氣動發(fā)射滅火炮伴隨管式擊發(fā)裝置研究

劉少剛，劉剛，趙丹，郭云龍

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國船舶重工集團公司 第703 研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引言

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

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)裝置是氣動滅火炮的核心機構(gòu)[4－5]。目前氣動炮主要有2 種擊發(fā)方式:1)氣動閥控制發(fā)射氣體，這種方式要求必須在極短的時間完成控制閥的開啟，否則將會在非全壓狀態(tài)下就會將滅火彈推出炮膛，因此對氣動閥的技術(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滅火彈殼體強度的要求較高，且對擊發(fā)機構(gòu)的強度要求也較高。文獻[4]對一種高層建筑氣動滅火炮進行了研究。

本文針對高層建筑氣動滅火炮的擊發(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短的時間內(nèi)加載到滅火彈后部，實現(xiàn)炮膛氣壓瞬態(tài)達到氣室壓力進行發(fā)射，解決了目前氣動炮采用的擊發(fā)方式對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，能夠在滅火彈運動最短距離內(nèi)將氣室中的最大氣壓快速加到滅火彈后方，推動滅火彈加速，實現(xiàn)炮膛氣壓瞬態(tài)達到氣室壓力推動滅火彈發(fā)射。

1 氣動擊發(fā)裝置方案設(shè)計

氣動炮擊發(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動。擊發(fā)銷外側(cè)沿著滑道運動，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動，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，此時氣室里的氣壓全部加載到滅火彈尾部推動滅火彈加速。擊發(fā)結(jié)束后伴隨管遇前方炮管凸緣停止運動。為防止高壓氣體的泄露，進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，由氣動閥控制氣路的通斷，氣路后邊設(shè)有阻尼孔，擊發(fā)時使氣室里的氣體通過擊發(fā)氣路進入炮膛產(chǎn)生初始加壓，對發(fā)射時產(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后坐活塞運動，將滅火彈推進到炮膛，借助氣室氣體對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動，被伴隨管關(guān)閉的氣口逐漸打開，氣室內(nèi)的氣體迅速進入膛內(nèi)，最終氣口全部打開，同時伴隨管遇炮管凸緣停止，此時膛內(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活塞回程運動，活塞將擊發(fā)機構(gòu)的伴隨管頂回初始位置完成氣動炮的一次發(fā)射。圖2 為裝有氣動擊發(fā)裝置的滅火炮，圖3 為氣動擊發(fā)過程動作時序圖。

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

2 擊發(fā)過程動力學仿真建模

氣動擊發(fā)裝置研究的核心問題是實現(xiàn)較短的時間和設(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動來控制氣室與炮膛的氣口開啟，實現(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。滅火彈對伴隨管和擊發(fā)銷對滑道的作用力可通過調(diào)整擊發(fā)角的大小來控制。

圖3 動作時序圖Fig.3 Action timing graph

2.1 擊發(fā)過程動力學分析

式中:Fa為炮膛氣體對伴隨管的推動力，F(xiàn)a=ptSa;Fp為炮膛氣體對滅火彈的推動力，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 為動摩擦因素;α 為滅火彈壓力角;Fca為擊發(fā)銷對伴隨管的作用力;FN為滅火彈對擊發(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。

因為β 和mc數(shù)值較小計算時將忽略，整理(1)式得滅火彈運動方程

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，即滅火彈對擊發(fā)銷的正壓力與滅火彈運動方向的夾角。在擊發(fā)過程中滅火彈相對伴隨管和擊發(fā)銷都存在著微小滑動，滅火彈與擊發(fā)銷之間的摩擦屬于滑動摩擦。為了保證擊發(fā)銷能正常工作，擊發(fā)銷外側(cè)軌跡沿著滑道運動。根據(jù)幾何學原理，擊發(fā)銷y 軸方向上的運動vy和x 軸向運動vx之間的關(guān)系為

兩邊同時對t 求導得加速度方程

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)滑道運動，擊發(fā)銷對滑道的作用力值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Fcs和vx與壓力角之間的變化關(guān)系進行分析。擊發(fā)銷對滑道的作用力

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)銷對滑道的作用力情況，如圖5 所示。

新華社曾報道：新蔡縣國土資源局練村鎮(zhèn)國土資源所張勇，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，價值1727元。事發(fā)后，新蔡縣紀委給予張勇黨內(nèi)警告處分，并將其違紀所得1727元收繳。河南省紀委檢查廳就此發(fā)違紀通報，報道引發(fā)輿論廣泛熱議。對上述所謂“小事”的處理，有人認為受賄者一點也不冤；而有人卻覺得處罰有點偏嚴。

當滅火炮膛內(nèi)氣壓不同時，在一定的擊發(fā)角下?lián)舭l(fā)銷對滑道的壓力值隨著膛壓的增加呈線性增加，不同的擊發(fā)角增長的比例值也不同，當壓力角接近34°時隨著膛內(nèi)壓力的變化擊發(fā)銷對滑道的壓力變化較小，當擊發(fā)角大于34°時，隨著擊發(fā)角的增加，擊發(fā)銷對滑道的壓力不斷增大。當壓力角小于34°時為負值說明擊發(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)提供初始氣壓，推動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，整個擊發(fā)過程在等溫等熵條件下進行[6－7]，氣室空間相對擊發(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，計算時可以將其忽略掉，在整個擊發(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

滅火彈運動速度和位移關(guān)系式

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

3 擊發(fā)過程仿真結(jié)果分析

3.1 動力學仿真分析

2.1節(jié)建立了擊發(fā)過程滅火彈動力學方程，膛內(nèi)氣體參數(shù)方程。現(xiàn)對其利用MATLAB 仿真軟件進行數(shù)值分析。

設(shè)計參數(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，氣體處于臨界流動狀態(tài)，由擊發(fā)氣路流進炮膛，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，當氣口全部打開彈后氣體壓力達到最大接近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。擊發(fā)過程滅火彈速度平穩(wěn)。

3.2 伴隨管停止時撞擊過程應(yīng)力分析

伴隨管是氣動擊發(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)生碰撞使其停止運動，為此必須對其進行結(jié)構(gòu)有限元分析，確保其強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)變云圖Fig.10 Stress and strain at the associated tube

圖11 節(jié)點應(yīng)力隨時間變化曲線Fig.11 Node stress vs time

利用有限元軟件對伴隨管進行瞬態(tài)動力學分析，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，另外由于炮管強度遠大于伴隨管強度，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 個凸臺處，最大應(yīng)力σmax=266.6 MPa，該位置節(jié)點的應(yīng)力隨時間變化曲線如圖11 所示。最大應(yīng)力小于材料的抗壓強度，滿足設(shè)計要求。另外，從圖10可知，該凸臺處在反復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)嚴格控制表面精度，避免劃痕的出現(xiàn)。

3.3 炮口初速計算值與實測值的比較

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

表1 測試結(jié)果數(shù)據(jù)對比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算值比實測值偏大，可以對其進行適當修正，將φ 值進行適當?shù)脑黾?，取?=1.12 時，計算結(jié)果更為理想，由圖12 的2 條曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，2 條曲線之間具有較好的一致性。

圖12 測試結(jié)果與理論值對比Fig.12 Comparison of the test and simulation results

4 結(jié)論

本文針對氣動滅火炮發(fā)射時高壓氣體需要瞬間進入炮膛推動滅火彈加速這一難題，設(shè)計了一種新型的擊發(fā)裝置，并對這種新型的擊發(fā)裝置進行了動力學研究，建立了擊發(fā)過程滅火彈的動態(tài)響應(yīng)曲線，對伴隨管撞擊過程進行了分析研究。最后完成了相關(guān)的發(fā)射試驗，試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果進行對比表明，所給出的氣動擊發(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，能有效地解決氣動滅火炮發(fā)射時出現(xiàn)的氣動閥開啟時間對瞬態(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，無法直接對其進行速度測量，本試驗采用測量滅火彈出炮口時的速度與理論出炮口時的速度進行對比，試驗數(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。滅火炮需要頻繁進行發(fā)射工作，需要對擊發(fā)裝置的工作壽命和可靠性進一步研究。

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