高層建筑消防炮設(shè)計(jì),高層建筑,消防,設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) 07071613 密 級(jí) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 高層建筑消防炮設(shè)計(jì) 院（系）名稱 : 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 : 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 : 胡俊祥 指導(dǎo)教師 : 趙 丹 講師 2011年6月 高層建筑消防炮的設(shè)計(jì) 胡俊祥 哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 高層建筑消防炮的設(shè)計(jì) 院系 : 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè) 學(xué)號(hào) : : 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 07071613 學(xué)生姓名 : 胡俊祥 指導(dǎo)教師 : 趙 丹 講師 2011年6月 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 摘　　要 高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，由于建筑比較高，“煙囪效應(yīng)”構(gòu)成了較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性。建筑物內(nèi)的消防設(shè)施又有限，從而提出了設(shè)計(jì)高層建筑消防炮，它將裝有干粉滅火劑的消防彈，通過(guò)窗戶打到屋內(nèi)，起到滅火的作用。 本文首先根據(jù)氣動(dòng)滅火炮原理，對(duì)消防炮進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括氣動(dòng)滅火炮總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，推進(jìn)裝置及鎖緊裝置設(shè)計(jì)，炮身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，消防炮的炮架與俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其次采用內(nèi)彈道學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)合熱力學(xué)、物理學(xué)的知識(shí)對(duì)炮管的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，建立了炮管長(zhǎng)度、直徑、氣壓、仰角和消防炮射程的關(guān)系，并同時(shí)考慮空氣阻力，通過(guò)拋體軌跡方程計(jì)算得出消防炮的射程，最后對(duì)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算和校核，此依據(jù)是消防炮發(fā)射方式為氣動(dòng)，發(fā)射裝置承受的是沖擊載荷。 本方案的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)消防彈的發(fā)射，并且能準(zhǔn)確將消防單打到起火的高層建筑房間里（通過(guò)窗戶等）。消防彈遇到高溫或碰撞爆破，滅火劑彌散充滿整個(gè)房間從而起到滅火的目的。消防炮可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)俯仰，保證了適應(yīng)性；擊發(fā)為手動(dòng)式，保證了發(fā)射的可控性；瞄準(zhǔn)采用計(jì)算軌跡形式，保證打擊的精確性。 關(guān)鍵詞：煙囪效應(yīng)；干粉劑；高層建筑消防炮 ABSTRACT Once high-rise buildings get fire, there is a risk of a big fire because of the chimney effect. As the buildings are so high and the fire fighting facilities are limited inside it is difficult for the firemen to put out the fire. That’s why we decided to design a fire-extinguish cannon here. The cannon is filled with foam extinguishing agent which could be diffused evenly to put out the fire once the cannon is emitted. In this paper, according to the principle of pneumatic fire-extinguishing cannon, I designed the cannon’s general structure at first which consists of the body and gun rack, the Propulsion Plant, the Locking Device and Pitch Rotate Mechanism. Then I made a series of calculations for the cannon barrel and got a relational expression among the parameters such as length, diameter, air pressure, elevation angle and the fire range. At last I calculated and checked some key parts of the cannon. The numerical values I got are all based on the impact load produced by the pneumatic emission. The fire-extinguish cannon designed here could guarantee the exact landing point of the fire-shell in the room which is on fire. The foam extinguishing agent would diffuse quickly and evenly to put out the fire inside when the fire-shell exploded because of colliding with objects and high temperature environment. The cannon has a strong adaptability because of the Propulsion Plant and it could be easily controlled because it is emitted manually. Besides, the cannon could guarantee the accuracy of the emission as the track is calculated and described by concrete numerical value. Key words: chimney effect; Dry powder; fire-extinguish cannon 目　　錄 第1章 緒論 1 1.1 高層建筑消防炮設(shè)計(jì)背景 1 1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 3 1.2.2國(guó)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 7 1.3本設(shè)計(jì)的目的及意義 9 1.4本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 10 第2章 消防炮的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.1 引言 11 2.2 氣動(dòng)滅火炮總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理 11 2.3 推進(jìn)裝置及鎖緊裝置設(shè)計(jì) 13 2.4 炮身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 2.4.1炮管的設(shè)計(jì) 14 2.4.2儲(chǔ)氣室與擊發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15 2.4.3炮管的減震機(jī)構(gòu) 16 2.5 消防炮的炮架與俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 2.5.1炮架的設(shè)計(jì) 17 2.5.2俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 2.5.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19 2.6 本章小結(jié) 21 第3章 氣動(dòng)滅火炮炮管的結(jié)構(gòu)與參數(shù)計(jì)算 22 3.1 引言 22 3.2 高層建筑消防炮炮管的結(jié)構(gòu) 22 3.3 氣動(dòng)滅火炮設(shè)計(jì)的條件和要求 24 3.4 氣動(dòng)滅火炮的炮口初速度 24 3.4.1氣動(dòng)滅火炮的內(nèi)彈道 24 3.4.2內(nèi)彈道的計(jì)算 25 3.4.3高層建筑消防炮射程計(jì)算 27 3.5 儲(chǔ)氣室壁厚與炮管壁厚的計(jì)算 29 3.6 本章小結(jié) 32 第4章 關(guān)鍵零部件計(jì)算 33 4.1 引言 33 4.2 炮耳強(qiáng)度的校核 33 4.3 卡爪強(qiáng)度計(jì)算 33 4.4 計(jì)算摩擦角確定活塞桿行程進(jìn)而確定卡爪的形狀與尺寸 34 4.5 鎖緊裝置的強(qiáng)度校核 35 4.6 本章小結(jié) 35 結(jié)論 36 續(xù)1 37 參考文獻(xiàn) 39 致謝 41 46 第1章 緒論 1.1高層建筑消防炮設(shè)計(jì)背景 2010年11月15日上海一棟高層公寓起火，造成58人死亡，給我們提出了一個(gè)嚴(yán)峻的課題，隨著現(xiàn)在中國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展，高層建筑不斷出現(xiàn)在各大城市里。高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，由于建筑比較高，“煙囪效應(yīng)”構(gòu)成了較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性。目前對(duì)付高層建筑火災(zāi)的措施主要有三種：1、是通過(guò)登高消防車向火場(chǎng)噴灑水或滅火劑，但是登高車最高只能到達(dá)50m，對(duì)于更高的樓層無(wú)能為力；2、是采用直升飛機(jī)從失火建筑上部噴灑，受條件限制應(yīng)用所以并不廣泛；3、是由消防人員進(jìn)入建筑物內(nèi)從內(nèi)部控制火情，但進(jìn)入火場(chǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且近距離撲救具有危險(xiǎn)性。 針對(duì)高層滅火出現(xiàn)的種種困難，提出一種高層建筑消防炮的方案。本方案的主要方法是把干粉滅火劑裝填在消防里，消防彈里裝填干粉劑的容量能彌散充滿整個(gè)起火房間，通過(guò)消防炮把滅火彈準(zhǔn)確打到起火的高層建筑房間里（通過(guò)窗戶等），消防彈遇到高溫或碰撞爆破，滅火劑彌散充滿整個(gè)房間從而起到滅火的目的。 1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際上通用的滅火炮為固定式滅火炮、移動(dòng)式滅火炮兩種。固定式滅火炮是安裝在固定支座上的滅火炮，如固定安裝在消防車上的消防炮，有螺紋、法蘭連接兩種方式。移動(dòng)式滅火炮是手抬或拖車運(yùn)載形式的消防炮，它以一根或多根消防水帶連接供壓強(qiáng)水或泡沫和水混合液體進(jìn)行噴射滅火。由滅火炮的滅火介質(zhì)不同，滅火炮大體可以分成三類:1、以干粉滅火劑為介質(zhì)的滅火炮；2、以水為滅火介質(zhì)的滅火炮；3、以水和泡沫混合液為介質(zhì)的滅火炮。各類滅火炮應(yīng)用于不同火災(zāi)環(huán)境，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，滅火炮的研制前景廣闊。從國(guó)內(nèi)外消防炮的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，為了提高滅火炮的滅火效能、適應(yīng)不同場(chǎng)所的滅火需要，除了對(duì)所使用的滅火劑進(jìn)行研究外，重點(diǎn)研究方向有以下幾個(gè)方面。 (1)提高射程、擴(kuò)大滅火炮保護(hù)范圍為目的研究。 (2)增加滅火炮流量，提高滅火劑噴射強(qiáng)度，快速控制和撲滅火災(zāi)為目的研究。大規(guī)模的火災(zāi)，只有施用大流量的滅火炮，才能快速奏效。目前國(guó)內(nèi)滅火炮流量，一般不超過(guò)每分鐘5000升，但是，國(guó)外有好幾個(gè)廠家已生產(chǎn)出每分鐘10000升以上的滅火炮。德國(guó)ALBACH公司制造的HY39O型和GL39O型滅火炮每分鐘流量80000升，為世界最大流量的滅火炮[8]。 (3)使用功能多樣化的直流噴霧功能、恒壓功能、流量可調(diào)功能、水力搖擺功能、擴(kuò)大消防炮的應(yīng)用范圍為目的研究[8]。 (4)自動(dòng)化控制手段代替人工操作為目的研究等。遙控操作的滅火炮可以是固定式的，也可以是移動(dòng)式的。移動(dòng)式的滅火炮，通常是安裝在消防船上的或消防車上。安裝于消防船上或消防車上的滅火炮，因?yàn)闇缁饎┝髁康内叴螅瑒?shì)必要求車船造型增大。國(guó)內(nèi)滅火炮主要是小型的和可移動(dòng)式的[8]。 圖1.1所示是山西壽陽(yáng)岳全生在2000年發(fā)明的肩負(fù)式PJ8o滅火炮，它是以干粉滅火劑為滅火介質(zhì)的滅火炮。主要由助退筒、炮管、瞄準(zhǔn)具、高壓氣瓶和擊發(fā)機(jī)構(gòu)組成。其炮管尾端裝有氣閥，助退筒內(nèi)裝有一次緩沖彈簧與二次緩沖彈簧，擊發(fā)機(jī)構(gòu)主要由壓塊、壓鉤、支架、拉桿、推桿和擊發(fā)柄組成；壓鉤的端部有斜面和滅火彈前端的錐頭斜面相應(yīng)；該壓鉤由擊發(fā)手柄控制釋放，所述炮筒后端外壁裝有氣管接頭，此管接頭通過(guò)軟管和壓縮空氣的氣源相連接。該滅火炮體積小，工作壓強(qiáng)1.6MPa，最大射程120米，最大滅火面積3平方米，但不能架設(shè)，只能肩負(fù)，多極緩沖彈簧駐推筒結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，受人體能力所限，工作壓強(qiáng)不能太大[8]。 1.2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 圖1.1 PJ80肩負(fù)式滅火炮 圖1.2所示是山西壽陽(yáng)岳全生在2006年發(fā)明的Pz80支架式滅火炮,它也是以固體干粉滅火劑為滅火介質(zhì)的滅火炮，針對(duì)著現(xiàn)有滅火炮技術(shù)存在著只能肩負(fù),不便架設(shè)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工作壓強(qiáng)小，適用范圍受到限制等缺點(diǎn)設(shè)計(jì)的[8]。該滅火炮包括炮管，安裝在炮管中部的擊發(fā)機(jī)構(gòu)，與炮管內(nèi)腔連通的高壓氣瓶，設(shè)置在炮管上的炮鏡和角度儀，開(kāi)設(shè)在炮管下部的排氣閥，以及含有炮柞的炮座和一種與炮管連接的可調(diào)節(jié)支架構(gòu)成的支撐炮管裝置。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文該滅火炮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作壓強(qiáng)較高，最大工作壓強(qiáng)可達(dá)2.OMPa，最大射程180米，最大滅火面積4平方米。但它的射程有限，命準(zhǔn)率較低，采用氣瓶中壓縮空氣為動(dòng)力，壓強(qiáng)不好保證，前裝彈式供彈無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射，人力消耗較大，實(shí)際操作性不強(qiáng)[8]。 圖1.2 PZ80 支架式滅火炮 圖1.3所示是沈陽(yáng)趙國(guó)運(yùn)在2005年發(fā)明的一種輕型遠(yuǎn)程智能滅火炮lz1。它是以水為滅火介質(zhì)的滅火炮用于建筑物的一種大口徑射程遠(yuǎn)的滅火裝置。其殼體上部連有一進(jìn)水管，前部伸出兩個(gè)基座?；B接內(nèi)部空腔的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上連有一個(gè)炮管，炮管支出基座外，炮管內(nèi)部空腔與轉(zhuǎn)軸內(nèi)部的空腔相通，殼體下部設(shè)有電機(jī)，電機(jī)通過(guò)皮帶與轉(zhuǎn)軸的一端連接，能夠帶動(dòng)炮管轉(zhuǎn)動(dòng)，殼體后部設(shè)有電機(jī)，電機(jī)通過(guò)皮帶與進(jìn)水管外壁的軸套相連接，能夠帶動(dòng)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)。小型智能消防水炮具有遠(yuǎn)程通訊功能，能夠在設(shè)定監(jiān)控的范圍內(nèi)自動(dòng)搜索識(shí)別火焰、自動(dòng)進(jìn)行火焰定位，并在火災(zāi)初期自動(dòng)開(kāi)閥噴水撲滅火焰，是一種高度智能化的消防滅火裝置，具有廣闊的工程應(yīng)用前景[8]。 圖1.3 遠(yuǎn)程智能滅火炮 圖1.4所示是北京燕山石油化工消防支隊(duì)在2000年研發(fā)并配備的一種組合式泡沫為滅火介質(zhì)的滅火炮。它包括一臥式固定架，一樞接盤(pán)及一炮筒組合架。其中臥式固定架中設(shè)一縱向水平軸，炮筒組合架設(shè)有雙臂及兩孔板，其中雙臂樞接在橫向水平軸上，而兩孔板數(shù)個(gè)相對(duì)應(yīng)的孔中固定支承數(shù)門(mén)泡沫炮筒。從而可產(chǎn)生極大的滅火威力，而且泡沫滅火劑的利用率大大提高，同時(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)且操作方便。尤其適用于在空中噴射滅火[8]。 圖1.5所示是遼寧谷立富在1998年研發(fā)的車載滅火炮，采用固體干粉為滅火介質(zhì)的消防裝置，它利用壓縮空氣從設(shè)在炮筒尾部的套筒進(jìn)入炮筒內(nèi)，經(jīng)過(guò)柱塞上的通孔將柱塞前端的滅火彈發(fā)射出去，達(dá)到消防人員難以接近的較高或較遠(yuǎn)的火場(chǎng)上，自動(dòng)引爆和釋放固體滅火劑從而實(shí)現(xiàn)滅火，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，適用于各種不同火場(chǎng)。該炮筒底座和液壓缸相連，底座可全方位回轉(zhuǎn)。 圖1.4 PZ80組合式泡沫滅火炮 圖1.5 車載滅火炮 圖1.6所示是四川消防機(jī)械總廠2006年研發(fā)的WSTSKP型數(shù)控消防炮[8]，是一種以泡沫混合液為滅火介質(zhì)，射程遠(yuǎn)、操作簡(jiǎn)單、流量大、方便靈活的新型點(diǎn)觸式遙控消防產(chǎn)品。它的穩(wěn)定性好，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線或有線遙控操作，能輕巧靈便地完成上下俯仰、水平回轉(zhuǎn)以及直流噴霧。該數(shù)控消防炮由炮體、電機(jī)、炮座、三通管等部件組成，其具體特點(diǎn)如下:l、流量調(diào)節(jié)方便，可在2OL/s～50L/s范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)；2、射程遠(yuǎn)，最大射程為50米，可遠(yuǎn)距離控制，最遠(yuǎn)可達(dá)1200米；3、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，該消防炮也可在底部安裝滾輪，可由機(jī)動(dòng)車牽引至發(fā)射位置，故稱作拖掛式；還可以直接安裝在小卡車上，靠自行到達(dá)發(fā)射位置；4、泡沫液混合好，滅火效率高。 炮體 炮座 炮管 電機(jī) 三通管 圖1.6數(shù)控滅火炮 具有針對(duì)性的遠(yuǎn)程滅火炮當(dāng)屬于哈爾濱工程大學(xué)研究的“高層建筑消防炮”提供的是一種高層建筑消防炮。如圖1.7所示，它主要包括炮座、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、減震彈簧、炮管、俯仰機(jī)構(gòu)和水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),炮座分前座、中座、后座和底座,前座腔中放有推進(jìn)機(jī)構(gòu),炮管包括推進(jìn)缸和炮膛,推進(jìn)缸和炮膛為一體,炮膛在中座腔中,推進(jìn)缸在后座腔中,后座腔中炮膛外側(cè)安裝有減震彈簧,俯仰機(jī)構(gòu)和底座配合,水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)相連,推進(jìn)機(jī)構(gòu)包括推進(jìn)氣缸,推進(jìn)氣缸和擊發(fā)機(jī)構(gòu)放在中座腔中,且推進(jìn)氣缸在炮膛外側(cè),擊發(fā)機(jī)構(gòu)安裝在炮膛中,炮膛上開(kāi)有高壓氣孔和凹槽?？梢蕴嵘l(fā)射物體并以任意角度發(fā)射物體,定位準(zhǔn)確,彈性儲(chǔ)能,瞬間發(fā)射,自動(dòng)抓取并干擾物體。 圖1.7 消防炮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1.2.2國(guó)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 圖1.8所示是美國(guó)威廉姆斯消防廠2006年生產(chǎn)專用于撲救大型油罐火災(zāi)的移動(dòng)消防炮。它的基本工作原理是，多輛消防車或多個(gè)消火栓通過(guò)水帶向移動(dòng)消防炮的進(jìn)水口供水，依靠供水的壓強(qiáng)從炮口噴射，在炮筒上帶有外吸泡沫液的軟管，炮口噴射出的是泡沫。主要特點(diǎn):(1)流量大。移動(dòng)消防炮底座上帶有10個(gè)5英寸進(jìn)水口，噴射流量可達(dá)4000一14000GRM(根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)整)。一門(mén)消防移動(dòng)炮即可撲滅20000立方米開(kāi)式燃燒型的油罐。多門(mén)消防移動(dòng)炮聯(lián)用可以撲滅更大容量的開(kāi)式燃燒型的油罐。(2)射程遠(yuǎn)。由于流量的變化，泡沫的射程可達(dá)到330英尺一礴30英尺之間?？杀荛_(kāi)油罐火焰輻射熱實(shí)施遠(yuǎn)距離滅火。(3)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。該消防移動(dòng)炮有兩種類型，一是拖掛式，炮底座安裝有輪子，用機(jī)動(dòng)車牽引移動(dòng)到使用位置；二是車載式，既消防炮安裝在小型卡車上，可直接行駛到使用為位置。(4)泡沫液混合好。移動(dòng)消防炮筒有獨(dú)到設(shè)計(jì)的泡沫液混合室，能夠保證泡沫液和水的混合質(zhì)量，混合液直接從炮口噴射，可使用3%一6%型泡沫液[8]。 圖1.8 美國(guó)遠(yuǎn)程滅火跑 圖1.9所示是意大利空氣消防炮，它于2005年投入使用，它適用于石油化工企業(yè)、飛機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、儲(chǔ)罐區(qū)、港口碼頭，而且適用于船舶和海上固定平臺(tái)和消防車等設(shè)施。它能夠?qū)崿F(xiàn)炮俯、仰、回轉(zhuǎn)。它是國(guó)際上有代表性的一種氣體消防炮，該消防炮機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)炮俯、仰、回轉(zhuǎn)，射程遠(yuǎn)，最大射程可達(dá)200～240米，但它不能連發(fā)，滅火效率低。 圖1.9 意大利空氣消防炮 1.3本設(shè)計(jì)的目的及意義 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和改革開(kāi)放的深入，城市建筑日益向著多功能化、高層化、大型化、地下化發(fā)展。這些建筑往往有著這樣的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、疏散困難、人員密集、可燃物裝修多等，一旦發(fā)生火災(zāi)，將給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的損失。因此，針對(duì)高層建筑的特點(diǎn)，從分析高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)與撲救難點(diǎn)入手，就如何采取切實(shí)可行的撲救措施做好高層建筑火災(zāi)撲救工作進(jìn)行分析。 高層建筑發(fā)生火災(zāi)的特點(diǎn)； 1. 樓層高，建筑內(nèi)豎向井道多，可燃材料多造成火勢(shì)蔓延快，高層建筑主體建筑多，樓層較高,如果防火設(shè)施不到位，發(fā)生火災(zāi)時(shí)就好像一座座高聳的煙囪，成為火勢(shì)迅速蔓延的途徑，形成“煙囪效應(yīng)”。據(jù)測(cè)定，在火災(zāi)初期階段，因空氣對(duì)流，在水平方向造成的煙氣擴(kuò)散速度為0.3m/s，在火災(zāi)燃燒猛烈階段，由于高溫狀態(tài)下的熱對(duì)流而造成的水平方向煙氣擴(kuò)散速度為0.5～3m/s；煙氣沿樓梯間或其它豎向管井?dāng)U散速度為3～4m/s。如一座高度為100m的高層建筑，在無(wú)阻擋的情況下半分鐘左右，煙氣就能順豎向管井?dāng)U散到頂層。 2. 疏散途徑少、難度大高層建筑一是層數(shù)多，垂直距離長(zhǎng)，疏散到地面或其它安全場(chǎng)所的時(shí)間長(zhǎng)；二是人員集中，影響消防員登梯的速度和人員疏散的時(shí)間，貽誤了滅火救援的時(shí)機(jī)；三是發(fā)生火災(zāi)時(shí)由于各豎井空氣流動(dòng)暢通，火勢(shì)和煙霧向上蔓延快，普通電梯在火災(zāi)時(shí)因不防煙火或停電等原因而無(wú)法使用，因此，多數(shù)高層建筑安全疏散主要是封閉樓梯，而樓梯間內(nèi)一旦竄入煙氣，就會(huì)嚴(yán)重影響疏散。這些都是高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行疏散的不利條件。 撲救高層建筑火災(zāi)的具體措施： 1、上得去，要占領(lǐng)有利陣地?fù)渚雀邔踊馂?zāi)，能否上的去，并迅速占領(lǐng)有利于滅火的陣地，是能否奪取滅火戰(zhàn)斗主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵。 2、加強(qiáng)火場(chǎng)供水，保證滅火需要撲救高層火災(zāi)的供水難度較大，用水量較多。 一旦火情發(fā)生在更高的樓層,消防人員只能佩戴空氣呼吸器進(jìn)入火場(chǎng),通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)攻撲救大火。這對(duì)消防員的心理、生理和滅火技能都面臨復(fù)雜而嚴(yán)峻的考驗(yàn),隨時(shí)都有生命危險(xiǎn)。 綜上分析針對(duì)高層滅火出現(xiàn)的種種困難，提出一種高層建筑消防炮的方案。本方案的主要方法是把干粉滅火劑裝填在滅火彈里，滅火彈里裝填干粉劑的容量能彌散充滿整個(gè)起火房間，通過(guò)消防炮把滅火彈準(zhǔn)確打到起火的高層建筑房間里（通過(guò)窗戶等），滅火彈遇到高溫或碰撞爆破，滅火劑彌散充滿整個(gè)房間從而起到滅火的目的。 1.4本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本消防炮為氣動(dòng)發(fā)射滅火彈工作方式。通過(guò)消防炮把滅火彈準(zhǔn)確打到起火的高層建筑房間里（通過(guò)窗戶等），滅火彈遇到高溫或碰撞爆破，滅火劑彌散充滿整個(gè)房間從而起到滅火的目的。高層建筑消防炮包括推進(jìn)鎖緊機(jī)構(gòu)、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、炮座、減震彈簧、炮管、俯仰機(jī)構(gòu)和水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等；整個(gè)炮身安置在發(fā)射車上。 1、推進(jìn)鎖緊機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)炮彈的推進(jìn)和氣室的鎖緊。 2、擊發(fā)機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)滅火彈發(fā)射的擊發(fā)，手動(dòng)式。 3、俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：加大滅火炮的工作空間。 4、儲(chǔ)氣室：給滅火彈提供發(fā)射氣壓。 第2章 消防炮的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1需求分析 消防炮的作用是將炮彈發(fā)射到高層建筑失火樓層，破窗入室內(nèi)。其為氣動(dòng)發(fā)射滅火彈的工作方式。消防炮主要要求有機(jī)動(dòng)性，壽命，快速反應(yīng)，瞄準(zhǔn)精確等四方面。其中消防炮炮威力是指消防炮在滅火過(guò)程中能迅速壓制滅火的能力，由炮彈威力，高射性，設(shè)計(jì)精確，速射性等主要指標(biāo)構(gòu)成。消防炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 在消防炮的發(fā)射過(guò)程中，對(duì)發(fā)射裝置施加的是沖擊載荷，炮管，儲(chǔ)氣 室，鎖緊裝置，俯仰機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和各部分連接件都要直接或間接承受沖擊載荷，該載荷是滅火炮構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要依據(jù) 2.2氣動(dòng)滅火炮總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理 圖2.1 高層建筑消防炮總體結(jié)構(gòu)圖 高層建筑消防炮的工作原理是以高壓氣體為發(fā)射能源，把滅火炮彈以一定的初速度發(fā)射到火災(zāi)區(qū)域，達(dá)到滅火的目的。特點(diǎn)是射程遠(yuǎn)高，滅火面積大，滅火精度高。 圖2.1所示是高層建筑消防炮的總體結(jié)構(gòu)圖，改氣動(dòng)炮主要由炮管，儲(chǔ)氣室，推進(jìn)鎖緊裝置，減震裝置，激發(fā)機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，俯仰機(jī)構(gòu)等組成。 首先，推進(jìn)鎖緊裝置工作，把滅火彈推進(jìn)儲(chǔ)氣室炮管里，復(fù)位激發(fā)手柄，此時(shí)，楔塊利用摩擦角將活塞推桿鎖死，炮彈被卡爪卡住，然后鎖緊裝置鎖住，接著控制系統(tǒng)開(kāi)始給儲(chǔ)氣室供氣，當(dāng)氣室內(nèi)部加壓到6Mpa時(shí)，停止供氣，當(dāng)想發(fā)射時(shí)，拉動(dòng)激發(fā)手柄，楔塊運(yùn)動(dòng)，活塞推桿解除鎖死狀態(tài)，卡爪運(yùn)動(dòng)炮彈發(fā)射。當(dāng)想再次發(fā)射時(shí)重復(fù)以上步驟，其工作循環(huán)如圖2.2所示。 圖2.2氣動(dòng)消防炮工作循環(huán)圖 該炮發(fā)射必須嚴(yán)格按照上述循環(huán)圖進(jìn)行，否則會(huì)出現(xiàn)炮彈推不進(jìn)去的事情。原因是楔塊復(fù)位會(huì)卡死，所以推進(jìn)炮彈時(shí)手柄必須處于激發(fā)狀態(tài)。 2.3推進(jìn)裝置及鎖緊裝置設(shè)計(jì) 推進(jìn)裝置是高層建筑消防炮的重要組成部分，它負(fù)責(zé)把消防炮彈推進(jìn)儲(chǔ)氣室進(jìn)入炮膛，鎖緊裝置則是將儲(chǔ)氣室封閉，故將兩者設(shè)計(jì)為一體，推進(jìn)裝置將炮彈推進(jìn)炮膛后旋轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置鎖緊實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣室的密封。鎖緊原理為楔塊鎖緊，利用摩擦角實(shí)現(xiàn)鎖死。推進(jìn)鎖緊裝置與支架相連，采用導(dǎo)軌形式實(shí)現(xiàn)推進(jìn)裝置的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。原理如圖2.3所示。 圖2.3推進(jìn)及鎖緊裝置原理圖 2.4炮身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 炮身是高層建筑消防炮的一個(gè)重要組成部分，它的作用是儲(chǔ)氣承受壓強(qiáng)，給炮彈提供發(fā)射軌道，給炮彈初速度，炮身的主要零件為儲(chǔ)氣室、炮管、減震裝置和其它附件。 高層建筑消防炮在手動(dòng)激發(fā)前儲(chǔ)氣室與炮管承受高壓作用，其設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響到炮的使用安全，設(shè)計(jì)效果和消防炮的使用壽命。為此對(duì)炮身設(shè)計(jì)的要求是： （1）滿足相應(yīng)技術(shù)要求，工作可靠、性能穩(wěn)定、使用安全； （2）各構(gòu)件應(yīng)有足夠的韌性和強(qiáng)度，發(fā)射時(shí)不得產(chǎn)生塑性變形和脆性 破壞； （3）炮管壽命要長(zhǎng)； （4）材料與制造工藝要符合國(guó)情，符合經(jīng)濟(jì)原則，便于大批量的生產(chǎn)； （5）外形尺寸及其質(zhì)心位置的確定，要有利于其他零部件的設(shè)計(jì)。 2.4.1炮管的設(shè)計(jì) 炮管采用單筒炮管，炮管的直徑厚度在上一章節(jié)已經(jīng)計(jì)算校核完，由于炮身整體設(shè)計(jì)時(shí)需要卡爪實(shí)現(xiàn)炮彈的卡死與發(fā)射，用傳統(tǒng)卡爪炮管會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象如圖2.4所示。 圖2.4外卡爪 為了避免漏氣現(xiàn)象決定將卡爪設(shè)計(jì)到內(nèi)部，在炮管的尾部設(shè)計(jì)卡爪，外焊法蘭盤(pán)用于連接儲(chǔ)氣室，如圖2.5所示。 圖2.5炮管 2.4.2儲(chǔ)氣室與擊發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 儲(chǔ)氣室與炮管和推進(jìn)鎖緊裝置連接，所以儲(chǔ)氣室外形需要與炮管與鎖緊裝置想配合，如圖2.6所示。 圖2.6儲(chǔ)氣室 儲(chǔ)氣室后部有用來(lái)鎖緊的開(kāi)口，由于設(shè)置為內(nèi)卡爪，為了卡爪能實(shí)現(xiàn)炮彈的卡死與擊發(fā)所以需要儲(chǔ)氣室實(shí)現(xiàn)卡爪的運(yùn)動(dòng)，如圖2.7所示。 激發(fā)手柄 活塞推桿 楔塊 卡爪 圖2.7部分炮體 炮彈被擊發(fā)前楔塊將活塞推桿鎖死，活塞推桿與卡爪接觸，從而卡爪將滅火彈鎖死，當(dāng)擊發(fā)時(shí)，楔塊運(yùn)動(dòng)，活塞推桿接觸鎖死狀態(tài)，卡爪在滅火彈壓力作用下運(yùn)動(dòng)，炮彈發(fā)射出去。 2.4.3炮管的減震機(jī)構(gòu) 氣體滅火炮通過(guò)反后坐裝置即減震機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)彈性發(fā)射，如圖2.8所示，它是一種消耗后坐能量的裝置，它是炮身的重要組成部分，其主要作用主要有兩點(diǎn)：第一，減小后坐能量，由于氣體滅火炮的后座部分的質(zhì)量是一定的，所以它可以減小發(fā)射時(shí)對(duì)炮架的作用力，從而減小炮架縱向尺寸和后坐長(zhǎng)度，第二，便于采用統(tǒng)一炮架。氣體滅火炮的減震機(jī)構(gòu)從沖量的觀點(diǎn)來(lái)看，就是將突然的沖擊力轉(zhuǎn)化為作用時(shí)間較長(zhǎng)而作用力較小的沖擊力，從能量觀點(diǎn)來(lái)看，就是將炮座受沖擊后所獲得的動(dòng)能，由彈性元件吸收，變?yōu)閺椥栽淖冃文堋１疚牡臏p震機(jī)構(gòu)是彈簧，其工作原理很簡(jiǎn)單，主要是炮身后坐時(shí)通過(guò)壓縮彈簧而儲(chǔ)能，在復(fù)進(jìn)時(shí)彈簧釋放能量，推動(dòng)炮身復(fù)進(jìn)到位。其主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、工作性能不受溫度影響，彈簧斷裂仍可暫時(shí)使用，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是質(zhì)量大口徑越大質(zhì)量矛盾就越突出，不便于調(diào)整，長(zhǎng)期使用易疲勞。 圖2.8炮管的減震機(jī)構(gòu) 在本設(shè)計(jì)中將炮管、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)做成一個(gè)整體，它后與炮架前段相連，彈簧的前端有前擋板限位，并用螺栓緊固在一起。當(dāng)炮彈發(fā)射后，上述整體因炮彈發(fā)射而產(chǎn)生的后坐力而向后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生的后坐力相當(dāng)大，如果不加入緩沖裝置，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的后果。加上了緩沖裝置以后效果就大不相同了。所產(chǎn)生的后坐力首先作用在彈簧上，彈簧開(kāi)始儲(chǔ)備能量，這樣可以減掉一部分后坐力，同時(shí)后坐力將逐漸地轉(zhuǎn)移到固定底架上，這樣就可以大大減少瞬間沖力的作用。直到卸荷完畢，彈簧回復(fù)到初始位置。 2.5消防炮的炮架與俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.5.1炮架的設(shè)計(jì) 它與減震機(jī)構(gòu)連接，它又與炮管有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它同時(shí)為消防炮提供俯仰運(yùn)動(dòng)，如圖2.9所示。 圖2.9炮架 炮耳在設(shè)計(jì)是必須保證炮耳的軸線與炮架中心平面垂直并且與炮管中線相交，這樣做的目的是保證在發(fā)射時(shí)炮耳不會(huì)產(chǎn)生扭矩，因?yàn)楦┭鰴C(jī)構(gòu)用的是渦輪蝸桿，避免渦輪蝸桿受沖擊載荷，延長(zhǎng)使用壽命。 2.5.2俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 采用蝸輪蝸桿運(yùn)動(dòng)形式，蝸輪蝸桿運(yùn)動(dòng)單向，有自鎖特性，工作原理如圖2.10所示，蝸輪通過(guò)鍵固定在炮耳上，蝸桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)炮體的俯仰運(yùn)動(dòng)。 圖2.10俯仰機(jī)構(gòu) 2.5.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 消防炮的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖2.11所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要部件有，轉(zhuǎn)盤(pán)，支撐板，與轉(zhuǎn)盤(pán)相連的立軸以及渦輪蝸桿和滾動(dòng)軸承等。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要就是一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，功能是實(shí)現(xiàn)消防炮3600旋轉(zhuǎn)。功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)蝸桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪從而實(shí)現(xiàn)立軸的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，但考慮到炮身重量和反沖力，所以在發(fā)射時(shí)炮座回轉(zhuǎn)部分將產(chǎn)生垂直與回轉(zhuǎn)方向和平行與回轉(zhuǎn)軸方向的力和力矩，所以轉(zhuǎn)臺(tái)部分既要承受垂直力，徑向力又要承受翻轉(zhuǎn)力矩作用。 通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，滅火炮可自動(dòng)沿圓周方向旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到短時(shí)間、高效率和適應(yīng)不同環(huán)境的撲滅火災(zāi)的目的。 圖2.11旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2維圖 圖2.12旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3維圖 2.6本章小結(jié) 高層建筑消防炮炮的作用是將滅火彈彈發(fā)射到失火的樓層中，其發(fā)射能源主要來(lái)源于氣室的高壓氣體。消防炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在滅火炮的發(fā)射過(guò)程中，對(duì)發(fā)射裝置施加的是沖擊載荷，炮管、儲(chǔ)氣室、俯仰機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)和各部分連接件都要直接或間接承受沖擊載荷，該載荷是滅火炮構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 根據(jù)氣動(dòng)滅火炮的原理，對(duì)遠(yuǎn)程氣動(dòng)滅火炮進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括滅 火炮的推進(jìn)鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、炮身的結(jié)構(gòu)、減震機(jī)構(gòu)、 鎖緊機(jī)構(gòu)、俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的架體的設(shè)計(jì)。 第3章 炮管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 3.1需求分析 高層建筑消防炮的作用是將炮彈發(fā)射到指定射程（高度）的目標(biāo)上。工作過(guò)程與高射炮類似，打高空目標(biāo)，從生活中可知，要將一個(gè)物體拋出一定的高度與距離，必須給予一定的初速度和方向。氣體滅火炮工作也是這個(gè)原理，即氣動(dòng)滅火炮的主要作用是賦予炮彈一定的射向和初速度。一般稱氣動(dòng)滅火炮的整個(gè)工作過(guò)程為滅火炮的發(fā)射過(guò)程，而將滅火炮發(fā)射過(guò)程中賦予炮彈初速度的過(guò)程稱為滅火炮的發(fā)射過(guò)程。 氣動(dòng)滅火炮的發(fā)射能量來(lái)自滅火炮的儲(chǔ)氣室，其發(fā)射過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，也是一個(gè)復(fù)雜的物理動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)射時(shí)，氣體壓強(qiáng)直接作用到炮彈底部，通過(guò)釋放機(jī)構(gòu)的快速打開(kāi)，炮彈被加速直到飛出炮口。其發(fā)射特點(diǎn)可以概括成以下幾個(gè)方面: (l)周期性:一發(fā)或幾個(gè)連發(fā)一個(gè)循環(huán)，要求要有好的重復(fù)性。 (2)瞬時(shí)性:發(fā)射過(guò)程極短，具有明顯的動(dòng)態(tài)特征。 (3)順序性:每個(gè)循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格確定，依次進(jìn)行。 (4)環(huán)境惡劣性:高溫、高速、高加速、高壓、高應(yīng)變率、高功率。 氣動(dòng)滅火炮的發(fā)射特點(diǎn)決定了其各結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的重要性，尤其是其炮管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，物理學(xué)，材料力學(xué)，內(nèi)彈道學(xué)，熱力學(xué)，氣體動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的交叉和綜合。氣動(dòng)滅火炮的發(fā)射管通常是滑膛的，即炮彈在光滑(無(wú)膛線)的管道內(nèi)飛行，原則上不希望發(fā)生旋轉(zhuǎn)。本章將首先采用內(nèi)彈道學(xué)，氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)合熱力學(xué)，物理學(xué)的知識(shí)對(duì)炮管的長(zhǎng)度儲(chǔ)氣室的容積進(jìn)行計(jì)算，其次根據(jù)材料力學(xué)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等方面的知識(shí)來(lái)確定炮管和儲(chǔ)氣室的壁厚。 3.2高層建筑消防炮炮管的結(jié)構(gòu) 本課題所設(shè)計(jì)滅火炮的作用是把裝有干粉滅火劑的滅火炮彈準(zhǔn)確打到起火的高層建筑房間里（通過(guò)窗戶等），滅火彈遇到高溫或碰撞爆破，滅火劑彌散充滿整個(gè)房間從而起到滅火的目的。 滅火炮彈如圖所示，滅火炮彈的頭部臺(tái)階外圓處要加裝氣動(dòng)0型橡膠圈 (JB/T6659一1993)，起密封作用，此處直徑將變?yōu)楸?20.3士0.18mm，如圖3.1所示[8]。 氣動(dòng)滅火炮的炮管包括儲(chǔ)氣室及炮膛，其中炮膛是影響炮彈發(fā)射效果的主要因素，也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。炮膛無(wú)論是直管還是錐管，其底部直徑要略小，使橡膠圈產(chǎn)生彈性變形而密封壓縮氣體。選直管炮膛，如圖3.2所示，則發(fā)射過(guò)程中，橡膠圈與炮膛表面一直存在摩擦，可能會(huì)影響射程。 圖3.1 滅火彈 不難看出，炮彈在炮膛后部時(shí)，橡膠圈的彈性變形可以密封氣體，但要 和炮膛摩擦，從而炮管參數(shù)設(shè)計(jì)主要是確定炮膛的直徑D、長(zhǎng)度L。 圖3.2 滅火炮炮膛結(jié)構(gòu) 3.3氣動(dòng)滅火炮設(shè)計(jì)的條件和要求 高層建筑消防炮炮彈質(zhì)量為5kg，氣動(dòng)滅火炮射程高度一定要大于100m, 根據(jù)氣動(dòng)滅火炮的滅火彈和己有滅火炮的數(shù)據(jù)，取炮管底部直徑D=120mm，炮膛長(zhǎng)度L大約在0.5m-1.2m之間,炮體長(zhǎng)度L0=1.5m。 3.4氣動(dòng)滅火炮的炮口初速度 3.4.1氣動(dòng)滅火炮的內(nèi)彈道 研究炮彈運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)稱為彈道學(xué)。炮彈在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以區(qū)分為兩個(gè)顯著不同的階段，從而構(gòu)成了兩種不同性質(zhì)的彈道學(xué)，即內(nèi)彈道學(xué)和外彈道學(xué)。內(nèi)彈道學(xué)的理論在槍炮技術(shù)中具有重要地位。但是，按照射擊過(guò)程僅劃分為膛內(nèi)和膛外兩個(gè)階段是不夠完善的，因?yàn)樵谂趶棾雠诳谥筮_(dá)到最大速度之前這一階段，炮彈雖然己在膛外，它卻依然受到膛內(nèi)流出氣體的壓強(qiáng)作用，使它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律既不同于膛外彈道，又不同于膛內(nèi)彈道[8]。 所以，又將這一階段的彈道稱為中間彈道。目前中間彈道學(xué)雖然己有所發(fā)展，但一般還是將它列為內(nèi)彈道學(xué)的一個(gè)組成部分，氣動(dòng)滅火炮是一種利用氣體膨脹做功的方式來(lái)推動(dòng)炮彈，使之獲得極高發(fā)射速度的發(fā)射系統(tǒng)，它是輕氣炮的一種，主體也是由炮管，高壓氣室和釋放機(jī)構(gòu)組成。其內(nèi)彈道的合理設(shè)計(jì)與否直接關(guān)系到炮彈的射程距離，關(guān)系到炮管的安全性和使用壽命。所以氣體炮的內(nèi)彈道參數(shù)計(jì)算也是必須的。本文所研究的滅火炮的簡(jiǎn)化模型如圖3.3所示，它是典型的一級(jí)氣體炮。以炮管中心線為X軸建立坐標(biāo)系，設(shè)炮彈質(zhì)量為m，發(fā)射管口徑為D其截面積為S，發(fā)射前炮炮彈密封圈到炮口距離為L(zhǎng)，炮彈后的初始?xì)怏w壓強(qiáng)為P,，在X處的壓強(qiáng)為Px，炮彈所受摩擦力為f，炮彈離開(kāi)初始位置的距離為X，當(dāng)炮彈離開(kāi)炮口后彈體的初速度可由能量轉(zhuǎn)化求得，可看做氣壓與摩擦力對(duì)彈體做功轉(zhuǎn)化成炮彈的動(dòng)能。 圖3.3 高層建筑消防炮簡(jiǎn)圖 3.4.2內(nèi)彈道的計(jì)算 炮彈在炮管中所受摩擦力主要是炮彈外圈密封圈和炮管內(nèi)壁之間的摩擦。 其表達(dá)式為: （3-1） 式中: —炮管和密封圈之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)； —密封圈的彈性系數(shù)； —密封圈在初始位置時(shí)的變形量； 由于發(fā)射仰角為，故炮彈在膛內(nèi)始終會(huì)受由重力引起的摩擦力: （3-2） 式中: —炮管和密封圈之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)； g—重力加速度； m—炮彈質(zhì)量。 總摩擦力為： （3-3） 炮彈發(fā)射過(guò)程是在短時(shí)間內(nèi)完成的，幾乎沒(méi)有和外界有熱交換，可以看成絕熱過(guò)程，即等熵過(guò)程。 因此根據(jù)理想的氣體絕熱膨脹方程： （3-4） 氣體做功由微分方程得 ： （3-4） 摩擦力做功： （3-6） 能量方程： （3-7） 綜上： （3-8） 式中：P0————初始?xì)怏w壓強(qiáng)，P0=6Mpa； V0————初始?xì)怏w容積，7.83×10-3m3； S———— 炮管在X處的橫截面積，S=πD2/4； D————炮管直徑，D=120mm； VX————發(fā)射過(guò)程中氣體增加的體積，VX=S*X=πXD2/4； L———— 發(fā)射前炮彈密封圈到炮口距離為L(zhǎng)； —————炮彈出膛速度； m—————炮彈質(zhì)量，m=5kg； K—————等熵系數(shù)，空氣取k=1.4； —————炮彈與炮管摩擦力； θ—————為炮管發(fā)射時(shí)仰角； u0—————炮管和密封圈之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)； 我們忽略f計(jì)算得炮彈的初膛的速度v=118.32m/s。 3.4.3高層建筑消防炮射程計(jì)算 氣動(dòng)滅火炮的射程不僅與炮彈的初速度有關(guān)，還與炮彈的發(fā)射角直接 相關(guān)。在O-xy坐標(biāo)中，無(wú)空氣阻力時(shí)炮彈在空中的運(yùn)動(dòng)方程如式： （3-9） 式中： ———炮彈的出膛速度； t ———炮彈飛行時(shí)間； ———炮彈飛出時(shí)炮管仰角； g ———重力加速度g=9.8m/s2。 其軌跡方程為： （3-10） 其運(yùn)動(dòng)軌跡是拋物線。 在空氣阻力作用下，炮彈運(yùn)動(dòng)要比理想拋物線復(fù)雜得多。由于炮彈的速 度不大，遠(yuǎn)小于低速炮彈速度，其運(yùn)動(dòng)速度與空氣阻力 成正比，即： （3-11） 式中：b———空氣阻力系數(shù)，它與空氣的密度，炮彈的形狀和體積有關(guān)，炮彈的質(zhì)量為5kg，本文取 =0.1。 由牛頓第二定律得到： （3-12） 解此方程得到任意時(shí)刻t速度為： （3-13） 水平速度： （3-14） 又由于 （3-15） 則 （3-16） 解此方程得其運(yùn)動(dòng)方程為： （3-17） 同理得到： （3-18） 連立得到炮彈在空氣阻力下的運(yùn)動(dòng)方程是： （3-19） x為消防炮與高樓的距離；y為著火樓層的高度；v為炮彈的出膛速度，可由（3-8)式子求得，所以（3-16）方程未知數(shù)為炮彈飛行時(shí)間t與炮彈的發(fā)射仰角。整理（3-16）得： （3-20） 角計(jì)算由計(jì)算程序求得，計(jì)算過(guò)程如下： （3-17）式中只只有炮彈的發(fā)射仰角是未知量，其他均已知，上式整理比較復(fù)雜，所以，我們將發(fā)射仰角當(dāng)已知量看待，發(fā)射仰角為00~900的等差數(shù)列 公差為0.10，每帶入一個(gè)數(shù)值都會(huì)輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的y*值，當(dāng) 時(shí) 輸出發(fā)射仰角值與y*，計(jì)算結(jié)束。 程序見(jiàn)續(xù)1 3.5儲(chǔ)氣室壁厚與炮管壁厚的計(jì)算 高層建筑消防炮的儲(chǔ)氣室和炮管是一個(gè)單層的圓筒，發(fā)射前管壁內(nèi)沒(méi)有人為預(yù)應(yīng)力。儲(chǔ)氣時(shí)，高壓提起作用在儲(chǔ)氣室的內(nèi)表面上，發(fā)射時(shí)，高壓氣體壓強(qiáng)作用在炮管的內(nèi)表面上，迫使儲(chǔ)氣室與炮管向外膨脹。如何保證儲(chǔ)氣室與炮管在氣體膨脹壓強(qiáng)作用下不產(chǎn)生塑性變形，使儲(chǔ)氣室和炮管具有足夠的強(qiáng)度，這就是本節(jié)所要研究的儲(chǔ)氣室和炮管的強(qiáng)度問(wèn)題。 單筒儲(chǔ)氣室與炮管炮管不產(chǎn)生塑性變形(通常稱為脹膛)，所能承受的最大內(nèi)壓強(qiáng)，稱為儲(chǔ)氣室與炮管所能承受的極限壓強(qiáng)。當(dāng)內(nèi)壓小于或等于儲(chǔ)氣室與炮管強(qiáng)度極限時(shí)，儲(chǔ)氣室與炮管表面不產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)內(nèi)壓超過(guò)儲(chǔ)氣室與炮管屈服極限時(shí)，儲(chǔ)氣室與炮管內(nèi)表面就要產(chǎn)生塑性變形。因此一般可以用儲(chǔ)氣室與炮管強(qiáng)度極限的大小來(lái)表示儲(chǔ)氣室與炮管強(qiáng)度的高低。 為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們進(jìn)行以下幾個(gè)假設(shè)： （1）單筒儲(chǔ)氣室與炮管的任一橫截面是圓筒； （2）儲(chǔ)氣室與炮管外表面的相對(duì)壓強(qiáng)為零； （3）忽略炮管的軸向力的作用； （4）儲(chǔ)氣室與炮管材料是均質(zhì)各向同性的； （5）圓筒受力后仍保持其圓筒形，任一橫截面變形后仍為一均勻平面。 儲(chǔ)氣室與炮管直接承受壓強(qiáng)，需要一定厚度，所以按壁厚與內(nèi)部壓強(qiáng)公式計(jì)算： （3-21） 式中： ———儲(chǔ)氣室與炮管的壁厚； ———儲(chǔ)氣室與炮管的直徑； P0———儲(chǔ)氣室的初始?jí)簭?qiáng)，6Mpa； ——— 材料的許用應(yīng)力。 材料取45＃鋼管，45＃鋼管的 =355Mpa ，安全系數(shù)取S=3(中國(guó)GB150—1998常規(guī)設(shè)計(jì)) ，所以45＃鋼管 =355÷3=118Mpa，根據(jù)滅火彈的尺寸，炮管內(nèi)部直徑D=0.12m，發(fā)射時(shí)炮管內(nèi)部壓強(qiáng)P0=6Mpa，根據(jù)（3-21）： 得炮管=3㎜。 取儲(chǔ)氣室D儲(chǔ)氣室=0.24， 得儲(chǔ)氣室=6㎜。 下面我們根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核： 圖3.4儲(chǔ)氣室與炮管理想化計(jì)算模型 我們可以將儲(chǔ)氣室和炮管理想化為如圖3.4 （3-22） 將上式帶入第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件式子得： （3-23） 從而強(qiáng)度條件為 炮管校核：P=6Mpa，D=0.12m，t=0.003， =118Mpa，則 同理儲(chǔ)氣室校核：P=6Mpa，D=0.24m，t=0.006， =118Mpa，則 由于炮管和炮身是重要的零件，發(fā)射時(shí)需要承受一定的壓強(qiáng)，別且還要外聯(lián)和內(nèi)接一些零部件，并且炮管內(nèi)表面需要精度較高，需要進(jìn)行精鏜，炮管管壁較薄，加工起來(lái)困難，切削熱會(huì)使零件變形，綜合考慮取儲(chǔ)氣室和炮管壁厚都為10mm。 3.6本章小結(jié) 高層建筑消防炮的作用是將炮彈發(fā)射到失火的樓層中，它是氣動(dòng)發(fā)射，這就決定了其個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要性，尤其是炮管的結(jié)構(gòu)參數(shù)與儲(chǔ)氣室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，熱力學(xué)，材料力學(xué)，氣體動(dòng)力學(xué)，工程材料等多學(xué)科的交叉和綜合。 本章首先采用內(nèi)彈道學(xué)，氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)合熱力學(xué)的知識(shí)對(duì)炮打的高度進(jìn)行了粗略計(jì)算，得到了消防炮的初步數(shù)據(jù)，炮管內(nèi)徑，儲(chǔ)氣室體積，和消防炮炮彈出膛速度的關(guān)系式，進(jìn)而通過(guò)拋體軌跡方程，考慮空氣阻力計(jì)算得到了消防炮炮彈的軌跡方程，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得出需要的發(fā)射角，其次對(duì)炮管和儲(chǔ)氣室的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算得到了儲(chǔ)氣室與炮管的壁厚。 第4章 俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 4.1需求分析 為了實(shí)現(xiàn)消防炮的旋轉(zhuǎn)俯仰功能，我們將炮安裝圓盤(pán)上，在圓盤(pán)基礎(chǔ)上安裝炮架實(shí)現(xiàn)他的俯仰，由于消防炮炮旋轉(zhuǎn)俯仰定位發(fā)射角時(shí)要求炮要有準(zhǔn)確定位，所以旋轉(zhuǎn)俯仰采用的傳動(dòng)形式為蝸輪蝸桿形式，這樣即可以保證炮的精確瞄準(zhǔn)，同時(shí)它是單向傳動(dòng)的，具有自鎖功能，在炮體受沖擊載荷時(shí)不會(huì)使俯仰角變化。 4.2.蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 1、普通蝸桿蝸輪傳動(dòng)的一些重要參數(shù)： 1）蝸桿與蝸輪正確嚙合的條件 （1）蝸桿的軸面節(jié)距P1 和蝸輪的端面周節(jié)P2相等即蝸桿的軸面模數(shù)mx 等于蝸輪的端面模數(shù)mt即 mx=mt=m （2）主截面內(nèi)蝸桿的軸面壓力角等于蝸輪的端面壓力角，壓力角標(biāo)準(zhǔn)值為200 （3）交錯(cuò)角為900的蝸桿分度圓螺旋線升角 必須等于蝸輪輪齒螺旋角 且旋向相同，對(duì)于要求實(shí)現(xiàn)自鎖的蝸輪傳動(dòng)蝸桿取單頭且 3.50~4.50 2）蝸桿的特性系數(shù)q （4-1） q值較大時(shí)蝸桿的直徑較大，剛度較好，嚙合情況較好。 3）蝸桿頭數(shù)Z1 表4.1 傳動(dòng)形式與效率的一般關(guān)系 傳動(dòng)形式 Z1=1的自鎖蝸桿 Z1=1的非自鎖蝸桿 Z1=2的蝸桿 Z1=3~4的蝸桿 效率 0.4~0.45 0.7~0.75 0.75~0.82 0.80~0.92 4）蝸輪齒數(shù)Z2 一般取Z2=27~80。 5）傳動(dòng)比i 對(duì)于動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)一般取i=u=7~4常用i=u=10~80。 6）蝸桿分度圓直徑d 7）中心距 （4-2） 2、蝸桿蝸輪常用材料 1）蝸桿材料 由于承受力較小，材料取45＃鋼，熱處理為調(diào)制表面硬度＜270HBS，表面 粗糙度6.3應(yīng)用條件：不重要的低速中小功率。 2）蝸桿材料 QSn7-0.2 σb=355MPa 3、蝸桿蝸輪的制造精度 精度等級(jí)8，應(yīng)用范圍：一般動(dòng)力傳動(dòng)，齒加工方法：蝸桿車制，蝸輪銑制后加載跑合。 4.3俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 渦輪蝸桿通過(guò)炮架與炮體相連從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)炮體的俯仰運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)渦輪蝸桿的自鎖，蝸桿頭數(shù)Z1單頭數(shù)，又由于 （4-3） 式中： ————蝸桿分度圓柱上螺旋升角； q————蝸桿特性系數(shù)； 為了實(shí)現(xiàn)自鎖所以 3.50~4.50 根據(jù)以上條件計(jì)算得： q≥15 我們?nèi)? q=18 Z2=50 為了炮耳有一定的強(qiáng)度，需要讓蝸輪蝸桿中心距大一些，我們?nèi)∧?shù) m=2.5 蝸桿分度圓直徑 ㎜ 蝸輪分度圓直徑 ㎜ 所以中心距 ㎜ 蝸輪端面齒形角 蝸桿軸面壓力角 蝸桿齒頂高 ㎜ 蝸桿齒根高 ㎜ 蝸桿齒頂圓直徑 ㎜ 蝸桿齒根圓直徑 ㎜ 蝸桿軸節(jié) ㎜ 4.4旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 消防炮的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4.2所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要部件有，轉(zhuǎn)盤(pán)，支撐板，與轉(zhuǎn)盤(pán)相連的立軸以及渦輪蝸桿和滾動(dòng)軸承等。為了準(zhǔn)確定位所以將轉(zhuǎn)軸做成階梯周，由于蝸輪主要承受軸向力，所以軸承采用圓錐滾子軸承，這樣即能準(zhǔn)確定位也能保證傳動(dòng)的準(zhǔn)確性與可靠性，蝸桿兩端部分做成如圖4.1形式，兩端粗是為了與軸承配合準(zhǔn)確定位。 圖4.1 大蝸桿 根據(jù)蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)，為了保證蝸輪蝸桿的自鎖性，頭數(shù)Z2選擇單頭數(shù)，又由于 （4-3） 式中： ————蝸桿分度圓柱上螺旋升角； q————蝸桿特性系數(shù)； 為了實(shí)現(xiàn)自鎖所以 3.50~4.50 根據(jù)以上條件計(jì)算得： q≥15 此處我們?nèi)? q=15 為了炮耳有一定的強(qiáng)度，需要讓蝸輪蝸桿中心距大一些，我們?nèi)∧?shù) m=4 取蝸輪齒數(shù)為 Z2=97 蝸桿分度圓直徑 ㎜ 蝸輪分度圓直徑 ㎜ 所以中心距 ㎜ 蝸輪端面齒形角 蝸桿軸面壓力角 蝸桿齒頂高 ㎜ 蝸桿齒根高 ㎜ 蝸桿齒頂圓直徑 ㎜ 蝸桿齒根圓直徑 ㎜ 蝸桿軸節(jié) ㎜ 圖4.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 第5章 關(guān)鍵零部件計(jì)算 5.1需求分析 各部分機(jī)構(gòu)基本設(shè)計(jì)完成，本章就關(guān)鍵部件，即承受載荷的部件進(jìn)行計(jì)算進(jìn)而確定各機(jī)構(gòu)的尺寸，同時(shí)保證設(shè)計(jì)的安全性與可靠性。 5.2炮耳強(qiáng)度的校核 炮耳主要承受消防炮激發(fā)時(shí)所給的沖擊載荷，所以可以將炮耳簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁計(jì)算剪力： （5-1） 式中：F為沖擊載荷 剪應(yīng)力 （5-2） 式中：d為炮耳最小直徑