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1、清华大学2012届毕业设计说明书第1章 绪论1.1 设计背景当前，国内外面临的反恐形势日趋严峻，各种暴力犯罪特别是室内人质劫持越来越多。对室内人质劫持案，首先要解决的是破开门体开辟快速通道，为营救人质争取有利时机。由于现代建筑基本都安装了防盗安全门，若犯罪分子依靠防盗门负隅顽抗，就会给人质的解救工作带来很大困难。辽宁省沈阳市曾发生一起持枪绑架案件极具代表性。一名犯罪嫌疑人持枪将一名富商于家中绑架，让被害人的妻子出去取钱，被害人妻子随后报警。接警后，警方迅速将被害人房屋包围，由于警方缺乏破除防盗门的有效手段，用最原始的方法镐头刨墙。等警方冲入室内，犯罪嫌疑人和人质都满脸是血，好在嫌疑人没有击中人
2、质要害部位，人质经抢救脱险，嫌疑人开枪自杀未遂。案件的结局虽然不算最坏，但影响恶劣，它暴露出警方对防盗门破除手段的匮乏1。传统的人质解救方式有谈判和强制解救两种，在谈判失效、疑犯高度戒备的情况下，则只能采取强制解救措施突破门体等障碍迅速突入室内，不给疑犯反应时间，这样才能达到有效压制疑犯，保护人质的目的。随着科学技术的发展，破门工具得到了广泛的研发。然而国内强制破门的手段还不够完善。运用广泛的破门工具有破门椎、撞门锤、剪切器、多功能钳、金属切割机等。撞门锤、剪断器、多功能钳等工具对于木结构门破门成功率较高，而且简便，使用成本低，但对于防盗门尤其是钢质防盗门则难以突破成功，缺乏突然性。金属切割器
3、能有效破除防盗门，但由于切割时间长，容易惊动恐怖分子，威胁人质安全，不适合突击行动。中国兵器工业第二0八研究所研制的动能破门弹系统在国内破门系统中比较先进，如图1.1.1。该系统由破门弹、动力系统、发射系统、平衡系统、支架等组成。可在执行反恐救援任务时快速、有效地攻破各种防盗门，使救援人员迅速进入房间2。但该破门系统威力较大，而且作用完成后需得迅速移开才能进入，难以保证室内人质不受到伤害。国外破门手段则相对比较领先，美、英、德、以色列等国家的破门技术已经成熟。主要有M100式破门枪榴弹、SAS切门器、PC/TAC战术型切割炬、Autauga撞门器、Jersey启动器等。但上述国家的入户门多为木
4、质，即通常说的欧式门，所研究的破门手段和破门工具大多是通过破开门锁或门铰达到破门目的，而我国入户门大多为钢质防盗门，且门锁较多，内置钢板钢柱，故上述国家的破门工具和图1.1.1 动能破门弹系统技术并不完全适用于我国。其中Jersey启动器虽然功能多用，但仅对于一般结构的入户门有效，对于门锁较多且结构牢固的防盗门难以完成破拆的任务，而且结构笨重，使用和携带均不方便，如图1.1.23。M100式破门枪榴弹由以色列拉斐尔公司为美陆军生产，图1.1.2 Jersey启动器其设计基于拉斐尔公司武器发展局研制的“西蒙”（SIMON）系列破门枪榴弹，以供美国M16和M4系列突击步枪使用，如图1.1.3。M1
5、00式破门枪榴弹的结构包括带支座的定距杆和引炸药部件两部分。士兵使用M100式破门枪榴弹时先将其两部分连接，然后把该弹安装在M16式或M4式突击步枪末端，并朝门射击。当定距杆碰到门时，触发引信引图1.1.3 M100式破门枪榴弹爆主炸药，产生的强烈超压力冲击波破门之后可立即攻入4。该破门弹威力巨大，能有效用于反恐任务中的破门任务，但难以保证救援任务中人质不受到冲击波的伤害。由于以上破门手段对于破除目前使用最多的钢质防盗门都存在不同的难度，而且会对人质及营救人员的安全造成不同程度的伤害。因此，设计一款直接、高效、突进、功能更加全面且不造成人质伤害和危及解救人员自身安全的防盗门破拆机构迫在眉睫。1
6、.2 防盗门相关知识防盗门的全称为“防盗安全门”。它兼备防盗和安全的性能。按照防盗安全门通用技术条件规定，合格的防盗门在15分钟内利用凿子、螺丝刀、撬棍等普通手工具和手电钻等便携式电动工具无法撬开或在门扇上开起一个615平方毫米的开口，或在锁定点150平方毫米的半圆内打开一个38平方毫米的开口。并且防盗门上使用的锁具必须是经过公安部检测中心检测合格的带有防钻功能的防盗门专用锁。防盗门可以用不同的材料制作，但只有达到标准检测合格，领取安全防范产品准产证的门才能称为防盗门，如图1.2.1。图1.2.1 防盗门基本结构防盗门从材质上主要分为五种：钢质、钢木结构、不锈钢、铝合金和铜质，它们在质量和性能
7、上都各有特点。其中钢质防盗门是市场上见得最多、老百姓用得最多的。百姓所熟悉的防盗门大都属于此系列。这类门价格较低廉和合理，它的销量占市场总销量的90%以上。防盗安全门根据其安全级别可分为甲、乙、丙、丁、四个级别的防盗安全门，其中甲级防盗性能最高，乙级其次，丁级最低。国标门一般有四种规格，高度为2050mm和1970mm两种高度，宽度为860mm和950mm两种，组合后可为：2050mm860mm、2050mm950mm、1970mm860mm、1970mm950mm，高度2050mm即为2.05m总高的门框。不同防盗等级的防盗门防盗安全性能不同。根据新实行的国家防盗安全门通用技术条件，门框与门
8、扇间的锁闭点数，甲、乙、丙、丁级防盗门分别应不少于12个、10个、8个和6个；按新标准规定，防盗门的锁具应能在防破坏时间内，即使钻掉锁芯、撬断锁体连接件从而拆卸锁具或通过上下间隙伸进撬扒工具，松开锁舌等，也无法打开门扇，防盗门的主锁舌伸出有效长度应不小于16mm，并应有锁舌止动装置。而门框的钢质板材厚度甲、乙、丙、丁级分别应选用2mm、2mm、1.8mm和1.5mm等；门扇的外面板、内面板厚度用“外板/内板”形式表示，按防盗安全的甲、乙、丙、丁级别分别应选用1.00mm/1.00mm、0.80mm/0.80mm、0.80mm/0.60mm。板材材质可选用钢、不锈钢、钢/木、铜或其他复合材料5。
9、新标准中，把安全门、防盗门、入户门、安全防盗门、防护门、钢质门等近十种相关叫法的“门”全部纳入到防盗安全门的“丁”级中。我们现在在商场里看到的大部分都是丁级防盗安全门，它比较适合于一般的居民消费者使用。故本课题设计的线性聚能破门机构以丁级防盗门作为目标对象进行研究。拟选门框板材厚度为1.5mm，门板板材厚度拟选“外板/内板”为0.80mm/0.60mm。由于国家新标准规定门扇与门宽搭接宽度不少于8cm，故拟选门扇总厚度为9cm。高宽组合拟选2050mm950mm。国内丁级防盗门门板材质一般为冷轧钢板，本课题拟选优质碳素结构钢45#钢作为门板材料进行研究，其屈服极限Y0为353MPa，密度i为7
10、.8g/cm3。本文将以上述选定的丁级防盗门的相关数据作为目标对象进行防盗门破拆机构的设计。 第2章 破门机构设计方案本设计的主要目的是研制一种框型线性聚能切割器，作为本防盗门破拆机构，可以对防盗门钢板进行快速切割作业，在很短的时间内切割出能容反恐人员迅速通过的区域，进而营救人质。2.1 线性切割器简介线性聚能切割器是一种利用线型聚能装药在爆炸时产生的高能量密度、高运动速度的刀片状金属射流对各种金属或非金属障碍物进行切割的爆炸型切割器，具有切割速度快、切割面大、切割威力高的特点。聚能效应是其工作的基本原理。聚能效应是利用装药一端的空穴以提高局部破坏作用的效应，这种现象称为聚能现象。如果在空穴表
11、面加一个金属罩聚能罩，可以使能量密度进一步提高，形成金属射流，使聚能作用大为提高。聚能效应的主要特点是能量密度高和方向性强，适用于产生局部破坏作用的领域。其主要应用可分为军用与民用两个方面。聚能装药在军事上的用途主要是利用聚能射流的破甲效应。如应用于鱼雷、导弹、各种反坦克弹和各种炸弹等。可以对装甲、车辆、碉堡混凝土工事等物体进行破坏。聚能射流弹的应用始于二战，德国、美国、英国、日本都研制了自己的聚能射流弹，用于海军、陆军。我国在聚能装药的军事应用方面也做了很多工作，研究出很多聚能装药的新方法，提高了聚能装药的威力。由于聚能装药的优越性，在国民建设方面以及爆破拆除、石油工业、打捞沉船、岩体切割等
12、方面都有着广泛的应用。西方发达国家很早就在石油、钢铁工业中应用聚能装药，用于在油井中打孔，用聚能装药进行金属切削，还用于进行海冰的穿孔等。近些年来，国内在民用领域也越来越多的用到聚能装药。如石油、天然气工业中油气井中的切割弹。在民用领域内，有一类是利用线型聚能装药进行施工作业的，利用线型装药制成的爆炸切割器，应用十分广泛。爆炸切割器利用聚能原理来切割坚硬物质，由于切割都是沿着一个面切割出一条窄缝来，因此，多采用平面对称型药型罩。线型聚能装药是一种长条形带有空腔的装药，在空腔中嵌有金属药型罩。药型罩的形状可以是圆弧形或各种不同顶角的楔形，药型罩的材料可以是铜、钢、铝、铅等。南非Jet Demol
13、ition Ltd利用聚能切割器成功地拆除了多种大型钢结构建筑物；美国Dykon公司应用聚能切割爆破技术成功地拆除了一座炼油厂的钢结构反应塔；解放军理工大学曾经采用聚能切割索将上海宝钢集团第一钢厂原第二炼钢车间厂房拆除；辽宁工程技术大学也曾经利用聚能爆破法拆除长为234.4m，宽为12m的清河门大桥等。此外，线型聚能切割器在采集石材中也有着广泛的应用。由于聚能装药的高能量密度和方向性强的特点，在使用时可以大大缩短施工时间，在民用领域将会有越来越多的应用6。2.2 切割器破拆方案 本文设计的线性切割器整体外观为框型，各连接角为直角，能稳定地粘附在防盗门上，解决一般破拆机构需要支架的问题，同时采用
14、各处装药同时起爆的设想，起爆方式为遥控起爆，可以避免一般爆破破拆带来的对反恐人员造成伤害的问题。其破拆原理为：当装备内装填炸药爆炸后，产生的爆炸能量以高压作用于楔型金属罩，使其在对称平面上挤出向前高速运动薄层呈熔融状态的金属射流，以线状竖直作用在门板上，使钢质门板在金属射流的不断作用下被侵蚀产生裂缝。通过合理设计切割器结构参数，使门板在将要被切断时让射流速度达到临界值停止破甲作用，从而防止射流过大伤害室内人质的问题。因为结构为框型，最终防盗门被切出一块能容反恐人员通过的方形区域，该区域在反恐人员普通的力作用下脱离防盗门，而且用炸药作为原动力起爆，这个过程在几秒之内就能完成，能在瞬间破门的同时也
15、不给恐怖分子反映的机会，进而实现快速突入、制服恐怖分子、营救人质的目的。本设计的主要任务是根据防盗门结构、门板材料、所处环境及切割器的装药性质，合理的选择和确定线性切割器的结构尺寸、组成材料和装药参数等，以理论分析为主，结合数值计算得出该切割器相对防盗门的侵彻深度，使切割器形成的射流能在规定要求下完成破门任务，达到反恐救援的目的。同时还应考虑作用位置的稳定性、携带的便捷性以及使用的安全性。第3章 线性切割器结构参数设计要使线性切割器爆炸后形成的平面射流具有侵彻防盗安全门的能力，确保防盗门的破拆，达到突入的目的，就必须合理地设计聚能切割器的结构参数。它包括装药的选择、金属药型罩设计、炸高的确定、聚能切割器几何形状设计等，其中金属药型罩结构参数设计最为重要。3.1 装药的选择炸药是聚能侵彻防盗门的能源。聚能装药起爆使线性金属药型罩向对称面压合碰撞，形成射流的侵彻性能主要取决于炸药爆轰压力。理论分析和实验结果表明，聚能射流的侵彻威力随爆轰压力的增加而增加。根据爆炸理论，炸药的爆轰压力为: Pc=cD2 (3.1.1) 式（3.1.1）中，Pc为炸药的爆轰压力，c为炸药的装药密度，D为炸药的爆速。由(3.1.1)式可以看出，炸药的密度和爆速对爆轰压力有影响，而且炸药爆速影响更大。因此，为了提高线性切割器的聚能威力，必须选用爆速较高
