面向C型貨包的短距加速撞擊試驗裝置及應用

王軍評，彭湃，黃海瑩，毛勇建，李翀，張軍，許曉東

面向C型貨包的短距加速撞擊試驗裝置及應用

王軍評1，彭湃1，黃海瑩1，毛勇建1，李翀1，張軍1，許曉東2

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

為C型貨包90 m/s撞擊試驗提供新的試驗方法和手段。采用基于壓縮空氣驅動和反向牽引的短距加速技術，以及基于阻尼緩沖缸–迪尼瑪繩的短距攔阻技術，建立新型高速重載撞擊試驗方法，并形成試驗裝置。實現了負載大于5 t、速度大于90 m/s的大質量試件短距發射和撞擊。該試驗裝置與以往常用于C型貨包撞擊試驗的火箭橇和高空纜繩相比，具有占地少、建設成本低、可調性和重復性好、測試方便、運行經濟安全等特點，為C型貨包的空運事故場景模擬與考核提供了一種新手段，同時也可為其他類型貨包或裝備的公路、鐵路等運輸事故場景模擬與考核提供試驗技術支撐。

放射性物品；運輸容器；C型貨包；撞擊試驗；試驗設施

放射性物品安全運輸是發展核能和核技術的必備條件之一[1]。隨著核能開發和核技術應用研究的快速發展，放射性物品的運輸活動愈加頻繁，運輸方式也愈加多樣化，涉及公路、鐵路、海運、空運等。由于放射性物品具有輻射危害性，其運輸安全得到了國際原子能機構（IAEA）和各相關國家的廣泛關注。為了減少放射性物品的危害、確保人類生命健康與生態環境安全，國際原子能機構[2]、美國[3]、俄國[4]、中國[5-6]等國際組織或國家都制定了專門的法律、法規和技術標準，對放射性物品的運輸活動進行嚴格監管和規范。

放射性物品的運輸需采用運輸容器進行包裝，因此貨包適應運輸環境和抵抗事故的能力直接決定了運輸過程的安全性。國際原子能機構《放射性物質安全運輸條例》[2]和我國《放射性物品安全運輸規程》[6]對A型、B型、C型等各型貨包，規定了一系列的試驗要求，以考核其適應正常環境和抵抗事故環境的能力。這些試驗主要包括正常運輸條件下的噴水、自由下落、堆積和貫穿試驗，以及運輸事故條件下的力學試驗（自由下落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、耐熱、水浸沒、撞擊試驗等。國內外相關機構和學者針對貨包安全性和合規性開展了一系列的研究工作[7-13]，建立了相應的試驗技術與設施。其中，主要用于空運大量放射性物品或運輸高活度放射性物品的C型貨包，由于對防護能力與安全等級要求最高，除了需經受正常運輸條件的試驗考核外，還需經受9 m自由下落、動態壓碎、擊穿–撕裂、強化水浸沒、強化耐熱和不小于90 m/s的撞擊試驗。這些試驗中，90 m/s撞擊試驗可以說是最嚴酷、最重要的考核試驗。

目前，國內外實現C型貨包撞擊試驗的設施主要是火箭橇[14]和高空纜繩[15]。火箭撬的速度可以在每秒幾十米至幾千米的范圍，高空纜繩通過自由跌落和火箭復合加速后最大速度可達244 m/s，這2類設施皆可滿足C型貨包的撞擊試驗考核需求，但這2種試驗設施占地面積大、造價昂貴、單次使用成本高，且加速距離較長、測試不便。

文中介紹一種基于壓縮空氣驅動的短距離加速撞擊試驗裝置。該裝置利用壓縮空氣來推動試件向前運動并達到一定的速度，從而完成對試件的發射和撞擊試驗。這種加載方式具有較強的通用性，可以在較短距離內獲得每秒幾十米到百米左右的發射速度，試件速度和姿態的可控性和重復性好，測試方便，試驗實施也具有較好的經濟性和安全性，可為C型貨包的撞擊試驗提供一種新手段。

1 試驗裝置工作原理及概況

1.1 工作原理

基于經濟、安全和試驗對象多樣性等考慮，短距離加速撞擊試驗裝置采用壓縮空氣加速和直線軌道方式。開放的軌道式設計（而不是封閉的管道設計），可以適應試件的不同外形、尺寸及安裝姿態，見圖1。短距加速撞擊試驗裝置通過發射系統快速釋放壓縮氣源的氣體推動活塞–往復車系統，帶動承載小車和試件在軌道上運動，達到目標速度后，通過一級和二級制動系統分別制動往復車–活塞系統和承載小車，使試件與承載小車分離，并由于慣性繼續飛行直至撞擊固定靶體。

圖1 撞擊試驗裝置

1.2 主要技術指標

短距加速撞擊試驗裝置的主要技術指標如下。

1）最大加速能力。試件質量不小于5 t、速度不小于92 m/s。

2）速度控制精度。在30～100 m/s內，速度目標值與實際值的偏差不大于5%。

2 試驗裝置系統組成及結構

試驗裝置由壓縮氣源系統、發射系統、一級制動系統、二級制動系統、液壓系統、潤滑系統、控制系統、測試系統、軌道、剛性靶體等構成。其主要構成部分介紹如下。

2.1 壓縮氣源系統

壓縮氣源系統由空壓站、儲氣罐、管路、測壓儀表等組成。

空壓站為試驗系統提供最大壓力為6 MPa的氣源，并配備干燥和過濾裝置。儲存壓縮空氣的儲氣罐是裝置的主要動力源，由2臺臥式儲氣罐組成，總容積為60 m3。

2.2 發射系統

發射系統主要由氣缸組件、排氣缸組件、活塞組件、往復車組件、張緊機構、主滑輪組、開關閥和發射閥等組成，氣缸筒和排氣缸筒總長為100 m，具體結構組成見圖2。以儲氣罐內的壓縮空氣為動力，發射系統可將5 t以上的負載（包含承載小車和試件）在75 m內加速到92 m/s以上。

發射系統通過開關閥和發射閥控制壓縮空氣進入氣缸的流量和時間，從而達到控制試件和承載小車末速的目標。由于發射閥需具備快速響應功能，為提高密封壽命，采用金屬密封；但由于金屬密封無法實現完全密封，存在一定泄漏，故增設前道開關閥，采用非金屬密封，實現無泄漏。在充壓過程中，開關閥處于關閉狀態，在發射前首先開啟開關閥，然后再開啟發射閥，發射完畢后迅速關閉開關閥和發射閥。發射閥主要由發射閥芯、閥體及發射油缸等組成，其控制系統將電信號轉化為液壓系統的流量和速度，液壓油進入發射閥油缸，通過油缸控制發射閥的開度大小及開啟時間。

由于主牽引繩自重原因，在復位或低速運行時會摩擦氣缸內壁，因此設計張緊機構，用來預緊主牽引繩。張緊機構主要由張緊蓄能器、張緊油缸、導向滑輪、導向架等組成。工作時，啟動液壓系統為其提供張緊力，拉緊主牽引繩，減小垂蕩，防止活塞運行時主牽引繩和缸筒內壁產生摩擦。

1.主滑輪組；2.主牽引繩組件；3.推力架；4.氣缸組件；5.活塞組件；6.氣缸安裝座；7.軌道；8.往復車；9.排氣缸；10.排氣缸安裝座；11.張緊機構。

2.3 一級制動系統

一級制動系統主要由滑輪緩沖缸、鋼索、滑輪組、主緩沖缸、制動軌道等組成，其結構和原理見圖3。

一級制動系統采用鋼絲繩阻攔，可將速度為92 m/s以上的往復車與活塞組件在短距離內（15 m以內）完全制動。其工作原理為：往復車觸碰第一制動系統鋼索后減速，承載小車與往復車脫離，并繼續向前運動；第一制動系統的滑輪緩沖缸與主緩沖缸先后動作，滑輪緩沖缸迅速伸出，在較小的慣性作用下，滑輪速度迅速提升，同時帶動主緩沖缸，將高速運動的往復車速度減為零，完成制動。阻攔結束后，主緩沖缸和滑輪緩沖缸在背壓氣的帶動下復位。

圖3 一級制動系統示意圖

2.4 二級制動系統

二級制動系統采用直接阻攔方式，主要由水缸、迪尼瑪繩及相關安裝架等組成。將2個行程為16 m的水缸分別安裝于軌道兩側，阻攔繩采用迪尼瑪繩，直徑為52 mm，其最小破斷力達到2 150 kN。實驗前，基座水箱和水缸內充滿水，制動時，高速運動的承載小車受阻攔繩攔阻，帶動活塞在節流管內運動，并推動管內工作腔一側的緩沖介質（水）通過節流孔向外部流動，從而產生制動力，使承載小車–阻攔繩–活塞組成的質量系統制動。二級制動系統見圖4。

圖4 二級制動系統

2.5 液壓系統

液壓系統由油源、冷卻系統、控制系統組成。液壓泵啟動后，油源為各執行元件（開關閥、發射閥、張緊機構和潤滑系統等）提供動力。當油溫升到50 ℃時，冷卻油泵啟動，高溫液壓油通過冷卻器與空氣進行熱交換，從而降低油溫。液壓控制系統包括發射液壓控制系統和張緊機構液壓控制系統，前者主要為擺動馬達提供設定的壓力油，控制發射閥的開啟，后者為張緊油缸提供壓力油，保證張緊機構隨迪尼瑪繩張力的變化實時響應。

2.6 潤滑系統

在試驗過程中，活塞在氣缸中高速運動，為減小活塞和氣缸的磨損及運動阻力，故設置潤滑系統，每段缸上開有5對潤滑油噴油口。在試驗準備過程中，先對潤滑缸補油，發射前用壓縮空氣作為動力，驅動活塞噴出潤滑油并霧化，在氣缸壁內形成油膜。

2.7 控制系統

控制系統用于控制試驗裝置各系統的工作，使其按規定步驟協調動作，同時獲取和顯示各系統、關鍵部件的工作狀態和性能參數。控制系統主要由試驗裝置主控臺、壓縮氣源系統控制臺、液壓系統控制臺、液壓系統電機啟動柜和相關測試系統組成。

2.8 測試系統

撞擊試驗的測試主要針對加速度、應變、速度、氣壓、過載等物理量，配套了基于電測、光測的有線及無線測試系統。

有線測試系統包括加速度、應變、氣壓等基于電測的測試系統以及高速攝影、運動跟蹤、數字散斑等基于光測的測試系統。應變測量系統共有通道56路，其連續采樣頻率最大為1 MHz，微應變量程范圍0～20 000。加速度測量系統采集通道為56路，連續采樣頻率最大為1 MHz，加速度傳感器量程范圍0～100 000，頻響大于10 kHz。高速攝影在1 280′800分辨率時拍攝速率可達25 600幅/s，最高拍攝速率為106幅/s（分辨率為256′32）。數字散斑用于全場三維形狀、位移及應變測量，測量對象尺寸為0.001～10 m，應變量程為0.005%～2 000%，一維精度微應變為5，二維精度微應變為10，三維精度微應變為50。運動跟蹤裝置掃描比（試件運動速度與運動軌道到轉鏡垂直距離之比）為0.1～100。

無線嵌入式測試系統可實現多通道的過載、應變、溫度、速度、加速度等信號的測試，如圖5所示，主要用于容器有密封要求時的內部測試。通過電源程控待機以及低功耗設計技術，實現全系統待機時間達20 d以上，滿足試驗件裝配或試驗安裝時間不確定的需求；通過多層電路板設計、超小型模塊電路設計和內部多層減振抗沖擊防護結構設計，實現了40 000以上的高過載沖擊環境測試，其采樣頻率為0.1～1 MHz，通道數為1～44，存儲容量為512 kB～16 GB。

圖5 無線嵌入測試系統

2.9 靶體

試驗裝置的剛性靶體為鋼筋混凝土結構，其高度為8 m（其中2.5 m位于水平面下）、寬度為5 m、厚度為4.2 m，總質量約為520 t，靶體的總質量大于最大加速能力（負載5 t，速度92 m/s）時試驗件質量的100倍，由文獻[1]可知，符合剛性靶體的要求。

3 關鍵技術

在撞擊試驗裝置的研制過程中，重點解決了以下2項關鍵技術。

3.1 基于反向牽引的短距離加速技術

為控制運行成本，試驗裝置以低成本壓縮空氣為動力源，結合活塞與往復車的分體式設計思路、動力氣缸的閉合結構設計形式，并利用牽引繩與定滑輪實現了對往復車及負載的反向牽引，見圖6。解決了單次試驗成本高、設備維護費用昂貴、開口氣缸動態密封難的問題。

為控制建設成本，需在較短的距離將至少5 t的負載加速至92 m/s以上，基于氣體膨脹的熱力學方程、發射閥流量方程、活塞–試件動力學方程，對系統進行了仿真與設計，見圖7，確定儲氣罐容積為60 m3，氣缸的行程僅為75 m。

1.定滑輪；2.制動系統；3.牽引繩；4.活塞；5.閉合氣缸；6.往復車；7.張緊繩；8.張緊機構；9.壓縮氣源系統；10.發射閥。

圖7 發射系統設計仿真結果

3.2 短距離制動技術

承載小車通過二級制動系統制動，使試件與其分離，隨后試件自由飛行至撞擊靶體。制動距離的長短直接影響飛行距離，而飛行距離以及飛行中空氣阻力和重力的影響，使得試件的實際撞靶姿態與初始姿態會存在偏差，因此，為了實現試件碰靶姿態的精確控制，需在盡量短的距離內實現承載小車的平穩制動，這就需要解決高速短距離制動的難題。

目前火箭橇主要通過末端彎軌使試驗件與橇車分離，承載橇車采用破壞性制動；航母制動系統主要基于液壓緩沖阻攔技術，其密封要求、維護成本高，且制動距離較長，約為100 m。為此，針對短距離制動的需求，研制了一套新型高速攔阻裝置，見圖8。該裝置摒棄了結構復雜、維護成本高的傳統液壓緩沖阻攔技術，采用了非密封型阻尼緩沖缸結構，以廉價的水為緩沖介質，使加工成本、維護成本大幅降低，使用更加便捷。同時，摒棄了傳統的鋼絲繩攔阻方式，采用了輕質、高強度、低剛度的迪尼瑪繩作為阻攔繩，在提高最大攔阻能力的同時，大幅降低了承載小車與攔阻繩初次碰撞時的瞬態沖擊載荷。在設計時，通過編程對理論模型進行了仿真，見圖9。由圖9a可知，由于鋼絲繩剛度較大，阻攔時會出現瞬態沖擊載荷過大的現象，極易造成鋼絲繩斷裂（承載小車質量為1.5 t時，制動過載接近150，鋼絲繩張力在1 000 kN以上，超過了目前使用的高強阻攔鋼索的破壞強度，美國MK7–3型液壓阻攔器高強阻攔鋼索直徑為36 mm，破壞強度為911 kN），采用迪尼瑪繩有效解決了這一難題。此外，通過對節流孔布局的優化設計，降低了攔阻過程制動加速度的峰值均值比。采用以上技術，實現了15 m的距離內高速（92 m/s以上）承載小車（質量為1.5 t）的平穩制動。

4 應用情況

利用文中介紹的撞擊試驗裝置，先后對在公路、鐵路和空運事故下不同試件進行了多次試驗，詳見表1。其中，試件1#分別開展了鐵路運輸和空運事故驗證考核；試件2#為某C型貨包，開展了空運事故試驗；試件3#開展了鐵路運輸事故考核；試件4#、5#分別開展了貨包整車公路運輸事故考核（無承載小車）；試件6#開展了空運事故考核；試件7#為試驗系統調試試驗。試驗中承載小車均成功制動，試件撞靶姿態良好；根據不同的需求，采用有線、無線嵌入式測試系統開展了氣壓、加速度、過載等物理量的測試。試件2#、5#的高速攝影照片見圖10和圖11。

圖8 二級制動系統中使用的高速阻攔裝置

圖9 仿真設計結果

表1 試驗裝置應用實例相關數據

Tab.1 Relevant data in application of the test facility

圖10 某C型貨包撞擊試驗的高速攝影（表1中試件2#）

5 結語

面向C型貨包的短距加速撞擊試驗裝置，作為新型高速重載撞擊試驗設施，采用了基于空氣驅動–反向牽引的短距加速技術、基于阻尼緩沖缸–迪尼瑪繩的新型高速攔阻技術，實現了大質量試件的高速發射與承載小車的短距制動。該試驗裝置可調性和重復性好，測試方便，發射經濟、安全，為C型貨包的空運事故的模擬與考核提供了一種新手段，同時也可為相關貨包與裝備的公路、鐵路運輸事故的模擬與考核，以及同類裝置設計和測試技術發展提供支撐和參考。

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Facility and Its Application in Impact Test of C-type Package by Short-distance Launch

WANG Jun-ping1, PENG Pai1,HUANG Hai-ying1,MAO Yong-jian1,LI Chong1,ZHANG Jun1,XU Xiao-dong2

(1. Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China; 2. No.704 Research Institute, China Shipbuilding Industry Group Co., Ltd., Shanghai 200031, China)

The work aims to provide a new method for 90 m/s impact test of C-type package. The short-distance launch technique based on compressed air driving and reversed traction and the short-distance arrest technique based on damp buffer cylinder and dyneema rope were applied to establish a new high velocity impact test method for heavy load and form a test facility. The short-distance launch and impact of a large mass specimen with a load more than 5 t and a velocity more than 90 m/s were realized. Compared with rocket sled and high-altitude cable commonly used in C-type package impact test in the past, this test facility has the characteristics of less occupied land, low construction cost, good adjustability and repeatability, convenient testing, economical and safe operation, etc., which provides a new way for simulating air accidents and testing the performance of C-type packages and also supplies a new supporting technique for performance simulation and testing of other types of packages and equipment under other kinds of accidental transportation conditions on roads, railways, etc.

radioactive material; transportation container; C-type package; impact test; test facility

TB485

A

1001-3563(2022)23-0244-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.029

2022–06–15

國防科技工業技術基礎科研項目（JSHS2019212C001）

王軍評（1983—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為沖擊動力學與環境試驗技術研究。

毛勇建（1976—），男，博士，研究員，主要研究方向為沖擊動力學與環境試驗技術研究。

責任編輯：曾鈺嬋