銨油炸藥混裝車(chē)輸送計(jì)量精度影響因素的探討

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

近 年來(lái)，隨著國(guó)家不斷加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，工業(yè)炸藥作為一種特殊的材料發(fā)揮著不可替代的作用。工業(yè)炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)是將在地面站制備好的原材料或半成品運(yùn)送至爆破工地現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)混裝車(chē)現(xiàn)場(chǎng)制備成成品工業(yè)炸藥，并完成現(xiàn)場(chǎng)裝填的工作方式。其優(yōu)點(diǎn)是本質(zhì)安全，提高了爆破作業(yè)效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了爆破作業(yè)的機(jī)械化水平，節(jié)能環(huán)保，是工業(yè)炸藥最佳的生產(chǎn)模式。現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在工業(yè)炸藥總產(chǎn)量中占比由 2010 年的 14.82% 增加到 2018 年的 25.28%，2019 年1-8 月份現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥累計(jì)完成 75.7 萬(wàn) t，同比增加 9.95%，其中現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥增長(zhǎng)速度最快。《民用爆炸物品行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》和《工信部關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進(jìn)步指導(dǎo)意見(jiàn)》均指出：在現(xiàn)階段，鼓勵(lì)工業(yè)炸藥生產(chǎn)方式由固定生產(chǎn)線向現(xiàn)場(chǎng)混裝作業(yè)方式發(fā)展。由此可見(jiàn)，工業(yè)炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)是工業(yè)炸藥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向[1]。

銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)的輸送計(jì)量主要采用定量螺旋輸送計(jì)量系統(tǒng)，由螺旋輸送裝置和控制系統(tǒng)組成，螺旋輸送計(jì)量系統(tǒng)的運(yùn)行情況直接決定了物料計(jì)量精度的準(zhǔn)確性。隨著現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)的廣泛應(yīng)用，其計(jì)量精度越來(lái)越受到關(guān)注，直接影響到孔總裝藥量、炸藥組分的配比、單孔裝藥量和現(xiàn)場(chǎng)安全的實(shí)時(shí)控制等，對(duì)工業(yè)炸藥的成品質(zhì)量和爆破效果起著決定性的作用。影響螺旋輸送計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量精度的因素很多，其中包括物料的理化性質(zhì)、螺旋輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺旋轉(zhuǎn)速、控制系統(tǒng)、填充率等。目前，由中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)的銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全聯(lián)鎖裝置、自動(dòng)化控制和信息化采集等方面具有創(chuàng)新性，成套技術(shù)裝備達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。在此對(duì)影響銨油炸藥混裝車(chē)輸送計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量精度的因素進(jìn)行探討，并提出解決途徑，有助于全面提高輸送計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量精度。

1 輸送系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

銨油炸藥混裝車(chē)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由驅(qū)動(dòng)裝置、主螺旋(計(jì)量輸送)、提升螺旋(提升輸送)、側(cè)螺旋(混拌輸送)、筒體及出料口等組成。

圖1 銨油炸藥混裝車(chē)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of transportation system of ammonium oil explosive mixed loading truck

銨油炸藥混裝車(chē)工作原理如圖 2 所示，工作時(shí)需有 1 個(gè)地面站與其配套使用。地面站包括柴油貯罐及泵送系統(tǒng)和多孔粒狀硝酸銨上料系統(tǒng)。泵送系統(tǒng)將柴油送入混裝車(chē)柴油箱，上料系統(tǒng)將硝酸銨裝入混裝車(chē)干料箱。所需原材料均裝入車(chē)后，混裝車(chē)駛?cè)氡片F(xiàn)場(chǎng)。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，首先啟動(dòng)車(chē)上動(dòng)力設(shè)備，主螺旋將定量的多孔粒狀硝酸銨輸送至混裝車(chē)尾部，再由尾部的提升螺旋將硝酸銨提升到一定高度，和定量的柴油一起被輸送至側(cè)螺旋，充分混拌均勻后，由混裝車(chē)的側(cè)螺旋出料口快速定量輸送至炮孔中，完成裝藥工作[2-5]。

圖2 銨油炸藥混裝車(chē)工作原理Fig.2 Working principle of ammonium oil explosive mixed loading truck

銨油炸藥混裝車(chē)的輸送計(jì)量系統(tǒng)包括硝酸銨輸送計(jì)量系統(tǒng)和柴油輸送計(jì)量系統(tǒng)。實(shí)踐表明，硝酸銨輸送計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量精度是影響銨油炸藥混裝車(chē)計(jì)量精度的關(guān)鍵。

2 影響輸送系統(tǒng)計(jì)量精度的主要因素分析

螺旋輸送系統(tǒng)是利用輸送螺旋的旋轉(zhuǎn)將物料沿著筒體向前推進(jìn)，并在出料口完成卸料的輸送設(shè)備。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和維護(hù)方便，外形尺寸小，密封性好，具有攪拌和松散物料的功能，是一種實(shí)用性強(qiáng)的輸送裝置。影響輸送計(jì)量精度的因素很多，如輸送物料的理化性質(zhì)、螺旋輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺旋轉(zhuǎn)速、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、填充率等。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括輸送螺旋的螺距、螺旋外徑、軸頸以及料倉(cāng)的形狀等，應(yīng)綜合考慮物料的特性、螺旋直徑以及物料與螺旋面之間的摩擦，合理確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 硝酸銨理化性質(zhì)

(1)含水率的影響 多孔粒狀硝酸銨呈無(wú)色無(wú)臭的透明晶體或呈白色的晶體，極易溶于水，易吸濕結(jié)塊。硝酸銨含水率與輸送計(jì)量精度有密切的關(guān)系。硝酸銨存放時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)其理化特性會(huì)有所改變，當(dāng)硝酸銨吸濕后，表面會(huì)形成一層薄水膜，增大了硝酸銨的傳輸阻力，其傳輸效率隨含水量的增加而顯著下降。硝酸銨吸濕后極易結(jié)塊，其強(qiáng)度也隨含水率的增加而提高，結(jié)塊的硝酸銨嚴(yán)重影響計(jì)量效果。

(2)粒度的影響 硝酸銨的粒度也會(huì)影響其輸送計(jì)量精度。隨著硝酸銨粒度的減小，相互間接觸面積增大，單位體積內(nèi)的質(zhì)量也越大。硝酸銨粒度變化較大時(shí)，顆粒不均勻，帶有較多的細(xì)料，其堆積密度也會(huì)有所不同，進(jìn)而影響其輸送計(jì)量精度。

(3)孔隙度的影響 硝酸銨晶體表面多為毛細(xì)孔狀結(jié)構(gòu)，其吸濕性與其自身的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于較高的表面能，具有吸附外界水分子的作用。其表面的孔隙度越大，堆積密度越小。在配置多孔粒狀銨油炸藥時(shí)，要選用孔隙度大、吸油性強(qiáng)、堆積密度大的硝酸銨，以保證良好的計(jì)量精度要求。

2.2 輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)螺旋本體 螺旋本體作為螺旋計(jì)量系統(tǒng)的主要部件之一，主要由中部空心軸、兩端實(shí)心軸頭、螺旋葉片和卸料板組成。應(yīng)合理確定螺旋葉片下料直徑、軸直徑、螺距、螺旋本體葉片直徑等參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足自身的強(qiáng)度與剛度要求，又要防止在輸送計(jì)量過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，保證快速準(zhǔn)確送料。通過(guò)對(duì)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面的理論計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性和合理性，對(duì)保證產(chǎn)品計(jì)量精度有非常重要的作用。

(2)儲(chǔ)料倉(cāng) 儲(chǔ)料倉(cāng)為螺旋計(jì)量系統(tǒng)提供物料儲(chǔ)備，主螺旋底部機(jī)槽采用 V 形。為減輕對(duì)螺旋主軸的壓力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮螺旋主軸因儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)物料倉(cāng)壓及自身重力而產(chǎn)生的撓度，避免螺旋葉片對(duì)倉(cāng)底產(chǎn)生刮擦。

(3)螺旋轉(zhuǎn)速 主螺旋瞬時(shí)輸送量的計(jì)量精度取決于硝酸銨瞬時(shí)流速的測(cè)量精度，通常是通過(guò)測(cè)量主螺旋或液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)轉(zhuǎn)換成硝酸銨瞬時(shí)流速。在實(shí)際輸送過(guò)程中，硝酸銨既有螺旋前進(jìn)的橫向速度，也有縱向速度，均受主螺旋轉(zhuǎn)速的影響。

2.3 控制系統(tǒng)

螺旋計(jì)量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)控制和安全聯(lián)鎖保護(hù)功能，以 PLC 和工業(yè)控制屏為核心，通過(guò)傳感器對(duì)各螺旋的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將各螺旋的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給 PLC。PLC 控制和調(diào)節(jié)各單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)監(jiān)控與調(diào)節(jié)、超限報(bào)警、故障自診斷和聯(lián)鎖停機(jī)等工作，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)中各元器件的響應(yīng)速度對(duì)螺旋計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量精度有一定的影響，硝酸銨輸出量出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況快速、準(zhǔn)確地作出判斷，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓油溫度會(huì)影響螺旋計(jì)量系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的工作穩(wěn)定性，進(jìn)而影響螺旋轉(zhuǎn)速。實(shí)踐表明，液壓油溫度受工作負(fù)荷和環(huán)境溫度的影響，工作負(fù)荷越大，液壓油溫度越高，主螺旋轉(zhuǎn)速也隨之增大。在設(shè)計(jì)時(shí)，液壓系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié) 2 條回路，使計(jì)量傳感器、自動(dòng)調(diào)節(jié)和電腦控制形成閉環(huán)控制回路，保證硝酸銨原料計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2.5 填充率

填充率也叫充滿系數(shù)。主螺旋安裝在儲(chǔ)料倉(cāng)底部，一直埋在硝酸銨物料中，充滿系數(shù)取 1，也必須為 1，否則計(jì)量不準(zhǔn)。

3 解決途徑

3.1 硝酸銨的選擇

硝酸銨應(yīng)選擇同批次、存放時(shí)間短、顆粒均勻、同樣工藝條件生產(chǎn)的硝酸銨物料，在儲(chǔ)存過(guò)程中加強(qiáng)防潮措施，避免在儲(chǔ)存過(guò)程中大量吸濕。為了保證配置的多孔粒狀銨油炸藥具有良好的爆炸性能，應(yīng)選用吸油性強(qiáng)、孔隙度大、堆積密度大的硝酸銨。盡量不選用吸濕結(jié)塊、顆粒不均勻的硝酸銨，以避免影響計(jì)量精度。

3.2 螺旋輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)螺旋輸送系統(tǒng)時(shí)，選擇合適的螺旋筒體直徑和螺距，盡量減少筒體與葉片之間的間隙，從而減少筒體內(nèi)“緩動(dòng)層”硝酸銨的量。為了防止工作時(shí)螺旋主軸因倉(cāng)壓和自身重力對(duì)倉(cāng)底產(chǎn)生刮擦，對(duì)螺旋本體進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖 3)，其兩端采用實(shí)心軸頭，中部采用空心軸，螺旋葉片外緣增加了一層不發(fā)火非金屬耐磨片，這樣即使螺旋葉片與箱體產(chǎn)生輕微的刮擦，也不會(huì)產(chǎn)生火花或熱量積累引起燃燒。不發(fā)火非金屬耐磨片采用螺栓固定在螺旋葉片的外緣，螺母用點(diǎn)焊的方式固定。為了減輕倉(cāng)壓和解決蓬料問(wèn)題，選擇合理的主螺旋角蓬(見(jiàn)圖 4)，保證了倉(cāng)壓的穩(wěn)定和筒體內(nèi)的填充率。為了保證輸送的穩(wěn)定性，螺旋的轉(zhuǎn)速控制在 120 r/min 以內(nèi)。

圖3 主螺旋結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of main screw

圖4 角蓬結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural sketch of canopy

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要元器件，如傳感器、PLC、轉(zhuǎn)換器、人機(jī)界面等具有抗震性能好、精度高、反應(yīng)靈敏等性能。控制系統(tǒng)以 PLC 為核心主控單元，采用模糊-PID 混合智能控制法[6-7]，各螺旋均設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器，利用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換完成外部模擬量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，反饋至控制系統(tǒng)終端，通過(guò)與設(shè)定值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)有偏差時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主螺旋轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到閉環(huán)控制的效果。模糊-PID 混合智能控制原理如圖 5 所示。由于采用了特殊編程方式，系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間和掃描時(shí)間大大縮短，提高了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)量精度。

3.4 液壓系統(tǒng)

圖5 模糊-PID 混合智能控制原理Fig.5 Principle of fuzzy-PID hybrid intelligent control

為保證工作系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)自動(dòng)跟蹤配比，主螺旋馬達(dá)、斜螺旋馬達(dá)、側(cè)螺旋馬達(dá)和燃油泵馬達(dá)均采用比例閥控制，精準(zhǔn)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，按工藝參數(shù)精確控制各配比輸出。系統(tǒng)工作時(shí)，液壓油溫控制在 35～45 ℃ 為宜。為將液壓油的溫度變化控制在正常范圍內(nèi)，可采用模糊-PID 混合智能控制使系統(tǒng)平穩(wěn)工作。

3.5 定期維護(hù)保養(yǎng)與標(biāo)定

輸送系統(tǒng)使用壽命和可靠性很大程度上取決于設(shè)備的后期維護(hù)與保養(yǎng)，如定期更換液壓油、濾芯等。定期進(jìn)行硝酸銨的標(biāo)定與系統(tǒng)校準(zhǔn)，才能保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

該螺旋輸送計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用于中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)的 BCLH-15 型銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)。實(shí)踐表明，通過(guò)選擇合適的硝酸銨物料，在儲(chǔ)存過(guò)程中加強(qiáng)防潮措施，并對(duì)螺旋輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，主螺旋葉片外緣加裝非金屬耐磨材料，設(shè)計(jì)合理的角蓬結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)采用模糊-PID 混合智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并定期對(duì)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及標(biāo)定，輸送系統(tǒng)的計(jì)量精度可滿足現(xiàn)有的工藝要求。