周 建，屈智全，楊柏峰，閆新州

(遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

通過隔柵式熔化技術(shù)、真空攪拌去氣泡技術(shù)、產(chǎn)品傾斜引流注裝技術(shù)和低比壓順序凝固裝藥技術(shù)的集成和工程化研究，建立了適用于多種產(chǎn)品柔性注裝工藝的工程化示范設(shè)備。

1 主要結(jié)構(gòu)組成

設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。該設(shè)備主要由熔藥單元、保溫單元、注藥單元、凝固單元、液壓部分和電氣控制系統(tǒng)等六部分組成。熔藥單元分為上下兩層，上層有格柵熔化裝置用于固態(tài)藥品熔化，下層有攪拌裝置用于熔融藥品攪拌。保溫單元為密閉單元，內(nèi)部有出料管、攪拌裝置、抽真空裝置和注藥閥。出料管上有熔藥閥控制熔融藥品流入，出料管口部設(shè)有格柵用于擠壓熔融藥品中的氣泡；攪拌裝置用于熔融藥品攪拌；抽真空裝置設(shè)有真空閥用于保溫單元卸荷；注藥閥用于保溫單元內(nèi)熔融藥品流出。注藥單元可以使產(chǎn)品傾斜注藥。凝固單元分為上下兩層。上層為熱風(fēng)加熱層用于防止熔融藥品凝固，并設(shè)有加壓裝置用于產(chǎn)品加壓；下層為循環(huán)水冷卻層用于熔融藥品快速凝固；中間有升降機構(gòu)用于產(chǎn)品在上下兩層之間的運動。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

2 工作原理

藥品裝入熔藥單元上層的隔柵熔化裝置后被隔柵支撐并受熱熔化，熔化后的藥品通過隔柵上的縫隙及時與固相分離，熔化藥品流入熔藥單元下層；打開出料管上的熔藥閥將熔融藥品通過出料管抽到保溫單元中，在出料管出口處通過柵格縫隙使氣泡和藥品分離；關(guān)閉熔藥閥使保溫單元密閉，抽真空裝置將保溫單元內(nèi)抽成真空狀態(tài)，攪拌裝置持續(xù)攪拌，進一步消除熔融藥品中夾雜的氣泡；打開真空閥，使保溫鍋內(nèi)卸荷，打開注藥閥開始注裝；注裝過程中采用產(chǎn)品傾斜引流注裝技術(shù)，消除注裝過程中產(chǎn)生的氣泡，注裝結(jié)束后開始凝固；凝固過程采用低比壓順序凝固技術(shù)[1]，通過凝固單元上層的加壓裝置對產(chǎn)品進行加壓并用熱風(fēng)對產(chǎn)品加熱，防止藥品凝固，之后通過升降機構(gòu)使產(chǎn)品緩慢進入凝固單元下層，開始順序凝固；產(chǎn)品全部進入凝固單元下層后，繼續(xù)對產(chǎn)品加壓并保溫，保溫一定時間，產(chǎn)品快速上升回到凝固單元上層，整個工作過程結(jié)束。

3 技術(shù)難點與創(chuàng)新

本研究的技術(shù)難點與創(chuàng)新點如下。

1)熔藥單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用格柵式熔藥設(shè)計，在保證熔藥過程本質(zhì)安全度和熔融藥品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了熱傳導(dǎo)效率，熔藥效率可達到130 kg/h。采用格柵式熔藥技術(shù)還實現(xiàn)了液、固相藥品實時分離。

2)保溫單元抽真空結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用對熔融藥品真空攪拌去氣泡技術(shù)，有效降低了藥品中混雜的氣泡，提高了裝藥質(zhì)量。保溫單元采用隼式壓蓋使密封更嚴(yán)密，熔藥閥內(nèi)部采用燕尾型管道與膜片相結(jié)合的設(shè)計，使其密封更好。

3)注藥單元結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用了一體化傾斜注藥，節(jié)省了注裝時間，保證了在注裝過程中產(chǎn)品內(nèi)空氣能夠全部排出，提高了產(chǎn)品密度。

4)凝固單元結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用低比壓順序凝固注藥技術(shù)，通過控制熱風(fēng)溫度場、循環(huán)水冷卻水溫和產(chǎn)品入水速度等工藝參數(shù)，消除了注裝凝固過程中產(chǎn)生的底隙、裂紋及熱應(yīng)力。采用熱風(fēng)加熱，節(jié)省了能源，改善了現(xiàn)場環(huán)境。凝固單元內(nèi)溫度基本一致，提高了裝藥成品率。

4 PLC系統(tǒng)

為保證工作的可靠性和穩(wěn)定性，PLC選用西門子S7-226系列。CPU型號為6ES7216-2BD23-0XB8，其具有24入、16出的開關(guān)點和5個16入、16出的開關(guān)量擴展模塊，該模塊型號為6ES7223-1PL22-0XAB。安全柵選用德國P+F雙通道型號為KFA6-SR2-EX2.W，通過它與現(xiàn)場的接近開關(guān)和控制按鈕及指示燈等組成本質(zhì)安全電路，完全達到系統(tǒng)的防爆要求?？刂七^程為：通過安裝在現(xiàn)場的接近開關(guān)和控制按鈕采集信號送到PLC的輸入點，然后通過CPU模塊程序的控制，通過輸出點驅(qū)動電磁閥等執(zhí)行元件[2]。

軟件的實現(xiàn)用結(jié)構(gòu)化編程方式，這樣使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。主程序用于初始化、子程序的調(diào)用及輸出點的控制。本程序結(jié)構(gòu)由4個子程序組成，初始化程序用于使用的存貯器的初始值的賦值及復(fù)位各輸出點；手動子程序用于現(xiàn)場各執(zhí)行元件的調(diào)試；熔化半自動程序用于控制室控制的熔化過程的自動完成；注裝半自動程序用于現(xiàn)場注裝的自動完成。

5 人機界面監(jiān)控系統(tǒng)

人機界面的引進使得該系統(tǒng)操作更加方便，各種參數(shù)顯示更加直觀化，同時也使得該系統(tǒng)更加生動和人性化。該系統(tǒng)人機界面采用工控機安裝組態(tài)軟件的方式，工控機與PLC通信采用自由口模式，實現(xiàn)實時通信，完成的主要功能如下：1)實時顯示系統(tǒng)各氣閥、油閥、電動機及開關(guān)點的狀態(tài)；2)監(jiān)督PLC對系統(tǒng)執(zhí)行自動程序出現(xiàn)異常情況時能自動查看故障點；3)可以進行參數(shù)設(shè)置，對熔化時間可以任意設(shè)置。

6 液壓系統(tǒng)計算

設(shè)備的液壓執(zhí)行元件包括3個馬達和8個步進液壓缸，其中3個步進液壓缸與3個馬達同時工作時系統(tǒng)流量最大。3個馬達的最大流量分別為15、60和60 L/min，3個步進液壓缸的流量相同，為14.13 L/min，則系統(tǒng)的最大流量為14.13×3+15+60+60=177.39 (L/min)。綜合考慮后，建議系統(tǒng)采用雙泵(1個大泵和1個小泵)供油回路，大泵為3個馬達工作提供動力，小泵為其他執(zhí)行元件提供動力，所需功率計算如下[3]：

液壓功率(kW)=

1)大泵計算。系統(tǒng)最大流量為3個馬達同時動作，所需最大流量為15+60+60=135 (L/min)，系統(tǒng)最大壓力為60 bar，故計算得電動機功率為：(135×60)/(600×0.8)=16.875 (kW)。選擇18.5 kW四極電動機，泵選擇力士樂A10VSO100變量柱塞泵。

2)小泵計算。系統(tǒng)最大流量為3個步進液壓缸同時動作，所需最大流量為14.13+14.13+14.13=42.39 (L/min)，系統(tǒng)最大壓力為60 bar，故計算得電動機功率為(42.39×60)/(600×0.8)=5.3 (kW)。選擇7.5 kW四極電動機，泵選擇力士樂A10VSO45變量柱塞泵。

7 熔化效率計算

為滿足生產(chǎn)需要，該設(shè)備的熔化效率應(yīng)>260 kg/2 h。熔化效率是根據(jù)試驗用單元化藥盒的熔化能力進行推算的。試驗用單元化藥盒截面為等腰梯形，梯形上底a=4 mm，下底b=108 mm，高h=200 mm，梯形長度l=200 mm。單個單元化藥盒容積為V1=(a+b)/2hl=2.24×106(mm3)=2.24 (L)，單個單元化藥盒裝藥量為m1=1.5 kg(實際稱重)，試驗得藥品熔化時間為30 min。整個隔柵熔化裝置由45個單元化藥盒組成，整個隔柵式熔化器容積V2=45V1=45×2.24=100.8 (L)，隔柵式熔化器裝藥量m2=1.5/2.24×100.8=67.5 (kg)，則熔化260 kg藥品所需時間t=260/67.5×30≈116 (min)(<2 h)，滿足設(shè)計要求。

8 結(jié)語

該設(shè)備已用于多種產(chǎn)品的工藝試驗，工藝試驗所得數(shù)據(jù)完全達到了裝藥相對密度≥98%，局部裝藥密度差≤0.2%，熔化效率>260 kg/2 h的設(shè)計要求。試驗過程安全、穩(wěn)定、可靠、精確，安全性高，穩(wěn)定性好，對環(huán)境無負面影響。

[1] 崔慶忠. 高能炸藥與裝藥設(shè)計[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2016.

[2] 馬志勇. 常用自動化控制器件手冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1996.

[3] 徐灝. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2000.