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      AP容器輸送推進劑藥物機械結構設計和方案

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-18 09:01:48    瀏覽次數:4    評論:0
      導讀

      對裝藥過程的推進劑用AP處理進行了研究,分析了易爆物AP物性感度,提出本質安全的盛AP容器運行輸送方式;采用碼垛、桁架機器人和智能視覺識別,吊車防搖擺精確定位技術,以及AP密相加熱裝置;經試驗得出,AP能夠順利流過換熱板,換熱效率在80%~90%之間,加熱處理后達到預熱技術要求。球AP過篩/預熱/稱量處理無人搬運

      摘要對裝藥過程的推進劑用AP處理進行了研究,分析了易爆物AP物性感度,提出本質安全的盛AP容器運行輸送方式;采用碼垛、桁架機器人和智能視覺識別,吊車防搖擺精確定位技術,以及AP密相加熱裝置;經試驗得出,AP能夠順利流過換熱板,換熱效率在80%~90%之間,加熱處理后達到預熱技術要求。球AP過篩/預熱/稱量處理無人搬運智能化由五大系統組成:磁道軌叉車、機器人碼垛與加料、過篩與吊車提升加料、加熱塔/稱量料斗/混合機AP加料車、磁道牽引車串聯運行,領引裝藥用AP處理集成智能化工藝。

      關鍵詞高氯酸銨;智能處理;推進劑裝藥;工藝設計

      0 引言

      固體推進劑中缺少不了氧化劑,它的主要作用是分解時提供推進劑燃燒所需要的氧;其粒度大小及配比可調節推進劑的燃燒速度;再有在粘合劑基體中起固體填料的作用,從而提高推進劑的楊氏模量;以及燃燒過程中,靠其本身的分解產物與粘合劑分解產物的反應,產生氣態的燃燒產物。因此,對氧化劑要求有效含氧量要高,生成熱要低,分解時產生氣態產物,沒有凝聚相產物,比重要大以及加工、貯存、運輸時物化安定性好[1-2]。

      推進劑中廣泛使用的氧化劑AP分為AP和粉碎AP超細兩類[3-4]。如HTPB推進劑中AP含量多達60%以上,對AP處理工作量大費時費力,加上AP自身為危險品[5-6],需要安全作業。隨著推進劑事業發展,傳統人工操作為主的工藝不能滿足需求,因而提出了AP智能化處理工藝。

      1 AP智能化處理設計方案

      推進劑裝藥中的安全生產和重視產品質量是行業必須遵守的規范。為保證安全生產,防止多余物、異物進入混合機以及AP結塊,工藝上對AP要過篩處理;為防止AP在加入混合機前吸濕,影響推進劑性能質量,須對過篩后AP預熱到一定溫度;為了使AP用量符合推進劑配方,對加入混合機的AP要稱量。在裝藥中AP的這三項處理工序是精簡不掉的。每工序都缺少不了對AP進料、出料的裝卸作業。因此,AP的物流方式與運動模式值得研究。

      1.1 AP物料的運動模式

      衡量推進劑裝藥工藝的先進性,首先看推進劑的幾大原料:粘合劑、燃燒劑鋁粉、氧化劑AP、含能材料的輸送方式,物料的運動模式。如粘流態HTPB膠輸送方式采用給力或高位差流動模式;鋁粉輸送采用負壓吸入輸送管道,被正壓氣流吹送到稱量料斗[7]。而AP是一個強酸弱堿鹽為白色結晶顆粒易破碎,曾經采用負壓吸入/正壓氣流吹送5 m高的短距離輸送,AP粒度d43變小為10 μm左右[8],破碎產生了粉末。AP為易爆物其摩擦感度、沖擊感度見表1。

      表1 高氯酸銨的感度

      Table 1 The sensitivity of ammonium perchlorate

      由表1可知,隨粒徑減小摩擦感度增大,AP負壓吸入/正壓氣流吹送,自身流動相互間碰撞易碎,破碎殘物間存在安全隱患[9]。因此,AP輸送方式應為盛AP容器運行,AP在容器內處于靜態的本質安全模式。

      1.2 AP過篩/預熱/稱量智能化設計思想

      國內AP按GJB—XX生產,主要物化性能見表2。從表2看出,按GJB—XX生產AP質量分數、總水等物化性能符合推進劑配方要求,不再處理。AP裝在鐵皮桶中盛入扎口的雙層塑料袋內,每桶(40±0.4)kg為環境室溫保存,經AP生產廠運輸到裝藥廠。不能達到推進劑裝藥中預熱、防異物與結塊的要求。不可直接進入裝藥混合工序,需對AP處理。裝藥用的AP處理工藝見圖1。

      表2 高氯酸銨物化性能

      Table 2 Physicochemical properties of ammonium perchlorate

      圖1 盛AP容器與AP料運行示意圖

      Fig.1 Schematic diagram of the operation

      of AP/AP container

      從圖1可看出,AP進入工房,除過篩、預熱、稱量三工序的AP為物料自身運動,前后工序為盛AP容器運動;AP處理需要10多個工步搬動,批產量大,每工步人力勞動強度大。

      設計思想:以固體運載和大發動機批產需求為背景,采用國內創新發展的智能技術為基礎;提出AP過篩/預熱/稱量處理智能化集成。

      (1)針對易爆物AP物化性能,AP長距離輸送為盛AP容器運動,對工藝中必須接觸AP自身運動設計為近距離、自由落體運動模式,不再給外力。

      (2)依據國內AP包裝狀態,不規范的開蓋、解繩翻塑料袋耗體力小,設為人工操作,減少造價。

      (3)按圖1 AP運行示意圖,AP處理運行工步多,勞動強度大;為滿足兩捏合機分批間斷混合模式,處理AP速度要快。因此,AP過篩/預熱/稱量處理設計為無人搬運智能化。

      處理工藝分五大系統組成:(1)磁軌叉車;(2)機器人碼垛提升、過篩加料;(3)過篩、吊車提升、預熱加料;(4)加熱塔、稱量料斗、混合機AP加料車;(5)磁軌牽引車。串聯運行。

      1.3 設計方案

      以4800 L混合機裝低燃速推進劑為例,推進劑含65% AP,每鍋4500 kg裝藥需要2925 kg。兩個混合機間隔運行4 h完成,AP處理速度3000 kg/h,兩級配AP按AP∶AP=2.8∶1,一套AP處理裝置能力2155 kg/h。設計方案見圖2。

      圖2 球AP過篩/預熱/稱量智能化方案

      Fig.2 Intelligent scheme of screening/preheating/weighingof spherical AP

      當汽車將桶裝AP運入工房,AP桶擺放在1.1 m×1.1 m的運輸托架上,用磁軌叉車將AP運輸托架從汽車卸下,放在圖2機器人碼垛系統,機器人將AP桶放入輸送帶入人工作業區進行手工開桶蓋、剪掉扎塑料袋繩、翻開塑料袋,隨著輸送帶AP桶進入機械過篩區,由桁架機器人提升AP桶加料過篩。

      經過篩/預熱/稱量AP均為自身流動,可將過篩設計在加熱塔上,AP自由落體下流;但過篩/預熱/稱量裝置重疊高度約20 m,工房太高。在不增加工步為前提,將機械運動的過篩區分離,放在地面;過篩后的AP落入轉運料斗,經定位防擺吊車將轉運料斗提升在加熱塔頂, AP進入加熱塔預備料室積蓄,恒量自由落體連續下流,經約4 m多高的加熱室,使AP達到需要的溫度,完成了AP預熱工序。進入電子傳感器料斗靜態計量, AP稱量完畢后,由料斗下端自由落體出料,流入混合機AP加料車。

      混合機AP加料車經磁道牽引車運離工位,到吊車裝汽車工房;由人工操作吊車將混合機AP加料車吊上汽車固定,運往混合工序。

      2 主要系統組成

      2.1 機器人碼垛提升、過篩加料

      機器人碼垛提升、過篩加料為五部分組成,見圖3。

      由磁道軌叉車將AP托架輸送到碼垛機器人庫區,區內設有停放兩個AP運輸托架位,磁道軌叉車往返運行在碼垛機器人庫區與工房AP暫存區,承擔輸入、輸出AP托架。

      碼垛采用門架式,X、Y、Z三軸運行機制,各軸驅動采用交流異步防爆電機通過同步帶實現傳動。防摩擦靜電采用包膠聚氨酯導向滾輪。X方向1500 mm,Y方向2500 mm,Z軸方向800 mm;X-Y為平面坐標,Z軸端安裝吸盤和拍攝設備,拍攝AP桶位置,智能視覺定位。Z軸將AP桶垂直提升入輸送帶。提升AP桶夾具選用真空吸盤,提升負載為55 kg,為防松動與撞擊吸盤內真空吸力外靠彈簧的伸縮力;內、外兩種力保證AP桶提升運動安全,見圖4。由試驗得出,人工開桶蓋、解繩翻塑料袋作業速度為0.5 min/人/桶;考慮人連續工作強度,本工位兩人作業設有急停開關。機器人碼垛上料區和AP桶提升倒料區的輸送帶長為6600 mm;輸送帶高650 mm。系統采用交流異步防爆電機,變頻器控制,速度節拍按要求調配。為了糾正AP桶位置,在輸送帶的AP桶提升倒料區安裝擋料板,見圖5。

      圖3 碼垛提升、輸送、()料系統示意圖

      Fig.3 Schematic diagram of palletizing hoisting,conveyingand turning (feedingby robot

      過篩加料采用兩自主度桁架機器人,實現X軸和Z軸運動。各軸驅動采用交流異步防爆電機通過同步帶實現傳動。防摩擦靜電采用包膠聚氨酯導向滾輪。X軸行程為2000 mm,三個工位;靠邊為空桶位,一個AP桶位,一個倒料位;Z軸桁架機器人行程為2600 mm(最高3200 mm~最低600 mm),運動范圍較大,采用兩軸伸縮結構。

      圖4 吸盤

      Fig.4 Sucker

      圖5 人工工作區域

      Fig.5 Manual work area

      桁架機器人末端安裝了AP桶夾具,采用氣動夾緊及旋轉方式,實現夾緊及AP桶傾斜倒料;夾緊為聯桿氣缸環抱并帶卡銷防滑掉裝置,氣缸采用常閉狀態,避免斷氣時,氣爪松開造成AP桶掉落,見圖6。

      機器人碼垛提升、輸送、翻(加)料系統的時間節拍為:機器人搬運1250 kg/20 min,搬運一次需要38.5 s,消耗的時間分為三部分,即機器人碼垛時間、人工作業時間(包含輸送時間)、桁架上料傾倒時間。時間節拍見表3。

      圖6 AP桶夾具

      Fig.6 AP bucket fixture

      (1)機器人碼垛:包含完成視覺定位、AP桶裝夾、搬料桶到輸送帶指定位、釋放AP桶以及回初始狀態;

      (2)AP桶輸送:AP桶輸送包含完成人工開桶蓋、解繩翻塑料袋以及人工清除工位上空桶;

      (3)桁架上料傾倒:AP桶裝夾、上料、傾倒、移動到空桶位置、釋放AP桶以及回初始狀態。

      表3 時間節拍

      Table 3 Time beat

      由表3看出,機器人碼垛33 s,AP桶輸送36 s,桁架上料傾倒34 s;人工作業時間決定了系統作業節拍。

      2.2 過篩、吊車提升、預熱加料

      機械振動過篩機安裝在地平面,桁架機器人環抱球AP桶傾斜倒入過篩機接料口,入10目篩網上。AP倒入粉塵飛揚,在過篩機接料口加防塵護罩,機械手在護罩內倒AP,必要時可建立振動篩內負壓差防塵。AP機械振動過篩,見圖7。

      圖7 振動機械過篩機

      Fig.7 Vibrating screen machine

      篩下AP流入接料轉運料斗。轉運料斗為三工位運動,一工位接料,另兩工位轉換接料斗,靠伸縮聯桿移位。也是吊車吊出AP轉運料斗和吊入空轉運料斗工位。吊車轉運料斗采用三爪重力抓夾具,鉗爪利用杠桿原理,被提物越重越抱緊。為確保抓夾可靠,夾具設計了自鎖裝置,并裝了質量傳感器檢測是否抓夾住AP轉運料斗,見圖8。

      圖8 抓夾AP轉運料斗裝置

      Fig.8 Grab AP transshipment hopper device

      幫助AP轉運料斗運動到加熱塔頂漏斗錐位,為防爆性自動定位防搖擺的起重機。該起重機除了自身剛強度、加工精度、水平導線輪、光標絕對值編碼器和動/滑輪組間距優化等硬件搭配外,定位防搖擺技術采用可編程控制器內建立數學模型,對檢測起升高度、運行速度和搖擺相應時間等參數進行運算,發送出相應的啟動、運行速度、抱閘停車指令變頻器驅動各機構運行,實現起重機電氣防搖擺功能與定位。定位精度位置差小于±5 mm。

      轉運料斗下部設有常閉錐體下料開關,當轉運料斗坐落在加熱塔頂漏斗錐位,由于轉運料斗自身重力,使錐體下料柱頂開,AP自動流入加熱塔。

      2.3 加熱塔、稱量料斗、混合機AP加料車

      2.3.1 加熱塔

      (1)AP加熱原理

      加熱塔采用密相輸送數學模型原理,AP垂直自上而下自由落體下料,經過不銹鋼傳熱板之間間隙通道,熱介質在不銹鋼傳熱板內循環;AP與熱介質為逆向流動獲取最大的傳熱效率。調節AP下流速度有足夠的停留時間,以滿足需要的傳熱量,達到AP預熱溫度。加熱裝置原理見圖9。

      圖9 AP加熱裝置原理示意圖

      Fig.9 Schematic diagram of the principle ofAP heating device

      (2)試驗

      選用700 mm(長)×740 mm(寬)×2669 mm(高) 加熱裝置試驗,用PLC調節振動電機頻率范圍控制AP出料速率,AP物態及處理能力要求見表4。經熱傳導效應和表4中的AP物態及處理能力計算,來確定AP的停留時間和處理量。試驗結果見表5。

      試驗得出:AP能夠順利流過換熱板,換熱效率在80%~90%之間,加熱處理后達到要求。

      對放大處理能力2500/(kg/h)的AP加熱裝置,以換熱板間距不變(30 mm),百葉窗按最小安息角設計,在不影響AP流動性和熱效應進行優化組合;換熱負荷計算為22.7/(kW)基本設計加熱裝置尺寸為1886 mm(長)×1261 mm(寬)×4000 mm(高)。

      表4 AP處理能力要求

      Table 4 Requirements of AP processing capability

      表5 AP加熱試驗結果

      Table 5 Results of AP heating test

      2.3.2 稱量料斗

      稱量采用電子傳感器組對,兩組傳感器互為監測,安裝在二層樓平臺的稱量料斗上。AP稱量按0.1%允許差靜態計量。當連續預熱的AP直接下流入稱量料斗,會影響稱量準確。因此,在稱量料斗上方增設過渡接料料斗,承擔臨近稱量值的細微加料控制,另一功能暫存稱量料斗出料時加熱塔連續下料量??捎眠^渡料斗大閥、小閥控制AP流量,接近稱量值關閉大閥,用小閥控制稱量準確至關閥。稱量完畢,開啟稱量料斗下料入混合機AP加料車。

      2.3.3 混合機AP加料車

      混合機AP加料車坐落在磁道牽引車上,位于稱量料斗下。接完AP料由磁道牽引車運出工位到另一工房,吊裝混合機AP加料車上汽車轉運至混合機工序。完成了AP智能化處理。

      3 控制模式

      汽車運AP入工房由磁道叉車、過篩/預熱/稱量處理、磁道牽引車運到另一工房,汽車運走球AP,工藝分五大系統控制模塊。各工位位置檢測、運動狀態、邏輯信息、實時檢測數據等處理按分布站模式放置在中控室,以時間信息為坐標軸完成整過程控制。主控系統由PLC及工控機構成。工控機上的數據處理軟件、視察采集、各類動作狀態開關、故障報警、手操與程序自控等,通過PLC內部編程使工控機與PLC通信,獲得相應動作指令,將運行指令經總線網絡發給各機構變頻器,變頻器驅動和機構電機動作,并將工作信息返回工況控制系統,記錄工作過程。

      PLC為全系統的大腦,通過邏輯控制、數據信息程序輸入、模型運算、模塊運行,連通輸入、狀態信息、通訊指令及傳感器、分布站及工控機??傮w控制系統以太網與上位機通訊并傳遞采集到的圖像和數字信息,各傳感器采集的IO信號傳遞到PLC,用于分布式控制。系統程序及組態用于完成整機的管理與控制,并向操作者提供一個良好的交互平臺。

      4 結論

      (1)設計了AP過篩/預熱/稱量處理為無人搬運智能化集成工藝;它由五大部分組成:磁軌叉車、機器人碼垛與加料、過篩與吊車提升加料、加熱塔/稱量料斗/混合機AP加料車、磁道牽引車串聯運行。

      (2)采用碼垛、桁架機器人和智能視覺識別,吊車防搖擺精確定位技術,解決物性感度靈敏的易爆物AP盛料容器運行,為本質安全輸送方式。

      (3)經試驗得出,AP密相加熱裝置能使AP順利流過換熱板,換熱效率在80%~90%之間,加熱處理后達到預熱技術要求。


       
      (文/小編)
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