一種自動拆解生產線氣控系統的設計

劉晨敏

（重慶工商大學融智學院，重慶401320）

0 引言

炮彈是國家為軍事斗爭準備的重要戰略物資，日常儲量巨大。隨著兵器工業的迅速發展，炮彈制造工藝不斷更新，由此遺留下大量的廢舊炮彈[1]。廢舊炮彈的存儲存在巨大的安全隱患，因此必須進行回收處理。廢舊炮彈有銷毀和拆解兩種處理方法，炮彈銷毀對銷毀場地及環境要求較高，同時存在安全隱患，所以廢舊炮彈一般采用拆解的處理方法，既可對炸藥等資源進行回收利用，又能不污染環境。

針對某型中口徑炮彈的自動拆解生產線，其拆解過程主要為：旋卸引信→旋卸底火→拔彈頭→倒藥[2]。為滿足系統的防爆要求，該生產線主要采用氣動元件作為拆解過程各動作的執行元件，不僅使控制程序更簡單，操作環境干凈整潔，同時不用再對各器件做防爆或隔爆處理，可安全、有效、快捷地實現廢舊炮彈的自動拆解。本文針對該自動拆解生產線，詳細介紹了其氣控系統的設計過程。

1 氣控系統介紹

本文所述的自動拆解生產線，其機械系統主要包含三部分：炮彈輸送機、彈體分離機、轉運機械手。各機構的布局如圖1所示。

圖1 生產線布局圖

整個生產線的工作流程是：系統啟動，防爆門氣缸縮回將防爆門打開，炮彈輸送機上的輸送小車氣缸伸出將輸送小車由防爆間內推出到防爆間外，在此上料工位由人工吊送炮彈至輸送小車上，輸送小車氣缸再縮回，炮彈被運送到防爆間內的下料工位等待卸料，隨后防爆門關閉；轉運機械手上的Z軸夾取氣缸下移，炮彈夾緊氣缸縮回，機械手夾住炮彈并將炮彈運輸至彈體分離機上的分離工位，夾緊單元分別夾住炮彈彈丸和藥筒，引信移動氣缸和底火移動氣缸分別將卸引信機構和卸底火機構拉動到旋卸工位，引信夾緊卡盤牢牢夾住引信，隨后卸引信機構和卸底火機構分別旋卸引信和底火；引信和底火被旋出后，引信升降氣缸和底火升降氣缸分別下移，引信夾取氣爪和底火夾取氣爪分別夾住引信和底火，兩升降氣缸再上移，隨后引信擺缸和底火擺缸旋轉180°，兩套機構再分別卸下引信和底火；引信和底火旋卸后，還要進行彈丸和藥筒的拔彈分解，此動作由液壓缸完成并最終將彈丸和藥筒分離；轉運機械手的Z軸夾取氣缸下移，機械手夾住彈丸并將其由分離工位轉運到下料工位的輸送小車上，然后機械手再來夾住藥筒，藥筒擺缸旋轉90°，最后將藥筒放置到專用的藥筒輸送線上。整個氣控系統的原理如圖2所示。

圖2 氣控系統原理圖

2 氣控系統設計

本文所述的炮彈自動拆解生產線，由于大多數動作均采用氣缸作為執行元件，因此必須對氣控系統回路進行詳細設計，包括耗氣量計算、空壓機選型設計、儲氣罐容積設計等，使其滿足整個氣動回路的用氣需求，同時每個氣缸都能按照預定的順序動作。

2.1 耗氣量計算

氣控系統的耗氣量是由整個氣動回路所決定的，即與氣控系統的每個氣缸有關，而單個氣缸有最大耗氣量和平均耗氣量兩種計算方式，因此需對整個氣控系統的最大耗氣量和平均耗氣量都進行計算，單個氣缸的最大耗氣量和平均耗氣量可由經驗公式計算得到[3]。

（1）氣缸最大耗氣量計算

Qm=0.046 2 × D2× vm×（P0+0.102）

式中：Qm為氣缸最大耗氣量，L/min（ANR）；D 為缸徑，cm；vm為氣缸的最大速度，mm/s；P0為工作壓力，MPa.

（2）氣缸平均耗氣量計算

Qc=0.015 7×N ×D2×S×（P0+0.102）

式中：Qc為氣缸平均耗氣量，L/min（ANR）；N 為氣缸每分鐘往復次數；S為氣缸行程，cm

（3）氣控系統最大耗氣量計算

∑Qm=Qm1+Qm2+Qm3+……+Qmn

式中：∑Qm為氣控系統最大耗氣量，L/min（ANR）；Qm1~Qmn為氣缸的最大耗氣量，L/min（ANR）.

（4）氣控系統平均耗氣量計算

式中：∑Qc為氣控系統平均耗氣量，L/min（ANR）；Qc1~Qcn為氣缸的平均耗氣量，L/min（ANR）.

本文所述的炮彈自動拆解生產線，氣控系統內各氣動元件的工作參數如表1所示，取各氣缸的工作壓力P0=0.5 MPa，將這些參數分別帶入以上各計算公式，可計算得到的數據如表1所示。

表1 氣控系統內各氣動元件的工作參數

由上表可知，炮彈自動拆解生產線的氣控系統，其最大耗氣量為∑Qm=2 310.5 L/min，平均耗氣量為∑Qm=377.8 L/min.

2.2 空壓機選型設計

空壓機為整個氣控系統提供壓縮空氣，而氣控回路內壓縮空氣的壓力與流量又決定著每個氣缸的動作能否成功，因此必須對空壓機的輸出壓力和輸出流量進行計算，以便選擇合適的空壓機型號。

（1）空壓機輸出壓力計算

式中：Pc為空壓機輸出壓力，MPa；P為氣動執行元件最高使用壓力，MPa；∑△P為氣控系統總壓力損失，MPa.

（2）空壓機輸出流量計算

Qp=k1×k2×k3×∑Qm

式中：Qp為空壓機輸出流量，L/min；

k1為漏損系數（1.15~1.5），取 k1=1.3；

k2為備用系數（1.3~1.6），取 k2=1.3；

k3為利用系數，取k3=50%（假設一分鐘內有50%的氣動元件同時工作）。

本文所述的炮彈自動拆解生產線，各氣缸的最高使用壓力為P=0.7 MPa，氣控系統的總壓力損失取∑△P=0.2 MPa，則有Pc=P+∑△P=0.7+0.2=0.9 MPa，為氣控系統預留一定的安全流量，同時方便空壓機選型，取空壓機輸出壓力Pc=1.0 MPa.

空壓機輸出流量Qp=k1×k2×k3×∑Qm=1.3×1.3×0.5×2310.5=1 952 L/min.

2.3 儲氣罐容積設計

當外部停電空壓機停止工作，氣控系統僅靠儲氣罐儲存的壓縮空氣維持供氣，以保證氣控系統正常工作給定時間，按此條件計算儲氣罐的容積，計算公式如下：

式中：V 為儲氣罐容積，L；Pa為大氣壓力，MPa；P1為突然停電時儲氣罐內壓力，MPa；P2為氣控系統允許的最低工作壓力，MPa；t為停電后維持氣控系統正常工作時間，s.

本文所述的氣控系統要求空壓機停止工作后，儲氣罐仍能維持氣控系統正常工作3 min，即t=300 s，由此計算儲氣罐的容積大小。其中，大氣壓力Pa=0.1 MPa，突然停電時儲氣罐內壓力P1=1.0 MPa，氣控系統允許的最低工作壓力P2=0.7 MPa，則有：

即儲氣罐容積至少為1 925.5 L，才能保證氣控系統在空壓機停止供氣后仍能正常工作3 min.

3 結束語

針對炮彈自動拆解生產線，其主要采用氣動元件作為拆解過程各動作的執行元件，因此需對其氣控系統進行設計。本文通過描述該生產線的工作流程，引出其氣控系統的組成，并依據每個氣缸的工作參數，計算了單個氣缸的最大耗氣量與平均耗氣量、氣控系統的最大耗氣量與平均耗氣量；同時還計算了空壓機的需求輸出壓力與輸出流量，為空壓機選型提供指導；最后計算了儲氣罐容積，其儲存的壓縮空氣能保證氣控系統在空壓機停止供氣后仍能正常工作給定時間。