0引言

目前在應急救生技術中使用的充氣裝置,氣體預儲存在壓力容器中,緊急情況需釋放氣體時,常見的方式之一是用手動機械觸發(fā)的方式釋放氣體,如香港中文大學學者^[1]設計的跌倒髖骨保護氣囊系統(tǒng)采用舵機帶動閥門將壓縮彈簧的彈性勢能釋放來刺穿氣瓶,氣囊充滿需要333 ms;武漢理工大學的姚冕等人^[2]設計的穿戴式跌倒預警防護系統(tǒng)的充氣機構使用舵機帶動連桿機構再帶動連桿凸輪推動刺針刺破氣瓶來實現(xiàn)氣囊的充氣,舵機通過逆時針旋轉刺破氣瓶,再反向旋轉拔出刺針釋放氣體,充氣速度慢,氣囊充滿需要800 ms;武漢理工大學的楊俊飛等人^[3]研究的穿戴式跌倒護髖安全氣囊系統(tǒng)自動充氣機構瓶口采用機械機構刺穿氣瓶,瓶口刺穿后破口尺寸小,導致充氣速度慢,充氣機構給氣囊充滿氣的平均時間為386.9 ms。

另外也有用火藥裝置引爆,推動活塞的方式觸發(fā),如日本千葉大學的研究人員^[4]設計的穿戴式跌倒防護氣囊的充氣機構就采用點燃火藥熔穿氣瓶的方式使得氣體釋放,為氣囊充氣,其優(yōu)點是速度快,能在120 ms內將氣囊充滿,缺點是噪聲大,且火藥具有較大的危險性;鄭州大學的甕恒等人[5]設計的一種自動保護呼救的人體智能氣囊,其充氣機構采用硝酸銨爆炸分解產生的氣體來對氣囊進行充氣,其優(yōu)點是能在110 ms以內快速完成充氣,缺點是較危險且 噪聲高達130 dB。

上述兩種方式都存在一定的缺點:前者的問題是速度過慢,不能自動觸發(fā),對于應急目的的救生設備,靈敏度較低;后者的問題是可靠性低,火藥裝置引爆時聲音過大,對于人員應急救生產品,多為人員佩戴式,如果裝置作用時伴隨巨大聲音和熱量,會有極大的副作用,用于人體佩戴時有較大的危險。

為解決上述問題,本文設計了一種釋放裝置,能快速完成壓縮氣瓶的刺穿,實現(xiàn)氣體的快速釋放;并且煙火裝置產生的聲音被限制在一定空間內無法擴散,從而達到快速釋放又沒有高溫灼燒和劇烈噪聲風險的效果。對于人體佩戴或置于與人體較近位置的使用場景,該設計更為安全。

1 設計方案

本裝置主要由電點火具(煙火裝置)、傳動部分(一級活塞、二級活塞)、氣源(壓縮氣瓶)、氣囊組成,如圖1所示。

1.1氣源

本設計采用二氧化碳高壓儲氣瓶用作氣體發(fā)生器的氣源。由于用于跌倒防護穿戴設備,氣瓶在撞擊情況下的安全性能非常重要。本裝置選用的氣瓶瓶身為特種鋼,瓶口用鋁合金密封,氣瓶直徑30 mm,長度139 mm,內裝38 g二氧化碳氣體,經過200次20 m高度墜落測試,沒有出現(xiàn)爆炸或漏氣情況。

1.2煙火裝置

本煙火裝置在接到控制模塊發(fā)出的點火電流后進行引爆。煙火裝置選用安全氣囊氣體發(fā)生器點火用的電點火具,成熟可靠。點火具的裝藥量為130 mg,點火電流為1.2 A/2 ms或1.75A/0.5ms,橋路電阻(2±0.3)Ω,直徑8 mm,經10 mL壓力罐測試,常溫下罐內壓力峰值為5.67Mpa。圖2為點火具在10mL密封罐內的壓力曲線。

1.3 傳動裝置

一級活塞在點火具引爆后產生的氣體推動力作用下向遠離煙火裝置的一端運動,并推動二級活塞向氣瓶方向運動,當二級活塞運動到壓縮氣瓶的瓶口位置時,將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破,使預儲存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放。

二級活塞桿頭部采用沖頭刀口設計 ,選用 Cr12MoV模具鋼,Cr12MoV的特點是耐磨性、淬透性高,微變形,能較好地滿足二級活塞的使用性能。

2結構及工作原理

2.1 裝置外觀設計

整個裝置的尺寸為68 mm×50 mm×35 mm,總質量(不含氣瓶)為145 g,總體體積小,質量輕,方便穿戴。結構如圖3所示。

2.2 工作原理

電點火具6接收點火電流后引爆,煙火藥產生火藥氣體進入煙火腔室3,推動一級活塞5,該一級活塞在進入煙火腔室內的火藥氣體的作用力下,向遠離煙火裝置的一端運動,并且運動范圍被限制在煙火腔室內。

滑動配置在導氣腔室2內的二級活塞4,在一級活塞的推動力和慣性作用下運動到壓縮氣瓶的瓶口位置時,將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破,使預儲存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放。

電點火具起爆時,產生的氣體、聲音和熱量被封閉在煙火腔室中,產生的煙火氣體只能通過設置在煙火腔室上的泄壓孔排出,或者通過一級活塞與煙火腔室內壁的間隙、導氣腔室、排氣孔排出,從而隔絕了聲音和熱量的傳播。

為方便安裝以及與外圍救生設備結合,并且密封以達到氣體充分利用的 目的,在本體外設置有一外殼1,氣體排出空腔收集所有的氣體,通過外殼上的導流孔沖入氣囊袋。

3二級活塞對瓶口沖切力的計算

3.1壓縮氣瓶封口所需沖裁力計算

沖裁力計算公式如下:

P=LtC

式中:P為沖裁力;L為沖裁周邊長度;t為材料厚度;C為材料抗拉強度。

根據(jù)二級活塞尺寸設計,沖破后瓶口直徑最大為4.8 mm,計算L:

L=πD=3.14×4.8=15.072 mm

壓縮氣瓶封口材料鋁6061,查表得知6061抗拉強度為310Mpa,C=310Mpa=310000000pa=310N/mm²。材料壁厚t=0.3 mm,故:

P=LtC=15.072×0.3×310≈1 402 N≈1.4 KN

3.2 二級活塞對瓶口瞬時沖擊力計算

點火具類似于槍支的擊發(fā)機構,活塞類似于子彈?；钊倪\動類似于子彈在槍管內的運動。

從數(shù)模測量活塞5大端上表面到零件6(點火具)下表面的距離為8mm ,一級活塞5大端直徑為14mm,根據(jù)圓柱體的體積計算公式(V=πR2H)算出密封腔室的體積,可以視為點爆時密封室的有效容積。

V=3.14 ×(14/2)²× 8=1230.88mm³

該體積同10mL密封罐比=(1230.88/1000)/10≈0.123。

采用理想氣體計算法,氣體的壓強同容積類似成正比,可以推算得出,點爆時密封室的壓強:依據(jù)該點火具在10mL密封罐的壓力曲線,設定密封罐的壓強為5Mpa。

P=5000000/0.123≈40650407pa

一級活塞桿大端上表面的壓力計算:

根據(jù)壓強公式P=F/S得:

F=PS=P× πR²=40650407×3.14×(14/2)²/1000000000≈6.25KN

當一級活塞運動到零件2,由于零件2的約束,一級活塞反彈,二級活塞(撞針)在慣性的作用下繼續(xù)向前運動,根據(jù)動量定理方程FT=MV得:

V=FT/M

式中:F為推力(管道摩擦力近似為零);T為運動時間(根據(jù)仿真計算,時間T=2.5 ms);M為運動體質量(本案為一級活塞十二級活塞的質量,其中一級活塞質量為10.5 g,二級活塞質量為5.5g)。

V=6.25×2.5/(5.5+10.5)≈0.98 KN.ms/g

這個速度可以認為是二級活塞脫離一級活塞后的初始速度。根據(jù)動量定理可以計算出,二級活塞在運動到氣瓶瓶口時的作用力。根據(jù)仿真計算得知二級活塞運動到瓶口的時間為1.05 ms。

F=MV/T=5.5×0.98/1.05≈5.13KN

以上為理論推導。為了更加精確地計算二級活塞(撞針)對瓶口沖切時產生的作用力,建立仿真模型,進行仿真計算。仿真報告如圖4所示。

仿真是按300 Mpa加載運算,從仿真結果來看,二級活塞的瞬時沖擊力為3.3 KN。

從以上計算結果來看,二級活塞產生的瞬時沖擊為5.13KN,是氣瓶封口所需沖裁力的5.13/1.4≈3.66倍。按仿真模擬結果來看,二級活塞產生瞬時沖擊力為3.3 KN,是氣瓶封口所需沖裁力的3.3/1.4≈2.36倍。以上結果表明,該設計可靠。

4 實驗測試

4.1 氣瓶沖破可靠性實驗

氣囊充氣速度同瓶口沖破的直徑直接相關,經過測量氣瓶在密封前瓶口的最大內徑為6.4 mm,封口后,密封片弱化區(qū)最大直徑為4.8 mm。據(jù)此二級活塞設計為錐面(圖5),以便瓶口沖破后對瓶口進行擴孔,同時錐面設計有利于活塞在刺穿瓶口后在壓縮氣流的作用下反彈,以免活塞卡在瓶口。

經50發(fā)實驗測試，瓶口100%被沖破,說明該裝置可靠性高。瓶口沖破后的瓶口直徑在4.7~4.8 mm,基本上同弱化區(qū)一致，如圖6和圖7所示。

4.2 氣囊充氣時間驗證

采用類似于安全氣囊的靜態(tài)展開實驗方法來驗證氣囊從點爆到氣袋充滿的時間,如圖8和圖9所示。所用設備:點火裝置、燈光、高速攝像機,該高速攝像機是2 000幀的。

經過30次靜態(tài)展開實驗驗證,充氣時間在95~108ms,能夠滿足人在摔倒時對氣囊充滿時間的要求。

4.3 噪聲及袋內溫度測試

電點火具點爆后,聲音及高溫都被相對密封在密封腔內。噪聲是瞬時產生的,高溫氣體通過泄壓孔及一級活塞間的滑配間隙進入導氣室,同壓縮氣體混合,袋內氣體同常溫基本一致。經實驗驗證,點爆時噪聲在70 dB以下,氣袋溫度同常溫基本一致。

5本裝置在一種老人腰部防摔穿戴氣囊中的應用實例及實驗驗證

本裝置在一種老人腰部防摔穿戴氣囊中有實際運用，如圖10所示。

5.1 總體構成

穿戴氣囊由摔倒檢測模塊、快速氣體釋放裝置(本裝置)、壓縮氣瓶、尼龍材質的氣囊袋、高彈力腰帶、供電電池組成。

摔倒檢測模塊可以準確判定穿戴者是否摔倒。當摔倒發(fā)生時,摔倒檢測模塊會在0.2s的時間內給電點火具一個點火電流'引爆點火具'沖破密封氣瓶'給氣囊充氣'氣囊在0.1 s內展開完成彈出并充滿氣袋。氣囊展開充滿后將包裹老人的腰部、臀部以及大腿兩側'緩沖地面對于腰部、臀部的沖擊,在碰到地面之后氣囊在幾秒鐘內保持飽滿狀態(tài),然后慢慢地自動收縮,能最大限度上減輕摔倒帶來的損傷。

5.2 氣瓶選擇

如上所述,本產品氣囊匹配的壓縮氣瓶為38 g二氧化碳氣瓶,袋內容積15 L。從點爆到充滿氣袋時間為100 ms,充滿時袋內最高壓力8.7 KN。

5.3 氣體釋放裝置

氣體釋放裝置采用本文設計的氣體自動釋放裝置,體積小,重量輕,充氣速度快(100 ms左右),噪聲低,穩(wěn)定可靠。

5.4 氣囊設計

由于此氣囊是穿戴在人的腰部,除了腰部是固定點,沒有其他地方固定氣袋。氣囊展開的需求方向如下:當人摔倒時,氣囊是緊貼人體展開,需要有一個拉力迫使氣袋朝人側緊貼展開。通過折疊方式加拉帶的方式來實現(xiàn)。

為確保保護效果,進行了一系列靜態(tài)、動態(tài)實驗。

1)靜態(tài)實驗:從高速錄像上看,從點火開始到囊袋充滿時間為85~100 ms。囊袋內溫度為30℃ ,噪聲 65~70 dB。

2)真人動態(tài)實驗:從高速錄像上可以看到,從摔倒開始到氣囊點爆時刻為350 ms,從氣囊點爆到氣囊充滿時刻為450 ms,到完全摔倒狀態(tài)時刻為540 ms,說明在人體完全接觸地面時氣囊處于充滿狀態(tài),起到了緩沖保護作用。

實驗結果顯示,穿上緩沖安全氣囊的防護裝備,比起不穿氣囊防護裝備時,髖骨所受到的沖擊力減少了70%,峰值壓力降低為3.32 KN,能量吸收減少了83.8%。髖骨骨折是由于吸收了超過其所能承受的最大范圍的能量,而氣囊可以吸收一部分作用于髖骨的能量,從而減少損傷,也證明了氣囊對于髖骨的防護作用,如圖11、12所示。

6結果與討論

為了驗證該壓縮氣體自動快速釋放裝置的實際效果,除在實驗室進行嚴苛的實驗測試外,也在多個實際場景中進行了測試。測試結果表明,與傳統(tǒng)的壓縮氣體釋放裝置相比,該裝置可靠性更高,充氣速度快(100 ms內),能夠有效避免高溫及高噪聲的影響,佩戴舒適,安全性高。同時,該裝置可以匹配不同場景需求的各種應急裝備。

7 結論

本文介紹了一種壓縮氣體自動快速釋放裝置及其在救生設備中的應用。該裝置因其自動檢測、快速響應和安全可靠等優(yōu)點,為應急救援工作提供了有力支持。通過與各類救生設備相結合,該裝置能夠在短時間內快速釋放壓縮氣體,可靠性高。實際應用結果表明,該裝置具有較高的可靠性和實用性,可廣泛應用于各類應急救援場景。

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2024年第12期第7篇