固體推進劑連續混合工藝參數控制與工程優化*

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混合工藝生產固體推進劑，Aerojet公司先后開發了UK-100、UK-150、UK-200、UK-400 等Ko-Kneader連續混合機，90年代成功用于北極星發動機和ASRM推進劑生產。20世紀80年代中期，法國SNPE公司開始復合固體推進劑連續生產工藝的開發，Herakles公司逐步使雙螺桿混合機設備工業化，2005年建成了50～300 kg/h產能的雙螺桿連續混合試驗設備。目前，歐洲航天局已確定在未來新一代運載火箭阿里安-6和織女星后續改進型上采用雙螺桿連續混合工藝[1-2]。此外，國外的固體發動機裝藥工藝生產線，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，大量應用自動化控制和在線監測技術，可對固體推進劑裝藥生產過程中的關鍵工藝參數和設備參數實時監測，而且對各項運行參數進行及時記錄與配方優化控制，保證產品質量和生產安全[3-4]。國內固體推進劑批次混合工藝及其安全控制技術積累了大量的經驗[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控制方面。江西航天經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、混合機扭矩與轉速的因果關系，為預測混合工藝扭矩安全提供了理論依據。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、扭矩高速采集技術、安全連鎖防差錯強化設計和操作追溯技術，對立式混合機系統安全性和可靠性控制進行了技術升級。上述批次混合工藝的經驗，對連續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的含能材料連續化處理方面的先進經驗[10-13]值得借鑒，如連續化處理過程中的加料裝置與工藝、壓力與溫度檢測設計等，其螺桿主機的核心元件材料較先進，使得比國內同類設備的轉速高、產能大，具有螺桿撓度低、軸向間隙均勻等優點，但所處理復合推進劑粘度低，原材料狀態差異大，不適合直接引用。本文通過10 kg/h級試驗裝置的工藝試驗,對所采集的螺桿轉速、扭矩、機筒溫度、壓力以及喂料量等關鍵工藝參數進行設備適用性與工藝安全性分析，得出工藝參數檢測與控制的工程優化途徑。

1 雙螺桿連續混合工藝試驗

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、液壓驅動單元與控制系統組成，連續混合工藝流程如圖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加料；試驗用螺桿結構詳見參考文獻[14]。

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

試驗裝置控制系統由PLC進行數據采集、執行機構驅動與安全連鎖控制；實時檢測的工藝參數包括溫度、壓力、轉速、扭矩與喂料量等；工控機SCADA系統，實現工藝參數實時監控、過程報警和歷史數據記錄等功能，滿足遠程操作與數據分析需求。通過控制螺桿轉速、扭矩、腔內壓力、機筒溫度以及喂料量等參數來調整連續混合工藝，驗證混合質量和安全。

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

設備運行的工藝條件如下：

(1)各組分加料精度優于0.5%；

(2)螺桿轉速為20～50 r/min；

(3)推進劑藥漿溫度范圍：50 ℃；

(4)溫度控制精度：±2 ℃。

2 工藝參數數據分析

2.1 轉速與扭矩

與民用螺桿機相似，螺桿轉速受限于螺桿間隙、構型以及物料粘度，且與剪切速率呈線性關系，直接與剪切應力和扭矩相關。因此轉速是影響雙螺桿混合均勻性、關系產品質量的關鍵參數。另一方面，在固體推進劑連續混合工藝研究中，要求轉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，因此轉速與扭矩的穩定控制也是保證工藝安全性的關鍵。

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動、雙支撐結構，出料口常壓狀態。轉速檢測是在螺桿輸出軸側安裝編碼器直接檢測實際的轉速；扭矩是液壓設備內部換算取值。

首先，考察不同喂料量對轉速與扭矩的影響。選擇配方Ⅱ，轉速設定值為30 r/min，在不斷增大喂料量的過程中轉速設定值不變，實際轉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，而旋轉油壓上升。試驗裝置采用比例變量泵驅動油馬達，從而帶動螺桿旋轉，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，產生油路內泄，導致轉速有所降低。然而，負載增大與“實測扭矩”降低、旋轉油壓上升之間存在矛盾。根據能量守恒定律，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”來進行數據分析。

表2 定轉速條件下喂料量變化對扭矩的影響

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

圖2 不同轉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速條件，確定負載實際需要扭矩，進而關聯藥漿臨界摩擦感度預測的最大扭矩值，建立扭矩安全連鎖控制回路。此外，無論驅動系統的執行機構如何配置，都需要在轉速控制回路設計中，建立穩定的轉速響應，來保證工藝一致性。

2.2 溫度與壓力

本文試驗裝置采用調節各機筒溫度間接控制物料溫度，并在螺桿的4區和7區捏合段配置腔內溫度與壓力檢測。

首先，考察單個配方在不同轉速、不同喂料量條件下捏合區的溫度與壓力變化。選擇配方Ⅱ，預混料溫度30 ℃、粉料為常溫、機筒保溫水溫度為50 ℃、工房環境溫度為20 ℃。試驗中工藝參數調節隨時間變化的曲線如圖3～圖5所示。

圖3 轉速/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，起始轉速設定為30 r/min，喂料量從零增加為6 kg/h，8 min后增加至10 kg/h。通過時間軸對應前8 min內，螺桿轉速、扭矩均無明顯變化。運行50 min，采樣完成后，將轉速設定值提高至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區物料已經混合均勻，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 ℃；各區機筒溫度無明顯變化，起始段1-2區溫度最低，出料段7-8區溫度最高，主要是物料在機筒段內的停留時間不同導致。運行穩定后，為提高出料藥漿溫度，將機筒保溫溫度調整為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的時間軸對應可知，喂料量和轉速變化對熔溫的影響不大。因此，連續混合過程中，由于物料停留時間短，轉速和喂料量對藥漿溫度的影響可忽略；4區熔溫變化直接反應物料所受剪切熱影響，故將其設置為安全預警與停機連鎖控制點。

圖5中， 4區壓力變化隨捏合元件在檢測點旋轉的間隙變化而規律變化；隨著物料被混合均勻，輸送到7區時，壓力基本保持不變。機筒內壓力峰值或突變發生在喂料量和轉速變化時刻的4區捏合段，喂料量、轉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，相同轉速條件，不同配方混合過程4區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 全過程數據分析

采用“航天工業行業標準”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。選取試驗最優結果，并根據2.1節和2.2節結論，對配方Ⅰ的試驗數據進行全過程分析。加入粉料開始，20 min內扭矩、轉速及捏合壓力隨時間變化的曲線圖6和圖7所示。

圖6 轉速、扭矩監測實時曲線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的工藝參數特征取值，特征曲線如圖8所示。

圖8 工藝參數變化區間特征曲線Fig.8 Characteristic curves of process parameter variation interval

圖8中，通過在喂料量增加時刻4區壓力產生峰值可知，物料從入口到4區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態值。

因此，在安全連鎖設計中，需要根據不同配方和不同喂料量細化扭矩和主捏合段腔內壓力安全閾值來建立隨工藝變化的連鎖關系，從而實現連續混合均勻性和安全性的有效控制。此外，數據分析可給出物料停留時間，為優化工藝與螺桿設計提供依據。

4區捏合壓力在圖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的溫漂導致。

2.4 異常情況工藝參數分析

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

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

3 結論

通過饑餓喂料條件下的工藝參數控制及試驗數據分析，得出如下結論：

(1)連續混合機扭矩隨負載、轉速增大；液壓驅動特性導致負載增大轉速降低，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)連續混合工藝中物料停留時間短，且在制量小，轉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。

根據以上結論，面向連續混合工藝放大，在混合裝備工程設計中，工藝參數可從以下幾方面進行優化：

(1)連續混合捏合段的熔壓(即物料在捏合塊端部與機筒之間的壓強)直接與剪切應力相關，隨負載變化敏感，是安全控制的關鍵，需要根據配方和螺桿構型，對應物料摩擦感度，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)系統設計需要建立包括設備參數、工藝參數(粘度、固含量等)、質量檢測參數在內的工藝過程全覆蓋在線檢測和信息記錄，保證數據分析的信息完整性，從而提供可靠的工藝重復性驗證依據。