机电装备设计(19)综述

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1、1,8.2 固体火箭发动机安全脱模装置,8.2.1 脱模原理及特点 8.2.2 参数设计 8.2.3 结构设计,固体火箭发动机(Solid Rocket Motor)主要是由固体推进剂装药、发动机壳体、喷管和点火装置四部分组成。 发动机的整个工作过程则由推进剂装药的点火过程、燃烧过程及燃气在喷管内的流动过程构成。因此固体火箭发动机的性能与推近剂性能密切相关并相互制约。,2,8.2.1 脱模原理及特点,固体火箭发动机是不利用周围介质而用自身携带的固体推进 剂(Propellant)来生成工质的直接反作用发动机。固体推进剂是化 学推进剂的一种，它是利用化学反应所放出的热能作为推进系统 的能源。固体

2、推进剂本身含有氧化剂和燃烧剂能够通过有规律地 燃烧释放出大量炽热气体完成发射功的固态致密材料。,1 固体推进剂的基本概念,3,2 火箭技术对固体推进剂的基本要求,对固体推进剂的要求： 推进剂的能量高，即密度比冲高，特征速度高。前者要求推进剂具有高密度和高比冲；后者要求推进剂的燃烧温度高，产物的平均分子量低。（高能比冲2450N.s/N) 推进剂具有良好的燃烧性能。即燃速调节范围要宽，压力、初温及气流速度对燃速的影响较小能在低压下正常燃烧。 推进剂在使用条件下具有良好的力学性能。即有足够的机械强度、延伸率和弹性模量，以保证在贮存和使用过程中不产生裂缝、不“脱粘、不发生过大的变形。 推进剂具有良好

3、的物理、化学安定性，以保证在气候条件变化范围很大时可以长期贮存和安全运输。 推进剂对冲击、摩擦等机械感度小，以保证推进剂在使用、生产、运稳和贮存过程中的安全。 推进剂原材料来源丰富，生产工艺简单且能制造各种形状和尺寸的装药。生产过程安全生产费用低。,4,3 复合推进剂的组成,复合推进剂基本组分是氧化剂、高分子粘合剂和金属燃剂。 还有少量的其它组分用以改善推进剂的某些性能。 为了粘合剂的固化而加入固化剂、交联剂等； 为改善贮存和使用性能加入助防老剂、增塑剂等； 为改善燃烧性能而加入的燃速调节剂及燃烧稳定剂； 为改善工艺性能而加入的增塑剂、稀释剂、润湿剂等。 常用复合推进剂配方范围： 氧化剂为60

4、80(重量)； 高分子粘合剂为1020； 金属燃烧剂为020； 固化剂为02； 增塑剂为1 11； 燃速调节剂和稳定剂为03； 其它附加物为0 5。,5,1）氧化剂,氧化剂的主要作用 (1) 提供推进剂燃烧所需要的氧以保证能量； (2) 作为粘合剂基体填充物以提高推进剂的弹性模量和机械强度； (3) 产生气体的部分来源； (4) 通过控制其粒度大小及级配来调节推进剂的燃烧速度。 低燃速： 5mm/s；中燃速：525mm/s；高燃速： 2550mm/s。,6,2) 粘合剂,复合推进剂中的粘合剂都是高聚物。主要作用是： (1) 提供推进剂燃烧所得要的可燃元素(C、H、S、B等)以保证能量； (2)

5、 粘结氧化剂和金属燃烧剂等异相粒子，提供连续的粘合剂相成为推进剂的弹性基体，使推进剂具有一定的形状和机械性能； (3) 产生气体的主要来源。,现在广泛应用的复合推进剂是以聚氯乙烯、聚氨酯、NC塑溶胶等为粘合剂，AP为氧化剂，Al粉为金属添加剂而制成的。,7,3) 金属燃烧剂或其它高能添加剂,金属燃烧剂是现代复合推进剂的基本组分之一。其作用为： (1) 提高推进剂的爆热从而提高比冲量； (2) 提高推进剂的比重。 为此，要求金属燃烧剂应具有燃烧热高、密度大、与其它组分相容性好，耗氧量低等特性。 可用的金属燃烧剂有铝、镁、硼、铍、锆等。,8,4) 固化剂和交联剂,固化剂是热固性粘合剂系统的组成部分

6、。 固化剂的作用是使线型预聚物转变成适度交 联的网状高聚物以便在机械强度、耐寒性、化 学安定性等方面有所提高。 交联剂的主要作用是交联末固化的预聚物 防止推进剂塑性流动。不同预聚物的结构与化 学结构不同。,9,5) 增塑剂,增塑剂是塑溶胶复合推进剂的主要组分之一，其作用有： (1) 降低粘度以改善药浆流变性能； (2) 降低玻璃化温度以改善低温力学性能。 为了有较大的增塑效率并使增塑剂长期保留在粘合别中，理 想的增塑剂应该是对粘合剂具有良好的互溶性、分子最大、挥 发性小、化学稳定性大且在固化反应过程中是惰性的。,复合推进剂制造工艺的基本任务也是将分散的原材科加工成满足各种性能要求的装药。 其流

7、程图如图所示。,4 复合推进剂的制造工艺,10,11,1) 氧化剂制备,AP是目前复合推进剂生产中广泛使用的 氧化剂。AP的粒度、粒形及粒度分布对推进剂 药浆流变性和推进剂成品的力学和燃烧性能均 有很大影响，故氧化剂准备的主要任务是： (1) 正确地确定氧化剂的粒度分布并保持一定的粒度大小和形状； (2) 对AP进行筛选和准确称量。,12,2) 燃料预混合,目的是将粘合剂与除氧化剂以外的其它附加成分预先混 合，使百分含量少的附加成分均匀分散到粘合剂中，以保证产 品的性质均匀，并减少推进剂混合的时间，提高生产的安全 性。,是推进剂制造的最重要的工序。其任务是把准备好的氧化剂和其它组分的预混合浆状

8、物混合成均匀的推进剂药浆，并驱除原料带入的空气和组分间反应所生成的气体。,3) 混合工序,13,4 ) 浇注工序, 插管浇注法是将推进剂药浆通过软管由顶端进入发动机。 底部浇注法则使药浆通过发动机底部的孔用压力压入发动机。 真空浇注法是使推进剂药浆通过花板流入发动机壳体，发动 机壳体置于真空缸中。混合后的药浆借助大气与真空的压差流经孔板变成条状，并在真空状态下除去裹入的空气。 目前广泛采用的是真空浇注法。,最常用的复合推进剂的浇注方法有三种，即插管浇注法、底部浇注法和真空浇注法。,14,15,5) 固化工序,包括化学固化和物理固化两种。 物理固化是指高聚物变成固态溶液的过程。 化学固化是粘合剂

9、与固化剂、交联剂完成化学反应的过 程。由于推进剂粘合剂系统不同，用的固化剂也不一致，因此 固化机理也不一样。 对于化学固化化学反应速度与温度有关，通常是温度增加 10，反应速度增加一倍。固化所需时间由温度决定，温度 愈高，所需时间愈短。为了保证产品质量，固化时要控制固化 温度和逐段升温的时间间隔。通常测定推进制药柱的强度、延 伸率、硬度等参数。,16,8.2.1 脱模原理及特点,固体火箭发动机固化后，其位于发动机中心的芯模要脱出。 航天六院多少年来一直采用天车吊钩提拉的方式。这种方法 有两个致命的缺点。 天车吊钩与芯模中心的对中性差，需要操作人员反复调整位 置，稍一不慎，当中心偏差较大时，会在

10、芯模提拉时，给药柱 施以附加侧向力，增加了芯模与药柱的摩擦，轻者在芯模脱出 时会损坏药柱，严重时会因为摩擦力大发生燃爆事故； 天车的提升速度不可调节，尤其是在脱高能燃料发动机时， 芯模与药柱的相对位移速度要足够低，太高的移动速度会由于 摩擦发生事故。而且天车的提升力不可调节，很难控制在脱模 全过程中脱模力的变化规律。,17,18, 采用变频调速电机驱动定量油泵，改变变频驱动器的输入电 平，即改变电机的频率，从而改变了油泵的输出流量。 只要远程调节输入到隔爆型比例溢流阀的励磁电流即可改变 液压系统的输出压力大小。 液压系统输出的流量，进入低速大扭矩液压马达，使马达输 出一定的转矩M和转速n，改变

11、进入马达的流量，即可改变其转 速；改变马达的输入压力即可改变其输出转矩。 通过马达的转速可间接测出升降距离。通过与提升装置连接 的拉力变送器可实时显示脱模力。,19,防爆学基本知识,所谓危险场所是指存在或可能存在可燃性气体与 空气混合物的场所。据资料，煤矿井下约有23的场 所属于爆炸性危险场所；石油开采现场和精炼厂约有 6080的场所属于爆炸性危险场所；在化学工业 生产中，约有80以上的生产车间是爆炸性危险场所。 使用于这些危险场所的电气设备都必须采取特殊 有效的预防措施来避免使其成为点火源。,20,21,22,23,我国接受的防爆型式,24,0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所，危

12、险环境存在的时间大于1000小时/年,1区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所，危险环境存在的时间在10-1000小时/年之间。,2区：在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也时偶尔发生并且仅是短时间存在的场所，危险环境存在的时间少于10小时/年。,25,26,不同点燃特性 从到C表示由难到易,27,28,8.2.2 参数设计,1 参数 拉力负载 F040000 N 工作行程 s04000 mm 低速脱模 vd10 mm/min 慢速脱模 vs20 50 mm/min 高速运动 vh900 mm/min 2 要求 1) 电机和控制电器要求隔爆 2) 能够远距离遥控 3) 芯模

13、运动速度调节 4) 脱模力的调节与指示 5) 紧急制动、锁紧、过载保护、报警装置。,29,8.2.3 结构设计,1）钢丝绳直径计算 脱模提升用钢丝绳连接，采用两级动滑轮，每根钢丝绳最 大静拉力为： Smax40000410000N,应满足： SmaxnSP 式中：Smax-钢丝绳最大静拉力 （N） SP -整条钢丝绳的破断拉力 （N） n -钢丝绳的安全系数 实际工况为间歇工作,故取工作级别m5,安全系数n=5 即Smaxn10000550000 N 用绳619的绳纤维芯，当钢丝绳直径d=9.3mm时,钢丝绳 抗拉强度 时，钢丝绳的破断拉力总和S63176 N, SPS0.8563176537

14、00Smaxn，安全。,1 设计计算,30,2）卷筒直径选择,3）作用在卷筒上的最大转矩 如上图所示，作用在卷筒上得最大转矩为： TmaxFR100000.1151150 N.m.,31,3）卷筒回转速度,卷筒回转1rpm,钢丝绳直线位移为： LD1230722.2mm,在保证芯模额定运动速度的前提下，则卷筒的回转速度范围为： nmin（10722.2）40.05539 r/min（因为有两级动滑轮）,32,由于卷筒端的速度极低，故选用“北京谐波传动技术研究所”生产的谐波减速机作为末级输出,其型号为： XB1卧1601606/6,4）减速机选择,33,34, 速比u160； 当额定输入转速为1

15、000rpm时，额定输出转矩： Tored1150N.m； 额定输出转速：nored6 rpm额定输入功率： Nred1.075kw。 效率为：mj(Tored nored/9750)/ Nred0.6583,35,5）低速大扭矩液压马达的选择,选用“宁波液压马达有限公司”的1QJM21-0.63T作为谐波减速机的输入级，其参数如下： 马达型号：1QJM21-0.63T 排 量： qm0.664 (l/rev) 转速范围：n2250 (rpm) 额定转矩：T=1572 (N-m) 根据选用谐波减速机的速比u=160,则液压马达最低输出转为： nminm0.055391608.8624 (rpm) 慢速输出转速为：nsolm0.276916044.304 (rpm) 高速运动时，脱开谐波减速器，由液压马达直接驱动卷筒，此 时，在液压泵输出功率允许的情况下，高速运动速度可以很高。 工作时进入液压马达的流量为： Qminnminmq /v8.86240.6640.906.538 (L/min) Qsolnsolmq /v44.3040.6640.9032.686 (L/min),36,6）油泵型号确定,选引进日本岛津公司齿轮泵,该泵运动平稳、压力脉动小、 噪声低。其型号为: SP20-C9A2H2R。泵的参数如下：