批量壓制裝藥的多通道自適應(yīng)壓力平衡原理與工裝設(shè)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(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

裝藥是彈藥生產(chǎn)最關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，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(zhàn)的使用要求[1-3]。國內(nèi)外裝藥技術(shù)[4-5]主要有：注裝法[6]、壓裝法[7]、螺旋法[8]、塑態(tài)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(jī)械強(qiáng)度的藥柱[12]。壓裝法裝藥具有成本低，能量密度高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于傳爆藥柱的生產(chǎn)[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(chǎn)效率低，無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。針對傳統(tǒng)壓藥法效率低的問題,文獻(xiàn)[16]中提出了一種高效率的火工品壓藥控制系統(tǒng)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(gòu)成，其中壓力分配器具有4個壓頭，利用控制系統(tǒng)保證各個壓頭的壓力基本相等，以保證壓力的一致性和穩(wěn)定性。該方案可實現(xiàn)批量壓藥，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大，且成本較高。本研究提出了多通道自適應(yīng)壓力平衡原理，并設(shè)計了多通道自適應(yīng)壓力平衡彈藥壓制工裝。該工裝結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jī)配合使用，處于壓機(jī)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(nèi)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(nèi)的空氣，各活塞桿處于懸浮狀態(tài)。

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(nèi)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(jù)帕斯卡定律，密閉腔體內(nèi)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(nèi)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(nèi)壁的摩擦力Ffi。由于各通道缸體內(nèi)壁的光潔度不同，以及密封件的安裝誤差，導(dǎo)致各通道摩擦力不盡不同，但差別不大，而且該摩擦力Ffi遠(yuǎn)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(xiàn)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(xiàn)活塞桿行程的自動適應(yīng)，以補(bǔ)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(nèi)不能注滿油液，應(yīng)預(yù)留有一定的容積。該預(yù)留容積決定了活塞桿的自適應(yīng)能力，一般設(shè)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(yīng)壓力平衡彈藥壓制工裝設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)多通道自適應(yīng)壓力平衡原理設(shè)計了多通道自適應(yīng)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(shè)置有多個活塞桿腔，各腔相互連通，腔體內(nèi)安裝活塞桿。為減輕質(zhì)量，缸體采用7075高強(qiáng)度鋁合金，活塞桿采用采用中空結(jié)構(gòu)，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(shè)計行程為10 mm，質(zhì)量約為49 kg。

圖3 多通道自適應(yīng)壓力平衡彈藥壓制工裝

2.2 活塞桿高壓密封設(shè)計

密封的作用是防止液壓泄漏(內(nèi)泄和外泄)和防止外界異物(如空氣、灰塵等)進(jìn)入缸體[17]。為使每個壓頭的輸出力達(dá)到25 t，需要缸內(nèi)最大油壓達(dá)到32 MPa，而且要求保壓2 h以上，因此設(shè)計可靠的高壓密封結(jié)構(gòu)是保證工裝正常工作的關(guān)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(shè)計無桿腔的密封結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，本項目設(shè)計了特殊的活塞桿密封結(jié)構(gòu)，其集成了活塞的結(jié)構(gòu)和作用，在活塞處開有兩個導(dǎo)向槽、兩個密封槽，并設(shè)計了活塞桿的高壓密封結(jié)構(gòu)，其具備導(dǎo)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(shè)置三道特開斯來導(dǎo)向環(huán)，其均對活塞桿起支承與導(dǎo)向作用。在活塞桿與缸體之間設(shè)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(nèi)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(shè)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(jìn)入缸體；在端蓋與缸體之間設(shè)置丁腈橡膠O形圈密封其經(jīng)壓縮后，具有較大的回復(fù)力，而不發(fā)生永久變形。

圖4 活塞桿的密封結(jié)構(gòu)

3 關(guān)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(yīng)力及應(yīng)變，以校核其強(qiáng)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(dǎo)入 ANSYS 軟件中，然后定義缸體和活塞桿的材料參數(shù)。缸體選用7075高強(qiáng)度鋁合金，活塞桿選用42CrMo合金鋼，其材料參數(shù)[20]如表1所示。

表1 缸體和活塞桿的材料參數(shù)

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

圖5 網(wǎng)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(nèi)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(jìn)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(yīng)力圖。由仿真結(jié)果可知，缸體的最大變形為 0.017 6 mm，最大應(yīng)力為 143 MPa，均發(fā)生在腔體的根部?；钊麠U的最大變形為 0.028 1 mm，最大應(yīng)力為 185 MPa，均發(fā)生在活塞桿頭部。

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

圖6 缸體的有限元分析結(jié)果

圖7 活塞桿的有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

多通道自適應(yīng)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(xiàn)批量壓制，有利于提高彈藥裝藥的生產(chǎn)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(bǔ)償壓機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，為粉末批量壓制成型提供了參考。