劉曉雯

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新型煙花藥粉稱重混合機(jī)的研制

劉曉雯

（唐山學(xué)院機(jī)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(zhǎng)期制約煙花爆竹安全生產(chǎn)的高危工序。針對(duì)這一工序，研發(fā)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(jī)?；诜垠w混合的定量計(jì)算及分析法，得出了混合度隨時(shí)間變化的曲線，確定了粉體最佳的混合時(shí)間，并驗(yàn)算了藥粉主要成分在混合前后的最大比例誤差，結(jié)果完全滿足煙花生產(chǎn)要求。

煙花；藥粉；混合；稱重；混合均勻度

我國(guó)是煙花爆竹的發(fā)源地，也是世界上最大的煙花爆竹生產(chǎn)、出口國(guó)[1-2]。但目前煙花爆竹生產(chǎn)屬于以手工為主的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)[3]，特別是藥粉稱重、混合工序?qū)儆诟呶９ば?，仍然停留在手工作坊階段[4-5]，不僅不易混合均勻、生產(chǎn)率低下、安全性差，而且難以生產(chǎn)出高質(zhì)量的煙花產(chǎn)品。近年來，煙花行業(yè)研制開發(fā)了一些機(jī)械設(shè)備，但藥粉配比及混合質(zhì)量不能精確保證，生產(chǎn)過程仍需要工人參與，且倒料時(shí)容易產(chǎn)生火花引發(fā)爆炸，釀成事故[6-7]。因此研發(fā)一種專用于稱重、混合煙花藥劑的稱重混合機(jī)很有必要。本研究不僅對(duì)稱重混合機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)粉體混合后的均勻程度進(jìn)行了驗(yàn)算，得出了稱重混合機(jī)工作的時(shí)間—混合度曲線，完成了稱重混合機(jī)的開發(fā)，并進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 稱重混合機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稱重混合機(jī)主要由稱重部分和混合部分構(gòu)成。其中，稱重部分的個(gè)數(shù)與粉料種類數(shù)相對(duì)應(yīng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中料斗與輸送管進(jìn)料口相通，粉體加入到料斗后，步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，送料蝸桿把粉體送到托盤，當(dāng)粉體的重量到達(dá)給定數(shù)值時(shí)，稱重傳感器發(fā)出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停止工作；同時(shí)，倒料氣缸動(dòng)作，頂起托盤且與水平面呈一定角度時(shí)，倒料氣缸停止運(yùn)動(dòng)，托盤內(nèi)粉體滑落至導(dǎo)料管道，倒料氣缸回縮至原位，同時(shí)混合電機(jī)帶動(dòng)攪拌蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錐形混合器中各配料的混合?；旌贤瓿珊?，卸料氣缸動(dòng)作，卸料閥門打開，實(shí)現(xiàn)出料。

圖1 稱重混合機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)送料蝸桿。由于蝸桿螺距均勻，所以送出料的體積及質(zhì)量一定，通過限定步進(jìn)電機(jī)步距角的個(gè)數(shù)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(jìn)九轉(zhuǎn)，然后用步距角修正的方法，完成自動(dòng)稱重，修正過程中，每步進(jìn)一定數(shù)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(jīng)導(dǎo)料通道滑落到混合器中。為保證混合器內(nèi)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(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各配料的混合。卸料閥門由卸料氣缸推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)出料。機(jī)架組件作為整體結(jié)構(gòu)的支撐，其它機(jī)構(gòu)都安裝在上面，具有較高的強(qiáng)度和剛度，以保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

（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(chǎn)品。無法避免時(shí)，要選用防爆的；（3）如果無法避免使用非防爆的電器產(chǎn)品時(shí)，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(jì)算

粉體混合工藝是非常復(fù)雜的隨機(jī)過程，現(xiàn)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法即粉體混合的定量計(jì)算及分析法。試驗(yàn)條件：黑火藥為100~1 000μm的粗粉，一次進(jìn)料總重量為5kg，填充系數(shù)=0.175，攪拌蝸桿轉(zhuǎn)速=20r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(diǎn)的位置要求[8]。由于粉體混合工藝是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，故在粉體運(yùn)動(dòng)流中取樣比粉體靜止下取樣更精確。因此，本次實(shí)驗(yàn)在錐形混合器出口處每間隔15s選取1個(gè)樣品，選取樣品總數(shù)為6個(gè)。

2.2 測(cè)定

測(cè)定取得的5個(gè)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(tǒng)計(jì)和分析

采取式（1）表征粉體經(jīng)連續(xù)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(jìn)口處的濃度；為示蹤物在錐形混合器出口處的平均濃度。經(jīng)數(shù)學(xué)處理，得到混合度隨時(shí)間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 混合度隨時(shí)間的變化曲線

由圖2可知，粉體開始混合時(shí)，M趨近于0，此時(shí)尚未發(fā)生混合；隨著混合時(shí)間不斷增加，M逐漸增大，當(dāng)=16min時(shí)，M達(dá)到最大值，趨近于理想均勻度（即M＝1）；隨著混合時(shí)間繼續(xù)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(dāng)達(dá)到最佳均勻度時(shí)，若繼續(xù)混合，混合均勻度反向變化，且隨著混合過程不斷進(jìn)行，混合和偏析反復(fù)進(jìn)行，不能再達(dá)到最佳均勻度。因此，粉體最佳混合時(shí)間是16min。

3 混合前后藥劑最大比例誤差驗(yàn)算

經(jīng)檢測(cè)，本稱重混合機(jī)藥劑混合前后溫度、靜電電壓測(cè)試結(jié)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(guó)家對(duì)煙花生產(chǎn)的要求[9]。對(duì)于經(jīng)本稱重混合機(jī)混合紅光劑和綠光劑中的各成分在混合前后測(cè)量的數(shù)值如表1~2所示。

表1 混合前后紅光劑中各成分測(cè)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(cè)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(guó)家對(duì)煙花生產(chǎn)的要求[10]。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一種煙花稱重混合機(jī)，并基于粉體混合的定量計(jì)算及分析法，得出了混合度隨時(shí)間的變化曲線，確定了粉體最佳的混合時(shí)間，并驗(yàn)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(chǎn)的要求。目前，該稱重混合機(jī)設(shè)備已投產(chǎn)試用。設(shè)備不僅能提高生產(chǎn)率，減少事故發(fā)生，而且具有粉料配比精確、混合均勻的優(yōu)點(diǎn)。錐形混合器45°斜角設(shè)計(jì)，利于出料，且混合器內(nèi)無死角、易清洗。實(shí)踐證明，該稱重混合機(jī)達(dá)到了預(yù)期效果，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周兆宏.禮花彈微煙裝藥的點(diǎn)傳火技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

[2] 李建平,李承政,王天勇,等.我國(guó)粉體造粒技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].化工機(jī)械,2001(5):295-298.

[3] 田冰.固體混合設(shè)備原理與選擇[J].機(jī)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(xué)與工藝學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

[6] 馮元崴.高精度自動(dòng)稱量系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用[J].自動(dòng)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(xù)計(jì)量加料及生產(chǎn)工藝研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[9] 焦光前.政府規(guī)制與煙花爆竹生產(chǎn)安全[D].石河子:石河子大學(xué),2009.

[10] 劉勁彪.湖南煙花爆竹產(chǎn)業(yè)行政監(jiān)管體系研究及應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),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(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。