一种用于固态含能物料的自动计量及输送装置研究

贺 飞，杨 浩，孙 阳

(长春设备工艺研究所，吉林 长春 130012)

在任何一种武器弹药所需多组分混合的炸药、发射药、推进剂、点火药等药剂所需配比制备方式中，各种组分含能材料的质量和配比对药剂质量的影响都是不可忽视的[1]，随着武器弹药向高毁伤，打的更远、更准等方向发展，多组分混合炸药和双基、三基推进剂的应用越来越广泛[2]，随之而来的问题就是如何进行固态含能物料多组分、全自动精确称量。

过去的固态含能物料称量一般采用人工操作高精度电子秤或机械天平来进行称量，这两类设备尽管单次称量比较精确，但在称量固态含能物料时，需要在避风的环境下操作[3-4]，因为细微的干扰都可以让精度电子秤和机械天平的读数发生变化[5]。称量完成后，还需人工添加到暂存容器或直接添加到药筒等位置，工人劳动强度大，人为因素干扰大，安全系数低。

针对提升弹药生产质量和效率的应用需求，建立高效、高精度的固态含能物料自动称量技术，实现固态含能物料在生产制备过程中加料精度和速度精确控制，形成系统的称量技术体系。

本研究将设计一种直线气动振动物料输送装置，该装置采用失重计量的方式，将高精度自动称量技术应用到固态含能物料的生产制备过程中，研究自动称量技术在固态含能物料称重应用中的影响因素，提高称量效率及称量质量，提高生产本质安全性，减少危险场合的人员数量，提高固态含能物料制备的自动化程度。

1 直线气动振动物料输送装置原理

通过安装在秤台上的称重传感器，称重料斗中物料的质量被实时反馈给控制器，控制器通过内部算法得到单位时间内的质量减少量(即实际流量)。根据实际流量与设定流量之间的差值，控制器输出速度信号控制电动机的转速以达到精确的喂料要求[6]。

利用激振器使料槽振动，从而使槽内物料沿一定方向滑行或抛移的连续输送机械。除激振机构某些零部件外，相对转动部件很少，结构简单，可输送各种粒度的物料，能对易燃易爆的、多尘的物料实行封闭输送。原理如图1所示，通过激振器产生的激振力作用于工作输送槽体时，槽体在主振弹簧的约束下做定向强迫振动[7]。

当槽体向前振动时，依靠物料与槽体间的摩擦力把运动能量传递给物料，使物料加速运动，此时物料的运动方向与槽体的振动方向相同。

当槽体向后振动时，物料因受惯性作用，仍将继续向前运动，槽体则从物料下面往后运动，由于运动中阻力的作用，物料越过一段槽体又落回槽体上。

当槽体再次向前振动时，物料又因受到加速而被输送向前。如此重复循环，实现物料的输送。

2 直线气动振动物料输送装置结构

直线气动振动物料输送装置(见图2)主要由两部分组成：直线气动振动物料输送部分和物料减重称量部分。

2.1 直线气动振动物料输送部分

直线气动振动物料输送部分主要由料斗、振动加料料道、振动源及支架等组成。物料从料斗的进料口进入料道中。与物料相接触的机械部件均采用不锈钢或铜材质，通过振动输送的方式使物料前进，并使物料输送更加均匀流畅。

1)料斗。

称重料斗为304不锈钢薄板焊接，料斗容积为30 L，物料在称重料斗内向称重传感器施加载荷，传感器将质量信号转变成电信号送至失重秤仪表。

2)振动加料料道。

振动加料料道为不锈钢薄板材质，物料在振动加料料道上向前运动，将物料由料斗出料位置输送至多腔室捏合机加料位置。

3)振动源。

采用气动活塞动器，其利用空气压缩机排出的高压气体通过气管接入振动器进气口，当气体推动活塞上行，活塞上气室内气体受到挤压，受挤压的气体通过排气孔排出[8]。当活塞上行至终点时，气体通过槽和气道自动切换通气方向，使气体进入活塞上气室。进气口与排气口有标准的管螺纹，能保证顺畅排气功能，排气符合国际上的噪声法规要求。

4)支架。

支架采用不锈钢方形钢管焊接而成，用于支承料斗和直线气动振动物料输送装置。外形美观大方，保证结构稳定，可长期使用。

2.2 物料减重称量部分

物料减重称量部分主要由称重传感器、控制器、变频器和触摸屏组成。称重传感器负责质量数据的采集；控制器负责质量数据的处理及整个系统的控制；变频器用于响应控制器的控制信号并控制喂料电动机；触摸屏用于参数的设定及状态观测。

1)称重传感器。

称重传感器是失重式加料装置的控制基础，是保证喂料精度的前提。采用高精度称重传感器，将实时质量数据完整准确地传递给控制器。称重传感器所承载器件在运输与工作过程中应避免过载、撞击和侧向外力，以防止对称重传感器的损坏。加料装置运行过程中的外界干扰主要体现在现场震动、风吹、人为推力和压力等方面。加料装置在使用过程中应将外界干扰降到最低，以保证喂料精度。

2)控制器。

控制器功能全面，运行稳定，具有控制精度高、响应速度快的特点，是失重式喂料机的控制核心。采用MODBUS RTU通信协议、RS485接口方式，控制器提供了2个通信端口。通过MODBUS RTU通信协议，控制器可与触摸屏、工控机等进行数据交互。一台触摸屏可控制多台控制器，构成简单的主从式结构。

原理简介：实时质量信号经由称重传感器传输到控制器，控制器负责将称重传感器传递的模拟量质量数据转换为高精度数字量信号，通过控制器内部算法，控制器得到实时流量数据[9]。通过内部高效算法，对输出给变频器的转速信号(4～20 mA模拟量信号)进行调整，使实际流量不断趋近于设定流量，从而达到控制目的[10]。

3 直线气动振动物料输送装置电气控制系统

直线气动振动物料输送装置具有远程在线启动、停止运行控制功能，传输控制信号类型为RS485和4～20 mA。具有自锁、互锁、故障报警、工艺参数上下限报警、错误自诊断及自动停止功能。

电气系统安全性高，所用元器件及线路配置质量可靠，布局合理，方便日常点检及维修。

控制系统主要由PLC及其扩展功能模块、触摸屏、交换机、安全隔离栅、失重秤控制器、防爆称重传感器、电气比例调节阀、本安开关、中间继电器、控制按钮、指示灯等电气元件组成(见图3)。

3.1 控制系统配置组成

控制系统由1台西门子PLC及其扩展功能模块、5块数字量输入输出模块、1块模拟量输入模块、1块模拟量输出模块、1块RS485通信模块、1台10寸触摸屏、1台网络交换机、2片数字量安全隔离栅、2片模拟量安全隔离栅、1台失重秤控制器、1台称重传感器、1台电气比例调节阀、中间继电器、控制按钮、指示灯、防爆接线箱等电气元件组成。

PLC及其扩展功能模块、触摸屏、网络交换机、安全隔离栅、中间继电器、控制按钮、指示灯等电气元件安装在控制室内的控制柜和操作台内。通过PLC内部的控制程序，实现自动生产功能及手动操作功能。

3.2 控制系统各设备功能

1)PLC及其扩展功能模块。采用西门子公司1200系列的产品，用于整套系统的自动编程控制。扩展功能模块中模拟量输出模块通过输出模拟量信号控制变频器的转速。

2)触摸屏。具有显示及设定各物料自动定量加料参数、显示实时流量、物料质量等功能。

3)交换机。采用台达公司的产品，用于PLC、触摸屏信号传输，也可以与中控系统连接，进行集中控制和数据记录。

4)失重秤控制器。具有强大的运算功能，通过防爆称重传感器采集的数据，实时计算出失重秤单位时间内的给料量，与设定值进行对比计算，计算结果用来调整振动源的振动幅度，进而控制失重秤的喂料精度，保证高喂料精度，精度可达±0.5%；通过RS-485通信协议与触摸屏、PLC进行数据交换。失重秤控制器用于控制固体粉末炸药和松散装纤维物料自动定量加料，控制物料的给料量，保证给料精度。控制器是最新开发并研制的新一代微电脑控制器，其功能全面，运行稳定，具有控制精度高、响应速度快的特点，是失重式喂料机的控制核心。采用MODBUS RTU通信协议、RS485接口方式，控制器提供了2个通信端口。通过MODBUS RTU通信协议，控制器可与触摸屏、工控机等进行数据交互。一台触摸屏可控制多台控制器，构成简单的主从式结构。

5)防爆称重传感器。采用托利多的高精度防爆波纹称重传感器，传感器精度为：灵敏度≤0.01 mV/V，准确度等级OIML R60 C3，不重复性≤0.01%R.C，非线性≤0.02%R.C；采用高精度称重传感器，将实时质量数据完整准确地传递给控制器。称重传感器所承载器件在运输与工作过程中需避免过载、撞击和侧向外力，以防止对称重传感器的损坏。

6)电气比例调节阀。用于调节振动加料机的振动幅度。电气比例调节阀根据控制信号的大小来调节阀芯的截面面积，从而达到调节压力大小的目的。不同大小的压力使气动振动器产生不同大小的振动幅度，使振动加料机产生不同的加料速度。电气比例调节阀控制压力大小的过程是一种连续、无级调节控制，能实现远程程序控制。

7)中间继电器、控制按钮、指示灯和防爆接线箱采用品牌公司生产的产品，用于本地及远程控制回路设计、工艺操作及现场显示设备运行信号。

4 结语

在该装置上进行了固态含能物料试验，试验结果表明，振动加料机在设定加料速度(125～330 g/min)的范围内，累计加料时间为110 min，统计平均加料精度为4.0‰，加料精度≤5‰。

根据试验结果的对比，每一分钟内的实际加料量差距不大，说明在长时间的加料过程中，振动加料机的加料精度能达到≤5‰。