一種工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

潘先峰 黃 嵩 張春燕

（中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，淮北 235000）

民爆行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)行業(yè)。與其他行業(yè)相比，民用爆炸物品對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全性和可靠性的要求更高。近年來(lái)發(fā)生了一系列民用爆炸物品生產(chǎn)事故，使得民爆行業(yè)的發(fā)展受到了高度重視?！豆I(yè)和信息化部關(guān)于建立民爆企業(yè)安全生產(chǎn)長(zhǎng)效機(jī)制的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《“十四五”民用爆炸物品行業(yè)安全發(fā)展規(guī)劃》等國(guó)家政策對(duì)推動(dòng)民爆行業(yè)智能制造和信息化建設(shè)，加快現(xiàn)有生產(chǎn)工藝、裝備和產(chǎn)品的升級(jí)換代，實(shí)施信息化、智能化技術(shù)改造，使生產(chǎn)線向少人化、無(wú)人化發(fā)展等做了明確要求，以期全面提高民爆行業(yè)裝備、技術(shù)和管理等水平，促進(jìn)民爆生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，采用智能化工藝技術(shù)與裝備，提高民爆行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度和本質(zhì)安全水平，保障民爆裝備與技術(shù)健康、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的工業(yè)炸藥包裝系統(tǒng)在一定程度上提高了炸藥包裝線的自動(dòng)化程度，系統(tǒng)整體功耗有所下降，可實(shí)現(xiàn)炸藥包裝線中的藥卷理料對(duì)齊、制袋成型、裝袋、抽真空以及熱封等工作，也可實(shí)現(xiàn)裝箱設(shè)備的開(kāi)箱、計(jì)數(shù)堆碼以及裝箱等工作。然而，包裝系統(tǒng)仍然存在如理料方式不夠完善、裝箱效率低、故障率較高、維護(hù)費(fèi)用昂貴、功能不齊全、設(shè)備體積大以及性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，是工業(yè)炸藥包裝系統(tǒng)高效生產(chǎn)的瓶頸。因此，急需設(shè)計(jì)一種智能化程度高、效率高、造價(jià)適中、體積小以及包裝方式安全的工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。

1 智能包裝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 包裝系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)原則

理想的工業(yè)炸藥包裝生產(chǎn)工藝應(yīng)該生產(chǎn)效率高、輔助作業(yè)少、能耗低，包裝產(chǎn)品均一性好、牢固、經(jīng)濟(jì)以及美觀。因此，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，工業(yè)炸藥包裝系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)[4-6]。

（1）技術(shù)先進(jìn)，工藝成熟。盡量采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工藝技術(shù)和裝備，工藝應(yīng)成熟、可靠、穩(wěn)定和實(shí)用。

（2）功能齊全，設(shè)備可靠。各設(shè)備要具備對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控的功能，與電氣裝置運(yùn)行必須可靠，且各工序間采取可靠的防殉爆技術(shù)措施。

（3）過(guò)程連續(xù)，故障率低。要實(shí)現(xiàn)包裝過(guò)程全連續(xù)自動(dòng)化、智能化作業(yè)，應(yīng)合理分配和優(yōu)化工序內(nèi)容，合理分配每臺(tái)設(shè)備的工序內(nèi)容，不要頻繁出現(xiàn)異常情況。

（4）經(jīng)濟(jì)合理，安全高效。各設(shè)備和工藝所需材料應(yīng)成本低廉，性價(jià)比高。考慮各工序本質(zhì)安全性和時(shí)間均衡，應(yīng)充分發(fā)揮整個(gè)生產(chǎn)線的效率，避免在部分設(shè)備中浪費(fèi)。

（5）定型完好，包裝牢固。包裝完成的箱體應(yīng)完好、規(guī)整和牢固，外觀質(zhì)量良好，符合《工業(yè)炸藥包裝》（GB 14493—2003）的技術(shù)要求。

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)通過(guò)對(duì)藥卷自動(dòng)分流、理料整列、計(jì)數(shù)堆碼、自動(dòng)開(kāi)箱、機(jī)器人抓取裝箱、中包裹包、動(dòng)態(tài)稱重剔除、投放資料、自動(dòng)封箱及捆扎后，經(jīng)過(guò)成品輸送裝置轉(zhuǎn)運(yùn)至裝車(chē)平臺(tái)，工藝流程如圖1所示。

1.3 智能包裝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.3.1 基本參數(shù)

根據(jù)民爆行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與包裝機(jī)組配置情況，確定本包裝系統(tǒng)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 包裝系統(tǒng)的基本參數(shù)

1.3.2 設(shè)備排列類型的選擇

包裝線按照包裝設(shè)備排列形式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)混合型3種類型。通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)分析可知，適合以串并聯(lián)混合型形式排列生產(chǎn)線。

包裝線按包裝設(shè)備連接特征的不同，可分為剛性型、柔性型和半柔性型3種類型，如圖2所示。圖2（a）為剛性型包裝線，被包裝物品完成前一道包裝工序后，由輸送設(shè)備直接輸送至下一道包裝設(shè)備。包裝設(shè)備之間沒(méi)有中間存儲(chǔ)設(shè)備，所有設(shè)備在同一節(jié)拍下工作。如果一臺(tái)設(shè)備在包裝線上出現(xiàn)故障，將引起全線停機(jī)。這類包裝線的特點(diǎn)是可靠性高。圖2（b）為柔性型包裝線，被包裝物品在包裝線上完成前一道包裝工序后，輸送至中間存儲(chǔ)設(shè)備，根據(jù)需要由輸送設(shè)備輸送至下一道工序，按預(yù)定要求進(jìn)行包裝。如果包裝線的一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，不會(huì)立即影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。圖2（c）為半柔性型包裝線，系統(tǒng)由若干個(gè)部分組成，每個(gè)部分內(nèi)的包裝設(shè)備以剛性連接，各部分之間以柔性連接。對(duì)工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)進(jìn)行分析，由于系統(tǒng)采用雙臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行工作，在包裝過(guò)程中存在步伐差異，故采用半柔性型包裝生產(chǎn)線，同時(shí)利用各工序間的皮帶輸送裝置作為中間存儲(chǔ)器，保證包裝線的正常工作，提高了包裝效率和包裝質(zhì)量。

1.3.3 包裝系統(tǒng)的布置形式

本包裝系統(tǒng)的排列布置形式根據(jù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則，采用直角型布置方式，力求做到生產(chǎn)線短、占地面積小、布局緊湊、整齊美觀以及操作、維修方便，如圖3所示。

從圖3可以看出，系統(tǒng)對(duì)包裝關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)之間動(dòng)作協(xié)調(diào)配合，采用藥卷智能理料整列、自動(dòng)計(jì)數(shù)堆碼、機(jī)器人自動(dòng)裝箱、整列套箱工藝以及智能監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了藥卷通過(guò)分料輸送裝置進(jìn)行自動(dòng)分流，后經(jīng)理料整列系統(tǒng)將姿態(tài)正確的藥卷送入計(jì)數(shù)堆碼裝置，將無(wú)序藥卷送入回料裝置重新理料，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)理料功能。藥卷通過(guò)計(jì)數(shù)堆碼裝置進(jìn)入稱重抓取平臺(tái)，通過(guò)稱重剔除，機(jī)器人將合格的藥卷抓取放入包裝箱內(nèi)，而稱重不符合的送至回料裝置重新理料。裝箱完成后，包裝箱進(jìn)入自動(dòng)封箱裝置折蓋封口，經(jīng)捆扎裝置后完成整個(gè)炸藥包裝工序，最后進(jìn)入成品輸送環(huán)節(jié)。

根據(jù)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，要滿足大于8.0 t·h-1的生產(chǎn)能力，包裝系統(tǒng)每小時(shí)要完成裝箱334箱。采用雙臺(tái)機(jī)器人工作，每臺(tái)機(jī)器人每小時(shí)要完成裝箱數(shù)為167箱，每分鐘要完成裝箱數(shù)約3箱，機(jī)器人每完成一箱裝箱要耗時(shí)20 s，可見(jiàn)機(jī)器人裝箱能力完全滿足系統(tǒng)要求。同時(shí)，對(duì)其他關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行分析，使各子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合，充分利用設(shè)備的性能，采用串并聯(lián)混合型排列與半柔性連接方式，一條分料輸送系統(tǒng)向兩條理料、計(jì)數(shù)堆碼、機(jī)器人裝箱系統(tǒng)供料。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)須人為干預(yù)，提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。

1.3.4 包裝系統(tǒng)生產(chǎn)率影響因素分析

包裝系統(tǒng)采用半柔性型生產(chǎn)線形式，包裝線由若干個(gè)區(qū)段組成，每個(gè)區(qū)段內(nèi)的包裝設(shè)備以剛性連接，各區(qū)段間以柔性連接，中間設(shè)置中間存儲(chǔ)器。它的包裝線的生產(chǎn)率可表示為[7]：

式中：Q為包裝線生產(chǎn)率；Tk為每個(gè)區(qū)段內(nèi)包裝設(shè)備工作的基本工藝時(shí)間之和；Tf為工作循環(huán)內(nèi)的輔助操作時(shí)間；Tn為循環(huán)外損失時(shí)間之和。

包裝系統(tǒng)中包裝機(jī)、輔助設(shè)備、控制系統(tǒng)等任一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)影響包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)率，因此影響包裝系統(tǒng)生產(chǎn)率的因素很多。系統(tǒng)分區(qū)段數(shù)的數(shù)量對(duì)生產(chǎn)率有影響，因此對(duì)包裝系統(tǒng)分區(qū)段時(shí)，應(yīng)注意減少循環(huán)外時(shí)間損失，提高生產(chǎn)率。

通過(guò)分析影響生產(chǎn)率的主要因素，為了提高包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)率，采取相應(yīng)的措施。

（1）在系統(tǒng)基本工藝時(shí)間一定的條件下，使包裝系統(tǒng)中基本工藝時(shí)間之和ΣTk與輔助操作時(shí)間Tf全部或部分重合，減少包裝系統(tǒng)中ΣTk、Tf、ΣTn。對(duì)不能重合的工藝，設(shè)計(jì)時(shí)盡量提高其工作速度，提高系統(tǒng)生產(chǎn)率。

（2）采用機(jī)械機(jī)構(gòu)取代氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)不會(huì)因氣壓、電網(wǎng)波動(dòng)等因素影響系統(tǒng)工作效率與可靠性。

（3）增加系統(tǒng)中包裝設(shè)備的數(shù)量，將工藝時(shí)間長(zhǎng)的包裝工序分散到若干個(gè)工位上聯(lián)合完成，減少系統(tǒng)基本工藝時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

（4）采用可靠的包裝設(shè)備，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，減少維修時(shí)間。

（5）減少輔助操作時(shí)間，如輸送裝置、轉(zhuǎn)向裝置、分流合流裝置以及中間儲(chǔ)存裝置等，盡量采用連續(xù)性包裝設(shè)備。

（6）提高包裝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和組織者的管理和運(yùn)行水平，最大限度地減少人為因素的影響。

（7）采用自動(dòng)連鎖保護(hù)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障自診斷和自動(dòng)報(bào)警，減少故障時(shí)間。

2 關(guān)鍵設(shè)備的安全設(shè)計(jì)

針對(duì)民爆行業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)備的材質(zhì)及性能直接影響生產(chǎn)安全。通過(guò)分析系統(tǒng)包裝過(guò)程可能存在的問(wèn)題，在對(duì)包裝設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)遵循機(jī)械安全技術(shù)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了本安全裝備。本包裝系統(tǒng)選用的設(shè)備和裝置主要采取如下安全措施。

（1）在設(shè)備選型時(shí)，采用低速、低壓、低噪聲設(shè)備。設(shè)置自動(dòng)監(jiān)控和報(bào)警裝置，若智能包裝系統(tǒng)發(fā)生故障，整條智能包裝系統(tǒng)進(jìn)行安全聯(lián)鎖控制、自動(dòng)停機(jī)，提高系統(tǒng)的安全性。

（2）與藥卷、箱體接觸的設(shè)備零部件表面光滑，設(shè)備材質(zhì)均選用不銹鋼材質(zhì)，與民爆物品的原材料、制品、成品無(wú)不良反應(yīng)，提高了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的安全性。

（3）設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上均無(wú)積料的死角，系統(tǒng)所有運(yùn)動(dòng)部件全部進(jìn)行防護(hù)，并采取防止?jié)櫥秃臀锪线M(jìn)入其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件的措施。

（4）設(shè)置安全保障措施，防止他人啟動(dòng)設(shè)備。當(dāng)維護(hù)人員工作時(shí)，避免操作人員誤操作受到機(jī)械傷害。

（5）在連續(xù)化包裝線工藝中，減少炸藥在線藥量和在線停留時(shí)間。各設(shè)備之間均采取防止傳爆的安全防范技術(shù)措施，增加了炸藥包裝的安全性。

（6）考慮到本包裝生產(chǎn)線各子系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作關(guān)系比較復(fù)雜，在民爆生產(chǎn)企業(yè)的車(chē)間有現(xiàn)成的真空裝置和壓縮空氣，選擇空氣壓力作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)的動(dòng)力，可減少額外投資。氣壓傳動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、干凈以及易清潔，易于安裝維護(hù)，使用安全，對(duì)沖擊負(fù)載和過(guò)載具有自我保護(hù)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，具有防火、防爆和耐潮等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)既要考慮企業(yè)生產(chǎn)工序的實(shí)際情況，又要結(jié)合民爆行業(yè)的特殊性及包裝新技術(shù)、新工藝的特點(diǎn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行增減，使包裝工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，是我國(guó)工業(yè)炸藥包裝工藝的發(fā)展方向。綜上所述，工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要嚴(yán)格遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以安全生產(chǎn)為目標(biāo)，采用連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化的專業(yè)包裝設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理性布局，形成連續(xù)、高效的包裝工藝。智能包裝系統(tǒng)的工藝與技術(shù)已逐步成熟，提高了民爆行業(yè)工業(yè)炸藥包裝過(guò)程的自動(dòng)化、智能化水平和生產(chǎn)效率，保障了生產(chǎn)人員的安全，在民爆生產(chǎn)企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。