CN115307505B - 一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，包括防护结构主体、抗爆视窗、电缆转接装置、抗爆垫、固定架、减振垫和若干减振弹簧；所述防护结构主体包括同轴顺次装配的抗爆顶盖、抗爆体、抗爆底盖、抗爆塞、稳定尾管，抗爆视窗安装在抗爆顶盖的中心孔内，抗爆顶盖和抗爆体通过第一法兰盘固连，抗爆体和抗爆底盖通过第二法兰盘固连，在抗爆体的圆周外壁上还间隔设有两个安装盘，安装盘位于第一法兰盘和第二法兰盘之间，抗爆塞上设有中心通孔，电缆转接装置固定在抗爆塞中心通孔中；光学器件、减振弹簧、固定架、减振垫被封装防护结构主体中。本发明可使光学器件在水下爆炸作业中保持正常工作状态，有效开展炸药水下爆炸特性研究。

Description

一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构

技术领域

本发明属于抗爆、减振防护技术领域，具体涉及一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构。

背景技术

炸药威力是衡量炸药爆炸性能的一个重要参数，反映了炸药爆炸产物对周围介质的膨胀作功能力，是军事装备以及爆破工程选用炸药的重要依据。由于炸药爆轰产物的JWL状态方程能较好地表示炸药爆轰产物在膨胀过程中的状态，而水下爆轰试验方法可以直接获取爆轰产物膨胀波的迹线，因此近年来通过此方法开展炸药爆轰特性研究逐渐增多。此外，在水中开展炸药的能量释放特性研究也较为广泛，这是由于炸药水下爆炸能量法可将炸药的爆炸能量分为冲击比能和气泡能，可对炸药的爆炸威力特性进行更为深入的研究，以改进其配方设计。随着水下爆炸试验技术的发展，目前在密闭储水容器外部通过高速摄像等光学器件对水下爆炸气泡膨胀过程进行拍摄的图像测试方法日趋成熟，在这一工况下，仅对光学器件的防护结构提出了抗爆要求，因此结构较为简单。但在爆炸水池中拍摄水下爆炸气泡膨胀过程，由于光学器件被安置于水下，与炸药处于同一介质中，光学器件还面临着爆炸冲击、振动、安装、水密性等诸多问题。

因此水下爆炸图像测试试验中要设计一种应用于爆炸水池的可靠性好、可分离、易于加工的水下光学器件防护结构，该结构需要具有双向抗爆、周向减振、密封水介质等功能。

发明内容

本发明提出了一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，可使光学器件在水下爆炸作业中保持正常工作状态，有效开展炸药水下爆炸特性研究。

实现本发明的技术解决方案为：一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，包括防护结构主体、抗爆视窗、电缆转接装置、抗爆垫、固定架、减振垫和若干减振弹簧；所述防护结构主体包括同轴顺次装配的抗爆顶盖、抗爆体、抗爆底盖、抗爆塞、稳定尾管，抗爆视窗安装在抗爆顶盖的中心孔内，抗爆顶盖和抗爆体通过第一法兰盘固连，并通过密封圈实现密封；抗爆体和抗爆底盖通过第二法兰盘固连，并通过密封圈实现密封；在抗爆体的圆周外壁上还间隔设有两个安装盘，安装盘位于第一法兰盘和第二法兰盘之间，抗爆塞上设有中心通孔，电缆转接装置固定在抗爆塞中心通孔中；光学器件、减振弹簧、固定架、减振垫被封装防护结构主体中。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）针对爆炸水池的小水域范围，该防护结构不仅可防护正面入射冲击波，还重点考虑了爆炸冲击波的壁面反射作用，所设计的抗爆底与电缆转接装置可有效对反射冲击波作用进行防护。

（2）防护结构对抗爆顶、抗爆体、抗爆尾采用了分离式结构设计方案，具有加工制造简单，维修方便的特点，结合法兰盘设计，使防护结构易于装配，进一步设计了密封圈以实现防护结构的径向密封。

（3）针对爆炸冲击波而二次脉动压力波的冲击作用，本防护结构在利用结构本身质量减弱轴向振动的基础上，设计了减振弹簧以减弱光学器件的周向振动。附图说明

图1为本发明应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构的剖视图。

图2为本发明应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构的主视图。

图3为本发明以水平摆放方式应用于爆炸水池的试验布局图。

图4为本发明以垂直摆放方式应用于爆炸水池的试验布局图。

图5为本发明的法兰盘及安装盘示意图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

结合图1~图5，一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构20，包括抗爆视窗2、抗爆顶盖3、抗爆体5、抗爆底盖12、抗爆塞13、稳定尾管14、电缆转接装置15、抗爆垫16、固定架8、减振垫9和若干减振弹簧6。抗爆顶盖3、抗爆体5、抗爆底盖12、抗爆塞13、稳定尾管14同轴顺次装配，构成防护结构主体，抗爆视窗2安装在抗爆顶盖3内，抗爆顶盖3和抗爆体5通过第一法兰盘4固连，并通过密封圈11实现密封。抗爆体5和抗爆底盖12通过第二法兰盘10固连，并通过密封圈11实现密封。在抗爆体5的圆周外壁上还间隔设有两个安装盘7，安装盘7位于第一法兰盘4和第二法兰盘10之间，用于在爆炸水池固定和安装水下光学器件防护结构20。抗爆塞13上设有中心通孔，电缆转接装置15通过螺纹固定在抗爆塞13中心通孔中。光学器件1、减振弹簧6、固定架8、减振垫9被封装防护结构主体中，固定架8通过螺栓与抗爆塞13内壁固连，若干减振弹簧6均匀分布在固定架8外壁，减振弹簧6一端固连固定架8外壁，另一端固连抗爆体5内壁，用于减弱照明光源防护结构的周向振动。光学器件1一端固定在固定架8内，两者之间设有减振垫9和抗爆垫16，其中抗爆垫16位于固定架8底部，减振垫9位于固定架8的圆周侧壁，可以有效减弱入射冲击波并实现对结构的减振作用。

所述抗爆视窗2采用透明防爆防弹树脂玻璃，透光率大于等于80%，厚度大于等于30mm，对视窗采用周向密封，保证在10倍实验环境压力下20min不渗漏。

抗爆顶盖3外侧壁为流线形，降低水下光学器件防护结构20的阻力以改善流场稳定性，沿其中心轴线开有中心孔，中心孔内壁设有一圈第一台阶面，抗爆视窗2固定在中心孔内并通过第一台阶面限位。所述中心孔不影响光学器件1拍摄视野。

抗爆体5为圆筒状，材质为304不锈钢，以避免水下光学器件防护结构20由于在水池环境中使用而生锈。

抗爆底盖12为圆环，其顶部内壁设有一圈第二台阶面，用于对抗爆塞13限位。

稳定尾管14自前向后由直管和渐缩管构成，要求渐缩管倾斜角度最佳值在6度到8度之间，以减弱底部阻力。

稳定尾管14的直管与抗爆塞13的后端面固连，抗爆塞13采用304不锈钢材质，抗爆塞13的后端面设有锥形凹槽，锥形凹槽底部开有圆孔，用于固定电缆转接装置15。锥形凹槽要求设计为内凹形状，减弱反射冲击波的汇聚作用以实现对光学器件1的抗爆。

光学器件1为高速摄像或照明光源，应用于水下爆炸研究。

本发明所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，既便于抗爆顶盖3、抗爆体5、抗爆底盖12的加工制造，又便于替换和维修防护各功能模块结构。而通过第一法兰盘4和第二法兰盘10将抗爆顶盖3、抗爆体5、抗爆底盖12连接起来，便于装配与拆卸。

所述应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构的工作过程：

S1、在爆炸水池18外完成水下光学器件1与防护结构主体装配，并对应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构20的水密性进行测试，将防护结构20的两个安装盘7与水池桁架19的吊挂装置相连接。

S2、如图3、4所示，根据测试炸药17位置（水深、水平位置），选择防护结构20的摆放方式（水平或垂直），确定防护结构20及光学器件1摆放位置，调整防护结构20轴线方向，使其指向炸药中心点位置。

具体技术方案如下：

针对抗爆防护要求进行设计，具体包括抗爆视窗2、抗爆顶盖3、抗爆体5、抗爆底盖12、抗爆塞13以及电缆转接装置15，在保证光学器件1可以被容纳于防护结构的前提条件下，根据有利于结构强度增强的原则，尽量减小横截面积的原则下设计防护结构的几何尺寸。以减小炸药入射方向的水下爆炸冲击波作用下轴向受力面积，其中抗爆视窗2、抗爆顶盖3、抗爆底盖12可参照研究资料及成熟的方法进行设计。由于爆炸水池的壁面对爆炸冲击波存在着反射作用，因此会形成与入射方向相反的反射冲击波，因此反射方向防护结构的设计就显得至关重要，因此本发明中的抗爆塞13重点考虑了这一作用，结构几何设计为内凹形状，这会使得在反射冲击波到达时产生稀疏波，降低了冲击波压力，材料选用304不锈钢，抗爆垫16材料为聚氨酯，抗爆塞13与抗爆垫16相邻，组合构成硬-软阻抗匹配，以减弱反射爆炸冲击波对光学器件影响作用。对于需要线缆连接的光学器件，采用电缆转接装置15与防爆塞13进行螺纹连接，机械强度较高，既可以实现两段电缆相连，又可以避免在抗爆塞13中产生较大孔缝而降低抗爆能力。

针对爆炸冲击环境进行减振设计，具体包括减振弹簧6、减振垫9、稳定尾管14，如图3所示，对于爆炸冲击波引起的光学器件的周向振动也不容忽视，因此沿轴线方向采用了8个减振弹簧6增加固定架8的刚度以减弱振动，针对爆炸冲击的振幅大、覆盖频率广的载荷特点，减振弹簧6采用复合橡胶弹簧，可以有效减弱冲击波下的高频振动和气泡脉动载荷下的低频振动。在光学器件1和固定架8之间设计了减震垫9，进一步减弱光学器件1的振动。除此之外，还设计了稳定尾管14以实现防护结构的流场稳定性，稳定尾管14安装在防护结构尾部，类比舰船设计，参考船尾角设计稳定尾角度θ，其值在6度到8度之间，以降低尾部阻力，减弱结构承受冲击载荷以实现减振功能。

针对爆炸水池环境进行密封稳定尾管14，具体包括第一法兰盘4、第二法兰盘10和密封圈11，第一法兰盘分别焊接在抗爆顶盖3和抗爆体5上，第二法兰盘分别焊接在抗爆体5和抗爆底盖12上，抗爆顶盖3和抗爆底盖12上各开有沟槽，装配有密封圈11，以实现在一定深度的爆炸水池中防护结构针对的径向密封。

针对高速摄像及水下光学器件防护结构的固定与安装，设计了包括固定架8和安装盘7，其中针对光学器件1的尺寸对固定架8进行匹配性设计，以容纳光学器件1。如图5所示，安装盘7上沿周向开有穿绳孔，通过绳索与桁架19固定。

Claims (9)

1.一种应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：包括防护结构主体、抗爆视窗（2）、电缆转接装置（15）、抗爆垫（16）、固定架（8）、减振垫（9）和若干减振弹簧（6）；所述防护结构主体包括同轴顺次装配的抗爆顶盖（3）、抗爆体（5）、抗爆底盖（12）、抗爆塞（13）、稳定尾管（14），抗爆视窗（2）安装在抗爆顶盖（3）的中心孔内，抗爆顶盖（3）和抗爆体（5）通过第一法兰盘（4）固连，并通过密封圈（11）实现密封；抗爆体（5）和抗爆底盖（12）通过第二法兰盘（10）固连，并通过密封圈（11）实现密封；在抗爆体（5）的圆周外壁上还间隔设有两个安装盘（7），安装盘（7）位于第一法兰盘（4）和第二法兰盘（10）之间，抗爆塞（13）上设有中心通孔，电缆转接装置（15）固定在抗爆塞（13）中心通孔中；光学器件（1）、减振弹簧（6）、固定架（8）、减振垫（9）被封装防护结构主体中；固定架（8）与抗爆塞（13）内壁固连，若干减振弹簧（6）均匀分布在固定架（8）外壁，减振弹簧（6）一端固连固定架（8）外壁，另一端固连抗爆体（5）内壁，用于减弱照明光源防护结构的周向振动；光学器件（1）一端固定在固定架（8）内，两者之间设有减振垫（9）和抗爆垫（16），其中抗爆垫（16）位于固定架（8）底部，减振垫（9）位于固定架（8）的圆周侧壁。

2.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：所述抗爆视窗（2）采用透明防爆防弹树脂玻璃，透光率≥80%，厚度≥30mm，对抗爆视窗（2）采用周向密封，保证在10倍实验环境压力下20min不渗漏。

3.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：抗爆顶盖（3）外侧壁为流线形，沿其中心轴线开有中心孔，中心孔内壁设有一圈第一台阶面，抗爆视窗（2）固定在中心孔内并通过第一台阶面限位，所述中心孔不影响光学器件（1）拍摄视野。

4.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：抗爆体（5）为圆筒状，材质为304不锈钢。

5.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：抗爆底盖（12）为圆环，其顶部内壁设有一圈第二台阶面，用于对抗爆塞（13）限位。

6.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：稳定尾管（14）自前向后由直管和渐缩管构成，要求渐缩管倾斜角度最佳值在6度~8度，以减弱底部阻力。

7.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：稳定尾管（14）的直管与抗爆塞（13）的后端面固连，抗爆塞（13）采用304不锈钢材质，抗爆塞（13）的后端面设有锥形凹槽，锥形凹槽底部开有圆孔，用于固定电缆转接装置（15）。

8.根据权利要求7所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：抗爆塞（13）的锥形凹槽要求设计为内凹形状，减弱反射冲击波的汇聚作用以实现对光学器件（1）的抗爆。

9.根据权利要求1所述的应用于爆炸水池的水下光学器件防护结构，其特征在于：光学器件（1）为高速摄像或照明光源，应用于水下爆炸研究。