周大錚，李超位，熊國基

(陜西深藍(lán)機(jī)電工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

以應(yīng)用需求為背景、研發(fā)方便好用的專業(yè)化強(qiáng)沖擊高能過載環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備為目的展開設(shè)計(jì)。根據(jù)被試產(chǎn)品對體積、質(zhì)量和過載波形穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)的要求，研制載荷能力最強(qiáng)、g值和脈寬波形參數(shù)質(zhì)量最高、試驗(yàn)成本最低、波形量值復(fù)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、對被試產(chǎn)品保護(hù)最為周到的強(qiáng)沖擊環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 設(shè)備主要性能參數(shù)

設(shè)備主要性能參數(shù)(參考國際商用飛行記錄儀過載參數(shù)標(biāo)準(zhǔn))如表1所示。

續(xù)表

3 設(shè)備的工程化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)備組成

該設(shè)備由高壓氣泵、高壓儲(chǔ)氣罐、配重式大流量超高速開關(guān)閥、耐高壓封閉發(fā)射管道、被試品無損回收氣阻管道、并行導(dǎo)氣副管路、高強(qiáng)度輕量化過載艙、各種儀表傳感器、若干小型電動(dòng)和手動(dòng)閥門、大型高壓儲(chǔ)氣罐及工業(yè)氣體消音器等組成。

3.2 設(shè)備重要組件技術(shù)要求

高壓氣泵：最大輸出壓力25MPa；

高壓儲(chǔ)氣罐：工作壓力20MPa，容積5m3；

配重式大流量超高速開關(guān)閥：工作口徑300mm，工作速度為2ms開啟和關(guān)閉全部流量；

耐高壓封閉發(fā)射管道：通徑300mm,由加工精密的高強(qiáng)度合金鋼管制造，工作壓力20MPa；

過載艙回收管道：通徑300mm,由加工精密的高強(qiáng)度合金鋼管制造，長度大于30m，由多節(jié)鋼管對接而成，工作壓力20MPa；

并行導(dǎo)氣副管路：根據(jù)需要，在每單節(jié)管上配設(shè)導(dǎo)氣副管和閥門，用于調(diào)控過載波形寬度和過載艙的回收阻力；

高強(qiáng)度輕量化過載艙：過載艙殼體質(zhì)量≤8kg，可承受多次試驗(yàn)，有效保護(hù)艙內(nèi)被試產(chǎn)品不受到硬傷害；

儀表和傳感器：數(shù)顯式精密壓力表量程0～20MPa，壓力傳感器量程0～20MPa，頻響100kHz，安裝螺口M6;

各種閥門：大口徑開關(guān)閥為手動(dòng)，其他小型高壓閥門為電動(dòng)，工作壓力20MPa；

工業(yè)氣體消音器：匹配系統(tǒng)泄壓閥門接口，有效消除系統(tǒng)泄壓噪聲。

3.3 設(shè)備工作流程說明

設(shè)備工作流程如圖1、圖2所示(僅注重運(yùn)行原理說明，略去成熟技術(shù)方面的細(xì)節(jié)內(nèi)容)。

圖1 設(shè)備運(yùn)行原理(初始工作狀態(tài))圖

圖2 設(shè)備運(yùn)行原理(波形完成工作狀態(tài))圖

在過載艙內(nèi)安裝好被試產(chǎn)品，做好發(fā)射前的準(zhǔn)備工作：

打開發(fā)射管路右側(cè)端蓋，將過載艙連同艙內(nèi)被試產(chǎn)品送入發(fā)射管，關(guān)閉端蓋。

啟動(dòng)低壓氣泵，打開設(shè)備配備的過載艙推入閥和左端兩個(gè)泄壓閥。過載艙在低壓氣體推動(dòng)下慢慢送達(dá)管道左端，把活塞頂?shù)阶蠖怂傈c(diǎn)位置(管路太長，必須氣體推送)。然后，關(guān)閉右端推送閥和左端兩個(gè)泄壓閥。此時(shí)，過載艙處于發(fā)射前的初始狀態(tài)，利用過載艙自身封閉住大流量進(jìn)氣通道(見圖1)。

打開手動(dòng)大流量閥，高壓氣體通過大流量進(jìn)氣道立即將過載艙的腰部環(huán)繞，儲(chǔ)氣罐內(nèi)預(yù)先準(zhǔn)備了設(shè)計(jì)壓力，由于過載艙和發(fā)射管間的閉氣作用，不會(huì)有一絲氣體泄漏，過載艙會(huì)待在原地保持不動(dòng)。

打開電動(dòng)發(fā)射閥(這個(gè)閥門只具備工業(yè)級開啟速度)，高壓氣流進(jìn)入小氣室，推動(dòng)配重式活塞向右移動(dòng)。該活塞為空腔結(jié)構(gòu)且體量巨大，用其前端的細(xì)長部推動(dòng)過載艙向右移動(dòng)。當(dāng)過載艙的左側(cè)端面開始通過大流量進(jìn)氣道時(shí)，高壓氣流瞬間沖進(jìn)發(fā)射管道左側(cè)，設(shè)計(jì)壓力會(huì)在2ms內(nèi)全部加載到過載艙的左側(cè)端面上。過載艙的質(zhì)量相對較小，其在瞬間獲得設(shè)計(jì)過載g值(形成梯形波的上升沿)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐容量足夠大時(shí)，過載艙左側(cè)氣壓不變，梯形波的幅值得以保持，過載艙保持當(dāng)前g值向右移動(dòng)。

在高壓氣流經(jīng)大流量入口進(jìn)入發(fā)射管道時(shí)，氣壓一方面推動(dòng)過載艙加速右移，與此同時(shí)也會(huì)加載到配重式活塞的右端面。盡管活塞兩端氣壓相等，但該活塞的左側(cè)面積要大于其右側(cè)面積，所以活塞減速，并繼續(xù)右移。

當(dāng)過載艙左側(cè)端面通過已經(jīng)打開的與事先設(shè)計(jì)波形寬度相對應(yīng)的導(dǎo)氣副管端口時(shí)，氣流進(jìn)入副管，過載艙突然失去推力(圖2產(chǎn)生梯形波下降沿，此時(shí)配重式閥門恰好封閉住大流量進(jìn)氣道)，過載波形任務(wù)完成。過載艙進(jìn)入前方空氣阻尼回收管路，高壓氣體通過副管單向閥送到前方，增加對過載艙的前進(jìn)氣體阻力，過載艙在耗盡動(dòng)能后停止在回收管路中，實(shí)現(xiàn)過載艙氣體軟著陸安全回收(針對不同的脈寬，需要設(shè)計(jì)有多條這樣的副管)。

在獲取完整過載波形之后，大流量高壓氣體繼續(xù)涌入發(fā)射管道極為不妥，必須立即切斷氣源，因?yàn)檫@給后來泄壓取出過載艙帶來麻煩(損失大量儲(chǔ)備氣能)，又會(huì)產(chǎn)生巨大的安全隱患。如何才能設(shè)計(jì)出在2ms內(nèi)可以快速切斷口徑300mm、壓力高達(dá)20MPa的大流量閥門？市場上根本找不到如此特殊用途的高速大流量自動(dòng)閥門。

“配重式活塞”是本設(shè)計(jì)的一項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明，這個(gè)活塞的移動(dòng)速度和行程可以通過改變其內(nèi)部砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行調(diào)控。事先根據(jù)過載艙的脈寬時(shí)間長度計(jì)算好活塞內(nèi)腔裝載匹配砝碼的質(zhì)量大小，使得當(dāng)過載艙在通過開啟的副管路入口時(shí)刻，恰好活塞在此時(shí)刻行進(jìn)至大流量進(jìn)氣通道入口邊緣，進(jìn)而再用2ms時(shí)間封閉住進(jìn)氣通道的入口，此后活塞被其后部粗段所限位，活塞停止移動(dòng)，保持進(jìn)氣入口的封閉狀態(tài)(見圖2)。然后，手動(dòng)關(guān)閉大流量閥和電動(dòng)發(fā)射閥。其后，給發(fā)射管路整體經(jīng)工業(yè)氣體消音器泄壓，安全地取出過載艙，結(jié)束一個(gè)工作循環(huán)。

設(shè)備整體工作在高壓密閉環(huán)境中，一類壓力容器的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。整套設(shè)備的各個(gè)有壓部位都要安裝壓力傳感器，關(guān)鍵安全部位還要安裝帶有直讀報(bào)警式壓力顯示儀表。在梯形波發(fā)生段管道上，按50mm等間隔設(shè)計(jì)測壓孔排，這些壓力信號都要連接到控制臺(tái)的壓力數(shù)據(jù)多路采集與監(jiān)控設(shè)備上。

在過載艙前進(jìn)的管路上，根據(jù)脈沖寬度調(diào)控長度的需要，對應(yīng)著多條導(dǎo)氣副管。每條副管都有各自的手動(dòng)閥門和單向閥來控制，選中某一脈沖寬度，只打開那條副管，其余副管處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 粗略算法

同理，可算出7000g乃至更高g值時(shí)需要的發(fā)射壓強(qiáng)和副管開孔位置。

僅從實(shí)際必須安全回收的意義上講，回收阻力無須計(jì)算，只要管路足夠長就可以實(shí)現(xiàn)過載艙的安全無碰撞軟回收。過載艙前進(jìn)過程中，前方管路中的氣體被壓縮，阻力會(huì)越來越大。按照設(shè)備最大過載能力和幅值寬度設(shè)計(jì)管路長度，建議以20倍發(fā)射段長度為基本長度。要備足回收調(diào)試用的接長管道，最后經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證可行后再來確定最終長度。阻力回收管道上要布置壓力傳感器，以便通過壓力監(jiān)視得知管內(nèi)過載艙的大概位置。

5 被試產(chǎn)品過載波形的外部測量方法

在過載艙內(nèi)部安裝g值傳感器和波形存儲(chǔ)記錄儀器并不妥當(dāng)，因?yàn)檫@會(huì)擠占艙內(nèi)產(chǎn)品安裝需要的寶貴容積空間和質(zhì)量空間，同時(shí)測器也要和產(chǎn)品一道承受極端過載，測器本身可能出現(xiàn)“內(nèi)傷”或處于非正常工作狀態(tài)，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)丟失或可信度下降。所以，外部測量就顯得十分必要。

在以發(fā)射端口為起點(diǎn)的路徑上，按間隔50mm設(shè)計(jì)有測壓孔排，在這些測壓孔內(nèi)安裝有壓力傳感器，過載艙的左側(cè)端面每經(jīng)過一個(gè)測壓孔，對應(yīng)的壓力傳感器便有一個(gè)高壓階躍信號輸出，這些按時(shí)間順序發(fā)生的壓力階躍信號被采集儀器記錄下來。捕獲這些壓力傳感器的輸出信號并不是為了觀測管內(nèi)壓力的變化，而主要是用來觀測過載艙在管內(nèi)的位置和時(shí)間變化。

設(shè)過載艙經(jīng)過任意兩個(gè)相鄰測壓孔的時(shí)間長度是Δti，則過載艙經(jīng)過每個(gè)50mm區(qū)間中點(diǎn)的平均速度可表示為：

兩個(gè)相鄰區(qū)間中點(diǎn)平均速度之間的速度變化率就是過載艙在此間的平均加速度。

連接起這些加速度測點(diǎn)繪制出的a～t曲線就是被試產(chǎn)品過載試驗(yàn)的g值和脈寬的波形曲線g～t。

6 設(shè)備的布局和安裝環(huán)境要求

這臺(tái)大型環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備主要由高壓儲(chǔ)氣罐和多條內(nèi)徑?300mm耐高壓精密無縫鋼管連接而成，總長度大于30m，總重量在15t以上，平面布局占地約31m×2m,見圖3。

圖3 設(shè)備總體平面布局示意圖

雖然過載艙的發(fā)射動(dòng)能巨大，但其并未被射出管道，只是在管道內(nèi)部運(yùn)行，發(fā)射過程中沒有“炮彈”射出和氣體排出，不會(huì)有巨大的炮聲。發(fā)射結(jié)束后，將氣體緩慢排出，所以設(shè)備不需要有后坐力的緩沖設(shè)計(jì)，也不需要堅(jiān)固的鋼筋混凝土安裝基礎(chǔ)。所以，雖然系統(tǒng)運(yùn)行只是內(nèi)能和內(nèi)力間的交互作用，理論上不存在后坐力，但是過載艙和活塞在管道內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來設(shè)備整體質(zhì)心的突變，由此會(huì)引起設(shè)備的晃動(dòng)，穩(wěn)定可調(diào)的安裝基座還是需要的。加上粗大笨重的管道和儲(chǔ)氣罐，都需要有穩(wěn)定安全的支撐和調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)備可以安裝在大型正規(guī)廠房或簡易活動(dòng)廠房中，配備動(dòng)力電源，并為工作人員配備具有一定安全防護(hù)能力的操作隔間。設(shè)備安裝時(shí)，使用起重工具。設(shè)備的鋼管和儲(chǔ)氣罐由特別設(shè)計(jì)的4輪小車托起，通過法蘭和柱規(guī)完成同軸性連接并高壓密封。定位之后，再用車載支撐地腳螺絲頂起，完成整體調(diào)平調(diào)直。高壓儲(chǔ)氣罐同樣要完成接口和支撐，工作軸線調(diào)水平。操控臺(tái)負(fù)責(zé)電、氣路的操控，氣泵為系統(tǒng)提供最大25MPa能力的高壓氣源。設(shè)備屬于一類高壓容器，危險(xiǎn)系數(shù)較高，閑置時(shí)必須泄壓存放，有專人負(fù)責(zé)操作和安全管理。建議設(shè)備在靶場安裝使用。

7 結(jié)束語

設(shè)計(jì)大型強(qiáng)沖擊高能過載環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備可供考察的資料甚少，美國在研究鉆地彈智能引信模塊過載可靠性時(shí)曾發(fā)表過在靶場試驗(yàn)的少量圖片資料，沒有具體的過載波形數(shù)據(jù)資料。從圖片上可以看出，他們使用氣體炮發(fā)射過載艙，回收方法是在數(shù)百米的靶道上豎立起多層軟阻尼墻，讓射出的過載艙碰撞和穿透阻尼墻，然后逐級減速實(shí)現(xiàn)回收。顯然，這是屬于硬回收的方法。如果過載指標(biāo)要求2萬個(gè)g、脈寬10ms、過載艙最大速度會(huì)達(dá)到2000m/s，產(chǎn)品很難保證完好回收，也很難分清產(chǎn)品的損傷是在發(fā)射段過載損傷還是在回收段的碰撞損傷(二次反向過載損傷)。

如果我國要開發(fā)這種設(shè)備，就應(yīng)使用這種創(chuàng)新的配重式大流量超高速開關(guān)閥和長管道空氣阻尼軟回收方式，更容易確認(rèn)損傷類型，產(chǎn)品回收完好率定會(huì)大幅提高，試驗(yàn)的安全性和成本也會(huì)有效降低。

模型設(shè)計(jì)文件從理論設(shè)計(jì)層面回答設(shè)備研發(fā)的可行性問題；工程設(shè)計(jì)方法則依據(jù)國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)資源及制造能力，給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法、運(yùn)行邏輯關(guān)系和對各分系統(tǒng)的具體技術(shù)要求；工程師設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)遵循工程化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，按照機(jī)、電、氣、測各自的專業(yè)分工與協(xié)作，共同完成設(shè)備整體的藍(lán)圖設(shè)計(jì)，直至完成設(shè)備的監(jiān)造和安裝調(diào)試。