Device for ejecting water column by inertia effect based on load technology of gas gun
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摘要: 基于气体炮加载技术和惯性抛射原理，研制了一套水冲击实验装置，可实现规则形状水柱按照设定速度发射。该装置在活塞推射技术的基础上，设计了一个抛射筒取代活塞，将水柱装在抛射筒内；利用气体炮产生的动力加载抛射筒，达到设定速度时撞击缓冲件得到减速，筒内水柱在惯性作用下飞出。抛射筒材料采用高强度合金钢，缓冲件材料采用橡胶，抛射筒在装置发射水柱后可再次使用。使用该装置开展了Ø200 mm×1 m尺寸水柱的发射实验，水柱速度及形状均满足水冲击实验的要求；采用非接触的光电测速方法测量了发射速度，与理论计算结果比较符合。Abstract: Based on load technique of gas gun and inertia projecting method, a device is developed to eject water column with desired speed and regular shape for hydraulic impact tests.Referring to piston push technology, this device used a projecting cylinder filled with water to replace piston.Under huge push of gas gun, the cylinder is accelerated and will impact buffer when arriving to desired speed, then water column in the cylinder will be ejected under inertial function because the cylinder suddenlly halts.The cylinder is made of alloy steel of high strength, and can be used again after impacting buffer made of rubber material.Using this device, water column with regular shape(Ø200 mm×1 m)is ejected, and satisfyed requirement of hydraulic impact tests.Ejecting speed is gained by photoelectric measurement method, corresponding to results of theoretic calculation.
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相对于火箭撬、电炮等加载设备, 利用压缩气体作动力源的气体炮[1-4]具有干净、易实现等优点, 应用越来越广泛。随着各种缓冲材料(如橡胶、泡沫铝等)和缓冲器的开发利用[5-7], 高速负载的缓冲与回收技术也越来越成熟, 使惯性抛射技术的应用越来越广泛, 如各种冲击实验设备、弹丸加载装置等[8-9]。在水冲击实验[10-12]中, 需要发射具有一定速度的规则形状水柱, 作为实验件入水出水冲击过程模拟的实验条件。目前的水流发射装置如水压凿岩机等[13-14], 都通过活塞推射的方式实现水流射出, 速度与冲击力可调节, 但由于活塞作用到水面上的压力不均匀, 水柱形状容易破坏, 不符合水冲击实验的要求。
本文中基于气体炮加载技术和惯性抛射原理, 研制一套水冲击实验装置, 可实现规则形状水柱按照设定速度发射, 为各种水冲击实验提供技术手段。
1. 装置设计
1.1 装置发射原理
该装置在活塞推射技术的基础上, 设计一抛射筒取代活塞, 将水柱装在抛射筒内; 利用气体炮产生的动力加载抛射筒, 达到设定速度时撞击缓冲件得到减速, 筒内水柱在惯性作用下飞出; 根据一级气体炮内弹道理论, 可计算出水柱飞出速度。抛射筒材料采用高强度合金钢, 缓冲件材料采用橡胶, 装置在发射水柱后抛射筒可再次使用。
如图 1所示, 装置工作过程为以下4个步骤:(1)首先关闭阀门, 抛射筒放置到位, 并在气室中充满压缩空气; (2)打开阀门, 气室内压缩空气瞬间释放, 产生的压力p将推动抛射筒(内装待抛物)在炮管内加速; (3)当抛射筒完成加速后, 将获得一定的初速度v, 并撞击缓冲件; (4)抛射筒受缓冲作用减速停下, 最后待抛物在惯性的作用下以速度v0(略小于v)发射出去。
图 1 基于气体炮加载技术的惯性抛射原理示意图Figure 1. Schematic diagram of inertia projecting based on load technology of gas gun根据一级气体炮的内弹道理论[1], 不考虑各种摩擦与损耗时, 抛射筒获得的速度
v=(2ˉpρLf/Dfl/Df)1/2 (1) 式中:p为发射过程中筒后平均压力, ρ、l为抛射筒平均密度、长度, Lf、Df为炮管长度和内径。
基于上述惯性抛射原理来实现规则水柱的发射, 利用流体模拟软件FLUENT进行模拟。如图 2所示, 抛射筒(内装水)以35 m/s的速度向上运动, 某时刻迅速回收抛射筒, 使其在短距离内速度降为零, 水柱因惯性作用飞出, 出筒速度大于30 m/s、水柱形状保持较好。模拟结果表明, 惯性抛射方式可实现规则形状水柱的发射。
图 2 水柱惯性抛射的模拟分析结果Figure 2. Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect1.2 装置结构组成
装置总体结构如图 3所示, 主要由气室、活塞、炮管、抛射筒、缓冲件、限位环等组成。气室中充满压缩空气, 活塞打开以后, 气体瞬间释放产生的动力推动抛射筒在炮管内运动, 获得一定速度后撞击缓冲件减速, 抛射筒内水在惯性作用下飞出, 从而实现规则形状水柱的发射。
气室分为前、后2个腔, 前腔用于充压缩气体, 后腔给活塞提供运动空间。
活塞由活塞杆和密封锥2部分组成, 活塞杆在气室后腔运动, 密封锥采用铜材料、可压紧气室前腔放气口。
为了拆装方便, 炮管由炮管口和炮管座2部分组成; 炮管口周壁上开有条形槽, 可及时排放发射过程中释放的空气。
抛射筒由薄壁圆筒和撞击盘组成, 连接部位局部加厚, 可提高强度。
缓冲垫安装于炮管口处, 环向安装间隙大于缓冲垫厚度, 以提供膨胀空间。
限位环采用铜材料, 可在不碰伤抛射筒的前提下起导向作用。
1.3 抛射筒冲击与缓冲分析
设抛射筒尺寸为直径200 mm、长1 m, 装满水后总质量约为100 kg, 经气体炮加载后获得的速度为35 m/s, 根据动能定理, 抛射筒撞击缓冲垫的总能量为61.25 kJ。抛射筒材料采用高强度合金(如30Cr MnSiA), 缓冲垫材料采用丁基橡胶, 通过有限元模拟分析得到, 如图 4所示:抛射筒壁、盘连接根部的应力最大(676 MPa), 在材料的允许范围内(30Cr MnSi A材料的屈服应力可达800 MPa以上), 这说明抛射筒未发生塑性破坏、下次实验可再次使用; 缓冲垫最大压缩量约为62 mm, 属于弹性变形, 压缩后将恢复变形; 炮管的螺栓连接处应力最大(约390MPa), 一般的中等强度材料即可满足; 炮管口和炮管座的连接螺栓应力最大约660MPa, 8.9级强度螺栓可满足连接要求。
图 4 水柱惯性抛射的模拟分析结果Figure 4. Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect1.4 抛射筒发射速度测试
采用一种非接触式的光电测速方法, 如图 5所示, 2对光纤传感器(每1对包括1个发射器、1个接收器)相距L, 抛射筒运动过程中依次通过2对传感器并挡住光线, 从传感器信号中读取光线被遮挡的时刻t1、t2, 则抛射筒速度为v=L/(t1-t2)。该测速方法易于控制、测试精度高, 不受水环境影响。
图 5 抛射筒发射速度的非接触式测量方法Figure 5. Uncontacted method for measuring speed of projecting cylinder2. 实验结果
根据上述设计, 研制了一套水冲击实验装置, 主要技术指标为:
(1) 装置重约3.5 t, 高约3 m;
(2) 可发射水柱尺寸为Ø200 mm×1 m;
(3) 水柱发射速度可达40 m/s, 速度测量精度可达0.01 m。
采用该装置开展了实验, 实现了尺寸为Ø200 mm×1 m水柱的发射, 如图 6所示, 水柱出筒时形状较好, 喷出的水柱可以用作各种结构件的水冲击实验, 水柱发射后抛射筒后保持完好。在气室压力为1.0 MPa时, 开展发射实验, 通过非接触式测量方法[15]测定抛射筒获得的速度为30.15 m/s, 而利用式(1)计算得到的速度为32 m/s, 实际值与理论值比较接近, 误差是由于式(1)没有考虑各种摩擦与损耗; 实验时设定不同的气室压力, 即可获得抛射筒不同的加载速度, 从而得到水柱发射的设定速度。
3. 结语
基于气体炮加载技术和惯性抛射原理, 研制了可实现规则形状水柱按照设定速度发射的抛射装置。该装置利用气体炮动力加载装有水的抛射筒, 达到设定速度时撞击缓冲件得到减速, 筒内水柱在惯性作用下飞出; 抛射筒材料采用高强度合金钢, 缓冲件材料采用橡胶, 在水柱发射后抛射筒可再次使用。采用该装置开展了尺寸为Ø200 mm×1 m水柱的发射实验, 水柱速度与形状均满足水冲击实验的要求; 采用非接触的光电测速方法测量了发射速度, 与理论计算结果相符合。
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图 1 基于气体炮加载技术的惯性抛射原理示意图
Figure 1. Schematic diagram of inertia projecting based on load technology of gas gun
图 2 水柱惯性抛射的模拟分析结果
Figure 2. Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect
图 4 水柱惯性抛射的模拟分析结果
Figure 4. Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect
图 5 抛射筒发射速度的非接触式测量方法
Figure 5. Uncontacted method for measuring speed of projecting cylinder
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