一種艦船救生觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算

胡定軍，辛立民，王 濤

(陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

救生設(shè)備是船舶人員的重要安全設(shè)施之一。當(dāng)船舶人員發(fā)生落水事故時(shí)，快速有效地將救生氣囊發(fā)射到落水人員身邊，救生氣囊能夠快速充氣，給落水人員提供浮力。當(dāng)救生氣囊投射到落水人員身邊，救生氣囊是否能夠及時(shí)快速的觸發(fā)打開，將直接關(guān)系到船員的生命安全[1]。本研究設(shè)計(jì)一種救生氣囊觸發(fā)裝置，能夠?qū)饽腋咝Э焖俚拇蜷_在落水人員附近，進(jìn)行施救。

1 觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)組成

觸發(fā)裝置由CO2氣瓶、泄氣閥(內(nèi)含頂針)、回旋桿、推桿、鉤桿、鉸鏈、控制電路(含電磁鐵、電池、遙控接受電路等)、主壓簧、觸發(fā)桿、水密軟封、彈簧片和水溶藥片等組成，如圖1所示，有遙控觸發(fā)和遇水觸發(fā)兩種觸發(fā)模式[2]。

遙控觸發(fā)的工作原理是：遙控接收電路收到發(fā)射端傳入的遙控信號后，產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，該脈沖信號經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作，由電磁鐵使鉸鏈彎曲，釋放被鉤桿限位的推桿，推桿在主壓簧的作用下向前運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)桿，回轉(zhuǎn)桿將推桿的動(dòng)能進(jìn)一步放大并轉(zhuǎn)向，推動(dòng)泄氣閥內(nèi)的頂針，戳破CO2氣瓶，迅速釋放氣體，實(shí)現(xiàn)充氣[3]。

遇水觸發(fā)的工作原理是：彈頭入水后，水溶藥片立刻分解，彈簧片恢復(fù)原位，擠壓水密軟封，間接推動(dòng)觸發(fā)桿，從而使鉸鏈彎曲，釋放被鉤桿限位的推桿，推桿在主壓簧的作用下向前運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)桿，回轉(zhuǎn)桿將推桿的動(dòng)能進(jìn)一步放大并轉(zhuǎn)向，推動(dòng)泄氣閥內(nèi)的頂針，戳破CO2氣瓶，迅速釋放氣體，實(shí)現(xiàn)充氣[4]。

2 觸發(fā)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸發(fā)裝置控制系統(tǒng)采用脈沖信號驅(qū)動(dòng)電磁鐵通斷進(jìn)行信號處理和工作[5]，如圖2所示。

系統(tǒng)中采用9 V/500 mAh可充電鋰電池供電，經(jīng)過降壓處理成5 V電平供電磁鐵使用。當(dāng)觸發(fā)裝置接收脈沖信號后， K1接通，電磁鐵工作，產(chǎn)生工作力。

3 觸發(fā)裝置觸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算

觸發(fā)充氣裝置的關(guān)鍵受力部件，如：推桿、鉸鏈、回轉(zhuǎn)桿、戳針等)擬采用鈦合金材質(zhì)加工[6]。

1) 遙控觸發(fā)：電磁鐵在高電平脈沖信號驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)力為 6 N，帶動(dòng)鉸鏈所需的最小力為3.96 N)后帶動(dòng)鉸鏈產(chǎn)生彎曲，從而釋放被鉤桿限位的推桿，推桿在主壓簧(壓縮前為25.5 mm，最大可壓縮5 mm，彈性剛度k為30 N/mm)的作用下向前運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)桿，回轉(zhuǎn)桿將推桿的動(dòng)能進(jìn)一步放大(力臂長度比為12.5∶20，)并轉(zhuǎn)向，推動(dòng)泄氣閥內(nèi)的頂針(最大推力240 N)，戳破CO2氣瓶(戳破力應(yīng)不小于150 N)，迅速釋放氣體，實(shí)現(xiàn)充氣[7]，具體計(jì)算過程如下。

鉸鏈?zhǔn)芰Ψ治鋈鐖D3所示。利用力的平衡關(guān)系有：

F1cosθ1+F2cosθ2=F0

(1)

F1sinθ1=F2sinθ2

(2)

F1=2.366 9F0，F(xiàn)2=2.396 5F0

(3)

鉤桿受力分析如圖4所示。

利用力矩和力平衡關(guān)系有：

F1sinθ1·94=F3sinθ·10

(4)

F3cosθ=F4

(5)

其中：θ=30°，F(xiàn)4=150 N。所以有：

F3=173.21 N，F(xiàn)0=3.96 N，F(xiàn)1=9.37 N

(6)

頂針推力如圖5所示。

利用力矩平衡關(guān)系有：

(7)

2) 遇水觸發(fā)：水溶藥片分解后，彈簧片恢復(fù)原位，擠壓水密軟封(擠壓力5N)，間接推動(dòng)觸發(fā)桿，從而使得鉸鏈產(chǎn)生彎曲，此后的觸發(fā)過程與上同。

4 觸發(fā)裝置充氣狀態(tài)

救生設(shè)備中的觸發(fā)裝置與救生氣囊、高壓CO2小氣瓶等部件形成有機(jī)整體，成為彈頭發(fā)射模塊，安裝于ResQmax氣動(dòng)投射救生槍的助推動(dòng)力鋼瓶前端，與動(dòng)力模塊的助推動(dòng)力鋼瓶一起封閉在救生氣囊的內(nèi)部。觸發(fā)裝置進(jìn)行工作時(shí)，戳破CO2氣瓶，迅速對氣囊進(jìn)行充氣[9]。救生氣囊的整體外觀在充氣前為一梭形[10]，充氣后為一橢球形如圖6所示。

觸發(fā)裝置觸發(fā)充氣后形成橢球形狀，其體積計(jì)算可近視于：

V=3.14×(360÷2 000)

(8)

整個(gè)觸發(fā)裝置充氣后的質(zhì)量大約1kg；故：

M浮=M體-M自=0.016 9×1 000-1=15.9 kg

充氣后觸發(fā)裝置能夠產(chǎn)生15.9kg的浮力。

5 結(jié)論

在不同的氣象條件下，對觸發(fā)裝置設(shè)備性能、工況進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證，都能夠在投射目標(biāo)周圍安全快速的打開氣囊，為落水者提供救生浮力，大大提高了救生效率。整個(gè)設(shè)備在試驗(yàn)期間，運(yùn)行安全可靠，操作方便，可控性較好。能夠在航海、野外生存、救助打撈等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)中發(fā)揮很大的作用。

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