一種海域用救生傘的傘衣自動(dòng)脫離裝置設(shè)計(jì)*

雷曉峰，李彥卿，石文星，陳青山，盧 猛

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471003)

一種海域用救生傘的傘衣自動(dòng)脫離裝置設(shè)計(jì)*

雷曉峰，李彥卿，石文星，陳青山，盧 猛

(凱邁(洛陽)氣源有限公司，河南 洛陽 471003)

由于此前我國(guó)海用救生傘的脫離裝置為手動(dòng)，且操作程序繁瑣，特研制了一種全自動(dòng)脫離裝置。本文詳細(xì)介紹了此裝置的組成、工作原理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法。脫離裝置主要用于降落傘傘衣與脫離鎖片的自動(dòng)脫離，從而實(shí)現(xiàn)飛行員與救生傘傘衣的分離。

脫離裝置；傘衣；自動(dòng)脫離

Abstract: Because the release device of rescue parachute is manual, and the operation procedures is cumbersome, a fully automated device is developed. In this paper，the composition of this device, working principle and design calculations are described，the device is mainly used for automatic parachute canopy and detachment from the locking plate in order to achieve separation of the pilot and the rescue parachute canopy.

Key words: release device；canopy；release automatically

0 引 言

此前，我國(guó)海用救生傘的脫離裝置為手動(dòng)，飛行員掉入海中時(shí)，只能靠手動(dòng)脫開降落傘，且操作程序繁瑣。當(dāng)飛行員由于彈射時(shí)受傷或下降時(shí)間太短等原因無法手動(dòng)脫傘時(shí)，新型脫離裝置遇水即可自動(dòng)使傘衣和脫離鎖片(連接飛行員背帶)分離，避免出現(xiàn)飛行員和傘衣相互纏繞，甚至被傘拖著沉入海中的情況。

而歐美國(guó)家裝備的現(xiàn)役海上救生設(shè)備，早在二十幾年前已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，無需人工干涉。

脫離裝置是救生傘的關(guān)鍵部件，在使用時(shí)要完成兩種不同的功能。在分離之前要確保傘衣和飛行員可靠的連接；在分離時(shí)和分離后，要保證可靠的分離[1-2]。其分離解鎖過程直接關(guān)系到飛行員的生命安全，因此對(duì)傘衣脫離裝置設(shè)計(jì)有如下要求。

(1) 連接承載要求：分離前保證傘衣與飛行員連接可靠。

(2) 可靠分離要求：裝置應(yīng)使飛行員與傘衣迅速、準(zhǔn)確而可靠地解鎖與分離，必須保證解鎖與分離的可靠性。

(3) 分離沖擊要求：在分離過程中要求對(duì)鎖體沖擊小，不損傷分離裝置本體。

(4) 密封要求：裝置分離過程中，保證火工品產(chǎn)生的有限高壓氣體不外漏，從而保證可靠解鎖與分離。

(5) 安全性要求：要求在對(duì)火工脫離裝置進(jìn)行安裝、操作、維護(hù)和試驗(yàn)時(shí)，不發(fā)生火工品誤起爆。要求分離過程中不能破壞鎖體結(jié)構(gòu)和危及飛行員的安全。

1 脫離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 組成及工作原理

脫離裝置主要用于傘衣與脫離鎖片的自動(dòng)脫離，實(shí)現(xiàn)飛行員與救生傘傘衣的分離，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 脫離裝置結(jié)構(gòu)組成圖1.鎖體 2.活塞銷 3.O型密封圈 4. O型密封圈 5.彈簧 6.擋圈 7.螺釘堵頭 8.火工品 9.蓋板 10. 螺釘 11.連接銷 12.軸套 13. O型密封圈 14.定位螺釘 15.脫離鎖片

本脫離裝置僅為機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作時(shí)鎖體1腔體內(nèi)還安裝有電路板、感應(yīng)電極和電池等。救生傘通過背帶和連接銷11與鎖體1連接，飛行員通過背帶和脫離鎖片15與鎖體1連接。當(dāng)飛行員落到海面上時(shí)，感應(yīng)電極遇水導(dǎo)通電路后給火工品8通電，火工品8點(diǎn)爆后瞬時(shí)在狹小的封閉空間內(nèi)產(chǎn)生高壓氣體，高壓氣體經(jīng)過鎖體1的氣體通道后到達(dá)O型密封圈3和O型密封圈4(兩個(gè))之間的封閉容腔，氣體作用力再通過兩個(gè)活塞銷2壓縮彈簧5，彈簧5經(jīng)壓縮后變短，當(dāng)活塞銷2伸出部分從脫離鎖片15中縮進(jìn)擋圈中后即可實(shí)現(xiàn)脫離功能。為了增加可靠性，活塞銷2在高壓氣體作用下繼續(xù)縮進(jìn)，通過過盈配合卡死在鎖體預(yù)留臺(tái)階孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鎖體1與脫離鎖片15的徹底脫離，即而實(shí)現(xiàn)飛行員與救生傘的分離。

1.2 密封結(jié)構(gòu)

脫離裝置采用4道密封圈結(jié)構(gòu)圍成封閉容腔，可確?；鸸て繁稽c(diǎn)爆后產(chǎn)生的高壓氣體不發(fā)生泄漏[3]，從而保證活塞銷與鎖體卡死有足夠的動(dòng)力。

1.3 卡緊結(jié)構(gòu)

卡緊機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)火工品被點(diǎn)爆后產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)活塞銷克服彈簧阻力、O型圈及負(fù)載摩擦阻力和壓入力(過盈配合阻力)后，實(shí)現(xiàn)活塞銷與鎖體的卡死，從而實(shí)現(xiàn)傘衣與脫離鎖片的徹底脫離，大大提高了裝置的可靠性。火工品作用后的狀態(tài)見圖2所示。

圖2 火工品作用后的狀態(tài)圖1，4.O型封圈 2.活塞鉑 3.彈簧 5.鎖體 6.擋圈

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 卡緊結(jié)構(gòu)壓入力計(jì)算

為了保證分離后，活塞銷徹底鎖死在鎖體內(nèi)，提高裝置工作可靠性。設(shè)計(jì)利用火工品產(chǎn)生的高壓氣體將活塞銷楔入鎖體中，通過配合圓柱面過盈連接實(shí)現(xiàn)卡死活塞銷的目的。

壓入力可按下公式計(jì)算；

Pxi=pmax×π×df×Lf×μ

式中參數(shù)定義參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《極限與配合 過盈配合的計(jì)算和選用》(GB/T5371-2004)表1內(nèi)容，此文不再詳述[4]。

其中鎖體材料選用2A12硬鋁合金，活塞銷材料選用15-5PH特研不銹鋼，各計(jì)算參數(shù)數(shù)值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)數(shù)值表

由于結(jié)構(gòu)限制，活塞銷與鎖體實(shí)際最大結(jié)合長(zhǎng)度Lfmax=1.1 mm，如果計(jì)算上結(jié)合長(zhǎng)度比1.1大，則可能使兩個(gè)活塞銷卡死行程過大而撞在一起后反彈重新從卡槽中脫離，達(dá)不到卡死活塞銷的目的；考慮卡死功能要求，還要求Lfmin≥0.5 mm，否則活塞銷可能不能牢靠的卡死在卡槽中。

將表1數(shù)據(jù)代入，可以求得：

=1451.04NPximin=725.52 (N)

2.2 O型圈摩擦阻力計(jì)算

O型密封圈是一種小截面的圓環(huán)形密封元件，分別用于活塞銷與鎖體和擋圈間的氣體密封。假設(shè)密封圈在裝入之前的截面呈圓形，由于裝入后徑向尺寸小于O型圈直徑，使密封圈裝入時(shí)產(chǎn)生預(yù)壓縮。下面計(jì)算密封圈在預(yù)壓縮條件下產(chǎn)生的初始摩擦阻力F[5]：

式中：d為圓截面直徑；E為密封圈材料的彈性模量；μ為密封圈材料的泊桑系數(shù)；e為與壓縮率。已知d=1.8 m，密封圈活動(dòng)接觸面直徑D1=12.1 mm(密封圈與鎖體)，D2=8.9 mm(密封圈與活塞銷)，密封圈壓縮后高度b=1.55 mm，E=7.84 MPa，μ=0.47，e=(d-b)/d=0.139。f1為密封圈與鎖體(擋圈)內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)。依據(jù)材料力學(xué)手冊(cè)，取f1=0.4。

密封圈與鎖體之間摩擦力：F1=22.9N

密封圈與活塞銷之間摩擦力：F2=16.8N

2.3 火工品爆炸力設(shè)計(jì)

火工品爆炸力對(duì)本機(jī)構(gòu)工作可靠性起著至關(guān)重要的作用，因此本文也給出了火工品爆炸力的計(jì)算方法。

火工品產(chǎn)生的高壓氣體應(yīng)克服裝置內(nèi)部摩擦力、吊掛載荷產(chǎn)生的摩擦力、彈簧阻力和活塞銷壓入力的合力后才能正常工作，可以用下式表示：

F=Pxi+F1+F2+F3+F4

吊掛載荷所產(chǎn)生的摩擦力(鋼-鋼的靜摩擦系數(shù)μ1=0.15)：

F3=F×μ1=750×0.15=112.5 N

彈簧阻力：

活塞銷壓縮到位時(shí)的彈簧高度：H=11.2 mm

F4=K(H0-H)=1.4×(28-11.2)=23.5 N

可以求得：

Fmax=1 626.74 N；Fmin=901.22 N

火工品產(chǎn)生的高壓氣體對(duì)活塞銷的有效作用面積為：

S=πRV2=π62=131.1 mm2

通過Pro/E軟件求出火工品氣腔容積V1=274.03 mm3

所以：在0.274 cm3中，P1=6.87～12.4 MPa

由于0.274 cm3在生產(chǎn)中不容易實(shí)施，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程P1V1=P2V2換算出：

在5 cm3的封閉空腔中，P=0.38～0.68 MPa

因此，火工品只要能在5 cm3的封閉容腔中產(chǎn)生0.4～0.68 MPa的爆炸力即可滿足本機(jī)構(gòu)的要求。

3 結(jié) 語

介紹了一種海域用傘衣脫離裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法具有工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值，原理樣機(jī)進(jìn)行了脫離試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，本脫離裝置可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，且該裝置具有體積小及使用方便靈活的特點(diǎn)，因此，在宇航救生中有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 葉耀坤，嚴(yán) 楠，楊立欣.鋼球式解鎖螺栓分離裝置的強(qiáng)度計(jì)算[J].航天返回與遙感,2010.12(6)：66-72.

[2] 任春全，嚴(yán) 楠，葉耀坤.導(dǎo)彈級(jí)間火工分離裝置綜述[J].航天返回與遙感,2010.12(6)：70-77.

[3] 劉敬喜.O型密封圈的選型與使用[J].液壓氣動(dòng)與密封，2013，33(6)：57-59.

[4] GB/T 5371-2004，極限與配合.過盈配合的計(jì)算和選用[S].

[5] 徐輔仁.O型活塞密封圈所產(chǎn)生的摩擦阻力[J].重型機(jī)械，1989，1(1)：33-51.

Design of a Sea Area with Canopy Rescue Parachute Automatic Release Device

LEI Xiao-feng，LI Yan-qing，SHI Wen-xing，CHEN Qing-shan，LU Meng

(CAMA(luoyang)GasSupplyCo.，Ltd，LuoyangHenan471003，China)

2014-07-07

雷曉峰(1976-)，男，河南洛陽人，高級(jí)工程師，主要從事軍用閥門設(shè)計(jì)方面的工作。

TH138

A

1007-4414(2014)04-0168-03