呼剛義，王 凱，關(guān)雄飛

(1.西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710048;2.機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 引言

射網(wǎng)防暴器屬于非致命性武器，近年來這種非致命武器已在軍事、維護(hù)治安和野外勘察等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在實際應(yīng)用中仍存在一些問題，如發(fā)射等待時間較長、發(fā)射距離不穩(wěn)定、高壓氣體密封效果不理想等［1］，因此需要開展相應(yīng)的研究工作。

應(yīng)某公司研究需求，針對原有射網(wǎng)防暴器發(fā)射等待時間過長進(jìn)行研究，所設(shè)計的新機(jī)構(gòu)要在產(chǎn)生的壓強(qiáng)不低于原來裝置的前提下發(fā)射時間有明顯的減少，預(yù)期設(shè)計新的機(jī)構(gòu)性能和工作效率會有適當(dāng)?shù)奶岣?。這樣可以為射網(wǎng)防暴器的優(yōu)化設(shè)計提供合理的參考依據(jù)。

1 射網(wǎng)防暴器工作原理

高壓氣動捕捉網(wǎng)以壓縮氣體為傳遞媒介，利用氣體壓力能釋放產(chǎn)生動力。其過程是將氣體壓縮到鋼瓶中使其具有一定的壓力，利用空氣管里的針尖扎破鋼瓶，使高壓氣體釋放在整個空氣管和回帽里。然后將引發(fā)機(jī)構(gòu)上的開關(guān)按鈕處于開的位置，打開保險鎖，摁下按鈕，讓高壓氣體穿過引發(fā)機(jī)構(gòu)到發(fā)射架中，推動8個橡膠拉頭帶動捕捉網(wǎng)呈一定角度向前運(yùn)動。網(wǎng)在運(yùn)動過程中迅速張開，遇到前方目標(biāo)時，捕捉網(wǎng)的橡膠拉頭由于慣性作用，自動盤罩目標(biāo)，從而達(dá)到抓捕目標(biāo)的效果。

2 射網(wǎng)防暴器引發(fā)與充氣裝置的設(shè)計

2.1 原射網(wǎng)防暴器的三維建模結(jié)構(gòu)(圖1)

圖1 射網(wǎng)防暴器三維建模圖

2.2 原射網(wǎng)防暴器發(fā)射時間的測試

通過對已有射網(wǎng)防爆器的壓力測試，由圖2可知，在擰動回帽針尖扎破高壓氣瓶釋放高壓氣體后，時間為48 s后空氣管內(nèi)的氣壓才能達(dá)到最大，即1.1 MPa。對于實際應(yīng)用來說，這將會錯過最佳的發(fā)射時機(jī)，因此希望該時間越短越好。

圖2 氣壓與時間關(guān)系圖

2.3 原產(chǎn)品性能的不足及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計

本產(chǎn)品的缺陷主要是:

1)需等待48 s后，空氣管內(nèi)氣體壓強(qiáng)才能達(dá)到最大，這樣就很容易錯過最佳發(fā)射時間。

2)每次發(fā)射完成后需要更換高壓氣瓶。因此需要攜帶一定數(shù)量的高壓氣瓶，不很方便。

以上缺點(diǎn)使得裝置的作用不能得到很好地發(fā)揮。

鑒于當(dāng)前常見的壓氣式氣槍是先將空氣壓入氣室，扣動扳機(jī)釋放壓縮空氣來實現(xiàn)氣槍彈的發(fā)射，它就像用氣筒打氣一樣，先向氣室內(nèi)壓氣，根據(jù)所需初速大小，可壓一次氣也可壓多次氣。這樣可以提高初速，射擊時震動小，而且發(fā)射所耗時間較短［2］。

為了減短發(fā)射時間，決定采用壓氣式氣槍引發(fā)與充氣裝置來代替原引發(fā)充氣裝置。設(shè)計發(fā)射裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 引發(fā)與充氣裝置的結(jié)構(gòu)圖

引發(fā)機(jī)構(gòu)如圖4所示，其中壓氣活塞壓縮氣體通過單向閥推動氣閥心向后運(yùn)動，閥心推動撞捶向后運(yùn)動頂住扳機(jī)阻鐵。當(dāng)壓氣活塞壓氣停止時單向閥復(fù)位，此時氣室中充滿了高壓氣體并保持高壓狀態(tài)，設(shè)備處于待擊狀態(tài)，此時密封不好就容易漏氣泄壓?？蹌影鈾C(jī)后撞捶立即被釋放，此時高壓氣體會快速推動氣閥心和撞捶向后運(yùn)動，氣閥心的向后移動會讓氣閥座上的氣孔露出，高壓氣體通過氣孔流向空氣管并推動子彈射出。網(wǎng)發(fā)射出去以后空氣管內(nèi)的氣壓下降，撞捶在彈簧力的作用下向前運(yùn)動，這時松開扳機(jī)實現(xiàn)撞捶掛機(jī)。

圖4 引發(fā)裝置剖面圖

充氣過程如圖5所示，當(dāng)拉桿向下拉動時，拉桿通過壓氣桿將壓氣活塞拉出此時空氣管內(nèi)充滿空氣;當(dāng)拉桿合上的時候拉桿通過壓氣桿推動壓氣活塞壓縮空氣。

圖5 充氣裝置剖面圖

3 壓力的計算

裝置是通過壓縮活塞將原本位于空氣管內(nèi)的空氣壓入裝有單向閥的氣室中從而在氣室中形成高壓氣體。

理想氣體狀態(tài)方程一般指克拉珀龍方程:pV=nRT。其中p為壓強(qiáng)，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為普適氣體常量，T為絕對溫度(T的單位為開爾文(字母為K)，數(shù)值為攝氏溫度加273.15度，如0℃即為273.15 K)。當(dāng)p，V，n，T的單位分別采用Pa(帕斯卡)，m3，mol，K時，R的數(shù)值為8.314。該方程嚴(yán)格意義上來說只適用于理想氣體，但近似可用于非極端情況(高溫低壓)的真實氣體(包括常溫常壓)。因此該計算可以使用理想氣體狀態(tài)方程［3］。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:

P——壓縮空氣后的壓力;

V——壓縮后氣體的體積即氣室的體積取V1;

N——壓縮后氣室中氣體的物質(zhì)的量 :

R取8.314 mol·k，將參數(shù)帶入公式:

由實驗知射網(wǎng)防暴器采用CO2高壓氣瓶裝置時經(jīng)過一段時間達(dá)到的最大壓力為1.1MPa，這說明該裝置可以提供比原裝置更大的動力。

4 結(jié)語

從結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇與壓力計算可知，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以在產(chǎn)生不低于原有裝置壓力的情況下大大縮短發(fā)射時間。這說明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)對于射網(wǎng)防暴器的功效發(fā)揮更有效，此方案為射網(wǎng)防暴器的設(shè)計提供了有價值的參考依據(jù)。該結(jié)構(gòu)涉及到的零件較多，對于零件加工精度要求高，密封件的密封性能要求也較高。

綜合考慮，本文設(shè)計的機(jī)構(gòu)可以確保快速壓氣，并且氣壓能達(dá)到使用要求，不必攜帶儲氣設(shè)備，該設(shè)計方案具有一定的實用參考價值。

［1］揚(yáng)延相.旋流噴嘴中空旋轉(zhuǎn)射流近區(qū)域流動的研究［N］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2000(6):56-61.

［2］韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算實例與分析［M］.北京理工大學(xué)出版社，2009.

［3］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.2版.北京理工大學(xué)出版社，2010.