高層建筑氣動(dòng)消防炮結(jié)構(gòu)研究與動(dòng)力學(xué)分析

劉少剛，劉剛，趙丹，舒海生，王士成，周杰

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，高層建筑的發(fā)展日新月異，與此同時(shí)高層建筑火災(zāi)事故也呈現(xiàn)加速上升的態(tài)勢.高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，現(xiàn)有消防裝備很難予以撲救.目前應(yīng)對高層建筑火災(zāi)的措施主要有3種:一是通過登高消防車向火場噴灑水霧或滅火劑，但是登高車最高只能達(dá)到50 m，對于更高的樓層則無能為力;二是采用直升機(jī)從失火建筑上部噴灑，受條件限制應(yīng)用并不廣泛;三是由消防人員進(jìn)入建筑，從內(nèi)部控制火情，但進(jìn)入火場費(fèi)時(shí)費(fèi)力且近距離撲救具有很大的危險(xiǎn)性.

針對高層建筑火災(zāi)撲救的難題，進(jìn)行了氣動(dòng)發(fā)射式高層建筑消防炮的研究.主要思路是利用高壓氣體通過高層建筑消防炮將裝有超細(xì)干粉滅火劑的滅火彈發(fā)射至高層建筑起火部位.滅火彈在侵徹建筑物玻璃進(jìn)入火場后，通過碰撞墻壁或者溫度傳感器觸發(fā)起爆，滅火劑彌散后淹沒整個(gè)起火空間，達(dá)到滅火的目的.高層建筑消防炮是一種反應(yīng)速度快、機(jī)動(dòng)性能好的滅火設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離計(jì)算機(jī)火控精準(zhǔn)發(fā)射，定點(diǎn)撲消.由于采用了車載、氣動(dòng)發(fā)射的方式，危險(xiǎn)性小，適應(yīng)性強(qiáng)，是應(yīng)用于高層消防的有力裝備.

1 高層建筑消防炮的工作方式

目前高層建筑消防遇到的主要難題是:樓層較高，外部消防撲救設(shè)備難以發(fā)揮作用;樓內(nèi)消防設(shè)施作用有限，一旦火勢蔓延僅靠樓內(nèi)的消防設(shè)施很難控制火勢;消防人員進(jìn)入火場，登上高層很困難也很危險(xiǎn).針對這些問題，結(jié)合目前手拋式滅火彈和超細(xì)干粉滅火劑的研究成果，提出了利用氣動(dòng)發(fā)射原理，將裝有超細(xì)干粉滅火劑的滅火彈利用氣動(dòng)消防炮精確發(fā)射到現(xiàn)有消防設(shè)施無法達(dá)到的高層建筑起火點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高層建筑火災(zāi)迅速撲滅的目的，起爆示意如圖1所示.

圖1 滅火彈侵徹高層建筑玻璃進(jìn)入起火空間起爆示意Fig.1 The diagram of the fire extinguishing bomb detonation after it penetrated the glass of high-rise building and entered the fire space

消防炮采用高壓氣體發(fā)射.利用計(jì)算機(jī)智能火控系統(tǒng)，能夠根據(jù)工作環(huán)境快速計(jì)算出射擊諸元，從而調(diào)整消防炮的位姿來適應(yīng)發(fā)射.消防炮主要具備3個(gè)功能:1)自動(dòng)上彈，實(shí)現(xiàn)滅火彈自動(dòng)推進(jìn)到發(fā)射位置并鎖閉炮膛的動(dòng)作;2)膛內(nèi)全壓發(fā)射，即在發(fā)射時(shí)能夠?qū)⒏邏簹馐业母邏簹怏w瞬間全壓加載到滅火彈彈尾部，針對這一點(diǎn)需要設(shè)計(jì)一種特殊機(jī)構(gòu)，以有效解決氣動(dòng)閥開啟過渡時(shí)間對發(fā)射過程的影響;3)消防炮自動(dòng)復(fù)進(jìn)的可實(shí)現(xiàn)性，每次發(fā)射完畢都需消防炮的各個(gè)機(jī)構(gòu)自動(dòng)恢復(fù)到初始待裝填滅火彈位置［1］.

2 高層建筑消防炮的結(jié)構(gòu)方案

2.1 工作原理

高層建筑消防炮以高壓氣體作為工作介質(zhì)，主要由氣源、供彈裝置、發(fā)射裝置、火控系統(tǒng)和底座組成.火控系統(tǒng)包括火控計(jì)算機(jī)、操控顯示系統(tǒng)和消防炮控制系統(tǒng)，能根據(jù)給定目標(biāo)完成射擊諸元的解算，提供相應(yīng)的控制參數(shù)，進(jìn)而控制消防炮完成瞄準(zhǔn)、射擊等一系列動(dòng)作.消防炮工作原理如圖2所示.滅火彈的發(fā)射主要包括上彈、擊發(fā)與發(fā)射3個(gè)階段.在上彈階段，滅火彈裝填至推彈裝置，低壓氣體推動(dòng)氣室內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)推彈裝置運(yùn)動(dòng)，將滅火彈推進(jìn)到發(fā)射位置(炮膛)，同時(shí)推彈裝置后方的密封蓋前移將炮膛閉鎖密封，發(fā)射準(zhǔn)備完畢.在擊發(fā)階段，發(fā)射氣室接通擊發(fā)氣路，因滅火彈被伴隨管上的擊發(fā)銷限位，故此滅火彈與伴隨管被同步推動(dòng)著在炮膛內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，使由伴隨管封閉的發(fā)射高壓氣口隨伴隨管的運(yùn)動(dòng)而打開.當(dāng)滅火彈與伴隨管一起運(yùn)動(dòng)到高壓氣口全開位置時(shí)，擊發(fā)銷縮回伴隨管內(nèi)，解除對滅火彈的限位，此時(shí)滅火彈脫離伴隨管，承受全壓推動(dòng)，進(jìn)入發(fā)射階段.在發(fā)射階段，滅火彈脫離伴隨管后，高壓氣體全載荷作用于滅火彈，推動(dòng)滅火彈在炮膛內(nèi)繼續(xù)加速前進(jìn)，直至飛離炮口.

圖2 消防炮發(fā)射原理示意Fig.2 Launch principle of fire-extinguisher cannon

控制氣路主要由3部分組成:推彈氣路、擊發(fā)氣路和回程氣路.

推彈氣路:氣室通入低壓氣體，推動(dòng)活塞前進(jìn)，將滅火彈送入炮膛內(nèi).然后充入高壓氣體作為發(fā)射動(dòng)力源.

擊發(fā)氣路:由擊發(fā)氣動(dòng)閥、氣管和阻尼孔組成，在滅火彈發(fā)射前先從氣室里引出一部分高壓氣體到后炮膛，給滅火彈以初始的運(yùn)動(dòng)速度.

回程氣路:當(dāng)消防炮發(fā)射完畢，在氣室的后方通入低壓工作氣體，將活塞推回初始位置，同時(shí)也將伴隨管、推彈機(jī)構(gòu)、擊發(fā)銷復(fù)位.

作為發(fā)射動(dòng)力源的發(fā)射壓力可根據(jù)火控計(jì)算機(jī)解算的射擊諸元和實(shí)際射擊條件等來進(jìn)行調(diào)節(jié).

2.2 消防炮整體結(jié)構(gòu)

高層建筑消防炮總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，消防炮主要由推彈機(jī)構(gòu)、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、上彈裝置、氣室、俯仰機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)盤等組成.上彈機(jī)構(gòu)裝填滅火彈，消防炮工作時(shí)由上彈機(jī)構(gòu)將滅火彈裝填到推彈機(jī)構(gòu)彈室里，推彈機(jī)構(gòu)主要包括密封蓋、推進(jìn)桿和推進(jìn)活塞，其主要功能是將滅火彈推進(jìn)至炮膛，該過程以低壓氣體為動(dòng)力源推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)推進(jìn)桿實(shí)現(xiàn)滅火彈的上膛.滅火彈推進(jìn)到炮膛后密封蓋自動(dòng)將炮膛密封，進(jìn)入閉鎖狀態(tài).

圖3 高層建筑消防炮整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of fire-extinguisher cannon for high-rise Buildings

擊發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)置在炮膛里，主要由擊發(fā)氣路、伴隨管、擊發(fā)銷及滑道組成，其中擊發(fā)氣路又包括擊發(fā)控制閥、氣路和阻尼孔.擊發(fā)機(jī)構(gòu)可以使消防炮在擊發(fā)的瞬間實(shí)現(xiàn)全壓發(fā)射.擊發(fā)機(jī)構(gòu)工作原理是:在擊發(fā)之前，伴隨管將高壓氣室與處于常壓的炮膛隔離開.當(dāng)打開擊發(fā)控制氣動(dòng)閥時(shí)，高壓氣室內(nèi)的氣體經(jīng)擊發(fā)氣路、阻尼孔進(jìn)入炮膛，炮膛氣壓升高推動(dòng)滅火彈向前運(yùn)動(dòng).由于擊發(fā)銷此時(shí)處于伸出狀態(tài)，限制了滅火彈脫離伴隨管，故滅火彈同時(shí)推動(dòng)伴隨管前移，使得高壓氣室與炮膛開始直接聯(lián)通.當(dāng)伴隨管運(yùn)動(dòng)到氣室與炮膛完全聯(lián)通位置，擊發(fā)銷縮回，解除了對滅火彈的限制，滅火彈脫離伴隨管，在高壓氣室全壓作用下，滅火彈在炮膛內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入發(fā)射階段.

當(dāng)炮彈發(fā)射完畢，膛內(nèi)氣壓經(jīng)炮口泄壓后迅速降至常壓.此時(shí)向高壓氣室另一側(cè)加載工作氣壓，氣體推動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)回程運(yùn)動(dòng)，將推彈機(jī)構(gòu)恢復(fù)原位，同時(shí)推彈活塞將伴隨管推回初始位置，擊發(fā)銷伸出，為下一次發(fā)射做好準(zhǔn)備.

2.3 擊發(fā)機(jī)構(gòu)研究

在氣動(dòng)發(fā)射式消防炮結(jié)構(gòu)的研究過程中，主要的難點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵在于如何能夠?qū)崿F(xiàn)對滅火彈的全壓發(fā)射.不同于火藥發(fā)射，氣動(dòng)發(fā)射存在發(fā)射壓力低、氣動(dòng)元件啟閉過渡時(shí)間長的問題.如果發(fā)射過程控制不好，有可能還沒有完成氣動(dòng)元件的開啟過程，尚未達(dá)到炮膛內(nèi)全壓的建立，炮彈即已被推出炮膛.如果這樣，勢必要大大降低出口速度，無法計(jì)算內(nèi)彈道參數(shù)，也無法控制射擊精度.因此，在本課題的研究中，采用了伴隨管隨動(dòng)的擊發(fā)方式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，擊發(fā)機(jī)構(gòu)主要由伴隨管、擊發(fā)氣路和擊發(fā)銷組成.擊發(fā)銷設(shè)置在伴隨管前端，沿炮膛內(nèi)的滑道運(yùn)動(dòng)，用以控制滅火彈與伴隨管的伴隨限位和脫離.伴隨和脫離的位置由滑道曲率決定.伴隨管后部采用自密封的方式.伴隨管之上安裝的專用密封圈中間采用具有一定柔性的金屬材料，外圍采用密封橡膠，當(dāng)高壓氣體充滿高壓氣室時(shí)，受外側(cè)高壓氣體作用，專用密封圈將緊緊擠壓在伴隨管后端，從而實(shí)現(xiàn)密封，消防炮擊發(fā)機(jī)構(gòu)如圖4所示.

圖4 消防炮擊發(fā)機(jī)構(gòu)Fig.4 The firing mechanism of the fire-extinguisher cannon

伴隨管控制著氣室與炮膛氣體的通斷，在工作時(shí)主要承受著氣室的高壓氣體的壓力，必須確保其強(qiáng)度和剛度能夠滿足要求，為此對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析.根據(jù)伴隨管的工作狀況，材料選擇了(Q235A).材料屬性:彈性模量 210 GPa，密度為7.86 g/cm3，泊松比為 0.3.計(jì)算時(shí)最大加載氣壓按滅火炮最大工作氣壓6 MPa加載，氣室的氣體通過氣壓的方式均布作用于伴隨管外壁.

圖5為利用Ansys對伴隨管進(jìn)行有限元分析，在加載工作氣壓下，伴隨管的分析結(jié)果.結(jié)果表明:伴隨管在管口端壓應(yīng)力較大，變形較大，其他部位變形較小，最大形變?yōu)?.178×10-3mm.

圖5 伴隨管受力應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.5 Nephogram of stress and strain on the associated tube

3 消防炮內(nèi)彈道特性分析

根據(jù)消防炮的發(fā)射原理將其內(nèi)彈道分為2個(gè)階段:第1階段是滅火彈在進(jìn)氣口打開過程中的運(yùn)動(dòng)，該階段終了時(shí)進(jìn)氣口全部打開，滅火彈脫離伴隨管獲得一定速度;第2階段是滅火彈脫離伴隨管后在炮膛內(nèi)加速階段，該階段使滅火彈獲得一定炮口初速.滅火彈能否順利展開后續(xù)滅火工作的關(guān)鍵是看其在到達(dá)目標(biāo)時(shí)的速度、位姿等狀態(tài)是否滿足要求，而這些參數(shù)與滅火彈的炮口初速關(guān)系密切，因此，需要對消防炮的內(nèi)彈道特性進(jìn)行深入研究.內(nèi)彈道特性主要包括:擊發(fā)時(shí)伴隨管與滅火彈相伴運(yùn)動(dòng)的內(nèi)彈道特性，脫離伴隨管后炮彈在炮膛加速時(shí)的內(nèi)彈道特性.

3.1 擊發(fā)過程的動(dòng)力學(xué)分析

擊發(fā)過程如圖6所示，滅火彈和伴隨管由零開始變加速運(yùn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)時(shí)間和距離短，可以將其看作等熵絕熱下運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)速度較低，可以忽略滅火彈前方的空氣阻力.進(jìn)氣口開啟過渡階段對整個(gè)擊發(fā)過程影響不大，予以忽略.由此，根據(jù)擊發(fā)銷力學(xué)分析可以推出滅火彈擊發(fā)過程動(dòng)力學(xué)方程.

圖6 消防炮擊發(fā)示意Fig.6 Firing process of fire-extinguishing cannon

擊發(fā)過程中伴隨管和滅火彈在高壓空氣產(chǎn)生的推進(jìn)力作用下前向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)擊發(fā)銷受力有2種情況:第1種情況是當(dāng)伴隨管在推進(jìn)力作用下產(chǎn)生的加速度大于滅火彈在推進(jìn)力作用下產(chǎn)生的加速度，滅火彈推力將不作用于擊發(fā)銷;第2種情況是伴隨管產(chǎn)生的加速度小于滅火彈產(chǎn)生的加速度，滅火彈推力作用于擊發(fā)銷，通過擊發(fā)銷帶動(dòng)伴隨管運(yùn)動(dòng).

為分析這2種可能性，分別計(jì)算出這兩個(gè)加速度進(jìn)行比較分析，推進(jìn)力單獨(dú)作用伴隨管產(chǎn)生的加速度 abx為

式中:Px為炮膛工作氣壓，Sb為伴隨管橫截面積，Mb為伴隨管質(zhì)量.

推進(jìn)力單獨(dú)作用滅火彈產(chǎn)生的加速度adx為

式中:Sb為伴隨管橫截面積，Md為滅火彈質(zhì)量.

通過式(1)、(2)的比較可以看出，滅火彈對擊發(fā)銷的作用力是主要影響擊發(fā)銷運(yùn)動(dòng)的因素，擊發(fā)過程實(shí)質(zhì)上是滅火彈推動(dòng)擊發(fā)銷運(yùn)動(dòng)，通過擊發(fā)銷帶動(dòng)伴隨管運(yùn)動(dòng).擊發(fā)銷受力如圖7所示.

圖7 擊發(fā)銷受力簡圖Fig.7 A sketch map of stress on the control pin

由于壓力角β和摩擦系數(shù)較小，計(jì)算時(shí)可以忽略掉壓力角β，摩擦力Fbf和Faf的影響，將滅火彈與伴隨管看做一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體來計(jì)算，建立滅火彈運(yùn)動(dòng)方程組:

式中:f為材料摩擦系數(shù)，Sb為伴隨管橫截面積，α為滅火彈壓力角，F(xiàn)d為伴隨管與炮管內(nèi)壁之間的摩擦.

將式(3)化簡得

氣體狀態(tài)方程［4］:

式中:S=Sb+Sd，V0為氣室的體積 ，P0為擊發(fā)前氣室壓強(qiáng)，γ為氣體絕熱指數(shù).

式(4)、(5)代入式(6)得:

式中:l為滅火彈脫離伴隨管時(shí)行程，γ為氣體絕熱指數(shù).vl為滅火彈與伴隨管分離時(shí)滅火彈的速度.

3.2 炮膛加速過程動(dòng)力學(xué)分析

滅火彈在炮膛加速過程如圖8所示，膛壓加速初始?xì)鈮簽榍耙浑A段結(jié)束時(shí)的膛壓Pl，滅火彈開始脫離伴隨管的控制以初速v0進(jìn)行膛壓加速，氣室中的氣體不斷進(jìn)入彈后的炮膛，進(jìn)而推動(dòng)彈丸在膛內(nèi)不斷加速運(yùn)動(dòng)，直至炮口時(shí)彈丸獲得初速vL.可見滅火彈膛壓加速過程，實(shí)質(zhì)上可以看作彈后的壓縮空氣絕熱膨脹，繼而推動(dòng)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過程，類似于一級輕氣炮.

圖8 滅火彈膛壓加速示意Fig.8 A sketch map of the accelerating process of the shell

根據(jù)槍炮內(nèi)彈道假設(shè)，認(rèn)為內(nèi)彈道過程絕熱等熵，忽略氣體黏性，并以次要功系數(shù)φ來代替彈丸運(yùn)動(dòng)的摩擦功、氣體運(yùn)動(dòng)功及其他能量損失.根據(jù)熱力平衡轉(zhuǎn)化方程，可以得到滅火彈膛內(nèi)基本運(yùn)動(dòng)方程［4］.

運(yùn)動(dòng)方程:

氣體狀態(tài)方程［5］:

式中:x為滅火彈行程，Px為彈后氣體壓，S為炮膛截面面積，F(xiàn)f為滅火彈與管壁之間的摩擦力，v為滅火彈運(yùn)動(dòng)速度，t為滅火彈運(yùn)動(dòng)時(shí)間，Pl為彈底初始壓力，φ為次要功系數(shù)，md為彈丸質(zhì)量，Vl為初始彈后氣體總?cè)莘e，γ為氣體絕熱指數(shù).

聯(lián)立式(8)、(9)得

兩邊積分:

解得

式中:vl為擊發(fā)過程結(jié)束時(shí)滅火彈的速度，l為擊發(fā)行程，L為滅火彈膛內(nèi)總行程，vL為滅火彈的出炮口速度.

表1為不同發(fā)射氣壓下滅火彈的擊發(fā)速度vl，出炮口速度vL以及最大射高h(yuǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù).計(jì)算時(shí)各參數(shù)取值為:消防炮口徑120 mm，氣室容積0.02 m2，擊發(fā)行程 l=40 mm，炮管摩擦阻力 Fc取100 N，炮膛加速行程 L=1.5 m，伴隨管質(zhì)量6 kg，炮彈質(zhì)量 3 kg，γ =1.4，φ =1.2，滅火彈工作氣壓P0=0.5～5.5.因?yàn)闆]有考慮外彈道特性，故此計(jì)算時(shí)忽略了空氣阻力的影響.由計(jì)算結(jié)果可以看出，在尚未達(dá)到最大額定發(fā)射壓力(6 MPa)的情況下，射高即已達(dá)到1 623 m(忽略空氣阻力)，大大超出了目前國內(nèi)外最高建筑的高度范圍.

表1 不同發(fā)射氣壓下滅火彈的擊發(fā)速度、出口速度及最大射高Table 1 Velocity of firing and outlet and the maximum launching height of the shell at different air pressure

4 結(jié)論

本文對高層建筑消防炮的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了采用氣動(dòng)發(fā)射滅火彈方式的高層建筑消防炮方案.研究探討了氣動(dòng)發(fā)射式消防炮的工作機(jī)理，對消防炮的擊發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究設(shè)計(jì).采用了伴隨管式發(fā)射方式，解決了高壓空氣發(fā)射擊發(fā)時(shí)需要瞬態(tài)達(dá)到膛內(nèi)發(fā)射全壓的難題.利用有限元方法對伴隨管強(qiáng)度及撞擊過程進(jìn)行了分析.對擊發(fā)和發(fā)射過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)擊發(fā)及炮膛加速特點(diǎn)建立了內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，并對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了解算，得到了不同發(fā)射氣壓下滅火彈的擊發(fā)速度、出口速度及忽略空氣阻力時(shí)的最大射高等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了高層建筑消防炮結(jié)構(gòu)方案的可行性.計(jì)算分析結(jié)果為高層建筑消防炮的工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).

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