防暴水炮车开发设计工艺研究

贾 群，朱爱灵

（广州捷厉特车装备有限公司，广东 广州 511340）

群体事件中使用非杀伤性手段驱散骚乱人群是目前各国公认的最有效方式，防暴水炮是其中重要的武器装备。防暴水炮一般是以强力水柱射流打击肇事目标群体，影响人体保持正常行为姿态的能力，从而达到心理震慑、驱散人群的目的。

最常见的强力水柱射流是消防车灭火作战喷射的消防水炮，而专门的防暴水炮装备与消防水炮有很大的区别，消防水炮一般最小流量为40L/s，压力一般常压0.8MPa偏低，主要目的是把尽可能多的水输送到最远的距离，并且由市政消防供水系统进行接力供水，水源供给是源源不断的。而防暴水炮需要车辆机动作战，只能依靠自带的水量进行，这就要求防暴水炮水流消耗量尽可能少，压力要高，起到打击的作用。结合用水量和最大威慑射程两方面的要求，通过若干对比试验，优化水炮流道结构，并参考以色列、德国等同类产品，确定直流防暴水炮的使用工况要求是在35-40m以上能够影响人体正常行为姿态能力的距离，炮口处压力中压1.2MPa，最大射程可以达到60m以上。

在2000年之后国际上出现了新型的水炮：高压空气脉冲水炮。脉冲水炮是以高压气体瞬间释放带动液体水，形成气液两相混合的强力冲击波，具有相当大的打击能力。在国外已经应用到消防灭火、混凝土设备除污等方面。2006年研制出的车载脉冲水炮，以先导阀结构实现小于1/100s的压缩空气的瞬间释放，经过多个参数的组合试验，最终以1MPa气压，水量12L达到了较好的效果，最大射程达到50m，并明确了威慑射程，形成了防暴脉冲水炮新型产品。

直流水炮和脉冲水炮都是以水作为介质形成一定的动能冲击力来进行防暴作战的。作用和目的既有重叠部分，又有各自特点，直流水炮直流水柱冲击打击能力更强，但更耗水；脉冲水炮打击能力弱些，但有一定的打击面，非常省水。将直流水炮和脉冲水炮组合在一起，能保持原有的冲击打击能力，并具有更长的作战时间。因此设计出新的直流-脉冲防暴水炮组合是原有直流水柱形式防暴水炮的升级产品。

直流-脉冲高压水炮对底盘承载量的要求大幅度降低，原需要三轴重型货车底盘，现可以用两轴货车底盘替代。首先在水炮结构方案上，原来直流水炮和脉冲水炮各自一套机构，布置在车体顶部后方，结构复杂，难以由一名战斗人员方便地操作使用。经过分析，在给直流水炮和脉冲水炮同时供水时最大供水量不超过30L/s，可以由一条供水管路集中供水。脉冲水炮的供气不受直流水炮影响，在此考虑将直流水炮和脉冲水炮集成到一个炮体结构基础上，这样集成防暴水炮总成只有一套旋转控制机构，结构件和电器件大幅度减少，控制简单，更容易保证其可靠性。如果一旦出现炮体被撞损坏等故障可以整体更换炮体总成，维修保障性也更容易满足。炮体水炮通过总成的标准通用件旋转，质量稳定性好，承载能力强，可靠性高。俯仰旋转以电动推杆推动水炮炮筒上下动作，电动推杆也是工业常用的标准通用件，互换性好，稳定可靠。水炮集成整个总成是作为一个整体模块，易于通用互换，在不同底盘上都很容易实现装配维修更换。水炮总成中的零部件水平回旋体和电动推杆都是稳定可靠的工业标准化通用件，甚至不同厂家的都可以进行互换安装，使其可靠性得到保证，极大地方便了维修性、保障性。

在高压水炮设计方案确定后，底盘作为防暴水炮车的载体平台是首先要确定的。底盘需要明确发动机功率、外形尺寸、承载量等主要参数。承载量考虑最主要的是载水量，防暴水炮车是以水作为介质进行作战的，所以必须有足够的载水量，脉冲水炮每炮12L水，射水间隔4S。每射100发即1.2m3，理论上可以连续作战大于6min，但实际上受供气影响，不可能连续作战达到100发。而直流水炮额定工况流量最大为25L/s，连续作战时为1.5m3，故最大载水量只需按直流水炮所需评估即可，设定直流水炮连续射流时间不低于4min（实战时是以点射和断续射流实施来延长作战时间），再考虑水的有效利用率，整车载水量定为6-10m3。

其次是底盘发动机功率，底盘发动机作为整车行驶的动力源，上装设计满足了原车底盘的整车要求，发动机功率既能满足整车行驶需要，也不再进行更多计算。在此主要考虑的是直流水炮供水动力源，水泵工况点按25L/s、1.2MPa计算，水泵的输入功率一般大于160kW，而如果用单独发动机供给水泵动力，则发动机在车体内横置时最多是四缸机，一般功率为90kW，不能满足水泵动力需求。与车体平行竖置则很难安排布置，并且发动机质量较大，容易超载。在此借鉴消防车从底盘发动机取力全功率输出给水泵的方案则可以较好解决。全功率输出取力方式已经在消防车上应用多年，消防车连续工况要求为4-6h，防暴水炮车上防暴应用有很大的裕度，并且成熟稳定，可靠性高，维修保障性好。同样的水泵在防暴上的应用工况点要求是消防水泵一般的中低压工况，一般消防水泵在1.2MPa，时流量为40L/s以上，而防暴要求只为25L/s，工况负荷较低。按该方案进行发动机和水泵的功率曲线匹配，确定取力器速比，选用成熟定型的取力器。同时在使用要求上操作明确即可实现行进中射水，行进中射水的车速不高于25km/h，完全满足作战实战要求。

直流水炮动力源解决方案确定后考虑脉冲水炮，脉冲水炮发射介质为气水两相，供水约为3L/s，工况要求很低。即使同时给直流和脉冲水炮供水，水泵都足够富裕，可共用同一个水泵。而压缩空气来源有两个方案可以选择，一是自带高压气瓶，不自带直接压缩空气产生装置。该方案优点是设计方案简单，容易实现车载，车载带2-4个高压气瓶和减压装置，可以连续发射200-300发。但该方案的缺点是高压气瓶需要的压力较高，需要进行两级减压，对设备装置精密度安全性要求高，车辆行驶时颠簸容易产生故障，而脉冲水炮使用时短时间高频次容易使减压装置出现结冰现象影响设备稳定使用。并且高压气瓶气压一般需要380V工业电的气泵才能达到，在用户驻地较为偏远，条件设施不足时严重影响使用。故此考虑选定第二个方案，由车辆自带压缩空气产生装置，即另配一个发动机和气泵总成，对几个压缩空气瓶轮流充气使用，达到作战实战应用目的。在有限的空间和质量允许下，选定发动机和气泵总成，进行一级减压即可达到使用要求，可靠性得以更好的保证。确定脉冲炮指标：每轮发射不少于25发，每轮间隔时间不多于8min，首次备战时间不大于15min，满足作战实战需求。

对防暴水炮车的几个关键总成进行了明确，直流脉冲炮集成、水泵及取力、压缩空气产生装置、载水量。主要尺寸和质量明确，再进行总质量和载荷分配计算，底盘总质量要求为16T，载荷计算基本满足，需严格控制。并调整布局，使车辆前后轴载荷分配在空载和满载时均合理。

设计方案制定后展开相应的具体设计工作。主要的设计点首先是上装和底盘联接部分的设计，采用副梁，以限位板加骑马螺栓的方式进行上装和底盘的结合，这是货车底盘改装车较为成熟标准的通用设计。

其次是上装车身水罐和前部泵房、后部储气室两个车身焊接联接结构需要注意的，水罐是厚板焊接大于4.0mm，前部泵房和后部储气室外蒙皮都是薄板为1.2-2.0mm，材料厚度不同导致车辆行进颠簸时振动不同，容易产生受力不均，导致油漆开裂甚至车身外蒙皮撕裂，需要注意进行结构处理防止，从而保证质量可靠性。

对于运动旋转件，取力器可用传动轴或联轴器输出到水泵，防暴水炮车的产品布局方案根据载荷分配布置，水泵和取力器联接可用传动轴来实现，传动轴运动旋转件周边应注意设计预留空间，适当防护，以及必要的安全性设计。储气室内有发动机气泵总成，作为一个独立封闭空间工作，从安全性考虑必要的进风排风循环设计。

发动机和气泵总成作为独立的压缩空气产生装置，应注意发动机的保养维护操作方便性，作为维修性、保障性的必要考虑，也是人机工程设计。同时作为一个大总成，将设计基座作为总成基准基础，再联接放置于整车副梁上，具备互换性，也是维修性和保障性设计的考虑因素。

在设计水泵泵房内的水系统管路结构时，注意与原来水炮车管路构件的通用性，本产品的水路系统也是由水泵进水管路、主水路、回水管路、水泵自引水管路等组成，选用和原防暴水炮车相同的管路通径，水路球阀等附件规格相同，通用化程度高，进一步提升标准化设计。零部件在原水炮车产品上经过多年验证，成熟稳定可靠。

水罐的构造设计主要是针对罐体密封性要求提出的，必须是全焊接结构，不能漏水。罐体装载的水是液体，车辆行驶时会对车身有冲击，因此在罐体内必须设置隔板来进行防涌。同时在隔板上设置错位的维修孔，以便在罐体漏水或有锈时维修人员可进入维修。同时水罐的出水口设置在车辆靠前端罐体的最前端，保证尽可能高的利用率，同时设置溢流口、加水口等。

在本产品上人机工程重点需要考虑的是水炮的操作。在骚乱现场驱暴处突处于非常紧张的实战状况，更要考虑人机的方便性，要易于操作，除司机外，可以由一名水炮操作员完成全部操作，发射、旋转、选择等操作都充分考虑人员习惯性和方便性。

水炮和其他功能的控制电路采用可编程序控制器，方便调整，电器接线硬连接大幅度减少，降低电器故障发生概率，提升可靠性。充分考虑电控箱等布置在泵房内或其他位置的防水措施，防止一旦发生故障溅出水来进入电器元器件造成大的损失，从而保证质量可靠性。

在环境适应性设计方面，在高海拔地区使用时动机功率裕度方面有很大的空间，有足够的后备功率。由于是带水作业，零度以下气候条件是环境适应性设计需要重点考虑解决的问题，防暴水炮车在设计上加设了放余水操作，在储备时可以通过该操作把水罐罐体内、管路和阀体内的余水全部放掉，不会在气温降至零度以下时因水结冰体积增大导致管路阀门等零部件胀裂。在外部备战装有整罐水时泵房内具有专用加热装置，且具有保温效果使泵房内的管路水不结冰。水罐罐体内按照操作使用要求在20-30min内每隔一定时间进行若干分钟管路和水罐内的水循环，保证水流动，从而使水不结冰。

防暴水炮车是用于骚乱现场的作战车辆，应重点考虑人员在作战现场的安全性，应重点防护乘员区及驾驶室，高要求的可以采用防弹防护。驾驶室可防止人群靠近时用铁锹铁棍捅穿车身，砸烂玻璃伤害乘员。玻璃加装防护网可以防止暴徒扔石头等砸烂玻璃，前挡玻璃在正常开车时可以掀起，不影响驾驶视野，也是出于对人员安全性设计的考虑。驾驶室门内加装锁止机构防止外撬开车门。

整车主要功能结构设计初步确定后，对其他辅助附加功能展开设计，完成整车完整设计。

产品设计完成后进行工艺设计，主要分为焊装、涂装、总装三部分。

防暴水炮车作为专用车改装车，首先是在成熟定型的底盘上进行底盘改制，符合整车上装安装及性能要求。车身焊装制作工艺方面，需要严格控制工艺制作要求和精度要求。罐体焊接的密封性要求是重点控制项目，以规定的试验方法进行试验检测。并保证焊接强度，防止行驶时水涌撕裂焊缝。水罐罐体制作完成后再进行前部泵房和后部储气室的焊接制作，采用多种焊接工艺。

车身与底盘扣合是关键的工艺过程，须按严格按照设计要求、工艺规程进行操作，限位板固定、骑马螺栓安装拧紧。

涂装工艺方面水罐内部装水易生锈，使用专用油漆进行喷涂，油漆漆膜厚度达到相应规定，防锈能力才能得以保证；或者用不锈钢材料进行制作，可以更好地具备防腐防锈能力。

总装工艺重点在整车调试上，整车调试工艺须明确安全性要求，水路和气路的压力调试由低到高逐步进行。调试和检测测试时间较长的必须予以保证，例如水罐测漏、气路保压试验等。

防暴水炮车作为整车改装车应首先达到相关车辆性能的标准规定要求。

专项功能方面，作为防暴特种车辆产品有相关的防护要求，可按公安部行业标准GA668防暴车通用技术条件要求的防护等级进行检测测试并达到规定要求。防暴水炮公安部行业标准GA679中有相关直流防暴水炮的要求，防暴水炮车行业标准对于威慑射程和最大射程的试验方法做了规定，以打倒200L空油桶的最大距离作为威慑射程，防暴水炮车采用该试验方法进行测试。车载脉冲水炮是最新的防暴手段，目前还未有国标行标依据，我公司多次测试试验，采用类似直流防暴水炮威慑射程的试验方法，击倒200L空油桶能基本满足影响人体保持正常行为姿态的能力要求，而脉冲水炮打击面较宽，打击力比直流水炮弱，自行制定了试验方法，以20kg人体模拟标靶作为打击对象，以打倒该标靶的最大距离作为威慑射程。

本文对防暴水炮车产品的开发设计工艺进行了简要的分析，防暴水炮车不论是整车产品概念还是一台专用车整车，都有独特的功能要求、独特的使用场合需求。从功能使用需求出发把这些需求落实到开发研制的各个阶段，在设计和工艺过程中都有关注的关键技术和关键点，只有明确到产品当中才能形成一台完整的防暴水炮车产品。