活塞泵在包装型乳化炸药生产上的应用分析.pdf

活塞泵在包装型乳化炸药生产上的应用分析 ① 彭 宁１， 颜柏桦２ （１．湖南金能科技股份有限公司，湖南 长沙 ４１００１３； ２．国防科学技术大学，湖南 长沙 ４１００００） 摘 要 结合当前国内包装型乳化炸药的工艺技术特点，对活塞泵在乳化炸药装药、输送过程中的优越性进行了分析探讨，结果表 明，活塞泵明显优于传统转子泵与叶片泵；活塞泵安全系数高、与乳化炸药生产匹配性强、不破坏乳化炸药体系的稳定性，能够广泛 应用于物理敏化、化学敏化、复合敏化等多种商品乳化炸药的生产中。 关键词 乳化炸药； 活塞泵； 装药机 中图分类号 ＴＤ２３５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０３．００７ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０３－００２７－０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｐｉｓｔｏｎ Ｐｕmｐｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｃｋａｇｅｄ Ｅmｕｌｓｉｏｎ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ＰＥＮＧ Ｎｉｎｇ１， ＹＡＮ Ｂａｉ-ｈｕａ２ （１．Ｈｕｎａｎ Ｋｅｎｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００００， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｐａｃｋａｇｅｄ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ， ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｐｕｍｐｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｏｔｏｒ ｐｕｍｐｓ ａｎｄ ｖａｎｅ ｐｕｍｐｓ． Ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｐｕｍｐｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｐｕｍｐ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｓ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ， ｓｈｏｗｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｗｏｎ′ｔ ｂｒｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ； ｐｉｓｔｏｎ ｐｕｍｐ； ｃｈａｒｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ 乳化炸药为一种乳状液体系，是在外界能量下由 一种分散相均匀分散在另一种连续液体相而形成的热 力学不稳定系统［１－２］。 乳化炸药的稳定性系指在储存 和输送过程中不分层、不破乳、物理状态和爆轰性能不 发生变化。 乳化炸药的不稳定性系指它本身在热力学 意义上是一个不稳定体系，在外界搅拌式或挤压式输 送中有效气泡丢失，影响炸药爆炸性能。 因此，它的稳 定性与不稳定性决定着乳化炸药的生产规模、应用条 件和范围。 乳化炸药产品在生产装药、包装、成品运输 中热聚、火焰、针刺、撞击、摩擦、振动、静电等一定外界 能量作用下，均具有一定感度特性，有可能发生意外燃 爆事故，造成人员伤亡和财产损失。 乳化炸药在输送 中因设备不安定性，导致国内某些厂装药机、装药车的 爆炸。 因此，选择一种安全稳定的输送设备对民爆物 品生产安全有着极其重要的意义。 随着国内乳化炸药生产线不断进行技术改革和创 新，炸药生产越来越朝着节约、环保、安全、高效的方向 发展。 本文将湖南金能科技股份有限公司自主研发的 ＤＫＪ 型装药机和萍乡金源恒业火工科技有限公司研发 的 ＲＰＰ－１２ 型旋转活塞泵应用在乳化炸药生产线上， 探讨了活塞泵在乳化炸药装药、输送过程中的优越性。 １ 活塞泵特点与机理 １．１ 活塞泵、转子泵和叶片泵的主要特点对比 活塞泵、转子泵和叶片泵的共同点为它们都是通 过容积改变来对液体产生压力的；其区别为容积和位 置不同［３］。 活塞泵、转子泵和叶片泵的主要特点对比 如表 １ 所示。 ①收稿日期 ２０２０－０１－１３ 作者简介 彭 宁（１９８４－），男，江西宜春人，硕士，工程师，主要从事采矿工程项目、民用爆破技术及工业炸药工艺技术研发工作。 第 ４０ 卷第 ３ 期 ２０２０ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №３ Ｊｕｎｅ ２０２０ 表 １ 活塞泵、转子泵和叶片泵的特点对比 项目活塞泵转子泵叶片泵 结构核心活塞转子叶片 工作动力活塞的往复运动提供动力转子传动提供动力靠叶片旋转提供动力 应用性特点 性能稳定，成本高，脉动小，可以变量，常用在高 压系统，属往复泵范畴，流量起伏变化。 精度 高，密封性能好，可低速运转，容积效率高，工作 压力高 ，易于变量，流量范围大 结构简单紧凑、自吸力强、转速范围大，用于高 压低流量场合，还能用在高油温的场合。 可低 速运转，噪音低，维护方便，使用寿命长，排量 不大 低压大流量场合。 结构紧 凑，运动平稳，流量均匀，排 量大、效率高、噪音小 可适用的 工作压力 高压 ３１．５ ＭＰａ，有可变量低压 ２．５ ＭＰａ，中高压 １６ ＭＰａ，２１ ＭＰａ中压 ６．３ ＭＰａ 乳化炸药 生产线应用 应用广泛，物理敏化、 化学敏化、复合敏化 应用广泛，物理敏化、 化学敏化、复合敏化 应用广泛，物理敏化、 化学敏化、复合敏化 故障或 历史事故 更换密封 做物理敏化时， 对转子磨损厉害 叶片容易断裂，出现过叶片泵 断裂而导致的爆炸事故 维修维护特点维修少转子定期更换频率高叶片定期更换频率高 １．２ 活塞泵在乳化炸药装药机上的工作机理 １．２．１ 活塞泵结构、元件作用 活塞泵的核心部分（如图 １ 所示）由缸体、活塞、 导向轴、凸轮、转子、定子、主轴、底座、盖板组成。 活塞 安装在缸体里面，能使胶体自吸自排；凸轮和导向轴能 控制活塞做上下运动；转子和缸体安装在主轴上做旋 转运动；定子、盖板起密封作用，并且与药体接触的部 分都有易损板，当出现磨损时不需要换整个泵体，只要 更换易损板即可［４］。 图 １ 活塞泵核心部分结构 １ 端盖易损板； ２ 泵体； ３ 螺旋密封内圈； ４ 活塞泄漏排 泄口； ５ 升降轴； ６ 凸轮导轨； ７ 清洗油污排泄口； ８ 泵 体易损板； ９ 定子外圈； １０ 活塞体； １１ 活塞杆导向座； １２ 活塞杆； １３ 导轨轴承； １４ 主轴 １．２．２ 活塞泵在乳化炸药装药机上的工作机理 活塞泵是液压系统的一个重要装置。 它依靠活塞 在缸体中往复运动，使密封工作腔的容积发生变化来 实现装药［５］。 活塞泵应用在乳化炸药生产线上的工作流程乳 化炸药胶体在其负压作用力下，同步灌入活塞缸体中。 当某个升降轴下端导轨轴承由凸轮导轨低端区段进入 凸轮导轨的上升区段时，其导轨轴承、升降轴、活塞杆 在凸轮导轨的作用力下，使活塞在缸体内从低端向上 推到高端，此时段缸体活塞刚好处于同圆设置的出料 口处，从而使缸体内乳化炸药胶体同步挤出。 环形均 布的若干个活塞缸、活塞、活塞杆、升降轴、导轨轴承， 均布在同圆凸轮导轨的高端区段、下降区段、低端区 段、上升区段，在伺服电机驱动下产生旋转时，活塞就 会在活塞缸体内随凸轮导轨在各个区段上产生环形平 移及轴向位置变化，乳化炸药胶体就会从进料口处连 续不间断地输送到出料口处及管道中，从而灌装到成 形塑筒中。 ２ 活塞泵应用在乳化炸药装药机上的 安全性验证 ２．１ 安全性特点 乳化炸药输送泵的最大危险来自泵腔内危险物料 被运动部件碾磨、挤压、撞击发生热积累、热分解，以及 外来硬质异物或敏感物体在机械作用下瞬间引爆炸 药。 活塞泵从设计上采取了如下技术措施，可有效降 低和控制上述事件的发生概率 １） 金属活塞体与金属缸体之间留有一定间隙，活 塞体上镶嵌了非金属密封件，可防止金属缸体与活塞 体间的摩擦。 ２） 活塞上端面与金属泵体盖板之间留有一定间 隙，可防止活塞上端面与泵体盖板之间的摩擦。 ３） 主轴带动的转子与外定子之间留有一定间隙， 转子的圆柱外侧面上设有螺旋密封，外定子内腔设有 自润滑系统，能有效防止泄漏和减少摩擦。 ４） 凸轮导轨上升高度限制了活塞上升行程，确保 不与泵体盖板产生撞击和摩擦。 ５） 物料进入缸体后，在转子的带动下仅产生圆周 ８２矿 冶 工 程第 ４０ 卷 位移，不会产生碾磨、搅拌、剪切等作用力。 ６） 泵体盖板上的物料入口和活塞缸腔体空间较 大，对尺寸小于 ３０ ｍｍ 的硬质异物、结晶硝酸铵等具 有较大的容错能力。 ２．２ 安全保护控制装置验证 安全连锁保护装置包括压力、电机、物料温度等保 护措施，出现如表 ２ 所示的安全保护设置时，达到其设 定上限值时会报警及自动停机，安全保护设置及有效 性验证如图 ２ 所示，安全性验证见表 ３。 表 ２ 安全保护设置及有效性验证 安全连锁 项目 实施措施 可靠性、有效性 验证 压力保护出口处设置了双重压力保护可靠、安全有效 电机保护主轴电机设有扭矩上限保护可靠、安全有效 温度保护 泵体盖板及泵壳设有温度上限保护可靠、安全有效 出口处设有物料温度上限保护可靠、安全有效 其他泵体设有自动水冷系统及自动润滑系统可靠、安全有效 图 ２ 活塞泵安全操作面板 ２．３ 活塞泵优越性 活塞泵应用在乳化炸药生产线上优越性主要体现 在以下 ３ 点 １） 活塞泵安全系数高。 由于从机械角度限制金 属与金属直接接触，并且活塞采用橡胶材质，另外转速 低（最高只有４５ ｒ／ ｍｉｎ），并且多处有监测系统控制，带 水冷辅助冷却，大大提高了本质安全性。 物料无死角、 无金属件之间的相互摩擦、腔体内结存物料少，易于清 扫，采用定子气缸托起人性化设计。 ２） 活塞泵与乳化炸药生产匹配性强。 该装药机 活塞泵处于满负荷用电量低，耗气量少。 活塞泵产能 为 ０ ～ ４ ５００ ｋｇ／ ｈ，而生产小药卷的转盘最大产能为 ４ ０００ ｋｇ，所以能够满足生产需要，并且能与生产线匹配。 ３） 活塞泵对乳化炸药体系的稳定性不产生破坏， 能够广泛应用于物理敏化、化学敏化多样品种商品的 生产。 通过机械构件控制形成炸药连续吸入、排出，实 现了连续高效、安全、输送计量含水炸药的目的。 活塞 结构对乳化炸药胶体不产生剪切、碾压、搅拌等破坏作 用力，只产生轴向吸力和推力，活塞结构输出压力大， 很好地解决了现有物理敏化胶体大流量输送难题。 ２．４ 可靠性、产能匹配性验证 湖南金能科技研发该装药机设备可稳定运行 ３００ 支／ ｍｉｎ，最大 ３５０ 支／ ｍｉｎ，最高转速不超过 ６０ ｒ／ ｍｉｎ， 物料输送压力不大于 ０．６ ＭＰａ；旋转卡扣机端面封口并 分切，以Φ３２ ｍｍ ２００ ｇ 计算，最高可达３５０ 支／ ｍｉｎ，产 能为 ４．２ ｔ／ ｈ 左右，以 Φ７０ ｍｍ ２ ０００ ｇ 计算最高可达 ６０ 支／ ｍｉｎ，产能可达 ７．２ ｔ／ ｈ。 表 ３ 安全性验证表 详细内容检验方法有效性 装药系统急停按钮按下急停按钮，装药机与输送泵立即停止，高压空气卸压。 人为操作急停按钮安全可靠 高压空气压力检测设备系统高压空气压力低于 ０．５ ＭＰａ，设备报警停机且不能开机。 关闭高压空气安全可靠 接膜机、合膜机、转盘及 输送系统联动检测 设备系统中合膜机、转盘、挤胶机故障时输送系统不能开机。 联动时重大故障无法启动 （如输送系统保护检测、伺服故障、空气压力、急停） 安全可靠 电气部分信号报警装置触发任一报警装置应准确、迅速动作。 如按急停钮、变频器故障等安全可靠 电气安全联锁相关保护开关／ 传感器／ 操作站／ ＰＬＣ 等电气元件 电气连接部分连接应牢固、标记清晰，各连接件穿线管完整可靠，无破损、受潮、腐蚀，各两 个触点无烧蚀 安全可靠 外围安全围栏、遮挡装置外围安全围栏、遮挡装置应完好，无破损移除安全可靠 工艺参数部分各工艺参数应按记录值设置，无随意改动安全可靠 断料检测断开流量开关信号 Ｘ４６，机器运行 ６０ ｓ 后停机。 或空载运行 ６０ ｓ 后设备停机安全可靠 超温检测 检测温度超过或等于触摸屏上温度报警设定温度值时设备报警停机。 触摸屏上温度报警 设定值降低，测试完成后恢复参数 安全可靠 超压检测 检测输送压力超过或等于触摸屏上压力报警设定值时设备报警停机。 触摸屏上压力报警 设定值降低，测试完成后恢复参数 安全可靠 震动检测 检测输送系统（泵）振动值达到触摸屏振动报警上设定值时，输送系统报警停机。 触摸屏 上振动报警设定值降低；用木锤轻击传感器边上 安全可靠 故障保护 输送系统故障时设备报警停机。 关闭电源，取下驱动器上编码器线，再开启电源，驱动器报 警，触摸屏上会显示故障信息，输送泵不能启动 安全可靠 （下转第 ３３ 页） ９２第 ３ 期彭 宁等 活塞泵在包装型乳化炸药生产上的应用分析 简洁，且对边坡的力学特性进行了分析，综合各单元的 平衡方程得到了有限元模型的整体平衡方程，有效增 加了矿山边坡有限元模型的准确性。 ２） 使用实例验证的方式，选取模型参数敏感性和 安全系数两个指标，分别验证了所研究方法的性能，结 果表明，本研究方法具有一定的可行性和实际应用价 值，为岩土工程研究提供了参考依据。 参考文献 ［１］ 康志强，邵陆航，李 蕾． 基于 ３ＤＥＣ 数值模拟的矿山边坡节理变 形机理研究［Ｊ］． 化工矿物与加工， ２０１８（６）３７－４１． 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