用于含能材料生產(chǎn)的多功能一體機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要 針對(duì)現(xiàn)有含能材料間斷操作生產(chǎn)效率低、安全性差的問題，結(jié)合傳統(tǒng)過濾洗滌一體機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過設(shè)計(jì)選型、計(jì)算校核和自動(dòng)化控制，研制出平底結(jié)構(gòu)型式一體機(jī)，應(yīng)用到含能材料過濾、清洗、驅(qū)酸工序。經(jīng)物料模擬分析，存在漿料出料不徹底的情況，進(jìn)一步對(duì)一體機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成中心低位出料的錐底結(jié)構(gòu)型式一體機(jī)。

關(guān)鍵詞 多功能一體機(jī) 含能材料 錐底結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) TH122" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）05?0780?06

基金項(xiàng)目：安徽省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：202003a05020010）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：朱碧肖（1990-），高級(jí)工程師，從事過濾與分離設(shè)備的設(shè)計(jì)工作，zhubixiao.1990@163.com。

引用本文：朱碧肖，張德友.用于含能材料生產(chǎn)的多功能一體機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.化工機(jī)械，2024，51（5）：780-785.

含能材料是儲(chǔ)存大量能量并可在外界刺激下不依賴外界環(huán)境就能以爆炸或燃燒等方式快速釋放出能量的特殊材料［1］，既是國(guó)防工業(yè)重要的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料，又是武器系統(tǒng)的能量來源。發(fā)展高能含能材料是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高性能武器系統(tǒng)高效毀傷的根本途徑［2］。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于含能材料的制備工藝及生產(chǎn)裝備，提出了更多新的要求。

現(xiàn)有研究多集中于含能材料制備工藝方面，劉英等利用超聲輔助噴霧重結(jié)晶原理，以不同比例的二甲基亞砜和N，N-二甲基甲酰胺為混合溶劑，采用溶劑-非溶劑法制備了亞微米R(shí)DX粒子［3］；關(guān)云飛等采取噴霧干燥工藝技術(shù)制備HMX基含鋁炸藥，與原料HMX相比其撞擊能量升高了7 J，撞擊感度顯著降低，安全性能得到明顯提高［4］；扈穎慧等采用混合法、溶劑-反溶劑法和溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法分別制備了3種不同結(jié)構(gòu)Al/HMX復(fù)合含能材料［5］。

產(chǎn)品純度是影響含能材料質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一，目前國(guó)內(nèi)外主要采用直接硝解法［6，7］獲得所需要純度、粒度的產(chǎn)品。此方法主要存在酸和水分兩種濕分雜質(zhì)，若脫除不達(dá)標(biāo)，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的有效應(yīng)用和安全儲(chǔ)存。根據(jù)直接硝解法工藝［8］，氧化結(jié)晶后的含能材料在冷卻過濾后，經(jīng)3次清洗進(jìn)入煮洗機(jī)，含酸RDX和水混配后在90～98 ℃條件下蒸煮洗滌，使含能材料酸度降至0.05%。含能材料制備過程中，現(xiàn)有過濾、清洗、驅(qū)酸、干燥工序多采用獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行，如離心機(jī)、洗滌槽、煮洗釜及干燥機(jī)等，該工藝為間斷操作，存在物料轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)多、生產(chǎn)效率低、密閉性能弱及安全性能差等突出問題。

針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)問題，生產(chǎn)上需要一種功能集成、全自動(dòng)裝備來實(shí)現(xiàn)過濾、洗滌、驅(qū)酸工序，為此開展了生產(chǎn)裝備的研究。

1 多功能一體機(jī)

由于過濾洗滌干燥一體機(jī)具有設(shè)備占用空間小、自動(dòng)化程度高及人員勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用十分廣泛。該多功能一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了無菌原料藥全過程封閉連續(xù)操作［9］；實(shí)現(xiàn)了電解錳廢渣脫水、洗滌、過濾無短路一體化，大幅縮短了工藝流程［10］；實(shí)現(xiàn)了濕法冶金水合肼沉銀工序全過程無氮?dú)馍⑴?，降低工人操作勞?dòng)強(qiáng)度［11］。因能夠?qū)崿F(xiàn)全過程封閉連續(xù)操作［12］，逐漸開始應(yīng)用于現(xiàn)代危險(xiǎn)化學(xué)品的生產(chǎn)中。

筆者將過濾洗滌干燥一體機(jī)成熟技術(shù)應(yīng)用到含能材料生產(chǎn)中，通過深入研究含能材料生產(chǎn)工藝要求，對(duì)傳統(tǒng)過濾洗滌一體機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性分析，并在結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出平底結(jié)構(gòu)型式多功能一體機(jī)（圖1），使其更適用于含能材料的過濾、清洗、驅(qū)酸工序。

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

多功能一體機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、攪拌裝置、加熱裝置、出料裝置及底盤組件等組成。

傳動(dòng)裝置為動(dòng)力源，通過電機(jī)、減速機(jī)帶動(dòng)攪拌裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。出于安全考慮，電機(jī)增設(shè)前后軸承測(cè)溫機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中對(duì)電機(jī)軸承溫度的監(jiān)測(cè)；設(shè)有電機(jī)過載保護(hù)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)自動(dòng)停車。

攪拌裝置包括主軸、攪拌槳、主軸密封。其中攪拌槳選用斜槳，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易維護(hù)，為增加軸向流動(dòng)性能［13，14］，槳葉角度采用45°傾角。由于罐內(nèi)液位較高，為使液體得到充分?jǐn)嚢?，設(shè)置兩層槳葉，下層槳葉通過在軸端開槽，與主軸為插入焊接，上層槳葉通過軸套與主軸焊接固定。主軸密封選用填料密封，并配有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，保證高溫煮洗狀態(tài)下密封的可靠性。

加熱裝置采用內(nèi)部盤管加熱的形式，傳熱效率更高［15］，根據(jù)工藝條件，選擇盤管規(guī)格、彎曲半徑及圈數(shù)等，滿足換熱面積要求，通過通入熱源或冷媒，對(duì)設(shè)備內(nèi)部物料進(jìn)行快速加熱或冷卻。

出料裝置由閥體、閥芯及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以選用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)，配有定位器，實(shí)現(xiàn)閥芯開度的控制；物料以漿料形式出料，出料口規(guī)格一般為DN 100～DN 150；設(shè)有開、關(guān)到位信號(hào)，通過系統(tǒng)程序中設(shè)備動(dòng)作與出料裝置動(dòng)作之間的聯(lián)鎖，滿足工藝和安全需要。

底盤組件為一體機(jī)核心部件，主要由過濾介質(zhì)、母液收集腔及底部支撐等組成，過濾介質(zhì)一般選用多層金屬燒結(jié)網(wǎng)，使用壽命長(zhǎng)，操作維護(hù)方便。濾網(wǎng)通過反向螺栓固定在底部支撐上，避免設(shè)備物料區(qū)域存在螺紋連接帶來安全隱患。采用液壓驅(qū)動(dòng)齒嚙式濾盤，能夠快速實(shí)現(xiàn)濾盤清理和再生［16］。

多功能一體機(jī)罐頂視鏡觀察口裝有攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)內(nèi)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)有溫度、壓力、液位、流量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀表，運(yùn)用生產(chǎn)車間智能采集與數(shù)據(jù)融合技術(shù)［17］，以滿足含能材料生產(chǎn)過程安全性和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高的要求。

與傳統(tǒng)過濾洗滌干燥一體機(jī)的不同之處列于表1中。

1.2 技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)多功能一體機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：

與物料接觸部分材質(zhì) 不銹鋼321

設(shè)備直徑 2 000 mm

液面高度 1 500 mm

設(shè)計(jì)壓力 0.4 MPa

設(shè)計(jì)溫度 110 ℃

槳葉層數(shù) 2層

下層槳葉形式 45°斜槳

下層槳葉直徑 1 600 mm

下層槳葉與濾網(wǎng)距離 50 mm

上層槳葉形式 45°斜漿

上層槳葉直徑 1 200 mm

上層槳葉與下層槳葉距離 500 mm

槳葉轉(zhuǎn)速 60 r/min

攪拌軸直徑 100 mm

1.3 電機(jī)選型設(shè)計(jì)

根據(jù)HG/T 20569—2013［18］，按槳端線速度估取單位容積攪拌功率值，槳端線速度計(jì)算公式為：

v=ωr=" （1）

式中 n——攪拌軸轉(zhuǎn)速，r/min；

r——第i層槳葉半徑，m；

v——第i層槳葉槳端線速度，m/s；

ω——攪拌軸角速度，s-1。

計(jì)算得到v=2×3.14×60×0.8÷60=5 m/s，v=2×3.14×60×0.6÷60=3.8 m/s；查HG/T 20569—2013表D.0.2?1，得到下層槳葉單位容積攪拌功率為0.5～3.0 kW/m3，上層槳葉單位容積攪拌功率為0.1～1.0 kW/m3。由此可得，下層槳葉攪拌功率為2.2～13.2 kW，上層槳葉攪拌功率為0.44～4.40 kW，攪拌軸功率為2.64～17.60 kW。

根據(jù)攪拌軸功率選取電機(jī)功率P為：

P=KP （2）

其中，P為攪拌軸功率，取P=17.6 kW；K為攪拌軸功率裕量系數(shù)，根據(jù)HG/T 20569—2013表6.5.1選擇攪拌軸功率裕量系數(shù)K=1.25。

計(jì)算得到電機(jī)功率為22 kW，選擇電機(jī)減速機(jī)型號(hào)為GKAF129?Y22?4P?23.95。

1.4 攪拌軸強(qiáng)度校核

根據(jù)HG/T 20569—2013，筆者分別按照扭轉(zhuǎn)變形和強(qiáng)度對(duì)攪拌軸直徑進(jìn)行校核。

按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算：

M=η1P （3）

式中 M——攪拌軸傳遞的最大扭矩，N·m；

P——電機(jī)額定功率，PN=22 kW；

η——傳動(dòng)側(cè)軸承之前那部分的傳動(dòng)

裝置效率，η=0.96。

由此計(jì)算得到M=3362.7 N·m。

已知軸的需用扭轉(zhuǎn)角［γ］為0.35 （°）/m，軸材料的剪切彈性模量G=71 538 MPa，對(duì)于實(shí)心軸，攪拌軸內(nèi)徑與外徑的比值N0=0。代入HG/T 20569—2013公式（C.3.5?1），得到受扭轉(zhuǎn)變形控制的軸徑d=94.1 mm。

按強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)HG/T 20569—2013公式（C.3.7?1）～（C.3.7?12），計(jì)算得到軸材料的許用剪應(yīng)力［τ］=32.5 MPa，下層槳葉功率產(chǎn)生的扭矩M=1226 N·m，上層槳葉功率產(chǎn)生的扭矩M=2277 N·m，下層槳葉上的流體徑向力F=785 N，上層槳葉上的流體徑向力F=1093 N，攪拌軸及各層槳葉的組合質(zhì)量m=423.3 kg，攪拌軸與各層槳葉組合重心離攪拌側(cè)軸承的距離L=1494.88 mm，軸上扭矩和彎矩同時(shí)作用時(shí)的當(dāng)量彎矩M=4162 N·m，得到受強(qiáng)度控制的軸徑d=97.4 mm。

綜上，經(jīng)扭轉(zhuǎn)變形和強(qiáng)度計(jì)算，攪拌軸軸徑為100 mm，滿足強(qiáng)度要求。

2 模擬試驗(yàn)

利用上述平底結(jié)構(gòu)多功能一體機(jī)進(jìn)行物料模擬試驗(yàn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，雙層攪拌槳攪拌混合效果明顯，但是存在漿料出料不完全的問題，濾網(wǎng)中心部位會(huì)存在500 mm左右的積料，積料的高度由筒體外部到中心逐漸增大。

考慮安全生產(chǎn)和工藝要求，中心部位殘留的物料在下一批物料投入前需要清理干凈，一般在停產(chǎn)時(shí)，由操作人員進(jìn)行人工沖洗，存在耗時(shí)較多、人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大的問題，大幅降低了含能材料生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，該問題急需解決。

分析導(dǎo)致每批料出料不徹底、存在積料的問題，可知原因如下：平底結(jié)構(gòu)一體機(jī)出料裝置側(cè)裝，漿料要從筒體側(cè)壁的出料口排出，流動(dòng)路徑較長(zhǎng)；下層槳葉與濾網(wǎng)表面存在一定距離，該部位為攪拌死區(qū)［19］，攪拌槳運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)流體的湍動(dòng)強(qiáng)度較小；物料比重大，沉降速度快。

3 錐底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述模擬試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)殘留物料的問題，對(duì)多功能一體機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。

如圖3所示，錐底結(jié)構(gòu)型式一體機(jī)濾網(wǎng)具有一定的半錐角，整體呈錐筒狀，由筒壁沿筒體中心向下方傾斜，并在底部中心低位設(shè)置出料口，漿料在自身重力產(chǎn)生沿濾網(wǎng)表面的分力作用下，自動(dòng)流向出料口，然后排出機(jī)外。

鑒于含能材料的特殊性，母液收集腔內(nèi)會(huì)有少量穿透濾網(wǎng)的細(xì)微顆粒，該顆粒易沉降，進(jìn)而堵塞過濾通道，影響過濾效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為此，將母液腔設(shè)計(jì)為球冠型封頭和濾網(wǎng)圍合形成的區(qū)域，并在母液腔的最低位設(shè)有濾液出口，方便濾液排盡。較之平底結(jié)構(gòu)型式一體機(jī)，其母液收集腔容積提高了2倍，過濾后的母液流動(dòng)更加順暢。

為保證錐底結(jié)構(gòu)底盤具有足夠的強(qiáng)度，能夠承受0.4 MPa的設(shè)計(jì)壓力，封頭內(nèi)部布置輻射形筋板，封頭外部設(shè)置井字型支撐板。濾網(wǎng)與封頭設(shè)計(jì)為可拆式連接，濾網(wǎng)通過內(nèi)外兩圈反向螺栓固定在封頭上，避免設(shè)備物料區(qū)域存在螺紋連接帶來安全隱患。若濾網(wǎng)發(fā)生破損，可直接進(jìn)行更換。

3.2 強(qiáng)度校核

為進(jìn)一步校核錐底結(jié)構(gòu)的承壓能力，采用第三強(qiáng)度理論，對(duì)底盤組件進(jìn)行建模和強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖4所示。

分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［20］中5.3.2，若計(jì)算得到的最大Tresca當(dāng)量應(yīng)力小于一次局部薄膜應(yīng)力（等于1.5倍許用應(yīng)力），即符合強(qiáng)度要求。由圖4可知，0.4 MPa壓力下，封頭、內(nèi)部筋板及外部支撐板最大應(yīng)力滿足材料強(qiáng)度的使用要求，且最大位移量較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

錐底結(jié)構(gòu)多功能一體機(jī)在某含能材料生產(chǎn)線上應(yīng)用，在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)過濾、清洗、驅(qū)酸等工序，替代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶機(jī)、過濾器、煮洗機(jī)等設(shè)備，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。錐底結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了物料100%卸出，解決平底結(jié)構(gòu)殘留物料的問題。產(chǎn)出的產(chǎn)品指標(biāo)達(dá)到合格產(chǎn)品要求，酸含量滿足要求。相關(guān)自動(dòng)化方面的配置，保障整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、無人化，提高生產(chǎn)效率。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 肖川，宋浦，張默賀.含能材料發(fā)展的若干思考［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2022，45（4）：435-438.

［2］ 楊宗偉，李洪珍，劉渝，等.共晶含能材料的研究進(jìn)展及發(fā)展展望［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2022，41（2）：81-91；139.

［3］ 劉英，代蘭，王媛婧，等.不同比例混合溶劑重結(jié)晶黑索金的熱性能研究［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，31（6）：541-545.

［4］ 關(guān)云飛，吳鵬飛，李小東，等.噴霧干燥法制備HMX基含鋁炸藥的工藝優(yōu)化［J］.兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2023， 44（1）：233-240.

［5］ 扈穎慧，王旭文，張健，等.Al/HMX復(fù)合含能材料的制備及其燃燒特征參數(shù)研究［J］.固體火箭技術(shù)，2023， 46（2）：213-223.

［6］ 王軍利，孫麗娜.奧克托今合成制備研究［J］.山西化工，2021，41（5）：39-42.

［7］ 于娜娜，王篤政.HMX的合成工藝研究進(jìn)展［J］.化工中間體，2011，7（3）：22-26.

［8］ 張幺玄.黑索金制造過程中固液分離過程的研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.

［9］ 李愛珍，廖雪松，徐靈華，等.淺談過濾洗滌干燥機(jī)在無菌生產(chǎn)中使用注意事項(xiàng)及異常情況處理［J］.廣東化工，2014，41（22）：143-144.

［10］ 劉誼兵，趙鉞，楊高天，等.新型過濾洗滌一體技術(shù)在電解錳廢渣脫水洗滌中的應(yīng)用研究［J］.礦冶工程，2019，39（4）：72-74；78.

［11］ 方準(zhǔn).過濾洗滌干燥一體機(jī)在冶金中的生產(chǎn)實(shí)踐［J］.銅業(yè)工程，2018，152（4）：99-101；108.

［12］ 劉玉蘭，祁淑蘭，劉勇，等.過濾洗滌干燥一體機(jī)在危化學(xué)品生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44（10）：170.

［13］ 朱向哲，王衛(wèi)強(qiáng)，馬文濤.兩種軸流式攪拌槳傳熱特性的CFD研究［J］.石油化工設(shè)備，2007，36（4）：29-32.

［14］ 張旭，關(guān)正軍，李強(qiáng)，等.槳式攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（7）：207-211.

［15］ 張俊豪.反應(yīng)釜外扣半圓管和內(nèi)盤管傳熱系數(shù)的計(jì)算［J］.山東化工，2020，49（23）：120-122.

［16］ 陳崔龍，朱碧肖，張德友，等.攪拌罐式過濾機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)齒嚙式濾盤的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.流體機(jī)械，2023，51（1）：30-35.

［17］ 張軍娜，張瀚銘，張弦弦，等.含能材料生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2021，34（5）：79-81.

［18］ 中國(guó)天辰工程有限公司.機(jī)械攪拌設(shè)備：HG/T 20569—2013［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

［19］ 張曼曼，方毅，呂彤，等.過濾洗滌一體機(jī)的改進(jìn)及應(yīng)用［J］.電池，2023，53（1）：52-56.

［20］ 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）［S］.北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

（收稿日期：2023-07-09，修回日期：2024-09-18）

Application of Multifunctional Integrated Machine in the Production of Energetic Material

ZHU Bi?xiao， ZHANG De?you

（Hefei General Machinery Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract" "Considering low production efficiency and poor safety in the intermittent operation of existing energetic materials and through considering both technical advantages of traditional filtration and washing integrated machine， an integrated machine with flat bottom had been developed and applied to the filtration， cleaning and acid?driving processes of energetic materials through design selection， calculation verification， and automation control. Material analysis shows that an incomplete discharge of the slurry exists there. Through optimizing and improving the structure of this integrated machine， an integrated machine which boasting of conical bottom structure and a central low discharge has been developed.

Key words" " multifunctional integrated machine， energetic material， conical bottom structure