基于模塊化的自動跟蹤定位射流滅火裝置設(shè)計研究

摘要：基于模塊化設(shè)計的指導思想，在現(xiàn)有自動跟蹤定位射流滅火裝置產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)上進行分析，從產(chǎn)品性能、設(shè)計理念和維修安全等角度出發(fā)，引入通用性和集成性設(shè)計方法，開展相應設(shè)計研究和應用案例實施，完成對自動跟蹤定位射流滅火裝置機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、材料工藝的改良以及工業(yè)造型的創(chuàng)新設(shè)計。

關(guān)鍵詞：自動跟蹤定位射流滅火裝置；模塊化；通用設(shè)計；集成性

引言

隨著城市現(xiàn)代化進程的加快和高大空間建筑體的增多，大空間滅火安全問題變得日益嚴峻。傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)受限于滅火高度或依賴于人工報警和操作，反應時間長，滅火效率低。因此，自動跟蹤定位射流滅火裝置的研究和發(fā)展顯得尤為重要。這種滅火系統(tǒng)能夠充分運用紅紫外探測、視頻圖像算法和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)手段，實時監(jiān)測火情，在火災初期自動定位火源，迅速啟動滅火程序，顯著提升滅火響應速度和撲救效率，大大減少因火災造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，同時減少消防人員的作業(yè)風險，為高大空間場所的消防安全提供了有力保障。

一、自動跟蹤定位射流滅火裝置現(xiàn)有設(shè)計分析

一般自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)包括滅火裝置、探測組件、控制組件、水流指示器、模擬末端試水裝置以及管網(wǎng)、供水設(shè)施等主要組件。系統(tǒng)可分為自動消防炮滅火系統(tǒng)、噴射型自動射流滅火系統(tǒng)和噴灑型自動射流滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心功能組件為自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮），裝置上集成安裝控制組件和探測組件。近年來，自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)在我國眾多的展覽廳、體育場館、帶有大型中庭的商業(yè)建筑、工業(yè)廠房、劇院、機場與火車站的候車廳等各類公共場所得到廣泛應用。該系統(tǒng)的產(chǎn)品功能設(shè)計已日趨成熟，但核心部件仍存在不少缺陷，需要對系統(tǒng)中的自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）進行設(shè)計改良與優(yōu)化。

在產(chǎn)品性能上，目前國內(nèi)市場上應用的自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）的射流性能仍有很大提升空間。大部分廠家缺乏對裝置炮體流道性能的了解，炮體流道壓力損失較大，導致射出的水流雖然射程和流量達到了國家標準強制要求，但是實際射流不夠集中，大部分水流均勻散布在射流路徑上，滅火效果較差。在設(shè)計理念上，市場上現(xiàn)有大部分產(chǎn)品為節(jié)約成本，炮體普遍使用不銹鋼彎管型材等標準件焊接而成，重量較重。當?shù)跹b安裝時，會因焊縫開裂、緊固件失效或其他因素等，從而導致裝置從十幾米甚至幾十米高空墜落，將產(chǎn)生極大的安全危害和財物損失。少部分的產(chǎn)品炮體會采用較輕的鋁合金鑄造工藝，相比重量更輕，但集成設(shè)計性差，對探測組件和控制組件的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計不緊湊，只考慮滿足基本的使用功能，沒有進一步優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)和方式。在維修上，現(xiàn)有產(chǎn)品的維修大多不便，大部分裝置都是一體式焊接的炮體，不易拆裝，一旦出現(xiàn)局部損壞，就需要進行整體更換，無法更換維修某一部件或者進行回收再次使用。裝置基本都是安裝在距離地面8米至25米的高度，維修人員需要在這個高度上進行整拆整裝，現(xiàn)場維修難度很大。因此，盡管自動跟蹤定位射流滅火裝置在火災防控方面具有顯著優(yōu)勢，但在實際應用中仍面臨射流形態(tài)不集中、吊裝安全性差、焊點易斷裂、集成設(shè)計弱、維修不便以及造型簡陋等問題，迫切需要依據(jù)新的設(shè)計思想與理念，對裝置（消防炮）進行設(shè)計改良與優(yōu)化。

二、模塊化設(shè)計思想的引入和實施案例

（一）研究內(nèi)容與方法

模塊化設(shè)計是一種將系統(tǒng)或產(chǎn)品劃分為一系列相互獨立、具有特定功能的模塊，并通過標準化接口進行連接和通信的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計的目的在于提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可維護性、可擴展性和重復利用性，同時降低開發(fā)、制造的成本和風險。不同模塊之間通過標準化的接口進行連接，從而實現(xiàn)模塊之間的兼容性。模塊化設(shè)計可以將復雜的系統(tǒng)或產(chǎn)品分解成相對簡單的模塊，使得開發(fā)和制造過程更加高效與可控。

在機械結(jié)構(gòu)上，自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）炮體一般包括進水法蘭、水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總成、炮體彎管、垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總成、出水口以及控制和探測組件等部分，其中進水法蘭作為進水端，與消防配套法蘭配合安裝，現(xiàn)場一般采取吊裝方式，偶爾也會使用座裝方式。水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總成可以實現(xiàn)裝置水平方向旋轉(zhuǎn)，垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總成可實現(xiàn)水炮垂直方向旋轉(zhuǎn)。通過以上兩種機構(gòu)總成，從而實現(xiàn)裝置在水平和俯仰方向上無死角噴射水流滅火。炮體彎管用于改變水流行進方向，過渡水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總成和垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總成的配合安裝，保證出水方向和進水方向在一個軸心線上，避免因射流的后坐力導致裝置產(chǎn)生偏移?？刂平M件包括驅(qū)動裝置（電機）、接線盒、線纜等，對水炮的旋轉(zhuǎn)進行控制，作為配件安裝在炮體上。探測組件包括紫外探測、紅外定位、圖像定位和攝像頭等，一般集成式安裝于炮體出口附近，在火災初期能觸發(fā)裝置啟動，在水平和俯仰兩個方向上探測并追蹤火焰的動態(tài)趨勢，聯(lián)動火災聲光報警等信號，實時啟動水泵和閥門，對火焰進行追蹤式滅火。

以模塊化設(shè)計的思想為指導，可以解決裝置炮體多種零部件的互換性和維修性，如設(shè)計兩種或三種通用型零件作為炮體拼接的基本單元，統(tǒng)型設(shè)計水平和垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，用相同的結(jié)構(gòu)接口和安裝形式，模塊化拼裝實現(xiàn)裝置炮體的總裝結(jié)構(gòu)。同時，從通用設(shè)計的角度，考慮裝置炮體長度的延展和角度的變更等功能，從而為以后產(chǎn)品的迭代升級提供更便利和低成本的可能性。最終集成后的結(jié)構(gòu)方案將僅用一個規(guī)格的工具，便可實現(xiàn)對整個裝置炮體的結(jié)構(gòu)性拆解與裝配。如果裝置炮體產(chǎn)生損壞或其他問題，也只需要更換對應的零部件即可，降低了裝置維護難度和成本，縮短了現(xiàn)場維修時間。

在材料工藝上，現(xiàn)有常見的自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）炮體，一般采用標準型材焊接或整體鑄造，其中彎管與直管、彎管與彎管、彎管與法蘭之間均是通過焊接連接或整體成型，組成的炮體部件不可以重新拆分，一旦出現(xiàn)局部損壞，則需要整體更換，無法回收再利用。同時，組成裝置的彎管與彎管角度一旦焊接定型，就無法變更和調(diào)整，如果需要在結(jié)構(gòu)形式上調(diào)整炮體的外形尺寸，就必須重新設(shè)計和焊接新的裝置炮體。另外，現(xiàn)有炮體流道多為空心圓管，水流行進時容易產(chǎn)生紊流效果，導致壓力損失較大，最終出水口的水流實際壓力遠小于進水口的水流壓力，噴射出的水流射程近，水形不集中，滅火效果差。

同不銹鋼焊接工藝相比，鋁合金鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)零件的通用化、最小化和定制化設(shè)計，同時鋁合金零件的重量只有同體積不銹鋼的1/3。模塊化的零件設(shè)計可以降低鋁鑄造開模的難度，通用化的零件設(shè)計可避免開發(fā)多套鑄造模具，降低主體零件的BOM清單和生產(chǎn)成本。此外，在鋁合金鑄造的基礎(chǔ)上，通過機床對鑄造毛坯的加工，可有效提升裝置的加工精度和裝配一致性。

在工業(yè)造型上，現(xiàn)有市場上的自動跟蹤定位射流滅火裝置結(jié)構(gòu)形式單一，多數(shù)遵循形式追隨功能的設(shè)計理念，在整體布局和結(jié)構(gòu)外觀上大同小異，市場上的產(chǎn)品難以體現(xiàn)差異性，在價格成本上往往也是依據(jù)材料的用量多少來進行競爭，最終形成劣幣驅(qū)逐良幣的惡性競爭效應，整體市場環(huán)境目前也是趨于質(zhì)量下限的競爭形式。

產(chǎn)品造型設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計的重要手段是工業(yè)設(shè)計。從工業(yè)設(shè)計的角度出發(fā)，自動跟蹤定位射流滅火裝置相關(guān)行業(yè)發(fā)展與應用程度還存在不足，有相當大的可提升空間。因此，自動跟蹤定位射流滅火裝置應從造型創(chuàng)新入手，探尋提升裝置產(chǎn)品品質(zhì)的設(shè)計方式，從工業(yè)造型設(shè)計出發(fā)，在結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計的細節(jié)，包括對加強筋等結(jié)構(gòu)細節(jié)的強化設(shè)計，使裝置產(chǎn)品造型充滿科技感和肌肉感，更具產(chǎn)品競爭力。因此，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋁鑄造工藝和工業(yè)產(chǎn)品造型等方面出發(fā)，以模塊化思想為指導，完成對自動跟蹤定位射流滅火裝置的改良優(yōu)化設(shè)計是切實可行的。

（二）應用案例與實施

本文從實際案例出發(fā)，擬設(shè)計一款基于模塊化設(shè)計理念，適用于自動跟蹤定位射流滅火裝置炮體的新設(shè)計方案，重點解決炮體零部件的互換性和維修性，降低維護成本，縮短維修時間；解決焊接工藝影響到產(chǎn)品的整體美觀性、焊縫連接失效性、加工尺寸的精確性和裝配的一致性等問題；考慮炮體的可拓展性，能夠方便快捷地增減炮體尺寸和調(diào)整炮體角度；對炮體的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行細化，使得水壓引發(fā)的應力能夠均勻分散于炮體上，增加炮體結(jié)構(gòu)強度和安全系數(shù)，提升產(chǎn)品的工業(yè)造型效果。

如圖1所示，在案例中選取裝置中的蝸輪蝸殼組件（序號6）、補償連接法蘭（序號7）和90°彎頭（序號10）三種零件，作為模塊化的基本單元零件進行設(shè)計。零件統(tǒng)一采取鑄造工藝，鑄模簡易，再以機加工的形式保證零件的加工精度和裝配的一致性。通過積木式的螺釘鉚接方式，組成一個完整的炮體結(jié)構(gòu)。裝置炮體僅使用同一種規(guī)格的螺釘緊固件和標準的接口形式進行模塊化組合，模塊和模塊之間通過緊固件（序號2，3，4，8，9）和密封圈（序號5）進行固定和密封，在安裝和維修時也僅需一個規(guī)格的扳手即可進行操作，最終裝置的BOM組成簡單，零件種類不超過10個，具備優(yōu)異的互換性和維修性。

基于上述的模塊化設(shè)計方案，還可拓展新的炮體外形與形式，可以任意組合模塊，將裝置延伸任意長度和旋轉(zhuǎn)一定角度，從而依據(jù)需求組裝成對應的消防炮體，為以后的產(chǎn)品升級和修改提供了更多的可能性，如圖2所示。

以工業(yè)造型和仿真分析為基礎(chǔ)，在補償連接法蘭和90°彎頭零件上，還針對性設(shè)計了加強筋、孔和安裝凸臺等細節(jié)特征，在增加產(chǎn)品美觀性的同時，加強筋還有效分散了水壓引發(fā)的結(jié)構(gòu)應力，通孔和凸臺的設(shè)計也有利于炮體的控制和探測組件的安裝與布線。如圖3所示，運用仿真軟件對炮體結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析，計算條件為相同水壓下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力分布。可以得出模塊化組合的彎管結(jié)構(gòu)，相對現(xiàn)有產(chǎn)品的不銹鋼焊接彎管結(jié)構(gòu)，應力相對更分散和應力分布更均勻。同時，炮體的局部結(jié)構(gòu)強度有所加強，變形位移量極小，總體安全系數(shù)最低值從88提升至15。

結(jié)語

模塊化設(shè)計理念提高了零件的通用性和互換性，僅用一個規(guī)格的扳手即可實現(xiàn)對整個炮體的結(jié)構(gòu)性拆解與裝配。如果炮體出現(xiàn)損壞或是其他問題，也只需要更換對應的零部件即可，降低了客戶的維護成本，縮短了現(xiàn)場維修時間。與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比，新的應用案例更美觀和實用，強度更高，表面沒有焊縫或者焊疤，整體科技感和肌肉感十足。在自動跟蹤定位射流滅火裝置的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加模塊化設(shè)計，使得產(chǎn)品維護和升級變得更加靈活和便捷，有助于該系統(tǒng)在各種環(huán)境下提供更可靠的防火保障，對現(xiàn)代建筑大空間火災防控具有深遠意義。

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