CN113648891A - 一种加强声共振混合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合技术领域，具体涉及一种加强声共振混合系统及方法。包括：声共振主机、声共振混合器、抽真空和测压力接口及抽真空系统，所述声共振混合器通过固定支架连接于声共振主机的安装板，抽真空系统与声共振混合器上的抽真空测压力接口通过柔性管路相互连接。在低加速度真空辅助作用下，本发明一方面促进声共振宏观混合效果，实现高粘态液液体系间的有效混合，提升固体推进剂混合质量及混合效率；另一方面带动物料及内部气泡翻滚，达到表面的气泡快速破裂，实现药浆的除气。

Description

一种加强声共振混合系统及方法

技术领域

本发明提供一种物料混合技术领域，具体涉及一种加强声共振混合系统及方法。

背景技术

推进剂混合是固体火箭发动机装药生产的关键工序，其工艺技术水平关系着固体火箭发动机的整体性能和安全生产。混合是指将预混料浆、氧化剂、固化剂按一定的顺序加入混合机内，进行捏合、搅拌，使固液界面湿润，固体颗粒被良好包覆，各组分分散均匀一致，并发生适度高分子增链化学反应，形成工艺性、可浇注性良好的高黏度悬浮体－药浆的过程。随着推进剂固含量的一再增高、配方中微量组分和功能助剂种类增多、超细氧化剂用量的不断增加以及混合效率、性能一致性等要求的提升，混合难度逐渐增加，推进剂混合装药技术效能有待进一步提升。

现有的混合技术主要通过混合元件（如桨叶或螺杆）与物料剪切实现分散，混合元件与锅壁\机筒及药浆之间的剪切、挤压易导致新型高能推进剂和超高燃速推进剂发生危险，存在较大的安全隐患；由于受剪切敏感、温升敏感及挤压敏感等因素的限制，固体推进剂难以采用高剪切速度混合，导致混合效率较低；随着配方组成中微量组分和功能助剂种类增多、超细粉体含量不断增加，混合难度也相应增加。传统混合方式已无法满足固体推进剂混合的高质量、高效率和高安全性发展需求，急需研究新型混合方法及装备。

声共振混合是一种新型非接触式混合方式，如图1所示。其工作原理是通过外加激励源产生驱动力，混合容器在低频高强度振动下通过声振耦合而在整个待混物料内部产生低频高强度声波，在声波作用下物料发生宏观振动混合和微观声流混合，从而实现待混物料间的均匀分散，具有混合效率高、均匀性好、危险刺激量小等优势。声共振混合通过共振激励破坏两相或多相间的界面实现组分间的有效分散，由于高粘态液液体系间界面破坏难度大，仅靠微观声流混合提供的能量不足以破坏两者之间的界面，故该技术在应对高粘态液液体系（如：丁羟胶与键合剂、增塑剂）之间的混合存在一定的局限性，此外，在混合多组分、高粘态、高固含量固体推进剂体系时，宏观混合效果有待加强，以进一步提升混合效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明提供一种加强声共振混合系统及方法，以解决难以实现高粘态液液体系间混合的问题，以及在混合多组分、高粘态、高固含量固体推进剂体系混合效果有待提升的问题。

为解决技术问题采用的技术方案

一种加强声共振混合系统，包括：声共振主机、声共振混合器、抽真空和测压力接口及抽真空系统，

所述声共振混合主机，用于声共振混合器提供振源；

所述声共振混合器，用于多组分、高粘态、高固含量固体推进剂混合；

所述抽真空和测压力接口通过柔性管路把抽真空系统与混合容器连接；

所述抽真空系统，用于在抽真空辅助下，声共振混合更均匀，效率更高。

进一步地，所述抽真空系统由真空泵、电磁真空带充气阀、电动切换阀、电动开关阀、真空传感器、手动泄真空阀和控制系统组成，

真空泵和电动阀门的打开和关闭均是通过控制系统的操作界面来进行控制；

真空泵为对被抽容器进行抽气而获得真空的设备；

电磁真空带充气阀安装于真空泵的进气口，并与泵同步开启和关闭；

电动切换阀用于切换连接混合容器的管路；

电动开关阀用于在电动开关阀接通混合容器与泄压回路时进一步控制；

手动泄真空阀为操作人员手动将混合容器与大气相连；

绝压真空传感器用于测量混合容器内压力/真空度的值，将信号传输至控制系统；

过滤器用于防止混合容器内物料进入真空泵，也防止真空泵内物料进入混合容器；

控制系统由PLC和显示器构成，控制真空泵、电动阀门的开启，接收传感器信号并显示混合容器内压力，提供人机操作界面。

进一步地，所述的加强声共振混合方法，具体步骤如下：

1）声共振混合容器内装入待混物料后，所述声共振混合主机按设定加速度开始振动，待粉体完全浸润；

2）设定混合器内真空度值（15 KPa），并启动抽真空系统将所述声共振混合器抽真空至设定值，设定振动加速度值（25 g）并启动声共振混合主机，在低加速度真空辅助作用下，待混物料上下循环、翻滚、交互，最终实现待混物料组分间的均匀分散。

有益效果

与普通声共振混合相比，本发明有以下优点，在低加速度真空辅助作用下，一方面可以促进声共振宏观混合效果，实现高粘态液液体系间的有效混合，提升固体推进剂混合质量及混合效率；另一方面，带动物料及内部气泡翻滚，达到表面的气泡快速破裂，实现药浆的除气。

附图说明

图1：声共振混合过程流场示意图；

图2 ：真空系统原理图；

图3 ：声共振混合系统；

图4 ：声共振混合容器俯视图；

其中：1-真空泵、2-电磁真空带充气阀、3-电动开关阀、4-电动切换阀、5-声共振混合主机、6-混合容器、7-抽真空及测压力接口、8-手动泄真空阀、9-真空传感器、10-过滤器。

具体实施方式

为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对本发明所提出的技术方案的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

如图3、图4所示，本发明一种固体推进剂声共振混合系统，包括：声共振混合主机、混合容器、抽真空及侧压力接口、抽真空设备，其中，所述混合容器通过固定支架连接于主机的安装板上；所述抽真空设备与混合容器通过柔性管路相互连接。

在所述混合容器内装入待混物料后，所述声共振混合主机开始振动，待粉体完全浸润；所述抽真空设备将所述混合容器抽真空至设定值（15 KPa），设定振动加速度值（25g）并同时启动混合主机，在低加速度真空辅助作用下，待混物料上下循环、翻滚、交互，最终实现待混物料组分间的均匀分散。

1）真空系统设计

真空系统由真空泵、电磁真空带充气阀、电动切换阀、电动开关阀、真空传感器、手动泄真空阀和控制系统（图中未画出）等组成，其中真空泵和电动阀门的打开和关闭均是通过控制系统的操作界面来进行控制。真空系统的结构原理图如图2所示。

真空泵为对被抽容器进行抽气而获得真空的设备。

电磁真空带充气阀安装于真空泵的进气口，并与泵同步开启和关闭。当泵停止工作或电源突然中断时，阀门自动关闭。使真空系统保持真空并将大气充入泵腔内，从而避免泵油逆向流动而污染真空系统。适用介质为纯净空气和非腐蚀性气体。

电动切换阀用于切换连接混合容器的管路。当将混合容器与抽空回路接通时，实现对混合容器抽气。当将混合容器与泄压回路接通时，可由开关阀决定是充气还是保压。当将混合容器与充气回路相连时，可以充入某些反应气体或者喷雾等介质。

电动开关阀用于在电动开关阀接通混合容器与泄压回路时进一步控制。一方面，当此阀门打开时，混合容器通过泄压回路与大气相通，如果混合容器内部压力高于实际大气压，混合容器的气体将排出，当混合容器内压力小于大气压（真空状态），大气将充入混合容器内，直达混合容器内达到大气压或者电动开关阀关闭。另一方面，当电动开关阀关闭时，泄压回路被关闭，混合容器成为密闭容器，压力或者真空度将保持。

手动泄真空阀为操作人员手动将混合容器与大气相连。

绝压真空传感器用于测量混合容器内压力/真空度的值，将信号传输至控制系统。

过滤器用于防止混合容器内物料进入真空泵，也防止真空泵内物料进入混合容器。

控制系统由PLC和显示器构成，控制真空泵、电动阀门的开启，接收传感器信号并显示混合容器内压力，提供人机操作界面。

抽真空时，在人机操作界面上设置需要达到的真空度值，按下抽真空按钮。在控制系统指挥下，真空泵启动，电动真空带充气阀随真空泵自动开启；电动切换阀切换至抽空回路，对混合容器抽真空。当混合容器内真空度达到设定值时，控制电动切换阀切换至泄压回路，同时控制电动开关阀关闭，混合容器全密闭，保持真空度。当真空度低于设定值时，系统自动控制电动切换阀切换抽空回路。如此反复，实现混合容器内压力的准确控制。人机操作界面上可显示混合容器内的实时压力。

泄真空时，在人机操作界面上按下卸真空按钮。在控制系统指挥下，关闭真空泵，电动真空带充气阀随真空泵自动关闭；电动切换阀切换至泄压回路，电动开关阀开启，将大气与混合容器接通，实现泄真空操作。

（2）真空辅助声共振混合工艺方法

探索振动加速度及真空度等对声共振混合效果的影响，通过工艺参数的优化，制定适用于高粘态待混物料体系真空辅助下声共振混合的工艺方法。

真空度一定的情况下（15KPa），当振动加速度较小时（15g），界面平坦，待混物料间未发生交互对流，无明显的混合现象；随着加速度的增加（25g），物料从中心孔向四周涌出、翻滚，混合效果佳；当振动加速度较大时（50g），混合过程剧烈，物料喷射于混合容器顶部，影响最终体系中某组分的有效含量，经对比分析，确定真空辅助下，声共振混合最佳振动加速度为25g。选用最佳加速度25g，对真空度进行优化，当真空度为25KPa时，物料涌出、翻滚频率较低，对混合效果的促进作用不明显；当真空度为15KPa时，待混物料从中心孔不断涌出，发生充分的对流交互，对宏观混合效果的促进作用明显，且混合过程平稳，无物料喷射；当真空度为0.5KPa（系统所能达到最低值）时，系统负载瞬时变化大，导致共振系统失稳，故确定真空辅助下，声共振混合最佳工艺条件为：振动加速度为25g，真空度为15KPa。

真空辅助声共振混合方法适用于混合阶段粉体完全浸润后，在混合前期粉尘未完全湿润之前，禁止进行抽真空操作，避免粉体被吸入到管道或者真空泵中。

本发明已在丁羟三组元推进剂配方中开展试验验证，结果表明该方法可实现88%高固含量固体推进剂的均匀混合，不同部位密度偏差≤0.005g/cm³，LF含量偏差≤0.2%，较普通声共振混合方式相比，混合均匀性及推进剂力学性能相当，混合效率提升20%以上。

Claims (6)

1.一种加强声共振混合系统，其特征在于，包括：声共振主机、声共振混合器、抽真空和测压力接口及抽真空系统，所述声共振混合器通过固定支架连接于声共振主机的安装板，所述抽真空系统与声共振混合器上的抽真空测压力接口通过柔性管路相互连接。

2.根据权利要求1所述的加强声共振混合系统，其特征在于：所述抽真空系统由真空泵、电磁真空带充气阀、电动切换阀、电动开关阀、手动泄真空阀和控制系统组成，所述电磁真空带充气阀安装于真空泵的抽气口，电磁真空带充气阀抽气口与电动切换阀的抽气口通过管道连接，电动开关阀通过管道与电动切换阀的泄气口连接，手动泄真空阀通过三通接头置于电动切换阀进气口与混合容器的抽气口之间的管道上，所述控制系统由PLC和显示器构成，控制真空泵、电动阀门的开启，接收传感器信号并显示声共振混合器内压力，提供人机操作界面。

3.根据权利要求1或2所述的加强声共振混合系统，其特征在于：在声共振混合器的抽真空及测压力接口设置过滤器，防止将混合容器内物料吸入真空泵，同时也防止真空泵内物料进入混合容器。

4.根据权利要求1或2所述的加强声共振混合系统，其特征在于：声共振混合器连接有真空传感器，用于测量声共振混合器内压力/真空度的值。

5.根据权利要求1所述的一种加强声共振混合器的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）声共振混合器内装入待混物料后，所述声共振混合主机按设定加速度开始工作，待粉体完全浸润；

2）设定混合器内真空度值，并启动抽真空系统将所述声共振混合器抽真空至设定值，设定振动加速度值并启动声共振混合主机，在低加速度真空辅助作用下，待混物料上下循环、翻滚、交互，最终实现待混物料组分间的均匀分散。

6.根据权利要求5所述的加强声共振混合器的使用方法，其特征在于，所述2）声共振混合器真空度值15KPa，振动加速度25g。

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