用于含能材料生產的多功能一體機的設計

摘 要 針對現(xiàn)有含能材料間斷操作生產效率低、安全性差的問題，結合傳統(tǒng)過濾洗滌一體機的技術優(yōu)勢，通過設計選型、計算校核和自動化控制，研制出平底結構型式一體機，應用到含能材料過濾、清洗、驅酸工序。經物料模擬分析，存在漿料出料不徹底的情況，進一步對一體機進行優(yōu)化改進，形成中心低位出料的錐底結構型式一體機。

關鍵詞 多功能一體機 含能材料 錐底結構

中圖分類號 TH122" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0780?06

基金項目：安徽省科技重大專項項目（批準號：202003a05020010）資助的課題。

作者簡介：朱碧肖（1990-），高級工程師，從事過濾與分離設備的設計工作，zhubixiao.1990@163.com。

引用本文：朱碧肖，張德友.用于含能材料生產的多功能一體機的設計［J］.化工機械，2024，51（5）：780-785.

含能材料是儲存大量能量并可在外界刺激下不依賴外界環(huán)境就能以爆炸或燃燒等方式快速釋放出能量的特殊材料［1］，既是國防工業(yè)重要的戰(zhàn)略性基礎材料，又是武器系統(tǒng)的能量來源。發(fā)展高能含能材料是實現(xiàn)現(xiàn)代高性能武器系統(tǒng)高效毀傷的根本途徑［2］。隨著社會的發(fā)展和技術的進步，對于含能材料的制備工藝及生產裝備，提出了更多新的要求。

現(xiàn)有研究多集中于含能材料制備工藝方面，劉英等利用超聲輔助噴霧重結晶原理，以不同比例的二甲基亞砜和N，N-二甲基甲酰胺為混合溶劑，采用溶劑-非溶劑法制備了亞微米RDX粒子［3］；關云飛等采取噴霧干燥工藝技術制備HMX基含鋁炸藥，與原料HMX相比其撞擊能量升高了7 J，撞擊感度顯著降低，安全性能得到明顯提高［4］；扈穎慧等采用混合法、溶劑-反溶劑法和溶劑蒸發(fā)誘導自組裝法分別制備了3種不同結構Al/HMX復合含能材料［5］。

產品純度是影響含能材料質量高低的重要指標之一，目前國內外主要采用直接硝解法［6，7］獲得所需要純度、粒度的產品。此方法主要存在酸和水分兩種濕分雜質，若脫除不達標，將嚴重影響產品的有效應用和安全儲存。根據直接硝解法工藝［8］，氧化結晶后的含能材料在冷卻過濾后，經3次清洗進入煮洗機，含酸RDX和水混配后在90～98 ℃條件下蒸煮洗滌，使含能材料酸度降至0.05%。含能材料制備過程中，現(xiàn)有過濾、清洗、驅酸、干燥工序多采用獨立的設備進行，如離心機、洗滌槽、煮洗釜及干燥機等，該工藝為間斷操作，存在物料轉運次數多、生產效率低、密閉性能弱及安全性能差等突出問題。

針對上述現(xiàn)實問題，生產上需要一種功能集成、全自動裝備來實現(xiàn)過濾、洗滌、驅酸工序，為此開展了生產裝備的研究。

1 多功能一體機

由于過濾洗滌干燥一體機具有設備占用空間小、自動化程度高及人員勞動強度低等優(yōu)勢，應用十分廣泛。該多功能一體機實現(xiàn)了無菌原料藥全過程封閉連續(xù)操作［9］；實現(xiàn)了電解錳廢渣脫水、洗滌、過濾無短路一體化，大幅縮短了工藝流程［10］；實現(xiàn)了濕法冶金水合肼沉銀工序全過程無氮氣散排，降低工人操作勞動強度［11］。因能夠實現(xiàn)全過程封閉連續(xù)操作［12］，逐漸開始應用于現(xiàn)代危險化學品的生產中。

筆者將過濾洗滌干燥一體機成熟技術應用到含能材料生產中，通過深入研究含能材料生產工藝要求，對傳統(tǒng)過濾洗滌一體機進行適應性分析，并在結構和控制系統(tǒng)上加以改進，設計出平底結構型式多功能一體機（圖1），使其更適用于含能材料的過濾、清洗、驅酸工序。

1.1 結構介紹

多功能一體機主要由傳動裝置、攪拌裝置、加熱裝置、出料裝置及底盤組件等組成。

傳動裝置為動力源，通過電機、減速機帶動攪拌裝置進行旋轉動作。出于安全考慮，電機增設前后軸承測溫機構，實現(xiàn)運行過程中對電機軸承溫度的監(jiān)測；設有電機過載保護，便于及時發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)自動停車。

攪拌裝置包括主軸、攪拌槳、主軸密封。其中攪拌槳選用斜槳，結構簡單可靠、易維護，為增加軸向流動性能［13，14］，槳葉角度采用45°傾角。由于罐內液位較高，為使液體得到充分攪拌，設置兩層槳葉，下層槳葉通過在軸端開槽，與主軸為插入焊接，上層槳葉通過軸套與主軸焊接固定。主軸密封選用填料密封，并配有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，保證高溫煮洗狀態(tài)下密封的可靠性。

加熱裝置采用內部盤管加熱的形式，傳熱效率更高［15］，根據工藝條件，選擇盤管規(guī)格、彎曲半徑及圈數等，滿足換熱面積要求，通過通入熱源或冷媒，對設備內部物料進行快速加熱或冷卻。

出料裝置由閥體、閥芯及驅動機構等組成，其中驅動機構可以選用液壓或氣壓驅動，配有定位器，實現(xiàn)閥芯開度的控制；物料以漿料形式出料，出料口規(guī)格一般為DN 100～DN 150；設有開、關到位信號，通過系統(tǒng)程序中設備動作與出料裝置動作之間的聯(lián)鎖，滿足工藝和安全需要。

底盤組件為一體機核心部件，主要由過濾介質、母液收集腔及底部支撐等組成，過濾介質一般選用多層金屬燒結網，使用壽命長，操作維護方便。濾網通過反向螺栓固定在底部支撐上，避免設備物料區(qū)域存在螺紋連接帶來安全隱患。采用液壓驅動齒嚙式濾盤，能夠快速實現(xiàn)濾盤清理和再生［16］。

多功能一體機罐頂視鏡觀察口裝有攝像頭，實現(xiàn)對機內運行過程的實時監(jiān)控，并設有溫度、壓力、液位、流量等實時監(jiān)測儀表，運用生產車間智能采集與數據融合技術［17］，以滿足含能材料生產過程安全性和現(xiàn)場環(huán)境要求高的要求。

與傳統(tǒng)過濾洗滌干燥一體機的不同之處列于表1中。

1.2 技術參數

設計多功能一體機技術參數如下：

與物料接觸部分材質 不銹鋼321

設備直徑 2 000 mm

液面高度 1 500 mm

設計壓力 0.4 MPa

設計溫度 110 ℃

槳葉層數 2層

下層槳葉形式 45°斜槳

下層槳葉直徑 1 600 mm

下層槳葉與濾網距離 50 mm

上層槳葉形式 45°斜漿

上層槳葉直徑 1 200 mm

上層槳葉與下層槳葉距離 500 mm

槳葉轉速 60 r/min

攪拌軸直徑 100 mm

1.3 電機選型設計

根據HG/T 20569—2013［18］，按槳端線速度估取單位容積攪拌功率值，槳端線速度計算公式為：

v=ωr=" （1）

式中 n——攪拌軸轉速，r/min；

r——第i層槳葉半徑，m；

v——第i層槳葉槳端線速度，m/s；

ω——攪拌軸角速度，s-1。

計算得到v=2×3.14×60×0.8÷60=5 m/s，v=2×3.14×60×0.6÷60=3.8 m/s；查HG/T 20569—2013表D.0.2?1，得到下層槳葉單位容積攪拌功率為0.5～3.0 kW/m3，上層槳葉單位容積攪拌功率為0.1～1.0 kW/m3。由此可得，下層槳葉攪拌功率為2.2～13.2 kW，上層槳葉攪拌功率為0.44～4.40 kW，攪拌軸功率為2.64～17.60 kW。

根據攪拌軸功率選取電機功率P為：

P=KP （2）

其中，P為攪拌軸功率，取P=17.6 kW；K為攪拌軸功率裕量系數，根據HG/T 20569—2013表6.5.1選擇攪拌軸功率裕量系數K=1.25。

計算得到電機功率為22 kW，選擇電機減速機型號為GKAF129?Y22?4P?23.95。

1.4 攪拌軸強度校核

根據HG/T 20569—2013，筆者分別按照扭轉變形和強度對攪拌軸直徑進行校核。

按扭轉變形計算：

M=η1P （3）

式中 M——攪拌軸傳遞的最大扭矩，N·m；

P——電機額定功率，PN=22 kW；

η——傳動側軸承之前那部分的傳動

裝置效率，η=0.96。

由此計算得到M=3362.7 N·m。

已知軸的需用扭轉角［γ］為0.35 （°）/m，軸材料的剪切彈性模量G=71 538 MPa，對于實心軸，攪拌軸內徑與外徑的比值N0=0。代入HG/T 20569—2013公式（C.3.5?1），得到受扭轉變形控制的軸徑d=94.1 mm。

按強度計算。根據HG/T 20569—2013公式（C.3.7?1）～（C.3.7?12），計算得到軸材料的許用剪應力［τ］=32.5 MPa，下層槳葉功率產生的扭矩M=1226 N·m，上層槳葉功率產生的扭矩M=2277 N·m，下層槳葉上的流體徑向力F=785 N，上層槳葉上的流體徑向力F=1093 N，攪拌軸及各層槳葉的組合質量m=423.3 kg，攪拌軸與各層槳葉組合重心離攪拌側軸承的距離L=1494.88 mm，軸上扭矩和彎矩同時作用時的當量彎矩M=4162 N·m，得到受強度控制的軸徑d=97.4 mm。

綜上，經扭轉變形和強度計算，攪拌軸軸徑為100 mm，滿足強度要求。

2 模擬試驗

利用上述平底結構多功能一體機進行物料模擬試驗，經過多次試驗，雙層攪拌槳攪拌混合效果明顯，但是存在漿料出料不完全的問題，濾網中心部位會存在500 mm左右的積料，積料的高度由筒體外部到中心逐漸增大。

考慮安全生產和工藝要求，中心部位殘留的物料在下一批物料投入前需要清理干凈，一般在停產時，由操作人員進行人工沖洗，存在耗時較多、人工勞動強度較大的問題，大幅降低了含能材料生產線的生產效率，該問題急需解決。

分析導致每批料出料不徹底、存在積料的問題，可知原因如下：平底結構一體機出料裝置側裝，漿料要從筒體側壁的出料口排出，流動路徑較長；下層槳葉與濾網表面存在一定距離，該部位為攪拌死區(qū)［19］，攪拌槳運轉對流體的湍動強度較小；物料比重大，沉降速度快。

3 錐底結構設計

3.1 結構設計

針對上述模擬試驗過程中發(fā)現(xiàn)殘留物料的問題，對多功能一體機結構進行改進設計，具體如圖2所示。

如圖3所示，錐底結構型式一體機濾網具有一定的半錐角，整體呈錐筒狀，由筒壁沿筒體中心向下方傾斜，并在底部中心低位設置出料口，漿料在自身重力產生沿濾網表面的分力作用下，自動流向出料口，然后排出機外。

鑒于含能材料的特殊性，母液收集腔內會有少量穿透濾網的細微顆粒，該顆粒易沉降，進而堵塞過濾通道，影響過濾效率和產品質量，為此，將母液腔設計為球冠型封頭和濾網圍合形成的區(qū)域，并在母液腔的最低位設有濾液出口，方便濾液排盡。較之平底結構型式一體機，其母液收集腔容積提高了2倍，過濾后的母液流動更加順暢。

為保證錐底結構底盤具有足夠的強度，能夠承受0.4 MPa的設計壓力，封頭內部布置輻射形筋板，封頭外部設置井字型支撐板。濾網與封頭設計為可拆式連接，濾網通過內外兩圈反向螺栓固定在封頭上，避免設備物料區(qū)域存在螺紋連接帶來安全隱患。若濾網發(fā)生破損，可直接進行更換。

3.2 強度校核

為進一步校核錐底結構的承壓能力，采用第三強度理論，對底盤組件進行建模和強度分析，結果如圖4所示。

分析設計標準［20］中5.3.2，若計算得到的最大Tresca當量應力小于一次局部薄膜應力（等于1.5倍許用應力），即符合強度要求。由圖4可知，0.4 MPa壓力下，封頭、內部筋板及外部支撐板最大應力滿足材料強度的使用要求，且最大位移量較小，滿足設計要求。

4 結束語

錐底結構多功能一體機在某含能材料生產線上應用，在一臺設備內實現(xiàn)過濾、清洗、驅酸等工序，替代傳統(tǒng)轉晶機、過濾器、煮洗機等設備，優(yōu)化了生產工藝。錐底結構的設計，實現(xiàn)了物料100%卸出，解決平底結構殘留物料的問題。產出的產品指標達到合格產品要求，酸含量滿足要求。相關自動化方面的配置，保障整個生產過程的自動化、無人化，提高生產效率。

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（收稿日期：2023-07-09，修回日期：2024-09-18）

Application of Multifunctional Integrated Machine in the Production of Energetic Material

ZHU Bi?xiao， ZHANG De?you

（Hefei General Machinery Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract" "Considering low production efficiency and poor safety in the intermittent operation of existing energetic materials and through considering both technical advantages of traditional filtration and washing integrated machine， an integrated machine with flat bottom had been developed and applied to the filtration， cleaning and acid?driving processes of energetic materials through design selection， calculation verification， and automation control. Material analysis shows that an incomplete discharge of the slurry exists there. Through optimizing and improving the structure of this integrated machine， an integrated machine which boasting of conical bottom structure and a central low discharge has been developed.

Key words" " multifunctional integrated machine， energetic material， conical bottom structure