劉少剛，劉剛，趙丹，郭云龍

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第703 研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引言

氣動(dòng)滅火炮是一種特殊的發(fā)射裝置。在消防領(lǐng)域氣動(dòng)滅火炮可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離將裝有干粉滅火劑的滅火彈發(fā)射到火場(chǎng)，滅火彈在火場(chǎng)里爆破滅火。氣動(dòng)滅火炮可用于高層建筑滅火，森林遠(yuǎn)程滅火，船舶碼頭滅火和油氣罐滅火等[1－4]。氣動(dòng)滅火炮具有發(fā)射壓力平穩(wěn)可控、對(duì)滅火彈的沖擊加速度小，不涉及火藥發(fā)射時(shí)的安全問題等特點(diǎn)。

擊發(fā)方式直接影響到滅火彈的內(nèi)彈道曲線和滅火彈的出口速度，因此擊發(fā)裝置是氣動(dòng)滅火炮的核心機(jī)構(gòu)[4－5]。目前氣動(dòng)炮主要有2 種擊發(fā)方式:1)氣動(dòng)閥控制發(fā)射氣體，這種方式要求必須在極短的時(shí)間完成控制閥的開啟，否則將會(huì)在非全壓狀態(tài)下就會(huì)將滅火彈推出炮膛，因此對(duì)氣動(dòng)閥的技術(shù)要求很高。2)預(yù)先加壓的方式，將發(fā)射氣體預(yù)先加壓到滅火彈后方，此種方法因滅火彈的前后壓差使得對(duì)滅火彈殼體強(qiáng)度的要求較高，且對(duì)擊發(fā)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求也較高。文獻(xiàn)[4]對(duì)一種高層建筑氣動(dòng)滅火炮進(jìn)行了研究。

本文針對(duì)高層建筑氣動(dòng)滅火炮的擊發(fā)難題，研究的一種伴隨式擊發(fā)裝置，能夠?qū)馐覊毫υ跇O短的時(shí)間內(nèi)加載到滅火彈后部，實(shí)現(xiàn)炮膛氣壓瞬態(tài)達(dá)到氣室壓力進(jìn)行發(fā)射，解決了目前氣動(dòng)炮采用的擊發(fā)方式對(duì)炮口獲得初速的影響。本文研究的擊發(fā)裝置通過控制伴隨管來控制氣室氣體，能夠在滅火彈運(yùn)動(dòng)最短距離內(nèi)將氣室中的最大氣壓快速加到滅火彈后方，推動(dòng)滅火彈加速，實(shí)現(xiàn)炮膛氣壓瞬態(tài)達(dá)到氣室壓力推動(dòng)滅火彈發(fā)射。

1 氣動(dòng)擊發(fā)裝置方案設(shè)計(jì)

氣動(dòng)炮擊發(fā)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由伴隨管、擊發(fā)銷、滑道、密封圈、密封組件、控制閥、擊發(fā)氣路及炮管等組成。炮管位于儲(chǔ)氣室和炮膛之間，炮管后方開有氣口，伴隨管位于炮管內(nèi)側(cè)，將氣室與炮膛之間的氣口隔開。伴隨管前端周向設(shè)置一排擊發(fā)銷，可以使滅火彈與伴隨管一起運(yùn)動(dòng)。擊發(fā)銷外側(cè)沿著滑道運(yùn)動(dòng)，內(nèi)側(cè)頂住滅火彈前端，擊發(fā)過程擊發(fā)銷控制滅火彈與伴隨管一起前向運(yùn)動(dòng)，直到被伴隨管封住的氣口全部打開后擊發(fā)銷外側(cè)頂入滑道里，滅火彈與伴隨管分開，此時(shí)氣室里的氣壓全部加載到滅火彈尾部推動(dòng)滅火彈加速。擊發(fā)結(jié)束后伴隨管遇前方炮管凸緣停止運(yùn)動(dòng)。為防止高壓氣體的泄露，進(jìn)氣口處伴隨管與炮管之間設(shè)有專用密封圈。擊發(fā)氣路設(shè)在炮膛后方，由氣動(dòng)閥控制氣路的通斷，氣路后邊設(shè)有阻尼孔，擊發(fā)時(shí)使氣室里的氣體通過擊發(fā)氣路進(jìn)入炮膛產(chǎn)生初始加壓，對(duì)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力具有一定的緩沖作用。

圖1 滅火炮擊發(fā)裝置Fig.1 The firing mechanism of fire－extinguish cannon

工作原理:氣室先充入低壓氣體推動(dòng)后坐活塞運(yùn)動(dòng)，將滅火彈推進(jìn)到炮膛，借助氣室氣體對(duì)后坐活塞的壓力使后坐蓋將炮膛密封，氣室充入發(fā)射氣體。發(fā)射時(shí)控制閥開啟，擊發(fā)氣路將氣室與炮膛連通，滅火彈后方膛內(nèi)壓力開始上升到臨界壓力，滅火彈與伴隨管一起前向運(yùn)動(dòng)，被伴隨管關(guān)閉的氣口逐漸打開，氣室內(nèi)的氣體迅速進(jìn)入膛內(nèi)，最終氣口全部打開，同時(shí)伴隨管遇炮管凸緣停止，此時(shí)膛內(nèi)壓力與氣室壓力相等，滅火彈在氣室最大壓力下發(fā)射。發(fā)射結(jié)束后通過氣室反向加壓推動(dòng)活塞回程運(yùn)動(dòng)，活塞將擊發(fā)機(jī)構(gòu)的伴隨管頂回初始位置完成氣動(dòng)炮的一次發(fā)射。圖2 為裝有氣動(dòng)擊發(fā)裝置的滅火炮，圖3 為氣動(dòng)擊發(fā)過程動(dòng)作時(shí)序圖。

圖2 裝有氣動(dòng)擊發(fā)裝置的滅火炮Fig.2 Fire－extinguish Cannon with pneumatic firing mechanism

2 擊發(fā)過程動(dòng)力學(xué)仿真建模

氣動(dòng)擊發(fā)裝置研究的核心問題是實(shí)現(xiàn)較短的時(shí)間和設(shè)定的距離區(qū)間內(nèi)使作用到滅火彈底部的壓力達(dá)到發(fā)射氣壓。本研究采用擊發(fā)銷控制伴隨管與滅火彈的同步運(yùn)動(dòng)來控制氣室與炮膛的氣口開啟，實(shí)現(xiàn)了在氣口全部打開位置滅火彈開始脫離伴隨管在膛內(nèi)全壓加速發(fā)射。滅火彈對(duì)伴隨管和擊發(fā)銷對(duì)滑道的作用力可通過調(diào)整擊發(fā)角的大小來控制。

圖3 動(dòng)作時(shí)序圖Fig.3 Action timing graph

2.1 擊發(fā)過程動(dòng)力學(xué)分析

式中:Fa為炮膛氣體對(duì)伴隨管的推動(dòng)力，F(xiàn)a=ptSa;Fp為炮膛氣體對(duì)滅火彈的推動(dòng)力，F(xiàn)p=ptSp;Sa為伴隨管橫截面積;Sp為滅火彈橫截面積;pt為炮膛內(nèi)氣體壓力;μ 為動(dòng)摩擦因素;α 為滅火彈壓力角;Fca為擊發(fā)銷對(duì)伴隨管的作用力;FN為滅火彈對(duì)擊發(fā)銷的垂直作用力;ma為伴隨管的質(zhì)量;mp為滅火彈的質(zhì)量;mc為擊發(fā)銷的質(zhì)量。

因?yàn)棣?和mc數(shù)值較小計(jì)算時(shí)將忽略，整理(1)式得滅火彈運(yùn)動(dòng)方程

式中:m 為等效質(zhì)量，m =(cos α +μ2cos α)ma+(1 －μ2)(cos α+μsin α)mp+(cos α+μsin α)mc;δ 為滅火彈阻力等效系數(shù)，δ =cos α +μ2cosa;η 為伴隨管阻力等效系數(shù)，η=(1 －μ2)(cos α+μsin α).

2.2 擊發(fā)壓力角分析

圖4 擊發(fā)銷受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch map of stress on firing pin

為了便于分析擊發(fā)銷擊發(fā)過程的受力情況，引入擊發(fā)壓力角α，即滅火彈對(duì)擊發(fā)銷的正壓力與滅火彈運(yùn)動(dòng)方向的夾角。在擊發(fā)過程中滅火彈相對(duì)伴隨管和擊發(fā)銷都存在著微小滑動(dòng)，滅火彈與擊發(fā)銷之間的摩擦屬于滑動(dòng)摩擦。為了保證擊發(fā)銷能正常工作，擊發(fā)銷外側(cè)軌跡沿著滑道運(yùn)動(dòng)。根據(jù)幾何學(xué)原理，擊發(fā)銷y 軸方向上的運(yùn)動(dòng)vy和x 軸向運(yùn)動(dòng)vx之間的關(guān)系為

兩邊同時(shí)對(duì)t 求導(dǎo)得加速度方程

為了保證滅火彈與伴隨管能正常分離，擊發(fā)銷需要沿著外側(cè)滑道運(yùn)動(dòng)，擊發(fā)銷對(duì)滑道的作用力值Fcs應(yīng)大于0，為保證擊發(fā)裝置工作效率應(yīng)使vx值較大。對(duì)Fcs和vx與壓力角之間的變化關(guān)系進(jìn)行分析。擊發(fā)銷對(duì)滑道的作用力

將(3)式與(1)式聯(lián)立可以求得在不同膛壓和擊發(fā)角下?lián)舭l(fā)銷對(duì)滑道的作用力情況，如圖5 所示。

新華社曾報(bào)道：新蔡縣國(guó)土資源局練村鎮(zhèn)國(guó)土資源所張勇，利用職務(wù)上的便利，為土地平整施工單位提供幫助，并收受施工單位給予的草魚19條，價(jià)值1727元。事發(fā)后，新蔡縣紀(jì)委給予張勇黨內(nèi)警告處分，并將其違紀(jì)所得1727元收繳。河南省紀(jì)委檢查廳就此發(fā)違紀(jì)通報(bào)，報(bào)道引發(fā)輿論廣泛熱議。對(duì)上述所謂“小事”的處理，有人認(rèn)為受賄者一點(diǎn)也不冤；而有人卻覺得處罰有點(diǎn)偏嚴(yán)。

當(dāng)滅火炮膛內(nèi)氣壓不同時(shí)，在一定的擊發(fā)角下?lián)舭l(fā)銷對(duì)滑道的壓力值隨著膛壓的增加呈線性增加，不同的擊發(fā)角增長(zhǎng)的比例值也不同，當(dāng)壓力角接近34°時(shí)隨著膛內(nèi)壓力的變化擊發(fā)銷對(duì)滑道的壓力變化較小，當(dāng)擊發(fā)角大于34°時(shí)，隨著擊發(fā)角的增加，擊發(fā)銷對(duì)滑道的壓力不斷增大。當(dāng)壓力角小于34°時(shí)為負(fù)值說明擊發(fā)銷和滑道沒有接觸，擊發(fā)銷不能正常工作。經(jīng)過分析得知壓力角取35°較為合適。

2.3 膛內(nèi)氣體參數(shù)方程

圖5 不同膛壓下?lián)舭l(fā)銷對(duì)滑道的壓力值Fig.5 Pressure value of firing pin acting on a slideway at different bore pressures

擊發(fā)裝置依靠擊發(fā)氣路和氣口將氣室與炮膛相連，如圖6 所示。擊發(fā)氣路給膛內(nèi)提供初始?xì)鈮海苿?dòng)滅火彈和伴隨管將氣口打開，假設(shè)擊發(fā)過程膛內(nèi)無氣體泄漏，整個(gè)擊發(fā)過程在等溫等熵條件下進(jìn)行[6－7]，氣室空間相對(duì)擊發(fā)過程炮膛的空間要大很多，擊發(fā)過程氣室內(nèi)氣體壓力變化很小，計(jì)算時(shí)可以將其忽略掉，在整個(gè)擊發(fā)過程中將氣室內(nèi)的氣體壓力pp恒定不變化。

圖6 擊發(fā)流程Fig.6 Firing procedure

根據(jù)擊發(fā)氣路和氣口先后連通的順序與行程的關(guān)系建立氣室與炮膛連通氣口面積方程

式中:Sl為擊發(fā)氣路橫截面積;b 為氣口徑向?qū)挾?x 為滅火彈行程;l 為氣口開啟前滅火彈與伴隨管行程;L 為滅火炮擊發(fā)結(jié)束后滅火彈行程。

根據(jù)理想氣體流量公式得擊發(fā)氣口氣體流量方程[7]

膛內(nèi)氣體質(zhì)量守恒方程

膛內(nèi)氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程

滅火彈運(yùn)動(dòng)速度和位移關(guān)系式

(2)式、(4)式～(8)式即構(gòu)成擊發(fā)裝置動(dòng)力學(xué)基本方程。

3 擊發(fā)過程仿真結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1節(jié)建立了擊發(fā)過程滅火彈動(dòng)力學(xué)方程，膛內(nèi)氣體參數(shù)方程?，F(xiàn)對(duì)其利用MATLAB 仿真軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

設(shè)計(jì)參數(shù):氣室體積0.2 m3;填充完滅火彈彈后空間0.001 1 m3;l =10 mm;L =80 mm;伴隨管質(zhì)量3 kg;滅火彈質(zhì)量3 kg;γ = 1.4;氣室發(fā)射氣壓pp=2 MPa;壓力角為35°.

滅火炮氣口流量曲線如圖7 所示。前4 ms 為擊發(fā)氣路擊發(fā)過程，氣體處于臨界流動(dòng)狀態(tài)，由擊發(fā)氣路流進(jìn)炮膛，4 ms 之后氣口開始打開，氣流開始由氣口流入炮膛，4 ～6 ms 氣體處于臨界流動(dòng)狀態(tài)，隨著氣口橫截面積的增加流量逐漸增大。6 ms 之后氣體處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，氣流流量受膛壓的影響下降，7 ms之后隨著氣口面積的快速增加流量開始增加。

圖7 進(jìn)氣口流量變化Fig.7 Variation in discharge of air inlet

圖8 膛內(nèi)氣壓變化Fig.8 Change of pressure in bore

圖9 滅火彈速度變化Fig.9 Velocity variation of projectile

擊發(fā)過程彈后氣體壓力隨擊發(fā)時(shí)間的變化曲線如圖8 所示。仿真結(jié)果表明:滅火彈開始擊發(fā)到氣口完全打開(t=8 ms)，膛壓增加的速度隨氣口面積增加逐漸增大，當(dāng)氣口全部打開彈后氣體壓力達(dá)到最大接近2 MPa，氣室氣體壓力與彈后氣體壓力相等，滅火彈獲得足夠大的氣壓進(jìn)行加速。

滅火彈擊發(fā)速度變化曲線如圖9 所示。滅火彈在擊發(fā)過程中速度曲線平滑，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)。擊發(fā)過程滅火彈速度平穩(wěn)。

3.2 伴隨管停止時(shí)撞擊過程應(yīng)力分析

伴隨管是氣動(dòng)擊發(fā)裝置受力核心部件，擊發(fā)結(jié)束后滅火彈與伴隨管分離，伴隨管與炮管凸緣發(fā)生碰撞使其停止運(yùn)動(dòng)，為此必須對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，確保其強(qiáng)度和剛度能夠滿足要求。根據(jù)伴隨管選定的材料(鋁合金6063－T651)，確定伴隨管的材料屬性:彈性模量69 GPa，密度270 kg/m3，泊松比0.33.

圖10 伴隨管撞擊過程應(yīng)變?cè)茍DFig.10 Stress and strain at the associated tube

圖11 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Node stress vs time

利用有限元軟件對(duì)伴隨管進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，來模擬伴隨管撞擊炮管的過程。撞擊過程中，由于伴隨管與炮管內(nèi)壁均較光滑，且接觸面較小，因此可忽略其間的摩擦力，另外由于炮管強(qiáng)度遠(yuǎn)大于伴隨管強(qiáng)度，因此在建模過程中，可將炮管設(shè)置為剛性部件。圖10 為伴隨管撞擊過程應(yīng)力變化及變形趨勢(shì)圖，可看出，撞擊過程中伴隨管的最大應(yīng)力發(fā)生在第1 個(gè)凸臺(tái)處，最大應(yīng)力σmax=266.6 MPa，該位置節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖11 所示。最大應(yīng)力小于材料的抗壓強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，從圖10可知，該凸臺(tái)處在反復(fù)高速撞擊過程中容易發(fā)生疲勞折斷，因此應(yīng)加大此處的過渡圓角，加工過程應(yīng)嚴(yán)格控制表面精度，避免劃痕的出現(xiàn)。

3.3 炮口初速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

為了能夠準(zhǔn)確的測(cè)量滅火彈的炮口初速，滅火炮采用低發(fā)射氣壓進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，分別以0.4 ～1.6 MPa之間每隔0.2 MPa 發(fā)射氣壓進(jìn)行試驗(yàn)，滅火炮射角為0°，次要功系數(shù)φ =1.10，采用高速攝像機(jī)測(cè)速。滅火炮炮口初速測(cè)試結(jié)果如表1 所示，可看出誤差值小于5%，當(dāng)初始發(fā)射氣壓p0增大時(shí)，誤差有減小的趨勢(shì)。

表1 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of the test results

將表1 中的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖12 所示，通過曲線可以看出計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏大，可以對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正，將φ 值進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾?，取?=1.12 時(shí)，計(jì)算結(jié)果更為理想，由圖12 的2 條曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2 條曲線之間具有較好的一致性。

圖12 測(cè)試結(jié)果與理論值對(duì)比Fig.12 Comparison of the test and simulation results

4 結(jié)論

本文針對(duì)氣動(dòng)滅火炮發(fā)射時(shí)高壓氣體需要瞬間進(jìn)入炮膛推動(dòng)滅火彈加速這一難題，設(shè)計(jì)了一種新型的擊發(fā)裝置，并對(duì)這種新型的擊發(fā)裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究，建立了擊發(fā)過程滅火彈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，對(duì)伴隨管撞擊過程進(jìn)行了分析研究。最后完成了相關(guān)的發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比表明，所給出的氣動(dòng)擊發(fā)裝置能夠完成滅火炮的發(fā)射且具有較高的發(fā)射精度，能有效地解決氣動(dòng)滅火炮發(fā)射時(shí)出現(xiàn)的氣動(dòng)閥開啟時(shí)間對(duì)瞬態(tài)全壓發(fā)射建立的影響。

擊發(fā)裝置安置在滅火炮炮膛內(nèi)部，無法直接對(duì)其進(jìn)行速度測(cè)量，本試驗(yàn)采用測(cè)量滅火彈出炮口時(shí)的速度與理論出炮口時(shí)的速度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差包括擊發(fā)過程產(chǎn)生的誤差和炮膛加速過程產(chǎn)生的誤差。滅火炮需要頻繁進(jìn)行發(fā)射工作，需要對(duì)擊發(fā)裝置的工作壽命和可靠性進(jìn)一步研究。

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