聲共振混合設(shè)備用于百克量級(jí)火炸藥制備的能量轉(zhuǎn)換特性

陳 松，馬 寧，謝中元，秦 能，張 哲，孫曉朋，王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

聲共振是近年來(lái)興起的一種基于振動(dòng)宏觀混合和聲場(chǎng)微觀混合耦合作用的混合新技術(shù)，其依托于聲共振混合設(shè)備(RAM)的低頻(約60Hz)、大加速度(0～100g，g=9.8m/s2)垂直往復(fù)振動(dòng)[1]。相比捏合機(jī)、攪拌等傳統(tǒng)混合方式，聲共振混合技術(shù)具有無(wú)介入式槳葉刺激、混合速度快、容器易清理、能夠?qū)崿F(xiàn)原位混合等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于火炸藥等具有易燃易爆危險(xiǎn)屬性材料的領(lǐng)域，甚至被英國(guó)國(guó)防部武器技術(shù)專家Philip Cheese譽(yù)為“改變彈藥制造領(lǐng)域游戲規(guī)則的顛覆性技術(shù)”。

在火炸藥領(lǐng)域，聲共振混合技術(shù)經(jīng)過(guò)廣泛的探索應(yīng)用，其技術(shù)先進(jìn)性得到充分證明。如西安近代化學(xué)研究所將聲共振混合技術(shù)用于B炸藥、澆注PBX的實(shí)驗(yàn)室制備，效率較傳統(tǒng)混合方式分別提升36%和114%[2-3]；湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所將聲共振混合技術(shù)應(yīng)用于LN106推進(jìn)劑襯層的混合，加速度為80g條件下可在10min左右實(shí)現(xiàn)一公斤級(jí)推進(jìn)劑襯層的均勻混合[4]；英國(guó)航空航天公司(BEAS)將聲共振混合技術(shù)用于PBX的制備，在加速度大于55g時(shí)，可在20min內(nèi)實(shí)現(xiàn)PBX的均勻混合[5]。

聲共振混合技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別火炸藥材料制備，或者應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物行業(yè)的混合已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的廣泛認(rèn)同。然而，目前聲共振混合技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證一般停留在公斤級(jí)別，其工程化應(yīng)用僅有美國(guó)得以實(shí)現(xiàn)，其最大混合量級(jí)已可達(dá)200～400kg，且用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)[6]。究其原因，聲共振混合技術(shù)工程化應(yīng)用的難點(diǎn)之一是設(shè)備放大和工藝放大。我國(guó)雖掌握了聲共振混合設(shè)備的原理和設(shè)計(jì)方法[7-9]，但工藝放大尚缺乏充分的研究，沒(méi)有建立工藝放大模型，缺乏設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝控制的有效指導(dǎo)。

基于此，本實(shí)驗(yàn)開展聲共振混合設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量輸入與加速度相關(guān)性的研究。通過(guò)改變被混物料的種類、狀態(tài)、空氣阻尼條件獲得輸入能量與加速度之間的耦合關(guān)系，通過(guò)反復(fù)交錯(cuò)改變加速度獲得相同加速度條件下輸入能量的重復(fù)特征，分析聲共振系統(tǒng)的容差性能及系統(tǒng)可靠性，為工藝控制和設(shè)備量級(jí)放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及配方

RDX、HMX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；鋁粉，粒徑為29μm，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；SR-3黏合劑，西安近代化學(xué)研究所。

B炸藥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：TNT，40%;RDX,60% 。

澆注PBX配方組成為：Al粉、HMX 、SR-3黏合劑，其中Al粉和HMX質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為88%。

熔注PBX配方組成為：Al粉、RDX、復(fù)合載體，其中Al粉和RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為88%。

HTPE推進(jìn)劑配方組成為：HTPE、RDX、Al粉、AP、其他組分，其中RDX、Al粉、AP質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為88%。

1.2 儀器設(shè)備

聲共振混合實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，2kg量級(jí)，西安近代化學(xué)研究所；3097A1型加速度傳感器，美國(guó)DYTRAN公司；SHZ-DⅢ型循環(huán)水真空泵，上海越眾儀器設(shè)備有限公司；X0DC-1030-Ⅱ型低溫恒溫槽，南京先歐儀器制造有限公司；VibRunner型數(shù)據(jù)采集設(shè)備，德國(guó)M+P公司。圖1為聲共振混合設(shè)備示意圖及實(shí)物圖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)組由4個(gè)電機(jī)組成，其中內(nèi)側(cè)兩個(gè)電機(jī)為一組，相位角相同；外側(cè)兩個(gè)電機(jī)為另一組，相位角相同；兩組電機(jī)相位角差表示為圖中的θ。

圖1 聲共振混合設(shè)備示意圖及實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram and picture of RAM

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于給定種類和質(zhì)量的被混物料，通過(guò)輸入能量和加速度之間的關(guān)系來(lái)分析設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換特性。其中輸入能量為主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)組的相位角θ來(lái)調(diào)節(jié)輸入能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)加速度的調(diào)節(jié)。電機(jī)組相位角θ為0°時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入能量為100%；電機(jī)組相位角θ為180°時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入能量為0；輸入能量0～100%在電機(jī)相位角0°～180°之間符合線性差值關(guān)系。

加速度為混合容器所承受的加速度，采用安裝在混合容器上的加速度傳感器測(cè)試，大小用g表示，g為重力加速度，大小為9.8m/s2。設(shè)定目標(biāo)加速度后，設(shè)備在控制程序作用下自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)組的相位角，通過(guò)加速度傳感器的數(shù)據(jù)反饋，使混合容器承受的加速度逐漸逼近并穩(wěn)定在目標(biāo)加速度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用夾套控溫，根據(jù)不同配方，控溫范圍為60～80℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配方火炸藥聲共振混合能量轉(zhuǎn)換特性

2.1.1 B炸藥混合

混合分為6個(gè)階段，每個(gè)階段的混合參數(shù)均用頻率、輸入能量和加速度表示在括號(hào)中(下文中類似參數(shù)與此同)，6個(gè)階段參數(shù)依次為(63Hz、2.8%、5g)，(63Hz、4.6%、10g)， (63Hz、7.6%、20g)，(63Hz、13.4%、40g)，(63Hz、19.2%、60g)，(63Hz、11.2%、30g)。在加速度為30g的混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

上述B炸藥混合參數(shù)中的輸入能量和加速度之間的關(guān)系如圖2所示，圖中空心圓圈表示加速度分別為5g、10g、20g、40g、60g所對(duì)應(yīng)的能量，其表示的是加速度增加過(guò)程中能量變化關(guān)系，對(duì)其擬合所得方程為y=a+bx(y、a、b、x分別表示輸入能量、常數(shù)、常數(shù)、加速度，下文中出現(xiàn)類似擬合公式均遵循此表示規(guī)則)，其中a=1.54，b=0.296；擬合線性相關(guān)系數(shù)R=0.999。

圖2 B炸藥混合輸入能量與加速度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between input energy and acceleration for Comp.B mixing

由圖2可知，輸入能量與加速度呈線性關(guān)系，這表示設(shè)備自身摩擦、碰撞等能量損耗隨加速度增大幾乎無(wú)增加；同時(shí)物料在各個(gè)混合階段的阻尼變化對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性影響很小。

1.GJR-GARCH模型?！案軛U效應(yīng)”是指波動(dòng)率對(duì)市場(chǎng)負(fù)向沖擊的反應(yīng)比正向沖擊的反應(yīng)更加迅速，也就是說(shuō)市場(chǎng)下跌反應(yīng)比市場(chǎng)上升反應(yīng)更強(qiáng)烈，沖擊在資本市場(chǎng)中呈現(xiàn)出非對(duì)稱性?；诠善笔袌?chǎng)的波動(dòng)具有聚集性和非對(duì)稱的特征，以及單變量GJRGARCH模型對(duì)波動(dòng)預(yù)測(cè)能力和波動(dòng)行為描述能力優(yōu)于其他非對(duì)稱的ARCH模型（Engle&Ng，1993）。

將混合后期加速度降低到30g對(duì)應(yīng)的輸入能量表示在圖2中如實(shí)心圓圈所示，可見其幾乎落在擬合線上，這說(shuō)明設(shè)備在調(diào)節(jié)過(guò)程中具有很高的穩(wěn)定性，且抽真空對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性影響很小。

2.1.2 澆注PBX混合

混合分為9個(gè)階段，每個(gè)階段的混合參數(shù)用頻率、輸入能量、加速度表示在括號(hào)中，依次為(63.2Hz、3%、5g)，(63.2Hz、5%、10g)，(63.2Hz、8%、20g)，(63Hz、10.6%、30g)，(63Hz、14%、40g)，(63Hz、8.4%、20g)，(63Hz、15.8%、40g)，(63Hz、24%、60g)，(63Hz、10.6%、20g)。其中在第五個(gè)混合階段結(jié)束后停機(jī)加入鋁粉。在第九個(gè)混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

對(duì)輸入能量—加速度進(jìn)行線性擬合，如圖3所示。

圖3 澆注PBX混合輸入能量與加速度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between input energy and acceleration for cast PBX mixing

圖3中空心圓圈為鋁粉加入前加速度分別為5g、10g、20g、30g、40g所對(duì)應(yīng)的能量，對(duì)其擬合所得方程為y1=a1+b1x1，a1=1.707、b1=0.305，線性相關(guān)系數(shù)R1=0.996；實(shí)心圓圈為鋁粉加入后加速度分別為20g、40g、60g所對(duì)應(yīng)的能量，對(duì)其擬合所得方程為y2=a2+b2x2，a2=0.466、b2=0.390，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998。由此可見，設(shè)備在加速度調(diào)節(jié)過(guò)程中輸入能量與加速度呈線性關(guān)系，設(shè)備穩(wěn)定；加入鋁粉后，輸入能量略有增加，這符合混合量級(jí)越大耗能越高的基本原則?？招娜切伪硎净旌献詈箅A段加速度為20g時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入能量。

從圖3中可以看出，最后階段的輸入能量略大，這可能與加入鋁粉后質(zhì)量改變或者物料狀態(tài)變化有關(guān)，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。3個(gè)階段設(shè)備輸入能量擬合曲線斜率存在一定差異，尤其是加入鋁粉后斜率增大，說(shuō)明混合質(zhì)量增大對(duì)設(shè)備的輸入能量要求提高，也就是耗能增快。為了將本次實(shí)驗(yàn)與其他實(shí)驗(yàn)的功率消耗關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，將所有能量輸入點(diǎn)擬合在同一條直線上，如圖3中虛線所示，擬合所得方程為y3=a3+b3x3，a3=1.707、b3=0.305，線性相關(guān)系數(shù)R3=0.960。3條擬合曲線線性度都很好，表明物料混合過(guò)程中狀態(tài)變化引起的阻尼波動(dòng)對(duì)設(shè)備的能量輸入基本沒(méi)有影響，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定。設(shè)備能夠在一定范圍內(nèi)抑平物料阻尼波動(dòng)，但質(zhì)量波動(dòng)會(huì)對(duì)設(shè)備能量輸入造成明顯影響。

2.1.3 熔注PBX混合

混合分為6個(gè)階段，每個(gè)階段的混合參數(shù)用頻率、輸入能量、加速度表示在括號(hào)中，依次為： (63.1Hz、4%、5g)，(63.1Hz、5.8%、10g)，(63Hz、7.8%、20g)，(63Hz、13.6%、40g)，(63Hz、22%、60g)，(63Hz、11.6%、30g)。在第六個(gè)混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

對(duì)加速度—輸入能量進(jìn)行線性擬合，如圖4所示。其中空心圓圈表示加速度分別為5g、10g、20g、40g、60g所對(duì)應(yīng)的能量，所得方程為y=a+bx，a=2.052、b=0.318，線性相關(guān)系數(shù)R=0.982。將30g的輸入能量表示在圖3中如實(shí)心圓圈所示，可見其完全落在直線上,表示輸入能量與加速度大小呈線性關(guān)系，設(shè)備自身摩擦、碰撞等能量損耗隨加速度增大幾乎無(wú)增加，設(shè)備可重復(fù)性好。

圖4 熔注PBX混合輸入能量與加速度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between input energy and acceleration for melt-cast PBX explosive mixing

2.1.4 HTPE推進(jìn)劑混合

混合分為6個(gè)階段，每個(gè)階段混合參數(shù)分別用頻率、輸入能量、加速度表示在括號(hào)中，依次為(63.0Hz、3.2%、5g)，(63.0Hz、5%、10g)，(63.0Hz、7.8%、20g)，(63.0Hz、14%、40g)，(63.0Hz、22%、60g)，(63.0Hz、11.4%、30g)。在第六個(gè)混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

對(duì)輸入能量—加速度進(jìn)行線性擬合，如圖5所示。其中空心圓圈表示加速度分別為5g、10g、20g、40g、60g、30g所對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出能量，對(duì)其擬合所得方程為y=a+bx，a=1.339、b=0.336，線性相關(guān)系數(shù)R=0.982。將30g的輸入能量表示在圖5中如實(shí)心圓圈所示，可見其完全落在直線上。與上述研究所得結(jié)論一致。

圖5 HTPE推進(jìn)劑混合輸入能量與加速度之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between input energy and acceleration for HTPE propellant mixing

2.2 百克量級(jí)聲共振混合能量轉(zhuǎn)換特性

上述通過(guò)4種火炸藥的實(shí)際混合，擬合了設(shè)備加速度增大及減小過(guò)程中輸入能量與加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明了對(duì)于同一種物料，設(shè)備在加速度反復(fù)調(diào)節(jié)過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，能量輸入與加速度呈線性關(guān)系。對(duì)于不同物料，以及同一物料的不同狀態(tài)，其阻尼變化對(duì)設(shè)備的能量輸入影響很小，設(shè)備能夠在一定范圍內(nèi)抑平阻尼或物料狀態(tài)波動(dòng)對(duì)輸入能量需求的影響。

為克服測(cè)試誤差，將B炸藥、澆注PBX炸藥、熔注PBX炸藥和HTPE推進(jìn)劑在混合量級(jí)為200克條件下的設(shè)備輸入能量—加速度之間的關(guān)系分別繪制于圖6中，并將4種物料的所有能量輸入—加速度點(diǎn)繪制成圖中的黑實(shí)線。

圖6 HTPE推進(jìn)劑混合輸入能量與加速度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between input energy and acceleration for HTPE propellant mixing

將圖6中5條曲線的截距、斜率和線性相關(guān)系數(shù)a、b、R匯總于表1中。

表1 圖6中5條曲線的擬合參數(shù)

從圖6可以看出，除澆注PBX外，其他材料輸入能量—加速度關(guān)系擬合線幾乎重合。表1中5條曲線的線性相關(guān)系數(shù)均接近1，表明輸入能量與加速度之間呈較為嚴(yán)格的線性關(guān)系。對(duì)于不同類型物料，擬合曲線的截距略有不同，而斜率大小非常接近，總擬合曲線斜率為0.339。表明在200克量級(jí)混合條件下，對(duì)所有類型被混火炸藥，可按照y=1.587+0.339x的關(guān)系來(lái)指導(dǎo)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)所需電機(jī)功率的預(yù)估，以及對(duì)工藝過(guò)程中加速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)給出范圍甚至具體數(shù)值。

3 結(jié) 論

(1)聲共振混合設(shè)備在混合火炸藥過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定、可重復(fù)性好，設(shè)備的輸入能量與加速度呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性關(guān)系，設(shè)備摩擦、碰撞等能耗損失較小，并不隨加速度增大而增大。

(2)火炸藥聲共振混合所需能量主要由被混物料質(zhì)量和加速度決定，受物料種類、狀態(tài)及真空度等影響極小。物料狀態(tài)和真空度對(duì)阻尼的改變幾乎不影響混合能量的大小，這可能是由于采用大量級(jí)設(shè)備混合小量級(jí)產(chǎn)品所具備的波動(dòng)抑制效應(yīng)。

(3)對(duì)于200克量級(jí)火炸藥材料混合，所需的混合能量大小與加速度之間線性關(guān)系的斜率約為0.339。按此斜率計(jì)算，在設(shè)備允許的最大工作加速度100 g范圍內(nèi)，設(shè)備僅需35%的輸入能量，能夠滿足百克量級(jí)火炸藥產(chǎn)品的混合需求。該斜率數(shù)據(jù)可為實(shí)驗(yàn)室級(jí)聲共振混合設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。