一种压缩气体自动快速释放装置的设计与应用

摘要：创新设计了一种压缩气体自动快速释放装置，其接收电信号后引爆，烟火药产生火药气体进入烟火腔室；烟火腔室内滑动配置一级活塞，导气腔室内滑动配置二级活塞，一级活塞受到进入烟火腔室内的火药气体的作用力，二级活塞在一级活塞的推动力和惯性作用下运动，将压缩气瓶瓶口上的封口击破，使预储存在压缩气瓶中的压缩气体释放，并从导气腔室上的排气孔排出本体外。另外，介绍了一种应用该压缩气体自动快速释放装置的救生装置，该装置没有高温灼烧和剧烈噪声风险。

关键词：压缩气体；自动释放；快速充气；腰带气囊

中图分类号：TH48    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）12-0027-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.007

0    引言

目前在应急救生技术中使用的充气装置，气体预储存在压力容器中，紧急情况需释放气体时，常见的方式之一是用手动机械触发的方式释放气体，如香港中文大学学者[1]设计的跌倒髋骨保护气囊系统采用舵机带动阀门将压缩弹簧的弹性势能释放来刺穿气瓶，气囊充满需要333 ms；武汉理工大学的姚冕等人[2]设计的穿戴式跌倒预警防护系统的充气机构使用舵机带动连杆机构再带动连杆凸轮推动刺针刺破气瓶来实现气囊的充气，舵机通过逆时针旋转刺破气瓶，再反向旋转拔出刺针释放气体，充气速度慢，气囊充满需要800 ms；武汉理工大学的杨俊飞等人[3]研究的穿戴式跌倒护髋安全气囊系统自动充气机构瓶口采用机械机构刺穿气瓶，瓶口刺穿后破口尺寸小，导致充气速度慢，充气机构给气囊充满气的平均时间为386.9 ms。

另外也有用火药装置引爆，推动活塞的方式触发，如日本千叶大学的研究人员[4]设计的穿戴式跌倒防护气囊的充气机构就采用点燃火药熔穿气瓶的方式使得气体释放，为气囊充气，其优点是速度快，能在120 ms内将气囊充满，缺点是噪声大，且火药具有较大的危险性；郑州大学的瓮恒等人[5]设计的一种自动保护呼救的人体智能气囊，其充气机构采用硝酸铵爆炸分解产生的气体来对气囊进行充气，其优点是能在110 ms以内快速完成充气，缺点是较危险且噪声高达130 dB。

上述两种方式都存在一定的缺点：前者的问题是速度过慢，不能自动触发，对于应急目的的救生设备，灵敏度较低；后者的问题是可靠性低，火药装置引爆时声音过大，对于人员应急救生产品，多为人员佩戴式，如果装置作用时伴随巨大声音和热量，会有极大的副作用，用于人体佩戴时有较大的危险。

为解决上述问题，本文设计了一种释放装置，能快速完成压缩气瓶的刺穿，实现气体的快速释放；并且烟火装置产生的声音被限制在一定空间内无法扩散，从而达到快速释放又没有高温灼烧和剧烈噪声风险的效果。对于人体佩戴或置于与人体较近位置的使用场景，该设计更为安全。

1    设计方案

本装置主要由电点火具（烟火装置）、传动部分（一级活塞、二级活塞）、气源（压缩气瓶）、气囊组成，如图1所示。

1.1    气源

本设计采用二氧化碳高压储气瓶用作气体发生器的气源。由于用于跌倒防护穿戴设备，气瓶在撞击情况下的安全性能非常重要。本装置选用的气瓶瓶身为特种钢，瓶口用铝合金密封，气瓶直径30 mm，长度139 mm，内装38 g二氧化碳气体，经过200次20 m高度坠落测试，没有出现爆炸或漏气情况。

1.2    烟火装置

本烟火装置在接到控制模块发出的点火电流后进行引爆。烟火装置选用安全气囊气体发生器点火用的电点火具，成熟可靠。点火具的装药量为130 mg，点火电流为1.2 A/2 ms或1.75 A/0.5 ms，桥路电阻（2±0.3）Ω，直径8 mm，经10 mL压力罐测试，常温下罐内压力峰值为5.67 MPa。图2为点火具在10 mL密封罐内的压力曲线。

1.3    传动装置

一级活塞在点火具引爆后产生的气体推动力作用下向远离烟火装置的一端运动，并推动二级活塞向气瓶方向运动，当二级活塞运动到压缩气瓶的瓶口位置时，将压缩气瓶瓶口上的封口击破，使预储存在压缩气瓶中的压缩气体释放。

二级活塞杆头部采用冲头刀口设计，选用Cr12MoV模具钢，Cr12MoV的特点是耐磨性、淬透性高，微变形，能较好地满足二级活塞的使用性能。

2    结构及工作原理

2.1    装置外观设计

整个装置的尺寸为68 mm×50 mm×35 mm，总质量（不含气瓶）为145 g，总体体积小，质量轻，方便穿戴。结构如图3所示。

2.2    工作原理

电点火具6接收点火电流后引爆，烟火药产生火药气体进入烟火腔室3，推动一级活塞5，该一级活塞在进入烟火腔室内的火药气体的作用力下，向远离烟火装置的一端运动，并且运动范围被限制在烟火腔室内。

滑动配置在导气腔室2内的二级活塞4，在一级活塞的推动力和惯性作用下运动到压缩气瓶的瓶口位置时，将压缩气瓶瓶口上的封口击破，使预储存在压缩气瓶中的压缩气体释放。

电点火具起爆时，产生的气体、声音和热量被封闭在烟火腔室中，产生的烟火气体只能通过设置在烟火腔室上的泄压孔排出，或者通过一级活塞与烟火腔室内壁的间隙、导气腔室、排气孔排出，从而隔绝了声音和热量的传播。

为方便安装以及与外围救生设备结合，并且密封以达到气体充分利用的目的，在本体外设置有一外壳1，气体排出空腔收集所有的气体，通过外壳上的导流孔冲入气囊袋。

3    二级活塞对瓶口冲切力的计算

3.1    压缩气瓶封口所需冲裁力计算

冲裁力计算公式如下：

P=LtC

式中：P为冲裁力；L为冲裁周边长度；t为材料厚度；C为材料抗拉强度。

根据二级活塞尺寸设计，冲破后瓶口直径最大为4.8 mm，计算L：

L=πD=3.14×4.8=15.072 mm

压缩气瓶封口材料铝6061，查表得知6061抗拉强度为310 MPa，C=310 MPa=310 000 000 Pa=310 N/mm2。材料壁厚t=0.3 mm，故：

P=LtC=15.072×0.3×310≈1 402 N≈1.4 kN

3.2    二级活塞对瓶口瞬时冲击力计算

点火具类似于枪支的击发机构，活塞类似于子弹。活塞的运动类似于子弹在枪管内的运动。

从数模测量活塞5大端上表面到零件6（点火具）下表面的距离为8 mm，一级活塞5大端直径为14 mm，根据圆柱体的体积计算公式（V=πR2H）算出密封腔室的体积，可以视为点爆时密封室的有效容积。

V=3.14×（14/2）2×8=1 230.88 mm3

该体积同10 mL密封罐比=（1 230.88/1 000）/

10≈0.123。

采用理想气体计算法，气体的压强同容积类似成正比，可以推算得出，点爆时密封室的压强：依据该点火具在10 mL密封罐的压力曲线，设定密封罐的压强为5 MPa。

P=5 000 000/0.123≈40 650 407 Pa

一级活塞杆大端上表面的压力计算：

根据压强公式P=F/S得：

F=PS=P×πR2=40 650 407×3.14×

（14/2）2/1 000 000 000≈6.25 kN

当一级活塞运动到零件2，由于零件2的约束，一级活塞反弹，二级活塞（撞针）在惯性的作用下继续向前运动，根据动量定理方程FT=MV得：

V=FT/M

式中：F为推力（管道摩擦力近似为零）；T为运动时间（根据仿真计算，时间T=2.5 ms）；M为运动体质量（本案为一级活塞+二级活塞的质量，其中一级活塞质量为10.5 g，二级活塞质量为5.5 g）。

V=6.25×2.5/（5.5+10.5）≈0.98 kN·ms/g

这个速度可以认为是二级活塞脱离一级活塞后的初始速度。根据动量定理可以计算出，二级活塞在运动到气瓶瓶口时的作用力。根据仿真计算得知二级活塞运动到瓶口的时间为1.05 ms。

F=MV/T=5.5×0.98/1.05≈5.13 kN

以上为理论推导。为了更加精确地计算二级活塞（撞针）对瓶口冲切时产生的作用力，建立仿真模型，进行仿真计算。仿真报告如图4所示。

仿真是按300 MPa加载运算，从仿真结果来看，二级活塞的瞬时冲击力为3.3 kN。

从以上计算结果来看，二级活塞产生的瞬时冲击为5.13 kN，是气瓶封口所需冲裁力的5.13/1.4≈3.66倍。按仿真模拟结果来看，二级活塞产生瞬时冲击力为3.3 kN，是气瓶封口所需冲裁力的3.3/1.4≈

2.36倍。以上结果表明，该设计可靠。

4    实验测试

4.1    气瓶冲破可靠性实验

气囊充气速度同瓶口冲破的直径直接相关，经过测量气瓶在密封前瓶口的最大内径为6.4 mm，封口后，密封片弱化区最大直径为4.8 mm。据此二级活塞设计为锥面（图5），以便瓶口冲破后对瓶口进行扩孔，同时锥面设计有利于活塞在刺穿瓶口后在压缩气流的作用下反弹，以免活塞卡在瓶口。

经50发实验测试，瓶口100%被冲破，说明该装置可靠性高。瓶口冲破后的瓶口直径在4.7～4.8 mm，基本上同弱化区一致，如图6和图7所示。

4.2    气囊充气时间验证

采用类似于安全气囊的静态展开实验方法来验证气囊从点爆到气袋充满的时间，如图8和图9所示。所用设备：点火装置、灯光、高速摄像机，该高速摄像机是2 000帧的。

经过30次静态展开实验验证，充气时间在95～108 ms，能够满足人在摔倒时对气囊充满时间的要求。

4.3    噪声及袋内温度测试

电点火具点爆后，声音及高温都被相对密封在密封腔内。噪声是瞬时产生的，高温气体通过泄压孔及一级活塞间的滑配间隙进入导气室，同压缩气体混合，袋内气体同常温基本一致。经实验验证，点爆时噪声在70 dB以下，气袋温度同常温基本一致。

5    本装置在一种老人腰部防摔穿戴气囊中的应用实例及实验验证

本装置在一种老人腰部防摔穿戴气囊中有实际运用，如图10所示。

5.1    总体构成

穿戴气囊由摔倒检测模块、快速气体释放装置（本装置）、压缩气瓶、尼龙材质的气囊袋、高弹力腰带、供电电池组成。

摔倒检测模块可以准确判定穿戴者是否摔倒。当摔倒发生时，摔倒检测模块会在0.2 s的时间内给电点火具一个点火电流，引爆点火具，冲破密封气瓶，给气囊充气，气囊在0.1 s内展开完成弹出并充满气袋。气囊展开充满后将包裹老人的腰部、臀部以及大腿两侧，缓冲地面对于腰部、臀部的冲击，在碰到地面之后气囊在几秒钟内保持饱满状态，然后慢慢地自动收缩，能最大限度上减轻摔倒带来的损伤。

5.2    气瓶选择

如上所述，本产品气囊匹配的压缩气瓶为38 g二氧化碳气瓶，袋内容积15 L。从点爆到充满气袋时间为100 ms，充满时袋内最高压力8.7 kN。

5.3    气体释放装置

气体释放装置采用本文设计的气体自动释放装置，体积小，重量轻，充气速度快（100 ms左右），噪声低，稳定可靠。

5.4    气囊设计

由于此气囊是穿戴在人的腰部，除了腰部是固定点，没有其他地方固定气袋。气囊展开的需求方向如下：当人摔倒时，气囊是紧贴人体展开，需要有一个拉力迫使气袋朝人侧紧贴展开。通过折叠方式加拉带的方式来实现。

为确保保护效果，进行了一系列静态、动态实验。

1）静态实验：从高速录像上看，从点火开始到囊袋充满时间为85～100 ms。囊袋内温度为30 ℃，噪声65～70 dB。

2）真人动态实验：从高速录像上可以看到，从摔倒开始到气囊点爆时刻为350 ms，从气囊点爆到气囊充满时刻为450 ms，到完全摔倒状态时刻为540 ms，说明在人体完全接触地面时气囊处于充满状态，起到了缓冲保护作用。

实验结果显示，穿上缓冲安全气囊的防护装备，比起不穿气囊防护装备时，髋骨所受到的冲击力减少了70%，峰值压力降低为3.32 kN，能量吸收减少了83.8%。髋骨骨折是由于吸收了超过其所能承受的最大范围的能量，而气囊可以吸收一部分作用于髋骨的能量，从而减少损伤，也证明了气囊对于髋骨的防护作用，如图11、12所示。

6    结果与讨论

为了验证该压缩气体自动快速释放装置的实际效果，除在实验室进行严苛的实验测试外，也在多个实际场景中进行了测试。测试结果表明，与传统的压缩气体释放装置相比，该装置可靠性更高，充气速度快（100 ms内），能够有效避免高温及高噪声的影响，佩戴舒适，安全性高。同时，该装置可以匹配不同场景需求的各种应急装备。

7    结论

本文介绍了一种压缩气体自动快速释放装置及其在救生设备中的应用。该装置因其自动检测、快速响应和安全可靠等优点，为应急救援工作提供了有力支持。通过与各类救生设备相结合，该装置能够在短时间内快速释放压缩气体，可靠性高。实际应用结果表明，该装置具有较高的可靠性和实用性，可广泛应用于各类应急救援场景。

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[3] 杨俊飞，朱兴元，赵国如.穿戴式跌倒护髋安全气囊系统自动充气机构的设计与实现[J].现代机械，2016（4）：5-9.

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[5] 瓮恒，申圳，王振亚，等.一种自动保护及呼救的人体智能气囊[J].信息通信，2012（6）：67-68.

收稿日期：2024-02-29

作者简介：王小平（1973—），男，江西人，工程师，上海东方久汽车安全气囊有限公司项目总监，从事技术与项目管理工作。