一種改進(jìn)銨油炸藥混裝車(chē)計(jì)量精度的方法

田惺哲，張 鑫，黃 麟

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 100160)

目前在民爆行業(yè)中使用的現(xiàn)場(chǎng)混裝設(shè)備主要分為銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)、重銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)和乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)，其中銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)具備成本低、使用簡(jiǎn)便、工作效率高、故障率低等優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)各地廣泛應(yīng)用。銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)所采用的原材料為多孔粒狀硝酸銨和柴油，其中柴油計(jì)量主要通過(guò)選用能精準(zhǔn)計(jì)量的高精度流量計(jì)計(jì)量，而多孔粒狀硝酸銨輸送流量的精確計(jì)量仍是行業(yè)里亟待解決的問(wèn)題。

多孔粒狀硝酸銨在現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)中一般使用水平干料螺旋進(jìn)行輸送，干料螺旋的旋轉(zhuǎn)速度由車(chē)載控制系統(tǒng)控制，并通過(guò)安裝于干料螺旋上的霍爾傳感器采集其旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，以獲取物料的輸送質(zhì)量和輸送速度[2]。此方法完全依賴(lài)于車(chē)載控制系統(tǒng)中設(shè)置的干料螺旋標(biāo)定值，若有各種外界原因?qū)е略搮?shù)產(chǎn)生誤差，勢(shì)必會(huì)造成多孔粒狀硝酸銨的計(jì)量誤差大幅增大，從而與柴油配比失衡，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懍F(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥的質(zhì)量，導(dǎo)致爆破效果與預(yù)期不符[3]。在目前的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及研究報(bào)道中，并未發(fā)現(xiàn)有穩(wěn)定、可靠的干料流量計(jì)用于多孔粒狀硝酸銨的精確計(jì)量。因此，擬在現(xiàn)有工況條件下，對(duì)影響多孔粒狀硝酸銨計(jì)量精度的因素進(jìn)行分析，并提出相對(duì)有效的改進(jìn)方法，以期提高銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)的計(jì)量精度，確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

1 影響計(jì)量精度的問(wèn)題分析

現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥由多孔粒狀硝酸銨和柴油經(jīng)螺旋混拌均勻形成，只有確保兩者的計(jì)量準(zhǔn)確，配比在工藝要求范圍內(nèi)，才能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。柴油計(jì)量目前多采用高精度體積流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可精確控制柴油的流速和添加量；而質(zhì)量占銨油炸藥94%～95%的多孔粒狀硝酸銨仍采用傳統(tǒng)的螺旋旋轉(zhuǎn)計(jì)量方式測(cè)量其添加速度和添加量，計(jì)量精度除受原材料本身的松散度、含水率的影響外，還容易受外界環(huán)境因素的影響。

1.1 原材料的影響

多孔粒狀硝酸銨作為現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥的主要組分，其松散度、粉末率、含水率等因素對(duì)螺旋輸送均會(huì)造成較大影響。在生產(chǎn)過(guò)程中，所采購(gòu)的多孔粒狀硝酸銨均符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)原材料時(shí)，會(huì)一次性購(gòu)入一批多孔粒狀硝酸銨，同批次原材料的特性相對(duì)一致。一般情況下，同批次多孔粒硝酸銨在首次使用時(shí)，可通過(guò)對(duì)干料螺旋進(jìn)行標(biāo)定來(lái)消除原材料所帶來(lái)的影響；若原材料儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)久，出現(xiàn)吸潮等情況導(dǎo)致性質(zhì)變化時(shí)，也可以通過(guò)重復(fù)標(biāo)定的方式排除影響。

1.2 干料螺旋的旋轉(zhuǎn)速度

干料螺旋的旋轉(zhuǎn)速度受液壓組件和控制系統(tǒng)的控制。早期的混裝車(chē)多采用手動(dòng)調(diào)速、液壓組件控制液壓馬達(dá)，在多數(shù)情況下，其轉(zhuǎn)速為固定值；但在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，隨著系統(tǒng)液壓油溫度的變化，干料螺旋的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)液壓油溫度趨于穩(wěn)定后，干料螺旋的轉(zhuǎn)速也逐漸趨于穩(wěn)定[3]。出現(xiàn)這種情況的原因是銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)在啟動(dòng)時(shí)，液壓油溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，相比正常工作狀態(tài)時(shí)其溫度偏低，黏度較高造成了在同樣的液壓組件開(kāi)啟狀態(tài)下，使干料螺旋的旋轉(zhuǎn)速度略低于工作正常值。此外，車(chē)輛底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的變化、主油泵磨損老化、液壓組件電磁鐵老化等情況，均有可能引起干料添加速度的波動(dòng)從而出現(xiàn)與柴油配比不穩(wěn)定的情況。

1.3 干料螺旋的脈沖標(biāo)定值

干料螺旋的脈沖標(biāo)定值即干料螺旋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)數(shù)傳感器每個(gè)脈沖代表的輸送質(zhì)量，理論上該數(shù)據(jù)與干料螺旋的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，在物料變化不大的前提下，干料螺旋的脈沖標(biāo)定值可通過(guò)多次標(biāo)定，獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)值。實(shí)際應(yīng)用中，混裝車(chē)經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)量不準(zhǔn)確的情況，且誤差往往較大，當(dāng)重新標(biāo)定后，發(fā)現(xiàn)脈沖標(biāo)定值發(fā)生了較大變化，致使計(jì)量誤差超出預(yù)期，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作造成了極大困擾。

根據(jù)螺旋輸送能力簡(jiǎn)化公式[4]：

Q=N(D2-d2)nρψε

(1)

式中：Q為單圈輸送量；N為設(shè)計(jì)系數(shù)；D為螺旋葉片直徑；d為螺旋內(nèi)管直徑；N、D、d均為固定值；n為螺旋轉(zhuǎn)速；ε為輸送傾角系數(shù)；ρ為物料松散密度；ψ為物料填充系數(shù)；ρ、ψ在同批次多孔粒狀硝酸銨的情況下基本穩(wěn)定。

由此得到結(jié)論：螺旋轉(zhuǎn)速n和輸送傾角系數(shù)ε是造成單圈輸送量Q波動(dòng)的主要原因。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在確保螺旋轉(zhuǎn)速n基本不變的前提下，當(dāng)車(chē)輛因地勢(shì)原因出現(xiàn)傾斜時(shí)，單圈輸送量Q會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，造成干料螺旋的脈沖標(biāo)定值出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致計(jì)量精度下降。

綜上所述，想要提高銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)的計(jì)量精度，需要在確保干料螺旋轉(zhuǎn)速一致的前提下，根據(jù)車(chē)體的傾斜角度對(duì)標(biāo)定值進(jìn)行修正，從而降低計(jì)量誤差，提高物料計(jì)量精度。

2 改進(jìn)計(jì)量精度的方法

2.1 干料螺旋轉(zhuǎn)速自調(diào)節(jié)

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，因各種因素導(dǎo)致的干料螺旋轉(zhuǎn)速變化的問(wèn)題，可采用更換液壓組件配合PID控制的方式來(lái)解決?，F(xiàn)有的銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)多采用手動(dòng)調(diào)節(jié)液壓組件的方式來(lái)控制干料螺旋轉(zhuǎn)速，當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速不符合預(yù)期時(shí)，需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)液壓組件以調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中基本無(wú)法及時(shí)調(diào)整。但是，將其更換為電液比例液壓組件后，車(chē)載控制系統(tǒng)通過(guò)高精度霍爾轉(zhuǎn)速傳感器獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，PID控制器輸出控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)干料螺旋轉(zhuǎn)速的閉環(huán)負(fù)反饋控制，確保干料螺旋的轉(zhuǎn)速始終處于設(shè)定值，從而排除外部因素的影響[5]。其控制邏輯如圖1所示。

圖1 干料螺旋PID控制邏輯Fig.1 PID control logic of dry material spiral

2.2 干料螺旋標(biāo)定值自動(dòng)補(bǔ)償

在確保干料螺旋轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，其輸送能力主要受設(shè)備傾斜角度的影響?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，有時(shí)難以保證車(chē)體的水平擺放，導(dǎo)致干料螺旋經(jīng)常處于小幅度傾斜環(huán)境下工作，且每次移動(dòng)車(chē)輛后，車(chē)體與地面之間的傾角都存在一定的差別，造成干料螺旋標(biāo)定值與其實(shí)際輸送能力存在誤差。

1)傾角傳感器選型。隨著自動(dòng)化和電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，傾角傳感器由過(guò)去的水泡水平儀逐步演變?yōu)楝F(xiàn)在的電子水平儀，近年來(lái)，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術(shù)也在傾角傳感器中快速普及?？紤]到混裝車(chē)復(fù)雜的工作環(huán)境，傾角傳感器需要滿(mǎn)足小型化、高精度、抗振動(dòng)、高可靠性等要求，故選用具備體積小、功耗低、環(huán)境適應(yīng)度強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)[6]且采用MEMS工藝生產(chǎn)的傾角傳感器，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 傾角傳感器參數(shù)Table 1 Dip sensor parameters

2)傾角與標(biāo)定值偏差關(guān)系分析?？紤]到干料螺旋輸送能力與物料松散密度和物料填充系數(shù)也存在線(xiàn)性關(guān)系，在本次實(shí)驗(yàn)中，使用同一批次多孔粒狀硝酸銨，輸送過(guò)程中保持料倉(cāng)內(nèi)物料高度不變，以此排除其他因素的干擾。此外，采用自動(dòng)裝藥的方式進(jìn)行裝藥，確保每次運(yùn)行過(guò)程中干料螺旋的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)一致。為避免出現(xiàn)稱(chēng)重誤差，從每個(gè)采樣角度進(jìn)行多次稱(chēng)量，取平均值作為其計(jì)算數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)物料稱(chēng)量，計(jì)算當(dāng)前傾角下的標(biāo)定值，與水平狀態(tài)下的標(biāo)定值進(jìn)行對(duì)比，部分典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得知，當(dāng)干料螺旋軸向傾角小于-3.6°時(shí)(車(chē)尾出料口高于車(chē)頭)，或軸向傾角大于1°時(shí)(車(chē)尾出料口低于車(chē)頭)，計(jì)量誤差率已超過(guò)±2%，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。因此必須對(duì)干料螺旋標(biāo)定值進(jìn)行補(bǔ)償，以修正軸向傾角變化帶來(lái)的誤差。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)可知，干料螺旋軸向傾角小于-6°時(shí)，標(biāo)定值偏差量趨于平穩(wěn)，傾角大于-6°時(shí)，標(biāo)定值偏差量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)且表現(xiàn)出相對(duì)平滑曲線(xiàn)關(guān)系，故對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，采用分段擬合的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到2條擬合曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。

圖2 標(biāo)定偏差值與角度關(guān)系Fig.2 The relationship between deviation value and angle

圖3 偏差值與角度擬合曲線(xiàn)Fig.3 Fitting curve of deviation value and angle

兩條擬合曲線(xiàn)的R2值分別為0.992和0.977，基本滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求，最終根據(jù)擬合曲線(xiàn)得到角度標(biāo)定偏差值補(bǔ)償修正函數(shù)。

3)擬合曲線(xiàn)函數(shù)驗(yàn)證。根據(jù)擬合曲線(xiàn)獲取補(bǔ)償修正函數(shù)后，需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)是否符合實(shí)際需求。角度標(biāo)定偏差值補(bǔ)償修正函數(shù)如下：

(2)

式中：x為當(dāng)前干料螺旋軸向傾角；f(x)為標(biāo)定偏差補(bǔ)償值。

分別選擇正負(fù)兩個(gè)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)由補(bǔ)償函數(shù)計(jì)算的修正后標(biāo)定值與實(shí)際稱(chēng)量的干料螺旋標(biāo)定值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)基本一致，誤差控制在2%以?xún)?nèi)，較修正前誤差降低4%以上，達(dá)到了預(yù)期效果。

函數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)于遼寧省遼陽(yáng)市進(jìn)行了實(shí)際裝藥測(cè)試，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在干料螺旋軸向傾角為6°時(shí)，若不開(kāi)啟補(bǔ)償修正功能，藥量計(jì)量誤差在7%左右，開(kāi)啟補(bǔ)償修正功能后，藥量計(jì)量誤差穩(wěn)定在1%左右。完成10 t銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝工作后，車(chē)載控制系統(tǒng)記錄的累計(jì)裝藥量與現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重系統(tǒng)顯示物料損耗量基本一致，成功將誤差控制在1%附近，滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)在使用過(guò)程中，同批次原材料的特性基本不變的情況下，計(jì)量精度主要受干料螺旋轉(zhuǎn)速與傾斜角度的影響。

2)干料螺旋轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定不僅對(duì)多孔粒狀硝酸銨輸送速度有影響，而且對(duì)輸送量亦存在影響?？梢圆捎秒娨罕壤簤合到y(tǒng)配合PID控制的方式實(shí)現(xiàn)干料螺旋轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，避免因轉(zhuǎn)速變化而造成計(jì)量精度的下降。

3)干料螺旋輸送能力受其軸向傾斜角度的影響較大，軸向傾斜角變化若超過(guò)±2°。其標(biāo)定值與水平時(shí)相比誤差超過(guò)±2%，在實(shí)際應(yīng)用中，有必要針對(duì)銨油炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)與地面軸向傾角對(duì)標(biāo)定值進(jìn)行修正補(bǔ)償，以提高藥量計(jì)量精度。