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机械毕业设计128高层建筑消防炮设计,机械毕业设计论文
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学 号 07071613 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 高层建筑消防炮设计 院（系）名称 : 机电工程学院 专业名称 : 机械设计制造及其自动化 学生姓名 : 胡俊祥 指导教师 : 赵 丹 讲师 2011 年 6 月 nts 高层建筑消防炮的设计 胡俊祥 哈尔滨工程大学 nts 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 高层建筑消防炮的设计 院系 : 机电工程学院 专业 学号 : : 机械设计制造及其自动化 07071613 学 生 姓 名 : 胡俊祥 指 导 教 师 : 赵 丹 讲师 2011 年 6 月nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 i 摘 要 高层建筑一旦发生火灾，由于建筑比较高，“烟囱效应”构成了较大的火灾危险性。建筑物内的消防设施又有限，从而提出了设计高层建筑消防炮，它将装有干粉灭火剂的消防弹，通过窗户打到屋内，起到灭火的作用。 本文首先根据气动灭火炮原理，对消防炮进行了结构设计，包括 气动灭火炮总体结构的设计，推进装置及锁紧装置设计，炮身结构的设计，消防炮的炮架与俯仰旋转机构的设计 。 其次采用内弹道学、气体动力学结合热力学、物理学的知识对炮管的参数进行了计算，建立了炮管长度、直径、气压、仰角和消防 炮射程的关系，并同时考虑空气阻力，通过抛体轨迹方程计算得出消防炮的射程， 最后 对 关键零部件 的 结构参数和 强度进行了计算 和校核，此依据是消防炮 发射 方式为气动 ，发射装置承受的是冲击载荷 。 本方案的设计能够实现消防弹的发射， 并 且能准确将消防单打到起火的高层建筑房间里 （通过窗户等）。消防弹遇到高温或碰撞爆破，灭火剂弥散充满整个房间从而起到灭火的目的。消防炮 可以实现旋转俯仰，保证了适应性；击发为手动式，保证了发射的可控性；瞄准采用计算轨迹形式，保证打击的精确性。 关键词： 烟囱效应；干粉剂；高层建筑消防炮 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 ii 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. Thats 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 cannons 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 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 iii 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 高层建筑消防炮设计背景 . 1 1.2 国内外现状与发展趋势 . 1 1.2.1 国内现状与发展趋势 . 1 1.2.2 国外现状与发展趋势 . 1 1.3 本设计的目的及意义 . 1 1.4 本设计主要内容 . 1 第 2 章 消防炮的工作原理及结构设计 . 1 2.1 引言 . 1 2.2 气动灭火炮总体结 构的设计及工作原理 . 1 2.3 推进装置及锁紧装置设计 . 1 2.4 炮身结构的设计 . 1 2.4.1 炮管的设计 . 1 2.4.2 储气室与击发机构的设计 . 1 2.4.3 炮管的减震机构 . 1 2.5 消防炮的炮架与俯仰旋转机构的设计 . 1 2.5.1 炮架的设计 . 1 2.5.2 俯仰机构的设计 . 1 2.5.3 旋转机构的设计 . 1 2.6 本章小结 . 1 第 3 章 气动灭火炮炮管的结构与参数计算 . 1 3.1 引言 . 1 3.2 高层建筑消防炮炮管的结构 . 1 3.3 气动灭火炮设计的条件和要求 . 1 3.4 气动灭火炮的炮口初速度 . 1 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 iv 3.4.1 气动灭火炮的内弹道 . 1 3.4.2 内弹道的计算 . 1 3.4.3 高层建筑消防炮射程计算 . 1 3.5 储气室壁厚与炮管壁厚的计算 . 1 3.6 本章小结 . 1 第 4 章 关键零部件计算 . 1 4.1 引言 . 1 4.2 炮耳强度的校核 . 1 4.3 卡爪强度计算 . 1 4.4 计算摩擦角确定活塞杆行程进而确定卡爪的形状与尺寸 . 1 4.5 锁紧装置的强度校核 . 1 4.6 本章小结 . 1 结论 . 1 续 1 . 1 参考文献 . 1 致谢 . 1 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪论 1.1 高层建筑消 防炮设计背景 2010年 11月 15日上海一栋高层 公寓 起火，造成 58人死亡，给我们提出了一个严峻的课题，随着现在中国城市化进程的发展，高层建筑不断出现在各大城市里。高层建筑一旦发生火灾，由于建筑比较高，“烟囱效应”构成了较大的火灾危险性。目前对付高层建筑火灾的措施主要有三种： 1、是通过登高消防车向火场喷洒水或灭火剂，但是登高车最高只能到达 50m，对于更高的楼层无能为力； 2、是采用直升飞机从失火建筑上部喷洒，受条件限制应用所以并不广泛； 3、是由消防人员进入建筑物内从内部控制火情，但进入火场费时费力且近距离扑救具有危险性。 针对高层灭火出现的种种困难，提出一种高层建筑消防炮的方案。本方案的主要方法是把干粉灭火剂装填在消防里，消防弹里装填干粉剂的容量能弥散充满整个起火房间，通过消防炮把灭火弹准确打到起火的高层建筑房间里（通过窗户等），消防弹遇到高温或碰撞爆破，灭火剂弥散充满整个房间从而起到灭火的目的。 1.2 国内外现状与发展趋势 目前国际上通用的灭火炮为固定 式灭火炮、移动式灭火炮两种。固定式灭火炮是安装在固定支座上的灭火炮，如固定安装在消防车上的消防炮，有螺纹、法兰连接两种方式。移动式灭火炮是手抬或拖车运载形式的消防炮，它以一根或多根消防水带连接供压强水或泡沫和水混合液体进行喷射灭火。由灭火炮的灭火介质不同，灭火炮大体可以分成三类 :1、以干粉灭火剂为介质的灭火炮； 2、以水为灭火介质的灭火炮； 3、以水和泡沫混合液为介质的灭火炮。各类灭火炮应用于不同火灾环境，各有其优缺点，因此，灭火炮的研制前景广阔。从国内外消防炮的发展趋势来看，为了提高灭火炮的灭火效能、适应不同 场所的灭火需要，除了对所使用的灭火剂进行研究外，重点研nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 2 究方向有以下几个方面。 (1)提高射程、扩大灭火炮保护范围为目的研究。 (2)增加灭火炮流量，提高灭火剂喷射强度，快速控制和扑灭火灾为目的研究。大规模的火灾，只有施用大流量的灭火炮，才能快速奏效。目前国内灭火炮流量，一般不超过每分钟 5000升，但是，国外有好几个厂家已生产出每分钟 10000 升以上的灭火炮。德国 ALBACH 公司制造的 HY39O 型和 GL39O型灭火炮每分钟流量 80000 升，为世界最大流量的灭火炮 8。 (3)使用功能 多样化的直流喷雾功能、恒压功能、流量可调功能、水力摇摆功能、扩大消防炮的应用范围为目的研究 8。 (4)自动化控制手段代替人工操作为目的研究等。遥控操作的灭火炮可以是固定式的，也可以是移动式的。移动式的灭火炮，通常是安装在消防船上的或消防车上。安装于消防船上或消防车上的灭火炮，因为灭火剂流量的趋大，势必要求车船造型增大。国内灭火炮主要是小型的和可移动式的 8。 图 1.1 所示是山西寿阳岳全生在 2000 年发明的肩负式 PJ8o 灭火炮，它是以干粉灭火剂为灭火介质的灭火炮。主要由助退筒、炮管、瞄准具、高压气瓶和击发机构组成。其炮管尾端装有气阀，助退筒内装有一次缓冲弹簧与二次缓冲弹簧，击发机构主要由压块、压钩、支架、拉杆、推杆和击发柄组成；压钩的端部有斜面和灭火弹前端的锥头斜面相应；该压钩由击发手柄控制释放，所述炮筒后端外壁装有气管接头，此管接头通过软管和压缩空气的气源相连接。该灭火炮体积小，工作压强 1.6MPa，最大射程 120米，最大灭火面积 3平方米，但不能架设，只能肩负，多极缓冲弹簧驻推筒结构较复杂，受人体能力所限，工作压强不能太大 8。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 3 1.2.1 国内现状与发展趋势 图 1.1 PJ80肩负式 灭火炮 图 1.2所示是山西寿阳岳全生在 2006年发明的 Pz80支架式灭火炮 ,它也是以固体干粉灭火剂为灭火介质的灭火炮，针对着现有灭火炮技术存在着只能肩负 ,不便架设，结构较复杂，工作压强小，适用范围受到限制等缺点设计的 8。该灭火炮包括炮管，安装在炮管中部的击发机构，与炮管内腔连通的高压气瓶，设置在炮管上的炮镜和角度仪，开设在炮管下部的排气阀，以及含有炮柞的炮座和一种与炮管连接的可调节支架构成的支撑炮管装置。哈尔滨工程大学硕士学位论文该灭火炮结构简单，工作压强较高，最大工作压强可达 2.OMPa，最大射程 180米，最大灭火面积 4平方米。但它的射程有限，命准率较低，采用气瓶中压缩空气为动力，压强不好保证，前装弹式供弹无法实现连续发射，人力消耗较大，实际操作性不强 8。 图 1.2 PZ80 支架式灭火炮 图 1.3 所示是沈阳赵国运在 2005 年发明的一种轻型远程智能灭火炮nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 4 lz1。它是以水为灭火介质的灭火炮用于建筑物的一种大口径射程远的灭火装置。其壳体上部连有一进水管，前部伸出两个基座。基座连接内部空腔的转轴，转轴上连有一个炮管，炮管支出基座外，炮管内部空腔与转轴内部的空腔相通，壳体下部设有电机，电机通过皮 带与转轴的一端连接，能够带动炮管转动，壳体后部设有电机，电机通过皮带与进水管外壁的轴套相连接，能够带动壳体转动。小型智能消防水炮具有远程通讯功能，能够在设定监控的范围内自动搜索识别火焰、自动进行火焰定位，并在火灾初期自动开阀喷水扑灭火焰，是一种高度智能化的消防灭火装置，具有广阔的工程应用前景 8。 图 1.3 远程智能灭火炮 图 1.4所示是北京燕山石油化工消防支队在 2000年研发并配备的一种组合式泡沫为灭火介质的灭火炮。它包括一卧式固定架，一枢接盘及一炮筒 组合架。其中卧式固定架中设一纵向水平轴，炮筒组合架设有双臂及两孔板，其中双臂枢接在横向水平轴上，而两孔板数个相对应的孔中固定支承数门泡沫炮筒。从而可产生极大的灭火威力，而且泡沫灭火剂的利用率大大提高，同时对准目标且操作方便。尤其适用于在空中喷射灭火 8。 图 1.5所示是辽宁谷立富在 1998年研发的车载灭火炮，采用固体干粉为灭火介质的消防装置，它利用压缩空气从设在炮筒尾部的套筒进入炮筒内，经过柱塞上的通孔将柱塞前端的灭火弹发射出去，达到消防人员难以接近的较高或较远的火场上，自动引爆和释放固体灭火剂从 而实现灭火，它的结构简单，使用方便，适用于各种不同火场。该炮筒底座和液压缸相连，底座可nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 5 全方位回转。 图 1.4 PZ80组合式泡沫灭火炮 图 1.5 车载灭火炮 图 1.6所示是四川消防机械总厂 2006年研发的 WSTSKP型数控消防炮 8，是一种以泡沫混合液为灭火介质，射程远、操作简单、流量大、方便灵活的新型点触式遥控消防产品。它的稳定性好，可进行远距离无线或有线遥控操nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 6 作，能轻巧灵便地完成上下俯仰、水平回转以及直流喷雾。该数控消防炮由炮体、电机、炮座、三通管等部件组成，其具体特点如下 :l、流量调 节方便，可在 2OL/s 50L/s范围内进行调节； 2、射程远，最大射程为 50 米，可远距离控制，最远可达 1200 米； 3、机动性强，该消防炮也可在底部安装滚轮，可由机动车牵引至发射位置，故称作拖挂式；还可以直接安装在小卡车上，靠自行到达发射位置； 4、泡沫液混合好，灭火效率高。 图 1.6数控灭火炮 具有针对性的远程灭火炮当属于哈尔滨工程大学研究的“高层建筑消防炮” 提供的是一种高层建筑消防炮。如图 1.7 所示，它主要包括炮座、推进机构、击发机构、减震弹 簧、炮管、俯仰机构和水平旋转机构 ,炮座分前座、中座、后座和底座 ,前座腔中放有推进机构 ,炮管包括推进缸和炮膛 ,推进缸和炮膛为一体 ,炮膛在中座腔中 ,推进缸在后座腔中 ,后座腔中炮膛外侧安装有减震弹簧 ,俯仰机构和底座配合 ,水平旋转机构和俯仰机构相连 ,推进机构包括推进气缸 ,推进气缸和击发机构放在中座腔中 ,且推进气缸在炮膛外侧 ,击发机构安装在炮膛中 ,炮膛上开有高压气孔和凹槽。可以提升发射物体并以任意角度发射物体 ,定位准确 ,弹性储能 ,瞬间发射 ,自动抓取并干扰物体。 炮体 炮座 三通管 电机 炮管 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 7 图 1.7 消防炮结构简图 1.2.2 国外现状与发展趋势 图 1.8所示是美国威廉姆斯消防厂 2006年生产专用于扑救大型油罐火灾的移动消防炮。它的基本工作原理是，多辆消防车或多个消火栓通过水带向移动消防炮的进水口供水，依靠供水的压强从炮口喷射，在炮筒上带有外吸泡沫液的软管，炮口喷射出的是泡沫。主要特点 :(1)流量大。移动消防炮底座上带有 10 个 5 英寸进水口，喷射流量可达 4000 一 14000GRM(根据需要手动调整 )。一门消防移动炮即可扑 灭 20000立方米开式燃烧型的油罐。多门消防移动炮联用可以扑灭更大容量的开式燃烧型的油罐。 (2)射程远。由于流量的变化，泡沫的射程可达到 330英尺一礴 30英尺之间。可避开油罐火焰辐射热实施远距离灭火。 (3)机动性强。该消防移动炮有两种类型，一是拖挂式，炮底座安装有轮子，用机动车牵引移动到使用位置；二是车载式，既消防炮安装在小型卡车上，可直接行驶到使用为位置。 (4)泡沫液混合好。移动消防炮筒有独到设计的泡沫液混合室，能够保证泡沫液和水的混合质量，混合液直接从炮口喷射，可使用 3%一 6%型泡沫液 8。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 8 图 1.8 美国远程灭火跑 图 1.9所示是意大利空气消防炮，它于 2005 年投入使用，它适用于石油化工企业、飞机场、仓库、储罐区、港口码头，而且适用于船舶和海上固定平台和消防车等设施。它能够实现炮俯、仰、回转。它是国际上有代表性的一种气体消防炮，该消防炮机动性强，能够实现炮俯、仰、回转，射程远，最大射程可达 200 240 米，但它不能连发，灭火效率低。 图 1.9 意大利空气消防炮 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 9 1.3 本设计的目的及意义 随着经济建设的发展和改革开放的深入，城市建筑日益向着多 功能化、高层化、大型化、地下化发展。这些建筑往往有着这样的特点：结构复杂、疏散困难、人员密集、可燃物装修多等，一旦发生火灾，将给国家财产和人民生命财产安全带来巨大的损失。因此，针对高层建筑的特点，从分析高层建筑火灾特点与扑救难点入手，就如何采取切实可行的扑救措施做好高层建筑火灾扑救工作进行分析。 高层建筑发生火灾的特点； 1. 楼层高，建筑内竖向井道多，可燃材料多造成火势蔓延快，高层建筑主体建筑多，楼层较高 ,如果防火设施不到位，发生火灾时就好像一座座高耸的烟囱，成为火势迅速蔓延的途径，形成“ 烟囱效应”。据测定，在火灾初期阶段，因空气对流，在水平方向造成的烟气扩散速度为 0.3m/s，在火灾燃烧猛烈阶段，由于高温状态下的热对流而造成的水平方向烟气扩散速度为0.5 3m/s；烟气沿楼梯间或其它竖向管井扩散速度为 3 4m/s。如一座高度为 100m的高层建筑，在无阻挡的情况下半分钟左右，烟气就能顺竖向管井扩散到顶层。 2. 疏散途径少、难度大高层建筑一是层数多，垂直距离长，疏散到地面或其它安全场所的时间长；二是人员集中，影响消防员登梯的速度和人员疏散的时间，贻误了灭火救援的时机；三是发生火灾时由 于各竖井空气流动畅通，火势和烟雾向上蔓延快，普通电梯在火灾时因不防烟火或停电等原因而无法使用，因此，多数高层建筑安全疏散主要是封闭楼梯，而楼梯间内一旦窜入烟气，就会严重影响疏散。这些都是高层建筑发生火灾时进行疏散的不利条件。 扑救高层建筑火灾的具体措施： 1、上得去，要占领有利阵地扑救高层火灾，能否上的去，并迅速占领有利于灭火的阵地，是能否夺取灭火战斗主动权的关键。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 10 2、加强火场供水，保证灭火需要扑救高层火灾的供水难度较大，用水量较多。 一旦火情发生在更高的楼层 ,消防人员只能 佩戴空气呼吸器进入火场 ,通过内部强攻扑救大火。这对消防员的心理、生理和灭火技能都面临复杂而严峻的考验 ,随时都有生命危险。 综上分析针对高层灭火出现的种种困难，提出一种高层建筑消防炮的方案。本方案的主要方法是把干粉灭火剂装填在灭火弹里，灭火弹里装填干粉剂的容量能弥散充满整个起火房间，通过消防炮把灭火弹准确打到起火的高层建筑房间里（通过窗户等），灭火弹遇到高温或碰撞爆破，灭火剂弥散充满整个房间从而起到灭火的目的。 1.4 本设计主要内容 本消防炮为气动发射灭火弹工作方式。通过消防炮把灭火弹准确打到起火的高 层建筑房间里（通过窗户等），灭火弹遇到高温或碰撞爆破，灭火剂弥散充满整个房间从而起到灭火的目的。高层建筑消防炮包括推进锁紧机构、击发机构、炮座、减震弹簧、炮管、俯仰机构和水平旋转机构等；整个炮身安置在发射车上。 1、推进锁紧机构：实现炮弹的推进和气室的锁紧。 2、击发机构：实现灭火弹发射的击发，手动式。 3、俯仰旋转机构：加大灭火炮的工作空间。 4、储气室：给灭火弹提供发射气压。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 11 第 2 章 消防炮的 总体 结构设计 2.1 需求分析 消防炮的作用是将炮弹发射到高层建筑失火楼层，破窗入 室内。其为气动发射灭火弹的工作方式。消防炮主要要求有机动性，寿命，快速反应，瞄准精确等四方面。其中消防炮炮威力是指消防炮在灭火过程中能迅速压制灭火的能力，由炮弹威力，高射性，设计精确，速射性等主要指标构成。消防炮的结构设计决定了这些指标的实现。 在消防炮的发射过程中，对发射装置施加的是冲击载荷，炮管，储气 室，锁紧装置，俯仰机构，旋转机构和各部分连接件都要直接或间接承受冲击载荷，该载荷是灭火炮构件设计的主要依据 2.2 气动灭火炮总体结构的设计及工作原理 图 2.1 高层建筑消防炮总体结构图 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 12 高层 建筑消防炮的工作原理是以高压气体为发射能源，把灭火炮弹以一定的初速度发射到火灾区域，达到灭火的目的。特点是射程远高，灭火面积大，灭火精度高。 图 2.1 所示是高层建筑消防炮的总体结构图，改气动炮主要由炮管，储气室，推进锁紧装置，减震装置，激发机构，旋转机构，俯仰机构等组成。 首先，推进锁紧装置工作，把灭火弹推进储气室炮管里，复位激发手柄，此时，楔块利用摩擦角将活塞推杆锁死，炮弹被卡爪卡住，然后锁紧装置锁住，接着控制系统开始给储气室供气，当气室内部加压到 6Mpa 时，停止供气，当想发射时，拉动激发手柄，楔块运动， 活塞推杆解除锁死状态，卡爪运动炮弹发射。当想再次发射时重复以上步骤，其工作循环如图 2.2 所示。 推 进 锁 紧 装 置 将 灭 火 弹推 进 储 气 室 炮 管 里炮 弹 被 卡 爪 卡 住推 进 装 置 将 储 气室 锁 紧储 气 室 加 压 至6 M p a ？停 止 供 气是否调 整 瞄 准 完 成 ？手 动 激 发是否准 备下 一发 炮弹图 2.2气动消防炮工作循环图 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 13 该炮发射必须严格按照上述循环图进行，否则会出现炮弹推不进去的事情。原因是楔块复位会卡死，所以推进炮弹时手柄必须处于激发状态。 2.3 推进装置及锁紧装置设计 推进装置是高层建筑消防炮的重要组成部分，它负责把消防炮弹推进储气室进入炮膛，锁紧装置则是将储气室封闭，故将两者设计为一体，推进装置将炮弹推进炮膛后旋转推进装置锁紧实现储气室的密封。锁紧原 理为楔块锁紧，利用摩擦角实现锁死。推进锁紧装置与支架相连，采用导轨形式实现推进装置的推进运动。原理如图 2.3 所示。 图 2.3推进及锁紧装置原理图 2.4 炮身结构的设计 炮身是高层建筑消防炮的一个重要组成部分，它的作用是储气承受压强，给炮弹提供发射轨道，给炮弹初速度，炮身的主要零件为储气室、炮管、减震装置和其它附件。 高层建筑消防炮在手动激发前储气室与炮管承受高压作用，其设计参数直接影响到炮的使用安全，设计效果和消防炮的使用寿命。为此对炮身设计的要求是： （ 1）满足相应技术要求，工作可靠、性 能稳定、使用安全； （ 2）各构件应有足够的韧性和强度，发射时不得产生塑性变形和脆性 破坏； nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 14 （ 3）炮管寿命要长； （ 4）材料与制造工艺要符合国情，符合经济原则，便于大批量的生产； （ 5）外形尺寸及其质心位置的确定，要有利于其他零部件的设计。 2.4.1 炮管的设计 炮管采用单筒炮管，炮管的直径厚度在上一章节已经计算校核完，由于炮身整体设计时需要卡爪实现炮弹的卡死与发射，用传统卡爪炮管会出现漏气现象如图 2.4 所示。 图 2.4外卡爪 为了避免漏气现象决定将卡爪设计到内部，在炮管的尾部设计 卡爪，外焊法兰盘用于连接储气室，如图 2.5 所示。 图 2.5炮管 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 15 2.4.2 储气室与击发机构的设计 储气室与炮管和推进锁紧装置连接，所以储气室外形需要与炮管与锁紧装置想配合，如图 2.6 所示。 图 2.6储气室 储气室后部有用来锁紧的开口，由于设置为内卡爪，为了卡爪能实现炮弹的卡死与击发所以需要储气室实现卡爪的运动，如图 2.7 所示。 图 2.7部分炮体 炮弹被击发前楔块将活塞推杆锁死，活塞推杆与卡爪接触，从而卡爪将灭火激发手柄 活塞推杆 楔块 卡爪 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 16 弹锁死， 当击发时，楔块运动，活塞推杆接触锁死状态，卡爪在灭火弹压力作用下运动，炮弹发射出去。 2.4.3 炮管的减震机构 气体灭火炮通过反后坐装置即减震机构来实现弹性发射，如图 2.8 所示，它是一种消耗后坐能量的装置，它是炮身的重要组成部分，其主要作用主要有两点：第一，减小后坐能量，由于气体灭火炮的后座部分的质量是一定的，所以它可以减小发射时对炮架的作用力，从而减小炮架纵向尺寸和后坐长度，第二，便于采用统一炮架。气体灭火炮的减震机构从冲量的观点来看，就是将突然的冲击力转化为作用时间较长而作用力较小的冲击力，从能量观点来看，就是将炮座受冲击后所获得的动能，由弹性元件吸收，变为弹性元件的变形能。本文的减震机构是弹簧，其工作原理很简单，主要是炮身后坐时通过压缩弹簧而储能，在复进时弹簧释放能量，推动炮身复进到位。其主要优点是动作可靠、结构简单紧凑、工作性能不受温度影响，弹簧断裂仍可暂时使用，维护简单方便，缺点是质量大口径越大质量矛盾就越突出，不便于调整，长期使用易疲劳。 图 2.8炮管的减震机构 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 17 在本设计中将炮管、击发机构、锁紧机构和推进机构做成一个整体，它后与炮架前段相连，弹簧的前端有前挡板限位，并用螺栓紧 固在一起。当炮弹发射后，上述整体因炮弹发射而产生的后坐力而向后运动，此时产生的后坐力相当大，如果不加入缓冲装置，将会产生不可预料的后果。加上了缓冲装置以后效果就大不相同了。所产生的后坐力首先作用在弹簧上，弹簧开始储备能量，这样可以减掉一部分后坐力，同时后坐力将逐渐地转移到固定底架上，这样就可以大大减少瞬间冲力的作用。直到卸荷完毕，弹簧回复到初始位置。 2.5 消防炮的炮架与俯仰旋转机构的设计 2.5.1 炮架的设计 它与减震机构连接，它又与炮管有相对运动，它同时为消防炮提供俯仰运动，如图 2.9 所示。 图 2.9炮架 炮耳在设计是必须保证炮耳的轴线与炮架中心平面垂直并且与炮管中线相交，这样做的目的是保证在发射时炮耳不会产生扭矩，因为俯仰机构用的是涡轮蜗杆，避免涡轮蜗杆受冲击载荷，延长使用寿命。 2.5.2 俯仰机构的设计 采用蜗轮蜗杆运动形式，蜗轮蜗杆运动单向，有自锁特性，工作原理如图 2.10 所示，蜗轮通过键固定在炮耳上，蜗杆旋转带动蜗轮旋转，从而实现炮体的俯仰运动。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 18 图 2.10俯仰机构 2.5.3 旋转机构的设计 消防炮的旋转机构如图 2.11 所示，旋转机构主要部件有，转盘，支撑 板，与转盘相连的立轴以及涡轮蜗杆和滚动轴承等。旋转机构主要就是一个转台，功能是实现消防炮 3600 旋转。功能的实现是通过蜗杆运动带动蜗轮从而实现立轴的旋转，进而实现平台的旋转，但考虑到炮身重量和反冲力，所以在发射时炮座回转部分将产生垂直与回转方向和平行与回转轴方向的力和力矩，所以转台部分既要承受垂直力，径向力又要承受翻转力矩作用。 通过旋转机构，灭火炮可自动沿圆周方向旋转，从而达到短时间、高效率和适应不同环境的扑灭火灾的目的。 图 2.11旋转机构 2维图 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 19 图 2.12旋转机构 3维图 2.6 本章小结 高层建筑消防炮炮的作用是将灭火弹弹发射到失火的楼层中，其发射能源主要来源于气室的高压气体。消防炮的结构设计决定了这些指标的实现，在灭火炮的发射过程中，对发射装置施加的是冲击载荷，炮管、储气室、俯仰机构、转台和各部分连接件都要直接或间接承受冲击载荷，该载荷是灭火炮构件设计的主要依据。 根据气动灭火炮的原理，对远程气动灭火炮进行了结构设计，包括灭 火炮的推进锁紧装置的结构设计、俯仰旋转机构、炮身的结构、减震机构、 锁紧机构、俯仰和旋转运动的架体的设计。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 20 第 3 章 炮管的结构 设计 与参数计算 3.1 需求分析 高层建筑消防炮的作用是将炮弹发射到指定射程（高度）的目标上。工作过程与高射炮类似，打高空目标，从生活中可知，要将一个物体抛出一定的高度与距离，必须给予一定的初速度和方向。气体灭火炮工作也是这个原理，即气动灭火炮的主要作用是赋予炮弹一定的射向和初速度。一般称气动灭火炮的整个工作过程为灭火炮的发射过程，而将灭火炮发射过程中赋予炮弹初速度的过程称为灭火炮的发射过程。 气动灭火炮的发射能量来自灭火炮的储气室，其发射过程实质是一个能量转化的过程，也是一个复杂的物理动态过程，发射时，气体压强直接作用到 炮弹底部，通过释放机构的快速打开，炮弹被加速直到飞出炮口。其发射特点可以概括成以下几个方面 : (l)周期性 :一发或几个连发一个循环，要求要有好的重复性。 (2)瞬时性 :发射过程极短，具有明显的动态特征。 (3)顺序性 :每个循环各个环节严格确定，依次进行。 (4)环境恶劣性 :高温、高速、高加速、高压、高应变率、高功率。 气动灭火炮的发射特点决定了其各结构参数设计计算的重要性，尤其是其炮管的结构参数，涉及到机械设计与制造，物理学，材料力学，内弹道学，热力学，气体动力学等多学科的交 叉和综合。气动灭火炮的发射管通常是滑膛的，即炮弹在光滑 (无膛线 )的管道内飞行，原则上不希望发生旋转。本章将首先采用内弹道学，气体动力学结合热力学，物理学的知识对炮管的长度储气室的容积进行计算，其次根据材料力学，结合机械设计与制造等方面的知识来确定炮管和储气室的壁厚。 3.2 高层建筑消防炮炮管的结构 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 21 本课题所设计灭火炮的作用是把装有干粉灭火剂的灭火炮弹 准确打到起火的高层建筑房间里（通过窗户等），灭火弹遇到高温或碰撞爆破，灭火剂弥散充满整个房间从而起到灭火的目的。 灭火炮弹如图所示，灭火炮弹的头部台阶外圆处要 加装气动 0型橡胶圈 (JB/T6659一 1993)，起密封作用，此处直径将变为必 120.3士 0.18mm，如图 3.1所示 8。 气动灭火炮的炮管包括储气室及炮膛，其中炮膛是影响炮弹发射效果的主要因素，也是设计重点。炮膛无论是直管还是锥管，其底部直径要略小，使橡胶圈产生弹性变形而密封压缩气体。选直管炮膛，如图 3.2所示，则发射过程中，橡胶圈与炮膛表面一直存在摩擦，可能会影响射程。 图 3.1 灭火弹 不难看出，炮弹在炮膛后部时，橡胶圈的弹性变形可以密封气体，但要 和炮膛摩擦，从而炮管参数设计主要是确 定炮膛的直径 D、长度 L。 图 3.2 灭火炮炮膛结构 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 22 3.3 气动灭火炮设计的条件和要求 高层建筑消防炮炮弹质量为 5kg，气动灭火炮射程高度一定要大于 100m, 根据气动灭火炮的灭火弹和己有灭火炮的数据，取炮管底部直径 D=120mm，炮膛长度 L大约在 0.5m-1.2m之间 ,炮体长度 L0=1.5m。 3.4 气动灭火炮的炮口初速度 3.4.1 气动灭火炮的内弹道 研究炮弹运动规律的科学称为弹道学。炮弹在整个运动过程中，可以区分为两个显著不同的阶段，从而构成了两种不同性质的弹道学，即内弹道学和外弹道学。内弹道 学的理论在枪炮技术中具有重要地位。但是，按照射击过程仅划分为膛内和膛外两个阶段是不够完善的，因为在炮弹出炮口之后达到最大速度之前这一阶段，炮弹虽然己在膛外，它却依然受到膛内流出气体的压强作用，使它的运动规律既不同于膛外弹道，又不同于膛内弹道 8。 所以，又将这一阶段的弹道称为中间弹道。目前中间弹道学虽然己有所发展，但一般还是将它列为内弹道学的一个组成部分，气动灭火炮是一种利用气体膨胀做功的方式来推动炮弹，使之获得极高发射速度的发射系统，它是轻气炮的一种，主体也是由炮管，高压气室和释放机构组成。其内弹道的合 理设计与否直接关系到炮弹的射程距离，关系到炮管的安全性和使用寿命。所以气体炮的内弹道参数计算也是必须的。本文所研究的灭火炮的简化模型如图 3.3所示，它是典型的一级气体炮。以炮管中心线为 X轴建立坐标系，设炮弹质量为 m，发射管口径为 D其截面积为 S，发射前炮炮弹密封圈到炮口距离为 L，炮弹后的初始气体压强为 P,，在 X处的压强为 Px，炮弹所受摩擦力为 f，炮弹离开初始位置的距离为 X，当炮弹离开炮口后弹体的初速度可由能量转化求得，可看做气压与摩擦力对弹体做功转化成炮弹的动能。 nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 23 图 3.3 高层建筑消防炮简图 3.4.2 内弹道的计算 炮弹在炮管中所受摩擦力主要是炮弹外圈密封圈和炮管内壁之间的摩擦。 其表达式为 : 0 0 0xf u k （ 3-1） 式中 : 0u 炮管和密封圈之间的滑动摩擦系数； 0k 密封圈的弹性系数； 0 密封圈在初始位置时的变形量； 由于发射仰角为 ，故炮弹在膛内始终会受由重力引起的摩擦力 : 00 c o sf u m g （ 3-2） 式中 : 0u 炮管和密封圈之间的滑动摩擦系数； g 重力加速度； nts哈尔滨工程大学本科生毕业论文 24 m 炮弹质量。 总摩擦力为： 0xf f f （ 3-3） 炮弹发射过程是在短时间内完成的，几乎没有和外界有热交换，可以看成绝热过程，即等熵过程。 因此根据理想的气体绝热膨胀方程： （ 3-4） 气体做功由微分方程得 ： （ 3-4） 摩擦力做功： *fW L f （ 3-6） 能量方程： 21= 2fW W m v气 体 （ 3-7） 综上： 12 00 0 0()2 ( * )1KKLV S
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