一种远程控制的半自动化防弹性能测试试验装置的设计与实现

宋庆庆 袁 红

（中国兵器装备集团兵器装备研究所，北京 102202）

防弹衣和防弹头盔是用于吸收和耗散弹头能量，阻止穿透、减轻钝伤并有效保护人体免受弹头和破片伤害的重要防护装备[1]。防弹衣是防护人体躯干部位的装备，包括防弹衣外套、躯干防弹层部件和防弹衣附件[2-3]。防弹头盔是保护人体头部的装备，由盔壳（含包边）和悬挂缓冲系统（含帽箍、缓冲器、下颌带以及连接件等）组成[4-5]。防弹衣和防弹头盔的防弹性能依据弹道极限V50测试方法，按照不同防护等级规定的枪弹类型和枪弹速度进行试验。在有效击中情况下，防弹衣和防弹头盔应具有阻断弹头的能力。

防弹性能测试试验装置是防弹性能测试中的主要装置，用来放置和固定试样、背衬材料、验证板等结构框架。长期以来，防弹性能检测机构使用的防弹性能测试试验装置结构比较简单，主要由防弹头盔/防弹衣固定装置和支撑底座组成，通过人力并配合相应的手动测量器具，实现前后、左右、上下、俯仰和水平旋转的调整。在早期测试批量小、测试精度要求不高的情况下，原有的试验装置应用效果较好。随着全球安全与防护行业的繁荣与发展，社会公共安全日益成为世界各国关注的焦点。公共安全防护装备采购逐步增加，防弹性能检测工作批量逐年递增，原有的试验装置存在的缺点逐渐暴露。例如，纯手动调节不仅费时费力，严重影响测试效率，而且调节精度较低，导致测试结果精度不高。因此，设计一款自动化程度较高、调节控制精度高的防弹测试试验装置十分必要。

1 功能需求

《军用防弹衣安全技术性能要求》（GJB 4300A—2012）和《警用防弹衣》（GA 141—2010）标准要求：将防弹衣试样紧贴背衬材料，并用50 mm宽缚带紧固在躯干模上，固定位置要留出射击区域；斜射时，水平转动防弹衣及背衬材料，调整躯干模位置，固定支撑应具有位移可调性[2-3]。

《军用防弹头盔安全技术性能要求》（GJB 5115A—2012）和《警用防弹头盔及面罩》（GA 293—2012）标准要求：测试时，将防弹头盔样品固定在测试架上，测试过程中不得移动测试枪管位置，只可调整防弹头盔的角度或位置，入射角保持0°。这就要求头盔能够稳定固定在测试架上，使防弹头盔的中失面与冠平面的法线垂直于子弹飞行线，并确保其能承受弹头撞击产生的振动而不发生跌落。测试架应能承载受试头盔的横向或纵向移动，以及绕铅垂轴或水平轴旋转，以使弹着点可以位于受试样品的任何位置并获得各种入射角。测试架上可以分别安装验证板和测试头盔瞬间变形装置[4-5]。

依据国家军用标准和警用标准要求，结合防弹衣和防弹头盔防弹性能测试过程中的远程自动化控制需求，防弹性能测试试验装置应具有远程控制靶架上下、左右移动功能，以及前后、水平旋转和垂直俯仰的功能。装置具有一定的刚度，能承受弹头撞击时产生的振动[6]。此外，它可以分别安装验证板和测试头盔瞬间变形装置，具备安装防弹衣和防弹头盔进行防弹性能测试的要求。

2 结构组成

设计的防弹性能测试试验装置的系统组成框图如图1所示，主要由机械本体、头盔/防弹衣装夹装置、驱动电机、配电控制柜、遥控装置和手动调节装置6部分组成。

图1 测试试验装置系统组成框图

机械本体主要为装置提供足够的刚性支撑，为被试件夹具提供支撑，为上下、左右和前后调整提供机械传动。头盔和防弹衣装夹装置主要用于头盔和防弹衣的安装和固定，以及水平旋转和俯仰。驱动电机主要用于驱动丝杠传动机构运动，调节上下和左右位置。配电控制柜主要为传动系统和控制系统提供动力，并将远程控制信号转变为电机驱动信号。遥控装置主要是将人工手动控制信号转变为电信号传送至配电控制柜。手动调节装置主要是便于人员在特殊情况下手动调节。

3 各部分功能设计与实现

机械本体采用结构钢，主要由机械框架、固定底座、上下滚珠丝杠、左右滚珠丝杠、滑轨、滑动轮、固定地脚和限位装置等组成，如图2和图3所示。固定底座和机械框架组成支撑本体，用于传动机构、夹具等部件的安装，为系统提供足够的刚性。上下丝杠、左右丝杠、滑轨和限位装置组成传动机构，带动机械框架左右移动，实现头盔和防弹衣装夹装置的上下移动。滑动轮和固定地脚主要用于前后移动和固定机械本体，待固定后再进行整个装置的调平。

图2 防弹头盔防弹性能测试试验装置

图3 防弹衣防弹性能测试试验装置

头盔和防弹衣装夹装置由头盔固定装置、防弹衣固定装置和旋转刻度刻度盘组成，如图4、图5、图6所示。其中，头盔固定装置可分别安装验证板和测试头盔瞬间变形装置。旋转刻度盘上有180°刻度，精度为1°。头盔固定装置和防弹衣固定装置分别安装在旋转刻度盘上。操作人员可通过旋转刻度盘指示固定装置旋转至规定角度，旋转刻度盘可前后翻转90°。

图4 头盔固定装置

图5 防弹衣固定装置

图6 旋转刻度盘

驱动电机主要由两个伺服电机组成，一个负责驱动上下传动丝杠运动，另一个负责左右传动丝杠运动[7]。

配电控制柜一方面为伺服电机和控制盒提供动力，另一方面将位置控制信号转变为电机驱动信号。配电控制柜主要由变频控制器、电源模块、行程开关以及无线接收模块等组成。根据系统控制要求，测试装置控制系统框图如图7所示。

图7 测试装置控制系统框图

遥控装置主要由电源模块、行程开关以及无线发射模块等组成。

手动调节装置主要由上下、左右、前后、水平旋转及俯仰等调节装置组成。其中，上下和左右采用摇柄与传动丝杠链接，水平旋转和俯仰调节由旋转机构和锁紧固定装置组成，前后位置的调节和固定利用滑动轮和固定地脚组合实现，最后利用固定地脚对整个装置进行调平。

防弹衣和防弹头盔防弹性能测试试验装置实物分别如图8和图9所示。

图8 防弹衣防弹性能测试试验装置实物

图9 防弹头盔防弹性能测试试验装置实物

4 结语

实践表明，该远程控制的半自动化防弹性能测试试验装置可通过远程遥控或现场手动控制装置进行升降和左右移动，提高了工作效率和精准性，减少了由人工调整试验靶架带来的耗时长、定位不精准等问题，节省操作时间，减少了人力投入，还能避免现场操作存在的人员安全隐患。装置新增断电状态下可手动操作的模式，从枪击防弹衣和防弹头盔的弹着点的入射角方面改善了固定刻度盘的设置，确保弹头的飞行线与被试品的法线夹角始终为0°，试验条件完全符合试验标准要求，具有无须测量即可直接精确旋转至试验要求角度的效果。此外，防弹衣和防弹头盔可以实现独立旋转，且验证板装夹框的高度可灵活调节。