阻車網(wǎng)的工藝設計及性能試驗

付立新 喬詠梅

1. 西安航天動力機械廠 2. 西安超碼復合材料有限公司

引言

阻車器材（或路障破胎器）是警務人員實行道路交通控制的一種裝備。警務人員為了追擊交通違章者或駕車逃跑者、逃犯等，必須設置一種阻止車輛的路障，使肇事車輛在攔截路段停下來。該裝備不僅能有效迅速地阻止犯罪車輛，同時還可以保護執(zhí)法人員的生命安全，充分保證其執(zhí)法能力。據(jù)文獻資料介紹，國外軍隊及執(zhí)法部門使用的較為先進的車輛攔截器材主要有以下幾種：X-Net阻車網(wǎng)（VLAD，Vehicle Light-weight Arresting Devices）[1]、便攜式阻車系統(tǒng)（PVAB，Portable Vehicle Arresting Barrier）以及微波阻車（RF，Radio-Frequency Vehicle Stopper）等。其中XNet阻車網(wǎng)是利用織物纏繞車輛的輪胎及半軸，強制使車輛制動的阻車器材，如圖1。

目前國內(nèi)市面上的阻車器材大體有兩種：一種是以工程塑料為主體，配以不銹鋼刺針，另一種是以鋁合金材料和硬質(zhì)三角棱刺針構(gòu)成。它們的作用原理是當車輛通過路障時，刺針扎入車胎，輪胎放氣，使車輛癱瘓不能行使，達到有效攔截車輛的目的。以上兩種阻車器存在一些致命的缺陷，即輪胎放氣時間較長，車輛不能在較短時間內(nèi)停下來，同時由于輪胎泄氣爆胎，車輛容易失去控制，容易對駕駛員造成傷害，同時有可能傷及周圍的人和物。

由高性能纖維編織的阻車網(wǎng)[2]，不同于傳統(tǒng)阻車器或者路障破胎器。它的主體部分是高強度纖維繩編織的網(wǎng)，網(wǎng)繩結(jié)上固定鐵釘，當車輛通過路障時，車輛輪胎首先接觸到刺釘，網(wǎng)上的倒鉤刺釘刺入輪胎，隨著輪胎的轉(zhuǎn)動，刺釘帶動阻車網(wǎng)纏繞上輪胎，使輪胎受阻并迅速停止轉(zhuǎn)動，進而車輛發(fā)動機抱死停滯前進，達到攔截目的。阻車網(wǎng)通過網(wǎng)及刺釘?shù)呐浜献饔脭r截車輛，網(wǎng)體和刺釘?shù)脑O計將直接影響阻車網(wǎng)的車輛攔截效果，因此網(wǎng)繩材料的選擇、粗細、網(wǎng)結(jié)形狀以及網(wǎng)目尺寸、刺釘?shù)鹊脑O計將至關(guān)重要。

一、設計思路及工作原理

阻車網(wǎng)的主體部分是網(wǎng)和刺釘。網(wǎng)的大小可根據(jù)鋪設路面及防護范圍進行隨意調(diào)整，兩邊、中間由固定帶（可根據(jù)網(wǎng)體大小增減）固定；刺釘?shù)念^部有倒刺，下面有圓形底座，以一定的間隔距離布置在網(wǎng)的前端，即車輛前行端。刺釘垂直地面、尖頭向上穿過網(wǎng)上的繩結(jié)，垂立于地面。網(wǎng)結(jié)則固定在刺釘?shù)牡鬃希鐖D2所示。

當機動車輛碾壓過阻車網(wǎng)時，刺釘會帶著網(wǎng)結(jié)刺穿輪胎，進而帶起整個網(wǎng)，跟隨輪胎轉(zhuǎn)動，網(wǎng)纏繞上輪胎和車軸，隨著輪胎的繼續(xù)轉(zhuǎn)動網(wǎng)將越纏越緊，最終使輪胎及車軸無法轉(zhuǎn)動，直至發(fā)動機熄火、車輛停止，達到強制機動車輛停車的目的。

二、主要部件設計

（一）網(wǎng)繩

1. 纖維選擇

高性能有機纖維主要用途之一是網(wǎng)繩類，其中UHMWPE纖維由于強度極高、密度小、耐水性好，在深釣用釣魚絲、拖船、拖繩等方面應用頗多。而根據(jù)工作原理，網(wǎng)狀阻車網(wǎng)的纖維材料要求重量輕、強度大，且柔挺性好，因此UHMWPE纖維是網(wǎng)繩的首選材料。目前國內(nèi)UHMWPE纖維種類較多，有進口也有國產(chǎn)的。其中在繩索方面應用最多的國外品牌是荷蘭DSM公司生產(chǎn)的Dyneema纖維繩。本文選擇Dyneema SK75纖維為網(wǎng)繩材料。

另外，為了便于網(wǎng)繩的編織，纖維束先要進行表面浸膠處理。纖維含膠量的多少，會影響纖維的強度[3]，也會對編織成的網(wǎng)繩柔軟性、重量等造成影響。UHMWPE纖維中粘結(jié)劑的含量與其拉伸強度的關(guān)系如圖3所示。因UHMWPE纖維具有很強的拉伸強度，含膠量不宜過大，否則會影響網(wǎng)繩以及網(wǎng)的柔韌性，不利于網(wǎng)的鋪設以及網(wǎng)體與車輛輪胎的纏繞。根據(jù)DSM公司UHMWPE纖維繩索應用經(jīng)驗，我們擬將纖維含膠量控制在3%。

2. 網(wǎng)繩結(jié)構(gòu)

通常網(wǎng)繩（網(wǎng)線）可分為單絲、捻線和編線三類[4]。根據(jù)阻車網(wǎng)使用的要求，其中編線是網(wǎng)線編織上采用的一種新型結(jié)構(gòu)網(wǎng)線。它是由若干根偶數(shù)線股（如6、8、12、16根）成對或單雙股配合，相互交叉穿插編織而成的網(wǎng)線。根據(jù)實際需要，在編線的中央位置還可配置若干根單紗或長絲或線作為填充物，稱為線芯。在具有線芯的情況下，斷裂強力由面子和線芯斷裂強力兩部分組成。編織線面子斷裂強力大小主要取決于編織線面子用絲材料、加捻程度、線股結(jié)構(gòu)和試樣狀態(tài)（濕態(tài)或干態(tài)）等；線芯斷裂強力大小主要取決于線芯用絲材料、線芯結(jié)構(gòu)（線芯用絲數(shù)量、加捻程度和線芯排列結(jié)構(gòu)）和試樣狀態(tài)等[5]。由于編線是由股相互交叉穿插編制而成，不需加捻，所以編線的強力比同粗度的捻線高；具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使用中不會產(chǎn)生扭曲變形；編線的直徑比相同單絲數(shù)捻線要小；編線的柔軟度好于捻線，打成網(wǎng)結(jié)也比較牢固。因此本文選用編線作為阻車網(wǎng)的網(wǎng)線。

3. 網(wǎng)繩編織工藝

在用UHMWPE纖維編線的過程中，編織線因工藝不當?shù)仍驎霈F(xiàn)編織線面子中的局部線股之間相互松弛、整絞線扭曲不平直、線股多股少股、整絞線中出現(xiàn)線接頭數(shù)、線芯多絲少絲和線芯延伸性低于編織線面子延伸性等缺陷，這些帶缺陷編織線在受力拉伸時會因局部疵點、局部應力集中和線芯較編織線面子先行斷裂等原因，導致編織線強力明顯下降，從而會進一步影響到網(wǎng)的安全和使用周期[6]。本文將采用石建高[6]設計的工藝進行網(wǎng)線編織。

4. 網(wǎng)繩直徑

斷裂強力是編織線重要的性能指標[6]。因此，在設計網(wǎng)繩的粗度時，要使其具有足夠大的強力。在其他因素（材料、網(wǎng)線結(jié)構(gòu)、編織工藝、浸膠工藝等）相同的情況下，網(wǎng)繩的直徑越大，其強力越大，但直徑也不宜過大，否則不利于網(wǎng)繩打結(jié)，而且結(jié)節(jié)的強度也會降低。石建高[7]等初步研究了UHMWPE 網(wǎng)繩結(jié)節(jié)強度與直徑之間的關(guān)系，如圖4所示可看出，不同材料網(wǎng)繩的結(jié)節(jié)強度都隨網(wǎng)繩直徑的增加而減小。

DSM公司為我們提供了對Dyneema Sk75纖維直徑6mm以上的深海漁業(yè)繩索的力學性能數(shù)據(jù)，見表1。從表1中可以看出，隨著繩索直徑的增加，其強度在不斷增大，但同時其重量也在增大。因此，在網(wǎng)繩強力滿足使用要求的情況下，我們要根據(jù)車輛輪胎的具體相關(guān)參數(shù)設計網(wǎng)繩直徑以及網(wǎng)目尺寸，否則網(wǎng)繩太粗，會造成其硬度增加，不利于網(wǎng)繩與車輛輪胎的纏繞。另外，網(wǎng)繩太粗，會造成阻車網(wǎng)質(zhì)量和制造成本的提高。

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阻車網(wǎng)網(wǎng)繩的強度要求沒有漁業(yè)纜繩的高，但對阻車網(wǎng)的重量及繩索柔韌性有要求。參考了文獻資料及材料商意見，經(jīng)綜合考慮，我們選擇直徑為3mm的網(wǎng)繩作為阻車網(wǎng)繩索。為了驗證設計結(jié)果，我們按照GB 8834-2006-T《繩索有關(guān)物理和機械性能的測定》，對直徑為3mm的SK75繩性能進行測試，并將測得的數(shù)據(jù)與漁用高強度聚乙烯（HSPE）繩的性能進行了比較，結(jié)果見表2。

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從表中可以看出，相同直徑的UHMWPE SK75網(wǎng)繩的斷裂強度比HSPE網(wǎng)繩高86.2%，結(jié)節(jié)強度高53.8%，而且其網(wǎng)結(jié)強度損失率也比HSPE繩的低。因此，本文采用3mm SK75繩索進行試驗。

（二）網(wǎng)體

1. 網(wǎng)目

網(wǎng)目是網(wǎng)體的基本單元，又稱“網(wǎng)眼”。網(wǎng)目包括目腳和網(wǎng)結(jié)（或連接點），由網(wǎng)線通過網(wǎng)結(jié)或絞捻、插編、辮編等方法按設計形狀編織成的孔狀結(jié)構(gòu)[7]。

阻車網(wǎng)纏繞車軸和輪胎時網(wǎng)體主要受到突然施加的拉扭作用。UHMWPE 纖維以及編織成的網(wǎng)線的斷裂伸長較低，在突然加強載荷和沖擊下不利于充分發(fā)揮材料優(yōu)異的力學性能。而菱形網(wǎng)目的網(wǎng)沿受力方向較方形網(wǎng)目的網(wǎng)延伸變形能力強，在目腳和網(wǎng)結(jié)受拉伸前就可吸收受攔截車輛一定的動能，對目腳和網(wǎng)結(jié)有較大的緩沖作用。另外，菱形網(wǎng)目的網(wǎng)能較好地適應網(wǎng)體纏繞車軸和輪胎過程中受力方向的需要。因此本文選用傳統(tǒng)的菱形網(wǎng)目作為阻車網(wǎng)的網(wǎng)目形狀。

2. 網(wǎng)目尺寸

目腳的長度是網(wǎng)目尺寸的量度指標。目腳越長，網(wǎng)目的尺寸越大，網(wǎng)結(jié)越稀疏，因而相鄰兩個網(wǎng)釘之間的距離隨之增大。網(wǎng)釘間的距離太大，輪胎可能從網(wǎng)釘間的間隙中通過，使扎胎效果不可靠；若目腳尺寸太小，網(wǎng)結(jié)數(shù)多，整個阻車網(wǎng)的重量會增大，在輪胎轉(zhuǎn)動時可能會因重力作用使刺釘從輪胎中拔脫出來，不利于纏網(wǎng)。因此，目腳的長度應控制在一定范圍內(nèi)，即網(wǎng)目尺寸及相鄰兩個網(wǎng)結(jié)的距離不應大于載重輪胎和轎車輪胎的最小胎面寬度。通常，載重輪胎胎面寬度145~457mm，轎車輪胎133~331mm，因此本文選擇采用目腳長度為60mm。

3. 網(wǎng)體結(jié)構(gòu)

根據(jù)有無網(wǎng)結(jié)，網(wǎng)分為兩種，即無結(jié)網(wǎng)和有結(jié)網(wǎng)[8]。連接點是無結(jié)網(wǎng)目腳間的連接結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)結(jié)則是有結(jié)網(wǎng)中目腳間的連接結(jié)構(gòu)。網(wǎng)結(jié)和連接點的主要作用是限定網(wǎng)目尺寸和防止網(wǎng)目尺寸變形。阻車網(wǎng)中的網(wǎng)結(jié)除了以上作用外，還要固定刺釘、連結(jié)網(wǎng)與刺釘，因此必須選擇有結(jié)網(wǎng)。

有結(jié)網(wǎng)由于網(wǎng)結(jié)（連接點）結(jié)構(gòu)不同，因此網(wǎng)在物理性能及使用性能上也有所差異，與有結(jié)網(wǎng)相比較，無結(jié)網(wǎng)最大的缺點是網(wǎng)破損后，修補和縫合較為困難。而當阻車網(wǎng)的網(wǎng)纏繞上車軸后，會受到突然施加的拉扭作用。如果網(wǎng)結(jié)不夠牢靠，就會使網(wǎng)結(jié)變形、滑動，網(wǎng)目產(chǎn)生滑移，進而受力延遲。因此，我們必須選用有結(jié)的網(wǎng)體。

4. 網(wǎng)結(jié)形狀

阻車網(wǎng)中網(wǎng)結(jié)的作用是固定刺釘，將刺釘與網(wǎng)連結(jié)起來，而且當阻車網(wǎng)鋪設于路面上時，網(wǎng)結(jié)上的刺釘要能垂立于路面，便于刺釘刺破輪胎。

網(wǎng)結(jié)種類主要有活結(jié)、死結(jié)和變形結(jié)（如雙死結(jié)、雙活結(jié)等）[4,8]。活結(jié)結(jié)構(gòu)扁平，耗線量少，可在一定程度上減輕網(wǎng)質(zhì)量，使用時對網(wǎng)結(jié)的磨損較輕，但活結(jié)的牢固性較差，受力后易變形；死結(jié)是編織網(wǎng)使用最普通的一種網(wǎng)結(jié)，網(wǎng)結(jié)較牢固，使用中不易松動或滑脫，但也存在一些缺點，比如形狀表面突起，較活結(jié)易受磨損，同等規(guī)格下較活結(jié)網(wǎng)片重；變形結(jié)最常見的是雙死結(jié)，對于表面光滑，彈性較大的網(wǎng)線材料，打成的網(wǎng)結(jié)牢固性較差，為提高牢固性，可在原死結(jié)上多繞一圈構(gòu)成雙死結(jié)。

本文為確保網(wǎng)體的牢靠度，選擇雙死結(jié)（雙穿）的打結(jié)方式，既保證了網(wǎng)體的牢靠度，又不至于使網(wǎng)體的重量增大。

5. 網(wǎng)體方向

有結(jié)網(wǎng)的方向如圖5所示[4,8]，網(wǎng)的縱向是與結(jié)網(wǎng)網(wǎng)線總走向相垂直的方向，有結(jié)網(wǎng)的縱向為網(wǎng)目最長軸方向（代號N-向）。網(wǎng)的橫向是與結(jié)網(wǎng)網(wǎng)線總走向相平行，與網(wǎng)的縱向相垂直的方向（代號T-向）。

阻車網(wǎng)的刺釘布置在阻車網(wǎng)前端，與車輛前行方向垂直，沿路面寬度方向鋪設。當有結(jié)網(wǎng)的縱向（N-向）平行于車輛行進方向時，網(wǎng)的橫向（T-向）上布置的刺釘與車輛行進方向垂直。一方面，T-向網(wǎng)結(jié)間距較N-向網(wǎng)結(jié)間距小，因而相鄰兩刺釘間的間距較小，可防止輪胎從網(wǎng)釘?shù)拈g隙駛過，有利于刺釘扎入輪胎；另外，當車輛駛過鋪設好的阻車網(wǎng)、刺釘扎入車輛輪胎，網(wǎng)沿網(wǎng)目最長軸方向（N-向）纏上輪胎，更利于纏繞住輪胎或車軸。因此，我們選擇這種網(wǎng)的設計方向比較合理。

（三）刺釘

阻車網(wǎng)的另一個關(guān)鍵部件是刺釘。它的設計非常重要，因為只有它帶動網(wǎng)纏繞上輪胎，車輛發(fā)動機才能抱死進而停止。刺釘尺寸的設計必須恰好合適，如果過小，就把不住輪胎、帶不動網(wǎng)；若尺寸過大，則重心不穩(wěn)，容易被輪胎擠倒，刺釘尖頭無法扎上輪胎，纏網(wǎng)無效或效果不理想，無法阻止車輛前行。經(jīng)過查找文獻、參照傳統(tǒng)金屬破胎阻車器，設計了上倒刺、下底座的形狀，底座上有孔洞，方便其與網(wǎng)連結(jié)固定。先后設計出了三種尺寸，分別為底座直徑330mm高度400mm、底座直徑360mm高度450mm、底座直徑360mm高度500mm。對以上三種刺經(jīng)過多次的穿刺模擬試驗，其中底座直徑360mm高度500mm的綜合效果最好。

三、驗證試驗

網(wǎng)體、刺釘?shù)炔考O計好后就可以整體組裝，阻車網(wǎng)的實物見圖6，然后對設計產(chǎn)品進行實車攔截效果驗證試驗。

在西安長安大學渭水校區(qū)的汽車試驗場進行了實車攔截試驗。選擇兩種試驗車輛——重1.5噸的小車和4.0噸的卡車，車輛的起始速度為40km/h，結(jié)果見表3。

試驗結(jié)果顯示，當試驗車輛碾壓過阻車網(wǎng)后，阻車網(wǎng)瞬間卷入車輪，試驗車輛5秒鐘之后發(fā)動機熄火，完全停止在直行方向，效果見圖7。經(jīng)測量，實測攔截距離分別為38.20m和42.39m，攔截效果明顯，達到了預期目標。

四、結(jié)語

阻車網(wǎng)作為一種新型警用裝備產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)阻車器或者路障破胎器重量大、體積大、爆胎威脅等諸多缺點，有顯著的有效性和便捷性，應用前景廣闊。只是攔截對象各式各樣，阻車網(wǎng)的作用過程又非常復雜，影響因素頗多，因此我們還需要繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品設計方案，完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不斷提高產(chǎn)品性能。