方 菲，刘平安

（1. 吉林省畜牧业学校，吉林 白城 137000； 2. 南昌职业大学，江西 南昌 330009）

消防炮是通过赋予喷管内的灭火介质（如水、泡沫或气雾）一定动能以获得一定初速度，使其喷射至着火点，以达到灭火效果的常用消防装置。 由于它能远距离作业，使消防人员免受热辐射、有毒浓烟、甚至爆炸的危害，且具有操作简单、安全、灭火效率较高、威力大的优势，在移动消防车、消防船或可能发生严重火灾场所，如石化车间、码头、仓库等场合得到广泛运用[1-3]。 为了使喷头能对准灭火目标或在一定范围内扫射， 通常需要两个转动自由度，即竖直面内和水平面内的往复摆动。 同时为了操作人员能安全并高效完成灭火任务，还对射程（喷射距离）和扬程有一定要求，这对于目前高楼林立的城市消防显得尤为重要。 射程和扬程主要取决于介质喷出时的压力、流量，以及喷嘴形状和尺寸[4-5]，工作环境如风力风向等因素。 在环境和媒介输入压力一定的条件下，媒介流经炮管的压力损失决定了其出口压力，所以减少炮内流道压力损失是提高消防炮工作效率、减少能耗的有效途径。 目前国内外普遍采用的消防炮如图1 所示[6-8]，炮体由若干节管道通过串联方式连接，利用人工（或电机）驱动，经蜗轮蜗杆传动实现炮管在上下和水平两个面内的摆动。

图1 传统串联消防炮Fig.1 Traditional fire monitor

这种串接结构型式的消防炮由于流道存在直角弯曲，对流体动能形成较大损耗即水头损失（单位重量的能量损耗，用长度单位m 表示），直接影响了射程或扬程，降低了灭火效率，导致消防炮性能和适用范围受到了一定限制。

首先根据流体动力学理论，分析比较两种消防炮的管流水头损失情况；然后利用混联机构代替串联结构，用直型流道代替弯曲流道，实现消防炮炮管的两个自由度运动，机构设计包含选型，尺寸优化和整体结构设计；最后制作出样机并经过性能测试，验证其有效性。

1 消防炮流道水头损失的流体动力学基础

根据流体动力学理论[9]，消防介质流经流道时的总水头损失hw主要由流经直管时的沿程水头损失hf和流经弯头的局部水头损失hl的总和。

按照圆管湍流计算理论，直管沿程水头损失hf和直角圆弧过渡管流局部损失hl分别为

式中：λ=64/Re 为沿程损失系数，Re 为流体雷诺数；l为直管段长度，m；d 为管径，m；V 为流断面平均速度，m/s；g 为重力加速度，m/s2；ζ 为局部损失系数，对于直角圆弧过渡管道，且圆弧半径等于管径的管道有ζ=0.29。

假定弯曲流道各直管段总长度等于直管流道长度（一般前者比后者要大一些），且材料、工艺和表面质量,以及直径等尺寸均相同，则如图1 所示单个直角圆弧过渡的流道与直型流道的总水头损失之比为

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

对于如图1 所示有4 个直角圆弧过渡的弯曲流道的串联炮，因为弯曲造成的水头损失将比直管炮增加水头损失约320 倍。而且随着流速加大，η 值越大，损失越大。

为了解决现有串联消防炮弯曲流道带来的能量损失，本文摒弃传统串联机构，改用其它机构型式，设计出直管流道消防炮，降低流道能耗，以提高射程和扬程，从而达到提高灭火效率的目的。

2 机构选型

传统消防炮采用串联机构，通过蜗轮蜗杆实现水平和竖直两个方向的摆动， 形成多个直角弯道，增大了消防介质流经流道的压力损失和湍流强度。将直管流道代替弯管流道后，可以选用其它型式机构来满足消防炮运动要求[10-14]。 从机构型式方面考虑，实现两个转动自由度可以通过串联、并联或串并联即混联机构来实现水平摆动和上下俯仰动作。虽然两转动自由度并联机构型式[12-15]不少，但因为运动耦合，设计和分析较复杂，工作空间小，运动灵活性欠佳，控制也比较困难等不足，经过比较筛选，最后选用平面四杆机构与摆杆机构组合实现炮管平台上下摆动，再在平台与炮管之间通过回转副连接实现炮头摆动的混联传动方式，如图2 所示两自由度机构运动简图。图2 中摇杆DC 为摆动平台，在其上通过一个转动副连接炮管，实现在平台上往复摆动。

图2 两自由度机构Fig.2 2-DOF mechanism

3 机构设计

3.1 运动分析

如图2 所示，将平台CD 与机架相连，通过原动件AB 的摆动驱动其作上下俯仰运动， 可选用双摇杆机构完成。

按典型口径为65 mm 消防炮设计该机构，具体设计要求如图3 所示。 CD 杆的摆动角度满足要求为θ2=-15°～+60°， 并且在考虑人机工程等方面原因，可选定消防炮的整体高度为lAD，以及输出平台的长度为2 lCD。 求lAB和lBC的大小。

图3 四杆机构简图Fig.3 Schematic diagram of 4-bar linkage

由分析知： 由图3 中杆AB 的驱动可用摆杆机构实现。 譬如可通过蜗轮连续转动实现杆AB 的往复摆动。 考虑到蜗轮蜗杆的中心距和安装方便以及避免构件干涉，杆AB 的摆角θ1应尽可能大，以便于控制。 同时为确保机构具有良好的传动性能，使传动角θ3≥40°。 令

由图3 中几何关系有

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

3.2 四杆机构优化设计建模

机构优化设计就是为满足给定的运动学要求，在约束条件的限制范围内，按照某种设计准则即目标函数，改变设计变量，寻求最佳方案[15]。

对于俯仰机构， 在满足运动要求的情况下，以机构整体高度尺寸最小为目标函数，运动范围和实际工作要求为约束进行尺寸优化。这里就是要求lAD的最小值，由图3 中的几何关系和式（4）可直接写出目标函数和约束条件如下

以上优化模型属于单目标多约束优化问题，采用工程计算软件Matlab[16]的优化设计工具箱很容易求得满足要求的解。

3.3 设计实例

初选lAD=490 mm，lCD=145 mm，由式（5）得lAB=254 mm，lBC=351 mm，为双摇杆机构。 根据式（5）和式（6）利用Matlab 最大最小逼近函数，可得如图4所示优化结果。

如图4 所示，横坐标为迭代次数，纵坐标为每次迭代求出的值。 由图中可以看出经过50 次迭代后， 结果趋于收敛。 得到消防炮最低高度为348 mm。

图4 最小值Fig.4 Minimum value

同样可以利用该优化工具箱求出lAD在约束条件下的最大值，经过近80 次迭代后lAD收敛于633 mm。

由以上优化结果知：lAD的取值为348～633 mm；综合考虑安装和操作方面等因素可取lAD=500 mm。 将lAD和lCD的值代入式（5）中得到四杆机构尺寸：lAB=276 mm，lBC=272 mm，lCD=145，lAD=500 mm。

3.4 摆动机构的设计

为了简化结构， 用滚子代替滑块在摆杆AB 槽中滑动实现将蜗轮的整周转动变换为摆杆的往复摆动，如图5 所示。

图5 从整周转动到往复摆动的变换Fig.5 Transformation from revolution to rock

如图6 所示，杆CD 的两个极限位置C1D、C2D即为炮头俯仰的极限位置。不难找到B 的两个对应位置B1、B2，再作∠B1AB2的角平分线AE，则蜗轮的转动中心在线AE 上。

图6 摆杆机构设计Fig.6 Design of oscillating mechanism

如图6， 蜗轮上圆柱滚子中心距蜗轮中心设为R，显然要求式中df2为蜗轮齿根圆半径，mm。 蜗轮中心O 离摆动中心A 的距离式中：a 为蜗轮蜗杆中心距，mm；da1为蜗杆齿顶圆直径，mm。

为保障良好的受力性能，圆柱滚子在最低位置时离摆杆摆动中心A 点距离不能太小，要求

由式（9）选蜗轮蜗杆参数[10]。

将lAB=276 mm 及相关参数代入式（7）～式（9）中得摆动机构尺寸为

采用相同尺寸参数的蜗轮蜗杆传动实现炮管在平台CD 上的往复摆动。

4 样机制作与实验

4.1 样机制作

根据以上分析与计算，设计出的样机如图7 所示， 包含机械和控制两部分。 主要技术参数如表1所示。采用两个86 型混合式步进电机分别驱动上下两套蜗轮蜗杆传动机构，实现炮管的水平和俯仰摆动。

图7 基于混联结构的消防炮样机Fig.7 Prototype of fire monitor based on serial-parallel mechanism

表1 消防炮设计参数Tab.1 Parameters of fire monitor design

4.2 控制系统

控制装置内置微控制器和驱动电路[17]，具备手动和自动两种工作模式， 并可以扩展远程遥控模式，具有手动急停功能。选择220 V/48 V 10 A 开关电源，电源电流容量应不小于8.6 A，输出功率480 W。微控制器采用STC 工业控制芯片STC12C5A60，具备抗强电磁干扰特性，其工作原理如图8 所示。

图8 控制框图Fig.8 Control block diagram

控制装置上电后，由模式选择，在手动模式下，当摇杆上被检测压下，微型控制器将以一定频率发送脉冲并确定电机动作速度； 当摇杆下被检测，微控制器仍然发送该频率，但是方向值取反，以此类推，实现对上下、左右4 个方向的运动控制；当运行在自动模式下，电机自动运行，当碰触限位1、限位2 后实现自动反转， 从而实现往复运动； 当急停压下，电机脉冲被隔离，电机自动半流保持锁定，由于机械部分采用蜗轮蜗杆传动， 也具备机械自锁能力。

4.3 样机测试

喷射流体的轨迹和射程除受流体出口压力、口径和初速度等参数影响外， 还有工作环境如气温、气压、风向和风速等相关[18]。实验测试为在一定压力下的最远射程测试，并与传统弯管炮同等条件下的射程比较。 实验是在正常标准大气压和室外无风工作环境下进行的。 喷头出口直径为28 mm[5，19]（喷管从进口到出口带有一定锥度）， 仰角约为30°时在0.5～0.8 MPa 压力下的直管炮射程值s1，不同压力下直管炮与弯管炮射程比较如表2。

表2 不同压力下直管炮与弯管炮射程比较Tab.2 Comparison of jet distances of novel fire monitor to traditional one with different pressure

通过实验发现，在压力较小时其射程增量并不明显，随着压力增加其增量也越来越大，到0.8 MPa时，与某企业提供的弯管炮射程s2相比较，其射程增量已接近12%，故通过样机实验可知与传统炮射程比较具有明显的优势。

5 结论

1）通过蜗轮蜗杆驱动摆杆机构，经摆杆驱动双摇杆机构，并在输出摇杆上串联一个转动副的混合机构方式，实现喷管的两个垂直平面内的转动，从而达到用直管流道代替弯管流道的目的的消防炮，可有效减小水头损失，减少能耗，增大射程，提高灭火效率。

2） 从直管和弯管消防炮流道水头损失比较分析入手，设计了满足消防炮运动要求的新型消防炮机构，包括俯仰机构尺寸优化与结构设计，用滚子与摆杆上槽的高副接触代替摆动导杆机构的摆块，从而简化了结构。 最后制作出了样机，并经现场性能测试，设计达到了预期目标。