推車式干粉滅火器設(shè)計計算書.doc

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推車式干粉滅火器 設(shè) 計 計 算 書 編寫： 日期： 審核： 日期： 批準(zhǔn)： 日期： 目 錄 1、 目的及適用范圍 2、 產(chǎn)品設(shè)計依據(jù) 3、 滅火器設(shè)計壓力和工作壓力的計算 4、 滅火器水壓試驗壓力計算 5、 滅火器筒體材料的選擇 6、 滅火器筒體壁厚的計算 7、 筒體爆破壓力的計算 8、 筒體容積的計算 9、 器頭螺紋連接強度的校核計算 10、 開啟力計算 1、目的及適用范圍 MFTZ/ABC型推車式干粉滅火器由筒體、器頭、噴射系統(tǒng)、推車行走系統(tǒng)、開啟機構(gòu)等組成，利用氮氣為驅(qū)動氣體，將筒體內(nèi)的ABC干粉滅火劑以粉霧狀噴出撲滅火焰，是一種高效能的滅火器，它主要適用于撲救易燃液體、可燃氣體和電器設(shè)備的初起火災(zāi)，還能撲滅棉、麻織品、木竹等固體物質(zhì)的初起火災(zāi)。為確保滅火器性能符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，特對滅火器的設(shè)計壓力、筒體強度、容積等主要技術(shù)參數(shù)進行計算。 本設(shè)計計算書適用于MFTZ/ABC35型推車式干粉滅火器。 2、產(chǎn)品設(shè)依據(jù) GB8109-2005 《推車式滅火器》 GB4066.2-2004《干粉滅火劑 第2部分：ABC干粉滅火劑》 GB5100-1994《鋼質(zhì)焊接氣瓶》 《機械工程手冊》⑸ 機械工業(yè)出版社 《物理化學(xué)》 上?；W(xué)院胡美等編 3、滅火器設(shè)計壓力和工作壓力的計算 根據(jù)GB8109-2005的規(guī)定，MFTZ/ABC35型推車式干粉滅火器使用溫度范圍為-20℃~+55℃，為確保在-20℃時的噴射性能，根據(jù)試驗證明，當(dāng)滅火器氮氣壓力為1.04Mpa（表壓）時，低溫噴射性能符合GB8109-2005的要求。為保證-20℃時滅火器內(nèi)部壓力為1.04MPa（表壓），+20℃時應(yīng)充裝氮氣壓力和+55℃時滅火器內(nèi)部平衡壓力由《物理化學(xué)》中查理定律可計算為： 式中：P —-20℃時滅火器內(nèi)部平衡壓力Mpa Ps —+20℃時滅火器內(nèi)部平衡壓力Mpa Pms — +55℃時滅火器內(nèi)部平衡壓力Mpa T — -20℃對應(yīng)的絕對使用溫度 -20+273=253K Ts — +20℃對應(yīng)的絕對使用溫度 +20+273=293K Tms —+55℃對應(yīng)的絕對使用溫度 +55+273=328K 則： 由計算結(jié)果和工作壓力（Ps），設(shè)計壓力（即最大工作壓力Pms）的定義，可確定推車干粉滅火器的工作壓力（按額定充裝和加壓的滅火器在20℃中放置18h后內(nèi)部平衡壓力）為1.2Mpa，設(shè)計壓力即最大工作壓力（按額定充裝和加壓的滅火器在55℃環(huán)境中放置18h后內(nèi)部平衡壓力）經(jīng)試驗證明為1.4MPa。 4、滅火器水壓試驗壓力計算 根據(jù)GB8109-2005第6.10.1.1條款規(guī)定：推車式滅火器的鋼質(zhì)焊接筒體的材料、設(shè)計、制造、檢驗規(guī)則和試驗方法應(yīng)符合GB5100的要求。其中水壓試驗壓力Pt為1.5倍的最大工作壓力Pms或2.0MPa，取其中較大者 Pt=1.5Pms 式中：Pt—水壓試驗壓力MPa Pms—最大工作壓力MPa 則 Pt=1.51.4=2.1MPa 由計算結(jié)果，可確定MFTZ/ABC35型推車式干粉滅火器水壓試驗壓力為2.1MPa。 5、滅火器筒體材料的選擇 根據(jù)GB5100-1994標(biāo)準(zhǔn)中第5.1條款的規(guī)定，考慮到材料的機械性能等條件，擬選定HP295氣瓶鋼板，其機械性能按Q/BQB321-94-寶山鋼鐵（集團）公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《焊接氣瓶用熱軋鋼板及鋼帶》如表1： 表1 牌號 屈服點σs MPa 抗拉強度σb MPa 伸長率δs% HP295 ≥295 ≥440 ≥26 6、滅火器筒體壁厚的計算 6.1計算方法及計算公式 MFTZ/ABC35型滅火器筒體上下封頭采用沖壓成形工藝制造，筒體采用鋼板卷圓，與封頭拼焊的工藝制造。由于筒身和封頭最小壁厚計算不一，所以兩者分別計算，整體選定鋼板厚度應(yīng)滿足其中較大值。 6.1.1筒體的設(shè)計壁厚（即最小壁厚）計算，按GB5100-94標(biāo)準(zhǔn)中第5.5.1條款規(guī)定的公式計算： 式中： S1—筒體設(shè)計壁厚mm Ph—筒體水壓試驗壓力MPa Di—筒體內(nèi)徑mm σs—屈服應(yīng)力或常溫下材料屈服點MPa φ—焊縫系數(shù) φ=0.9 6.1.2封頭設(shè)計壁厚計算，按GB5100-94標(biāo)準(zhǔn)中第5.5.2條款規(guī)定的公式計算： 式中：S2 —封頭設(shè)計壁厚mm K—封頭形狀系數(shù)K，對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（Hi=0.25Di），K=1 6.1.3整體瓶體設(shè)計壁厚計算按GB5100-94標(biāo)準(zhǔn)中第5.5.3條款規(guī)定應(yīng)符合。 a 當(dāng)鋼瓶內(nèi)直徑Di＜250mm時，不小于2mm。 b 當(dāng)鋼瓶內(nèi)直徑Di≥250mm時，不小于按下式計算的厚度 式中：S—瓶體設(shè)計壁厚mm D0—鋼瓶外直徑mm 6.1.4鋼瓶筒體和封頭的名義壁厚按GB5100-94標(biāo)準(zhǔn)中第5.5.4條款規(guī)定應(yīng)相等，確定瓶體的名義厚度時 ，應(yīng)考慮腐蝕量、鋼板厚度負偏差和工藝減薄量。 6.2計算 6.2.1 MFTZ/ABC35型滅火器筒體設(shè)計壁厚（即最小壁厚）計算 其中： Ph = 2.1MPa Di = 314mm σs = 295MPa φ=0.9 局部射線探傷縱焊縫系數(shù) 則: MFTZ/ABC35型滅火器筒體設(shè)計壁厚為1.62mm。 6.2.2MFTZ/ABC35型滅火器封頭設(shè)計壁厚（即最小壁厚）計算 其中： K = 1 則：MFTZ/ABC35型滅火器封頭設(shè)計壁厚為1.46mm。 6.2.3 MFTZ/ABC35型滅火器瓶體設(shè)計壁厚（即最小壁厚）計算 其中：D0=320mm 則： ∴MFTZ/ABC35型滅火器瓶體設(shè)計壁厚應(yīng)為2.28mm。 6.3 MFTZ/ABC35型滅火器瓶體名義壁厚的確定 6.3.1根據(jù)GB5100-94第5.5.4條款規(guī)定，瓶體的名義壁厚確定時，應(yīng)考慮腐蝕量、鋼板厚度負偏差和工藝減薄量。 6.3.2鋼板負偏差按GB708-65《軋制薄鋼板厚度的允許偏差表》中查得有關(guān)厚度的允許偏差列于表2 表2(mm) 鋼 板 厚 度 mm 允 許 偏 差 mm 精 度 級 別 2.5 2.8~3 3.2~3.5 A高精度 0.15 0.16 0.18 B較高精度 0.17 0.18 0.20 設(shè)計選用B較高精度 6.3.3工藝減薄量 由于封頭采用拉伸成型，考慮拉伸工藝減薄量≤5%可取0.05mm。 6.3.4鋼瓶名義壁厚確定為表3 表3(mm) 參 數(shù) mm 型 號 筒體設(shè)計壁厚S1 封頭設(shè)計壁厚S2 瓶體設(shè)計壁厚S 工藝減薄量 鋼板負偏差 瓶體名義壁厚 MFTZ/ABC35型 1.62 1.46 2.28 0.05 0.18 ＞2.51選定為3mm 根據(jù)計算值，考慮到鋼板厚度負偏差，腐蝕量及封頭拉伸的工藝減薄量，以及便于采購管理等因素，從而確定MFTZ/ABC35型瓶體的筒身和封頭選用HP295氣瓶鋼板（普通軋制精度），厚度選定為3.0mm，允許鋼板偏差0.18mm。 7、滅火器筒體爆破壓力的計算 7.1計算方法及計算公式 推車式干粉筒體爆破壓力計算按GB5100-94第5.2.3.6條款的規(guī)定：鋼瓶爆破試驗結(jié)果應(yīng)符合下列規(guī)定： a 在試驗壓力Ph下，鋼瓶的容積殘余變形率不大于10%； b 爆破壓力實測值Pb，不小于按下式計算的結(jié)果： 式中： Pb—鋼瓶實測爆破壓力MPa σb—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強度MPa D0—鋼瓶外直徑mm Sb—瓶體實測最小壁厚mm，此時擬Sb=S代入 c 鋼瓶破裂時的容積變形率（鋼瓶容積增加量與試驗前瓶體實際容積比）不小于下表的規(guī)定： 瓶體長度與公稱直徑比L/D σb MPa ≤360 ＞360~490 ＞490 容積變形率% ＞1 20 15 12 ≤1 14 20 8 d 鋼瓶破裂不產(chǎn)生碎片，爆破口不發(fā)生在封頭上（只有一條環(huán)焊縫，L≤2D0的鋼瓶除外），縱焊縫及其熔合線上，環(huán)焊縫上（垂直于環(huán)焊縫除外）。 e 鋼瓶的爆破口為塑性斷口，即斷口上有明顯的剪切唇，但沒有明顯的金屬缺陷。 7.2計算 7.2.1MFTZ/ABC35型推車式干粉滅火器筒體在水壓試驗壓力2.1MPa下，鋼瓶的容積殘余變形率不大于10%。 7.2.2MFTZ/ABC35型滅火器筒體爆破壓力的實測值Pb計算 其中：Sb= 2.28mm σb =440MPa D0=320mm 則： ∴MFTZ/ABC35型滅火器爆破壓力實測值應(yīng)大于等于6.3MPa。 7.2.3 MFTZ/ABC35型滅火器筒體破裂時的容積變形率計算 MFTZ/ABC型推車干粉滅火器筒體長度與公稱直徑比L/D≥1，σb=440MPa，則：MFTZ/ABC35型滅火器筒體破裂時的容積變形率不小于15%。 8、滅火器筒體容積的計算 8.1MFTZ/ABC型滅火器筒體的理論容積的計算 由GB4066.2-2004標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定ABC干粉滅火劑的松密度≥0.80g/ml，廠方公布值0.1，我公司設(shè)計選定的ABC干粉滅火劑的充裝系數(shù)為0.85g/ml 滅火器筒體理論容積的計算公式 式中：W—表示標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的充裝量kg f—ABC干粉滅火劑的松密度，f=0.85g/ml 則：MFTZ/ABC35型滅火器筒體理論容積為 ∴MFTZ/ABC35型滅火器筒體理論容積為41.180.83L。 8.2 MFTZ/ABC35型滅火器筒體實際容積的計算 8.2.1初定筒體幾何形狀及尺寸如圖示： V1 V2 V3 h1 h2 h3 h MFTZ/ABC35型滅火器筒體實際參數(shù)選定為 規(guī) 格 參 數(shù) mm MFTZ/ABC35 Di 314 h 625 h1=h3 72.5 h2 480 8.2.2MFTZ/ABC35型滅火器筒體實際容積計算公式 V實 = V1+V2+V3 其中：V1 = V3—橢圓形封頭容積 L V2 —圓柱形筒體容積L Di— 筒體內(nèi)直徑mm h2 — 圓柱形筒身高度mm h1— 封頭內(nèi)凸面高度mm，按GB5100-94第5.4.3條款規(guī)定h1≥0.2Di的要求,即： MFTZ/ABC35型滅火器筒體 h1≥0. 2Di=0. 2314=62.8mm 取h1=72.5mm 8.2.3 MFTZ/ABC35型滅火器筒體實際容積計算 V實 =V1+V2+V3=2V1+V2 V實 =2V1+V2 =23.74+37.17=44.65L 即MFTZ/ABC35型滅火器筒體實際容積為44.65L。 9、筒體與器頭連接螺紋強度計算 9.1計算方法和公式 筒體與器頭連接的螺紋為M521.5（見圖示、），該螺紋的連接由非標(biāo)準(zhǔn)螺紋零件構(gòu)成，屬于受軸向載荷的預(yù)緊聯(lián)接，因此除應(yīng)校核該螺紋聯(lián)接的抗拉強度外，還需校核螺紋牙的剪切強度和彎曲強度，按《機械工程手冊》⑸中有關(guān)螺紋強度計算的公式進行。 9.1.1螺紋連接抗拉強度計算公式 式中：σL—螺紋部分危險剖面拉應(yīng)力 N/mm2 PΣ—螺紋部分的總拉力 N PΣ = （K0+Kc）P=（1.8+0.2）P=2P K0—預(yù)緊系數(shù)，對有緊密性要求的壓力容器，查《機械工程手冊》⑸表27.2~12選取K0=1.8。 Kc—剛性系數(shù)，查《機械工程手冊》⑸表27.2~11選Kc=0.2 P—最大壓力對筒體連接螺紋的載荷 N 式中：Am—密封口受力處最大面積 mm2 d—密封口直徑見圖示2.3 Pmax—最大壓力 N/mm2 Am—螺紋零件受力部分最小剖面積 mm2 ［σ］L— 螺紋零件的許用拉應(yīng)力 N/mm2 9.1.2螺紋牙剪切強度計算公式 外螺紋 內(nèi)螺紋 式中： τ—螺紋牙的剪切應(yīng)力N/mm2 d1—螺紋內(nèi)徑 mm d—螺紋外徑 mm PΣ—與9.1.1款內(nèi)容相同 N b—螺紋牙根的寬度 mm 普通螺紋b=0.87t mm t—螺距 mm z—旋合圈數(shù) ［τ］— 螺紋牙的許用剪切應(yīng)力 N/mm2 Kz—考慮螺紋各圈載荷不均的系數(shù)，內(nèi)螺紋為鋼、外螺紋為銅，且d/t＞9時，Kz = 0.56~0.75,校核時取0.56 9.1.3螺紋牙彎曲強度計算公式 外螺紋 內(nèi)螺紋 式中：σw—螺紋牙的彎曲應(yīng)力 N/mm2 ［σ］w —螺紋牙的許用彎曲應(yīng)力 N/mm2 h—螺紋牙的公稱工作高度 查GB196-63《普通螺紋尺寸》h=0.5413 t Pz、Kz、d1、b、z、d同9.1.2款內(nèi)容相同 9.2設(shè)計選定的參數(shù) 9.2.1圖2筒體頸口螺紋M521.5，采用冷軋無縫鋼管20#，從YB231-70《無縫鋼管》中查得σb=42kgf/mm2=411.6N/mm2，σs=25kgf/mm2=245N/mm2。 圖3器頭螺紋M521.5，選用材料為鉛黃銅HPb59-1，從YB460-71中查得 σb=350N/mm2，σs=145N/mm2 9.2.2螺紋連接的各部位尺寸見圖示 9.2.3最大壓力的確定：筒體和連接零件按GB8109-2005要求必須能經(jīng)受爆破試驗,因此爆破壓力即為最大壓力,由第7條款可知： Pmax=Pb=6.3MPa 9.3筒體頸口內(nèi)螺紋的連接,只需校核螺紋牙的剪切強度和彎曲強度,因為頸口內(nèi)螺紋受力最薄弱處（圖示2A處）未受到螺紋的拉力，只受到筒體的內(nèi)壓力與筒身部位受力相同，該零件設(shè)計選用材料為冷軋無縫鋼管20#，抗拉強度和屈服強度與筒體材料基本相同，而最薄弱處的厚度大于筒體壁厚，直徑比筒體直徑小好幾倍，所以抗拉強度足夠，可以免做計算。 9.3.2筒體頸口內(nèi)螺牙剪切強度校核 9.3.2.1筒體頸口內(nèi)螺牙剪切強度的計算按9.1.2款公式進行. 9.3.2.2筒體頸口內(nèi)螺牙剪切強度的計算 式中：PΣ=2P d0=58mm Kz=0.56 d=52mm b=0.87t1.5=1.305mm z=6圈 則 9.3.2.3螺紋許用剪切應(yīng)力［τ］的計算,查《機械工程手冊》五卷，表27.2~22 式中：σs—螺紋材料屈服強度 N/mm2,見9.2.1條款內(nèi)容 9.3.2.4校核結(jié)果 MFTZ/ABC35型滅火器頸口內(nèi)螺紋牙剪切強度τ=20.8N/mm2＜［τ］=98N/mm2強度足夠。 9.3.3筒體頸口內(nèi)螺牙彎曲強度校核 9.3.3.1筒體頸口內(nèi)螺牙彎曲強度的計算按9.1.3款公式進行 9.3.3.2筒體頸口內(nèi)螺牙彎曲強度的計算 式中： PΣ=2P=216645.1=33290.2N h=0.5413t=0.54131.5=0.81195mm Kz=0.56 d=52mm b=0.87t=1.305mm z=6圈 則 9.3.3.3螺紋許用彎曲應(yīng)力的計算 查《機械工程手冊》（五卷）表27.2~6及27.2~22規(guī)定 式中:［τ］—許用拉應(yīng)力 N/mm2 σs — 材料屈服極限 N/mm2 n—安全系數(shù)，不控制預(yù)緊力時，查《機械工程手冊》五卷，表27.2~24 n=2 9.3.3.4校核結(jié)果 MFTZ/ABC35型滅火器頸口螺紋 彎曲強度σw =86.7N/mm2＜［σ］w =122.5N/mm2，強度足夠。 9.4器頭外螺紋連接強度計算 9.4.1器頭外螺紋要承受筒體內(nèi)壓力和密封的預(yù)緊力，其材料為鉛黃銅，其抗拉強度低于筒體頸口內(nèi)螺紋的材質(zhì)20#鋼，因此，必須對外螺紋的剪切、彎曲強度進行校核，而器頭螺紋連接后為整體受力，抗拉強度可免于校核。 9.4.2器頭外螺牙剪切強度的校核 9.4.2.1器頭外螺牙剪切強度τ的計算按9.1.2款公式進行. 9.4.2.2 滅火器器頭外螺紋剪切強度的計算 其中：Pz=33290.2N/mm2 Kz=0.56 d1=52-1.0825t=52 -1.08251.5=50.376mm b=0.87t=1.305mm z=6圈 9.4.2.3器頭外螺紋許用剪切應(yīng)力τ的計算 9.4.2.4校核結(jié)果 MFTZ/ABC35型滅火器器頭螺紋剪切強度τ=48N/mm2＜［τ］=58N/mm2，強度足夠。 9.4.3器頭外螺紋牙彎曲強度校核 9.4.3.1器頭外螺紋牙彎曲強度計算按9.1.3款公式進行. 9.4.3.2器頭外螺紋彎曲強度的計算 式中:PΣ=33290.2 N/mm2 h=0.5413t=0.81195mm K=0.56 d1=52-1.0825t=50.376mm b=0.87t=1.305mm z=6圈 則： 9.4.3.3器頭螺紋許用彎曲應(yīng)力［σ］w的計算 查《機械工程手冊》五卷，表27.2~6及表27.2~22 式中：［σ］L—許用拉應(yīng)力N/mm2 σs—材料屈服極限N/mm2 n—安全系數(shù)，不控制預(yù)緊力時，查《機械工程手冊》五卷表27.2~24，n=1.5 9.4.3.4校核結(jié)果 MFTZ/ABC35型滅火器器頭螺紋彎曲強度σw=89.5N/mm2＜［σ］w=96.6N/mm2，強度足夠。 10、開啟力計算 滅火器閥門采用內(nèi)漲式密封，開啟滅火器閥門必須克服滅火器開啟受力圖中所示A點向上的密封力，而密封力F又等于滅火器內(nèi)靜壓力F1與彈簧力F2之和，根據(jù)GB8109-2005第6.10.5.4條款的規(guī)定，推車式滅火器在55℃時，開啟機構(gòu)和噴射控制閥的開啟力不應(yīng)大于300N。 70 15 C B A f F 滅火器開啟 受力圖 10.1滅火器開啟力計算公式 根據(jù)杠桿原理 F(AB)=f(BC) 則 ： 式中： f—滅火器開啟力N F—滅火器閥座密封力N F=F1+F2 F1—滅火器閥芯所受的靜壓力N F1=PA P—滅火器設(shè)計壓力P=1.4MPa A—閥芯密封口截面積 d—閥芯密封口內(nèi)徑 d=22mm F2—閥門開啟時彈簧工作載荷， F2 = 14.7kgf = 144.06N 10.2滅火器開啟力計算 則f≈145N＜300N 故滅火器操作機構(gòu)設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。