直立式洒水喷头设计计算书

洒水喷头DN20设计计算书
一、设计参数：
动作温度：65℃-74℃
工作压力：1.2Mpa
工作介质：水
名称规格：直立式水喷淋头DN20
二、喷头总体受力情况：
图一喷头试压受力示意图图二喷头喷洒受力示意图
1. 由《图一》所示，在试验和工作中其主要的受力元件是喷头体（拉
力）玻璃球和螺钉（压力）；
2. 由《图二》所示，喷头在喷洒工作时溅水盘受到水压的冲击f（冲击
压力）。

在设计使用过程中，只要对以上主要受力元件进行强度设计、校核即可以满足要求。

在对喷头体进行受力分析可知二侧支臂上的载荷P
l
分别来自装配玻璃
球的预紧力Q
P 和P，并P
l
=Q
P
＋P/2，螺钉的载荷P
y
为预紧力Q
P
和P，并
P y =Q
P
＋P，螺钉装配规定的预紧力距为T=0.35（Nm）。

喷头体在正常工作中，
入水口受到的水压为1.2（Mpa）要远小于在强压试验中受到水压4.8（Mpa），因此在强压试验中满足强度要求则在工作中一定满足，所以取强压试验为强度校合条件。

三、材料选取：
根据喷头设计压力选择H59作为螺钉和喷头体的制作材料，查《机械设计手册》第一版上册P592表2-103得H59强度极限δ
b
=60（MPa）；溅水盘零件材料选取H62。

此材料有较好的强度和塑性，能良好地承受冷压、热压加工。

查《机械
设计手册》第一版上册P592表2-103得H62屈服极限δ
s
=26（MPa）。

强度极限δb
=40（MPa）
四、喷头体设计计算：
由物理学帕斯卡定律P＝F／S 式中：P——为压强,Pa
S——受力面积,㎡
F——为垂直作用在S上的合力,N 在强压试验时P＝4.8Mpa
S为直接与工作介质水接触并在XY面上大的投影面积即为喷头的出水口面积，由设计图知出水口R=6.25（mm）
由圆面积公式S=πR2 式中：R——为圆半径, m
S——为圆面积, ㎡
代入R=6.25㎜得S=1.2268×10-4（㎡）已知P=4.8（MPa）
代入P=F/S F=PS=4.8×106×1.2268×10-4=588.9（N）
查《机械设计手册》2-7公式：T=0.2Q
P
d 式中：T——拧紧力矩，Nm
Q
P
——预紧力，N
d——公称直径，m
已知 T
max =0.35（Nm） d=0.005（m）代入T=0.2Q
P
d
Q P =T/0.2d=
05
0.0
2.0
35
.0
=350（N）
查《机械设计手册》P113表1-64公式：
δ=P/F 式中：P——为纵向力,N
F——为横截面面积,㎡
δ——为计算应力,MPa
作用在喷头单侧支臂上的力P为水压作用力F/2和预紧力Q
P
的合力。

即P=F+Q
P
=588.9+350/2=469.5（N）
由喷头零件图可知支臂上截面积最小处就是危险截面所在处，其形状为一个底为5mm高为4㎜的等腰三角形。

把P=469.5（N）F＝4×5×0.5=1×10-5（㎡）代入δ=P/F
得δ=469.5/1×10-5=46.9（MPa）
查《机械设计》P7式1-9
δca≤[δ]= δLim式中：δca——表示计算应力,MPa
δLim——极限应力,MPa
[δ]——许用安全应力
已知：δ=δ
ca =57.8（MPa）δ
Lim
=δ
b
=60（MPa）
代入δ
ca
≤[δ]= δLim
δca=46.9（MPa）≤[δ]=60（MPa）所以喷头体满足设计强度要求。

五、螺钉螺纹设计计算：
螺钉在试压和正常工作中受到自身预紧力Q
P 和工作载荷F
1
二个作用力。

预
紧力距使螺钉不但受压应力的作用还受螺纹副之间的摩擦力矩查T
1
产生的扭转
应力的作用。

查《机械设计手册》表1-64公式：
δ=P/F 式中： P ——为纵向力,N
F ——为横截面面积,㎡ δ——为压应力,MPa
P 为预紧力Q P 与水作用力的合力 P=350+588.9=938.9（N ） F=πd 12 d 1——为螺栓危险截面直径,m
d 1通常为螺纹的小径d 1=4.459代入得F=6.243×10-5（㎡） δ=P/F=938.9/6.24×10-5=15. 1（MPa ）
《机械设计》得τT =0.5δQ 式中：δQ ——为预紧力产生的受压应力,MPa δ=P15.1（MPa ） 代入τ=0.5δQ τ=0.5×15.1=7.5（MPa ）
由于H59是脆性材料查《机械设计》表1-2得第一强度理论公式
δca =δ/2＋22
2/τ）（δ+ 式中：δca ——计算应力
δ——压应力
τ——扭转应力
δ=15.1（MPa ） τ=7.5（MPa ） 代入δca =δ/2＋22
2/τ）（δ+
δ
ca
=15.1/2＋22
5.72/1.15+）（=18.1（MPa ）
查《机械设计》式1-9
δca ≤[δ]= δLim 式中： δca ——表示计算应力,MPa
δLim ——极限应力,MPa [δ]——许用安全应力
已知 δca =18.1（MPa ） δLim =δb =60 （MPa ） 代入δca ≤[δ]= δLim
δca =13.49（MPa ）≤[δ]=60（MPa ） 所以螺钉满足设计使用强度要求
六、溅水盘设计计算：
由溅水盘设计图可以知道其形状可以近似等效成一个直径φ37.5㎜有缺口的圆。

每个齿的受力情况相同，只要校合一个齿的强度即可。

如果其中任何一个强度满足则溅水盘整体强度满足。

查《机械设计手册》P113表1-64公式： δ=M ω/W x 式中M ω——弯距,Nm
W x ——截面X-X 轴的抗弯截面系数 δ——受拉边最大拉应力,MPa
查《机械设计手册》P107表1-63公式：W x =ab 2/6 式中a ——为截面宽,㎜ b ——为截面长,㎜ a=1.5（㎜） b=1（㎜） 代入W x =ab 2/6 W x =1.5×1/6=0.25（㎜3）
M ω=Fl 式中 F ——为作用力,N L ——为力矩长,m
F=qs 式中 S ——为均布载荷作用面积即溅水盘一个齿的面积,㎡
q ——为均布载荷,N/㎡
S=（1.5+1）×4/2=5×10-6（㎡） q为正常工作水压q=1.2×106（N/㎡）已知L=6（㎜） F=1.2×106×5×10-6=6（N）
代入M
ω=Fl M
ω=Fl=4×10-3×6=0.024（Nm） W
x
=0.25（㎜3）代入δ=M
ω/W x
δ=0.024/0.25×10-6=0.1（MPa）
查《机械设计》P7式1-9
δca≤[δ]= δLim/[S] 式中：δca——表示计算应力, MPa
δLim——抗拉应力, MPa
[S] ——许用安全系数由δ
S /δ
b
值查表
δS——屈服极限δb——强度极限[δ] ——许用安全应力[δ] = δLim/[S]
已知δ
b =36（MPa）δ
ca
=δ
t
=0.1（MPa）δ
Lim
=δ
b
=26（MPa）
δS/δB =26/40=0.65 根据《机械设计》P8表1-3 [S]取1.5
δt=0.1（MPa）≤[δ]= 26/1.5=17.3（MPa）
所以溅水盘的强度符合设计使用要求
由以上计算可以得出喷头力学性能满足设计使用要求。

参考文献
1 《机械设计》孙志礼等主编东北大学出版社2000年9月第一版
2 《机械设计手册》化学工业出版社1987年12月北京第一版上册
3 GB5135135.1-2003 自动灭火系统第一部分：洒水喷头。