毕业设计（论文）S型固定式不锈钢消防水炮结构设计

1、s型固定式不锈钢消防水炮结构设计摘 要消防水炮是消防实战中运用最为广泛的灭火装备之一，设计一个水力学性能好、功能齐全的消防水炮对消防工作具有重要意义。在理论计算的基础上设计了s型手动固定式不锈钢消防水炮，并运用pro/engineer、pro/mechanica对消防水炮进行了三维实体建模、蜗轮管的应力分析，得出的相关结论可进一步验证其结构设计的合理性，同时为消防水炮的设计提供一定的理论参考依据。所设计的消防水炮水平方向可360旋转，垂直方向俯仰角为40070，通过操作手轮可调整水炮喷射方位且具有自锁功能，整体外观紧凑、美观、流线型强。关键词：消防水炮；虚拟装配；应力仿真structural

2、design of s-type fixed stainless steel fire water monitorabstract the fire water guns is one of the most widely used fire-fighting equipment in the fire combat. the design of a water and good mechanical properties, a fully functional fire water cannons on the fire the work of great significance. des

3、igned on the basis of theoretical calculations, the s-type manual fixed stainless steelfire water guns.and use of pro / engineer, pro / mechanica for fire water guns, a three-dimensional solid modeling worm pipe stress analysis, and relevant findings further validate the rationality of the design of

4、 its structure, as well as the design of fire water guns to provide a certain theory of reference.the design of fire water guns horizontally 360 rotation, the pitch angle of the vertical direction from -400 to +70, handwheel adjustable water gun jet orientation and self-locking function, the overall

5、 appearance of a compact, beautiful, streamlined. keywords:fire water monitor;virtual assembly; stress simulation目 录第1章 概述11.1 消防水炮的介绍及发展现状11.2 固定式消防水炮的种类及应用21.3 设计目的及背景31.4 本课题的选题意义及主要研究内容31.4.1 选题意义31.4.2 主要研究内容3第2章 s型固定式不锈钢消防水炮结构设计计算42.1 主要设计要求及性能指标42.2 总体结构设计方案的确定42.3 出口管径的设计及对影响射程因素的分析62.4 出水口速

6、度的计算92.5 压力水管壁的强度校核计算102.6 压力水管拉伸的强度校核计算112.7 蜗轮蜗杆的设计计算11第3章 消防水炮的立体建模133.1消防水炮零部件的立体建模133.1.1 炮身部分零件的实体建模133.1.2 炮头部分零件的实体建模163.2 s型固定式不锈钢消防水炮装配图及爆炸图17第4章 蜗轮管的应力仿真分析214.1蜗轮管的加载方式214.2蜗轮管的应力仿真过程214.3仿真结果分析25第5章 结论及展望265.1结论265.2展望26谢 辞27参考文献28附录1英语原文29附录2 英文翻译37附录3 主要零件的三维实体图片43第1章 概述1.1 消防水炮的介绍及发展现

7、状在各类自然火灾中，火灾是一种不受时间、空间限制，发生频率很高的灾害。这种灾害随着人类用火的历史而伴生；以防范和治理火灾的消防工作也就应运而生，与人类结下了不解之缘，并将永远伴随着人类社会的发展而日臻完美。消防水炮是将一定流量及一定压力的水，通过能量转换，将势能转换成动能，以很高的速度从炮头喷嘴中喷出，形成射流从而起到扑灭一定距离外火灾的消防设备。消防水炮一般由炮身及炮头组成。炮身是一个过流部件，用以实现水平、俯仰喷射角度的改变，炮身上一般还装有手轮、液压马达或电机等驱动机构，从而形成手动式、液控式及电动式消防水炮；炮头是将炮身流出的水的势能转变为动能的部件，其中喷嘴是其关键组成部分，它是最终

8、实现射流的部件，是流体输送过程中的关键。喷嘴直接决定了消防炮出水射流的作用：消防水炮射程与炮身内流体流动的流线是否始终保持平行有着重要的关系，始终使水流保持平行流线并匀速流动，可以显著增加消防水炮的射程，也可以使消防水炮在直流状态的射击效果更加明显。目前，国外的消防水炮正在朝着大流量、远射程方向发展。在车载消防水炮中，如机场消防车，由于其底盘功率越来越大，所配水泵流量能达到100 l/s、扬程120m，因而所配消防水炮流量已有100 l/s，射程在90 m以上，在固定灭火系统机消防船中，已有流量为200 l/s，射程在120m以上的消防水炮出现。并且还有进一步大型化的趋势。其功能也日益增多，除

9、了集中射流外，还增加了喷雾功能；与火灾探测报警相连，还具有自动定位瞄准功能等3-5。我国消防水炮的技术研究开发相对滞后，虽说在市场需求和研究方向上已与工业发达国家相接近，但其研究手段上仍采用传统的经验方法，试制成本居高不下、试制周期长、成功率低下、总体设计水平不高，严重制约着我国消防水炮产业的发展。通过早几年的引进、消化、吸收，我国在压力为0.8mpa,流量在32 l/s以下规格的消防水炮上，已形成一系列较为成熟的系列产品。但随着灭火保护对象的变化，需要的灭火强度越来越大，因而需要消防水炮向大流量、远射程及自动化方向发展。比如我国的储油罐的容积目前已达到15万m3，这种油罐直径达100 m，高

10、度达30 m，防火堤距离油罐有20 m左右，要求消防水炮不仅要达到一定的射程，还要达到相当的射高，现有消防队中的车载炮、移动炮都无法对付这种油罐的火灾。因此提高炮的射程，已是我国消防装备更新中的一个重要内容。如果开发大型消防水炮还是沿用老的手段，通过大量的试验来进一步规格的定型，其试验费用是非常高昂的，而且开发周期也很长，同时很难进行充分的试验以得到最佳的设计。因此必须通过相关流场仿真分析及试验研究优化消防水炮的结构参数，并进行相似试验分析，得出现有消防水炮的设计准则。1.2 固定式消防水炮的种类及应用 图1.1：ps30-150d型流量可调手轮式固定消防水炮 图1.2：pl32-150型系列

11、固定泡沫-水两用炮 图1.3：pl32型固定泡沫-水两用炮 图1.4：ps20.ps25型固定水炮以上四种固定式消防水炮功能齐全、手轮或手柄操作，炮身可作水平回转、俯仰转动、能实现定位锁紧；流量可调节、射程远、能作直流和喷雾喷射；可以使用海水淡水均可适用。 固定式消防水炮适用于大空间库房、博物馆、展览馆、档案馆、飞机库、体育馆、会议室、演播厅及古建筑； 环境比较恶劣的工作场所，如：粉尘、腐蚀气体、高温、低温等环境； 石化、冶金、电力等工业行业中的重要场所，如：油罐区、油库、油码头、高温炉、电缆沟；消防车、消防船、油船、港口、油田等10。1.3 设计目的及背景消防水炮是消防实战中运用最广泛的灭火

12、装备之一，它具有在火场辐射热、爆炸危险、有毒浓烟区之外的安全区域施行远距离灭火、冷却保护以及灭火效率高、威力大等特点，从而在消防车、消防船等移动、常规灭火设备中成为必备装备，同时在石油化工、机场、码头等恶性、区域性火灾扑救中起到了不可替代的作用。1.4 本课题的选题意义及主要研究内容1.4.1 选题意义火灾是一种发展迅速，危害极大的灾害。一旦发生火灾，通常是利用高效、快捷的灭火工具尽早进行扑火，防止火灾蔓延，因此消防水炮在消防灭火领域的作用越来越大，成为消防工作不可缺少的重要组成部分，直接影响消防工作的质量。为达到良好的灭火效果，保护火灾区域人员不受伤害，通常消防水炮设有柱状/雾状射流变换喷嘴

13、。消防工作是国民经济和社会发展的重要组成部分，是发展社会主义经济市场不可缺少的保障条件。消防工作直接关系人民生命财产的安全和社会的稳定。近年来我国发生的一些重大火灾，一场火灾就造成几十人甚至数百人的伤亡，造成上百万、上千万甚至几亿元的经济损失，这不仅给许多家庭带来不幸，而且使大量的社会财富化为灰烬。不仅如此，而且事故的善后处理往往也牵制了政府很多精力，严重影响了经济建设的发展和社会的稳定，有些火灾事故还成为国内外舆论的焦点，造成了不良的社会影响教训是十分沉痛和深刻的。因此，做好消防工作，预防和减少火灾事故特别是群死、群伤的恶性火灾事故发生，具有十分重要的意义。随着生产和科技的发展，社会物质生活

14、条件的变化和人口的增多，火灾情况越来越复杂。例如，近年来高层建筑和多层建筑发展非常迅猛，规模越来越大，档次也越来越高，这些建筑物对消防工作提出了新的挑战，因此，做好消防工作是利国利民的好事，具有重大的实际意义。1.4.2 主要研究内容1. 熟悉autocad二维设计软件和pro/e三维设计软件，要求了解国内外消防水炮系列产品的发展概况及其工作原理。2. 设计s型固定式不锈钢消防水炮，包括底座连接部分、炮身和炮头以及手动转动部件。要求提供详细的设计计算过程及设计图纸。3. pro/e三维实体建模，在mechanica模块中对蜗轮管进行应力分析并校核。4. 通过毕业设计基本掌握选题、调研（文献综述

15、）、方案确定、系统设计计算及仿真分析过程。第2章 s型固定式不锈钢消防水炮结构设计计算2.1 主要设计要求及性能指标1) 流量 100l/s；2) 射程85m；3) 额定工作压力1.2mpa；4) 工作压力范围0.71.4mpa；5) 水平回转角度3600；6) 俯仰角400700；7) 连接方式：法兰（采用gb91192000国标dn100）；8) 回转部位采用钢珠回转（不采用轴承）和蜗轮蜗杆传动；9) 材质：304不锈钢；10) 零部件：采用标准成型不锈钢材料焊接成零件，少部分零件（不能采用成型材料焊接的）可铸造而成；11) 炮身整体内径在尽量小的情况下，工作压力为1.2mpa时，出口流量

16、达到100l/s；12) 整体外观紧凑、美观、流线型强。2.2 总体结构设计方案的确定在拟定方案之前，我们进行了大量的工作，主要有以下两方面：1) 通过网络搜索资料查阅协作厂家现有的资料，对消防水炮的构造性能有了进一步了解2) 参考以前的师兄的设计，有炮身结构进行改进，把u型结构该为s型。基于以上工作，初步提出以下两种总体结构设计方案。 图2.1 总体结构设计方案一 图2.2总体结构设计方案二 方案的比较：1) 方案二与方案一相比较，材料多加了一个直管，水流过度比较缓，水炮材料所受应用力减小、压力损失减小；2) 方案二与方案一相比较，型架更加美观。经以上两种方案的比较，在与指导老师胡国良老师的

17、讨论下，最终确定采用总体结构设计方案二。消防水炮总装图（主视图和左视图）如下：图2.3 消防水炮总装图（主视图）图2.4 消防水炮总装图（左视图）2.3 出口管径的设计及对影响射程因素的分析根据参考文献11可知，如果在理想状态下（不考虑空气阻力，风的影响），再假设消防水炮射处与水流达到处于同一水平面的情况下，消防水炮的喷射形式和弹道运动相类似。其理论射程公式为：垂直方向向上飞行时间： (2-1)水流飞行总时间为： (2-2)水流射程： (2-3)式中：d0射程（m）；v水流喷射速度（m/s）；水流喷射时与水平面角度（0）；t1水流向上飞行时间(s)；t水流飞行总时间(s)；g重力加速度（9.8

18、m/s2）。从式（2-3）可以看出当时，射程达到最大值时水流具有最大射程。本水炮设计要求射程85m，所以： (2-4)要使水炮的射程不小于85m，其出水口的速度v0必须大于28.86 m/s；如果控制出水管的流速大小，就要求对喷嘴芯和喷雾喷嘴配合尺寸进行设计。根据流量连续方程可知，在流速不变的情况下，面积减少可以提高流速。根据测绘数据和经验值设计出水口的喷雾喷嘴为138mm。设计的喷嘴芯与喷雾喷嘴的配合组成的圆环形面积出口直接决定了出水口的流速v0，它们的配合如下所示（图2.5）：图2.5 喷雾喷嘴与喷嘴芯配合图出水的实际面积为最小喷雾喷嘴的最小管径与喷嘴芯之间的圆环面积： (2-5)由参考文

19、献12有： (2-6)根据给定的设计要求，射出的最小流量是100 l/s；所以出口的速度为：所以：，同时满足达到最小射程85m的要求。消防水炮的射程是指从消防水炮出口到达水流集中降落点的距离。消防水炮的射程主要取决于工作压力和射出流量的大小，当然其他的影响因素也很多。比如说流道的结构，水流的喷射状态，水流喷射的仰角，喷射时的风向、风速。都可以对射程起到一定的影响，下面主要分析几个重要的影响因素7：1) 工作压力和喷射流量对射程的影响一般来说，射程是随着工作压力的增加而增加。这是由于，射流初速度是射程的前提，在地球引力的作用下，较大的初速度是理论上获得较远射程的先决条件。在消防水炮流量一定的情况

20、下，较大的压力可以获得较远的射程。喷嘴直径一定时，射程随着压力的增大而增加，开始增长的很快，而到了一定的程度，增长速度变慢，到最后不再增加。因为压力过大，水流和空气发生相对作用，部分水流粉碎的相当厉害，变成细小水滴，惯性变小，飞行距离也相应变近了。所以压力并非越高越好，到一定程度的时候，进一步增加压力，只能提高水流的雾化能力，而不能增加射程。在消防水炮喷嘴截面积确定的时候，消防水炮的流量越大，单位时间内通过消防水炮喷嘴的水流越多，从而消防水炮喷出的水流速度越高，水柱也更加充实，射程当然也就较远。2) 喷射仰角对射程的影响从（2-3）式可以看出当的时候，射程达到最大值。实际上由于空气阻力、水流自

21、身作用、以及消防员操作等因素，消防水炮喷射时的最大射程并不是在。经过对国内外的各种试验资料的分析，水枪的最大射程应该是在喷射角度左右的时候。此时的消防水炮不但射程远，而且也便于消防员操作。3) 消防水炮结构对射程的影响消防水炮由法兰接口、水炮炮身、喷头等几部分组成，部分水炮炮头还具有流量调节功能。水流通过水炮的时候，要经过整流、能量装换和喷射几个过程。水流经过流道的时候会产生流量分布不均匀、漏流、紊流等多种状况，这些都可能带来能量损失，能量损失就会导致水炮的射程减小。水流从喷嘴喷出后，密集段越长越好，如果水炮出口的紊流程度越高，那么喷出的水流会在喷出水炮后一段距离之间发散，所以需要降低水流出口

22、前的紊流程度，使得水流不至于过早的分散。所以说减少流道的能量损失，降低水流的紊流程度，可以提高水炮的射程。4) 风速、地球引力对射程的影响前面我们已经分析了在理想状况下的喷射情况，但是在实际工作的时候，或多或少有风力影响的，当风速大，而且是顺风的时候，在一定程度上可以提高消防水炮的射程，一旦风速过大，对消防作战也是有害处的，风力的作用可以导致消防水炮喷射出的水流过早的发散，从而影响水流的射程和到达目的地水流的流量；如果风向是逆向的时候，显然对消防水泡的工作是及其不利的，逆风不但会使得喷射射程降低，水流过早的发散，甚至可能将部分发散的水流吹响消防员，阻碍消防员的视线。地球引力在扑灭高出火灾的时候

23、影像尤为明显，水流喷向目的地的时候，需要克服地球引力，这样部分动能就会转化为势能，水炮的射程将受到影响而减小。通过上面分析，我们看出消防水炮的射程与工作压力和流量有关。而客观条件也能影响消防水泡的射程。我们在设计消防水炮的时候，可以通过给定工作压力和流量条件的时候，考虑无风条件的时候，通过选择合适的水炮尺寸，改进消防水炮的内部结构，减少水炮内部压力、流量的损失，降低水炮内的紊流程度来进一步提高消防水炮的性能。2.4 出水口速度的计算根据08届师兄ps100型固定式消防水炮的设计经验及查参考文献13表11.5-18无缝弯头规格尺寸,选用公称通径dn100mm，外径d=114mm,弯曲半径r=10

24、0mm，壁厚s=5mm，内径d=104mm的标准管道，根据流入的流量与流出的流量相等，对入水口的速度进行计算： (2-7)所以:。根据参考文献9有： (2-8)式中，阻力损失=直管的沿程阻力损失+弯管的局部沿程阻力损失其中，直管的沿程阻力损失： (2-9)根据参考文献13有： (2-10)式中：直管段沿程压力损失（m液柱）；摩擦系数；介质流速（m/s）；重力加速度，；直管长度（m）；管内径（mm）。摩擦系数取决于雷诺数re，当介质在管内呈层流状态时，即re2100时，磨损系数与管内壁表面性质无关，由参考文献13式11.3-10其摩擦系数计算公式如下： (2-11)由参考文献12表3-1查得 r

25、e=2100；所以:。l=l1+l2+l3+l4=233+231+231+450=1145mm所以:弯管的局部沿程阻力损失： (2-12)根据参考文献13有： (2-13)根据参考文献13表11.3-4管道附件局部压力系数弯管局部阻力系数又已知:由线性插补方法知：所以:根据参考文献13表11.3-4管道附件局部压力系数双曲弯管局部阻力系数知：所以:所以:所以:由式(2-8)有：得: 。所以:。2.5 压力水管壁的强度校核计算压力水管壁承受最大的强度为径向力公式为： (2-14)压力水管尺寸：外径,内径,中径所以：周向力：径向应力公式为： (2-15)径向应力，壁厚根据参考文献14表3.1-95

26、奥氏体型不锈钢304的抗拉强度安全系数，所以:，2.6 压力水管拉伸的强度校核计算压力水管拉伸应力公式为： (2-16)压力水管取最大压力,中径所以：2.7 蜗轮蜗杆的设计计算本水炮水平旋转360，垂直方向仰角-40+70主要由蜗杆带动蜗轮管传动而实现的，而蜗轮管与弯管之间采用焊接，从而带动炮身转动，根据参考文献15知，当用滚刀切制蜗轮时，为了减少蜗轮滚刀的规格，蜗杆分度圆直径亦标准化，并把蜗杆分度圆直径d与模数m的比值称为能够为蜗杆的直径系数q。在m一定时，q大则d大，蜗杆的刚度和强度也相应增大，可提高传动效率。该消防水炮为中型水炮，蜗杆头数一般为110，常用为1、2、4、6。z过多时制选较

27、高精度的蜗杆和蜗轮滚刀有困难。传动比大时及要求自锁的蜗杆传动取z=1。根据参考文献15表16.5-6普通圆柱蜗杆传动的基本参数及其匹配，选用，。蜗杆的齿顶圆直径：=+= +=蜗杆的齿根圆直径：=-=-=蜗杆齿根高：=蜗杆根高：=蜗杆齿宽，根据参考文献15查表16.5-8普通蜗杆传动的蜗杆齿宽b：当=时，对磨削的蜗杆，应将求得的值增大。时，增大,则取。蜗轮分度圆直径：=蜗轮喉圆直径：=+=蜗轮齿根圆直径：= 蜗轮齿顶圆高：=蜗轮齿高：蜗轮齿顶圆直径，当时，蜗轮齿宽，当时，=取。蜗轮齿顶圆弧半径：=蜗轮齿根圆弧半径：=蜗杆节圆直径：=+=蜗轮节圆直径：=第3章 消防水炮的立体建模3.1消防水炮零部

28、件的立体建模pro/e是一款功能强大cad/cam集成软件，而三维实体造型是该软件最富有特色也是最强大的功能；在pro/e中，用户还可以通过设置装配元件之间的约束关系来方便地进行零件的虚拟装配，从而确定装配元件之间的位置关系和装配逻辑关系。这里采用了pro/e的三维实体造型和虚拟装配。3.1.1 炮身部分零件的实体建模1) 法兰的建模建模步骤：特征创建零件旋转草绘截面（如图3.1）完成（如图3.2）插入孔（如图3.3）完成（如图3.4）阵列（如图3.5）完成（如图3.6）图3.1 草绘旋转体截面图3.2 法兰旋转体图3.3 插入孔特征设置图3.4 带孔的法兰体图3.5 孔阵列特征设置图3.6

29、法兰2) 蜗杆壳的建模（如图3.7） 图3.7 蜗杆壳 图3.8 轴端定位端盖3) 轴端定位端盖的建模（如图3.8）4) 蜗杆的建模（如图3.9） 图3.9 蜗杆 图3.10 蜗轮管5) 蜗轮管的建模（如图3.10）6) 出水弯管的建模（如图3.11）7) 进水弯管的建模（如图3.12） 图3.11 出水弯管 图3.12进水弯管3.1.2 炮头部分零件的实体建模 图3.13 炮头 图3.14 护手套 图3.15 螺纹节套 图3.16 喷雾喷嘴3.2 s型固定式不锈钢消防水炮装配图及爆炸图图3.17 总装配图正视图3.18 总装配图右视图3.19 装配图左视图4.0 总装配图爆炸图第4章 蜗轮管

30、的应力仿真分析pro/mechanica是美国ptc（parametric technology cooration，参数技术公司）开发的有限元软件，该软件可以实现和pro/engineer的完全无缝隙集成。可以进行零件模型或装配件模型的结构分析和优化分析。它可以完成的分析种类有静态分析、模态分析、曲屈分析、接触分析、预紧分析以及振动分析等。蜗轮管在固定式消防水炮中起着至关重要的作用，通过它支撑进水弯管和出水弯管，从而在操作手轮时，可实现水炮水平方向360范围内旋转，炮头垂直方向-40+70的仰角，从而可实现一定范围内任意方位上的灭火工作，其工作性能直接影响着消防工作。消防水炮中蜗轮管的主要失

31、效形式是蜗轮管轮齿弯曲强度不足，因此，对其进行应力分析仿真是十分必要的。4.1蜗轮管的加载方式根据加载方式不同，目前用有限元计算齿轮应力的方法有三种，分别为集中力加载方法、面分布加载方法和传统接触有限元法。本节蜗轮管的研究采用集中力加载的方法。在理论接触点或接触线上施加节点集中力载荷的方式是目前研究齿轮齿根弯曲应力的一种常用的方式，这种方法模型简单。边界条件容易确定，求解速度快，在计算精度要求不是很严格的情况下可以使用这种方法。根据圣维南定理，载荷分布的轻微变化对远离载荷作用的区域的位移影响不大，所以可以用集中力替代实际的分布面载荷。显然，这种方法只适用于加载点离齿根较远且接触宽度或接触面积很

32、小的情况。齿轮受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱，当轮齿在齿顶啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂虽然最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。由于这种算法比较复杂，通常只用于高精度的齿轮传动（如6级精度以上的齿轮传动）。对于制造精度较低的齿轮传动（如7、8、9级精度），由于制造误差大，实际上多由在齿顶处啮合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。当然，采用这样的算法，轮齿的弯曲强调比较富裕。本次研究

33、的蜗轮（蜗轮管）精度较低，所以按全部载荷作用于齿顶来计算，即主要研究蜗轮轮齿面上啮合点中离齿根最远的点做为集中力的加载点时的齿根和齿面上的静应力分布。分析中在齿顶处沿齿长方向取一些离散点作为力的作用点，力的作用方向是沿齿面的法线方向。4.2蜗轮管的应力仿真过程1) 创建模型采用pro/engineer中创建的蜗轮管模型，导入到pro/mechanica中。即在pro/engineer中点击应用程序菜单中的mechanica，弹出对话框选structure，确定后便进入了pro/mechanica。2) 设置材料性质由“编辑/设置/材料”命令，选用齿轮材料为304不锈钢，由参考文献14硬度为18

34、7hbs，故在弹出的对话框中定义材料的杨氏模量、泊松比=0.27、剪切模量16，密度17，并将材料分配给轮齿模型（如图3.18）。图4.1 定义材料性质3) 创建约束蜗轮管的有限元模型分析的边界条件的设定依据实际的工作情况。为了能够准确地反映蜗轮啮合的实际状态，将蜗轮管内表面进行约束，约束x,y,z向移动和绕x,y轴转动五个自由度，余下绕z轴旋转的自由度，以此作为蜗轮管进行应力分析的边界条件。4) 定义载荷取斜蜗轮管轮齿顶中点作为受力分析对象。假定蜗杆传递扭矩，。由参考文献18式11-7、11-8、11-9、11-10（各力的单位均为n）： (4-1) (4-2) (4-3) (4-4)式中：

35、、分别为蜗杆和蜗轮上的公称转矩，单位为；、分别为蜗杆及蜗轮的分度圆直径，单位为。另有参考文献19式1-3： (4-5)经换算得到蜗轮啮合点处的作用力分别为：，；定义载荷（如图3.19）。图4.2 定义载荷5) 划分网格在有限元中，有限单元网格可以分为两种：体单元和壳单元。壳单元有三角形、三角形与四边形混合。体单元有四面体、四面体和五面体混合、五面体、六面体。在有限元计算中，采用六面体单元计算时，节点比较少，而且精度比较高。在一般三维模型有限元计算时，首先应考虑使用六而体单元。在本文中由于斜齿轮模型结构比较复杂，属不规则模型，所以在本文中不能使用六面体单元，而是采用了四面体单元。选择mesh菜单

36、选项进行网格的定义和划分。齿轮的有限元网格模型如图4.20所示。若对划分的网格不满意,可以使用autogem命令调整网格。并对划分网格的质量进行检查,不符合要求的网格将在有限元模型中以红色显示出来。图4.3 网格划分6) 建立分析在结构分析中，分析的类型有静力分析、模态分析、疲劳分析和屈服分析等。本章作静力分析和模态分析。静力分析主要是分析斜齿轮的齿根受力时的应力、应变、位移的变化情况，模态分析在后面介绍。在进行分析前，需要指定对模型进行分析的类型。在主菜单中选择分析/研究，在该对话框中选择filenew static（图4.21所示），系统弹出static analyses definiti

37、on对话框，接受所有默认的值。单击ok按钮，回到analyses and design studies对话框，此时对话框出现一个analyses1分析，其类型为standard/static，运行分析，系统会开始进行计算。图3.20 analyses and design studies对话框7) 后置处理有限元模型的求解不是目的,求解得出的数学模型的计算结果才是目的。本文对齿轮进行的是静态分析,采用pro/mechanica自带的结算器进行后处理。通过彩色云图显示应力、应变分布。以不同的颜色表示不同范围的应力,形象逼真地表现了齿轮内部的应力、应变分布情况。图3.21、3.22所示为所设计的齿

38、轮在本文载荷作用下的应力、应变、位移分布图。图4.4 蜗轮管轮齿应力、应变云图图4.5 蜗轮管轮齿位移云图、应力曲线图4.3仿真结果分析从云图中直接可以看出齿根的应力、应变、位移等各项值的变化情况，从图3.22可以知道，在齿顶中点加载集中力时，其最大应力为330.878mpa，最大应变值是2.343e-3mm。从图3.22可以得出，在集中加载地方所受的应力是最大的，只要集中加载点的最大应力符合要求，则蜗轮管轮齿的齿根应力就满足要求；而304不锈钢的许用应力为502mpa，所以本设计中的蜗轮管是满足齿根弯曲疲劳强度的。第5章 结论及展望5.1结论本次设计的s型固定不锈钢消防水炮整体外观紧凑、美观

39、、流线型强；水炮水平方向可实现360旋转，垂直方向能够实现俯仰角40070，通过操作手轮可调整水炮喷射的方位且具有自锁功能。采用pro/engineer软件完成消防水炮零部件的立体建模和整体装配，验证了其结构尺寸的正确性和整体结构设计的合理性。采用pro/mechanica有限元仿真软件完成蜗轮管应力分析仿真过程，使用集中力加载方式来分析蜗轮管的应力分布，对蜗轮齿根弯曲疲劳强度进行了校核，在齿顶中点加载集中力时，其最大应力为330.878mpa，最大应变值是2.343e-3mm，验证了其设计的正确性。5.2展望本次课题由于时间和本人知识的限制，这次的设计研究工作仅限于以上几章所述内容，本文还存

40、在很多缺陷和不足之处以及很多有待改进的地方。在本文中，对蜗轮管采用集中力加载方式，虽简单，但计算精度不高，且靠近加载点的齿根部分受集中力的影响，此处应力值变得很大，以至于不能反映齿根的真实应力，在进一步的工作中应考虑更好的加载方式来解决这一问题，本文也只是分析了齿根弯曲应力，还需对其接触应力进行分析。 谢 辞四年的大学生活匆匆而过，在即将离开校园步入社会的这一刻，首先我要向四年来给予我孜孜教诲的老师们表示由衷的感谢，你们不仅仅教授了我专业知识，更教授了我做学问的秘诀和做人的准则，给予了我不断的鼓励和帮助，让我能够紧张而充实地度过四年的大学时光，并从各方面不断充实完善了自己。本课题的设计研究工作

41、是在胡国良老师的悉心指导和关心下完成的。导师严谨求实的治学态度，孜孜不倦的求索精神使我受益匪浅；老师辛苦的奔波和热心的教导更是让我倍受感动。在此诚挚地感谢导师给我的关怀和指导，老师：您辛苦了！同时，我要感谢05届师兄在我设计中在我设计过程中给予的帮助与指导；我还要感谢与我一同走过大学四年的所有同学，感谢你们在工作上给予的支持与理解，生活上的关心与帮助，学习上的相互交流。另外，衷心地感谢我的父母、妹妹及亲朋好友，是你们一直在背后默默的支持、帮助着我。特别是我的父母和妹妹，你们辛苦了，我一定会顺利完成学业，走上工作岗位后努力工作来报答你们！最后，向在百忙之中评阅本文的老师、专家、教授表示衷心的感谢

42、!参考文献1 陆菊红，王永福，李瑜璋我国消防装备技术发展战略的探讨j消防科学与技术，2000，11(4)：40-412 刘慧，王春丽，米海蓉，等固定式消防水炮在大空间建筑中的应用j给水排水，2005，31(10)：72-743 范明豪纯水液压细水雾灭火系统研究d杭州：浙江大学，20034 朱畅稳压型多功能消防水枪的研制和细水雾灭火实验d杭州：浙江大学，20055 邓东固定式高压单相流细水雾灭火系统研究d浙江大学，20066 万峰，陈晓阳，闵永林 等消防炮水射流轨迹拟合方程消防科学与技术，2007，26(6)：656-6577 江西西河机厂eb/ol./netea

43、seivp/member/index.jspenterp_id=1165461861675，2008-4-19.8 东南大学等七所工科院校.马文蔚改.物理学.上册.北京：高等教育出版社，1999（2004重印）9 章宏甲，黄谊.液压传动.北京：机械工业出版社,2000.910 机械设计手册编委会.机械设计手册.第三版.第二卷.北京：机械工业出版社,2004.811 机械设计手册编委会.机械设计手册.第三版.第一卷.北京：机械工业出版社,2004.812 机械设计手册编委会.机械设计手册.第三版.第三卷.北京：机械工业出版社,2004.813 0cr18ni9不锈钢的弹性模量与泊松比是多少?eb

44、/ol./question/50679413. html?si=10，2008-4-27.14 不锈钢的密度是多少?eb/ol./question/2414128.html?si=9，2005-12-30.15 濮良贵，纪明刚.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社,2001（2006重印）16 胡国良.固定式消防水炮的设计及仿真分析j.液压与气动,2009(1):41-43.17 k. a. kalpoma, y. haramoto, kudoh jun-ich. real time fire moni

45、toring system for russia and north region using noaa avhrr imagesa. geoscience and remote sensing symposium (igarss 05), 2005: 1792-1795. 18 michael a. ratcliff, ronald l. petersen, klaus w. schatz, et al. physical modeling of water sprays-comparison against field operationsj. 2004, 12(3): 143-146.

46、19 randy belore, sy ross. testing and development of a single-nozzle spray system for vessel-based dispersant deliverya. proceeding of the twenty-second arctic and marine oil spill program technical seminar, environment canada, ottawa, 1999.20 万峰，陈晓阳，闵永林 等消防炮水射流轨迹拟合方程消防科学与技术，2007，26(6)：656-657附录1英语原

47、文chinese science bulletin 2006 vol. 51 no. 24 30533058 doi: 10.1007/s11434-006-2221-y experimental studies on interaction of water mistwith class k fires fang yudong, zhang yongfeng, lin lin, liao guangxuan, huang xin & cong beihua university of science & technology of china, state key laboratory of

48、 fire science, hefei 230026, china correspondence should be addressed to fang yudong (email: ydfang ) received february 19, 2006; accepted april 13, 2006 abstract interaction of water mist with cooking oil fires is studied experimentally and theoretically. a ldv/apv system is used to

49、 measure the velocity and diameter of water mist at different pressures in the experiments, and the effect of water mist velocity and diameter on fire extinguishment efficiency is investigated. the experimental results show that water mist has excellent surface cooling effect; it can control and ext

50、inguish cooking oil fires quickly without re-ignition. the critical temperature () is calculated by energy balance equation, and the fire plume momentum is calculated and compared with that of water mist in order to determine the critical velocity () of fire extinguishment. this paper provides refer

51、ences for cooking oil fires extinguishment with water mist. keywords: water mist, cooking oil fires, re-ignition, combustion supporting. 1 introduction statistics have shown that almost 50% of all accidental fires in hotels, restaurants and fast food outlets start in kitchens, and liquid cooking oil

52、 or fat is involved in a majority of these fires1. from 1988 to 1992, a total of 39182 kitchens fires occurred in alberta of canada, bringing 228 fire deaths, 2172 fire injuries, and $569 million loss27usually the average burning rates of cooking oils are higher than those of other hydrocarbon oils,

53、 and cooking oil fires are more difficult to extinguish than other liquid fires8,9during cooking, the oil is heated to a temperature up to its flash point. once the oil auto ignites, it is difficult to cool the oil below its auto ignition temperature. modern energy-efficient fryers which are designed to retain more heat to minimize fuel costs may retard the dissipation of heat from the hot cooking oil in the event of a fire. since cooking oil fires have a different behavior from that of other types of flammable liquid fires, they have recently been classified