消防水帶自動收放器的設計

吳國鑫

(大連市公安消防支隊，遼寧 大連 116033)

0 引言

在滅火救援行動中，消防水帶是常用的器具。水帶在未使用時卷繞成盤狀，使用時，水帶被打開與消火栓或消防車連接，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，隨著水帶盤的增大，會越發地沉重，費時費力且加大操作者的勞動強度[1-2]。近年來，消防水帶設計和制造工藝不斷改進，但其收放形式主要是手動為主，大大影響了滅火救援時間。尤其是在當今城市高層建筑越來越多，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。實際上，在進行高樓火災救援時，整個過程非常繁瑣和危險，不僅需要垂直鋪設多盤水帶，而且還要確保水帶的垂直鋪設和水帶的連接。水帶垂直鋪設時，進窗口處水帶的固定難度較大，若直接沿窗臺垂直鋪設，樓下有多處障礙物時，水帶將無法順利鋪設。多盤水帶進行鋪設時，由于水帶重力原因導致其下降速度極快，一人完成困難，需多人同時拖拽水帶，最后完成水帶與水帶的連接和水帶的垂直鋪設。為解決上述問題，作者研制了消防水帶自動收放器裝置，能夠快速完成水帶的鋪設和自動收放，使用方便、輕松，提高了收卷效率，降低了收卷的勞動強度。并且此裝置采用鎖緊機構、調速機構，單人即可實現水帶的垂直鋪設和收放功能，提高了滅火救援的速度和安全系數。

1 消防水帶自動收放器的特點與應用

消防水帶自動收放器由主架、主盤、活動拖柄、行走輪和卷放帶機構組成，主盤固定在主架上，活動拖柄和行走輪安裝在主架的兩端，卷放帶機構安裝在主架上并位于主盤的中心。其主要結構包括起固定及調節距離作用的滑動腿和螺紋桿、用來鎖緊第三擋輪的拉桿和擋輪桿、用來控制消防水帶下落速度的擋輪機構和調速機構、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。消防水帶自動收放器可根據窗臺的寬度調節長度快速緊固在窗臺上，設備上有懸臂導輪機構，在使用時可以沿著水平方向伸出，伸出的距離可以根據實際情況進行調節，保證了水帶的順利下滑。該結構設計巧妙，依靠窗臺即可安裝使用，采用該設備，整個過程只需一人即可完成，提高了工作效率及整個過程的安全系數，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行走，具有操作簡單、收放速度快的優點。收攏的水帶整齊、緊湊；使用完水帶后，水帶內的余水收攏時可以自行放出來；活動拖柄的長度可調，便于方便地移動水帶。在滅火救援行動中，本裝置的使用可以減輕消防員的工作強度，提高個人戰斗能力[3]，并且在大連市消防支隊的滅火救援中實際應用，效果良好。

2 消防水帶自動收放器的技術方案

2.1 自動收放器的基本組成

本文研發的水帶自動收放器，著重提高裝置的垂直鋪設和自動收放功能，提升其便捷性與安全性。水帶收放器采用45號鋼制造，抗拉強度σs為355 MPa，剪切強度178 MPa，可以實現單人操作，如圖1所示，拉動拉桿(部件11)就可以實現水帶接口穿過。下面具體介紹自動收放器的結構組成：一對固定腿1固定安裝在角鋼支架6的一端，不可滑動，第一滑動腿2和第二滑動腿3分別通過插桿4可滑動安裝在角鋼支架6的另一端，滑動腿2和3通過螺紋桿5連接，通過調節滑動腿2和3，使收放器固定在窗臺上；兩套擋輪機構分別安裝在角鋼支架6上的左右兩端，擋輪機構包括第一擋輪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下端設有鎖緊機構，鎖緊機構包括拉桿11和凸起塊，凸起塊安裝在拉桿11上，第二擋輪的擋輪桿10的一端通過鎖緊機構鎖緊，鎖緊機構開啟時，通過拉動拉桿后旋轉拉桿，致使拉桿上的凸起塊卡住消防水帶通過擋輪8與擋輪7、擋輪9之間的間隙下滑，通過控制擋輪之間的間隙，調節壓緊水帶的力，從而實現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，從而實現水帶的自動收放。

1.固定腿；2.第一滑動腿；3.第二滑動腿；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 自動收放器的組件設計

2.2.1 鎖緊機構的設計

鎖緊機構具有保險功能，確保消防水帶下滑時安全可靠，如圖2所示。消防水帶自動收放器利用鎖緊機構對第二擋輪進行鎖緊，第二擋輪下端設有鎖緊機構，鎖緊機構包括拉桿和凸起塊，凸起塊安裝在拉桿上，第二擋輪的擋輪桿的一端通過鎖緊機構鎖緊；鎖緊機構開啟時，通過拉動拉桿后旋轉拉桿，致使拉桿上的凸起塊卡住，解除鎖緊狀態。第三擋輪能夠處于固定狀態。通過改變拉桿的狀態，使第三擋輪打開或鎖緊。該機構不僅操作簡單、方便，且鎖緊可靠，保障消防水帶自動收放器的安全性能。

圖2 鎖緊機構

2.2.2 調速機構的設計

消防水帶自動收放器的調速機構是控制水帶下落速度的安全結構，利用該結構得調速特性，對消防水帶的下落速度進行控制，如圖3所示。在一組擋輪機構中，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。通過旋轉擋輪上方的調速機構控制擋輪之間的間隙，調節壓緊水帶的力，達到可以控制水帶下滑速度的目的。調速機構用來保證消防水帶在下落時速度可調，避免水帶下落過快或過慢；通過旋轉擋輪上方的轉輪，調節擋輪的間隙，實現調速功能。

圖3 調速機構

2.2.3 自動收放器的懸伸桿設計

懸伸桿采用可調角度的設計，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，如圖4所示。懸伸桿的角度調節保證了水帶在各種惡劣環境仍能順利下滑，最終保證消防水帶收放器的實用性。

圖4 懸伸桿

3 主要零部件的靜態載荷分析

消防水帶自動收放器的零部件很多，其中角鋼支架和懸伸桿是整個自動收放器的核心部分，且受力較大。其關系到整個裝置能否穩定固定在窗臺上，及水帶能否順利垂直下滑。本文通過Solid Works Simulation對其應力和位移進行靜態載荷分析[4-5]。首先建立簡化模型，分析插桿在滑動腿固定在窗臺的受力情況，及下落不同長度的消防水帶懸伸桿的受力情況，分析假定構件連接部位堅實可靠，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

在對角鋼支架和懸伸桿的靜態載荷進行分析時，對連接面的所有自由度進行了約束，做到最大程度的滿足實際情況。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，對其進行受力情況和變形情況的分析。通過分析計算可知，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。

在實際工作中，需要考慮裝置會受到環境影響，所以計算中對施加的外力需乘以3倍的沖擊系數來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

本次對部件網格的劃分和計算由Solid Works Simulation完成，同時給予詳細的細節信息。首先對模型進行網格劃分，待其完成后，需要對零件進行自動運算分析，最終生成算例結果，主要包含的結果分為應力圖和位移圖。角鋼支架輸出的應力如圖7所示，位移如圖8所示。懸伸桿的輸出應力如圖9所示，位移如圖10所示。通過應力圖和位移圖得出結構連接位置為最大變形和受力點，其他位置的變形和受力分布較為均勻。

通過總結算例結果，清楚的分析出角鋼支架和懸伸桿的主要數據，如表2所示。結果表明，角鋼支架和懸伸桿滿足材料的許用強度。最終證明，在正常工作狀態下，角鋼支架和懸伸桿的可靠性和穩定性可以保證。

圖7 角鋼支架應力圖

圖8 角鋼支架位移圖

圖9 懸伸桿應力圖

4 結束語

通過對消防水帶自動收放器的設計，有效的節省了水帶的垂直鋪設和收放時間。其設計結構巧妙，實現了高樓水帶的垂直鋪設、自動收放，降低了勞動強度，提高了消防官兵的工作效率。此裝置采用鎖緊機構、調速機構，并且使用Solid Works Simulation軟件對該裝置的角鋼支架和懸伸桿進行了靜態載荷分析，在最接近實際救援環境的基礎上，定義了載荷和約束，使模型能夠達到最接近實際受載情況的目的，保證該裝置在實際使用中的可靠性。

表2 模型靜態載荷分析結果

參考文獻：

[1] 馮怡然,劉磊,蘆金石,等.消防水帶晾曬自動收卷裝置[J].消防科學與技術,2016,35(3):397-401.

[2] 李煥群,盧立紅,康青春.消防水帶及接口抗拉強度試驗研究[J].消防科學與技術,2014,34(10):1172-1174.

[3] 劉金榮,劉菊.一種新型的浮卷式塑苫收放自動控制系統[J].鹽業與化工,2000,29(5):33-37.

[4] ROBERT S.Wall-mounted hose drum for e.g. fire hose, water hose or fuel supply may be withdrawn to any length independent of the drum position:DE19835587[P].2000.

[5] 馬綱,盛衛鋒,黃觀軍.一種新型收卷模型的力學分析[J].輕工機械,2001(3):15-17.