声共振混合设备用于百克量级火炸药制备的能量转换特性

陈 松，马 宁，谢中元，秦 能，张 哲，孙晓朋，王晓峰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

声共振是近年来兴起的一种基于振动宏观混合和声场微观混合耦合作用的混合新技术，其依托于声共振混合设备(RAM)的低频(约60Hz)、大加速度(0～100g，g=9.8m/s2)垂直往复振动[1]。相比捏合机、搅拌等传统混合方式，声共振混合技术具有无介入式桨叶刺激、混合速度快、容器易清理、能够实现原位混合等优点，特别适合于火炸药等具有易燃易爆危险属性材料的领域，甚至被英国国防部武器技术专家Philip Cheese誉为“改变弹药制造领域游戏规则的颠覆性技术”。

在火炸药领域，声共振混合技术经过广泛的探索应用，其技术先进性得到充分证明。如西安近代化学研究所将声共振混合技术用于B炸药、浇注PBX的实验室制备，效率较传统混合方式分别提升36%和114%[2-3]；湖北航天化学技术研究所将声共振混合技术应用于LN106推进剂衬层的混合，加速度为80g条件下可在10min左右实现一公斤级推进剂衬层的均匀混合[4]；英国航空航天公司(BEAS)将声共振混合技术用于PBX的制备，在加速度大于55g时，可在20min内实现PBX的均匀混合[5]。

声共振混合技术应用于实验室级别火炸药材料制备，或者应用于食品、医药、生物行业的混合已经得到国内外研究机构和学者的广泛认同。然而，目前声共振混合技术的应用验证一般停留在公斤级别，其工程化应用仅有美国得以实现，其最大混合量级已可达200～400kg，且用于火箭发动机的工业化生产[6]。究其原因，声共振混合技术工程化应用的难点之一是设备放大和工艺放大。我国虽掌握了声共振混合设备的原理和设计方法[7-9]，但工艺放大尚缺乏充分的研究，没有建立工艺放大模型，缺乏设备设计和工艺控制的有效指导。

基于此，本实验开展声共振混合设备驱动电机能量输入与加速度相关性的研究。通过改变被混物料的种类、状态、空气阻尼条件获得输入能量与加速度之间的耦合关系，通过反复交错改变加速度获得相同加速度条件下输入能量的重复特征，分析声共振系统的容差性能及系统可靠性，为工艺控制和设备量级放大提供基础数据。

1 实 验

1.1 材料及配方

RDX、HMX，甘肃银光化学工业集团有限公司；铝粉，粒径为29μm，鞍钢实业微细铝粉有限公司；SR-3黏合剂，西安近代化学研究所。

B炸药配方(质量分数)为：TNT，40%;RDX,60% 。

浇注PBX配方组成为：Al粉、HMX 、SR-3黏合剂，其中Al粉和HMX质量分数之和为88%。

熔注PBX配方组成为：Al粉、RDX、复合载体，其中Al粉和RDX质量分数之和为88%。

HTPE推进剂配方组成为：HTPE、RDX、Al粉、AP、其他组分，其中RDX、Al粉、AP质量分数之和为88%。

1.2 仪器设备

声共振混合实验样机，2kg量级，西安近代化学研究所；3097A1型加速度传感器，美国DYTRAN公司；SHZ-DⅢ型循环水真空泵，上海越众仪器设备有限公司；X0DC-1030-Ⅱ型低温恒温槽，南京先欧仪器制造有限公司；VibRunner型数据采集设备，德国M+P公司。图1为声共振混合设备示意图及实物图，驱动电机组由4个电机组成，其中内侧两个电机为一组，相位角相同；外侧两个电机为另一组，相位角相同；两组电机相位角差表示为图中的θ。

图1 声共振混合设备示意图及实物图Fig.1 Schematic diagram and picture of RAM

1.3 实验方法

实验时，对于给定种类和质量的被混物料，通过输入能量和加速度之间的关系来分析设备的能量转换特性。其中输入能量为主动调节参数，通过调节设备驱动电机组的相位角θ来调节输入能量，进而实现目标加速度的调节。电机组相位角θ为0°时，对应的输入能量为100%；电机组相位角θ为180°时，对应的输入能量为0；输入能量0～100%在电机相位角0°～180°之间符合线性差值关系。

加速度为混合容器所承受的加速度，采用安装在混合容器上的加速度传感器测试，大小用g表示，g为重力加速度，大小为9.8m/s2。设定目标加速度后，设备在控制程序作用下自动调节电机组的相位角，通过加速度传感器的数据反馈，使混合容器承受的加速度逐渐逼近并稳定在目标加速度。实验过程采用夹套控温，根据不同配方，控温范围为60～80℃。

2 结果与讨论

2.1 不同配方火炸药声共振混合能量转换特性

2.1.1 B炸药混合

混合分为6个阶段，每个阶段的混合参数均用频率、输入能量和加速度表示在括号中(下文中类似参数与此同)，6个阶段参数依次为(63Hz、2.8%、5g)，(63Hz、4.6%、10g)， (63Hz、7.6%、20g)，(63Hz、13.4%、40g)，(63Hz、19.2%、60g)，(63Hz、11.2%、30g)。在加速度为30g的混合阶段抽真空，真空度为-0.095MPa。

上述B炸药混合参数中的输入能量和加速度之间的关系如图2所示，图中空心圆圈表示加速度分别为5g、10g、20g、40g、60g所对应的能量，其表示的是加速度增加过程中能量变化关系，对其拟合所得方程为y=a+bx(y、a、b、x分别表示输入能量、常数、常数、加速度，下文中出现类似拟合公式均遵循此表示规则)，其中a=1.54，b=0.296；拟合线性相关系数R=0.999。

图2 B炸药混合输入能量与加速度之间的关系Fig.2 Relationship between input energy and acceleration for Comp.B mixing

由图2可知，输入能量与加速度呈线性关系，这表示设备自身摩擦、碰撞等能量损耗随加速度增大几乎无增加；同时物料在各个混合阶段的阻尼变化对设备稳定性影响很小。

1.GJR-GARCH模型。“杠杆效应”是指波动率对市场负向冲击的反应比正向冲击的反应更加迅速，也就是说市场下跌反应比市场上升反应更强烈，冲击在资本市场中呈现出非对称性。基于股票市场的波动具有聚集性和非对称的特征，以及单变量GJRGARCH模型对波动预测能力和波动行为描述能力优于其他非对称的ARCH模型（Engle&Ng，1993）。

将混合后期加速度降低到30g对应的输入能量表示在图2中如实心圆圈所示，可见其几乎落在拟合线上，这说明设备在调节过程中具有很高的稳定性，且抽真空对设备稳定性影响很小。

2.1.2 浇注PBX混合

混合分为9个阶段，每个阶段的混合参数用频率、输入能量、加速度表示在括号中，依次为(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)。其中在第五个混合阶段结束后停机加入铝粉。在第九个混合阶段抽真空，真空度为-0.095MPa。

对输入能量—加速度进行线性拟合，如图3所示。

图3 浇注PBX混合输入能量与加速度之间的关系Fig.3 Relationship between input energy and acceleration for cast PBX mixing

图3中空心圆圈为铝粉加入前加速度分别为5g、10g、20g、30g、40g所对应的能量，对其拟合所得方程为y1=a1+b1x1，a1=1.707、b1=0.305，线性相关系数R1=0.996；实心圆圈为铝粉加入后加速度分别为20g、40g、60g所对应的能量，对其拟合所得方程为y2=a2+b2x2，a2=0.466、b2=0.390，线性相关系数R2=0.998。由此可见，设备在加速度调节过程中输入能量与加速度呈线性关系，设备稳定；加入铝粉后，输入能量略有增加，这符合混合量级越大耗能越高的基本原则。空心三角形表示混合最后阶段加速度为20g时对应的输入能量。

从图3中可以看出，最后阶段的输入能量略大，这可能与加入铝粉后质量改变或者物料状态变化有关，需要进一步验证。3个阶段设备输入能量拟合曲线斜率存在一定差异，尤其是加入铝粉后斜率增大，说明混合质量增大对设备的输入能量要求提高，也就是耗能增快。为了将本次实验与其他实验的功率消耗关系进行对比，将所有能量输入点拟合在同一条直线上，如图3中虚线所示，拟合所得方程为y3=a3+b3x3，a3=1.707、b3=0.305，线性相关系数R3=0.960。3条拟合曲线线性度都很好，表明物料混合过程中状态变化引起的阻尼波动对设备的能量输入基本没有影响，整个调节过程稳定。设备能够在一定范围内抑平物料阻尼波动，但质量波动会对设备能量输入造成明显影响。

2.1.3 熔注PBX混合

混合分为6个阶段，每个阶段的混合参数用频率、输入能量、加速度表示在括号中，依次为： (63.1Hz、4%、5g)，(63.1Hz、5.8%、10g)，(63Hz、7.8%、20g)，(63Hz、13.6%、40g)，(63Hz、22%、60g)，(63Hz、11.6%、30g)。在第六个混合阶段抽真空，真空度为-0.095MPa。

对加速度—输入能量进行线性拟合，如图4所示。其中空心圆圈表示加速度分别为5g、10g、20g、40g、60g所对应的能量，所得方程为y=a+bx，a=2.052、b=0.318，线性相关系数R=0.982。将30g的输入能量表示在图3中如实心圆圈所示，可见其完全落在直线上,表示输入能量与加速度大小呈线性关系，设备自身摩擦、碰撞等能量损耗随加速度增大几乎无增加，设备可重复性好。

图4 熔注PBX混合输入能量与加速度之间的关系Fig.4 Relationship between input energy and acceleration for melt-cast PBX explosive mixing

2.1.4 HTPE推进剂混合

混合分为6个阶段，每个阶段混合参数分别用频率、输入能量、加速度表示在括号中，依次为(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)。在第六个混合阶段抽真空，真空度为-0.095MPa。

对输入能量—加速度进行线性拟合，如图5所示。其中空心圆圈表示加速度分别为5g、10g、20g、40g、60g、30g所对应的电机输出能量，对其拟合所得方程为y=a+bx，a=1.339、b=0.336，线性相关系数R=0.982。将30g的输入能量表示在图5中如实心圆圈所示，可见其完全落在直线上。与上述研究所得结论一致。

图5 HTPE推进剂混合输入能量与加速度之间的关系Fig.5 Relationship between input energy and acceleration for HTPE propellant mixing

2.2 百克量级声共振混合能量转换特性

上述通过4种火炸药的实际混合，拟合了设备加速度增大及减小过程中输入能量与加速度的对应关系，证明了对于同一种物料，设备在加速度反复调节过程中运行稳定，能量输入与加速度呈线性关系。对于不同物料，以及同一物料的不同状态，其阻尼变化对设备的能量输入影响很小，设备能够在一定范围内抑平阻尼或物料状态波动对输入能量需求的影响。

为克服测试误差，将B炸药、浇注PBX炸药、熔注PBX炸药和HTPE推进剂在混合量级为200克条件下的设备输入能量—加速度之间的关系分别绘制于图6中，并将4种物料的所有能量输入—加速度点绘制成图中的黑实线。

图6 HTPE推进剂混合输入能量与加速度之间的关系Fig.6 Relationship between input energy and acceleration for HTPE propellant mixing

将图6中5条曲线的截距、斜率和线性相关系数a、b、R汇总于表1中。

表1 图6中5条曲线的拟合参数

从图6可以看出，除浇注PBX外，其他材料输入能量—加速度关系拟合线几乎重合。表1中5条曲线的线性相关系数均接近1，表明输入能量与加速度之间呈较为严格的线性关系。对于不同类型物料，拟合曲线的截距略有不同，而斜率大小非常接近，总拟合曲线斜率为0.339。表明在200克量级混合条件下，对所有类型被混火炸药，可按照y=1.587+0.339x的关系来指导设备设计时所需电机功率的预估，以及对工艺过程中加速度的自动调节给出范围甚至具体数值。

3 结 论

(1)声共振混合设备在混合火炸药过程中，运行稳定、可重复性好，设备的输入能量与加速度呈现严格的线性关系，设备摩擦、碰撞等能耗损失较小，并不随加速度增大而增大。

(2)火炸药声共振混合所需能量主要由被混物料质量和加速度决定，受物料种类、状态及真空度等影响极小。物料状态和真空度对阻尼的改变几乎不影响混合能量的大小，这可能是由于采用大量级设备混合小量级产品所具备的波动抑制效应。

(3)对于200克量级火炸药材料混合，所需的混合能量大小与加速度之间线性关系的斜率约为0.339。按此斜率计算，在设备允许的最大工作加速度100 g范围内，设备仅需35%的输入能量，能够满足百克量级火炸药产品的混合需求。该斜率数据可为实验室级声共振混合设备的设计提供依据。