求力矩，称为稳定力矩，倾覆力矩不能大于稳定力矩的90%，视为安全。受力分析示意图如图3所示。

图3 车辆整体受力示意分析图

高空照明车的4个支腿最底端与地面接触点的连线构成车辆的倾覆线，工作状态时支腿将车辆支起离开地面。当伸缩臂中线与倾覆线垂直，且处于最大幅度工况时，高空照明车的稳定性最差，为危险工况。分别是伸缩臂在后方、伸缩臂在前方和伸缩臂在侧方三种姿态且伸出幅度最大时为最危险工况，对三种最危险工况进行校核计算。经代入车辆参数计算程序，稳定力矩，Mdw＞Mdq，且Mdq/Mdw＜90%，满足作业稳定性需求。

4.3 防雷接地措施

高空照明车伸缩臂展开高度达10 m多，在雷雨天气条件下进行应急抢险作业必须考虑车辆整体防雷接地问题。参考相关标准，车辆采取的防雷接地措施为：车辆电源配电箱内在开关电源侧与外壳之间装设过电压保护器，对电源系统进行防雷保护；在车的主梁位置（车头后部）两侧焊接40 mm×70 mm×6 mm的接地端子，主梁与车体、机械臂等均为金属连接，能够有效的实现电气导通。采用25 mm2携带型短路接地线制作两根长度分别10 m和20 m的短路接地线，两端配有接地端子，该接地线采用多股软质细铜线绞编而成，外覆柔软、耐寒耐高温的透明绝缘护层，接地针采用Φ16 mm×800 mm的钢钎，使用时接地针插入土地中形成良好接地，接地针上的接地端子和车体主梁上的接地端子与短路接地线的端子用螺栓可靠连接，实现车辆整体可靠接地。

5 现场测试及应用

高空照明车在道路、体育场、河道等场所进行了夜间照明效果测试，经过现场多点测试和计算，测试情况为：照射强度在距离灯组100 m，直径150 m范围平均照度42 Lux，最大照度240 Lux；照射强度在距离灯组200 m，100 m直径范围平均照度12 Lux，最大照度117 Lux。从现场试验效果及测试数据判断，满足应急抢险施工作业的照明需求。现场测试情况如图4所示。

图4 照明效果现场测试

2019～2020年防汛期间，该型应急抢险高空照明车为某水电站的水工建筑物和渠道的夜间巡查工作发挥了重要作用。扩大了巡查范围，解决了以往巡查中由于照明不足而影响巡查效果的环节，为巡查人员提供了新的技术手段，提高了巡查能力。应用现场情况如图5所示。

图5 应用现场情况

该产品能够满足水利、公路、铁路、电力等复杂的工程现场，以及体育场馆、广场、机场、码头、景区等大型公共场所的应急照明需求。适合应急抢险救援、工程施工、事故处理、大型集会等工况。随着技术的不断完善和发展，该种照明车将会在各种照明需求的场所起着关键的作用。