1、基于空气动力学球形排爆杆研究设计摘 要全球恐怖活动中，爆炸约占 85%以上，说明了爆炸恐怖活动已成为当今恐怖分子最主要的犯罪形式。本课题基于空气动力学原理，设计了一款具有球形机械手的排爆杆，兼具操作方便、多自由度旋转以及抓持安全可靠等特点。 关键词空气动力学 排爆 设计 中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0075-01 一 排爆装备的现状 排爆是一项技术性要求较高的工作，需要借助先进实用的专业器材。因此，排爆器材已成为各国军队、内卫部队、警察部队中专业从事排爆工作队伍的重要装备。 （1）处置器材 目前国际上较为先进的排爆处置器材有美国生产的 M
2、K1-MK4 排爆工具组、泰克绳钩组，主要用于对爆炸物和危险品进行抓取和远距离转移，确保排爆人员的安全。 国内多采用排爆杆对爆炸物进行处置。处置器材品种多样、安全可靠、价格低廉，在无法大规模配备排爆机器人的现状下，适合公安、消防和防爆的单位使用。 （2）反恐排爆机器人 反恐排爆机器人是指在危险环境中执行排除爆炸物、危险品处理销毁等任务的特殊机器人，但针对目前中国国情来讲，其科技含量高、价格昂贵、操作复杂，现阶段不便于在国内广泛应用。 二 排爆杆总体设计 本课题设计的排爆杆是一款超轻便、超强度的排爆设备，机械手主要搭载于排爆杆上，机械臂的另一端通过电池盒及真空泵设置配重。 主要优点是机械手由电路
3、进行控制，可自由伸缩一米范围，解决了传统排爆杆无法将爆炸物转移到排爆罐进行爆破的缺点；球形机械手代替传统手爪型，即使压力敏感型爆炸物也可轻松夹持，操作简单，避免了传统机械手复杂的操作导致的排爆失误；整体采用模块化设计，便于维护修理。 （1）机械手设计 排爆机械手采用球形设计，这款球形手无论从制作还是原理上说都不复杂。其前端是一个填满了咖啡颗粒的橡胶充气球，后端则连接着空气抽取装置。其工作原理采用了真空包装的技术特点，当球体里的空气被抽走变成真空状态时，咖啡颗粒便被紧紧压缩，球体表面产生吸力，将物体抓起；当空气重新进入球体，真空状态解除之后，吸力自然就会消失，物体也就被放了下来。 之所以选择咖啡
4、颗粒作为填充物，是因为在真空状态下，咖啡颗粒能够被压缩的特别紧实。球形机械手操作原理简图如图 1： 原理： 1、球形手以柔软的状态接近被夹持物体 2、球形手在物体周围发生形变，包裹住物体 3、真空泵抽气，球形手中的咖啡粉由于负压紧实变硬，夹持住物体 4、球形手完成夹持，物体可被操纵 （2）机械杆设计 手臂部件是排爆杆的主要部件，设计基本要求： 1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 臂部通常既受弯曲，也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以，机械杆常采用无缝钢管作为导向杆，这样既提高了手臂的刚度，又减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动传动装置及导气管道。 2）臂部运动速度要快
5、，惯性要小 为了减少冲击震动，设计圆柱形三角支架，底盘稳定、高度可调，且可绕轴旋转，操作灵活，减少了转动惯量。综上所述，设计了一款机械杆如图 2： 排爆杆采用强度较高的碳纤维作为机械杆，内部中空，内置与真空泵、机械手、LED 显示屏及电池盒连接的导气管及电路线，安全可靠（图3） 。 真空导管与电路线内置于机械杆中，真空泵一端连接电路线，一端通过真空导管与机械手连接；导管末端与机械手连接处采用莲蓬头结构，避免抽真空时咖啡颗粒吸入真空泵中。 （3）控制系统设计 采取真空泵作为机械手操作的控制系统，电池盒作为真空泵、机械臂操作及 LED 屏显示的动力源。同时，真空泵与电池盒连接后套装在机械杆上，起到
6、机械杆后端配重的作用，便于提起较重的爆炸物。 三 排爆杆效能评估 机械手采用抽真空形式来作为提升爆炸物的动力，其作用原理类比于真空吸盘。现以机械手水平移动，垂直提升为例，不考虑能量损失等情况，其最大吸力为： WPC/（10110.13） （1） W：吸力（N） P：真空度（-KPa） C：作用面积（cm2） 将真空度 P=40Kpa，作用面积 C=50cm2，代入（1）式中得 W=200N，即机械手最大约能提起大概 20kg 的重物，采用 20 号无缝钢管作为机械杆，其中许用剪应力=30MPa 许用挤压应力=100MPa，经过计算分析可知，机械手后端螺丝钩（宽 30mm）与轴（直径 50mm）
7、连接部位是最危险的截面，现进行强度校核，取最大提升重力 P=200N，校核结果如下：1、轴的剪切强度校核 轴的受力简图如下，图中 m-m 和 n-n 为剪切面。 由平衡方程条件得 Q=W/2=200/2=100N 所以根据剪切强度公式得 =Q/A=100/r2=100/（25x0.001）2=5.1x104Pa 即轴的剪切强度足够。 表示剪切强度，Q 表示轴截面所受的剪切力，A 表示轴的横截面积，表示许用剪应力。 2、轴的挤压强度校核 根据挤压强度公式得 =W/A=200/（30x50x10-6）=1.3x105Pa 即轴的挤压强度足够。其中 表示挤压强度，P 表示挤压力，A 表示轴的挤压横截
8、面积，表示许用挤压应力。 综上所述，排爆杆最大提升重量为 20Kg，剪切及挤压强度均小于许用应力，安全可靠，可夹取大部分爆炸物，满足排爆杆的技战术指标要求。 四 总结 （1）基于空气动力学原理，设计了一款具有球形机械手排爆杆，兼具操作方便、多自由度旋转以及抓持安全可靠等特点。 （2）对排爆杆进行了强度校核，验证了排爆杆使用的最大强度，证明了排爆的可靠性，是一款适合武警、公安、消防等排爆部门使用的排爆装备。 参考文献 1 陈学楚，装备系统工程M.北京：国防工业出版社，2008. 2 许家紫，多关节机械臂式排爆机器人的设计J.安徽大学，2014. 3 刘强，排爆机器人结构设计及其优化J，机电工程及其技术，2004. 4 陈晓东，反恐技术装备M，北京：科学出版社，2010.
