新型煙花藥粉稱重混合機的研制

劉曉雯

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新型煙花藥粉稱重混合機的研制

劉曉雯

（唐山學院機電工程系，河北唐山，063000）

目前，煙花藥粉的稱重混合工序主要以手工操作為主，是長期制約煙花爆竹安全生產的高危工序。針對這一工序，研發了一種專門用于煙花爆竹各配料稱重、混合，并保證一定的稱重精度及混合均勻度的混合稱重機。基于粉體混合的定量計算及分析法，得出了混合度隨時間變化的曲線，確定了粉體最佳的混合時間，并驗算了藥粉主要成分在混合前后的最大比例誤差，結果完全滿足煙花生產要求。

煙花；藥粉；混合；稱重；混合均勻度

我國是煙花爆竹的發源地，也是世界上最大的煙花爆竹生產、出口國[1-2]。但目前煙花爆竹生產屬于以手工為主的勞動密集型產業[3]，特別是藥粉稱重、混合工序屬于高危工序，仍然停留在手工作坊階段[4-5]，不僅不易混合均勻、生產率低下、安全性差，而且難以生產出高質量的煙花產品。近年來，煙花行業研制開發了一些機械設備，但藥粉配比及混合質量不能精確保證，生產過程仍需要工人參與，且倒料時容易產生火花引發爆炸，釀成事故[6-7]。因此研發一種專用于稱重、混合煙花藥劑的稱重混合機很有必要。本研究不僅對稱重混合機的結構進行了設計，同時對粉體混合后的均勻程度進行了驗算，得出了稱重混合機工作的時間—混合度曲線，完成了稱重混合機的開發，并進行了實踐驗證，達到了預期目的。

1 稱重混合機方案設計

1.1 結構設計

稱重混合機主要由稱重部分和混合部分構成。其中，稱重部分的個數與粉料種類數相對應。具體結構如圖1所示。圖1中料斗與輸送管進料口相通，粉體加入到料斗后，步進電機動作，送料蝸桿把粉體送到托盤，當粉體的重量到達給定數值時，稱重傳感器發出信號，步進電機停止工作；同時，倒料氣缸動作，頂起托盤且與水平面呈一定角度時，倒料氣缸停止運動，托盤內粉體滑落至導料管道，倒料氣缸回縮至原位，同時混合電機帶動攪拌蝸桿轉動，實現錐形混合器中各配料的混合。混合完成后，卸料氣缸動作，卸料閥門打開，實現出料。

圖1 稱重混合機基本結構

1.2 工作原理

采用步進電機驅動送料蝸桿。由于蝸桿螺距均勻，所以送出料的體積及質量一定，通過限定步進電機步距角的個數及粉體在螺紋中的截面面積可控制送料量。稱重過程按快進九轉，然后用步距角修正的方法，完成自動稱重，修正過程中，每步進一定數量的步距角，稱一次重量，直到超過限定重量，從而保證了稱重精度。稱重后，卸料氣缸將電子稱托盤頂起，稱好的料經導料通道滑落到混合器中。為保證混合器內無死角、易出料和易清洗，其母線與水平面成45°夾角。攪拌蝸桿由混合電機驅動，實現各配料的混合。卸料閥門由卸料氣缸推動，實現出料。機架組件作為整體結構的支撐，其它機構都安裝在上面，具有較高的強度和剛度，以保證設備的穩定運轉。

1.3 設計關鍵點

（1）與火藥接觸的零部件均需使用工程塑料；（2）盡量避免使用電器產品。無法避免時，要選用防爆的；（3）如果無法避免使用非防爆的電器產品時，要采取用絕緣材料包裹的辦法處理。

2 粉體混合的均勻程度計算

粉體混合工藝是非常復雜的隨機過程，現采用數理統計分析法即粉體混合的定量計算及分析法。試驗條件：黑火藥為100~1 000μm的粗粉，一次進料總重量為5kg，填充系數=0.175，攪拌蝸桿轉速=20r/min，實驗時間=30min。

2.1 粉體采樣

采樣要綜合考慮所選取樣品“量”的多少以及取樣點的位置要求[8]。由于粉體混合工藝是一個動態的過程，故在粉體運動流中取樣比粉體靜止下取樣更精確。因此，本次實驗在錐形混合器出口處每間隔15s選取1個樣品，選取樣品總數為6個。

2.2 測定

測定取得的5個粉體樣品中示蹤物的濃度。分別用1、2、3、4、5、6表示。

2.3 統計和分析

采取式（1）表征粉體經連續混合的混合程度，即：

式（1）中：M為混合度；X為示蹤物在錐形混合器出口處的濃度；0為示蹤物在錐形混合器進口處的濃度；為示蹤物在錐形混合器出口處的平均濃度。經數學處理，得到混合度隨時間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 混合度隨時間的變化曲線

由圖2可知，粉體開始混合時，M趨近于0，此時尚未發生混合；隨著混合時間不斷增加，M逐漸增大，當=16min時，M達到最大值，趨近于理想均勻度（即M＝1）；隨著混合時間繼續增加，M逐漸減小，這是由于前期隨著蝸桿攪拌，粉體迅速混合，但當達到最佳均勻度時，若繼續混合，混合均勻度反向變化，且隨著混合過程不斷進行，混合和偏析反復進行，不能再達到最佳均勻度。因此，粉體最佳混合時間是16min。

3 混合前后藥劑最大比例誤差驗算

經檢測，本稱重混合機藥劑混合前后溫度、靜電電壓測試結果為：紅光劑和綠光劑混合前、后溫度分別為21.9℃和22.4℃，混合前、后靜電電壓均為0V，符合國家對煙花生產的要求[9]。對于經本稱重混合機混合紅光劑和綠光劑中的各成分在混合前后測量的數值如表1~2所示。

表1 混合前后紅光劑中各成分測量表

Tab.1 The component content of red light composition before and after mixing

表2 綠光劑中各成分測量表

Tab.2 The component content of green light composition before and after mixing

從表1和表2可以看出，紅光劑和綠光劑中的各成分在混合前后的最大比例誤差不大于10%。滿足國家對煙花生產的要求[10]。

4 結語

本研究設計了一種煙花稱重混合機，并基于粉體混合的定量計算及分析法，得出了混合度隨時間的變化曲線，確定了粉體最佳的混合時間，并驗算了藥劑中紅光劑和綠光劑的主要成分在混合前后的最大比例誤差不大于10%，滿足煙花生產的要求。目前，該稱重混合機設備已投產試用。設備不僅能提高生產率，減少事故發生，而且具有粉料配比精確、混合均勻的優點。錐形混合器45°斜角設計，利于出料，且混合器內無死角、易清洗。實踐證明，該稱重混合機達到了預期效果，值得推廣。

參考文獻：

[1] 周兆宏.禮花彈微煙裝藥的點傳火技術研究[D].南京:南京理工大學,2012.

[2] 李建平,李承政,王天勇,等.我國粉體造粒技術的現狀與展望[J].化工機械,2001(5):295-298.

[3] 田冰.固體混合設備原理與選擇[J].機電信息,2010(35): 23-31.

[4] Kansson, S. E. Magnusson and G. Holmstedt. FREIA-an expert system for fires and explosions in the process industry [J]. Loss. Prev. Ind., 1997,10(4):265-269.

[5] 勞允亮.起爆藥化學與工藝學[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[6] 馮元崴.高精度自動稱量系統在工業控制領域應用[J].自動化與儀表,2006(6):24-28.

[7] Philip Charsley. HAZOP and risk assessment [J].DNY Loss Control Management,1999(4):5-10.

[8] 呂飛.火藥組分在線連續計量加料及生產工藝研究[D].南京:南京理工大學,2013.

[9] 焦光前.政府規制與煙花爆竹生產安全[D].石河子:石河子大學,2009.

[10] 劉勁彪.湖南煙花爆竹產業行政監管體系研究及應用[D].長沙:國防科學技術大學,2005.

Design on A New Type of Mixing and Weighing Machine for Fireworks Composition

LIU Xiao-wen

(Department of Electromechanical Engineering, Tangshan College，Tangshan，063000)

At present, the mixing and weighing process of fireworks production is still operated by manual, which is high dangerous. Aimed at the problem, a special mixing and weighing machine for compositions was designed, and the mixing uniformity was tested. Based on the quantitative calculation and analysis of the mixture, the curves of the mixing degreetime was obtained, and the best mixing time was determined. Meanwhile, the maximum error of the components content of composition before and after mixing was calculated, which is showed to meet the requirement of fireworks production.

Fireworks；Composition；Mix；Weighing；Mixing uniformity

1003-1480（2016）04-0058-03

TQ567

A

2016-02-16

劉曉雯（1983 -），女，講師，主要從事機械設計、產品優化設計研究。