高压水射流技术倒出弹体装药的试验研究

罗同杰，张保良，宁灵生

(1.豫西集团有限公司销毁中心河南云阳474678;2.豫西集团有限公司军品分公司，河南云阳474678)

0 引言

在弹药制造以及废旧弹药拆分、销毁的过程中，经常需要对各种类型的装药弹体进行倒空装药处理［1］.随着弹药生产技术的不断进步与发展，各种类型的战斗部越来越多地把PBX炸药、温压炸药、CL-20炸药和钝黑铝高能炸药等高级炸药作为主装药.对装有这些类型炸药的废弃弹药和弹药生产过程中产生的残次品的装药弹体［2］，以及要二次使用的装有浇铸推进剂的火箭发动机壳体等，如何倒空其装药的问题已经非常突出［3-4］.

目前，国内许多弹药生产企业、废旧弹药处理单位的炸药取出方法一般有三种:①蒸气或热水冲洗法;②熔化取出法;③溶剂溶解冲洗法［5］.但对于装填不含热熔基的受热不软化或不熔融的高能炸药装药弹体，无法采用溶解法和加热法进行弹药倒空的处理.

在国外，已广泛采用高压水射流技术处理高能炸药装药弹体.俄罗斯、美国还采用涡流水喷射法对各种类型的装药弹体进行倒空装药处理［6］.

鉴于高压水射流冲洗法清理出的废炸药经技术处理后可进行回收和再利用，或转为民用炸药使用［7-11］，而且倒空装药的弹体还可以重复使用(如预制破片装药，其空弹体价值约占装药成品弹体的30% ～50%)，可减少企业的废品损失，由此产生的经济效益及连带效益巨大，所以研究和应用高压水射流倒空装药弹体技术具有现实意义.

1 美国高压水射流倒药技术

如图1所示，美国的高压水射流装置主要由高压水射流系统、倒药执行机构、液压系统、弹丸装卸、炸药回收与水的循环利用、监视与控制等6个部分组成.

图1 高压水射流倒空装药系统Fig.1 Emptying charge system with high pressure water jet

2 倒药方法及原理

对于装填有受热不软化或不熔融高能炸药的装药弹体的倒空，是采用由高压泵产生的高压水经喷嘴形成高速水射流喷射到炸药表面，在高压水射流的冲蚀作用下，使药柱一层一层由外及里产生剥离，并从弹腔中脱落下来.脱落下来的炸药随回流水流出弹腔，从而完成倒空作业.

3 高压水射流倒空装药弹体的关键技术

通过上述高压水倒空装药原理可以看出，装药弹体高压水射流倒空法需要解决以下关键技术问题.

3.1 确定最佳的工艺参数

3.1.1 水压

高压泵产生高压水射流，其压力在一定范围内连续可调.高压水射流的研究和应用实践证明，水射流压力在不大于350 MPa时，对高爆炸药的冲击是安全的［12-13］.上述所提及的那些高能炸药装药的门限破碎压力一般在30～100 MPa的范围内，即在水压达到或大于其门限破碎压力时，即可将该炸药从壳体中剥离冲出.并且，压力愈大，水射流速度愈大，冲蚀能力愈强.但综合技术、安全、设备诸因素，选择合理的水压力的大小是非常关键的.

高压泵系统的工作可靠性及参数设计的合理性是整个倒药装置的技术关键，目前多数使用由变频器控制的高压泵.倒药时，高压泵以额定流量设定压力运转，高压水流经喷射系统喷出全部进入弹腔内，在非倒药期间变频器控制高压泵低速运转，同时换向阀动作使水流回水箱，高压泵实现以零压运转，以便节约能耗［14］.

3.1.2 喷射系统

由高压泵产生的高压水射流需通过喷射系统发生作用.喷射系统主要有喷头的孔数、喷嘴的孔径、喷头的进给速度等参数，这些参数与倒空效率、均匀性、干净度有密切关系［15］.

1)由于炸药属粘脆性材料，所以倒药时使用的喷头喷嘴的布局须考虑以下三个方面:

①喷头的最前端必须有喷嘴，以保证能在药柱中心部打开一条通道，避免喷头与药柱产生碰撞;

②喷嘴的布置要考虑水射流反力的平衡，避免喷头工作时产生横向振动，以保证倒药过程的安全性;

③除前端的顶孔外，其余孔应是成对、对称地以一定的角度斜向前方，目的是又快而又干净地倒空弹丸内的炸药.

2)当压力一定时，喷嘴直径越大，则水射流流量越大，若功率足够，则冲蚀能力就强;若功率不足，则冲蚀能力下降.孔径一般为0.6 ～1.8 mm.

3.2 确定倒药执行机构

1)为了快速而干净地倒空弹丸内的装药，不仅要有强劲的水射流，喷头与弹丸之间还需有相对的旋转和直线移动(在同一条轴线上)，以保证合理的射距和适度的加压时间.弹丸与喷头相互之间的旋转与直线移动有三种组合方式:

①弹丸不动，喷头既绕其轴线旋转又沿其轴线作直线移动;

②喷头静止，弹丸既绕其轴线旋转又沿其轴线作直线运动;

③弹丸绕其轴线旋转，喷头沿其轴线作直线运动.

三者相比较，第①种方式存在对高压旋转密封要求太高的问题;第②种方式会使水、药回收罩的结构比较复杂;第③种方式则避免了前两种的缺点，可取.

2)直线进给速度小，射流与装药作用时间长，水楔作用明显，冲蚀容易进行，但作业效率低，不能充分利用水射流的能量;直线进给速度过大，射流与装药作用时间短，冲蚀质量下降.因此，水射流倒空装药时存在一个最佳的旋转与进给速度配合的问题.

3.3 药水分离技术

为保证安全并节约水资源，需要完成炸药和水的分离、回收.高能炸药装药均不溶于水，也不与水发生化学反应.一般采用真空过滤机进行水、药分离，过滤精度10～15 μm，并配以适当的沉淀池进一步净化水质，达到使水循环使用的目的［16］.药水分离系统应适合高压泵的流量以及倒出的炸药的数量，其过滤网上的炸药收集应考虑连续倒空装药的需要.

4 试验校验

本文根据上述的关键技术分析，设计了试验装置，如图2所示.

图2 弹体固定系统Fig.2 Fixing system of projectile body

三柱塞高压水泵，功率180 kW，其最大水压为100 MPa，流量为4.8 m3/h;使用的喷头为5孔，孔径 0.75 mm，喷头直线前进速度为0.1 m/min;弹体旋转速度为65 r/min.

用该装置对130 mm TNT装药弹体(TNT装药平均密度为1.50 g/cm3，螺旋装药)和122 mm钝黑铝装药弹体(钝黑铝装药平均密度为1.70 g/cm3，分步压装药)这两种装药产品进行了倒药对比试验.

试验重点探索了在喷头转速、喷头步进速度、喷头状态、水流量恒定的情况下，压力因素对倒药的影响.

4.1 两种装药的倒空情况

4.1.1 TNT装药弹体(130口径)倒药试验

TNT装药弹体倒药为3发产品，其结果如表1所示.

表1 TNT装药弹体倒药试验Tab.1 Emptying test of projectile charging with TNT explosive

4.1.2 钝黑铝装药弹体(122口径)倒药试验

钝黑铝装药弹体倒药为2发产品，其结果如表2所示.

表2 钝黑铝装药弹体倒药试验Tab.2 Emptying test of projectile charging with aluminum AⅨ－Ⅱ explosive

4.2 试验结果讨论

1)装药平均密度越大，其门限破碎压力越大，所需水射流的压力和流量就越高.

2)在喷头转速、相对步进速度、水流量恒定的情况下，系统工作压力是影响倒药质量和效率的主要因素.工作压力的大小取决于装药药体的门限破碎压力，不同装药种类有不同的门限破碎压力.当系统压力低于药柱极限破碎压力时，不能完成倒药作业;当系统压力高于药柱极限破碎压力时，方可倒出炸药.

3)倒出的炸药大多数为块状.喷射系统的喷头、喷头的孔数、喷嘴、喷嘴的孔径、喷头的进给速度等参数的合理选择，以及与弹体旋转速度的合理配合，直接决定倒出的炸药的块形大小，也影响倒药效率和效果，还对后续药水分离技术起到一定制约作用.

4)倒空装药时产生的大量密集的泡沫难以处理.

5)由于系统工作时经常处于高压状态，因此需经常调整和更换喷嘴，频繁地更换密封件以及泵的衬件，故高压水射流倒空装药的前期投入和后期维护维修成本较大.

5 结束语

由于高压水射流倒药技术在我国尚属起步阶段，有关关键技术还处于研究阶段，因此有很多问题还尚待进一步研究.例如:

1)高压水射流倒药技术所包含的各子系统的优化，以及各子系统的安全、高效集成等.

2)针对各类型弹体的不同装药类型，应选用的系统诸参数尚需进行大量的理论推演、计算和试验，以探得最佳组合，形成可实际应用的数据库，进而制定相关标准、规范，以推动装药弹体高压水射流倒空技术方法在国内的广泛使用.

［1］夏福君，宋桂飞，肖东胜，等.报废弹药绿色无害化处理技术发展思路探讨［J］.兵工自动化，2011，30(5):94-96.Xia Fujun，Song Guifei，Xiao Dongsheng，et al.Research on development thoughts of green harmless disposal technology for condemned ammunition［J］.Ordnance Industry Automation，2011，30(5):94-96.(in Chinese)

［2］高玉龙，易建政，王海丹.弹体技术寿命评价研究［J］.装备环境工程，2011，8(1):73-75.Gao Yulong，Yi Jianzheng，Wang Haidan.Analysis of ammunition technical life evaluation［J］.Equipment Envisonmental Engineering，2011，8(1):73-75.(in Chinese)

［3］仪建华，赵凤起，李上文，等.美俄废弃火箭发动机装药绿色销毁与回收技术研究进展［J］.化学推进剂与高分子材料，2006，4(6):25-28.Yi Jianhua，Zhao Fengqi，Li Shangwen，et al.Research progress of green destruction and reclamation technology of obsolete rocket motor charge in America and Russia［J］.Chemical Propellants＆ Polymeric Materials，2006，4(6):25-28.(in Chinese)

［4］韩启龙，王煊军，蒋大勇.报废固体推进剂处理技术研究进展［J］.化学推进剂与高分子材料，2008，6(6):13-17.Han Qilong，Wang Xuanjun，Jiang Dayong.Research progress in treatment technology of obsolete solid propellant［J］.Chemical Propellants ＆ Polymeric Materials，2008，6(6):13-17.(in Chinese)

［5］王泽山.废弃含能材料的处理与再利用［J］.化工时刊，1996，10(6):3-5.Wang Zeshan.The reclamation of waste energetic materials［J］.Chemical Industry Times，1996，10(6):3-5.(in Chinese)

［6］陈大清，罗瑞平.废弹药的回收［J］.现代兵器，1989(9):42-45.Chen Daqing，Luo Ruiping.Recycling of waste ammunition［J］.Modern Weaponry，1989(9):42-45.(in Chinese)

［7］王昕.绿色火炸药及相关技术的发展与应用［J］.火炸药学报，2006，29(5):67-71.Wang Xin.Development and application of green propellants and explosives and related technologies［J］.Chinese Journal of Explosives＆ Propellants，2006，29(5):67-71.(in Chinese)

［8］顾建良.废弃含能材料的资源化利用［J］.江苏大学学报(自然科学版)，2004，25(2):27-31.Gu Jianliang.Recycle of obsolete energetic materials as resources［J］.Journal of Jiangsu University(National Science Edition)，2004，25(2):27-31.(in Chinese)

［9］顾建良，王泽山.废弃含能材料的再利用研究［J］.爆破器材，2004，33(4):4-7.Gu Jianliang，Wang Zeshan.Study on recycle and reuse of obsolete energetic materials［J］.Explosive Materials，2004，33(4):4-7.(in Chinese)

［10］李娴，霍冀川，王忠祥，等.废弃含能材料处理技术的现状［J］.化工时刊，2008，22(1):47-51.Li Xian，Huo Jichuan，Wang Zhongxiang，et al.The progress on obsolete energetic materials disposal［J］.Chemical Industry Times，2008，22(1):47-51.(in Chinese)

［11］夏福君，宋桂飞，肖东胜，等.报废弹药绿色无害化处理技术发展思路探讨［J］.兵工自动化，2011，30(5):94-96.Xia Fujun，Song Guifei，Xiao Dongsheng，et al.Research on development thoughts of green harmless disposal technology for condemned ammunition［J］.Ordnance Industry Automation，2011，30(5):94-96.(in Chinese)

［12］李金明，雷彬，丁玉奎.通用弹药销毁处理技术［M］.北京:国防工业出版社，2012.

［13］曹宏安，张怀智，郭胜强，等.报废弹药处理本质安全化研究［J］.四川兵工学报，2011，32(4):44-46.Cao Hongan，Zhang Huaizhi，Guo Shengqiang，et al.Study on essential safety in disposal of abandoned ammunition［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2011，32(4):44-46.(in Chinese)

［14］成鹏飞，刘寿华，张正学，等.高压水喷砂除鳞技术的研究与应用［J］.矿业研究与开发，2006(10):25-28.Cheng Pengfei，Liu Shouhua，Zhang Zhengxue，et al.Research and application of high-pressure water jet-sand blasting descaling technology［J］.Mining Research and Development，2006(10):25-28.(in Chinese)

［15］王磊，王旭永.高压水射流去毛刺技术的特征及应用［J］.机械制造，2001，39(7):35-37.Wang Lei，Wang Xuyong.Features and applications of high-pressure water jet deburring［J］. Machinery，2001，39(7):35-37.(in Chinese)

［16］李羽中，李文倩.炮弹倒药生产线中水循环系统问题探讨［J］.采矿技术，2008，8(4):103-104.Li Chong，Li Wenqian.Discussion on shell powder production line for water circulation system［J］.Mining Technology，2008，8(4):103-104.(in Chinese)