自动化生产线火炸药粉末给料和称量方法探究

引言

在兵工生产中,火炸药粉末自动给料及称量一直是技术难点。不同于普通领域,火炸药粉末的给料和称量具有危险性大、精度要求高、操作技术要求高、对企业资质和安全生产要求高等特殊性,这就使得绝大部分传统、通用的行业(如包装等)及其设备、系统很难进入该领域。

火炸药粉末是由细小固体颗粒组成的集合体,具有以下特点:比表面积大,具有一定的流动性,受湿度、压力的影响较大,如湿度高则易结块,湿度低则易产生静电,压力大也会导致结块,越是微量药粉,其给料控制和称量难度越大。自动化生产线火炸药粉末给料和称量基本上分为两种:火工品类和战斗部类。火工品类火炸药是灵敏火炸药,特点是药量小,以克级计量,称量精度要求精确至毫克。战斗部类一般是钝化火炸药,药量比较大,一般为几十克,更大的甚至在几千克以上,称量精度一般要求精确至1g或0.1g。药量比较大的战斗部类火炸药,在称重环节往往要求给出比最终装药目标多一些的药量,多出来的药量会在压药完成后经过弹口清理和刮板成型等环节进行剔除,且在后期弹体装配完成后通过弹重分级的方法进行标定,因此称量环节的药量精度要求相对宽松。

针对火炸药粉末自动给料和称量问题的研究,对危险性大、操作技术要求高的自动化生产线有重要意义,特别是在生产自动化要求越来越高的形势下,对快速、安全、高效、故障率低的自动给料和称量技术研究需求尤为迫切。

微量火炸药给料和称量在自动化生产线上的技术控制重点和难点主要包括给料速度、给料精度、称量精度、倾倒速度、倾倒精度、防爆、防静电等,在具体设计中应重点关注料斗设计、给料方法、倾倒过程等。

1料斗设计

基于安全生产要求,火炸药粉末每次批量上料的当量有严格限制,称量现场不允许有大量的药粉存储,物料的供给采取定量定时上料的原则,其料斗设计一般很小。由于火炸药粉末本身的流动性与料斗的摩擦系数和形状都有关系,为避免火炸药粉末从料斗落下过程中结拱,一般设计上采用粉末从料斗的四个方向落下的速度设定差异化方法,即将料斗设计为四壁的倾斜角度各不相同。同时,还可以在料斗出口附近设计隔板和破拱锥,消除结拱条件,使火炸药粉末顺利落下。

2给料方法设计

2.2给料过程

通常的称量方式主要是天平补料称量。机械天平称量精度高,但稳定需要的时间较长,目前已经基本改为防爆电子天平。防爆电子天平也会存在一定的波动性,影响最终称量结果的精确度。人工进行精确补料过程中一旦出现超量的情况,则只能重新称量,称量效率比较低。

设计上可以将药粉的给料分成快速给料与精确给料两个过程,首先控制给料量快速达到目标药量的90%~95%,然后进入精确给料阶段:精确给料阶段仍然可以分成快速与慢速两个阶段,快速阶段从90%进给到98%~99%,然后通过精确进给达到称量的误差范围,这样就兼顾了给料效率和称量精确度。

2.2给料方法

给料的方法一般有:粗细双螺杆进给法、托盘振动

法、定容积法。

(1)粗细双螺杆进给法。粗细双螺杆给料方法指采用一个较大直径的螺杆对药粉进行螺旋推进给料,配合一个精密螺杆对药粉进行精细给料。双螺杆法在机械上并不复杂,但在工作过程中有一些问题需引起注意并在设计中予以考虑:1)会把颗粒状的药粉碾压成粉末,改变了药粉的物理性状,特别是密度:2)由于药粉之间的吸附作用,在螺杆挤出时,药粉并不会像沙粒一样随时滑落,而是会发生一定的结块,以结块的形式脱离出料口,这种落料机制造成了落料的精度难以控制,容易造成超重。

粗螺杆的外径较大、螺纹内腔室大,螺距内存储的火炸药粉物料多,每旋转一周推出的药粉也多,对药粉的压力较小,粉末结块发生得较少。当粉末从螺杆口端部脱落时,其行进的特性类似沙堆崩塌,螺杆转动过程中的落料量是不均衡的。计量螺杆停止位置,极大地影响着粉体称量的误差,如果每个给料循环的停止位都是不同的,那么给料量会有比较大的波动区间。

(2)托盘振动法。托盘振动法采用倾斜的料盘,以机械振动、电磁振动的方式控制药粉在料盘上移动。在快速进给阶段,料盘的倾斜幅度较大,药粉结合自身重力和振动,移动速度较快:在精确进给阶段,料盘的倾斜幅度减小,药粉移动速度降低。采用托盘振动法给料的过程中,药粉不会结块,性状改变小,给料精度高,但是相对的称量节拍就比较慢。

(3)定容积法。定容积法假定每个单位容积的药粉质量是一致的,一般由多个不同直径的圆柱在密闭性非常好的管道里面旋转,圆柱体表面带有下沉孔,可以是球形也可以是圆柱形。圆柱体的下沉孔转到上面时,药粉进入下沉孔,下沉孔转到下面时,里面的药粉下落,周而复始,形成连续给料。粗略进给时,用大容积沉孔:精确进给时,逐渐使用容积更小的沉孔。定容积法要求保持料斗里的药粉有良好的流动性,失去流动性就会导致不落料,降低落料称量的速度。定容积法称量为定量称量作业,对于变化量的称量作业,控制难度较大。

以上三种方式各有优势和局限性,通过对三种技术局限性的研究,对给料和称量方式及其装置进行改进,对于提高称量精度和效率,实现自动化的快、精、准作业具有重要意义。在三种不同的给料方式中,螺杆法、定容积法在快速给料方面有优势,螺杆法在多规格称量系统中有优势,托盘振动法在精确补料方面有优势。在实际设计中,可以考虑同时采用三种方法进行给料和称量,在同一设备中发挥三种方法的优势,如先用螺杆法快速给料到定量的92%~96%,再用定容积法或细螺杆从92%给料到99%,最后用托盘振动法进行精确给料。

3自动给料和称量设计

某典型工况实际需求为:10g计量精度应到1mg,能够自动给料、称量、自动落料并保证落料完整,能够自动倒料。以此工况为例,讨论设计中一般需注意的问题。

3.1防爆型称重传感器设计

药粉的称量涉及称重传感器、秤盘、倾倒机构等。称重传感器的选择必须考虑量程尽可能小,以期尽量提高称量精度。目前国内很多称重传感器的厂家已经能够生产本安型称重传感器,分级标准也能够达到1级秤以上的标准,但是在变送器的本安防爆方面,能够做到的厂家寥寥无几,其主要原因是面向火炸药的称重传感器需求较少,而且防爆等级较高,开发和认证周期长、投入高,还未必有足够的回报,企业不愿意投资研发相应的防爆型产品。经调研和选型,设计选用梅特勒-托利多本安型工业称重终端,检定分度数为30000,根据《电子称重仪表》(GB/T7724—2008)给出的分级标准,其符合Ⅱ级秤标准。

3.2避免称重传感器冲击设计

作为精密称量量具,在秤盘倾倒和复位过程中需避免对称重传感器的冲击,并确保秤盘复位精准。具体设计中对秤盘设计了气动顶升机构和气动翻转机构。气动顶升机构能够在称量过程中使秤盘与称重传感器接触,准确称重,称重完成后顶升秤盘,脱离称重传感器,并形成转轴。气动翻转气缸伸出,顶在秤盘的后方专用顶点处,使秤盘绕转轴转动,把药粉倒出。上述动作完成后,执行逆序动作,秤盘复位,进入下次称量状态。

3.3提高称重精度设计

在称量过程中,称重传感器的数据必须考虑到微量的药粉在空气中散落过程的累积。为了消除这种积累误差,要求尽量缩短落料的距离,但不能影响秤盘的翻转倒料。

3.4带转位功能的连续给料设计

如果称重结果超过目标重量的公差范围,本次称量属于失败称量,药粉不能进入模具型腔,而是要直接倒入回收桶。这就要求管道漏斗需有转位功能,既能够对准多个模具型腔,也能够对准回收桶。

在动态给料和动态称量过程中,需要设计包含给料、倒料控制策略的PID算法,对连续给料设备进行控制,在不同的给料阶段采用不同的给料策略。

3.5防爆终端控制系统设计

出于防爆安全考虑,将称量分装控制系统分为现场控制层、集散控制层和远程监控终端,三层之间采用现场总线方式进行通信(图1)。现场总线具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点,同时具有一定的时间确定性和较强的实时性,可满足称量系统对数据采集和动作控制的要求。执行元件选用FEsT0气动元件和防爆伺服电机,现场电气元件采用ExdIICT4标准的防爆箱进行隔爆。

3.6倾倒过程设计

倾倒过程指的是称量过程结束后,把粉末形式的火炸药从量具中自动倾倒到模具型腔的过程。在火炸药粉末倾倒过程中,量具秤盘要进行翻转,还要经过一个过渡性的管道或者漏斗,才能使火炸药落入模具型腔。对倾倒精度的研究主要是杜绝量具和管道漏斗等对火炸药粉末的吸附残留,影响称量后进入模具型腔药粉的质量,本工况设计中着重考虑了静电吸附、表面吸附等因素。

3.6.1静电吸附

导致静电产生的因素有很多。火炸药是高绝缘性物质,其体电阻率多在1012~1016Q·cm,生产中火炸药流动过程的摩擦、设备运动过程的摩擦、接触甚至分离导致静电,是主要的静电来源。一旦设备产生静电后,就会对粉末产生静电吸附,使药粉不能完全脱落。

消除静电最直接的方法是对设备各个部件,特别是料斗做全面良好的接地,应确保与药粉直接接触的设备部件接地电阻小于1Q,随时释放产生的静电。

3.6.2表面吸附

药粉与设备之间还存在分子间力吸附。设备表面的粗糙度决定了粉末分子与设备表面的接触面积,粗糙度高将直接阻挡粉末的滑动:粗糙度低则分子间接触面减小,分子间力会降低,使粉末滑动顺畅。另外,量具、管道、漏斗等的表面光洁度、倾倒角度等因素都会影响粉末的吸附残留。

为消除表面吸附效应,在具体设计选择与药粉接触的材质时,采用了具有防腐性能的高导电性金属材质,设备表面进行研磨、抛光等处理以降低表面粗糙度,金属产品接触表面的所有永久接头为连续焊接、抛光和无缺陷的,系统与产品接触的任何部分不允许有螺纹或紧固件等措施。

在药粉倾倒的过程中,结合采用振动法、敲打法,也能有效消除表面吸附。

4结语

本文讨论了火炸药自动化生产线给料和称量的主要过程及其设计中的主要技术难点,结合某典型工况探讨了具体设计中普遍难题的解决方案。该系统试运行安全性好、效率高、精度高,表明整体设计方案优良,针对技术难点的措施效果显著。该类系统设计确保安全是前提和基础,应根据总体工况的不同需求,合理、精准地设计技术方案,灵活、适当地选择方式方法和相应设备,采取实用的针对性措施解决普遍难题。