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[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MK1-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，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：
W≈P×C/（101×10.13） （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[τ]=30MPa许用挤压应力[б]=100MPa，经过计算分析可知，机械手后端螺丝钩（宽30mm）与轴（直径50mm）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
τ=Q/A=100/πr2=100/（25x0.001）2π=5.1x104Pa<[τ]
即轴的剪切强度足够。τ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，[τ]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
б=W/A=200/（30x50x10-6）=1.3x105Pa<[б]
即轴的挤压强度足够。其中б表示挤压强度，P表示挤压力，A表示轴的挤压横截面积，[б]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.
[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MK1-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，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：
W≈P×C/（101×10.13） （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[τ]=30MPa许用挤压应力[б]=100MPa，经过计算分析可知，机械手后端螺丝钩（宽30mm）与轴（直径50mm）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
τ=Q/A=100/πr2=100/（25x0.001）2π=5.1x104Pa<[τ]
即轴的剪切强度足够。τ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，[τ]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
б=W/A=200/（30x50x10-6）=1.3x105Pa<[б]
即轴的挤压强度足够。其中б表示挤压强度，P表示挤压力，A表示轴的挤压横截面积，[б]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.