黄文海
广东永强奥林宝国际消防汽车有限公司
摘要：消防车是重要的社会应急装备，提高其快速反应的速度和装载灭火剂的能力，是提高其消防性能和设备使用效果的重要措施。消防车的轻量化设计，就能提高消防车的反应速度和灭火剂的装载量。本文就消防车的轻量化设计进行探讨。
关键词：消防车；轻量化设计；探讨
随着社会的发展，人民群众对安全保障事业的要求越来越高，同时对作为应急和消防重要装备的消防车提出了更高的要求。消防车需要反应更迅速，灭火效率更高，装载的灭火剂或器材更多，才能适应快速出动灭火和抢险的高要求。消防车的轻量化设计，能在保证消防车车身的强度和刚度的前提下，减轻消防车整备质量，从而提高消防车的快速出动、快速灭火和抢险的性能，也可以在保持车辆总质量不变的情况下提高消防的灭火剂和消防器材的装载量。
一、使用新材料进行消防车轻量化设计
1.使用铝板代替钢板，以减轻消防车车身重量。普通碳素钢的密度为7850Kg/m3，普通碳素钢的屈服强度［σb］（以钢板A235A为例）为235MPa，而铝合金的密度为2700Kg/m3，铝合金的屈服强度［σb0.2］（以钢板5754H22为例）为160MPa。原来用厚度为2mm的钢板，现改用3mm的铝板，强度和刚度都不低于原来的钢板，而重量减轻了44%。
2.使用复合材料，以减轻消防车车身重量。蜂窝状复合材料，是轻质的复合材料，其密度比水的密度稍大，约为1250Kg/m3，是钢板密度的16%，而其抗拉强度则为80MPa左右，约为普通碳素钢的屈服强度（以钢板A235A为例）的34%。使用复合材料代替钢材，重量可减少50%以上。例如，使用厚度为12mm的复合材料代替厚度为4mm的钢板，强度不变，刚度会更好，重量减轻了很多。在新工艺的不断发展的今天，制造复合材料车身的技术越来越成熟。广泛推行轻质复合材料的消防车车身，将是消防车轻量化的历史性的进展。
3.使用高强度钢板，以减轻消防车车身重量。在保持构件强度和刚度不变的前提下，采用高强度的钢板，会比采用普通钢板所需的材料厚度明显小，材料的重量自然就会明显减少。例如某公司做的消防车副车架纵梁，是U型的折弯钢板件，采用Q235钢板时需要厚度为9mm，而改用Q345钢板厚度仅需6mm，重量减少了33%。
二、使用最优化设计的新结构进行消防车轻量化设计
铝合金复合型材板
1.消防车的箱体总成和消防员室由焊接骨架加蒙皮结构，改为铝合金板结构，通过铝板的折边以增加强度和刚度，减少变形量，而重量则大大减轻。通过多块铝合金板的L型和U型折边的相互搭接（螺栓联接和胶粘接），在搭接处形成一个强度和钢度都很强的虚拟骨架，其强度完全达到了传统的焊接骨架的强度，完全代替了原骨架而其重量比传统骨架轻25%以上，并且其本身就同时充当了蒙皮的作用，不用另外加蒙皮了。而原来蒙皮的重量约占焊接骨架加蒙皮结构总重的20%，采用铝合金板结构后总重比原结构总重轻45%以上。
2.消防车的车身由铝合金板加铝型材结构，改为铝合金复合型材板结构，能进一步减轻重量。早些年，国内部分知名消防车生产厂家，将消防车的车身由钢铁结构改为铝合金板加铝型材结构，已明显地减少了车身的重量。近年来，国外特别是欧洲的各大消防车企业，纷纷推出铝合金复合型材板结构的消防车车身。这种结构的特点是，将铝型材和铝板的结构和功能合成一体，也就是说，把铝板做成了类似铝型材的结构，完全具备了铝型材的功能的同时保留了铝板本身的功能，而其强度和刚度完全达到了原来铝合金板和铝型材结构的强度和刚度，而省去了型材的重量。使用这种铝合金复合型材板结构，可以减少消防车车身的重量的20%以上。铝合金复合型材板的结构实例详见下图，其中大平面和配合的沟槽使它保留铝板本身的功能，而连接的沟槽和内部加强筋使它具备了铝型材的功能，内部的全部空心使它重量大幅度地减轻。
三、通过有限元应力分析减少质量过剩的方法进行消防车轻量化设计
1.消防车的罐体，根据用途和工况的需求，通过建立力学模型进行有限元应力分析，确认其侧板、阻浪板和顶板使用厚度为3mm的不锈钢板就完全满足强度和刚度要求，取代了原来的厚度为4mm的不锈钢板，其重量一下子变轻了25%。同样的方法，罐体底板和托板的厚度分别由5mm和10mm变为4mm和6mm，其重量分别减少了20%和40%。
2.消防车的器材架及其铺板，根据消防器材的重量分布以及其在消防车急刹、急捌、上下颠簸时的受力情况，从而计算出消防器材对器材架及其铺板的作用力的情况，建立力学模型进行有限元应力分析，发现大部分的器材架铺板的厚度可以分别由原来的4mm和3mm变为3mm和2mm，其重量分别减少了25%和33%。
四、应用新的工艺技术，对消防车进行轻量化设计
消防车车身中，原来是由多个钣金件组成的一个部件，随着工艺技术的提高，现在可以由铸造成型或注塑成型的一个零件代替。而现在的成型的单个零件与原来的组合部件相比，省去了很多相联的结构和零件，也减少了这部分相应的重量。实践证明，这种方法可减轻25-40%的重量。
五、通过实验验证消防车进行轻量化设计后的效果
为了验证消防车轻量化设计的效果，将轻量化前、部分轻量化和完全轻量化后的同一款泡沫消防车作试验，试验结果如下表所示。
实验证明，轻量化设计后，上装的重量减少了29%，灭火剂装载量增加了11%，同时0-65公里时速所需加速时间减少了4%，极限侧倾角提高了9%。实验结果数据与论理分析数据基本吻合。
结论
通过选用轻质材料和高强度材料、优化设计新结构、有限元分析减少质量过剩、应用新工艺技术等方法，对消防车进行轻量化设计，能明显地减少消防车的整备质量，能有效地提高消防车的反应速度和灭火剂的装载量等性能。
参考文献：
[1]机械工程师手册编委会.机械工程师手册.北京：机械工业出版社，2007
[2]（美）P.K.迈利克，等.汽车轻量化——材料、设计与制造.机械工程师手册.北京：机械工业出版社，2012
[3]机械设计手册编委会.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2004