拋射角度對拋繩器發(fā)射距離影響試驗(yàn)分析

范錦龍

摘要：根據(jù)作業(yè)需要不同，拋繩器可應(yīng)用于水上救援、山上救援、消防救援、船舶補(bǔ)給、船舶系泊、特種部隊(duì)突擊救援等領(lǐng)域，各種環(huán)境下拋繩器的應(yīng)用功能基本一致。

本文研究是，作業(yè)中拋繩器拋射角度對拋射距離的影響，實(shí)驗(yàn)采用一種廣泛應(yīng)用的綠色環(huán)保節(jié)能的氣動式拋繩器，其可采用電磁控制發(fā)射，工作氣壓、拋射角度可調(diào)節(jié)、后坐力可緩沖吸收、高響應(yīng)的閥體速度使得高壓氣體有效轉(zhuǎn)換成彈體的飛行動能。通過控制變量采集數(shù)據(jù)，MATLAB分析數(shù)據(jù)間的關(guān)系，得出拋繩器發(fā)射角（拋繩器發(fā)射筒的軸線與水平線之間的夾角）與拋射距離之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：拋繩設(shè)備;引纜;氣動式拋繩器;拋射角度;拋射距離

一、本文研究的背景及意義

船舶在海上遇險(xiǎn)后，需要進(jìn)行必要的緊急救援，由于海況惡劣等條件，救助拖輪很難靠上遇險(xiǎn)船舶，最常用的救助方法就是通過在救助船和遇險(xiǎn)船之間用柔性引纜鏈接，通過引纜掛上強(qiáng)度更大的拖帶主纜繩，一般有兩種方式：一是利用直升機(jī)帶纜，另一種是拖帶救助，救助前需要使遇險(xiǎn)船在有利的風(fēng)向位置上，從后甲板逐漸靠近遇險(xiǎn)船，便于通過拋繩器拋射引纜繩。在大風(fēng)大浪等惡劣海況下，直升機(jī)救援有一定的局限性，受氣流影響容易碰到船舶，存在危險(xiǎn)。而采用拖帶救助是最有效的救助方法，首先，需要拋繩器拋射引纜到達(dá)遇險(xiǎn)船舶，在救助船和被救助船之間建立起引纜，相對來說安全性高，通過調(diào)節(jié)拋射角度、拋射氣壓等變量可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確引纜，掛主纜，短時(shí)間內(nèi)對失事船舶實(shí)施拖帶救助，引纜的成功與否直接影響到最終救助成功與否，當(dāng)下，利用拋繩器引纜是救援當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的方式，快捷且有效的引纜能夠?yàn)槌晒戎鸂幦∽銐虻臅r(shí)間，提高救助的成功率。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介

1.實(shí)驗(yàn)原理

本文實(shí)驗(yàn)采用的為大連海事大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的二代改進(jìn)型拋繩器，通過測試拋射角度的變化對拋射距離的影響。

本次實(shí)驗(yàn)采用的是一款電磁控制發(fā)射、工作氣壓、拋射角可調(diào)控的改進(jìn)型二代氣動式拋繩器，氣動拋投器是根據(jù)空氣動力學(xué)原理：空氣作用力是機(jī)械力的一種，由物體與流體間的接觸相互作用而產(chǎn)生，物體受氣流作用產(chǎn)生升力。氣動拋繩器采用高壓氣體為動力，將壓縮空氣的快速膨脹所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成彈頭的動能，這款拋繩器穩(wěn)定性高，一定程度上降低了作業(yè)的危險(xiǎn)性。

實(shí)驗(yàn)所用拋繩器采用直動式電磁閥（通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開;斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉），通過控制一路高壓氣體的通斷來間接控制拋繩器控制閥的氣路切換，電磁閥與控制閥的配合實(shí)際上相當(dāng)于一個組合型的先導(dǎo)電磁控制換向閥，直動式電磁閥充當(dāng)先導(dǎo)閥，拋繩器控制閥作為主閥，其間的高壓軟管作為先導(dǎo)氣路^[5]。

拋繩器工作壓力的調(diào)節(jié)可以通過以下實(shí)現(xiàn)：引入一輸出壓力可調(diào)的高壓氣動減壓閥布置在氣控箱內(nèi)，氣瓶內(nèi)高壓氣體經(jīng)減壓閥減壓后經(jīng)高壓軟管進(jìn)入拋繩器主腔體。

二代拋繩器（如圖1.1）仍然采用一代拋繩器組裝模式，由氣控箱和拋繩器本體兩大部分組成，通過高壓金屬軟管連接。氣控箱作為一設(shè)備集成件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備布局較為簡單。其支架尾部采用了緩沖裝置，緩沖機(jī)構(gòu)主要由緩沖支座、油壓緩沖器、連接塊、連桿等組成，連桿和連接塊的設(shè)計(jì)保證了緩沖器頂桿不承受非軸向力。拋繩器上架設(shè)了帶反饋的數(shù)顯角度儀、精確測量并反饋拋射角度，在拋繩器上加設(shè)一支架框，便于拋射角度的調(diào)節(jié)。

結(jié)構(gòu)組成：

底座角鋁銷座支撐架蝶形螺栓支撐架滑道角度儀座。

2.氣控箱原理圖

拋繩器的氣源及氣壓監(jiān)控系統(tǒng)由氣控箱集氣瓶、減壓閥、截止閥及壓力數(shù)顯表等于一體，通過高壓金屬軟管與拋繩器相連。

本次實(shí)驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成了能夠反映風(fēng)向、風(fēng)速的數(shù)顯風(fēng)向儀，實(shí)時(shí)記錄拋射時(shí)刻的風(fēng)向、風(fēng)速情況;能夠通過激光測距的的測距儀，實(shí)現(xiàn)精確測量拋繩器拋射彈頭的距離，以及用米尺測量拋射彈頭的實(shí)際落地點(diǎn)與拋射點(diǎn)的橫向距離偏差;能夠通過數(shù)顯角度儀測量拋射時(shí)的拋射角度;通過氣控箱能夠準(zhǔn)確的控制拋射時(shí)的氣體擊發(fā)壓力，氣控箱和拋繩器通過兩條高壓軟管連接，裝配簡單，容易操作。拋射距離與彈體的類型、纜繩的類別有很大關(guān)系，帶纜與不帶纜的拋射距離有很大區(qū)別，所以在本次實(shí)驗(yàn)中，對比了帶纜和不帶纜的情況下拋繩器拋射彈體的距離，選擇不同的彈體（花彈、短彈、長彈）進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，另外，拋射時(shí)選擇的管的類型（長管、短管）對拋射距離也有影響，這些不同的變量在試驗(yàn)中都有所考慮。采用控制變量的方法對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出相關(guān)結(jié)論。

三、拋繩器試驗(yàn)

1.試驗(yàn)設(shè)備

2.試驗(yàn)流程

將撇纜槍與地面固定;用高壓軟管分別連接高壓氣瓶與氣控箱、氣控箱與撇纜槍，打開氣瓶閥氣瓶內(nèi)的高壓氣體進(jìn)入氣控箱，打開氣控箱上手動截止閥，調(diào)節(jié)減壓閥壓力至所需壓力，撇纜槍上電磁閥通電即完成一次擊發(fā)。

實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)變量：壓力，拋射角度，槍管（長、短），彈體（長、短、花）;

實(shí)驗(yàn)測量量：拋射距離，拋射角度，偏差距離，風(fēng)向、風(fēng)壓，氣體壓力;

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)分為幾組不同的實(shí)驗(yàn)，分別測試拋射距離以及拋射偏差距離在固定壓力、不同拋射角度、槍管（長、短）、彈體（長、短、花）下的情況，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）測試拋繩槍管對拋射距離和偏差的影響

①在30°拋射角、使用長彈體下，測試長槍管分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

②在30°拋射角、使用長彈體下，測試短槍管分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

（2）測試拋繩彈體對拋射距離和偏差的影響

選取第一組實(shí)驗(yàn)中測試效果較好的槍管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

①在26°拋射角下，測試長彈體分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

②在26°拋射角下，測試短彈體分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

③在26°拋射角下，測試花彈體分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

（3）測試風(fēng)向、風(fēng)速對拋射距離和偏差距離的影響

選取第一組實(shí)驗(yàn)中測試效果較好的槍管及第二組實(shí)驗(yàn)測試效果較好的彈體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，

①在0m/s風(fēng)速，風(fēng)向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

②在1m/s風(fēng)速，風(fēng)向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

③在2m/s風(fēng)速，風(fēng)向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

④在3m/s風(fēng)速，風(fēng)向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

⑤在4m/s風(fēng)速，風(fēng)向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發(fā)壓力時(shí)拋射距離及偏差距離的數(shù)據(jù)并記錄;

注：由于拋射仰角變化可能對拋射距離影響較大，所以需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)拋射角的變化。

（4）測試激發(fā)壓力對拋射距離和偏差距離的影響

選取第一組實(shí)驗(yàn)中測試效果較好的槍管、第二組實(shí)驗(yàn)測試效果較好的彈體及第三組實(shí)驗(yàn)中測試效果較好的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別測試激發(fā)壓力為2.5MPa、3MPa、5MPa、7MPa時(shí)的數(shù)據(jù)。

（5）測試引纜繩對拋射距離和偏差的影響

在前四組的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上選取良好的實(shí)驗(yàn)條件分別測試帶纜繩和不帶纜繩時(shí)拋射距離和偏差距離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要測試出拋射效果較好的彈體形狀及拋射槍管，并繪制出拋射距離及偏差距離在不同拋射角度下的散點(diǎn)圖。由于風(fēng)速風(fēng)向不可控，所以要根據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)定風(fēng)力的測試實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及分析

實(shí)驗(yàn)第一步，先盲測多組數(shù)據(jù)，不同的管型（長管、短管），彈型（短彈、表面光滑的長彈、表面帶槽的長彈），彈體是否帶纜，實(shí)驗(yàn)過程中，場地風(fēng)向基本沒有變化，風(fēng)速在小范圍內(nèi)波動，拋射角度保持基本不變，拋射激發(fā)壓力選定在2～8MPa之間。采集數(shù)據(jù)如下表3.2：

表3.2數(shù)據(jù)分析目的主要在于選擇合適的彈體和管型，對表中四種不同情況下（短管短彈、長管短彈、長管和表面光滑的長彈、長管和表面帶槽的長彈）拋射距離分析，繪制如下折線圖3.3：

按照圖中不同組合分布來看，由于帶槽的彈體飛出去在空中旋轉(zhuǎn)幅度較大，可能是由于彈體表面開槽的原因，彈體受風(fēng)力作用明顯。長管短彈、長管長彈的實(shí)驗(yàn)效果較理想，彈體空中姿勢平穩(wěn)。所以試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集選用的短彈和長彈來做實(shí)驗(yàn)。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集中，第一組實(shí)驗(yàn)針對的是槍管型狀為短管、彈型為短彈、彈頭帶纜的情況下，在風(fēng)向?yàn)?15度，風(fēng)速2.5m/s、激發(fā)壓力為3MPa時(shí)測試多組不同角度下拋繩器拋射彈頭的距離及橫向偏差距離。

第二組實(shí)驗(yàn)針對的是長管短彈、不帶纜的情況下，在風(fēng)向?yàn)?15度，風(fēng)速2.2m/s、激發(fā)壓力為3MPa時(shí)測試多組不同角度下拋繩器拋射彈頭的距離及橫向偏差距離。

由MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件分別處理第一組數(shù)據(jù)^[7]：

得到拋繩器拋射角度與拋射距離的散點(diǎn)分布圖關(guān)系：

由MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件分別處理第二組數(shù)據(jù)^[8]：

得到拋繩器拋射角度與拋射距離的散點(diǎn)分布圖關(guān)系：

由表3.2發(fā)現(xiàn)：

帶纜和不帶纜情況下，彈體旋轉(zhuǎn)幅度和拋射距離有不同之處，帶纜距離比不帶纜拋射距離小，光彈不帶纜繩，飛行阻力較纜彈小，不帶纜的射程大于纜彈射程，光彈拋射時(shí)在空中發(fā)生翻滾旋轉(zhuǎn)幅度大;帶纜的彈體在飛行過程中，纜繩受風(fēng)的作用力很明顯，進(jìn)而對彈體產(chǎn)生拉力，所以射程較光彈射程小，但由于纜繩系于彈尾，彈體飛行過程中翻滾不明顯，飛行穩(wěn)定。

二代拋繩器的可調(diào)角度范圍在：20°～41°之間，實(shí)驗(yàn)過程中在區(qū)間內(nèi)設(shè)置多組角度值，測試不同角度下拋繩器拋射距離值。

發(fā)現(xiàn)短管短彈在帶纜的情況下，激發(fā)壓力為3MPa時(shí)，拋射角度在34度左右距離最遠(yuǎn)，可達(dá)到109M，偏差距離≤射程的10%，在允許誤差范圍內(nèi)。

此外，長管短彈在不帶纜的情況下，激發(fā)壓力為3MPa時(shí)，拋射角度也在34度左右距離最理想，可達(dá)到140M，偏差距離≤射程的10%，在允許誤差范圍內(nèi)。

對比發(fā)現(xiàn)：不帶纜的彈頭拋射距離不會受到纜繩的牽拉影響，所以拋射更遠(yuǎn);實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)彈頭帶纜，纜繩受風(fēng)速影響進(jìn)而影響到彈頭的軌跡，繩子打結(jié)、飛行過程中阻力的存在都會對拋射距離存在影響。彈頭在拋射前在槍管內(nèi)的狀態(tài)是否頂?shù)降撞恳矔伾錉顟B(tài)產(chǎn)生一定影響。

對長管、表面光滑的彈體進(jìn)行試驗(yàn)：

不難看出，發(fā)現(xiàn)長管長彈在帶纜，激發(fā)壓力為3MPa時(shí)，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速幾乎為零的情況下，拋射角度在28度左右距離最遠(yuǎn)，可達(dá)到152M，偏差距離≤射程的10%，在允許誤差范圍內(nèi)，此時(shí)彈體飛行狀態(tài)平穩(wěn)，無翻滾現(xiàn)象。

四、結(jié)論

論文結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探討了拋繩器拋射角度對拋射距離的影響，實(shí)驗(yàn)采用的是大連海事大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的第二代新型拋繩器，拋繩器整體性能優(yōu)良，可調(diào)角度范圍在20～40°之間，通過實(shí)驗(yàn)采集到多組角度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，拋射角度變化時(shí)，控制激發(fā)氣體壓力保持在固定值，風(fēng)向、風(fēng)速等因素通過數(shù)顯儀觀察風(fēng)向風(fēng)速穩(wěn)定在一定幅度內(nèi)，進(jìn)行拋射。對數(shù)據(jù)分析找到二代拋繩器拋射角度和拋射距離的關(guān)系，對日后拋射提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉浪波. 新型拋繩器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].大連海事大學(xué)，2013.

[2] 中國拋繩器行業(yè)分析報(bào)告（報(bào)告庫2012）千訊（北京）信息咨詢有限公司

[3] 熊偉，王志文，王海濤，王祖溫.海上救助拋繩裝備研究[J].液壓與氣動，2014，07：1-6.

[4] 王海濤，劉浪波，熊偉. 氣動拋繩器的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動，2013，04：110-112.

[5] 黃小潔. 基于MATLAB的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[D].南昌大學(xué)，2012.