聲共振混合設備用于百克量級火炸藥制備的能量轉換特性

陳 松，馬 寧，謝中元，秦 能，張 哲，孫曉朋，王曉峰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

聲共振是近年來興起的一種基于振動宏觀混合和聲場微觀混合耦合作用的混合新技術，其依托于聲共振混合設備(RAM)的低頻(約60Hz)、大加速度(0～100g，g=9.8m/s2)垂直往復振動[1]。相比捏合機、攪拌等傳統混合方式，聲共振混合技術具有無介入式槳葉刺激、混合速度快、容器易清理、能夠實現原位混合等優點，特別適合于火炸藥等具有易燃易爆危險屬性材料的領域，甚至被英國國防部武器技術專家Philip Cheese譽為“改變彈藥制造領域游戲規則的顛覆性技術”。

在火炸藥領域，聲共振混合技術經過廣泛的探索應用，其技術先進性得到充分證明。如西安近代化學研究所將聲共振混合技術用于B炸藥、澆注PBX的實驗室制備，效率較傳統混合方式分別提升36%和114%[2-3]；湖北航天化學技術研究所將聲共振混合技術應用于LN106推進劑襯層的混合，加速度為80g條件下可在10min左右實現一公斤級推進劑襯層的均勻混合[4]；英國航空航天公司(BEAS)將聲共振混合技術用于PBX的制備，在加速度大于55g時，可在20min內實現PBX的均勻混合[5]。

聲共振混合技術應用于實驗室級別火炸藥材料制備，或者應用于食品、醫藥、生物行業的混合已經得到國內外研究機構和學者的廣泛認同。然而，目前聲共振混合技術的應用驗證一般停留在公斤級別，其工程化應用僅有美國得以實現，其最大混合量級已可達200～400kg，且用于火箭發動機的工業化生產[6]。究其原因，聲共振混合技術工程化應用的難點之一是設備放大和工藝放大。我國雖掌握了聲共振混合設備的原理和設計方法[7-9]，但工藝放大尚缺乏充分的研究，沒有建立工藝放大模型，缺乏設備設計和工藝控制的有效指導。

基于此，本實驗開展聲共振混合設備驅動電機能量輸入與加速度相關性的研究。通過改變被混物料的種類、狀態、空氣阻尼條件獲得輸入能量與加速度之間的耦合關系，通過反復交錯改變加速度獲得相同加速度條件下輸入能量的重復特征，分析聲共振系統的容差性能及系統可靠性，為工藝控制和設備量級放大提供基礎數據。

1 實 驗

1.1 材料及配方

RDX、HMX，甘肅銀光化學工業集團有限公司；鋁粉，粒徑為29μm，鞍鋼實業微細鋁粉有限公司；SR-3黏合劑，西安近代化學研究所。

B炸藥配方(質量分數)為：TNT，40%;RDX,60% 。

澆注PBX配方組成為：Al粉、HMX 、SR-3黏合劑，其中Al粉和HMX質量分數之和為88%。

熔注PBX配方組成為：Al粉、RDX、復合載體，其中Al粉和RDX質量分數之和為88%。

HTPE推進劑配方組成為：HTPE、RDX、Al粉、AP、其他組分，其中RDX、Al粉、AP質量分數之和為88%。

1.2 儀器設備

聲共振混合實驗樣機，2kg量級，西安近代化學研究所；3097A1型加速度傳感器，美國DYTRAN公司；SHZ-DⅢ型循環水真空泵，上海越眾儀器設備有限公司；X0DC-1030-Ⅱ型低溫恒溫槽，南京先歐儀器制造有限公司；VibRunner型數據采集設備，德國M+P公司。圖1為聲共振混合設備示意圖及實物圖，驅動電機組由4個電機組成，其中內側兩個電機為一組，相位角相同；外側兩個電機為另一組，相位角相同；兩組電機相位角差表示為圖中的θ。

圖1 聲共振混合設備示意圖及實物圖Fig.1 Schematic diagram and picture of RAM

1.3 實驗方法

實驗時，對于給定種類和質量的被混物料，通過輸入能量和加速度之間的關系來分析設備的能量轉換特性。其中輸入能量為主動調節參數，通過調節設備驅動電機組的相位角θ來調節輸入能量，進而實現目標加速度的調節。電機組相位角θ為0°時，對應的輸入能量為100%；電機組相位角θ為180°時，對應的輸入能量為0；輸入能量0～100%在電機相位角0°～180°之間符合線性差值關系。

加速度為混合容器所承受的加速度，采用安裝在混合容器上的加速度傳感器測試，大小用g表示，g為重力加速度，大小為9.8m/s2。設定目標加速度后，設備在控制程序作用下自動調節電機組的相位角，通過加速度傳感器的數據反饋，使混合容器承受的加速度逐漸逼近并穩定在目標加速度。實驗過程采用夾套控溫，根據不同配方，控溫范圍為60～80℃。

2 結果與討論

2.1 不同配方火炸藥聲共振混合能量轉換特性

2.1.1 B炸藥混合

混合分為6個階段，每個階段的混合參數均用頻率、輸入能量和加速度表示在括號中(下文中類似參數與此同)，6個階段參數依次為(63Hz、2.8%、5g)，(63Hz、4.6%、10g)， (63Hz、7.6%、20g)，(63Hz、13.4%、40g)，(63Hz、19.2%、60g)，(63Hz、11.2%、30g)。在加速度為30g的混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

上述B炸藥混合參數中的輸入能量和加速度之間的關系如圖2所示，圖中空心圓圈表示加速度分別為5g、10g、20g、40g、60g所對應的能量，其表示的是加速度增加過程中能量變化關系，對其擬合所得方程為y=a+bx(y、a、b、x分別表示輸入能量、常數、常數、加速度，下文中出現類似擬合公式均遵循此表示規則)，其中a=1.54，b=0.296；擬合線性相關系數R=0.999。

圖2 B炸藥混合輸入能量與加速度之間的關系Fig.2 Relationship between input energy and acceleration for Comp.B mixing

由圖2可知，輸入能量與加速度呈線性關系，這表示設備自身摩擦、碰撞等能量損耗隨加速度增大幾乎無增加；同時物料在各個混合階段的阻尼變化對設備穩定性影響很小。

1.GJR-GARCH模型。“杠桿效應”是指波動率對市場負向沖擊的反應比正向沖擊的反應更加迅速，也就是說市場下跌反應比市場上升反應更強烈，沖擊在資本市場中呈現出非對稱性。基于股票市場的波動具有聚集性和非對稱的特征，以及單變量GJRGARCH模型對波動預測能力和波動行為描述能力優于其他非對稱的ARCH模型（Engle&Ng，1993）。

將混合后期加速度降低到30g對應的輸入能量表示在圖2中如實心圓圈所示，可見其幾乎落在擬合線上，這說明設備在調節過程中具有很高的穩定性，且抽真空對設備穩定性影響很小。

2.1.2 澆注PBX混合

混合分為9個階段，每個階段的混合參數用頻率、輸入能量、加速度表示在括號中，依次為(63.2Hz、3%、5g)，(63.2Hz、5%、10g)，(63.2Hz、8%、20g)，(63Hz、10.6%、30g)，(63Hz、14%、40g)，(63Hz、8.4%、20g)，(63Hz、15.8%、40g)，(63Hz、24%、60g)，(63Hz、10.6%、20g)。其中在第五個混合階段結束后停機加入鋁粉。在第九個混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

對輸入能量—加速度進行線性擬合，如圖3所示。

圖3 澆注PBX混合輸入能量與加速度之間的關系Fig.3 Relationship between input energy and acceleration for cast PBX mixing

圖3中空心圓圈為鋁粉加入前加速度分別為5g、10g、20g、30g、40g所對應的能量，對其擬合所得方程為y1=a1+b1x1，a1=1.707、b1=0.305，線性相關系數R1=0.996；實心圓圈為鋁粉加入后加速度分別為20g、40g、60g所對應的能量，對其擬合所得方程為y2=a2+b2x2，a2=0.466、b2=0.390，線性相關系數R2=0.998。由此可見，設備在加速度調節過程中輸入能量與加速度呈線性關系，設備穩定；加入鋁粉后，輸入能量略有增加，這符合混合量級越大耗能越高的基本原則。空心三角形表示混合最后階段加速度為20g時對應的輸入能量。

從圖3中可以看出，最后階段的輸入能量略大，這可能與加入鋁粉后質量改變或者物料狀態變化有關，需要進一步驗證。3個階段設備輸入能量擬合曲線斜率存在一定差異，尤其是加入鋁粉后斜率增大，說明混合質量增大對設備的輸入能量要求提高，也就是耗能增快。為了將本次實驗與其他實驗的功率消耗關系進行對比，將所有能量輸入點擬合在同一條直線上，如圖3中虛線所示，擬合所得方程為y3=a3+b3x3，a3=1.707、b3=0.305，線性相關系數R3=0.960。3條擬合曲線線性度都很好，表明物料混合過程中狀態變化引起的阻尼波動對設備的能量輸入基本沒有影響，整個調節過程穩定。設備能夠在一定范圍內抑平物料阻尼波動，但質量波動會對設備能量輸入造成明顯影響。

2.1.3 熔注PBX混合

混合分為6個階段，每個階段的混合參數用頻率、輸入能量、加速度表示在括號中，依次為： (63.1Hz、4%、5g)，(63.1Hz、5.8%、10g)，(63Hz、7.8%、20g)，(63Hz、13.6%、40g)，(63Hz、22%、60g)，(63Hz、11.6%、30g)。在第六個混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

對加速度—輸入能量進行線性擬合，如圖4所示。其中空心圓圈表示加速度分別為5g、10g、20g、40g、60g所對應的能量，所得方程為y=a+bx，a=2.052、b=0.318，線性相關系數R=0.982。將30g的輸入能量表示在圖3中如實心圓圈所示，可見其完全落在直線上,表示輸入能量與加速度大小呈線性關系，設備自身摩擦、碰撞等能量損耗隨加速度增大幾乎無增加，設備可重復性好。

圖4 熔注PBX混合輸入能量與加速度之間的關系Fig.4 Relationship between input energy and acceleration for melt-cast PBX explosive mixing

2.1.4 HTPE推進劑混合

混合分為6個階段，每個階段混合參數分別用頻率、輸入能量、加速度表示在括號中，依次為(63.0Hz、3.2%、5g)，(63.0Hz、5%、10g)，(63.0Hz、7.8%、20g)，(63.0Hz、14%、40g)，(63.0Hz、22%、60g)，(63.0Hz、11.4%、30g)。在第六個混合階段抽真空，真空度為-0.095MPa。

對輸入能量—加速度進行線性擬合，如圖5所示。其中空心圓圈表示加速度分別為5g、10g、20g、40g、60g、30g所對應的電機輸出能量，對其擬合所得方程為y=a+bx，a=1.339、b=0.336，線性相關系數R=0.982。將30g的輸入能量表示在圖5中如實心圓圈所示，可見其完全落在直線上。與上述研究所得結論一致。

圖5 HTPE推進劑混合輸入能量與加速度之間的關系Fig.5 Relationship between input energy and acceleration for HTPE propellant mixing

2.2 百克量級聲共振混合能量轉換特性

上述通過4種火炸藥的實際混合，擬合了設備加速度增大及減小過程中輸入能量與加速度的對應關系，證明了對于同一種物料，設備在加速度反復調節過程中運行穩定，能量輸入與加速度呈線性關系。對于不同物料，以及同一物料的不同狀態，其阻尼變化對設備的能量輸入影響很小，設備能夠在一定范圍內抑平阻尼或物料狀態波動對輸入能量需求的影響。

為克服測試誤差，將B炸藥、澆注PBX炸藥、熔注PBX炸藥和HTPE推進劑在混合量級為200克條件下的設備輸入能量—加速度之間的關系分別繪制于圖6中，并將4種物料的所有能量輸入—加速度點繪制成圖中的黑實線。

圖6 HTPE推進劑混合輸入能量與加速度之間的關系Fig.6 Relationship between input energy and acceleration for HTPE propellant mixing

將圖6中5條曲線的截距、斜率和線性相關系數a、b、R匯總于表1中。

表1 圖6中5條曲線的擬合參數

從圖6可以看出，除澆注PBX外，其他材料輸入能量—加速度關系擬合線幾乎重合。表1中5條曲線的線性相關系數均接近1，表明輸入能量與加速度之間呈較為嚴格的線性關系。對于不同類型物料，擬合曲線的截距略有不同，而斜率大小非常接近，總擬合曲線斜率為0.339。表明在200克量級混合條件下，對所有類型被混火炸藥，可按照y=1.587+0.339x的關系來指導設備設計時所需電機功率的預估，以及對工藝過程中加速度的自動調節給出范圍甚至具體數值。

3 結 論

(1)聲共振混合設備在混合火炸藥過程中，運行穩定、可重復性好，設備的輸入能量與加速度呈現嚴格的線性關系，設備摩擦、碰撞等能耗損失較小，并不隨加速度增大而增大。

(2)火炸藥聲共振混合所需能量主要由被混物料質量和加速度決定，受物料種類、狀態及真空度等影響極小。物料狀態和真空度對阻尼的改變幾乎不影響混合能量的大小，這可能是由于采用大量級設備混合小量級產品所具備的波動抑制效應。

(3)對于200克量級火炸藥材料混合，所需的混合能量大小與加速度之間線性關系的斜率約為0.339。按此斜率計算，在設備允許的最大工作加速度100 g范圍內，設備僅需35%的輸入能量，能夠滿足百克量級火炸藥產品的混合需求。該斜率數據可為實驗室級聲共振混合設備的設計提供依據。