黄文海
广东永强奥林宝国际消防汽车有限公司 523000
摘要：我国消防车的保有量很大，消防车在社会安全保障方面发挥了越来越重要的作用。泵管路是消防车的灭火核心部件之一，其性能的提高，是提高消防车性能的重要环节。要提高消防车泵管路系统的性能，应通过最优化设计才能最大限度地实现其性能的提升。本文就消防车泵管路最优化设计进行阐述。
关键词：消防车；泵管路；最优化设计
在过去的三十年里，我国的社会经济和文化建设取得了辉煌的成就。人们在拥有丰富的物质、文化生活的同时，对社会安全保障的要求越来越高。消防车是社会安全保障的最重要装备之一。消防车的灭火性能，对消防灭火实战效果，起着决定性的作用。提高消防车的灭火性能，是消防行业的重大课题。提高消防车的灭火性能，除了要选用性能好的底盘、消防泵、消防炮之外，同时要从作为消防车的灭火核心部件之一的泵管路系统的设计着手，提高泵管路的消防性能。通过对泵管路系统的最优化设计，能将进出水管路的沿程压力损失减少到尽可能小，同时节省成本和方便制造、操作和维修，从而提高泵管路的消防性能。
一、对消防车管路的管径和壁厚的最优化设计
1、通过对所需最小流通管径的计算，对消防车管路的管径进行最优化设计。
根据所需要的流量和压力情况，计算出在保证流量的前提下所需的最小流通直径，然后根据国标管的规格，选择符合要求的最小规格者，以达到在完全满足流量要求的情况下使用尽可能小的国标管，以节省成本和布置空间。
根据公式，平均流速和，得到等式，
求出最小流通半径。例如，根据水流量Q＝0.05m?/s，水在20.2℃时运动粘度μ＝1Pas，沿流向的压力梯度＝-50000Pa/m，求得最小流通半径R＝0.040m，最小流通直径D=0.080m＝80mm。我国标准无缝钢管有外径φ89mm的，如果所需壁厚不超过4.5mm，选择外径φ89mm的标准无缝钢管是合适的，也是最优化的。
2.通过对管壁的应力计算，对壁厚进行最优化设计。
根据管路的最大工作压力、管径的大小和管路的材料力学性能，计算出保证管路的强度和刚度所需的最小理论壁厚。再根据国标管壁厚，选择满足要求的最小标准壁厚作为管路的壁厚。此最小标准壁厚即为最优化设计壁厚。
根据公式，管路的理论计算壁厚S0。设计温度为25℃时，温度影响系统Y＝0.4。在常温下，不锈钢的许用应力为205Mpa。设定壁厚负偏差为12.5%，腐蚀余量为0.3。对于无逢钢管取Ej＝1。设计压力为2.0MPa，设计外径D0＝114mm时，求得理论计算壁厚S0＝0.55mm，由于D0/6=19>S0，所以满足上式的适用条件。
管路的选用壁厚Sx=0.97mm，根据GB/T 8163《输送流体用无缝钢管》，向上圆整后查得钢管的公称壁厚为1mm。但由于壁厚为1mm的钢管与相应的管件焊接工艺性不好，能达到焊接工艺性的最薄壁厚为2 mm，所以壁厚2mm为最优化设计壁厚。
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二、通过最优化设计，减少消防车管路的总水头损失
一般来说，消防车管路的总水头损失，为沿程阻力损失hl和局部水头损失hj之和。要减少消防车管路的总水头损失，就要减少沿程阻力损失hl和局部水头损失hj。Dh
1.通过最优化设计，减少消防车管路的沿程阻力损失。
根据沿程阻力损失公式，可知沿程阻力损失hl会与沿程阻力因数、计算沿程阻力损失的管长成正比关系。当消防水流量Q和管路流通直径一定，消防水流速就会成为定值。要减少沿程阻力损失，就应从减少沿程阻力因数、减少计算沿程阻力损失的管长入手。在满足管路位置要求和方便操作的前提下，尽可能减少管路的长度，能有效地减少管路的沿程阻力损失hl。而采用符合国标要求的无缝钢管、管件，尽可能减少焊缝的数量，清理焊缝或机加工造成的管内粗糙，确保管路内的相对光滑，就能减少沿程阻力因数的值，从而减少沿程阻力损失。
2.通过最优化设计，减少消防车管路的局部水头损失。
消防车的管路，或多或少都要用到弯头、三通、大小头、阀等管件。而这些管件的每一个都会造成相应的局部水头损失。实践证明，如果管路不长的话，管件造成的局部水头损失占了总水头损失的大部分，所以我们必须想办法去减少消防车管路的局部水头损失。
首先，我们要尽可能减少弯头、三通、大小头、阀等管件的数量，在完全满足管路布置和控制的要求的情况下，尽可能少用这些易造成较大局部水头损失的管件。
其次，在必须要用到这些管件的时侯，我们想方设法将其造成的局部水头损失在不增加成本或少增加成本的前提下减到最少。根据局部阻力损失公式，局部水头损失与局部阻力因数的值成正比。如果有效地减少局部阻力因数的值，也就能相应地减少局部水头损失。下面我们分别分析在使用弯头、三通、大小头、阀时如何减少局部水头损失。
对于弯头，其局部阻力因数的值随着拐弯角度的增大而增大，所以我们尽可能用拐弯角度小一点的弯头，能用45度弯头能达到布置要求的就不要用90度的。另外，弯头局部阻力因数的值也随着弯头管外圆弧的半径与弯头本身的直径的比例R/d的增大而减小，因此应同时确保R/d的值不能太小，一般选用国标的R/d＝1.5的弯头，既达到局部水头损失较小的要求又较为经济。对于三通，必须确保在三个口径内接处有较大的圆弧过渡，这样能明显减小局部阻力因数的值。至于大小头，变径应逐级地变，例如应先由直径114mm变到直径89mm，再由直径89mm变到直径76mm，而不要直接由直径114mm一下子变到直径76mm，那样会造成较大的局部水头损失。关于阀，消防车管路常用的阀有碟阀、闸阀和球阀，其中碟阀的局部阻力因数的值最小，而球阀因结构的原因局部阻力因数的值最大，所以能用碟阀能达到布置和控制要求的地方，就不要用球阀，以减少局部阻力损失。
三、通过结合人体功能学的最优化设计，提高消防车管路的操作性能
通过实地调查和观察、分析，充分了解消防人员在使用消防车管路系统时的工况，统计出每个阀、接口、调节开关等的操作频率、动作的关联性和连贯性，并结合管路系统功能的关联性，将操作频率最高的阀、接口、调节开关等布置在最容易操作的位置，将常用的阀、接口、调节开关等都布置在容易操作的位置，确保每个阀、接口、调节开关都能易于准确操作。根据消防队员操作的习惯并对其进行动作的分析，将功能相关联的阀、接口、调节开关等布置在一起，使消防员站在同一个位置，就能操作管路的这个功能系统的全部动作步骤。
四、通过最优化设计，提高消防车管路的工艺性能和维护性能。
1.通过最优化设计，提高消防车管路的工艺性能。
消防车的管路系统大多布置在泵室内和泵室附近，其构件形状不规则而且有的构件跨度较大，布置的空间又很有限，而且还要与相应的消防泵、罐体、消防炮等准确连接，还有耐压密封的性能要求，所以对其工艺性能要求较高。首先，要确保每个管件都有足够的空间进行安装，例如安装时需要拧紧的管件就要预留扳手转动的空间，否则将很难甚至根本无法安装。我们也可以将安排和调试工时较多的部件布置在相对较易安装的位置，或在箱体的必要位置开个工艺窗口，以便于安装和调试。还有，将传统的联接方式，设计为更为易于安装的新联接方式。例如，两片式管夹式联接会比法兰联接简洁得多。
2.通过最优化设计，提高消防车管路的维护性能。
消防车的管路需要日常的保养和故障时的维修。在设计消防车管路时，应根据日常的保养的要求，要为日常保养设定好容易检查和保养的位置。在维修性能方面，应考虑到每个件都能拆出来更换，特别是易损件，更要能单独拆换而无需拆开其它件或很少需要拆开其它件，最大限度地减少拆装和更换的工时和成本。
结论
通过对消防车管路的管径和壁厚的最优化设计、减少消防车管路的总水头损失的最优化设计、结合人体功能学的最优化设计、提高消防车管路的工艺性能和维护性能的最优化设计，能全面提升消防车管路的压力性能、流量性能、操作性能、工艺性能、维护性能和经济性能，能明显提高消防车产品的整体性能。
参考文献：
[1] 王惠民.液体力学基础.北京：清华大学出版社，2013
[2] 机械工程师手册编委会.机械工程师手册.北京：机械工业出版社，2009
[3] 唐永进.压力管道应力分析.北京：中国石化出版社，2009
论文作者:黄文海
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/28
标签：管路论文; 消防车论文; 水头论文; 损失论文; 阻力论文; 局部论文; 性能论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;