一種壓縮氣體自動快速釋放裝置的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：創(chuàng)新設(shè)計了一種壓縮氣體自動快速釋放裝置，其接收電信號后引爆，煙火藥產(chǎn)生火藥氣體進入煙火腔室；煙火腔室內(nèi)滑動配置一級活塞，導(dǎo)氣腔室內(nèi)滑動配置二級活塞，一級活塞受到進入煙火腔室內(nèi)的火藥氣體的作用力，二級活塞在一級活塞的推動力和慣性作用下運動，將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破，使預(yù)儲存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放，并從導(dǎo)氣腔室上的排氣孔排出本體外。另外，介紹了一種應(yīng)用該壓縮氣體自動快速釋放裝置的救生裝置，該裝置沒有高溫灼燒和劇烈噪聲風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：壓縮氣體；自動釋放；快速充氣；腰帶氣囊

中圖分類號：TH48? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0027-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.007

0? ? 引言

目前在應(yīng)急救生技術(shù)中使用的充氣裝置，氣體預(yù)儲存在壓力容器中，緊急情況需釋放氣體時，常見的方式之一是用手動機械觸發(fā)的方式釋放氣體，如香港中文大學(xué)學(xué)者[1]設(shè)計的跌倒髖骨保護氣囊系統(tǒng)采用舵機帶動閥門將壓縮彈簧的彈性勢能釋放來刺穿氣瓶，氣囊充滿需要333 ms；武漢理工大學(xué)的姚冕等人[2]設(shè)計的穿戴式跌倒預(yù)警防護系統(tǒng)的充氣機構(gòu)使用舵機帶動連桿機構(gòu)再帶動連桿凸輪推動刺針刺破氣瓶來實現(xiàn)氣囊的充氣，舵機通過逆時針旋轉(zhuǎn)刺破氣瓶，再反向旋轉(zhuǎn)拔出刺針釋放氣體，充氣速度慢，氣囊充滿需要800 ms；武漢理工大學(xué)的楊俊飛等人[3]研究的穿戴式跌倒護髖安全氣囊系統(tǒng)自動充氣機構(gòu)瓶口采用機械機構(gòu)刺穿氣瓶，瓶口刺穿后破口尺寸小，導(dǎo)致充氣速度慢，充氣機構(gòu)給氣囊充滿氣的平均時間為386.9 ms。

另外也有用火藥裝置引爆，推動活塞的方式觸發(fā)，如日本千葉大學(xué)的研究人員[4]設(shè)計的穿戴式跌倒防護氣囊的充氣機構(gòu)就采用點燃火藥熔穿氣瓶的方式使得氣體釋放，為氣囊充氣，其優(yōu)點是速度快，能在120 ms內(nèi)將氣囊充滿，缺點是噪聲大，且火藥具有較大的危險性；鄭州大學(xué)的甕恒等人[5]設(shè)計的一種自動保護呼救的人體智能氣囊，其充氣機構(gòu)采用硝酸銨爆炸分解產(chǎn)生的氣體來對氣囊進行充氣，其優(yōu)點是能在110 ms以內(nèi)快速完成充氣，缺點是較危險且噪聲高達130 dB。

上述兩種方式都存在一定的缺點：前者的問題是速度過慢，不能自動觸發(fā)，對于應(yīng)急目的的救生設(shè)備，靈敏度較低；后者的問題是可靠性低，火藥裝置引爆時聲音過大，對于人員應(yīng)急救生產(chǎn)品，多為人員佩戴式，如果裝置作用時伴隨巨大聲音和熱量，會有極大的副作用，用于人體佩戴時有較大的危險。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一種釋放裝置，能快速完成壓縮氣瓶的刺穿，實現(xiàn)氣體的快速釋放；并且煙火裝置產(chǎn)生的聲音被限制在一定空間內(nèi)無法擴散，從而達到快速釋放又沒有高溫灼燒和劇烈噪聲風(fēng)險的效果。對于人體佩戴或置于與人體較近位置的使用場景，該設(shè)計更為安全。

1? ? 設(shè)計方案

本裝置主要由電點火具（煙火裝置）、傳動部分（一級活塞、二級活塞）、氣源（壓縮氣瓶）、氣囊組成，如圖1所示。

1.1? ? 氣源

本設(shè)計采用二氧化碳高壓儲氣瓶用作氣體發(fā)生器的氣源。由于用于跌倒防護穿戴設(shè)備，氣瓶在撞擊情況下的安全性能非常重要。本裝置選用的氣瓶瓶身為特種鋼，瓶口用鋁合金密封，氣瓶直徑30 mm，長度139 mm，內(nèi)裝38 g二氧化碳氣體，經(jīng)過200次20 m高度墜落測試，沒有出現(xiàn)爆炸或漏氣情況。

1.2? ? 煙火裝置

本煙火裝置在接到控制模塊發(fā)出的點火電流后進行引爆。煙火裝置選用安全氣囊氣體發(fā)生器點火用的電點火具，成熟可靠。點火具的裝藥量為130 mg，點火電流為1.2 A/2 ms或1.75 A/0.5 ms，橋路電阻（2±0.3）Ω，直徑8 mm，經(jīng)10 mL壓力罐測試，常溫下罐內(nèi)壓力峰值為5.67 MPa。圖2為點火具在10 mL密封罐內(nèi)的壓力曲線。

1.3? ? 傳動裝置

一級活塞在點火具引爆后產(chǎn)生的氣體推動力作用下向遠離煙火裝置的一端運動，并推動二級活塞向氣瓶方向運動，當二級活塞運動到壓縮氣瓶的瓶口位置時，將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破，使預(yù)儲存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放。

二級活塞桿頭部采用沖頭刀口設(shè)計，選用Cr12MoV模具鋼，Cr12MoV的特點是耐磨性、淬透性高，微變形，能較好地滿足二級活塞的使用性能。

2? ? 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1? ? 裝置外觀設(shè)計

整個裝置的尺寸為68 mm×50 mm×35 mm，總質(zhì)量（不含氣瓶）為145 g，總體體積小，質(zhì)量輕，方便穿戴。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2? ? 工作原理

電點火具6接收點火電流后引爆，煙火藥產(chǎn)生火藥氣體進入煙火腔室3，推動一級活塞5，該一級活塞在進入煙火腔室內(nèi)的火藥氣體的作用力下，向遠離煙火裝置的一端運動，并且運動范圍被限制在煙火腔室內(nèi)。

滑動配置在導(dǎo)氣腔室2內(nèi)的二級活塞4，在一級活塞的推動力和慣性作用下運動到壓縮氣瓶的瓶口位置時，將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破，使預(yù)儲存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放。

電點火具起爆時，產(chǎn)生的氣體、聲音和熱量被封閉在煙火腔室中，產(chǎn)生的煙火氣體只能通過設(shè)置在煙火腔室上的泄壓孔排出，或者通過一級活塞與煙火腔室內(nèi)壁的間隙、導(dǎo)氣腔室、排氣孔排出，從而隔絕了聲音和熱量的傳播。

為方便安裝以及與外圍救生設(shè)備結(jié)合，并且密封以達到氣體充分利用的目的，在本體外設(shè)置有一外殼1，氣體排出空腔收集所有的氣體，通過外殼上的導(dǎo)流孔沖入氣囊袋。

3? ? 二級活塞對瓶口沖切力的計算

3.1? ? 壓縮氣瓶封口所需沖裁力計算

沖裁力計算公式如下：

P=LtC

式中：P為沖裁力；L為沖裁周邊長度；t為材料厚度；C為材料抗拉強度。

根據(jù)二級活塞尺寸設(shè)計，沖破后瓶口直徑最大為4.8 mm，計算L：

L=πD=3.14×4.8=15.072 mm

壓縮氣瓶封口材料鋁6061，查表得知6061抗拉強度為310 MPa，C=310 MPa=310 000 000 Pa=310 N/mm2。材料壁厚t=0.3 mm，故：

P=LtC=15.072×0.3×310≈1 402 N≈1.4 kN

3.2? ? 二級活塞對瓶口瞬時沖擊力計算

點火具類似于槍支的擊發(fā)機構(gòu)，活塞類似于子彈。活塞的運動類似于子彈在槍管內(nèi)的運動。

從數(shù)模測量活塞5大端上表面到零件6（點火具）下表面的距離為8 mm，一級活塞5大端直徑為14 mm，根據(jù)圓柱體的體積計算公式（V=πR2H）算出密封腔室的體積，可以視為點爆時密封室的有效容積。

V=3.14×（14/2）2×8=1 230.88 mm3

該體積同10 mL密封罐比=（1 230.88/1 000）/

10≈0.123。

采用理想氣體計算法，氣體的壓強同容積類似成正比，可以推算得出，點爆時密封室的壓強：依據(jù)該點火具在10 mL密封罐的壓力曲線，設(shè)定密封罐的壓強為5 MPa。

P=5 000 000/0.123≈40 650 407 Pa

一級活塞桿大端上表面的壓力計算：

根據(jù)壓強公式P=F/S得：

F=PS=P×πR2=40 650 407×3.14×

（14/2）2/1 000 000 000≈6.25 kN

當一級活塞運動到零件2，由于零件2的約束，一級活塞反彈，二級活塞（撞針）在慣性的作用下繼續(xù)向前運動，根據(jù)動量定理方程FT=MV得：

V=FT/M

式中：F為推力（管道摩擦力近似為零）；T為運動時間（根據(jù)仿真計算，時間T=2.5 ms）；M為運動體質(zhì)量（本案為一級活塞+二級活塞的質(zhì)量，其中一級活塞質(zhì)量為10.5 g，二級活塞質(zhì)量為5.5 g）。

V=6.25×2.5/（5.5+10.5）≈0.98 kN·ms/g

這個速度可以認為是二級活塞脫離一級活塞后的初始速度。根據(jù)動量定理可以計算出，二級活塞在運動到氣瓶瓶口時的作用力。根據(jù)仿真計算得知二級活塞運動到瓶口的時間為1.05 ms。

F=MV/T=5.5×0.98/1.05≈5.13 kN

以上為理論推導(dǎo)。為了更加精確地計算二級活塞（撞針）對瓶口沖切時產(chǎn)生的作用力，建立仿真模型，進行仿真計算。仿真報告如圖4所示。

仿真是按300 MPa加載運算，從仿真結(jié)果來看，二級活塞的瞬時沖擊力為3.3 kN。

從以上計算結(jié)果來看，二級活塞產(chǎn)生的瞬時沖擊為5.13 kN，是氣瓶封口所需沖裁力的5.13/1.4≈3.66倍。按仿真模擬結(jié)果來看，二級活塞產(chǎn)生瞬時沖擊力為3.3 kN，是氣瓶封口所需沖裁力的3.3/1.4≈

2.36倍。以上結(jié)果表明，該設(shè)計可靠。

4? ? 實驗測試

4.1? ? 氣瓶沖破可靠性實驗

氣囊充氣速度同瓶口沖破的直徑直接相關(guān)，經(jīng)過測量氣瓶在密封前瓶口的最大內(nèi)徑為6.4 mm，封口后，密封片弱化區(qū)最大直徑為4.8 mm。據(jù)此二級活塞設(shè)計為錐面（圖5），以便瓶口沖破后對瓶口進行擴孔，同時錐面設(shè)計有利于活塞在刺穿瓶口后在壓縮氣流的作用下反彈，以免活塞卡在瓶口。

經(jīng)50發(fā)實驗測試，瓶口100%被沖破，說明該裝置可靠性高。瓶口沖破后的瓶口直徑在4.7～4.8 mm，基本上同弱化區(qū)一致，如圖6和圖7所示。

4.2? ? 氣囊充氣時間驗證

采用類似于安全氣囊的靜態(tài)展開實驗方法來驗證氣囊從點爆到氣袋充滿的時間，如圖8和圖9所示。所用設(shè)備：點火裝置、燈光、高速攝像機，該高速攝像機是2 000幀的。

經(jīng)過30次靜態(tài)展開實驗驗證，充氣時間在95～108 ms，能夠滿足人在摔倒時對氣囊充滿時間的要求。

4.3? ? 噪聲及袋內(nèi)溫度測試

電點火具點爆后，聲音及高溫都被相對密封在密封腔內(nèi)。噪聲是瞬時產(chǎn)生的，高溫氣體通過泄壓孔及一級活塞間的滑配間隙進入導(dǎo)氣室，同壓縮氣體混合，袋內(nèi)氣體同常溫基本一致。經(jīng)實驗驗證，點爆時噪聲在70 dB以下，氣袋溫度同常溫基本一致。

5? ? 本裝置在一種老人腰部防摔穿戴氣囊中的應(yīng)用實例及實驗驗證

本裝置在一種老人腰部防摔穿戴氣囊中有實際運用，如圖10所示。

5.1? ? 總體構(gòu)成

穿戴氣囊由摔倒檢測模塊、快速氣體釋放裝置（本裝置）、壓縮氣瓶、尼龍材質(zhì)的氣囊袋、高彈力腰帶、供電電池組成。

摔倒檢測模塊可以準確判定穿戴者是否摔倒。當摔倒發(fā)生時，摔倒檢測模塊會在0.2 s的時間內(nèi)給電點火具一個點火電流，引爆點火具，沖破密封氣瓶，給氣囊充氣，氣囊在0.1 s內(nèi)展開完成彈出并充滿氣袋。氣囊展開充滿后將包裹老人的腰部、臀部以及大腿兩側(cè)，緩沖地面對于腰部、臀部的沖擊，在碰到地面之后氣囊在幾秒鐘內(nèi)保持飽滿狀態(tài)，然后慢慢地自動收縮，能最大限度上減輕摔倒帶來的損傷。

5.2? ? 氣瓶選擇

如上所述，本產(chǎn)品氣囊匹配的壓縮氣瓶為38 g二氧化碳氣瓶，袋內(nèi)容積15 L。從點爆到充滿氣袋時間為100 ms，充滿時袋內(nèi)最高壓力8.7 kN。

5.3? ? 氣體釋放裝置

氣體釋放裝置采用本文設(shè)計的氣體自動釋放裝置，體積小，重量輕，充氣速度快（100 ms左右），噪聲低，穩(wěn)定可靠。

5.4? ? 氣囊設(shè)計

由于此氣囊是穿戴在人的腰部，除了腰部是固定點，沒有其他地方固定氣袋。氣囊展開的需求方向如下：當人摔倒時，氣囊是緊貼人體展開，需要有一個拉力迫使氣袋朝人側(cè)緊貼展開。通過折疊方式加拉帶的方式來實現(xiàn)。

為確保保護效果，進行了一系列靜態(tài)、動態(tài)實驗。

1）靜態(tài)實驗：從高速錄像上看，從點火開始到囊袋充滿時間為85～100 ms。囊袋內(nèi)溫度為30 ℃，噪聲65～70 dB。

2）真人動態(tài)實驗：從高速錄像上可以看到，從摔倒開始到氣囊點爆時刻為350 ms，從氣囊點爆到氣囊充滿時刻為450 ms，到完全摔倒狀態(tài)時刻為540 ms，說明在人體完全接觸地面時氣囊處于充滿狀態(tài)，起到了緩沖保護作用。

實驗結(jié)果顯示，穿上緩沖安全氣囊的防護裝備，比起不穿氣囊防護裝備時，髖骨所受到的沖擊力減少了70%，峰值壓力降低為3.32 kN，能量吸收減少了83.8%。髖骨骨折是由于吸收了超過其所能承受的最大范圍的能量，而氣囊可以吸收一部分作用于髖骨的能量，從而減少損傷，也證明了氣囊對于髖骨的防護作用，如圖11、12所示。

6? ? 結(jié)果與討論

為了驗證該壓縮氣體自動快速釋放裝置的實際效果，除在實驗室進行嚴苛的實驗測試外，也在多個實際場景中進行了測試。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的壓縮氣體釋放裝置相比，該裝置可靠性更高，充氣速度快（100 ms內(nèi)），能夠有效避免高溫及高噪聲的影響，佩戴舒適，安全性高。同時，該裝置可以匹配不同場景需求的各種應(yīng)急裝備。

7? ? 結(jié)論

本文介紹了一種壓縮氣體自動快速釋放裝置及其在救生設(shè)備中的應(yīng)用。該裝置因其自動檢測、快速響應(yīng)和安全可靠等優(yōu)點，為應(yīng)急救援工作提供了有力支持。通過與各類救生設(shè)備相結(jié)合，該裝置能夠在短時間內(nèi)快速釋放壓縮氣體，可靠性高。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置具有較高的可靠性和實用性，可廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)急救援場景。

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收稿日期：2024-02-29

作者簡介：王小平（1973—），男，江西人，工程師，上海東方久汽車安全氣囊有限公司項目總監(jiān)，從事技術(shù)與項目管理工作。