一種新型封包繩切割器的設(shè)計

陳紅俊，王 敏，呂 江，葉淑琴，曹建強，任銀生，朱建國

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一種新型封包繩切割器的設(shè)計

陳紅俊，王 敏，呂 江，葉淑琴，曹建強，任銀生，朱建國

（北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西西安，710025）

針對救生備份傘封包繩切割器的使用特點，設(shè)計了一種全密封繩索切割器。通過浸水、泥沙、鹽霧和切割驗證試驗，找到了切割器過繩孔處密封結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計的缺陷，以及出現(xiàn)泄漏和夾絲現(xiàn)象的原因，確定了密封結(jié)構(gòu)和內(nèi)斂擴鉚工藝的設(shè)計參數(shù)，從而提高了動態(tài)密封性能，消除了夾絲現(xiàn)象。地面試驗和空中激發(fā)試驗表明，切割器切割性能可靠，無泄漏和夾絲現(xiàn)象，并具有防水、防泥沙、防鹽霧性能。

切割器；繩索；全密封；泄漏

繩索切割器廣泛應(yīng)用于空降兵訓(xùn)練、作戰(zhàn)，跳傘運動員訓(xùn)練、比賽、表演以及物資空投、飛行器回收等領(lǐng)域中，起切斷空降傘封包繩或傘繩的作用[1]。

本文所述繩索切割器用于備份傘中，在跳傘時，如果主傘沒有打開，切割器會自動切斷封包繩打開備份傘，起救生作用。該型切割器在大多數(shù)情況下不作用，沒有作用的切割器回收后可重復(fù)備用。

當跳傘人員落入水或泥沙中，如果過繩孔是不密封的，水和泥沙會進入切刀和砧板之間，造成不能切斷或不能完全切斷封包繩的故障；另外，切割器使用時可能處于沿海地區(qū)的鹽霧環(huán)境中，切割器應(yīng)具有防水、防泥沙、防鹽霧性能。

傳統(tǒng)傘繩切割器的過繩孔部位沒有采取密封措施，切刀暴露于大氣中[2]，容易受水和鹽霧作用而銹蝕，或者泥沙進入切刀與砧板之間，從而影響產(chǎn)品的切割功能。為了滿足救生備份傘對封包繩切割器的全密封要求，本研究采用曲形端面密封結(jié)構(gòu)和內(nèi)斂擴鉚工藝設(shè)計，實現(xiàn)了切割器過繩孔處的密封要求，使切割器能夠經(jīng)受水、泥沙、鹽霧環(huán)境的考核，拓寬了繩索切割器的使用范圍。

1 切割器結(jié)構(gòu)和工作原理

繩索切割器主要由插座、護線套、電發(fā)火件、作功藥、密封片、橡膠圈、導(dǎo)向管、固定套、橡膠圈和外殼組成，見圖1。跳傘時，由于主傘沒有打開，跳傘員下降速度越來越快，經(jīng)智能控制系統(tǒng)識別后，輸出一定的電能，切割器接受電能后橋絲發(fā)熱，點燃點火藥，繼而點燃作功藥，產(chǎn)生高溫高壓氣體[3]，推動切刀剪斷銷釘，切斷導(dǎo)向管及內(nèi)置封口繩，備份傘打開，實現(xiàn)救生目的。

圖1 繩索切割器結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計及驗證

2.1 密封設(shè)計

2.1.1 過繩孔處密封設(shè)計

傳統(tǒng)切割器的過繩孔是不密封的，見圖2。當水和泥沙進入切刀和砧板之間，易造成不能切斷或不能完全切斷封包繩的故障。

圖2 不密封結(jié)構(gòu)示意圖

過繩孔口部由圓柱面和圓孔相貫而成，不在同一平面內(nèi)，并且密封后必須保留原有的過繩孔，這種火工品密封形式未見報道過。經(jīng)過研究，確定了過繩孔處密封結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，見圖3。該密封結(jié)構(gòu)包括金屬固定套、塑料導(dǎo)向管和密封膠，采用冷擠壓變形工藝（簡稱內(nèi)斂擴鉚密封工藝），使固定套側(cè)孔向內(nèi)彎曲同時孔徑擴大，翻邊鉚在導(dǎo)向管孔壁上，在外殼、固定套、導(dǎo)向管的接觸縫隙中均涂有密封膠。

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖

固定套的硬度、壁厚、側(cè)孔孔徑和導(dǎo)向管的硬度、壁厚與過繩孔處的密封性能密切相關(guān)。若固定套的硬度和壁厚大，則不易變形，強力彎曲會形成銳角，對封包繩磨損嚴重；若固定套側(cè)孔孔徑大，則翻邊尺寸小，與導(dǎo)向管搭接面小，密封性不高，若側(cè)孔孔徑小，翻邊尺寸大，與導(dǎo)向管搭接面大，密封性較高，但會突入外殼內(nèi)孔，阻礙切刀運動；此外，導(dǎo)向管的硬度小，會造成“縮頸”，影響封包繩通過，導(dǎo)向管的硬度大，對切刀運動會產(chǎn)生額外阻力；導(dǎo)向管壁厚小，被金屬翻邊壓縮量小，密封性不高。密封性試驗包括浸水試驗、泥沙試驗和鹽霧試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 切割器密封性試驗

Tab.1 The sealing test result of cutter

2.1.2 動態(tài)密封設(shè)計

切割器依靠作功藥劑產(chǎn)生的燃氣推動切刀運動，如果燃氣從切刀與外殼間之的縫隙泄漏，將會造成推力不足，另外燃氣泄漏伴隨較大聲響，會對跳傘人員造成驚嚇，所以密封結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。動態(tài)密封結(jié)構(gòu)見圖4。

動態(tài)密封結(jié)構(gòu)主要由雙O形橡膠圈和壓變密封片構(gòu)成。切刀上設(shè)有兩道環(huán)槽，橡膠圈受擠壓變形實現(xiàn)切刀與外殼之間的靜態(tài)和動態(tài)密封[4]。密封片的材料為塑料，作功藥作用瞬間推動密封片運動，在銷釘剪斷之前密封片承受較大的壓力，外徑變大，達到與外殼之間的靜態(tài)和動態(tài)密封。動態(tài)密封性試驗包括單一結(jié)構(gòu)密封試驗和雙結(jié)構(gòu)試驗，見表2。

圖4 動態(tài)密封結(jié)構(gòu)

表2 動態(tài)密封性試驗

Tab.2 Dynamic sealing test

由表2可見，同時采用橡膠圈和密封片結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于動態(tài)密封冗余設(shè)計，極大提高了動態(tài)密封可靠性。

2.2 防夾絲結(jié)構(gòu)設(shè)計

繩索切割器作用時沒有完全將繩索切斷的現(xiàn)象稱為夾絲。對于“一字刀”切割器[5]，造成夾絲現(xiàn)象的原因主要有兩個方面：一是砧板平面與刀刃之間夾角較大，刀刃與砧板局部產(chǎn)生縫隙；二是繩索局部緊貼外殼內(nèi)壁，刀刃不能觸及。第1個因素很容易消除，第2個因素需通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以消除繩索局部緊貼外殼內(nèi)壁。防夾絲結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 防夾絲結(jié)構(gòu)

圖5中在砧板與內(nèi)孔的拐角處增加塑料斜面圈，當切刀向右運動時，封包繩向右壓縮，呈扁平狀，如果導(dǎo)向管破裂，繩索邊緣將貼緊孔壁，繼續(xù)右移，繩索受斜面作用，向砧板中部聚集，避免繩索局部處于拐角處，刀刃不能觸及。研制過程中，曾出現(xiàn)較大比例的夾絲現(xiàn)象，通過上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，夾絲現(xiàn)象得到消除。截止目前，共進行切割性能試驗85發(fā)，無一發(fā)切割器出現(xiàn)夾絲現(xiàn)象，繩索切口整齊。

3 地面和空中試驗

3.1 地面試驗

地面試驗項目包括絕緣電阻、安全電流、靜電感度、電磁兼容、震動、沖擊、溫度沖擊、鹽霧、浸水、低溫、高溫、切割性能，切割性能試驗數(shù)量累計276發(fā)，均完成切割功能，不漏煙不漏火。

3.2 空中激發(fā)試驗

切割器隨備份降落傘進行了空中激發(fā)試驗，試驗數(shù)量為22發(fā)，切割器均正常工作，滿足裝配于備份降落傘在高空環(huán)境中的使用要求。

4 結(jié)論

（1）通過過繩孔處密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)斂擴鉚工藝研究，使得該型繩索切割器成為全密封火工品，具有防水、防泥沙、防鹽霧性能。

（2）通過砧板拐角處斜面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，使得繩索在切刀運動時能夠向中部聚集，徹底消除了繩索切割器的夾絲現(xiàn)象。

（3）通過雙重動態(tài)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，提高了切割器動態(tài)密封性能，目前的試驗結(jié)果表明，僅采用密封片或密封圈，就能夠達到不漏煙不漏火的動態(tài)密封效果。

[1] 王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 王通,楊安民,吳瑞德,等.火工切割裝置的爆炸分離數(shù)值模擬[J].火工品,2015(6):17-20.

[3] 劉竹生,王小軍,朱學(xué)昌,等. 航天火工裝置[M].北京:中國宇航出版社,2012.

[4] 王凱民.火工品工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[5] 張宗山,譯.切割器的刀頭速度和切割能量的研究[J].火工品,1990(2):26.

Design on A New Type Cutter for Severing Parachute Packet Rope

Chen Hong-jun，Wang Min，Lü Jiang，YE Shu-qin，CAO Jian-qiang，REN Yin-sheng，ZHU Jian-guo

(Xi’an Qinghua Company of North Special Energy Group Co.Ltd., Xi’an, 710025)

For the characteristics of using rope cutter of lifesaving backup parachute, a fully sealed explosive cutter for severing the parachute packet rope was designed. Through the environmental tests, such as water immersion, mud and sand contamination, salt mist and severing, the reasons for the defects of the sealed structure of which the rope past in, as well as process design were found, and phenomena such as gas leaking and wire clipping were analyzed. The design parameters of sealed structure and inward convergence expanding rivet process were determined, its dynamic sealing performance was improved, the phenomenon of wire clipping was eliminated. The ground test and the firing test in sky show that the cutters are reliable in severing performance without gas leaking and wire clipping, and have performances of the water proof and resistance to mud and sand contamination, as well as salt mist environment.

Cutter；Rope；Fully sealed；Leakage

1003-1480（2016）05-0014-03

TJ45+9

A

2016-06-16

陳紅俊（1964 -），男，研究員級高級工程師，主要從事火工品設(shè)計與研究。