CN1035573A - 气体报警器 - Google Patents

Abstract

该发明是火灾防救装置和设备，是利用机械原理研制而成的。用临界的气体冲击力，使摇杆碰到触点发出音响，这样当汽油或气体分子浓度↑时，即能及时报警，就不会发生危险苗头。其特征是：摇杆结构。其用途：主要用于油罐车，也可推广用于压力容器。

Description

1、原理：简单、清晰、明了。当气体膨胀到一定限度时，会有一股冲击力Pg，顶住OA杆的A端，以速度VA把OA杆推到B触点，然后发出声音，就等于报警，因此设计是专门装在送油的汽车上的，因道路不平，所以在质心处装了个弹簧，弹簧的设计考虑弹跳力PV和重力mg，所以在一般情况下，把弹簧作为静平衡处理。

2、此机构具有一个自由度，可取系杆的转角φ为广义坐标，工作时有气体的冲击力Pg↑，速度V_A↑，因道路引起的弹跳力PV，弹簧的拉力PS和托力Pи，还有重力mg，摩擦力略去不计了。Pи和PV在设计弹簧时已考虑，在下面的计算过程中也忽略了。

3、与始点和终点位置有关的有势力mg、PS和非保守力Pg，在运动时，机械能与其他形式的能量发生转化，若考虑这些转化为其他形式的能量时，对总的***来说，总的能量仍然是守恒的。

4、取水平平衡位置为势能的零位置，即当φ＝0时，V＝0，弹簧拉力P_S＝kδ_S，工作时D的铅垂位置移动为y_D＝ (L)/2 ·φ，故对应的重力mg的势能V′_D＝-mg (L)/2 φ，因为重心↑，所以为负号。对应的弹性力P_S的势能为V_S＝0- 1/2 k（ (L)/2 φ）²，V_S＝- 1/8 kL²φ²，在D′点处的总势能力V_D′S′＝- 1/2 L·φ·mg- 1/8 kL²φ²

5、再计算***的动能T、T_B＝O T_A＝ 1/2 PgV²A+ 1/2 j。W²，系杆0A绕O轴转动。

φT_A＝ 1/2 Pg·L²

²+ 1/2 〔 1/3 mL²〕

²＝ 1/2 P_gL^{2 2}+ 1/6 mL²

²

6、根据E＝T+V＝常量，那么T_A+V_D＝T_B+V′_D

则 1/2 PgL²

²+ 1/6 mL²

²+0＝0+〔- 1/2 Lφ·mg- 1/8 kL²φ²〕、

1/2 PgL^{2 2}+ 1/6 mL²

²＝- 1/2 Lφmg- 1/8 kL²φ²-1

7、用拉格朗日函数介此题L＝T-V

L＝ 1/2 PgL^{2 2}+ 1/6 mL^{2 2}-〔- 1/2 Lφ·mg- 1/8 kL²φ²〕

＝ 1/2 PgL²

²+ 1/6 mL²

²+ 1/2 Lφmg+ 1/8 kL²φ²

则PgL²φ″+ 1/3 mL²φ″- 1/2 Lmg- 1/4 kL²φ＝0

（PgL²+ 1/3 mL²）φ″- 1/4 kL²φ- 1/2 Lmg＝0-2

上式为此***的运动微分方程，再用高等数学的观点来解

8、设PgL²+ 1/3 mL²＝A 则2式为Aφ″- 1/4 kL²φ- 1/2 Lmg＝0-3

3式为y″＝f（y、y′）型的微分方程，令 (dφ)/(dt) ＝V，则有 (d²φ)/(dt²) ＝ (dV)/(dt) ＝ (dV)/(dφ) · (dφ)/(dt) ＝V (dV)/(dφ) ，代入原方程得A·V (dV)/(dφ) - 1/4 kL²φ- 1/2 mgL＝0即AV (dV)/(dφ) ＝ 1/4 kL²φ+ 1/2 mgL分离变量并积分得 AVdV＝ 〔 1/4 kL²φdφ〕+ 1/2 mgLdφ 1/2 AV²＝ 1/8 kL²φ²+ 1/2 mgLφ即 1/8 kL²φ²+ 1/2 mgLφ＝ 1/2 （PgL²+ 1/3 mL²）V²-4

4式即为所求转动方程，从而可决定机构的运动

9、再用材料力学的观点，求出系杆OA的质量m和刚度、强度、系杆OA的弯曲变形是非常重要的，因为它直接影响到φ，也就是直接影响到报警位置和报警时间。

R_x＝O，在这里把Pg、P_V当作静力，因为这样P_s就大了，也就是f、θ就最大了，∵P_sV＜P_sj即f_V＜f_j，θ_V＜θ_j，首先规定弯矩的符号，这里挠曲线向下凸出时，M为正，那么 (d²y)/(d²x) ＝ (M)/(Ej) 则Ejy″＝M＝（P_v+P_g）x+P_И（x- (L)/2 ）-（P_s+mg）（x- (L)/2 ）此式为挠曲线方程，积分得Ejy′＝ 1/2 x²（P_v+P_g）+ 1/2 x²P_И- 1/2 P_ИLx-（P_s+mg） 1/2 x²+（Ps+mg） (L)/2 x+C

整理得：Ejy′＝ 1/2 x²〔Pv+P_g+P_И-P_s-mg〕+ 1/2 xL〔P_s+mg-P_И〕+C

再积分Ejy＝ 1/6 x³〔P_v+Pg+P_И-P_s-mg〕+ 1/4 Lx²〔P_s+mg-P_И〕+Cx+D

当x＝0时，y＝0，y′＝0，则C＝0、D＝0，令x＝L则

f_max＝y｜_x＝L＝ 1/(Ej) ｛ 1/6 L³〔P_v+P_g+P_И-P_s-mg〕+ 1/4 L³〔P_s+mg-P_И〕｝-1

θmax＝y′｜_x＝L＝ 1/(Ej) { 1/2 L²〔P_v+P_g+P_И-P_s-mg〕+ (L²)/2 〔P_s+mg-P_И〕｝-2

则：f_max＝ 1/(Ej) ｛ 1/6 L³〔P_v+P_g+P_И-P_s-mg〕+ 1/4 L³〔P_s+mg-P_И〕｝＝0.0002L

θmax＝ 1/(Ej) ｛ 1/2 L²〔P_v+P_g+P_И-P_s-mg〕+ 1/2 L²〔P_s+mg-P_И〕｝＝0.001弧度，此两个方程可联立求介，图2

10、简易图：3侧面为弧形的，这样到达触点时，就有坡度，不至于撞击。

11、整个计算过程中，符号要搞清，单位要统一

12、在理论报警位置B要考虑安全系数n，所以实际报警位置是在C触点，发出音响。

13、此报警器若不是装在行走件上，而是固定在某个不动的地方就把弹簧拿掉，安个支承点，整个计算过程就简单多了，这样就能防患于未然。

14、选用园柱形拉伸弹簧

P_g是动载荷，但变载的作用次数и＜10³，而变化的幅度不大，所以只进行静强度验算。具体设计方法和步骤如下：

（1）根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其机械性能数据。

（2）选择弹簧指数C，通常可取C＝5-8（极限状态时不超出4～16），并算出补偿系数k值。

（3）根据安装空间，考虑预期的弹簧中径D₂，根据C值估取弹簧丝直径d，并由表查取钢丝的许用应力。

（4）试算弹簧丝直径d¹，由公式τ＝k (8CP)/(πd²) ≤〔τ〕可得d¹≥1.6

$\sqrt{\frac{p_{\mathrm{m\; a\; x}}\mathrm{kC}}{\mathrm{［\tau \; ］}}}$

必须注意如弹簧选用表所列的前三种弹簧丝制造时，因钢丝的许用应力决定于其σ_B，而σ_B是随钢丝的直径变化的;又因式中的〔τ〕是按估取的d值查得的σ_B计算得来的。所以此时由式计算得的d¹值必须与原来估取的d值相比较，若两者相等或很接近，即可园整为邻近的标准弹簧丝直径d，并按D₂＝Cd求出D₂。若两者相差较大，则应参考计算结果，重估d值，再查其σ_B而计算〔τ〕，代入式进行试算，直至符合后方能计算D₂。选用其他材料时，因其σ_B值受弹簧丝直径变化的影响不大或无关，故可不受上述限制。

（5）根据变形条件求出弹簧工作圈数，先用压缩弹簧的计算公式n＝ (Gd)/(8P_maxc³) 入max P_maxj＝P_И＝Pv-mg然后再用拉伸弹簧的计算公式n＝ (Gd)/(8(p_max-p₀)) max这里P_maxv＝P_g+P_v-mg＝P_sv用这两个公式反复估算

（6）求出弹簧的尺寸D，D₁，H。并检查其是否符合安装要求等。如不符合，则应另选有关参数（例如C值）重新设计。设计弹簧时，要考虑到报警位置时，弹簧的伸长量能否满足要求。

15、发出音响的电路图4

图1：P_g、P_v冲击摇杆OA，碰到触发器，发出音响，其中有个安全系数。

图2、是材力图

图3、是摇杆的形状

图4、触发器的电路图

Claims (4)

1、本发明的所属技术领域是机械原理、理力、材力、其技术特征是摇杆。是用接近***的临界数值P_g、冲击摇杆、碰到触发器、报警，P_g必须准确测出、可用理论计算实验数据，并非是***时的P_g，而是临界值、摇杆从起始位置到触发器，有个角度，而且不变形。

2、在Pg确定后，必须准确计算φ角，还要加上一个安全系数，其特征是一个锐角。

3、摇杆的刚度必须符合要求，否则会影响报警，其特征是f_max＝0.0002l，Q_max＝0.001弧度

4、触发器必须灵敏。

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