一種無人機消防用高壓大流量應急排放閥的設計

王俊麗，王抓，江彭，李彥卿

（凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

大流量應急排放閥屬于電爆控制閥門，用于控制大流量高低壓氣路通斷，主要應用于車載、機載及消防等領域，通過給電爆機構供電產生的熱能引燃電起爆器內部裝藥，裝藥燃燒后產生的氣體輸出做功，撞斷剪切機構，推動剪切機構向前運動并卡在上閥體楔形槽內，使得排氣嘴排氣孔與撞頭組件的排氣孔對齊，進而進氣口與排氣孔連通，進行安全可靠應急排放[1-2]。

應用于無人機消防領域的高壓大流量應急排放閥，各項性能遠遠高于普通行業的應急排放閥，應具有安全可靠、響應快、流量大、壓力高、輸出特性好、密封性好、安全性及可靠性高等特點[3-4]。

1 方案設計

1.1 組成及工作原理

應急排放閥主要以上、下閥體作為主要載體，兩者通過螺釘連接在一起，中間通過密封圈實現可靠密封，將電爆機構和剪切機構裝至上閥體上，將安全閥、壓力表及充氣閥裝至下閥體上，共同組成該應急排放閥，電爆機構由電起爆器、電起爆器接頭及撞頭組成，剪切機構由排氣嘴、鋼套及密封圈等組成，其整體結構示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 產品整體結構圖（初始狀態）

圖2 產品結構圖（工作狀態）

減壓器的工作原理為：1）初始狀態。排氣嘴卡在剪切機構的凹槽內，撞頭組件與上閥體、排氣嘴與下閥體之間均采用兩級密封，防止氣體外漏，可靠性高，滅火裝置內的氣體不能排出。2）工作狀態。電爆機構點爆后，撞斷剪切機構，推動剪切機構向前運動并卡在上閥體楔形槽內，使得排氣嘴排氣孔與撞頭組件的排氣孔對齊，進氣口與排氣孔連通，高壓氣體進行安全可靠應急排放，滿足無人機消防滅火的需要。充氣閥采用直動式彈簧結構，具有開啟關閉壓力小、密封性好、耐溫性好及安全性高等優點，可以實現滅火裝置內氣體的充裝；安全閥為膜片式結構，可以防止滅火裝置內氣壓過高產生的危險；壓力表可以分區顯示滅火裝置內氣體壓力高低。

1.2 理論計算過程

1.2.1 排氣嘴強度設計

排氣嘴需要在一定壓力下承壓且不變形失效，要在電爆機構的作用下剪斷排氣，所以排氣嘴的剪切處為薄弱環節，需要進行強度校核，以保證其安全性。如圖3所示，該處的內、外徑分別為D、d，排氣嘴所承受的最高工作氣壓為P。

圖3 排氣嘴受力圖

為保證該處設計的合理性，按照下式進行安全系數的計算[5]：

式中：σb為排氣嘴材料的抗拉強度；s為退刀槽處壁厚。

推算出安全系數n=18.2，遠高于推薦的安全系數2.2≤n≤3，由此可見，排氣嘴具有很高的安全性。

1.2.2 排氣嘴剪切應力的計算

排氣嘴結構可類似為純剪切結構，固定端在排氣嘴撞斷處（如圖3中的A點）。

根據《材料力學》中切斷所需要的沖剪力應為

式中：A為圓餅體的柱形側面，A=πdδ=19.41 mm2；τμ為材料剪切極限應力，τμ=0.6σ=750 MPa。

將排氣嘴尺寸代入上述公式中，經計算得出F≥29115 N，故F=29115 N即為產品排氣嘴的最小破壞力。

在鈍感電起爆器研制技術要求中規定：“按規定發火時，在5 cm3的測壓容器內，產品輸出壓力應在6～11 MPa范圍內”。按電起爆器產生壓力Pmin=6 MPa，撞針與電起爆器之間容腔最大進行計算，撞針與電起爆器之間最大容腔V=118.1 mm3，此時容腔內壓強P1=P0V0/V=254 MPa，撞針受力F=P1A=134848.6 N（A為撞針受力面積）。由上述計算可看出，實際電起爆器產品的壓力作用在排氣嘴上的力為134 848.6 N，遠遠大于排氣嘴最小破壞力F1=29115 N，所以電起爆器產生的力可以可靠地剪切排氣嘴。

1.2.3 電起爆器螺紋牙強度校核

按照電起爆器產生的P1=254 MPa壓力下對電起爆器的M10的螺紋校核。主要考慮螺紋在254 MPa壓力下螺紋牙是否發生剪切和擠壓破壞，因此只需要校核螺紋牙的強度。根據《機械設計》第7版，螺紋牙的剪切強度計算公式為

故電起爆器螺紋剪切強度、彎曲強度均滿足要求。

2 有限元仿真分析

按照電起爆器產生的P1=254 MPa壓力進行計算，計算得出排氣嘴的等效應力云圖和剪切應力云圖分別如圖4、圖5所示。由圖4可知，最大等效應力發生在設計的薄弱位置,其值為1959.7 MPa,大于材料的抗拉強度。如圖5所示，最大剪切應力為1110.1 MPa，大于材料的許用剪切應力[τ]=0.6×1250=750 MPa。故產品在電起爆器產生254 MPa壓力時能夠可靠撞斷。

圖4 等效應力云圖

圖5 最大剪應力云圖

3 試驗研究

在產品的進氣端連接一消防氣瓶，從充氣閥給消防氣瓶充入一定壓力P 的高純消防氣體，給電起爆器施加5～22 A直流電進行點火試驗，產品正常點火工作，氣瓶氣體瞬間從上閥體排出進行滅火，試驗后排氣嘴撞斷圖及撞斷機構撞斷后如圖6、圖7所示，從試驗方面驗證了該設計結構的合理性。

圖6 試驗后排氣嘴撞斷圖

圖7 撞斷機構撞斷后圖

4 結語

通過該無人機消防用大流量應急排放閥結構特點試驗可知，該閥具有排放流量大、排放壓力高、電爆機構安全可靠、響應快、密封性好、反向沖擊小及消防滅火可靠等優點。有限元仿真、試驗研究及隨總體試飛投放均驗證了理論計算的正確性，擁有廣闊的發展空間和市場。該無人機消防用大流量應急排放閥的主要技術包括可靠電爆機構、純剪切結構、兩級密封、高壓大流量排放性能，都有很好的推廣前景。