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火工品压药工艺方法的改进

发布日期:2013-07-23  文章来源:  点击:1491

火工品压药工艺方法的改进

  火工品在运载火箭和导弹武器中的应用极为广泛,保证火工品质量,提高可靠性尤为重要。火工品的质量和可靠性除与正确的设计、所用材料的质量等因素有关外,更重要的是必须有可靠的生产工艺保证。压药是火工品生产过程中最为关键的工艺之一,压药密度及其一致性对火工品的物品性能、输出功能有着直接的影响[1],其中压药压力、加压速度、保压时间等重要工艺参数又直接影响压药密度。

  我国火工品的压药工艺十分落后,使用的压药设备多为手搬螺旋压力机和杠杆压力机,其一些重要工艺参数无法精确控制,靠人工保证,人为因素影响较大,很难保证产品质量和产品的一致性。为此,笔者研制了火工品自动压药机系统,改进了现有压药工艺方法,采用一种能对压药工艺参数进行精确控制和记录,实现火工品药剂送料、加压、保压、卸压、拨模、退模全部自动化的工艺方法。该系统已经通过航天工业总公司的技术鉴定。

  1 火工品药剂特性分析
  火工品药剂在实际压药过程中具有强烈的非线性和缓慢的时变特性,可描述为:
P=g(u,m,r,t)
式中 P——压力输出;
u——控制输入;
m——药剂量;
r——药剂的压缩率;
t——加压时间。
  在实际生产中,设定的压力、药量、药剂品种经常发生变化。测试表明,设定压力较小和压力较大时,所压药剂的比例系数变化可达几十倍。比例关系变化如图1所示。

  图1 静态比例关系

  图1中曲线①、②是颗粒状药剂在药量较小和较大时的比例系数曲线,曲线③是粉末状药剂在某一药量时的比例系数曲线。曲线表明,当控制输入增大和减小时,比例系数沿不同的曲线变化。图2表示的是控制输入不变时药剂的蠕变特性,其中曲线①、②是颗粒状药剂的蠕变特性,曲线③是粉末状药剂在给定压力下的蠕变特性。可以发现,设定压力越小,蠕变越严重;药剂品种不同,蠕变特性也不一样。

  图2 蠕变特性
  2 火工品药剂压药工艺自动化方法
  通过分析火工品药剂的特点,并根据火工品压药工艺要求,运用智能控制理论和计算机控制技术,采用最新的软件设计思想,实现了压药工艺过程加压压力的闭环控制;加压时间的定时控制;加压压力等数据的精确测量、显示、分析和处理;报告生成和管理。使得压药过程自动化程度高,安全性好,便于质量跟踪和管理。笔者所研制的自动压药机系统对火工品药剂压药工艺方法的改进主要体现在以下几个方面。
  2.1 压药加压方式
  为了满足设定压力变化范围宽、控制精度高、无超调以及适应产品范围广的要求,同时综合考虑机械和控制系统的可行性、经济性,系统中采用了模具位置固定,压头运动的螺旋下拉式加压方式。模具位置固定(高度不变)有利于模具水平换位运动;下拉式稳定性好;螺旋加压则可减少驱动动力。
  2.2 加压系统中设置缓冲器
  在压头的上方设置了线性度较好的缓冲器。缓冲器的作用如下:第一,提高输出控制量的解析度,使其达到远小于精度要求的压力误差;第二,线性缓冲器能改善被控对象的非线性特性,使控制系统难度降低,提高可控性,在药剂加压过程中,随着压力增大药柱刚性急剧增加,线性缓冲器既可减小刚性,又可改善特性;第三,缓冲器承受的压力有限,在发生物品时,可在一定程度上保护传感器。图3给出了缓冲器对被控制对象特性的改善情况。

  图3 线性缓冲器改善对象特性示意图

  2.3 压力分段测量
  根据压力控制范围和精度要求(控制压力范围100~6000N,控制精度1%),采用单一传感器测量,精度必须达到0.016%,这是十分困难的。不仅传感器难以买到,而且A/D转换等电路也难以保证上述测量精度。将测量范围分为0~500N、500~2000N、2000~6000N共3段,分别用3个精度高于0.1%的传感器,采用12位A/D转换即可满足精度要求,传感器和A/D两者产生的最大误差不大于0.2%。这样可降低对传感器的要求。实际上,采用的传感器精度高于0.1%,A/D为12位。
  2.4 运用智能控制理论
  如前所述,压药机生产的产品品种繁多,被控对象特性差异大,并且存在严重的非线性(缓冲器只能改善而不能根本消除非线性),存在时变性(保压期间)。对于同一个产品,当压力较小和较高时,其弹性系数可变化几十倍,同一种药剂药量的变化也直接影响其特性,不同药剂差异更大。而压药机又要求加压速度快,控制精度高,且无超调。采用传统的控制方法是难以凑效的[2],实践也证明了这一点。因此,在火工品自动压药机压力闭环控制系统的控制器设计中,在对所压药剂的特性进行了测试研究后,充分运用智能控制理论和方法[3],即运用任务适应策略,对不同压力特性的产品进行参数自适应和自校正;采用开环、闭环结合的多模态控制算法,成功地解决了压药过程中非线性控制的难题。不仅达到了控制速度快、控制精度高、无超调的高质量控制效果,而且控制器的鲁棒性好,适应能力强,压力闭环控制系统原理框图见图4。
 
  3 试验结果与结论
  下面给出一组传统手搬压药机和本系统在实际生产中药剂的压药密度和爆压性能对比数据。表1为采用自动压药和手动压药药剂密度对比数据;表2为采用手动压药和自动压药火工品的爆压性能对比试验结果,其试验产品代号为T-2B,合格产品要求爆压平均值为790~1010N/cm2,样本标准差不大于72N/cm2。