引言

在兵工生產(chǎn)中,火炸藥粉末自動(dòng)給料及稱量一直是技術(shù)難點(diǎn)。不同于普通領(lǐng)域,火炸藥粉末的給料和稱量具有危險(xiǎn)性大、精度要求高、操作技術(shù)要求高、對(duì)企業(yè)資質(zhì)和安全生產(chǎn)要求高等特殊性,這就使得絕大部分傳統(tǒng)、通用的行業(yè)(如包裝等)及其設(shè)備、系統(tǒng)很難進(jìn)入該領(lǐng)域。

火炸藥粉末是由細(xì)小固體顆粒組成的集合體,具有以下特點(diǎn):比表面積大,具有一定的流動(dòng)性,受濕度、壓力的影響較大,如濕度高則易結(jié)塊,濕度低則易產(chǎn)生靜電,壓力大也會(huì)導(dǎo)致結(jié)塊,越是微量藥粉,其給料控制和稱量難度越大。自動(dòng)化生產(chǎn)線火炸藥粉末給料和稱量基本上分為兩種:火工品類和戰(zhàn)斗部類。火工品類火炸藥是靈敏火炸藥,特點(diǎn)是藥量小,以克級(jí)計(jì)量,稱量精度要求精確至毫克。戰(zhàn)斗部類一般是鈍化火炸藥,藥量比較大,一般為幾十克,更大的甚至在幾千克以上,稱量精度一般要求精確至1g或0.1g。藥量比較大的戰(zhàn)斗部類火炸藥,在稱重環(huán)節(jié)往往要求給出比最終裝藥目標(biāo)多一些的藥量,多出來的藥量會(huì)在壓藥完成后經(jīng)過彈口清理和刮板成型等環(huán)節(jié)進(jìn)行剔除,且在后期彈體裝配完成后通過彈重分級(jí)的方法進(jìn)行標(biāo)定,因此稱量環(huán)節(jié)的藥量精度要求相對(duì)寬松。

針對(duì)火炸藥粉末自動(dòng)給料和稱量問題的研究,對(duì)危險(xiǎn)性大、操作技術(shù)要求高的自動(dòng)化生產(chǎn)線有重要意義,特別是在生產(chǎn)自動(dòng)化要求越來越高的形勢(shì)下,對(duì)快速、安全、高效、故障率低的自動(dòng)給料和稱量技術(shù)研究需求尤為迫切。

微量火炸藥給料和稱量在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的技術(shù)控制重點(diǎn)和難點(diǎn)主要包括給料速度、給料精度、稱量精度、傾倒速度、傾倒精度、防爆、防靜電等,在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注料斗設(shè)計(jì)、給料方法、傾倒過程等。

1料斗設(shè)計(jì)

基于安全生產(chǎn)要求,火炸藥粉末每次批量上料的當(dāng)量有嚴(yán)格限制,稱量現(xiàn)場不允許有大量的藥粉存儲(chǔ),物料的供給采取定量定時(shí)上料的原則,其料斗設(shè)計(jì)一般很小。由于火炸藥粉末本身的流動(dòng)性與料斗的摩擦系數(shù)和形狀都有關(guān)系,為避免火炸藥粉末從料斗落下過程中結(jié)拱,一般設(shè)計(jì)上采用粉末從料斗的四個(gè)方向落下的速度設(shè)定差異化方法,即將料斗設(shè)計(jì)為四壁的傾斜角度各不相同。同時(shí),還可以在料斗出口附近設(shè)計(jì)隔板和破拱錐,消除結(jié)拱條件,使火炸藥粉末順利落下。

2給料方法設(shè)計(jì)

2.2給料過程

通常的稱量方式主要是天平補(bǔ)料稱量。機(jī)械天平稱量精度高,但穩(wěn)定需要的時(shí)間較長,目前已經(jīng)基本改為防爆電子天平。防爆電子天平也會(huì)存在一定的波動(dòng)性,影響最終稱量結(jié)果的精確度。人工進(jìn)行精確補(bǔ)料過程中一旦出現(xiàn)超量的情況,則只能重新稱量,稱量效率比較低。

設(shè)計(jì)上可以將藥粉的給料分成快速給料與精確給料兩個(gè)過程,首先控制給料量快速達(dá)到目標(biāo)藥量的90%~95%,然后進(jìn)入精確給料階段:精確給料階段仍然可以分成快速與慢速兩個(gè)階段,快速階段從90%進(jìn)給到98%~99%,然后通過精確進(jìn)給達(dá)到稱量的誤差范圍,這樣就兼顧了給料效率和稱量精確度。

2.2給料方法

給料的方法一般有:粗細(xì)雙螺桿進(jìn)給法、托盤振動(dòng)

法、定容積法。

(1)粗細(xì)雙螺桿進(jìn)給法。粗細(xì)雙螺桿給料方法指采用一個(gè)較大直徑的螺桿對(duì)藥粉進(jìn)行螺旋推進(jìn)給料,配合一個(gè)精密螺桿對(duì)藥粉進(jìn)行精細(xì)給料。雙螺桿法在機(jī)械上并不復(fù)雜,但在工作過程中有一些問題需引起注意并在設(shè)計(jì)中予以考慮:1)會(huì)把顆粒狀的藥粉碾壓成粉末,改變了藥粉的物理性狀,特別是密度:2)由于藥粉之間的吸附作用,在螺桿擠出時(shí),藥粉并不會(huì)像沙粒一樣隨時(shí)滑落,而是會(huì)發(fā)生一定的結(jié)塊,以結(jié)塊的形式脫離出料口,這種落料機(jī)制造成了落料的精度難以控制,容易造成超重。

粗螺桿的外徑較大、螺紋內(nèi)腔室大,螺距內(nèi)存儲(chǔ)的火炸藥粉物料多,每旋轉(zhuǎn)一周推出的藥粉也多,對(duì)藥粉的壓力較小,粉末結(jié)塊發(fā)生得較少。當(dāng)粉末從螺桿口端部脫落時(shí),其行進(jìn)的特性類似沙堆崩塌,螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的落料量是不均衡的。計(jì)量螺桿停止位置,極大地影響著粉體稱量的誤差,如果每個(gè)給料循環(huán)的停止位都是不同的,那么給料量會(huì)有比較大的波動(dòng)區(qū)間。

(2)托盤振動(dòng)法。托盤振動(dòng)法采用傾斜的料盤,以機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)的方式控制藥粉在料盤上移動(dòng)。在快速進(jìn)給階段,料盤的傾斜幅度較大,藥粉結(jié)合自身重力和振動(dòng),移動(dòng)速度較快:在精確進(jìn)給階段,料盤的傾斜幅度減小,藥粉移動(dòng)速度降低。采用托盤振動(dòng)法給料的過程中,藥粉不會(huì)結(jié)塊,性狀改變小,給料精度高,但是相對(duì)的稱量節(jié)拍就比較慢。

(3)定容積法。定容積法假定每個(gè)單位容積的藥粉質(zhì)量是一致的,一般由多個(gè)不同直徑的圓柱在密閉性非常好的管道里面旋轉(zhuǎn),圓柱體表面帶有下沉孔,可以是球形也可以是圓柱形。圓柱體的下沉孔轉(zhuǎn)到上面時(shí),藥粉進(jìn)入下沉孔,下沉孔轉(zhuǎn)到下面時(shí),里面的藥粉下落,周而復(fù)始,形成連續(xù)給料。粗略進(jìn)給時(shí),用大容積沉孔:精確進(jìn)給時(shí),逐漸使用容積更小的沉孔。定容積法要求保持料斗里的藥粉有良好的流動(dòng)性,失去流動(dòng)性就會(huì)導(dǎo)致不落料,降低落料稱量的速度。定容積法稱量為定量稱量作業(yè),對(duì)于變化量的稱量作業(yè),控制難度較大。

以上三種方式各有優(yōu)勢(shì)和局限性,通過對(duì)三種技術(shù)局限性的研究,對(duì)給料和稱量方式及其裝置進(jìn)行改進(jìn),對(duì)于提高稱量精度和效率,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的快、精、準(zhǔn)作業(yè)具有重要意義。在三種不同的給料方式中,螺桿法、定容積法在快速給料方面有優(yōu)勢(shì),螺桿法在多規(guī)格稱量系統(tǒng)中有優(yōu)勢(shì),托盤振動(dòng)法在精確補(bǔ)料方面有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,可以考慮同時(shí)采用三種方法進(jìn)行給料和稱量,在同一設(shè)備中發(fā)揮三種方法的優(yōu)勢(shì),如先用螺桿法快速給料到定量的92%~96%,再用定容積法或細(xì)螺桿從92%給料到99%,最后用托盤振動(dòng)法進(jìn)行精確給料。

3自動(dòng)給料和稱量設(shè)計(jì)

某典型工況實(shí)際需求為:10g計(jì)量精度應(yīng)到1mg,能夠自動(dòng)給料、稱量、自動(dòng)落料并保證落料完整,能夠自動(dòng)倒料。以此工況為例,討論設(shè)計(jì)中一般需注意的問題。

3.1防爆型稱重傳感器設(shè)計(jì)

藥粉的稱量涉及稱重傳感器、秤盤、傾倒機(jī)構(gòu)等。稱重傳感器的選擇必須考慮量程盡可能小,以期盡量提高稱量精度。目前國內(nèi)很多稱重傳感器的廠家已經(jīng)能夠生產(chǎn)本安型稱重傳感器,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也能夠達(dá)到1級(jí)秤以上的標(biāo)準(zhǔn),但是在變送器的本安防爆方面,能夠做到的廠家寥寥無幾,其主要原因是面向火炸藥的稱重傳感器需求較少,而且防爆等級(jí)較高,開發(fā)和認(rèn)證周期長、投入高,還未必有足夠的回報(bào),企業(yè)不愿意投資研發(fā)相應(yīng)的防爆型產(chǎn)品。經(jīng)調(diào)研和選型,設(shè)計(jì)選用梅特勒-托利多本安型工業(yè)稱重終端,檢定分度數(shù)為30000,根據(jù)《電子稱重儀表》(GB/T7724—2008)給出的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其符合Ⅱ級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)。

3.2避免稱重傳感器沖擊設(shè)計(jì)

作為精密稱量量具,在秤盤傾倒和復(fù)位過程中需避免對(duì)稱重傳感器的沖擊,并確保秤盤復(fù)位精準(zhǔn)。具體設(shè)計(jì)中對(duì)秤盤設(shè)計(jì)了氣動(dòng)頂升機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)頂升機(jī)構(gòu)能夠在稱量過程中使秤盤與稱重傳感器接觸,準(zhǔn)確稱重,稱重完成后頂升秤盤,脫離稱重傳感器,并形成轉(zhuǎn)軸。氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)氣缸伸出,頂在秤盤的后方專用頂點(diǎn)處,使秤盤繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),把藥粉倒出。上述動(dòng)作完成后,執(zhí)行逆序動(dòng)作,秤盤復(fù)位,進(jìn)入下次稱量狀態(tài)。

3.3提高稱重精度設(shè)計(jì)

在稱量過程中,稱重傳感器的數(shù)據(jù)必須考慮到微量的藥粉在空氣中散落過程的累積。為了消除這種積累誤差,要求盡量縮短落料的距離,但不能影響秤盤的翻轉(zhuǎn)倒料。

3.4帶轉(zhuǎn)位功能的連續(xù)給料設(shè)計(jì)

如果稱重結(jié)果超過目標(biāo)重量的公差范圍,本次稱量屬于失敗稱量,藥粉不能進(jìn)入模具型腔,而是要直接倒入回收桶。這就要求管道漏斗需有轉(zhuǎn)位功能,既能夠?qū)?zhǔn)多個(gè)模具型腔,也能夠?qū)?zhǔn)回收桶。

在動(dòng)態(tài)給料和動(dòng)態(tài)稱量過程中,需要設(shè)計(jì)包含給料、倒料控制策略的PID算法,對(duì)連續(xù)給料設(shè)備進(jìn)行控制,在不同的給料階段采用不同的給料策略。

3.5防爆終端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出于防爆安全考慮,將稱量分裝控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、集散控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端,三層之間采用現(xiàn)場總線方式進(jìn)行通信(圖1)。現(xiàn)場總線具有協(xié)議簡單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn),同時(shí)具有一定的時(shí)間確定性和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,可滿足稱量系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和動(dòng)作控制的要求。執(zhí)行元件選用FEsT0氣動(dòng)元件和防爆伺服電機(jī),現(xiàn)場電氣元件采用ExdIICT4標(biāo)準(zhǔn)的防爆箱進(jìn)行隔爆。

3.6傾倒過程設(shè)計(jì)

傾倒過程指的是稱量過程結(jié)束后,把粉末形式的火炸藥從量具中自動(dòng)傾倒到模具型腔的過程。在火炸藥粉末傾倒過程中,量具秤盤要進(jìn)行翻轉(zhuǎn),還要經(jīng)過一個(gè)過渡性的管道或者漏斗,才能使火炸藥落入模具型腔。對(duì)傾倒精度的研究主要是杜絕量具和管道漏斗等對(duì)火炸藥粉末的吸附殘留,影響稱量后進(jìn)入模具型腔藥粉的質(zhì)量,本工況設(shè)計(jì)中著重考慮了靜電吸附、表面吸附等因素。

3.6.1靜電吸附

導(dǎo)致靜電產(chǎn)生的因素有很多?；鹫ㄋ幨歉呓^緣性物質(zhì),其體電阻率多在1012~1016Q·cm,生產(chǎn)中火炸藥流動(dòng)過程的摩擦、設(shè)備運(yùn)動(dòng)過程的摩擦、接觸甚至分離導(dǎo)致靜電,是主要的靜電來源。一旦設(shè)備產(chǎn)生靜電后,就會(huì)對(duì)粉末產(chǎn)生靜電吸附,使藥粉不能完全脫落。

消除靜電最直接的方法是對(duì)設(shè)備各個(gè)部件,特別是料斗做全面良好的接地,應(yīng)確保與藥粉直接接觸的設(shè)備部件接地電阻小于1Q,隨時(shí)釋放產(chǎn)生的靜電。

3.6.2表面吸附

藥粉與設(shè)備之間還存在分子間力吸附。設(shè)備表面的粗糙度決定了粉末分子與設(shè)備表面的接觸面積,粗糙度高將直接阻擋粉末的滑動(dòng):粗糙度低則分子間接觸面減小,分子間力會(huì)降低,使粉末滑動(dòng)順暢。另外,量具、管道、漏斗等的表面光潔度、傾倒角度等因素都會(huì)影響粉末的吸附殘留。

為消除表面吸附效應(yīng),在具體設(shè)計(jì)選擇與藥粉接觸的材質(zhì)時(shí),采用了具有防腐性能的高導(dǎo)電性金屬材質(zhì),設(shè)備表面進(jìn)行研磨、拋光等處理以降低表面粗糙度,金屬產(chǎn)品接觸表面的所有永久接頭為連續(xù)焊接、拋光和無缺陷的,系統(tǒng)與產(chǎn)品接觸的任何部分不允許有螺紋或緊固件等措施。

在藥粉傾倒的過程中,結(jié)合采用振動(dòng)法、敲打法,也能有效消除表面吸附。

4結(jié)語

本文討論了火炸藥自動(dòng)化生產(chǎn)線給料和稱量的主要過程及其設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)難點(diǎn),結(jié)合某典型工況探討了具體設(shè)計(jì)中普遍難題的解決方案。該系統(tǒng)試運(yùn)行安全性好、效率高、精度高,表明整體設(shè)計(jì)方案優(yōu)良,針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)的措施效果顯著。該類系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保安全是前提和基礎(chǔ),應(yīng)根據(jù)總體工況的不同需求,合理、精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)技術(shù)方案,靈活、適當(dāng)?shù)剡x擇方式方法和相應(yīng)設(shè)備,采取實(shí)用的針對(duì)性措施解決普遍難題。