機(jī)電裝備設(shè)計(jì)(19)

8.2固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安全脫模裝置8.2.1脫模原理及特點(diǎn)8.2.2參數(shù)設(shè)計(jì)8.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SolidRocketMotor)主要是由固體推進(jìn)劑裝藥、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管和點(diǎn)火裝置四部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程則由推進(jìn)劑裝藥的點(diǎn)火過(guò)程、燃燒過(guò)程及燃?xì)庠趪姽軆?nèi)的流動(dòng)過(guò)程構(gòu)成。因此固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與推近劑性能密切相關(guān)并相互制約。18.2.1脫模原理及特點(diǎn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是不利用周圍介質(zhì)而用自身攜帶的固體推進(jìn)劑(Propellant)來(lái)生成工質(zhì)的直接反作用發(fā)動(dòng)機(jī)。固體推進(jìn)劑是化學(xué)推進(jìn)劑的一種，它是利用化學(xué)反應(yīng)所放出的熱能作為推進(jìn)系統(tǒng)的能源。固體推進(jìn)劑本身含有氧化劑和燃燒劑能夠通過(guò)有規(guī)律地燃燒釋放出大量熾熱氣體完成發(fā)射功的固態(tài)致密材料。1固體推進(jìn)劑的基本概念22火箭技術(shù)對(duì)固體推進(jìn)劑的基本要求

對(duì)固體推進(jìn)劑的要求：◆

推進(jìn)劑的能量高，即密度比沖高，特征速度高。前者要求推進(jìn)劑具有高密度和高比沖；后者要求推進(jìn)劑的燃燒溫度高，產(chǎn)物的平均分子量低。（高能比沖≥2450N.s/N)◆

推進(jìn)劑具有良好的燃燒性能。即燃速調(diào)節(jié)范圍要寬，壓力、初溫及氣流速度對(duì)燃速的影響較小能在低壓下正常燃燒。◆

推進(jìn)劑在使用條件下具有良好的力學(xué)性能。即有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，以保證在貯存和使用過(guò)程中不產(chǎn)生裂縫、不“脫粘、不發(fā)生過(guò)大的變形?！?/p>

推進(jìn)劑具有良好的物理、化學(xué)安定性，以保證在氣候條件變化范圍很大時(shí)可以長(zhǎng)期貯存和安全運(yùn)輸?！?/p>

推進(jìn)劑對(duì)沖擊、摩擦等機(jī)械感度小，以保證推進(jìn)劑在使用、生產(chǎn)、運(yùn)穩(wěn)和貯存過(guò)程中的安全?！?/p>

推進(jìn)劑原材料來(lái)源豐富，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單且能制造各種形狀和尺寸的裝藥。生產(chǎn)過(guò)程安全生產(chǎn)費(fèi)用低。33復(fù)合推進(jìn)劑的組成

復(fù)合推進(jìn)劑基本組分是氧化劑、高分子粘合劑和金屬燃劑。還有少量的其它組分用以改善推進(jìn)劑的某些性能?！魹榱苏澈蟿┑墓袒尤牍袒瘎?、交聯(lián)劑等；◆為改善貯存和使用性能加入助防老劑、增塑劑等；◆為改善燃燒性能而加入的燃速調(diào)節(jié)劑及燃燒穩(wěn)定劑；◆為改善工藝性能而加入的增塑劑、稀釋劑、潤(rùn)濕劑等。

常用復(fù)合推進(jìn)劑配方范圍：◆氧化劑為60～80％(重量)；◆高分子粘合劑為10～20％；◆金屬燃燒劑為0～20％；◆固化劑為0～2％；◆增塑劑為1～

11％；◆燃速調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑為0～3％；◆其它附加物為0～5％。41）氧化劑氧化劑的主要作用

(1)

提供推進(jìn)劑燃燒所需要的氧以保證能量；

(2)

作為粘合劑基體填充物以提高推進(jìn)劑的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度；

(3)

產(chǎn)生氣體的部分來(lái)源；

(4)

通過(guò)控制其粒度大小及級(jí)配來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃燒速度。低燃速：＜5mm/s；中燃速：5～25mm/s；高燃速：25～50mm/s。52)粘合劑復(fù)合推進(jìn)劑中的粘合劑都是高聚物。主要作用是：(1)提供推進(jìn)劑燃燒所得要的可燃元素(C、H、S、B…等)以保證能量；(2)粘結(jié)氧化劑和金屬燃燒劑等異相粒子，提供連續(xù)的粘合劑相成為推進(jìn)劑的彈性基體，使推進(jìn)劑具有一定的形狀和機(jī)械性能；(3)產(chǎn)生氣體的主要來(lái)源?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的復(fù)合推進(jìn)劑是以聚氯乙烯、聚氨酯、NC塑溶膠等為粘合劑，AP為氧化劑，Al粉為金屬添加劑而制成的。63)金屬燃燒劑或其它高能添加劑金屬燃燒劑是現(xiàn)代復(fù)合推進(jìn)劑的基本組分之一。其作用為：(1)提高推進(jìn)劑的爆熱從而提高比沖量；(2)提高推進(jìn)劑的比重。為此，要求金屬燃燒劑應(yīng)具有燃燒熱高、密度大、與其它組分相容性好，耗氧量低等特性?？捎玫慕饘偃紵齽┯袖X、鎂、硼、鈹、鋯等。74)固化劑和交聯(lián)劑

固化劑是熱固性粘合劑系統(tǒng)的組成部分。固化劑的作用是使線型預(yù)聚物轉(zhuǎn)變成適度交聯(lián)的網(wǎng)狀高聚物以便在機(jī)械強(qiáng)度、耐寒性、化學(xué)安定性等方面有所提高。

交聯(lián)劑的主要作用是交聯(lián)末固化的預(yù)聚物防止推進(jìn)劑塑性流動(dòng)。不同預(yù)聚物的結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)不同。85)增塑劑增塑劑是塑溶膠復(fù)合推進(jìn)劑的主要組分之一，其作用有：(1)

降低粘度以改善藥漿流變性能；(2)

降低玻璃化溫度以改善低溫力學(xué)性能。為了有較大的增塑效率并使增塑劑長(zhǎng)期保留在粘合別中，理想的增塑劑應(yīng)該是對(duì)粘合劑具有良好的互溶性、分子最大、揮發(fā)性小、化學(xué)穩(wěn)定性大且在固化反應(yīng)過(guò)程中是惰性的。復(fù)合推進(jìn)劑制造工藝的基本任務(wù)也是將分散的原材科加工成滿足各種性能要求的裝藥。其流程圖如圖所示。4復(fù)合推進(jìn)劑的制造工藝9101)氧化劑制備

AP是目前復(fù)合推進(jìn)劑生產(chǎn)中廣泛使用的氧化劑。AP的粒度、粒形及粒度分布對(duì)推進(jìn)劑藥漿流變性和推進(jìn)劑成品的力學(xué)和燃燒性能均有很大影響，故氧化劑準(zhǔn)備的主要任務(wù)是：(1)

正確地確定氧化劑的粒度分布并保持一定的粒度大小和形狀；(2)

對(duì)AP進(jìn)行篩選和準(zhǔn)確稱量。112)燃料預(yù)混合目的是將粘合劑與除氧化劑以外的其它附加成分預(yù)先混合，使百分含量少的附加成分均勻分散到粘合劑中，以保證產(chǎn)品的性質(zhì)均勻，并減少推進(jìn)劑混合的時(shí)間，提高生產(chǎn)的安全性。是推進(jìn)劑制造的最重要的工序。其任務(wù)是把準(zhǔn)備好的氧化劑和其它組分的預(yù)混合漿狀物混合成均勻的推進(jìn)劑藥漿，并驅(qū)除原料帶入的空氣和組分間反應(yīng)所生成的氣體。

3)混合工序124)澆注工序●

插管澆注法是將推進(jìn)劑藥漿通過(guò)軟管由頂端進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/p>

底部澆注法則使藥漿通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)底部的孔用壓力壓入發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/p>

真空澆注法是使推進(jìn)劑藥漿通過(guò)花板流入發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體置于真空缸中。混合后的藥漿借助大氣與真空的壓差流經(jīng)孔板變成條狀，并在真空狀態(tài)下除去裹入的空氣。目前廣泛采用的是真空澆注法。

最常用的復(fù)合推進(jìn)劑的澆注方法有三種，即插管澆注法、底部澆注法和真空澆注法。13145)固化工序包括化學(xué)固化和物理固化兩種。

物理固化是指高聚物變成固態(tài)溶液的過(guò)程。

化學(xué)固化是粘合劑與固化劑、交聯(lián)劑完成化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。由于推進(jìn)劑粘合劑系統(tǒng)不同，用的固化劑也不一致，因此固化機(jī)理也不一樣。對(duì)于化學(xué)固化化學(xué)反應(yīng)速度與溫度有關(guān)，通常是溫度增加10℃，反應(yīng)速度增加一倍。固化所需時(shí)間由溫度決定，溫度愈高，所需時(shí)間愈短。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，固化時(shí)要控制固化溫度和逐段升溫的時(shí)間間隔。通常測(cè)定推進(jìn)制藥柱的強(qiáng)度、延伸率、硬度等參數(shù)。158.2.1脫模原理及特點(diǎn)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固化后，其位于發(fā)動(dòng)機(jī)中心的芯模要脫出。航天六院多少年來(lái)一直采用天車吊鉤提拉的方式。這種方法有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)?！籼燔嚨蹉^與芯模中心的對(duì)中性差，需要操作人員反復(fù)調(diào)整位置，稍一不慎，當(dāng)中心偏差較大時(shí)，會(huì)在芯模提拉時(shí)，給藥柱施以附加側(cè)向力，增加了芯模與藥柱的摩擦，輕者在芯模脫出時(shí)會(huì)損壞藥柱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槟Σ亮Υ蟀l(fā)生燃爆事故；◆天車的提升速度不可調(diào)節(jié)，尤其是在脫高能燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，芯模與藥柱的相對(duì)位移速度要足夠低，太高的移動(dòng)速度會(huì)由于摩擦發(fā)生事故。而且天車的提升力不可調(diào)節(jié)，很難控制在脫模全過(guò)程中脫模力的變化規(guī)律。1617◆采用變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量油泵，改變變頻驅(qū)動(dòng)器的輸入電平，即改變電機(jī)的頻率，從而改變了油泵的輸出流量?！糁灰h(yuǎn)程調(diào)節(jié)輸入到隔爆型比例溢流閥的勵(lì)磁電流即可改變液壓系統(tǒng)的輸出壓力大小?！粢簤合到y(tǒng)輸出的流量，進(jìn)入低速大扭矩液壓馬達(dá)，使馬達(dá)輸出一定的轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n，改變進(jìn)入馬達(dá)的流量，即可改變其轉(zhuǎn)速；改變馬達(dá)的輸入壓力即可改變其輸出轉(zhuǎn)矩。◆通過(guò)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可間接測(cè)出升降距離。通過(guò)與提升裝置連接的拉力變送器可實(shí)時(shí)顯示脫模力。18防爆學(xué)基本知識(shí)所謂危險(xiǎn)場(chǎng)所是指存在或可能存在可燃性氣體與空氣混合物的場(chǎng)所。據(jù)資料，煤礦井下約有2／3的場(chǎng)所屬于爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所；石油開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)和精煉廠約有60％～80％的場(chǎng)所屬于爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所；在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，約有80％以上的生產(chǎn)車間是爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所。使用于這些危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備都必須采取特殊有效的預(yù)防措施來(lái)避免使其成為點(diǎn)火源。19202122我國(guó)接受的防爆型式序號(hào)電氣設(shè)備防爆形式代號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)措施1隔爆型dGB3836.2-2000隔離存在的點(diǎn)火源2增安型eGB3836.3-2000設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源3本質(zhì)安全型ibGB3836.4-2000限制點(diǎn)火源的能量4正壓型pGB3836.5-1987把危險(xiǎn)和點(diǎn)火物質(zhì)隔開(kāi)5充油型oGB3836.6-1987把危險(xiǎn)和點(diǎn)火物質(zhì)隔開(kāi)6充砂型qGB3836.7-1987把危險(xiǎn)和點(diǎn)火物質(zhì)隔開(kāi)7無(wú)火花型nGB3836.8-1987設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源8澆射型mGB3836.9-1990設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源9氣密型hGB3836.10-1991設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源230區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所，危險(xiǎn)環(huán)境存在的時(shí)間大于1000小時(shí)/年1區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場(chǎng)所，危險(xiǎn)環(huán)境存在的時(shí)間在10-1000小時(shí)/年之間。

2區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也時(shí)偶爾發(fā)生并且僅是短時(shí)間存在的場(chǎng)所，危險(xiǎn)環(huán)境存在的時(shí)間少于10小時(shí)/年。2425不同點(diǎn)燃特性從Ⅰ到ⅡC表示由難到易26278.2.2參數(shù)設(shè)計(jì)1參數(shù)拉力負(fù)載F＝0～40000N

工作行程s＝0～4000mm

低速脫模vd＝10mm/min

慢速脫模vs＝20～50mm/min

高速運(yùn)動(dòng)vh＝900mm/min2要求

1)電機(jī)和控制電器要求隔爆

2)能夠遠(yuǎn)距離遙控

3)芯模運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)

4)脫模力的調(diào)節(jié)與指示

5)緊急制動(dòng)、鎖緊、過(guò)載保護(hù)、報(bào)警裝置。288.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）鋼絲繩直徑計(jì)算脫模提升用鋼絲繩連接，采用兩級(jí)動(dòng)滑輪，每根鋼絲繩最大靜拉力為：

Smax＝40000÷4＝10000N,應(yīng)滿足：

Smaxn≤SP

式中：Smax----鋼絲繩最大靜拉力（N）

SP----整條鋼絲繩的破斷拉力（N）

n----鋼絲繩的安全系數(shù)實(shí)際工況為間歇工作,故取工作級(jí)別m5,安全系數(shù)n=5即Smaxn＝10000×5＝50000N

用繩6×19的繩纖維芯，當(dāng)鋼絲繩直徑d=9.3mm時(shí),鋼絲繩抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼絲繩的破斷拉力總和∑S≥63176N,SP＝φ∑S＝0.85×63176＝53700≥Smaxn，安全。1設(shè)計(jì)計(jì)算292）卷筒直徑選擇3）作用在卷筒上的最大轉(zhuǎn)矩如上圖所示，作用在卷筒上得最大轉(zhuǎn)矩為：

Tmax＝FR＝10000×0.115＝1150N.m.303）卷筒回轉(zhuǎn)速度卷筒回轉(zhuǎn)1rpm,鋼絲繩直線位移為：L＝πD1＝π×230＝722.2mm,在保證芯模額定運(yùn)動(dòng)速度的前提下，則卷筒的回轉(zhuǎn)速度范圍為：nmin＝（10÷722.2）×4＝0.05539r/min（因?yàn)橛袃杉?jí)動(dòng)滑輪）31由于卷筒端的速度極低，故選用“北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所”生產(chǎn)的諧波減速機(jī)作為末級(jí)輸出,其型號(hào)為：

XB1臥－160－160－Ⅰ6/6

4）減速機(jī)選擇3216051500292.2580201.70162600242.172690161.66580800192.244920131.72100900152.021050101.571107900141.888105091.4681351000111.662115071.274160100091.403115061.075200100081.122115050.86270100060.831115040.637XB1諧波減速機(jī)整機(jī)及組件技術(shù)參數(shù)表（二）減輸入轉(zhuǎn)速3000rpm輸入轉(zhuǎn)速1500rpm輸入轉(zhuǎn)速1000rpm速比u輸出力矩輸出轉(zhuǎn)速額定輸入功率輸出力矩輸出轉(zhuǎn)速額定輸入功率輸出力矩輸出轉(zhuǎn)速額定輸入功率T2

N.mn2rpmpkWT2

N.mn2rpmpkWT2

N.mn2rpmpkW33◆速比u＝160；◆當(dāng)額定輸入轉(zhuǎn)速為1000rpm時(shí)，額定輸出轉(zhuǎn)矩：

Tored＝1150N.m；◆額定輸出轉(zhuǎn)速：nored＝6rpm額定輸入功率：

Nred＝1.075kw?！粜蕿椋害莔j＝(Torednored/9750)/Nred＝0.6583345）低速大扭矩液壓馬達(dá)的選擇選用“寧波液壓馬達(dá)有限公司”的1QJM21-0.63T作為諧波減速機(jī)的輸入級(jí)，其參數(shù)如下：馬達(dá)型號(hào)：1QJM21-0.63T

排量：qm＝0.664(l/rev)轉(zhuǎn)速范圍：n＝2～250(rpm)額定轉(zhuǎn)矩：T=1572(N-m)

根據(jù)選用諧波減速機(jī)的速比u=160,則液壓馬達(dá)最低輸出轉(zhuǎn)為：

nminm＝0.05539×160＝8.8624(rpm)慢速輸出轉(zhuǎn)速為：nsolm＝0.2769×160＝44.304(rpm)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，脫開(kāi)諧波減速器，由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)卷筒，此時(shí)，在液壓泵輸出功率允許的情況下，高速運(yùn)動(dòng)速度可以很高。工作時(shí)進(jìn)入液壓馬達(dá)的流量為：

Qmin＝nminmq/ηv＝8.8624×0.664÷0.90＝6.538(L/min)

Qsol＝nsolmq/ηv＝44.304×0.66