基于模塊化的自動跟蹤定位射流滅火裝置設計研究

摘要：基于模塊化設計的指導思想，在現有自動跟蹤定位射流滅火裝置產品設計的基礎上進行分析，從產品性能、設計理念和維修安全等角度出發，引入通用性和集成性設計方法，開展相應設計研究和應用案例實施，完成對自動跟蹤定位射流滅火裝置機械結構的優化、材料工藝的改良以及工業造型的創新設計。

關鍵詞：自動跟蹤定位射流滅火裝置；模塊化；通用設計；集成性

引言

隨著城市現代化進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峻。傳統的消防系統受限于滅火高度或依賴于人工報警和操作，反應時間長，滅火效率低。因此，自動跟蹤定位射流滅火裝置的研究和發展顯得尤為重要。這種滅火系統能夠充分運用紅紫外探測、視頻圖像算法和物聯網等新興技術手段，實時監測火情，在火災初期自動定位火源，迅速啟動滅火程序，顯著提升滅火響應速度和撲救效率，大大減少因火災造成的人員傷亡和財產損失，同時減少消防人員的作業風險，為高大空間場所的消防安全提供了有力保障。

一、自動跟蹤定位射流滅火裝置現有設計分析

一般自動跟蹤定位射流滅火系統包括滅火裝置、探測組件、控制組件、水流指示器、模擬末端試水裝置以及管網、供水設施等主要組件。系統可分為自動消防炮滅火系統、噴射型自動射流滅火系統和噴灑型自動射流滅火系統。系統的核心功能組件為自動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組件。近年來，自動跟蹤定位射流滅火系統在我國眾多的展覽廳、體育場館、帶有大型中庭的商業建筑、工業廠房、劇院、機場與火車站的候車廳等各類公共場所得到廣泛應用。該系統的產品功能設計已日趨成熟，但核心部件仍存在不少缺陷，需要對系統中的自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）進行設計改良與優化。

在產品性能上，目前國內市場上應用的自動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。大部分廠家缺乏對裝置炮體流道性能的了解，炮體流道壓力損失較大，導致射出的水流雖然射程和流量達到了國家標準強制要求，但是實際射流不夠集中，大部分水流均勻散布在射流路徑上，滅火效果較差。在設計理念上，市場上現有大部分產品為節約成本，炮體普遍使用不銹鋼彎管型材等標準件焊接而成，重量較重。當吊裝安裝時，會因焊縫開裂、緊固件失效或其他因素等，從而導致裝置從十幾米甚至幾十米高空墜落，將產生極大的安全危害和財物損失。少部分的產品炮體會采用較輕的鋁合金鑄造工藝，相比重量更輕，但集成設計性差，對探測組件和控制組件的安裝結構設計不緊湊，只考慮滿足基本的使用功能，沒有進一步優化安裝結構和方式。在維修上，現有產品的維修大多不便，大部分裝置都是一體式焊接的炮體，不易拆裝，一旦出現局部損壞，就需要進行整體更換，無法更換維修某一部件或者進行回收再次使用。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高度上進行整拆整裝，現場維修難度很大。因此，盡管自動跟蹤定位射流滅火裝置在火災防控方面具有顯著優勢，但在實際應用中仍面臨射流形態不集中、吊裝安全性差、焊點易斷裂、集成設計弱、維修不便以及造型簡陋等問題，迫切需要依據新的設計思想與理念，對裝置（消防炮）進行設計改良與優化。

二、模塊化設計思想的引入和實施案例

（一）研究內容與方法

模塊化設計是一種將系統或產品劃分為一系列相互獨立、具有特定功能的模塊，并通過標準化接口進行連接和通信的設計方法。模塊化設計的目的在于提高系統或產品的可維護性、可擴展性和重復利用性，同時降低開發、制造的成本和風險。不同模塊之間通過標準化的接口進行連接，從而實現模塊之間的兼容性。模塊化設計可以將復雜的系統或產品分解成相對簡單的模塊，使得開發和制造過程更加高效與可控。

在機械結構上，自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）炮體一般包括進水法蘭、水平旋轉機構總成、炮體彎管、垂直旋轉機構總成、出水口以及控制和探測組件等部分，其中進水法蘭作為進水端，與消防配套法蘭配合安裝，現場一般采取吊裝方式，偶爾也會使用座裝方式。水平旋轉機構總成可以實現裝置水平方向旋轉，垂直旋轉機構總成可實現水炮垂直方向旋轉。通過以上兩種機構總成，從而實現裝置在水平和俯仰方向上無死角噴射水流滅火。炮體彎管用于改變水流行進方向，過渡水平旋轉機構總成和垂直旋轉機構總成的配合安裝，保證出水方向和進水方向在一個軸心線上，避免因射流的后坐力導致裝置產生偏移。控制組件包括驅動裝置（電機）、接線盒、線纜等，對水炮的旋轉進行控制，作為配件安裝在炮體上。探測組件包括紫外探測、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，在火災初期能觸發裝置啟動，在水平和俯仰兩個方向上探測并追蹤火焰的動態趨勢，聯動火災聲光報警等信號，實時啟動水泵和閥門，對火焰進行追蹤式滅火。

以模塊化設計的思想為指導，可以解決裝置炮體多種零部件的互換性和維修性，如設計兩種或三種通用型零件作為炮體拼接的基本單元，統型設計水平和垂直旋轉機構的結構，用相同的結構接口和安裝形式，模塊化拼裝實現裝置炮體的總裝結構。同時，從通用設計的角度，考慮裝置炮體長度的延展和角度的變更等功能，從而為以后產品的迭代升級提供更便利和低成本的可能性。最終集成后的結構方案將僅用一個規格的工具，便可實現對整個裝置炮體的結構性拆解與裝配。如果裝置炮體產生損壞或其他問題，也只需要更換對應的零部件即可，降低了裝置維護難度和成本，縮短了現場維修時間。

在材料工藝上，現有常見的自動跟蹤定位射流滅火裝置（消防炮）炮體，一般采用標準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，一旦出現局部損壞，則需要整體更換，無法回收再利用。同時，組成裝置的彎管與彎管角度一旦焊接定型，就無法變更和調整，如果需要在結構形式上調整炮體的外形尺寸，就必須重新設計和焊接新的裝置炮體。另外，現有炮體流道多為空心圓管，水流行進時容易產生紊流效果，導致壓力損失較大，最終出水口的水流實際壓力遠小于進水口的水流壓力，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實現零件的通用化、最小化和定制化設計，同時鋁合金零件的重量只有同體積不銹鋼的1/3。模塊化的零件設計可以降低鋁鑄造開模的難度，通用化的零件設計可避免開發多套鑄造模具，降低主體零件的BOM清單和生產成本。此外，在鋁合金鑄造的基礎上，通過機床對鑄造毛坯的加工，可有效提升裝置的加工精度和裝配一致性。

在工業造型上，現有市場上的自動跟蹤定位射流滅火裝置結構形式單一，多數遵循形式追隨功能的設計理念，在整體布局和結構外觀上大同小異，市場上的產品難以體現差異性，在價格成本上往往也是依據材料的用量多少來進行競爭，最終形成劣幣驅逐良幣的惡性競爭效應，整體市場環境目前也是趨于質量下限的競爭形式。

產品造型設計的本質是創新，創新設計的重要手段是工業設計。從工業設計的角度出發，自動跟蹤定位射流滅火裝置相關行業發展與應用程度還存在不足，有相當大的可提升空間。因此，自動跟蹤定位射流滅火裝置應從造型創新入手，探尋提升裝置產品品質的設計方式，從工業造型設計出發，在結構和材料創新的基礎上繼續優化設計的細節，包括對加強筋等結構細節的強化設計，使裝置產品造型充滿科技感和肌肉感，更具產品競爭力。因此，從機械結構設計、鋁鑄造工藝和工業產品造型等方面出發，以模塊化思想為指導，完成對自動跟蹤定位射流滅火裝置的改良優化設計是切實可行的。

（二）應用案例與實施

本文從實際案例出發，擬設計一款基于模塊化設計理念，適用于自動跟蹤定位射流滅火裝置炮體的新設計方案，重點解決炮體零部件的互換性和維修性，降低維護成本，縮短維修時間；解決焊接工藝影響到產品的整體美觀性、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整炮體角度；對炮體的結構設計進行細化，使得水壓引發的應力能夠均勻分散于炮體上，增加炮體結構強度和安全系數，提升產品的工業造型效果。

如圖1所示，在案例中選取裝置中的蝸輪蝸殼組件（序號6）、補償連接法蘭（序號7）和90°彎頭（序號10）三種零件，作為模塊化的基本單元零件進行設計。零件統一采取鑄造工藝，鑄模簡易，再以機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，組成一個完整的炮體結構。裝置炮體僅使用同一種規格的螺釘緊固件和標準的接口形式進行模塊化組合，模塊和模塊之間通過緊固件（序號2，3，4，8，9）和密封圈（序號5）進行固定和密封，在安裝和維修時也僅需一個規格的扳手即可進行操作，最終裝置的BOM組成簡單，零件種類不超過10個，具備優異的互換性和維修性。

基于上述的模塊化設計方案，還可拓展新的炮體外形與形式，可以任意組合模塊，將裝置延伸任意長度和旋轉一定角度，從而依據需求組裝成對應的消防炮體，為以后的產品升級和修改提供了更多的可能性，如圖2所示。

以工業造型和仿真分析為基礎，在補償連接法蘭和90°彎頭零件上，還針對性設計了加強筋、孔和安裝凸臺等細節特征，在增加產品美觀性的同時，加強筋還有效分散了水壓引發的結構應力，通孔和凸臺的設計也有利于炮體的控制和探測組件的安裝與布線。如圖3所示，運用仿真軟件對炮體結構強度進行有限元分析，計算條件為相同水壓下產生的結構應力分布。可以得出模塊化組合的彎管結構，相對現有產品的不銹鋼焊接彎管結構，應力相對更分散和應力分布更均勻。同時，炮體的局部結構強度有所加強，變形位移量極小，總體安全系數最低值從88提升至15。

結語

模塊化設計理念提高了零件的通用性和互換性，僅用一個規格的扳手即可實現對整個炮體的結構性拆解與裝配。如果炮體出現損壞或是其他問題，也只需要更換對應的零部件即可，降低了客戶的維護成本，縮短了現場維修時間。與現有的產品相比，新的應用案例更美觀和實用，強度更高，表面沒有焊縫或者焊疤，整體科技感和肌肉感十足。在自動跟蹤定位射流滅火裝置的結構基礎上，增加模塊化設計，使得產品維護和升級變得更加靈活和便捷，有助于該系統在各種環境下提供更可靠的防火保障，對現代建筑大空間火災防控具有深遠意義。

參考文獻

[1]馬詩穎.模塊化設計在無人駕駛汽車內飾中的智能交互應用[D].蘭州交通大學，2023.

[2]閔永林，楊志軍，楊琦，等.《自動跟蹤定位射流滅火系統技術標準》解讀[J].給水排水，2021，57（09）：149-154.

[3]張強，沈賀坤，王皓軒.自動跟蹤定位射流滅火技術的應用與展望[C].2019中國消防協會科學技術年會論文集，2019.

[4]吳洪有，劉欣，李毅，等.消防滅火系統在建筑外立面滅火應用探討[C].2023中國消防協會科學技術年會論文集，2023.