火炮系統(tǒng)防沖擊、防振動(dòng)高低溫濕熱環(huán)境射擊試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

陳蕊，萬先鋒，黃少保，程靖，孫兵

（1.西安昆侖工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710043； 2.廣州克萊美特儀器設(shè)備科技有限公司，廣州 511458）

引言

常規(guī)環(huán)境試驗(yàn)箱是用來考核試件在高低溫、濕熱情況下試件的性能情況，對(duì)環(huán)境箱來說屬于靜態(tài)試驗(yàn)，而火炮系統(tǒng)高低溫、濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱是考核火炮自動(dòng)機(jī)在高低溫、濕熱環(huán)境火炮系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力情況[2]。高低溫、濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱箱內(nèi)溫度高溫達(dá)100 ℃，低溫達(dá)零下-70 ℃，火炮自動(dòng)機(jī)在極限溫度儲(chǔ)存一定時(shí)間后進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn)，根據(jù)火炮性能參數(shù)，在實(shí)彈射擊過程中，火炮后坐力最大可達(dá)8 t以上，安裝火炮臺(tái)體基座振動(dòng)加速度達(dá)幾G以上，同時(shí)在實(shí)彈射擊過程中伴隨出現(xiàn)彈殼拋落可能擊中箱體內(nèi)壁現(xiàn)象，火炮射擊窗口及箱體前壁長時(shí)間受高溫火焰燒蝕，材料表面會(huì)出現(xiàn)老化燒蝕現(xiàn)象，由于是實(shí)彈射擊步入式射擊環(huán)境箱，受收彈工事、射擊安全限制，與常規(guī)步入式環(huán)境箱不同的是，該環(huán)境箱體需嵌入試驗(yàn)靶場——射擊靶道，系統(tǒng)蒸發(fā)器、加熱器、風(fēng)機(jī)、加濕器等需安裝于環(huán)境箱頂部[3,4]，箱頂負(fù)載較大，在實(shí)彈射擊過程中，箱體振動(dòng)嚴(yán)重，同時(shí)，火炮實(shí)彈射擊后產(chǎn)生大量有毒有害氣體在箱體內(nèi)部，箱體內(nèi)部僅前方有射擊窗口，火藥氣體無法及時(shí)排放，工作人員無法進(jìn)入箱體進(jìn)行操作；鑒于上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)一套專門用來防沖擊、振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)箱如圖1所示。

1 防沖擊、防振動(dòng)高低溫濕熱環(huán)境射擊試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

1.1 防沖擊振動(dòng)整體支撐框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防沖擊振動(dòng)整體支撐框架結(jié)構(gòu)采用3 mm璧厚的80 mm×40 mm矩形管焊接而成，整體框架為長3 630 mm、寬2 680 mm、高2 710 mm倒“U”型結(jié)構(gòu)，防沖擊振動(dòng)內(nèi)部通道骨架支撐架結(jié)構(gòu)圖如圖2，框架由梁柱結(jié)構(gòu)組成，左右兩側(cè)分別采用6根矩形管垂向支撐，頂部分別由橫向6根縱向4根矩形管交錯(cuò)焊接并與左右兩側(cè)支撐管一一對(duì)應(yīng)焊接而成，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析，系統(tǒng)承載能力大于2 t，而用于安裝頂部制冷蒸發(fā)器、除濕蒸發(fā)器、加熱器等設(shè)備總質(zhì)量約1 t，系統(tǒng)承載能力遠(yuǎn)大于負(fù)載。根據(jù)設(shè)備安裝位置采用不同尺寸槽鋼連接成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，防沖擊振動(dòng)整體框架結(jié)構(gòu)與環(huán)境箱地面支撐鋼板固聯(lián)，形成不可移動(dòng)整體結(jié)構(gòu)，與之相對(duì)應(yīng)支撐管支柱與橫梁焊接點(diǎn)增加加強(qiáng)筋，以提高整體框架的剛度及抗振能力，防沖擊振動(dòng)整體支撐框架結(jié)構(gòu)為制冷蒸發(fā)器、除濕蒸發(fā)器、加熱器等設(shè)備提供安裝平面，同時(shí)提高箱體整體防沖擊振動(dòng)能力。

1.2 防沖擊振動(dòng)保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防沖擊振動(dòng)保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)四壁與頂層保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.7 mm厚噴塑鍍鋅彩色鋼板 + 150 mm厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫+ 2 mm 304不銹鋼板+3 mm 304不銹鋼板，2 mm為里層內(nèi)板，底部、四壁2 mm板以及防沖擊整體支撐框架矩形管整體結(jié)構(gòu)采用滿焊模式構(gòu)成整體框架，此保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)框架嵌入某射擊靶道后，形成不可移動(dòng)的整體框架部分，3 mm不銹鋼復(fù)合拼裝板通過螺接方式安裝于2 mm里層內(nèi)板上,“3+2”整體結(jié)構(gòu)起到射擊時(shí)防止彈殼拋落沖擊箱體內(nèi)膽造成箱體損壞作用。彈殼沖擊損壞箱體內(nèi)壁，更換其中損壞的3 mm不銹鋼復(fù)合拼裝板即可，對(duì)整體結(jié)構(gòu)無影響。箱體底板整體厚度為150 mm，內(nèi)箱第一層為3 mm厚SUS304防滑不銹鋼板。第二層為2 mm厚SUS304不銹鋼板，模式同四壁“3+2”mm不銹鋼模式，便于更換；第三層為10 mm厚環(huán)氧隔熱板，第四層為承重木方，木方與木方之間間隔860 mm，間隔之間采用隔熱防火聚氨酯泡沫填充作為箱體底板保溫層，外板為1.5 mm厚彩鋼板。箱體底板承載能力為3 000 kg/m2。

圖1 防沖擊振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)箱整體布局圖

圖2 防沖擊振動(dòng)內(nèi)部通道骨架支撐架結(jié)構(gòu)圖

1.3 防彈措施，前方防彈板設(shè)計(jì)

防彈板整體寬度與內(nèi)箱一樣，寬度2 690 mm，高度1 607 mm，中間為射擊窗口，防彈板整體框架厚度約40 mm，共由5塊厚度為3 mm SUS304不銹鋼板加工成“U”框架塊，然后拼接而成，防彈板底部采用2 690 mm長U型槽，U型槽與箱體前壁固接，將5塊U型框架塊卡入U(xiǎn)型槽即可達(dá)到底部固定作用；左右“U”型塊上部通過Z型連接板與箱體前壁連接，Z型連接板一端與箱體前壁連接，一端與“U”型塊上端連接；中間U型塊直接通過螺釘與前端連接。實(shí)彈射擊時(shí)，如果大面積被沖擊碰撞損壞，可直接更換整體防彈板，個(gè)別損壞更換其中某塊即可， 保證了“3+2”結(jié)構(gòu)不易變形。鋼板上設(shè)計(jì)幾排直徑為3 mm圓形排孔，圓形排孔是為了保證在箱內(nèi)溫度急劇變化的情況下防彈板溫度的均勻性，防止防彈板凝露、結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。如圖3所示。

射擊窗口長時(shí)間受火藥氣體沖擊出現(xiàn)老化燒蝕現(xiàn)象，本案采取模式為，在射擊窗口四周增加一圈厚度為2 mm U 型板，U型板通過螺接方式固定于射擊窗口四周，當(dāng)火炮射擊一定彈藥U型板燒蝕嚴(yán)重時(shí)，及時(shí)更換即可，起到保護(hù)整體箱體作用。

1.4 監(jiān)控裝置

圖3 前方防彈板示意圖

在試驗(yàn)箱后端正上方安裝監(jiān)控裝置，在射擊前可清晰監(jiān)控箱體內(nèi)情況，同時(shí)可監(jiān)控射擊過程火炮運(yùn)行情況，監(jiān)控裝置選用?？低晹z像頭，性能指標(biāo)為：CCD像素大于200萬；高解析度大于470 TVL；分辨率：1 920×1 080；電動(dòng)變焦鏡頭大于10倍變焦；紅外夜視功能大于50 M，雙驅(qū)動(dòng)鏡頭，信噪比大于48 dB?？紤]到工作室內(nèi)的惡劣條件，-70～+100 ℃，系統(tǒng)為攝像頭配備了專用保溫防護(hù)罩裝置。護(hù)罩機(jī)身采用鋁合金材質(zhì)，周圍安裝電加熱絲，護(hù)罩上端安裝散熱風(fēng)扇，當(dāng)防護(hù)罩內(nèi)部溫度低于5 ℃時(shí)，加熱器開始工作，內(nèi)部溫度升高， 溫度高于45 ℃時(shí)，風(fēng)扇啟動(dòng)工作，使內(nèi)部攝像頭溫度永遠(yuǎn)維持在5～40 ℃之間，確保攝像頭的穩(wěn)定可靠工作。

1.5 煙霧檢測、煙霧排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙霧檢測系統(tǒng)安裝于箱體側(cè)壁，火炮系統(tǒng)實(shí)彈射擊后箱體產(chǎn)生大量有毒可燃?xì)怏w，主要成分為CO、H2，當(dāng)CO、H2達(dá)到一定濃度，會(huì)引起爆炸現(xiàn)象。本案引用濟(jì)南瀚達(dá)電子科技有限公司HD-T600型氣體探測器，配套HD-C/K型氣體報(bào)警控制器，探測器采用防爆結(jié)構(gòu)，外殼采用鋁鎂合金外殼，進(jìn)線口采用銅質(zhì)鍍鉻材料。檢測器采用催化燃燒型氣體傳感器，傳感器由一組催化元件和一組檢測元件組成，當(dāng)氣體擴(kuò)散到傳感器周圍后，催化元件被氣體還原發(fā)生無焰燃燒，同時(shí)檢測元件根據(jù)燃燒的程度輸出等比例信號(hào)，信號(hào)與氣體濃度有一定的線性關(guān)系，探測器內(nèi)部電路檢測此信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最后將處理信號(hào)調(diào)制成電流信號(hào)輸出給控制器，控制器根據(jù)探測器傳輸?shù)男盘?hào)，經(jīng)過處理、邏輯分析，以數(shù)字顯示、聲光報(bào)警的方式反應(yīng)出來，工作人員可直接在控制器上查看箱體煙霧狀況，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到預(yù)先設(shè)置的爆炸范圍，檢測裝置報(bào)警，啟動(dòng)煙霧排放裝置。

煙霧排放系統(tǒng)安裝于火炮位置正上方箱體頂部左右兩端，采用九州普惠CF（A）-2型多翼式離心通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)排風(fēng)、抽煙、換氣功率達(dá)1.1 kW，轉(zhuǎn)速達(dá)2 800 t/min，流量為1 248～2 258 m/h； 前蓋板與煙霧通道管一端通過螺接方式連接，另一端伸入箱體，控制按鈕開關(guān)設(shè)置在試驗(yàn)箱總控制箱上，實(shí)彈射擊時(shí)濃度達(dá)到設(shè)定值極限，啟動(dòng)煙霧排放裝置，當(dāng)箱體濃度值低于設(shè)定值下限時(shí)，關(guān)閉煙霧排放裝置。

1.6 空氣幕吹風(fēng)系統(tǒng)

空氣幕吹風(fēng)系統(tǒng)安裝于箱體側(cè)壁檢修門上部，本案采用綠島風(fēng)電加熱空氣幕吹風(fēng)裝置RM125-09-D型冷暖型。箱體保低溫狀態(tài)，工作人員出入維修門，空氣幕吹風(fēng)裝置啟動(dòng)吹自然風(fēng)。箱體保高溫狀態(tài)，工作人員出入維修門，空氣幕吹風(fēng)裝置啟動(dòng)吹熱風(fēng)。這樣確保箱體溫度處于恒溫狀態(tài)。

1.7 聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境試驗(yàn)箱較普通環(huán)境箱不同，增加自動(dòng)開合射擊窗口、煙霧檢測、煙霧排放、監(jiān)控裝置、空氣幕吹風(fēng)裝置、整個(gè)試驗(yàn)箱通過集中控制，控制各系統(tǒng)工作狀態(tài)。

當(dāng)火炮系統(tǒng)裝彈藥保溫結(jié)束，啟動(dòng)自動(dòng)開合射擊窗口進(jìn)行射擊，火炮系統(tǒng)膛內(nèi)未有彈藥，射擊窗口關(guān)閉，膛內(nèi)有彈藥，射擊窗口無法關(guān)閉，顯示故障信息，進(jìn)行排故，直至膛內(nèi)未有彈藥，射擊窗口方可關(guān)閉。

根據(jù)煙霧爆炸范圍，對(duì)煙霧檢測裝置設(shè)置報(bào)警范圍，當(dāng)煙霧檢測值在設(shè)置報(bào)警范圍內(nèi)，煙霧檢測系統(tǒng)提示報(bào)警信息，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)排煙裝置，當(dāng)煙霧檢測值在設(shè)置報(bào)警下限或者上限，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉排煙裝置。煙霧排放裝置也可手動(dòng)開關(guān)，當(dāng)檢測裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)開關(guān)，即實(shí)彈射擊前打開煙霧排放裝置，煙霧排放結(jié)束，關(guān)閉即可。系統(tǒng)控制方式采用基于PLC控制來實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)論

該環(huán)境試驗(yàn)箱采用了防沖擊振動(dòng)保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)，防沖擊振動(dòng)整體框架結(jié)構(gòu)等措施，避免了火炮射擊過程中的沖擊振動(dòng)損壞箱體和系統(tǒng)制冷、加熱等配套設(shè)施。箱體采用了煙霧檢測、煙霧排放系統(tǒng)，避免了射擊產(chǎn)生有毒、易燃?xì)怏w帶來的操作人員中毒、爆炸現(xiàn)象發(fā)生，保證了射擊的安全性?？諝饽淮碉L(fēng)裝置保證了箱體高低溫溫度的穩(wěn)定性。監(jiān)控裝置保障了射擊時(shí)人員的安全性，同時(shí)可檢測火炮射擊過程運(yùn)行及故障情況。此外，設(shè)計(jì)的自動(dòng)開合射擊窗口，避免了火炮在裝有彈藥情況下人員手動(dòng)開合帶來的安全隱患，鎖門裝置加強(qiáng)了環(huán)境艙溫度的密閉性，降低了環(huán)境艙故障率，提高了環(huán)境艙使用壽命；防熱沖擊裝置，保障了窗口的密閉性的同時(shí)提高了窗口的使用壽命；聯(lián)動(dòng)控制模式實(shí)現(xiàn)了射擊窗口與火炮控制聯(lián)動(dòng)控制這一功能，即保障了武器系統(tǒng)的安全射擊又保障了環(huán)境艙的安全。

目前，該環(huán)境試驗(yàn)室已開展多項(xiàng)火炮系統(tǒng)實(shí)彈射擊試驗(yàn)，試驗(yàn)箱工作可靠，使用方便，為后續(xù)同類非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)提供思維借鑒。