爆炸沖擊波隔離防護(hù)裝置的試驗(yàn)及研究

閆 欣，殷木良，駱成漢，徐 東，曹 毅

(1. 中國船舶集團(tuán)公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027；2. 常州市匯豐船舶附件制造有限公司，江蘇 常州 213025)

0 引 言

現(xiàn)代艦船對(duì)核爆炸時(shí)的防護(hù)主要通過對(duì)密閉的防護(hù)艙室不斷提供經(jīng)過高效過濾的潔凈空氣，以保護(hù)艦員的生命安全和主要設(shè)施防放射性氣溶膠污染。因此濾毒通風(fēng)裝置是防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，裝置中的微粒過濾器具有高效過濾性能（過濾精度達(dá)到0.1 μm），可有效濾除爆炸空氣中的放射性微粒，但其承受的沖擊波超壓只能 ≤ 10 kPa，而艦船在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下，要求裝置耐受沖擊波超壓為60～70 kPa。為了戰(zhàn)時(shí)保護(hù)濾毒通風(fēng)裝置可靠有效運(yùn)行，保護(hù)艙室防護(hù)區(qū)內(nèi)人員的生命安全，在濾毒通風(fēng)裝置進(jìn)氣通道前端必須進(jìn)行爆炸沖擊波的隔離和防護(hù)。

1 爆炸沖擊波的主要特性

爆炸沖擊波是以大氣局部瞬態(tài)壓力引起的局部空氣的高速運(yùn)動(dòng)，其具有沖擊強(qiáng)度大、峰值上升時(shí)間短（毫秒級(jí)）和壓力大（超大氣壓，100 kPa量級(jí)）的特點(diǎn)，可對(duì)沖擊波作用范圍內(nèi)的設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。由于爆炸時(shí)一般為突發(fā)性，對(duì)其產(chǎn)生的爆炸沖擊波均難以進(jìn)行捕捉、檢測(cè)和控制。通過在一個(gè)特定密閉容器內(nèi)使用定量炸藥爆炸模擬產(chǎn)生沖擊波的辦法，依靠計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，通過大量的試驗(yàn)研究，掌握了爆炸沖擊波的基本特征、作用原理和控制方法，從而為研究設(shè)計(jì)爆炸沖擊波的隔離防護(hù)裝置（即抗沖擊波閥）奠定基礎(chǔ)。

2 抗沖擊波閥門的性能要求

2.1 極高靈敏度的瞬時(shí)感知、閉合性能

爆炸沖擊波在大氣中傳播速度一般為4 500～8 800 m/s，所以要求抗沖擊波閥在沖擊波到達(dá)之際前的瞬間能感知沖擊波并立即關(guān)閉，及時(shí)切斷沖擊波進(jìn)入進(jìn)氣管道，閉合時(shí)間應(yīng)≤1～2 ms，避免濾毒通風(fēng)裝置遭沖擊波超壓破壞，保證裝置安全運(yùn)行。

2.2 通風(fēng)阻力小、沖擊波消失后能及時(shí)復(fù)位

對(duì)HFB系列抗沖擊波閥，在額定流量時(shí)流動(dòng)阻力320 Pa，當(dāng)沖擊波消失后，抗沖擊波閥能夠迅速開啟，保證通風(fēng)流道的暢通，并使空氣流動(dòng)阻力達(dá)到最小。

≤

2.3 超強(qiáng)的沖擊波隔離過濾性能

標(biāo)準(zhǔn)要求艦船防護(hù)設(shè)備的抗沖擊波超壓值為60～70 kPa，而艦船濾毒通風(fēng)裝置高效濾器安全承壓為≤10 kPa，要求抗沖擊波閥門在沖擊波來臨，閥前超壓達(dá)到60～70 kPa時(shí)，閥后泄漏的超壓應(yīng) ≤10 kPa，對(duì)沖擊波的隔離過濾能力應(yīng)達(dá)到85%～90%。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

抗沖擊波閥閥板要求強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，耐沖擊性好、形變小，閥體、閥蓋等主要零部件采用不銹鋼薄壁鑄件，主從動(dòng)盤采用高分子聚酯材料，滿足耐沖擊、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，適應(yīng)船舶振動(dòng)、搖擺、高低溫和防腐的環(huán)境要求。

3 抗沖擊波閥的主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)GJB4000-2000對(duì)艦船設(shè)備的抗沖擊波要求以及濾毒通風(fēng)裝置的抗沖擊波超壓性能，提出抗沖擊波閥的主要技術(shù)指標(biāo)（以HFB150型抗沖擊波閥為例）：

1）閥門通徑DN150 mm；

2）管道空氣壓力0.1 MPa；

3）閥前沖擊波超壓10～70 kPa；

4）閥后沖擊波余壓≤10 kPa；

5）空氣流動(dòng)阻力 ≤320Pa（風(fēng)量為600 m3/h時(shí)）；

6）空氣額定流量600 m3/h；

7）能源條件不消耗能源能自動(dòng)啟閉。

4 抗沖擊波閥的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

由于爆炸具有突發(fā)性，無法預(yù)測(cè)和捕捉，同時(shí)爆炸產(chǎn)生的沖擊波在空氣中傳播的速度一般均超過6 500 m/s，目前國內(nèi)尚沒有一種傳感聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足爆炸沖擊波的采集和信息傳遞，以使抗沖擊波閥動(dòng)作的裝置。為此采用依靠沖擊波自身的超壓動(dòng)能，瞬間轉(zhuǎn)換成抗沖擊波閥工作勢(shì)能的辦法，自主研發(fā)抗沖擊波閥。當(dāng)沖擊波來臨的瞬間，通過抗沖擊波閥的阻尼閥板（感知元件）隨沖擊波同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使閥門瞬間關(guān)閉即時(shí)隔斷沖擊波，達(dá)到隔離防護(hù)沖擊波的要求。在沖擊波消失后，依靠復(fù)位彈簧力使閥板復(fù)位，使進(jìn)氣流道暢通，保證濾毒通風(fēng)裝置的正常運(yùn)行。經(jīng)過大量試驗(yàn)研究于2002年首次研制成功HFB150型抗沖擊波閥。

4.2 抗沖擊波閥的結(jié)構(gòu)組成

HFB150型抗沖擊波閥主要由導(dǎo)流罩、感應(yīng)帽、阻尼板、定位銷、濾波板、回位彈簧、閥體等組成，如圖1所示。

圖1 抗沖擊波閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of anti-shockwave valve structure

4.3 抗沖擊波閥的主要工作原理

抗沖擊波閥一般安裝在濾毒通風(fēng)裝置進(jìn)氣通風(fēng)管道的前端，根據(jù)風(fēng)量大小，目前已研制完成通徑DN150、通徑DN200、通徑DN250等型號(hào)。

4.3.1 閥門開啟

平時(shí)，抗沖擊波閥在回位彈簧作用力下，頂起阻尼板，使之與濾波板保持特定的間隔，使閥門主流道打開?？諝馔ㄟ^感應(yīng)帽、導(dǎo)流罩、阻尼板的四周主通道進(jìn)入閥后，此時(shí)流道阻力最小，氣流暢通。濾毒通風(fēng)裝置運(yùn)行時(shí)，抗沖擊波閥處于長(zhǎng)期開啟狀態(tài)，保證新風(fēng)的進(jìn)入（見圖2）。

4.3.2 閥門閉合

當(dāng)爆炸沖擊波進(jìn)入閥門的瞬間，感應(yīng)帽及阻尼板同時(shí)在沖擊波作用下，克服彈簧力向?yàn)V波板運(yùn)動(dòng)，以極短的時(shí)間（1～2 ms）主流道瞬間關(guān)閉。在定位銷的導(dǎo)向作用下，阻尼板與濾波板閉合時(shí)，兩塊板上各自的濾波孔產(chǎn)生特定錯(cuò)位，通孔的大部分流通面積被相互遮蓋，未被遮蓋的通道邊緣，形成了大量的微小間隙，依靠流體力學(xué)的管嘴出流原理阻隔沖擊波通過，產(chǎn)生濾波效應(yīng)，可在瞬間把極大部分沖擊波動(dòng)壓隔離、阻斷在閥前，只有絕少量的余波壓力泄漏到閥板后面，形成安全的沖擊波余壓（見圖3）。

圖2 閥門開啟狀態(tài)通風(fēng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the valve opening state for ventilation

圖3 閥門閉合狀態(tài)濾波示意圖Fig. 3 Schematic diagram of valve closed state for filtering

4.4 模型的流體仿真分析

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，運(yùn)用流體仿真分析軟件對(duì)該抗沖擊波閥隔離防護(hù)爆炸沖擊波的性能進(jìn)行了仿真分析。通過給定閥前超壓，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，模擬出了不同閥前超壓情況下的閥后余壓情況，圖4和表1列出了仿真分析的結(jié)果，結(jié)果表明抗沖擊波閥門在關(guān)閉情況下可以很好地隔離爆炸沖擊波壓力，滿足技術(shù)指標(biāo)提出的閥前超壓10～70 kPa、閥后余壓 ≤10 kPa的要求。

圖4 閥前超壓70 kPa和10 kPa時(shí)抗沖擊波閥壓力分布仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation results of anti-shockwave valve pressure distribution as frontal over pressure 70 kPa and 10 kPa

表1 仿真計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Simulation calculation results

圖5 爆炸沖擊波模擬試驗(yàn)檢測(cè)裝置原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the detection device for the blast shock wave simulation test

5 抗沖擊波閥的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 爆炸沖擊波模擬試驗(yàn)檢測(cè)裝置

為了滿足抗沖擊波閥的試驗(yàn)研究需要，根據(jù)GJB2062-94《軍用過濾吸收器通用規(guī)范》附錄B的要求，建立一套爆炸沖擊波模擬產(chǎn)生裝置和爆炸沖擊波強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)的集成試驗(yàn)平臺(tái)，裝置原理圖如圖5所示。在一個(gè)設(shè)計(jì)的特定大型容器內(nèi)，用定量炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波的方法，模擬大氣環(huán)境中的爆炸沖擊波。通過爆炸沖擊波的定向發(fā)射管道，對(duì)被測(cè)閥門抗沖擊波強(qiáng)度、作用時(shí)間、濾波能力等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)分析，經(jīng)過數(shù)千次的試驗(yàn)研究，從爆炸沖擊波的產(chǎn)生、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、傳感器選擇、試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)制作和試驗(yàn)控制程序的編制等研究積累了一系列爆炸沖擊波模擬與檢測(cè)分析技術(shù)，取得了相關(guān)的試驗(yàn)控制參數(shù)和預(yù)期的試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了爆炸沖擊波強(qiáng)度檢測(cè)試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)測(cè)控。這些工作不僅有助于在不同沖擊波作用下對(duì)被測(cè)裝置的抗沖擊波強(qiáng)度、過濾沖擊波能力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，也有助于爆炸沖擊波試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)和相關(guān)防護(hù)工程產(chǎn)品的研發(fā)。

5.2 抗沖擊波性能檢測(cè)

閥門的抗沖擊波性能可以通過精確測(cè)量被測(cè)物前端所承受的沖擊波強(qiáng)度和后端的余壓強(qiáng)度來判斷其隔離沖擊波的性能。通過引入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速記錄閥前和閥后壓力的變化歷程，檢測(cè)數(shù)據(jù)以圖形曲線形式直觀地對(duì)比在沖擊波作用下閥門前后壓力變化過程及差異，圖6～圖8的抗沖擊波試驗(yàn)曲線清晰地顯示出閥前與閥后的沖擊波強(qiáng)度變化和被測(cè)物體的抗沖擊波性能。

分析抗沖擊波閥對(duì)爆炸沖擊波響應(yīng)的圖形曲線，可以看出：

1）獲得作用于物體的沖擊波波峰高度及其最大強(qiáng)度；

2）從整個(gè)沖擊波的作用時(shí)間即從沖擊波作用起始到?jīng)_擊波泄漏至與被測(cè)物后端余壓等幅值的時(shí)間，可以評(píng)估該濾波裝置的過濾沖擊波能力；

圖6 閥前沖擊波強(qiáng)度為60 kPa的濾波曲線Fig. 6 Pressure curve of 60 kPa shock wave intensity before the valve plate

圖7 閥前沖擊波強(qiáng)度為70 kPa的濾波曲線Fig. 7 Pressure curve of 70 kPa shock wave intensity before the valve plate

圖8 閥前沖擊波強(qiáng)度為15 kPa的濾波曲線Fig. 8 Pressure curve of 15 kPa shock wave intensity before the valve Plate

3）通過對(duì)被測(cè)物體在試驗(yàn)前后形狀變化的測(cè)量，判斷其能夠承受的沖擊波強(qiáng)度和失效載荷的大小。

5.3 流動(dòng)阻力檢測(cè)

對(duì)于被測(cè)物體流阻性能，是通過檢測(cè)試驗(yàn)裝置對(duì)流量與壓力的聯(lián)合測(cè)量來獲得在各種風(fēng)量下被測(cè)物的流阻大小，形成流量阻力曲線。根據(jù)防御爆炸沖擊波設(shè)施的總體設(shè)計(jì)需要，安裝在設(shè)施進(jìn)口處的防爆炸沖擊濾波閥，在沖擊波產(chǎn)生時(shí)，閥后余壓越小越好，而且通過該閥門的空氣流阻越小越好。圖9為HFB200型抗沖擊波閥的空氣流阻測(cè)試曲線。

6 結(jié) 語

通過爆炸沖擊波隔離防護(hù)裝置的試驗(yàn)和研究，可以得出以下結(jié)論：

圖9 HFB200型抗沖擊波閥的空氣流阻曲線Fig. 9 Flow resistance curve of HFB200 anti-shock wave valve in air

1）采用依靠爆炸沖擊波的超壓動(dòng)能實(shí)現(xiàn)在沖擊波到達(dá)瞬間關(guān)閉防沖擊波閥門的方案是切實(shí)可行的。目前已研發(fā)成功的裝置有DN150，DN200，DN250等型號(hào)，產(chǎn)品已經(jīng)在實(shí)船上推廣應(yīng)用。

2）通過防沖擊波閥門的動(dòng)板（阻尼板）與定板（濾波板）閉合時(shí)錯(cuò)位形成大量微孔，根據(jù)高速流體微孔出流的原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸沖擊波的隔離、過濾的方案是成功的。通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，沖擊波的過濾效率達(dá)到85%～90%以上，這對(duì)陸上人防工事的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行核爆炸沖擊波隔離防護(hù)裝置的研制具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3）爆炸沖擊波模擬試驗(yàn)檢測(cè)裝置，可以精準(zhǔn)輸出爆炸沖擊波產(chǎn)生的全過程圖形，能完整檢測(cè)沖擊波的閥前超壓、閥后余壓、作用時(shí)間、閥門關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)，對(duì)爆炸沖擊波的研究分析及防爆炸沖擊波產(chǎn)品的性能檢測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4）通過流體微孔出流的仿真計(jì)算可以得出閥前沖擊波經(jīng)過微孔后，閥前超壓受阻力作用大幅衰減，衰減幅度在90%以上，使閥后余壓控制在設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)。這從側(cè)面印證了該型防爆炸沖擊波裝置的有效性。