全自動爆炸物品銷毀系統(tǒng)的研究

葛立芳，殷懷堂

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100106；2.北京戎泰科技有限公司，北京 100195)

近年來，隨著國內(nèi)淘汰、報廢和收繳廢舊爆炸物品數(shù)量的不斷積累，其安全銷毀逐漸引起相關(guān)部門的高度關(guān)注。但是目前廢舊爆炸物品的專業(yè)銷毀設(shè)備存在技術(shù)落后、自動化程度不高、安全可靠性不足等缺點，成為爆炸物品安全銷毀的突出問題[1-2]?，F(xiàn)階段部分地區(qū)只能參照民用爆炸物品的銷毀方式，利用傳統(tǒng)的燃燒法或爆炸法進行銷毀[3]，這些方法均存在一定的安全隱患：①部分爆炸物品銷毀不能充分地燃燒、爆炸，殘渣必須經(jīng)過分揀與二次處理；②爆炸法本身使用的民爆物品危險系數(shù)高，銷毀時操作不規(guī)范極易發(fā)生爆炸事故，且易造成彈藥爆炸拋灑飛濺，造成流失；③爆炸物品銷毀處理時會對環(huán)境造成污染，所以對銷毀場地選擇要求苛刻，需將爆炸物品長途集中運往專用銷毀場地，運輸成本及運輸過程中的危險性增加；④過期彈藥性質(zhì)十分不穩(wěn)定，運輸、搬運彈藥過程容易產(chǎn)生爆燃安全隱患，同時存在流失風險[4]；⑤在銷毀過程中由于靜電、雜散電流、近距離操作、沒有安裝防護隔板，威脅到操作人員的生命安全。

為解決專業(yè)銷毀技術(shù)欠缺的問題，落實國家“軍民融合，軍轉(zhuǎn)民用”的戰(zhàn)略部署，研制了全自動爆炸物品銷毀方艙，此銷毀方艙將作業(yè)現(xiàn)場無人化、自動化以及防靜電、雜散電流設(shè)計理念植入爆炸物品銷毀的全過程，是安全、可靠、就地銷毀爆炸物品的新裝備。

1 銷毀系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)該系統(tǒng)的高機動性，滿足設(shè)備的快速轉(zhuǎn)場運輸及機動銷毀作業(yè)，整套裝置置于方艙內(nèi)。系統(tǒng)自備移動式發(fā)電電源，可以滿足在野外無市電情況下長期銷毀作業(yè)的要求。

系統(tǒng)采用標準方艙，機械臂投料機構(gòu)、銷毀機構(gòu)、燃燒裝置安裝于方艙內(nèi)。自動控制系統(tǒng)采用PLC核心部件，配以HMI人機交互界面，為銷毀操作人員提供良好的人機接口。利用攝像機采集現(xiàn)場圖像，并實時顯示設(shè)備運行狀況，遠程監(jiān)視各個工序動作，使整個銷毀過程可視化。整體布局如圖1所示。

注：1-方艙；2-電氣系統(tǒng)；3-升降支腿；4-轉(zhuǎn)運機構(gòu)；5-機械臂；6-爐體機構(gòu)；7-排煙管；8-爐底；9-燃燒器；10-液壓閥組；11-遠程控制箱；12-柴油發(fā)電機組；13-料斗機構(gòu)。圖1 全自動爆炸物品銷毀方艙系統(tǒng)Fig.1 Fully automatic explosive destruction shelter system

1.1 銷毀方艙

1)結(jié)構(gòu)組成。方艙艙體采用框架及大板結(jié)構(gòu)，每塊板片用鋼質(zhì)型材作為骨架，方艙大板有足夠的剛度和強度，能滿足設(shè)備安裝和車載運輸環(huán)境的要求。板片合攏時，在板片端面之間焊接金屬彎角件，以保證板片之間的連接強度(剛性連接)。板片與板片的內(nèi)、外拼角處安裝鋁包角，采用膠接加鉚接的方式，起到緊固、密封和裝飾的作用。防止產(chǎn)生靜電，方艙內(nèi)澆注防靜電地板，地板和艙底之間具有良好的泄漏靜電電荷通路，方艙內(nèi)部采用分艙室結(jié)構(gòu)，保證銷毀安全，防止焚燒爐燃燒及銷毀過程中產(chǎn)生的高溫對其他元器件造成影響，艙內(nèi)距離取料艙室外壁1 m與2 m處設(shè)置隔墻，隔墻使用保溫材料，將方艙分為3個艙室，分別為配電艙室、銷毀艙室、取料艙室(見圖2)。

圖2 銷毀方艙Fig.2 Destruction shelter

方艙的調(diào)平裝置由機械執(zhí)行機構(gòu)、液壓驅(qū)動機構(gòu)以及電氣控制機構(gòu)組成。①機械執(zhí)行機構(gòu)：由支腿、導向機構(gòu)以及方艙與支腿連接機構(gòu)組成。其中支腿是以液壓缸缸體為主體，加裝支腿底盤和防護罩；液壓缸與支腿底座采用球頭連接，底座采用雙層嵌套式結(jié)構(gòu)。②液壓驅(qū)動機構(gòu)：可將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，又將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，通過油液壓力、流量以及流量方向，實現(xiàn)支腿的伸縮。③電氣控制機構(gòu)：分為檢測顯示單元和控制單元兩部分，水平傳感器、壓力傳感器、顯示儀表為檢測顯示單元，可編程控制器、隔離繼電器等輔助繼電器為控制單元。

2)工作過程。銷毀方艙與轉(zhuǎn)載車輛到達銷毀場所，啟動電氣控制系統(tǒng)，首先按動支腿伸按鈕，液壓支腿支起方艙與載車脫離，此時，載車可駛離，待載車離開方艙后，按動支腿降按鈕，方艙四條支腿開始收縮直至艙體與地面接近時停止，啟動工作準備按鈕，四條支腿根據(jù)地勢最高點開始調(diào)平，使艙體處于水平狀態(tài)，準備就緒，可以進行銷毀作業(yè)。當需要排渣時，啟動一鍵排渣按鈕，四條支腿將方艙升至距地面800 mm處且按調(diào)平控制策略使方艙處于水平時，爐底翻板打開，殘渣排出。

3)外形尺寸：3 500 mm×2 200 mm×2 550 mm；質(zhì)量：6 500 kg；總功率：5.5 kW。

1.2 全自動取料裝置

全自動取料裝置用來向爐體輸送被銷毀物品，實現(xiàn)遠距離全自動操作，快速精準地完成取料與投料的過程。

1)結(jié)構(gòu)組成。全自動取料裝置主要由銷毀物品轉(zhuǎn)運機構(gòu)、銷毀物品投料機械臂、料斗機構(gòu)、傳動機構(gòu)組成(見圖3)。①銷毀物品轉(zhuǎn)運機構(gòu)：機構(gòu)采用懸掛設(shè)計方式，轉(zhuǎn)運過程中不會顛簸。②銷毀物品投料機械臂：機械臂由旋轉(zhuǎn)馬達、伸縮油缸、平衡油缸組成，通過位移傳感器和絕對值編碼器采集的數(shù)據(jù)進行PID調(diào)節(jié)反饋，完成精確定位以及動態(tài)調(diào)節(jié)。③料斗機構(gòu)：軌道采用阻尼設(shè)計，防止在下滑過程中料斗盒之間產(chǎn)生碰撞。④料盒回收裝置：采用滑軌式結(jié)構(gòu)，將投完料的空料盒滑入外部回收斗中。

注：1-銷毀物品轉(zhuǎn)運機構(gòu)；2-銷毀物品投料機械臂；3-料斗機構(gòu)；4-料盒回收裝置。圖3 全自動取料裝置Fig.3 Fully automatic reclaiming device

2)工作過程。工作燈開啟，將待處理的銷毀物品分揀后放入料斗機構(gòu)上，將料斗機構(gòu)置于轉(zhuǎn)運機構(gòu)，鎖緊裝置起作用，運送至方艙外，給出信號，料斗架上升至工作臂初始位置，鎖緊裝置松開，料斗架自動平移，置于初始位置，以備開始工作，完成銷毀物品轉(zhuǎn)運。遠程操作給出信號，工作臂開始工作，伸縮油缸根據(jù)位置傳感器反饋定位后，平衡油缸伸出，旋轉(zhuǎn)油缸開始運送，臨近的料斗盒在重力的作用下到達抓取位置，運送接近投料口時，防護門開啟，平衡油缸縮回，物料倒入銷毀爐體內(nèi)，平衡油缸伸出，旋轉(zhuǎn)油缸運送空料斗盒至回收位置，平衡油缸縮回，伸縮油缸下降，空料斗盒劃入回收斗中，完成一次投料。料架機構(gòu)放置3排共18個料盒，以上工序自動循環(huán)，完成一批次的投料。

3)性能指標。銷毀雷管，完成一次循環(huán)投料20 s；銷毀子彈，完成一次循環(huán)投料30 s；外形尺寸：830 mm×400 mm×1 250 mm。

1.3 銷毀機構(gòu)

銷毀機構(gòu)是焚燒抗爆的主要載體。雷管、子彈等需銷毀物品在明火及熱的作用下會燃燒或爆炸，產(chǎn)生的破片和沖擊波被限制在抗爆爐體內(nèi)，這就要求爐體要有足夠的抗爆能力。爐體的設(shè)計綜合考慮單次銷毀藥量、效率、安全性等因素，設(shè)計爐體的抗爆能力為75 gTNT當量，爐體主要技術(shù)參數(shù)根據(jù)下列公式計算得到：

炸藥在有限空間爆炸的最大準靜態(tài)壓力可用Carlsonl[5]提出的公式 (1)計算得到：

(1)

式中：p為準靜態(tài)壓力，MPa；m為炸藥的質(zhì)量(TNT當量)，kg；V為密閉空間的體積，m3。

爐體的設(shè)計厚度可用式(2)計算得到：

(2)

式中：δ為罐體的壁厚；p為壓力；d為罐體的外徑；σ為材料在相應(yīng)使用溫度下的抗拉強度；s為安全系數(shù)。

1)設(shè)備結(jié)構(gòu)。銷毀機構(gòu)組成包括以下部分：①排煙管：排煙管的排煙通道為“之”字形，防止破片飛出；②爐體機構(gòu)：爐體的材料選用優(yōu)質(zhì)耐熱鋼鑄造而成，極大地提高了爐體的抗爆性能。為提高爐體抗爆強度，爐體上下均采用喇叭口結(jié)構(gòu)；為提高爐體的保溫及隔熱性能，爐體外圍用厚約40 mm保溫材料包裹，外部用4 mm厚的鋁板罩面；③爐底：選用耐熱鋼鑄造，爐底采用液壓翻轉(zhuǎn)式設(shè)計，當固體殘渣需要排出時，底板翻開，銷毀的殘渣在重力的作用下排出，爐底有旋轉(zhuǎn)的凹槽，高溫下形成的液態(tài)金屬殘渣順著凹槽流入回收盒(見圖4)。

注：1-排煙管；2-爐體機構(gòu)；3-爐底。圖4 銷毀機構(gòu)Fig.4 Destruction mechanism

2)工作過程。當開始工作時，用鎖緊裝置將排煙管固定在爐體之上，爐膛溫度上升至300 ℃時，自動控制系統(tǒng)將要銷毀的物料投入爐內(nèi)，持續(xù)銷毀。如果銷毀的是雷管，銷毀任務(wù)全部完成之后一次性排渣；如果銷毀的是子彈，根據(jù)子彈不同類型，銷毀1～2 h要進行一次除渣。

3)性能指標。爐體容積：0.18 m3；爐體抗爆能力：75 gTNT當量；爐腔溫度：300～900 ℃(可調(diào))；爐體外型尺寸：直徑720 mm，高度800 mm。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 方艙快速調(diào)平技術(shù)

銷毀作業(yè)和排渣作業(yè)需要方艙處于水平狀態(tài)，要使方艙快速進行調(diào)平，方艙四點調(diào)平的控制策略[4]起著至關(guān)重要的作用，方艙自動調(diào)平控制系統(tǒng)由檢測單元與控制單元組成，檢測支腿高度與傳感器水平角度，經(jīng)信號變送和濾波后讀入控制器進行程序控制，采用四點支撐追逐式調(diào)平控制策略，先根據(jù)前后、左右兩水平傳感器的輸出數(shù)據(jù)，判斷出四條支腿中的最高支腿，該最高支腿不再升降，其余支腿根據(jù)“只升不降”原則，以不同順序或方式上升，直至方艙水平。調(diào)平控制策略如圖5所示。

圖5 四點支撐追逐式調(diào)平控制策略Fig.5 Four point support chasing leveling control strategy

2.2 機械臂投料全自動控制技術(shù)

機械臂的旋轉(zhuǎn)馬達、伸縮油缸、平衡油缸之間配合通過有線遙控方式來完成，從而實現(xiàn)了取料、投料、回收料斗盒的過程。此外在遙控器上設(shè)計了高、低速兩檔切換開關(guān)，分別用于雷管和子彈兩種不同爆炸物品銷毀效率的調(diào)整。由于銷毀物品的品種不同，投料的間隔時間就不同，所以投料控制系統(tǒng)以動態(tài)銷毀效率參數(shù)為核心，采用閉環(huán)PID控制算法，根據(jù)預(yù)設(shè)的銷毀效率，匹配旋轉(zhuǎn)、伸縮速度，實現(xiàn)不同爆炸物品的銷毀效率。通過控制油液流量來控制馬達轉(zhuǎn)速。由PLC和比例控制器控制，PLC輸出控制電信號，比例控制器對該信號進行PID放大和U/I轉(zhuǎn)換輸出控制比例電磁閥實現(xiàn)流量控制。同時，控制系統(tǒng)采集旋轉(zhuǎn)編碼器與拉線位移傳感器的相應(yīng)參數(shù)進行閉環(huán)檢測校正，從而提高各個系統(tǒng)的動態(tài)控制精度。

3 可靠性驗證及應(yīng)用

3.1 爐體安全可靠性試驗

為檢測爐體是否滿足設(shè)計技術(shù)指標75 gTNT當量的抗爆能力，采用分類分批待銷毀量遞增的方式分別進行了①50 gTNT藥柱爆炸試驗；②75 gTNT藥柱爆炸試驗；③45發(fā)8#雷管爆炸試驗(約計相當于75.6 gTNT當量)，外殼為有色金屬材料。試驗后，檢測部門給出了試驗檢測報告，爆炸物品銷毀爐爐體無任何損傷。

3.2 爆炸物品銷毀試驗

2019年4月，全自動爆炸物品銷毀系統(tǒng)在湖北省武漢市江夏區(qū)進行銷毀試驗。銷毀試驗現(xiàn)場如圖6所示，本次試驗銷毀廢舊彈藥性能俱不穩(wěn)定，包括廢舊導爆管雷管4 000發(fā)；各類廢舊子彈70 016發(fā)，其中51式橡皮子彈3 791發(fā)、64式橡皮子彈31 464發(fā)、空包彈604發(fā)、轉(zhuǎn)輪手槍彈1發(fā)、小口徑子彈8 704發(fā)、獵槍彈5 752發(fā)；大口徑子彈285發(fā)；制式雜彈19 415發(fā)，銷毀后殘渣如圖7所示。

圖6 銷毀試驗現(xiàn)場Fig.6 Destruction test site

圖7 銷毀后殘渣Fig.7 Residue after destruction

此次銷毀作業(yè)共用時4 h，銷毀過程中從排煙管飛出的殘渣最遠距離為3 m、銷毀徹底。整個銷毀過程安全可靠、規(guī)范有序，通過對此次實爆銷毀試驗進行分析研究，全自動爆炸物品銷毀方艙與開放式銷毀相比具有以下優(yōu)點：

1)安全性高。銷毀系統(tǒng)采用封閉式爐體銷毀作業(yè)的方式，具有隔熱、防靜電、防磁場與雜散電流的功能，滿足安全要求；

2)銷毀徹底。銷毀對象無需進行二次處理，不留安全隱患；

3)環(huán)保無污染。將在高溫下能溶解的金屬物質(zhì)(子彈銷毀過程產(chǎn)生的鉛、錫等)進行回收，再次利用，防止造成二次污染；

4)機動性強。爆炸物品的銷毀對場地沒有嚴格要求，系統(tǒng)的運輸、展開和撤收方便；

5)銷毀場地要求低。銷毀系統(tǒng)具備防爆性能，對銷毀場地要求不高，僅需半徑30 m的作業(yè)區(qū)域即可展開銷毀，解決了廢舊彈藥運輸成本高和流失風險的問題；

6)自動化程度高，作業(yè)人員少。銷毀人員距離設(shè)備30 m以外進行有線操控，完成取料、倒料、銷毀、排渣的自動銷毀作業(yè)，確保銷毀人員的人身安全；

7)銷毀效率高。自動銷毀系統(tǒng)正常銷毀效率值為：子彈12 000～36 000發(fā)/h，雷管8 000發(fā)/h，銷毀效率高。

4 結(jié)語

全自動爆炸物品銷毀方艙以就地銷毀為目的，遠程操控，安全實用，結(jié)構(gòu)緊湊，機動能力強，自動化程度高，保證了操作人員的人身安全，提高了爆炸物品銷毀自動化的工藝水平，對改善我國爆炸物品的銷毀現(xiàn)狀，具有借鑒與推廣意義。