火炮系統防沖擊、防振動高低溫濕熱環境射擊試驗箱設計

陳蕊，萬先鋒，黃少保，程靖，孫兵

（1.西安昆侖工業（集團）有限責任公司，西安 710043； 2.廣州克萊美特儀器設備科技有限公司，廣州 511458）

引言

常規環境試驗箱是用來考核試件在高低溫、濕熱情況下試件的性能情況，對環境箱來說屬于靜態試驗，而火炮系統高低溫、濕熱環境試驗箱是考核火炮自動機在高低溫、濕熱環境火炮系統的作戰能力情況[2]。高低溫、濕熱環境試驗箱箱內溫度高溫達100 ℃，低溫達零下-70 ℃，火炮自動機在極限溫度儲存一定時間后進行實彈射擊試驗，根據火炮性能參數，在實彈射擊過程中，火炮后坐力最大可達8 t以上，安裝火炮臺體基座振動加速度達幾G以上，同時在實彈射擊過程中伴隨出現彈殼拋落可能擊中箱體內壁現象，火炮射擊窗口及箱體前壁長時間受高溫火焰燒蝕，材料表面會出現老化燒蝕現象，由于是實彈射擊步入式射擊環境箱，受收彈工事、射擊安全限制，與常規步入式環境箱不同的是，該環境箱體需嵌入試驗靶場——射擊靶道，系統蒸發器、加熱器、風機、加濕器等需安裝于環境箱頂部[3,4]，箱頂負載較大，在實彈射擊過程中，箱體振動嚴重，同時，火炮實彈射擊后產生大量有毒有害氣體在箱體內部，箱體內部僅前方有射擊窗口，火藥氣體無法及時排放，工作人員無法進入箱體進行操作；鑒于上述情況，我們設計一套專門用來防沖擊、振動環境試驗箱如圖1所示。

1 防沖擊、防振動高低溫濕熱環境射擊試驗箱設計

1.1 防沖擊振動整體支撐框架結構設計

防沖擊振動整體支撐框架結構采用3 mm璧厚的80 mm×40 mm矩形管焊接而成，整體框架為長3 630 mm、寬2 680 mm、高2 710 mm倒“U”型結構，防沖擊振動內部通道骨架支撐架結構圖如圖2，框架由梁柱結構組成，左右兩側分別采用6根矩形管垂向支撐，頂部分別由橫向6根縱向4根矩形管交錯焊接并與左右兩側支撐管一一對應焊接而成，根據結構應力計算分析，系統承載能力大于2 t，而用于安裝頂部制冷蒸發器、除濕蒸發器、加熱器等設備總質量約1 t，系統承載能力遠大于負載。根據設備安裝位置采用不同尺寸槽鋼連接成網格結構，防沖擊振動整體框架結構與環境箱地面支撐鋼板固聯，形成不可移動整體結構，與之相對應支撐管支柱與橫梁焊接點增加加強筋，以提高整體框架的剛度及抗振能力，防沖擊振動整體支撐框架結構為制冷蒸發器、除濕蒸發器、加熱器等設備提供安裝平面，同時提高箱體整體防沖擊振動能力。

1.2 防沖擊振動保溫圍護結構設計

防沖擊振動保溫圍護結構四壁與頂層保溫圍護結構采用0.7 mm厚噴塑鍍鋅彩色鋼板 + 150 mm厚硬質聚氨酯泡沫+ 2 mm 304不銹鋼板+3 mm 304不銹鋼板，2 mm為里層內板，底部、四壁2 mm板以及防沖擊整體支撐框架矩形管整體結構采用滿焊模式構成整體框架，此保溫圍護結構框架嵌入某射擊靶道后，形成不可移動的整體框架部分，3 mm不銹鋼復合拼裝板通過螺接方式安裝于2 mm里層內板上,“3+2”整體結構起到射擊時防止彈殼拋落沖擊箱體內膽造成箱體損壞作用。彈殼沖擊損壞箱體內壁，更換其中損壞的3 mm不銹鋼復合拼裝板即可，對整體結構無影響。箱體底板整體厚度為150 mm，內箱第一層為3 mm厚SUS304防滑不銹鋼板。第二層為2 mm厚SUS304不銹鋼板，模式同四壁“3+2”mm不銹鋼模式，便于更換；第三層為10 mm厚環氧隔熱板，第四層為承重木方，木方與木方之間間隔860 mm，間隔之間采用隔熱防火聚氨酯泡沫填充作為箱體底板保溫層，外板為1.5 mm厚彩鋼板。箱體底板承載能力為3 000 kg/m2。

圖1 防沖擊振動環境試驗箱整體布局圖

圖2 防沖擊振動內部通道骨架支撐架結構圖

1.3 防彈措施，前方防彈板設計

防彈板整體寬度與內箱一樣，寬度2 690 mm，高度1 607 mm，中間為射擊窗口，防彈板整體框架厚度約40 mm，共由5塊厚度為3 mm SUS304不銹鋼板加工成“U”框架塊，然后拼接而成，防彈板底部采用2 690 mm長U型槽，U型槽與箱體前壁固接，將5塊U型框架塊卡入U型槽即可達到底部固定作用；左右“U”型塊上部通過Z型連接板與箱體前壁連接，Z型連接板一端與箱體前壁連接，一端與“U”型塊上端連接；中間U型塊直接通過螺釘與前端連接。實彈射擊時，如果大面積被沖擊碰撞損壞，可直接更換整體防彈板，個別損壞更換其中某塊即可， 保證了“3+2”結構不易變形。鋼板上設計幾排直徑為3 mm圓形排孔，圓形排孔是為了保證在箱內溫度急劇變化的情況下防彈板溫度的均勻性，防止防彈板凝露、結霜現象發生。如圖3所示。

射擊窗口長時間受火藥氣體沖擊出現老化燒蝕現象，本案采取模式為，在射擊窗口四周增加一圈厚度為2 mm U 型板，U型板通過螺接方式固定于射擊窗口四周，當火炮射擊一定彈藥U型板燒蝕嚴重時，及時更換即可，起到保護整體箱體作用。

1.4 監控裝置

圖3 前方防彈板示意圖

在試驗箱后端正上方安裝監控裝置，在射擊前可清晰監控箱體內情況，同時可監控射擊過程火炮運行情況，監控裝置選用海康威視攝像頭，性能指標為：CCD像素大于200萬；高解析度大于470 TVL；分辨率：1 920×1 080；電動變焦鏡頭大于10倍變焦；紅外夜視功能大于50 M，雙驅動鏡頭，信噪比大于48 dB。考慮到工作室內的惡劣條件，-70～+100 ℃，系統為攝像頭配備了專用保溫防護罩裝置。護罩機身采用鋁合金材質，周圍安裝電加熱絲，護罩上端安裝散熱風扇，當防護罩內部溫度低于5 ℃時，加熱器開始工作，內部溫度升高， 溫度高于45 ℃時，風扇啟動工作，使內部攝像頭溫度永遠維持在5～40 ℃之間，確保攝像頭的穩定可靠工作。

1.5 煙霧檢測、煙霧排放系統設計

煙霧檢測系統安裝于箱體側壁，火炮系統實彈射擊后箱體產生大量有毒可燃氣體，主要成分為CO、H2，當CO、H2達到一定濃度，會引起爆炸現象。本案引用濟南瀚達電子科技有限公司HD-T600型氣體探測器，配套HD-C/K型氣體報警控制器，探測器采用防爆結構，外殼采用鋁鎂合金外殼，進線口采用銅質鍍鉻材料。檢測器采用催化燃燒型氣體傳感器，傳感器由一組催化元件和一組檢測元件組成，當氣體擴散到傳感器周圍后，催化元件被氣體還原發生無焰燃燒，同時檢測元件根據燃燒的程度輸出等比例信號，信號與氣體濃度有一定的線性關系，探測器內部電路檢測此信號并對信號進行處理，最后將處理信號調制成電流信號輸出給控制器，控制器根據探測器傳輸的信號，經過處理、邏輯分析，以數字顯示、聲光報警的方式反應出來，工作人員可直接在控制器上查看箱體煙霧狀況，當煙霧濃度達到預先設置的爆炸范圍，檢測裝置報警，啟動煙霧排放裝置。

煙霧排放系統安裝于火炮位置正上方箱體頂部左右兩端，采用九州普惠CF（A）-2型多翼式離心通風機，通風機排風、抽煙、換氣功率達1.1 kW，轉速達2 800 t/min，流量為1 248～2 258 m/h； 前蓋板與煙霧通道管一端通過螺接方式連接，另一端伸入箱體，控制按鈕開關設置在試驗箱總控制箱上，實彈射擊時濃度達到設定值極限，啟動煙霧排放裝置，當箱體濃度值低于設定值下限時，關閉煙霧排放裝置。

1.6 空氣幕吹風系統

空氣幕吹風系統安裝于箱體側壁檢修門上部，本案采用綠島風電加熱空氣幕吹風裝置RM125-09-D型冷暖型。箱體保低溫狀態，工作人員出入維修門，空氣幕吹風裝置啟動吹自然風。箱體保高溫狀態，工作人員出入維修門，空氣幕吹風裝置啟動吹熱風。這樣確保箱體溫度處于恒溫狀態。

1.7 聯動控制系統設計

環境試驗箱較普通環境箱不同，增加自動開合射擊窗口、煙霧檢測、煙霧排放、監控裝置、空氣幕吹風裝置、整個試驗箱通過集中控制，控制各系統工作狀態。

當火炮系統裝彈藥保溫結束，啟動自動開合射擊窗口進行射擊，火炮系統膛內未有彈藥，射擊窗口關閉，膛內有彈藥，射擊窗口無法關閉，顯示故障信息，進行排故，直至膛內未有彈藥，射擊窗口方可關閉。

根據煙霧爆炸范圍，對煙霧檢測裝置設置報警范圍，當煙霧檢測值在設置報警范圍內，煙霧檢測系統提示報警信息，系統自動啟動排煙裝置，當煙霧檢測值在設置報警下限或者上限，系統自動關閉排煙裝置。煙霧排放裝置也可手動開關，當檢測裝置出現故障時，可根據實際情況隨時開關，即實彈射擊前打開煙霧排放裝置，煙霧排放結束，關閉即可。系統控制方式采用基于PLC控制來實現。

2 結論

該環境試驗箱采用了防沖擊振動保溫圍護結構，防沖擊振動整體框架結構等措施，避免了火炮射擊過程中的沖擊振動損壞箱體和系統制冷、加熱等配套設施。箱體采用了煙霧檢測、煙霧排放系統，避免了射擊產生有毒、易燃氣體帶來的操作人員中毒、爆炸現象發生，保證了射擊的安全性。空氣幕吹風裝置保證了箱體高低溫溫度的穩定性。監控裝置保障了射擊時人員的安全性，同時可檢測火炮射擊過程運行及故障情況。此外，設計的自動開合射擊窗口，避免了火炮在裝有彈藥情況下人員手動開合帶來的安全隱患，鎖門裝置加強了環境艙溫度的密閉性，降低了環境艙故障率，提高了環境艙使用壽命；防熱沖擊裝置，保障了窗口的密閉性的同時提高了窗口的使用壽命；聯動控制模式實現了射擊窗口與火炮控制聯動控制這一功能，即保障了武器系統的安全射擊又保障了環境艙的安全。

目前，該環境試驗室已開展多項火炮系統實彈射擊試驗，試驗箱工作可靠，使用方便，為后續同類非標設備設計提供思維借鑒。