直流道消防炮的開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

方 菲，劉平安

（1. 吉林省畜牧業(yè)學(xué)校，吉林 白城 137000； 2. 南昌職業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330009）

消防炮是通過賦予噴管內(nèi)的滅火介質(zhì)（如水、泡沫或氣霧）一定動(dòng)能以獲得一定初速度，使其噴射至著火點(diǎn)，以達(dá)到滅火效果的常用消防裝置。 由于它能遠(yuǎn)距離作業(yè)，使消防人員免受熱輻射、有毒濃煙、甚至爆炸的危害，且具有操作簡單、安全、滅火效率較高、威力大的優(yōu)勢，在移動(dòng)消防車、消防船或可能發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)場所，如石化車間、碼頭、倉庫等場合得到廣泛運(yùn)用[1-3]。 為了使噴頭能對準(zhǔn)滅火目標(biāo)或在一定范圍內(nèi)掃射， 通常需要兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即豎直面內(nèi)和水平面內(nèi)的往復(fù)擺動(dòng)。 同時(shí)為了操作人員能安全并高效完成滅火任務(wù)，還對射程（噴射距離）和揚(yáng)程有一定要求，這對于目前高樓林立的城市消防顯得尤為重要。 射程和揚(yáng)程主要取決于介質(zhì)噴出時(shí)的壓力、流量，以及噴嘴形狀和尺寸[4-5]，工作環(huán)境如風(fēng)力風(fēng)向等因素。 在環(huán)境和媒介輸入壓力一定的條件下，媒介流經(jīng)炮管的壓力損失決定了其出口壓力，所以減少炮內(nèi)流道壓力損失是提高消防炮工作效率、減少能耗的有效途徑。 目前國內(nèi)外普遍采用的消防炮如圖1 所示[6-8]，炮體由若干節(jié)管道通過串聯(lián)方式連接，利用人工（或電機(jī)）驅(qū)動(dòng)，經(jīng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)炮管在上下和水平兩個(gè)面內(nèi)的擺動(dòng)。

圖1 傳統(tǒng)串聯(lián)消防炮Fig.1 Traditional fire monitor

這種串接結(jié)構(gòu)型式的消防炮由于流道存在直角彎曲，對流體動(dòng)能形成較大損耗即水頭損失（單位重量的能量損耗，用長度單位m 表示），直接影響了射程或揚(yáng)程，降低了滅火效率，導(dǎo)致消防炮性能和適用范圍受到了一定限制。

首先根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，分析比較兩種消防炮的管流水頭損失情況；然后利用混聯(lián)機(jī)構(gòu)代替串聯(lián)結(jié)構(gòu)，用直型流道代替彎曲流道，實(shí)現(xiàn)消防炮炮管的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包含選型，尺寸優(yōu)化和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后制作出樣機(jī)并經(jīng)過性能測試，驗(yàn)證其有效性。

1 消防炮流道水頭損失的流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論[9]，消防介質(zhì)流經(jīng)流道時(shí)的總水頭損失hw主要由流經(jīng)直管時(shí)的沿程水頭損失hf和流經(jīng)彎頭的局部水頭損失hl的總和。

按照圓管湍流計(jì)算理論，直管沿程水頭損失hf和直角圓弧過渡管流局部損失hl分別為

式中：λ=64/Re 為沿程損失系數(shù)，Re 為流體雷諾數(shù)；l為直管段長度，m；d 為管徑，m；V 為流斷面平均速度，m/s；g 為重力加速度，m/s2；ζ 為局部損失系數(shù)，對于直角圓弧過渡管道，且圓弧半徑等于管徑的管道有ζ=0.29。

假定彎曲流道各直管段總長度等于直管流道長度（一般前者比后者要大一些），且材料、工藝和表面質(zhì)量,以及直徑等尺寸均相同，則如圖1 所示單個(gè)直角圓弧過渡的流道與直型流道的總水頭損失之比為

式中：取ζ=0.29；平均流速V=5 m/s；水的動(dòng)力黏度μ=10-6m2/s；d=35 mm；L=360 mm。 則Re=ρVd/μ=175 000，λ=64/Re=0.000 365 7，代入式（3）得η=79.3。

對于如圖1 所示有4 個(gè)直角圓弧過渡的彎曲流道的串聯(lián)炮，因?yàn)閺澢斐傻乃^損失將比直管炮增加水頭損失約320 倍。而且隨著流速加大，η 值越大，損失越大。

為了解決現(xiàn)有串聯(lián)消防炮彎曲流道帶來的能量損失，本文摒棄傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)，改用其它機(jī)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)出直管流道消防炮，降低流道能耗，以提高射程和揚(yáng)程，從而達(dá)到提高滅火效率的目的。

2 機(jī)構(gòu)選型

傳統(tǒng)消防炮采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)水平和豎直兩個(gè)方向的擺動(dòng)， 形成多個(gè)直角彎道，增大了消防介質(zhì)流經(jīng)流道的壓力損失和湍流強(qiáng)度。將直管流道代替彎管流道后，可以選用其它型式機(jī)構(gòu)來滿足消防炮運(yùn)動(dòng)要求[10-14]。 從機(jī)構(gòu)型式方面考慮，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度可以通過串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)即混聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)水平擺動(dòng)和上下俯仰動(dòng)作。雖然兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)型式[12-15]不少，但因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)耦合，設(shè)計(jì)和分析較復(fù)雜，工作空間小，運(yùn)動(dòng)靈活性欠佳，控制也比較困難等不足，經(jīng)過比較篩選，最后選用平面四桿機(jī)構(gòu)與擺桿機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)炮管平臺(tái)上下擺動(dòng)，再在平臺(tái)與炮管之間通過回轉(zhuǎn)副連接實(shí)現(xiàn)炮頭擺動(dòng)的混聯(lián)傳動(dòng)方式，如圖2 所示兩自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。圖2 中搖桿DC 為擺動(dòng)平臺(tái)，在其上通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接炮管，實(shí)現(xiàn)在平臺(tái)上往復(fù)擺動(dòng)。

圖2 兩自由度機(jī)構(gòu)Fig.2 2-DOF mechanism

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)分析

如圖2 所示，將平臺(tái)CD 與機(jī)架相連，通過原動(dòng)件AB 的擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)其作上下俯仰運(yùn)動(dòng)， 可選用雙搖桿機(jī)構(gòu)完成。

按典型口徑為65 mm 消防炮設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)要求如圖3 所示。 CD 桿的擺動(dòng)角度滿足要求為θ2=-15°～+60°， 并且在考慮人機(jī)工程等方面原因，可選定消防炮的整體高度為lAD，以及輸出平臺(tái)的長度為2 lCD。 求lAB和lBC的大小。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of 4-bar linkage

由分析知： 由圖3 中桿AB 的驅(qū)動(dòng)可用擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 譬如可通過蝸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)桿AB 的往復(fù)擺動(dòng)。 考慮到蝸輪蝸桿的中心距和安裝方便以及避免構(gòu)件干涉，桿AB 的擺角θ1應(yīng)盡可能大，以便于控制。 同時(shí)為確保機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能，使傳動(dòng)角θ3≥40°。 令

由圖3 中幾何關(guān)系有

令θ1=30°時(shí),有θ2=60°，θ3＝90°；θ1=90°時(shí),有θ2=－10°，θ3＝40°；分別代入式（5）中便可得到lAB和lBC的值。

3.2 四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)建模

機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是為滿足給定的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，在約束條件的限制范圍內(nèi)，按照某種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則即目標(biāo)函數(shù)，改變設(shè)計(jì)變量，尋求最佳方案[15]。

對于俯仰機(jī)構(gòu)， 在滿足運(yùn)動(dòng)要求的情況下，以機(jī)構(gòu)整體高度尺寸最小為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)動(dòng)范圍和實(shí)際工作要求為約束進(jìn)行尺寸優(yōu)化。這里就是要求lAD的最小值，由圖3 中的幾何關(guān)系和式（4）可直接寫出目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下

以上優(yōu)化模型屬于單目標(biāo)多約束優(yōu)化問題，采用工程計(jì)算軟件Matlab[16]的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具箱很容易求得滿足要求的解。

3.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

初選lAD=490 mm，lCD=145 mm，由式（5）得lAB=254 mm，lBC=351 mm，為雙搖桿機(jī)構(gòu)。 根據(jù)式（5）和式（6）利用Matlab 最大最小逼近函數(shù)，可得如圖4所示優(yōu)化結(jié)果。

如圖4 所示，橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)為每次迭代求出的值。 由圖中可以看出經(jīng)過50 次迭代后， 結(jié)果趨于收斂。 得到消防炮最低高度為348 mm。

圖4 最小值Fig.4 Minimum value

同樣可以利用該優(yōu)化工具箱求出lAD在約束條件下的最大值，經(jīng)過近80 次迭代后lAD收斂于633 mm。

由以上優(yōu)化結(jié)果知：lAD的取值為348～633 mm；綜合考慮安裝和操作方面等因素可取lAD=500 mm。 將lAD和lCD的值代入式（5）中得到四桿機(jī)構(gòu)尺寸：lAB=276 mm，lBC=272 mm，lCD=145，lAD=500 mm。

3.4 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了簡化結(jié)構(gòu)， 用滾子代替滑塊在擺桿AB 槽中滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)將蝸輪的整周轉(zhuǎn)動(dòng)變換為擺桿的往復(fù)擺動(dòng)，如圖5 所示。

圖5 從整周轉(zhuǎn)動(dòng)到往復(fù)擺動(dòng)的變換Fig.5 Transformation from revolution to rock

如圖6 所示，桿CD 的兩個(gè)極限位置C1D、C2D即為炮頭俯仰的極限位置。不難找到B 的兩個(gè)對應(yīng)位置B1、B2，再作∠B1AB2的角平分線AE，則蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心在線AE 上。

圖6 擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.6 Design of oscillating mechanism

如圖6， 蝸輪上圓柱滾子中心距蝸輪中心設(shè)為R，顯然要求式中df2為蝸輪齒根圓半徑，mm。 蝸輪中心O 離擺動(dòng)中心A 的距離式中：a 為蝸輪蝸桿中心距，mm；da1為蝸桿齒頂圓直徑，mm。

為保障良好的受力性能，圓柱滾子在最低位置時(shí)離擺桿擺動(dòng)中心A 點(diǎn)距離不能太小，要求

由式（9）選蝸輪蝸桿參數(shù)[10]。

將lAB=276 mm 及相關(guān)參數(shù)代入式（7）～式（9）中得擺動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸為

采用相同尺寸參數(shù)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)炮管在平臺(tái)CD 上的往復(fù)擺動(dòng)。

4 樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)

4.1 樣機(jī)制作

根據(jù)以上分析與計(jì)算，設(shè)計(jì)出的樣機(jī)如圖7 所示， 包含機(jī)械和控制兩部分。 主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。采用兩個(gè)86 型混合式步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)上下兩套蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)炮管的水平和俯仰擺動(dòng)。

圖7 基于混聯(lián)結(jié)構(gòu)的消防炮樣機(jī)Fig.7 Prototype of fire monitor based on serial-parallel mechanism

表1 消防炮設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of fire monitor design

4.2 控制系統(tǒng)

控制裝置內(nèi)置微控制器和驅(qū)動(dòng)電路[17]，具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式， 并可以擴(kuò)展遠(yuǎn)程遙控模式，具有手動(dòng)急停功能。選擇220 V/48 V 10 A 開關(guān)電源，電源電流容量應(yīng)不小于8.6 A，輸出功率480 W。微控制器采用STC 工業(yè)控制芯片STC12C5A60，具備抗強(qiáng)電磁干擾特性，其工作原理如圖8 所示。

圖8 控制框圖Fig.8 Control block diagram

控制裝置上電后，由模式選擇，在手動(dòng)模式下，當(dāng)搖桿上被檢測壓下，微型控制器將以一定頻率發(fā)送脈沖并確定電機(jī)動(dòng)作速度； 當(dāng)搖桿下被檢測，微控制器仍然發(fā)送該頻率，但是方向值取反，以此類推，實(shí)現(xiàn)對上下、左右4 個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制；當(dāng)運(yùn)行在自動(dòng)模式下，電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)碰觸限位1、限位2 后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反轉(zhuǎn)， 從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)急停壓下，電機(jī)脈沖被隔離，電機(jī)自動(dòng)半流保持鎖定，由于機(jī)械部分采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)， 也具備機(jī)械自鎖能力。

4.3 樣機(jī)測試

噴射流體的軌跡和射程除受流體出口壓力、口徑和初速度等參數(shù)影響外， 還有工作環(huán)境如氣溫、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速等相關(guān)[18]。實(shí)驗(yàn)測試為在一定壓力下的最遠(yuǎn)射程測試，并與傳統(tǒng)彎管炮同等條件下的射程比較。 實(shí)驗(yàn)是在正常標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室外無風(fēng)工作環(huán)境下進(jìn)行的。 噴頭出口直徑為28 mm[5，19]（噴管從進(jìn)口到出口帶有一定錐度）， 仰角約為30°時(shí)在0.5～0.8 MPa 壓力下的直管炮射程值s1，不同壓力下直管炮與彎管炮射程比較如表2。

表2 不同壓力下直管炮與彎管炮射程比較Tab.2 Comparison of jet distances of novel fire monitor to traditional one with different pressure

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在壓力較小時(shí)其射程增量并不明顯，隨著壓力增加其增量也越來越大，到0.8 MPa時(shí)，與某企業(yè)提供的彎管炮射程s2相比較，其射程增量已接近12%，故通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)可知與傳統(tǒng)炮射程比較具有明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

1）通過蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)擺桿機(jī)構(gòu)，經(jīng)擺桿驅(qū)動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)，并在輸出搖桿上串聯(lián)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的混合機(jī)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)噴管的兩個(gè)垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到用直管流道代替彎管流道的目的的消防炮，可有效減小水頭損失，減少能耗，增大射程，提高滅火效率。

2） 從直管和彎管消防炮流道水頭損失比較分析入手，設(shè)計(jì)了滿足消防炮運(yùn)動(dòng)要求的新型消防炮機(jī)構(gòu)，包括俯仰機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用滾子與擺桿上槽的高副接觸代替擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的擺塊，從而簡化了結(jié)構(gòu)。 最后制作出了樣機(jī)，并經(jīng)現(xiàn)場性能測試，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。