灭火器设计计算.docx

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灭火器设计计算

推车式干粉灭火器

设计计算书

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1、目的及适用范围

2、产品设计依据

3、灭火器设计压力和工作压力的计算

4、灭火器水压试验压力计算

5、灭火器筒体材料的选择

6、灭火器筒体壁厚的计算

7、筒体爆破压力的计算

8、筒体容积的计算

9、器头螺纹连接强度的校核计算

10、开启力计算

1、目的及适用范围

MFTZ/ABC型推车式干粉灭火器由筒体、器头、喷射系统、推车行走系统、开启机构等组成，利用氮气为驱动气体，将筒体内的ABC干粉灭火剂以粉雾状喷出扑灭火焰，是一种高效能的灭火器，它主要适用于扑救易燃液体、可燃气体和电器设备的初起火灾，还能扑灭棉、麻织品、木竹等固体物质的初起火灾。

为确保灭火器性能符合产品质量标准，特对灭火器的设计压力、筒体强度、容积等主要技术参数进行计算。

本设计计算书适用于MFTZ/ABC35型推车式干粉灭火器。

2、产品设依据

GB8109-2005《推车式灭火器》

GB4066.2-2004《干粉灭火剂第2部分：

ABC干粉灭火剂》

GB5100-1994《钢质焊接气瓶》

《机械工程手册》⑸机械工业出版社

《物理化学》上海化工学院胡美等编

3、灭火器设计压力和工作压力的计算

根据GB8109-2005的规定，MFTZ/ABC35型推车式干粉灭火器使用温度范围为-20℃~+55℃，为确保在-20℃时的喷射性能，根据试验证明，当灭火器氮气压力为1.04Mpa（表压）时，低温喷射性能符合GB8109-2005的要求。

为保证-20℃时灭火器内部压力为1.04MPa（表压），+20℃时应充装氮气压力和+55℃时灭火器内部平衡压力由《物理化学》中查理定律可计算为：

式中：

P—-20℃时灭火器内部平衡压力Mpa

Ps—+20℃时灭火器内部平衡压力Mpa

Pms—+55℃时灭火器内部平衡压力Mpa

T—-20℃对应的绝对使用温度-20+273=253K

Ts—+20℃对应的绝对使用温度+20+273=293K

Tms—+55℃对应的绝对使用温度+55+273=328K

则：

由计算结果和工作压力（Ps），设计压力（即最大工作压力Pms）的定义，可确定推车干粉灭火器的工作压力（按额定充装和加压的灭火器在20℃中放置18h后内部平衡压力）为1.2Mpa，设计压力即最大工作压力（按额定充装和加压的灭火器在55℃环境中放置18h后内部平衡压力）经试验证明为1.4MPa。

4、灭火器水压试验压力计算

根据GB8109-2005第6.10.1.1条款规定：

推车式灭火器的钢质焊接筒体的材料、设计、制造、检验规则和试验方法应符合GB5100的要求。

其中水压试验压力Pt为1.5倍的最大工作压力Pms或2.0MPa，取其中较大者

Pt=1.5×Pms

式中：

Pt—水压试验压力MPa

Pms—最大工作压力MPa

则Pt=1.5×1.4=2.1MPa

由计算结果，可确定MFTZ/ABC35型推车式干粉灭火器水压试验压力为2.1MPa。

5、灭火器筒体材料的选择

根据GB5100-1994标准中第5.1条款的规定，考虑到材料的机械性能等条件，拟选定HP295气瓶钢板，其机械性能按Q/BQB321-94-宝山钢铁（集团）公司企业标准《焊接气瓶用热轧钢板及钢带》如表1：

表1

牌号

屈服点σsMPa

抗拉强度σbMPa

伸长率δs%

HP295

≥295

≥440

≥26

6、灭火器筒体壁厚的计算

6.1计算方法及计算公式

MFTZ/ABC35型灭火器筒体上下封头采用冲压成形工艺制造，筒体采用钢板卷圆，与封头拼焊的工艺制造。

由于筒身和封头最小壁厚计算不一，所以两者分别计算，整体选定钢板厚度应满足其中较大值。

6.1.1筒体的设计壁厚（即最小壁厚）计算，按GB5100-94标准中第5.5.1条款规定的公式计算：

式中：

S1—筒体设计壁厚mm

Ph—筒体水压试验压力MPa

Di—筒体内径mm

σs—屈服应力或常温下材料屈服点MPa

φ—焊缝系数φ=0.9

6.1.2封头设计壁厚计算，按GB5100-94标准中第5.5.2条款规定的公式计算：

式中：

S2—封头设计壁厚mm

K—封头形状系数K，对于标准椭圆封头（Hi=0.25Di），K=1

6.1.3整体瓶体设计壁厚计算按GB5100-94标准中第5.5.3条款规定应符合。

a当钢瓶内直径Di＜250mm时，不小于2mm。

b当钢瓶内直径Di≥250mm时，不小于按下式计算的厚度

式中：

S—瓶体设计壁厚mm

D0—钢瓶外直径mm

6.1.4钢瓶筒体和封头的名义壁厚按GB5100-94标准中第5.5.4条款规定应相等，确定瓶体的名义厚度时，应考虑腐蚀量、钢板厚度负偏差和工艺减薄量。

6.2计算

6.2.1MFTZ/ABC35型灭火器筒体设计壁厚（即最小壁厚）计算

其中：

Ph=2.1MPa

Di=314mm

σs=295MPa

φ=0.9局部射线探伤纵焊缝系数

则:

MFTZ/ABC35型灭火器筒体设计壁厚为1.62mm。

6.2.2MFTZ/ABC35型灭火器封头设计壁厚（即最小壁厚）计算

其中：

K=1

则：

MFTZ/ABC35型灭火器封头设计壁厚为1.46mm。

6.2.3MFTZ/ABC35型灭火器瓶体设计壁厚（即最小壁厚）计算

其中：

D0=320mm

则：

∴MFTZ/ABC35型灭火器瓶体设计壁厚应为2.28mm。

6.3MFTZ/ABC35型灭火器瓶体名义壁厚的确定

6.3.1根据GB5100-94第5.5.4条款规定，瓶体的名义壁厚确定时，应考虑腐蚀量、钢板厚度负偏差和工艺减薄量。

6.3.2钢板负偏差按GB708-65《轧制薄钢板厚度的允许偏差表》中查得有关厚度的允许偏差列于表2

表2（mm）

2.5

2.8~3

3.2~3.5

A高精度

±0.15

±0.16

±0.18

B较高精度

±0.17

±0.18

±0.20

设计选用B较高精度

6.3.3工艺减薄量由于封头采用拉伸成型，考虑拉伸工艺减薄量≤5%可取0.05mm。

6.3.4钢瓶名义壁厚确定为表3

表3（mm）

筒体设计壁厚S1

封头设计壁厚S2

瓶体设计壁厚S

工艺减薄量

钢板负偏差

瓶体名义壁厚

MFTZ/ABC35型

1.62

1.46

2.28

0.05

0.18

＞2.51选定为3mm

根据计算值，考虑到钢板厚度负偏差，腐蚀量及封头拉伸的工艺减薄量，以及便于采购管理等因素，从而确定MFTZ/ABC35型瓶体的筒身和封头选用HP295气瓶钢板（普通轧制精度），厚度选定为3.0mm，允许钢板偏差±0.18mm。

7、灭火器筒体爆破压力的计算

7.1计算方法及计算公式

推车式干粉筒体爆破压力计算按GB5100-94第5.2.3.6条款的规定：

钢瓶爆破试验结果应符合下列规定：

a在试验压力Ph下，钢瓶的容积残余变形率不大于10%；

b爆破压力实测值Pb，不小于按下式计算的结果：

式中：

Pb—钢瓶实测爆破压力MPa

σb—标准规定的抗拉强度MPa

D0—钢瓶外直径mm

Sb—瓶体实测最小壁厚mm，此时拟Sb=S代入

c钢瓶破裂时的容积变形率（钢瓶容积增加量与试验前瓶体实际容积比）不小于下表的规定：

瓶体长度与公称直径比L/D

σbMPa

≤360

＞360~490

＞490

容积变形率%

＞1

20

15

12

≤1

14

20

8

d钢瓶破裂不产生碎片，爆破口不发生在封头上（只有一条环焊缝，L≤2D0的钢瓶除外），纵焊缝及其熔合线上，环焊缝上（垂直于环焊缝除外）。

e钢瓶的爆破口为塑性断口，即断口上有明显的剪切唇，但没有明显的金属缺陷。

7.2计算

7.2.1MFTZ/ABC35型推车式干粉灭火器筒体在水压试验压力2.1MPa下，钢瓶的容积残余变形率不大于10%。

7.2.2MFTZ/ABC35型灭火器筒体爆破压力的实测值Pb计算

其中：

Sb=2.28mm

σb=440MPa

D0=320mm

则：

∴MFTZ/ABC35型灭火器爆破压力实测值应大于等于6.3MPa。

7.2.3MFTZ/ABC35型灭火器筒体破裂时的容积变形率计算

MFTZ/ABC型推车干粉灭火器筒体长度与公称直径比L/D≥1，σb=440MPa，则：

MFTZ/ABC35型灭火器筒体破裂时的容积变形率不小于15%。

8、灭火器筒体容积的计算

8.1MFTZ/ABC型灭火器筒体的理论容积的计算

由GB4066.2-2004标准中规定ABC干粉灭火剂的松密度≥0.80g/ml，厂方公布值±0.1，我公司设计选定的ABC干粉灭火剂的充装系数为0.85g/ml

灭火器筒体理论容积的计算公式

式中：

W—表示标准规定的充装量kg

f—ABC干粉灭火剂的松密度，f=0.85g/ml

则：

MFTZ/ABC35型灭火器筒体理论容积为

∴MFTZ/ABC35型灭火器筒体理论容积为41.18±0.83L。

8.2MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际容积的计算

8.2.1初定筒体几何形状及尺寸如图示：

V1V2V3

h1h2h3

h

MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际参数选定为

MFTZ/ABC35

Di

314

h

625

h1=h3

72.5

h2

480

8.2.2MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际容积计算公式

V实=V1+V2+V3

其中：

V1=V3—椭圆形封头容积L

V2—圆柱形筒体容积L

Di—筒体内直径mm

h2—圆柱形筒身高度mm

h1—封头内凸面高度mm，按GB5100-94第5.4.3条款规定h1≥0.2Di的要求,即：

MFTZ/ABC35型灭火器筒体h1≥0.2Di=0.2×314=62.8mm取h1=72.5mm

8.2.3MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际容积计算

V实=V1+V2+V3=2V1+V2

V实=2V1+V2=2×3.74+37.17=44.65L

即MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际容积为44.65L。

9、筒体与器头连接螺纹强度计算

9.1计算方法和公式

筒体与器头连接的螺纹为M52×1.5（见图示、），该螺纹的连接由非标准螺纹零件构成，属于受轴向载荷的预紧联接，因此除应校核该螺纹联接的抗拉强度外，还需校核螺纹牙的剪切强度和弯曲强度，按《机械工程手册》⑸中有关螺纹强度计算的公式进行。

9.1.1螺纹连接抗拉强度计算公式

式中：

σL—螺纹部分危险剖面拉应力N/mm2

PΣ—螺纹部分的总拉力N

PΣ=（K0+Kc）P=（1.8+0.2）P=2P

K0—预紧系数，对有紧密性要求的压力容器，查《机械工程手册》⑸表27.2~12选取K0=1.8。

Kc—刚性系数，查《机械工程手册》⑸表27.2~11选Kc=0.2

P—最大压力对筒体连接螺纹的载荷N

式中：

Am—密封口受力处最大面积mm2

d—密封口直径见图示2.3

Pmax—最大压力N/mm2

Am—螺纹零件受力部分最小剖面积mm2

［σ］L—螺纹零件的许用拉应力N/mm2

9.1.2螺纹牙剪切强度计算公式

外螺纹

内螺纹

式中：

τ—螺纹牙的剪切应力N/mm2

d1—螺纹内径mm

d—螺纹外径mm

PΣ—与9.1.1款内容相同N

b—螺纹牙根的宽度mm普通螺纹b=0.87tmm

t—螺距mm

z—旋合圈数

［τ］—螺纹牙的许用剪切应力N/mm2

Kz—考虑螺纹各圈载荷不均的系数，内螺纹为钢、外螺纹为铜，且d/t＞9时，Kz=0.56~0.75,校核时取0.56

9.1.3螺纹牙弯曲强度计算公式

外螺纹

内螺纹

式中：

σw—螺纹牙的弯曲应力N/mm2

［σ］w—螺纹牙的许用弯曲应力N/mm2

h—螺纹牙的公称工作高度

查GB196-63《普通螺纹尺寸》h=0.5413t

Pz、Kz、d1、b、z、d同9.1.2款内容相同

9.2设计选定的参数

9.2.1图2筒体颈口螺纹M52×1.5，采用冷轧无缝钢管20#，从YB231-70《无缝钢管》中查得σb=42kgf/mm2=411.6N/mm2，σs=25kgf/mm2=245N/mm2。

图3器头螺纹M52×1.5，选用材料为铅黄铜HPb59-1，从YB460-71中查得

σb=350N/mm2，σs=145N/mm2

9.2.2螺纹连接的各部位尺寸见图示

9.2.3最大压力的确定：

筒体和连接零件按GB8109-2005要求必须能经受爆破试验,因此爆破压力即为最大压力,由第7条款可知：

Pmax=Pb=6.3MPa

9.3筒体颈口内螺纹的连接,只需校核螺纹牙的剪切强度和弯曲强度,因为颈口内螺纹受力最薄弱处（图示2A处）未受到螺纹的拉力，只受到筒体的内压力与筒身部位受力相同，该零件设计选用材料为冷轧无缝钢管20#，抗拉强度和屈服强度与筒体材料基本相同，而最薄弱处的厚度大于筒体壁厚，直径比筒体直径小好几倍，所以抗拉强度足够，可以免做计算。

9.3.2筒体颈口内螺牙剪切强度校核

9.3.2.1筒体颈口内螺牙剪切强度的计算按9.1.2款公式进行.

9.3.2.2筒体颈口内螺牙剪切强度的计算

式中：

PΣ=2P

d0=58mm

Kz=0.56

d=52mm

b=0.87t×1.5=1.305mm

z=6圈

则

9.3.2.3螺纹许用剪切应力［τ］的计算,查《机械工程手册》五卷，表27.2~22

式中：

σs—螺纹材料屈服强度N/mm2,见9.2.1条款内容

9.3.2.4校核结果

MFTZ/ABC35型灭火器颈口内螺纹牙剪切强度τ=20.8N/mm2＜［τ］=98N/mm2强度足够。

9.3.3筒体颈口内螺牙弯曲强度校核

9.3.3.1筒体颈口内螺牙弯曲强度的计算按9.1.3款公式进行

9.3.3.2筒体颈口内螺牙弯曲强度的计算

式中：

PΣ=2P=2×16645.1=33290.2N

h=0.5413t=0.5413×1.5=0.81195mm

Kz=0.56

d=52mm

b=0.87t=1.305mm

z=6圈

则

9.3.3.3螺纹许用弯曲应力的计算

查《机械工程手册》（五卷）表27.2~6及27.2~22规定

式中:

［τ］—许用拉应力N/mm2

σs—材料屈服极限N/mm2

n—安全系数，不控制预紧力时，查《机械工程手册》五卷，表27.2~24n=2

9.3.3.4校核结果

MFTZ/ABC35型灭火器颈口螺纹弯曲强度σw=86.7N/mm2＜［σ］w=122.5N/mm2，强度足够。

9.4器头外螺纹连接强度计算

9.4.1器头外螺纹要承受筒体内压力和密封的预紧力，其材料为铅黄铜，其抗拉强度低于筒体颈口内螺纹的材质20#钢，因此，必须对外螺纹的剪切、弯曲强度进行校核，而器头螺纹连接后为整体受力，抗拉强度可免于校核。

9.4.2器头外螺牙剪切强度的校核

9.4.2.1器头外螺牙剪切强度τ的计算按9.1.2款公式进行.

9.4.2.2灭火器器头外螺纹剪切强度的计算

其中：

Pz=33290.2N/mm2

Kz=0.56

d1=52-1.0825t=52-1.0825×1.5=50.376mm

b=0.87t=1.305mm

z=6圈

9.4.2.3器头外螺纹许用剪切应力τ的计算

9.4.2.4校核结果

MFTZ/ABC35型灭火器器头螺纹剪切强度τ=48N/mm2＜［τ］=58N/mm2，强度足够。

9.4.3器头外螺纹牙弯曲强度校核

9.4.3.1器头外螺纹牙弯曲强度计算按9.1.3款公式进行.

9.4.3.2器头外螺纹弯曲强度的计算

式中:

PΣ=33290.2N/mm2

h=0.5413t=0.81195mm

K=0.56

d1=52-1.0825t=50.376mm

b=0.87t=1.305mm

z=6圈

则：

9.4.3.3器头螺纹许用弯曲应力［σ］w的计算

查《机械工程手册》五卷，表27.2~6及表27.2~22

式中：

［σ］L—许用拉应力N/mm2

σs—材料屈服极限N/mm2

n—安全系数，不控制预紧力时，查《机械工程手册》五卷表27.2~24，n=1.5

9.4.3.4校核结果

MFTZ/ABC35型灭火器器头螺纹弯曲强度σw=89.5N/mm2＜［σ］w=96.6N/mm2，强度足够。

10、开启力计算

灭火器阀门采用内涨式密封，开启灭火器阀门必须克服灭火器开启受力图中所示A点向上的密封力，而密封力F又等于灭火器内静压力F1与弹簧力F2之和，根据GB8109-2005第6.10.5.4条款的规定，推车式灭火器在55℃时，开启机构和喷射控制阀的开启力不应大于300N。

7015

CBA

fF

灭火器开启受力图

10.1灭火器开启力计算公式

根据杠杆原理F·（AB）=f·（BC）

则：

式中：

f—灭火器开启力N

F—灭火器阀座密封力N

F=F1+F2

F1—灭火器阀芯所受的静压力N

F1=P·A

P—灭火器设计压力P=1.4MPa

A—阀芯密封口截面积

d—阀芯密封口内径d=22mm

F2—阀门开启时弹簧工作载荷，F2=14.7kgf=144.06N

10.2灭火器开启力计算

则f≈145N＜300N

故灭火器操作机构设计符合标准的要求。