中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司 安徽淮北 235000

近 年来，随着国家不断加大对基础设施建设的投入，工业炸药作为一种特殊的材料发挥着不可替代的作用。工业炸药现场混装技术是将在地面站制备好的原材料或半成品运送至爆破工地现场，通过混装车现场制备成成品工业炸药，并完成现场装填的工作方式。其优点是本质安全，提高了爆破作业效率，减轻了工人的劳动强度，提高了爆破作业的机械化水平，节能环保，是工业炸药最佳的生产模式。现场混装炸药在工业炸药总产量中占比由 2010 年的 14.82% 增加到 2018 年的 25.28%，2019 年1-8 月份现场混装炸药累计完成 75.7 万 t，同比增加 9.95%，其中现场混装铵油炸药增长速度最快。《民用爆炸物品行业“十三五”发展规划》和《工信部关于民用爆炸物品行业技术进步指导意见》均指出：在现阶段，鼓励工业炸药生产方式由固定生产线向现场混装作业方式发展。由此可见，工业炸药现场混装技术是工业炸药生产技术的发展趋势和方向[1]。

铵油炸药现场混装车的输送计量主要采用定量螺旋输送计量系统，由螺旋输送装置和控制系统组成，螺旋输送计量系统的运行情况直接决定了物料计量精度的准确性。随着现场混装车的广泛应用，其计量精度越来越受到关注，直接影响到孔总装药量、炸药组分的配比、单孔装药量和现场安全的实时控制等，对工业炸药的成品质量和爆破效果起着决定性的作用。影响螺旋输送计量系统计量精度的因素很多，其中包括物料的理化性质、螺旋输送机构的结构参数、螺旋转速、控制系统、填充率等。目前，由中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司自主研发的铵油炸药现场混装车，在结构设计、安全联锁装置、自动化控制和信息化采集等方面具有创新性，成套技术装备达到了国际先进水平。在此对影响铵油炸药混装车输送计量系统计量精度的因素进行探讨，并提出解决途径，有助于全面提高输送计量系统的计量精度。

1 输送系统基本结构及工作原理

铵油炸药混装车输送系统结构如图 1 所示，主要由驱动装置、主螺旋(计量输送)、提升螺旋(提升输送)、侧螺旋(混拌输送)、筒体及出料口等组成。

图1 铵油炸药混装车输送系统结构示意Fig.1 Structural sketch of transportation system of ammonium oil explosive mixed loading truck

铵油炸药混装车工作原理如图 2 所示，工作时需有 1 个地面站与其配套使用。地面站包括柴油贮罐及泵送系统和多孔粒状硝酸铵上料系统。泵送系统将柴油送入混装车柴油箱，上料系统将硝酸铵装入混装车干料箱。所需原材料均装入车后，混装车驶入爆破现场。到达现场后，首先启动车上动力设备，主螺旋将定量的多孔粒状硝酸铵输送至混装车尾部，再由尾部的提升螺旋将硝酸铵提升到一定高度，和定量的柴油一起被输送至侧螺旋，充分混拌均匀后，由混装车的侧螺旋出料口快速定量输送至炮孔中，完成装药工作[2-5]。

图2 铵油炸药混装车工作原理Fig.2 Working principle of ammonium oil explosive mixed loading truck

铵油炸药混装车的输送计量系统包括硝酸铵输送计量系统和柴油输送计量系统。实践表明，硝酸铵输送计量系统的计量精度是影响铵油炸药混装车计量精度的关键。

2 影响输送系统计量精度的主要因素分析

螺旋输送系统是利用输送螺旋的旋转将物料沿着筒体向前推进，并在出料口完成卸料的输送设备。其结构简单，安装和维护方便，外形尺寸小，密封性好，具有搅拌和松散物料的功能，是一种实用性强的输送装置。影响输送计量精度的因素很多，如输送物料的理化性质、螺旋输送机构的结构参数、螺旋转速、控制系统、液压系统、填充率等。结构参数包括输送螺旋的螺距、螺旋外径、轴颈以及料仓的形状等，应综合考虑物料的特性、螺旋直径以及物料与螺旋面之间的摩擦，合理确定各结构参数。

2.1 硝酸铵理化性质

(1)含水率的影响 多孔粒状硝酸铵呈无色无臭的透明晶体或呈白色的晶体，极易溶于水，易吸湿结块。硝酸铵含水率与输送计量精度有密切的关系。硝酸铵存放时间的长短对其理化特性会有所改变，当硝酸铵吸湿后，表面会形成一层薄水膜，增大了硝酸铵的传输阻力，其传输效率随含水量的增加而显著下降。硝酸铵吸湿后极易结块，其强度也随含水率的增加而提高，结块的硝酸铵严重影响计量效果。

(2)粒度的影响 硝酸铵的粒度也会影响其输送计量精度。随着硝酸铵粒度的减小，相互间接触面积增大，单位体积内的质量也越大。硝酸铵粒度变化较大时，颗粒不均匀，带有较多的细料，其堆积密度也会有所不同，进而影响其输送计量精度。

(3)孔隙度的影响 硝酸铵晶体表面多为毛细孔状结构，其吸湿性与其自身的分子结构有关，由于较高的表面能，具有吸附外界水分子的作用。其表面的孔隙度越大，堆积密度越小。在配置多孔粒状铵油炸药时，要选用孔隙度大、吸油性强、堆积密度大的硝酸铵，以保证良好的计量精度要求。

2.2 输送系统的结构参数

(1)螺旋本体 螺旋本体作为螺旋计量系统的主要部件之一，主要由中部空心轴、两端实心轴头、螺旋叶片和卸料板组成。应合理确定螺旋叶片下料直径、轴直径、螺距、螺旋本体叶片直径等参数，在设计时既要满足自身的强度与刚度要求，又要防止在输送计量过程中产生振动，保证快速准确送料。通过对强度、刚度和稳定性等方面的理论计算，验证设计的可靠性和合理性，对保证产品计量精度有非常重要的作用。

(2)储料仓 储料仓为螺旋计量系统提供物料储备，主螺旋底部机槽采用 V 形。为减轻对螺旋主轴的压力，在设计时应考虑螺旋主轴因储料仓内物料仓压及自身重力而产生的挠度，避免螺旋叶片对仓底产生刮擦。

(3)螺旋转速 主螺旋瞬时输送量的计量精度取决于硝酸铵瞬时流速的测量精度，通常是通过测量主螺旋或液压马达的转数来转换成硝酸铵瞬时流速。在实际输送过程中，硝酸铵既有螺旋前进的横向速度，也有纵向速度，均受主螺旋转速的影响。

2.3 控制系统

螺旋计量系统的控制系统应具有自动控制和安全联锁保护功能，以 PLC 和工业控制屏为核心，通过传感器对各螺旋的转速进行检测，实时准确地将各螺旋的运行状态发送给 PLC。PLC 控制和调节各单元的执行机构，完成对系统各参数监控与调节、超限报警、故障自诊断和联锁停机等工作，保证系统的安全性和可靠性。系统中各元器件的响应速度对螺旋计量系统的计量精度有一定的影响，硝酸铵输出量出现异常时，控制系统能够根据实际情况快速、准确地作出判断，并及时进行调整。

2.4 液压系统

液压油温度会影响螺旋计量系统中液压马达的工作稳定性，进而影响螺旋转速。实践表明，液压油温度受工作负荷和环境温度的影响，工作负荷越大，液压油温度越高，主螺旋转速也随之增大。在设计时，液压系统应设置自动调节和手动调节 2 条回路，使计量传感器、自动调节和电脑控制形成闭环控制回路，保证硝酸铵原料计量的准确性。

2.5 填充率

填充率也叫充满系数。主螺旋安装在储料仓底部，一直埋在硝酸铵物料中，充满系数取 1，也必须为 1，否则计量不准。

3 解决途径

3.1 硝酸铵的选择

硝酸铵应选择同批次、存放时间短、颗粒均匀、同样工艺条件生产的硝酸铵物料，在储存过程中加强防潮措施，避免在储存过程中大量吸湿。为了保证配置的多孔粒状铵油炸药具有良好的爆炸性能，应选用吸油性强、孔隙度大、堆积密度大的硝酸铵。尽量不选用吸湿结块、颗粒不均匀的硝酸铵，以避免影响计量精度。

3.2 螺旋输送系统的设计

在设计螺旋输送系统时，选择合适的螺旋筒体直径和螺距，尽量减少筒体与叶片之间的间隙，从而减少筒体内“缓动层”硝酸铵的量。为了防止工作时螺旋主轴因仓压和自身重力对仓底产生刮擦，对螺旋本体进行了特殊设计(见图 3)，其两端采用实心轴头，中部采用空心轴，螺旋叶片外缘增加了一层不发火非金属耐磨片，这样即使螺旋叶片与箱体产生轻微的刮擦，也不会产生火花或热量积累引起燃烧。不发火非金属耐磨片采用螺栓固定在螺旋叶片的外缘，螺母用点焊的方式固定。为了减轻仓压和解决蓬料问题，选择合理的主螺旋角蓬(见图 4)，保证了仓压的稳定和筒体内的填充率。为了保证输送的稳定性，螺旋的转速控制在 120 r/min 以内。

图3 主螺旋结构示意Fig.3 Structural sketch of main screw

图4 角蓬结构示意Fig.4 Structural sketch of canopy

3.3 控制系统

控制系统的主要元器件，如传感器、PLC、转换器、人机界面等具有抗震性能好、精度高、反应灵敏等性能。控制系统以 PLC 为核心主控单元，采用模糊-PID 混合智能控制法[6-7]，各螺旋均设置转速传感器，利用高精度 A/D 转换完成外部模拟量的实时检测，反馈至控制系统终端，通过与设定值进行比较，发现有偏差时进行实时调节，实现对主螺旋转速的控制和调节，使整个系统达到闭环控制的效果。模糊-PID 混合智能控制原理如图 5 所示。由于采用了特殊编程方式，系统的检测时间和扫描时间大大缩短，提高了整个系统的计量精度。

3.4 液压系统

图5 模糊-PID 混合智能控制原理Fig.5 Principle of fuzzy-PID hybrid intelligent control

为保证工作系统各环节的工艺参数自动跟踪配比，主螺旋马达、斜螺旋马达、侧螺旋马达和燃油泵马达均采用比例阀控制，精准控制马达转速，按工艺参数精确控制各配比输出。系统工作时，液压油温控制在 35～45 ℃ 为宜。为将液压油的温度变化控制在正常范围内，可采用模糊-PID 混合智能控制使系统平稳工作。

3.5 定期维护保养与标定

输送系统使用寿命和可靠性很大程度上取决于设备的后期维护与保养，如定期更换液压油、滤芯等。定期进行硝酸铵的标定与系统校准，才能保证计量的准确性。

4 结语

该螺旋输送计量系统应用于中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司自主研发的 BCLH-15 型铵油炸药现场混装车。实践表明，通过选择合适的硝酸铵物料，在储存过程中加强防潮措施，并对螺旋输送系统结构进行合理的设计，主螺旋叶片外缘加装非金属耐磨材料，设计合理的角蓬结构，控制系统和液压系统采用模糊-PID 混合智能控制系统设计，并定期对计量系统进行维护保养及标定，输送系统的计量精度可满足现有的工艺要求。