王 銳,謝武俊,洪 濤

(航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司試驗(yàn)部, 湖北 襄陽(yáng) 441003)

0 引言

本文中的大型氣囊用于某裝備在海里發(fā)射試驗(yàn)中的上浮回收,以免裝備在發(fā)射試驗(yàn)后沉入海底,其體積約為40 m3,要求充氣時(shí)間不大于1.8 s。檢測(cè)本產(chǎn)品快速充氣展開(kāi)功能是其研發(fā)及驗(yàn)收不可或缺的試驗(yàn)項(xiàng)目[1]。目前國(guó)內(nèi)外主要采用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膨脹氣體或壓縮氣體一次性完成氣囊快速充氣試驗(yàn)[2-8]。本產(chǎn)品體積大,要求的充氣時(shí)間短,若采用壓縮氣體充氣,其所需的氣源體積與重量會(huì)比較大,影響裝備性能,因此實(shí)際的充氣展開(kāi)是通過(guò)火藥點(diǎn)火充氣實(shí)現(xiàn)的,設(shè)計(jì)之初考慮采用一組火藥點(diǎn)火一次性充氣對(duì)氣囊的沖擊載荷過(guò)大,因此分3組火藥依次點(diǎn)火進(jìn)行脈沖充氣直至所需壓力。火藥產(chǎn)氣裝置與大型氣囊分屬不同的單位研制,一起列裝于裝備中。在氣囊的研制及驗(yàn)收中若采用實(shí)際的火藥點(diǎn)火進(jìn)行充氣展開(kāi)試驗(yàn),所需配套的產(chǎn)品比較多,試驗(yàn)成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn),試驗(yàn)周期長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月,影響研制成本與進(jìn)度。為解決這些問(wèn)題,研究出一種以大體積壓縮空氣為氣源,控制快開(kāi)快關(guān)閥連續(xù)3次開(kāi)啟與關(guān)閉的充氣試驗(yàn)方法,并將2種試驗(yàn)方法中影響氣囊能否順利充氣展開(kāi)的核心因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,證明本試驗(yàn)方法的科學(xué)性與實(shí)用性。

1 試驗(yàn)技術(shù)剖析

本產(chǎn)品主要由進(jìn)氣軟管與柔性橢球形囊體組成,進(jìn)氣軟管長(zhǎng)約1.5 m,直徑為215 mm,裝機(jī)狀態(tài)為進(jìn)氣軟管與囊體折疊包裝于圓筒形氣囊箱內(nèi),進(jìn)氣軟管與火藥產(chǎn)氣裝置的彎管連接。氣囊的設(shè)計(jì)指標(biāo)為充氣結(jié)束后氣囊壓力達(dá)到150±10 kPa,充氣時(shí)間不大于1.8 s。在研制過(guò)程中進(jìn)行了一次火藥點(diǎn)火充氣試驗(yàn),并拍攝了氣囊充氣展開(kāi)過(guò)程,測(cè)量了氣囊入口處(氣囊進(jìn)氣軟管與火藥產(chǎn)氣裝置的彎管)的靜壓曲線,如圖1所示,其中PJQG-1、PJQG-2依次為彎管左側(cè)、右側(cè)的靜壓曲線。

根據(jù)圖1的壓力數(shù)據(jù)可分析出因火藥產(chǎn)氣裝置共使用了3組火藥依次點(diǎn)火,氣囊入口處的氣流壓力產(chǎn)生了3次較大的脈沖,總充氣時(shí)間約為1.7 s(壓力值從第一個(gè)脈沖波開(kāi)始增大的時(shí)間點(diǎn)至第3個(gè)脈沖波結(jié)束變小的時(shí)間點(diǎn)之差值)。試驗(yàn)后結(jié)合高速錄像和測(cè)試的壓力數(shù)據(jù)可得:第一組火藥點(diǎn)火完畢后,氣囊從氣囊箱內(nèi)彈出,囊體被充氣變大;第2組火藥點(diǎn)火完畢后囊體被進(jìn)一步充氣變大;第3組火藥點(diǎn)火后進(jìn)氣軟管破裂,囊體被部分進(jìn)入進(jìn)氣軟管的氣體充大后迅速變小;3組火藥點(diǎn)火后氣囊因受瞬時(shí)脈沖氣流的作用產(chǎn)生了3次較大的擺動(dòng),尤其是進(jìn)氣軟管在每組火藥點(diǎn)火充氣開(kāi)始時(shí)擺動(dòng)幅度特別大,姿態(tài)極為不穩(wěn);進(jìn)氣管是柔性的軟管,每個(gè)脈沖穩(wěn)定段動(dòng)壓值比較大,進(jìn)氣軟管在動(dòng)壓的作用下擺動(dòng)也比較大。

圖1 某次火藥點(diǎn)火試驗(yàn)進(jìn)氣口靜壓曲線Fig.1 The static pressure curve of the air inlet of a certain gunpowder ignition test

進(jìn)一步分析可得:因氣囊受到脈沖載荷瞬間姿態(tài)最為紊亂,此時(shí)受到的沖擊載荷要比氣流穩(wěn)定后的載荷更大,脈沖氣流壓力變化速率越大對(duì)氣囊考核越嚴(yán)酷;充氣完畢后氣囊壓力越大對(duì)氣囊考核越嚴(yán)酷;在充氣完畢后氣囊壓力一定的條件下,總充氣時(shí)間越短對(duì)氣囊考核越嚴(yán)酷;充氣過(guò)程中動(dòng)壓越大對(duì)氣囊考核越嚴(yán)酷[3-8];反之亦然。每個(gè)充氣脈沖的壓力上升速率、充氣完畢后的氣囊壓力值、總充氣時(shí)間、動(dòng)壓為考核氣囊能否順利充氣展開(kāi)的4個(gè)核心因素。其他相關(guān)因素如脈沖充氣穩(wěn)定段的靜壓、總壓、上升段時(shí)間、穩(wěn)定段時(shí)間、下降段時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響[3-8]。此外火藥點(diǎn)火充氣的氣體溫度約為70 ℃,而本產(chǎn)品的耐高溫性能比較強(qiáng),加之充氣時(shí)間短,產(chǎn)品的溫度升高并不明顯,因此忽略氣體溫度對(duì)產(chǎn)品的影響。

本文主要參考前2個(gè)壓力脈沖的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。此次火藥點(diǎn)火試驗(yàn)未測(cè)量氣囊入口處的總壓,根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)估算氣體速度約為320 m/s[9],并依此計(jì)算出氣流的總壓與動(dòng)壓值。本次試驗(yàn)因進(jìn)氣軟管破裂,充氣完畢后氣囊漏氣,壓力恢復(fù)至大氣壓火,藥點(diǎn)火充氣的設(shè)計(jì)理論壓力為150 kPa。各因數(shù)的具體數(shù)據(jù)及與考核氣囊的嚴(yán)酷相關(guān)性如表1所示。

表1 火藥點(diǎn)火充氣試驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)Table 1 The key data of the gunpowder ignition charging test

續(xù)表(表1)

2 實(shí)施方式

2.1 方案原理

考慮到對(duì)壓縮空氣進(jìn)行加熱的技術(shù)難度大、建設(shè)成本高等因素,本試驗(yàn)方案暫不計(jì)劃對(duì)充氣氣源進(jìn)行加溫處理,僅在常溫條件下開(kāi)展快速充氣試驗(yàn)。試驗(yàn)原理圖如圖2所示,壓縮空氣從高壓球罐依次通過(guò)開(kāi)關(guān)閥、管道、快開(kāi)快關(guān)閥、彎管進(jìn)入氣囊。其中氣源為4個(gè)1 000 m3耐高壓球罐;開(kāi)關(guān)閥為試驗(yàn)系統(tǒng)安全閥門;快開(kāi)快關(guān)閥用于系統(tǒng)氣流的快速開(kāi)啟和關(guān)閉;彎管為裝機(jī)真件。系統(tǒng)中主要部件間均采用法蘭連接。

1.氣源;2.開(kāi)關(guān)閥;3.管道;4.快開(kāi)快關(guān)閥;5.彎管;6.氣囊箱圖2 方案原理圖Fig.2 Schematic diagram of the layout

2.2 快開(kāi)快關(guān)閥

為實(shí)現(xiàn)圖1的脈沖充氣試驗(yàn)曲線,快開(kāi)快關(guān)閥應(yīng)能實(shí)現(xiàn)“快速開(kāi)啟-保持開(kāi)啟-快速關(guān)閉”3次循環(huán),且總時(shí)間不能超過(guò)1.7 s,開(kāi)啟關(guān)閉示意圖如圖3所示。

圖3 快開(kāi)快關(guān)閥工作示意圖Fig.3 Schematic diagram of quick opening and closing valve operation

本氣囊配套的產(chǎn)氣裝置彎管內(nèi)徑為215 mm,該尺寸不屬于常見(jiàn)閥門尺寸范疇,考慮到定制閥門的周期和成本,以及同現(xiàn)有氣源出口管道(內(nèi)徑400 mm)的適配性,本試驗(yàn)臺(tái)選用了內(nèi)徑400 mm的液壓快開(kāi)快關(guān)閥,再通過(guò)一端內(nèi)徑400 mm 另一端內(nèi)徑215 mm的轉(zhuǎn)接管與彎管連接。

快開(kāi)快關(guān)閥主要由閥體與液壓缸組成,閥體實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能,液壓缸為動(dòng)力單元。為保證流體的穩(wěn)定性及閥門結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化、緊湊性,閥門主體設(shè)計(jì)為蝶閥[10-11];閥體旋轉(zhuǎn)軸與液壓缸活塞桿通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)連接,活塞桿伸出閥門開(kāi)啟,活塞桿縮回閥門關(guān)閉。為滿足快開(kāi)快關(guān)閥高動(dòng)態(tài)、高響應(yīng)的啟閉性能,采用蓄能器給液壓缸提供能量,通過(guò)調(diào)節(jié)蓄能器的壓力、管路中節(jié)流閥的開(kāi)度從而控制快開(kāi)快關(guān)閥的開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作速度[12-13]。蓄能器壓力與節(jié)流閥開(kāi)度越大,快開(kāi)快關(guān)閥開(kāi)啟與關(guān)閉的動(dòng)作越快,進(jìn)氣口處的壓力上升的速率就越快;反之亦然。通過(guò)PLC程序設(shè)置蓄能器與液壓缸之間的換向閥左右線圈得電、斷電時(shí)間指令,即快開(kāi)快關(guān)閥開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間[14-15]以滿足充氣總時(shí)間的要求,其中閥門完全開(kāi)啟時(shí)間為開(kāi)啟指令時(shí)間減去完全開(kāi)啟動(dòng)作所需時(shí)間。

2.3 充氣質(zhì)量計(jì)算

氣源為本單位高速氣流吹襲4個(gè)1 000 m3耐高球罐(最高壓力達(dá)1 000 kPa)總體積4 000 m3。氣囊體積約為40 m3,充氣完畢后的目標(biāo)囊壓為150 kPa,充氣完畢后氣源壓力降低于1%,可視氣源壓力恒定不變。

設(shè)氣源氣體參數(shù)為P0、ρ0和T0,彎管出口處壓力為Pe,則彎管出口處的氣流速度Ve為[9]

(1)

彎管出口處質(zhì)量流量me為

(2)

σe為氣囊入口處截面積:

(3)

a0為當(dāng)?shù)芈曀?對(duì)于空氣:

(4)

γ為比熱比,對(duì)于空氣,γ=1.4。

根據(jù)理想氣體熱力學(xué)方程可得:

(5)

根據(jù)上述公式,彎管出口處質(zhì)量流量me同氣源總壓P0、總溫T0和彎管出口處背壓Pe相關(guān)。在總溫T0不變時(shí),增加P0和Pe比值可增加出口質(zhì)量流量。但根據(jù)變截面管道流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律可得,如果在管道內(nèi)出現(xiàn)了臨界截面,管道流動(dòng)將出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象,此時(shí)最大質(zhì)量流量將被給定的P0、T0和臨界截面面積所限定。對(duì)于空氣,出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象時(shí)最大質(zhì)量流量公式[9]如下:

(6)

式中σ*為臨界截面面積。對(duì)于本試驗(yàn)方案,若出現(xiàn)臨界截面,則臨界截面將出現(xiàn)在收縮段出口處,即臨界截面為直徑215 mm圓截面。

氣囊的容積為40 m3,壓力要求為150 kPa,當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)其充氣質(zhì)量應(yīng)為 70.2 kg。假定氣源壓力在氣囊充氣過(guò)程中穩(wěn)定不變,且管道中出現(xiàn)了壅塞現(xiàn)象,計(jì)算所需氣源壓力。

3次充氣總上升時(shí)間約為0.4 s,總穩(wěn)定時(shí)間約為0.8 s,總下降時(shí)間約為0.4 s計(jì)算。根據(jù)出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象時(shí)空氣最大質(zhì)量流量計(jì)算公式,最大質(zhì)量流量同氣源總壓為一次正比例函數(shù),對(duì)壓力上升段和下降段內(nèi)質(zhì)量流量取平均值可約等于0.4 s穩(wěn)定壓力下的質(zhì)量流量,即可按1.2 s穩(wěn)定流動(dòng)計(jì)算氣源壓力。此時(shí)管道內(nèi)平均質(zhì)量流量為58.5 kg/s,所需氣源壓力P0min=6.59×105Pa。

再根據(jù)一維等熵氣體流動(dòng)公式確認(rèn)管道內(nèi)是否出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象。按Pe=1.5×105Pa,計(jì)算出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象的最小入口總壓P0,查表可得臨界比值為1.893即,當(dāng)入口總壓P0大于2.84×105Pa 時(shí)管道內(nèi)將出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象,計(jì)算的所需氣源壓力高于該臨界值。因此,采用最大質(zhì)量流量公式計(jì)算的上述氣源壓力結(jié)果可用。

需要說(shuō)明的是:上述氣源壓力為忽略管道內(nèi)彎管和摩擦阻力影響的理論計(jì)算結(jié)果,實(shí)際所需氣源壓力高于計(jì)算值。試驗(yàn)時(shí)可在氣囊充氣入口處設(shè)置總壓和靜壓傳感器,根據(jù)測(cè)量結(jié)果逐步調(diào)試出儲(chǔ)氣罐所需真實(shí)壓力。

2.4 測(cè)試方案

為驗(yàn)證本試驗(yàn)方案的科學(xué)性,需對(duì)氣囊充氣完畢后壓力及充氣時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)也監(jiān)控氣囊充氣過(guò)程中的狀態(tài)。因此本充氣試驗(yàn)測(cè)試工作應(yīng)包括電測(cè)與光測(cè)兩部分。

電測(cè)部分包括氣源壓力、氣囊進(jìn)氣口處?kù)o壓與總壓、充氣完畢后的氣囊壓力、充氣時(shí)間測(cè)試[16]。氣源壓力、氣囊進(jìn)氣口處?kù)o壓與總壓測(cè)試由數(shù)據(jù)采集器采集3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力傳感器數(shù)據(jù),其中氣源壓力測(cè)量點(diǎn)為球罐殼體壁處,靜壓測(cè)量點(diǎn)與原火藥點(diǎn)火試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)一致(彎管右側(cè)),總壓測(cè)試點(diǎn)為靜壓測(cè)量點(diǎn)處(彎管左側(cè))進(jìn)氣口圓截面中心[17];因充氣完畢后氣囊內(nèi)氣體處于靜止?fàn)顟B(tài),氣囊各處的壓力均相等,充氣完畢后氣囊壓力取靜壓或總壓值均可;充氣時(shí)間測(cè)試通過(guò)數(shù)據(jù)采集器判讀靜壓值從第一個(gè)脈沖波開(kāi)始增大的時(shí)間點(diǎn)至第3個(gè)脈沖波結(jié)束變小的時(shí)間點(diǎn)之差值;數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率設(shè)置為2 kHz。

光測(cè)部分包括氣囊箱內(nèi)氣囊充氣狀態(tài)攝像,氣囊箱外的氣囊充氣狀態(tài)攝像。氣囊箱內(nèi)布置2個(gè)高速相機(jī)及4個(gè)補(bǔ)光燈,氣囊箱外左右各布置一個(gè)高速相機(jī),4臺(tái)相機(jī)的拍攝頻率均為1 000幀。

電測(cè)與光測(cè)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)為快開(kāi)快關(guān)閥第一次開(kāi)啟信號(hào)給出。

3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試,當(dāng)設(shè)備參數(shù)如表2所示時(shí),試驗(yàn)曲線如圖4所示;試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,其中壓力上升速率、上升段時(shí)間、穩(wěn)定段時(shí)間、下降段時(shí)間均為靜壓曲線參數(shù);2種試驗(yàn)方法的核心因素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)Table 2 Test equipment parameters

圖4 進(jìn)氣口處的壓力曲線圖Fig.4 Pressure curve at the air inlet

表3 試驗(yàn)曲線參數(shù)Table 3 Test curve parameters

表4 2種試驗(yàn)方法核心因素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比表Table 4 Comparison table of core factor data of two test methods

因閥門第一次開(kāi)啟時(shí)液壓缸與油管內(nèi)油液壓力幾乎為0,后兩次開(kāi)啟時(shí),油液已經(jīng)處于高壓狀態(tài),所以閥門第一次開(kāi)啟時(shí)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于后2次,因此閥門第一次開(kāi)啟的時(shí)間指令長(zhǎng)于后兩次;閥門只需要開(kāi)啟3次關(guān)閉3次,所以第3次關(guān)閥時(shí)間指令為長(zhǎng)時(shí)。從圖4的曲線可以分析出:因閥門截面積為氣囊進(jìn)氣口截面積3.46倍,閥門未完全開(kāi)啟時(shí)氣囊進(jìn)氣口處的靜壓與總壓均已達(dá)到穩(wěn)定段,同樣當(dāng)閥門剛開(kāi)始關(guān)閉時(shí)進(jìn)氣口處的靜壓與總壓還處于穩(wěn)定段,各脈沖開(kāi)閥指令時(shí)間與上升段時(shí)間不相等,關(guān)閥指令時(shí)間與下降段時(shí)間也不相等,二者沒(méi)有必然關(guān)系;前2個(gè)脈沖波末端的壓力值并未降到氣囊充氣完畢后穩(wěn)定的壓力,說(shuō)明脈沖波末端時(shí)氣體還有一定的速度,為盡量模擬這一特性,前2次關(guān)閥時(shí)間指令所設(shè)置的時(shí)長(zhǎng)不足以使閥門完全關(guān)閉;閥門第一次開(kāi)啟時(shí)氣囊內(nèi)壓力低于后2次開(kāi)啟時(shí)壓力,所以第一個(gè)脈沖波上升段時(shí)間最長(zhǎng),但3個(gè)脈沖波上升速率高度一致。

圖4中進(jìn)氣口處?kù)o壓曲線也為3個(gè)脈沖波。通過(guò)表3與表1的對(duì)比可得:2種試驗(yàn)方法的3個(gè)脈沖充氣穩(wěn)定段的靜壓、總壓平均值、上升段時(shí)間、穩(wěn)定段時(shí)間、下降段時(shí)間這些相關(guān)因素?cái)?shù)據(jù)基本相仿。通過(guò)表4數(shù)據(jù)可得:2種試驗(yàn)方法的3個(gè)脈沖波壓力上升速率、充氣完畢后氣囊壓力、總充氣時(shí)間、3個(gè)脈沖波穩(wěn)定段動(dòng)壓平均值4個(gè)核心因素?cái)?shù)據(jù)高度吻合。

本試驗(yàn)方法的主要目的是取代火藥點(diǎn)火充氣試驗(yàn)方法對(duì)產(chǎn)品在研制及交付階段的考核方式。其中火藥產(chǎn)氣裝置的各個(gè)要素均已固定,如火藥量、點(diǎn)火時(shí)序等;若因設(shè)計(jì)需求產(chǎn)氣裝置的要素發(fā)生更改,核心因素指標(biāo)也隨之變化,需調(diào)節(jié)新試驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)才能滿足新的充氣試驗(yàn)指標(biāo)。調(diào)試方法為:先調(diào)節(jié)氣源壓力以滿足動(dòng)壓要求;然后調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度與蓄能器壓力,從而控制閥門開(kāi)啟速度以滿足壓力上升速率要求;最后調(diào)節(jié)開(kāi)閥與關(guān)閥指令時(shí)間以滿足充氣壓力要求。

4 結(jié)論

1) 剖析了火藥點(diǎn)火充氣試驗(yàn)中氣囊充氣展開(kāi)過(guò)程,得出了影響氣囊充氣展開(kāi)的關(guān)鍵因素為:3個(gè)脈沖波壓力上升速率、充氣完畢后氣囊壓力、總充氣時(shí)間、3個(gè)脈沖波穩(wěn)定段動(dòng)壓平均值;其數(shù)據(jù)指標(biāo)分別為:2.5 kPa/ms、2.3 kPa/ms、1.6 kPa/ms,150 kPa,1.7 s,250 kPa、230 kPa、250 kPa。

2) 提出了一種以壓縮空氣為氣源,控制快開(kāi)快關(guān)閥3次開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)氣囊進(jìn)行脈沖充氣以模擬3組火藥點(diǎn)火脈沖充氣的試驗(yàn)方法。

3) 經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與反復(fù)調(diào)試,獲取了試驗(yàn)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù),通過(guò)對(duì)比得出:2種試驗(yàn)方法新試驗(yàn)方法的核心因素?cái)?shù)據(jù)指標(biāo)高度一致,其他相關(guān)因素?cái)?shù)據(jù)也基本相仿,新試驗(yàn)方法能達(dá)到真實(shí)火藥點(diǎn)火充氣對(duì)氣囊的考核條件。

4) 新試驗(yàn)方法極大的節(jié)省了試驗(yàn)成本,提高了試驗(yàn)效率,縮短了產(chǎn)品研制周期。