過濾網(wǎng)對安全氣囊氣體發(fā)生器影響研究

張銀銀，屈 純，姚 俊

（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所， 湖北 襄陽 441003）

過濾網(wǎng)是安全氣囊氣體發(fā)生器中的關(guān)鍵部件。通常，過濾網(wǎng)用于降低燃?xì)鉁囟炔⑦^濾殘?jiān)?，從而減少氣囊模塊在展開時(shí)，發(fā)生器內(nèi)迅速膨脹的氣體對氣袋產(chǎn)生的沖擊和灼傷。發(fā)生器工作時(shí)，其快速燃燒的藥劑會(huì)產(chǎn)生膨脹的氣體，過濾網(wǎng)必須能夠充分過濾掉氣流中的固體顆粒[1]。發(fā)生器設(shè)計(jì)中允許少量顆粒物從過濾網(wǎng)通過，但是飛出發(fā)生器外的顆粒物重量必須小于1 g[2]。過濾網(wǎng)重量、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容對降低通過其內(nèi)部的氣體溫度也起著關(guān)鍵的作用。最后，過濾網(wǎng)必須確保降低溫度的氣體順利擴(kuò)散出去以便促使氣袋展開。

1 針織過濾網(wǎng)簡介

針織過濾網(wǎng)（Knitted wire mesh coolant/filters[3]）普遍用于安全氣囊氣體發(fā)生器，是把最大直徑為0.8 mm的金屬絲織成長長的筒狀，然后按一定的重量或長度分切，將切下的網(wǎng)子卷好后放入模具型腔內(nèi)進(jìn)行壓制就可以得到所需的形狀和密度。盡管大的絲徑在發(fā)生器展開時(shí)可以防止金屬絲燒斷，但是絲徑越大，過濾網(wǎng)內(nèi)部的空隙就越大，這會(huì)增加火焰并削弱對固體顆粒的阻擋作用。針織過濾網(wǎng)的密度一般在30%~60%之間，外形見圖1。

圖1 針織過濾網(wǎng)Fig.1 Knitted wire mesh filter

2 研究內(nèi)容

本文主要通過實(shí)驗(yàn)方法研究針織過濾網(wǎng)對發(fā)生器性能的影響。針織過濾網(wǎng)的特征參數(shù)主要包括密度、針數(shù)、絲徑、層數(shù)等。過濾網(wǎng)對發(fā)生器的P-t曲線形狀、火焰長度及大小、排出的殘?jiān)?、火焰一致性、安全性等性能有較大的影響。主要研究內(nèi)容包括：

（1）過濾網(wǎng)密度對發(fā)生器P-t曲線的影響。

通過實(shí)驗(yàn)研究找出一般規(guī)律，提高對發(fā)生器設(shè)計(jì)的認(rèn)識，增加發(fā)生器P-t曲線調(diào)節(jié)的手段。同時(shí)，找出過濾網(wǎng)密度和P-t曲線之間的關(guān)系；

（2）過濾網(wǎng)密度對發(fā)生器排氣孔處噴出火焰的影響。

火焰問題的解決方式一般更傾向于調(diào)整產(chǎn)氣藥劑配方，然而配方的調(diào)整往往會(huì)對發(fā)生器的整體性能帶來負(fù)面影響，例如老化性能不達(dá)標(biāo)、空氣中顆粒物超標(biāo)等問題。通過實(shí)驗(yàn)和理論方法研究過濾網(wǎng)對火焰的影響效果可以提高發(fā)生器性能優(yōu)化的能力和效率。

（3）過濾網(wǎng)密度對發(fā)生器噴出殘?jiān)康挠绊憽?/p>

（4）過濾網(wǎng)針數(shù)對發(fā)生器安全性的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 對P-t曲線的影響

本節(jié)主要研究過濾網(wǎng)密度對發(fā)生器P-t曲線的影響。密度是過濾網(wǎng)的重要參數(shù)，定義為：

密度=（過濾網(wǎng)的質(zhì)量÷與過濾網(wǎng)體積相同的鋼的質(zhì)量）×100%

分別用密度為 45%、50%、55%的過濾網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，測試的P-t曲線見圖2所示：

圖2 不同過濾網(wǎng)密度對應(yīng)的曲線Fig.2 Curves under different filter density

從圖中的曲線可以看出，其他條件相同時(shí)，各點(diǎn)壓力值隨過濾網(wǎng)密度的越大而越低。

發(fā)生器采用過濾網(wǎng)對燃?xì)膺M(jìn)行冷卻屬于物理冷卻，這種外冷卻方式[4]主要利用過濾網(wǎng)金屬絲的升溫吸熱過程來降低燃?xì)鉁囟?。過濾網(wǎng)吸熱總量和冷卻后燃?xì)鉁囟鹊年P(guān)系分析如下[5,6]：

過濾網(wǎng)在吸熱過程無相變產(chǎn)生，總的吸熱量aQ為：

式中: l—冷卻層厚度,m；

S—冷卻室截面積,m2；

ρc—冷卻劑密度,k g× m-3；

T0—冷卻劑初始溫度,K；

Cp—冷卻劑的比熱容,J × kg-1×K-1。

燃?xì)庠诶鋮s過程中無相變產(chǎn)生，出口燃?xì)饪偡艧崃繛椋?/p>

式中:Tm—?dú)怏w進(jìn)入冷卻劑前的溫度,K；

Tg( t)—經(jīng)冷卻后的氣體溫度, K；

r—?dú)怏w密度,k g× m-3；

u( t)—?dú)怏w在過濾網(wǎng)內(nèi)壁面上的流速；

C—燃?xì)獾谋葻崛?J × kg-1×K-1。

g

則有

式中:rp—?dú)怏w發(fā)生劑密度,kg× m-3；Sp—發(fā)生劑的橫截面積,m2。

將（4）帶入（2）式得

氣體發(fā)生器整個(gè)工作時(shí)間小于100 ms，近似為等壓燃燒過程，則式（5）可寫成

由能量守恒可知?dú)怏w的放熱量應(yīng)該等于過濾網(wǎng)的吸熱量，有

由式（7）可知，過濾網(wǎng)密度rc增加，則減小，燃?xì)獾某跏紲囟?Tm取決于產(chǎn)氣藥劑化學(xué)性能，過濾網(wǎng)密度變化不會(huì)影響該溫度數(shù)值，故燃?xì)饫鋮s后的溫度 Tq( t)會(huì)降低。

發(fā)生器產(chǎn)生的氣體全部進(jìn)入 60 L壓力測試容器，根據(jù)理想氣體方程可知燃?xì)鉁囟冉档?，從而?dǎo)致壓力容器內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)的壓力下降。

3.2 對火焰性能的影響

USCAR標(biāo)準(zhǔn)中對發(fā)生器的火焰提出明確的要求：發(fā)生器高溫起爆時(shí)，火焰長度不應(yīng)超過50 mm，且持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過20 ms。

本節(jié)將通過不同密度的過濾網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證消除火焰的效果。為了試驗(yàn)對比的有效性，首先將使用不同密度過濾網(wǎng)的發(fā)生器壓力調(diào)整至相當(dāng)水平，實(shí)驗(yàn)用發(fā)生器壓力曲線如圖3所示：

圖3 不同過濾網(wǎng)密度對應(yīng)的相同曲線Fig.3 Same curves under different filter density

然后，使用高速攝像機(jī)分別對3種過濾網(wǎng)密度的發(fā)生器工作過程進(jìn)行拍攝，得到的發(fā)生器的火焰情況見圖4所示：

圖4 不同過濾網(wǎng)密度對應(yīng)的火焰Fig.4 Flame under different filter density

從圖上看出，過濾網(wǎng)密度為45%時(shí)，火焰長度超出了USCAR標(biāo)準(zhǔn)要求的50 mm限制值，隨著過濾網(wǎng)密度的不斷增加，氣體發(fā)生器的火焰逐漸減少變短。說明過濾網(wǎng)密度對消除火焰有著明顯的改善作用。

在化工行業(yè)，通常使用火焰消除器阻止火焰的傳播，針織過濾網(wǎng)由曲卷的金屬網(wǎng)壓制而成，表面和內(nèi)部存在大量的微孔，是一種良好的火焰消除裝置。

Palmer開展了消火焰性能的機(jī)理性研究工作[7]，從熱傳遞角度導(dǎo)出了消除器能消除火焰的速度的公式（8），指出消火焰元件的平均單位面積縫隙個(gè)數(shù)越多，能夠消除火焰的速度就越大；式

中: k—燃燒時(shí)，氣體導(dǎo)熱系數(shù)；

T—火焰溫度；

To—消火焰元件的溫度；

n—消火焰元件的平均單位面積縫隙個(gè)數(shù)；

y—消火焰元件的厚度；

Q—火焰的平均單位面積的熱損失；

xo—火焰的厚度；

針織網(wǎng)過濾網(wǎng)密度增加，則單位體積內(nèi)壓縮的褶皺金屬絲增加，形成的空隙數(shù)量n也隨之增加，故發(fā)生器火焰長度變短。

3.3 對殘?jiān)康挠绊?/h3>

USCAR標(biāo)準(zhǔn)中對發(fā)生器噴出的殘?jiān)恳沧隽司唧w要求，即室溫下，壓力容器內(nèi)固體顆?？偭繎?yīng)該不超過1 g。實(shí)驗(yàn)方法為，將發(fā)生器放在60 L密閉容器內(nèi)點(diǎn)爆，對使用不同密度過濾網(wǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的殘?jiān)M(jìn)行收集并稱重，見表1所示：

表1 不同密度過濾網(wǎng)對應(yīng)發(fā)生器噴出殘?jiān)縏able 1 Particulates under different filter density

從表中可以看出，發(fā)生器殘?jiān)娘w出量隨著過濾網(wǎng)密度的增加而降低。

3.4 對安全性能影響

實(shí)驗(yàn)用氣體發(fā)生器安裝的過濾網(wǎng)織網(wǎng)針數(shù)分別為24針、36針和44針，材料為非鍍鋅碳素結(jié)構(gòu)鋼SAE1006，鋼絲直徑為0.6 mm，過濾網(wǎng)密度為55%。發(fā)生器在+85 ℃高溫箱內(nèi)保溫4 h后點(diǎn)爆并測試燃燒室壓力，將發(fā)生器解剖并測量過濾網(wǎng)工作后的最大直徑，和過濾網(wǎng)工作前直徑值之差即為過濾網(wǎng)的徑向變形量。測試及計(jì)算結(jié)果見表2所示。

從結(jié)果看出，隨著針數(shù)的增加，過濾網(wǎng)的徑向變形量、燃燒室壓力逐漸增加。

對不同針數(shù)的織網(wǎng)進(jìn)行分析。針數(shù)越多，針筒直徑就越大，織出的網(wǎng)套直徑也大。

表2 測試結(jié)果Table 2 Test results

為了便于將網(wǎng)套裝入模腔，需要將大直徑的網(wǎng)套徑向尺寸進(jìn)行收縮。例如44針的網(wǎng)套需要將網(wǎng)套直徑收縮成至24針網(wǎng)套直徑相近水平，如圖5所示。

圖5 針織網(wǎng)坯料直徑示意圖Fig.5 Diameter of filter blank diagram

由于44針過濾網(wǎng)在壓制之前有徑向預(yù)收縮的過程，故其本身徑向的變形能力就較強(qiáng)，工作后其徑向變形量就會(huì)較大。高溫+85 ℃時(shí)，發(fā)生器燃燒室壓力達(dá)到最大值的時(shí)間在10~12 ms，這也是過濾網(wǎng)受力最大的時(shí)刻，會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，導(dǎo)致過濾密度降低，由式（1）知過濾網(wǎng)對燃?xì)獾奈鼰崮芰σ步档?。過濾網(wǎng)變形后，發(fā)生器還會(huì)持續(xù)20 ms左右的燃燒，燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟扔捎谶^濾網(wǎng)降溫能力的下降而增加，由理想氣體方程可知發(fā)生器內(nèi)壓增加。

氣體發(fā)生器安全系數(shù)為

式中:XBurst—平均水壓爆破壓力;

SBurst—水壓爆破值樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差;

X+85C—平均高溫+85 ℃內(nèi)壓;

S+85C—高溫+85 ℃內(nèi)壓樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從式（9）中可以看出發(fā)生器內(nèi)壓增加時(shí)，安全系數(shù)會(huì)降低，故過濾網(wǎng)針數(shù)增加會(huì)降低發(fā)生器的安全性。

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得出過濾網(wǎng)對發(fā)生器性能的影響包括：

（1）過濾網(wǎng)密度增加，則氣體發(fā)生器60 L壓力容器測得的壓力最大值降低，噴出火焰和殘?jiān)繙p少；

（2）過濾網(wǎng)針數(shù)增加，發(fā)生器安全性能會(huì)下降。

過濾網(wǎng)對發(fā)生器起到降溫、過濾和消除火焰的作用，增加過濾網(wǎng)密度有利于提高發(fā)生器對氣袋的適應(yīng)能力，尤其是適用于無涂層氣袋。同時(shí)，注意到過濾網(wǎng)工藝的變化也會(huì)對發(fā)生器造成負(fù)面作用，在過濾網(wǎng)質(zhì)量控制上要引起足夠的重視。

［1］ 張銀銀，馮濤，陳樊，等.安全氣囊氣體發(fā)生器用過濾網(wǎng)淺析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015, 1:75-78.

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［4］ 李暢，杜志明.煙火型氣體發(fā)生器氣體冷卻技術(shù)研究進(jìn)展[J].含能材料，2004,12(5):309-313.

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