胡延臣,張之明,郭小偉,陳永恒

(1.陸軍沈陽軍代局駐七二四廠軍事代表室,沈陽 110045;2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,沈陽 110045)

減少彈丸底阻是增加炮彈射程的有效方法之一,通過在彈丸底部增加底部排氣裝置的方法增程率可達(dá)20%～30%[1]。煙火型底排裝置是彈丸底部排氣裝置中重要的成員之一,因煙火型底排裝置具有工藝性好、受到外界壓力變化影響小等優(yōu)點(diǎn),使得其迅速在各彈種上得到廣泛采用[2]。煙火型底排裝置實(shí)現(xiàn)炮彈增程的核心部分是由煙火藥劑制成的藥柱。長(zhǎng)期以來,煙火藥劑是采用手工混料、手工過篩等手工工藝混制的,各成分的混制均勻性較差,工藝本質(zhì)安全度也很低。我國(guó)于20世紀(jì)80年代在火化工行業(yè)引進(jìn)了沸騰制粒技術(shù),該技術(shù)能夠很好地解決傳統(tǒng)手工工藝存在的一系列問題,經(jīng)過不斷改進(jìn)發(fā)展,到21世紀(jì)我國(guó)沸騰制粒設(shè)備及技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平[3]。研究沸騰制粒工藝對(duì)煙火藥劑性能的影響,對(duì)于推廣沸騰制粒技術(shù),提高底排裝置質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性,進(jìn)而提高炮彈增程效果具有重要意義。

本文以傳統(tǒng)手工工藝和沸騰制粒工藝制備藥柱，研究其靜態(tài)燃燒時(shí)間和剩余殘?jiān)?，分析靜態(tài)燃燒時(shí)間的分布參數(shù)特性和燃燒機(jī)理，驗(yàn)證沸騰制粒工藝的優(yōu)越性。

1 工藝方法簡(jiǎn)介

煙火藥劑主要是由還原劑、氧化劑和粘合劑混制而成的。傳統(tǒng)手工工藝流程如圖1所示。其過程為:將還原劑、氧化劑粉末按比例放入混料盆中,經(jīng)手工混合后,加入粘合劑(氯丁橡膠),經(jīng)過手工濕混后進(jìn)行預(yù)烘干,物料處于半干狀態(tài)時(shí),再進(jìn)行手工過篩制粒,篩下顆粒經(jīng)烘干,成為煙火藥劑。

圖1 煙火藥劑手工混制工藝流程

應(yīng)用沸騰制粒技術(shù)制造煙火藥劑工藝流程如圖2所示。其過程為:將還原劑、氧化劑粉末按比例放入沸騰制粒機(jī)的料鍋中,將粘合劑(氯丁橡膠)放入沸騰制粒機(jī)的膠罐中,然后啟動(dòng)沸騰制粒機(jī),物料在引風(fēng)機(jī)拉動(dòng)下呈流化態(tài),達(dá)到預(yù)定溫度后,霧化的粘合劑噴向流化物料造粒,并在造粒過程中物料不斷干燥,實(shí)現(xiàn)“一步制?！薄?/p>

圖2 沸騰制粒技術(shù)工藝流程

從兩種工藝過程對(duì)比來看,沸騰制粒技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)隔離,提高了本質(zhì)安全性;實(shí)現(xiàn)了物料的充分混合,克服了人工混料均勻性難保證的問題,另外,沸騰制粒技術(shù)還具備顆粒度可控、流動(dòng)性好和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在相同的環(huán)境條件下,采用兩種工藝方法混制的煙火藥劑各壓制成10發(fā)藥柱,經(jīng)過裝配制作成為底排裝置,作為試驗(yàn)樣品。為做好標(biāo)記予以區(qū)分:沸騰制粒工藝制作的底排裝置代號(hào)為A,傳統(tǒng)手工工藝制作的底排裝置代號(hào)為O。

2.1 靜態(tài)燃燒時(shí)間

在相同試驗(yàn)條件下,對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn),測(cè)得的靜態(tài)燃燒時(shí)間見表1和表2。

沸騰制粒工藝混制煙火藥劑壓制的藥柱平均密度為2.346 g·cm-3,制作的底排裝置靜態(tài)燃燒時(shí)間平均值為63.6s,極差為6s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.00267。

傳統(tǒng)手工工藝混制煙火藥劑壓制的藥柱平均密度為2.316 g·cm-3,制作的底排裝置靜態(tài)燃燒時(shí)間平均值為58.7s,極差為15s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.0052。

表1 A底排裝置靜態(tài)燃燒時(shí)間

表2 O底排裝置靜態(tài)燃燒時(shí)間

由上述二種工藝對(duì)比可知：沸騰制粒工藝制備的煙火藥柱平均密度高,靜態(tài)燃燒平均時(shí)間長(zhǎng)、極差小,燃燒時(shí)間分布比較集中。

2.2 靜態(tài)燃燒殘?jiān)?/h3>

每發(fā)藥柱靜態(tài)燃燒結(jié)束后,將燃燒時(shí)噴射出的殘?jiān)占?用2mm×2mm的篩網(wǎng)過篩,稱取篩上物重量,并對(duì)直徑大于5mm的殘?jiān)M(jìn)行計(jì)數(shù)。燃燒殘?jiān)亓考皞€(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果見表3和表4。

表3 A底排裝置靜態(tài)燃燒殘?jiān)拷y(tǒng)計(jì)

表4 O底排裝置靜態(tài)燃燒殘?jiān)拷y(tǒng)計(jì)

從表3和表4結(jié)果來看,沸騰制粒工藝煙火藥柱殘?jiān)可?所含φ5殘?jiān)鼈€(gè)數(shù)少,藥劑燃燒比較完全;傳統(tǒng)手工工藝煙火藥柱殘?jiān)慷?所含φ5殘?jiān)鼈€(gè)數(shù)也多,燃燒不完全。

3 討論分析

3.1 靜態(tài)燃燒時(shí)間分析

可以認(rèn)為底排藥柱的燃燒時(shí)間X服從正態(tài)分布:X～N(μ,σ2),μ、σ2均未知,但要求50s≤μ≤70s,50s≤Xi≤70s。σ2為總體方差,反映隨機(jī)變量Xi(單發(fā)藥柱燃燒時(shí)間)和其數(shù)學(xué)期望EX(總體均值μ)的偏離程度。因此,從產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性方面要求σ2越小越好。

給定顯著性水平α=0.01,置信度1-α=0.99,分別對(duì)σA2、σ02進(jìn)行區(qū)間估計(jì)。

式中,S*是樣本標(biāo)準(zhǔn)差,n是樣本個(gè)數(shù)。

查x2分布表,得:

通過對(duì)兩種工藝方案靜態(tài)燃燒時(shí)間進(jìn)行置信度分析,方案A明顯優(yōu)于方案O,說明方案A產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性優(yōu)于方案O。

3.2 燃燒機(jī)理分析

煙火藥底排裝置靜態(tài)燃燒過程可以利用幾何燃燒規(guī)律來分析。幾何燃燒規(guī)律包括三項(xiàng)基本假設(shè):(1)整個(gè)裝藥的燃燒表面同時(shí)點(diǎn)燃;(2)裝藥成分均勻,燃燒表面各點(diǎn)的條件相同;(3)燃燒表面上的各點(diǎn)都以相同的燃速向裝藥里面推進(jìn)。

在理想狀態(tài)下,基于幾何燃燒規(guī)律,煙火藥劑藥柱被點(diǎn)燃后,由于受殼體和包覆涂料的限制,會(huì)自上而下進(jìn)行逐層燃燒,且燃速基本穩(wěn)定,燃燒有序。而在實(shí)際生產(chǎn)中,煙火藥劑由于受制備工藝、底排裝置制造差異等因素影響,不可能完全滿足幾何燃燒規(guī)律的基本假設(shè),從而導(dǎo)致煙火藥柱燃燒時(shí)間不同。

煙火藥劑混合均勻性是保證燃燒時(shí)間一致性的關(guān)鍵[4]。從前述燃燒時(shí)間和燃燒殘?jiān)囼?yàn)結(jié)果來看,沸騰制粒工藝明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工工藝。分析認(rèn)為,主要是由于兩種工藝混制的煙火藥劑均勻性差異造成的。傳統(tǒng)手工工藝制備的煙火藥劑各成分不均勻,特別是氯丁橡膠分布不均勻,致使煙火藥劑燃燒表面各點(diǎn)的燃燒速度不相同,含氯丁橡膠量少的燃燒點(diǎn)燃燒速度快,迅速向藥柱內(nèi)部深入,當(dāng)燃燒點(diǎn)深入到一定程度時(shí),燃燒產(chǎn)生氣體就會(huì)將緊鄰的未燃燒藥塊崩落,破壞均勻的幾何燃燒過程,而崩落藥塊由于燃燒緩慢,燃燒不完全,就形成了較多的燃燒殘?jiān)?。沸騰制粒工藝制備的煙火藥劑各成分比較均勻一致,藥柱燃燒表面各點(diǎn)的條件基本相同,能夠同時(shí)被點(diǎn)燃,基本以相同的燃速向裝藥里面推進(jìn),各點(diǎn)燃燒比較完全,燃燒殘?jiān)枯^少,整個(gè)藥柱燃燒過程更符合幾何燃燒規(guī)律。另外,在粘合劑用量不變的條件下,提高煙火藥柱強(qiáng)度的唯一途徑是使粘合劑分布均勻[5]。沸騰制粒制備的煙火藥劑中氯丁橡膠分布均勻性較高,有利于提高藥柱密度、整體強(qiáng)度和各處強(qiáng)度的一致性,藥柱密度提高從而使燃燒時(shí)間延長(zhǎng),強(qiáng)度提高能夠減少藥塊的崩落,保證了底排裝置燃燒的穩(wěn)定性和一致性。

4 結(jié)論

基于靜態(tài)燃燒試驗(yàn)結(jié)果,給定顯著水平和置信度下的區(qū)間估計(jì)和燃燒機(jī)理的討論分析,沸騰制粒工藝制備的煙火藥柱平均密度高,靜態(tài)燃燒平均時(shí)間長(zhǎng)、極差小,燃燒時(shí)間總體分布比較集中;沸騰制粒工藝制備的煙火藥劑均勻性好,整體強(qiáng)度較高,各處強(qiáng)度也比較一致,燃燒時(shí)藥塊崩落少,藥劑燃燒比較充分完全,殘?jiān)^少,燃燒過程更符合幾何燃燒規(guī)律。沸騰制粒工藝優(yōu)于傳統(tǒng)手工工藝,適合用于制備底排裝置煙火藥劑,能夠有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性,同時(shí)能夠提高本質(zhì)安全度和自動(dòng)化程度,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。