消防水带自动收放器的设计

吴国鑫

(大连市公安消防支队，辽宁 大连 116033)

0 引言

在灭火救援行动中，消防水带是常用的器具。水带在未使用时卷绕成盘状，使用时，水带被打开与消火栓或消防车连接，待消防水带使用完毕后，要由人工将水带慢慢卷回，收卷缓慢，效率低下，而且整卷水带要拿在手上，随着水带盘的增大，会越发地沉重，费时费力且加大操作者的劳动强度[1-2]。近年来，消防水带设计和制造工艺不断改进，但其收放形式主要是手动为主，大大影响了灭火救援时间。尤其是在当今城市高层建筑越来越多，越建越高的情况下，高层建筑的灭火救援速度间接受到了影响。实际上，在进行高楼火灾救援时，整个过程非常繁琐和危险，不仅需要垂直铺设多盘水带，而且还要确保水带的垂直铺设和水带的连接。水带垂直铺设时，进窗口处水带的固定难度较大，若直接沿窗台垂直铺设，楼下有多处障碍物时，水带将无法顺利铺设。多盘水带进行铺设时，由于水带重力原因导致其下降速度极快，一人完成困难，需多人同时拖拽水带，最后完成水带与水带的连接和水带的垂直铺设。为解决上述问题，作者研制了消防水带自动收放器装置，能够快速完成水带的铺设和自动收放，使用方便、轻松，提高了收卷效率，降低了收卷的劳动强度。并且此装置采用锁紧机构、调速机构，单人即可实现水带的垂直铺设和收放功能，提高了灭火救援的速度和安全系数。

1 消防水带自动收放器的特点与应用

消防水带自动收放器由主架、主盘、活动拖柄、行走轮和卷放带机构组成，主盘固定在主架上，活动拖柄和行走轮安装在主架的两端，卷放带机构安装在主架上并位于主盘的中心。其主要结构包括起固定及调节距离作用的滑动腿和螺纹杆、用来锁紧第三挡轮的拉杆和挡轮杆、用来控制消防水带下落速度的挡轮机构和调速机构、保证消防水带顺利下滑的悬伸杆、起安装固定作用的角钢支架等。消防水带自动收放器可根据窗台的宽度调节长度快速紧固在窗台上，设备上有悬臂导轮机构，在使用时可以沿着水平方向伸出，伸出的距离可以根据实际情况进行调节，保证了水带的顺利下滑。该结构设计巧妙，依靠窗台即可安装使用，采用该设备，整个过程只需一人即可完成，提高了工作效率及整个过程的安全系数，制造成本低。本装置可以很方便地收放消防水带并可以方便地拖动行走，具有操作简单、收放速度快的优点。收拢的水带整齐、紧凑；使用完水带后，水带内的余水收拢时可以自行放出来；活动拖柄的长度可调，便于方便地移动水带。在灭火救援行动中，本装置的使用可以减轻消防员的工作强度，提高个人战斗能力[3]，并且在大连市消防支队的灭火救援中实际应用，效果良好。

2 消防水带自动收放器的技术方案

2.1 自动收放器的基本组成

本文研发的水带自动收放器，着重提高装置的垂直铺设和自动收放功能，提升其便捷性与安全性。水带收放器采用45号钢制造，抗拉强度σs为355 MPa，剪切强度178 MPa，可以实现单人操作，如图1所示，拉动拉杆(部件11)就可以实现水带接口穿过。下面具体介绍自动收放器的结构组成：一对固定腿1固定安装在角钢支架6的一端，不可滑动，第一滑动腿2和第二滑动腿3分别通过插杆4可滑动安装在角钢支架6的另一端，滑动腿2和3通过螺纹杆5连接，通过调节滑动腿2和3，使收放器固定在窗台上；两套挡轮机构分别安装在角钢支架6上的左右两端，挡轮机构包括第一挡轮7、第二挡轮8和第三挡轮9，挡轮8安装在挡轮7和挡轮9中间的上方，挡轮8下端设有锁紧机构，锁紧机构包括拉杆11和凸起块，凸起块安装在拉杆11上，第二挡轮的挡轮杆10的一端通过锁紧机构锁紧，锁紧机构开启时，通过拉动拉杆后旋转拉杆，致使拉杆上的凸起块卡住消防水带通过挡轮8与挡轮7、挡轮9之间的间隙下滑，通过控制挡轮之间的间隙，调节压紧水带的力，从而实现控制水带下滑速度的目的；固定腿一端的角钢支架的端部安装有保证消防水带顺利下滑的悬伸杆12，从而实现水带的自动收放。

1.固定腿；2.第一滑动腿；3.第二滑动腿；4.插杆； 5.螺纹杆；6.角钢支架；7.第一挡轮；8.第二挡轮； 9.第三挡轮；10.挡轮杆；11.拉杆；12.悬伸杆

2.2 自动收放器的组件设计

2.2.1 锁紧机构的设计

锁紧机构具有保险功能，确保消防水带下滑时安全可靠，如图2所示。消防水带自动收放器利用锁紧机构对第二挡轮进行锁紧，第二挡轮下端设有锁紧机构，锁紧机构包括拉杆和凸起块，凸起块安装在拉杆上，第二挡轮的挡轮杆的一端通过锁紧机构锁紧；锁紧机构开启时，通过拉动拉杆后旋转拉杆，致使拉杆上的凸起块卡住，解除锁紧状态。第三挡轮能够处于固定状态。通过改变拉杆的状态，使第三挡轮打开或锁紧。该机构不仅操作简单、方便，且锁紧可靠，保障消防水带自动收放器的安全性能。

图2 锁紧机构

2.2.2 调速机构的设计

消防水带自动收放器的调速机构是控制水带下落速度的安全结构，利用该结构得调速特性，对消防水带的下落速度进行控制，如图3所示。在一组挡轮机构中，第二挡轮在中间位置且在第一挡轮、第三挡轮的上方，第一挡轮和第三挡轮在两边，水带从第二挡轮与第一挡轮、第三挡轮之间的间隙下滑。通过旋转挡轮上方的调速机构控制挡轮之间的间隙，调节压紧水带的力，达到可以控制水带下滑速度的目的。调速机构用来保证消防水带在下落时速度可调，避免水带下落过快或过慢；通过旋转挡轮上方的转轮，调节挡轮的间隙，实现调速功能。

图3 调速机构

2.2.3 自动收放器的悬伸杆设计

悬伸杆采用可调角度的设计，保证水带可迅速下滑。由于连接杆与角钢架采用插杆连接，使悬伸杆角度可调，如图4所示。悬伸杆的角度调节保证了水带在各种恶劣环境仍能顺利下滑，最终保证消防水带收放器的实用性。

图4 悬伸杆

3 主要零部件的静态载荷分析

消防水带自动收放器的零部件很多，其中角钢支架和悬伸杆是整个自动收放器的核心部分，且受力较大。其关系到整个装置能否稳定固定在窗台上，及水带能否顺利垂直下滑。本文通过Solid Works Simulation对其应力和位移进行静态载荷分析[4-5]。首先建立简化模型，分析插杆在滑动腿固定在窗台的受力情况，及下落不同长度的消防水带悬伸杆的受力情况，分析假定构件连接部位坚实可靠，并忽略焊接因素的影响，最终定义角钢支架和悬伸杆的材料属性如表1所示。

表1 角钢支架和悬伸杆的材料属性

在对角钢支架和悬伸杆的静态载荷进行分析时，对连接面的所有自由度进行了约束，做到最大程度的满足实际情况。所以主要考虑了角钢支架和悬伸杆在承受最大载荷的工作状况下，对其进行受力情况和变形情况的分析。通过分析计算可知，最后得出角钢支架受力最大为1 526 Pa，悬伸杆最大受力为1 316 Pa。

在实际工作中，需要考虑装置会受到环境影响，所以计算中对施加的外力需乘以3倍的冲击系数来保证装置的安全可靠性能。其中角钢支架载荷施加情况如图5所示，悬伸杆载荷施加情况如图6所示。

图5 角钢支架载荷施加图

图6 悬伸杆载荷施加图

本次对部件网格的划分和计算由Solid Works Simulation完成，同时给予详细的细节信息。首先对模型进行网格划分，待其完成后，需要对零件进行自动运算分析，最终生成算例结果，主要包含的结果分为应力图和位移图。角钢支架输出的应力如图7所示，位移如图8所示。悬伸杆的输出应力如图9所示，位移如图10所示。通过应力图和位移图得出结构连接位置为最大变形和受力点，其他位置的变形和受力分布较为均匀。

通过总结算例结果，清楚的分析出角钢支架和悬伸杆的主要数据，如表2所示。结果表明，角钢支架和悬伸杆满足材料的许用强度。最终证明，在正常工作状态下，角钢支架和悬伸杆的可靠性和稳定性可以保证。

图7 角钢支架应力图

图8 角钢支架位移图

图9 悬伸杆应力图

4 结束语

通过对消防水带自动收放器的设计，有效的节省了水带的垂直铺设和收放时间。其设计结构巧妙，实现了高楼水带的垂直铺设、自动收放，降低了劳动强度，提高了消防官兵的工作效率。此装置采用锁紧机构、调速机构，并且使用Solid Works Simulation软件对该装置的角钢支架和悬伸杆进行了静态载荷分析，在最接近实际救援环境的基础上，定义了载荷和约束，使模型能够达到最接近实际受载情况的目的，保证该装置在实际使用中的可靠性。

表2 模型静态载荷分析结果

参考文献：

[1] 冯怡然,刘磊,芦金石,等.消防水带晾晒自动收卷装置[J].消防科学与技术,2016,35(3):397-401.

[2] 李焕群,卢立红,康青春.消防水带及接口抗拉强度试验研究[J].消防科学与技术,2014,34(10):1172-1174.

[3] 刘金荣,刘菊.一种新型的浮卷式塑苫收放自动控制系统[J].盐业与化工,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] 马纲,盛卫锋,黄观军.一种新型收卷模型的力学分析[J].轻工机械,2001(3):15-17.