大型冲击过载环境试验设备工程设计方法

周大铮，李超位，熊国基

(陕西深蓝机电工程有限公司，陕西 咸阳 712000)

1 设计目标

以应用需求为背景、研发方便好用的专业化强冲击高能过载环境试验设备为目的展开设计。根据被试产品对体积、质量和过载波形稳定复现的要求，研制载荷能力最强、g值和脉宽波形参数质量最高、试验成本最低、波形量值复现稳定可靠、对被试产品保护最为周到的强冲击环境试验设备作为设计目标。

2 设备主要性能参数

设备主要性能参数(参考国际商用飞行记录仪过载参数标准)如表1所示。

续表

3 设备的工程化结构设计方案

3.1 设备组成

该设备由高压气泵、高压储气罐、配重式大流量超高速开关阀、耐高压封闭发射管道、被试品无损回收气阻管道、并行导气副管路、高强度轻量化过载舱、各种仪表传感器、若干小型电动和手动阀门、大型高压储气罐及工业气体消音器等组成。

3.2 设备重要组件技术要求

高压气泵：最大输出压力25MPa；

高压储气罐：工作压力20MPa，容积5m3；

配重式大流量超高速开关阀：工作口径300mm，工作速度为2ms开启和关闭全部流量；

耐高压封闭发射管道：通径300mm,由加工精密的高强度合金钢管制造，工作压力20MPa；

过载舱回收管道：通径300mm,由加工精密的高强度合金钢管制造，长度大于30m，由多节钢管对接而成，工作压力20MPa；

并行导气副管路：根据需要，在每单节管上配设导气副管和阀门，用于调控过载波形宽度和过载舱的回收阻力；

高强度轻量化过载舱：过载舱壳体质量≤8kg，可承受多次试验，有效保护舱内被试产品不受到硬伤害；

仪表和传感器：数显式精密压力表量程0～20MPa，压力传感器量程0～20MPa，频响100kHz，安装螺口M6;

各种阀门：大口径开关阀为手动，其他小型高压阀门为电动，工作压力20MPa；

工业气体消音器：匹配系统泄压阀门接口，有效消除系统泄压噪声。

3.3 设备工作流程说明

设备工作流程如图1、图2所示(仅注重运行原理说明，略去成熟技术方面的细节内容)。

图1 设备运行原理(初始工作状态)图

图2 设备运行原理(波形完成工作状态)图

在过载舱内安装好被试产品，做好发射前的准备工作：

打开发射管路右侧端盖，将过载舱连同舱内被试产品送入发射管，关闭端盖。

启动低压气泵，打开设备配备的过载舱推入阀和左端两个泄压阀。过载舱在低压气体推动下慢慢送达管道左端，把活塞顶到左端死点位置(管路太长，必须气体推送)。然后，关闭右端推送阀和左端两个泄压阀。此时，过载舱处于发射前的初始状态，利用过载舱自身封闭住大流量进气通道(见图1)。

打开手动大流量阀，高压气体通过大流量进气道立即将过载舱的腰部环绕，储气罐内预先准备了设计压力，由于过载舱和发射管间的闭气作用，不会有一丝气体泄漏，过载舱会待在原地保持不动。

打开电动发射阀(这个阀门只具备工业级开启速度)，高压气流进入小气室，推动配重式活塞向右移动。该活塞为空腔结构且体量巨大，用其前端的细长部推动过载舱向右移动。当过载舱的左侧端面开始通过大流量进气道时，高压气流瞬间冲进发射管道左侧，设计压力会在2ms内全部加载到过载舱的左侧端面上。过载舱的质量相对较小，其在瞬间获得设计过载g值(形成梯形波的上升沿)。当储气罐容量足够大时，过载舱左侧气压不变，梯形波的幅值得以保持，过载舱保持当前g值向右移动。

在高压气流经大流量入口进入发射管道时，气压一方面推动过载舱加速右移，与此同时也会加载到配重式活塞的右端面。尽管活塞两端气压相等，但该活塞的左侧面积要大于其右侧面积，所以活塞减速，并继续右移。

当过载舱左侧端面通过已经打开的与事先设计波形宽度相对应的导气副管端口时，气流进入副管，过载舱突然失去推力(图2产生梯形波下降沿，此时配重式阀门恰好封闭住大流量进气道)，过载波形任务完成。过载舱进入前方空气阻尼回收管路，高压气体通过副管单向阀送到前方，增加对过载舱的前进气体阻力，过载舱在耗尽动能后停止在回收管路中，实现过载舱气体软着陆安全回收(针对不同的脉宽，需要设计有多条这样的副管)。

在获取完整过载波形之后，大流量高压气体继续涌入发射管道极为不妥，必须立即切断气源，因为这给后来泄压取出过载舱带来麻烦(损失大量储备气能)，又会产生巨大的安全隐患。如何才能设计出在2ms内可以快速切断口径300mm、压力高达20MPa的大流量阀门？市场上根本找不到如此特殊用途的高速大流量自动阀门。

“配重式活塞”是本设计的一项创新发明，这个活塞的移动速度和行程可以通过改变其内部砝码的质量来进行调控。事先根据过载舱的脉宽时间长度计算好活塞内腔装载匹配砝码的质量大小，使得当过载舱在通过开启的副管路入口时刻，恰好活塞在此时刻行进至大流量进气通道入口边缘，进而再用2ms时间封闭住进气通道的入口，此后活塞被其后部粗段所限位，活塞停止移动，保持进气入口的封闭状态(见图2)。然后，手动关闭大流量阀和电动发射阀。其后，给发射管路整体经工业气体消音器泄压，安全地取出过载舱，结束一个工作循环。

设备整体工作在高压密闭环境中，一类压力容器的安全性设计应符合国家规定标准。整套设备的各个有压部位都要安装压力传感器，关键安全部位还要安装带有直读报警式压力显示仪表。在梯形波发生段管道上，按50mm等间隔设计测压孔排，这些压力信号都要连接到控制台的压力数据多路采集与监控设备上。

在过载舱前进的管路上，根据脉冲宽度调控长度的需要，对应着多条导气副管。每条副管都有各自的手动阀门和单向阀来控制，选中某一脉冲宽度，只打开那条副管，其余副管处于关闭状态。

4 粗略算法

同理，可算出7000g乃至更高g值时需要的发射压强和副管开孔位置。

仅从实际必须安全回收的意义上讲，回收阻力无须计算，只要管路足够长就可以实现过载舱的安全无碰撞软回收。过载舱前进过程中，前方管路中的气体被压缩，阻力会越来越大。按照设备最大过载能力和幅值宽度设计管路长度，建议以20倍发射段长度为基本长度。要备足回收调试用的接长管道，最后经调试验证可行后再来确定最终长度。阻力回收管道上要布置压力传感器，以便通过压力监视得知管内过载舱的大概位置。

5 被试产品过载波形的外部测量方法

在过载舱内部安装g值传感器和波形存储记录仪器并不妥当，因为这会挤占舱内产品安装需要的宝贵容积空间和质量空间，同时测器也要和产品一道承受极端过载，测器本身可能出现“内伤”或处于非正常工作状态，导致测量数据丢失或可信度下降。所以，外部测量就显得十分必要。

在以发射端口为起点的路径上，按间隔50mm设计有测压孔排，在这些测压孔内安装有压力传感器，过载舱的左侧端面每经过一个测压孔，对应的压力传感器便有一个高压阶跃信号输出，这些按时间顺序发生的压力阶跃信号被采集仪器记录下来。捕获这些压力传感器的输出信号并不是为了观测管内压力的变化，而主要是用来观测过载舱在管内的位置和时间变化。

设过载舱经过任意两个相邻测压孔的时间长度是Δti，则过载舱经过每个50mm区间中点的平均速度可表示为：

两个相邻区间中点平均速度之间的速度变化率就是过载舱在此间的平均加速度。

连接起这些加速度测点绘制出的a～t曲线就是被试产品过载试验的g值和脉宽的波形曲线g～t。

6 设备的布局和安装环境要求

这台大型环境试验设备主要由高压储气罐和多条内径ø300mm耐高压精密无缝钢管连接而成，总长度大于30m，总重量在15t以上，平面布局占地约31m×2m,见图3。

图3 设备总体平面布局示意图

虽然过载舱的发射动能巨大，但其并未被射出管道，只是在管道内部运行，发射过程中没有“炮弹”射出和气体排出，不会有巨大的炮声。发射结束后，将气体缓慢排出，所以设备不需要有后坐力的缓冲设计，也不需要坚固的钢筋混凝土安装基础。所以，虽然系统运行只是内能和内力间的交互作用，理论上不存在后坐力，但是过载舱和活塞在管道内高速运动会带来设备整体质心的突变，由此会引起设备的晃动，稳定可调的安装基座还是需要的。加上粗大笨重的管道和储气罐，都需要有稳定安全的支撑和调平机构设计。

设备可以安装在大型正规厂房或简易活动厂房中，配备动力电源，并为工作人员配备具有一定安全防护能力的操作隔间。设备安装时，使用起重工具。设备的钢管和储气罐由特别设计的4轮小车托起，通过法兰和柱规完成同轴性连接并高压密封。定位之后，再用车载支撑地脚螺丝顶起，完成整体调平调直。高压储气罐同样要完成接口和支撑，工作轴线调水平。操控台负责电、气路的操控，气泵为系统提供最大25MPa能力的高压气源。设备属于一类高压容器，危险系数较高，闲置时必须泄压存放，有专人负责操作和安全管理。建议设备在靶场安装使用。

7 结束语

设计大型强冲击高能过载环境试验设备可供考察的资料甚少，美国在研究钻地弹智能引信模块过载可靠性时曾发表过在靶场试验的少量图片资料，没有具体的过载波形数据资料。从图片上可以看出，他们使用气体炮发射过载舱，回收方法是在数百米的靶道上竖立起多层软阻尼墙，让射出的过载舱碰撞和穿透阻尼墙，然后逐级减速实现回收。显然，这是属于硬回收的方法。如果过载指标要求2万个g、脉宽10ms、过载舱最大速度会达到2000m/s，产品很难保证完好回收，也很难分清产品的损伤是在发射段过载损伤还是在回收段的碰撞损伤(二次反向过载损伤)。

如果我国要开发这种设备，就应使用这种创新的配重式大流量超高速开关阀和长管道空气阻尼软回收方式，更容易确认损伤类型，产品回收完好率定会大幅提高，试验的安全性和成本也会有效降低。

模型设计文件从理论设计层面回答设备研发的可行性问题；工程设计方法则依据国内工业基础资源及制造能力，给出系统总体结构设计的具体方法、运行逻辑关系和对各分系统的具体技术要求；工程师设计团队应遵循工程化设计的指导，按照机、电、气、测各自的专业分工与协作，共同完成设备整体的蓝图设计，直至完成设备的监造和安装调试。