批量壓制裝藥的多通道自適應壓力平衡原理與工裝設計

喻曉彧，丁海港，楊永林，劉永狀

(1.中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621900；2.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116)

裝藥是彈藥生產最關鍵工藝環節，其將炸藥制作成高密度的藥柱，以便于長期存儲和滿足作戰的使用要求[1-3]。國內外裝藥技術[4-5]主要有：注裝法[6]、壓裝法[7]、螺旋法[8]、塑態法[9]、分步壓裝法[10]、等靜壓法[11]等。壓裝法利用模壓成型原理，將散粒體炸藥裝入模具中，用沖頭施加一定的壓力，將散粒體藥粉壓成具有一定形狀、密度和機械強度的藥柱[12]。壓裝法裝藥具有成本低，能量密度高的優點，廣泛應用于傳爆藥柱的生產[13]。藥柱密度及其一致性對火工品的爆炸性能、輸出功能有著直接的影響[14,15]。目前，壓裝法普遍采用單頭壓制，一次只能壓制成型一個藥柱，生產效率低，無法滿足大批量生產的需求。針對傳統壓藥法效率低的問題,文獻[16]中提出了一種高效率的火工品壓藥控制系統方案，其由電氣比例閥、氣液增力缸、壓力分配器和PLC控制器構成，其中壓力分配器具有4個壓頭，利用控制系統保證各個壓頭的壓力基本相等，以保證壓力的一致性和穩定性。該方案可實現批量壓藥，但系統結構復雜，控制難度較大，且成本較高。本研究提出了多通道自適應壓力平衡原理，并設計了多通道自適應壓力平衡彈藥壓制工裝。該工裝結構簡單，可靠性，成本低，可一次壓制多個藥柱，并能夠保證批量壓制的一致性。

1 多通道自適應壓力平衡原理

如圖1所示，多通道壓力平衡彈藥壓制成型工裝與壓機配合使用，處于壓機上滑塊和模具的沖頭之間，其主要由缸體和多個活塞桿組成，各活塞桿具有相同的有效作用面積。向缸內注入一定量的液壓油，并留有余量，活塞桿伸出作用沖頭上。在壓制過程中，活塞桿相對于缸體縮回，擠出缸內的空氣，各活塞桿處于懸浮狀態。

圖2是某一通道活塞桿的受力情況，活塞桿輸出力為

式中：i=1～4；Fi是第i通道活塞桿輸出力；Pi是作用在第i通道的液壓壓力；Di是第i通道缸體的內徑；Ffi是第i通道活塞與缸筒之間的摩擦力。

圖2 某一通道活塞桿的受力情況

根據帕斯卡定律，密閉腔體內各處壓力相等，則有P1=P2=P3=P4，同時通過加工保證各通道腔體的內徑Di相等，即D1=D2=D3=D4,可見，影響各通道活塞桿輸出力差別的主要因素是活塞與缸體內壁的摩擦力Ffi。由于各通道缸體內壁的光潔度不同，以及密封件的安裝誤差，導致各通道摩擦力不盡不同，但差別不大，而且該摩擦力Ffi遠小于輸出力Fi。因此，多通道壓力平衡原理保證了各通道的輸出力基本相等，即F1≈F2≈F3≈F4，可以完成一次同步壓制多個藥柱，實現批量壓制裝藥。

同時，在力平衡的作用下，每個活塞桿可以伸出不同的長度，實現活塞桿行程的自動適應，以補償各藥柱的高度誤差、上滑塊與基座之間的平行度誤差，從而保證批量成型的一致性。需要注意的是，在壓制前，缸體內不能注滿油液，應預留有一定的容積。該預留容積決定了活塞桿的自適應能力，一般設置為活塞桿行程1/2所排出的液壓油的體積。

2 多通道自適應壓力平衡彈藥壓制工裝設計

2.1 整體結構設計

根據多通道自適應壓力平衡原理設計了多通道自適應壓力平衡彈藥壓制成型工裝。如圖3所示，該工裝主要由缸體、活塞桿、密封件、端蓋等組成。缸體均布設置有多個活塞桿腔，各腔相互連通，腔體內安裝活塞桿。為減輕質量，缸體采用7075高強度鋁合金，活塞桿采用采用中空結構，材料為42CrMo合金鋼，工裝的整體尺寸為280 mm×280 mm×150 mm，活塞桿的設計行程為10 mm，質量約為49 kg。

圖3 多通道自適應壓力平衡彈藥壓制工裝

2.2 活塞桿高壓密封設計

密封的作用是防止液壓泄漏(內泄和外泄)和防止外界異物(如空氣、灰塵等)進入缸體[17]。為使每個壓頭的輸出力達到25 t，需要缸內最大油壓達到32 MPa，而且要求保壓2 h以上，因此設計可靠的高壓密封結構是保證工裝正常工作的關鍵。從活塞桿的受力和運動可知，活塞桿因無桿腔受壓而伸出，并依靠外力而縮回，屬于單作用活塞桿，因此只需設計無桿腔的密封結構。

如圖4所示，本項目設計了特殊的活塞桿密封結構，其集成了活塞的結構和作用，在活塞處開有兩個導向槽、兩個密封槽，并設計了活塞桿的高壓密封結構，其具備導向、密封、防塵的作用。在活塞桿與端蓋之間、活塞桿與缸體之間共設置三道特開斯來導向環，其均對活塞桿起支承與導向作用。在活塞桿與缸體之間設置兩道動密封，密封件嵌入活塞桿的密封槽之中，以防止液壓油內漏，其中第一道為2K型斯特組合密封，是單作用密封件，起主密封作用；第二道為SPW組合密封，是雙作用密封件，起輔助密封作用；在活塞桿與端蓋之間設置雙作用的丁腈橡膠防塵圈，利用徑向的壓力來除去顆粒、灰塵和水以防止外部污物進入缸體；在端蓋與缸體之間設置丁腈橡膠O形圈密封其經壓縮后，具有較大的回復力，而不發生永久變形。

圖4 活塞桿的密封結構

3 關鍵部件有限元分析

缸體和活塞桿是主要承壓部件，通過有限元軟件分析其在額定載荷下的應力及應變，以校核其強度[18-19]。

3.1 有限元模型建立

按照以下步驟建立缸體和活塞桿的有限元模型。

1) 定義材料屬性。將缸體和活塞桿的三維模型保存為 Parasolid(*.x_t)格式文件，再導入 ANSYS 軟件中，然后定義缸體和活塞桿的材料參數。缸體選用7075高強度鋁合金，活塞桿選用42CrMo合金鋼，其材料參數[20]如表1所示。

表1 缸體和活塞桿的材料參數

2) 劃分網格。網格劃分是進行有限元分析的關鍵步驟，網格的好壞直接影響到有限元分析的精度和效率。根據缸體和活塞桿的結構特點，利用MESHTOOL工具并選用十節點空間四面體單元進行自由網格劃分，得到了缸體和活塞桿的網格劃分有限元模型(見圖5)。

圖5 網格劃分模型

3) 施加邊界條件并加載

缸體的約束加在其底部，載荷施加在缸體的內壁和油道，施加最大面載荷為32 MPa?；钊麠U的約束加在活塞桿與缸體接觸的圓周面，在活塞桿的上部施加最大面載荷32 MPa，在與沖頭接觸的底面施加面載荷64 MPa。

3.2 有限元分析

利用求解處理器對模型進行求解，如圖6和圖7所示，獲得了缸體及活塞桿的等效位移圖和應力圖。由仿真結果可知，缸體的最大變形為 0.017 6 mm，最大應力為 143 MPa，均發生在腔體的根部?；钊麠U的最大變形為 0.028 1 mm，最大應力為 185 MPa，均發生在活塞桿頭部。

根據材料的最大允許屈服強度，[σs]=σs/n(其中n為安全系數，一般取2)，可得到缸體和活塞桿最大允許屈服強度，分別為251.5 MPa和465 MPa，其大于最大應力。因此，有限元分析表明，缸體和和活塞桿的強度滿足設計要求。

圖6 缸體的有限元分析結果

圖7 活塞桿的有限元分析結果

4 結論

多通道自適應壓力平衡壓制工裝是一種具有多個活塞桿的特殊油缸，可一次壓制多個藥柱，以實現批量壓制，有利于提高彈藥裝藥的生產效率；同時在壓力平衡的作用下，各通道的活塞桿可伸出不同的長度，以補償壓機的安裝誤差和模具高度誤差，從而保證了炸藥批量壓制的一致性。該工裝結構簡單，可靠性高，為粉末批量壓制成型提供了參考。