復(fù)合推進劑裝藥混合中的扭矩安全值 ①

敖維堅，張立新，蘇昌銀，李錫文，張愛科，司馬凱

(1.江西航天經(jīng)緯化工有限公司，吉安 330004； 2.西安航天化學(xué)動力有限公司，西安 710025；3.華中科技大學(xué)，武漢 430074)

0 引言

復(fù)合固體推進劑的主要組分是高聚物粘合劑和無機氧化劑與燃燒劑，另外還有高能添加劑、增塑劑、固化劑、固化催化劑、防老劑、燃燒催化劑以及工藝附加物等。它是以高聚物之類型的粘合劑為彈性基體，摻加大量氧化劑和金屬燃料粉末[1]，經(jīng)機械混合將粘流體擠壓在多相混合物表面[2-3]?；旌线^程是易燃易爆粉末受機械力涂膠鈍化降感過程；火爆藥生產(chǎn)中不可缺少的非常危險工序。

混合工藝主要為分批間斷混合和連續(xù)混合兩種工藝。混合機捏合復(fù)合推進劑安全性研究報道不多[4]，但近幾年國內(nèi)混合機爆炸事件屢次不解，給推進劑制造方帶來極大損失，值得深入探究。本文結(jié)合實際爆炸事件，尋找易燃易爆物的混合預(yù)示方法，控制推進劑藥漿的扭矩安全值，防治爆炸事件發(fā)生。

1 混合安全性數(shù)值分析

1.1 混合程序

將預(yù)混好的料漿加入固體粉料在設(shè)定的溫度、轉(zhuǎn)速、真空、扭矩條件下進行混合，使各組分均勻混合在一起。不同的推進劑配方，工藝參數(shù)的選擇也不一樣。典型的混合程序見表1。

表1 混合程序

注：1)第9步開啟混合機按5 r/min→8 r/min→12 r/min逐漸提速。

表1表明各固體、粘流體物料被捏合成非牛頓假塑性粘流體藥漿的過程?；旌铣绦蚯捌跒橐兹家妆勰┘恿希嬖谥畲笈ぞ禺a(chǎn)生的不安全因素。

隨著固體推進劑不斷向高能、高燃速方向發(fā)展，以增大配方中固體含量來提高密度比沖，或使用大量細AP來提高燃速[5-6]；為此與它相對應(yīng)的推進劑藥漿感度也不斷增大。而藥漿混合過程中通常以扭矩值作為控制安全性的表征。

1.2 混合機扭矩

混合是物料受力過程，受力大小以混合機允許扭矩為判決點。

通常國內(nèi)外都制定了混合機允許混合量為有效容積的45%～50%，最小混合量為容積10%的準(zhǔn)則。

而使用混合扭矩按經(jīng)驗控制。如用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/Gz.G297—2015立式混合機安全管理制度執(zhí)行，即“對混合機使用扭矩按小于設(shè)計最大扭矩的85%，應(yīng)設(shè)有功率或扭矩過載自動保護聯(lián)鎖裝置，過載時自動停車”?，F(xiàn)實中某型混合機設(shè)計最大扭矩為20 kN·m，某型混合機使用扭矩設(shè)值為12 kN·m，混合某推進劑時扭矩5960 N·m就爆炸了，推進劑混合受力扭矩與混合機使用扭矩不是一個概念，裝藥中容易被人混淆。

1.3 混合數(shù)值分析

混合扭矩表征藥漿受到外力作用大小，藥漿爆炸與推進劑的敏感性、混合藥漿量、固體含量、藥漿狀態(tài)、混合轉(zhuǎn)速、藥漿粘度等因素相關(guān)。預(yù)示推進劑藥漿的扭矩安全值，就是要對上述因素進行數(shù)值量化，表征其特征。但是沒查到國內(nèi)外對混合推進劑藥漿爆炸的數(shù)值量化計算方法的報道[7]。

經(jīng)試驗認識到，不同的推進劑爆炸敏感性不同，高燃速、含硝酸酯高能、高固體含量(高細AP量)藥漿敏感，需要數(shù)據(jù)量化表示，但難以用理論計算方法得到，最佳方法是儀器實測。混合程序的藥漿處于最大加料狀態(tài)存在不安全，用模擬試驗儀器實測量化表示。本項目采用測試藥漿的摩擦感度或沖擊感度，獲得藥漿量化數(shù)值轉(zhuǎn)換為動能矩?；旌纤帩{量按國內(nèi)外都制定了混合機允許混合量為有效容積的45%～50%，最小混合量為容積10%的準(zhǔn)則，獲取實際投料量轉(zhuǎn)換成槳葉受力尺寸數(shù)據(jù)。藥漿粘度為作用力(扭力或摩擦力)，儀器實測和混合機給力均按動能矩表征數(shù)值?；旌蠑?shù)值分析需求解推進劑混合轉(zhuǎn)速與物料受作用力大小的扭矩值函數(shù)。

2 推進劑混合扭矩值

2.1 混合過程物料受力分析

AP、HMX(RDX)含能組分加入含鋁的粘合劑漿料進入混合過程，混合機施加的外力使物料運動。根據(jù)混合機啟動逐漸提速，假設(shè)物料在混合機內(nèi)運動通常受沖擊力和摩擦力作用產(chǎn)生靜電，因混合過程所用設(shè)備接地消除靜電?；旌蠙C槳葉直接推動連續(xù)相漿料，混合過程物料受力分析不考慮能量轉(zhuǎn)換為靜電，不考慮受沖擊力影響為前提；混合過程物料主要受摩擦力作用，混合機施壓的外力作用在藥漿摩擦E摩上。動能矩表示為

(1)

式中f為受力，N；Δv為速度增量，m/s。

2.2 混合過程爆炸藥漿受力

以某型混合機混合燃速為34 mm/s推進劑爆炸事件為依據(jù)，爆炸過程混合機扭矩記錄曲線見圖1。

圖1 扭矩-時間示意圖

從圖1可見，前面加AP峰扭矩小于2470 N·m(圖1第1峰)，峰形為連續(xù)加AP混合時間增長，扭矩趨勢下降，停車備料后，啟動混合機進行連續(xù)加AP(圖1第二峰)，峰形從開始加料開始到混合2 min時間爆炸，扭矩趨于指數(shù)函數(shù)上升狀態(tài)，扭矩函數(shù)拐點為3480 N·m，2 min爆炸峰值5960 N·m。爆炸熱點大致位于實心槳和空心槳之間。

3 某型混合機動能矩計算

混合過程易爆物料以摩擦動能矩E摩(MPa·(m/s)2)表征，計算該推進劑在某型混合機中混合、混合多少物料量、及設(shè)定的轉(zhuǎn)速下動能矩E摩值。

依據(jù)式(1)，E摩為受力f和Δv為速度增量雙變量乘積。由電機或液壓電機將功能以扭矩形式，驅(qū)動槳葉自轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)體公轉(zhuǎn)。從物料在混合機運動模式和爆炸熱點，主要作用力大致位于實心槳和空心槳之間。將混合機扭矩設(shè)定為連續(xù)運動的空心槳和實心槳對物料施力，計算如下：

已知條件：混合機轉(zhuǎn)速(mm/s)，如某型混合機使用的15 r/min。公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)合成線速度v合(m/s)；如某型混合機槳葉直徑φ=670 mm，則實例v合=0.79 m/s；混合藥漿物料量(kg)；如某大型混合機本次投料600 kg，爆炸時為藥漿+3/4AP狀態(tài)，料量為498 kg。

計算：

(1) 作用在實心槳的力F實

設(shè)：空心槳自轉(zhuǎn)相對運動將力作用在實心槳上，那么實心漿的力F實：

F實=(f扭矩×2)/(φ×2)

(2)

式中f扭矩為混合機扭矩，N·m 。

實例的爆炸F實=5960/0.67=8895.52(N)。

(2)作用在實心槳的壓強p槳

實心槳葉示意圖見圖2。

(3)

(3)物料高度函數(shù)H

H=[(W/ρ+T)/2πR]-h

(4)

式中W為裝藥量，kg；T為空心槳、實心槳體積之和，cm3；2πR為鍋內(nèi)圓面積，cm2；h為鍋底與槳葉間隙，cm；ρ為物料密度，g/cm3。

實例H=0.272 m。

(4)推進劑密度ρ

ρ=100/∑(mi/di)

(5)

式中mi為配方組分質(zhì)量百分數(shù)，%；di為配方中組分密度值，g/cm3。

實例槳葉曲面面積S曲面=0.185 m2；實例的爆炸p槳=8895.52/0.185=48083.89=4808.39(Pa)。

(5)混合機摩擦感度動能矩E摩

(6)

式中 ΔP槳為受力增量， Pa； Δv合為速度增量，m/s。

式(6)算出實例的爆炸動能矩E摩=4808.39×0.792/2=1.500[MPa·(m/s)2]。

圖2 槳葉示意圖

4 模擬藥漿爆炸的摩擦感度試驗

按動能矩守恒原理，對混合程序(表1)前期捏合物料受力各工步的物性狀態(tài)進行模擬,按配方配比稱量，混均成樣品；測試某推進劑物料不同狀態(tài)的摩擦感度見表2。從表2可看出，推進劑配方的物性狀態(tài)、受作用力和速度增量、摩擦感度爆炸概率(%)的復(fù)雜因果關(guān)系。得到了炸與不炸的作用力和速度，計算出最小動能矩。

5 混合機動能矩控制分析

5.1 設(shè)計思想

以一個標(biāo)準(zhǔn)樣品用于兩種設(shè)備上的相對差法，找出它們的修正值進行混合中藥漿的安全“門檻值”評估。

取實際某型混合機裝藥498 kg含質(zhì)量分數(shù)3.5%卡特辛GFP的高燃速推進劑藥漿爆炸事件為依據(jù)。將易燃易爆混合過程受力爆炸事件模擬發(fā)生在儀器測試上，來預(yù)估混合機不爆時動能矩。

混合機施加的扭矩力作用在藥漿摩擦上，以動能大小衡量；動能大于推進劑配方的物性狀態(tài)允許值(安全值)就會爆炸，反之則安全。儀器測試按模擬推進劑混合過程，以易爆物料所處各工步物性狀態(tài)的受力爆炸概率最小動能矩為依據(jù)，與圖1混合爆炸峰動能矩比,所得差倍值作為儀器測試與混合受力校正系數(shù)。以圖1混合第2峰拐點為控制推進劑藥漿在混合機運轉(zhuǎn)動能預(yù)(報)警值。

表2 某推進劑不同狀態(tài)物料的摩擦感度

例如表2某推進劑藥漿物性狀態(tài)為：藥漿+3/4AP+3.5%GFP。測它的動能量與爆炸概率見圖3。

5.2 安全“門檻值”

測出某推進劑藥漿物性狀態(tài)為：藥漿+3/4AP+3.5%GFP時它的動能矩6.57 MPa·(m/s)2爆炸概率為17 %，實例混合機的爆炸動能矩E摩為1.5 MPa·(m/s)2，它們相差4.38倍，為校正系數(shù)；從概率評估會有爆炸事件的可能性。

圖3 爆炸概率與動能矩

將實例混合機的爆炸峰值5960 N·m與扭矩函數(shù)拐點為3480 N·m之比相差1.71倍，為控制預(yù)(報)警值即1.50/1.71=0.88[MPa·(m/s)2]。

將實例混合機的爆炸峰值5960 N·m與圖1第一峰2470 N·m之比為2.41，取倍數(shù)值2.41為安全“門檻值”則1.50/2.41=0.62[MPa·(m/s)2]。

5.3 25 L混合工藝的動能矩E摩

用“門檻值” 0.62 MPa·(m/s)2評價25 L裝藥量8 kg,推進劑密度1.76 g/cm3；實心槳葉直徑0.17 m，加固體料轉(zhuǎn)速15 r/min；藥漿在混合機內(nèi)深度5 cm。25 L混合機扭矩記錄曲線見圖4。

圖4 扭矩-時間圖

計算如下：

25 L混合機v合=0.200 m/s；

查圖4最大扭矩145 N·m，F(xiàn)實=853 N。

p槳=853/0.0935=91 230(N)；

25 L動能矩E摩=9123×(0.2)2=365[Pa·(m/s)2]；

0.62/0.365=1.7(倍)；

用“門檻值” 0.62 MPa·(m/s)2評價25 L混合動能矩E摩是安全的。

6 混合工藝扭矩的安全值設(shè)定

依據(jù)圖1某型混合機的扭矩-時間關(guān)系，所用藥漿是GFP燃速催化劑和大量超細AP增速的高燃速(34 mm/s)HTPB推進劑，摩擦感度較高，見表2；數(shù)據(jù)具有較廣泛代表性。

6.1 600 L混合工藝的扭矩安全值

在某型混合機爆炸后，用600 L混合機來完成裝藥任務(wù)，推進劑混合扭矩應(yīng)設(shè)多少為安全值。采用“門檻值”0.62 MPa·(m/s)2評價裝藥量400 kg，推進劑密度1.76(g/cm3)；實心槳葉直徑0.47 m，加固體料轉(zhuǎn)速設(shè)為15 r/min。

計算如下：

600L混合機v合=0.553 m/s，槳葉曲面面積S曲面=0.1884 m2：

F實=2×E摩×S曲面/v合2

(7)

F實=2×0.62×0.1884/(0.553)2=0.764 (MPa·m2)

f扭矩=F實×φ

(8)

f扭矩=0.764×0.47 =359 (Pa·m)=3590 N·m

實際生產(chǎn)(見圖5)最大扭矩為1053 N·m，小于f扭矩是安全的。經(jīng)某高燃速HTPB推進劑25 L、600 L多次裝藥驗證，混合安全。

圖5 扭矩-時間圖

6.2 討論

對新研制的推進劑可以按文中設(shè)計思想，用儀器測出新推進劑藥漿物性狀態(tài)，爆炸概率(炸與不炸間)最小動能矩為依據(jù)，其值大于圖2動能矩6.57 MPa·(m/s)2可按：

6.57/0.88=7.47≈7.5

6.57/0.62=10.60≈10.6

設(shè)定該值的7.5倍差為控制預(yù)(報)警值。取10.6倍數(shù)差值為安全“門檻值”。用式(1)～式(6)設(shè)計裝藥多少量在混合中的扭矩、轉(zhuǎn)速控制值。若低于圖2中動能矩6.57 MPa·(m/s)2，說明比GFP燃速催化劑和大量超細AP增速的34 mm/s的HTPB推進劑更危險?？捎脙x器測量爆炸概率(炸與不炸間)最小動能矩值的低于程度，加大安全系數(shù)“門檻值”取倍數(shù)差(>11)。

若低于下限值0.302 MPa·(m/s)2，該推進劑不適應(yīng)機械混合，建議用氣動或柔性混合。

7 結(jié)論

(1)混合過程扭矩主要影響因素為作用在槳葉上的摩擦動能矩，采用動能矩模型公式，計算出某高燃速(34 mm/s)HTPB推進劑在某型混合機混合爆炸扭矩曲線的動能矩值。

(2)質(zhì)疑了推進劑混合扭矩設(shè)值按“混合機使用扭矩按小于設(shè)計最大扭矩的85%”的不合理性。建立了藥漿敏感度、混合機大小、裝藥量、混合機扭矩與轉(zhuǎn)速的因果關(guān)系，用反函數(shù)計算出混合機扭矩與轉(zhuǎn)速的混合工藝控制參數(shù)。

(3)以相同推進劑物料狀態(tài)下，用兩種試驗方法的動能矩守恒表征，得出了儀器動能矩與混合機動能矩兩者的校正倍差值4.38。建立了復(fù)合推進劑混合扭矩的安全值預(yù)定方法，經(jīng)用25 L、600 L混合工藝裝藥驗證,混合扭矩是安全性的。

(4)探索出測試推進劑藥漿物態(tài)摩擦動能矩，預(yù)試爆炸危險點動能(或扭矩)，確定混合中藥漿的安全“門檻值”，為避免裝藥混合受力爆炸事件提出了一種理論指導(dǎo)依據(jù)。