吳付栓， 陳遠(yuǎn)江， 張 燁，徐紅歌

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便攜式自行火炮制氮充氮設(shè)備研制與應(yīng)用

吳付栓， 陳遠(yuǎn)江， 張 燁，徐紅歌

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

依據(jù)近年來(lái)新型火炮光電儀器維修保障實(shí)際，設(shè)計(jì)研制的自行火炮制氮充氮設(shè)備以空氣為原料，碳分子篩(CMS)為吸附劑，利用變壓吸附原理，根據(jù)氧氮?dú)怏w分子向微孔內(nèi)擴(kuò)散速度差異特性進(jìn)行氧氮分離制取氮?dú)狻＿\(yùn)用可編程邏輯器件控制主機(jī)運(yùn)行，確保精確輸出壓力。本文概括了該設(shè)備的主要技術(shù)特點(diǎn)，分析了應(yīng)用前景及預(yù)期的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

制氮充氮 氧氮分離 精確控制

0 引言

某型突擊炮等我軍近年來(lái)裝備的新型輪式自行火炮中，火控、瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)系統(tǒng)是火炮中重要的組成部分，其完好性直接影響火炮的戰(zhàn)斗性能和射擊效能?；鹂睾兔閷?dǎo)系統(tǒng)中的光電儀器如果長(zhǎng)期暴露在空氣中，容易氧化，或生霉生霧，嚴(yán)重影響測(cè)量和瞄準(zhǔn)精度。在這些光電儀器中應(yīng)充入高純度的氮?dú)?，因此在裝備設(shè)計(jì)時(shí)都留有供充入氮?dú)獾慕涌?。目前，部?duì)普遍采用氮?dú)馄肯騼x器內(nèi)充入氮?dú)夥椒?，這種辦法在偏遠(yuǎn)或高山海島地區(qū)保障困難，同時(shí)還存在導(dǎo)致鏡體爆裂的事故隱患。

根據(jù)總裝通保部研制任務(wù)要求，研制一套高純度便攜制氮充氮設(shè)備，方便、快捷的實(shí)現(xiàn)為自行火炮光電儀器充入氮?dú)狻Ｎ覀冊(cè)诔浞终{(diào)研國(guó)內(nèi)制氮技術(shù)發(fā)展，吸收成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制了利用空氣為原料快速制氮充氮設(shè)備，滿足了基層部隊(duì)維修保障需求。

1 研究設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)研制的便攜式制氮充氮設(shè)備，通過(guò)吸附劑對(duì)空氣進(jìn)行吸附過(guò)濾，得到純凈的氮?dú)?，并按照?guī)定的壓力控制充入光電儀器中?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)思路，該設(shè)備應(yīng)主要有空氣壓縮機(jī)、雙塔吸附過(guò)濾制氮機(jī)構(gòu)和操作控制機(jī)構(gòu)等三大功能部分組成，總體設(shè)計(jì)方案確定如下：

1)系統(tǒng)框架的確定

為實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)計(jì)框架如下圖。

2)設(shè)備的主要功能機(jī)構(gòu)組成

該設(shè)備應(yīng)主要完成空氣的收集和壓縮、氧氮分離并排除廢氣、吸附過(guò)濾收集制氮、操作控制輸出純度和壓力符合要求的氮?dú)狻Ｏ聢D2為空氣壓縮機(jī)、雙塔吸附過(guò)濾制氮系統(tǒng)和一體化控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

注：左為空氣壓縮機(jī) 中為雙塔吸附系統(tǒng) 右為機(jī)電一體

化控制系統(tǒng)。

3)操作控制功能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：

圖3為設(shè)備操作面板，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種自行火炮光電儀器通用充氮接口，各部分功能如下：

a)氣源開(kāi)關(guān)：控制氣源啟動(dòng)、停止。

b)程控開(kāi)關(guān)：運(yùn)用可編程邏輯器件控制主機(jī)運(yùn)行。開(kāi)機(jī)后當(dāng)進(jìn)氣壓力表達(dá)到0.6Mpa時(shí)打開(kāi)。停機(jī)后運(yùn)行一段時(shí)間使壓力排空后關(guān)閉。

c)氮?dú)饧兌确治鰞x：顯示當(dāng)前出口氮?dú)饧兌取?/p>

d)加熱開(kāi)關(guān)：當(dāng)氣溫低于零度時(shí)開(kāi)啟，充氣結(jié)束后，先關(guān)閉此開(kāi)關(guān)，然后關(guān)閉氣源開(kāi)關(guān)。

e)手拉閥門(mén)：當(dāng)用氣設(shè)備檢測(cè)密封需要保持時(shí)拉起排空。平時(shí)使用時(shí)氮?dú)饧兌鹊陀谝髸r(shí)也可拉起排空，氣體合格后按下充氣。

f)出氣壓力：顯示當(dāng)前出氣壓力，當(dāng)進(jìn)行密封檢測(cè)時(shí)顯示連接設(shè)備的壓力。

g)空氣入口：與氣源連接口，使用軟管連接（直徑8 mm）。

h)氮?dú)獬隹冢号c用氣設(shè)備連接，使用軟管連接（直徑6 mm）。

i)進(jìn)氣壓力：開(kāi)機(jī)時(shí)達(dá)到0.6 Mpa運(yùn)行程序控制，關(guān)機(jī)時(shí)壓力為零時(shí)關(guān)閉程序控制。

4)制氮工作流程及原理

制氮過(guò)程工作流程如圖4。

a)空壓機(jī)將壓縮空氣經(jīng)過(guò)汽水分離器，過(guò)濾后進(jìn)入空氣穩(wěn)壓罐。

b）當(dāng)空氣穩(wěn)壓罐壓力達(dá)到0.6Mpa時(shí)，啟動(dòng)程控系統(tǒng)?？刂?號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，壓縮氣體經(jīng)1號(hào)閥門(mén)到A吸附塔（此時(shí)2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)）。

c）由A吸附塔內(nèi)分子篩吸附氧氣，產(chǎn)生符合濃度要求的氮?dú)?，控?號(hào)、7號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)氣罐。同時(shí)打開(kāi)4號(hào)、8號(hào)閥門(mén)使B吸附塔減壓，并由A吸附塔送入少量的氮?dú)鉀_洗吸附飽和的B吸附塔碳分子篩，將富氧氣體經(jīng)8號(hào)閥門(mén)排入大氣中，B吸附塔內(nèi)碳分子篩解析再生。

網(wǎng)上校務(wù)服務(wù)平臺(tái)基于開(kāi)放式流程平臺(tái)建設(shè)，主要功能包括網(wǎng)上辦事中心、流程監(jiān)控中心、“云”開(kāi)發(fā)中心、崗位權(quán)限配置中心、業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)集成中心。

d）當(dāng)A吸附塔內(nèi)碳分子篩飽吸附和時(shí)，B塔內(nèi)解析完成時(shí)，由程控系統(tǒng)改變各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即關(guān)閉1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)閥門(mén)，打開(kāi)2號(hào)閥門(mén)。此時(shí)空氣又由2號(hào)閥門(mén)進(jìn)入B吸附塔。

e）由B吸附塔內(nèi)分子篩吸附氧氣，產(chǎn)生符合濃度要求的氮?dú)?，控?號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)氣罐。同時(shí)打開(kāi)3號(hào)閥門(mén)使A吸附塔減壓，并由B吸附塔送入少量的氮?dú)鉀_洗吸附飽和的A吸附塔碳分子篩，將富氧氣體經(jīng)8號(hào)閥門(mén)排入大氣中，A吸附塔內(nèi)碳分子篩解析再生。這樣周而復(fù)始，兩吸附塔交替工作，產(chǎn)生源源不斷的氮?dú)狻?/p>

f）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氮?dú)鈨?chǔ)氣罐氮?dú)獾募兌龋?dāng)純度大于99.99%時(shí)控制氮?dú)獬隹陂y門(mén)打開(kāi)，方可進(jìn)行充氮操作。

制氮設(shè)備的基本工作原理：以空氣為原料，碳分子篩(CMS)為吸附劑，利用變壓吸附原理進(jìn)行氧氮分離制取氮?dú)狻Ｌ挤肿雍Y是由煤經(jīng)過(guò)精選、粉碎、加入催化劑、成型，造孔活化等工藝加工制成，自身具有超微孔結(jié)晶結(jié)構(gòu)。其微孔直徑比氧氮分子的直徑略大。如果從平衡吸附的角度看，碳分子篩吸附氧、氮的能力并無(wú)多大區(qū)別，這是因?yàn)檠?、氮分子的?dòng)力學(xué)直徑較為接近，但是這兩種氣體分子向微孔內(nèi)擴(kuò)散速度相差很大，氧分子擴(kuò)散速度較大，而氮分子擴(kuò)散速度較小，二者相差約數(shù)百倍，短時(shí)間內(nèi)，氧被大量吸附?？刂莆綁毫?，吸附時(shí)間可使氧的吸附率達(dá)95%以上，而氮的吸附率較小，這樣將氣相中富積的氧分子釋放掉就得到所需氧氣。碳分子篩制氮設(shè)備（PSA-CMS）采用減壓和氮?dú)鉀_洗解析再生使碳分子篩具備重新吸附氧分子的能力。

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

自行火炮高純度制氮注氮設(shè)備，在研制過(guò)程中充分借鑒民用技術(shù)，進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)和創(chuàng)新，解決了一系列技術(shù)難題，以適應(yīng)不同部隊(duì)多種、復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境，最終達(dá)到了軍用標(biāo)準(zhǔn)要求。

1)利用變壓吸附原理（PSA）,以空氣為原料快速制取高純度氮?dú)獾淖孕谢鹋诰S護(hù)保養(yǎng)專門(mén)設(shè)備。

該設(shè)備利用先進(jìn)的變壓吸附原理（PSA），以優(yōu)質(zhì)碳分子篩（CMS）為吸附劑，根據(jù)不同氣體在其中擴(kuò)散速度的差異，通過(guò)精準(zhǔn)控制吸附壓力和時(shí)間，可以快速制取高純度的氮?dú)狻?/p>

2)采用獨(dú)特的雙吸附塔設(shè)計(jì)，保障氮?dú)獾某渥愎?yīng)量

本制氮設(shè)備采用獨(dú)特的雙吸附塔設(shè)計(jì)，通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，兩個(gè)吸附塔交替工作，經(jīng)解析再生，產(chǎn)生源源不斷的足夠的氮?dú)狻?/p>

3) 基于PLC技術(shù)的精確壓力控制系統(tǒng)，對(duì)注氮壓力進(jìn)行精確控制

本制氮設(shè)備采用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)了自動(dòng)化程度高的精確壓力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氮?dú)鈮毫Φ木_控制，保證對(duì)自行火炮光電儀器腔體實(shí)施大壓力沖洗和小壓力充氮保壓及檢漏的功能。

4)采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的實(shí)用性

采用模塊化設(shè)計(jì)，合理使用各種新型材料，整機(jī)體積小，便攜性好，滿足野戰(zhàn)條件下自行火炮維護(hù)保養(yǎng)的需求，同時(shí)，保證了各部件功能獨(dú)立，便于故障自檢。另外，該設(shè)備還針對(duì)不同型號(hào)裝備設(shè)計(jì)了多種專門(mén)的快速接頭，解決了不同自行火炮光電儀器接口不統(tǒng)一造成的保障困難的問(wèn)題，提高了設(shè)備的通用性。

3 應(yīng)用前景及效益

新型自行火炮火控電氣系統(tǒng)中的光電儀器集觀察、瞄準(zhǔn)等信息采集于一體，結(jié)構(gòu)精密，系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)含量高，防止霉變、生霧，及時(shí)充氮維護(hù)保養(yǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的十分重要的經(jīng)常性工作。該設(shè)備研制完成后，先后在廣州、濟(jì)南、南京等炮兵部隊(duì)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，在對(duì)各類火炮的光電儀器進(jìn)行注入氮?dú)夂螅_(dá)到了預(yù)期的效果，技術(shù)參數(shù)完全符合部隊(duì)要求，一般可由單人進(jìn)行操作，比氮?dú)馄孔⒌r(shí)省力。曾在幾個(gè)炮兵團(tuán)的野外駐訓(xùn)中執(zhí)行保障任務(wù)，為火炮的光電儀器設(shè)備的維護(hù)提供了有力的保障。由于直接利用空氣制氮，取材方便快捷，應(yīng)用效果好。通過(guò)完成多次的維修保障任務(wù)，確定了更加完善的配置，在使用時(shí)更加方便快捷，為部隊(duì)實(shí)訓(xùn)提供了有利的技術(shù)保障。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、工作穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單方便。解決了長(zhǎng)期在外駐訓(xùn)中火炮光電儀器不容易維護(hù)的難題，推動(dòng)了部隊(duì)裝備保障能力建設(shè)。具有顯著的軍事經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 楊杰等. 自行火炮拆裝. 漢軍械士官學(xué)校, 2002.

Development and Application of Portable Nitrogen Producing and Filling Equipment for Self-propelled Artillery

Wu Fushuan, Chen Yuanjiang, Zhang Ye, Xu Hongge

（Wuhan Ordance Noncommissioned Officer Academy of PLA, Wuhan 430075，China）

According to the actuality of maintenance support to photoelectric device in recent years, this nitrogen producing and filling equipment is developed. The equipment uses atmosphere as material and carbon molecular sieve as absorbent. On the basis of the pressure swing absorption theory that the diffusion velocity is different when oxygen and nitrogen diffuse into micropore, the equipment can make oxygen by oxygen nitrogen separation technology. Then it uses the programmable logic component to control the equipment working in order to output the precise gas pressure. This paper mainly introduces technical characteristics of the equipment, and analyzes the broad application prospects, evident military and economic benefits.

producing and filling nitrogen; oxygen nitrogen separation; precise control

TJ307

A

1003-4862（2015）03-0066-03

2014-12-24

吳付栓(1965-)，男，副教授。研究方向：裝備教學(xué)與維修。