一種用于固態含能物料的自動計量及輸送裝置研究

賀 飛，楊 浩，孫 陽

(長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012)

在任何一種武器彈藥所需多組分混合的炸藥、發射藥、推進劑、點火藥等藥劑所需配比制備方式中，各種組分含能材料的質量和配比對藥劑質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、更準等方向發展，多組分混合炸藥和雙基、三基推進劑的應用越來越廣泛[2]，隨之而來的問題就是如何進行固態含能物料多組分、全自動精確稱量。

過去的固態含能物料稱量一般采用人工操作高精度電子秤或機械天平來進行稱量，這兩類設備盡管單次稱量比較精確，但在稱量固態含能物料時，需要在避風的環境下操作[3-4]，因為細微的干擾都可以讓精度電子秤和機械天平的讀數發生變化[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，工人勞動強度大，人為因素干擾大，安全系數低。

針對提升彈藥生產質量和效率的應用需求，建立高效、高精度的固態含能物料自動稱量技術，實現固態含能物料在生產制備過程中加料精度和速度精確控制，形成系統的稱量技術體系。

本研究將設計一種直線氣動振動物料輸送裝置，該裝置采用失重計量的方式，將高精度自動稱量技術應用到固態含能物料的生產制備過程中，研究自動稱量技術在固態含能物料稱重應用中的影響因素，提高稱量效率及稱量質量，提高生產本質安全性，減少危險場合的人員數量，提高固態含能物料制備的自動化程度。

1 直線氣動振動物料輸送裝置原理

通過安裝在秤臺上的稱重傳感器，稱重料斗中物料的質量被實時反饋給控制器，控制器通過內部算法得到單位時間內的質量減少量(即實際流量)。根據實際流量與設定流量之間的差值，控制器輸出速度信號控制電動機的轉速以達到精確的喂料要求[6]。

利用激振器使料槽振動，從而使槽內物料沿一定方向滑行或拋移的連續輸送機械。除激振機構某些零部件外，相對轉動部件很少，結構簡單，可輸送各種粒度的物料，能對易燃易爆的、多塵的物料實行封閉輸送。原理如圖1所示，通過激振器產生的激振力作用于工作輸送槽體時，槽體在主振彈簧的約束下做定向強迫振動[7]。

當槽體向前振動時，依靠物料與槽體間的摩擦力把運動能量傳遞給物料，使物料加速運動，此時物料的運動方向與槽體的振動方向相同。

當槽體向后振動時，物料因受慣性作用，仍將繼續向前運動，槽體則從物料下面往后運動，由于運動中阻力的作用，物料越過一段槽體又落回槽體上。

當槽體再次向前振動時，物料又因受到加速而被輸送向前。如此重復循環，實現物料的輸送。

2 直線氣動振動物料輸送裝置結構

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

2.1 直線氣動振動物料輸送部分

直線氣動振動物料輸送部分主要由料斗、振動加料料道、振動源及支架等組成。物料從料斗的進料口進入料道中。與物料相接觸的機械部件均采用不銹鋼或銅材質，通過振動輸送的方式使物料前進，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，物料在稱重料斗內向稱重傳感器施加載荷，傳感器將質量信號轉變成電信號送至失重秤儀表。

2)振動加料料道。

振動加料料道為不銹鋼薄板材質，物料在振動加料料道上向前運動，將物料由料斗出料位置輸送至多腔室捏合機加料位置。

3)振動源。

采用氣動活塞動器，其利用空氣壓縮機排出的高壓氣體通過氣管接入振動器進氣口，當氣體推動活塞上行，活塞上氣室內氣體受到擠壓，受擠壓的氣體通過排氣孔排出[8]。當活塞上行至終點時，氣體通過槽和氣道自動切換通氣方向，使氣體進入活塞上氣室。進氣口與排氣口有標準的管螺紋，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振動物料輸送裝置。外形美觀大方，保證結構穩定，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。稱重傳感器負責質量數據的采集；控制器負責質量數據的處理及整個系統的控制；變頻器用于響應控制器的控制信號并控制喂料電動機；觸摸屏用于參數的設定及狀態觀測。

1)稱重傳感器。

稱重傳感器是失重式加料裝置的控制基礎，是保證喂料精度的前提。采用高精度稱重傳感器，將實時質量數據完整準確地傳遞給控制器。稱重傳感器所承載器件在運輸與工作過程中應避免過載、撞擊和側向外力，以防止對稱重傳感器的損壞。加料裝置運行過程中的外界干擾主要體現在現場震動、風吹、人為推力和壓力等方面。加料裝置在使用過程中應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，運行穩定，具有控制精度高、響應速度快的特點，是失重式喂料機的控制核心。采用MODBUS RTU通信協議、RS485接口方式，控制器提供了2個通信端口。通過MODBUS RTU通信協議，控制器可與觸摸屏、工控機等進行數據交互。一臺觸摸屏可控制多臺控制器，構成簡單的主從式結構。

原理簡介：實時質量信號經由稱重傳感器傳輸到控制器，控制器負責將稱重傳感器傳遞的模擬量質量數據轉換為高精度數字量信號，通過控制器內部算法，控制器得到實時流量數據[9]。通過內部高效算法，對輸出給變頻器的轉速信號(4～20 mA模擬量信號)進行調整，使實際流量不斷趨近于設定流量，從而達到控制目的[10]。

3 直線氣動振動物料輸送裝置電氣控制系統

直線氣動振動物料輸送裝置具有遠程在線啟動、停止運行控制功能，傳輸控制信號類型為RS485和4～20 mA。具有自鎖、互鎖、故障報警、工藝參數上下限報警、錯誤自診斷及自動停止功能。

電氣系統安全性高，所用元器件及線路配置質量可靠，布局合理，方便日常點檢及維修。

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

3.1 控制系統配置組成

控制系統由1臺西門子PLC及其擴展功能模塊、5塊數字量輸入輸出模塊、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10寸觸摸屏、1臺網絡交換機、2片數字量安全隔離柵、2片模擬量安全隔離柵、1臺失重秤控制器、1臺稱重傳感器、1臺電氣比例調節閥、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及其擴展功能模塊、觸摸屏、網絡交換機、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的控制柜和操作臺內。通過PLC內部的控制程序，實現自動生產功能及手動操作功能。

3.2 控制系統各設備功能

1)PLC及其擴展功能模塊。采用西門子公司1200系列的產品，用于整套系統的自動編程控制。擴展功能模塊中模擬量輸出模塊通過輸出模擬量信號控制變頻器的轉速。

2)觸摸屏。具有顯示及設定各物料自動定量加料參數、顯示實時流量、物料質量等功能。

3)交換機。采用臺達公司的產品，用于PLC、觸摸屏信號傳輸，也可以與中控系統連接，進行集中控制和數據記錄。

4)失重秤控制器。具有強大的運算功能，通過防爆稱重傳感器采集的數據，實時計算出失重秤單位時間內的給料量，與設定值進行對比計算，計算結果用來調整振動源的振動幅度，進而控制失重秤的喂料精度，保證高喂料精度，精度可達±0.5%；通過RS-485通信協議與觸摸屏、PLC進行數據交換。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定量加料，控制物料的給料量，保證給料精度。控制器是最新開發并研制的新一代微電腦控制器，其功能全面，運行穩定，具有控制精度高、響應速度快的特點，是失重式喂料機的控制核心。采用MODBUS RTU通信協議、RS485接口方式，控制器提供了2個通信端口。通過MODBUS RTU通信協議，控制器可與觸摸屏、工控機等進行數據交互。一臺觸摸屏可控制多臺控制器，構成簡單的主從式結構。

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，準確度等級OIML R60 C3，不重復性≤0.01%R.C，非線性≤0.02%R.C；采用高精度稱重傳感器，將實時質量數據完整準確地傳遞給控制器。稱重傳感器所承載器件在運輸與工作過程中需避免過載、撞擊和側向外力，以防止對稱重傳感器的損壞。

6)電氣比例調節閥。用于調節振動加料機的振動幅度。電氣比例調節閥根據控制信號的大小來調節閥芯的截面面積，從而達到調節壓力大小的目的。不同大小的壓力使氣動振動器產生不同大小的振動幅度，使振動加料機產生不同的加料速度。電氣比例調節閥控制壓力大小的過程是一種連續、無級調節控制，能實現遠程程序控制。

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的產品，用于本地及遠程控制回路設計、工藝操作及現場顯示設備運行信號。

4 結語

在該裝置上進行了固態含能物料試驗，試驗結果表明，振動加料機在設定加料速度(125～330 g/min)的范圍內，累計加料時間為110 min，統計平均加料精度為4.0‰，加料精度≤5‰。

根據試驗結果的對比，每一分鐘內的實際加料量差距不大，說明在長時間的加料過程中，振動加料機的加料精度能達到≤5‰。