防暴水炮車開發(fā)設(shè)計(jì)工藝研究

賈 群，朱愛靈

（廣州捷厲特車裝備有限公司，廣東 廣州 511340）

群體事件中使用非殺傷性手段驅(qū)散騷亂人群是目前各國(guó)公認(rèn)的最有效方式，防暴水炮是其中重要的武器裝備。防暴水炮一般是以強(qiáng)力水柱射流打擊肇事目標(biāo)群體，影響人體保持正常行為姿態(tài)的能力，從而達(dá)到心理震懾、驅(qū)散人群的目的。

最常見的強(qiáng)力水柱射流是消防車滅火作戰(zhàn)噴射的消防水炮，而專門的防暴水炮裝備與消防水炮有很大的區(qū)別，消防水炮一般最小流量為40L/s，壓力一般常壓0.8MPa偏低，主要目的是把盡可能多的水輸送到最遠(yuǎn)的距離，并且由市政消防供水系統(tǒng)進(jìn)行接力供水，水源供給是源源不斷的。而防暴水炮需要車輛機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)，只能依靠自帶的水量進(jìn)行，這就要求防暴水炮水流消耗量盡可能少，壓力要高，起到打擊的作用。結(jié)合用水量和最大威懾射程兩方面的要求，通過若干對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)化水炮流道結(jié)構(gòu)，并參考以色列、德國(guó)等同類產(chǎn)品，確定直流防暴水炮的使用工況要求是在35-40m以上能夠影響人體正常行為姿態(tài)能力的距離，炮口處壓力中壓1.2MPa，最大射程可以達(dá)到60m以上。

在2000年之后國(guó)際上出現(xiàn)了新型的水炮：高壓空氣脈沖水炮。脈沖水炮是以高壓氣體瞬間釋放帶動(dòng)液體水，形成氣液兩相混合的強(qiáng)力沖擊波，具有相當(dāng)大的打擊能力。在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用到消防滅火、混凝土設(shè)備除污等方面。2006年研制出的車載脈沖水炮，以先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小于1/100s的壓縮空氣的瞬間釋放，經(jīng)過多個(gè)參數(shù)的組合試驗(yàn)，最終以1MPa氣壓，水量12L達(dá)到了較好的效果，最大射程達(dá)到50m，并明確了威懾射程，形成了防暴脈沖水炮新型產(chǎn)品。

直流水炮和脈沖水炮都是以水作為介質(zhì)形成一定的動(dòng)能沖擊力來進(jìn)行防暴作戰(zhàn)的。作用和目的既有重疊部分，又有各自特點(diǎn)，直流水炮直流水柱沖擊打擊能力更強(qiáng)，但更耗水；脈沖水炮打擊能力弱些，但有一定的打擊面，非常省水。將直流水炮和脈沖水炮組合在一起，能保持原有的沖擊打擊能力，并具有更長(zhǎng)的作戰(zhàn)時(shí)間。因此設(shè)計(jì)出新的直流-脈沖防暴水炮組合是原有直流水柱形式防暴水炮的升級(jí)產(chǎn)品。

直流-脈沖高壓水炮對(duì)底盤承載量的要求大幅度降低，原需要三軸重型貨車底盤，現(xiàn)可以用兩軸貨車底盤替代。首先在水炮結(jié)構(gòu)方案上，原來直流水炮和脈沖水炮各自一套機(jī)構(gòu)，布置在車體頂部后方，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以由一名戰(zhàn)斗人員方便地操作使用。經(jīng)過分析，在給直流水炮和脈沖水炮同時(shí)供水時(shí)最大供水量不超過30L/s，可以由一條供水管路集中供水。脈沖水炮的供氣不受直流水炮影響，在此考慮將直流水炮和脈沖水炮集成到一個(gè)炮體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，這樣集成防暴水炮總成只有一套旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件和電器件大幅度減少，控制簡(jiǎn)單，更容易保證其可靠性。如果一旦出現(xiàn)炮體被撞損壞等故障可以整體更換炮體總成，維修保障性也更容易滿足。炮體水炮通過總成的標(biāo)準(zhǔn)通用件旋轉(zhuǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定性好，承載能力強(qiáng)，可靠性高。俯仰旋轉(zhuǎn)以電動(dòng)推桿推動(dòng)水炮炮筒上下動(dòng)作，電動(dòng)推桿也是工業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)通用件，互換性好，穩(wěn)定可靠。水炮集成整個(gè)總成是作為一個(gè)整體模塊，易于通用互換，在不同底盤上都很容易實(shí)現(xiàn)裝配維修更換。水炮總成中的零部件水平回旋體和電動(dòng)推桿都是穩(wěn)定可靠的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化通用件，甚至不同廠家的都可以進(jìn)行互換安裝，使其可靠性得到保證，極大地方便了維修性、保障性。

在高壓水炮設(shè)計(jì)方案確定后，底盤作為防暴水炮車的載體平臺(tái)是首先要確定的。底盤需要明確發(fā)動(dòng)機(jī)功率、外形尺寸、承載量等主要參數(shù)。承載量考慮最主要的是載水量，防暴水炮車是以水作為介質(zhì)進(jìn)行作戰(zhàn)的，所以必須有足夠的載水量，脈沖水炮每炮12L水，射水間隔4S。每射100發(fā)即1.2m3，理論上可以連續(xù)作戰(zhàn)大于6min，但實(shí)際上受供氣影響，不可能連續(xù)作戰(zhàn)達(dá)到100發(fā)。而直流水炮額定工況流量最大為25L/s，連續(xù)作戰(zhàn)時(shí)為1.5m3，故最大載水量只需按直流水炮所需評(píng)估即可，設(shè)定直流水炮連續(xù)射流時(shí)間不低于4min（實(shí)戰(zhàn)時(shí)是以點(diǎn)射和斷續(xù)射流實(shí)施來延長(zhǎng)作戰(zhàn)時(shí)間），再考慮水的有效利用率，整車載水量定為6-10m3。

其次是底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車行駛的動(dòng)力源，上裝設(shè)計(jì)滿足了原車底盤的整車要求，發(fā)動(dòng)機(jī)功率既能滿足整車行駛需要，也不再進(jìn)行更多計(jì)算。在此主要考慮的是直流水炮供水動(dòng)力源，水泵工況點(diǎn)按25L/s、1.2MPa計(jì)算，水泵的輸入功率一般大于160kW，而如果用單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)供給水泵動(dòng)力，則發(fā)動(dòng)機(jī)在車體內(nèi)橫置時(shí)最多是四缸機(jī)，一般功率為90kW，不能滿足水泵動(dòng)力需求。與車體平行豎置則很難安排布置，并且發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量較大，容易超載。在此借鑒消防車從底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力全功率輸出給水泵的方案則可以較好解決。全功率輸出取力方式已經(jīng)在消防車上應(yīng)用多年，消防車連續(xù)工況要求為4-6h，防暴水炮車上防暴應(yīng)用有很大的裕度，并且成熟穩(wěn)定，可靠性高，維修保障性好。同樣的水泵在防暴上的應(yīng)用工況點(diǎn)要求是消防水泵一般的中低壓工況，一般消防水泵在1.2MPa，時(shí)流量為40L/s以上，而防暴要求只為25L/s，工況負(fù)荷較低。按該方案進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和水泵的功率曲線匹配，確定取力器速比，選用成熟定型的取力器。同時(shí)在使用要求上操作明確即可實(shí)現(xiàn)行進(jìn)中射水，行進(jìn)中射水的車速不高于25km/h，完全滿足作戰(zhàn)實(shí)戰(zhàn)要求。

直流水炮動(dòng)力源解決方案確定后考慮脈沖水炮，脈沖水炮發(fā)射介質(zhì)為氣水兩相，供水約為3L/s，工況要求很低。即使同時(shí)給直流和脈沖水炮供水，水泵都足夠富裕，可共用同一個(gè)水泵。而壓縮空氣來源有兩個(gè)方案可以選擇，一是自帶高壓氣瓶，不自帶直接壓縮空氣產(chǎn)生裝置。該方案優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)車載，車載帶2-4個(gè)高壓氣瓶和減壓裝置，可以連續(xù)發(fā)射200-300發(fā)。但該方案的缺點(diǎn)是高壓氣瓶需要的壓力較高，需要進(jìn)行兩級(jí)減壓，對(duì)設(shè)備裝置精密度安全性要求高，車輛行駛時(shí)顛簸容易產(chǎn)生故障，而脈沖水炮使用時(shí)短時(shí)間高頻次容易使減壓裝置出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象影響設(shè)備穩(wěn)定使用。并且高壓氣瓶氣壓一般需要380V工業(yè)電的氣泵才能達(dá)到，在用戶駐地較為偏遠(yuǎn)，條件設(shè)施不足時(shí)嚴(yán)重影響使用。故此考慮選定第二個(gè)方案，由車輛自帶壓縮空氣產(chǎn)生裝置，即另配一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和氣泵總成，對(duì)幾個(gè)壓縮空氣瓶輪流充氣使用，達(dá)到作戰(zhàn)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用目的。在有限的空間和質(zhì)量允許下，選定發(fā)動(dòng)機(jī)和氣泵總成，進(jìn)行一級(jí)減壓即可達(dá)到使用要求，可靠性得以更好的保證。確定脈沖炮指標(biāo)：每輪發(fā)射不少于25發(fā)，每輪間隔時(shí)間不多于8min，首次備戰(zhàn)時(shí)間不大于15min，滿足作戰(zhàn)實(shí)戰(zhàn)需求。

對(duì)防暴水炮車的幾個(gè)關(guān)鍵總成進(jìn)行了明確，直流脈沖炮集成、水泵及取力、壓縮空氣產(chǎn)生裝置、載水量。主要尺寸和質(zhì)量明確，再進(jìn)行總質(zhì)量和載荷分配計(jì)算，底盤總質(zhì)量要求為16T，載荷計(jì)算基本滿足，需嚴(yán)格控制。并調(diào)整布局，使車輛前后軸載荷分配在空載和滿載時(shí)均合理。

設(shè)計(jì)方案制定后展開相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)工作。主要的設(shè)計(jì)點(diǎn)首先是上裝和底盤聯(lián)接部分的設(shè)計(jì)，采用副梁，以限位板加騎馬螺栓的方式進(jìn)行上裝和底盤的結(jié)合，這是貨車底盤改裝車較為成熟標(biāo)準(zhǔn)的通用設(shè)計(jì)。

其次是上裝車身水罐和前部泵房、后部?jī)?chǔ)氣室兩個(gè)車身焊接聯(lián)接結(jié)構(gòu)需要注意的，水罐是厚板焊接大于4.0mm，前部泵房和后部?jī)?chǔ)氣室外蒙皮都是薄板為1.2-2.0mm，材料厚度不同導(dǎo)致車輛行進(jìn)顛簸時(shí)振動(dòng)不同，容易產(chǎn)生受力不均，導(dǎo)致油漆開裂甚至車身外蒙皮撕裂，需要注意進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理防止，從而保證質(zhì)量可靠性。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)件，取力器可用傳動(dòng)軸或聯(lián)軸器輸出到水泵，防暴水炮車的產(chǎn)品布局方案根據(jù)載荷分配布置，水泵和取力器聯(lián)接可用傳動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)件周邊應(yīng)注意設(shè)計(jì)預(yù)留空間，適當(dāng)防護(hù)，以及必要的安全性設(shè)計(jì)。儲(chǔ)氣室內(nèi)有發(fā)動(dòng)機(jī)氣泵總成，作為一個(gè)獨(dú)立封閉空間工作，從安全性考慮必要的進(jìn)風(fēng)排風(fēng)循環(huán)設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)和氣泵總成作為獨(dú)立的壓縮空氣產(chǎn)生裝置，應(yīng)注意發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)操作方便性，作為維修性、保障性的必要考慮，也是人機(jī)工程設(shè)計(jì)。同時(shí)作為一個(gè)大總成，將設(shè)計(jì)基座作為總成基準(zhǔn)基礎(chǔ)，再聯(lián)接放置于整車副梁上，具備互換性，也是維修性和保障性設(shè)計(jì)的考慮因素。

在設(shè)計(jì)水泵泵房?jī)?nèi)的水系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)時(shí)，注意與原來水炮車管路構(gòu)件的通用性，本產(chǎn)品的水路系統(tǒng)也是由水泵進(jìn)水管路、主水路、回水管路、水泵自引水管路等組成，選用和原防暴水炮車相同的管路通徑，水路球閥等附件規(guī)格相同，通用化程度高，進(jìn)一步提升標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。零部件在原水炮車產(chǎn)品上經(jīng)過多年驗(yàn)證，成熟穩(wěn)定可靠。

水罐的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要是針對(duì)罐體密封性要求提出的，必須是全焊接結(jié)構(gòu)，不能漏水。罐體裝載的水是液體，車輛行駛時(shí)會(huì)對(duì)車身有沖擊，因此在罐體內(nèi)必須設(shè)置隔板來進(jìn)行防涌。同時(shí)在隔板上設(shè)置錯(cuò)位的維修孔，以便在罐體漏水或有銹時(shí)維修人員可進(jìn)入維修。同時(shí)水罐的出水口設(shè)置在車輛靠前端罐體的最前端，保證盡可能高的利用率，同時(shí)設(shè)置溢流口、加水口等。

在本產(chǎn)品上人機(jī)工程重點(diǎn)需要考慮的是水炮的操作。在騷亂現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)暴處突處于非常緊張的實(shí)戰(zhàn)狀況，更要考慮人機(jī)的方便性，要易于操作，除司機(jī)外，可以由一名水炮操作員完成全部操作，發(fā)射、旋轉(zhuǎn)、選擇等操作都充分考慮人員習(xí)慣性和方便性。

水炮和其他功能的控制電路采用可編程序控制器，方便調(diào)整，電器接線硬連接大幅度減少，降低電器故障發(fā)生概率，提升可靠性。充分考慮電控箱等布置在泵房?jī)?nèi)或其他位置的防水措施，防止一旦發(fā)生故障濺出水來進(jìn)入電器元器件造成大的損失，從而保證質(zhì)量可靠性。

在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面，在高海拔地區(qū)使用時(shí)動(dòng)機(jī)功率裕度方面有很大的空間，有足夠的后備功率。由于是帶水作業(yè)，零度以下氣候條件是環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮解決的問題，防暴水炮車在設(shè)計(jì)上加設(shè)了放余水操作，在儲(chǔ)備時(shí)可以通過該操作把水罐罐體內(nèi)、管路和閥體內(nèi)的余水全部放掉，不會(huì)在氣溫降至零度以下時(shí)因水結(jié)冰體積增大導(dǎo)致管路閥門等零部件脹裂。在外部備戰(zhàn)裝有整罐水時(shí)泵房?jī)?nèi)具有專用加熱裝置，且具有保溫效果使泵房?jī)?nèi)的管路水不結(jié)冰。水罐罐體內(nèi)按照操作使用要求在20-30min內(nèi)每隔一定時(shí)間進(jìn)行若干分鐘管路和水罐內(nèi)的水循環(huán)，保證水流動(dòng)，從而使水不結(jié)冰。

防暴水炮車是用于騷亂現(xiàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)車輛，應(yīng)重點(diǎn)考慮人員在作戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)的安全性，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)乘員區(qū)及駕駛室，高要求的可以采用防彈防護(hù)。駕駛室可防止人群靠近時(shí)用鐵鍬鐵棍捅穿車身，砸爛玻璃傷害乘員。玻璃加裝防護(hù)網(wǎng)可以防止暴徒扔石頭等砸爛玻璃，前擋玻璃在正常開車時(shí)可以掀起，不影響駕駛視野，也是出于對(duì)人員安全性設(shè)計(jì)的考慮。駕駛室門內(nèi)加裝鎖止機(jī)構(gòu)防止外撬開車門。

整車主要功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步確定后，對(duì)其他輔助附加功能展開設(shè)計(jì)，完成整車完整設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，主要分為焊裝、涂裝、總裝三部分。

防暴水炮車作為專用車改裝車，首先是在成熟定型的底盤上進(jìn)行底盤改制，符合整車上裝安裝及性能要求。車身焊裝制作工藝方面，需要嚴(yán)格控制工藝制作要求和精度要求。罐體焊接的密封性要求是重點(diǎn)控制項(xiàng)目，以規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。并保證焊接強(qiáng)度，防止行駛時(shí)水涌撕裂焊縫。水罐罐體制作完成后再進(jìn)行前部泵房和后部?jī)?chǔ)氣室的焊接制作，采用多種焊接工藝。

車身與底盤扣合是關(guān)鍵的工藝過程，須按嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求、工藝規(guī)程進(jìn)行操作，限位板固定、騎馬螺栓安裝擰緊。

涂裝工藝方面水罐內(nèi)部裝水易生銹，使用專用油漆進(jìn)行噴涂，油漆漆膜厚度達(dá)到相應(yīng)規(guī)定，防銹能力才能得以保證；或者用不銹鋼材料進(jìn)行制作，可以更好地具備防腐防銹能力。

總裝工藝重點(diǎn)在整車調(diào)試上，整車調(diào)試工藝須明確安全性要求，水路和氣路的壓力調(diào)試由低到高逐步進(jìn)行。調(diào)試和檢測(cè)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)的必須予以保證，例如水罐測(cè)漏、氣路保壓試驗(yàn)等。

防暴水炮車作為整車改裝車應(yīng)首先達(dá)到相關(guān)車輛性能的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

專項(xiàng)功能方面，作為防暴特種車輛產(chǎn)品有相關(guān)的防護(hù)要求，可按公安部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA668防暴車通用技術(shù)條件要求的防護(hù)等級(jí)進(jìn)行檢測(cè)測(cè)試并達(dá)到規(guī)定要求。防暴水炮公安部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA679中有相關(guān)直流防暴水炮的要求，防暴水炮車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于威懾射程和最大射程的試驗(yàn)方法做了規(guī)定，以打倒200L空油桶的最大距離作為威懾射程，防暴水炮車采用該試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。車載脈沖水炮是最新的防暴手段，目前還未有國(guó)標(biāo)行標(biāo)依據(jù)，我公司多次測(cè)試試驗(yàn)，采用類似直流防暴水炮威懾射程的試驗(yàn)方法，擊倒200L空油桶能基本滿足影響人體保持正常行為姿態(tài)的能力要求，而脈沖水炮打擊面較寬，打擊力比直流水炮弱，自行制定了試驗(yàn)方法，以20kg人體模擬標(biāo)靶作為打擊對(duì)象，以打倒該標(biāo)靶的最大距離作為威懾射程。

本文對(duì)防暴水炮車產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，防暴水炮車不論是整車產(chǎn)品概念還是一臺(tái)專用車整車，都有獨(dú)特的功能要求、獨(dú)特的使用場(chǎng)合需求。從功能使用需求出發(fā)把這些需求落實(shí)到開發(fā)研制的各個(gè)階段，在設(shè)計(jì)和工藝過程中都有關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵點(diǎn)，只有明確到產(chǎn)品當(dāng)中才能形成一臺(tái)完整的防暴水炮車產(chǎn)品。