李仕洪 李 帆 楊玲玲 陳延鈺

甘肅久聯(lián)民爆器材有限公司（甘肅蘭州，730010）

0 引言

工業(yè)數(shù)碼電子雷管是一種采用電子控制模塊對起爆過程進(jìn)行控制的電雷管。 其高精度起爆時(shí)序控制的特點(diǎn)為精確爆破設(shè)計(jì)、爆破效果控制、爆破機(jī)理與過程模擬研究提供了新的技術(shù)支持。 加之產(chǎn)品生命周期能夠全過程精準(zhǔn)管控，具有密碼安全起爆、專用器具起爆等功能，在反恐、維穩(wěn)等方面有著非常重要的社會意義。 在民爆產(chǎn)業(yè)政策的帶動下，作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要方向，電子雷管近幾年的產(chǎn)（銷）量呈現(xiàn)快速增長趨勢。 在2022 年底，除保留少量產(chǎn)能用于出口或其他許可的特殊用途外，雷管產(chǎn)品需全面升級換代為電子雷管。 通過技術(shù)創(chuàng)新，切實(shí)推進(jìn)民爆生產(chǎn)線定員標(biāo)準(zhǔn)的提升，推動少（無）人化技術(shù)和裝備的研發(fā)和應(yīng)用。 要求單條工業(yè)雷管裝配生產(chǎn)線上接觸基礎(chǔ)雷管和成品雷管的現(xiàn)場操作人數(shù)不大于3；且單個(gè)工業(yè)雷管裝配工房接觸基礎(chǔ)雷管和成品雷管的現(xiàn)場操作人員總數(shù)不大于6。 鼓勵(lì)開展基礎(chǔ)雷管集約化生產(chǎn)、安全包裝、遠(yuǎn)程配送方式的研究[1]。

目前，國內(nèi)多數(shù)雷管裝填線均實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)雷管在線自動檢測、不合格品自動剔除[2]、自動抖浮藥和擦浮藥[3]、自動轉(zhuǎn)模裝盒等無人化生產(chǎn)，采用人工收集、轉(zhuǎn)運(yùn)裝箱入庫，實(shí)際雙班年產(chǎn)量均能達(dá)到5 000萬發(fā)以上。 電子雷管裝配技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了裝配、賦碼、在線檢測與不合格品剔除、脫模及包裝的連續(xù)化、自動化生產(chǎn)[4-5]。 但是，受電子雷管裝配技術(shù)和設(shè)備的制約，裝填線與裝配線之間產(chǎn)量極不匹配，裝填線難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不利于生產(chǎn)組織。

本文中，設(shè)計(jì)了一套基礎(chǔ)雷管自動傳輸、自動收集轉(zhuǎn)運(yùn)富余產(chǎn)量的系統(tǒng)。當(dāng)裝填線停產(chǎn)時(shí)，又能反向分發(fā)、傳輸基礎(chǔ)雷管。 使雷管生產(chǎn)線上無人接觸基礎(chǔ)雷管，提高了生產(chǎn)線的本質(zhì)安全水平。

1 基礎(chǔ)雷管收集與分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖1 所示，現(xiàn)有雷管生產(chǎn)裝填線與裝配線為聯(lián)建工房。 工房分隔結(jié)合部外側(cè)原設(shè)計(jì)有基礎(chǔ)雷管暫存間。 擬對暫存間進(jìn)行局部改造，變成收集與分發(fā)間，利用傳輸、計(jì)數(shù)、排列、定位、限位、升降、推送等控制原理，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)雷管自動收集、分發(fā)與傳輸。 裝填線上輸出的盒裝基礎(chǔ)雷管通過皮帶傳送到電子雷管自動裝配線，相連兩盒雷管之間保持一定的距離，確保不會殉爆。 根據(jù)裝填線輸出口到裝配線輸入口的距離、傳送帶線速度以及裝配線的生產(chǎn)節(jié)奏，設(shè)置n個(gè)固定等待位，依次聯(lián)動，控制前行。

圖1 基礎(chǔ)雷管自動收集與分發(fā)系統(tǒng)Fig.1 Automatic collection and distribution system of the plain detonator

由于裝填線的產(chǎn)量遠(yuǎn)大于裝配線，當(dāng)基礎(chǔ)雷管到達(dá)0＃位時(shí)，如果1＃等待位存有雷管，則0＃位的雷管自動轉(zhuǎn)入自動收集系統(tǒng)進(jìn)行裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)；如果1＃等待位沒有雷管，0＃位的雷管則前行到1＃等待位。 如此重復(fù)控制運(yùn)行，自動消化裝填線的富余產(chǎn)量。 雷管裝填線停產(chǎn)時(shí)，收集系統(tǒng)反向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動分發(fā)，滿足裝配線連續(xù)化生產(chǎn)的要求。

1.2 自動收集流程

圖1 所示，班前準(zhǔn)備一定量的空箱子排滿A至C位緩存，關(guān)閉抗爆門，啟動控制系統(tǒng)，將C位的空箱通過升降氣缸7 調(diào)整到1＃位。 進(jìn)入收集間的雷管經(jīng)輸送帶1 前行到無動力輥道2，依次前推，自動排列，通過計(jì)數(shù)器控制。 當(dāng)達(dá)到每排設(shè)定的數(shù)量時(shí)，氣缸3 將該排雷管前推一個(gè)位次后，回到原位等待下一排列；當(dāng)緩存位的雷管達(dá)到設(shè)定的排數(shù)時(shí)，氣缸3 將整層雷管推入收集箱后，再返回原位。 升降氣缸7 降到0＃位等待第2 層裝管，裝完第2 層雷管后，升降輥道8 轉(zhuǎn)動，使箱子前行到輥道10 的D位緩存，氣缸5 將B位緩存的空箱推送到C位，進(jìn)入下一收集裝箱流程。 當(dāng)?shù)? 箱第1 層完成收集時(shí)，緩存在F、E、D位的雷管輥道順次轉(zhuǎn)動輸送到G位收集平臺15，聲光報(bào)警系統(tǒng)提示人工前往裝入塑料軟墊，裝上封箱扣板，扣好鎖扣、鉛封，待第4 箱到位、鉛封完畢后，4 箱一組一起轉(zhuǎn)運(yùn)入庫，如此循環(huán)運(yùn)行。

裝配線上的基礎(chǔ)雷管的收集盒空盒沿基礎(chǔ)雷管輸送皮帶路線的另一層皮帶回傳到裝填線上，直接使用。

空箱輸送流程如圖1 所示。 氣缸5 將B位緩存的空箱推送到C位后，回到原位。 輥道6 上的空箱前行一個(gè)位次，輥道6 末位空出。 電動絲杠18 右側(cè)推板前行一個(gè)位次，將輥道17 上的空箱推送到輥道6 的末位，后面的空箱依次推進(jìn)。 當(dāng)輥道16 上A2列的空箱推送到輥道17 后，電動絲杠18 右側(cè)推板回到原位，輥道16 前行一個(gè)位次，依次循環(huán)輸送。

1.3 自動分發(fā)流程

圖1 所示，基礎(chǔ)雷管分發(fā)流程與收集流程動作相反，所有輸送輥道和皮帶反向轉(zhuǎn)動。 開班前，清空A至B位之間的空箱，關(guān)閉抗爆門，啟動控制系統(tǒng)。人工從庫房一次轉(zhuǎn)運(yùn)4 箱雷管到G位平臺15，拆掉鉛封，打開封箱扣板，取出塑料軟墊，順向擺放到輥道14 上，經(jīng)輥道13、12、11、10 輸送到C、D、E、F位緩存?zhèn)溆谩?檢查并確認(rèn)升降氣缸7 處于0＃位，進(jìn)入分發(fā)狀態(tài)。 推送氣缸9 將C位箱內(nèi)的第1 層雷管推送到緩存輥道2。 氣缸4 逐盒將雷管送到輸送皮帶1 輸出分發(fā)，分發(fā)頻次與1＃等待位連鎖控制；完成一排后，氣缸4 退回原位，氣缸9 前行一個(gè)位次，將第2 排雷管推送到輥道2，氣缸4 再逐盒推送分發(fā)。 完成一層雷管分發(fā)后，氣缸9 退回原位，升降輥道8 上升到1＃位，重復(fù)前面動作。 完成一箱后，升降氣缸7退回0＃位，升降輥道8 轉(zhuǎn)動空箱前行到B位，后面D位緩存的雷管前行到C位，進(jìn)行下一箱的分發(fā)。E、F位緩存的雷管依次前行一個(gè)位次，如此逐盒、逐排、逐層、逐箱循環(huán)運(yùn)行。 當(dāng)?shù)? 箱空箱前行到B位后，聲光報(bào)警系統(tǒng)提示人工進(jìn)行第2 輪上料。 空箱則按照程序依次前行，整齊排列到輥道16 上。

裝配線上的基礎(chǔ)雷管收集盒空盒沿基礎(chǔ)雷管輸送皮帶路線的另一層皮帶回傳到裝填線收集盒上料位，自動收集，裝填線運(yùn)行時(shí)再自動發(fā)送使用。 工作原理與基礎(chǔ)雷管自動收集系統(tǒng)相同。

需要注意的是，由于功能不同，在收集過程中，推送氣缸9 應(yīng)使用寬100 mm 的推板限位阻擋包裝箱；而分發(fā)過程中，則需要切換成寬20 mm 的推板推送雷管。

1.4 包裝箱的設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)雷管收集盒設(shè)計(jì)為每盒100 發(fā)。 收集盒為99.5 mm×99.5 mm×42.0 mm 的長方體，可插入深度39.0 mm。 管殼長度90.0 mm，裝入雷管后總高度為93.0 mm。 每個(gè)收集盒質(zhì)量約0.24 kg，每100發(fā)基礎(chǔ)雷管質(zhì)量約為0.55 kg，則每一盒基礎(chǔ)雷管質(zhì)量約為0.79 kg。 為了便于人工搬運(yùn)和裝卸，單箱雷管設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大于30 kg。 再綜合考慮抗爆間室的常規(guī)設(shè)計(jì)藥量與生產(chǎn)過程人工一次轉(zhuǎn)運(yùn)入庫的數(shù)量、頻次及包裝箱質(zhì)量等因素，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)雷管裝箱排列為:

根據(jù)此排列確定包裝箱的內(nèi)部尺寸，如圖2 所示。 包裝箱內(nèi)部尺寸的設(shè)計(jì)既要便于推送裝箱，又要避免長途運(yùn)輸過程中箱內(nèi)雷管因顛簸而產(chǎn)生晃動。 故考慮在每一層雷管的頂部設(shè)計(jì)有人工放置塑料軟墊的空間，塑料軟墊厚度約為1 mm。 由于產(chǎn)品和包裝物均為剛性材料，成型度好，因此裝箱時(shí)暫且預(yù)留約2 mm 的冗余間隙，運(yùn)行過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。 圖2 中，外形尺寸僅供參考，實(shí)際生產(chǎn)過程中會因選用箱板的材質(zhì)、厚度不同而發(fā)生變化。 經(jīng)估算，此種包裝規(guī)格的雷管與包裝物總質(zhì)量約為25 kg，較適合于人工搬運(yùn)和裝卸。

圖2 基礎(chǔ)雷管包裝箱示意圖（單位:mm）Fig.2 Schematic diagram of packing box of the plain detonator （Unit: mm）

為了便于基礎(chǔ)雷管被順利推入包裝箱，需將包裝箱正面箱板內(nèi)側(cè)和背面箱板鏤空開孔處設(shè)計(jì)成圓角；同時(shí)，箱子頂板、臺板、底板的內(nèi)側(cè)光滑度均應(yīng)達(dá)到HL 級以上，以減少推送過程的摩擦阻力。

基礎(chǔ)雷管包裝箱應(yīng)選擇材質(zhì)較好的木板或膠合板，不得有腐朽、潮濕、開裂等現(xiàn)象，木板厚度不小于14 mm，膠合板厚度不小于9 mm。 箱板扣合應(yīng)結(jié)實(shí)、牢固、不變形，以利于收集、分發(fā)過程定位準(zhǔn)確和包裝箱的回收再利用。 且箱內(nèi)、外不得有突出的鐵釘，搬運(yùn)手把應(yīng)牢固、可靠，避免脫落發(fā)生危險(xiǎn)[6]。

當(dāng)基礎(chǔ)雷管全部自用時(shí)，包裝箱可以按照工裝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制作；外銷時(shí)，包裝箱應(yīng)符合GA 921—2011《民用爆炸物品警示標(biāo)識、登記標(biāo)識通則》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 技術(shù)性分析

理論上，一條年產(chǎn)5 000 萬發(fā)雷管的裝填線每小時(shí)最多生產(chǎn)約15 000 發(fā)，每盒裝100 發(fā)，則生產(chǎn)一盒基礎(chǔ)雷管的時(shí)間約為24 s。 若全部進(jìn)入收集系統(tǒng)，推送氣缸3 間隔100 s 動作一次，升降氣缸7 間隔300 s 動作一次，說明系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間有較大的空余，各單元?jiǎng)幼髦g的銜接無時(shí)間邏輯性技術(shù)障礙，能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。 減去電子雷管裝配線上消化的數(shù)量，富余空間更大。

系統(tǒng)采用的設(shè)備元件技術(shù)成熟、穩(wěn)定，氣缸動作行程實(shí)行PLC 模塊程序控制，也可以采用電動絲杠完成推送動作，輔以配套的定位、限位控制系統(tǒng)裝置，能夠確保各單元?jiǎng)幼鞯木珳?zhǔn)度。 而整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵控制點(diǎn)在于定位、限位單元環(huán)節(jié)，根據(jù)包裝箱內(nèi)部設(shè)計(jì)尺寸的冗余度，要求控制誤差不大于1 mm。系統(tǒng)中的輸送設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單且易控制。

需要注意的是，系統(tǒng)方案實(shí)施的前提條件是基礎(chǔ)雷管質(zhì)量良好、性能穩(wěn)定，這就必須要求基礎(chǔ)雷管生產(chǎn)質(zhì)量有保證，避免不合格基礎(chǔ)雷管流入裝配線，從而產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失。

一是雷管裝填線在線藥高檢測、視覺檢測及不合格剔除系統(tǒng)要運(yùn)行可靠，能夠確保雷管裝填過程的不合格品率控制在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

二是引火藥、起爆藥和猛炸藥等各種藥劑的質(zhì)量要穩(wěn)定，以確保雷管起爆能力符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

三是做好每組、每批基礎(chǔ)雷管的性能抽檢工作。

3 安全性分析

抗爆間室的進(jìn)（出）口處內(nèi)、外均應(yīng)設(shè)計(jì)隔爆門，防止傳輸過程中內(nèi)、外部的雷管出現(xiàn)意外時(shí)發(fā)生殉爆，確?；A(chǔ)雷管傳輸過程的安全風(fēng)險(xiǎn)可控[7]。

同時(shí)，裝配線傳輸過程中也應(yīng)有防止殉爆的措施。 有鋼板防護(hù)的輸送廊道中，可以在基礎(chǔ)雷管輸送皮帶上設(shè)置幾個(gè)阻擋氣缸，通過阻擋氣缸動作將基礎(chǔ)雷管按一定的間距分隔開，使每一盒基礎(chǔ)雷管都保持一定的安全距離，消除殉爆的風(fēng)險(xiǎn)[8]。 工房內(nèi)沒有設(shè)置基礎(chǔ)雷管輸送廊道空間的情況下，學(xué)者們設(shè)計(jì)了一種基礎(chǔ)雷管傳遞防爆鋼桶的隔爆試驗(yàn)。如圖3 所示，防爆鋼桶材質(zhì)為Q235-B，壁厚16 mm，長3 000 mm，寬550 mm，高600 mm。 鋼桶頂部加裝500 mm 高的防護(hù)機(jī)構(gòu)，頂部和側(cè)面均采用3 層不同規(guī)格的鋼網(wǎng)防護(hù)，外加1 層PVC 水晶板結(jié)構(gòu)。 傳遞窗采用三角筋板加強(qiáng)焊接。 試驗(yàn)結(jié)果表明:基礎(chǔ)雷管在c處爆炸時(shí)，爆炸后桶體完好，無明顯形變；在a處傳遞窗內(nèi)爆炸時(shí)，b處的雷管未發(fā)生殉爆。

圖3 基礎(chǔ)雷管傳遞防爆鋼桶試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖（單位:mm）Fig.3 Structure of the explosion-proof steel drum in transmission test of the plain detonator （Unit: mm）

在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將防爆鋼桶的寬度調(diào)整為800 mm，取消傳遞窗，其他條件不變，制作10 m 防爆鋼桶。 在防爆鋼桶內(nèi)測試基礎(chǔ)雷管在設(shè)定的間距內(nèi)是否殉爆，如圖4 所示。 圖4 中，I 處的主爆雷管正常起爆后，IV 處的從爆雷管連續(xù)3 次均未發(fā)生殉爆，說明基礎(chǔ)雷管在防爆鋼桶內(nèi)傳遞的過程中，控制雷管盒間距大于4 m，能夠確保不發(fā)生殉爆。

圖4 基礎(chǔ)雷管殉爆距離試驗(yàn)的位置（單位:mm）Fig.4 Location in detonation distance test of the plain detonator （Unit: mm）

抗爆間室內(nèi)電氣設(shè)備保護(hù)級別選用Da 級或Db級，傳輸動力也可選用氣壓步進(jìn)馬達(dá)或液壓步進(jìn)馬達(dá)，采用氣動控制或液壓動力PLC 程序模塊控制系統(tǒng)，所有設(shè)備做好接地和等電位連接，能夠確保設(shè)備運(yùn)行過程的安全[9]。

抗爆間室的抗爆門與室內(nèi)設(shè)備設(shè)置門機(jī)安全連鎖裝置。 當(dāng)抗爆門開啟時(shí)，所有設(shè)備停止運(yùn)行，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，能夠確保工作人員的人身安全。

抗爆間室內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格控制在線藥量。 通?？贡g室的設(shè)計(jì)藥量為10 kg 或5 kg。 當(dāng)設(shè)計(jì)藥量為10 kg時(shí)，D、E、F緩存位各存一箱雷管，加上C位的雷管，雷管總量不超過9 600 發(fā)，藥量小于10 kg；當(dāng)設(shè)計(jì)藥量5 kg 時(shí)，則取消E、F緩存位，在線藥量也可滿足作業(yè)場所定量管理的要求。

以上情況說明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)可控、受控。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

通常情況下，雷管裝填線每班配置基礎(chǔ)雷管收集操作員1 人，轉(zhuǎn)運(yùn)到基礎(chǔ)雷管暫存間1 人，轉(zhuǎn)運(yùn)入庫1 人，電子雷管裝配過程中基礎(chǔ)雷管的配送1 人。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)雷管自動收集與分發(fā)后，基礎(chǔ)雷管轉(zhuǎn)運(yùn)入庫和裝配過程的配送可以合并為1 人，由巡視人員兼職，其余2 個(gè)崗位撤銷，雙班則可減少8 人。 按照8 萬元/（人·a）（含五險(xiǎn)一金）員工工資測算，每年可節(jié)約人工成本64 萬元。 設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)以及折舊費(fèi)用6 萬元/a，則每年新增凈利潤58 萬元；而改造及設(shè)備采購安裝費(fèi)用大約60 萬元。 由此可見，該項(xiàng)目投資運(yùn)行大約1 a，即可收回全部費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益較好。

5 結(jié)論

基礎(chǔ)雷管自動收集與分發(fā)系統(tǒng)主要采用氣動及液壓動力控制與運(yùn)行，各單元部件技術(shù)成熟、穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備動作頻次少、幅度小，安全風(fēng)險(xiǎn)可控、受控。 系統(tǒng)改造后，取消了基礎(chǔ)雷管收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、入庫、分發(fā)、配送等崗位，從裝填線到裝配線全過程直接接觸雷管的人數(shù)為0，符合民爆行業(yè)發(fā)展技術(shù)進(jìn)步要求和技術(shù)發(fā)展方向，提高了雷管生產(chǎn)線的本質(zhì)安全水平，優(yōu)于民爆行業(yè)《 “十四五”民用爆炸物品行業(yè)安全發(fā)展規(guī)劃》[1]中生產(chǎn)線定員標(biāo)準(zhǔn)提升行動的要求，且每年可節(jié)約成本50 多萬元，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益較為突出。

當(dāng)裝填線與裝配線為分建工房時(shí)，可單獨(dú)設(shè)置和使用自動收集和自動分發(fā)功能。 該系統(tǒng)通過局部調(diào)整后，可用于基礎(chǔ)雷管收集盒的自動收集與分發(fā)。