船用快速開啟氣瓶電爆閥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

，，

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

電爆閥作為控制閥件，是艦船噴淋系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)中起到對(duì)氣體的控制作用。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，艦船消防系統(tǒng)上應(yīng)用普遍的電爆閥體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、反應(yīng)慢且穩(wěn)定性較差，難以滿足彈庫(kù)、油庫(kù)等特種場(chǎng)所的氣動(dòng)閥等設(shè)備開啟快速性需求，嚴(yán)重影響噴淋系統(tǒng)的性能。為此，考慮設(shè)計(jì)一種船用快速開啟氣瓶電爆閥。

1 功能需求分析

船用氣瓶用于貯存壓縮空氣，為氣動(dòng)閥開啟提供驅(qū)動(dòng)氣源，實(shí)現(xiàn)船用氣瓶的啟動(dòng)控制或介質(zhì)隔離。電爆閥作為隔離閥，是船用氣瓶的關(guān)鍵部件，在實(shí)船待命時(shí)處于常閉狀態(tài)。一旦收到請(qǐng)求信號(hào)，電爆管根據(jù)指令瞬間點(diǎn)爆，驅(qū)動(dòng)閥體打開，氣瓶?jī)?nèi)壓縮空氣在高壓作用下迅速排出，實(shí)現(xiàn)船用氣瓶的快速供氣功能。電爆閥是噴淋系統(tǒng)可靠、快速投入的關(guān)鍵部件。

由于船用氣瓶布置在設(shè)備艙或艦船走廊等處，開啟時(shí)需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離可靠控制，因此對(duì)電爆閥的開啟需要提供遠(yuǎn)距離控制的開啟動(dòng)力。根據(jù)其占用空間小，開啟速度快，安全可靠等要求，采用體積小、重量輕、威力大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的點(diǎn)火器——電爆管[1]。

在值守狀態(tài)下，電爆管一旦接收到一定的電流信號(hào)指令就會(huì)迅速引爆，爆炸產(chǎn)生壓力上升快速的高溫高壓燃?xì)?，電爆閥在電爆管爆壓力作用下機(jī)械聯(lián)動(dòng)開啟[2]。電爆管點(diǎn)火時(shí)間可達(dá)毫秒級(jí)，爆炸迅速有力且作用范圍小，既能夠滿足電爆閥快速開啟的需求又能確保使用時(shí)安全可靠。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求及電爆管的特性設(shè)計(jì)船用快速開啟氣瓶電爆閥，機(jī)構(gòu)見圖1。

圖1 電爆閥機(jī)構(gòu)示意

1)電爆腔。在電爆閥閥體上設(shè)計(jì)電爆腔，實(shí)現(xiàn)電爆腔與閥體腔體的有效隔離，同時(shí)電爆腔與活塞腔體的夾角設(shè)計(jì)，確保燃?xì)饬鬟M(jìn)入活塞腔體的的同時(shí)爆炸碎屑被隔離[3]。電爆腔上安裝電爆管，保證電爆閥的快速性。

2)安全膜片。為防止氣瓶?jī)?nèi)因壓力過(guò)高導(dǎo)致氣瓶破裂，設(shè)計(jì)超壓排氣結(jié)構(gòu)，主要原理是在超壓排氣孔上安裝安全膜片。當(dāng)船用氣瓶?jī)?nèi)的壓力超過(guò)設(shè)定壓力值13～15 MPa時(shí)，安全膜片自行破裂，釋放瓶?jī)?nèi)氣體，確保鋼瓶完好及人員安全。安全膜片的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了船用氣瓶電爆閥的安全性特征。超壓排氣結(jié)構(gòu)示意于圖2。

圖2 超壓排氣結(jié)構(gòu)示意

電爆閥有三種工作狀態(tài)：關(guān)閉、開啟以及充氣。

1)電爆閥關(guān)閉狀態(tài)。由于船用氣瓶只有在噴淋時(shí)為氣動(dòng)閥提供氣源，因此電爆閥為常閉閥。在初始狀態(tài)下，電爆管未被啟動(dòng)，通過(guò)曲柄帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)軸與壓臂扣合，然后手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)壓桿，推動(dòng)閥芯下移，關(guān)閉通流口，進(jìn)而閥門閉合，船用氣瓶可靠關(guān)閉，閉合狀態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意于圖3。

圖3 電爆閥閉合狀態(tài)示意

2)電爆閥開啟狀態(tài)。一旦遇到險(xiǎn)情，船用氣瓶需要提供氣源時(shí)，電爆閥應(yīng)可靠開啟。此時(shí)，電爆管接收到電信號(hào)開啟指令發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的爆壓力推動(dòng)活塞上移，活塞桿撞擊曲柄，使曲柄帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使轉(zhuǎn)軸與壓臂的扣合處分離，閥芯上的壓緊力瞬間釋放，壓臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)壓桿翻轉(zhuǎn)[4]。同時(shí)，閥芯在彈簧力的作用下迅速上移，閥門打開，壓縮空氣送出。電爆腔、彈簧結(jié)構(gòu)、電爆閥機(jī)構(gòu)的開啟聯(lián)動(dòng)性及行程短設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了船用快速開啟氣瓶電爆閥的快速可靠開啟[5]。

船用快速開啟氣瓶電爆閥除電爆驅(qū)動(dòng)開啟外，也可通過(guò)扳動(dòng)曲柄，手動(dòng)打開閥門，開啟狀態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意于圖4。

圖4 電爆閥開啟狀態(tài)示意

3)電爆閥充氣。船用氣瓶因使用或其他原因?qū)е職馄績(jī)?nèi)壓力降低需要補(bǔ)充氣體時(shí)，旋轉(zhuǎn)手輪，帶動(dòng)針閥桿，使針閥心右移，打開針閥，充氣口與氣瓶連通(電爆閥充氣狀態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意于圖5)。利用船上氣源，通過(guò)充氣口向氣瓶?jī)?nèi)充入壓縮空氣，當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，旋轉(zhuǎn)手輪，帶動(dòng)針閥桿推動(dòng)針閥心左移，關(guān)閉針閥，此時(shí)，船用氣瓶處于正常待命狀態(tài)。

圖5 電爆閥充氣結(jié)構(gòu)示意

3 數(shù)值分析

3.1 電爆管爆炸時(shí)的爆壓分析

電爆管內(nèi)含有起爆藥、過(guò)渡藥和主裝藥，其成分包括C、H、N和O等元素[6]。彈藥的爆壓、裝藥密度、彈藥成分及化學(xué)反應(yīng)熱相關(guān)，爆壓的工程計(jì)算公式為

(1)

炸藥爆速為

(2)

(3)

式中：Pj為爆壓，GPa；ρ0為彈藥裝藥密度，g/cm3；D為爆速，km/s；φ為彈藥特性值；N為每克炸藥爆炸所形成氣體物質(zhì)的量，mol/g；M為爆炸產(chǎn)物氣體組分的平均摩爾質(zhì)量，mol/g；Q為單位炸藥的化學(xué)反應(yīng)熱，J/g。

炸藥的爆炸性能與裝藥密度密切相關(guān)，即裝藥密度越大，爆壓及爆速均越大。通過(guò)掌握炸藥的裝藥密度，便能精確測(cè)定電爆管的爆速和爆壓。

3.2 電爆閥機(jī)構(gòu)受力及強(qiáng)度校核

1)閉合狀態(tài)時(shí)。船用氣瓶在實(shí)船待命狀態(tài)時(shí)，電爆閥處于閉合狀態(tài)，此時(shí)，閥體依靠轉(zhuǎn)軸和壓臂之間凸輪咬合處的相互摩擦力保持平衡，壓臂受力分析見圖6。

圖6 壓臂受力示意

閥芯對(duì)壓臂施加的力：

Fx=Ft+Fh

(4)

Ft=pqSl

(5)

Fh=kx

(6)

式中：Fx為閥芯對(duì)壓臂的作用力，kN；Ft為氣壓對(duì)閥體的作用力，kN；Fh為彈簧對(duì)閥芯的作用力，kN；pq為氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)，MPa；Sl為氣體對(duì)閥體的作用面積，m2；k為彈簧系數(shù)，kg/mm；x為彈簧壓縮量，mm。

通過(guò)分析電爆閥閉合狀態(tài)下壓臂的受力情況，利用杠桿原理可求得轉(zhuǎn)軸對(duì)壓臂的作用力

Fx×Lx=Fz×Lz

(7)

式中：Fz為轉(zhuǎn)軸對(duì)壓臂的作用力，kN；Lx為Fx到支點(diǎn)的距離，mm；Lz為Fz到支點(diǎn)的距離，mm。

2)開啟狀態(tài)時(shí)。當(dāng)電爆管接收到一定的電流信號(hào)時(shí)，電爆管點(diǎn)火爆破，打破平衡，克服轉(zhuǎn)軸與壓臂之間的摩擦力使壓桿轉(zhuǎn)動(dòng)，壓臂與轉(zhuǎn)軸分離，此時(shí)，閥芯在彈簧彈力和氣瓶?jī)?nèi)氣體氣壓的作用下克服自身及壓臂與壓桿的重力迅速上移，氣瓶?jī)?nèi)的壓縮空氣通過(guò)閥體的通流口流出[7-8]。

(1)受力分析。由于曲柄與轉(zhuǎn)軸之間是固體連接，可看作一體，因此曲柄所受力即為轉(zhuǎn)軸受力。此時(shí)，轉(zhuǎn)軸與曲柄受力情況見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)軸與曲柄受力示意

(8)

(9)

轉(zhuǎn)軸與壓臂之間存在作用力與反作用力，即

(10)

通過(guò)式(7)～(9)可求得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)需要的開啟力Fk。

FH=PjS

(11)

式中：S為電爆管爆炸對(duì)活塞的作用面積。

當(dāng)電爆管爆炸的爆壓力FH>Fk時(shí)滿足電爆閥開啟要求，從而船用快速開啟氣瓶電爆閥聯(lián)動(dòng)快速打開。

(2)強(qiáng)度校核。由于曲柄與轉(zhuǎn)軸在爆壓力瞬間受力最大，故對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。曲柄與轉(zhuǎn)軸為不銹鋼，其特性參數(shù)為

彈性模量E=206 GPa；

泊松比μ=0.3；

屈服強(qiáng)度σs≥540 MPa。

根據(jù)上述條件，對(duì)曲柄與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行有限元建模，模型尺寸以mm為單位，應(yīng)力以Pa為單位。有限元模型見圖8。

圖8 曲柄與轉(zhuǎn)軸有限元模型

當(dāng)施以一定的爆壓力時(shí)，分析曲柄與轉(zhuǎn)軸的受力情況，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)軸所受的力不大于其屈服強(qiáng)度時(shí)，說(shuō)明曲柄與轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度滿足需求，設(shè)計(jì)合理[9]。電爆管的爆壓力約為15 MPa，對(duì)轉(zhuǎn)軸與壓臂的接觸面施加一個(gè)約束，同時(shí)對(duì)曲柄與活塞桿的接觸點(diǎn)施加15 MPa的爆壓力，結(jié)果見圖9。

圖9 曲柄和轉(zhuǎn)軸壓力分布

由圖9可見，加以15 MPa的力時(shí)，曲柄和轉(zhuǎn)軸所受的最大應(yīng)力值413 MPa，小于σs，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 安全膜片仿真分析

安全膜片的安全性的判定主要采取其在一定的壓力作用下爆破作為考察因素，當(dāng)其所受壓力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)爆破。

為保證氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力在13～15 MPa時(shí)能安全排出，需要選擇合適的安全膜片。安全膜片的耐壓情況與其材料、厚度等有關(guān)，這里膜片材料選擇錫青銅，其特性參數(shù)為

彈性模量E=124 GPa;

泊松比μ=0.34;

抗拉強(qiáng)度σb=700～800 MPa。

據(jù)此，對(duì)安全膜片進(jìn)行有限元建模，模型尺寸單位為mm，應(yīng)力單位為Pa。由于安全膜片厚度僅0.1 mm，采用殼體單元PLANE63，安全膜片的一面與壓環(huán)接觸部位添加約束，另一面承受氣瓶?jī)?nèi)12、13、15 MPa的氣體壓力[10]，安全膜片受力情況見圖10。

由圖10可見，安全膜片與壓環(huán)的接觸部分受力最大。當(dāng)船用氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力12MPa時(shí)安全膜片受到的最大應(yīng)力為680 MPa，小于σb，安全膜片不會(huì)爆破；當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力13 MPa時(shí)安全膜片受到的最大應(yīng)力為736 MPa，在安全膜片的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，存在爆破的可能；當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力15 MPa時(shí)，安全膜片受到的最大應(yīng)力為849 MPa，大于σb，滿足爆破條件。

4 結(jié)論

1)利用電爆管驅(qū)動(dòng)、超壓排氣、杠桿原理、機(jī)械聯(lián)動(dòng)等原理實(shí)現(xiàn)了船用快速開啟氣瓶電爆閥的快速開啟、可靠關(guān)閉及安全充氣。

2)該電爆閥較其他閥行程短，當(dāng)電爆管點(diǎn)爆輸送爆壓力，電爆閥瞬間開啟，驗(yàn)證了該電爆閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快等特點(diǎn)。

3)通過(guò)對(duì)受力最大的部分曲柄與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，及對(duì)安全膜片的受力情況的有限元仿真分析表明，氣瓶電爆閥設(shè)計(jì)合理。

4)經(jīng)實(shí)驗(yàn)及使用表明，該電爆閥應(yīng)用到船用壓縮空氣氣瓶上，能夠滿足艦船消防系統(tǒng)安全可靠、投入快速的需求，且可多次循環(huán)利用。