一種基于氣體炮加載技術(shù)和慣性拋射原理的水沖擊實(shí)驗(yàn)裝置＊

劉顯軍，王小龍，李思忠，鐘衛(wèi)洲，周本全

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng)621999）

相對(duì)于火箭撬、電炮等加載設(shè)備，利用壓縮氣體作動(dòng)力源的氣體炮［1－4］具有干凈、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。隨著各種緩沖材料（如橡膠、泡沫鋁等）和緩沖器的開發(fā)利用［5－7］，高速負(fù)載的緩沖與回收技術(shù)也越來越成熟，使慣性拋射技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，如各種沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備、彈丸加載裝置等［8－9］。在水沖擊實(shí)驗(yàn)［10－12］中，需要發(fā)射具有一定速度的規(guī)則形狀水柱，作為實(shí)驗(yàn)件入水出水沖擊過程模擬的實(shí)驗(yàn)條件。目前的水流發(fā)射裝置如水壓鑿巖機(jī)等［13－14］，都通過活塞推射的方式實(shí)現(xiàn)水流射出，速度與沖擊力可調(diào)節(jié)，但由于活塞作用到水面上的壓力不均勻，水柱形狀容易破壞，不符合水沖擊實(shí)驗(yàn)的要求。

本文中基于氣體炮加載技術(shù)和慣性拋射原理，研制一套水沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)規(guī)則形狀水柱按照設(shè)定速度發(fā)射，為各種水沖擊實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)手段。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置發(fā)射原理

該裝置在活塞推射技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一拋射筒取代活塞，將水柱裝在拋射筒內(nèi)；利用氣體炮產(chǎn)生的動(dòng)力加載拋射筒，達(dá)到設(shè)定速度時(shí)撞擊緩沖件得到減速，筒內(nèi)水柱在慣性作用下飛出；根據(jù)一級(jí)氣體炮內(nèi)彈道理論，可計(jì)算出水柱飛出速度。拋射筒材料采用高強(qiáng)度合金鋼，緩沖件材料采用橡膠，裝置在發(fā)射水柱后拋射筒可再次使用。

如圖1所示，裝置工作過程為以下4個(gè)步驟：（1）首先關(guān)閉閥門，拋射筒放置到位，并在氣室中充滿壓縮空氣；（2）打開閥門，氣室內(nèi)壓縮空氣瞬間釋放，產(chǎn)生的壓力p將推動(dòng)拋射筒（內(nèi)裝待拋物）在炮管內(nèi)加速；（3）當(dāng)拋射筒完成加速后，將獲得一定的初速度v，并撞擊緩沖件；（4）拋射筒受緩沖作用減速停下，最后待拋物在慣性的作用下以速度v0（略小于v）發(fā)射出去。

根據(jù)一級(jí)氣體炮的內(nèi)彈道理論［1］，不考慮各種摩擦與損耗時(shí)，拋射筒獲得的速度

圖1 基于氣體炮加載技術(shù)的慣性拋射原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of inertia projecting based on load technology of gas gun

基于上述慣性拋射原理來實(shí)現(xiàn)規(guī)則水柱的發(fā)射，利用流體模擬軟件FLUENT進(jìn)行模擬。如圖2所示，拋射筒（內(nèi)裝水）以35 m/s的速度向上運(yùn)動(dòng)，某時(shí)刻迅速回收拋射筒，使其在短距離內(nèi)速度降為零，水柱因慣性作用飛出，出筒速度大于30 m/s、水柱形狀保持較好。模擬結(jié)果表明，慣性拋射方式可實(shí)現(xiàn)規(guī)則形狀水柱的發(fā)射。

圖2 水柱慣性拋射的模擬分析結(jié)果Fig.2 Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect

1.2 裝置結(jié)構(gòu)組成

裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由氣室、活塞、炮管、拋射筒、緩沖件、限位環(huán)等組成。氣室中充滿壓縮空氣，活塞打開以后，氣體瞬間釋放產(chǎn)生的動(dòng)力推動(dòng)拋射筒在炮管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，獲得一定速度后撞擊緩沖件減速，拋射筒內(nèi)水在慣性作用下飛出，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)則形狀水柱的發(fā)射。

氣室分為前、后2個(gè)腔，前腔用于充壓縮氣體，后腔給活塞提供運(yùn)動(dòng)空間。

活塞由活塞桿和密封錐2部分組成，活塞桿在氣室后腔運(yùn)動(dòng)，密封錐采用銅材料、可壓緊氣室前腔放氣口。

為了拆裝方便，炮管由炮管口和炮管座2部分組成；炮管口周壁上開有條形槽，可及時(shí)排放發(fā)射過程中釋放的空氣。

拋射筒由薄壁圓筒和撞擊盤組成，連接部位局部加厚，可提高強(qiáng)度。

緩沖墊安裝于炮管口處，環(huán)向安裝間隙大于緩沖墊厚度，以提供膨脹空間。

限位環(huán)采用銅材料，可在不碰傷拋射筒的前提下起導(dǎo)向作用。

圖3 水沖擊實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of device for ejecting water

1.3 拋射筒沖擊與緩沖分析

設(shè)拋射筒尺寸為直徑200 mm、長(zhǎng)1 m，裝滿水后總質(zhì)量約為100 kg，經(jīng)氣體炮加載后獲得的速度為35 m/s，根據(jù)動(dòng)能定理，拋射筒撞擊緩沖墊的總能量為61.25 kJ。拋射筒材料采用高強(qiáng)度合金（如30Cr MnSiA），緩沖墊材料采用丁基橡膠，通過有限元模擬分析得到，如圖4所示：拋射筒壁、盤連接根部的應(yīng)力最大（676 MPa），在材料的允許范圍內(nèi)（30Cr MnSi A材料的屈服應(yīng)力可達(dá)800 MPa以上），這說明拋射筒未發(fā)生塑性破壞、下次實(shí)驗(yàn)可再次使用；緩沖墊最大壓縮量約為62 mm，屬于彈性變形，壓縮后將恢復(fù)變形；炮管的螺栓連接處應(yīng)力最大（約390MPa），一般的中等強(qiáng)度材料即可滿足；炮管口和炮管座的連接螺栓應(yīng)力最大約660MPa，8.9級(jí)強(qiáng)度螺栓可滿足連接要求。

1.4 拋射筒發(fā)射速度測(cè)試

采用一種非接觸式的光電測(cè)速方法，如圖5所示，2對(duì)光纖傳感器（每1對(duì)包括1個(gè)發(fā)射器、1個(gè)接收器）相距L，拋射筒運(yùn)動(dòng)過程中依次通過2對(duì)傳感器并擋住光線，從傳感器信號(hào)中讀取光線被遮擋的時(shí)刻t1、t2，則拋射筒速度為v＝L/（t1－t2）。該測(cè)速方法易于控制、測(cè)試精度高，不受水環(huán)境影響。

圖5 拋射筒發(fā)射速度的非接觸式測(cè)量方法Fig.5 Uncontacted method for measuring speed of projecting cylinder

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，研制了一套水沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）裝置重約3.5 t，高約3 m；

（2）可發(fā)射水柱尺寸為?200 mm×1 m；

（3）水柱發(fā)射速度可達(dá)40 m/s，速度測(cè)量精度可達(dá)0.01 m。

采用該裝置開展了實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了尺寸為?200 mm×1 m水柱的發(fā)射，如圖6所示，水柱出筒時(shí)形狀較好，噴出的水柱可以用作各種結(jié)構(gòu)件的水沖擊實(shí)驗(yàn)，水柱發(fā)射后拋射筒后保持完好。在氣室壓力為1.0 MPa時(shí)，開展發(fā)射實(shí)驗(yàn)，通過非接觸式測(cè)量方法［15］測(cè)定拋射筒獲得的速度為30.15 m/s，而利用式（1）計(jì)算得到的速度為32 m/s，實(shí)際值與理論值比較接近，誤差是由于式（1）沒有考慮各種摩擦與損耗；實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定不同的氣室壓力，即可獲得拋射筒不同的加載速度，從而得到水柱發(fā)射的設(shè)定速度。

圖6 慣性拋射裝置的水柱發(fā)射實(shí)驗(yàn)Fig.6 Photo of device for ejecting water column

3 結(jié) 語

基于氣體炮加載技術(shù)和慣性拋射原理，研制了可實(shí)現(xiàn)規(guī)則形狀水柱按照設(shè)定速度發(fā)射的拋射裝置。該裝置利用氣體炮動(dòng)力加載裝有水的拋射筒，達(dá)到設(shè)定速度時(shí)撞擊緩沖件得到減速，筒內(nèi)水柱在慣性作用下飛出；拋射筒材料采用高強(qiáng)度合金鋼，緩沖件材料采用橡膠，在水柱發(fā)射后拋射筒可再次使用。采用該裝置開展了尺寸為?200 mm×1 m水柱的發(fā)射實(shí)驗(yàn)，水柱速度與形狀均滿足水沖擊實(shí)驗(yàn)的要求；采用非接觸的光電測(cè)速方法測(cè)量了發(fā)射速度，與理論計(jì)算結(jié)果相符合。

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