（一）设计原则与结构布局

试验装置的合理化设计是提高切割效率、保证过程安全的前提条件，除应明确作业范围和发展方向外，在技术方面特别要重视高压水射流的压力、流量、功率等因素的合理匹配，注意系统中喷头自进效果与管路中压力损失以及喷嘴的技术与质量等重要设计原则。

（1）确定压力范畴，提高切割安全性。

目前，根据高压水射流的出口压力和处理介质的不同，大致可分为超高压和高压两个领域。超高压领域的处理对象一般为金属、石材等硬质材料，通常是大于140 MPa的超高压，而且为了加快切割速度，水中必须添加特定粒度的石榴石等磨料。高压领域的处理对象一般为软质附着物，如管道中污垢等，需要的压力通常较低，且不需要添加磨料。高压水射流冲击推进剂时，主要通过冲击动能进行作用，是一种绝热压缩伴随冲蚀切割。从这个角度来讲，高压水射流对发动机的“清药”过程可以归为高压领域。在冲击过程中，水流充当润滑剂抑制了热点的产生和成长，从而降低了冲击感度。根据发动机中推进剂装药、包覆层和衬层的抗压强度，以及壳体的受压变形情况，所需要的压力通常应小于140 MPa，且切割介质为不添加任何磨料的纯水，以防止切割过程中碰撞出现火花。

（2）压力、流量与功率的合理匹配。

水流的滞止压力必须大于抗压强度，才能在推进剂表面产生有效破坏，而且这种破坏通常以单位表面断裂能这种能量形式来表现。试验证明，当压力达到破坏条件时，若想大幅度提高破坏效果，必须依靠提高水射流流量，这时单纯压力的提高就变成次要条件。因此，上述二者对切割效果的影响有很大区别。由流体力学原理可知，提高射流的压力和流量均能提高射流的功率，且二者都与功率成正比。在实际工程应用中，试验装置处于额定功率，只有正确选定压力和流量才能充分发挥高压设备的效能。

（3）满足日后扩展试验要求，以建立现场快速处理系统为目标。

不同含能材料的性质各异，HTPB推进剂根据燃速的不同分为多种类型，因此在设计该系统时要考虑以后针对不同处理对象的拓展性试验，特别是在出水压力的调节以及切割模拟件大小的安装面上必须留有足够的空间，并保留磨料混合装置的安装位置等，便于以后开展切割作业。对于推进剂内部温度变化、压力变形的监控上也要在软硬件方面预留适当位置。此外，还必须考虑该设备今后模块化和机动化的发展方向。目前退役固体导弹的发动机“清药”工作需要进行整体返厂处理，由于此时的推进剂已经失效，运输过程无疑存在极大的安全隐患，且处理成本极高。建立快速机动系统以后，便可对需要“清药”的发动机及时进行现场处理，最后只将发动机空壳进行返厂装填，从而可以将隐患消灭于萌芽之中。这一构想如能实现，势必将大大节约了时间和降低了危险性，对提高部队战斗力有着非常重要的意义。

针对HTPB推进剂的特性和以上的设计原则，设计开发的高压水射流试验装置的工作示意图，如图2.10所示。根据《JB/T 8093—1999高压水射流设备》的标准配置，该设备主要由高压发生系统、数控切割平台和远程监控系统等三部分组成。为满足日后野外环境需要，要求其具有轻便机动、稳定可靠等特性，各组成部分采用分体式设计，并通过快速接头连接（包括电机和高压泵），下面将分别介绍其具体选型情况。

（二）高压发生系统的选择

高压发生系统的主要作用是为试验装置提供动力支持。根据前面介绍的满足最低需要的压力、流量和功率等参数，我们选取南京大地水刀公司研发的DIPS10-3020高压水射流系统，如图2.11所示。该高压发生系统专门为清洗应用而设计，射流的流体静压力即射流进入喷嘴时的压力（出口压力），最大可达到200 MPa，且连续手动可调，可满足以后不同工作条件的需求，并具有超压自动停机和欠压自动保护功能。该高压发生系统的设备的启动功率为30 k W，且启动时无负载，是一款适合实验室使用的大功率机械，其主要技术参数有产生射流的流体静压力，设备功率及水源介质等（见表2.8）。切割介质采用市政自来水，进水经高压水发生器内部的3层软水系统过滤后，经增压器增压后通过高压水管进入喷头，实施切割过程。此时，水源的进口压力为3～4 kg/cm2，最低供水量为6 L/min；冷却水为单进单出，压力不低于2～3 kg/cm2，用水量不低于80 L/min。

图2.10　试验装置的工作示意图

1—切割平台；2—供水系统；3—监视器；4—高压系统；5—安全工事；6—远程监控系统

图2.11　DIPS10-3020高压水射流发生系统

表2.8　设备配置及主要技术参数

（三）数控切割平台的设计

数控切割平台是为本次试验专门设计的一款具有自主知识产权的独立装置，主要由喷头、平台主体以及吸附系统组成，如图2.12所示。为了操作更为便捷，被冲击区域选择更加灵活，喷头距离推进剂的远近和升降在平时均可手动调节，作业时喷头也可在监控探头的指引下实现自动升降，这些都有利于增大高压水射流的冲击面积，适合不同尺寸的推进剂方坯作业。切割平台主体为密闭柜式系统，由上至下共有三个部分组成，分别为切割室、传动室和收集室。吸附系统的作用在于及时抽走切割室内的水雾与剥离的推进剂碎屑，从而起到降低混合体系爆炸浓度和清晰视野的作用，下面分别介绍各部分的设计思想。

图2.12　数控切割平台的组成与结构

1—切割室；2—喷头；3—推进剂；4—工件台；5—高压水管；6—传动室；7—X向传动；8—Z向传动；9—收集室；10—双层滤网；11—吸附系统

1.喷头

一般意义上，将由喷嘴、支架等多个零件组成的喷射设备部件叫作喷头。为提高喷头的切割效率，通常使其具有旋转、多束等功能。切割平台采用的喷头被设计为外旋式的三孔喷头，采用气动马达驱动，其转速为2000 r/min，耗气量为300 L/min。切割过程一旦开始，就要及时开启旋转以加速切割速度，喷射装置如图2.13所示。

图2.13　喷射装置

作为射流的执行元件，喷嘴是喷头中最为重要的部分，其主要功能是把高压泵提供的静压转换为动压。研究证明：喷嘴主要受收缩角，入口、出口的过渡形状及倒角的曲率半径，出口直径，圆柱段长度与直径比值，喷嘴长度和内壁粗糙度等结构参数的影响较大。因此，喷嘴的设计应从加工质量、倾角和直径入手。加工质量直接影响水射流的切割效果，如果在以后的拓展试验中进行添加磨料的水射流切割试验，那么喷嘴将是磨料颗粒加速的关键部位，因此必须选用质地抗压耐磨的红宝石材料。喷嘴内部的几何形状和尺寸是影响射流结构和动力特性的最主要因素之一，在射流基本参数一定的情况下，改变喷嘴内部形状和尺寸是调整和优化射流结构、提高射流冲蚀性能、获得切割效果的主要手段。设计理念主要针对其内部线性结构和材料进行，以降低喷嘴能量损失、提高切割效果和延长喷嘴使用寿命为主要目的。出于性能和加工的综合考虑，我们发现倾角为30°的圆锥收敛型喷嘴对高压水的加速和收敛性能最好。喷嘴的直径则取决于压力和流量，以及比值、收缩角、和两个曲率半径的综合作用，寻求切割的工艺条件的试验中就包含有直径的选择。宝石喷嘴常以型号代表直径，常用的有4#、10#和12#等。宝石喷嘴一般设计为可拆卸式，方便以后根据具体工况进行更换和维修。关于喷头中宝石型号与直径的对应关系表达式为

式中：d n为喷嘴直径，单位为mm；K为宝石型号。

2.切割平台主体

切割平台主体是推进剂进行冲击试验的主要区域，采用三段式分体结构，整体尺寸为1200 mm×900 mm×2300 mm，三个工作室通过不锈钢框架焊接而成，连接处均可拆卸，便于维修和移动。最上方为切割室，采用密闭防水设计，其中在工件台上可安装不同尺寸的推进剂方坯。方坯安装完毕后，调整好喷头的出口压力和靶距及冲击区域便可进行切割工作，操作人员可透过切割室正面的观察窗了解作业情况（见图2.14）。中间的传动室主要保证喷头X、Z两个方向的行程空间，其中X向行程为300 mm，Z向行程为500 mm，传动方式均采用滚珠丝杆（25×25），驱动方式均采用伺服马达和步进电机进行，两自动驱动及相关部件为密封防水设计；鉴于剥离的推进剂极易黏结在各工作室的内壁上，当切割完毕后，系统会自动开启切割室顶部的大流量低压水流进行喷淋处理，将被击碎的推进剂颗粒从切割室经由专门管道带入最下方的收集室内。收集室为切割过程中产生的废水与废渣而设计，通过抽拉式双层滤网（上方滤网为32目，下方滤网为80目），可以过滤试验前后产生的废水，并对不同粒度的推进剂颗粒进行分离和回收。收集室在一侧设计安装有拉门，便于切割试验完成后推进剂废渣的取出。底层滤网的下方安装4个规格为20 L的储罐，用于储存单次切割过程中产生的废水。当切割完毕后，打开阀门将储存的废水通过2条Φ40 mm水管从储罐中排出并进行相应的无害化处理。

图2.14　切割平台主体与切割室

3.吸附系统

研究人员发现，HTPB推进剂在高压水射流作用下具有热点增长、局部反应、混合体系等三种点火模式，其中由高氯酸铵、二茂铁和水蒸气组成的混合粉尘体系被机械火花或静电火花点燃是切割过程中后期最可能发生的点火模式。为消除此类重大安全隐患，设计切割平台时增加了一套完整的吸附系统，它能够在切割过程中将混合粉尘体系及时从切割室内吸走，使切割室内的混合体系无法达到爆炸浓度，从而降低安全隐患。此外，由于该系统持续不断地工作，可以降低过程中水雾对摄像探头的干扰，使屏幕中反映的画面更加清晰，便于观察和操作，起到了一举两得的作用。

吸附系统的抽风口位于工件台的旁边，如图2.14所示。电源启动后，高压离心式风机可以利用其强大的吸力直接将切割时产生的水雾和碎屑吸走，再通过Φ16 cm的PVC管相连，将吸附的物质直接排入下方的吸附桶。当储罐内的液体达到设计量时，液位计发挥作用，在控制台发出报警信号，这时便可通过气动隔膜泵进行排水操作，吸附装置的结构组成如图2.15所示。

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图2.15　吸附装置示意图

1—D160吸附桶；2—D16PVC管；3—高压离心式风机；4—气动隔膜泵；5—浮球液位计

（四）远程监控系统的设计

为防止意外情况发生，远程监控系统与切割平台的安全距离不小于20 m。高压水射流的开关设计为远程气动控制，切割平台中喷头的X、Z两轴移动则被设计为远程电动控制，操作人员可以通过远程监控系统控制切割平台内喷头的动作及高压水的开启与关闭，从而避免直接面对危险。在切割室的正上方安装一部防水监控探头，通过控制台上的屏幕对切割状况进行远程实时监控。鉴于画面质量受水雾影响较大，可以加装单个或多个LED强光源，以便照亮整个冲击区域，显示效果如图2.16所示。

图2.16　防水监控探头及监控画面

远程控制台内部的核心为一台安装Windows系统的工控机，其操作简单、性能可靠，符合模拟试验的要求。其操作面板上共设置三组开关、一组报警及一处急停断电保险装置，如图2.17所示。

图2.17　控制台及相应按钮

系统启动/停止按钮：用于启动与关闭远程监控系统及伺服传动机构。此外，监控探头和LED光源的供电也受其控制。

启动/停止风机按钮：用于切割过程中吸附系统的开启与关闭，在切割过程开始后就要及时开启风机，切割过程结束后风机仍要持续运行5 min后才能关闭，防止室内混合体系达到爆炸点。

手动排水/停排按钮：吸附系统内的废水达到刻度后，会发出排水报警指示信号。这时要通过手动排水按钮及时排水，待指示灯熄灭后，再按下手动停排按钮。

驱动电源：控制系统伺服驱动和步进驱动的动力电源。驱动电源打开后将连接动力电，同时白色灯亮，便可在WA-320W水切割专用CNC控制系统中通过交流步进驱动系统和交流步进电机控制喷头的上下前后移动。

急停按钮：用于紧急情况下停止切割平台的所有操作。按下此按钮后，系统将会出现急停报警，同时驱动电源动力电将断开，释放急停时需要旋转按钮并弹出，如果需要继续移动设备需要对驱动电源重新上电。

（五）推进剂方坯的设计和传感设备的选取

1.测试用推进剂方坯的预制

为了使模拟试验具有理论上的可比性，被测推进剂方坯应放入老化箱内加速老化以模拟发动机的失效装药。但根据的现有资料，我们发现老化后HTPB推进剂与合格品的差异主要存在于力学性能不同程度的下降而非组分含量的大量流失。模拟试验侧重于推进剂的力学性能，如果试验能在合格品上取得水射流参数及安全条件，那么此参数肯定适用于力学性能较差的发动机失效装药。因此，省略了对推进剂方坯的相应老化处理。

依据试验目的的不同，预制两种不同规格的推进剂，分别为13 cm×13 cm×50 cm的低燃速大尺寸方坯和15 cm×15 cm×12 cm的中燃速小尺寸方坯，其组分含量与性能指标与目前发动机装药完全一致。相应预定点位温度传感器的埋置应在推进剂固化前完成，留在推进剂表面的数据传输线长度不小于1.5 m，待推进剂固化完毕后方可进行试验。以某种燃速HTPB推进剂为例，其组分含量及相关性质如表2.9、表2.10所示。

表2.9　某种燃速HTPB推进剂组分含量

续表

表2.10　某种燃速HTPB推进剂的特性

续表

2.传感设备的选取

试验用传感设备包括温度传感器、记录仪和相应的记录分析软件。温度传感器主要分为热电偶和热电阻两种类型。虽然热电偶的检测灵敏度低，但其使用范围宽；热敏电阻器制作的温度传感器，在较窄的温度范围内检测灵敏度高，在微小温度差的测量方面极其有用，但输出值的线性度差，检测时需要线性补偿。另外，该温度传感器的分散性太大，进行高精度测量时必须校正。因此，要精确检测1000℃以内的温度，铂测温电阻是较好的选择。其电阻温度系数分散性小，且具有精度高、线性好、灵敏度高等特点，用它制作的温差计性能优良。其中的Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高和耐高压等优点，并可根据用途制成各种形态。根据HTPB推进剂的临界温度在350℃以下的实际情况，考虑到温度的重现性，选用W2P-020型Pt100温度传感器作为埋置的对象，可满足400℃以内的测温需求。

记录推进剂内部温升的实时变化，还需要记录仪、记录软件等软硬件的匹配使用方能完成，我们选用北京九纯健科技公司生产的AXLJ106型6通道无纸记录仪，如图2.18所示。该记录仪为黄底黑底LED背光，采用32位ARM微处理器和RS232通信接口，画面相应时间小于0.2 s，还具有8M电子盘和USB接口存储功能。温度传感设备的性能参数如表2.11所示。

图2.18　温度传感器与6通道无纸记录仪

表2.11　温度传感设备的性能参数

3.温度传感器的埋置

Pt100温度传感器的埋置时机应在推进剂浇铸后、固化前进行。根据试验目的的不同，方坯内部温度传感器的点位埋置方式分为两种：对于小尺寸方坯而言，其主要用于测试安全条件下的水力及射流等工艺参数，在单次试验中的射流参数与打击方向相对固定，只需在中心位置埋置1只传感器即可；大尺寸方坯主要用于测试推进剂距离冲击位置内部不同点位的温度变化，一般在完成正交试验后实施。为了去除点与点之间的干扰，彼此的间隔不应低于5 cm。受制造条件与极限直径等安全方面的限制，推进剂方坯在无保护状态下的极限尺寸不得超过13 cm×13 cm×50 cm。在此条件下，经过理论计算和实际埋置试验，得出传感器埋置的个数不得超过5个的结论。通过变换高压水射流的距离方向，最多可以反映推进剂中30个不同点位的危险程度，这对研究安全性具有非常重要的意义。两种埋置方式的内部分布情况如图2.19所示。

图2.19　温度传感器的埋置情况

本章主要开展第一阶段的试验，即寻求安全条件下的水力及射流参数，传感器的埋置方式采用图2.19（a）；第二阶段的试验虽然是安全性研究中不可或缺的关键步骤，但由于在大尺寸方坯的制作和点位分布的准确度方面存在较多问题，仍需技术上的突破，目前整体处于危险性评估和论证的初期阶段，因此本章不将其作为论述的内容。