抛射角度对抛绳器发射距离影响试验分析

范锦龙

摘要：根据作业需要不同，抛绳器可应用于水上救援、山上救援、消防救援、船舶补给、船舶系泊、特种部队突击救援等领域，各种环境下抛绳器的应用功能基本一致。

本文研究是，作业中抛绳器抛射角度对抛射距离的影响，实验采用一种广泛应用的绿色环保节能的气动式抛绳器，其可采用电磁控制发射，工作气压、抛射角度可调节、后坐力可缓冲吸收、高响应的阀体速度使得高压气体有效转换成弹体的飞行动能。通过控制变量采集数据，MATLAB分析数据间的关系，得出抛绳器发射角（抛绳器发射筒的轴线与水平线之间的夹角）与抛射距离之间的关系。

关键词：抛绳设备;引缆;气动式抛绳器;抛射角度;抛射距离

一、本文研究的背景及意义

船舶在海上遇险后，需要进行必要的紧急救援，由于海况恶劣等条件，救助拖轮很难靠上遇险船舶，最常用的救助方法就是通过在救助船和遇险船之间用柔性引缆链接，通过引缆挂上强度更大的拖带主缆绳，一般有两种方式：一是利用直升机带缆，另一种是拖带救助，救助前需要使遇险船在有利的风向位置上，从后甲板逐渐靠近遇险船，便于通过抛绳器抛射引纜绳。在大风大浪等恶劣海况下，直升机救援有一定的局限性，受气流影响容易碰到船舶，存在危险。而采用拖带救助是最有效的救助方法，首先，需要抛绳器抛射引缆到达遇险船舶，在救助船和被救助船之间建立起引缆，相对来说安全性高，通过调节抛射角度、抛射气压等变量可实现准确引缆，挂主缆，短时间内对失事船舶实施拖带救助，引缆的成功与否直接影响到最终救助成功与否，当下，利用抛绳器引缆是救援当中应用最广泛的方式，快捷且有效的引缆能够为成功救助争取足够的时间，提高救助的成功率。

二、实验设备简介

1.实验原理

本文实验采用的为大连海事大学的科研团队研发的二代改进型抛绳器，通过测试抛射角度的变化对抛射距离的影响。

本次实验采用的是一款电磁控制发射、工作气压、抛射角可调控的改进型二代气动式抛绳器，气动抛投器是根据空气动力学原理：空气作用力是机械力的一种，由物体与流体间的接触相互作用而产生，物体受气流作用产生升力。气动抛绳器采用高压气体为动力，将压缩空气的快速膨胀所产生的能量转化成弹头的动能，这款抛绳器稳定性高，一定程度上降低了作业的危险性。

实验所用抛绳器采用直动式电磁阀（通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭），通过控制一路高压气体的通断来间接控制抛绳器控制阀的气路切换，电磁阀与控制阀的配合实际上相当于一个组合型的先导电磁控制换向阀，直动式电磁阀充当先导阀，抛绳器控制阀作为主阀，其间的高压软管作为先导气路^[5]。

抛绳器工作压力的调节可以通过以下实现：引入一输出压力可调的高压气动减压阀布置在气控箱内，气瓶内高压气体经减压阀减压后经高压软管进入抛绳器主腔体。

二代抛绳器（如图1.1）仍然采用一代抛绳器组装模式，由气控箱和抛绳器本体两大部分组成，通过高压金属软管连接。气控箱作为一设备集成件，结构设计及设备布局较为简单。其支架尾部采用了缓冲装置，缓冲机构主要由缓冲支座、油压缓冲器、连接块、连杆等组成，连杆和连接块的设计保证了缓冲器顶杆不承受非轴向力。抛绳器上架设了带反馈的数显角度仪、精确测量并反馈抛射角度，在抛绳器上加设一支架框，便于抛射角度的调节。

结构组成：

底座角铝销座支撑架蝶形螺栓支撑架滑道角度仪座。

2.气控箱原理图

抛绳器的气源及气压监控系统由气控箱集气瓶、减压阀、截止阀及压力数显表等于一体，通过高压金属软管与抛绳器相连。

本次实验选择的实验设备集成了能够反映风向、风速的数显风向仪，实时记录抛射时刻的风向、风速情况;能够通过激光测距的的测距仪，实现精确测量抛绳器抛射弹头的距离，以及用米尺测量抛射弹头的实际落地点与抛射点的横向距离偏差;能够通过数显角度仪测量抛射时的抛射角度;通过气控箱能够准确的控制抛射时的气体击发压力，气控箱和抛绳器通过两条高压软管连接，装配简单，容易操作。抛射距离与弹体的类型、缆绳的类别有很大关系，带缆与不带缆的抛射距离有很大区别，所以在本次实验中，对比了带缆和不带缆的情况下抛绳器抛射弹体的距离，选择不同的弹体（花弹、短弹、长弹）进行分组实验，另外，抛射时选择的管的类型（长管、短管）对抛射距离也有影响，这些不同的变量在试验中都有所考虑。采用控制变量的方法对比实验数据，得出相关结论。

三、抛绳器试验

1.试验设备

2.试验流程

将撇缆枪与地面固定;用高压软管分别连接高压气瓶与气控箱、气控箱与撇缆枪，打开气瓶阀气瓶内的高压气体进入气控箱，打开气控箱上手动截止阀，调节减压阀压力至所需压力，撇缆枪上电磁阀通电即完成一次击发。

实验流程图

实验变量：压力，抛射角度，枪管（长、短），弹体（长、短、花）;

实验测量量：抛射距离，抛射角度，偏差距离，风向、风压，气体压力;

实验内容：实验分为几组不同的实验，分别测试抛射距离以及抛射偏差距离在固定压力、不同抛射角度、枪管（长、短）、弹体（长、短、花）下的情况，并记录实验数据进行分析。

（1）测试抛绳枪管对抛射距离和偏差的影响

①在30°抛射角、使用长弹体下，测试长枪管分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

②在30°抛射角、使用长弹体下，测试短枪管分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

（2）测试抛绳弹体对抛射距离和偏差的影响

选取第一组实验中测试效果较好的枪管进行实验：

①在26°抛射角下，测试长弹体分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

②在26°抛射角下，测试短弹体分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

③在26°抛射角下，测试花弹体分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

（3）测试风向、风速对抛射距离和偏差距离的影响

选取第一组实验中测试效果较好的枪管及第二组实验测试效果较好的弹体进行实验，

①在0m/s风速，风向315度下，测试分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

②在1m/s风速，风向315度下，测试分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

③在2m/s风速，风向315度下，测试分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

④在3m/s风速，风向315度下，测试分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距离的数据并记录;

⑤在4m/s风速，风向315度下，测试分别在2MPa～7MPa的激发压力时抛射距离及偏差距離的数据并记录;

注：由于抛射仰角变化可能对抛射距离影响较大，所以需根据实际情况调节抛射角的变化。

（4）测试激发压力对抛射距离和偏差距离的影响

选取第一组实验中测试效果较好的枪管、第二组实验测试效果较好的弹体及第三组实验中测试效果较好的风速、风向进行实验，分别测试激发压力为2.5MPa、3MPa、5MPa、7MPa时的数据。

（5）测试引缆绳对抛射距离和偏差的影响

在前四组的实验基础上选取良好的实验条件分别测试带缆绳和不带缆绳时抛射距离和偏差距离。

实验结果需要测试出抛射效果较好的弹体形状及抛射枪管，并绘制出抛射距离及偏差距离在不同抛射角度下的散点图。由于风速风向不可控，所以要根据实际情况具体设定风力的测试实验。

3.实验数据采集及分析

实验第一步，先盲测多组数据，不同的管型（长管、短管），弹型（短弹、表面光滑的长弹、表面带槽的长弹），弹体是否带缆，实验过程中，场地风向基本没有变化，风速在小范围内波动，抛射角度保持基本不变，抛射激发压力选定在2～8MPa之间。采集数据如下表3.2：

表3.2数据分析目的主要在于选择合适的弹体和管型，对表中四种不同情况下（短管短弹、长管短弹、长管和表面光滑的长弹、长管和表面带槽的长弹）抛射距离分析，绘制如下折线图3.3：

按照图中不同组合分布来看，由于带槽的弹体飞出去在空中旋转幅度较大，可能是由于弹体表面开槽的原因，弹体受风力作用明显。长管短弹、长管长弹的实验效果较理想，弹体空中姿势平稳。所以试验中数据采集选用的短弹和长弹来做实验。

上述实验数据采集中，第一组实验针对的是枪管型状为短管、弹型为短弹、弹头带缆的情况下，在风向为315度，风速2.5m/s、激发压力为3MPa时测试多组不同角度下抛绳器抛射弹头的距离及横向偏差距离。

第二组实验针对的是长管短弹、不带缆的情况下，在风向为315度，风速2.2m/s、激发压力为3MPa时测试多组不同角度下抛绳器抛射弹头的距离及横向偏差距离。

由MATLAB数据分析软件分别处理第一组数据^[7]：

得到抛绳器抛射角度与抛射距离的散点分布图关系：

由MATLAB数据分析软件分别处理第二组数据^[8]：

得到抛绳器抛射角度与抛射距离的散点分布图关系：

由表3.2发现：

带缆和不带缆情况下，弹体旋转幅度和抛射距离有不同之处，带缆距离比不带缆抛射距离小，光弹不带缆绳，飞行阻力较缆弹小，不带缆的射程大于缆弹射程，光弹抛射时在空中发生翻滚旋转幅度大;带缆的弹体在飞行过程中，缆绳受风的作用力很明显，进而对弹体产生拉力，所以射程较光弹射程小，但由于缆绳系于弹尾，弹体飞行过程中翻滚不明显，飞行稳定。

二代抛绳器的可调角度范围在：20°～41°之间，实验过程中在区间内设置多组角度值，测试不同角度下抛绳器抛射距离值。

发现短管短弹在带缆的情况下，激发压力为3MPa时，抛射角度在34度左右距离最远，可达到109M，偏差距离≤射程的10%，在允许误差范围内。

此外，长管短弹在不带缆的情况下，激发压力为3MPa时，抛射角度也在34度左右距离最理想，可达到140M，偏差距离≤射程的10%，在允许误差范围内。

对比发现：不带缆的弹头抛射距离不会受到缆绳的牵拉影响，所以抛射更远;实验过程中发现弹头带缆，缆绳受风速影响进而影响到弹头的轨迹，绳子打结、飞行过程中阻力的存在都会对抛射距离存在影响。弹头在抛射前在枪管内的状态是否顶到底部也会对抛射状态产生一定影响。

对长管、表面光滑的弹体进行试验：

不难看出，发现长管长弹在带缆，激发压力为3MPa时，风向稳定，风速几乎为零的情况下，抛射角度在28度左右距离最远，可达到152M，偏差距离≤射程的10%，在允许误差范围内，此时弹体飞行状态平稳，无翻滚现象。

四、结论

论文结合实验数据探讨了抛绳器抛射角度对抛射距离的影响，实验采用的是大连海事大学科研团队设计的第二代新型抛绳器，抛绳器整体性能优良，可调角度范围在20～40°之间，通过实验采集到多组角度实验数据，抛射角度变化时，控制激发气体压力保持在固定值，风向、风速等因素通过数显仪观察风向风速稳定在一定幅度内，进行抛射。对数据分析找到二代抛绳器抛射角度和抛射距离的关系，对日后抛射提供数据参考依据。

参考文献

[1] 刘浪波. 新型抛绳器设计及试验研究[D].大连海事大学，2013.

[2] 中国抛绳器行业分析报告（报告库2012）千讯（北京）信息咨询有限公司

[3] 熊伟，王志文，王海涛，王祖温.海上救助抛绳装备研究[J].液压与气动，2014，07：1-6.

[4] 王海涛，刘浪波，熊伟. 气动抛绳器的改进设计[J]. 液压与气动，2013，04：110-112.

[5] 黄小洁. 基于MATLAB的数学实验系统的实现及应用[D].南昌大学，2012.