機電裝備設(shè)計(19)

8.2固體火箭發(fā)動機安全脫模裝置8.2.1脫模原理及特點8.2.2參數(shù)設(shè)計8.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計固體火箭發(fā)動機(SolidRocketMotor)主要是由固體推進劑裝藥、發(fā)動機殼體、噴管和點火裝置四部分組成。發(fā)動機的整個工作過程則由推進劑裝藥的點火過程、燃燒過程及燃氣在噴管內(nèi)的流動過程構(gòu)成。因此固體火箭發(fā)動機的性能與推近劑性能密切相關(guān)并相互制約。18.2.1脫模原理及特點固體火箭發(fā)動機是不利用周圍介質(zhì)而用自身攜帶的固體推進劑(Propellant)來生成工質(zhì)的直接反作用發(fā)動機。固體推進劑是化學推進劑的一種，它是利用化學反應所放出的熱能作為推進系統(tǒng)的能源。固體推進劑本身含有氧化劑和燃燒劑能夠通過有規(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固體推進劑的基本概念22火箭技術(shù)對固體推進劑的基本要求

對固體推進劑的要求：◆

推進劑的能量高，即密度比沖高，特征速度高。前者要求推進劑具有高密度和高比沖；后者要求推進劑的燃燒溫度高，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、初溫及氣流速度對燃速的影響較小能在低壓下正常燃燒?！?/p>

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

推進劑具有良好的物理、化學安定性，以保證在氣候條件變化范圍很大時可以長期貯存和安全運輸?！?/p>

推進劑對沖擊、摩擦等機械感度小，以保證推進劑在使用、生產(chǎn)、運穩(wěn)和貯存過程中的安全?！?/p>

推進劑原材料來源豐富，生產(chǎn)工藝簡單且能制造各種形狀和尺寸的裝藥。生產(chǎn)過程安全生產(chǎn)費用低。33復合推進劑的組成

復合推進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劑的某些性能?！魹榱苏澈蟿┑墓袒尤牍袒瘎⒔宦?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、潤濕劑等。

常用復合推進劑配方范圍：◆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劑的彈性模量和機械強度；

(3)

產(chǎn)生氣體的部分來源；

(4)

通過控制其粒度大小及級配來調(diào)節(jié)推進劑的燃燒速度。低燃速：＜5mm/s；中燃速：5～25mm/s；高燃速：25～50mm/s。52)粘合劑復合推進劑中的粘合劑都是高聚物。主要作用是：(1)提供推進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劑的彈性基體，使推進劑具有一定的形狀和機械性能；(3)產(chǎn)生氣體的主要來源。現(xiàn)在廣泛應用的復合推進劑是以聚氯乙烯、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)代復合推進劑的基本組分之一。其作用為：(1)提高推進劑的爆熱從而提高比沖量；(2)提高推進劑的比重。為此，要求金屬燃燒劑應具有燃燒熱高、密度大、與其它組分相容性好，耗氧量低等特性。可用的金屬燃燒劑有鋁、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聚物轉(zhuǎn)變成適度交聯(lián)的網(wǎng)狀高聚物以便在機械強度、耐寒性、化學安定性等方面有所提高。

交聯(lián)劑的主要作用是交聯(lián)末固化的預聚物防止推進劑塑性流動。不同預聚物的結(jié)構(gòu)與化學結(jié)構(gòu)不同。85)增塑劑增塑劑是塑溶膠復合推進劑的主要組分之一，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性能。為了有較大的增塑效率并使增塑劑長期保留在粘合別中，理想的增塑劑應該是對粘合劑具有良好的互溶性、分子最大、揮發(fā)性小、化學穩(wěn)定性大且在固化反應過程中是惰性的。復合推進劑制造工藝的基本任務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復合推進劑的制造工藝9101)氧化劑制備

AP是目前復合推進劑生產(chǎn)中廣泛使用的氧化劑。AP的粒度、粒形及粒度分布對推進劑藥漿流變性和推進劑成品的力學和燃燒性能均有很大影響，故氧化劑準備的主要任務是：(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AP進行篩選和準確稱量。112)燃料預混合目的是將粘合劑與除氧化劑以外的其它附加成分預先混合，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，并減少推進劑混合的時間，提高生產(chǎn)的安全性。是推進劑制造的最重要的工序。其任務是把準備好的氧化劑和其它組分的預混合漿狀物混合成均勻的推進劑藥漿，并驅(qū)除原料帶入的空氣和組分間反應所生成的氣體。

3)混合工序124)澆注工序●

插管澆注法是將推進劑藥漿通過軟管由頂端進入發(fā)動機。●

底部澆注法則使藥漿通過發(fā)動機底部的孔用壓力壓入發(fā)動機?！?/p>

真空澆注法是使推進劑藥漿通過花板流入發(fā)動機殼體，發(fā)動機殼體置于真空缸中。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。

最常用的復合推進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)溶液的過程。

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

固體火箭發(fā)動機固化后，其位于發(fā)動機中心的芯模要脫出。航天六院多少年來一直采用天車吊鉤提拉的方式。這種方法有兩個致命的缺點?！籼燔嚨蹉^與芯模中心的對中性差，需要操作人員反復調(diào)整位置，稍一不慎，當中心偏差較大時，會在芯模提拉時，給藥柱施以附加側(cè)向力，增加了芯模與藥柱的摩擦，輕者在芯模脫出時會損壞藥柱，嚴重時會因為摩擦力大發(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)動機時，芯模與藥柱的相對位移速度要足夠低，太高的移動速度會由于摩擦發(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程中脫模力的變化規(guī)律。1617◆采用變頻調(diào)速電機驅(qū)動定量油泵，改變變頻驅(qū)動器的輸入電平，即改變電機的頻率，從而改變了油泵的輸出流量。◆只要遠程調(diào)節(jié)輸入到隔爆型比例溢流閥的勵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，進入低速大扭矩液壓馬達，使馬達輸出一定的轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n，改變進入馬達的流量，即可改變其轉(zhuǎn)速；改變馬達的輸入壓力即可改變其輸出轉(zhuǎn)矩?！敉ㄟ^馬達的轉(zhuǎn)速可間接測出升降距離。通過與提升裝置連接的拉力變送器可實時顯示脫模力。18防爆學基本知識所謂危險場所是指存在或可能存在可燃性氣體與空氣混合物的場所。據(jù)資料，煤礦井下約有2／3的場所屬于爆炸性危險場所；石油開采現(xiàn)場和精煉廠約有60％～80％的場所屬于爆炸性危險場所；在化學工業(yè)生產(chǎn)中，約有80％以上的生產(chǎn)車間是爆炸性危險場所。使用于這些危險場所的電氣設(shè)備都必須采取特殊有效的預防措施來避免使其成為點火源。19202122我國接受的防爆型式序號電氣設(shè)備防爆形式代號國家標準技術(shù)措施1隔爆型dGB3836.2-2000隔離存在的點火源2增安型eGB3836.3-2000設(shè)法防止產(chǎn)生點火源3本質(zhì)安全型ibGB3836.4-2000限制點火源的能量4正壓型pGB3836.5-1987把危險和點火物質(zhì)隔開5充油型oGB3836.6-1987把危險和點火物質(zhì)隔開6充砂型qGB3836.7-1987把危險和點火物質(zhì)隔開7無火花型nGB3836.8-1987設(shè)法防止產(chǎn)生點火源8澆射型mGB3836.9-1990設(shè)法防止產(chǎn)生點火源9氣密型hGB3836.10-1991設(shè)法防止產(chǎn)生點火源230區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所，危險環(huán)境存在的時間大于1000小時/年1區(qū)：在正常運行時，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所，危險環(huán)境存在的時間在10-1000小時/年之間。

2區(qū)：在正常運行時，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也時偶爾發(fā)生并且僅是短時間存在的場所，危險環(huán)境存在的時間少于10小時/年。2425不同點燃特性從Ⅰ到ⅡC表示由難到易26278.2.2參數(shù)設(shè)計1參數(shù)拉力負載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

高速運動vh＝900mm/min2要求

1)電機和控制電器要求隔爆

2)能夠遠距離遙控

3)芯模運動速度調(diào)節(jié)

4)脫模力的調(diào)節(jié)與指示

5)緊急制動、鎖緊、過載保護、報警裝置。288.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）鋼絲繩直徑計算脫模提升用鋼絲繩連接，采用兩級動滑輪，每根鋼絲繩最大靜拉力為：

Smax＝40000÷4＝10000N,應滿足：

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)實際工況為間歇工作,故取工作級別m5,安全系數(shù)n=5即Smaxn＝10000×5＝50000N

用繩6×19的繩纖維芯，當鋼絲繩直徑d=9.3mm時,鋼絲繩抗拉強度時，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)計計算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,在保證芯模額定運動速度的前提下，則卷筒的回轉(zhuǎn)速度范圍為：nmin＝（10÷722.2）×4＝0.05539r/min（因為有兩級動滑輪）31由于卷筒端的速度極低，故選用“北京諧波傳動技術(shù)研究所”生產(chǎn)的諧波減速機作為末級輸出,其型號為：

XB1臥－160－160－Ⅰ6/6

4）減速機選擇3216051500292.2580201.70162600242.172690161.66580800192.244920131.72100900152.021050101.571107900141.888105091.4681351000111.662115071.274160100091.403115061.075200100081.122115050.86270100060.831115040.637XB1諧波減速機整機及組件技術(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；◆當額定輸入轉(zhuǎn)速為1000rpm時，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的選擇選用“寧波液壓馬達有限公司”的1QJM21-0.63T作為諧波減速機的輸入級，其參數(shù)如下：馬達型號：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)選用諧波減速機的速比u=160,則液壓馬達最低輸出轉(zhuǎn)為：

nminm＝0.05539×160＝8.8624(rpm)慢速輸出轉(zhuǎn)速為：nsolm＝0.2769×160＝44.304(rpm)高速運動時，脫開諧波減速器，由液壓馬達直接驅(qū)動卷筒，此時，在液壓泵輸出功率允許的情況下，高速運動速度可以很高。工作時進入液壓馬達的流量為：

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

Qsol＝nsolmq/ηv＝44.304×0.66