一种工业炸药智能包装系统的设计

潘先峰 黄 嵩 张春燕

（中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，淮北 235000）

民爆行业是我国国民经济的基础行业。与其他行业相比，民用爆炸物品对生产设备的安全性和可靠性的要求更高。近年来发生了一系列民用爆炸物品生产事故，使得民爆行业的发展受到了高度重视。《工业和信息化部关于建立民爆企业安全生产长效机制的指导意见》和《“十四五”民用爆炸物品行业安全发展规划》等国家政策对推动民爆行业智能制造和信息化建设，加快现有生产工艺、装备和产品的升级换代，实施信息化、智能化技术改造，使生产线向少人化、无人化发展等做了明确要求，以期全面提高民爆行业装备、技术和管理等水平，促进民爆生产企业产业结构优化升级，采用智能化工艺技术与装备，提高民爆行业的产业集中度和本质安全水平，保障民爆装备与技术健康、协调、可持续发展[1-3]。

经过多年的发展，国内的工业炸药包装系统在一定程度上提高了炸药包装线的自动化程度，系统整体功耗有所下降，可实现炸药包装线中的药卷理料对齐、制袋成型、装袋、抽真空以及热封等工作，也可实现装箱设备的开箱、计数堆码以及装箱等工作。然而，包装系统仍然存在如理料方式不够完善、装箱效率低、故障率较高、维护费用昂贵、功能不齐全、设备体积大以及性能不稳定等问题，是工业炸药包装系统高效生产的瓶颈。因此，急需设计一种智能化程度高、效率高、造价适中、体积小以及包装方式安全的工业炸药智能包装系统来满足市场的需求。

1 智能包装系统总体设计

1.1 包装系统工艺设计原则

理想的工业炸药包装生产工艺应该生产效率高、辅助作业少、能耗低，包装产品均一性好、牢固、经济以及美观。因此，在满足系统功能的前提下，工业炸药包装系统的工艺设计原则应满足以下几点[4-6]。

（1）技术先进，工艺成熟。尽量采用国内外先进工艺技术和装备，工艺应成熟、可靠、稳定和实用。

（2）功能齐全，设备可靠。各设备要具备对关键部位进行检测与监控的功能，与电气装置运行必须可靠，且各工序间采取可靠的防殉爆技术措施。

（3）过程连续，故障率低。要实现包装过程全连续自动化、智能化作业，应合理分配和优化工序内容，合理分配每台设备的工序内容，不要频繁出现异常情况。

（4）经济合理，安全高效。各设备和工艺所需材料应成本低廉，性价比高。考虑各工序本质安全性和时间均衡，应充分发挥整个生产线的效率，避免在部分设备中浪费。

（5）定型完好，包装牢固。包装完成的箱体应完好、规整和牢固，外观质量良好，符合《工业炸药包装》（GB 14493—2003）的技术要求。

1.2 工艺流程设计

工业炸药智能包装系统通过对药卷自动分流、理料整列、计数堆码、自动开箱、机器人抓取装箱、中包裹包、动态称重剔除、投放资料、自动封箱及捆扎后，经过成品输送装置转运至装车平台，工艺流程如图1所示。

1.3 智能包装系统总体设计

1.3.1 基本参数

根据民爆行业发展现状与包装机组配置情况，确定本包装系统的基本参数如表1所示。

表1 包装系统的基本参数

1.3.2 设备排列类型的选择

包装线按照包装设备排列形式可分为串联型、并联型和串并联混合型3种类型。通过对本系统分析可知，适合以串并联混合型形式排列生产线。

包装线按包装设备连接特征的不同，可分为刚性型、柔性型和半柔性型3种类型，如图2所示。图2（a）为刚性型包装线，被包装物品完成前一道包装工序后，由输送设备直接输送至下一道包装设备。包装设备之间没有中间存储设备，所有设备在同一节拍下工作。如果一台设备在包装线上出现故障，将引起全线停机。这类包装线的特点是可靠性高。图2（b）为柔性型包装线，被包装物品在包装线上完成前一道包装工序后，输送至中间存储设备，根据需要由输送设备输送至下一道工序，按预定要求进行包装。如果包装线的一台设备出现故障，不会立即影响其他设备的正常运行。图2（c）为半柔性型包装线，系统由若干个部分组成，每个部分内的包装设备以刚性连接，各部分之间以柔性连接。对工业炸药智能包装系统进行分析，由于系统采用双台机器人进行工作，在包装过程中存在步伐差异，故采用半柔性型包装生产线，同时利用各工序间的皮带输送装置作为中间存储器，保证包装线的正常工作，提高了包装效率和包装质量。

1.3.3 包装系统的布置形式

本包装系统的排列布置形式根据简单、经济、实用的原则，采用直角型布置方式，力求做到生产线短、占地面积小、布局紧凑、整齐美观以及操作、维修方便，如图3所示。

从图3可以看出，系统对包装关键设备的结构进行合理设计，各子系统之间动作协调配合，采用药卷智能理料整列、自动计数堆码、机器人自动装箱、整列套箱工艺以及智能监控系统等关键技术，实现了药卷通过分料输送装置进行自动分流，后经理料整列系统将姿态正确的药卷送入计数堆码装置，将无序药卷送入回料装置重新理料，实现系统自动理料功能。药卷通过计数堆码装置进入称重抓取平台，通过称重剔除，机器人将合格的药卷抓取放入包装箱内，而称重不符合的送至回料装置重新理料。装箱完成后，包装箱进入自动封箱装置折盖封口，经捆扎装置后完成整个炸药包装工序，最后进入成品输送环节。

根据系统的主要技术参数，要满足大于8.0 t·h-1的生产能力，包装系统每小时要完成装箱334箱。采用双台机器人工作，每台机器人每小时要完成装箱数为167箱，每分钟要完成装箱数约3箱，机器人每完成一箱装箱要耗时20 s，可见机器人装箱能力完全满足系统要求。同时，对其他关键子系统进行分析，使各子系统之间协调配合，充分利用设备的性能，采用串并联混合型排列与半柔性连接方式，一条分料输送系统向两条理料、计数堆码、机器人装箱系统供料。整个生产过程无须人为干预，提高了设备利用率和生产效率。

1.3.4 包装系统生产率影响因素分析

包装系统采用半柔性型生产线形式，包装线由若干个区段组成，每个区段内的包装设备以刚性连接，各区段间以柔性连接，中间设置中间存储器。它的包装线的生产率可表示为[7]：

式中：Q为包装线生产率；Tk为每个区段内包装设备工作的基本工艺时间之和；Tf为工作循环内的辅助操作时间；Tn为循环外损失时间之和。

包装系统中包装机、辅助设备、控制系统等任一个环节出现问题，都会影响包装系统的生产率，因此影响包装系统生产率的因素很多。系统分区段数的数量对生产率有影响，因此对包装系统分区段时，应注意减少循环外时间损失，提高生产率。

通过分析影响生产率的主要因素，为了提高包装系统的生产率，采取相应的措施。

（1）在系统基本工艺时间一定的条件下，使包装系统中基本工艺时间之和ΣTk与辅助操作时间Tf全部或部分重合，减少包装系统中ΣTk、Tf、ΣTn。对不能重合的工艺，设计时尽量提高其工作速度，提高系统生产率。

（2）采用机械机构取代气动驱动系统，使得系统不会因气压、电网波动等因素影响系统工作效率与可靠性。

（3）增加系统中包装设备的数量，将工艺时间长的包装工序分散到若干个工位上联合完成，减少系统基本工艺时间，提高生产率。

（4）采用可靠的包装设备，提高设备的可靠性和稳定性，减少维修时间。

（5）减少辅助操作时间，如输送装置、转向装置、分流合流装置以及中间储存装置等，尽量采用连续性包装设备。

（6）提高包装系统现场生产和组织者的管理和运行水平，最大限度地减少人为因素的影响。

（7）采用自动连锁保护的控制系统，实现故障自诊断和自动报警，减少故障时间。

2 关键设备的安全设计

针对民爆行业的特点，设备的材质及性能直接影响生产安全。通过分析系统包装过程可能存在的问题，在对包装设备设计时遵循机械安全技术设计原则，设计了本安全装备。本包装系统选用的设备和装置主要采取如下安全措施。

（1）在设备选型时，采用低速、低压、低噪声设备。设置自动监控和报警装置，若智能包装系统发生故障，整条智能包装系统进行安全联锁控制、自动停机，提高系统的安全性。

（2）与药卷、箱体接触的设备零部件表面光滑，设备材质均选用不锈钢材质，与民爆物品的原材料、制品、成品无不良反应，提高了设备运行过程的安全性。

（3）设备结构设计上均无积料的死角，系统所有运动部件全部进行防护，并采取防止润滑油和物料进入其他转动部件的措施。

（4）设置安全保障措施，防止他人启动设备。当维护人员工作时，避免操作人员误操作受到机械伤害。

（5）在连续化包装线工艺中，减少炸药在线药量和在线停留时间。各设备之间均采取防止传爆的安全防范技术措施，增加了炸药包装的安全性。

（6）考虑到本包装生产线各子系统和执行机构的动作关系比较复杂，在民爆生产企业的车间有现成的真空装置和压缩空气，选择空气压力作为执行机构与传动的动力，可减少额外投资。气压传动设备结构简单、干净以及易清洁，易于安装维护，使用安全，对冲击负载和过载具有自我保护能力，能够实现远距离输送，具有防火、防爆和耐潮等优点。

3 结语

工业炸药智能包装系统生产工艺的设计既要考虑企业生产工序的实际情况，又要结合民爆行业的特殊性及包装新技术、新工艺的特点对设备进行增减，使包装工艺实现自动化和智能化，是我国工业炸药包装工艺的发展方向。综上所述，工业炸药智能包装系统设计过程中需要严格遵照相关标准，以安全生产为目标，采用连续化、自动化、智能化的专业包装设备，对设备进行合理性布局，形成连续、高效的包装工艺。智能包装系统的工艺与技术已逐步成熟，提高了民爆行业工业炸药包装过程的自动化、智能化水平和生产效率，保障了生产人员的安全，在民爆生产企业得到了广泛应用。