王俊丽，王抓，江彭，李彦卿

（凯迈（洛阳）气源有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

大流量应急排放阀属于电爆控制阀门，用于控制大流量高低压气路通断，主要应用于车载、机载及消防等领域，通过给电爆机构供电产生的热能引燃电起爆器内部装药，装药燃烧后产生的气体输出做功，撞断剪切机构，推动剪切机构向前运动并卡在上阀体楔形槽内，使得排气嘴排气孔与撞头组件的排气孔对齐，进而进气口与排气孔连通，进行安全可靠应急排放[1-2]。

应用于无人机消防领域的高压大流量应急排放阀，各项性能远远高于普通行业的应急排放阀，应具有安全可靠、响应快、流量大、压力高、输出特性好、密封性好、安全性及可靠性高等特点[3-4]。

1 方案设计

1.1 组成及工作原理

应急排放阀主要以上、下阀体作为主要载体，两者通过螺钉连接在一起，中间通过密封圈实现可靠密封，将电爆机构和剪切机构装至上阀体上，将安全阀、压力表及充气阀装至下阀体上，共同组成该应急排放阀，电爆机构由电起爆器、电起爆器接头及撞头组成，剪切机构由排气嘴、钢套及密封圈等组成，其整体结构示意图如图1、图2所示。

图1 产品整体结构图（初始状态）

图2 产品结构图（工作状态）

减压器的工作原理为：1）初始状态。排气嘴卡在剪切机构的凹槽内，撞头组件与上阀体、排气嘴与下阀体之间均采用两级密封，防止气体外漏，可靠性高，灭火装置内的气体不能排出。2）工作状态。电爆机构点爆后，撞断剪切机构，推动剪切机构向前运动并卡在上阀体楔形槽内，使得排气嘴排气孔与撞头组件的排气孔对齐，进气口与排气孔连通，高压气体进行安全可靠应急排放，满足无人机消防灭火的需要。充气阀采用直动式弹簧结构，具有开启关闭压力小、密封性好、耐温性好及安全性高等优点，可以实现灭火装置内气体的充装；安全阀为膜片式结构，可以防止灭火装置内气压过高产生的危险；压力表可以分区显示灭火装置内气体压力高低。

1.2 理论计算过程

1.2.1 排气嘴强度设计

排气嘴需要在一定压力下承压且不变形失效，要在电爆机构的作用下剪断排气，所以排气嘴的剪切处为薄弱环节，需要进行强度校核，以保证其安全性。如图3所示，该处的内、外径分别为D、d，排气嘴所承受的最高工作气压为P。

图3 排气嘴受力图

为保证该处设计的合理性，按照下式进行安全系数的计算[5]：

式中：σb为排气嘴材料的抗拉强度；s为退刀槽处壁厚。

推算出安全系数n=18.2，远高于推荐的安全系数2.2≤n≤3，由此可见，排气嘴具有很高的安全性。

1.2.2 排气嘴剪切应力的计算

排气嘴结构可类似为纯剪切结构，固定端在排气嘴撞断处（如图3中的A点）。

根据《材料力学》中切断所需要的冲剪力应为

式中：A为圆饼体的柱形侧面，A=πdδ=19.41 mm2；τμ为材料剪切极限应力，τμ=0.6σ=750 MPa。

将排气嘴尺寸代入上述公式中，经计算得出F≥29115 N，故F=29115 N即为产品排气嘴的最小破坏力。

在钝感电起爆器研制技术要求中规定：“按规定发火时，在5 cm3的测压容器内，产品输出压力应在6～11 MPa范围内”。按电起爆器产生压力Pmin=6 MPa，撞针与电起爆器之间容腔最大进行计算，撞针与电起爆器之间最大容腔V=118.1 mm3，此时容腔内压强P1=P0V0/V=254 MPa，撞针受力F=P1A=134848.6 N（A为撞针受力面积）。由上述计算可看出，实际电起爆器产品的压力作用在排气嘴上的力为134 848.6 N，远远大于排气嘴最小破坏力F1=29115 N，所以电起爆器产生的力可以可靠地剪切排气嘴。

1.2.3 电起爆器螺纹牙强度校核

按照电起爆器产生的P1=254 MPa压力下对电起爆器的M10的螺纹校核。主要考虑螺纹在254 MPa压力下螺纹牙是否发生剪切和挤压破坏，因此只需要校核螺纹牙的强度。根据《机械设计》第7版，螺纹牙的剪切强度计算公式为

故电起爆器螺纹剪切强度、弯曲强度均满足要求。

2 有限元仿真分析

按照电起爆器产生的P1=254 MPa压力进行计算，计算得出排气嘴的等效应力云图和剪切应力云图分别如图4、图5所示。由图4可知，最大等效应力发生在设计的薄弱位置,其值为1959.7 MPa,大于材料的抗拉强度。如图5所示，最大剪切应力为1110.1 MPa，大于材料的许用剪切应力[τ]=0.6×1250=750 MPa。故产品在电起爆器产生254 MPa压力时能够可靠撞断。

图4 等效应力云图

图5 最大剪应力云图

3 试验研究

在产品的进气端连接一消防气瓶，从充气阀给消防气瓶充入一定压力P 的高纯消防气体，给电起爆器施加5～22 A直流电进行点火试验，产品正常点火工作，气瓶气体瞬间从上阀体排出进行灭火，试验后排气嘴撞断图及撞断机构撞断后如图6、图7所示，从试验方面验证了该设计结构的合理性。

图6 试验后排气嘴撞断图

图7 撞断机构撞断后图

4 结语

通过该无人机消防用大流量应急排放阀结构特点试验可知，该阀具有排放流量大、排放压力高、电爆机构安全可靠、响应快、密封性好、反向冲击小及消防灭火可靠等优点。有限元仿真、试验研究及随总体试飞投放均验证了理论计算的正确性，拥有广阔的发展空间和市场。该无人机消防用大流量应急排放阀的主要技术包括可靠电爆机构、纯剪切结构、两级密封、高压大流量排放性能，都有很好的推广前景。