消防水帶自動(dòng)收放器的設(shè)計(jì)

吳國(guó)鑫

(大連市公安消防支隊(duì)，遼寧 大連 116033)

0 引言

在滅火救援行動(dòng)中，消防水帶是常用的器具。水帶在未使用時(shí)卷繞成盤(pán)狀，使用時(shí)，水帶被打開(kāi)與消火栓或消防車(chē)連接，待消防水帶使用完畢后，要由人工將水帶慢慢卷回，收卷緩慢，效率低下，而且整卷水帶要拿在手上，隨著水帶盤(pán)的增大，會(huì)越發(fā)地沉重，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且加大操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度[1-2]。近年來(lái)，消防水帶設(shè)計(jì)和制造工藝不斷改進(jìn)，但其收放形式主要是手動(dòng)為主，大大影響了滅火救援時(shí)間。尤其是在當(dāng)今城市高層建筑越來(lái)越多，越建越高的情況下，高層建筑的滅火救援速度間接受到了影響。實(shí)際上，在進(jìn)行高樓火災(zāi)救援時(shí)，整個(gè)過(guò)程非常繁瑣和危險(xiǎn)，不僅需要垂直鋪設(shè)多盤(pán)水帶，而且還要確保水帶的垂直鋪設(shè)和水帶的連接。水帶垂直鋪設(shè)時(shí)，進(jìn)窗口處水帶的固定難度較大，若直接沿窗臺(tái)垂直鋪設(shè)，樓下有多處障礙物時(shí)，水帶將無(wú)法順利鋪設(shè)。多盤(pán)水帶進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，由于水帶重力原因?qū)е缕湎陆邓俣葮O快，一人完成困難，需多人同時(shí)拖拽水帶，最后完成水帶與水帶的連接和水帶的垂直鋪設(shè)。為解決上述問(wèn)題，作者研制了消防水帶自動(dòng)收放器裝置，能夠快速完成水帶的鋪設(shè)和自動(dòng)收放，使用方便、輕松，提高了收卷效率，降低了收卷的勞動(dòng)強(qiáng)度。并且此裝置采用鎖緊機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)，單人即可實(shí)現(xiàn)水帶的垂直鋪設(shè)和收放功能，提高了滅火救援的速度和安全系數(shù)。

1 消防水帶自動(dòng)收放器的特點(diǎn)與應(yīng)用

消防水帶自動(dòng)收放器由主架、主盤(pán)、活動(dòng)拖柄、行走輪和卷放帶機(jī)構(gòu)組成，主盤(pán)固定在主架上，活動(dòng)拖柄和行走輪安裝在主架的兩端，卷放帶機(jī)構(gòu)安裝在主架上并位于主盤(pán)的中心。其主要結(jié)構(gòu)包括起固定及調(diào)節(jié)距離作用的滑動(dòng)腿和螺紋桿、用來(lái)鎖緊第三擋輪的拉桿和擋輪桿、用來(lái)控制消防水帶下落速度的擋輪機(jī)構(gòu)和調(diào)速機(jī)構(gòu)、保證消防水帶順利下滑的懸伸桿、起安裝固定作用的角鋼支架等。消防水帶自動(dòng)收放器可根據(jù)窗臺(tái)的寬度調(diào)節(jié)長(zhǎng)度快速緊固在窗臺(tái)上，設(shè)備上有懸臂導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，在使用時(shí)可以沿著水平方向伸出，伸出的距離可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了水帶的順利下滑。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，依靠窗臺(tái)即可安裝使用，采用該設(shè)備，整個(gè)過(guò)程只需一人即可完成，提高了工作效率及整個(gè)過(guò)程的安全系數(shù)，制造成本低。本裝置可以很方便地收放消防水帶并可以方便地拖動(dòng)行走，具有操作簡(jiǎn)單、收放速度快的優(yōu)點(diǎn)。收攏的水帶整齊、緊湊；使用完水帶后，水帶內(nèi)的余水收攏時(shí)可以自行放出來(lái)；活動(dòng)拖柄的長(zhǎng)度可調(diào)，便于方便地移動(dòng)水帶。在滅火救援行動(dòng)中，本裝置的使用可以減輕消防員的工作強(qiáng)度，提高個(gè)人戰(zhàn)斗能力[3]，并且在大連市消防支隊(duì)的滅火救援中實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

2 消防水帶自動(dòng)收放器的技術(shù)方案

2.1 自動(dòng)收放器的基本組成

本文研發(fā)的水帶自動(dòng)收放器，著重提高裝置的垂直鋪設(shè)和自動(dòng)收放功能，提升其便捷性與安全性。水帶收放器采用45號(hào)鋼制造，抗拉強(qiáng)度σs為355 MPa，剪切強(qiáng)度178 MPa，可以實(shí)現(xiàn)單人操作，如圖1所示，拉動(dòng)拉桿(部件11)就可以實(shí)現(xiàn)水帶接口穿過(guò)。下面具體介紹自動(dòng)收放器的結(jié)構(gòu)組成：一對(duì)固定腿1固定安裝在角鋼支架6的一端，不可滑動(dòng)，第一滑動(dòng)腿2和第二滑動(dòng)腿3分別通過(guò)插桿4可滑動(dòng)安裝在角鋼支架6的另一端，滑動(dòng)腿2和3通過(guò)螺紋桿5連接，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)腿2和3，使收放器固定在窗臺(tái)上；兩套擋輪機(jī)構(gòu)分別安裝在角鋼支架6上的左右兩端，擋輪機(jī)構(gòu)包括第一擋輪7、第二擋輪8和第三擋輪9，擋輪8安裝在擋輪7和擋輪9中間的上方，擋輪8下端設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)包括拉桿11和凸起塊，凸起塊安裝在拉桿11上，第二擋輪的擋輪桿10的一端通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，鎖緊機(jī)構(gòu)開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)拉動(dòng)拉桿后旋轉(zhuǎn)拉桿，致使拉桿上的凸起塊卡住消防水帶通過(guò)擋輪8與擋輪7、擋輪9之間的間隙下滑，通過(guò)控制擋輪之間的間隙，調(diào)節(jié)壓緊水帶的力，從而實(shí)現(xiàn)控制水帶下滑速度的目的；固定腿一端的角鋼支架的端部安裝有保證消防水帶順利下滑的懸伸桿12，從而實(shí)現(xiàn)水帶的自動(dòng)收放。

1.固定腿；2.第一滑動(dòng)腿；3.第二滑動(dòng)腿；4.插桿； 5.螺紋桿；6.角鋼支架；7.第一擋輪；8.第二擋輪； 9.第三擋輪；10.擋輪桿；11.拉桿；12.懸伸桿

2.2 自動(dòng)收放器的組件設(shè)計(jì)

2.2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鎖緊機(jī)構(gòu)具有保險(xiǎn)功能，確保消防水帶下滑時(shí)安全可靠，如圖2所示。消防水帶自動(dòng)收放器利用鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)第二擋輪進(jìn)行鎖緊，第二擋輪下端設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)包括拉桿和凸起塊，凸起塊安裝在拉桿上，第二擋輪的擋輪桿的一端通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊；鎖緊機(jī)構(gòu)開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)拉動(dòng)拉桿后旋轉(zhuǎn)拉桿，致使拉桿上的凸起塊卡住，解除鎖緊狀態(tài)。第三擋輪能夠處于固定狀態(tài)。通過(guò)改變拉桿的狀態(tài)，使第三擋輪打開(kāi)或鎖緊。該機(jī)構(gòu)不僅操作簡(jiǎn)單、方便，且鎖緊可靠，保障消防水帶自動(dòng)收放器的安全性能。

圖2 鎖緊機(jī)構(gòu)

2.2.2 調(diào)速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

消防水帶自動(dòng)收放器的調(diào)速機(jī)構(gòu)是控制水帶下落速度的安全結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)得調(diào)速特性，對(duì)消防水帶的下落速度進(jìn)行控制，如圖3所示。在一組擋輪機(jī)構(gòu)中，第二擋輪在中間位置且在第一擋輪、第三擋輪的上方，第一擋輪和第三擋輪在兩邊，水帶從第二擋輪與第一擋輪、第三擋輪之間的間隙下滑。通過(guò)旋轉(zhuǎn)擋輪上方的調(diào)速機(jī)構(gòu)控制擋輪之間的間隙，調(diào)節(jié)壓緊水帶的力，達(dá)到可以控制水帶下滑速度的目的。調(diào)速機(jī)構(gòu)用來(lái)保證消防水帶在下落時(shí)速度可調(diào)，避免水帶下落過(guò)快或過(guò)慢；通過(guò)旋轉(zhuǎn)擋輪上方的轉(zhuǎn)輪，調(diào)節(jié)擋輪的間隙，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。

圖3 調(diào)速機(jī)構(gòu)

2.2.3 自動(dòng)收放器的懸伸桿設(shè)計(jì)

懸伸桿采用可調(diào)角度的設(shè)計(jì)，保證水帶可迅速下滑。由于連接桿與角鋼架采用插桿連接，使懸伸桿角度可調(diào)，如圖4所示。懸伸桿的角度調(diào)節(jié)保證了水帶在各種惡劣環(huán)境仍能順利下滑，最終保證消防水帶收放器的實(shí)用性。

圖4 懸伸桿

3 主要零部件的靜態(tài)載荷分析

消防水帶自動(dòng)收放器的零部件很多，其中角鋼支架和懸伸桿是整個(gè)自動(dòng)收放器的核心部分，且受力較大。其關(guān)系到整個(gè)裝置能否穩(wěn)定固定在窗臺(tái)上，及水帶能否順利垂直下滑。本文通過(guò)Solid Works Simulation對(duì)其應(yīng)力和位移進(jìn)行靜態(tài)載荷分析[4-5]。首先建立簡(jiǎn)化模型，分析插桿在滑動(dòng)腿固定在窗臺(tái)的受力情況，及下落不同長(zhǎng)度的消防水帶懸伸桿的受力情況，分析假定構(gòu)件連接部位堅(jiān)實(shí)可靠，并忽略焊接因素的影響，最終定義角鋼支架和懸伸桿的材料屬性如表1所示。

表1 角鋼支架和懸伸桿的材料屬性

在對(duì)角鋼支架和懸伸桿的靜態(tài)載荷進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)連接面的所有自由度進(jìn)行了約束，做到最大程度的滿(mǎn)足實(shí)際情況。所以主要考慮了角鋼支架和懸伸桿在承受最大載荷的工作狀況下，對(duì)其進(jìn)行受力情況和變形情況的分析。通過(guò)分析計(jì)算可知，最后得出角鋼支架受力最大為1 526 Pa，懸伸桿最大受力為1 316 Pa。

在實(shí)際工作中，需要考慮裝置會(huì)受到環(huán)境影響，所以計(jì)算中對(duì)施加的外力需乘以3倍的沖擊系數(shù)來(lái)保證裝置的安全可靠性能。其中角鋼支架載荷施加情況如圖5所示，懸伸桿載荷施加情況如圖6所示。

圖5 角鋼支架載荷施加圖

圖6 懸伸桿載荷施加圖

本次對(duì)部件網(wǎng)格的劃分和計(jì)算由Solid Works Simulation完成，同時(shí)給予詳細(xì)的細(xì)節(jié)信息。首先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，待其完成后，需要對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算分析，最終生成算例結(jié)果，主要包含的結(jié)果分為應(yīng)力圖和位移圖。角鋼支架輸出的應(yīng)力如圖7所示，位移如圖8所示。懸伸桿的輸出應(yīng)力如圖9所示，位移如圖10所示。通過(guò)應(yīng)力圖和位移圖得出結(jié)構(gòu)連接位置為最大變形和受力點(diǎn)，其他位置的變形和受力分布較為均勻。

通過(guò)總結(jié)算例結(jié)果，清楚的分析出角鋼支架和懸伸桿的主要數(shù)據(jù)，如表2所示。結(jié)果表明，角鋼支架和懸伸桿滿(mǎn)足材料的許用強(qiáng)度。最終證明，在正常工作狀態(tài)下，角鋼支架和懸伸桿的可靠性和穩(wěn)定性可以保證。

圖7 角鋼支架應(yīng)力圖

圖8 角鋼支架位移圖

圖9 懸伸桿應(yīng)力圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)消防水帶自動(dòng)收放器的設(shè)計(jì)，有效的節(jié)省了水帶的垂直鋪設(shè)和收放時(shí)間。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)巧妙，實(shí)現(xiàn)了高樓水帶的垂直鋪設(shè)、自動(dòng)收放，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了消防官兵的工作效率。此裝置采用鎖緊機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)，并且使用Solid Works Simulation軟件對(duì)該裝置的角鋼支架和懸伸桿進(jìn)行了靜態(tài)載荷分析，在最接近實(shí)際救援環(huán)境的基礎(chǔ)上，定義了載荷和約束，使模型能夠達(dá)到最接近實(shí)際受載情況的目的，保證該裝置在實(shí)際使用中的可靠性。

表2 模型靜態(tài)載荷分析結(jié)果

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