固體推進劑連續(xù)混合工藝參數(shù)控制與工程優(yōu)化*

朱艷明，呂 端，胡潤芝，王艷輝，張力恒

(西安航天化學動力有限公司，西安 710025)

0 引言

美國在20世紀60年代開始探索用連續(xù)混合工藝生產(chǎn)固體推進劑，Aerojet公司先后開發(fā)了UK-100、UK-150、UK-200、UK-400 等Ko-Kneader連續(xù)混合機，90年代成功用于北極星發(fā)動機和ASRM推進劑生產(chǎn)。20世紀80年代中期，法國SNPE公司開始復(fù)合固體推進劑連續(xù)生產(chǎn)工藝的開發(fā)，Herakles公司逐步使雙螺桿混合機設(shè)備工業(yè)化，2005年建成了50～300 kg/h產(chǎn)能的雙螺桿連續(xù)混合試驗設(shè)備。目前，歐洲航天局已確定在未來新一代運載火箭阿里安-6和織女星后續(xù)改進型上采用雙螺桿連續(xù)混合工藝[1-2]。此外，國外的固體發(fā)動機裝藥工藝生產(chǎn)線，如美國Aerojet Rocketdyne公司的Sacramento工廠、Camden工廠以及歐洲Regulus公司的UPG裝藥廠，大量應(yīng)用自動化控制和在線監(jiān)測技術(shù)，可對固體推進劑裝藥生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)實時監(jiān)測，而且對各項運行參數(shù)進行及時記錄與配方優(yōu)化控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全[3-4]。國內(nèi)固體推進劑批次混合工藝及其安全控制技術(shù)積累了大量的經(jīng)驗[5-9]，主要集中在溫度、壓力以及扭矩的有效檢測及快速響應(yīng)控制方面。江西航天經(jīng)緯化工有限公司敖維堅等[8]采用動能矩模型公式，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，為預(yù)測混合工藝扭矩安全提供了理論依據(jù)。湖北航鵬化學動力科技有限責任公司曾慶林等[9]采用紅外成像技術(shù)、扭矩高速采集技術(shù)、安全連鎖防差錯強化設(shè)計和操作追溯技術(shù)，對立式混合機系統(tǒng)安全性和可靠性控制進行了技術(shù)升級。上述批次混合工藝的經(jīng)驗，對連續(xù)混合工藝與裝備研究具有較高的參考價值。

盡管國外在基于雙螺桿技術(shù)的含能材料連續(xù)化處理方面的先進經(jīng)驗[10-13]值得借鑒，如連續(xù)化處理過程中的加料裝置與工藝、壓力與溫度檢測設(shè)計等，其螺桿主機的核心元件材料較先進，使得比國內(nèi)同類設(shè)備的轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)能大，具有螺桿撓度低、軸向間隙均勻等優(yōu)點，但所處理復(fù)合推進劑粘度低，原材料狀態(tài)差異大，不適合直接引用。本文通過10 kg/h級試驗裝置的工藝試驗,對所采集的螺桿轉(zhuǎn)速、扭矩、機筒溫度、壓力以及喂料量等關(guān)鍵工藝參數(shù)進行設(shè)備適用性與工藝安全性分析，得出工藝參數(shù)檢測與控制的工程優(yōu)化途徑。

1 雙螺桿連續(xù)混合工藝試驗

1.1 試驗裝置

本文所采用的試驗裝置由加料單元、螺桿主機、液壓驅(qū)動單元與控制系統(tǒng)組成，連續(xù)混合工藝流程如圖1所示。試驗中將原料分組，并按工藝順序依次加入到主機；其中，預(yù)混料(由粘合劑、鍵合劑、添加劑與鋁粉混合而成)采用蠕動泵連續(xù)輸送加料，液體料采用精密計量泵加料，粉體采用失重式計量模式連續(xù)加料；試驗用螺桿結(jié)構(gòu)詳見參考文獻[14]。

圖1 試驗機連續(xù)混合工藝流程示意圖Fig.1 Continuous mixing process flow chart of the pilot test device

試驗裝置控制系統(tǒng)由PLC進行數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動與安全連鎖控制；實時檢測的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩與喂料量等；工控機SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝參數(shù)實時監(jiān)控、過程報警和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，滿足遠程操作與數(shù)據(jù)分析需求。通過控制螺桿轉(zhuǎn)速、扭矩、腔內(nèi)壓力、機筒溫度以及喂料量等參數(shù)來調(diào)整連續(xù)混合工藝，驗證混合質(zhì)量和安全。

1.2 試驗配方和工藝條件

采用雙螺桿試驗裝置進行工藝試驗，模擬丁羥推進劑，設(shè)計兩種固含量分別為85.3%和80.6%的代料配方如表1所示。

表1 代料配方

設(shè)備運行的工藝條件如下：

(1)各組分加料精度優(yōu)于0.5%；

(2)螺桿轉(zhuǎn)速為20～50 r/min；

(3)推進劑藥漿溫度范圍：50 ℃；

(4)溫度控制精度：±2 ℃。

2 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)分析

2.1 轉(zhuǎn)速與扭矩

與民用螺桿機相似，螺桿轉(zhuǎn)速受限于螺桿間隙、構(gòu)型以及物料粘度，且與剪切速率呈線性關(guān)系，直接與剪切應(yīng)力和扭矩相關(guān)。因此轉(zhuǎn)速是影響雙螺桿混合均勻性、關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。另一方面，在固體推進劑連續(xù)混合工藝研究中，要求轉(zhuǎn)速不能超過含能氧化劑的摩擦感度要求，或螺桿施加的粘性剪切熱載荷不能太高，同時要求不同轉(zhuǎn)速條件下，都能使粘合劑和填料間達到最佳相互作用所需的剪切力，因此轉(zhuǎn)速與扭矩的穩(wěn)定控制也是保證工藝安全性的關(guān)鍵。

本試驗過程為饑餓喂料模式，試驗裝置的螺桿主機為液壓驅(qū)動、雙支撐結(jié)構(gòu)，出料口常壓狀態(tài)。轉(zhuǎn)速檢測是在螺桿輸出軸側(cè)安裝編碼器直接檢測實際的轉(zhuǎn)速；扭矩是液壓設(shè)備內(nèi)部換算取值。

首先，考察不同喂料量對轉(zhuǎn)速與扭矩的影響。選擇配方Ⅱ，轉(zhuǎn)速設(shè)定值為30 r/min，在不斷增大喂料量的過程中轉(zhuǎn)速設(shè)定值不變，實際轉(zhuǎn)速與扭矩的變化如表2所示。由表2可見，隨著喂料量的增大，轉(zhuǎn)速降低約1.5 r/min，同時試驗裝置的“實測扭矩”也存在小幅度降低，而旋轉(zhuǎn)油壓上升。試驗裝置采用比例變量泵驅(qū)動油馬達，從而帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，因此隨著喂料量增大，即負載增大，使油馬達進出口壓差增大，產(chǎn)生油路內(nèi)泄，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速有所降低。然而，負載增大與“實測扭矩”降低、旋轉(zhuǎn)油壓上升之間存在矛盾。根據(jù)能量守恒定律，重新進行扭矩計算。液壓馬達輸入的液壓能等于螺桿轉(zhuǎn)動輸出機械能，則液壓馬達輸出的平均扭矩計算公式如下：

M=pQη/ω

(1)

式中M為液壓馬達輸出平均扭矩；p為液壓馬達進出口壓力差；Q為液壓馬達的流量；η為液壓馬達的總效率；ω為液壓馬達的角速度。

由式(1)計算得到表2中的計算扭矩值，扭矩隨喂料量增大而增大。因此，改正為“計算扭矩值”來進行數(shù)據(jù)分析。

表2 定轉(zhuǎn)速條件下喂料量變化對扭矩的影響

其次，考察不同轉(zhuǎn)速對扭矩的影響。從上述轉(zhuǎn)速分析可知，本試驗裝置轉(zhuǎn)速隨喂料量增加而小幅降低，通過調(diào)節(jié)變量泵對轉(zhuǎn)速進行補償，保證實際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。轉(zhuǎn)速補償后，對比空載和10 kg/h喂料量條件下，不同轉(zhuǎn)速條件下扭矩的變化，如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速控制條件下扭矩變化曲線Fig.2 Torque curves under different screw speed

由此可知，扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨喂料量的增加而增大。因此在固定喂料量工藝條件下，可以通過混合均勻性選擇最佳轉(zhuǎn)速條件，確定負載實際需要扭矩，進而關(guān)聯(lián)藥漿臨界摩擦感度預(yù)測的最大扭矩值，建立扭矩安全連鎖控制回路。此外，無論驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)如何配置，都需要在轉(zhuǎn)速控制回路設(shè)計中，建立穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，來保證工藝一致性。

2.2 溫度與壓力

本文試驗裝置采用調(diào)節(jié)各機筒溫度間接控制物料溫度，并在螺桿的4區(qū)和7區(qū)捏合段配置腔內(nèi)溫度與壓力檢測。

首先，考察單個配方在不同轉(zhuǎn)速、不同喂料量條件下捏合區(qū)的溫度與壓力變化。選擇配方Ⅱ，預(yù)混料溫度30 ℃、粉料為常溫、機筒保溫水溫度為50 ℃、工房環(huán)境溫度為20 ℃。試驗中工藝參數(shù)調(diào)節(jié)隨時間變化的曲線如圖3～圖5所示。

圖3 轉(zhuǎn)速/扭矩/喂料量檢測實時曲線Fig.3 Real-time inspecting curves of screw speed, torque and feed rate

圖4 熔溫與機筒溫度檢測實時曲線Fig.4 Real-time inspecting curves of melting & barrel temperature

圖5 捏合段壓力檢測實時曲線Fig.5 Real-time inspecting curves of pressure in kneading section

圖3中，起始轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min，喂料量從零增加為6 kg/h，8 min后增加至10 kg/h。通過時間軸對應(yīng)前8 min內(nèi)，螺桿轉(zhuǎn)速、扭矩均無明顯變化。運行50 min，采樣完成后，將轉(zhuǎn)速設(shè)定值提高至40 r/min，喂料量不變，此時扭矩增大。

圖4中，各組分在4區(qū)捏合段受剪切力最大，摩擦生熱使該段熔溫(即藥漿溫度)最高，比該段機筒溫度高1～2 ℃；7區(qū)物料已經(jīng)混合均勻，無摩擦生熱，僅受熱傳遞效率影響，該段熔溫比機筒溫度低0.5 ℃；各區(qū)機筒溫度無明顯變化，起始段1-2區(qū)溫度最低，出料段7-8區(qū)溫度最高，主要是物料在機筒段內(nèi)的停留時間不同導(dǎo)致。運行穩(wěn)定后，為提高出料藥漿溫度，將機筒保溫溫度調(diào)整為52 ℃，各機筒溫度和藥漿溫度變化趨勢保持一致。從圖3和圖4的時間軸對應(yīng)可知，喂料量和轉(zhuǎn)速變化對熔溫的影響不大。因此，連續(xù)混合過程中，由于物料停留時間短，轉(zhuǎn)速和喂料量對藥漿溫度的影響可忽略；4區(qū)熔溫變化直接反應(yīng)物料所受剪切熱影響，故將其設(shè)置為安全預(yù)警與停機連鎖控制點。

圖5中， 4區(qū)壓力變化隨捏合元件在檢測點旋轉(zhuǎn)的間隙變化而規(guī)律變化；隨著物料被混合均勻，輸送到7區(qū)時，壓力基本保持不變。機筒內(nèi)壓力峰值或突變發(fā)生在喂料量和轉(zhuǎn)速變化時刻的4區(qū)捏合段，喂料量、轉(zhuǎn)速和溫度對第二個捏合段的壓力影響可忽略不計。

其次，考查不同配方對捏合段溫度和壓力的影響。相同機筒保溫條件，相同喂料量，相同轉(zhuǎn)速條件，不同配方混合過程4區(qū)捏合段的溫度與壓力均值對比如表3所示。由表3可知，饑餓喂料條件下，捏合段溫度和壓力隨配方固含量增大而升高，即捏合溫度和壓力受配方影響大。

表3 捏合段溫度、壓力測試

2.3 全過程數(shù)據(jù)分析

采用“航天工業(yè)行業(yè)標準”QJ 913A—1995和QJ 917A—1997測試成品藥漿，Al含量相對誤差小于等于3%、密度偏差小于±0.05 g/cm3，作為混合均勻性和一致性評價標準。選取試驗最優(yōu)結(jié)果，并根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)結(jié)論，對配方Ⅰ的試驗數(shù)據(jù)進行全過程分析。加入粉料開始，20 min內(nèi)扭矩、轉(zhuǎn)速及捏合壓力隨時間變化的曲線圖6和圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)速、扭矩監(jiān)測實時曲線Fig.6 Real-time inspecting curves of screw speed and torque

圖7 捏合段壓力實時曲線Fig.7 Real-time inpecting curves of pressure during kneading stage

從粉料連續(xù)加料開始計時(即起始時間)，按與起始時間間隔進行圖6和圖7的工藝參數(shù)特征取值，特征曲線如圖8所示。

圖8 工藝參數(shù)變化區(qū)間特征曲線Fig.8 Characteristic curves of process parameter variation interval

圖8中，通過在喂料量增加時刻4區(qū)壓力產(chǎn)生峰值可知，物料從入口到4區(qū)捏合段的停留時間為3～5 min，到出料口的停留時間約為15 min。此后，螺桿扭矩到達最大穩(wěn)態(tài)值。

因此，在安全連鎖設(shè)計中，需要根據(jù)不同配方和不同喂料量細化扭矩和主捏合段腔內(nèi)壓力安全閾值來建立隨工藝變化的連鎖關(guān)系，從而實現(xiàn)連續(xù)混合均勻性和安全性的有效控制。此外，數(shù)據(jù)分析可給出物料停留時間，為優(yōu)化工藝與螺桿設(shè)計提供依據(jù)。

4區(qū)捏合壓力在圖5與圖7存在差異，主要是圖5中小量程非標定制傳感器存在0.078 MPa的溫漂導(dǎo)致。

2.4 異常情況工藝參數(shù)分析

試驗中出現(xiàn)堵料，造成4區(qū)壓力報警停機，此時，壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩變化如圖9所示。可見，在4區(qū)壓力升高過程，即負載增大過程，螺桿轉(zhuǎn)速持續(xù)降低，壓力超過報警值的同時扭矩達到最大值，設(shè)備自動停機。參考民用雙螺桿擠出機，為獲得更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制，若螺桿采用電機直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速不隨負載變化，扭矩與壓力升高速度會更快，需要更靈敏的壓力、扭矩和轉(zhuǎn)速報警機制，來保證運行安全性。

圖9 異常停機時的扭矩/轉(zhuǎn)速/熔壓曲線Fig.9 Real-time curves of screw speed, torque and kneading pressure under abnormal shutdown

3 結(jié)論

通過饑餓喂料條件下的工藝參數(shù)控制及試驗數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：

(1)連續(xù)混合機扭矩隨負載、轉(zhuǎn)速增大；液壓驅(qū)動特性導(dǎo)致負載增大轉(zhuǎn)速降低，有利于避免負載異常時扭矩急劇增大，具有一定的安全性。

(2)連續(xù)混合工藝中物料停留時間短，且在制量小，轉(zhuǎn)速與喂料量的變化對藥漿溫度的影響可以忽略。

(3)起始捏合段溫度和壓力受配方影響大，隨配方固含量增大而升高。

根據(jù)以上結(jié)論，面向連續(xù)混合工藝放大，在混合裝備工程設(shè)計中，工藝參數(shù)可從以下幾方面進行優(yōu)化：

(1)連續(xù)混合捏合段的熔壓(即物料在捏合塊端部與機筒之間的壓強)直接與剪切應(yīng)力相關(guān)，隨負載變化敏感，是安全控制的關(guān)鍵，需要根據(jù)配方和螺桿構(gòu)型，對應(yīng)物料摩擦感度，確定不同的熔體壓力安全閾值，建立隨動控制來提高安全連鎖報警的靈敏度。

(2)系統(tǒng)設(shè)計需要建立包括設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)(粘度、固含量等)、質(zhì)量檢測參數(shù)在內(nèi)的工藝過程全覆蓋在線檢測和信息記錄，保證數(shù)據(jù)分析的信息完整性，從而提供可靠的工藝重復(fù)性驗證依據(jù)。