工业炸药产品入库自动装卸车系统的设计.pdf

doi10． 3969／ j． issn． 1001- 8352． 2018． 04． 009 工业炸药产品入库自动装卸车系统的设计 * 李仕洪 李宏位 李国会 贵州久联民爆器材发展股份有限公司思南生产分公司（贵州思南，565100） ［摘 要］ 在分析国内工业炸药生产过程中产品入库自动装车技术现状的基础上，阐述了一种新的自动装卸技术 方案，并从机械技术动作和时间逻辑关系上进行了详细论述。 该方案实现了工业炸药生产过程中成品入库装车自 动化、无人化，卸车自动化、少人化，提高了炸药生产入库过程的本质安全水平，提高了生产效率，降低了劳动强度 和生产成本。 该方案还适用于其他行业生产中类似的产品入库过程，具有良好的经济效益和社会效益。 ［关键词］ 工业炸药；装车；卸车；自动化 ［分类号］ TD235． 2 ＋1；TP277 Design of Automatic Loading and Unloading Vehicle System for Industrial Explosives LI Shihong， LI Hongwei， LI Guohui Sinan Branch， Guizhou JiuLian Industrial Explosive Materials Development Co． ， Ltd．（Guizhou Sinan， 565100） ［ABSTRACT］ Based on the analysis of the present situation of the automatic loading technology of products in the process of domestic industrial explosive production， a new technology plan for loading and unloading was described， and the mechanical operation and time logic relation were discussed in detail． This technology could accomplish the automation and unmanning of finished product loading and unloading， unloading automation and less humanization in the process of indus- trial explosive production．It improves the inherent safety level of the process of explosive production and the production efficiency， and reduces labor intensity and production cost．The scheme is also suitable for the production of similar prod- ucts in other industries with good economic and social benefits． ［KEYWORDS］ industrial explosives； loading； unloading； automation 引言 民用爆炸物品行业发展规划（20162020） 要求民爆生产企业要推动智能制造和信息化建设， 加快机器人及智能成套装备在民爆行业的推广应 用，开展民爆安全生产少（无）人化专项工程工作， 继续减少危险作业场所人员，提高生产线本质安全 水平 ［1］ 。 2017 年6 月，在四川绵阳召开的全国民爆 行业科技工作座谈会暨智能制造推进会上，工业和 信息化部安全生产司再次提出了具体的要求，民爆 行业要结合中国制造2025，部署“机器人换人、自 动化减人”专项行动，大力推动民爆行业生产方式 由“制造”向“智造”转变 ［2］ 。 近年来，一些工业炸药 生产线除了制药、装药、中包装、装箱和打包等过程 实现连续化和自动化以外，产品入库自动装车技术 也取得了较大的成功。 以深圳市金奥博科技股份有 限公司与四川凯达化工有限公司共同研制的 JWL- LZ Robot 型履带式装车机器人系统为代表的工业炸 药生产自动装车技术已经逐步在民爆行业推广应 用，该系统将机器人和成品输送皮带安装在履带式 移动机构上，采用机械式抓手能可靠抓取不同规格、 不同形状的炸药箱（袋），采用智能检测形成码垛位 置坐标并实施码垛。 装车速度可达 10 箱（袋） ／ min；装车过程每班减少 2 ～ 3 人，实现了装车过程无 固定操作人员。 但是，该类技术方案只解决了自动装车问题，没 有解决劳动强度大的卸车问题，入库卸车还是人工 作业，且该系统设备造价较高，机器人系统运行维护 难度较大，对打包不合格的包装箱未能实现在线检 测和自动剔除。为此，笔者设计了一种新的自动装 卸车技术方案，进一步解决产品入库自动卸车的问 第47 卷 第 4 期 爆 破 器 材 Vol． 47 No． 4 2018 年8 月 Explosive Materials Aug． 2018 * 收稿日期2018- 03- 01 作者简介李仕洪（1970 - ），男，高级工程师，主要从事工业炸药生产技术研究与管理。 E- maillsh3419163． com 万方数据 题，供同行参考。 1 自动装卸车系统技术方案 随着现代物流技术的快速发展，国内一些公司 借鉴了欧美发达国家成熟的经验和技术，以 Ezload 易载快速装卸系统（上海）有限公司推出的 MF 移动 地板为代表的自动装卸系统，为炸药生产过程产品 入库自动装卸提供了良好的技术基础 ［3］ 。 新的自 动装卸车系统包括转运车车载可移动式链板输送系 统、自动码垛装车系统和自动卸车堆码系统 3 个部 分。 3 个部分利用气动控制和液压动力控制原理， 通过 PLC 程序实现各单元动作的联动控制，从而实 现炸药产品入库装车、卸车自动化。 1. 1 转运车车载链板输送系统的设计 如图1、图2 所示，在炸药转运车中安装内置可 移动式的链板输送机，链板输送机采用低速液压马 达动力系统，通过独立的 PLC 程序控制，采用低压 直流电伺服油泵控制，使链板输送机实现双向运动， 其转速可在 3 ～ 12 m／ min 之间调节 ［4- 5］ 。 在装车过 程中，车载独立充电及联动控制接口与自动装车系 统主程序实现自动对接，同步进行充电；在卸车过程 中，车载独立充电及联动控制接口与卸车滑辊上的 1 - 传输链板；2 - 锁紧定位柱；3 - 控制箱；4 - 充电及 联动控制接口；5 - 液压马达； 6 - 纵向限位装置； 7 - 侧向限位装置。 图1 车载链板输送系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of vehicle chain conveyor system 图 2 车箱内置链板输送机 Fig. 2 Car box built- in chain conveyor 联动控制接口连接，由车载 PLC 控制系统实现联动 控制。 为保证转运车装载货物以后车厢底板高度始 终与炸药码垛输送机构高度保持一致，在车尾设计 限位锁紧装置；为防止运输过程中堆码产品因晃动 而错位，从而影响自动卸车，在车厢内前壁和两侧均 设置了可调式限位锁紧装置，装车前根据不同产品 包装箱（袋）规格进行调节。 需要注意的是，车辆安全技术条件必须满足民 用爆炸物品运输要求 ［6］ ，安装内置链板输送机时， 链板输送机应采用独立的电控系统和液压系统，其 系统部件均应与车辆燃油箱、油路、热源等保持安全 或有效距离；连接管线、控制部件应安装在车两侧防 护装置以内或在车厢边缘内侧 100 mm 以内；电控 系统操作装置应固定牢靠，具备防护措施，装置中心 位置距车厢后端宜在300 ～ 500 mm 之间；电控系统 线路应加装金属管护套，穿过车体的需安装过孔保 护绝缘套；电线接头应采用插入式防爆接头；链板采 用轻质铝合金材料。 1. 2 自动码垛装车系统的设计与运行程序 图3 所示，自动码垛装车系统由成品输送皮带、 转向辊子及排箱辊子输送机、自动码垛机、过渡存药 链板输送机及装有车载链板输送机的转运车等组 成，图3（b）中标示的高度仅为参考值。 系统全过程 由 PLC 程序实现连锁联动控制，相连两个动作之 间，后面动作未完成时，前面动作自动等待。 1. 2. 1 自动排箱 成品皮带输送机上的炸药包装件经过智能图像 识别与处理系统进行在线检测，剔除的不合格品返 回包装工序，进行返修 ［7- 8］ 。 合格的包装件经可调式 限位挡板的干预作用，使其在成品皮带输送机需要 的轨迹上前行，由 PLC 程序控制。 根据包装箱的规 格、尺寸，设计两种不同的程序A 类产品排箱时，成 品皮带输送机、转向辊子输送机及排箱辊子输送机 同步运转；当炸药包装箱到达转向辊子输送机右转 时，经导向滚筒及转向辊子输送机的共同作用，炸药 包装箱转向，前行到排箱辊子输送机进行自然排列。 B 类产品排箱时，只开启皮带输送机和排箱辊子输 送机，转向辊子输送机始终处于停止状态，当转向辊 子输送机上的感应器识别到成品皮带输送机送入的 炸药时，推箱气缸将炸药推上排箱辊子输送机后返 回，等待下一箱炸药。 如此重复，进入排箱辊子的炸 药进行自然排列。 生产结束不足一排时，手动控制 进入下一程序。 1. 2. 2 自动码垛 当排箱辊子输送机上的炸药通过计数器感应达 05 爆 破 器 材 第 47 卷第 4 期 万方数据 （a） 平面图 （b） 立面图 1 - 成品皮带输送机；2 - 限位挡板；3 - 推箱气缸；4、8、 9、11、14、19 - 光电或碰触式感应器；5 - 转向辊子输送 机；6 - 码垛托辊；7 -码垛托板；10 - 过渡存药链板输 送机；12 - 码垛托板气缸；13 -转运车；15 -车载链板 输送机；16 - 装车对位调节装置；17 -限位挡板；18 - 推垛气缸；20 - 推排气缸；21 -排箱辊子输送机；22 - 导向滚筒。 图3 自动码垛装车系统示意图 Fig. 3 Schematic diagram of automatic palletizing and loading system 到设定的箱数时，推排气缸将整排炸药推送至已伸 出的码垛托板上，侧翼挡板挡住可能提前输入的炸 药。 当炸药包装箱同时碰触到 3 个码垛感应器时， 码垛托板收回，整排炸药则落到码垛托辊上，推排气 缸再收回。 当码垛托辊感应到重力，根据程序设计， 码垛托辊从 H2位下降一个位次，码垛托板再次伸 出，等待下一排炸药。 当码垛托辊感应到荷载达到 设定值时，码垛托辊下降至 H1位置，高度与存药链 板输送机水平对齐，推垛气缸慢慢地将整垛的炸药 从码垛托辊上推送到存药链板输送机上，当炸药药 箱碰触到存药链板输送机前端感应器时，存药链板 输送机开始转动。 当炸药药箱离开前端感应器时， 推垛气缸退回原位等待下一堆垛，码垛托辊从 H1位 升至 H2位，进入下一码垛流程，存药链板输送机继 续将该码垛输送至转运车内置链板输送机上后停 止；若存药链板输送机设计为多码垛输送或整车码 垛输送时，存药链板输送机停止，等待下一码垛到达 再依次前行，达到设定的码垛数后，再一次性将炸药 堆垛送入转运车车厢内。 生产结束不足一垛时，手 动控制进入下一程序。 1. 2. 3 自动装车 转运车辆按照要求停靠在固定区域位置后，车 厢与过渡存药链板输送机后端保持垂直，根据驻车 位置调节装车对位调节装置，将过渡存药链板输送 机上的炸药横向调整到合适的位置，使炸药堆垛右 侧边线与转运车车厢右侧限位锁紧装置挡板基本保 持在一条直线上，打开车尾高度限位锁紧装置，进入 装车程序。 当炸药码垛碰触到存药链板输送机后端 感应器时，若转运车对位连接不到位，则存药链板输 送机停止转动，反之，转运车内置链板输送机开始转 动，其转速与存药链板输送机的转速保持一致。 当 炸药堆垛离开存药链板输送机后端感应器时，转运 车内置链板输送机停止转动。 依次循环，直至车厢 内装满设定的堆垛数，当炸药堆垛碰触到车厢前面 内壁上的感应器时，车载内置链板输送机停止转动 并开启制动系统，装车完毕，关闭车门，调节锁紧装 置，运往总库。 生产结束不足一车时，则手动调整堆 垛参数（高度），尽量把车箱底板排满，以便调节限 位装置，防止在运输过程中发生晃动而错位，影响自 动卸车。 1. 3 自动卸车系统的设计与运行程序 1. 3. 1 自动卸车系统的组成 如图4 所示，自动卸车系统由车载链板输送机、 卸车滑轨、防爆电瓶叉车附带图 5 所示的叉车推出 器等组成。 1 - 防爆电瓶叉车；2 - 叉车推出器；3 - 侧护板； 4 - 叉齿； 5 - 卸车滑轨；6 - 驻车限位装置；7 - 转运车。 图 4 自动卸车系统示意图 Fig. 4 Schematic diagram of automatic unloading system 152018 年8 月 工业炸药产品入库自动装卸车系统的设计 李仕洪，等 万方数据 图5 叉车推出器 Fig. 5 Forklift launches 系统运行流程如下炸药转运车运达成品总库 以后，根据驻车指示标识和限位装置，在指定的位置 范围内停好车，调整卸车托辊位置，使之与车箱基本 达到居中对齐，连接车载链板输送机控制线接口，打 开车载链板输送机反向转动手控按钮，产品自动输 送到卸车滑轨上。 当产品碰触到限位感应器时，链 板输送机停止运转，用防爆电瓶叉车将产品转运到 库房内，通过叉车推出器将产品缓慢推出堆码摆放。 1. 3. 2 卸车滑轨系统的设计 图6 所示，综合工业炸药各种包装箱规格尺寸， 为了确保炸药堆码不乱、叉车叉齿对位分布均匀、各 单体炸药堆垛受力均匀、入库以后堆码整齐，卸车滑 轨中的托辊宽度宜为 60 mm，间距为100 mm，且托 辊内架可以横向左右调节，以便于卸车时托辊实现 居中对位。 每一间库房卸车平台安装一个卸车滑坡 轨。 随着技术的发展和安全性能的不断完善，今后 还可以考虑在转运车上安装车用起重尾板，并在尾 板上安装固定式的卸车滑轨，以节省投资和提高装 卸效率。 1. 3. 3 叉车的选型、叉齿改装及叉转方式 在炸药成品仓库使用时，必须选择防爆型电瓶 叉车 ［9- 10］ ，并要根据炸药成品库房门洞的尺寸确定 叉车的型号、额定载荷及叉齿支架总宽度。 通常，国 内大多数炸药成品仓库门洞的设计建造规格为宽度 1 800 mm、高度2 400 mm、有效宽度约1 600 mm，在 不改变库房现状的情况下，叉车装载后总宽度宜小 于1 200 mm，叉车门架静止高度宜小于1 800 mm， 从而确保在转运过程中可以顺利地进出库房大门。 为确保每一垛炸药重心平衡，对应卸车滑轨，还需要 对原装叉齿进行定制改装叉齿宽度 60 mm，间距 100 mm，叉齿数量6 齿。 叉转方式从车厢中整体输出的产品，横向堆垛 分为两次转运，如图 6 所示。 对于 A 型产品，横向 先转运3 列的堆垛，叉车正好6 齿对位，转运剩余的 （a） A 型产品 （b） B 型产品 1 - 转运车；2 - 可调节式托辊内架；3 - 感应器；4 - 卸 车托辊；5 - 控制器接口；6 - 车载链板输送机手控按钮。 图 6 卸车滑轨工作原理示意图 Fig. 6 Schematic diagram of working principle of unloading rails 两列时，则要根据库房内堆放位置的左右顺序而定， 从左向右堆放时空余叉齿留在右边，反之空余叉齿 则留在左边；同样的道理，对于 B 型产品，从左向右 堆放时，先转右侧3 箱产品，反之则先转左侧 3 箱产 品，空余叉齿始终留在堆码外侧。 如果成品库房门洞宽度≥2 400 mm，则可以选 择额定载荷大一些的叉车，将叉齿数量设计为 10 齿，叉齿宽度和间距不变，转运时，叉齿对准卸车滑 辊中的2 ～ 11 号空位，则可一次性将车厢内输出的 堆垛整体转运入库。 2 安全性分析 自动装卸车系统主要采用的是气动控制及液压 动力控制元件设备，在工业炸药生产线上均有使用， 且系统中转动及推送速度极慢，不会因为转动和摩 擦产生热积累而导致事故发生。 车辆内置链板输送机采用独立的电控系统和液 压系统，且系统元件、管线路与车辆燃油箱、油路、热 源等保持安全距离或有效隔离，确保链板输送设备 系统不影响车辆安全。 25 爆 破 器 材 第 47 卷第 4 期 万方数据 炸药成品仓库外卸车滑轨上的限位感应装置本 身无电源，只具有一个通断式信号连接功能，卸车过 程中通过车载链板输送机控制线接口供电与联动控 制，可选择触碰式感应器；同时，防爆电瓶叉车充电， 利用库房原有照明配电箱增加防爆型接口即可。 系 统不影响库房原有电气系统的安全。 3 技术性分析 3. 1 系统中各单元动作时间逻辑关系 从技术角度上来看，自动码垛装车系统每一个 单元动作的机械与控制部分都是常用的成熟技术， 但是各单元动作的用时却对系统的正常运行影响较 大，特别是气动或液压动力推送过程，动作过快会在 推送过程中产生强烈碰撞，造成堆码倾斜或损坏包 装箱；动作过慢则会影响其他动作的正常完成，形成 时间逻辑矛盾。 因此，各单元动作选择恰当的用时 对本系统来说是一个关键的问题。 根据目前国内包装炸药生产线实际最大产能 8 t／ h 测算，生产一箱炸药理论上用时为 10. 8 s，因此 系统设计以生产一箱产品用时 10 s 为基准时间，依 次设计后续动作。 若周转装车平台设计存药量为 6 000 kg，按照不同类型产品包装箱规格确定 A 型 产品堆垛为5 5 箱，B 型产品堆垛 6 6 箱，生产区 至成品总库区库房转运平均距离按1 km 测算，则各 单元动作用时设计参考时间见表1。 由表1 可以看出，该系统设计动作连贯紧凑，后 续动作的完成不会影响前面过程的实施，当存药链 板输送机设计存量达到 6 个以上堆垛时，一条年产 24 000 t 的炸药生产线上只需配置一辆载重为 6 t 的转运车即可满足生产入库转运需求。 转运区间距 离较远的企业，通常配置两辆转运车为宜。 3. 2 自动装车过程的特殊控制 在自动装车过程中，由于过渡存药链板输送机 上码垛好的产品是沿直线运动，如果转运车驻车后 角度产生偏差或车箱内两侧限位装置与产品堆码边 线错位的话，将会严重影响自动装车，强行装车的话 会挤坏炸药包装箱。 因此，系统设计时必须有足够 的对位调节空间，包括驻车区域和产品输送轨迹双 向调节与控制。 驻车时，要求驾驶员尽可能地停在标准理想的 位置。 综合考虑驾驶员资格培训考试大纲要求和实 际操作经验，加上系统对位调节空间，本方案设计驻 车区域横向冗余空间为300 mm。 产品输送轨迹的调节由驻车后转运车车箱内两 表1 自动装卸车系统各单元过程用时设计 Tab. 1 Design of each unit process of automatic truck loader system 动作 序号 过程描述 时间／ s 时间逻辑关系比较 1 ＃ 生产一箱产品≥104理论用时时间 2 ＃ 推箱动作一次≤5 用时 ＜ 过程 1 ＃ 3 ＃ 完成一排堆码≥504理论用时时间 4 ＃ 成排推送一次≤5 5 ＃ 码垛托板收回≤5 4 ＃ ～ 6 ＃项用时合计 ＜ 过程 1 ＃的2 倍 6 ＃ 推排挡板收回≤5 7 ＃ 码垛托辊降一位次≤5 7 ＃、8＃项用时合计 8 ＃ 码垛托板伸出≤3 ＜ 过程 3 ＃ 9 ＃ 完成一垛堆码≥250K理论用时时间 10 ＃ 成垛推出码垛托辊≤304 11 ＃ 推垛气缸回位≤104 10 ＃ ～ 12 ＃项用时合计 ＜ 过程 3 ＃的2 倍 12 ＃ 码垛托辊回 H2位≤304 13 ＃ 码垛前行一个位次≤204用时 ＜ 过程 9 ＃ 14 ＃ 装车对位调整≤304用时 ＜ 过程 9＃ 15 ＃ 整体堆码同步装车≤804用时 ＜ 过程 9 ＃ 16 ＃ 转运至仓库停车≤300K 17 ＃ 卸货入库≤600K 15 ＃ ～ 17 ＃项用时合计 ＜ 过程 9 ＃的6 倍 18 ＃ 转运车返回停车≤300K 侧限位装置上发射的两条红外线进行自动对位控 制，设计有两组调节方式，一是调节过渡存药链板输 送机上的产品的位置，二是整体调节过渡存药链板 输送机的位置，二者相辅相成，联动控制前端排箱辊 子输送机和码垛托辊上的限位挡板。 4 投资效益 炸药生产入库自动装卸车系统建设投资费用估 算见表2。 系统建成运行以后，一条年产24 000 t的炸药生 产线可以减少装车人员4 人、卸车人员 6 人、转运车 驾驶员 2 人，共计 12 人。 人工工资按照 7. 5 万元／ （人 a）（含五险一金）测算的话，每年可节约人工 成本90 万元。 增加的费用有假如叉车操作员由保 管员兼任，按照我公司薪酬体系，其工资由 5 岗调升 到7 岗，则4 名保管员每年增加工资约为 6 万元；系 统设备每年的运行、维护保养费用10 万元。 则每年 新增净利润74 万元。 由此计算出，该项目投资利润 率约90. 24％；投资回收期约为1. 11 a。 352018 年8 月 工业炸药产品入库自动装卸车系统的设计 李仕洪，等 万方数据 表 2 自动装卸车系统投资估算 Tab. 2 Investment estimation of automatic loading and unloading vehicle system 序号名称投资金额／ 万元 占比／ ％ 1 ＃ 车载链板输送机9▌. 010▌. 98 2 ＃ 车厢内置锁紧装置3▌. 03▌. 66 3 ＃ 自动码垛系统6▌. 07▌. 32 4 ＃ 自动装车系统5▌. 26▌. 34 5 ＃ 控制系统5▌. 87▌. 07 6 ＃ 防爆电瓶叉车28▌. 034▌. 15 7 ＃ 卸车滑轨／ 10 套10▌. 012▌. 19 8 ＃ 在线检测剔除返修系统10▌. 012▌. 19 9 ＃ 其他费用5▌. 06▌. 10 合计82▌. 0100▌. 00 由此可见，该项目投资运行一年零两个月以后 即可全部收回投资费用，经济效益较好。 5 结论 自动装卸车系统采用气动及液压动力控制与运 行，结构简单，各单元部件技术成熟，运行稳定，安全 风险可控，使炸药生产全过程真正实现了无人操作、 少人值守的无人化安全生产目标，提高了炸药生产 线的本质安全水平。 一条年产24 000 t 的炸药生产 线每年可节约人工成本 90 多万元。 该技术既适用 于箱装炸药，通过局部调整改造后，也适用于袋装炸 药，同时还可以广泛用于其他行业类似的流水线生 产过程中，经济效益和社会效益显著。 参 考 文 献 ［1］ 中华人民共和国工业和信息化部.工信部规〔2016〕 331 号民用爆炸物品行业发展规划（20162020） ［Z］. 2016. ［2］ 中华人民共和国国务院. 国发〔2015〕28 号中国制造 2025［Z］. 2015. ［3］ 倪志伟. 现代物流技术［M］. 北京中国物资出版社， 2007. ［4］ 李丙才，张荣. 智能电液伺服控制系统的研究［J］. 科 学技术与工程，2011，11（18）4377- 4379. 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