华北理工大学 矿业工程学院 河北唐山 063009
摘要：真空轮胎已逐渐走入人们的生活在轿车、客货车、工程车上广泛应用，本文以真空轮胎为研究对象运用爆炸安全工程知识对轮胎空间内可燃气体的爆燃分子方程解算求取爆燃初始压力数学模型，确定不同规格轮胎的作用气体量。其次设计本质安全型遥控电路完成远程点火并保证轮胎气密性。然后综合比对丁烷基、甲烷基、乙炔基气体作为燃爆介质的特点完成燃料筛选，考虑到充气瞬间存在部分爆燃产物沿着轮胎胎唇逸出，导致理论计算压力值偏小的误差，最后对模型的应用合理性进行分析。
关键词：爆燃原理；真空轮胎充气；爆炸压力计算
一、前言
随着科学的进步与发展，真空轮胎已经代替了普通轮胎在各个方面广泛应用[1]。也成为了使用者关心和研究的重点。如今真空轮胎的充气问题主要依靠大中型的气泵解决且搬运困难。如果在偏远地区发生漏气事故，不利于进行应急救援。因为不使用专业的充气和扒胎装备很容易造成车胎和轮毂部位的损坏导致密闭不严[2]。现实生活中，有的人使用“炸胎”的方法——向轮胎内喷射可燃气体通过爆燃原理充气。但这种方式无法精确确定可燃气体使用量容易造成爆炸事故。因此综合运用所学安全知识，通过真空轮胎爆燃充气装置的设计、实验和解算，形成本质安全型点火装置，确保充气安全与可靠密封，实现真空轮胎的便捷安装和就地充气，大幅降低作业人员的劳动强度同时可进一步提升真空轮胎的使用安全性，大幅改进轮胎安装工艺，在工程车、卡客车、越野车等潜在对象上应用潜力巨大。
二、爆燃原理的研究
（一）爆燃原理[3]的介绍
以亚音速传播的燃烧波称为爆燃，传播速度可达10～300 m/s。当固定容器密闭空间中可燃混合物达到一定浓度，瞬时燃烧会产生使密闭空间烟气侧气压突然升高的现象。通常在可燃混合物在固定容器密闭空间中引燃会导致10倍初始压力的爆燃，随着爆燃时间尺度的不断增加会产生100bar的爆轰现象。
（二）爆燃原理在真空轮胎充气装置上的应用
真空轮胎俗称子午胎具有抗穿刺、超耐磨、油耗低的特点。其密封的原理是轮胎的外侧边缘与轮毂的内测边缘靠轮胎内部的气压使得2个表面紧密贴合从而达到密封的目的。当轮胎被扎后缓慢漏气，轮胎边缘与轮毂间产生缝隙导致进气困难。打气初期要求快速进气使得轮内压强在短时间内达到一定数值，瞬间使得轮胎外壁和轮毂内壁贴合密封。在偏远野外环境下如果没有专业的充气设备，就无法达到轮内压强数值使缝隙愈合。本装置利用爆燃原理首先向轮胎内喷射定量燃料，当燃料到达一定浓度后通过遥控点火器进行远距离打火发生爆燃。爆燃产生的压力波使轮毂与轮胎外壁啮合近而达到充气目的。
三、真空轮胎爆燃充气装置主要结构设计
（一）遥控点火装置
现实生活中电子打火器分为电感放电型和电容放电型两大类。由于电容放电型打火器结构简单，工作可靠，成本低廉的特点被广泛应用。本装置也是采用了电容放电型打火方式同时与远程遥控接收器[4]结合完成远距离安全有效点火。下面对点火器电路进行分析说明。
1、工作原理
电路原理如图1所示，基本的工作过程如下：
图1 电容放电型打火器电路图
干电池作为电源提供1.5v的电压，开关S由遥控接收器控制，开关闭合，在3AX31型锗PNP晶体管处产生基极电流。同时L2处产生感应电动势，基极电流进一步增大，集电极电流增加，形成正反馈。当两个PN节全部正偏时Ic不受Ib的控制三极管进入饱和区。集电极电流不再增加，L2的感应电动势减小，基极电流减小。进入截止状态后集电极电流减小，L2的感应电动势方向改变。同时二极管VD1导通L1的磁能传递给L3，待能量消耗完后基极电位下降，PNP晶体管再次导通。这样PNP晶体管、L1、L2、与二极管组成了一个变压正反馈振荡周期电路。在集电极电流减小时L3产生的感应电流才能从二极管导通，并给C3、C1通电。在C1没有达到二极管VD2的导通电压时，C3没有完整的放电回路，当电压超过导通电压时击穿二极管，C3能量瞬间释放。在L4处可以连接一次性电火花头完成点火，也可通过T2绕组产生万伏高压产生电火花[5]。
（二）气门芯的设计与改装
气门芯又叫作“气闭芯”主要作用是防止轮胎漏气。气门芯主要分为英式气门芯与美式气门芯，中国一般使用英式气门芯。气门芯主要由芯杆、弹簧、主体、橡胶密封垫四部分组成[6]。如图2所示。气密装置的改装方案为首先将气门芯杆用机械设备取出，主体、橡胶密封垫、弹簧保留，其次将一次性电打火线从孔中穿入，最后在缝隙处做好气密工作。改装图如图3所示，这样改装的原因在于能充分利用气门芯的原始功能，在电火花线打火发生爆燃充气的同时，气门芯能保证轮胎的气密性从而有足够的气压使得轮胎的外侧边缘与轮毂的内测边缘啮合。
图2 气门芯结构示意图 图3 气门芯改装图
（三）燃料的筛选与用量的计算
本文研究丁烷基、甲烷基、乙炔基气体作为爆燃燃料，在定容、绝热的条件下发生爆燃时爆炸压力的简便计算方法。综合对比其热力学性质，运用热力工程学提出计算反应终态温度的方法近而求解出最大爆炸压力的理论值。最后筛选材料，根据不同的轮胎规格确定燃料用量。
1、燃料用量计算原理
燃料与空气充分混合，反应过程遵循最大放热原则其中的碳元素全部转化成CO2，氧元素全部转化成H2O。所以化学反应方程式可以简化[7]成
2、实例计算
以甲烷为例计算其在容器中的爆燃温度与最大爆炸压力。数据由参考文献[8]查得。
甲烷的燃烧方程式为：
从表1可以看出爆炸温度实验值与计算值的最大误差为11.31％，爆炸压力实验值与计算值的最大误差为9.90％说明利用反应焓计算方法得出的结果是有效的。造成误差的原因是对环境绝热的假设，当可燃气体爆燃时能量会从轮胎胎唇逸出造成一定的热损失与能量消耗。由于现实生活中，丁烷比甲烷的液化气压低且具有成本低廉、热值高的特点，所以选取丁烷为装置气体燃料。根据具体真空轮胎的容积与所需压强大小可以精确确定气体燃料计量。
（四）、充气装置使用说明
如图4所示，本装置由遥控点火器、改装过后的气门芯、液态丁烷燃料组成。首先确保遥控点火器工作正常，确认正常工作后通过鳄鱼电源夹连接电火花线两端。然后向真空轮胎内加入定量丁烷气体。最后使用者在装置数米外按下控制按钮完成引爆。
图4 实物装置图
四、结论
（1）通过遥控点火器的设计与气门芯的改装解决了真空轮胎在没有专业设备的情况下的充气问题，进一步提高了真空轮胎使用的安全性。
（2）爆燃最终温度与初始压力模型的构建为精确计算可燃气体用量提供了可靠依据。防止了“炸胎”充气过程中爆炸事故的发生。
参考文献：
[1]朱则刚.重载车辆轻量化的全钢子午线真空无内胎轮胎解密[J].中国轮胎资源综合利用，2016（11）：43-48.
[2]叶维阁.修补真空轮胎简法[J].中小企业科技，2001（05）：18.
[3]袁生学，黄志澄.管内爆燃转爆轰的热力学原理[J].燃烧科学与技术，1998（04）：73-79.
[4]张金娅，王岩，刘淑君.压电点火器应用于无线控制器的可行性研究[J].科技视界，2013（19）：44-91
[5]徐洋.关于一种新型电子打火器的分析[J].电子世界，2016（22）：95-97.
论文作者:赵亦孟,刘建庄,段晋杰,王勇胜
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/19
标签：轮胎论文; 真空论文; 装置论文; 燃料论文; 丁烷论文; 气体论文; 气门芯论文; 《防护工程》2018年第6期论文;