（机械制造及其自动化专业论文）烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究.pdf

硕士论文 烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 摘要，愀 目前我国的烟花爆竹设备存在着自动化程度较低、工人参与的生产操作较多等缺 点，自动控制技术未较好的融合到设备设计与制造中，同时缺少必要的安全防护和监控 手段。 本文针对烟花黑药制各中存在的危险因素和预防设施的落后现状，根据江西省李渡 烟花集团有限公司的烟花黑药的生产工艺，重点对烟花黑药混制设备与相关的人机隔离 进行了研究，建立了烟花黑药人机隔离自动生产设备的具体结构三维模型和装配模型； 根据黑火药的制备工艺以及设备的工作流程，利用p l c 实现了对整机工作的控制，同 时给出了监测系统的方案结构，对各部分的功能做了具体阐述；介绍了磨球在滚筒中的 几种运动状态，分析了影响磨球破碎混合的设备参数，并根据单个磨球的受力情况，对 磨球的运动学规律和做功情况进行了分析；对磨机工作过程中出现的三种碰撞情况建立 了有限元模型，进行了数值计算分析，并分析了被撞击物的受力情况，对研究黑火药的 粉碎效果与设备的损伤情况有一定的指导意义；进行了烟花黑药人机隔离自动生产设备 样机的运行试验，结果表明该设备能够自动完成烟花黑药的粉碎、混合、筛分工艺，具 备人机隔离功能和控制监控功能。 目前，该设备已经投入使用并应用到烟花黑药的实际生产中，设备运行可靠，安全 性和生产率都达到了预期目标。 关键词：烟花黑药、人机隔离、圆筒混合机、控制与监控系统、运动分析、有限元 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ef i r e 、r k sd e v i c e si 1 1o u rc o u n 田a r ei nt h ed i s a d v 趾t a g e so f l o wd e g r e eo f a u t o m a t i o n ，w o r k e r si n v o l v e di nm a l l yp r o d u 曲o no p e r a t i o n sa n ds o0 n a u t o m a t i cc o m r o l t e c l u l o l o g yi sn o tb e 他ri n t e 黟a t e d 缸ot h ee q u i p m e n td e s i g l l 趾dm 删f a c 嘶n g ，锄d m e r ei s a l s oi a c kt h en e c e s s a 巧s e c u r i t ) ，a r l ds u p e r v i s i o n f o rt h er i s kf a c t o r sa 1 1 dt h eb a c k w a r ds t a t u sq u 0o fp r e v e n t i o nf a c i l i t i e si nt h ep r 印a r a t i o n f o rm ef i r e w o r k sb i a c kp o w d e r ，a c c o r d i n gt om eb l a c kp 0 、树e rp r o d u c t i o np r o c e s so fj i a l l g ) 【i l i d uf i r e w o r k sc o 印o r a t i o n ，p a p e rm a i n l yf o c u s e do nb l a c kp o w d e rm i x i n ge q u i p m e n t s 2 l s s o c i a t e d 诵t l lt 1 1 em a n - m a c h i n ei s o l a t i o m es 娩出l i s h e d 仉汜e - d i m e n s i o n a lm o d e la n d a s s e m b l vm o d e lo ff i r e w o r k sb l a c kp o w d e rm a n _ m a c l l i n es 0 1 u t i o na u t o m a t i ce q u i p m e n t ； a c c o r d i n gt oh ep r e p 删i o np r o c e s so fb l a c kp 0 、v d e ra 1 1 d 、o r k f l o wo f t h ee q u i p m e n t ，p l c a r eu s e dt 0c o n n o lm ew o r kp r o c e s so ft h ee q u i p m e n t ，a n dt h es t l m c t u 陀p r o 萨锄o t 。t h e m o 吐o m gs y s t e ma r es h o w e d ，劬c t i o l l so fe 础p a ne l a b o r a t e d ；s e v e m ls t a t e so fm o t i o no f b a l l si nt h e ( h u mw e r ei n t r o d u c e d ，p 眦哪e t e r so fe q u i p m e n ta 丑e c t i n gt h eb a l lc m s h i n g 锄d m i x i n ga n a l y z e d ，a n da c c o r d i n gt 0t h ef o r c e df e a t u r eo fs i n g i eb a l l ，m o v e m e n ts 诹斌i o na n d a c t i n gs i t u a t i o no f b a l lw a sa 1 1 a l y z e d ；f 诚t ee l e m e n tm o d e lo fm 陀ec o l l i s i o n so c c u r r e di nt l l e 、啪r ko fe q u i p m e n t 、e r ee s t a b l i s h e d ，m en 啪e r i c a lc a j c u l a t i o n 锄da n a l y s i sc o n d u c t e d ，a i l d m ef o r c ef e a t u r eo fi m p a c t o r sw e r ea n a l y z e d t h e r ew a sac 跳s i g i l i f i c a n c et ot h es t u d y o fm ec m s l l i i l ge 虢c t so fb l a c kp 0 、d e ra n dd a m a g eo fe q u i p m e m r i 幽g t e s to fp r o t o t ) ，p e o ff i r e w o r k sb l a c kp o w d e rm a l l m a c h i n es 0 1 u t i o na u t o m a t i ce q u i p m e n tw a sc a m e do u t t h e r e s u h ss h o w e dm a tt h ee q u i p m e n tc a na u t o m a t i c a l l yc o m p l e t e 丘r e w o r k s 删n g ，i i l i x i n g ， s c r e e i l i n gp r o c e s so fb l a c kp o w d e r ，a n dh a v em a n m a c h i n ei s o l a t i o n n m c t i o na 1 1 ds a f e t y c o n t l o l l i n ga n dm o n i t i d r i n g 缸c t i o n t h ee q u i p m e n th a sb e e np u ti n t ou s ea n da p p l i e dt ot h ea c n l a lp r o d u c t i o no f r k s b l a c kp o w d e r t h eo p e m t i o no fn l ee q u i p m e n ti sr e l i a b l e ，a n ds a f e t ya n dp r o d u c t i v 时伽苫e t s a r ea c h i e v e d k e yw o r d ：蜀的w o r kb l a c kp o w d e r m a n m a c l l i n ei s o l a t i o i l ，d r 呦m i x e r ，c o 曲旧l a i l d m o m t o rs y s t e m ，m o t i o na j l a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t i i 硕士论文 烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 1 绪论 烟花爆竹在中国已有1 3 0 0 多年的悠久历史，深受国内外民众的喜爱，是民间常用的 喜庆娱乐用品。烟花爆竹作为一种爆炸物品，其生产历来就是一个高危险性的行业。近 年来由于各种原因，烟花爆竹生产行业重大、特大伤亡事故频繁地发生，在给人民的生 命财产造成严重损失的同时，更对社会稳定造成恶劣影响。烟花爆竹机械的发展是烟花 爆竹行业发展的一个重要方向，它在解决劳动力资源匮乏，提高产品质量，提高工作效 率，提高生产环节中的安全因素具有积极的、无可替代的重要作用。 1 1 烟花爆竹机械化生产现状与优势 1 1 1 烟花爆竹机械化生产现状 在烟花爆竹一千多年的历史中，其生产历来以手工操作为主，由于人与黑火药的直 接接触，生产时如有不慎，极易引起安全事故的发生。随着社会的发展，烟花爆竹需求 量的增加，烟花爆竹生产企业规模的扩大，烟花爆竹机械设备在企业生产中逐渐被使用， 这对烟花爆竹的生产具有重大意义。 烟花爆竹机械根据是否接触药物分为无药机械设备和涉药机械设备【1 1 。无药机械设 备包括卷筒机、裁纸机、打泥底机等，涉药机械设备包括球磨机、混药机、结鞭机、引 线机、扦引机、砂炮机、油压机等。目前，烟花爆竹行业的黑火药生产、造粒、扦引、 结鞭、裁纸、卷筒、打泥底等工序基本上实现了机械化或半机械化，同时还出现了机械 设备的研究，如混药机、砂炮机等。但目前仅有造粒机、引线机、扦引机、结鞭机有行 业标准，其他许多工序使用的机械设备仍处于无标准状态。 1 1 2 烟花爆竹机械化生产的优势 使用烟花爆竹机械生产较之手工生产具有多方面的优势【2 】【3 】，它对生产工艺流程的 改进、生产劳动条件的改善和生产安全性的提高具有积极的、根本性的作用。其优势主 要体现在以下几个方面： 1 烟花爆竹的生产效率一般是手工生产效率的十倍甚至更高，可使生产人员的数量 大幅减少，产量大幅提高，并提高生产的安全系数； 2 随着市场对烟花爆竹需求量的增大、企业规模的扩大以及劳动力的匮乏，烟花爆 竹机械的使用可以代替对劳动力的需求，保证企业的正常发展； 3 随着烟花市场的发展，消费者对烟花爆竹产品质量的要求越来越高，而手工生产 工人素质的不同，对操作规程的理解不一，因人而异导致产品质量差异很大，烟花爆竹 机械的使用能够较好的保证产品质量； l 绪论硕士论文 4 随着国内外市场的拓展，市场竞争也随之加大，使用烟花爆竹机械可以在提升产 品质量和产量的同时，减少生产人员，节约资金，降低企业使用土地面积和建筑面积， 缩短产品的生产周期，提高工时效率，从而达到降低生产成本的目的； 5 随着烟花爆竹产业科技含量的提高，“大型烟花、“冷光烟花 、“高空礼花 产品的普及生产，烟火药药量使用越来越大，成份多组合的情况也越来越多，烟花爆竹 机械的使用可以减少生产人员与药物接触的时间和次数，从而保障了生产人员的人身安 全，保证了企业的安全生产。 1 2 烟花爆竹机械化生产的国内外发展状况 中国的烟花爆竹产业经历了从上世纪8 0 年代初由乡镇企业为主导到现在的以民营企 业为主的发展过程【4 】，经历了从一千年以来的手工制造到上世纪7 0 年代使用简易的制造 工具，再到现在的大规模地使用及研究应用机械的发展过程。目前，鞭炮生产中8 0 的 工序已成功地采用新生产工艺和机械生产【5 】，整个过程缩短到只有十几道工序，生产1 0 万响鞭炮只需5 个工作日，较之传统工艺提高生产效率6 倍。烟花生产历来属于以手工为 主的劳动密集型产业，厂家生产设备简陋，自动化程度较低，特别是混药、干燥、造粒、 装药等危险程度较高的工序，仍然停留在手工操作阶段，加之生产人员素质较低，若不 严格执行操作规程，极易引起安全事的发生。 为了减少烟花爆竹行业事故的发生，降低风险，减少事故损失，必须加强烟花爆竹 机械设备标准与检测的研究，对机械设备实行合格准入制度是保证安全生产的一项紧迫 任务。为此，国家颁布了一些有关烟花爆竹机械的标准和规范：烟花爆竹机械滚筒造粒 机( a q 4 1 0 7 2 0 0 8 ) 、烟花爆竹机械引线机( a q 4 1 0 8 2 0 0 8 ) 、烟花爆竹机械爆竹插引 机( a q 4 1 0 9 2 0 0 8 ) 、烟花爆竹机械结鞭机( a q 4 1 1 0 2 0 0 8 ) 、烟花爆竹作业场所机械 电器安全规范( a 0 4 1 l1 2 0 0 8 ) 等。 烟花爆竹机械的使用起源于上个世纪的八十年代【6 j ，首先是卷筒机和引线机的成功 研制和应用推广，九十年代插引机、全自动结鞭机的出现以及分纸机【7 】、卷筒机、切筒 机、浆引机、刁底机的成功研制以及广泛推广使用，给烟花爆竹行业带来了一场时代性 的革命。目前，烟花爆竹制造中的许多工序机械化生产已经较为普遍，例如在黑火药、 亮珠、引火线制造和十四大类烟花爆竹产品中，黑火药生产中单组份或多组份的粉碎、 混合、压药、切片、抛光，亮珠生产中的单组份粉碎和造粒，吐珠类烟花生产中的裁纸、 卷筒、打泥底、装药、装珠，引火线生产中的制引、浆引、上漆，礼花弹生产中的裁纸、 压壳，喷花类、旋转类、升空类等生产中的裁纸、卷筒、压药、钻孔，爆竹类生产中分 纸、扯筒、切筒、打底、插引、结鞭、封装等。 烟花爆竹机械的研制属于交叉学科，既要了解烟花爆竹实际生产状况，又要懂得 机械设备的工作原理，所以只有采用多学科的有机结合，才能设计制造出符合烟花爆竹 2 硕上论文烟花黑药人机隔离自动生产设各的分析与研究 安全生产要求的机械设备。虽然目前的烟花爆竹生产中许多工序都己使用了烟花爆竹机 械，但这其中也存在着一些问题。 1 目前大部分烟花爆竹机械普遍存在质量重、体积大、噪声超标、安装困难、制造 工艺粗糙、机械传动不合理等问题，而且在工作运行中常出现机械故障。有的烟花爆竹 机械违反了机电设各的基本安全规范，存在不应该出现的缺陷，因此烟花爆竹机械的整 体质量仍有待提高。 2 烟花爆竹企业在用的许多机械设备并不是根据国家标准研制的，而是机械设备制 造商根据需求企业的要求和自己的实际情况进行制造的，大部分机械设备是单件生产的， 设备生产出来后直接投入烟花爆竹企业使用，存在着维修不方便，型号不统一甚至无型 号，更不能批量化生产等缺点。 3 研发烟花爆竹机械本身的成本较高，而市场需求却比较大，导致市场价格不合理， 因此使得部分需求企业望洋兴叹。 4 国家关于烟花爆竹机械没有设立相应的标准，没有具体某个部门对该行业进行监 管，日常检测与监管也基本空白。 5 由于机械生产中的含药量大，并存在不可预防性，生产中的安全隐患一旦发生， 则造成的事故影响较之手工生产更大。 烟花爆竹爆炸安全和环保问题是一个世界性难题，日本和西方发达国家，虽非常重 视烟花安全问题，但基本上已经不生产烟花爆竹，都采用进口的方式来满足国内市场需 要。销售和代理的厂商不愿筹集大量资金用于相关的研究，这些发达国家的烟花行业转 而经营进口烟花爆竹制品。因此，国际上对烟花爆竹的研究很少，烟花爆竹设备的研究 基本上还是一个空白。 1 3 烟花黑药制备的发展状况 烟花黑药的混合是烟花生产中首道工序，混药是指将木炭、硫磺、硝酸钾混合在一 起的过程，这是一道既关键又具危险性的工序【8 】。混药质量的好坏，直接影响烟花爆竹 产品的性能和效果。由于可燃剂与氧化剂混合成一体，即构成了易燃易爆的黑火药，在 较低条件下就有可能引起燃烧或爆炸，因此危险系数较高，近年来国内也时有重大安全 事故发生。 传统的黑火药制备方法为手工混合，它是将称量好的各黑火药原料放在牛皮纸上掺 和，然后用4 0 目左右的筛子过筛。为避免因各原料密度不一而出现的筛下黑火药分层现 象，过筛时，要用毛刷将筛上各原料刷下。一般过筛三遍，才可获得成分混合均匀的黑 火药。手工混合法的主要缺点是安全性较差，极易因操作不当致使黑火药燃烧或爆炸。 同时，手工混合不宜用于含有毒性成分的混合物，也不宜用于感度较高的混合物。 近年来随着烟花爆竹机械的发展，黑火药的制各也逐渐机械化。混药机械按混合筒 3 l 绪论硕士论文 形状的不同主要有例： 1 转筒混合机：将黑火药各原料放进转筒中，通过转筒的旋转致使黑火药混合。该 混合机筒体内壁装有长形筋条。工作时，转筒转速一般为( 1 5 1 8 ) r m i i l ，混合时间一般 为( 1 5 3 0 ) r r i l i n 。 2 s 型叶片混合机：该混合机内部安装有旋转的叶片，利用叶片来将黑火药各组分 混匀。为了不让黑火药粘附在混合机内壁上，机内装有刮具，它和叶片以同一速度旋转。 混合完成后，将混合机机体绕其轴以18 0 0 翻转倒出黑火药。 3 埃佩克斯( a p e x ) 系列混合机：该系列混合机由两个锥形混合桶组成，通过两个进 料口添加黑火药并汇合一起，混合过程中可使黑火药同时完成径向和轴向的交流作用。 4 s h 型三维混合机：该混合机在工作时，通过主动轴的旋转带动叉形架，致使与叉 形架相连的混合筒做循环往复的平移运动，转动及翻滚等复合运动，促使黑火药原料沿 着筒体作径向、轴向和周向的三向复合运动，从而实现各原料的相互流动、扩散、参杂、 积累，最终达到均匀混合的目的。 我国在烟花黑药混合机械方面也申请了许多的专利，例如：一种自动化烟火药物配 料混合设备( c n 2 0 1 2 4 5 5 7 1 y ) 、一种烟火药物混合、制粒设备( c n 2 0 1 31 3 8 7 2 y ) 、封 闭式气体混合火药机( c n 2 0 1 4 9 5 1 8 5 u ) 、一种自动化烟火药物混合设备 ( c n 2 0 1 5 6 7 2 9 6 u ) 、封闭式气体混合火药机( c n 2 0 1 4 9 5 1 8 5 u ) 、烟花爆竹用烟火药远 控全自动机械混药机( c n 2 0 1 6 8 0 7 7 1 u ) 、烟花药物混合机( c n l 0 1 9 0 6 0 0 3 a ) 。其中以 烟花爆竹用烟火药远控全自动机械混药机和一种自动化烟火药物混合设备最具代表性， 在此简要介绍。 专利2 0 1 0 2 0 1 7 3 3 5 7 7 号公开的烟花爆竹用烟火药远控全自动机械混药机【l o 】，其 特征是包括远程电气控制装置、机架、滚筒和驱动电机，驱动电机安装在机架上，滚筒 通过主轴固定在机架上，远程电气控制装置控制驱动电机并通过主轴带动滚筒正反两方 向旋转，以实现自动混药、出药。较以往黑火药手工制各的生产方式，生产效率有了较 大的提高，操作工人的劳动强度也有所减轻，同时也在一定程度上保证了生产的安全。 但所述的与火药直接接触的滚筒未采用绝缘材料，且动力设备和涉药装置未分离开，在 实际生产中存在一定的安全隐患；工作时滚筒中未加入磨球，故无法实现对黑火药的粉 碎功能；所述设备中没有振动筛，无法实现对黑火药的筛分，生产出的黑火药质量有一 定程度的下降。 专利2 0 0 9 2 0 2 5 9 3 9 8 5 号公开的一种自动化烟火药物混合设备i j ，其特征在于包 括机架、第一混合装置、筛选装置、第二混合装置、输送装置和远程操控装置，机架上 方安装有除远程操控装置的其他装置，远程操控装置控制设备的混合筛选工作。机架最 上安装第一混合装置，依次向下为过渡料仓、筛选装置、第二混合装置、输送装置。该 专利具有了筛选装置，实现了对黑火药的筛分功能，但涉药装置仍未采用绝缘材料，动 4 硕士论文 烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 力设备与涉药装置也并未分离，故其安全系数也不高，实际生产中具有一定的安全隐患。 上述所述的手工混合、机械混合以及部分专利，或者由于黑火药原料会与人体直接 接触、劳动人员操作易失误，或者由于生产设备设计不合理等，在实际生产中存在一定 的安全隐患，较为容易的造成人员伤亡和财产损失事故的发生。 1 4 烟火黑药生产人机隔离技术 目前，随着烟花爆竹行业生产机械化程度的提高，所使用的设备逐渐增多，特别是 带电设备。因此设备选型及安装尤其要注意符合黑火药生产的特点和要求，确保安全生 产。人机隔离是指生产人员、操作人员与具有爆炸危险的生产设备隔离，人员在生产中 无伤亡危险。实现人机隔离可以减少操作工人与药物接触的次数和时间，降低生产工人 违规作业的几率，从而避免伤亡，减少事故，保证生产工人人身安全和企业安全生产的 目的。黑火药人机隔离设备通用要求【1 2 】： 1 工房所使用的电气设备必须符合国家防爆要求，混药设备的动力部分应选用符合 国家标准的密封防爆电机。凡接触药物的机械传动部分，严禁采用金属搭扣皮带，不宜 采用平板皮带或齿轮减速器，且必须经常添加润滑油。带电的机构设备必须有可靠的接 地设施，接地电阻不应大于l o q 。 2 经行二味或三味黑火药混合的球磨机禁止使用铁制部件，只许用黄铜、皮带、杂 木、楠竹和导电橡胶制成的部件。 3 穿过滚筒的铁轴外部必须包有皮带。不许在危险场所架设临时性的电气设备。粉 碎混合设备只能专机使用。 4 制药工房机械设备的安装位置，应不影响操作人员的正常进出。与药物接触的机 械设备、器具应对其性能经常进行检查，应有专人负责日常维修保养，禁止设备故障运 行。新出厂的混合设备，必须打磨光滑，方可投入使用。在涉药工房进行设备检修时， 必须将工房内的黑火药搬走，清除设备上残余的黑火药，将设备拆除移至修配车间进行 修理。非设备专管人员不得擅自装拆移动。 1 5 课题来源和研究意义 1 5 1 课题来源 该课题为烟花爆竹安全生产关键装备及示范的子课题，属于国家科技支撑项目。 针对烟花爆竹行业中烟花黑药混制工艺中危险操作的存在和安防设施落后现状，重点 对黑火药安全混制工艺与设备与相关的人机隔离、监测设施进行联合攻关，并进行工 程示范应用。 l 绪论硕士论文 1 5 2 课题的研究意义 黑火药是烟花爆竹的重要组成部分之一，烟花爆竹是随着黑火药的出现而开始发展 的。黑火药是木炭、硫磺和硝酸钾组成的混合物，至今仍在烟花爆竹中大量使用。黑火 药的生产历来采用人工粉碎、混合、筛分、倒料的原始工艺，不仅劳动强度大，车间占 地面积大，生产效率低，生产成本高，而且极易发生因劳动人员操作疏忽而造成的爆炸 事故。近年来，黑火药的生产设备虽有所改进和更新，但其生产工艺改进不大，日生产 量和产品质量一直上不去，还经常引发车间爆炸事故，现有生产工艺和设备已满足不了 规模化生产的需求。因此，生产一种集原料粉碎、混合与筛分为一体的多功能黑火药混 合机对改变目前黑火药生产现状和生产工艺，提高黑火药生产的安全性具有重要意义。 通过本课题的研究，将改变该行业的安全技术水平，降低和减少烟花爆竹爆炸事故 的发生。从经济角度来讲，可将原来限制压缩发展的行业逐步变为正常发展和鼓励持续 发展的行业。该项技术不但具有很好的推广应用前景，还可获得良好的社会效益和经济 效益。 1 5 3 课题研究的主要内容 烟花黑药作为民用烟花产品的主要药剂之一，其制备是烟花爆竹制造的头道工序， 是在整个烟花爆竹生产中人药接触最多的工序。因此，减少人药接触的时间和次数实际 上就降低了事故发生的几率。项目组针对江西省李渡烟花集团有限公司烟花黑药生产工 艺，完成了以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 烟花黑药人机隔离自动生产设备总体方案的研究 在烟花黑药生产制备中，根据烟花黑药实际生产工艺，参考军工黑火药的生产设 备，提出将木制滚筒混合机与振动筛进行一体化配置与控制的方案，完成黑药的粉碎、 混合和筛分。设备中，与黑火药直接接触的工作部分与电气部分分装在两个不同房间， 进行隔离，有效的防止电气设备对烟花黑药安全生产的影响，实现人机隔离和无人化 安全生产。 利用s o l i d w 6 r k s 三维建模软件建立烟花黑药人机隔离自动生产设备零件实体模型， 根据烟花黑药人机隔离自动生产设备的组成和零件间的装配关系，建立该自动生产设备 的装配体模型。 ( 2 ) 烟花黑药人机隔离自动生产设备控制与监控系统设计 烟花黑药原料的混合主要是通过电机带动滚筒的旋转，继而使各组分在滚筒里运动 以达到粉碎混合的目的。根据黑火药的制备工艺要求，黑药的粉碎混合要达到5 小时，筛 分要达到3 0 分钟。该部分可选用成熟产品p l c 进行控制，采用计时器进行计时，当达到 规定的时间后，p l c 控制开关断开，此时电机停止供电，混合工作或筛分工作停止。监 控系统主要使用摄像头、温度传感器、湿度传感器、红外线传感器等分别对生产实时过 6 硕士论文 烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 程、室内温度、湿度、有无人员等进行检测监控，并对紧急出现的情况进行报警，以及 自动断电保护，以达到安全生产的目的。 ( 3 ) 烟花黑药人机隔离自动生产设备的动力学仿真分析 建立木球冲击圆筒牛皮、筋条牛皮与黑火药的实体模型，通过有限元软件a b a q u s 对实体模型进行动力学仿真分析，模拟单个磨球在实际工况下对圆筒牛皮、筋条牛皮与 黑火药的冲击情况，使样机在生产安全性、可靠性等方面更加完善。为使模型简化力求 仿效真实情况，计算结果较为可靠，故根据实际工况，在对结构进行了简化后，建立了 分析模型，并进行了网格划分、简化边界条件以及创建接触等。 ( 4 ) 烟花黑药人机隔离自动生产设备的生产运行与调试 对设备样机的各个模块进行测试，并通过实验数据验证烟花黑药人机隔离自动生产 设备的可靠性和安全性。 2 烟花黑药人机隔离自动生产设备的总体方案研究 硕士论文 2 烟花黑药人机隔离自动生产设备的总体方案研究 2 1 设备的总体方案 黑火药是木炭、硫磺和硝酸钾的混合物，制造黑火药的过程，也就是三种原料粉碎 和混合的过程，工艺流程图如图2 1 所示。生产中，一般是将合格的木炭和硫磺按一定 的比例一起粉碎混合，即为二料混合。硝酸钾单独进行粉碎加工，以供三料混合使用。 三料混合就是将加工好的木炭和硝酸钾的混合物，与硝酸钾一起按一定比例混合成黑火 药。此过程中有进一步的粉碎作用，是黑火药生产中最危险的工序。粉碎完成后，对黑 火药过筛封装，以备制作烟花爆竹生产使用。 图2 1 工艺流程图 为实现上述的黑火药制备工艺，有两种方案可供选择： 方案一：将黑火药的生产分为两部分，黑火药原料的粉碎混合和黑火药的筛分。黑 火药原料的粉碎混合主要是在木质滚筒中进行，由电机提供动力，经减速器后带动木质 滚筒的工作。 黑火药的筛分是在粉碎混合完成后，将黑火药倒入机动筛中，电机提供动力，经一 系列动力传输装置后带动机动筛工作。筛落的黑火药落入接料小车中，在电机停止工作 后由接料小车中运走。 方案二：将方案一中的混药工序和筛药工序集成一体，在一套设备中完成对黑火药 的粉碎混合与筛分工作，较方案一有明显优点：减少了生产工序和操作人员的数量，提 高了劳动生产率，实现了烟花爆竹的机械化自动生产。 2 1 1 设备的工作原理 生产时，将检验合格、质量适当的磨球介质和黑火药原料倒入木质滚筒中，用木扳 手将密封盖固定在滚筒的装料口上。木质滚筒通过驱动装置的主轴和减速器与电动机连 接，驱动装置为木质滚筒的旋转运动提供动力。驱动装置启动后，磨球介质和黑火药原 料在摩擦力和离心力的作用下，随着简体一起做圆周运动。当提升到一定高度后，磨球 介质和黑火药原料的离心力小于二者重力的径向分力，二者就以滚筒的圆周速度为初速 r 硕士论文烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 度脱离筒壁沿抛物线作抛射运动。抛射运动结束后，磨球介质和黑火药原料落回滚筒的 圆周轨迹上，并对黑火药原料的进行冲击、粉碎与研磨。至此，一个运动周期结束，磨 球介质和黑火药原料开始下一周期的运动，周而复始。磨球介质和黑火药原料正是在随 着简体的旋转而反复上升和下落的运动过程中，完成黑火药原料的粉碎和混合均匀工 作。达到混合时间后，用铜扳手将木质密封盖卸下换上木质出料盖，将系有布袋的接料 小车推入机动筛下，启动机动筛驱动器，在机动筛驱动器的带动下机动筛对黑火药原料 进行筛选，达到过筛规定时间后停车并将接料小车推走。烟花黑药人机隔离自动生产设 备的工作顺序图如图2 2 所示。 i 向滚筒中加入黑火药原料和l i 糜球介质 l 传动装箕上作 且 到达混合时问后停止 且 将黑火药例入机动筛j = ： 8 机动筛驱动嚣上作 冀 到达过筛时间后停止 舄 将接科小乍运走 图2 2 工作顺序图 驱动装置、机动筛驱动器等电气装置与木质滚筒、机动筛等涉药装置分别安装在两 个不同的房间内，二者进行隔离，避免了电气设备与黑火药的间接接触，杜绝由此带来 的安全隐患。采用安全性控制与监测系统，对烟花黑药人机隔离自动生产设备的工作进 行远程控制与监测，即使有危险情况的发生，也不会对操作人员造成人身伤害，实现人 机隔离和无人化生产。同时，除在控制室除可远距离电控操作外，还可通过摄像头观察 到黑火药上料、混合、筛分、出料的整个生产过程；工房中安装有传感器对工作环境的 温度、湿度、有无人员进入工房等实时检测，做到一旦出现异常，可立即停机处理。工 房设在山坳内，距离监控室在5 0 米以上，确保安全距离。烟花黑药人机隔离自动生产 设备的整体布局如图2 3 所示。 9 2 烟花黑药人机隔离自动生产设备的总体方案研究硕士论文 控制室 图2 3 烟花黑药人机隔离自动生产设备的布局图 2 1 2 设备基本组成 烟花黑药人机隔离自动生产设备主要包括机械系统和控制与监测系统，控制与监测 系统控制机械系统进行工作，完成对黑火药的粉碎、混合和筛分，并同时监控整个生产 过程，避免突发事件的发生，从而实现安全生产。 机械系统由木质滚筒、机罩、机动筛、接料小车、驱动装置、机动筛驱动器六个组 件组成，每个组件又各包含其他零件。控制与监测系统分为控制系统与监控系统，控制 系统主要包括p l c 等，监控系统包括摄像头以及各种传感器等。系统组成图如图2 4 所示： 图2 4 系统组成图 2 1 3 技术指标 技术指标确定了设备的主要技术性能、工作适用范围及能力。对系统设计之前，分 析影响技术指标的主要因素及满足指标的可行性，可以为系统的设计、测试提供一定的 依据，具有积极的指导作用。 1 0 硕士论文烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 2 1 4 设备的特点 烟花黑药人机隔离自动生产设备构造新颖、结构合理，通过驱动装置带动木质滚筒 旋转，使磨球和黑火药在木质滚筒内自由滚落、冲击以粉碎混合黑火药，而且木质滚筒 呈卧式设置，可使木质滚筒内混合物反复上下滚动，从而达到充分粉碎混合黑火药的效 果。该设备的主要特点如下： ( 1 ) 与黑火药直接接触的部件选用木质或牛皮等软质绝缘材料，有效的降低了混 合过程中撞击、摩擦、静电感度的影响，提高了黑火药生产的安全性； ( 2 ) 涉药部分与驱动装置、电气设备安置在不同的房间内，并且在生产过程中可 实现远程控制与监测，实现了人机隔离和无人化生产； ( 3 ) 混药与筛药集成一体，减少了生产工序，提高了生产效率； ( 4 ) 改变了人药直接接触的生产现状，减少了涉药操作人员的数量，提高了劳动 生产率，实现了烟花爆竹的机械化自动生产。 2 2 设备结构设计原理与三维模型 烟花黑药人机隔离自动生产设备总体结构，其主要由木质滚筒、机罩、机动筛、接 料小车、驱动装置、机动筛驱动器组成。驱动装置的主轴穿过木质滚筒对其进行定位支 撑，主轴上在位于机罩两端的位置安装轴承座并固定在地面上，机罩罩在木质滚筒外部 对木质滚筒进行保护和隔离作用。机罩的下方为机动筛，机动筛通过连接布挂在机罩的 上，机动筛的下方为接料小车，机动筛中的连接布放在接料小车的小车漏斗盒内。机动 筛驱动器通过连杆连接机动筛，从而带动机动筛抖动。木质滚筒、机罩、机动筛和接料 小车放置在同一个车间，驱动装置和机动筛驱动器放置在另一个车间中。 2 2 1 木质滚筒结构原理与三维模型 木质滚筒主要包括木质端板、木质中隔板、木质轴套、筒箍、木质筋条、木质密封 盖、木质出料盖、加强盘、木质筒口部件、牛皮覆盖件。两块木质端板分别放置在木质 轴套的两端，两块木质端板的中间为一块木质中隔板，木质端板和木质中隔板对木质滚 筒起骨架支撑作用，两块木质端板的外侧设置加强盘；木质轴套垂直穿过木质端板与木 质中隔板进行轴向定位，牛皮覆盖件蒙在木质端板和木质中隔板上；木质端板和木质中 隔板圆周边开有方孔，用于定位木质筋条，木质筋条将牛皮覆盖件固定在木质端板和木 质中隔板上，筒箍则夹紧木质筋条，将木质筋条分别固定在木质端板与木质中隔板上； 在牛皮覆盖件上有开孔，并在孔内装有木质筒口部件，在该木质筒口部件上安装木质密 封盖或木质出料盖；驱动装置的主轴穿过木质轴套和加强盘并未整个木质滚筒的运转提 供动力。木质端板、木质中隔板、木质轴套、木质筋条、牛皮覆盖件等与黑火药直接接 触，均采用木质或牛皮等软质绝缘材料，可有效防止球磨混合过程中撞击、摩擦、静电 2 烟花黑药人机隔离自动生产设备的总体方案研究硕士论文 感度的影响。 2 2 2 机罩结构与三维模型 机罩包括下机罩、上机罩左、上机罩右、口盖，下机罩上有开孔。上机罩左和上机 罩右拼接一起，并倒扣在下机罩上，三者通过铆钉与粘结剂固定一起；上机罩右上开孔， 用于安装口盖。工作时，通过打开口盖向木质滚筒内添加黑火药原料或进行其他操作。 2 2 3 机动筛结构与三维模型 机动筛包括木质主筛框、木质辅筛框、连接布、木质连接布框、筛网。木质主筛框 通过连杆座与机动筛驱动器相连，木质主筛框上插有木质辅筛框，木质辅筛框上布有筛 网，连接布上接机罩的下机罩，下接木质连接布框。在木质滚筒中混合均匀的黑火药从 下机罩落到筛网上，经过筛选后落入接料小车中。筛网的规格是c q 2 8 c q 3 3 蚕丝筛。 2 2 4 接料小车结构与三维模型 接料小车由小车、小车漏斗盒、接料圈组成。小车漏斗盒位于筛网正中间，小车漏 斗盒上均布圆洞，用于安放接料圈。筛选好的黑火药落在漏斗盒上或接料小车中，落在 漏斗盒上的黑火药由扫帚扫下，再由接料小车将黑火药运走。 2 2 5 驱动装置结构原理与三维模型 驱动装置包括主轴、减速器、联轴器、大电机。大电机的输出轴通过联轴器与减速 器一端相连，减速器的另一端通过联轴器连接主轴，主轴带动木质滚筒转动进行工作。 工作时，大电机输出动力，经减速器减速后传递到主轴，主轴带动木质滚筒旋转完成黑 火药原料的粉碎与混合。动力传递顺序为： l 大电机削减速器吲主轴酬木质滚筒i 2 2 6 机动筛驱动器结构原理与三维模型 机动筛驱动器包括大皮带轮、皮带、小皮带轮、连杆座、连杆、偏心轴承座、偏心 轴、机架、小电机。机架上放置机动筛驱动器的其他部件，小电机固定在机架上，小电 机的输出轴上装有小皮带轮，小皮带轮通过皮带连接大皮带轮，大皮带轮架在偏心轴上， 偏心轴两端通过轴承座固定在机架上，偏心轴上有一段偏心圆柱，偏心圆柱外罩有偏心 轴承座，偏心轴承座通过连杆头连接连杆一端，连杆的另一端通过连杆座与机动筛的木 质主筛框连接。工作时，小电机带动皮带轮转动，进而带动偏心轴圆周运动，偏心轴的 圆周运动使偏心轴承座振动，并通过连杆、连杆座带动机动筛抖动，从而完成筛选黑火 药的工作。动力传递顺序为： 1 2 硕上论文烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 2 3 本章小结 本章对烟花黑药人机隔离自动生产设备的总体方案的进行研究，阐述了整机工作原 理、技术指标和特点，并对各组分的具体结构进行分析设计。利用三维建模软件建立零 件的实体模型，根据烟花黑药人机隔离自动生产设备的组成和零件间的装配关系，建立 该设备的装配体模型。 一 3 控制与监控系统的分析与设计 硕士论文 3 控制与监控系统的分析与设计 3 1 控制系统设计原则 任何一种电器控制系统都是为了实现被控对象( 生产设备或生产过程) 的工艺要求 以达到提高产品质量和生产效率的目的，力求能够满足生产工艺的要求，其运行要平稳、 操作简单、动作可靠、安全实用、调试方便、维护容易【1 3 】。因此，在控制系统的设计中， 应遵循以下基本原则1 4 】： ( 1 ) 安全可靠性 选用成熟可靠的控制检测产品，如p l c 、传感器等，主要控制设备应具备防尘、防 干扰等能力，并在设计中吸取同类产品的设计经验，确保系统能够长期、稳定、可靠地 运行。 ( 2 ) 简单实用性 从保护安全生产、简化操作、实现生产自动化的目标出发，根据现有操作人员的实 际水平，应尽量使设备操作简单，符合操作习惯；监控界面要人性化，且易于理解。尤 其对于紧急报警的处理按钮等应标志明显，防止在发生紧急情况时找不到处理按钮。 ( 3 ) 功能的齐全性 在系统设计的过程中，系统应尽量包含多种功能，其中包括：良好的人机交互界面、 实时的生产过程显示、实时的传感检测显示、实时的声光报警及历史报警记录、系统对 设备的保护等。 ( 4 ) 系统维护方便 对于控制系统，要求易于维护。在系统能够安全可靠运行的前提下，尽量保证系统 的可维护性，便于厂内的技术人员对系统中设备的检修和维护。 3 2p l c 简介 p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可 以编制程序的存贮器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术 运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程。p l c 及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充 其功能的原则设计1 1 5 l 。 p l c 具有通用性强、可靠性高、使用方便、适应面广、编程简单、抗干扰能力强等 特点，既可以应用于旧设备的改造，又可以应用于新产品的开发，在机电一体化、工业 自动化等方面的应用极为广泛。 1 4 硕士论文烟花黑药人机隔离自动生产设备的分析与研究 3 2 1p l c 的硬件构成 p l c 主要由中央处理单元( c p u ) 、存储器、输入输出单元、电源和编程器等几 部分组成，其结构如图3 1 所示【1 6 】。 开关 模拟 其他 信号 算程 机器 展展 模i o 块 接触器 电磁阀 其他信号 图3 1p l c 硬件结构 中央处理单元( c p u ) 是p l c 的硬件核心，一般由控制器、运算器及寄存器组成， 这些电路都集成在一个芯片内。c p u 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、 输入输出接口电路相连接。c p u 主要功能是：( 1 ) 从存储器中读取指令；( 2 ) 执行指令； ( 3 ) 顺序取指令；( 4 ) 处理中断。 存储器时具有记忆功能的半导体电路，用来存储系统程序、用户程序、逻辑变量、 系统组态等信息。按用途可以分为系统存储器、用户存储器、数据存储器3 类，按存储 元件的类型可以分为r a m 、r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s hr o m 等【17 1 。 输入、输出单元( i o ) 是p l c 与被控对象之间进行信号传送的接口部件。实际生产 中的信号电平是多样的，外部执行机构所需的电平也不同，而可编程控制器的c p u 所处 理的信号只能是标准电平，通过输入、输出单元实现这些信号电平的转换。 电源部件将交流电转换为供p l c 工作所需的电源形式，使p l c 各部件正常工作。p l c 输入的电源有交流输入和直流输入两种基本形式，一般采用交流2 2 0 v 的市电。 编程器是p l c 最重要的外部设备。利用编程器将用户程序送入p l c 的存储器，检查、 修改、调试程序，以及监视程序的运行和p l c 的工作状态。 3 2 2p l c 的工作原理 p l c 采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图3 2 所示。 扫描过程一般分为五个阶段：内部处理、通信操作、输入扫描处理、执行用户程序、 输出处理。当p l c 的方式开关处于运行( r i 烈) 时，执行所有的阶段：当p l c 的方式开 关处于停滞( s t o p ) 时，不执行后三个阶段，此时可进行通信操作，对p l c 编程等。 ( 1 ) 内部处理 c p u 检查主机硬件，检查所有的输入模块、输出模块等，在运行模式下，还要检查 1 5 3 控制与监控系统的分析与设计硕士论文 用户程序存储器。如果发现异常，则停止并显示错误。若自诊断正常，继续向下扫描。 ( 2 ) 通信操作 在c p u 扫描周期的通信操作阶段，c p u 自检并处理各通信端口接 收到的任何信息，完成数据通信任务。即检查是否有计算机、编程 器的通信请求，若有则进行相应处理。 ( 3 ) 输入扫描处理 输入扫描处理又称为输入采样。在此阶段，顺序读入所有端子 的通断状态，并将读入的信息存入输入映像寄存器。输入映像寄存 器被刷新，程序执行时，输入映像寄存器与外界被隔离，即使外界 信号变化，其内容也保持不变。 ( 4 ) 执行用户程序 用户程序在p l c 中是顺序存放的。在这一阶段，c p u 根据p l c 用户程序从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令 结束。执行指令时，从输入映像寄存器读取各输入端得状态，执行 指令对各数据进行算术运算或逻辑运算，然后将运算结果送输出映 像寄存器，输入映像寄存器的内容会随着程序的运行而改变。 ( 5 ) 输出处理 图3 2p l c 扫描过程 在程序执行完毕后，将输出映像寄存器的状态转存到输出锁存器，集中对输出点进 行刷新，通过隔离电路，驱动功率放大器，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部 负载。 3 2 3p l c 的编程语言 p l c 逻辑控制功能的实现是通过编程语言来实现的，与其他计算机控制系统一样， p l c 用户程序中所使用的指令有规定的格式与要求