灭火器设计计算.(DOC)

推车式干粉灭火器

设 计 计 算 书

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目 录

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 《物理化学》

机械工业出版社 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：

TPPsms TTsTms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

Ts — +20℃对应的绝对使用温度 Tms —+55℃对应的绝对使用温度

-20+273=253K

+20+273=293K +55+273=328K

则：PsPTs1.042931.2MPa T253PmsPsTms1.23281.34MPa Ts293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 HP295 屈服点σs MPa ≥295 抗拉强度σb MPa 伸长率δs% ≥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：

S1PhDi

2sPh1.3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：

PhDiKS22sPh1.3

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

SD01 250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

6.2.1 MFTZ/ABC35型灭火器筒体设计壁厚（即最小壁厚）计算

S1PhDi

2sPh1.3其中： Ph = 2.1MPa

Di = 314mm σs = 295MPa

φ=0.9 局部射线探伤纵焊缝系数

则: S12.13141.62mm

22950.92.11.3MFTZ/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

S2PhDiK

2sPh1.3其中： K = 1 S22.131411.46mm

22952.11.3则：MFTZ/ABC35型灭火器封头设计壁厚为1.46mm。 6.2.3 MFTZ/ABC35型灭火器瓶体设计壁厚（即最小壁厚）计算

SD01 250其中：D0=320mm 则：S32012.28mm 250∴MFTZ/ABC35型灭火器瓶体设计壁厚应为2.28mm。 6.3 MFTZ/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)

允 许 偏 精 差 度 级 别 mm 钢 板 厚 度 mm 2.5 ±0.15 ±0.17 2.8~3 ±0.16 ±0.18 3.2~3.5 ±0.18 ±0.20 A高精度 B较高精度 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)

型 号 参 数 筒体设计壁mm 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：

Pb2Sbb

D0Sb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：

σb MPa 瓶体长度与公称直径比L/D ≤360 ＞360~490 容积变形率% ＞1 ≤1 20 14 15 20 12 8 ＞490 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

Pb2Sbb

D0Sb其中：Sb= 2.28mm σb =440MPa

D0=320mm

22.284406.3MPa

3202.28则：Pb∴MFTZ/ABC35型灭火器爆破压力实测值应大于等于6.3MPa。 7.2.3 MFTZ/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V理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

V理352%41.180.83L 0.85W f∴MFTZ/ABC35型灭火器筒体理论容积为41.18±0.83L。

8.2 MFTZ/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：

V1 V2 V3

h1 h2 h3

h

MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际参数选定为 参 数 mm 规 格 MFTZ/ABC35 314 625 72.5 480 Di h h1=h3 h2 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

2D V1V3(i)2h1

32 V2 —圆柱形筒体容积L

V2(Di2)h2 2 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 8.2.3 MFTZ/ABC35型灭火器筒体实际容积计算 V实 =V1+V2+V3=2V1+V2

2D20.3142V1(i)2h1()72.53.74L

3232V2(Di20.3142)h2()48037.17L 22V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

L1.3P[]L As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

PPmaxAm Amd24

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P[]

Kzd1bzP[]

Kzdbz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=0.87t mm 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w3PhKzd1b2z3PhKzdbz2[]w

内螺纹w[]w

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=0.5413 t 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

P

Kzdbz式中：PΣ=2P

PPbAmPbd0246.3582416645.1N

d0=58mm Kz=0.56 d=52mm

b=0.87t×1.5=1.305mm z=6圈 则216645.120.8N/mm2

0.56581.30569.3.2.3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

[]s2.524598N/mm2 2.5 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

w3PhKzdbz2

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w333290.20.8119586.7N/mm2 20.56521.30569.3.3.3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

[]w[]Lsn245122.5N/mm2 2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27.2~24 n=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

Pz

Kzd1bz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

33290.248N/mm2

0.5650.3761.30569.4.2.3器头外螺纹许用剪切应力τ的计算

[]s2.514558N/mm2 2.59.4.2.4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

w3PhKzd1bz2

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 则：333290.20.8119589.5N/mm2 20.5650.3761.30569.4.3.3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

w[]Lsn14596.6N/mm2 1.5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。

70 15

C B A

f F 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 ：fF(AB) (BC)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

1A—阀芯密封口截面积Ad2

4d—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

1(1.4222144.06)15FAB(F1F2)AB4 fBCBC70 则f≈145N＜300N

故灭火器操作机构设计符合标准的要求。