一種自動拆解生產(chǎn)線氣控系統(tǒng)的設(shè)計

劉晨敏

（重慶工商大學(xué)融智學(xué)院，重慶401320）

0 引言

炮彈是國家為軍事斗爭準(zhǔn)備的重要戰(zhàn)略物資，日常儲量巨大。隨著兵器工業(yè)的迅速發(fā)展，炮彈制造工藝不斷更新，由此遺留下大量的廢舊炮彈[1]。廢舊炮彈的存儲存在巨大的安全隱患，因此必須進(jìn)行回收處理。廢舊炮彈有銷毀和拆解兩種處理方法，炮彈銷毀對銷毀場地及環(huán)境要求較高，同時存在安全隱患，所以廢舊炮彈一般采用拆解的處理方法，既可對炸藥等資源進(jìn)行回收利用，又能不污染環(huán)境。

針對某型中口徑炮彈的自動拆解生產(chǎn)線，其拆解過程主要為：旋卸引信→旋卸底火→拔彈頭→倒藥[2]。為滿足系統(tǒng)的防爆要求，該生產(chǎn)線主要采用氣動元件作為拆解過程各動作的執(zhí)行元件，不僅使控制程序更簡單，操作環(huán)境干凈整潔，同時不用再對各器件做防爆或隔爆處理，可安全、有效、快捷地實(shí)現(xiàn)廢舊炮彈的自動拆解。本文針對該自動拆解生產(chǎn)線，詳細(xì)介紹了其氣控系統(tǒng)的設(shè)計過程。

1 氣控系統(tǒng)介紹

本文所述的自動拆解生產(chǎn)線，其機(jī)械系統(tǒng)主要包含三部分：炮彈輸送機(jī)、彈體分離機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手。各機(jī)構(gòu)的布局如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線布局圖

整個生產(chǎn)線的工作流程是：系統(tǒng)啟動，防爆門氣缸縮回將防爆門打開，炮彈輸送機(jī)上的輸送小車氣缸伸出將輸送小車由防爆間內(nèi)推出到防爆間外，在此上料工位由人工吊送炮彈至輸送小車上，輸送小車氣缸再縮回，炮彈被運(yùn)送到防爆間內(nèi)的下料工位等待卸料，隨后防爆門關(guān)閉；轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手上的Z軸夾取氣缸下移，炮彈夾緊氣缸縮回，機(jī)械手夾住炮彈并將炮彈運(yùn)輸至彈體分離機(jī)上的分離工位，夾緊單元分別夾住炮彈彈丸和藥筒，引信移動氣缸和底火移動氣缸分別將卸引信機(jī)構(gòu)和卸底火機(jī)構(gòu)拉動到旋卸工位，引信夾緊卡盤牢牢夾住引信，隨后卸引信機(jī)構(gòu)和卸底火機(jī)構(gòu)分別旋卸引信和底火；引信和底火被旋出后，引信升降氣缸和底火升降氣缸分別下移，引信夾取氣爪和底火夾取氣爪分別夾住引信和底火，兩升降氣缸再上移，隨后引信擺缸和底火擺缸旋轉(zhuǎn)180°，兩套機(jī)構(gòu)再分別卸下引信和底火；引信和底火旋卸后，還要進(jìn)行彈丸和藥筒的拔彈分解，此動作由液壓缸完成并最終將彈丸和藥筒分離；轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手的Z軸夾取氣缸下移，機(jī)械手夾住彈丸并將其由分離工位轉(zhuǎn)運(yùn)到下料工位的輸送小車上，然后機(jī)械手再來夾住藥筒，藥筒擺缸旋轉(zhuǎn)90°，最后將藥筒放置到專用的藥筒輸送線上。整個氣控系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 氣控系統(tǒng)原理圖

2 氣控系統(tǒng)設(shè)計

本文所述的炮彈自動拆解生產(chǎn)線，由于大多數(shù)動作均采用氣缸作為執(zhí)行元件，因此必須對氣控系統(tǒng)回路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，包括耗氣量計算、空壓機(jī)選型設(shè)計、儲氣罐容積設(shè)計等，使其滿足整個氣動回路的用氣需求，同時每個氣缸都能按照預(yù)定的順序動作。

2.1 耗氣量計算

氣控系統(tǒng)的耗氣量是由整個氣動回路所決定的，即與氣控系統(tǒng)的每個氣缸有關(guān)，而單個氣缸有最大耗氣量和平均耗氣量兩種計算方式，因此需對整個氣控系統(tǒng)的最大耗氣量和平均耗氣量都進(jìn)行計算，單個氣缸的最大耗氣量和平均耗氣量可由經(jīng)驗(yàn)公式計算得到[3]。

（1）氣缸最大耗氣量計算

Qm=0.046 2 × D2× vm×（P0+0.102）

式中：Qm為氣缸最大耗氣量，L/min（ANR）；D 為缸徑，cm；vm為氣缸的最大速度，mm/s；P0為工作壓力，MPa.

（2）氣缸平均耗氣量計算

Qc=0.015 7×N ×D2×S×（P0+0.102）

式中：Qc為氣缸平均耗氣量，L/min（ANR）；N 為氣缸每分鐘往復(fù)次數(shù)；S為氣缸行程，cm

（3）氣控系統(tǒng)最大耗氣量計算

∑Qm=Qm1+Qm2+Qm3+……+Qmn

式中：∑Qm為氣控系統(tǒng)最大耗氣量，L/min（ANR）；Qm1~Qmn為氣缸的最大耗氣量，L/min（ANR）.

（4）氣控系統(tǒng)平均耗氣量計算

式中：∑Qc為氣控系統(tǒng)平均耗氣量，L/min（ANR）；Qc1~Qcn為氣缸的平均耗氣量，L/min（ANR）.

本文所述的炮彈自動拆解生產(chǎn)線，氣控系統(tǒng)內(nèi)各氣動元件的工作參數(shù)如表1所示，取各氣缸的工作壓力P0=0.5 MPa，將這些參數(shù)分別帶入以上各計算公式，可計算得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣控系統(tǒng)內(nèi)各氣動元件的工作參數(shù)

由上表可知，炮彈自動拆解生產(chǎn)線的氣控系統(tǒng)，其最大耗氣量為∑Qm=2 310.5 L/min，平均耗氣量為∑Qm=377.8 L/min.

2.2 空壓機(jī)選型設(shè)計

空壓機(jī)為整個氣控系統(tǒng)提供壓縮空氣，而氣控回路內(nèi)壓縮空氣的壓力與流量又決定著每個氣缸的動作能否成功，因此必須對空壓機(jī)的輸出壓力和輸出流量進(jìn)行計算，以便選擇合適的空壓機(jī)型號。

（1）空壓機(jī)輸出壓力計算

式中：Pc為空壓機(jī)輸出壓力，MPa；P為氣動執(zhí)行元件最高使用壓力，MPa；∑△P為氣控系統(tǒng)總壓力損失，MPa.

（2）空壓機(jī)輸出流量計算

Qp=k1×k2×k3×∑Qm

式中：Qp為空壓機(jī)輸出流量，L/min；

k1為漏損系數(shù)（1.15~1.5），取 k1=1.3；

k2為備用系數(shù)（1.3~1.6），取 k2=1.3；

k3為利用系數(shù)，取k3=50%（假設(shè)一分鐘內(nèi)有50%的氣動元件同時工作）。

本文所述的炮彈自動拆解生產(chǎn)線，各氣缸的最高使用壓力為P=0.7 MPa，氣控系統(tǒng)的總壓力損失取∑△P=0.2 MPa，則有Pc=P+∑△P=0.7+0.2=0.9 MPa，為氣控系統(tǒng)預(yù)留一定的安全流量，同時方便空壓機(jī)選型，取空壓機(jī)輸出壓力Pc=1.0 MPa.

空壓機(jī)輸出流量Qp=k1×k2×k3×∑Qm=1.3×1.3×0.5×2310.5=1 952 L/min.

2.3 儲氣罐容積設(shè)計

當(dāng)外部停電空壓機(jī)停止工作，氣控系統(tǒng)僅靠儲氣罐儲存的壓縮空氣維持供氣，以保證氣控系統(tǒng)正常工作給定時間，按此條件計算儲氣罐的容積，計算公式如下：

式中：V 為儲氣罐容積，L；Pa為大氣壓力，MPa；P1為突然停電時儲氣罐內(nèi)壓力，MPa；P2為氣控系統(tǒng)允許的最低工作壓力，MPa；t為停電后維持氣控系統(tǒng)正常工作時間，s.

本文所述的氣控系統(tǒng)要求空壓機(jī)停止工作后，儲氣罐仍能維持氣控系統(tǒng)正常工作3 min，即t=300 s，由此計算儲氣罐的容積大小。其中，大氣壓力Pa=0.1 MPa，突然停電時儲氣罐內(nèi)壓力P1=1.0 MPa，氣控系統(tǒng)允許的最低工作壓力P2=0.7 MPa，則有：

即儲氣罐容積至少為1 925.5 L，才能保證氣控系統(tǒng)在空壓機(jī)停止供氣后仍能正常工作3 min.

3 結(jié)束語

針對炮彈自動拆解生產(chǎn)線，其主要采用氣動元件作為拆解過程各動作的執(zhí)行元件，因此需對其氣控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。本文通過描述該生產(chǎn)線的工作流程，引出其氣控系統(tǒng)的組成，并依據(jù)每個氣缸的工作參數(shù)，計算了單個氣缸的最大耗氣量與平均耗氣量、氣控系統(tǒng)的最大耗氣量與平均耗氣量；同時還計算了空壓機(jī)的需求輸出壓力與輸出流量，為空壓機(jī)選型提供指導(dǎo)；最后計算了儲氣罐容積，其儲存的壓縮空氣能保證氣控系統(tǒng)在空壓機(jī)停止供氣后仍能正常工作給定時間。