含金屬絲網(wǎng)燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣過程的試驗研究

吳 晨，江 坤，黃 明

(南京理工大學(xué)，能源與動力工程學(xué)院，南京 210094)

1 引言

燃?xì)獍l(fā)生器是子母彈拋撒武器、汽車安全氣囊等系統(tǒng)的主要裝置之一，氣囊是囊式拋撒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在實際工程應(yīng)用中受到高壓、高溫燃?xì)鉀_擊，易發(fā)生破損情況。氣囊一旦發(fā)生破損，囊內(nèi)壓力急劇下降，將直接影響到子彈的拋撒速度及散布情況，無法保證燃?xì)獍l(fā)生系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。目前部分學(xué)者為防止氣囊破損，對氣囊材料強(qiáng)度及拋撒藥劑等方面展開試驗和理論研究。

房玉軍等提出以氮氣發(fā)生劑作為囊式拋撒燃?xì)獍l(fā)生器拋撒藥，并設(shè)計了對應(yīng)試驗。試驗采用單艙、雙艙2種拋撒裝置，使用氮氣發(fā)生劑作為拋撒藥，同時對艙兩側(cè)氣囊充氣。同時設(shè)計了過多藥量時氣囊破裂試驗。試驗結(jié)果表明采用氮氣發(fā)生劑為拋撒藥時，囊內(nèi)峰值壓力較低，拋撒過載小；氣囊破損時，將大大降低子彈拋撒速度。王帥等對一種復(fù)合材料的氣囊進(jìn)行了試驗研究。該氣囊材料中心為芳綸布，上下層為橡膠通過環(huán)氧樹脂與芳綸布黏合。經(jīng)過拉伸試驗得出該復(fù)合材料在拉伸過程中沒有明顯屈服現(xiàn)象，具有一定線性黏彈性。設(shè)計了氣囊承壓試驗與拋撒試驗，驗證該復(fù)合材料氣囊在3.5 MPa壓力下未出現(xiàn)明顯破裂，子彈拋撒速度可達(dá)到12 m/s，加速度為400，表明該復(fù)合材料氣囊具有較良好承壓能力。吳昊等通過試驗分析研究了不同材料過濾介質(zhì)的性能表現(xiàn)。研究表明不銹鋼絲壓制網(wǎng)整體不易少穿，能夠較好過濾殘渣，同時具有一定儲熱能力，能對燃?xì)膺M(jìn)行一定程度的降溫。

2 試驗裝置

1)燃?xì)獍l(fā)生器

本文在傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了降溫室，燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由點火座、點火藥室、主裝藥室、低壓室、降溫室、堵蓋、絲網(wǎng)擋板及其他元器件組成。主要腔室尺寸如表1。為了便于采集燃?xì)鈪?shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計與氣囊等效體積的金屬儲氣罐，試驗時將堵蓋旋轉(zhuǎn)安裝在燃?xì)獍l(fā)生器一側(cè)，使燃?xì)鈴牧硪粋?cè)單向流入儲氣罐。其中。主裝藥室周向分布4個直徑1 mm的通孔。低壓室一側(cè)為4個直徑2 mm燃?xì)馔ǖ?。擋板?9個直徑為3 mm的通孔。

1-堵蓋；2-低壓室；3-主裝藥室；4-點火藥室；5-點火座；6-降溫室；7-絲網(wǎng)擋板圖1 燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of gas generator

表1 燃?xì)獍l(fā)生器主要腔室尺寸Tabel 1 Dimensions of main chamber of gas generator

2)金屬儲氣罐

燃?xì)饨?jīng)過降溫室降壓、降溫后對密閉儲氣罐充氣。該儲氣罐與實際氣囊體積等效，由304不銹鋼制成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。儲氣罐內(nèi)徑為80 mm，內(nèi)徑有效長度為110 mm。儲氣罐右側(cè)有3處開孔：2號孔為2號測壓孔，用以安裝壓力傳感器測量降溫室壓力；3號孔為泄壓孔，用以安裝泄壓螺栓；4號孔為測溫孔，用以安裝熱電偶。

1-儲氣罐本體；2-2號測壓孔；3-泄壓孔；4-測溫孔圖2 儲氣罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of air storage tank

3)氣囊

氣囊由芳綸織布、橡膠復(fù)合材料制成，直徑為50 mm，長度為450 mm。氣囊照片如圖3。

圖3 氣囊照片F(xiàn)ig.3 Gasbag of the experiment

4)金屬絲網(wǎng)

試驗采用30目、100目2種304不銹鋼壓制金屬絲網(wǎng)，該絲網(wǎng)具有強(qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)點。30目金屬絲網(wǎng)絲徑為0.15 mm、孔徑0.7 mm，100目金屬絲網(wǎng)絲徑為0.07 mm、孔徑為0.19 mm。金屬絲網(wǎng)經(jīng)裁剪后裝填入降溫室中，裝填厚度約為10 mm，裝填后如圖4所示。

如果一個企業(yè)的文化中原本就包含著 “追求創(chuàng)新、鼓勵改善”的思想，那么對精益思想的抗拒很快就會變成變革的動力；相反如果企業(yè)文化保留著傳統(tǒng)的生產(chǎn)思想，那么這種抗拒就會對企業(yè)精益轉(zhuǎn)型造成巨大的阻礙。

圖4 金屬絲網(wǎng)裝填示意圖Fig.4 Wire mesh in cooling chamber

3 試驗方案設(shè)計及試驗測試系統(tǒng)

3.1 實驗方案

為了研究金屬絲網(wǎng)對燃?xì)獾慕祲?、降溫效果，需要進(jìn)行多次不同工況下試驗來對比分析。由于實際氣囊為芳綸/橡膠復(fù)合材料制成，不易獲得囊內(nèi)燃?xì)鈹?shù)據(jù)，故設(shè)計等效體積的金屬儲氣罐用于試驗以獲得囊內(nèi)燃?xì)鈮毫?、溫度曲線。本文試驗根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器充氣對象分為2個部分：第一部分為燃?xì)獍l(fā)生器對金屬儲氣罐充氣試驗，第二部分為燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣試驗。

1)燃?xì)獍l(fā)生器對儲氣罐充氣試驗

試驗分為3種工況，試驗工況參數(shù)表如表2：① 降溫室內(nèi)不含金屬絲網(wǎng)；② 降溫室內(nèi)填充10 mm厚的30目金屬絲網(wǎng)；③ 降溫室內(nèi)填充10 mm厚的100目金屬絲網(wǎng)。由電點火頭點燃點火藥后，主裝藥燃燒產(chǎn)生燃?xì)猓?jīng)過低壓室后流入降溫室，最后向金屬儲氣罐充氣。在降壓室側(cè)面及儲氣罐尾部設(shè)置測壓點，通過壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集器獲取降壓室及儲氣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫η€。在儲氣罐尾部設(shè)置測溫點，通過壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集器獲取降壓室及儲氣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫η€。在儲氣罐尾部設(shè)置測溫點，通過熱電偶及數(shù)據(jù)采集器獲取儲氣罐內(nèi)燃?xì)鉁囟惹€。通過對比分析不同工況下燃?xì)獾膲毫Α囟惹€獲取金屬絲網(wǎng)對燃?xì)獾膲毫?、溫度影響?/p>

2)燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣試驗

燃?xì)獍l(fā)生器充氣試驗分為3種工況，有關(guān)工況參數(shù)如表2所示。通過高速攝像機(jī)記錄燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣過程，觀測燃?xì)獍l(fā)生器實際充氣效果。

表2 燃?xì)獍l(fā)生器充氣試驗工況參數(shù)Tabel 2 Gas generator inflation test condition parameter table

3.2 試驗測試系統(tǒng)

本文試驗為研究金屬絲網(wǎng)對燃?xì)鈮毫?、溫度的影響，需要分析燃?xì)膺M(jìn)入儲氣裝置后的壓力、溫度變化規(guī)律并觀測燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊的充氣過程。其中壓力數(shù)據(jù)通過KISTLER公司生產(chǎn)的KISTLER-601H型壓電式壓力傳感器及DEWE2500型多通道瞬態(tài)信號記錄儀獲得，溫度數(shù)據(jù)通過OMEGA公司生產(chǎn)的CO2-k型熱電偶及信號記錄儀獲得，氣囊充氣過程通過高速攝像機(jī)記錄。其中燃?xì)獍l(fā)生器對儲氣罐充氣試驗測試系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖5所示。

圖5 燃?xì)獍l(fā)生器對金屬儲氣罐充氣試驗現(xiàn)場布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of test site layout of gas generator inflating metal air storage tank

4 試驗結(jié)果分析

4.1 燃?xì)獍l(fā)生器對儲氣罐充氣試驗結(jié)果分析

圖6為儲氣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫η€，壓力起始時間從點火時刻開始。由于儲氣罐為不銹鋼材質(zhì)，且體積較大，燃?xì)饬魅雰夤藓笈c儲氣罐換熱充分，因此存在一定的熱耗散，測量的壓力數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)都比實際情況偏低。整體來看，在燃?xì)膺M(jìn)入儲氣罐后，罐內(nèi)壓力迅速升高。到達(dá)10 ms左右時，由于火藥已經(jīng)基本燒完，燃?xì)饬髁繙p小，儲氣罐內(nèi)壓力上升趨勢減緩，隨后由于降溫室與儲氣罐之間壓差逐漸減小，儲氣罐內(nèi)壓力上升趨勢逐漸平緩。另外從圖中可以清晰看到，金屬絲網(wǎng)的存在使得儲氣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫ι仙^緩慢，同時儲氣罐內(nèi)最高壓力降低。其中，金屬絲網(wǎng)使燃?xì)鈮毫档偷脑蛴袃牲c：① 流動受阻造成的慣性力損失；② 由于燃?xì)庾陨碚承粤敖饘俳z網(wǎng)結(jié)構(gòu)造成的摩擦、渦旋、流體分離等粘性力損失?？傮w看來，在燃?xì)庵饕尫牌陂g(即點火之后的前30 ms)，無絲網(wǎng)時罐內(nèi)最高壓力達(dá)到1.92 MPa，裝填30、100目金屬絲網(wǎng)時罐內(nèi)最高壓力分別達(dá)到1.58 MPa、1.4 MPa。裝填30、100目金屬絲網(wǎng)時，罐內(nèi)壓力在前30 ms時間段平均下降了22.1%、35.3%。

圖6 儲氣罐內(nèi)壓力曲線Fig.6 Pressure curve in air tank

圖7為儲氣罐溫度曲線。同樣由于試驗存在熱耗散的原因，使得儲氣罐內(nèi)燃?xì)鉁囟绕?。由于受到熱電偶響?yīng)時間的限制，該溫度曲線初始時刻從熱電偶采集到燃?xì)獾臏囟葦?shù)據(jù)開始。從圖中可以看到，在0 ms溫度急劇上升，隨后趨于平緩。裝填有金屬絲網(wǎng)的儲氣罐內(nèi)燃?xì)鉁囟日w低于沒有裝填金屬絲網(wǎng)的，且隨著孔隙率減小溫度曲線越平緩，最高溫度越低。這是由于燃?xì)庠诮?jīng)過金屬絲網(wǎng)時，由于粘性力損失及慣性力損失造成部分能量損失，同時還有部分能量以直接以換熱的形式損耗。在燃?xì)庵饕尫牌陂g，無絲網(wǎng)時罐內(nèi)最高溫度達(dá)到1 120 K，裝填30、100目金屬絲網(wǎng)時罐內(nèi)最高溫度分別達(dá)到1 042 K、910 K。裝填30、100目金屬絲網(wǎng)時，罐內(nèi)溫度在前30 ms平均下降10.0%、23.4%。

圖7 儲氣罐內(nèi)溫度曲線Fig.7 Temperature curve in air storage tank

4.2 燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣試驗結(jié)果分析

為驗證裝填金屬絲網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊的實際充氣效果，進(jìn)行了不同工況燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣試驗。在3次試驗中，裝填100目金屬絲網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣效果良好，未發(fā)生破損。裝填30目金屬絲網(wǎng)及未裝填金屬絲網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣時，氣囊均出現(xiàn)破損漏氣現(xiàn)象。

圖8(a)為未裝填金屬絲網(wǎng)時燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣時照片，可以看到氣囊出現(xiàn)大量漏氣，氣囊比較干癟。比對圖9(a)的氣囊照片，可以看到充氣后氣囊出現(xiàn)了3處破損。圖8(b)為裝填30目金屬絲網(wǎng)時燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣時照片，可以看到氣囊出現(xiàn)部分漏氣。比對圖9(b)的氣囊破損照片，可以看到充氣后氣囊出現(xiàn)了一處破損。圖8(c)為裝填100目金屬絲網(wǎng)時燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣照片，可以看到氣囊未出現(xiàn)漏氣，充氣效果較良好。圖9(b)為試驗后氣囊照片，可以看到氣囊完好，未出現(xiàn)破損。

圖8 不同工況燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣試驗照片F(xiàn)ig.8 Photos of gas generator inflation test on airbag under different working conditions

圖9 不同工況試驗后氣囊照片F(xiàn)ig.9 Photos of airbag after test under different working conditions

5 結(jié)論

1)裝填不同金屬絲網(wǎng)后的燃?xì)獍l(fā)生器在對儲氣罐充氣過程中，儲氣罐內(nèi)壓力、溫度都有不同程度的降低。其中，在燃?xì)庵饕尫牌陂g，裝填30目、100目金屬絲網(wǎng)的工況相較于未裝填絲網(wǎng)的，罐內(nèi)壓力平均下降了22.1%、35.3%，罐內(nèi)溫度平均下降了10.0%、23.4%。說明金屬絲網(wǎng)對燃?xì)饩哂辛己玫慕祲?、降溫效果，且金屬絲網(wǎng)目數(shù)越高，降壓、降溫效果越好。

2)在相同裝藥工況下，未裝填金屬絲網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣時，氣囊破損，出現(xiàn)大量漏氣，氣囊未能完全充氣展開；裝填30目金屬絲網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣時，氣囊也出現(xiàn)少量漏氣，同樣未能完全展開；裝填100目金屬絲網(wǎng)后的燃?xì)獍l(fā)生器對氣囊充氣效果良好，未出現(xiàn)漏氣。結(jié)果表明裝填金屬絲網(wǎng)后的燃?xì)獍l(fā)生器切實對燃?xì)庥薪祲?、降溫的效果，能夠起到防止氣囊破損的作用。