船用快速開啟氣瓶電爆閥機構設計

，，

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

電爆閥作為控制閥件，是艦船噴淋系統的關鍵部件，在系統中起到對氣體的控制作用。調研發現，艦船消防系統上應用普遍的電爆閥體積大、結構復雜、反應慢且穩定性較差，難以滿足彈庫、油庫等特種場所的氣動閥等設備開啟快速性需求，嚴重影響噴淋系統的性能。為此，考慮設計一種船用快速開啟氣瓶電爆閥。

1 功能需求分析

船用氣瓶用于貯存壓縮空氣，為氣動閥開啟提供驅動氣源，實現船用氣瓶的啟動控制或介質隔離。電爆閥作為隔離閥，是船用氣瓶的關鍵部件，在實船待命時處于常閉狀態。一旦收到請求信號，電爆管根據指令瞬間點爆，驅動閥體打開，氣瓶內壓縮空氣在高壓作用下迅速排出，實現船用氣瓶的快速供氣功能。電爆閥是噴淋系統可靠、快速投入的關鍵部件。

由于船用氣瓶布置在設備艙或艦船走廊等處，開啟時需要進行遠距離可靠控制，因此對電爆閥的開啟需要提供遠距離控制的開啟動力。根據其占用空間小，開啟速度快，安全可靠等要求，采用體積小、重量輕、威力大、環境適應性強的點火器——電爆管[1]。

在值守狀態下，電爆管一旦接收到一定的電流信號指令就會迅速引爆，爆炸產生壓力上升快速的高溫高壓燃氣，電爆閥在電爆管爆壓力作用下機械聯動開啟[2]。電爆管點火時間可達毫秒級，爆炸迅速有力且作用范圍小，既能夠滿足電爆閥快速開啟的需求又能確保使用時安全可靠。

2 機構設計

根據功能需求及電爆管的特性設計船用快速開啟氣瓶電爆閥，機構見圖1。

圖1 電爆閥機構示意

1)電爆腔。在電爆閥閥體上設計電爆腔，實現電爆腔與閥體腔體的有效隔離，同時電爆腔與活塞腔體的夾角設計，確保燃氣流進入活塞腔體的的同時爆炸碎屑被隔離[3]。電爆腔上安裝電爆管，保證電爆閥的快速性。

2)安全膜片。為防止氣瓶內因壓力過高導致氣瓶破裂，設計超壓排氣結構，主要原理是在超壓排氣孔上安裝安全膜片。當船用氣瓶內的壓力超過設定壓力值13～15 MPa時，安全膜片自行破裂，釋放瓶內氣體，確保鋼瓶完好及人員安全。安全膜片的設計實現了船用氣瓶電爆閥的安全性特征。超壓排氣結構示意于圖2。

圖2 超壓排氣結構示意

電爆閥有三種工作狀態：關閉、開啟以及充氣。

1)電爆閥關閉狀態。由于船用氣瓶只有在噴淋時為氣動閥提供氣源，因此電爆閥為常閉閥。在初始狀態下，電爆管未被啟動，通過曲柄帶動轉軸轉動，使轉軸與壓臂扣合，然后手動轉動壓桿，推動閥芯下移，關閉通流口，進而閥門閉合，船用氣瓶可靠關閉，閉合狀態內部結構示意于圖3。

圖3 電爆閥閉合狀態示意

2)電爆閥開啟狀態。一旦遇到險情，船用氣瓶需要提供氣源時，電爆閥應可靠開啟。此時，電爆管接收到電信號開啟指令發生爆炸，產生的爆壓力推動活塞上移，活塞桿撞擊曲柄，使曲柄帶動轉軸轉動，迫使轉軸與壓臂的扣合處分離，閥芯上的壓緊力瞬間釋放，壓臂轉動，帶動壓桿翻轉[4]。同時，閥芯在彈簧力的作用下迅速上移，閥門打開，壓縮空氣送出。電爆腔、彈簧結構、電爆閥機構的開啟聯動性及行程短設計實現了船用快速開啟氣瓶電爆閥的快速可靠開啟[5]。

船用快速開啟氣瓶電爆閥除電爆驅動開啟外，也可通過扳動曲柄，手動打開閥門，開啟狀態內部結構示意于圖4。

圖4 電爆閥開啟狀態示意

3)電爆閥充氣。船用氣瓶因使用或其他原因導致氣瓶內壓力降低需要補充氣體時，旋轉手輪，帶動針閥桿，使針閥心右移，打開針閥，充氣口與氣瓶連通(電爆閥充氣狀態內部結構示意于圖5)。利用船上氣源，通過充氣口向氣瓶內充入壓縮空氣，當氣瓶內壓力達到設定值時，旋轉手輪，帶動針閥桿推動針閥心左移，關閉針閥，此時，船用氣瓶處于正常待命狀態。

圖5 電爆閥充氣結構示意

3 數值分析

3.1 電爆管爆炸時的爆壓分析

電爆管內含有起爆藥、過渡藥和主裝藥，其成分包括C、H、N和O等元素[6]。彈藥的爆壓、裝藥密度、彈藥成分及化學反應熱相關，爆壓的工程計算公式為

(1)

炸藥爆速為

(2)

(3)

式中：Pj為爆壓，GPa；ρ0為彈藥裝藥密度，g/cm3；D為爆速，km/s；φ為彈藥特性值；N為每克炸藥爆炸所形成氣體物質的量，mol/g；M為爆炸產物氣體組分的平均摩爾質量，mol/g；Q為單位炸藥的化學反應熱，J/g。

炸藥的爆炸性能與裝藥密度密切相關，即裝藥密度越大，爆壓及爆速均越大。通過掌握炸藥的裝藥密度，便能精確測定電爆管的爆速和爆壓。

3.2 電爆閥機構受力及強度校核

1)閉合狀態時。船用氣瓶在實船待命狀態時，電爆閥處于閉合狀態，此時，閥體依靠轉軸和壓臂之間凸輪咬合處的相互摩擦力保持平衡，壓臂受力分析見圖6。

圖6 壓臂受力示意

閥芯對壓臂施加的力：

Fx=Ft+Fh

(4)

Ft=pqSl

(5)

Fh=kx

(6)

式中：Fx為閥芯對壓臂的作用力，kN；Ft為氣壓對閥體的作用力，kN；Fh為彈簧對閥芯的作用力，kN；pq為氣瓶內氣體的壓強，MPa；Sl為氣體對閥體的作用面積，m2；k為彈簧系數，kg/mm；x為彈簧壓縮量，mm。

通過分析電爆閥閉合狀態下壓臂的受力情況，利用杠桿原理可求得轉軸對壓臂的作用力

Fx×Lx=Fz×Lz

(7)

式中：Fz為轉軸對壓臂的作用力，kN；Lx為Fx到支點的距離，mm；Lz為Fz到支點的距離，mm。

2)開啟狀態時。當電爆管接收到一定的電流信號時，電爆管點火爆破，打破平衡，克服轉軸與壓臂之間的摩擦力使壓桿轉動，壓臂與轉軸分離，此時，閥芯在彈簧彈力和氣瓶內氣體氣壓的作用下克服自身及壓臂與壓桿的重力迅速上移，氣瓶內的壓縮空氣通過閥體的通流口流出[7-8]。

(1)受力分析。由于曲柄與轉軸之間是固體連接，可看作一體，因此曲柄所受力即為轉軸受力。此時，轉軸與曲柄受力情況見圖7。

圖7 轉軸與曲柄受力示意

(8)

(9)

轉軸與壓臂之間存在作用力與反作用力，即

(10)

通過式(7)～(9)可求得轉軸轉動需要的開啟力Fk。

FH=PjS

(11)

式中：S為電爆管爆炸對活塞的作用面積。

當電爆管爆炸的爆壓力FH>Fk時滿足電爆閥開啟要求，從而船用快速開啟氣瓶電爆閥聯動快速打開。

(2)強度校核。由于曲柄與轉軸在爆壓力瞬間受力最大，故對其強度進行校核。曲柄與轉軸為不銹鋼，其特性參數為

彈性模量E=206 GPa；

泊松比μ=0.3；

屈服強度σs≥540 MPa。

根據上述條件，對曲柄與轉軸進行有限元建模，模型尺寸以mm為單位，應力以Pa為單位。有限元模型見圖8。

圖8 曲柄與轉軸有限元模型

當施以一定的爆壓力時，分析曲柄與轉軸的受力情況，當曲柄轉軸所受的力不大于其屈服強度時，說明曲柄與轉軸強度滿足需求，設計合理[9]。電爆管的爆壓力約為15 MPa，對轉軸與壓臂的接觸面施加一個約束，同時對曲柄與活塞桿的接觸點施加15 MPa的爆壓力，結果見圖9。

圖9 曲柄和轉軸壓力分布

由圖9可見，加以15 MPa的力時，曲柄和轉軸所受的最大應力值413 MPa，小于σs，滿足設計要求。

3.3 安全膜片仿真分析

安全膜片的安全性的判定主要采取其在一定的壓力作用下爆破作為考察因素，當其所受壓力大于抗拉強度時，即可實現爆破。

為保證氣瓶內氣體壓力在13～15 MPa時能安全排出，需要選擇合適的安全膜片。安全膜片的耐壓情況與其材料、厚度等有關，這里膜片材料選擇錫青銅，其特性參數為

彈性模量E=124 GPa;

泊松比μ=0.34;

抗拉強度σb=700～800 MPa。

據此，對安全膜片進行有限元建模，模型尺寸單位為mm，應力單位為Pa。由于安全膜片厚度僅0.1 mm，采用殼體單元PLANE63，安全膜片的一面與壓環接觸部位添加約束，另一面承受氣瓶內12、13、15 MPa的氣體壓力[10]，安全膜片受力情況見圖10。

由圖10可見，安全膜片與壓環的接觸部分受力最大。當船用氣瓶內氣體壓力12MPa時安全膜片受到的最大應力為680 MPa，小于σb，安全膜片不會爆破；當氣瓶內氣體壓力13 MPa時安全膜片受到的最大應力為736 MPa，在安全膜片的抗拉強度范圍內，存在爆破的可能；當氣瓶內氣體壓力15 MPa時，安全膜片受到的最大應力為849 MPa，大于σb，滿足爆破條件。

4 結論

1)利用電爆管驅動、超壓排氣、杠桿原理、機械聯動等原理實現了船用快速開啟氣瓶電爆閥的快速開啟、可靠關閉及安全充氣。

2)該電爆閥較其他閥行程短，當電爆管點爆輸送爆壓力，電爆閥瞬間開啟，驗證了該電爆閥具有結構簡單、體積小、響應快等特點。

3)通過對受力最大的部分曲柄與轉軸進行強度校核，及對安全膜片的受力情況的有限元仿真分析表明，氣瓶電爆閥設計合理。

4)經實驗及使用表明，該電爆閥應用到船用壓縮空氣氣瓶上，能夠滿足艦船消防系統安全可靠、投入快速的需求，且可多次循環利用。