火箭發(fā)動機(jī)殼體襯層固化的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

趙永鋒，杜 娟，2

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引言

火箭發(fā)動機(jī)殼體襯層初始狀態(tài)是一種高黏度流體，固化后將推進(jìn)劑牢固地粘接到絕熱層或發(fā)動機(jī)殼體上，其主要功能是粘接和緩沖應(yīng)力，兼有隔熱和限燃的作用。固化過程中要求溫度控制準(zhǔn)確、加熱均勻［1－2］。目前常用的烘干設(shè)備有兩種：一種是蒸汽或電加熱的烘箱，該加熱器一般采用鎳鉻絲電阻器件，并將加熱器設(shè)置于烘箱的底部，這種結(jié)構(gòu)的烘箱溫度在豎直方向上呈梯度分布，極不均勻；另一種是將風(fēng)機(jī)安裝在烘箱的側(cè)壁上，通過風(fēng)機(jī)工作將外部熱源的熱量通入到箱體內(nèi)，以此來烘干箱體內(nèi)的物品，所以加熱溫度比較均勻，但并未采用循環(huán)風(fēng)，會造成熱能的浪費且烘干室內(nèi)溫度不穩(wěn)定［3］。面對大體積火箭發(fā)動機(jī)殼體襯層固化的復(fù)雜性及對溫度控制要求較高等問題，綜合熱風(fēng)循環(huán)、間接加熱方式及旋轉(zhuǎn)固化的優(yōu)點，提出了將旋轉(zhuǎn)固化技術(shù)與熱風(fēng)循環(huán)相結(jié)合的新型加熱方式。即將烘干設(shè)備設(shè)計成熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，通過風(fēng)機(jī)將加熱箱內(nèi)的熱風(fēng)吹到烘干箱體內(nèi)，經(jīng)熱交換后再將烘干箱體內(nèi)的氣體送回到加熱箱內(nèi)，同時對火箭殼體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到均勻加熱的目的［4］。考慮襯層固化過程中對溫度控制的復(fù)雜性，采用高精度的溫度傳感器實時監(jiān)測加熱溫度，運用PLC對火箭發(fā)動機(jī)殼體襯層旋轉(zhuǎn)固化的熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)對固化設(shè)備的遠(yuǎn)程自動控制。

1 襯層旋轉(zhuǎn)固化設(shè)備的加熱原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

涂層材料噴涂于火箭發(fā)動機(jī)殼體完畢后，在較低的轉(zhuǎn)速下實施烘干以達(dá)到涂層材料與熱風(fēng)接觸均勻的目的。空氣作為熱量載體在加熱室中受熱后經(jīng)送風(fēng)管道送入烘干室，然后與襯層材料接觸產(chǎn)生對流熱交換。通過對流換熱的方式將熱量傳遞給工件涂層，使涂層材料固化形成襯層。完成對流熱交換的空氣經(jīng)過帶有風(fēng)機(jī)的回風(fēng)管路送回到加熱室內(nèi)再次進(jìn)行加熱，形成循環(huán)回路，為烘干室提供了穩(wěn)定的加熱環(huán)境。整個熱風(fēng)輸送采用下送上回方式進(jìn)行循環(huán)，即送風(fēng)管設(shè)置在烘干室底部工件的下部，回風(fēng)管設(shè)置在烘干室上部空余空間，由于熱空氣上升冷空氣下降，涂層上下溫度分布比較均勻且整體的溫度恒定［5］。

襯層固化的熱循環(huán)系統(tǒng)主要由空氣加熱室、輸風(fēng)管路和烘干室組成。烘干室是整個設(shè)備的關(guān)鍵部件，主要用于大尺寸的兩組火箭殼體涂層固化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。烘干室室體的主要作用是將室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境隔絕，防止烘干室內(nèi)的熱量向外界流失且具有一定的承載能力。烘干室內(nèi)部設(shè)立兩組支座，要求支座具有旋轉(zhuǎn)工件功能且速度可控；室體采用矩形框架基本形式，即由框架和護(hù)壁構(gòu)成箱式封閉空間結(jié)構(gòu)。箱體框架骨架采用12＃方管，內(nèi)外壁采用A3碳鋼冷扎板，在內(nèi)、外壁之間填充100mm厚酚醛保溫板。加熱室用來加熱烘干室內(nèi)的循環(huán)空氣，使進(jìn)入烘干室的混合氣體保持在一定的工作溫度范圍內(nèi)。熱源選用金屬管式加熱器，加熱器交錯均布于循環(huán)風(fēng)機(jī)前的回風(fēng)段內(nèi)室體側(cè)壁上。加熱室框架采用矩形框架基本形式，內(nèi)、外壁均采用3mm厚的A3碳鋼冷扎板，保溫材料選150mm厚的酚醛保溫板。輸風(fēng)管路均采用SUS430不銹鋼無縫鋼管，管路采用保溫措施，空氣動力裝置選用耐高溫的DZ500調(diào)速離心風(fēng)機(jī)。

2 襯層旋轉(zhuǎn)固化設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

火箭發(fā)動機(jī)殼體襯層旋轉(zhuǎn)固化設(shè)備的烘干系統(tǒng)采用上、下位機(jī)進(jìn)行控制，主要組件如圖2所示。控制量主要有開關(guān)輸出量和模擬輸入量兩類。計算機(jī)編制好控制程序后通過通訊接口RS-485傳輸?shù)絇LC中，PLC執(zhí)行程序運行輸出數(shù)字控制信號后通過D/A輸出模擬信號，模擬信號通過變頻調(diào)速器改變電流、電壓，最后實現(xiàn)對執(zhí)行元件的即時控制；同時溫度傳感器和風(fēng)速傳感器將采集的信號通過變送器后放大，放大的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后變成數(shù)字信號反饋給PLC，PLC程序作出判斷并進(jìn)行下一個程序循環(huán)。由于溫度控制的復(fù)雜性，PLC選用三菱的FX2N-32MR作為基本控制單元，PC與PLC之間采用RS-458進(jìn)行通訊［6］。對溫度和風(fēng)速信號采集分別采用一體化溫度傳感器SBWZ-2480/44si和一體化風(fēng) 速 傳 感 器AV 104H-2-10-10-T-30-1，顯示儀表采用單輸入通道數(shù)字式智能儀表XST/A-H3VTT0A2B5S0V0。控制柜與現(xiàn)場執(zhí)行元件通過控制電纜連接以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖1 烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3 襯層旋轉(zhuǎn)固化設(shè)備控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

襯層旋轉(zhuǎn)固化設(shè)備的加熱保溫系統(tǒng)控制較復(fù)雜，本文運用模塊化設(shè)計思想，采用“化整為零”的方法，將控制程序分為公用程序、手動程序及自動程序3部分。分別編出這些程序后，再“積零為整”，用子程序調(diào)用指令調(diào)用手動程序和自動程序。系統(tǒng)運行時首先執(zhí)行公用程序，當(dāng)選擇手動工作方式時（X020接通）跳至手動程序執(zhí)行，當(dāng)選擇自動工作方式時（X021或X022接通）跳至自動程序執(zhí)行，系統(tǒng)實行自動控制并完成操作。該系統(tǒng)的控制主體程序如圖3所示。

3.2 溫度控制系統(tǒng)的控制流程

溫度控制流程如圖4所示。程序初始化后，火箭發(fā)動機(jī)殼體開始旋轉(zhuǎn)并啟動風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)速傳感器對烘箱內(nèi)風(fēng)速信號進(jìn)行采集，通過對風(fēng)速信號分析進(jìn)行PID運算，判斷出風(fēng)機(jī)是否正常工作。若風(fēng)機(jī)不正常工作，重新進(jìn)行調(diào)試，再次啟動風(fēng)機(jī)。待風(fēng)機(jī)能夠正常工作后，啟動常開組電加熱管進(jìn)行加熱，采用溫度傳感器對各測量點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)溫度PID運算，控制調(diào)節(jié)電加熱管以實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。涂層完全固化后關(guān)閉常開組電加熱管，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，待烘干室降到一定溫度時，開啟烘干室換裝下一組殼體，關(guān)閉烘干室門，進(jìn)行下一個循環(huán)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計布局圖

圖3 控制主體梯形圖

4 結(jié)語

通過對襯層旋轉(zhuǎn)固化的加熱與保溫控制系統(tǒng)的研究，提出了旋轉(zhuǎn)固化熱風(fēng)循環(huán)的加熱方式，選擇了以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，并完成了對控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及程序編制。采用上位機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)計理念，使操作系統(tǒng)更智能化、人性化。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

［1］諸毓武，詹國柱，黃洪勇.固體火箭發(fā)動機(jī)襯層粘接技術(shù)綜述［J］.上海航天，2012，29（2）：31-35.

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［4］翁雨艷.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（30）：96.

［5］李傳青，王紅.RXH型熱風(fēng)循環(huán)烘箱的改進(jìn)探討［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2001（增刊1）：26-28.

［6］李金城.PLC模擬量與通信控制應(yīng)用領(lǐng)域［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.