一种新型地上式消火栓设计思考

摘要 此次设计消火栓为集防撞防冻防盗调压于一体的消火栓。 关键词：消火栓；多功能；防撞；防冻 中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号： 1 前言

消火栓顾名思义就是在出现火情灾害时消防部门用于取水灭火的一种装置。室外消火栓通常安装于市政给水管网上，按市政给水管网上消火栓设计规范规定，消火栓间距不应超过120米，因而它的数量不亚于给水管网阀门，是供水管网上重要设施之一。现实生活中，由于一些单位和个人消防安全意识淡薄，消火栓被损坏的五花八门，不是缺“胳膊”就是少“腿”，一些设在主要街道旁的消火栓被建筑工程圈占、掩埋；一些消火栓被车辆、摊点等围得水泄不通，根本无法连接，有的甚至被中断了供水，严重威胁着灭火工作的顺利开展，一旦发生火灾，这些消火栓将无法发挥其应有的作用。作者借鉴多年工作经验和生活中的实际情况改良并设计了一种集调压防冻防撞于一体的地上消火栓。 2 地上式消火栓的设计 2.1 新式消火栓实现的功能优点

与传统的室外消火栓相比,集调压防冻防撞于一体的地上消火栓具有如下几个重要的优点: 1）调压功能。

因消防水的压力作用而使内部的减压装置分段开启，先一部分水

通过减压装置向上走，在开启一段时间后再开启另一段，从而达到了减压效果。 2）防冻功能。

不锈钢自动排水阀安装于冻土层以下（根据使用区域不同的冻土层深度，自动排水阀的埋深深度也相应改变），消火栓在关闭状态时可自动排除腔内余水，防止设备冻坏。同时还节省了普通消火栓管道前的闸阀井和闸阀的设置，既节约了投资，又节省了后期维护费用。

3）防撞功能。

在栓身和栓阀的连接间，设置有经专门设计并反复试验而定型的环形状零件--撞裂板，该撞裂板为易损件，它与栓阀固定连接而栓身又与其固定，当地上消火栓受撞击时，该零件吸收撞击力率先破裂损坏，起到保护栓身和栓阀等部件免受毁坏的作用，由于内部的传动件非刚性连接，故撞裂板破裂后，栓身部件会整体跌落至地面，管网内压力水由于栓阀内的阀门和启闭机构的控制（普通式结构型）或阀门在水压下的自闭功能作用（自闭式结构型）不会引起外泄，即不会造成水资源的流失又不会破坏附近的环境。修复时只要更换撞裂板则可简单快捷完成维修工作，使地上消火栓完好如初。 2.2 新式消火栓的工作原理

如图1所示，在阀体(16)上安装有自泄阀(25)，阀体(16)通过螺栓与连接管(12)连接，连接管（12）和阀座（7）通过断裂法兰（11）连接在一起，阀座（7）上安装有栓帽（2）、炮座（1）、水带接口

封盖（9）、铜衬套（6），水袋接口封盖通过防盗链（10）与阀座（7）连接在一起。开闭阀杆（2）在轴向通过轴衬套（6）固定，开闭阀杆（2）与梯形螺杆(27)之间连接有防撞小轴（28），防撞小轴（28）与开闭阀杆（2）、梯形螺杆（27）之间通过轴肩螺钉（29）连接在一起。梯形螺母与（26）与导向阀杆（13）固定在一起。导向阀杆(13)上安装有导向键(14),导向阀杆（13）的末端安装有调压阀组件。开启消火栓时，转动开闭阀杆（2），由于开闭阀杆(2)在轴向固定，故只能转动。开闭阀杆（2）带动防撞小轴（28），从而带动梯形螺杆（27）转动。由于导向阀杆（13）上安装有导向键（14），导向阀杆（13）只能轴向移动，不能转动，梯形螺杆（27）和梯形螺母（26）之间的螺纹转动转化为导向阀杆（13）的轴向移动，从而达到开启和关闭消火栓的作用。消火栓在受到外力撞击的时候，断裂法兰（11）吸收冲击力率先断裂，消火栓内的防撞小轴（28）同时吸收冲击力断裂，保护了消火栓阀座（7）和开闭阀杆（2）、梯形螺杆（27）。

1.炮座；2.开闭阀杆；3.栓帽；4.圆螺母；5.减磨垫片； 6.铜衬套；7.阀座；8.轴用弹性挡圈9.水带接口封盖；10.防盗链；11.断裂法兰；12.连接管；13.导向阀杆；14.导向键；15.铜体圈；16.阀体；17.卡板；18.密封圈；19.弹簧垫圈；20.活塞；21.六角螺母；22.夹板；23.密封垫；24.压板；25.自泄阀；26.梯形螺母；27.梯形螺杆；28.防撞小轴；29.轴肩螺钉

图1 新型消火栓结构原理图

3 新式消火栓机械本体的设计计算及校核 3.1 消火栓开启压力计算

根据《消防给水及消火栓系统技术规范(征求意见稿)》7.2.11条规定设有市政消火栓的给水管网平时运行工作压力不应低于0.18mpa,消防时最不利消火栓的给水压力应经计算或测试确认能满足消防时的设计流量，且供水压力不应低于0.10mpa（压力从地面算起）。根据4.3.2条规定消火栓栓口处的静压力不应大于1.2mpa。所以消火栓的开启压力计算如下，系统开启压力为： f=pxa （3-1）

式中： f——开启压力；p——消火栓进水口静压力；a——消火栓密封垫面积，a=7850mm2 所以fmin=1413n；fmax=9420n。 3.2 滑动螺旋传动的计算校核

滑动螺旋传动时，主要承受转矩和轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损。因此，滑动螺旋的基本尺寸（即螺母的高度与螺杆的直径），通常是根据耐磨条件确定的。在此对已近设计的螺旋传动进行校核。

3.2.1 耐磨性计算校核

滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面的粗糙度以及润滑状态等因素与关。其中最主要的是螺纹工作面上的

压力，压力越大螺旋副之间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，使其小于。 图2 螺旋副受力图

如图2所示，假设作用于螺杆上的轴向压力为(单位为n)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为（单位为），螺纹中径为（单位为），螺纹高度为（单位为），螺纹螺距为（单位为），螺母高度为（单位为），螺纹工作高度为（单位为），螺纹工作圈数为,则螺纹工作面上的耐磨性条件为： （3-2）

式中：； =4； =52； =2.25； =50；查《机械设计（第八版）》表5-12得=18mpa。 得出

综上所述，螺旋传动的耐磨性满足要求。 3.2.2 螺杆的稳定性计算校核

对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力(单位为n)必须小于临界载荷。则螺杆的稳定性条件为 （3-3）

式中：——螺杆稳定性的计算安全系数；

——螺杆稳定性安全系数，对于传力螺旋，=3.5-5.5； ——螺杆的临界载荷，n；

求取螺杆的临界载荷： （3-4）

式中：——螺杆材料的拉压弹性模量，mpa，=2.06x105 mpa； ——螺杆危险截面的惯性矩， ，，得出=22420.39；

——螺杆的长度系数，查《机械设计（第八版）》表5-14的，=1； 求的=90334n。

将结果带入（3-3）式得出： =9.6≥

综上所述梯形螺杆的最小直径满足稳定性条件。 3.3 导向键的强度计算及校核

平键连接传递转矩时，连接中各零件的受力情况如图3所示。对于常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接（静连接），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，只按工作面上的挤压应力进行强度校核。对于导向平键连接和滑键连接（动连接），其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。 图3 平键连接受力图

假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为： （3-5）

导向平键连接和滑键连接的强度条件为：

（3-6）

式中：——传递的转矩，；

——键与轮毂键槽的接触高度，，此处为键的高度，，=4； ——键的工作长度，=140； ——轴的直径，=40；

——键、轴、轮毂三者中最弱的材料许用挤压应力，mpa，查《机械设计（第八版）》取=60mpa；

——键、轴、轮毂三者中最弱的材料许用压力，mpa，查《机械设计（第八版）》表6-2取=40mpa； 计算传递转矩：

根据梯形螺旋传动最大轴向力9420n，计算得出需要的转矩=18

综上所述，导向键的设计满足强度要求。 4 结束语

本次设计的新型消火栓在功能上得到进一步的完善，结构更合理。对主要承力部件的强度进行了校核，证明了主要承力部件的结构能够满足所需的强度要求，保证了结构设计的合理性。 由于时间和本人知识的限制，设计中尚有许多的不足和待改进的地方。还需要利用pro/engineer对消火栓的结构本体进行立体建模和整体装配，验证其结构尺寸的正确性和整体结构设计的合理性，并进行动态运动仿真，如有必要还需进行流体力学的仿真和撞击的模拟仿真，来进一步优化结构的合理性。对于设计中的不足之

处，欢迎各位读者朋友批评指正。 参考文献

《建筑设计防火规范（gbj16—87）》（2001年编修） 《中华人民共和国消防法》,1998年9月1日实施

濮良贵，纪名刚.机械设计[m].第八版.北京：高等教育出版社，2007