刘晓雯



新型烟花药粉称重混合机的研制

刘晓雯

（唐山学院机电工程系，河北唐山，063000）

目前，烟花药粉的称重混合工序主要以手工操作为主，是长期制约烟花爆竹安全生产的高危工序。针对这一工序，研发了一种专门用于烟花爆竹各配料称重、混合，并保证一定的称重精度及混合均匀度的混合称重机。基于粉体混合的定量计算及分析法，得出了混合度随时间变化的曲线，确定了粉体最佳的混合时间，并验算了药粉主要成分在混合前后的最大比例误差，结果完全满足烟花生产要求。

烟花；药粉；混合；称重；混合均匀度

我国是烟花爆竹的发源地，也是世界上最大的烟花爆竹生产、出口国[1-2]。但目前烟花爆竹生产属于以手工为主的劳动密集型产业[3]，特别是药粉称重、混合工序属于高危工序，仍然停留在手工作坊阶段[4-5]，不仅不易混合均匀、生产率低下、安全性差，而且难以生产出高质量的烟花产品。近年来，烟花行业研制开发了一些机械设备，但药粉配比及混合质量不能精确保证，生产过程仍需要工人参与，且倒料时容易产生火花引发爆炸，酿成事故[6-7]。因此研发一种专用于称重、混合烟花药剂的称重混合机很有必要。本研究不仅对称重混合机的结构进行了设计，同时对粉体混合后的均匀程度进行了验算，得出了称重混合机工作的时间—混合度曲线，完成了称重混合机的开发，并进行了实践验证，达到了预期目的。

1 称重混合机方案设计

1.1 结构设计

称重混合机主要由称重部分和混合部分构成。其中，称重部分的个数与粉料种类数相对应。具体结构如图1所示。图1中料斗与输送管进料口相通，粉体加入到料斗后，步进电机动作，送料蜗杆把粉体送到托盘，当粉体的重量到达给定数值时，称重传感器发出信号，步进电机停止工作；同时，倒料气缸动作，顶起托盘且与水平面呈一定角度时，倒料气缸停止运动，托盘内粉体滑落至导料管道，倒料气缸回缩至原位，同时混合电机带动搅拌蜗杆转动，实现锥形混合器中各配料的混合。混合完成后，卸料气缸动作，卸料阀门打开，实现出料。

图1 称重混合机基本结构

1.2 工作原理

采用步进电机驱动送料蜗杆。由于蜗杆螺距均匀，所以送出料的体积及质量一定，通过限定步进电机步距角的个数及粉体在螺纹中的截面面积可控制送料量。称重过程按快进九转，然后用步距角修正的方法，完成自动称重，修正过程中，每步进一定数量的步距角，称一次重量，直到超过限定重量，从而保证了称重精度。称重后，卸料气缸将电子称托盘顶起，称好的料经导料通道滑落到混合器中。为保证混合器内无死角、易出料和易清洗，其母线与水平面成45°夹角。搅拌蜗杆由混合电机驱动，实现各配料的混合。卸料阀门由卸料气缸推动，实现出料。机架组件作为整体结构的支撑，其它机构都安装在上面，具有较高的强度和刚度，以保证设备的稳定运转。

1.3 设计关键点

（1）与火药接触的零部件均需使用工程塑料；（2）尽量避免使用电器产品。无法避免时，要选用防爆的；（3）如果无法避免使用非防爆的电器产品时，要采取用绝缘材料包裹的办法处理。

2 粉体混合的均匀程度计算

粉体混合工艺是非常复杂的随机过程，现采用数理统计分析法即粉体混合的定量计算及分析法。试验条件：黑火药为100~1 000μm的粗粉，一次进料总重量为5kg，填充系数=0.175，搅拌蜗杆转速=20r/min，实验时间=30min。

2.1 粉体采样

采样要综合考虑所选取样品“量”的多少以及取样点的位置要求[8]。由于粉体混合工艺是一个动态的过程，故在粉体运动流中取样比粉体静止下取样更精确。因此，本次实验在锥形混合器出口处每间隔15s选取1个样品，选取样品总数为6个。

2.2 测定

测定取得的5个粉体样品中示踪物的浓度。分别用1、2、3、4、5、6表示。

2.3 统计和分析

采取式（1）表征粉体经连续混合的混合程度，即：

式（1）中：M为混合度；X为示踪物在锥形混合器出口处的浓度；0为示踪物在锥形混合器进口处的浓度；为示踪物在锥形混合器出口处的平均浓度。经数学处理，得到混合度随时间的变化曲线，如图2所示。

图2 混合度随时间的变化曲线

由图2可知，粉体开始混合时，M趋近于0，此时尚未发生混合；随着混合时间不断增加，M逐渐增大，当=16min时，M达到最大值，趋近于理想均匀度（即M＝1）；随着混合时间继续增加，M逐渐减小，这是由于前期随着蜗杆搅拌，粉体迅速混合，但当达到最佳均匀度时，若继续混合，混合均匀度反向变化，且随着混合过程不断进行，混合和偏析反复进行，不能再达到最佳均匀度。因此，粉体最佳混合时间是16min。

3 混合前后药剂最大比例误差验算

经检测，本称重混合机药剂混合前后温度、静电电压测试结果为：红光剂和绿光剂混合前、后温度分别为21.9℃和22.4℃，混合前、后静电电压均为0V，符合国家对烟花生产的要求[9]。对于经本称重混合机混合红光剂和绿光剂中的各成分在混合前后测量的数值如表1~2所示。

表1 混合前后红光剂中各成分测量表

Tab.1 The component content of red light composition before and after mixing

表2 绿光剂中各成分测量表

Tab.2 The component content of green light composition before and after mixing

从表1和表2可以看出，红光剂和绿光剂中的各成分在混合前后的最大比例误差不大于10%。满足国家对烟花生产的要求[10]。

4 结语

本研究设计了一种烟花称重混合机，并基于粉体混合的定量计算及分析法，得出了混合度随时间的变化曲线，确定了粉体最佳的混合时间，并验算了药剂中红光剂和绿光剂的主要成分在混合前后的最大比例误差不大于10%，满足烟花生产的要求。目前，该称重混合机设备已投产试用。设备不仅能提高生产率，减少事故发生，而且具有粉料配比精确、混合均匀的优点。锥形混合器45°斜角设计，利于出料，且混合器内无死角、易清洗。实践证明，该称重混合机达到了预期效果，值得推广。

参考文献：

[1] 周兆宏.礼花弹微烟装药的点传火技术研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[2] 李建平,李承政,王天勇,等.我国粉体造粒技术的现状与展望[J].化工机械,2001(5):295-298.

[3] 田冰.固体混合设备原理与选择[J].机电信息,2010(35): 23-31.

[4] Kansson, S. E. Magnusson and G. Holmstedt. FREIA-an expert system for fires and explosions in the process industry [J]. Loss. Prev. Ind., 1997,10(4):265-269.

[5] 劳允亮.起爆药化学与工艺学[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[6] 冯元崴.高精度自动称量系统在工业控制领域应用[J].自动化与仪表,2006(6):24-28.

[7] Philip Charsley. HAZOP and risk assessment [J].DNY Loss Control Management,1999(4):5-10.

[8] 吕飞.火药组分在线连续计量加料及生产工艺研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[9] 焦光前.政府规制与烟花爆竹生产安全[D].石河子:石河子大学,2009.

[10] 刘劲彪.湖南烟花爆竹产业行政监管体系研究及应用[D].长沙:国防科学技术大学,2005.

Design on A New Type of Mixing and Weighing Machine for Fireworks Composition

LIU Xiao-wen

(Department of Electromechanical Engineering, Tangshan College，Tangshan，063000)

At present, the mixing and weighing process of fireworks production is still operated by manual, which is high dangerous. Aimed at the problem, a special mixing and weighing machine for compositions was designed, and the mixing uniformity was tested. Based on the quantitative calculation and analysis of the mixture, the curves of the mixing degreetime was obtained, and the best mixing time was determined. Meanwhile, the maximum error of the components content of composition before and after mixing was calculated, which is showed to meet the requirement of fireworks production.

Fireworks；Composition；Mix；Weighing；Mixing uniformity

1003-1480（2016）04-0058-03

TQ567

A

2016-02-16

刘晓雯（1983 -），女，讲师，主要从事机械设计、产品优化设计研究。