自動化生產(chǎn)線火炸藥粉末給料和稱量方法探究

黃鳳軍　劉小鋒　李永坤　張靜靜　崔翔

摘 要：闡述了自動化生產(chǎn)線火炸藥粉末給料和稱量的主要方法、特點、環(huán)節(jié)以及涉及的主要技術(shù)要求和普遍性難題。結(jié)合某典型工況需求的設(shè)計過程，從料斗設(shè)計、給料方法、自動給料和稱量幾個方面，討論了重難點的解決方案和針對性措施。系統(tǒng)試運行結(jié)果表明該方案優(yōu)良，針對技術(shù)難點的措施有效且效果顯著。

關(guān)鍵詞：自動化生產(chǎn)線;火炸藥粉末;給料;稱量;設(shè)計

中圖分類號：TQ560.5? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0079-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.022

0? ? 引言

在兵工生產(chǎn)中，火炸藥粉末自動給料及稱量一直是技術(shù)難點。不同于普通領(lǐng)域，火炸藥粉末的給料和稱量具有危險性大、精度要求高、操作技術(shù)要求高、對企業(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)很難進入該領(lǐng)域。

火炸藥粉末是由細小固體顆粒組成的集合體，具有以下特點：比表面積大，具有一定的流動性，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，壓力大也會導致結(jié)塊[1]，越是微量藥粉，其給料控制和稱量難度越大。自動化生產(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?；鸸て奉惢鹫ㄋ幨庆`敏火炸藥，特點是藥量小，以克級計量，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1 g或0.1 g。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多一些的藥量，多出來的藥量會在壓藥完成后經(jīng)過彈口清理和刮板成型等環(huán)節(jié)進行剔除，且在后期彈體裝配完成后通過彈重分級的方法進行標定，因此稱量環(huán)節(jié)的藥量精度要求相對寬松。

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

微量火炸藥給料和稱量在自動化生產(chǎn)線上的技術(shù)控制重點和難點主要包括給料速度、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)計中應重點關(guān)注料斗設(shè)計、給料方法、傾倒過程等。

1? ? 料斗設(shè)計

基于安全生產(chǎn)要求，火炸藥粉末每次批量上料的當量有嚴格限制，稱量現(xiàn)場不允許有大量的藥粉存儲，物料的供給采取定量定時上料的原則，其料斗設(shè)計一般很小。由于火炸藥粉末本身的流動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)計上采用粉末從料斗的四個方向落下的速度設(shè)定差異化方法，即將料斗設(shè)計為四壁的傾斜角度各不相同。同時，還可以在料斗出口附近設(shè)計隔板和破拱錐，消除結(jié)拱條件，使火炸藥粉末順利落下[2]。

2? ? 給料方法設(shè)計

2.1? ? 給料過程

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

設(shè)計上可以將藥粉的給料分成快速給料與精確給料兩個過程，首先控制給料量快速達到目標藥量的90%～95%，然后進入精確給料階段;精確給料階段仍然可以分成快速與慢速兩個階段，快速階段從90%進給到98%～99%，然后通過精確進給達到稱量的誤差范圍，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：粗細雙螺桿進給法、托盤振動法、定容積法。

（1）粗細雙螺桿進給法。粗細雙螺桿給料方法指采用一個較大直徑的螺桿對藥粉進行螺旋推進給料，配合一個精密螺桿對藥粉進行精細給料。雙螺桿法在機械上并不復雜，但在工作過程中有一些問題需引起注意并在設(shè)計中予以考慮：1）會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，藥粉并不會像沙粒一樣隨時滑落，而是會發(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)存儲的火炸藥粉物料多，每旋轉(zhuǎn)一周推出的藥粉也多，對藥粉的壓力較小，粉末結(jié)塊發(fā)生得較少。當粉末從螺桿口端部脫落時，其行進的特性類似沙堆崩塌，螺桿轉(zhuǎn)動過程中的落料量是不均衡的。計量螺桿停止位置，極大地影響著粉體稱量的誤差，如果每個給料循環(huán)的停止位都是不同的，那么給料量會有比較大的波動區(qū)間。

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

（3）定容積法。定容積法假定每個單位容積的藥粉質(zhì)量是一致的，一般由多個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，藥粉進入下沉孔，下沉孔轉(zhuǎn)到下面時，里面的藥粉下落，周而復始，形成連續(xù)給料。粗略進給時，用大容積沉孔;精確進給時，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性，失去流動性就會導致不落料，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)勢和局限性，通過對三種技術(shù)局限性的研究，對給料和稱量方式及其裝置進行改進，對于提高稱量精度和效率，實現(xiàn)自動化的快、精、準作業(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，螺桿法在多規(guī)格稱量系統(tǒng)中有優(yōu)勢，托盤振動法在精確補料方面有優(yōu)勢。在實際設(shè)計中，可以考慮同時采用三種方法進行給料和稱量，在同一設(shè)備中發(fā)揮三種方法的優(yōu)勢，如先用螺桿法快速給料到定量的92%～96%，再用定容積法或細螺桿從92%給料到99%，最后用托盤振動法進行精確給料。

3? ? 自動給料和稱量設(shè)計

某典型工況實際需求為：10 g計量精度應到1 mg，能夠自動給料、稱量、自動落料并保證落料完整，能夠自動倒料。以此工況為例，討論設(shè)計中一般需注意的問題。

3.1? ? 防爆型稱重傳感器設(shè)計

藥粉的稱量涉及稱重傳感器、秤盤、傾倒機構(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，分級標準也能夠達到Ⅱ級秤以上的標準，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，而且防爆等級較高，開發(fā)和認證周期長、投入高，還未必有足夠的回報，企業(yè)不愿意投資研發(fā)相應的防爆型產(chǎn)品。經(jīng)調(diào)研和選型，設(shè)計選用梅特勒-托利多本安型工業(yè)稱重終端，檢定分度數(shù)為30 000，根據(jù)《電子稱重儀表》（GB/T 7724—2008）給出的分級標準，其符合Ⅱ級秤標準[3]。

3.2? ? 避免稱重傳感器沖擊設(shè)計

作為精密稱量量具，在秤盤傾倒和復位過程中需避免對稱重傳感器的沖擊，并確保秤盤復位精準。具體設(shè)計中對秤盤設(shè)計了氣動頂升機構(gòu)和氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。氣動頂升機構(gòu)能夠在稱量過程中使秤盤與稱重傳感器接觸，準確稱重，稱重完成后頂升秤盤，脫離稱重傳感器，并形成轉(zhuǎn)軸。氣動翻轉(zhuǎn)氣缸伸出，頂在秤盤的后方專用頂點處，使秤盤繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，把藥粉倒出。上述動作完成后，執(zhí)行逆序動作，秤盤復位，進入下次稱量狀態(tài)。

3.3? ? 提高稱重精度設(shè)計

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

如果稱重結(jié)果超過目標重量的公差范圍，本次稱量屬于失敗稱量，藥粉不能進入模具型腔，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)识鄠€模具型腔，也能夠?qū)驶厥胀啊?/p>

在動態(tài)給料和動態(tài)稱量過程中，需要設(shè)計包含給料、倒料控制策略的PID算法，對連續(xù)給料設(shè)備進行控制，在不同的給料階段采用不同的給料策略[1]。

3.5? ? 防爆終端控制系統(tǒng)設(shè)計

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、集散控制層和遠程監(jiān)控終端，三層之間采用現(xiàn)場總線方式進行通信（圖1）?，F(xiàn)場總線具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點，同時具有一定的時間確定性和較強的實時性，可滿足稱量系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和動作控制的要求[2]。執(zhí)行元件選用FESTO氣動元件和防爆伺服電機，現(xiàn)場電氣元件采用ExdIICT4標準的防爆箱進行隔爆。

3.6? ? 傾倒過程設(shè)計

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，量具秤盤要進行翻轉(zhuǎn)，還要經(jīng)過一個過渡性的管道或者漏斗，才能使火炸藥落入模具型腔。對傾倒精度的研究主要是杜絕量具和管道漏斗等對火炸藥粉末的吸附殘留，影響稱量后進入模具型腔藥粉的質(zhì)量，本工況設(shè)計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1012～1016 Ω·cm[3]，生產(chǎn)中火炸藥流動過程的摩擦、設(shè)備運動過程的摩擦、接觸甚至分離導致靜電，是主要的靜電來源。一旦設(shè)備產(chǎn)生靜電后，就會對粉末產(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設(shè)備各個部件，特別是料斗做全面良好的接地，應確保與藥粉直接接觸的設(shè)備部件接地電阻小于1 Ω，隨時釋放產(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;粗糙度低則分子間接觸面減小，分子間力會降低，使粉末滑動順暢。另外，量具、管道、漏斗等的表面光潔度、傾倒角度等因素都會影響粉末的吸附殘留。

為消除表面吸附效應，在具體設(shè)計選擇與藥粉接觸的材質(zhì)時，采用了具有防腐性能的高導電性金屬材質(zhì)，設(shè)備表面進行研磨、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化生產(chǎn)線給料和稱量的主要過程及其設(shè)計中的主要技術(shù)難點，結(jié)合某典型工況探討了具體設(shè)計中普遍難題的解決方案。該系統(tǒng)試運行安全性好、效率高、精度高，表明整體設(shè)計方案優(yōu)良，針對技術(shù)難點的措施效果顯著。該類系統(tǒng)設(shè)計確保安全是前提和基礎(chǔ)，應根據(jù)總體工況的不同需求，合理、精準地設(shè)計技術(shù)方案，靈活、適當?shù)剡x擇方式方法和相應設(shè)備，采取實用的針對性措施解決普遍難題。

[參考文獻]

[1] 王江華.超細粉末自動包裝配重系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].南昌：南昌大學，2018.

[2] 彭博.粉末包裝精密計量系統(tǒng)的設(shè)計與分析[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2017.

[3] 許多學，關(guān)立峰，殷明，等.炸藥自動稱量系統(tǒng)靜電測試及防護措施[C]//全國危險物質(zhì)與安全應急技術(shù)研討會論文集（下），2011：437-442.

收稿日期：2022-03-08

作者簡介：黃鳳軍（1974—），男，遼寧清原人，工程碩士，高級工程師，研究方向：特種裝備研制生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控。