摘要：基于模塊化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，在現(xiàn)有自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，從產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)理念和維修安全等角度出發(fā)，引入通用性和集成性設(shè)計(jì)方法，開展相應(yīng)設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用案例實(shí)施，完成對(duì)自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、材料工藝的改良以及工業(yè)造型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置；模塊化；通用設(shè)計(jì)；集成性

引言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快和高大空間建筑體的增多，大空間滅火安全問題變得日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)受限于滅火高度或依賴于人工報(bào)警和操作，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，滅火效率低。因此，自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置的研究和發(fā)展顯得尤為重要。這種滅火系統(tǒng)能夠充分運(yùn)用紅紫外探測(cè)、視頻圖像算法和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火情，在火災(zāi)初期自動(dòng)定位火源，迅速啟動(dòng)滅火程序，顯著提升滅火響應(yīng)速度和撲救效率，大大減少因火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)減少消防人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為高大空間場(chǎng)所的消防安全提供了有力保障。

一、自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置現(xiàn)有設(shè)計(jì)分析

一般自動(dòng)跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)包括滅火裝置、探測(cè)組件、控制組件、水流指示器、模擬末端試水裝置以及管網(wǎng)、供水設(shè)施等主要組件。系統(tǒng)可分為自動(dòng)消防炮滅火系統(tǒng)、噴射型自動(dòng)射流滅火系統(tǒng)和噴灑型自動(dòng)射流滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心功能組件為自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮），裝置上集成安裝控制組件和探測(cè)組件。近年來，自動(dòng)跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)在我國(guó)眾多的展覽廳、體育場(chǎng)館、帶有大型中庭的商業(yè)建筑、工業(yè)廠房、劇院、機(jī)場(chǎng)與火車站的候車廳等各類公共場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)已日趨成熟，但核心部件仍存在不少缺陷，需要對(duì)系統(tǒng)中的自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）進(jìn)行設(shè)計(jì)改良與優(yōu)化。

在產(chǎn)品性能上，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）的射流性能仍有很大提升空間。大部分廠家缺乏對(duì)裝置炮體流道性能的了解，炮體流道壓力損失較大，導(dǎo)致射出的水流雖然射程和流量達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求，但是實(shí)際射流不夠集中，大部分水流均勻散布在射流路徑上，滅火效果較差。在設(shè)計(jì)理念上，市場(chǎng)上現(xiàn)有大部分產(chǎn)品為節(jié)約成本，炮體普遍使用不銹鋼彎管型材等標(biāo)準(zhǔn)件焊接而成，重量較重。當(dāng)?shù)跹b安裝時(shí)，會(huì)因焊縫開裂、緊固件失效或其他因素等，從而導(dǎo)致裝置從十幾米甚至幾十米高空墜落，將產(chǎn)生極大的安全危害和財(cái)物損失。少部分的產(chǎn)品炮體會(huì)采用較輕的鋁合金鑄造工藝，相比重量更輕，但集成設(shè)計(jì)性差，對(duì)探測(cè)組件和控制組件的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不緊湊，只考慮滿足基本的使用功能，沒有進(jìn)一步優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)和方式。在維修上，現(xiàn)有產(chǎn)品的維修大多不便，大部分裝置都是一體式焊接的炮體，不易拆裝，一旦出現(xiàn)局部損壞，就需要進(jìn)行整體更換，無(wú)法更換維修某一部件或者進(jìn)行回收再次使用。裝置基本都是安裝在距離地面8米至25米的高度，維修人員需要在這個(gè)高度上進(jìn)行整拆整裝，現(xiàn)場(chǎng)維修難度很大。因此，盡管自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置在火災(zāi)防控方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨射流形態(tài)不集中、吊裝安全性差、焊點(diǎn)易斷裂、集成設(shè)計(jì)弱、維修不便以及造型簡(jiǎn)陋等問題，迫切需要依據(jù)新的設(shè)計(jì)思想與理念，對(duì)裝置（消防炮）進(jìn)行設(shè)計(jì)改良與優(yōu)化。

二、模塊化設(shè)計(jì)思想的引入和實(shí)施案例

（一）研究?jī)?nèi)容與方法

模塊化設(shè)計(jì)是一種將系統(tǒng)或產(chǎn)品劃分為一系列相互獨(dú)立、具有特定功能的模塊，并通過標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行連接和通信的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)的目的在于提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和重復(fù)利用性，同時(shí)降低開發(fā)、制造的成本和風(fēng)險(xiǎn)。不同模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)模塊之間的兼容性。模塊化設(shè)計(jì)可以將復(fù)雜的系統(tǒng)或產(chǎn)品分解成相對(duì)簡(jiǎn)單的模塊，使得開發(fā)和制造過程更加高效與可控。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）炮體一般包括進(jìn)水法蘭、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成、炮體彎管、垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成、出水口以及控制和探測(cè)組件等部分，其中進(jìn)水法蘭作為進(jìn)水端，與消防配套法蘭配合安裝，現(xiàn)場(chǎng)一般采取吊裝方式，偶爾也會(huì)使用座裝方式。水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成可以實(shí)現(xiàn)裝置水平方向旋轉(zhuǎn)，垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成可實(shí)現(xiàn)水炮垂直方向旋轉(zhuǎn)。通過以上兩種機(jī)構(gòu)總成，從而實(shí)現(xiàn)裝置在水平和俯仰方向上無(wú)死角噴射水流滅火。炮體彎管用于改變水流行進(jìn)方向，過渡水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成和垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成的配合安裝，保證出水方向和進(jìn)水方向在一個(gè)軸心線上，避免因射流的后坐力導(dǎo)致裝置產(chǎn)生偏移。控制組件包括驅(qū)動(dòng)裝置（電機(jī)）、接線盒、線纜等，對(duì)水炮的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，作為配件安裝在炮體上。探測(cè)組件包括紫外探測(cè)、紅外定位、圖像定位和攝像頭等，一般集成式安裝于炮體出口附近，在火災(zāi)初期能觸發(fā)裝置啟動(dòng)，在水平和俯仰兩個(gè)方向上探測(cè)并追蹤火焰的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，聯(lián)動(dòng)火災(zāi)聲光報(bào)警等信號(hào)，實(shí)時(shí)啟動(dòng)水泵和閥門，對(duì)火焰進(jìn)行追蹤式滅火。

以模塊化設(shè)計(jì)的思想為指導(dǎo)，可以解決裝置炮體多種零部件的互換性和維修性，如設(shè)計(jì)兩種或三種通用型零件作為炮體拼接的基本單元，統(tǒng)型設(shè)計(jì)水平和垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，用相同的結(jié)構(gòu)接口和安裝形式，模塊化拼裝實(shí)現(xiàn)裝置炮體的總裝結(jié)構(gòu)。同時(shí)，從通用設(shè)計(jì)的角度，考慮裝置炮體長(zhǎng)度的延展和角度的變更等功能，從而為以后產(chǎn)品的迭代升級(jí)提供更便利和低成本的可能性。最終集成后的結(jié)構(gòu)方案將僅用一個(gè)規(guī)格的工具，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置炮體的結(jié)構(gòu)性拆解與裝配。如果裝置炮體產(chǎn)生損壞或其他問題，也只需要更換對(duì)應(yīng)的零部件即可，降低了裝置維護(hù)難度和成本，縮短了現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)間。

在材料工藝上，現(xiàn)有常見的自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）炮體，一般采用標(biāo)準(zhǔn)型材焊接或整體鑄造，其中彎管與直管、彎管與彎管、彎管與法蘭之間均是通過焊接連接或整體成型，組成的炮體部件不可以重新拆分，一旦出現(xiàn)局部損壞，則需要整體更換，無(wú)法回收再利用。同時(shí)，組成裝置的彎管與彎管角度一旦焊接定型，就無(wú)法變更和調(diào)整，如果需要在結(jié)構(gòu)形式上調(diào)整炮體的外形尺寸，就必須重新設(shè)計(jì)和焊接新的裝置炮體。另外，現(xiàn)有炮體流道多為空心圓管，水流行進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生紊流效果，導(dǎo)致壓力損失較大，最終出水口的水流實(shí)際壓力遠(yuǎn)小于進(jìn)水口的水流壓力，噴射出的水流射程近，水形不集中，滅火效果差。

同不銹鋼焊接工藝相比，鋁合金鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)零件的通用化、最小化和定制化設(shè)計(jì)，同時(shí)鋁合金零件的重量只有同體積不銹鋼的1/3。模塊化的零件設(shè)計(jì)可以降低鋁鑄造開模的難度，通用化的零件設(shè)計(jì)可避免開發(fā)多套鑄造模具，降低主體零件的BOM清單和生產(chǎn)成本。此外，在鋁合金鑄造的基礎(chǔ)上，通過機(jī)床對(duì)鑄造毛坯的加工，可有效提升裝置的加工精度和裝配一致性。

在工業(yè)造型上，現(xiàn)有市場(chǎng)上的自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置結(jié)構(gòu)形式單一，多數(shù)遵循形式追隨功能的設(shè)計(jì)理念，在整體布局和結(jié)構(gòu)外觀上大同小異，市場(chǎng)上的產(chǎn)品難以體現(xiàn)差異性，在價(jià)格成本上往往也是依據(jù)材料的用量多少來進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，最終形成劣幣驅(qū)逐良幣的惡性競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，整體市場(chǎng)環(huán)境目前也是趨于質(zhì)量下限的競(jìng)爭(zhēng)形式。

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的本質(zhì)是創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要手段是工業(yè)設(shè)計(jì)。從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置相關(guān)行業(yè)發(fā)展與應(yīng)用程度還存在不足，有相當(dāng)大的可提升空間。因此，自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置應(yīng)從造型創(chuàng)新入手，探尋提升裝置產(chǎn)品品質(zhì)的設(shè)計(jì)方式，從工業(yè)造型設(shè)計(jì)出發(fā)，在結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，包括對(duì)加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，使裝置產(chǎn)品造型充滿科技感和肌肉感，更具產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。因此，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋁鑄造工藝和工業(yè)產(chǎn)品造型等方面出發(fā)，以模塊化思想為指導(dǎo)，完成對(duì)自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置的改良優(yōu)化設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。

（二）應(yīng)用案例與實(shí)施

本文從實(shí)際案例出發(fā)，擬設(shè)計(jì)一款基于模塊化設(shè)計(jì)理念，適用于自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置炮體的新設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)解決炮體零部件的互換性和維修性，降低維護(hù)成本，縮短維修時(shí)間；解決焊接工藝影響到產(chǎn)品的整體美觀性、焊縫連接失效性、加工尺寸的精確性和裝配的一致性等問題；考慮炮體的可拓展性，能夠方便快捷地增減炮體尺寸和調(diào)整炮體角度；對(duì)炮體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，使得水壓引發(fā)的應(yīng)力能夠均勻分散于炮體上，增加炮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全系數(shù)，提升產(chǎn)品的工業(yè)造型效果。

如圖1所示，在案例中選取裝置中的蝸輪蝸殼組件（序號(hào)6）、補(bǔ)償連接法蘭（序號(hào)7）和90°彎頭（序號(hào)10）三種零件，作為模塊化的基本單元零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。零件統(tǒng)一采取鑄造工藝，鑄模簡(jiǎn)易，再以機(jī)加工的形式保證零件的加工精度和裝配的一致性。通過積木式的螺釘鉚接方式，組成一個(gè)完整的炮體結(jié)構(gòu)。裝置炮體僅使用同一種規(guī)格的螺釘緊固件和標(biāo)準(zhǔn)的接口形式進(jìn)行模塊化組合，模塊和模塊之間通過緊固件（序號(hào)2，3，4，8，9）和密封圈（序號(hào)5）進(jìn)行固定和密封，在安裝和維修時(shí)也僅需一個(gè)規(guī)格的扳手即可進(jìn)行操作，最終裝置的BOM組成簡(jiǎn)單，零件種類不超過10個(gè)，具備優(yōu)異的互換性和維修性。

基于上述的模塊化設(shè)計(jì)方案，還可拓展新的炮體外形與形式，可以任意組合模塊，將裝置延伸任意長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)一定角度，從而依據(jù)需求組裝成對(duì)應(yīng)的消防炮體，為以后的產(chǎn)品升級(jí)和修改提供了更多的可能性，如圖2所示。

以工業(yè)造型和仿真分析為基礎(chǔ)，在補(bǔ)償連接法蘭和90°彎頭零件上，還針對(duì)性設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋、孔和安裝凸臺(tái)等細(xì)節(jié)特征，在增加產(chǎn)品美觀性的同時(shí)，加強(qiáng)筋還有效分散了水壓引發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，通孔和凸臺(tái)的設(shè)計(jì)也有利于炮體的控制和探測(cè)組件的安裝與布線。如圖3所示，運(yùn)用仿真軟件對(duì)炮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，計(jì)算條件為相同水壓下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布?？梢缘贸瞿K化組合的彎管結(jié)構(gòu)，相對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的不銹鋼焊接彎管結(jié)構(gòu)，應(yīng)力相對(duì)更分散和應(yīng)力分布更均勻。同時(shí)，炮體的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所加強(qiáng)，變形位移量極小，總體安全系數(shù)最低值從88提升至15。

結(jié)語(yǔ)

模塊化設(shè)計(jì)理念提高了零件的通用性和互換性，僅用一個(gè)規(guī)格的扳手即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)炮體的結(jié)構(gòu)性拆解與裝配。如果炮體出現(xiàn)損壞或是其他問題，也只需要更換對(duì)應(yīng)的零部件即可，降低了客戶的維護(hù)成本，縮短了現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)間。與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比，新的應(yīng)用案例更美觀和實(shí)用，強(qiáng)度更高，表面沒有焊縫或者焊疤，整體科技感和肌肉感十足。在自動(dòng)跟蹤定位射流滅火裝置的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加模塊化設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品維護(hù)和升級(jí)變得更加靈活和便捷，有助于該系統(tǒng)在各種環(huán)境下提供更可靠的防火保障，對(duì)現(xiàn)代建筑大空間火災(zāi)防控具有深遠(yuǎn)意義。

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