滿足軍用背負(fù)式系統(tǒng)材料選型研究

沈怡，趙宇，徐偉杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314000)

1 引言

當(dāng)今社會(huì)，現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)斗中單兵作戰(zhàn)顯得尤為重要，所以每個(gè)國(guó)家都很重視單兵裝備的問題,發(fā)展先進(jìn)的個(gè)人防護(hù)裝備和作戰(zhàn)背負(fù)裝備對(duì)士兵的自身安全有著重要的意義。提升背負(fù)式系統(tǒng)的體驗(yàn)和效能不僅僅需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，在材料選型上，也需要慎重考量。選用材料的質(zhì)量、特性、型號(hào)等都與背負(fù)式系統(tǒng)成品密切相關(guān)。目前，針對(duì)背負(fù)材料，何健[1]提出了一種新型的導(dǎo)濕排汗系列功能面料。朱廣州，孫恩樂，柴麗芳[2-3]在旅行背包輕量化設(shè)計(jì)方面的研究，同樣給予了軍用方向的借鑒意義。本研究的主要目標(biāo)是，以人機(jī)工程和材料性能參數(shù)為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合我軍背負(fù)式產(chǎn)品材料選型現(xiàn)狀和國(guó)外先進(jìn)背負(fù)式產(chǎn)品材料選型的優(yōu)點(diǎn)，研究出優(yōu)化版適應(yīng)我軍單兵作戰(zhàn)背負(fù)式系統(tǒng)的選料選型配比，為后續(xù)的我軍背負(fù)式材料選型提供方向和基準(zhǔn)。

查閱參考國(guó)軍標(biāo)：GJB 4004-2000 陸軍裝備變形迷彩圖冊(cè)、GJB 2873-1997 軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和GJB/Z 85-97 緩沖人機(jī)造型產(chǎn)品設(shè)計(jì)手冊(cè)后可知，現(xiàn)國(guó)軍標(biāo)要求攜行裝具[4-5]要采用輕質(zhì)防水、防霉、不反光的材料制作，外表要求和設(shè)備涂覆色相同。背負(fù)裝備包括背架系統(tǒng)和背帶系統(tǒng)，考慮重心，進(jìn)行受力部位的防護(hù)。

結(jié)合背負(fù)式裝備調(diào)研情況和國(guó)軍標(biāo)的相關(guān)要求，軍用背負(fù)式系統(tǒng)材料需要解決的問題如下：

(1)常用的普通背架材料為金屬鋼管，造型折彎以貼合人體背部曲線存在困難，造成背架整體重量重和背負(fù)不舒適感；

(2)市場(chǎng)現(xiàn)有的背架或國(guó)外的摩爾背架，因主體材料選型的局限性導(dǎo)致無可配套通用的快速組裝部件，使用不便捷；

(3)配合背架共同組成背負(fù)式系統(tǒng)的背帶系統(tǒng)，材料選用沒有統(tǒng)一性和規(guī)范性，造成產(chǎn)品使用壽命、軍用迷彩圖樣、民用圖樣規(guī)范等方面的混亂性。

2 軍用背負(fù)式系統(tǒng)材料現(xiàn)況分析

2.1 背架材料

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及競(jìng)品分析，發(fā)現(xiàn)碳纖維材料是今后背架的主選材料，其強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性的兩大特性可完全滿足制作新型便攜背架的要求，可極大程度的降低背架自身的重量，并且滿足相關(guān)貼合人體設(shè)計(jì)的需求設(shè)計(jì)。碳纖維類別有T400，T800，T1200，如表1所示。

表1 背架碳纖維類材料設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 背帶材料

2.2.1 織帶

不同的織帶使用壽命、防水、防火效能都存在不同的差異，目前主選背帶材料為高強(qiáng)度尼龍編織帶和丙綸阻燃編織帶，如表2，表3,見圖1，圖2。

表2 高強(qiáng)度尼龍織帶材料設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 高強(qiáng)尼龍織帶

圖2 丙綸阻燃編織帶

2.2.2 背帶填充材料

作為肩帶，腰部襯墊等方面的內(nèi)部填充材料，EPE、XPE、IXPE、丙綸阻燃編織帶高發(fā)泡內(nèi)襯材料優(yōu)勢(shì)突出，見圖3,4,5,6，及表4，5，6，7：

表4 EPE材料性能參數(shù)表

圖3 EPE

續(xù)表5

撕裂強(qiáng)度KN/m 橫向≥6≥2.5≥1.5GB/T10808 縱向≥6≥2.5≥1.2壓縮永久變形(%)23℃±2℃,22h≤5≤8≤10GB/T6669吸水率(%)23℃±2℃,24h≤0.3≤0.4≤0.5GB/T8810導(dǎo)熱系數(shù)(w/m·k)≤0.073≤0.055≤0.045GB/T10297

圖4 XPE

圖5 IXPE

圖6 高發(fā)泡內(nèi)襯材料

2.3 迷彩布料

背包或者附包的迷彩面料也有嚴(yán)格的要求見圖7，需要一定的防水性、阻燃性、耐磨性等要求，設(shè)計(jì)參數(shù)見表8。

表8 優(yōu)質(zhì)迷彩布料設(shè)計(jì)參數(shù)

圖7 林地迷彩(棉55%滌綸35%)

3 材料選型實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

(1)實(shí)驗(yàn)一：將新型碳纖維背架放入振動(dòng)臺(tái)，分為自重狀態(tài)a，背負(fù)同樣重物固定點(diǎn)在背架狀態(tài)b和在支架c狀態(tài)三個(gè)狀態(tài)進(jìn)行受力實(shí)驗(yàn)和靜力計(jì)算。記錄相應(yīng)的最大位移和最大受力。得出最大的承重量。

(2)實(shí)驗(yàn)二：將工程塑料制成的美軍摩爾背架、鋁合金材料制成的南非背架與此款新型碳纖維背架進(jìn)行基本性能測(cè)量和承重極限測(cè)試。型號(hào)規(guī)格如圖8所示：

圖8 工程塑料背架、鋁合金背架、碳纖維背架

(3)組織10名健康成年男性，負(fù)荷重量20KG，分為甲組和乙組，每組5人。甲組背負(fù)新型對(duì)象A系統(tǒng)，乙組背負(fù)傳統(tǒng)對(duì)象B系統(tǒng)，兩隊(duì)模擬作戰(zhàn)行軍速度，2小時(shí)后，詢問背負(fù)感受并拍照記錄甲、乙組實(shí)驗(yàn)者肩、腰、背等受力部位的情況，觀察有無勒痕，紅印。休息半小時(shí)后，甲乙組交換背負(fù)裝備，同樣速度行走兩小時(shí)后，同樣的詢問實(shí)驗(yàn)者感受和拍照記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一中，將新型碳纖維T800背架進(jìn)行受力實(shí)驗(yàn)和靜力計(jì)算后數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 碳纖維背架靜力實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)二的數(shù)據(jù)結(jié)果如表10所示：

表10 三種背架材料實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)背架材料使用和背負(fù)材料例如背帶，織帶的用戶體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)詢問主觀感受記錄情況，可以看到，背負(fù)對(duì)象A系統(tǒng)的甲組隊(duì)員，背部、肩部、頸部的勒痕均淺于背負(fù)對(duì)象B系統(tǒng)的乙組隊(duì)員，整體背負(fù)感受也更為輕松輕便。在甲乙組交換背負(fù)對(duì)象后，組員感受更為突出，碳纖維背架的輕便和人機(jī)設(shè)計(jì)很好的緩解了重物的壓迫感。

4 討論

從實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果可以看出，背架上的最大變形有0.4 mm，最大應(yīng)力有98.2MPa，根據(jù)廠家提供的碳纖維材料性能參數(shù)表1所示，T800H型號(hào)的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到5490MPa，背架有較高的安全性能，但廠家所給出的抗拉強(qiáng)度并不是該背架成型后的數(shù)據(jù)，仍會(huì)有一定的偏差，特別是交接處，會(huì)有相應(yīng)的減弱。故本文從理論角度來說，該背架有較好的強(qiáng)度，可以承受55kg的重物。進(jìn)一步的，可以獲知T800及以上的碳纖維材料也符合背負(fù)要求，性能優(yōu)勢(shì)更加的突出，在批量生產(chǎn)的同時(shí)，價(jià)格劣勢(shì)會(huì)得到緩解。

實(shí)驗(yàn)二針對(duì)三種材料制成背架的可塑性和基本性能比對(duì)，可以看出，新型碳纖維背架材質(zhì)輕便解決了傳統(tǒng)金屬背架自身質(zhì)量大的痛點(diǎn)。也易于造型模具化開模批量化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)出符合人機(jī)工程、通用化的要求的背部貼合弧線，使用舒適度、美觀性優(yōu)勢(shì)更突出，可搭載形式更加的豐富。

用戶體驗(yàn)中，對(duì)象A選用了高強(qiáng)度尼龍作為肩帶、腰帶以及連接帶的構(gòu)成，EPE作為填充物。確定定量和變量因素后，將對(duì)象A和對(duì)象B進(jìn)行的用戶體驗(yàn)，結(jié)果為對(duì)象A系統(tǒng)優(yōu)于對(duì)象B?？梢灾辣]編帶可完全替代高強(qiáng)度尼龍，有防火需求時(shí)，阻燃優(yōu)勢(shì)更為突出。而對(duì)于填充物而言，高發(fā)泡材料和EPE、XPE、IXPE相比，在背負(fù)體驗(yàn)上稍微遜色。至于布料的選用，林地迷彩的圖樣為軍方標(biāo)準(zhǔn)樣式，其次從表8中看到該林地迷彩在經(jīng)緯度拉扯承重方面優(yōu)勢(shì)突出，可使用壽命高。此外，他們均符合GJB 4004-2000 陸軍裝備變形迷彩圖冊(cè)中耐磨性能、防水性能和力學(xué)性能的要求。

綜上所述，結(jié)合金鑫、任蕊,弓太生[6-10]等關(guān)于各材料使用的研究和旅行背包背負(fù)舒適性的研究可以得出以下結(jié)論：

背架采用新型碳纖維材料較好，實(shí)驗(yàn)用的碳纖維T800即可滿足需求，結(jié)合理論可得，T800以上的碳纖維材料也滿足需求；針對(duì)背負(fù)系統(tǒng)的肩帶選擇，高強(qiáng)度尼龍織帶可滿足，若有防火要求則丙綸織帶更佳；采用的該林地迷彩承重佳，使用壽命長(zhǎng)，可為軍方使用；填充物則EPE、XPE或IXPE的性能更為突出。

表11 軍用背負(fù)裝備材料選用推薦表

所列材料皆有實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)，各具優(yōu)勢(shì)，選擇時(shí)根據(jù)所需，搭配組合使用，見表11。

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)主要以現(xiàn)代化單兵作戰(zhàn)背負(fù)裝備為基礎(chǔ)，探討研究其背負(fù)裝備的材質(zhì)選擇優(yōu)化統(tǒng)一方向，提出了軍用背負(fù)式系統(tǒng)材料選用的建議，為后續(xù)的我軍背負(fù)式材料選型提供規(guī)范和基準(zhǔn)。