0引言

目前在應(yīng)急救生技術(shù)中使用的充氣裝置,氣體預(yù)儲(chǔ)存在壓力容器中,緊急情況需釋放氣體時(shí),常見的方式之一是用手動(dòng)機(jī)械觸發(fā)的方式釋放氣體,如香港中文大學(xué)學(xué)者^[1]設(shè)計(jì)的跌倒髖骨保護(hù)氣囊系統(tǒng)采用舵機(jī)帶動(dòng)閥門將壓縮彈簧的彈性勢(shì)能釋放來(lái)刺穿氣瓶,氣囊充滿需要333 ms;武漢理工大學(xué)的姚冕等人^[2]設(shè)計(jì)的穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)的充氣機(jī)構(gòu)使用舵機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)連桿凸輪推動(dòng)刺針刺破氣瓶來(lái)實(shí)現(xiàn)氣囊的充氣,舵機(jī)通過(guò)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)刺破氣瓶,再反向旋轉(zhuǎn)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(xué)的楊俊飛等人^[3]研究的穿戴式跌倒護(hù)髖安全氣囊系統(tǒng)自動(dòng)充氣機(jī)構(gòu)瓶口采用機(jī)械機(jī)構(gòu)刺穿氣瓶,瓶口刺穿后破口尺寸小,導(dǎo)致充氣速度慢,充氣機(jī)構(gòu)給氣囊充滿氣的平均時(shí)間為386.9 ms。

另外也有用火藥裝置引爆,推動(dòng)活塞的方式觸發(fā),如日本千葉大學(xué)的研究人員^[4]設(shè)計(jì)的穿戴式跌倒防護(hù)氣囊的充氣機(jī)構(gòu)就采用點(diǎn)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(diǎn)是速度快,能在120 ms內(nèi)將氣囊充滿,缺點(diǎn)是噪聲大,且火藥具有較大的危險(xiǎn)性;鄭州大學(xué)的甕恒等人[5]設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)保護(hù)呼救的人體智能氣囊,其充氣機(jī)構(gòu)采用硝酸銨爆炸分解產(chǎn)生的氣體來(lái)對(duì)氣囊進(jìn)行充氣,其優(yōu)點(diǎn)是能在110 ms以內(nèi)快速完成充氣,缺點(diǎn)是較危險(xiǎn)且 噪聲高達(dá)130 dB。

上述兩種方式都存在一定的缺點(diǎn):前者的問(wèn)題是速度過(guò)慢,不能自動(dòng)觸發(fā),對(duì)于應(yīng)急目的的救生設(shè)備,靈敏度較低;后者的問(wèn)題是可靠性低,火藥裝置引爆時(shí)聲音過(guò)大,對(duì)于人員應(yīng)急救生產(chǎn)品,多為人員佩戴式,如果裝置作用時(shí)伴隨巨大聲音和熱量,會(huì)有極大的副作用,用于人體佩戴時(shí)有較大的危險(xiǎn)。

為解決上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種釋放裝置,能快速完成壓縮氣瓶的刺穿,實(shí)現(xiàn)氣體的快速釋放;并且煙火裝置產(chǎn)生的聲音被限制在一定空間內(nèi)無(wú)法擴(kuò)散,從而達(dá)到快速釋放又沒有高溫灼燒和劇烈噪聲風(fēng)險(xiǎn)的效果。對(duì)于人體佩戴或置于與人體較近位置的使用場(chǎng)景,該設(shè)計(jì)更為安全。

1 設(shè)計(jì)方案

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

1.1氣源

本設(shè)計(jì)采用二氧化碳高壓儲(chǔ)氣瓶用作氣體發(fā)生器的氣源。由于用于跌倒防護(hù)穿戴設(shè)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(zhǎng)度139 mm,內(nèi)裝38 g二氧化碳?xì)怏w,經(jīng)過(guò)200次20 m高度墜落測(cè)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(diǎn)火電流后進(jìn)行引爆。煙火裝置選用安全氣囊氣體發(fā)生器點(diǎn)火用的電點(diǎn)火具,成熟可靠。點(diǎn)火具的裝藥量為130 mg,點(diǎn)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(jīng)10 mL壓力罐測(cè)試,常溫下罐內(nèi)壓力峰值為5.67Mpa。圖2為點(diǎn)火具在10mL密封罐內(nèi)的壓力曲線。

1.3 傳動(dòng)裝置

一級(jí)活塞在點(diǎn)火具引爆后產(chǎn)生的氣體推動(dòng)力作用下向遠(yuǎn)離煙火裝置的一端運(yùn)動(dòng),并推動(dòng)二級(jí)活塞向氣瓶方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)二級(jí)活塞運(yùn)動(dòng)到壓縮氣瓶的瓶口位置時(shí),將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破,使預(yù)儲(chǔ)存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放。

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

2結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 裝置外觀設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置的尺寸為68 mm×50 mm×35 mm,總質(zhì)量(不含氣瓶)為145 g,總體體積小,質(zhì)量輕,方便穿戴。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 工作原理

電點(diǎn)火具6接收點(diǎn)火電流后引爆,煙火藥產(chǎn)生火藥氣體進(jìn)入煙火腔室3,推動(dòng)一級(jí)活塞5,該一級(jí)活塞在進(jìn)入煙火腔室內(nèi)的火藥氣體的作用力下,向遠(yuǎn)離煙火裝置的一端運(yùn)動(dòng),并且運(yùn)動(dòng)范圍被限制在煙火腔室內(nèi)。

滑動(dòng)配置在導(dǎo)氣腔室2內(nèi)的二級(jí)活塞4,在一級(jí)活塞的推動(dòng)力和慣性作用下運(yùn)動(dòng)到壓縮氣瓶的瓶口位置時(shí),將壓縮氣瓶瓶口上的封口擊破,使預(yù)儲(chǔ)存在壓縮氣瓶中的壓縮氣體釋放。

電點(diǎn)火具起爆時(shí),產(chǎn)生的氣體、聲音和熱量被封閉在煙火腔室中,產(chǎn)生的煙火氣體只能通過(guò)設(shè)置在煙火腔室上的泄壓孔排出,或者通過(guò)一級(jí)活塞與煙火腔室內(nèi)壁的間隙、導(dǎo)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(shè)備結(jié)合,并且密封以達(dá)到氣體充分利用的 目的,在本體外設(shè)置有一外殼1,氣體排出空腔收集所有的氣體,通過(guò)外殼上的導(dǎo)流孔沖入氣囊袋。

3二級(jí)活塞對(duì)瓶口沖切力的計(jì)算

3.1壓縮氣瓶封口所需沖裁力計(jì)算

沖裁力計(jì)算公式如下:

P=LtC

式中:P為沖裁力;L為沖裁周邊長(zhǎng)度;t為材料厚度;C為材料抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)二級(jí)活塞尺寸設(shè)計(jì),沖破后瓶口直徑最大為4.8 mm,計(jì)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(qiáng)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(jí)活塞對(duì)瓶口瞬時(shí)沖擊力計(jì)算

點(diǎn)火具類似于槍支的擊發(fā)機(jī)構(gòu),活塞類似于子彈?；钊倪\(yùn)動(dòng)類似于子彈在槍管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

從數(shù)模測(cè)量活塞5大端上表面到零件6(點(diǎn)火具)下表面的距離為8mm ,一級(jí)活塞5大端直徑為14mm,根據(jù)圓柱體的體積計(jì)算公式(V=πR2H)算出密封腔室的體積,可以視為點(diǎn)爆時(shí)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(jì)算法,氣體的壓強(qiáng)同容積類似成正比,可以推算得出,點(diǎn)爆時(shí)密封室的壓強(qiáng):依據(jù)該點(diǎn)火具在10mL密封罐的壓力曲線,設(shè)定密封罐的壓強(qiáng)為5Mpa。

P=5000000/0.123≈40650407pa

一級(jí)活塞桿大端上表面的壓力計(jì)算:

根據(jù)壓強(qiáng)公式P=F/S得:

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

當(dāng)一級(jí)活塞運(yùn)動(dòng)到零件2,由于零件2的約束,一級(jí)活塞反彈,二級(jí)活塞(撞針)在慣性的作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),根據(jù)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)間(根據(jù)仿真計(jì)算,時(shí)間T=2.5 ms);M為運(yùn)動(dòng)體質(zhì)量(本案為一級(jí)活塞十二級(jí)活塞的質(zhì)量,其中一級(jí)活塞質(zhì)量為10.5 g,二級(jí)活塞質(zhì)量為5.5g)。

V=6.25×2.5/(5.5+10.5)≈0.98 KN.ms/g

這個(gè)速度可以認(rèn)為是二級(jí)活塞脫離一級(jí)活塞后的初始速度。根據(jù)動(dòng)量定理可以計(jì)算出,二級(jí)活塞在運(yùn)動(dòng)到氣瓶瓶口時(shí)的作用力。根據(jù)仿真計(jì)算得知二級(jí)活塞運(yùn)動(dòng)到瓶口的時(shí)間為1.05 ms。

F=MV/T=5.5×0.98/1.05≈5.13KN

以上為理論推導(dǎo)。為了更加精確地計(jì)算二級(jí)活塞(撞針)對(duì)瓶口沖切時(shí)產(chǎn)生的作用力,建立仿真模型,進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真報(bào)告如圖4所示。

仿真是按300 Mpa加載運(yùn)算,從仿真結(jié)果來(lái)看,二級(jí)活塞的瞬時(shí)沖擊力為3.3 KN。

從以上計(jì)算結(jié)果來(lái)看,二級(jí)活塞產(chǎn)生的瞬時(shí)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(jié)果來(lái)看,二級(jí)活塞產(chǎn)生瞬時(shí)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(jié)果表明,該設(shè)計(jì)可靠。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 氣瓶沖破可靠性實(shí)驗(yàn)

氣囊充氣速度同瓶口沖破的直徑直接相關(guān),經(jīng)過(guò)測(cè)量氣瓶在密封前瓶口的最大內(nèi)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(jí)活塞設(shè)計(jì)為錐面(圖5),以便瓶口沖破后對(duì)瓶口進(jìn)行擴(kuò)孔,同時(shí)錐面設(shè)計(jì)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(jīng)50發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，瓶口100%被沖破,說(shuō)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(shí)間驗(yàn)證

采用類似于安全氣囊的靜態(tài)展開實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證氣囊從點(diǎn)爆到氣袋充滿的時(shí)間,如圖8和圖9所示。所用設(shè)備:點(diǎn)火裝置、燈光、高速攝像機(jī),該高速攝像機(jī)是2 000幀的。

經(jīng)過(guò)30次靜態(tài)展開實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,充氣時(shí)間在95~108ms,能夠滿足人在摔倒時(shí)對(duì)氣囊充滿時(shí)間的要求。

4.3 噪聲及袋內(nèi)溫度測(cè)試

電點(diǎn)火具點(diǎn)爆后,聲音及高溫都被相對(duì)密封在密封腔內(nèi)。噪聲是瞬時(shí)產(chǎn)生的,高溫氣體通過(guò)泄壓孔及一級(jí)活塞間的滑配間隙進(jìn)入導(dǎo)氣室,同壓縮氣體混合,袋內(nèi)氣體同常溫基本一致。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,點(diǎn)爆時(shí)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(yīng)用實(shí)例及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本裝置在一種老人腰部防摔穿戴氣囊中有實(shí)際運(yùn)用，如圖10所示。

5.1 總體構(gòu)成

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

摔倒檢測(cè)模塊可以準(zhǔn)確判定穿戴者是否摔倒。當(dāng)摔倒發(fā)生時(shí),摔倒檢測(cè)模塊會(huì)在0.2s的時(shí)間內(nèi)給電點(diǎn)火具一個(gè)點(diǎn)火電流'引爆點(diǎn)火具'沖破密封氣瓶'給氣囊充氣'氣囊在0.1 s內(nèi)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(cè)'緩沖地面對(duì)于腰部、臀部的沖擊,在碰到地面之后氣囊在幾秒鐘內(nèi)保持飽滿狀態(tài),然后慢慢地自動(dòng)收縮,能最大限度上減輕摔倒帶來(lái)的損傷。

5.2 氣瓶選擇

如上所述,本產(chǎn)品氣囊匹配的壓縮氣瓶為38 g二氧化碳?xì)馄?袋內(nèi)容積15 L。從點(diǎn)爆到充滿氣袋時(shí)間為100 ms,充滿時(shí)袋內(nèi)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(shè)計(jì)的氣體自動(dòng)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(shè)計(jì)

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

為確保保護(hù)效果,進(jìn)行了一系列靜態(tài)、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

1)靜態(tài)實(shí)驗(yàn):從高速錄像上看,從點(diǎn)火開始到囊袋充滿時(shí)間為85~100 ms。囊袋內(nèi)溫度為30℃ ,噪聲 65~70 dB。

2)真人動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn):從高速錄像上可以看到,從摔倒開始到氣囊點(diǎn)爆時(shí)刻為350 ms,從氣囊點(diǎn)爆到氣囊充滿時(shí)刻為450 ms,到完全摔倒?fàn)顟B(tài)時(shí)刻為540 ms,說(shuō)明在人體完全接觸地面時(shí)氣囊處于充滿狀態(tài),起到了緩沖保護(hù)作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,穿上緩沖安全氣囊的防護(hù)裝備,比起不穿氣囊防護(hù)裝備時(shí),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(guò)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(duì)于髖骨的防護(hù)作用,如圖11、12所示。

6結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證該壓縮氣體自動(dòng)快速釋放裝置的實(shí)際效果,除在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)測(cè)試外,也在多個(gè)實(shí)際場(chǎng)景中進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)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(nèi)),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(shí),該裝置可以匹配不同場(chǎng)景需求的各種應(yīng)急裝備。

7 結(jié)論

本文介紹了一種壓縮氣體自動(dòng)快速釋放裝置及其在救生設(shè)備中的應(yīng)用。該裝置因其自動(dòng)檢測(cè)、快速響應(yīng)和安全可靠等優(yōu)點(diǎn),為應(yīng)急救援工作提供了有力支持。通過(guò)與各類救生設(shè)備相結(jié)合,該裝置能夠在短時(shí)間內(nèi)快速釋放壓縮氣體,可靠性高。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,該裝置具有較高的可靠性和實(shí)用性,可廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)急救援場(chǎng)景。

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