CN106442177A - 具有快速关闭功能的空气炮及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有快速关闭功能的空气炮及其使用方法，基于快速关闭气室、辅气室、高压膜片、破膜器、可调螺杆及活塞机构，活塞机构由活塞、活塞杆和密封塞连接而成，辅气室内通过活塞分隔成辅气室排气腔和辅气室阻尼腔，快速关闭气室设置有快速关闭气室气阀，辅气室排气腔设置有排气腔气阀，辅气室阻尼腔设置有阻尼腔气阀，高压气室设置有高压气室气阀，通过打开或关闭对应的阀门和实时向辅气室排气腔、高压气室和快速关闭气室中充气来控制开炮。本发明可以实现触发后高压气室与发射管之间的通道快速关闭，可缩短加载到试验件上的冲击波正压作用时间，通过调整快速关闭装置的参数，可在一定范围内调整冲击波正压的作用时间。

Description

具有快速关闭功能的空气炮及其使用方法

技术领域

本发明属于冲击波模拟加载试验技术领域，具体涉及一种具有快速关闭功能的空气炮及其使用方法。

背景技术

在国防和工业生产领域中，常常需要对试验对象进行冲击波模拟加载试验，如防爆建筑及结构的抗冲击试验，防护装置的冲击波载荷试验等。一般的爆炸冲击波加载方法，包括直接野外化爆和采用爆炸波模拟装置加载。

野外化爆试验需要采用高能爆炸物，对试验场地、参试单位及人员具有较高的安全性要求，且试验重复性较差。近年来，越来越多的科研院所及高校开始采用爆炸波模拟装置实现冲击波的加载试验。

爆炸波模拟装置是一种能够对工程结构、武器装备进行爆炸波加载试验的试验用装置，其驱动方式可以采用炸药驱动及高压气体驱动。考虑到炸药驱动的爆炸波模拟装置安全审批程序复杂，对系统安全性设计要求较高，在民用结构抗冲击、防护研究领域，采用高压气体驱动实现冲击波加载是一种很好的试验方法。

采用高压气体驱动方式的爆炸波模拟装置，其实现原理、结构及触发机制与一级空气炮相同，一级空气炮装置由发射管、高压气室及释放机构(触发机构)组成，两者的区别在于：当用于爆炸波模拟时，爆炸波模拟装置的高压气室与发射管之间不装填弹丸。实验时，首先对高压气室充入气体，当气室内气压达到一定值后，通过释放机构快速连通高压气室与发射管，高压气体经过发射管后在指定试验区域加载到被试验件上，在试验件表面加载一定超压峰值和一定正压作用时间的冲击波，从而完成爆炸波加载试验。

将一级空气炮结构用于爆炸波模拟，其优点在于原理成熟，结构相对简单，触发机制可控，试验重复度高。由于不涉及爆炸物操作，该类设备的试验安全性高，不需要爆炸物相关的安全审批手续，非常适合非军工单位进行工业及民用设备、设施的冲击波加载试验。

尽管如此，将一级空气炮结构用于爆炸波模拟的技术在应用中仍然存在一个显著问题：基于空气炮技术的爆炸波模拟装置，可以通过调整高压气室的压力，实现冲击波超压峰值P的可控；但是装置结构一旦定型，试验中冲击波的正压作用时间t不可控，如图1所示为作用在试验件上的冲击波波形图。

基于一级空气炮结构的爆炸波模拟装置，为使作用在试验件上的冲击波超压达到一定的峰值P，需要根据高压气室的容积V₀及发射管的容积V₁，按照气体状态方程确定高压气室的充气压力P₀，气体状态方程为：

其中γ为气体绝热系数。当空气炮结构一定时，为达到超压峰值P，可计算得到高压气室的压力P₀。

当空气炮制造和组装后，高压气室的体积V₀固定，且高压气室内气体流出的口径固定，这就使得一定压力P₀的高压气体通过发射管的时间确定，即冲击波正压作用时间t固定。对于常见的一级空气炮，未取得较大的冲击波超压峰值P，高压气室内的压力P₀较大，导致高压气体内气体释放的时间即正压作用时间一般在秒量级。而常规炸药产生的正压作用时间一般在几十毫秒级，这使得基于一级空气炮结构的爆炸波模拟装置，难以用于模拟常规炸药爆炸产生的冲击波。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种具有快速关闭功能的空气炮及其使用方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种具有快速关闭功能的空气炮，包括快速关闭气室、辅气室、发射管及与所述发射管对接的高压气室，所述快速关闭气室、所述辅气室和所述高压气室依次连接；

所述辅气室内通过活塞分隔成辅气室排气腔和辅气室阻尼腔，所述辅气室阻尼腔与所述发射管的进气口对接，所述辅气室阻尼腔与所述高压气室之间的室壁贯穿有一根活塞杆，所述活塞杆的尾端与所述活塞连接，所述活塞杆的前端设置有用于堵住或打开所述发射管的进气口的密封塞；

所述快速关闭气室与所述辅气室排气腔之间通过气流口连通，所述快速关闭气室与所述辅气室排气腔之间的气流口设置有高压膜片，所述辅气室排气腔内设置有朝向所述高压膜片的破膜器，所述破膜器通过可调螺杆与所述活塞连接；

所述快速关闭气室设置有快速关闭气室气阀，所述辅气室排气腔设置有排气腔气阀，所述辅气室阻尼腔设置有阻尼腔气阀，所述高压气室设置有高压气室气阀。

优选地，所述快速关闭气室与所述辅气室之间、所述辅气室与所述高压气室之间、所述高压气室与所述发射管之间均通过法兰结构固定连接。

根据具有上述结构的空气炮设备而得出的使用方法包括以下步骤：

步骤1)：通过所述排气腔气阀向所述辅气室排气腔内充入气体，使得辅气室排气腔压力P₂大于辅气室阻尼腔内气压P₁，且：

P₂×S₂>P₁×S₁ (2)

此时，活塞受气压向前放移动，直至密封塞压紧并堵住发射管的进气口，关闭了高压气室，S₂为活塞与辅气室排气腔的接触面积，S₁为活塞与辅气室阻尼腔的接触面积；

步骤2)：通过高压气室气阀向高压气室内充入气体，使得高压气室内气压达到试验所需压力P₀；

步骤3)：通过快速关闭气室气阀向快速关闭气室内充入高压气体，使得快速关闭气室内气压达到P₃，且P₃小于所述高压膜片的爆破压力；

步骤4)：通过排气腔气阀将辅气室排气腔内气体快速排出，使得排气腔内高压气体快速排出，排气腔内压力P₂迅速下降为P₂′，则活塞左右两侧压力差反相，且有

P₂′×S₂<P₁×S₁ (3)

此时活塞迅速向后方移动，密封塞离开发射管的进气口，高压气室内气体立刻进入发射管，通过发射管加载到发射管前方的试验件上。

本发明的有益效果在于：

本发明所设计的具有快速关闭功能的空气炮，可以实现触发后高压气室与发射管之间的通道快速关闭，从而缩短加载到试验件上的冲击波正压作用时间。且通过调整快速关闭装置的参数，可在一定范围内调整冲击波正压的作用时间，可以实现相同冲击波超压峰值加载条件下，不同正压作用时间的系列试验。

附图说明

图1为作用在试验件上的冲击波波形图；

图2是本发明所述空气炮的结构示意图；

图3是本发明所述空气炮的局部示意图；

图中：1、快速关闭气室；2、快速关闭气室气阀；3、高压膜片；4、辅气室；5、辅气室排气腔；6、破膜器；7、排气腔气阀；8、可调螺杆；9、阻尼腔气阀；10、辅气室阻尼腔；11、高压气室；12、高压气室气阀；13、活塞杆；14、发射管；15、试验件；16、活塞；17、密封塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2和图3所示，本发明包括快速关闭气室1、辅气室4、发射管14及与发射管14对接的高压气室11，快速关闭气室1、辅气室4和高压气室11依次连接；辅气室4内通过活塞16分隔成辅气室排气腔5和辅气室阻尼腔10，辅气室阻尼腔10与发射管14的进气口对接，辅气室阻尼腔10与高压气室11之间的室壁贯穿有一根活塞杆13，活塞杆13的尾端与活塞16连接，活塞杆13的前端设置有用于堵住或打开发射管14的进气口的密封塞17；快速关闭气室1与辅气室排气腔5之间通过气流口连通，快速关闭气室1与辅气室排气腔5之间的气流口设置有高压膜片3，辅气室排气腔5内设置有朝向高压膜片3的破膜器6，破膜器6通过可调螺杆8与活塞16连接；快速关闭气室1设置有快速关闭气室气阀2，辅气室排气腔5设置有排气腔气阀7，辅气室阻尼腔10设置有阻尼腔气阀9，高压气室11设置有高压气室气阀12。

快速关闭气室1与辅气室4之间、辅气室4与高压气室11之间、高压气室11与发射管14之间均通过法兰结构固定连接。

活塞16、活塞杆13及密封塞17构成活塞16机构。

本发明的工作原理如下：

试验准备：首先通过排气腔气阀7向辅气室排气腔5充入气体，使得辅气室排气腔5压力P₂大于辅气室阻尼腔10内气压P₁。且保证：

P₂×S₂>P₁×S₁ (2)

S₂为活塞16与辅气室排气腔5的接触面积，S₁为活塞16与辅气室阻尼腔10的接触面积，活塞16受气压作用，向前移动，即向图3所示右侧移动，密封塞17压紧在高压气室11与发射管14的接口处，关闭高压气室11。其次，通过高压气室气阀12向高压气室11充入气体，使得高压气室11内气压达到试验所需压力P₀，此时密封塞17仍然由于P₂与P₁之间的气压差，被压紧在发射管14的进气口处。再次，通过快速关闭气室气阀2向快速关闭气室1内充入高压气体，使得快速关闭气室1内气压达到P₃，且P₃小于高压膜片3的爆破压力。

开炮过程为：通过排气腔气阀7将辅气室排气腔5内气体快速排出，使得排气腔内高压气体快速排出，排气腔内压力P₂迅速下降为P₂′，则活塞16左右两侧压力差反相，且有

P₂′×S₂<P₁×S₁ (3)

则活塞16迅速向后移动，即向图3所示左侧移动，密封塞17离开发射管14进气口处，高压气室11内气体立刻进入发射管14，通过发射管14加载到试验件15上。

快速关闭过程为：开炮过程中，活塞16向左侧移动，活塞16上的破膜器6冲击高压膜片3，使得高压膜片3破裂。此时快速关闭气室1与辅气室排气腔5导通，快速关闭气室1内高压气体迅速进入辅气室阻尼腔10，使得辅气室阻尼腔10内气压上升为P₂″；而辅气室阻尼腔10内压力由于活塞16的左侧移动，导致辅气室阻尼腔10容积变大，其压力下降为P₁′。由于快速关闭气室1内气压达到P₃较大，使得

P₂″×S₂>P₁′×S₁ (4)

则活塞16迅速向图3所示右侧移动，密封塞17压紧在发射管14的进气口处。则空气炮的高压气室11内气体不再通过发射管14加载到试验件15上，即实现了空气炮开炮后的快速关闭。

在实际试验时，通过改变可调螺杆8的长度，可以调整空气炮开炮后，密封塞17离开发射管14进气口到破膜器6撞击高压膜片3的时间t₁；

改变快速关闭气室1的压力P₃，可以调整快速关闭过程中，阻尼腔内的气压P₂″，从而改变活塞16右侧移动的速度，进而调整破膜器6撞击高压膜片3到密封塞17压紧发射管14接口的时间t₂。以上两个时间决定了空气炮的开启时长t_on＝t₁+t₂，而加载到试验件15上的冲击波正压作用时间t正比于空气炮的开启时长t_on。传统空气炮是不具有关闭功能的。

通过本发明中的空气炮在进行爆炸波模拟试验时，本专利的具有快速关闭功能的空气炮，可以实现空气炮开炮后的快速关闭，减小了冲击波正压作用时间，从而可以模拟常规炸药爆炸产生的冲击波。另外，通过调整上述两个参数，可实现空气炮开启时间的可调，进而实现冲击波正压作用时间的可调。相比于传统空气炮结构，本专利具有快速关闭功能的空气炮，更适合于常规炸药爆炸产生的冲击波模拟。

本发明的主要结构特点：

(1)本专利的具有快速关闭功能的空气炮，带有快速关闭气室1，且快速关闭气室1与辅气室排气腔5之间由高压膜片3隔开，快速关闭气室1具有高压气体进出口；

(2)本专利的具有快速关闭功能的空气炮，其触发用的活塞16，通过可调长度的螺杆与破膜器6相连；

(3)本专利的具有快速关闭功能的空气炮，当满足开炮要求后，通过快速释放辅气室排气腔5内高压气体，实现活塞16机构的快速开启；开炮后活塞16上的破膜器6撞击高压膜片3，快速关闭气室1的高压气体使得活塞16反向运动，密封塞17快速堵住发射管14，实现空气炮的快速关闭；

(4)本专利的具有快速关闭功能的空气炮，活塞16与破膜器6之间采用可调螺杆8连接，可调螺杆8的长度可变，使得开炮后破膜器6撞击高压膜片3的时间可调；

(5)本专利的具有快速关闭功能的空气炮，快速关闭气室1内的压力可调，使得高压膜片3破裂后，活塞16机构反向运动的速度可调；

(6)本专利的具有快速关闭功能的空气炮，采用了快速关闭装置，使得空气炮开炮后活塞16机构上的密封塞17能够快速自动关闭发射管14，空气炮的开启时长可通过快速关闭气室1的压力及可调螺杆8的长度来调整。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有快速关闭功能的空气炮，包括发射管及与所述发射管对接的高压气室，其特征在于：还包括快速关闭气室和辅气室，所述快速关闭气室、所述辅气室和所述高压气室依次连接；

所述辅气室内通过活塞分隔成辅气室排气腔和辅气室阻尼腔，所述辅气室阻尼腔与所述发射管的进气口对接，所述辅气室阻尼腔与所述高压气室之间的室壁贯穿有一根活塞杆，所述活塞杆的尾端与所述活塞连接，所述活塞杆的前端设置有用于堵住或打开所述发射管的进气口的密封塞；

所述快速关闭气室与所述辅气室排气腔之间通过气流口连通，所述快速关闭气室与所述辅气室排气腔之间的气流口设置有高压膜片，所述辅气室排气腔内设置有朝向所述高压膜片的破膜器，所述破膜器通过可调螺杆与所述活塞连接；

所述快速关闭气室设置有快速关闭气室气阀，所述辅气室排气腔设置有排气腔气阀，所述辅气室阻尼腔设置有阻尼腔气阀，所述高压气室设置有高压气室气阀。

2.根据权利要求1所述的具有快速关闭功能的空气炮，其特征在于：所述快速关闭气室与所述辅气室之间、所述辅气室与所述高压气室之间、所述高压气室与所述发射管之间均通过法兰结构固定连接。

3.一种具有快速关闭功能的空气炮的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：通过所述排气腔气阀向所述辅气室排气腔内充入气体，使得辅气室排气腔压力P₂大于辅气室阻尼腔内气压P₁，且：

P₂×S₂>P₁×S₁ (2)

此时，活塞受气压向前放移动，直至密封塞压紧并堵住发射管的进气口，关闭了高压气室，S₂为活塞与辅气室排气腔的接触面积，S₁为活塞与辅气室阻尼腔的接触面积；

步骤2)：通过高压气室气阀向高压气室内充入气体，使得高压气室内气压达到试验所需压力P₀；

步骤3)：通过快速关闭气室气阀向快速关闭气室内充入高压气体，使得快速关闭气室内气压达到P₃，且P₃小于所述高压膜片的爆破压力；

步骤4)：通过排气腔气阀将辅气室排气腔内气体快速排出，使得排气腔内高压气体快速排出，排气腔内压力P₂迅速下降为P′₂，则活塞左右两侧压力差反相，且有

P′₂×S₂<P₁×S₁ (3)

此时活塞迅速向后方移动，密封塞离开发射管的进气口，高压气室内气体立刻进入发射管，通过发射管加载到发射管前方的试验件上。