螺旋装药温度参数的正交试验研究

郑跃，卢旭东

（1. 沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159； 2. 辽沈工业集团有限公司，辽宁 沈阳 110045)

随着社会的发展，人们越来越重视产品的质量，甚至把质量问题提高到了“质量兴国”的高度，而质量问题说到底是安全性和可靠性的问题[1]。火工品的安全性和可靠性除与正确的设计以及所用材料的质量等因素有关外，更重要的是要有可靠的生产工艺来保证[2]。火工品生产过程中最为关键的工艺是压药，而衡量压药过程的质量标准是压药密度及一致性[3-5]。螺旋装药是国内比较成熟的大口径炮弹装药方式，其优点是：生产能力大，机械化程度高，容易实现连续化、自动化生产，可大幅度提高生产效率。又由于螺杆挤压炸药时，对侧面的炸药也有一定的压紧作用，所以能应用于药室弧形不大的弹体。螺旋装药方式其操作实质是借助于螺旋杆输送与挤压的作用，将松散的炸药压实于弹体内膛中[6]。螺旋装药的药柱质量是评价产品是否合格的关键指标，影响药柱密度的因素较多，包括：炸药本身的性质、螺杆结构、弹体形状、压药时的温度（弹温、药温和室温）和反压力等[7]。据此，本文通过正交试验的方法对螺旋装药过程中的温度参数进行研究，寻求一套更好的温度参数搭配以满足实际生产的需要，为进一步推广正交试验在工艺参数优化方面的应用积累经验。

1 螺旋装药工艺流程

螺旋装药首先需要完成的工作是预装药，然后才是螺旋装药。即：首先将温度合格的炸药通过漏斗自由流入弹体内，以充满药室为准，目的是缩短螺旋装药时螺杆的输药时间，提高装药的生产能力和效率。然后，螺杆反转下降伸入预装药后的弹体，螺杆头部离弹底部约几毫米，当螺杆正转上升时，将炸药从漏斗中输入到弹体中，此时螺杆头部产生挤压作用，当压力超过阻力P(也叫做反压力)时，螺杆被迫后退，空出来的容积，被继续输送进来的炸药填满，并且被压紧形成装药密度。这样的过程一直继续到螺杆退出药室，一发弹装药完毕[6]，其工艺流程如图1所示

图1 螺旋装药工艺流程

螺旋装药后药柱密度检测项目包括：表格密度、实际平均密度及局部密度，这三种密度必须同时满足条件才算合格产品。

2 螺旋装药温度参数的实验研究

2.1 正交试验的试验设计

产品质量的好坏很大程度上是由设计所决定的，但是设计的好产品要成为真正的高质量产品，在生产过程中还得有好的工艺参数，为此经常需要进行试验，从影响产品质量的一些因素中去寻找好的原料搭配，好的工艺参数搭配等，这便是多因素（因子）的试验设计问题。

多因素试验遇到的最大困难是试验次数太多，因此我们只能从中选择一部分进行试验。选择哪些条件进行试验十分重要，这便是试验的设计。一个好的设计，可以通过少量试验获得较多的信息，达到试验的目的。试验设计的方法有许多，本文是利用“正交表”对螺旋装药的温度参数进行的正交试验设计。

正交表具有正交性，这是指它有如下两个特点：

（1）每列中每个数字重复次数相同[8]。

（2）将任意两列的同行数字看成一个数对，那么一切可能数对重复次数相同[8]。

若将试验条件看成试验空间中的一个点，则正交表的这两个特点使所选择的试验点在试验空间中的分布是均匀分散的，因此试验结果具有综合可比性[8]，从而进一步验证了正交试验的可靠性。

实验选用压药废品率作为考查指标，密度值ρ＜1.47g/cm3为废品。先确定影响压药密度的温度因素，共有4个：弹体温度、预装药温度、漏斗药温度和室温，将其作为试验中的四个因子；根据理论分析及生产经验，制定因素位级表2.1，每个因子根据表2.1中的备注分为3个水平。

表2.1 因素位级表 ℃

2.2 运用L9（34）正交表进行试验，记录实验数据并进行数据整理、分析

试验确定因子4个，每个因子水平3个，因此，选用 L9（34）正交表进行试验，试验号码的编制、条件的选取，试验后废品率情况以及相应均值、极差、方差的计算结果如表2.2所示。

表2.2中，1、2、3 ——每个因子的3个水平；T1、T2、T3——3 个水平试验结果的和；1、2、3——3个水平试验结果的平均值；

表2.2 正交试验表及试验结果

一个因子的极差是指该因子不同水平对应的试验结果均值的最大值和最小值的差，如果该值大的话，则改变这一因子的水平会对废品率造成较大的变化，即该因子为“废品率”指标的敏感因素，属于显著因子。通过表2.2中数据可知：“弹体温度”是“废品率”指标的敏感因素，其次是“漏斗药温度”，而“预装药温度”最不敏感。对显著因子应该选择其最好的水平，因为其水平变化会造成指标的显著不同，而对不显著因子可以任意选择水平，实际中常可根据降低成本、操作方便等来考虑其水平的选择。从试验数据来看，“弹体温度”和“漏斗药温度”是显著因子，所以要选择其最好的水平，即A3C2，即试验中的第 3号试验，其试验结果确为 9次试验中废品率最低的。对因子“预装药温度”可根据节约能耗等实际情况取三水平中的某一个。

2.3 验证试验

通过正交试验和数据分析得出第 3号试验最好，即弹温80 ℃；预装药温度65 ℃；漏斗药温度60 ℃。实际生产中如能控制其准确温度，弹体压药合格率能达到95%以上，但由于将温度控制在某一点十分困难，而且在生产中也不需要这么严格，因此，在3号试验的基础上对实验条件进行了适当调整，使其适应实际生产要求。

弹体温度在3水平80 ℃时接近TNT炸药的熔点，炸药易熔化，经综合考虑弹体温度确定为65～75 ℃。预装药温度适当升高可以提高TNT塑性，对压药质量及提高压药速度均有帮助，因此按正常标准将其控制在60～72 ℃。

漏斗药温度根据正交试验确定其控制范围为：T＞55 ℃。经过实际批量生产的考验，产品质量稳定，效果良好。漏斗药温度的提升可以使得压药废品率下降，但随之出现了一个新的问题，即“药柱缩孔超标”现象。经过系统分析和科学试验证明：漏斗药温度过高是造成“药柱缩孔超标”现象的一个主要因素,所以在确定漏斗药温度时需要确定一个限定值，既可适合生产需要，又可尽量减少“药柱缩孔超标”现象，为此也做了大量实验，实验结果列于表2.3。

表2.3 “药柱缩孔超标”实验结果

通过表2.3实验数据，结合正交实验结果，可以得出“漏斗药温度”控制在55～65 ℃比较合理。

3 结 论

（1）通过正交试验及实际生产验证可以得出螺旋装药最佳温度参数范围：弹体温度：65～75 ℃；预装药温度：60～72 ℃ ；漏斗药温度：55～65 ℃。

（2）对无交互作用的多个工艺参数进行优化的试验过程中，要正确选择合适的正交表，合理确定因子和水平；

（3）正交试验之后要对数据进行正确的分析，使试验结果具有充分的可靠性和适宜的可执行性。

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