一種用于固態(tài)含能物料的自動(dòng)計(jì)量及輸送裝置研究

賀 飛，楊 浩，孫 陽

(長春設(shè)備工藝研究所，吉林 長春 130012)

在任何一種武器彈藥所需多組分混合的炸藥、發(fā)射藥、推進(jìn)劑、點(diǎn)火藥等藥劑所需配比制備方式中，各種組分含能材料的質(zhì)量和配比對(duì)藥劑質(zhì)量的影響都是不可忽視的[1]，隨著武器彈藥向高毀傷，打的更遠(yuǎn)、更準(zhǔn)等方向發(fā)展，多組分混合炸藥和雙基、三基推進(jìn)劑的應(yīng)用越來越廣泛[2]，隨之而來的問題就是如何進(jìn)行固態(tài)含能物料多組分、全自動(dòng)精確稱量。

過去的固態(tài)含能物料稱量一般采用人工操作高精度電子秤或機(jī)械天平來進(jìn)行稱量，這兩類設(shè)備盡管單次稱量比較精確，但在稱量固態(tài)含能物料時(shí)，需要在避風(fēng)的環(huán)境下操作[3-4]，因?yàn)榧?xì)微的干擾都可以讓精度電子秤和機(jī)械天平的讀數(shù)發(fā)生變化[5]。稱量完成后，還需人工添加到暫存容器或直接添加到藥筒等位置，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，人為因素干擾大，安全系數(shù)低。

針對(duì)提升彈藥生產(chǎn)質(zhì)量和效率的應(yīng)用需求，建立高效、高精度的固態(tài)含能物料自動(dòng)稱量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固態(tài)含能物料在生產(chǎn)制備過程中加料精度和速度精確控制，形成系統(tǒng)的稱量技術(shù)體系。

本研究將設(shè)計(jì)一種直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置，該裝置采用失重計(jì)量的方式，將高精度自動(dòng)稱量技術(shù)應(yīng)用到固態(tài)含能物料的生產(chǎn)制備過程中，研究自動(dòng)稱量技術(shù)在固態(tài)含能物料稱重應(yīng)用中的影響因素，提高稱量效率及稱量質(zhì)量，提高生產(chǎn)本質(zhì)安全性，減少危險(xiǎn)場(chǎng)合的人員數(shù)量，提高固態(tài)含能物料制備的自動(dòng)化程度。

1 直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置原理

通過安裝在秤臺(tái)上的稱重傳感器，稱重料斗中物料的質(zhì)量被實(shí)時(shí)反饋給控制器，控制器通過內(nèi)部算法得到單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量減少量(即實(shí)際流量)。根據(jù)實(shí)際流量與設(shè)定流量之間的差值，控制器輸出速度信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到精確的喂料要求[6]。

利用激振器使料槽振動(dòng)，從而使槽內(nèi)物料沿一定方向滑行或拋移的連續(xù)輸送機(jī)械。除激振機(jī)構(gòu)某些零部件外，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件很少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可輸送各種粒度的物料，能對(duì)易燃易爆的、多塵的物料實(shí)行封閉輸送。原理如圖1所示，通過激振器產(chǎn)生的激振力作用于工作輸送槽體時(shí)，槽體在主振彈簧的約束下做定向強(qiáng)迫振動(dòng)[7]。

當(dāng)槽體向前振動(dòng)時(shí)，依靠物料與槽體間的摩擦力把運(yùn)動(dòng)能量傳遞給物料，使物料加速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)物料的運(yùn)動(dòng)方向與槽體的振動(dòng)方向相同。

當(dāng)槽體向后振動(dòng)時(shí)，物料因受慣性作用，仍將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，槽體則從物料下面往后運(yùn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)中阻力的作用，物料越過一段槽體又落回槽體上。

當(dāng)槽體再次向前振動(dòng)時(shí)，物料又因受到加速而被輸送向前。如此重復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)物料的輸送。

2 直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置結(jié)構(gòu)

直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置(見圖2)主要由兩部分組成：直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送部分和物料減重稱量部分。

2.1 直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送部分

直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送部分主要由料斗、振動(dòng)加料料道、振動(dòng)源及支架等組成。物料從料斗的進(jìn)料口進(jìn)入料道中。與物料相接觸的機(jī)械部件均采用不銹鋼或銅材質(zhì)，通過振動(dòng)輸送的方式使物料前進(jìn)，并使物料輸送更加均勻流暢。

1)料斗。

稱重料斗為304不銹鋼薄板焊接，料斗容積為30 L，物料在稱重料斗內(nèi)向稱重傳感器施加載荷，傳感器將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送至失重秤儀表。

2)振動(dòng)加料料道。

振動(dòng)加料料道為不銹鋼薄板材質(zhì)，物料在振動(dòng)加料料道上向前運(yùn)動(dòng)，將物料由料斗出料位置輸送至多腔室捏合機(jī)加料位置。

3)振動(dòng)源。

采用氣動(dòng)活塞動(dòng)器，其利用空氣壓縮機(jī)排出的高壓氣體通過氣管接入振動(dòng)器進(jìn)氣口，當(dāng)氣體推動(dòng)活塞上行，活塞上氣室內(nèi)氣體受到擠壓，受擠壓的氣體通過排氣孔排出[8]。當(dāng)活塞上行至終點(diǎn)時(shí)，氣體通過槽和氣道自動(dòng)切換通氣方向，使氣體進(jìn)入活塞上氣室。進(jìn)氣口與排氣口有標(biāo)準(zhǔn)的管螺紋，能保證順暢排氣功能，排氣符合國際上的噪聲法規(guī)要求。

4)支架。

支架采用不銹鋼方形鋼管焊接而成，用于支承料斗和直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置。外形美觀大方，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可長期使用。

2.2 物料減重稱量部分

物料減重稱量部分主要由稱重傳感器、控制器、變頻器和觸摸屏組成。稱重傳感器負(fù)責(zé)質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集；控制器負(fù)責(zé)質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理及整個(gè)系統(tǒng)的控制；變頻器用于響應(yīng)控制器的控制信號(hào)并控制喂料電動(dòng)機(jī)；觸摸屏用于參數(shù)的設(shè)定及狀態(tài)觀測(cè)。

1)稱重傳感器。

稱重傳感器是失重式加料裝置的控制基礎(chǔ)，是保證喂料精度的前提。采用高精度稱重傳感器，將實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確地傳遞給控制器。稱重傳感器所承載器件在運(yùn)輸與工作過程中應(yīng)避免過載、撞擊和側(cè)向外力，以防止對(duì)稱重傳感器的損壞。加料裝置運(yùn)行過程中的外界干擾主要體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)、風(fēng)吹、人為推力和壓力等方面。加料裝置在使用過程中應(yīng)將外界干擾降到最低，以保證喂料精度。

2)控制器。

控制器功能全面，運(yùn)行穩(wěn)定，具有控制精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，是失重式喂料機(jī)的控制核心。采用MODBUS RTU通信協(xié)議、RS485接口方式，控制器提供了2個(gè)通信端口。通過MODBUS RTU通信協(xié)議，控制器可與觸摸屏、工控機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一臺(tái)觸摸屏可控制多臺(tái)控制器，構(gòu)成簡(jiǎn)單的主從式結(jié)構(gòu)。

原理簡(jiǎn)介：實(shí)時(shí)質(zhì)量信號(hào)經(jīng)由稱重傳感器傳輸?shù)娇刂破?，控制器?fù)責(zé)將稱重傳感器傳遞的模擬量質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高精度數(shù)字量信號(hào)，通過控制器內(nèi)部算法，控制器得到實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)[9]。通過內(nèi)部高效算法，對(duì)輸出給變頻器的轉(zhuǎn)速信號(hào)(4～20 mA模擬量信號(hào))進(jìn)行調(diào)整，使實(shí)際流量不斷趨近于設(shè)定流量，從而達(dá)到控制目的[10]。

3 直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置電氣控制系統(tǒng)

直線氣動(dòng)振動(dòng)物料輸送裝置具有遠(yuǎn)程在線啟動(dòng)、停止運(yùn)行控制功能，傳輸控制信號(hào)類型為RS485和4～20 mA。具有自鎖、互鎖、故障報(bào)警、工藝參數(shù)上下限報(bào)警、錯(cuò)誤自診斷及自動(dòng)停止功能。

電氣系統(tǒng)安全性高，所用元器件及線路配置質(zhì)量可靠，布局合理，方便日常點(diǎn)檢及維修。

控制系統(tǒng)主要由PLC及其擴(kuò)展功能模塊、觸摸屏、交換機(jī)、安全隔離柵、失重秤控制器、防爆稱重傳感器、電氣比例調(diào)節(jié)閥、本安開關(guān)、中間繼電器、控制按鈕、指示燈等電氣元件組成(見圖3)。

3.1 控制系統(tǒng)配置組成

控制系統(tǒng)由1臺(tái)西門子PLC及其擴(kuò)展功能模塊、5塊數(shù)字量輸入輸出模塊、1塊模擬量輸入模塊、1塊模擬量輸出模塊、1塊RS485通信模塊、1臺(tái)10寸觸摸屏、1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、2片數(shù)字量安全隔離柵、2片模擬量安全隔離柵、1臺(tái)失重秤控制器、1臺(tái)稱重傳感器、1臺(tái)電氣比例調(diào)節(jié)閥、中間繼電器、控制按鈕、指示燈、防爆接線箱等電氣元件組成。

PLC及其擴(kuò)展功能模塊、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、安全隔離柵、中間繼電器、控制按鈕、指示燈等電氣元件安裝在控制室內(nèi)的控制柜和操作臺(tái)內(nèi)。通過PLC內(nèi)部的控制程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)功能及手動(dòng)操作功能。

3.2 控制系統(tǒng)各設(shè)備功能

1)PLC及其擴(kuò)展功能模塊。采用西門子公司1200系列的產(chǎn)品，用于整套系統(tǒng)的自動(dòng)編程控制。擴(kuò)展功能模塊中模擬量輸出模塊通過輸出模擬量信號(hào)控制變頻器的轉(zhuǎn)速。

2)觸摸屏。具有顯示及設(shè)定各物料自動(dòng)定量加料參數(shù)、顯示實(shí)時(shí)流量、物料質(zhì)量等功能。

3)交換機(jī)。采用臺(tái)達(dá)公司的產(chǎn)品，用于PLC、觸摸屏信號(hào)傳輸，也可以與中控系統(tǒng)連接，進(jìn)行集中控制和數(shù)據(jù)記錄。

4)失重秤控制器。具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，通過防爆稱重傳感器采集的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出失重秤單位時(shí)間內(nèi)的給料量，與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果用來調(diào)整振動(dòng)源的振動(dòng)幅度，進(jìn)而控制失重秤的喂料精度，保證高喂料精度，精度可達(dá)±0.5%；通過RS-485通信協(xié)議與觸摸屏、PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。失重秤控制器用于控制固體粉末炸藥和松散裝纖維物料自動(dòng)定量加料，控制物料的給料量，保證給料精度?？刂破魇亲钚麻_發(fā)并研制的新一代微電腦控制器，其功能全面，運(yùn)行穩(wěn)定，具有控制精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，是失重式喂料機(jī)的控制核心。采用MODBUS RTU通信協(xié)議、RS485接口方式，控制器提供了2個(gè)通信端口。通過MODBUS RTU通信協(xié)議，控制器可與觸摸屏、工控機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一臺(tái)觸摸屏可控制多臺(tái)控制器，構(gòu)成簡(jiǎn)單的主從式結(jié)構(gòu)。

5)防爆稱重傳感器。采用托利多的高精度防爆波紋稱重傳感器，傳感器精度為：靈敏度≤0.01 mV/V，準(zhǔn)確度等級(jí)OIML R60 C3，不重復(fù)性≤0.01%R.C，非線性≤0.02%R.C；采用高精度稱重傳感器，將實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確地傳遞給控制器。稱重傳感器所承載器件在運(yùn)輸與工作過程中需避免過載、撞擊和側(cè)向外力，以防止對(duì)稱重傳感器的損壞。

6)電氣比例調(diào)節(jié)閥。用于調(diào)節(jié)振動(dòng)加料機(jī)的振動(dòng)幅度。電氣比例調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)閥芯的截面面積，從而達(dá)到調(diào)節(jié)壓力大小的目的。不同大小的壓力使氣動(dòng)振動(dòng)器產(chǎn)生不同大小的振動(dòng)幅度，使振動(dòng)加料機(jī)產(chǎn)生不同的加料速度。電氣比例調(diào)節(jié)閥控制壓力大小的過程是一種連續(xù)、無級(jí)調(diào)節(jié)控制，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序控制。

7)中間繼電器、控制按鈕、指示燈和防爆接線箱采用品牌公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，用于本地及遠(yuǎn)程控制回路設(shè)計(jì)、工藝操作及現(xiàn)場(chǎng)顯示設(shè)備運(yùn)行信號(hào)。

4 結(jié)語

在該裝置上進(jìn)行了固態(tài)含能物料試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)加料機(jī)在設(shè)定加料速度(125～330 g/min)的范圍內(nèi)，累計(jì)加料時(shí)間為110 min，統(tǒng)計(jì)平均加料精度為4.0‰，加料精度≤5‰。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，每一分鐘內(nèi)的實(shí)際加料量差距不大，說明在長時(shí)間的加料過程中，振動(dòng)加料機(jī)的加料精度能達(dá)到≤5‰。