全自動(dòng)爆炸物品銷(xiāo)毀系統(tǒng)的研究

葛立芳，殷懷堂

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

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)淘汰、報(bào)廢和收繳廢舊爆炸物品數(shù)量的不斷積累，其安全銷(xiāo)毀逐漸引起相關(guān)部門(mén)的高度關(guān)注。但是目前廢舊爆炸物品的專(zhuān)業(yè)銷(xiāo)毀設(shè)備存在技術(shù)落后、自動(dòng)化程度不高、安全可靠性不足等缺點(diǎn)，成為爆炸物品安全銷(xiāo)毀的突出問(wèn)題[1-2]?，F(xiàn)階段部分地區(qū)只能參照民用爆炸物品的銷(xiāo)毀方式，利用傳統(tǒng)的燃燒法或爆炸法進(jìn)行銷(xiāo)毀[3]，這些方法均存在一定的安全隱患：①部分爆炸物品銷(xiāo)毀不能充分地燃燒、爆炸，殘?jiān)仨毥?jīng)過(guò)分揀與二次處理；②爆炸法本身使用的民爆物品危險(xiǎn)系數(shù)高，銷(xiāo)毀時(shí)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(xiāo)毀處理時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，所以對(duì)銷(xiāo)毀場(chǎng)地選擇要求苛刻，需將爆炸物品長(zhǎng)途集中運(yùn)往專(zhuān)用銷(xiāo)毀場(chǎng)地，運(yùn)輸成本及運(yùn)輸過(guò)程中的危險(xiǎn)性增加；④過(guò)期彈藥性質(zhì)十分不穩(wěn)定，運(yùn)輸、搬運(yùn)彈藥過(guò)程容易產(chǎn)生爆燃安全隱患，同時(shí)存在流失風(fēng)險(xiǎn)[4]；⑤在銷(xiāo)毀過(guò)程中由于靜電、雜散電流、近距離操作、沒(méi)有安裝防護(hù)隔板，威脅到操作人員的生命安全。

為解決專(zhuān)業(yè)銷(xiāo)毀技術(shù)欠缺的問(wèn)題，落實(shí)國(guó)家“軍民融合，軍轉(zhuǎn)民用”的戰(zhàn)略部署，研制了全自動(dòng)爆炸物品銷(xiāo)毀方艙，此銷(xiāo)毀方艙將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化、自動(dòng)化以及防靜電、雜散電流設(shè)計(jì)理念植入爆炸物品銷(xiāo)毀的全過(guò)程，是安全、可靠、就地銷(xiāo)毀爆炸物品的新裝備。

1 銷(xiāo)毀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的高機(jī)動(dòng)性，滿(mǎn)足設(shè)備的快速轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸及機(jī)動(dòng)銷(xiāo)毀作業(yè)，整套裝置置于方艙內(nèi)。系統(tǒng)自備移動(dòng)式發(fā)電電源，可以滿(mǎn)足在野外無(wú)市電情況下長(zhǎng)期銷(xiāo)毀作業(yè)的要求。

系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)方艙，機(jī)械臂投料機(jī)構(gòu)、銷(xiāo)毀機(jī)構(gòu)、燃燒裝置安裝于方艙內(nèi)。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC核心部件，配以HMI人機(jī)交互界面，為銷(xiāo)毀操作人員提供良好的人機(jī)接口。利用攝像機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀況，遠(yuǎn)程監(jiān)視各個(gè)工序動(dòng)作，使整個(gè)銷(xiāo)毀過(guò)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(yùn)機(jī)構(gòu)；5-機(jī)械臂；6-爐體機(jī)構(gòu)；7-排煙管；8-爐底；9-燃燒器；10-液壓閥組；11-遠(yuǎn)程控制箱；12-柴油發(fā)電機(jī)組；13-料斗機(jī)構(gòu)。圖1 全自動(dòng)爆炸物品銷(xiāo)毀方艙系統(tǒng)Fig.1 Fully automatic explosive destruction shelter system

1.1 銷(xiāo)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(qiáng)度，能滿(mǎn)足設(shè)備安裝和車(chē)載運(yùn)輸環(huán)境的要求。板片合攏時(shí)，在板片端面之間焊接金屬?gòu)澖羌?，以保證板片之間的連接強(qiáng)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(xiāo)毀安全，防止焚燒爐燃燒及銷(xiāo)毀過(guò)程中產(chǎn)生的高溫對(duì)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(gè)艙室，分別為配電艙室、銷(xiāo)毀艙室、取料艙室(見(jiàn)圖2)。

圖2 銷(xiāo)毀方艙Fig.2 Destruction shelter

方艙的調(diào)平裝置由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電氣控制機(jī)構(gòu)組成。①機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)：由支腿、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及方艙與支腿連接機(jī)構(gòu)組成。其中支腿是以液壓缸缸體為主體，加裝支腿底盤(pán)和防護(hù)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(dòng)機(jī)構(gòu)：可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，又將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)油液壓力、流量以及流量方向，實(shí)現(xiàn)支腿的伸縮。③電氣控制機(jī)構(gòu)：分為檢測(cè)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(cè)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(guò)程。銷(xiāo)毀方艙與轉(zhuǎn)載車(chē)輛到達(dá)銷(xiāo)毀場(chǎng)所，啟動(dòng)電氣控制系統(tǒng)，首先按動(dòng)支腿伸按鈕，液壓支腿支起方艙與載車(chē)脫離，此時(shí)，載車(chē)可駛離，待載車(chē)離開(kāi)方艙后，按動(dòng)支腿降按鈕，方艙四條支腿開(kāi)始收縮直至艙體與地面接近時(shí)停止，啟動(dòng)工作準(zhǔn)備按鈕，四條支腿根據(jù)地勢(shì)最高點(diǎn)開(kāi)始調(diào)平，使艙體處于水平狀態(tài)，準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行銷(xiāo)毀作業(yè)。當(dāng)需要排渣時(shí)，啟動(dòng)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(shí)，爐底翻板打開(kāi)，殘?jiān)懦觥?/p>

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(dòng)取料裝置

全自動(dòng)取料裝置用來(lái)向爐體輸送被銷(xiāo)毀物品，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全自動(dòng)操作，快速精準(zhǔn)地完成取料與投料的過(guò)程。

1)結(jié)構(gòu)組成。全自動(dòng)取料裝置主要由銷(xiāo)毀物品轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、銷(xiāo)毀物品投料機(jī)械臂、料斗機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成(見(jiàn)圖3)。①銷(xiāo)毀物品轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)采用懸掛設(shè)計(jì)方式，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中不會(huì)顛簸。②銷(xiāo)毀物品投料機(jī)械臂：機(jī)械臂由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、伸縮油缸、平衡油缸組成，通過(guò)位移傳感器和絕對(duì)值編碼器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)反饋，完成精確定位以及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。③料斗機(jī)構(gòu)：軌道采用阻尼設(shè)計(jì)，防止在下滑過(guò)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(xiāo)毀物品轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)；2-銷(xiāo)毀物品投料機(jī)械臂；3-料斗機(jī)構(gòu)；4-料盒回收裝置。圖3 全自動(dòng)取料裝置Fig.3 Fully automatic reclaiming device

2)工作過(guò)程。工作燈開(kāi)啟，將待處理的銷(xiāo)毀物品分揀后放入料斗機(jī)構(gòu)上，將料斗機(jī)構(gòu)置于轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)，鎖緊裝置起作用，運(yùn)送至方艙外，給出信號(hào)，料斗架上升至工作臂初始位置，鎖緊裝置松開(kāi)，料斗架自動(dòng)平移，置于初始位置，以備開(kāi)始工作，完成銷(xiāo)毀物品轉(zhuǎn)運(yùn)。遠(yuǎn)程操作給出信號(hào)，工作臂開(kāi)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(kāi)始運(yùn)送，臨近的料斗盒在重力的作用下到達(dá)抓取位置，運(yùn)送接近投料口時(shí)，防護(hù)門(mén)開(kāi)啟，平衡油缸縮回，物料倒入銷(xiāo)毀爐體內(nèi)，平衡油缸伸出，旋轉(zhuǎn)油缸運(yùn)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(jī)構(gòu)放置3排共18個(gè)料盒，以上工序自動(dòng)循環(huán)，完成一批次的投料。

3)性能指標(biāo)。銷(xiāo)毀雷管，完成一次循環(huán)投料20 s；銷(xiāo)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(xiāo)毀機(jī)構(gòu)

銷(xiāo)毀機(jī)構(gòu)是焚燒抗爆的主要載體。雷管、子彈等需銷(xiāo)毀物品在明火及熱的作用下會(huì)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(jì)綜合考慮單次銷(xiāo)毀藥量、效率、安全性等因素，設(shè)計(jì)爐體的抗爆能力為75 gTNT當(dāng)量，爐體主要技術(shù)參數(shù)根據(jù)下列公式計(jì)算得到：

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

(1)

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

爐體的設(shè)計(jì)厚度可用式(2)計(jì)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(qiáng)度；s為安全系數(shù)。

1)設(shè)備結(jié)構(gòu)。銷(xiāo)毀機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jì)，當(dāng)固體殘?jiān)枰懦鰰r(shí)，底板翻開(kāi)，銷(xiāo)毀的殘?jiān)谥亓Φ淖饔孟屡懦?，爐底有旋轉(zhuǎn)的凹槽，高溫下形成的液態(tài)金屬殘?jiān)樦疾哿魅牖厥蘸?見(jiàn)圖4)。

注：1-排煙管；2-爐體機(jī)構(gòu)；3-爐底。圖4 銷(xiāo)毀機(jī)構(gòu)Fig.4 Destruction mechanism

2)工作過(guò)程。當(dāng)開(kāi)始工作時(shí)，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(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將要銷(xiāo)毀的物料投入爐內(nèi)，持續(xù)銷(xiāo)毀。如果銷(xiāo)毀的是雷管，銷(xiāo)毀任務(wù)全部完成之后一次性排渣；如果銷(xiāo)毀的是子彈，根據(jù)子彈不同類(lèi)型，銷(xiāo)毀1～2 h要進(jìn)行一次除渣。

3)性能指標(biāo)。爐體容積：0.18 m3；爐體抗爆能力：75 gTNT當(dāng)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(xiāo)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(jìn)行調(diào)平，方艙四點(diǎn)調(diào)平的控制策略[4]起著至關(guān)重要的作用，方艙自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)由檢測(cè)單元與控制單元組成，檢測(cè)支腿高度與傳感器水平角度，經(jīng)信號(hào)變送和濾波后讀入控制器進(jìn)行程序控制，采用四點(diǎn)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(diǎn)支撐追逐式調(diào)平控制策略Fig.5 Four point support chasing leveling control strategy

2.2 機(jī)械臂投料全自動(dòng)控制技術(shù)

機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、伸縮油缸、平衡油缸之間配合通過(guò)有線(xiàn)遙控方式來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)了取料、投料、回收料斗盒的過(guò)程。此外在遙控器上設(shè)計(jì)了高、低速兩檔切換開(kāi)關(guān)，分別用于雷管和子彈兩種不同爆炸物品銷(xiāo)毀效率的調(diào)整。由于銷(xiāo)毀物品的品種不同，投料的間隔時(shí)間就不同，所以投料控制系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)銷(xiāo)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(xiāo)毀效率，匹配旋轉(zhuǎn)、伸縮速度，實(shí)現(xiàn)不同爆炸物品的銷(xiāo)毀效率。通過(guò)控制油液流量來(lái)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。由PLC和比例控制器控制，PLC輸出控制電信號(hào)，比例控制器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行PID放大和U/I轉(zhuǎn)換輸出控制比例電磁閥實(shí)現(xiàn)流量控制。同時(shí)，控制系統(tǒng)采集旋轉(zhuǎn)編碼器與拉線(xiàn)位移傳感器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)校正，從而提高各個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制精度。

3 可靠性驗(yàn)證及應(yīng)用

3.1 爐體安全可靠性試驗(yàn)

為檢測(cè)爐體是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)75 gTNT當(dāng)量的抗爆能力，采用分類(lèi)分批待銷(xiāo)毀量遞增的方式分別進(jìn)行了①50 gTNT藥柱爆炸試驗(yàn)；②75 gTNT藥柱爆炸試驗(yàn)；③45發(fā)8#雷管爆炸試驗(yàn)(約計(jì)相當(dāng)于75.6 gTNT當(dāng)量)，外殼為有色金屬材料。試驗(yàn)后，檢測(cè)部門(mén)給出了試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告，爆炸物品銷(xiāo)毀爐爐體無(wú)任何損傷。

3.2 爆炸物品銷(xiāo)毀試驗(yàn)

2019年4月，全自動(dòng)爆炸物品銷(xiāo)毀系統(tǒng)在湖北省武漢市江夏區(qū)進(jìn)行銷(xiāo)毀試驗(yàn)。銷(xiāo)毀試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，本次試驗(yàn)銷(xiāo)毀廢舊彈藥性能俱不穩(wěn)定，包括廢舊導(dǎo)爆管雷管4 000發(fā)；各類(lèi)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(xiāo)毀后殘?jiān)鐖D7所示。

圖6 銷(xiāo)毀試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Destruction test site

圖7 銷(xiāo)毀后殘?jiān)麱ig.7 Residue after destruction

此次銷(xiāo)毀作業(yè)共用時(shí)4 h，銷(xiāo)毀過(guò)程中從排煙管飛出的殘?jiān)钸h(yuǎn)距離為3 m、銷(xiāo)毀徹底。整個(gè)銷(xiāo)毀過(guò)程安全可靠、規(guī)范有序，通過(guò)對(duì)此次實(shí)爆銷(xiāo)毀試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，全自動(dòng)爆炸物品銷(xiāo)毀方艙與開(kāi)放式銷(xiāo)毀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

2)銷(xiāo)毀徹底。銷(xiāo)毀對(duì)象無(wú)需進(jìn)行二次處理，不留安全隱患；

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

4)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。爆炸物品的銷(xiāo)毀對(duì)場(chǎng)地沒(méi)有嚴(yán)格要求，系統(tǒng)的運(yùn)輸、展開(kāi)和撤收方便；

5)銷(xiāo)毀場(chǎng)地要求低。銷(xiāo)毀系統(tǒng)具備防爆性能，對(duì)銷(xiāo)毀場(chǎng)地要求不高，僅需半徑30 m的作業(yè)區(qū)域即可展開(kāi)銷(xiāo)毀，解決了廢舊彈藥運(yùn)輸成本高和流失風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題；

6)自動(dòng)化程度高，作業(yè)人員少。銷(xiāo)毀人員距離設(shè)備30 m以外進(jìn)行有線(xiàn)操控，完成取料、倒料、銷(xiāo)毀、排渣的自動(dòng)銷(xiāo)毀作業(yè)，確保銷(xiāo)毀人員的人身安全；

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

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)爆炸物品銷(xiāo)毀方艙以就地銷(xiāo)毀為目的，遠(yuǎn)程操控，安全實(shí)用，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，保證了操作人員的人身安全，提高了爆炸物品銷(xiāo)毀自動(dòng)化的工藝水平，對(duì)改善我國(guó)爆炸物品的銷(xiāo)毀現(xiàn)狀，具有借鑒與推廣意義。