高層建筑氣動消防炮結構研究與動力學分析

劉少剛，劉剛，趙丹，舒海生，王士成，周杰

(哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著我國城市化進程的不斷加快，高層建筑的發展日新月異，與此同時高層建筑火災事故也呈現加速上升的態勢.高層建筑一旦發生火災，現有消防裝備很難予以撲救.目前應對高層建筑火災的措施主要有3種:一是通過登高消防車向火場噴灑水霧或滅火劑，但是登高車最高只能達到50 m，對于更高的樓層則無能為力;二是采用直升機從失火建筑上部噴灑，受條件限制應用并不廣泛;三是由消防人員進入建筑，從內部控制火情，但進入火場費時費力且近距離撲救具有很大的危險性.

針對高層建筑火災撲救的難題，進行了氣動發射式高層建筑消防炮的研究.主要思路是利用高壓氣體通過高層建筑消防炮將裝有超細干粉滅火劑的滅火彈發射至高層建筑起火部位.滅火彈在侵徹建筑物玻璃進入火場后，通過碰撞墻壁或者溫度傳感器觸發起爆，滅火劑彌散后淹沒整個起火空間，達到滅火的目的.高層建筑消防炮是一種反應速度快、機動性能好的滅火設備，它能夠實現遠距離計算機火控精準發射，定點撲消.由于采用了車載、氣動發射的方式，危險性小，適應性強，是應用于高層消防的有力裝備.

1 高層建筑消防炮的工作方式

目前高層建筑消防遇到的主要難題是:樓層較高，外部消防撲救設備難以發揮作用;樓內消防設施作用有限，一旦火勢蔓延僅靠樓內的消防設施很難控制火勢;消防人員進入火場，登上高層很困難也很危險.針對這些問題，結合目前手拋式滅火彈和超細干粉滅火劑的研究成果，提出了利用氣動發射原理，將裝有超細干粉滅火劑的滅火彈利用氣動消防炮精確發射到現有消防設施無法達到的高層建筑起火點，實現高層建筑火災迅速撲滅的目的，起爆示意如圖1所示.

圖1 滅火彈侵徹高層建筑玻璃進入起火空間起爆示意Fig.1 The diagram of the fire extinguishing bomb detonation after it penetrated the glass of high-rise building and entered the fire space

消防炮采用高壓氣體發射.利用計算機智能火控系統，能夠根據工作環境快速計算出射擊諸元，從而調整消防炮的位姿來適應發射.消防炮主要具備3個功能:1)自動上彈，實現滅火彈自動推進到發射位置并鎖閉炮膛的動作;2)膛內全壓發射，即在發射時能夠將高壓氣室的高壓氣體瞬間全壓加載到滅火彈彈尾部，針對這一點需要設計一種特殊機構，以有效解決氣動閥開啟過渡時間對發射過程的影響;3)消防炮自動復進的可實現性，每次發射完畢都需消防炮的各個機構自動恢復到初始待裝填滅火彈位置［1］.

2 高層建筑消防炮的結構方案

2.1 工作原理

高層建筑消防炮以高壓氣體作為工作介質，主要由氣源、供彈裝置、發射裝置、火控系統和底座組成.火控系統包括火控計算機、操控顯示系統和消防炮控制系統，能根據給定目標完成射擊諸元的解算，提供相應的控制參數，進而控制消防炮完成瞄準、射擊等一系列動作.消防炮工作原理如圖2所示.滅火彈的發射主要包括上彈、擊發與發射3個階段.在上彈階段，滅火彈裝填至推彈裝置，低壓氣體推動氣室內的活塞運動從而帶動推彈裝置運動，將滅火彈推進到發射位置(炮膛)，同時推彈裝置后方的密封蓋前移將炮膛閉鎖密封，發射準備完畢.在擊發階段，發射氣室接通擊發氣路，因滅火彈被伴隨管上的擊發銷限位，故此滅火彈與伴隨管被同步推動著在炮膛內向前運動，使由伴隨管封閉的發射高壓氣口隨伴隨管的運動而打開.當滅火彈與伴隨管一起運動到高壓氣口全開位置時，擊發銷縮回伴隨管內，解除對滅火彈的限位，此時滅火彈脫離伴隨管，承受全壓推動，進入發射階段.在發射階段，滅火彈脫離伴隨管后，高壓氣體全載荷作用于滅火彈，推動滅火彈在炮膛內繼續加速前進，直至飛離炮口.

圖2 消防炮發射原理示意Fig.2 Launch principle of fire-extinguisher cannon

控制氣路主要由3部分組成:推彈氣路、擊發氣路和回程氣路.

推彈氣路:氣室通入低壓氣體，推動活塞前進，將滅火彈送入炮膛內.然后充入高壓氣體作為發射動力源.

擊發氣路:由擊發氣動閥、氣管和阻尼孔組成，在滅火彈發射前先從氣室里引出一部分高壓氣體到后炮膛，給滅火彈以初始的運動速度.

回程氣路:當消防炮發射完畢，在氣室的后方通入低壓工作氣體，將活塞推回初始位置，同時也將伴隨管、推彈機構、擊發銷復位.

作為發射動力源的發射壓力可根據火控計算機解算的射擊諸元和實際射擊條件等來進行調節.

2.2 消防炮整體結構

高層建筑消防炮總體結構設計如圖3所示，消防炮主要由推彈機構、擊發機構、上彈裝置、氣室、俯仰機構及轉盤等組成.上彈機構裝填滅火彈，消防炮工作時由上彈機構將滅火彈裝填到推彈機構彈室里，推彈機構主要包括密封蓋、推進桿和推進活塞，其主要功能是將滅火彈推進至炮膛，該過程以低壓氣體為動力源推動活塞運動來帶動推進桿實現滅火彈的上膛.滅火彈推進到炮膛后密封蓋自動將炮膛密封，進入閉鎖狀態.

圖3 高層建筑消防炮整體結構Fig.3 The structure of fire-extinguisher cannon for high-rise Buildings

擊發機構設置在炮膛里，主要由擊發氣路、伴隨管、擊發銷及滑道組成，其中擊發氣路又包括擊發控制閥、氣路和阻尼孔.擊發機構可以使消防炮在擊發的瞬間實現全壓發射.擊發機構工作原理是:在擊發之前，伴隨管將高壓氣室與處于常壓的炮膛隔離開.當打開擊發控制氣動閥時，高壓氣室內的氣體經擊發氣路、阻尼孔進入炮膛，炮膛氣壓升高推動滅火彈向前運動.由于擊發銷此時處于伸出狀態，限制了滅火彈脫離伴隨管，故滅火彈同時推動伴隨管前移，使得高壓氣室與炮膛開始直接聯通.當伴隨管運動到氣室與炮膛完全聯通位置，擊發銷縮回，解除了對滅火彈的限制，滅火彈脫離伴隨管，在高壓氣室全壓作用下，滅火彈在炮膛內加速運動，進入發射階段.

當炮彈發射完畢，膛內氣壓經炮口泄壓后迅速降至常壓.此時向高壓氣室另一側加載工作氣壓，氣體推動活塞實現回程運動，將推彈機構恢復原位，同時推彈活塞將伴隨管推回初始位置，擊發銷伸出，為下一次發射做好準備.

2.3 擊發機構研究

在氣動發射式消防炮結構的研究過程中，主要的難點和技術關鍵在于如何能夠實現對滅火彈的全壓發射.不同于火藥發射，氣動發射存在發射壓力低、氣動元件啟閉過渡時間長的問題.如果發射過程控制不好，有可能還沒有完成氣動元件的開啟過程，尚未達到炮膛內全壓的建立，炮彈即已被推出炮膛.如果這樣，勢必要大大降低出口速度，無法計算內彈道參數，也無法控制射擊精度.因此，在本課題的研究中，采用了伴隨管隨動的擊發方式，其結構如圖4所示，擊發機構主要由伴隨管、擊發氣路和擊發銷組成.擊發銷設置在伴隨管前端，沿炮膛內的滑道運動，用以控制滅火彈與伴隨管的伴隨限位和脫離.伴隨和脫離的位置由滑道曲率決定.伴隨管后部采用自密封的方式.伴隨管之上安裝的專用密封圈中間采用具有一定柔性的金屬材料，外圍采用密封橡膠，當高壓氣體充滿高壓氣室時，受外側高壓氣體作用，專用密封圈將緊緊擠壓在伴隨管后端，從而實現密封，消防炮擊發機構如圖4所示.

圖4 消防炮擊發機構Fig.4 The firing mechanism of the fire-extinguisher cannon

伴隨管控制著氣室與炮膛氣體的通斷，在工作時主要承受著氣室的高壓氣體的壓力，必須確保其強度和剛度能夠滿足要求，為此對其進行了結構有限元分析.根據伴隨管的工作狀況，材料選擇了(Q235A).材料屬性:彈性模量 210 GPa，密度為7.86 g/cm3，泊松比為 0.3.計算時最大加載氣壓按滅火炮最大工作氣壓6 MPa加載，氣室的氣體通過氣壓的方式均布作用于伴隨管外壁.

圖5為利用Ansys對伴隨管進行有限元分析，在加載工作氣壓下，伴隨管的分析結果.結果表明:伴隨管在管口端壓應力較大，變形較大，其他部位變形較小，最大形變為0.178×10-3mm.

圖5 伴隨管受力應力和應變云圖Fig.5 Nephogram of stress and strain on the associated tube

3 消防炮內彈道特性分析

根據消防炮的發射原理將其內彈道分為2個階段:第1階段是滅火彈在進氣口打開過程中的運動，該階段終了時進氣口全部打開，滅火彈脫離伴隨管獲得一定速度;第2階段是滅火彈脫離伴隨管后在炮膛內加速階段，該階段使滅火彈獲得一定炮口初速.滅火彈能否順利展開后續滅火工作的關鍵是看其在到達目標時的速度、位姿等狀態是否滿足要求，而這些參數與滅火彈的炮口初速關系密切，因此，需要對消防炮的內彈道特性進行深入研究.內彈道特性主要包括:擊發時伴隨管與滅火彈相伴運動的內彈道特性，脫離伴隨管后炮彈在炮膛加速時的內彈道特性.

3.1 擊發過程的動力學分析

擊發過程如圖6所示，滅火彈和伴隨管由零開始變加速運動，由于運動時間和距離短，可以將其看作等熵絕熱下運動.運動速度較低，可以忽略滅火彈前方的空氣阻力.進氣口開啟過渡階段對整個擊發過程影響不大，予以忽略.由此，根據擊發銷力學分析可以推出滅火彈擊發過程動力學方程.

圖6 消防炮擊發示意Fig.6 Firing process of fire-extinguishing cannon

擊發過程中伴隨管和滅火彈在高壓空氣產生的推進力作用下前向運動，此時擊發銷受力有2種情況:第1種情況是當伴隨管在推進力作用下產生的加速度大于滅火彈在推進力作用下產生的加速度，滅火彈推力將不作用于擊發銷;第2種情況是伴隨管產生的加速度小于滅火彈產生的加速度，滅火彈推力作用于擊發銷，通過擊發銷帶動伴隨管運動.

為分析這2種可能性，分別計算出這兩個加速度進行比較分析，推進力單獨作用伴隨管產生的加速度 abx為

式中:Px為炮膛工作氣壓，Sb為伴隨管橫截面積，Mb為伴隨管質量.

推進力單獨作用滅火彈產生的加速度adx為

式中:Sb為伴隨管橫截面積，Md為滅火彈質量.

通過式(1)、(2)的比較可以看出，滅火彈對擊發銷的作用力是主要影響擊發銷運動的因素，擊發過程實質上是滅火彈推動擊發銷運動，通過擊發銷帶動伴隨管運動.擊發銷受力如圖7所示.

圖7 擊發銷受力簡圖Fig.7 A sketch map of stress on the control pin

由于壓力角β和摩擦系數較小，計算時可以忽略掉壓力角β，摩擦力Fbf和Faf的影響，將滅火彈與伴隨管看做一個運動整體來計算，建立滅火彈運動方程組:

式中:f為材料摩擦系數，Sb為伴隨管橫截面積，α為滅火彈壓力角，Fd為伴隨管與炮管內壁之間的摩擦.

將式(3)化簡得

氣體狀態方程［4］:

式中:S=Sb+Sd，V0為氣室的體積 ，P0為擊發前氣室壓強，γ為氣體絕熱指數.

式(4)、(5)代入式(6)得:

式中:l為滅火彈脫離伴隨管時行程，γ為氣體絕熱指數.vl為滅火彈與伴隨管分離時滅火彈的速度.

3.2 炮膛加速過程動力學分析

滅火彈在炮膛加速過程如圖8所示，膛壓加速初始氣壓為前一階段結束時的膛壓Pl，滅火彈開始脫離伴隨管的控制以初速v0進行膛壓加速，氣室中的氣體不斷進入彈后的炮膛，進而推動彈丸在膛內不斷加速運動，直至炮口時彈丸獲得初速vL.可見滅火彈膛壓加速過程，實質上可以看作彈后的壓縮空氣絕熱膨脹，繼而推動彈丸膛內運動的過程，類似于一級輕氣炮.

圖8 滅火彈膛壓加速示意Fig.8 A sketch map of the accelerating process of the shell

根據槍炮內彈道假設，認為內彈道過程絕熱等熵，忽略氣體黏性，并以次要功系數φ來代替彈丸運動的摩擦功、氣體運動功及其他能量損失.根據熱力平衡轉化方程，可以得到滅火彈膛內基本運動方程［4］.

運動方程:

氣體狀態方程［5］:

式中:x為滅火彈行程，Px為彈后氣體壓，S為炮膛截面面積，Ff為滅火彈與管壁之間的摩擦力，v為滅火彈運動速度，t為滅火彈運動時間，Pl為彈底初始壓力，φ為次要功系數，md為彈丸質量，Vl為初始彈后氣體總容積，γ為氣體絕熱指數.

聯立式(8)、(9)得

兩邊積分:

解得

式中:vl為擊發過程結束時滅火彈的速度，l為擊發行程，L為滅火彈膛內總行程，vL為滅火彈的出炮口速度.

表1為不同發射氣壓下滅火彈的擊發速度vl，出炮口速度vL以及最大射高h的計算數據.計算時各參數取值為:消防炮口徑120 mm，氣室容積0.02 m2，擊發行程 l=40 mm，炮管摩擦阻力 Fc取100 N，炮膛加速行程 L=1.5 m，伴隨管質量6 kg，炮彈質量 3 kg，γ =1.4，φ =1.2，滅火彈工作氣壓P0=0.5～5.5.因為沒有考慮外彈道特性，故此計算時忽略了空氣阻力的影響.由計算結果可以看出，在尚未達到最大額定發射壓力(6 MPa)的情況下，射高即已達到1 623 m(忽略空氣阻力)，大大超出了目前國內外最高建筑的高度范圍.

表1 不同發射氣壓下滅火彈的擊發速度、出口速度及最大射高Table 1 Velocity of firing and outlet and the maximum launching height of the shell at different air pressure

4 結論

本文對高層建筑消防炮的結構進行了研究，提出了采用氣動發射滅火彈方式的高層建筑消防炮方案.研究探討了氣動發射式消防炮的工作機理，對消防炮的擊發機構進行了詳細的研究設計.采用了伴隨管式發射方式，解決了高壓空氣發射擊發時需要瞬態達到膛內發射全壓的難題.利用有限元方法對伴隨管強度及撞擊過程進行了分析.對擊發和發射過程進行了運動學和動力學分析，根據擊發及炮膛加速特點建立了內彈道數學模型，并對所建立的數學模型進行了解算，得到了不同發射氣壓下滅火彈的擊發速度、出口速度及忽略空氣阻力時的最大射高等各項數據，驗證了高層建筑消防炮結構方案的可行性.計算分析結果為高層建筑消防炮的工程設計提供了參考依據.

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