过滤网对安全气囊气体发生器影响研究

2015-09-04张银银

当代化工 2015年11期

张银银，屈纯，姚俊

（湖北航天化学技术研究所，湖北襄阳 441003）

过滤网是安全气囊气体发生器中的关键部件。通常，过滤网用于降低燃气温度并过滤残渣，从而减少气囊模块在展开时，发生器内迅速膨胀的气体对气袋产生的冲击和灼伤。发生器工作时，其快速燃烧的药剂会产生膨胀的气体，过滤网必须能够充分过滤掉气流中的固体颗粒[1]。发生器设计中允许少量颗粒物从过滤网通过，但是飞出发生器外的颗粒物重量必须小于1 g[2]。过滤网重量、热传导系数和热容对降低通过其内部的气体温度也起着关键的作用。最后，过滤网必须确保降低温度的气体顺利扩散出去以便促使气袋展开。

1 针织过滤网简介

针织过滤网（Knitted wire mesh coolant/filters[3]）普遍用于安全气囊气体发生器，是把最大直径为0.8 mm的金属丝织成长长的筒状，然后按一定的重量或长度分切，将切下的网子卷好后放入模具型腔内进行压制就可以得到所需的形状和密度。尽管大的丝径在发生器展开时可以防止金属丝烧断，但是丝径越大，过滤网内部的空隙就越大，这会增加火焰并削弱对固体颗粒的阻挡作用。针织过滤网的密度一般在30%~60%之间，外形见图1。

图1 针织过滤网Fig.1 Knitted wire mesh filter

2 研究内容

本文主要通过实验方法研究针织过滤网对发生器性能的影响。针织过滤网的特征参数主要包括密度、针数、丝径、层数等。过滤网对发生器的P-t曲线形状、火焰长度及大小、排出的残渣量、火焰一致性、安全性等性能有较大的影响。主要研究内容包括：

（1）过滤网密度对发生器P-t曲线的影响。

通过实验研究找出一般规律，提高对发生器设计的认识，增加发生器P-t曲线调节的手段。同时，找出过滤网密度和P-t曲线之间的关系；

（2）过滤网密度对发生器排气孔处喷出火焰的影响。

火焰问题的解决方式一般更倾向于调整产气药剂配方，然而配方的调整往往会对发生器的整体性能带来负面影响，例如老化性能不达标、空气中颗粒物超标等问题。通过实验和理论方法研究过滤网对火焰的影响效果可以提高发生器性能优化的能力和效率。

（3）过滤网密度对发生器喷出残渣量的影响。

（4）过滤网针数对发生器安全性的影响。

3 实验结果与分析

3.1 对P-t曲线的影响

本节主要研究过滤网密度对发生器P-t曲线的影响。密度是过滤网的重要参数，定义为：

密度=（过滤网的质量÷与过滤网体积相同的钢的质量）×100%

分别用密度为 45%、50%、55%的过滤网进行试验，测试的P-t曲线见图2所示：

图2 不同过滤网密度对应的曲线Fig.2 Curves under different filter density

从图中的曲线可以看出，其他条件相同时，各点压力值随过滤网密度的越大而越低。

发生器采用过滤网对燃气进行冷却属于物理冷却，这种外冷却方式[4]主要利用过滤网金属丝的升温吸热过程来降低燃气温度。过滤网吸热总量和冷却后燃气温度的关系分析如下[5,6]：

过滤网在吸热过程无相变产生，总的吸热量aQ为：

式中: l—冷却层厚度,m；

S—冷却室截面积,m2；

ρc—冷却剂密度,k g× m-3；

T0—冷却剂初始温度,K；

Cp—冷却剂的比热容,J × kg-1×K-1。

燃气在冷却过程中无相变产生，出口燃气总放热量为：

式中:Tm—气体进入冷却剂前的温度,K；

Tg( t)—经冷却后的气体温度, K；

r—气体密度,k g× m-3；

u( t)—气体在过滤网内壁面上的流速；

C—燃气的比热容,J × kg-1×K-1。

则有

式中:rp—气体发生剂密度,kg× m-3；Sp—发生剂的横截面积,m2。

将（4）带入（2）式得

气体发生器整个工作时间小于100 ms，近似为等压燃烧过程，则式（5）可写成

由能量守恒可知气体的放热量应该等于过滤网的吸热量，有

由式（7）可知，过滤网密度rc增加，则减小，燃气的初始温度 Tm取决于产气药剂化学性能，过滤网密度变化不会影响该温度数值，故燃气冷却后的温度 Tq( t)会降低。

发生器产生的气体全部进入 60 L压力测试容器，根据理想气体方程可知燃气温度降低，从而导致压力容器内各时间点的压力下降。

3.2 对火焰性能的影响

USCAR标准中对发生器的火焰提出明确的要求：发生器高温起爆时，火焰长度不应超过50 mm，且持续时间不应超过20 ms。

本节将通过不同密度的过滤网进行实验，验证消除火焰的效果。为了试验对比的有效性，首先将使用不同密度过滤网的发生器压力调整至相当水平，实验用发生器压力曲线如图3所示：

图3 不同过滤网密度对应的相同曲线Fig.3 Same curves under different filter density

然后，使用高速摄像机分别对3种过滤网密度的发生器工作过程进行拍摄，得到的发生器的火焰情况见图4所示：

图4 不同过滤网密度对应的火焰Fig.4 Flame under different filter density

从图上看出，过滤网密度为45%时，火焰长度超出了USCAR标准要求的50 mm限制值，随着过滤网密度的不断增加，气体发生器的火焰逐渐减少变短。说明过滤网密度对消除火焰有着明显的改善作用。

在化工行业，通常使用火焰消除器阻止火焰的传播，针织过滤网由曲卷的金属网压制而成，表面和内部存在大量的微孔，是一种良好的火焰消除装置。

Palmer开展了消火焰性能的机理性研究工作[7]，从热传递角度导出了消除器能消除火焰的速度的公式（8），指出消火焰元件的平均单位面积缝隙个数越多，能够消除火焰的速度就越大；式

中: k—燃烧时，气体导热系数；

T—火焰温度；

To—消火焰元件的温度；

n—消火焰元件的平均单位面积缝隙个数；

y—消火焰元件的厚度；

Q—火焰的平均单位面积的热损失；

xo—火焰的厚度；

针织网过滤网密度增加，则单位体积内压缩的褶皱金属丝增加，形成的空隙数量n也随之增加，故发生器火焰长度变短。

3.3 对残渣量的影响

USCAR标准中对发生器喷出的残渣量也做了具体要求，即室温下，压力容器内固体颗粒总量应该不超过1 g。实验方法为，将发生器放在60 L密闭容器内点爆，对使用不同密度过滤网发生器产生的残渣进行收集并称重，见表1所示：

表1 不同密度过滤网对应发生器喷出残渣量Table 1 Particulates under different filter density

从表中可以看出，发生器残渣的飞出量随着过滤网密度的增加而降低。

3.4 对安全性能影响

实验用气体发生器安装的过滤网织网针数分别为24针、36针和44针，材料为非镀锌碳素结构钢SAE1006，钢丝直径为0.6 mm，过滤网密度为55%。发生器在+85 ℃高温箱内保温4 h后点爆并测试燃烧室压力，将发生器解剖并测量过滤网工作后的最大直径，和过滤网工作前直径值之差即为过滤网的径向变形量。测试及计算结果见表2所示。

从结果看出，随着针数的增加，过滤网的径向变形量、燃烧室压力逐渐增加。

对不同针数的织网进行分析。针数越多，针筒直径就越大，织出的网套直径也大。

表2 测试结果Table 2 Test results

为了便于将网套装入模腔，需要将大直径的网套径向尺寸进行收缩。例如44针的网套需要将网套直径收缩成至24针网套直径相近水平，如图5所示。

图5 针织网坯料直径示意图Fig.5 Diameter of filter blank diagram

由于44针过滤网在压制之前有径向预收缩的过程，故其本身径向的变形能力就较强，工作后其径向变形量就会较大。高温+85 ℃时，发生器燃烧室压力达到最大值的时间在10~12 ms，这也是过滤网受力最大的时刻，会产生一定的变形量，导致过滤密度降低，由式（1）知过滤网对燃气的吸热能力也降低。过滤网变形后，发生器还会持续20 ms左右的燃烧，燃烧室内燃气温度由于过滤网降温能力的下降而增加，由理想气体方程可知发生器内压增加。

气体发生器安全系数为