一种舰船救生触发装置的设计与计算

2018-03-14胡定军辛立民

兵器装备工程学报 2018年2期

胡定军，辛立民，王涛

(陆军军事交通学院镇江校区，江苏镇江 212003)

救生设备是船舶人员的重要安全设施之一。当船舶人员发生落水事故时，快速有效地将救生气囊发射到落水人员身边，救生气囊能够快速充气，给落水人员提供浮力。当救生气囊投射到落水人员身边，救生气囊是否能够及时快速的触发打开，将直接关系到船员的生命安全[1]。本研究设计一种救生气囊触发装置，能够将气囊高效快速的打开在落水人员附近，进行施救。

1 触发装置结构组成

触发装置由CO2气瓶、泄气阀(内含顶针)、回旋杆、推杆、钩杆、铰链、控制电路(含电磁铁、电池、遥控接受电路等)、主压簧、触发杆、水密软封、弹簧片和水溶药片等组成，如图1所示，有遥控触发和遇水触发两种触发模式[2]。

遥控触发的工作原理是：遥控接收电路收到发射端传入的遥控信号后，产生一个高电平脉冲，该脉冲信号经放大后驱动电磁铁工作，由电磁铁使铰链弯曲，释放被钩杆限位的推杆，推杆在主压簧的作用下向前运动，驱动回转杆，回转杆将推杆的动能进一步放大并转向，推动泄气阀内的顶针，戳破CO2气瓶，迅速释放气体，实现充气[3]。

遇水触发的工作原理是：弹头入水后，水溶药片立刻分解，弹簧片恢复原位，挤压水密软封，间接推动触发杆，从而使铰链弯曲，释放被钩杆限位的推杆，推杆在主压簧的作用下向前运动，驱动回转杆，回转杆将推杆的动能进一步放大并转向，推动泄气阀内的顶针，戳破CO2气瓶，迅速释放气体，实现充气[4]。

2 触发装置控制系统设计

触发装置控制系统采用脉冲信号驱动电磁铁通断进行信号处理和工作[5]，如图2所示。

系统中采用9 V/500 mAh可充电锂电池供电，经过降压处理成5 V电平供电磁铁使用。当触发装置接收脉冲信号后， K1接通，电磁铁工作，产生工作力。

3 触发装置触发强度计算

触发充气装置的关键受力部件，如：推杆、铰链、回转杆、戳针等)拟采用钛合金材质加工[6]。

1) 遥控触发：电磁铁在高电平脉冲信号驱动(驱动力为 6 N，带动铰链所需的最小力为3.96 N)后带动铰链产生弯曲，从而释放被钩杆限位的推杆，推杆在主压簧(压缩前为25.5 mm，最大可压缩5 mm，弹性刚度k为30 N/mm)的作用下向前运动，驱动回转杆，回转杆将推杆的动能进一步放大(力臂长度比为12.5∶20，)并转向，推动泄气阀内的顶针(最大推力240 N)，戳破CO2气瓶(戳破力应不小于150 N)，迅速释放气体，实现充气[7]，具体计算过程如下。

铰链受力分析如图3所示。利用力的平衡关系有：

F1cosθ1+F2cosθ2=F0

(1)

F1sinθ1=F2sinθ2

(2)

F1=2.366 9F0，F2=2.396 5F0

(3)

钩杆受力分析如图4所示。

利用力矩和力平衡关系有：

F1sinθ1·94=F3sinθ·10

(4)

F3cosθ=F4

(5)

其中：θ=30°，F4=150 N。所以有：

F3=173.21 N，F0=3.96 N，F1=9.37 N

(6)

顶针推力如图5所示。

利用力矩平衡关系有：

(7)

2) 遇水触发：水溶药片分解后，弹簧片恢复原位，挤压水密软封(挤压力5N)，间接推动触发杆，从而使得铰链产生弯曲，此后的触发过程与上同。

4 触发装置充气状态

救生设备中的触发装置与救生气囊、高压CO2小气瓶等部件形成有机整体，成为弹头发射模块，安装于ResQmax气动投射救生枪的助推动力钢瓶前端，与动力模块的助推动力钢瓶一起封闭在救生气囊的内部。触发装置进行工作时，戳破CO2气瓶，迅速对气囊进行充气[9]。救生气囊的整体外观在充气前为一梭形[10]，充气后为一椭球形如图6所示。

触发装置触发充气后形成椭球形状，其体积计算可近视于：

V=3.14×(360÷2 000)

(8)

整个触发装置充气后的质量大约1kg；故：

M浮=M体-M自=0.016 9×1 000-1=15.9 kg

充气后触发装置能够产生15.9kg的浮力。