閆 欣，殷木良，駱成漢，徐 東，曹 毅

(1. 中國船舶集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027；2. 常州市匯豐船舶附件制造有限公司，江蘇 常州 213025)

0 引 言

現(xiàn)代艦船對(duì)核爆炸時(shí)的防護(hù)主要通過對(duì)密閉的防護(hù)艙室不斷提供經(jīng)過高效過濾的潔凈空氣，以保護(hù)艦員的生命安全和主要設(shè)施防放射性氣溶膠污染。因此濾毒通風(fēng)裝置是防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，裝置中的微粒過濾器具有高效過濾性能（過濾精度達(dá)到0.1 μm），可有效濾除爆炸空氣中的放射性微粒，但其承受的沖擊波超壓只能 ≤ 10 kPa，而艦船在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下，要求裝置耐受沖擊波超壓為60～70 kPa。為了戰(zhàn)時(shí)保護(hù)濾毒通風(fēng)裝置可靠有效運(yùn)行，保護(hù)艙室防護(hù)區(qū)內(nèi)人員的生命安全，在濾毒通風(fēng)裝置進(jìn)氣通道前端必須進(jìn)行爆炸沖擊波的隔離和防護(hù)。

1 爆炸沖擊波的主要特性

爆炸沖擊波是以大氣局部瞬態(tài)壓力引起的局部空氣的高速運(yùn)動(dòng)，其具有沖擊強(qiáng)度大、峰值上升時(shí)間短（毫秒級(jí)）和壓力大（超大氣壓，100 kPa量級(jí)）的特點(diǎn)，可對(duì)沖擊波作用范圍內(nèi)的設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。由于爆炸時(shí)一般為突發(fā)性，對(duì)其產(chǎn)生的爆炸沖擊波均難以進(jìn)行捕捉、檢測和控制。通過在一個(gè)特定密閉容器內(nèi)使用定量炸藥爆炸模擬產(chǎn)生沖擊波的辦法，依靠計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，通過大量的試驗(yàn)研究，掌握了爆炸沖擊波的基本特征、作用原理和控制方法，從而為研究設(shè)計(jì)爆炸沖擊波的隔離防護(hù)裝置（即抗沖擊波閥）奠定基礎(chǔ)。

2 抗沖擊波閥門的性能要求

2.1 極高靈敏度的瞬時(shí)感知、閉合性能

爆炸沖擊波在大氣中傳播速度一般為4 500～8 800 m/s，所以要求抗沖擊波閥在沖擊波到達(dá)之際前的瞬間能感知沖擊波并立即關(guān)閉，及時(shí)切斷沖擊波進(jìn)入進(jìn)氣管道，閉合時(shí)間應(yīng)≤1～2 ms，避免濾毒通風(fēng)裝置遭沖擊波超壓破壞，保證裝置安全運(yùn)行。

2.2 通風(fēng)阻力小、沖擊波消失后能及時(shí)復(fù)位

對(duì)HFB系列抗沖擊波閥，在額定流量時(shí)流動(dòng)阻力320 Pa，當(dāng)沖擊波消失后，抗沖擊波閥能夠迅速開啟，保證通風(fēng)流道的暢通，并使空氣流動(dòng)阻力達(dá)到最小。

≤

2.3 超強(qiáng)的沖擊波隔離過濾性能

標(biāo)準(zhǔn)要求艦船防護(hù)設(shè)備的抗沖擊波超壓值為60～70 kPa，而艦船濾毒通風(fēng)裝置高效濾器安全承壓為≤10 kPa，要求抗沖擊波閥門在沖擊波來臨，閥前超壓達(dá)到60～70 kPa時(shí)，閥后泄漏的超壓應(yīng) ≤10 kPa，對(duì)沖擊波的隔離過濾能力應(yīng)達(dá)到85%～90%。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

抗沖擊波閥閥板要求強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，耐沖擊性好、形變小，閥體、閥蓋等主要零部件采用不銹鋼薄壁鑄件，主從動(dòng)盤采用高分子聚酯材料，滿足耐沖擊、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，適應(yīng)船舶振動(dòng)、搖擺、高低溫和防腐的環(huán)境要求。

3 抗沖擊波閥的主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)GJB4000-2000對(duì)艦船設(shè)備的抗沖擊波要求以及濾毒通風(fēng)裝置的抗沖擊波超壓性能，提出抗沖擊波閥的主要技術(shù)指標(biāo)（以HFB150型抗沖擊波閥為例）：

1）閥門通徑DN150 mm；

2）管道空氣壓力0.1 MPa；

3）閥前沖擊波超壓10～70 kPa；

4）閥后沖擊波余壓≤10 kPa；

5）空氣流動(dòng)阻力 ≤320Pa（風(fēng)量為600 m3/h時(shí)）；

6）空氣額定流量600 m3/h；

7）能源條件不消耗能源能自動(dòng)啟閉。

4 抗沖擊波閥的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

由于爆炸具有突發(fā)性，無法預(yù)測和捕捉，同時(shí)爆炸產(chǎn)生的沖擊波在空氣中傳播的速度一般均超過6 500 m/s，目前國內(nèi)尚沒有一種傳感聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足爆炸沖擊波的采集和信息傳遞，以使抗沖擊波閥動(dòng)作的裝置。為此采用依靠沖擊波自身的超壓動(dòng)能，瞬間轉(zhuǎn)換成抗沖擊波閥工作勢能的辦法，自主研發(fā)抗沖擊波閥。當(dāng)沖擊波來臨的瞬間，通過抗沖擊波閥的阻尼閥板（感知元件）隨沖擊波同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使閥門瞬間關(guān)閉即時(shí)隔斷沖擊波，達(dá)到隔離防護(hù)沖擊波的要求。在沖擊波消失后，依靠復(fù)位彈簧力使閥板復(fù)位，使進(jìn)氣流道暢通，保證濾毒通風(fēng)裝置的正常運(yùn)行。經(jīng)過大量試驗(yàn)研究于2002年首次研制成功HFB150型抗沖擊波閥。

4.2 抗沖擊波閥的結(jié)構(gòu)組成

HFB150型抗沖擊波閥主要由導(dǎo)流罩、感應(yīng)帽、阻尼板、定位銷、濾波板、回位彈簧、閥體等組成，如圖1所示。

圖1 抗沖擊波閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of anti-shockwave valve structure

4.3 抗沖擊波閥的主要工作原理

抗沖擊波閥一般安裝在濾毒通風(fēng)裝置進(jìn)氣通風(fēng)管道的前端，根據(jù)風(fēng)量大小，目前已研制完成通徑DN150、通徑DN200、通徑DN250等型號(hào)。

4.3.1 閥門開啟

平時(shí)，抗沖擊波閥在回位彈簧作用力下，頂起阻尼板，使之與濾波板保持特定的間隔，使閥門主流道打開。空氣通過感應(yīng)帽、導(dǎo)流罩、阻尼板的四周主通道進(jìn)入閥后，此時(shí)流道阻力最小，氣流暢通。濾毒通風(fēng)裝置運(yùn)行時(shí)，抗沖擊波閥處于長期開啟狀態(tài)，保證新風(fēng)的進(jìn)入（見圖2）。

4.3.2 閥門閉合

當(dāng)爆炸沖擊波進(jìn)入閥門的瞬間，感應(yīng)帽及阻尼板同時(shí)在沖擊波作用下，克服彈簧力向?yàn)V波板運(yùn)動(dòng)，以極短的時(shí)間（1～2 ms）主流道瞬間關(guān)閉。在定位銷的導(dǎo)向作用下，阻尼板與濾波板閉合時(shí)，兩塊板上各自的濾波孔產(chǎn)生特定錯(cuò)位，通孔的大部分流通面積被相互遮蓋，未被遮蓋的通道邊緣，形成了大量的微小間隙，依靠流體力學(xué)的管嘴出流原理阻隔沖擊波通過，產(chǎn)生濾波效應(yīng)，可在瞬間把極大部分沖擊波動(dòng)壓隔離、阻斷在閥前，只有絕少量的余波壓力泄漏到閥板后面，形成安全的沖擊波余壓（見圖3）。

圖2 閥門開啟狀態(tài)通風(fēng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the valve opening state for ventilation

圖3 閥門閉合狀態(tài)濾波示意圖Fig. 3 Schematic diagram of valve closed state for filtering

4.4 模型的流體仿真分析

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，運(yùn)用流體仿真分析軟件對(duì)該抗沖擊波閥隔離防護(hù)爆炸沖擊波的性能進(jìn)行了仿真分析。通過給定閥前超壓，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，模擬出了不同閥前超壓情況下的閥后余壓情況，圖4和表1列出了仿真分析的結(jié)果，結(jié)果表明抗沖擊波閥門在關(guān)閉情況下可以很好地隔離爆炸沖擊波壓力，滿足技術(shù)指標(biāo)提出的閥前超壓10～70 kPa、閥后余壓 ≤10 kPa的要求。

圖4 閥前超壓70 kPa和10 kPa時(shí)抗沖擊波閥壓力分布仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation results of anti-shockwave valve pressure distribution as frontal over pressure 70 kPa and 10 kPa

表1 仿真計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Simulation calculation results

圖5 爆炸沖擊波模擬試驗(yàn)檢測裝置原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the detection device for the blast shock wave simulation test

5 抗沖擊波閥的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 爆炸沖擊波模擬試驗(yàn)檢測裝置

為了滿足抗沖擊波閥的試驗(yàn)研究需要，根據(jù)GJB2062-94《軍用過濾吸收器通用規(guī)范》附錄B的要求，建立一套爆炸沖擊波模擬產(chǎn)生裝置和爆炸沖擊波強(qiáng)度檢測系統(tǒng)的集成試驗(yàn)平臺(tái)，裝置原理圖如圖5所示。在一個(gè)設(shè)計(jì)的特定大型容器內(nèi)，用定量炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波的方法，模擬大氣環(huán)境中的爆炸沖擊波。通過爆炸沖擊波的定向發(fā)射管道，對(duì)被測閥門抗沖擊波強(qiáng)度、作用時(shí)間、濾波能力等項(xiàng)目進(jìn)行檢測分析，經(jīng)過數(shù)千次的試驗(yàn)研究，從爆炸沖擊波的產(chǎn)生、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、傳感器選擇、試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)制作和試驗(yàn)控制程序的編制等研究積累了一系列爆炸沖擊波模擬與檢測分析技術(shù)，取得了相關(guān)的試驗(yàn)控制參數(shù)和預(yù)期的試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了爆炸沖擊波強(qiáng)度檢測試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)測控。這些工作不僅有助于在不同沖擊波作用下對(duì)被測裝置的抗沖擊波強(qiáng)度、過濾沖擊波能力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，也有助于爆炸沖擊波試驗(yàn)檢測平臺(tái)的建設(shè)和相關(guān)防護(hù)工程產(chǎn)品的研發(fā)。

5.2 抗沖擊波性能檢測

閥門的抗沖擊波性能可以通過精確測量被測物前端所承受的沖擊波強(qiáng)度和后端的余壓強(qiáng)度來判斷其隔離沖擊波的性能。通過引入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速記錄閥前和閥后壓力的變化歷程，檢測數(shù)據(jù)以圖形曲線形式直觀地對(duì)比在沖擊波作用下閥門前后壓力變化過程及差異，圖6～圖8的抗沖擊波試驗(yàn)曲線清晰地顯示出閥前與閥后的沖擊波強(qiáng)度變化和被測物體的抗沖擊波性能。

分析抗沖擊波閥對(duì)爆炸沖擊波響應(yīng)的圖形曲線，可以看出：

1）獲得作用于物體的沖擊波波峰高度及其最大強(qiáng)度；

2）從整個(gè)沖擊波的作用時(shí)間即從沖擊波作用起始到?jīng)_擊波泄漏至與被測物后端余壓等幅值的時(shí)間，可以評(píng)估該濾波裝置的過濾沖擊波能力；

圖6 閥前沖擊波強(qiáng)度為60 kPa的濾波曲線Fig. 6 Pressure curve of 60 kPa shock wave intensity before the valve plate

圖7 閥前沖擊波強(qiáng)度為70 kPa的濾波曲線Fig. 7 Pressure curve of 70 kPa shock wave intensity before the valve plate

圖8 閥前沖擊波強(qiáng)度為15 kPa的濾波曲線Fig. 8 Pressure curve of 15 kPa shock wave intensity before the valve Plate

3）通過對(duì)被測物體在試驗(yàn)前后形狀變化的測量，判斷其能夠承受的沖擊波強(qiáng)度和失效載荷的大小。

5.3 流動(dòng)阻力檢測

對(duì)于被測物體流阻性能，是通過檢測試驗(yàn)裝置對(duì)流量與壓力的聯(lián)合測量來獲得在各種風(fēng)量下被測物的流阻大小，形成流量阻力曲線。根據(jù)防御爆炸沖擊波設(shè)施的總體設(shè)計(jì)需要，安裝在設(shè)施進(jìn)口處的防爆炸沖擊濾波閥，在沖擊波產(chǎn)生時(shí)，閥后余壓越小越好，而且通過該閥門的空氣流阻越小越好。圖9為HFB200型抗沖擊波閥的空氣流阻測試曲線。

6 結(jié) 語

通過爆炸沖擊波隔離防護(hù)裝置的試驗(yàn)和研究，可以得出以下結(jié)論：

圖9 HFB200型抗沖擊波閥的空氣流阻曲線Fig. 9 Flow resistance curve of HFB200 anti-shock wave valve in air

1）采用依靠爆炸沖擊波的超壓動(dòng)能實(shí)現(xiàn)在沖擊波到達(dá)瞬間關(guān)閉防沖擊波閥門的方案是切實(shí)可行的。目前已研發(fā)成功的裝置有DN150，DN200，DN250等型號(hào)，產(chǎn)品已經(jīng)在實(shí)船上推廣應(yīng)用。

2）通過防沖擊波閥門的動(dòng)板（阻尼板）與定板（濾波板）閉合時(shí)錯(cuò)位形成大量微孔，根據(jù)高速流體微孔出流的原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸沖擊波的隔離、過濾的方案是成功的。通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，沖擊波的過濾效率達(dá)到85%～90%以上，這對(duì)陸上人防工事的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行核爆炸沖擊波隔離防護(hù)裝置的研制具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3）爆炸沖擊波模擬試驗(yàn)檢測裝置，可以精準(zhǔn)輸出爆炸沖擊波產(chǎn)生的全過程圖形，能完整檢測沖擊波的閥前超壓、閥后余壓、作用時(shí)間、閥門關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)，對(duì)爆炸沖擊波的研究分析及防爆炸沖擊波產(chǎn)品的性能檢測打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4）通過流體微孔出流的仿真計(jì)算可以得出閥前沖擊波經(jīng)過微孔后，閥前超壓受阻力作用大幅衰減，衰減幅度在90%以上，使閥后余壓控制在設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)。這從側(cè)面印證了該型防爆炸沖擊波裝置的有效性。