發(fā)射藥自動(dòng)稱量技術(shù)對(duì)比及發(fā)展分析

朱珠，張博，劉彬

(中國兵器工業(yè)第五八研究所彈藥中心，四川 綿陽 621000)

Analysis and Contrast on Automated Propellant Weighing Technologies

ZHU Zhu，ZHANG Bo，LIU Bin

(Center of Ammunition，No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China)

摘要：針對(duì)常見的自動(dòng)定容稱量和組合稱量方式，對(duì)不同模式的發(fā)射藥稱量進(jìn)行闡述、對(duì)比和分析。隨著新型衡器的發(fā)展，可借鑒食品、飼料、醫(yī)藥等行業(yè)的類似稱裝方式，并將其應(yīng)用到兵工發(fā)射藥的稱裝藥中。根據(jù)當(dāng)前正在研究的發(fā)射藥自動(dòng)稱量技術(shù)，推測(cè)未來發(fā)射藥自動(dòng)稱量的發(fā)展方向?yàn)橹悄芎馄鞣Q量、數(shù)粒機(jī)稱量和微量自動(dòng)稱量等。

關(guān)鍵詞：發(fā)射藥自動(dòng)稱量；衡器；數(shù)粒機(jī)；微量稱量

中圖分類號(hào)：TJ410.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0075-03

收稿日期：2015-01-16

作者簡(jiǎn)介：朱珠(1981-)，女，四川人，工程師，主要從事項(xiàng)目管理和情報(bào)編譯的研究工作。

Abstract：Aiming at constant volume weighing and combination weighing that usually used in propellant automatic weighing，illustrate and contrast their characters while draw lessons from similar weighing patterns in food，feed and medical industries to develop novel propellant weighing technology，and based on recent research on this area，suggest future development of propellant automatic weighing may orient to intelligent weighter，PM counting machine and automatic microweighing.

Key words：propellant automatic weighing；weighing apparatus；PM counting machine；microweighing

0引言

發(fā)射藥是指裝在槍炮彈膛內(nèi)，用以發(fā)射彈丸的火藥。按照不同火器的彈道性能，可以將發(fā)射藥制成常見的管狀、帶狀、片狀、球狀、粒狀和梅花狀等。由于發(fā)射藥是彈頭能量的最終體現(xiàn)，其質(zhì)量和重量直接影響槍炮彈性能，因此，所有形狀的發(fā)射藥都只能在精確稱量后才能裝入槍炮彈膛。曾經(jīng)的發(fā)射藥稱量一般采用人工高精度電子稱或機(jī)械天平。這兩類設(shè)備盡管單次稱量比較精確，但在稱量發(fā)射藥時(shí)，需要在避風(fēng)的環(huán)境下操作，因?yàn)榧?xì)微的干擾都可以讓精度電子稱和機(jī)械天平的讀數(shù)發(fā)生變化。所以，發(fā)展發(fā)射藥自動(dòng)稱量技術(shù)，可以說是提升槍彈生產(chǎn)質(zhì)量和效率的必然需求。

發(fā)射藥自動(dòng)稱量同樣需要注意精度、速度和安全方面的問題。當(dāng)前國外發(fā)射藥較為先進(jìn)的自動(dòng)稱量技術(shù)，根據(jù)裝藥火器的不同，其精度一般為小口徑槍彈0.005 g，大口徑槍彈0.01 g，以及火工品0.000 1 g；速度方面，由于對(duì)稱藥機(jī)構(gòu)中的傳感器靈敏度和振動(dòng)精度要求較高，每秒幾十發(fā)的速度并不是很穩(wěn)定。

1常見發(fā)射藥自動(dòng)稱量技術(shù)

1.1定容式稱量技術(shù)

圖1　計(jì)量板式稱量技術(shù)

定容式稱量，俗稱計(jì)量板稱量，即采用固定的容積對(duì)發(fā)射藥進(jìn)行稱量，其可分為計(jì)量板式和球形、勺形等定容稱量方式。定容式稱量的設(shè)備一般由藥斗、計(jì)量板、振動(dòng)機(jī)構(gòu)組成(圖1)，普遍適用于小口徑槍彈發(fā)射藥。一是因?yàn)樾】趶綐審棸l(fā)射藥一般為體積較小的片狀、顆粒狀和球狀結(jié)構(gòu)，無需較大的剪切力就能被切斷；二是因?yàn)樾】趶綐審椀陌l(fā)射藥生產(chǎn)節(jié)拍快，生產(chǎn)形式多樣(常見的就有轉(zhuǎn)子式、直線式和轉(zhuǎn)盤式等)，且稱量精度小于1%，因此，采用定容式稱量方式為宜。

1.2組合式稱量技術(shù)

1.2.1　雙振動(dòng)器與衡器組合式稱量技術(shù)

雙振動(dòng)器與衡器組合式稱量，采用直線振動(dòng)器和盤式振動(dòng)器分別進(jìn)行初加和精加，并配以高精度電子稱(或電子天平)實(shí)現(xiàn)(圖2)。該稱量方式普遍適用于大口徑槍彈發(fā)射藥，這是由于大口徑槍彈發(fā)射藥一般為大顆粒狀和寬大帶狀，適合單發(fā)稱量。同時(shí)由于雙振動(dòng)器與衡器組合式稱藥量小，精度高(稱量精度≥1‰)，對(duì)于精度要求高的特種槍彈，其產(chǎn)量較低，也可用此方式進(jìn)行。

圖2　雙振動(dòng)與衡器組合式

1.2.2　皮帶加振動(dòng)器與衡器組合式稱量技術(shù)

針對(duì)較大的發(fā)射藥顆粒及稱量范圍，較快的稱量節(jié)拍和稱量精度，采用皮帶加振動(dòng)器與衡器組合式進(jìn)行稱量。以我所近年來研制的一款動(dòng)態(tài)自動(dòng)稱藥裝置為例，該裝置由藥斗、皮帶輸送機(jī)構(gòu)、盤式振動(dòng)器、稱重模塊和電機(jī)等組成(圖3)。主要采用皮帶送藥技術(shù)、氣動(dòng)震盤送藥技術(shù)和在一定范圍設(shè)置稱藥量值進(jìn)行稱量，通過系統(tǒng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)大顆粒發(fā)射藥的動(dòng)態(tài)自動(dòng)稱量。

圖3　皮帶加振動(dòng)與衡器組合式

2常見自動(dòng)稱量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

定容式稱量的節(jié)拍快，能采用群模方式進(jìn)行大量的稱量，適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維修，易調(diào)整，定容積模型能進(jìn)行多種變化(如計(jì)量板、勺形、球形和柱形等)，加藥方式多樣。其稱量精度≥1%。如果對(duì)容積形狀有特殊要求或?qū)ρb藥安全有較高要求，如采用勺形、球形等，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，群模模式較困難，一般為單發(fā)稱量，節(jié)拍較慢，安全性高、精度高。目前，國內(nèi)大口徑槍彈生產(chǎn)廠家在槍彈自動(dòng)裝配中一般采用此類方式稱裝發(fā)射藥，其缺點(diǎn)在于因機(jī)械振動(dòng)可靠性差，稱量過程易受產(chǎn)品自身堆積密度的影響，而堆積密度又受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，生產(chǎn)批次一致性較差。因此，生產(chǎn)廠家不得不花費(fèi)大量的人力，加大生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品抽檢量，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且容易漏檢。

相較之下，直線振動(dòng)器粗加與盤式振動(dòng)器精加相結(jié)合的方式，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥自動(dòng)化的高精度稱量，但工作節(jié)拍慢、噪音大、稱藥量??；而皮帶輸送粗加與盤式振動(dòng)器精加相結(jié)合的方式，能進(jìn)行快速、大劑量、低噪音和高精度的發(fā)射藥稱量，并能隨意設(shè)置稱量物料的標(biāo)準(zhǔn)重量。不過由于組合式稱量全部都屬于動(dòng)態(tài)稱量，大顆粒發(fā)射藥來料流量不穩(wěn)定，同時(shí)由于慣性導(dǎo)致的滯后，在保證精度的前提下，節(jié)拍都比較慢，稱量時(shí)間也較長(zhǎng)，精度控制也不容易，尤其在精加方面，需要對(duì)藥粉的顆粒大小進(jìn)行篩選，才能保證加入量的一致性。

3發(fā)射藥自動(dòng)稱量技術(shù)的發(fā)展

3.1數(shù)粒機(jī)稱量

數(shù)粒機(jī)稱量是當(dāng)前醫(yī)藥、食品行業(yè)使用較多的針對(duì)片劑、丸劑及其他固體藥粒類的稱裝模式，可分為機(jī)械數(shù)粒機(jī)和圖像處理數(shù)粒機(jī)。其原理很簡(jiǎn)單：只要事先保證固態(tài)藥體的密度一致、大小均一、形狀等同，設(shè)備啟動(dòng)后將藥粒倒入頂部料斗，通過適當(dāng)調(diào)整各個(gè)階段的振動(dòng)送料器，使料斗內(nèi)成堆狀的藥粒逐漸沿著振動(dòng)槽板下滑至落料口，通過動(dòng)態(tài)掃描、光電傳感器自檢和故障報(bào)警等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥類計(jì)量和同步封裝的功能。機(jī)械數(shù)粒機(jī)柔性和容錯(cuò)性都不如圖像處理數(shù)粒機(jī)，不過兩類數(shù)粒機(jī)的稱量設(shè)備都具有操作簡(jiǎn)單、拆洗方便和準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)。然而對(duì)于不穩(wěn)定性和易爆性都較食品和藥品更高的發(fā)射藥來說，一來事先的制備是一個(gè)難題，二來儲(chǔ)存并不容易，三來還需在送料過程中保證發(fā)射藥不受污染，顆粒碰撞不會(huì)引發(fā)燃爆，這對(duì)設(shè)備所處的環(huán)境及其本身維護(hù)也是不小的挑戰(zhàn)。

3.2真空、雙層計(jì)量板和閥門稱量

真空加藥衡器通過真空系統(tǒng)將藥品吸取到衡器上進(jìn)行稱量。通過對(duì)氣體流量和衡器實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)藥品稱量，節(jié)拍慢、但稱量精度很高。

雙層計(jì)量板式是在單層計(jì)量板的形式上再增加一層計(jì)量板，通過上層計(jì)量板先粗計(jì)量，保證下層計(jì)量板精確計(jì)量時(shí)藥室內(nèi)藥假密度的一致性。其保留了定容式的原優(yōu)勢(shì)，又將定容式的精度進(jìn)行了一定的提高。

閥門稱量模式是將各種氣動(dòng)閥門進(jìn)行組合，藥品通過閥門加入衡器進(jìn)行稱量。其主要通過控制閥門的大小、形狀(如球形、蝶形等)改變藥品通過時(shí)的流量，從而實(shí)現(xiàn)藥品稱量，具有速度快、精度低的特點(diǎn)。

3.3微量自動(dòng)稱量

3.3.1　微量轉(zhuǎn)筒稱量技術(shù)

采用轉(zhuǎn)筒稱量模式對(duì)微量發(fā)射藥進(jìn)行稱量(圖4)，適合流散性較差的藥物。轉(zhuǎn)筒稱量設(shè)備由進(jìn)料斗、轉(zhuǎn)筒送料機(jī)構(gòu)、荷重傳感器、稱量藥斗、步進(jìn)電機(jī)和控制器組成。發(fā)射藥從設(shè)備最上端的料斗進(jìn)入，通過水平方向的轉(zhuǎn)筒進(jìn)入下方的稱量藥斗。期間荷重傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)稱量藥斗內(nèi)的發(fā)射藥重量，通過控制器形成反饋，再由步進(jìn)電機(jī)控制藥筒轉(zhuǎn)速，達(dá)到精確稱量的目的。在0~50 g范圍內(nèi)精度達(dá)到±0.2 g，具有靈活、拆卸便捷、安全的特點(diǎn)。

圖4　轉(zhuǎn)筒稱量

3.3.2　螺旋精密稱量技術(shù)

螺旋精密稱量技術(shù)(圖5)，針對(duì)不敏感粉狀藥劑的精密自動(dòng)稱量，要求藥物流散性好。其改變了傳統(tǒng)勺形裝藥和計(jì)量板拉藥等容積式計(jì)量方式原理上的缺陷(該類稱量方式精度通?！?%)，并采用0.1 mg精度快響應(yīng)稱重模塊，加藥方式上綜合考慮加藥精度和速度兩方面的因素，根據(jù)稱重反饋情況分別采用直線振動(dòng)器進(jìn)行粗加藥，以及多段減速螺旋進(jìn)行精加藥；在控制方式上，通過對(duì)稱量模塊反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，不?？刂坡菪男D(zhuǎn)速度，從而控制精加藥量，并在臨界點(diǎn)采用點(diǎn)動(dòng)模式進(jìn)行補(bǔ)藥，避免加藥過沖，由此保證加藥稱量過程中反饋稱量值的精確性和及時(shí)性。該稱量模式現(xiàn)已取得了50~120 mg實(shí)際生產(chǎn)穩(wěn)定性和可行性的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證(表1~表3)，經(jīng)測(cè)試，所有數(shù)據(jù)均滿足精度要求。

圖5　螺旋精密稱量設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

表1總量為120 mg的測(cè)量數(shù)據(jù)(偏差要求為±1 mg)

稱藥次數(shù)123456稱量/mg119.5119.6119.4119.6120.6119.7稱藥次數(shù)789101112稱量/mg119.8120.0119.8119.5119.3119.8稱藥次數(shù)131415161718稱量/mg120.3120.5119.6119.9120.5120.4

表2總量為80 mg的測(cè)量數(shù)據(jù)(偏差要求為±1 mg)

稱藥次數(shù)123456稱量/mg80.580.480.579.880.580.2稱藥次數(shù)789101112稱量/mg79.680.780.479.679.779.8稱藥次數(shù)131415161718稱量/mg79.879.180.079.380.280.3

表3總量為50 mg的測(cè)量數(shù)據(jù)(偏差要求為±1 mg)

稱藥次數(shù)123456稱量/mg49.549.549.349.849.949.7稱藥次數(shù)789101112稱量/mg49.549.449.349.249.849.3稱藥次數(shù)131415161718稱量/mg49.749.549.149.749.850.1

3.4智能組合稱

智能組合秤是現(xiàn)今使用較多的一種衡器，屬于標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)稱量。其采用多個(gè)稱重模塊，按一定量值同時(shí)稱量，再按所需最終稱量值和精度，對(duì)所得的每個(gè)稱量模塊的稱重值進(jìn)行排列組合，得到一個(gè)或多個(gè)最終稱量值。具有節(jié)拍快、稱量精度高(其稱量精度可低于單顆介質(zhì)的質(zhì)量)、稱量范圍廣(幾十克~幾千克不等)的特點(diǎn)，適合較大口徑的發(fā)射藥。智能組合秤稱量頭越多，稱量速度就越快，精度也就越高，與之對(duì)應(yīng)的是，成本也越高。

4結(jié)束語

對(duì)比以上各類發(fā)射藥自動(dòng)稱量技術(shù)，由于要保證發(fā)射藥的稱量及裝藥效率，絕大部分都采用動(dòng)態(tài)連續(xù)稱量。然而，多年的發(fā)射藥稱量經(jīng)驗(yàn)表明，要盡可能消除發(fā)射藥傳輸和流動(dòng)過程中的敏感，還需要研發(fā)智能化、多通道和擬靜態(tài)的高速、高精度稱量工藝與技術(shù)，采用這類模式，保證稱量設(shè)備盡可能平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行，也是適應(yīng)新型發(fā)射藥安全、綠色、高效稱量的保證。

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