低压舱气压弹放式迅速减压装置的研制
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・1 8・ Thesis I论 著 低压舱气压弹放式迅速减压装置的研制 臧斌,顾 昭,王桂友,于立华,施维茹,涂磊,温冬青,张 岩 [摘要】 目的:研制一种可代替铜化玻璃实现模拟飞机座舱破裂的低压舱迅速减压装置。方法:采用金属材质作为2 个不同压力气室的隔离膜,根据飞机的减压高度、座舱压力差和减压时间计算减压喉道和隔离膜的面积,根据隔离 膜承受的压力确定其结构强度。借鉴飞机导弹的弹射投放技术,通过高压空气将隔离膜迅速弹开,实现模拟飞机座 舱玻璃破裂的迅速减压要求。结果:气压弹放式迅速减压装置能够完成模拟飞机座舱破裂时的工作状态,减压时间 最短可达0.16 S。结论:气压弹放式迅速减压装置可在短时间内完成减压工作准备,操作使用简便,其功能和精度满 足性能指标要求。 【关键词】低压舱;减压装置;隔离膜;弹放 【中国图书资料分类号】R318.6;V217.2【文献标志码】A[文章编号] 1003—8868(2017)05—0018-04 DOI:10.7687 ̄.issnlO03—8868.2017.05.018 Development of rapid decompression equipment ejected by air pressure in low-.pressure chamber ZANG Bin,GU Zhao,WANG Gui-you,YU Li-hua,SHI Wei-ru,TU Lei,WEN Dong—qing,ZHANG Yan (Institute of Aviation Medicine,Air Force,Beijing 100142,China) Abstract 眯 e To develop a kind of rapid decompression equipment replacing the toughened glass simulating the 血O凼The metallic membrane was used to isolate both chambers with state of aircraft cabin glass bursting on the fly. different air pressures.The areas of decompression membrane and path were determined by calculating on the basis of aircraft decompression altitude,cabin pressure differential and decompression time.The structural strength was determined according to enduring force of the metallic membrane.The membrane was ejected by high pressure air using the ejection launch technology of aircraft missile.The result of simulating aircraft cabin glass bursting on the fly was achieved.R翻岫b The rapid decompression equipment ejected by air pressure in low—pressure chamber could achieve the state of simulating aircraft cabin glass bursting on the fly.and the best decompression time was 0.1 6 S.C咖腿hl The rapid decompression equipment ejected by air pressure accomplishes the decompression preparative in short time with easy operation,and can satisfythe desired requirementsforthe performance and precision.【Chinese Medical Equipment Journal,2017,38(5): 18-21】 Key words low—pressure chamber;decompression equipment;decompression membrane;ejection 0 引言 突然发生迅速减压这种情况,可研究与观察人(或动 低压舱又称高空舱,是模拟高空低气压环境的 物)机体的生理反应,探讨飞行员供氧系统及其个体 大型装备,主要用于飞行人员、航天员、高原作业人 装备在迅速减压条件下的防护性能,有时也可用于 员等进行高空低气压和缺氧耐力的检查、训练、体验 飞行员的高空生理训练ll】。 低压舱迅速减压装置通常包括压力平衡喉道、 和研究,并为飞机供氧装备的防护生理研究、防护性 能鉴定等提供实验手段。 减压隔膜、减压时间测量装置及控制装置等部件,其 由于飞机采用增压座舱(座舱内压力大于座舱 位于模拟的飞机座舱压力舱(本文定义为舱室1)和 外压力),在飞行中,当飞机座舱玻璃由于某种特殊 模拟的飞行环境气体压力舱(本文定义为舱室2)之 原因破碎后,飞机座舱内的较高压力气体与外界低 间。其基本原理就是通过减压隔膜将2个不同压力 气压环境要在很短的时间内迅速达到平衡,这一情 环境的舱室隔离开,当需要减压时迅速将其连通,完 况就称为迅速减压。在低压舱的试验装备中,用来模 成2个舱室之间压力的瞬间平衡 。通常采用钢化 拟飞机座舱玻璃破裂这种特殊情况的装置就称为低 玻璃作为隔离膜来隔离模拟的飞机座舱气体压力和 压舱迅速减压装置。通过该装置模拟飞机座舱高空 飞行环境气体压力,当钢化玻璃被击碎后,钢化玻璃 作者简介:臧斌(1966一),男,高级工程师,主要从事航空生理 两边的气体压力在百分之几秒内迅速达到平衡,这 种减压装置的缺点是安装钢化玻璃花费大量的准备 装备方面的研究工作,E—mail:750310663@qq.com。 作者单位:100142北京,空军航空医学研究所(臧斌,顾王桂友,于立华,施维茹,涂・昭, 磊,温冬青,张岩) 时间,在减压过程中,破碎的钢化玻璃渣在强大气流 Chinese Medical Equipment Journal・Vo1.38・No.5・May・2017 医疗卫生装备・2017年5月第38卷第5期论 著Thesis ・1 9・ 11111. .的推动下,列‘低 舱设备干n人员容埸造成伤害 峪于 成小 :960 1此,ii]‘研制一种代替铡化玻璃实现模拟飞机 舱破 裂的低 舱 d- 弹放式迅速减 装 。 1 主要性能指标 于没计指标放 宽余度和实际舱 舱 , :4 68 kI’ii (2】(J【】1)川) 体安装尺寸的号 虑,将喉道没}I‘为 椭 型, 大通 图2舱室I舱内柯效空『HJ J 寸为2.2 ex2 rex2.r32 111; 舱审2舱内仃效空问尺寸为07.0 lllX14.0 1]1。舱窜l 与舱摩2之n1J的压强差 29.4~39.2 kPa 、减 时问 为0.16~0。5 s,bEf叮变化州整I I。 2 结构设计 为l l35 111111, 减压原理示意图 隔离膜 衫{为1.0ll 仃 相关性,平衡喉道 茈 时问的要求 . C体流阻 平衡喉道的长度 可能 ,以最大 度满足 不考虑使J+j钢化玻璃的情况下.受E ̄)L,I'JL载 将导弹弹离机体)的肩发.借 机载武器系统的高 气弹放机构技术, 将减压装置 汁成隔离膜(义 称为“隔离舱门”)弹放打开模式来完成2个舱宅的 气J 平衡.其原理结构没 ‘如图l所爪。减 装 主 r}1气压缸组件、门榧组件、挂钩组件、动力环组 武器系统高 氮气弹放原理(武器点火后0.1 s内要 2.2隔离舱门(隔离膜)设计 根据 t't-u ̄指标的卡¨应要求,减压 置除r减爪 H,J‘Ii{J快外还 有很强fl"Ji耐压能力 侄实际T fI.隔 离膜两侧气 筐通常为0.30 kgtT ̄llIl!(3 000 kgf/m ) (1 kgf=9.8 N)左 ,按J!({喉道通 【 干jJ 1.01 In!米计 算隔离膜两侧气压差所产生的 须具 ‘足够的强度和 度 II『达3 030 kgf, 件、气压密封绀件、舱¨ 件、缓冲装置及液 缸组 件等组成。 为保 减乐装置的可靠性,减压舱门(即隔离舱¨)必 通过计算币¨分析,隔离舱门『lIJ 度达40 lllnl的 锅炉容器刚锰钢加工而成,隔离舱 的背 焊接有 』Jl1强筋板及槽钢,如图3所示。隔离舱 f扫l 底邴槽 钢上的孔 舱体铰接,n丁 以¨由转动。最终完成的 隔离舱门质} 达300 kg 、 2.3减压通道截面设计 由于喉道采用椭网 彤,为使气体流通的面 最火,尽量缩 平衡时 问,对喉道术端采用45。 角倾斜设计,这样舱门的 图1 减压装置结构.-g意图 图3隔离舱门结构示意图 喇 横截 为一Il:网彤,面 m 1.01 II1 扩大为1.43 111: 通过该没计力‘式,在舱门开肩时气流通道・ 力 叭KI状,对 流阻力小, 体流速 JJI1速状态 I 舱 2.1 平衡喉道通径设计 减压时 是指开始减压那一刻到2个舱 完全平衡后的时问。减乐时间与舱室1的容积及2 个舱窄的压强差成正比例关系,与 力平衡喉道(破 平衡过程中的压力波动范 ,问接影响减 时问,当 其容积较大时将大大降低压力平衡时的波动范 , 确定的条件下,减 时问将南平衡喉道(破口)面积 大小来决定,减压原理示意冈如图2所l,J 开肩14。左右即n『有足够的气体流通面积, 必全 部打丌即可使气压快速平衡,同时根据重力作川.利 力来减小对开门机构的作川力 减 通道撼面的 结构示意 &f1 4所示 、 『J)面积成反比例火系I 舱室2的窬积影响着乐力 Hj减 舱 r1身的质 、气体的 力以及气i,4泊,J冲 不fIj-_影响减 时t问 因此.存2个舱室容积及 力都 2.4驱动气缸设计 采用驱动气缸来推动隔离舱门,使其快速Jr扁, 4所示 、 减压装置T作过 III随着隔离舱 I.按照最短减压时间为0.16 s的要求,减压气流状 态绝大部分为湍流,流念变化较复杂,根据流导(或 阻力汁箅办法汁算m喉道通径161,经汁箅喉道A 不 的迅速打开,气体压强将迅速平衡,l夫I此隔离舱¨的 打 时间对减』K时间也行着重大影响 为了分析问 强平衡时间之和 当舱窄1与舱市2的气压、 衡时 流阻) 了气流运行速度(抽速)的对 关系,采川流通 题 便,减 时问可定义为舱门¨歼时间和气体 医疗卫生装备・201 7年5月第38卷第5期 Chinese M lical Equi])1t1(qlt.Iournal・VI Ji.38・No.5・May・2017 ・20・ 间约为I20 nlS时, Thesis l论 著 那么舱门的开启时 间应在40 mS左右, 也就是说当舱门存 40 UiIS内打开到一 定程度后,保证气 流有足够的通道面 积实现120 Ills时间 内的气压平衡。 当舱门开启至 14。时,气缸的行程 图4减压通遵截面的结构示意图 为200 nlnl,因此, 图5变径门结构不意图 设气缸活塞运行200 Ill1]l的时间为40 IllS,舱门的质 馈为300 kg,根据作用在舱门上的压力为3 030 kgf, 假设开门后气体作用时间为10 nls,按舱门手丁‘开14。 时重心下落距离为156.7 111Ill,气缸作用时间为40 InS, 变径门主要由门板、连杆机构、限位挡板、锁定装置 及步进电动机等组成。该变径门由步进电动机运转 带动连杆机构运动,从而控制门的开度,实现了减 压时问的可控与可测功能 为保证不同的爆破速 率,设置了可靠的锁定装置来保证变径分挡的实际 要求。 3主要工作 根据动量守恒定律进行理论计算.求得气缸的驱动 力为1 733.75 kgt’。 根据机械设计规范,内径为I60mm的QGBII型普 通气缸在压强为0.4 MPa时的理论输j丑力为820 kgf; 在气缸压强为0.8 MPa时的理论输m力为1 640 kgf。 迅速减压装置安装在舱室I和舱室2之间的平 衡喉道内,主要由隔离舱门、储气罐、电磁阀、快速排 气阀、气缸、减震器、舱门转轴支座、锁钩等部件组 成,如图6所示。 所以在0.8 MPa的气压时,一个气缸的输…力就接 近开启减 舱门所需要的力值。为了保证舱门的开 启速度和可靠性,避免诸如摩擦、漏气、开锁力、机械 效率等冈素影响开门速度,设置了双气缸驱动,使舱 门受到超过3 000 kgf的作 力。驱动气缸安装在舱 门左右两侧,气缸的工作气压南一个储气罐提供.从 储气罐经一个电磁阀和一个三通分别进入2个气缸 末端进气口,储气罐到2个气缸的气路等长,保证气 缸能够同时丁作 、气缸的前端进气口经高压软管二 通和快速排气阀与气泵连接。每个气缸前端均安 装一个椎板,用于推动舱门。 驱动气缸可进行双向驱动。当需要隔离舱门打 开时可驱动舱门扣‘开;当不需要舱门打开时,反方向 电磁 1 气缸 喉道 推板组件 舱门转轴支鹰 加压驱动,保持隔离舱门的密闭。 2.5安全设计 为了防止隔离舱门在正向压差的作用下误打 开,设置了锁钩和保险销装置。锁钩用来确保不进行 图6气压弹放式迅速减压装置结构图 当不需要减压时,减压装置的保险销和锁钩鄙住 舱室1和舱室2有一定的压力差需要进行减 减压时隔离舱门与平衡喉道法兰紧密贴合,并将密 锁闭位置.确保隔离舱门与平衡喉道法兰紧密贴合一 封胶圈预压一定距离。保险销用来确保在进行减压 的情7兑下锁钩才能呵靠开锁I 。 2.6变径门设计 压时,首先将变径门涮到所需要的位置,接着将储气 罐允满1.5~2 MPa的压缩空气,并使保险销乖¨锁钩 解除锁闭状态,按下减压按钮后,储气罐后的电磁阀 为了控制不同的减压时间的要求(0.16、0.25、 0.35、0.50 s),根据流体力学计算与分析,设计了能调 立即开启,高压气体从高压软管进入驱动气缸,作动 节喉道通径大小的变径调节机构I I,如图5所示 该 筒随即高速运动,气缸前端的推板推动开锁机构使 -医疗卫生装备・2017年5月第38卷第5期 Chinese Medical Equipment JOlll’hal・Vo1.38・Nt・.5・Ma>・2017 论 著l Thesis 表1 减压装置在各工况下的减压时间 ・21・ 锁销向后退出,当锁销退出后,推板继续前进5 mm 与舱门接触并推动舱门转动。当气缸运行380 mm 左右时,舱门的开启角度约25。,已达到开门要求,不 需要继续再加速了,因此,为更好地控制舱门的运行 速度,应在快速排气阀与大气通气孔增加1个流量 调节阀,利用空气使气缸在500~800 mm的范围内 开始减速并停下来。由于活塞运动时气缸前腔的气 体经过快速排气阀排出,经过流量调节阀使气缸前 腔的气体排出速度小于活塞的挤压速度,前腔的气 体在活塞运行至500 mm左右时开始被挤压,吸收 能量,使舱门的运动速度逐步降低,为避免活塞在行 程末端撞击气缸,气缸内设有缓冲装置。在减压过程 度,为减压时问的缩短创造了有利条件。低压舱气压弹放式迅速减压装置不同于通过击 中,隔离舱门在正向压力和自身质量的多重驱动力 作用下,可进一步加快隔离舱门的打开速度,进而实 碎玻璃来实现迅速减压的减压机构,其是通过迅速 下放隔离舱门来实现迅速减压功能的,避免了人力 现了舱室两侧压力的迅速平衡。 安装玻璃的烦琐程序和玻璃易破碎的实验风险。隔 4试验验证 为了验证系统的工作性能,进行了不同高度及 离舱门的下放技术借鉴了飞机上导弹发射架对导弹 具有 减压时间的迅速减压试验,对减压时间及舱内气压 的控制下放技术。该机构可方便地收起和下放,高度进行连续测量。 4.1 试验设备 使用重复性好、可靠性高等优点。该装置现已工作了 400余次,工作性能满足设计指标及使用要求,工作 试验主要设备包括:(1)DYC一2012低压复合环 稳定,操作简便。境试验舱群,包括安装在其中的气压弹放式迅速减 压装置;(2)KYCC一2007低压舱氧气装备供氧参数 测试系统…】。 【参考文献】 [111 肖华军,孙兵,任兆生,等.航空供氧防护装备生理学[M]. 北京:军事医学科学出版社,2003:321—325,109—117. 【21殷东辰,肖华军,臧斌,等.低压复合环境试验舱群研制【J『. 医疗卫生装备,2011,32(12):6—8,12. KYCC一2007低压舱氧气装备供氧参数测试系 统中的舱内压力传感器位于喉道中心轴线与舱内地 面中心线交点处。 4.2方法步骤 [3]臧斌,吴建兵,肖华军,等-夕 军高空减压和缺氧体验训 练装置应用分析『J1.医疗卫生装备,2011,32(12):131. f4]吴建兵,肖华军.国外飞行人员缺氧体验训练效果及训练 方法的探讨【J].中华航空航天医学杂志,2007,35(1):33L 35. (1)分别控制舱室1及舱室2到达指定气压高度; (2)使用DC一2007物理参数测试系统连续记录 2号舱内气压; (3)控制减压装置进行减压,记录迅速减压时间。 4.3试验结果 [5】刘晓鹏,肖华军,秦志峰,等.模拟飞机座舱迅速减压肺 损伤动物模型的研究fJ].中华航空航天医学杂志,2009,20 (1):28~33. 减压装置能够实现模拟飞机座舱玻璃破裂的迅 [6]约翰D.安德森.计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平, 速减压功能,减压时间达到设计指标要求,通过调节 刘赵淼,译.北京:机械工业出版社,2007:1-77. 变径门的通径,可完成迅速减压时间的调整,具体试 [71韩文祥,谷春瑞,韩广利.工程材料及机械制造基础[M】.天 验结果见表1。 5结论 津:天津教育出版社,2002:3-23. [8]CRANE工程部.流体流经阀门、管件和管道的流体计算 TP410[M].北京:化学工业出版社,2013:55—90. 低压舱气压弹放式迅速减压装置为国内首次 研制使用。该装置在气压平衡通道的末端采用了 45。角倾斜设计,这样舱门的横截面为一正圆形,增 加了破口的有效面积,并且在舱门开启时气流通道 一[9] 肖华军,臧斌.21世纪高空超高空供氧防护装备的发展 医学杂志,2004,29(10):917—919. [10】王保国,刘淑艳,刘艳明,等.空气动力学基础【M].北京: 国防工业出版社,2014:145—227. 直呈喇叭口状,加快了气体流速。此外,其有效利 [11】臧斌,肖华军,顾昭,等.低压舱氧气装备供氧参数测试 用了舱室压差形成的正向压力及隔离舱门质量对 系统的研制fJ】.医疗卫生装备,2009,30(1):31—33. (收稿:2016—09—07修回:2016—12—09) 舱门开启的正向作用力,加快了隔离舱门的打开速 ・医疗卫生装备・2017年5月第38卷第5期Chinese Medical Equipment Journal・Vo1.38・No.5・May・2017