CN113281485B - 一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,包括:含能材料转动测试系统、含能材料温度测试系统、含能材料压力加载系统,气体传感装置。本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置能模拟含能材料在螺杆挤出中螺棱与机筒间隙不同的工况情况,实现含能材料摩擦燃爆热力学参数的在线测试,获得含能材料试样从发生旋转摩擦到燃爆的极限工艺条件,实现含能材料加工的安全性评估,通过该装置与方法获得含能材料加工过程的极限工艺边界条件,对指导实际含能材料加工过程,提高其加工安全性具有重大意义。

Description

一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置及方法
技术领域
本发明属于含能材料加工安全性评估领域,具体地涉及一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置。
背景技术
含能材料是在没有外界物质参与下可持续反应并在短时间内释放出巨大能量的化合物或混合物,是火药、炸药和火工烟火药剂的总称。含能材料作为当前军事及航天领域极为重要的材料,其生产过程一直备受研究人员重视。在实际的加工过程中,由于含能材料的摩擦感度、热感度、撞击感度等比较高,且容易受工艺条件及外界环境影响而发生热自燃、自爆等问题,含能材料生产的安全性不容忽视。
含能材料的螺杆挤出技术始于20世纪40年代左右,在挤出过程中合理的工艺温度和螺杆转速对含能材料加工安全性的影响至关重要,螺杆转速过低,虽含能材料受到剪切力低,但含能材料在机筒内滞留、摩擦剪切时间加长,可能造成含能材料温度升高;螺杆转速过高,含能材料受到剪切力过大,导致含能材料温度升高,过高的温度和剪切速率影响含能材料挤出的安全性。目前针对含能材料安全性评价主要集中在材料本身的安全性测试,如专利CN204944956U提供了一种摩擦感度自动测试装置,使用自动化及远程控制,降低了危险性,通过噪声监测和气敏检测等手段有效提高了试验结果判断准确性,但其测试手段未能获得含能材料摩擦起火的精确边界条件;专利CN109470635A提供了一种用于含能材料摩擦点火做功的测量系统及方法,使用压力传感器产生的脉冲信号和光电传感器获得含能材料试样从发生滑动摩擦到点火爆炸的有效行程,但其没有进行温度条件的测量,含能材料样品的填装体积固定,只能应用于特定加工条件,具有一定局限性,目前尚未有用于评估含能材料挤出加工安全性的测试装置及方法。
发明内容
本发明提供一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置以解决现有技术中含能材料加工安全性测试手段难以精确获得测试安全条件,不能实现对实际工况下含能材料的安全加工边界条件下进行有效精确测量的技术问题。
一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,包括:含能材料转动测试系统、含能材料温度测试系统、含能材料压力加载系统,气体传感装置;
所述含能材料转动测试系统包括电机、传动轮、转动式扭力传感器、互相配合的转子、定子,所述转动式扭力传感器的一端通过所述传动轮与所述电机动力连接,另一端与所述转子连接,转子的速度设置为0-500r/min;;
所述含能材料温度测试系统包括温度传感器,所述温度传感器安装在所述定子上;
所述压力加载系统包括加压气缸、压力传感器垫块、压力传感器,加压气缸的活塞头经压力传感器垫块与定子连接,所述压力传感器设置在定子与传感器垫块之间。
优选为,所述转子的材质设置为黄铜、不锈钢和渗氮合金钢中的一种。
优选为,所述定子的材质设置为铸造铜合金。
优选为,所述的转子与定子之间的间隙设置为0.5-2mm。
优选为,所述转动式扭力传感器由一转动式扭力传感器垫块支撑定位,所述转动式扭力传感器垫块安装在机架上。
优选为,所述电机设置为防爆电机。
优选为,所述的气体传感装置为氮氧化物检测传感器。
优选为,所述气体传感装置设置于所述定子或转子的一侧。
优选为,所述转子设置为中空圆柱体结构,定子设置为开有环形沟槽的圆柱体结构。
本发明还提供一种评估含能材料挤出工艺安全性的方法,所述方法使用上述的一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,包括以下步骤:
步骤一:称取相应重量的含能材料测试样品,将其均匀放置于定子的环形沟槽中;
步骤二:开启电机,通过传动轮和转动式扭力传感器带动转子旋转,根据转动式扭力传感器采集的数据调整转子的转速;
步骤三:开启加压气缸,根据压力传感器采集的数据调整施加至测试样品的压力,定子在加压气缸作用下上移至给定位置处,直至含能材料样品发生燃爆;
步骤四:根据温度传感器、压力传感器、转动式扭力传感器获得的温度、压力、转速、扭矩参数数据分析含能材料测试样品剪切摩擦燃爆的极限边界工艺条件。
本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置能模拟含能材料在螺杆挤出中螺棱与机筒间隙不同的工况情况,实现含能材料摩擦燃爆热力学参数的在线测试,获得含能材料试样从发生旋转摩擦到燃爆的极限工艺条件,实现含能材料加工的安全性评估,通过该装置与方法获得含能材料加工过程的极限工艺边界条件,对指导实际含能材料加工过程,提高其加工安全性具有重大意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置示意图。
图2是本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置中定子与转子配合图。
其中,1.转子;2.定子;3.温度传感器;4.转动式扭力传感器垫块;5.转动式扭力传感器;6.压力传感器;7.压力传感器垫块;8.加压气缸;9.传动轮;10.电机;11.气体传感器;12.控制柜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将连接本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示,本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置包括:含能材料转动测试系统、含能材料温度测试系统、含能材料压力加载系统,气体传感装置11。
其中,含能材料转动测试系统可以实现物料的旋转摩擦,并在物料旋转摩擦测试中收集实时的转速和转矩数据;具体地,含能材料转动测试系统包括电机10、传动轮9、转动式扭力传感器5、转动式扭力传感器垫块4、互相配合的转子1、定子2,转动式扭力传感器5上部经传动轮9与电机10连接,下部与转子1连接,转动式扭力传感器垫块4竖直安装在机架的受力板上以对转动式扭力传感器5进行支撑定位,转子的转速设置为0-500r/min,根据实际使用情况在此范围内调整控制转子的转速。本实施例中电机10设置为防爆电机,转子1设置为中空圆柱体结构,定子2设置为开有环形沟槽的圆柱体结构,转子的材质可为黄铜、不锈钢和渗氮合金钢中的一种,定子的材质为铸造铜合金。本实施例中定子与转子相互配合。
含能材料温度测试系统包括温度传感器7,温度传感器7安装在定子2上。
压力加载系统包括加压气缸8、压力传感器垫块7、压力传感器6。加压气缸8的活塞头经压力传感器垫块7与定子2连接,压力传感器6设置在定子2与传感器垫块7之间,加压气缸8的活塞头带动定子2相对于转子1上下移动以使得转子1可以施加压力至位于定子2环形沟槽内的物料,本实施例中压力设置为0-10MPa,其可以根据实际情况在此范围内调整与控制。
本实施例中,转子1与定子2之间的间隙设置为0.5-2mm以使其实现5-50g物料的测试,其可以根据实际情况在此范围内调整与控制。
气体传感装置11设置为检测物料分解产生的气体,具体地其设置为氮氧化物检测传感器且设置于定子2或转子1的一侧。
本实施例中,含能颗粒物料或粉料均可适用于本装置;
本实施例中,含能材料转动测试系统、含能材料温度测试系统、含能材料压力加载系统,气体传感装置11由一控制单元控制,该控制单元设置于控制柜12中。
本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置的使用方法包括以下步骤:
步骤一:称取5-50g(本实施例中以10g为例)的含能材料粉料测试样品,将其放置于定子的环形沟槽中并使样品均匀分散;
步骤二:开启电机,通过传动轮带动转子旋转,根据转动式扭力传感器采集的数据调整转子的转速为0-500r/min(本实施例中转子转速调整为100r/min)
步骤三:开启加压气缸,根据压力传感器采集的数据给物料施加0-10MPa(本实施例中施加的压力为10MPa)的压力,定子在加压气缸作用下上移到给定位置处,直至含能材料样品发生燃爆;
步骤四:根据温度传感器、压力传感器、转动式扭力传感器采集的转速、扭矩、压力和温度热力学参数数据分析含能材料样品摩擦燃爆的极限边界工艺条件。
本发明提出的一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置具有以下优点:
1.可以通过调整转子底部和定子间的间隙来代表实际螺杆挤出中螺棱和机筒的间隙,满足不同规格的螺杆机筒组合加工安全性评价的需求。
2.根据实际螺杆挤出的应力选择施加在物料上的转速和压力参数,通过压力传感器,转速传感器和温度传感器可以测试出含能材料试样从开始旋转摩擦到燃爆全过程的转速,压力和温度参数数据,通过这些数据的分析,可以精确确定含能材料极限加工工艺条件边界和评估生产的安全性。
3.在测试过程中,当试样温度急剧上升时转子可快速提升泄压,同时设置有气体传感器以预判物料分解状态,以确保实验安全性。
综上所述,本发明一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置能模拟含能材料在螺杆挤出中螺棱与机筒间隙不同的工况情况,实现含能材料摩擦燃爆热力学参数的在线测试,获得含能材料试样从发生旋转摩擦到燃爆的极限工艺条件,实现含能材料加工的安全性评估,通过该装置与方法获得含能材料加工过程的极限工艺边界条件,对指导实际含能材料加工过程,提高其加工安全性具有重大意义。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:说明书中的其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行,或者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:说明书中的其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行,或者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,包括:含能材料转动测试系统、含能材料温度测试系统、含能材料压力加载系统及气体传感装置;
所述含能材料转动测试系统包括电机、传动轮、转动式扭力传感器、互相配合的转子、定子,所述转动式扭力传感器的一端通过所述传动轮与所述电机动力连接,另一端与所述转子连接,转子的速度设置为0-500 r/min;所述转子设置为中空圆柱体结构,定子设置为开有环形沟槽的圆柱体结构;
所述含能材料温度测试系统包括温度传感器,所述温度传感器安装在所述定子上;
所述压力加载系统包括加压气缸、压力传感器垫块、压力传感器,加压气缸的活塞头经压力传感器垫块与定子连接,所述压力传感器设置在定子与压力传感器垫块之间。
2.根据权利要求1所述的一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述转子的材质设置为黄铜、不锈钢和渗氮合金钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述定子的材质设置为铸造铜合金。
4.根据权利要求1所述的评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述的转子与定子之间的间隙设置为0.5-2 mm。
5.根据权利要求1所述的评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述转动式扭力传感器由一转动式扭力传感器垫块支撑定位,所述转动式扭力传感器垫块安装在机架上。
6.根据权利要求1所述的评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述电机设置为防爆电机。
7.根据权利要求1所述的一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述的气体传感装置为氮氧化物检测传感器。
8.根据权利要求1所述的一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,所述气体传感装置设置于所述定子或转子的一侧。
9.一种评估含能材料挤出工艺安全性的方法,所述方法使用如权利要求8所述的一种评估含能材料挤出工艺安全性的装置,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:称取相应重量的含能材料测试样品,将其均匀放置于定子的环形沟槽中;
步骤二:开启电机,通过传动轮和转动式扭力传感器带动转子旋转,根据转动式扭力传感器采集的数据调整转子的转速;
步骤三:开启加压气缸,根据压力传感器采集的数据调整施加至测试样品的压力,定子在加压气缸作用下上移至给定位置处,直至含能材料样品发生燃爆;
步骤四:根据温度传感器、压力传感器、转动式扭力传感器获得的温度、压力、转速、扭矩参数数据分析含能材料测试样品剪切摩擦燃爆的极限边界工艺条件。
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