汽车安全气囊气体发生器电点火管的设计研究.pdf

2 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 7 卷第2 期 汽车安全气囊气体发生器电点火管的设计研究 孙建仪 湖南向红机械化工有限责任公司 湖南岳阳，4 1 4 1 0 0 [ 摘要] 文章分析探讨了安全气囊中电点火管的组成、技术要求及设计原理，选择了适当的桥丝材料，确定了桥 距，同时选择了适当的引火药头药剂、点火药剂及扩燃药荆。通过工艺研究，确定了产品的具体结构，由材料的选用 及装压药工艺、作用时间的优化与考核，成功地设计出电点火管的原理样品，对照原理样品进行了产品的批量试制 与探索，对影响产品的因素进行了归纳与分析。 [ 关键词] 汽车安全气囊电点火管设计 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 2 l引言 汽车安全气囊就是在汽车高速碰撞障碍物时保 护司乘人员的一种辅助安全装置，它对乘员的保护 效果是非常出色的[ 1 ] 。 电点火管在汽车安全气囊气体发生器中起点燃 气体发生剂的作用。电点火管中有发热桥丝与电极。 另外还有小量的遇热反应的引燃药剂、点火药剂及 扩大输出能量的扩焰药剂。它是汽车安全气囊气体 发生器中最原始的能量触发与输出机构，其技术水 平的高低与质量的好坏直接影响安全气囊的作用效 果。所以提高电点火管的技术含量及质量水平是电 点火管研制的核心工作。 2 电点火管的设计 2 ．1电点火管组成及技术特点 电点火管主要由电极、发热桥丝、引燃药、点火 药、扩燃药、外壳等部件组成。它的技术特点 7 结论 通过对钼系延期药的混合方式、配方、延时精度 和感度等方面的研究，发现其延时精度高，火焰感度 适中，机械感度低，燃速可调范围广 2 0 m s ／c m ～4 ．0 s ／c m ，安定性好，能够应用于延期导爆管雷管中。 另外研究发现铬酸钡的水溶物的含量对钼系延期药 药剂抗吸湿能力有较大影响。 1 桥丝电阻 2 士O ．5 Q ； 2 绝缘电阻≥2 0k Q ， 3 安全电流2 0 0m A ／5 0 戚n ， 4 工作电流在工作电流2A 的条件下，电点 火管应可靠点火，作用时间≤2 ．5m s I 5 适用环境温度一3 0 ℃～ 6 0 ℃， 6 电点火管经冲击、振动和湿热试验的考核应 作用可靠，作用时间≤2 ．5m s 。 2 ．2桥丝材料的选择及桥距的确定[ 2 3 为了保证电点火管的性能指标要求，在比较了 多种电阻丝的性能后，采用6 J 1 0 镍铬合金丝作为本 电点火管的桥丝材料，直径初步确定为j 2 f O ．0 4 _ 。．∞a m m ，该电阻丝的性能参数如下 密度d 8 ．4g ／c m 3 ， 比热C O ．4 6J ／g ℃ 2 0 ℃时 I 电阻率P 一1 ．1 9 1 0 - ‘Q c m 2 ／c m 3 0 0 ℃ 参考文献 [ 1 ] 吴幼成，宋敬埔．延期药技术综述[ J ] ．爆破器材．2 0 0 0 ， 2 9 2 2 5 ～2 7 ． [ 2 ] 潘配功，扬硕．烟火学[ M ] ．北京北京理工大学出版 社，1 9 9 7 ．3 8 4 ． [ 3 ] 来鹰．钼一铬酸钡一过氯酸钾系延期药的研究口了．爆破 器材，1 9 9 1 ，2 0 4 1 3 5 ～3 9 ． R e s e a r c ho nt h eM o l y b d e n u mT y p eD e l a yC o m p o s i “o n M aH o n g w e i ，H uK u n 】u n A n h u jU n i v e r s j t yo fS c j e n c ea n dT e c h n 0 1 0 9 y A n h u iH u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 [ A B S T R A C T ] s e v e r a la s p e c 协a b o u tt h em o l y b d e n u mt y p ed e l a yc o m p ∞i t i o ns u c h 勰t h em i x i n gm e t h o d s ，f o r - m u l a t i o n ，d e l a ya c c u r a c y ，s e n s i t i ’，i t ya n ds oo nw a ss t u d i e d ．T h er e s u l t 88 h o wt h a ti th a sh i g hd e l a ya c c u r a c y ，s u i t a b l en a m e8 e n s i t i v i t y ，w i d ea d j u s t a b l er a n g ea n dg o o ds t a b i l i t y ．A tt h es a m et i m e ，i ti 8f o u n dt h a tt h ew a t e r - s o l u b l ec o n t e n ti nt h eb a r i u mc h r o m a t eh a sa ne f f e c to nt h ec o m p o s i t i o n ’8m o i s t u r ea b s o r p t i o n [ K E YW O R D S ]d e l a yc o m p o s i t i o n ，d e l a ya c c u r a c y ，B e n s i t i v i t y ，b a r i u mc h r o m t e 万方数据 2 0 0 8 年4 月 汽车安全气囊气体发生器电点火管的设计研究孙建仪 2 9 时 ， 熔点1 4 0 0 ℃。 按照上述选择的电阻丝计算桥距。 由尺 ．D L ／S ，而尺 2 士O ．5 。Q ，于是 ， 尺S 1 ．5 ～2 ．5 c 2 1 0 一3 2 厶一1 厂2 T 西又而丁一 O ．1 5 8 ～0 ．2 6 4 c m 取中间值L ≈o ．2c m ，即桥距o ．2c m 。 由于作为两极的插针直径为0 ．1c m 。因此两插 针的中心距为o ．2 0 ．1 0 ．3c m 。 2 ．3 引火药头药剂的选择 电引火药头的感度与药剂的关系很大，为此合 理地选择药剂，以便提高引火头的感度。 药剂的选择原则是 1 药剂的爆发点较低， 2 药剂必须有很高的粉碎度，以保证足够的传热 面I 3 药剂的摩擦感度适中，以保证使用安全I 4 生成的气体少，以保证药剂平稳地燃烧； 5 应选用 使发火冲量较小的粘合剂。 根据这个原则，主药剂选用斯蒂芬酸铅；氧化剂 选用K C l O 。；粘合剂选用硝化棉。 材料的性能如下 1 斯蒂芬酸铅爆发点2 8 2 ℃ 5s ，爆热1 9 1 3J ／g ，爆轰生成气体量3 6 8m L ／g ， 2 硝化棉5s 爆发点为2 0 0 ℃，同时反应时放热。 2 ．4 点火药剂的选择 选择3 小粒黑火药，其性能参数如下；燃烧热 5 9 6 6J ／g ；爆热2 8 6 4J ／g I 爆燃时最高温度可达 2 3 8 0 ℃；爆燃生成气体体积2 7 1 ～2 8 0m L ／g 常温 下 。 黑火药的优点是 1 燃烧时产生大量气体，有 利于建立点火压力； 2 安定性较好， 3 “干燥”黑火 药与所有金属相容； 4 具有一定的点火温度。 其缺点是 1 黑火药容易吸湿析硝。为克服吸潮，在产品 结构上设计了一个密闭的点火药室。 2 黑火药燃烧 后有微量C O 气体产生。 黑火药的化学反应方程是 2 0 K N 0 3 3 2 C 2 8 S 2 5 K 2 C 0 3 K 2 S O ． K 2 S 2 0 3 3 K 2 s 2 s 1 1 C 0 2 十 1 6 c O 千 1 0 N 2 千 由反应方程式计算出几种气体产物量 黑火药按2 0 0m g 装药量计算，K N O 。占1 4 8 m g ，C 占2 8 ．9m g ，反应后 ‰ 掣．3 3 ．7 m g 巩 礞铲- 2 0 ．5m g ‰ 掣．3 6 ．4 m g 在标准状态下气体量为 c o 气体量一等} 2 2 ．4 2 7 ．om L 厶u c 0 2 气体量暑竽2 2 ．4 1 8 ．5m L t ‘ N 2 气体量瓮竽2 2 ．4 1 6 ．4m L 厶。 总气体量 2 7 ．O 1 8 ．5 1 6 ．4 6 1 ．9m L 在这些气体中，C O 属有害气体，应控制在一定 范围之内。按照现在实际情况，在6 0L 容器中C O 的含量为3 3 ．7m g ／6 0L o ．o 0 0 5 6m g ／c m 3 ，相当 于1 1 0p p m 。 按照美国通用汽车公司的资料介绍情况，应计 算3 0 0L 容器中的含量，即3 3 ．7m g ／3 0 0L 0 ．o H D 0 1 1m g ／c m 3 ，相当于1 0p p m 。 照此理论计算，C O 的含量低于标准要求，实际 过程中，黑火药中C 的真实含量要略低于计算数 据，其产生的C o 含量要比计算的结果低些。 以上的2 0 0m g 黑火药装药量，是在多次试验 摸底后确定的，主要目的是保证点火药爆燃后，有一 定的爆热和气压，并能快速地点燃扩燃药。2 0 0m g 黑火药爆燃后，其爆热仅为6 8 4 2 5 7 2 8J ，产生的 气体量在6 0m L 左右，而点火药爆燃后，药室的压 力将会快速上升，冲破硝基软片，点燃扩燃药。 2 ．5 扩燃药的设计与计算 国外同类产品的扩燃药有两种方案[ 3 ’‘] 。 1 以N a N 。为主要成分的混合药剂，燃速大于 1 0 0m ／s 。 2 以B 和硝酸盐作为扩燃药。 由于我厂是火工品生产厂，具有较成熟的生产 N a N 。的经验，生产条件也比较完善，另一方面，考 虑到以N a N 。，K C l O 。为主要成分的混合药可通过 调整K C l O ．的含量来控制药剂的燃烧反应速度，因 此优先选择了N a N 。、K C l O ．为主要成分的混合药 剂作为扩燃药。按3g 扩燃药量计算反应产物。 主要反应方程式 4 N a N 3 M n 0 3 F e 2 0 3 2 N a 2 0 M n 0 2 2 F e 0 6 N 2 1 6 N a N 3 F e 2 0 3 ；3 N a 2 0 2 F e 9 N 2 十 2 8 N a N 3 K C l O ‘ 4 N a 2 0 K C l 1 2 N z 十 3 2 N a N 3 F e O N a 2 0 3 N 2 十 F e 4 此外还有N a H C O a 的吸热分解反应 2 N a H c 0 3 坠N a 2 c 0 3 H 2 0 千 c 0 2 千 5 各反应物质的摩尔数如下。 疗N I N ． 7 0 ／6 5 1 ．0 7 6 9m o l 以M Ⅱo ． 7 ／8 7 ；O ．0 8 0 5m o l ，l P e 2 0 3 2 0 ／1 6 0 O 1 2 5 0m o l 靠K a 0 ． 6 ．5 ／1 3 8 ．5 O ．0 4 6 9m o l 万方数据 3 0 爆 破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 7 卷第2 期 以N 姗． 1 2 ／8 4 O ．1 4 2 9m o l 在反应式 1 中o ．0 8 0 5m o lM n o z 全部反应 完，所以消耗F e 2 0 3 0 ．0 8 0 5m o l ，消耗N a N 3 0 ．0 8 0 5 4 O ．3 2 2 0m o l 。 生成N 2 O ．0 8 0 5 6 一O ．4 8 3 0m o l 生成F e O 0 ．0 8 0 5 2 o ．1 6 1 0m o l 反应式 1 中F e 2 0 。消耗的量为O ．0 8 0 5m 0 1 ，所 以参加反应式 2 中F e 2 0 3 的量为O ．1 2 5 0 0 ．0 8 0 5 O ．0 4 4 5m o l 。 在反应式 2 中 消耗N a N 3 O ．0 4 4 5 6 O ．2 6 7 0m o l 生成N 2 0 ．0 4 4 5 9 一O ．4 0 0 5m o l 反应式 3 中 参加反应的K C l O ‘为0 ．0 4 6 9m o l 消耗N a N 3 0 ．0 4 6 9 8 一O ．3 7 5 5m o l 生成N 2 0 ．0 4 6 9 1 2 O ．5 6 3 2m o l 反应式 1 、 2 、 3 中 总共消耗N a N 3 为0 ．3 2 2 0 O ．2 6 7 0 0 ．3 7 5 5 0 ．9 6 4 5m o I 剩N a N 3 1 ．0 7 6 9 0 ．9 6 4 5 O ．1 1 2 4m o l 反应式 4 中 消耗F e 0 O ．1 1 2 4 ／2 一O ．0 5 6 2m o l 剩F e O O ．1 6 1 0 一0 ．0 5 6 2 0 ．1 0 4 8m o l 生成N 2 O ．0 5 6 2 3 一O ．1 6 8 6m o l 由以上计算所得的值，可得到1 2 4 ．5g 药剂生 成的氮气总量为 雄 O ．1 6 8 6 O ．5 6 3 2 O ．4 0 0 5 O ．4 8 3 0 1 ．6 1 5 3m o l 在反应式 5 中 ．．．行N 砌． 0 ．1 4 2 9m 0 1 ．．．生成H 2 0 g 与C 0 2 的摩尔数均为0 ．0 7 1 5 m o l 根据上式计算，可得到气体成分如下。 N 2 1 ．6 1 5 3m o l 占9 1 ．8 8 ％ H 2 0 g 0 ．0 7 1 5m o l 占4 ．0 6 ％ C 0 2 o ．0 7 1 5m o l 占4 ．0 6 ％ 气体总量为行量 1 ．7 5 8 1m 0 1 残渣组成如下 F e 0 ．0 4 4 5 2 O ．0 5 6 2 5 6 一O ．1 4 5 2 5 6 8 ．1 3g F e O O ．1 0 4 8 7 2 7 ．5 5g N a 2 0 [ o ．0 8 0 5 2 o ．0 4 4 5 3 o ．0 4 6 9 4 0 ．0 5 6 2 6 2 3 3 ．3 7g M n 0 2 0 ．0 8 0 5 7 1 5 ．7 2g K C l 0 ．0 4 6 9 7 4 ．5 3 ．4 9g N a 2 C 0 3 0 ．0 7 1 4 1 0 6 7 ．5 7g S i 0 2 3g C F 2 C F 2 O ．1 4 4 6g 残渣总质量为优 7 4 ．8 4g 3 电点火管性能测试 电点火管检测与试验项目有外观与尺寸检查、 桥丝电阻检测、绝缘电阻检测、安全电流试验、冲击 试验、高低温试验、振动试验、湿热试验和跌落试验。 1 2 0 发试样分为7 组进行试验，考察试验前和试验 后的桥丝电阻、绝缘电阻、安全电流、工作电流和作 用时间，测试结果全部符合既定的技术要求，显示出 该点火管有着良好的性能，完全满足使用要求。 4 结论 对于气体发生器用点火管，为满足发火性能要 求，经计算与实验验证，合理可行的设计参数为桥 丝材料为6 J 2 0 型镍铬合金丝 万O ．0 4 - o ．∞am m ，长 度2 ．0m m 、点火药为3 小粒黑火药 0 ．2g 、扩燃 药为N a N 3 ／K c l O ‘主体混合物 3 ．og 。 经电性能测试和环境试验后，阻值和作用时间 等均符合技术要求，点火能力也满足使用要求，下一 步将考核其批量生产的稳定性和应用可靠性。 参考文献 [ 1 ] 孙会宁，陈保伟，张健，等．汽车辅助约束系统用火工 技术的发展[ J ] ．火工品，2 0 0 5 ， 3 t 5 4 ～5 6 ． [ 2 ] 蔡瑞娇．火工品设计原理[ M ] ．北京北京理工大学出 版社，1 9 9 9 ． [ 3 ]S h i n g o ．I n i t i a t o ra s s e m b l y [ P ] ．U P 6 8 2 0 5 5 6 ，2 0 0 2 ． [ 4 ]M i k i oY ．I n i t i a t o r 鹋s e m b l y [ P ] ．U P 6 7 1 8 8 8 4 ，2 0 0 2 ． D e s i g no fE I e c t r l cI g n i t e rf o rG 衄G e n e r a t o ro fA l r b a g S u nJ i a n y i H u ’n a nX i a n g h o n gM e c h a n i c a l ＆C h e m i c a lE n g i n e e r i n gC o ．L t d H u ’n a n Y u e y a n g ，4 1 4 1 0 0 [ A 。B s T R A C T ] I nt h i sp a p e r ，t h eb u i l d i n gu pe l e m e n t s ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g np r i n c i p l eo ft h e e l e c t r i c i g n i t e rf b ra i r b a ga r e8 t a t e d ．A p p r o p r i a t em t e r i a lo fb r i d g ew i r ei sc h o s e n ，a r l di t sd i a m e t e ra n dl e n g t ha r ed e t e r - m i n e d ．T h ep r o p e rp i l o tf u e l ，i g n j t i n gc h a r g ea n db u r s t i n gc h a r g ea r es e l e c t e d ．B a s e do nt h et e c h n o l o g yr e s e a r c h ， t h ec o n f i g u r a t i o no fi g n i t e ri sf i x e d ．T h ef a c t o r 8w h i c hi n f l u e n c et h ep r o d u c tp r o p e n ya r e 叫m m r i 距da n da n a - l y 扰d ．O nt h eb a s i 8o fp r i n c i p ks a m p l e ，b a t c hp r o d u c t i o ni 8t r i e da n ds u c c e s 8 f u l ． [ K E Yw 0 R D S ]a i r b a g ，8 a f e t yg a sg e n e r a t o r ，e l e c t r i ci g n i t e r ，d e s i g n 万方数据