便携式自行火炮制氮充氮设备研制与应用

吴付栓， 陈远江， 张 烨，徐红歌



便携式自行火炮制氮充氮设备研制与应用

吴付栓， 陈远江， 张 烨，徐红歌

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

依据近年来新型火炮光电仪器维修保障实际，设计研制的自行火炮制氮充氮设备以空气为原料，碳分子筛(CMS)为吸附剂，利用变压吸附原理，根据氧氮气体分子向微孔内扩散速度差异特性进行氧氮分离制取氮气。运用可编程逻辑器件控制主机运行，确保精确输出压力。本文概括了该设备的主要技术特点，分析了应用前景及预期的军事经济效益。

制氮充氮 氧氮分离 精确控制

0 引言

某型突击炮等我军近年来装备的新型轮式自行火炮中，火控、瞄准、制导系统是火炮中重要的组成部分，其完好性直接影响火炮的战斗性能和射击效能。火控和瞄导系统中的光电仪器如果长期暴露在空气中，容易氧化，或生霉生雾，严重影响测量和瞄准精度。在这些光电仪器中应充入高纯度的氮气，因此在装备设计时都留有供充入氮气的接口。目前，部队普遍采用氮气瓶向仪器内充入氮气方法，这种办法在偏远或高山海岛地区保障困难，同时还存在导致镜体爆裂的事故隐患。

根据总装通保部研制任务要求，研制一套高纯度便携制氮充氮设备，方便、快捷的实现为自行火炮光电仪器充入氮气。我们在充分调研国内制氮技术发展，吸收成熟技术基础上，设计研制了利用空气为原料快速制氮充氮设备，满足了基层部队维修保障需求。

1 研究设计方案

现研制的便携式制氮充氮设备，通过吸附剂对空气进行吸附过滤，得到纯净的氮气，并按照规定的压力控制充入光电仪器中。基于上述设计思路，该设备应主要有空气压缩机、双塔吸附过滤制氮机构和操作控制机构等三大功能部分组成，总体设计方案确定如下：

1)系统框架的确定

为实现上述功能，设计框架如下图。

2)设备的主要功能机构组成

该设备应主要完成空气的收集和压缩、氧氮分离并排除废气、吸附过滤收集制氮、操作控制输出纯度和压力符合要求的氮气。下图2为空气压缩机、双塔吸附过滤制氮系统和一体化控制系统的内部结构。

注：左为空气压缩机 中为双塔吸附系统 右为机电一体

化控制系统。

3)操作控制功能机构设计：

图3为设备操作面板，系统设计了多种自行火炮光电仪器通用充氮接口，各部分功能如下：

a)气源开关：控制气源启动、停止。

b)程控开关：运用可编程逻辑器件控制主机运行。开机后当进气压力表达到0.6Mpa时打开。停机后运行一段时间使压力排空后关闭。

c)氮气纯度分析仪：显示当前出口氮气纯度。

d)加热开关：当气温低于零度时开启，充气结束后，先关闭此开关，然后关闭气源开关。

e)手拉阀门：当用气设备检测密封需要保持时拉起排空。平时使用时氮气纯度低于要求时也可拉起排空，气体合格后按下充气。

f)出气压力：显示当前出气压力，当进行密封检测时显示连接设备的压力。

g)空气入口：与气源连接口，使用软管连接（直径8 mm）。

h)氮气出口：与用气设备连接，使用软管连接（直径6 mm）。

i)进气压力：开机时达到0.6 Mpa运行程序控制，关机时压力为零时关闭程序控制。

4)制氮工作流程及原理

制氮过程工作流程如图4。

a)空压机将压缩空气经过汽水分离器，过滤后进入空气稳压罐。

b）当空气稳压罐压力达到0.6Mpa时，启动程控系统。控制1号阀门打开，压缩气体经1号阀门到A吸附塔（此时2号、3号、6号阀门处于关闭状态）。

c）由A吸附塔内分子筛吸附氧气，产生符合浓度要求的氮气，控制5号、7号阀门打开，氮气进入氮气储气罐。同时打开4号、8号阀门使B吸附塔减压，并由A吸附塔送入少量的氮气冲洗吸附饱和的B吸附塔碳分子筛，将富氧气体经8号阀门排入大气中，B吸附塔内碳分子筛解析再生。

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d）当A吸附塔内碳分子筛饱吸附和时，B塔内解析完成时，由程控系统改变各个阀门的开关状态，即关闭1号、4号、5号阀门，打开2号阀门。此时空气又由2号阀门进入B吸附塔。

e）由B吸附塔内分子筛吸附氧气，产生符合浓度要求的氮气，控制6号阀门打开，氮气进入氮气储气罐。同时打开3号阀门使A吸附塔减压，并由B吸附塔送入少量的氮气冲洗吸附饱和的A吸附塔碳分子筛，将富氧气体经8号阀门排入大气中，A吸附塔内碳分子筛解析再生。这样周而复始，两吸附塔交替工作，产生源源不断的氮气。

f）实时监测氮气储气罐氮气的纯度，当纯度大于99.99%时控制氮气出口阀门打开，方可进行充氮操作。

制氮设备的基本工作原理：以空气为原料，碳分子筛(CMS)为吸附剂，利用变压吸附原理进行氧氮分离制取氮气。碳分子筛是由煤经过精选、粉碎、加入催化剂、成型，造孔活化等工艺加工制成，自身具有超微孔结晶结构。其微孔直径比氧氮分子的直径略大。如果从平衡吸附的角度看，碳分子筛吸附氧、氮的能力并无多大区别，这是因为氧、氮分子的动力学直径较为接近，但是这两种气体分子向微孔内扩散速度相差很大，氧分子扩散速度较大，而氮分子扩散速度较小，二者相差约数百倍，短时间内，氧被大量吸附。控制吸附压力，吸附时间可使氧的吸附率达95%以上，而氮的吸附率较小，这样将气相中富积的氧分子释放掉就得到所需氧气。碳分子筛制氮设备（PSA-CMS）采用减压和氮气冲洗解析再生使碳分子筛具备重新吸附氧分子的能力。

2 主要技术特点

自行火炮高纯度制氮注氮设备，在研制过程中充分借鉴民用技术，进行了多项改进和创新，解决了一系列技术难题，以适应不同部队多种、复杂的作战环境，最终达到了军用标准要求。

1)利用变压吸附原理（PSA）,以空气为原料快速制取高纯度氮气的自行火炮维护保养专门设备。

该设备利用先进的变压吸附原理（PSA），以优质碳分子筛（CMS）为吸附剂，根据不同气体在其中扩散速度的差异，通过精准控制吸附压力和时间，可以快速制取高纯度的氮气。

2)采用独特的双吸附塔设计，保障氮气的充足供应量

本制氮设备采用独特的双吸附塔设计，通过控制系统自动控制阀门的开启与关闭，两个吸附塔交替工作，经解析再生，产生源源不断的足够的氮气。

3) 基于PLC技术的精确压力控制系统，对注氮压力进行精确控制

本制氮设备采用PLC技术设计了自动化程度高的精确压力控制系统，实现对氮气压力的精确控制，保证对自行火炮光电仪器腔体实施大压力冲洗和小压力充氮保压及检漏的功能。

4)采用模块化设计，提高了设备的实用性

采用模块化设计，合理使用各种新型材料，整机体积小，便携性好，满足野战条件下自行火炮维护保养的需求，同时，保证了各部件功能独立，便于故障自检。另外，该设备还针对不同型号装备设计了多种专门的快速接头，解决了不同自行火炮光电仪器接口不统一造成的保障困难的问题，提高了设备的通用性。

3 应用前景及效益

新型自行火炮火控电气系统中的光电仪器集观察、瞄准等信息采集于一体，结构精密，系统复杂，技术含量高，防止霉变、生雾，及时充氮维护保养是一项长期的十分重要的经常性工作。该设备研制完成后，先后在广州、济南、南京等炮兵部队进行了应用试验，在对各类火炮的光电仪器进行注入氮气后，均达到了预期的效果，技术参数完全符合部队要求，一般可由单人进行操作，比氮气瓶注氮省时省力。曾在几个炮兵团的野外驻训中执行保障任务，为火炮的光电仪器设备的维护提供了有力的保障。由于直接利用空气制氮，取材方便快捷，应用效果好。通过完成多次的维修保障任务，确定了更加完善的配置，在使用时更加方便快捷，为部队实训提供了有利的技术保障。应用结果表明，该设备技术先进、工作稳定可靠、环境适应性强、操作简单方便。解决了长期在外驻训中火炮光电仪器不容易维护的难题，推动了部队装备保障能力建设。具有显著的军事经济效益和推广应用价值。

[1] 杨杰等. 自行火炮拆装. 汉军械士官学校, 2002.

Development and Application of Portable Nitrogen Producing and Filling Equipment for Self-propelled Artillery

Wu Fushuan, Chen Yuanjiang, Zhang Ye, Xu Hongge

（Wuhan Ordance Noncommissioned Officer Academy of PLA, Wuhan 430075，China）

According to the actuality of maintenance support to photoelectric device in recent years, this nitrogen producing and filling equipment is developed. The equipment uses atmosphere as material and carbon molecular sieve as absorbent. On the basis of the pressure swing absorption theory that the diffusion velocity is different when oxygen and nitrogen diffuse into micropore, the equipment can make oxygen by oxygen nitrogen separation technology. Then it uses the programmable logic component to control the equipment working in order to output the precise gas pressure. This paper mainly introduces technical characteristics of the equipment, and analyzes the broad application prospects, evident military and economic benefits.

producing and filling nitrogen; oxygen nitrogen separation; precise control

TJ307

A

1003-4862（2015）03-0066-03

2014-12-24

吴付栓(1965-)，男，副教授。研究方向：装备教学与维修。