便攜式自行火炮制氮充氮設備研制與應用

吳付栓， 陳遠江， 張 燁，徐紅歌

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便攜式自行火炮制氮充氮設備研制與應用

吳付栓， 陳遠江， 張 燁，徐紅歌

（武漢軍械士官學校，武漢 430075）

依據近年來新型火炮光電儀器維修保障實際，設計研制的自行火炮制氮充氮設備以空氣為原料，碳分子篩(CMS)為吸附劑，利用變壓吸附原理，根據氧氮氣體分子向微孔內擴散速度差異特性進行氧氮分離制取氮氣。運用可編程邏輯器件控制主機運行，確保精確輸出壓力。本文概括了該設備的主要技術特點，分析了應用前景及預期的軍事經濟效益。

制氮充氮 氧氮分離 精確控制

0 引言

某型突擊炮等我軍近年來裝備的新型輪式自行火炮中，火控、瞄準、制導系統是火炮中重要的組成部分，其完好性直接影響火炮的戰斗性能和射擊效能。火控和瞄導系統中的光電儀器如果長期暴露在空氣中，容易氧化，或生霉生霧，嚴重影響測量和瞄準精度。在這些光電儀器中應充入高純度的氮氣，因此在裝備設計時都留有供充入氮氣的接口。目前，部隊普遍采用氮氣瓶向儀器內充入氮氣方法，這種辦法在偏遠或高山海島地區保障困難，同時還存在導致鏡體爆裂的事故隱患。

根據總裝通保部研制任務要求，研制一套高純度便攜制氮充氮設備，方便、快捷的實現為自行火炮光電儀器充入氮氣。我們在充分調研國內制氮技術發展，吸收成熟技術基礎上，設計研制了利用空氣為原料快速制氮充氮設備，滿足了基層部隊維修保障需求。

1 研究設計方案

現研制的便攜式制氮充氮設備，通過吸附劑對空氣進行吸附過濾，得到純凈的氮氣，并按照規定的壓力控制充入光電儀器中。基于上述設計思路，該設備應主要有空氣壓縮機、雙塔吸附過濾制氮機構和操作控制機構等三大功能部分組成，總體設計方案確定如下：

1)系統框架的確定

為實現上述功能，設計框架如下圖。

2)設備的主要功能機構組成

該設備應主要完成空氣的收集和壓縮、氧氮分離并排除廢氣、吸附過濾收集制氮、操作控制輸出純度和壓力符合要求的氮氣。下圖2為空氣壓縮機、雙塔吸附過濾制氮系統和一體化控制系統的內部結構。

注：左為空氣壓縮機 中為雙塔吸附系統 右為機電一體

化控制系統。

3)操作控制功能機構設計：

圖3為設備操作面板，系統設計了多種自行火炮光電儀器通用充氮接口，各部分功能如下：

a)氣源開關：控制氣源啟動、停止。

b)程控開關：運用可編程邏輯器件控制主機運行。開機后當進氣壓力表達到0.6Mpa時打開。停機后運行一段時間使壓力排空后關閉。

c)氮氣純度分析儀：顯示當前出口氮氣純度。

d)加熱開關：當氣溫低于零度時開啟，充氣結束后，先關閉此開關，然后關閉氣源開關。

e)手拉閥門：當用氣設備檢測密封需要保持時拉起排空。平時使用時氮氣純度低于要求時也可拉起排空，氣體合格后按下充氣。

f)出氣壓力：顯示當前出氣壓力，當進行密封檢測時顯示連接設備的壓力。

g)空氣入口：與氣源連接口，使用軟管連接（直徑8 mm）。

h)氮氣出口：與用氣設備連接，使用軟管連接（直徑6 mm）。

i)進氣壓力：開機時達到0.6 Mpa運行程序控制，關機時壓力為零時關閉程序控制。

4)制氮工作流程及原理

制氮過程工作流程如圖4。

a)空壓機將壓縮空氣經過汽水分離器，過濾后進入空氣穩壓罐。

b）當空氣穩壓罐壓力達到0.6Mpa時，啟動程控系統。控制1號閥門打開，壓縮氣體經1號閥門到A吸附塔（此時2號、3號、6號閥門處于關閉狀態）。

c）由A吸附塔內分子篩吸附氧氣，產生符合濃度要求的氮氣，控制5號、7號閥門打開，氮氣進入氮氣儲氣罐。同時打開4號、8號閥門使B吸附塔減壓，并由A吸附塔送入少量的氮氣沖洗吸附飽和的B吸附塔碳分子篩，將富氧氣體經8號閥門排入大氣中，B吸附塔內碳分子篩解析再生。

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d）當A吸附塔內碳分子篩飽吸附和時，B塔內解析完成時，由程控系統改變各個閥門的開關狀態，即關閉1號、4號、5號閥門，打開2號閥門。此時空氣又由2號閥門進入B吸附塔。

e）由B吸附塔內分子篩吸附氧氣，產生符合濃度要求的氮氣，控制6號閥門打開，氮氣進入氮氣儲氣罐。同時打開3號閥門使A吸附塔減壓，并由B吸附塔送入少量的氮氣沖洗吸附飽和的A吸附塔碳分子篩，將富氧氣體經8號閥門排入大氣中，A吸附塔內碳分子篩解析再生。這樣周而復始，兩吸附塔交替工作，產生源源不斷的氮氣。

f）實時監測氮氣儲氣罐氮氣的純度，當純度大于99.99%時控制氮氣出口閥門打開，方可進行充氮操作。

制氮設備的基本工作原理：以空氣為原料，碳分子篩(CMS)為吸附劑，利用變壓吸附原理進行氧氮分離制取氮氣。碳分子篩是由煤經過精選、粉碎、加入催化劑、成型，造孔活化等工藝加工制成，自身具有超微孔結晶結構。其微孔直徑比氧氮分子的直徑略大。如果從平衡吸附的角度看，碳分子篩吸附氧、氮的能力并無多大區別，這是因為氧、氮分子的動力學直徑較為接近，但是這兩種氣體分子向微孔內擴散速度相差很大，氧分子擴散速度較大，而氮分子擴散速度較小，二者相差約數百倍，短時間內，氧被大量吸附。控制吸附壓力，吸附時間可使氧的吸附率達95%以上，而氮的吸附率較小，這樣將氣相中富積的氧分子釋放掉就得到所需氧氣。碳分子篩制氮設備（PSA-CMS）采用減壓和氮氣沖洗解析再生使碳分子篩具備重新吸附氧分子的能力。

2 主要技術特點

自行火炮高純度制氮注氮設備，在研制過程中充分借鑒民用技術，進行了多項改進和創新，解決了一系列技術難題，以適應不同部隊多種、復雜的作戰環境，最終達到了軍用標準要求。

1)利用變壓吸附原理（PSA）,以空氣為原料快速制取高純度氮氣的自行火炮維護保養專門設備。

該設備利用先進的變壓吸附原理（PSA），以優質碳分子篩（CMS）為吸附劑，根據不同氣體在其中擴散速度的差異，通過精準控制吸附壓力和時間，可以快速制取高純度的氮氣。

2)采用獨特的雙吸附塔設計，保障氮氣的充足供應量

本制氮設備采用獨特的雙吸附塔設計，通過控制系統自動控制閥門的開啟與關閉，兩個吸附塔交替工作，經解析再生，產生源源不斷的足夠的氮氣。

3) 基于PLC技術的精確壓力控制系統，對注氮壓力進行精確控制

本制氮設備采用PLC技術設計了自動化程度高的精確壓力控制系統，實現對氮氣壓力的精確控制，保證對自行火炮光電儀器腔體實施大壓力沖洗和小壓力充氮保壓及檢漏的功能。

4)采用模塊化設計，提高了設備的實用性

采用模塊化設計，合理使用各種新型材料，整機體積小，便攜性好，滿足野戰條件下自行火炮維護保養的需求，同時，保證了各部件功能獨立，便于故障自檢。另外，該設備還針對不同型號裝備設計了多種專門的快速接頭，解決了不同自行火炮光電儀器接口不統一造成的保障困難的問題，提高了設備的通用性。

3 應用前景及效益

新型自行火炮火控電氣系統中的光電儀器集觀察、瞄準等信息采集于一體，結構精密，系統復雜，技術含量高，防止霉變、生霧，及時充氮維護保養是一項長期的十分重要的經常性工作。該設備研制完成后，先后在廣州、濟南、南京等炮兵部隊進行了應用試驗，在對各類火炮的光電儀器進行注入氮氣后，均達到了預期的效果，技術參數完全符合部隊要求，一般可由單人進行操作，比氮氣瓶注氮省時省力。曾在幾個炮兵團的野外駐訓中執行保障任務，為火炮的光電儀器設備的維護提供了有力的保障。由于直接利用空氣制氮，取材方便快捷，應用效果好。通過完成多次的維修保障任務，確定了更加完善的配置，在使用時更加方便快捷，為部隊實訓提供了有利的技術保障。應用結果表明，該設備技術先進、工作穩定可靠、環境適應性強、操作簡單方便。解決了長期在外駐訓中火炮光電儀器不容易維護的難題，推動了部隊裝備保障能力建設。具有顯著的軍事經濟效益和推廣應用價值。

[1] 楊杰等. 自行火炮拆裝. 漢軍械士官學校, 2002.

Development and Application of Portable Nitrogen Producing and Filling Equipment for Self-propelled Artillery

Wu Fushuan, Chen Yuanjiang, Zhang Ye, Xu Hongge

（Wuhan Ordance Noncommissioned Officer Academy of PLA, Wuhan 430075，China）

According to the actuality of maintenance support to photoelectric device in recent years, this nitrogen producing and filling equipment is developed. The equipment uses atmosphere as material and carbon molecular sieve as absorbent. On the basis of the pressure swing absorption theory that the diffusion velocity is different when oxygen and nitrogen diffuse into micropore, the equipment can make oxygen by oxygen nitrogen separation technology. Then it uses the programmable logic component to control the equipment working in order to output the precise gas pressure. This paper mainly introduces technical characteristics of the equipment, and analyzes the broad application prospects, evident military and economic benefits.

producing and filling nitrogen; oxygen nitrogen separation; precise control

TJ307

A

1003-4862（2015）03-0066-03

2014-12-24

吳付栓(1965-)，男，副教授。研究方向：裝備教學與維修。