CN113588911B - 固体推进剂声共振混合安全状态评估方法及在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法及在线监测系统，属于多相流混合领域。该方法包括：(1)获取待混合推进剂物料的安全挤压应力σ₀；(2)获取混合过程中推进剂物料所受的振动作用力，即声共振混合容器底部的作用力F(t)；(3)获取物料与声共振混合容器底部的接触面积S，得到挤压应力σ(t)，其最大值为混合过程最大挤压应力σ_m；(4)计算固体推进剂声共振混合系统的混合安全系数

n大于1说明固体推进剂声共振混合系统当前处于安全状态。本发明无需直接在物料中设置应变片，大大提升了应力监测技术本身的安全性，且可对声共振混合过程进行动态的安全状态评估与监测，有利于声共振混合过程的安全管控。

Description

固体推进剂声共振混合安全状态评估方法及在线监测系统

技术领域

本发明属于多相流混合领域，更具体地，涉及一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法及在线监测系统。

背景技术

声共振混合装填技术是一种新型装药方式，不同于现有混合方式，安全性是装药的基础和关键技术，除了解决工艺路线和设备研制方面涉及到的安全问题外，还需要从进一步从安全评估方面确保装药的安全性，为实现装药的安全要求提供保障。声共振混合过程中主要存在静电、温升和应力等安全因素。

静电和温度可以通过温度传感器和静电测试仪进行直接检测，而应力的测量难以直接进行。声共振高强度混合过程中，复合含能材料药浆之间以及与产品壁面之间存在摩擦和碰撞，药浆会受到一定的应力刺激，当应力刺激超过复合含能材料的安全阈值时，会引起安全事故。因此，通过对应力的监测来评估安全状态，是保证复合含能材料的安全生产的重要手段。

常见的应力测试方法主要用到应力仪应力仪或者应变仪是来测定物体由于内应力的仪器。一般通过采集应变片的信号，而转化为电信号进行分析和测量。

应力测试一般的方法是将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片其实就是应用了这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。但是，在含能材料声共振混合过程中，如果通过应变片的方法来测定应力，需要将应变片插放在含能物料中，这个在生产的规范性和安全性上存在严重缺陷，无法满足含能材料声共振混合的生产要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法及在线监测系统，其目的在于，在含能材料声共振混合过程中进行声共振混合安全状态评估。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法，包括如下步骤：

(1)获取待混合推进剂物料的安全挤压应力σ₀；

(2)获取混合过程中推进剂物料所受的振动作用力，即声共振混合容器底部的作用力F(t)；

(3)获取物料与声共振混合容器底部的接触面积S，则得到挤压应力σ(t)：

取σ(t)的最大值得到混合过程最大挤压应力σ_m；

(4)计算固体推进剂声共振混合系统的混合安全系数n：

n大于1说明固体推进剂声共振混合系统当前处于安全状态。

进一步地，步骤(1)中，安全挤压应力σ₀直接从过往已知数据中获取，或者经实际测算获得；

若通过实际测算获得，则安全挤压应力的测算时间点选择在推进剂物料混合过程之前、混合的某一阶段结束之后，或者选择在混合的整体流程结束之后测算以供新的监测过程中直接获取。

进一步地，步骤(1)中对于安全挤压应力的测量包括：

对推进剂物料进行施压实验，压力由小逐渐加大，直到推进剂物料开始出现轻微燃爆现象，此时即为临界状态，记录此时压力机上的压力值F₀；

计算物料所受施压的作用面积S₀；

计算得到安全挤压应力

进一步地，步骤(2)中F(t)使用力传感器实时监测获取，或者通过以下方法，根据系统消耗的功率、加速度来进行换算：

由于系统的运动具有振动激振频率的倍周期性，将计算时间平均的积分区间取为2T，有：

其中，W为平均功率，T为系统振动周期，t的积分区间为[0,2T]，t′的积分区间为[0,t]；

将声共振混合容器底座的加速度a(t)数据代入公式(1)的a(t′)中，并将系统消耗的平均功率W代入公式(1)，换算求解得到F(t)。

进一步地，在物料与容器底部接触面积不方便测量的情况下，以声共振混合容器的底面积代替S。

进一步地，还设定安全预警系数k和安全系数n₀，1<kn₀<n₀；当实际计算的混合安全系数n小于预先设定的安全系数n₀时系统报警，并提示改变振动强度来保证安全生产状态；当实际计算的混合安全系数n<kn₀的时候系统报警并停机，以保证安全生产状态。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种固体推进剂声共振混合安全状态在线监测系统，包括处理器以及固体推进剂声共振混合安全状态评估程序模块，所述固体推进剂声共振混合安全状态评估程序模块在被所述处理器调用时，执行如前任一项所述的固体推进剂声共振混合安全状态评估方法。

进一步地，还包括振动台、声共振混合容器底座、力传感器、加速度传感器以及计算机；

所述振动台用于对声共振混合容器底座进行激振从而对声共振混合容器底座内的物料施加声共振应力刺激；所述力传感器用于检测声共振混合容器底部的作用力F(t)；所述加速度传感器用于检测声共振混合容器底座的加速度a(t)；所述计算机包括处理器以及所述固体推进剂声共振混合安全状态评估程序模块，用于接收F(t)和a(t)信号并进行显示和后续处理。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过获取声共振混合容器底部的作用力F(t)、物料与声共振混合容器底部的接触面积S来获取混合过程最大挤压应力σ_m，并进而计算固体推进剂声共振混合系统的混合安全系数n，无需直接在物料中设置应变片，大大提升了应力监测技术本身的安全性，且可对声共振混合过程进行动态的安全状态评估与监测，亦有利于声共振混合过程的安全管控。

2、安全挤压应力σ₀既可以直接从过往已知数据中获取，也可以经首次测算后，在后续针对同一物料进行监测时直接调取，数据来源灵活，简化监测过程。

3、基于系统的运动具有振动激振频率的倍周期性的特点，根据系统消耗的功率和加速度来换算F(t)，尤其适用于F(t)不易直接测算的场景，且同样能够对F(t)的变化进行动态、实时的监控，最终实现混合安全系数n的动态、实时监控。

4、通过设定安全预警系数k，并以预设安全系数的k倍作为系统报警、停机的判断依据，可以更好地提升声共振混合过程控制的安全性。

附图说明

图1是本发明优选实施例的混合安全状态评估流程图；

图2是本发明优选实施例中用于进行混合过程应力刺激的在线监测系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所提出的在线监测系统应当包括混合过程的应力在线监测，根据应力刺激的安全阈值和安全状态下的应力做参照比较，根据工艺参数和结构参数对应力刺激的影响，对于应力做相应的调控。应力刺激的调控主要是对于输入的振动强度的调控。同时该系统应具有相应报警和停机机制。

对于应力安全状态评估的方法，主要分为测算复合含能材料的安全挤压应力、混合过程中力的测算、确定混合过程中的最大挤压应力、计算系统的安全系数四个部分，具体说明如下。

(1)测算复合含能材料的安全挤压应力

安全挤压应力的测算时间点可以选择在在物料混合过程之前，可以选择在物料混合的某一阶段结束之后，也可以选择在物料混合的整体流程结束之后。

对于安全挤压应力的测量，出于安全考虑，所选物料量不宜过大。首先需要使用压力机对于物料进行施压实验，逐渐加大压力机对于物料的压力，直到开始出现轻微燃爆现象，此时即为临界状态，记录此时压力机上的压力值F₀。接着需要计算压力机施加的压力在物料上的作用面积S₀。然后计算得到安全挤压应力σ₀：

(2)混合过程中力的测算

混合过程中力的在线监测系统中，在样品池底座上固定一个加速度传感器，用以实时记录样品池底座的加速度a(t)。在振动台和样品池中间刚性连接一个力传感器，用以实时记录振动台对样品池和其中材料的作用力F(t)。实验采用一定频率正弦信号，通过功率放大器驱动振动台运动，同时将采集的F(t)和a(t)信号输入到采集卡，再通过采集软件同步转入计算机存储。

力的测量还可以通过以下方法，根据系统消耗的功率加速度来进行换算力。

由于系统的运动具有振动激振频率的倍周期性，可以将计算时间平均的积分区间取为2T，有

(1)式的具体推导如下：

首先在一个单位时间里，力F做功的平均值是

代入dx＝vdt，有

其中最后一个等式的括号部分是速度v与加速度a的关系式，v₀是t＝0时刻振动台的初始速度。将测量得到的加速度a(t)数据代入a(t′)，并通过测算得到平均功率W，即可通过变换反解出F(t)。式(1)的积分过程可以降低实验系统的随机涨落误差，提高数据分析精度。

(3)确定混合过程中的最大挤压应力

混合过程中的挤压应力的计算，首先应该测量出物料与声共振混合容器底部的接触面积S，在物料与容器底部接触面积不方便测量的情况下，可以测量出声共振混合容器的底面积代替。然后，通过力传感器实时监测得到或者通过功率和加速度换算得到声共振混合容器底部的作用力F(t)，则得到挤压应力：

对σ(t)取最大值得到混合过程最大挤压应力σ_m。

(4)计算系统的安全系数

混合安全系数为安全挤压应力和混合过程最大挤压应力比值：

混合安全系数的设定值要求应该设置为大于1，根据不同的待混合物料的原始性质和相关混合条件的差异，具体的选择可能有所不用。

安全系数的设定值可能和待混合的物料种类以及混合的输入条件有关，具体设定值应当有所区别。对于实际调整方法做判断的时候，还应当设定系数k，当计算安全系数小于设定安全系数n₀时系统报警，并提示改变振动强度来保证安全生产状态，当计算安全系数小于设定安全系数n₀的k倍即kn₀的时候系统会报警并停机，以保证安全生产状态。系数k的取值可以根据实际生产情况取小于1的数，且保证kn₀＞1。

下面，结合图1与图2对本发明做出进一步说明。

如图1所示，应力状态的评估流程主要包括：是否已知配方的安全挤压应力、安全挤压应力的测量、获得安全挤压应力、是否直接测量混合阶段的力、传感器测量混合阶段力、传感器测混合阶段加速度、记录功率、换算得到混合阶段力、接触面积计算、计算混合阶段的挤压应力、计算混合阶段安全系数、判断安全系数与设定值的关系、是否到混合时间、报警停机、报警并调整振动强度、安全停机等流程步骤。

在本实施例中，首先需要判断是否已知配方的安全挤压应力，如果已知，则可以获得之前的测算过的安全挤压应力，如果未知，要求对其安全挤压应力做重新测算。具体的测算方法是应用压力机对待混合的物料做加压实验，通过多次实验获取其在临界安全状态下的压力数值，再测量压力机对物料施加压力的作用面积，进而求比值计算得到新配方的安全挤压应力。

进一步地，进入物料混合的过程中，需要混合过程应力刺激的在线监测系统。如图2所示，混合过程应力刺激的在线监测系统包括振动台、待混合物料、力传感器、加速度传感器、前置信号处理、数据收集模块以及计算机等组成部分。其中，待混合的物料随着混合容器安装在振动台上面，随振动台振动，在振动台上固定一个加速度传感器，用以实时记录振动台的加速度a(t)。在振动台和声共振混合容器中间刚性连接一个力传感器，用以实时记录振动台对声共振混合容器和其中材料的作用力F(t)。力F(t)和加速度a(t)的信号经过传感器的采集过后，经过前置信号处理和数据采集模块进入计算机显示和做进一步处理分析。

进一步地，如图1所示，力F(t)和加速度a(t)的数据采集完毕之后，需要计算混合阶段的挤压应力。这里关于力的测量有直接和间接两种方法：其一，使用力传感器直接采集F(t)；其二，也可以根据系统消耗的功率加速度来进行换算获得力F(t)。接着，需要得到待混合物料和混合容器地面的接触面积S，如果接触面积不方便测量，可以考虑使用混合容器的底面积作为代替。然后根据得到的F(t)，计算挤压应力

再对σ(t)求最大值得到混合过程中最大挤压应力σ_m。

进一步地，如图1所示，计算安全系数。混合安全系数为安全挤压应力和混合过程最大挤压应力比值。根据过往经验，应有关于安全系数的设定值，混合安全系数的设定值要求应该设置为大于1，根据不同的待混合物料的原始性质和相关混合条件的差异，具体的选择可能有所不用。接着，比较安全系数的计算值和设定值。如果计算值大于设定值则符合安全生产要求，继续循环下一轮应力的实时监测评估直到到达最终混合时间，流程结束。如果计算值n小于设定值n₀，则不符合安全生产要求，待调整，系统报警，并提示改变振动强度来保证安全生产状态。

进一步地，如图1所示，这里对实际调整方法做判断的时候，还应当设定安全预警系数k，当计算安全系数n小于设定安全系数n₀的k倍的时候系统报警并停机，以保证安全生产状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取待混合推进剂物料的安全挤压应力σ₀；

(2)获取混合过程中推进剂物料所受的振动作用力，即声共振混合容器底部的作用力F(t)；F(t)通过以下方法，根据系统消耗的功率、加速度来进行换算：

由于系统的运动具有振动激振频率的倍周期性，将计算时间平均的积分区间取为2T，有：

其中，W为平均功率，T为系统振动周期，t的积分区间为[0,2T]，t′的积分区间为[0,t]；

将声共振混合容器底座的加速度a(t)数据代入公式(1)的a(t′)中，并将系统消耗的平均功率W代入公式(1)，换算求解得到F(t)；

其中，在声共振混合容器底座上固定一个加速度传感器，用以实时记录声共振混合容器底座的加速度a(t)；加速度a(t)的信号经过传感器的采集过后，经过前置信号处理和数据采集模块进入计算机显示和做进一步处理分析；

(3)获取物料与声共振混合容器底部的接触面积S，则得到挤压应力σ(t)：

取σ(t)的最大值得到混合过程最大挤压应力σ_m；

(4)计算固体推进剂声共振混合系统的混合安全系数n：

n大于1说明固体推进剂声共振混合系统当前处于安全状态；

还设定安全预警系数k和安全系数n₀，1<kn₀<n₀；当实际计算的混合安全系数n小于预先设定的安全系数n₀时系统报警，并提示改变振动强度来保证安全生产状态；当实际计算的混合安全系数n<kn₀的时候系统报警并停机，以保证安全生产状态。

2.如权利要求1所述的一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法，其特征在于，步骤(1)中，安全挤压应力σ₀直接从过往已知数据中获取，或者经实际测算获得；

若通过实际测算获得，则安全挤压应力的测算时间点选择在推进剂物料混合过程之前、混合的某一阶段结束之后，或者选择在混合的整体流程结束之后测算以供新的监测过程中直接获取。

3.如权利要求2所述的一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法，其特征在于，步骤(1)中对于安全挤压应力的测量包括：

对推进剂物料进行施压实验，压力由小逐渐加大，直到推进剂物料开始出现轻微燃爆现象，此时即为临界状态，记录此时压力机上的压力值F₀；

计算物料所受施压的作用面积S₀；

计算得到安全挤压应力

4.如权利要求1所述的一种固体推进剂声共振混合安全状态评估方法，其特征在于，在物料与容器底部接触面积不方便测量的情况下，以声共振混合容器的底面积代替S。

5.一种固体推进剂声共振混合安全状态在线监测系统，其特征在于，包括处理器以及固体推进剂声共振混合安全状态评估程序模块，所述固体推进剂声共振混合安全状态评估程序模块在被所述处理器调用时，执行权利要求1～4任一项所述的固体推进剂声共振混合安全状态评估方法。

6.如权利要求5所述的一种固体推进剂声共振混合安全状态在线监测系统，其特征在于，还包括振动台、声共振混合容器底座、力传感器、加速度传感器以及计算机；

所述振动台用于对声共振混合容器底座进行激振从而对声共振混合容器底座内的物料施加声共振应力刺激；所述力传感器用于检测声共振混合容器底部的作用力F(t)；所述加速度传感器用于检测声共振混合容器底座的加速度a(t)；所述计算机包括处理器以及所述固体推进剂声共振混合安全状态评估程序模块，用于接收F(t)和a(t)信号并进行显示和后续处理。

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