基礎雷管自動收集與分發系統的設計?

李仕洪 李 帆 楊玲玲 陳延鈺

甘肅久聯民爆器材有限公司（甘肅蘭州，730010）

0 引言

工業數碼電子雷管是一種采用電子控制模塊對起爆過程進行控制的電雷管。 其高精度起爆時序控制的特點為精確爆破設計、爆破效果控制、爆破機理與過程模擬研究提供了新的技術支持。 加之產品生命周期能夠全過程精準管控，具有密碼安全起爆、專用器具起爆等功能，在反恐、維穩等方面有著非常重要的社會意義。 在民爆產業政策的帶動下，作為產品結構調整的主要方向，電子雷管近幾年的產（銷）量呈現快速增長趨勢。 在2022 年底，除保留少量產能用于出口或其他許可的特殊用途外，雷管產品需全面升級換代為電子雷管。 通過技術創新，切實推進民爆生產線定員標準的提升，推動少（無）人化技術和裝備的研發和應用。 要求單條工業雷管裝配生產線上接觸基礎雷管和成品雷管的現場操作人數不大于3；且單個工業雷管裝配工房接觸基礎雷管和成品雷管的現場操作人員總數不大于6。 鼓勵開展基礎雷管集約化生產、安全包裝、遠程配送方式的研究[1]。

目前，國內多數雷管裝填線均實現了基礎雷管在線自動檢測、不合格品自動剔除[2]、自動抖浮藥和擦浮藥[3]、自動轉模裝盒等無人化生產，采用人工收集、轉運裝箱入庫，實際雙班年產量均能達到5 000萬發以上。 電子雷管裝配技術也實現了裝配、賦碼、在線檢測與不合格品剔除、脫模及包裝的連續化、自動化生產[4-5]。 但是，受電子雷管裝配技術和設備的制約，裝填線與裝配線之間產量極不匹配，裝填線難以實現連續生產，不利于生產組織。

本文中，設計了一套基礎雷管自動傳輸、自動收集轉運富余產量的系統。當裝填線停產時，又能反向分發、傳輸基礎雷管。 使雷管生產線上無人接觸基礎雷管，提高了生產線的本質安全水平。

1 基礎雷管收集與分發系統設計

1.1 系統設計原理

圖1 所示，現有雷管生產裝填線與裝配線為聯建工房。 工房分隔結合部外側原設計有基礎雷管暫存間。 擬對暫存間進行局部改造，變成收集與分發間，利用傳輸、計數、排列、定位、限位、升降、推送等控制原理，實現基礎雷管自動收集、分發與傳輸。 裝填線上輸出的盒裝基礎雷管通過皮帶傳送到電子雷管自動裝配線，相連兩盒雷管之間保持一定的距離，確保不會殉爆。 根據裝填線輸出口到裝配線輸入口的距離、傳送帶線速度以及裝配線的生產節奏，設置n個固定等待位，依次聯動，控制前行。

圖1 基礎雷管自動收集與分發系統Fig.1 Automatic collection and distribution system of the plain detonator

由于裝填線的產量遠大于裝配線，當基礎雷管到達0＃位時，如果1＃等待位存有雷管，則0＃位的雷管自動轉入自動收集系統進行裝箱轉運；如果1＃等待位沒有雷管，0＃位的雷管則前行到1＃等待位。 如此重復控制運行，自動消化裝填線的富余產量。 雷管裝填線停產時，收集系統反向運行，實現自動分發，滿足裝配線連續化生產的要求。

1.2 自動收集流程

圖1 所示，班前準備一定量的空箱子排滿A至C位緩存，關閉抗爆門，啟動控制系統，將C位的空箱通過升降氣缸7 調整到1＃位。 進入收集間的雷管經輸送帶1 前行到無動力輥道2，依次前推，自動排列，通過計數器控制。 當達到每排設定的數量時，氣缸3 將該排雷管前推一個位次后，回到原位等待下一排列；當緩存位的雷管達到設定的排數時，氣缸3 將整層雷管推入收集箱后，再返回原位。 升降氣缸7 降到0＃位等待第2 層裝管，裝完第2 層雷管后，升降輥道8 轉動，使箱子前行到輥道10 的D位緩存，氣缸5 將B位緩存的空箱推送到C位，進入下一收集裝箱流程。 當第4 箱第1 層完成收集時，緩存在F、E、D位的雷管輥道順次轉動輸送到G位收集平臺15，聲光報警系統提示人工前往裝入塑料軟墊，裝上封箱扣板，扣好鎖扣、鉛封，待第4 箱到位、鉛封完畢后，4 箱一組一起轉運入庫，如此循環運行。

裝配線上的基礎雷管的收集盒空盒沿基礎雷管輸送皮帶路線的另一層皮帶回傳到裝填線上，直接使用。

空箱輸送流程如圖1 所示。 氣缸5 將B位緩存的空箱推送到C位后，回到原位。 輥道6 上的空箱前行一個位次，輥道6 末位空出。 電動絲杠18 右側推板前行一個位次，將輥道17 上的空箱推送到輥道6 的末位，后面的空箱依次推進。 當輥道16 上A2列的空箱推送到輥道17 后，電動絲杠18 右側推板回到原位，輥道16 前行一個位次，依次循環輸送。

1.3 自動分發流程

圖1 所示，基礎雷管分發流程與收集流程動作相反，所有輸送輥道和皮帶反向轉動。 開班前，清空A至B位之間的空箱，關閉抗爆門，啟動控制系統。人工從庫房一次轉運4 箱雷管到G位平臺15，拆掉鉛封，打開封箱扣板，取出塑料軟墊，順向擺放到輥道14 上，經輥道13、12、11、10 輸送到C、D、E、F位緩存備用。 檢查并確認升降氣缸7 處于0＃位，進入分發狀態。 推送氣缸9 將C位箱內的第1 層雷管推送到緩存輥道2。 氣缸4 逐盒將雷管送到輸送皮帶1 輸出分發，分發頻次與1＃等待位連鎖控制；完成一排后，氣缸4 退回原位，氣缸9 前行一個位次，將第2 排雷管推送到輥道2，氣缸4 再逐盒推送分發。 完成一層雷管分發后，氣缸9 退回原位，升降輥道8 上升到1＃位，重復前面動作。 完成一箱后，升降氣缸7退回0＃位，升降輥道8 轉動空箱前行到B位，后面D位緩存的雷管前行到C位，進行下一箱的分發。E、F位緩存的雷管依次前行一個位次，如此逐盒、逐排、逐層、逐箱循環運行。 當第4 箱空箱前行到B位后，聲光報警系統提示人工進行第2 輪上料。 空箱則按照程序依次前行，整齊排列到輥道16 上。

裝配線上的基礎雷管收集盒空盒沿基礎雷管輸送皮帶路線的另一層皮帶回傳到裝填線收集盒上料位，自動收集，裝填線運行時再自動發送使用。 工作原理與基礎雷管自動收集系統相同。

需要注意的是，由于功能不同，在收集過程中，推送氣缸9 應使用寬100 mm 的推板限位阻擋包裝箱；而分發過程中，則需要切換成寬20 mm 的推板推送雷管。

1.4 包裝箱的設計

基礎雷管收集盒設計為每盒100 發。 收集盒為99.5 mm×99.5 mm×42.0 mm 的長方體，可插入深度39.0 mm。 管殼長度90.0 mm，裝入雷管后總高度為93.0 mm。 每個收集盒質量約0.24 kg，每100發基礎雷管質量約為0.55 kg，則每一盒基礎雷管質量約為0.79 kg。 為了便于人工搬運和裝卸，單箱雷管設計總質量不大于30 kg。 再綜合考慮抗爆間室的常規設計藥量與生產過程人工一次轉運入庫的數量、頻次及包裝箱質量等因素，設計基礎雷管裝箱排列為:

根據此排列確定包裝箱的內部尺寸，如圖2 所示。 包裝箱內部尺寸的設計既要便于推送裝箱，又要避免長途運輸過程中箱內雷管因顛簸而產生晃動。 故考慮在每一層雷管的頂部設計有人工放置塑料軟墊的空間，塑料軟墊厚度約為1 mm。 由于產品和包裝物均為剛性材料，成型度好，因此裝箱時暫且預留約2 mm 的冗余間隙，運行過程中應根據實際需要進行調整。 圖2 中，外形尺寸僅供參考，實際生產過程中會因選用箱板的材質、厚度不同而發生變化。 經估算，此種包裝規格的雷管與包裝物總質量約為25 kg，較適合于人工搬運和裝卸。

圖2 基礎雷管包裝箱示意圖（單位:mm）Fig.2 Schematic diagram of packing box of the plain detonator （Unit: mm）

為了便于基礎雷管被順利推入包裝箱，需將包裝箱正面箱板內側和背面箱板鏤空開孔處設計成圓角；同時，箱子頂板、臺板、底板的內側光滑度均應達到HL 級以上，以減少推送過程的摩擦阻力。

基礎雷管包裝箱應選擇材質較好的木板或膠合板，不得有腐朽、潮濕、開裂等現象，木板厚度不小于14 mm，膠合板厚度不小于9 mm。 箱板扣合應結實、牢固、不變形，以利于收集、分發過程定位準確和包裝箱的回收再利用。 且箱內、外不得有突出的鐵釘，搬運手把應牢固、可靠，避免脫落發生危險[6]。

當基礎雷管全部自用時，包裝箱可以按照工裝設計標準制作；外銷時，包裝箱應符合GA 921—2011《民用爆炸物品警示標識、登記標識通則》標準的要求。

2 技術性分析

理論上，一條年產5 000 萬發雷管的裝填線每小時最多生產約15 000 發，每盒裝100 發，則生產一盒基礎雷管的時間約為24 s。 若全部進入收集系統，推送氣缸3 間隔100 s 動作一次，升降氣缸7 間隔300 s 動作一次，說明系統運行的關鍵單元動作時間有較大的空余，各單元動作之間的銜接無時間邏輯性技術障礙，能夠正常穩定運行。 減去電子雷管裝配線上消化的數量，富余空間更大。

系統采用的設備元件技術成熟、穩定，氣缸動作行程實行PLC 模塊程序控制，也可以采用電動絲杠完成推送動作，輔以配套的定位、限位控制系統裝置，能夠確保各單元動作的精準度。 而整個系統的關鍵控制點在于定位、限位單元環節，根據包裝箱內部設計尺寸的冗余度，要求控制誤差不大于1 mm。系統中的輸送設備為常規通用設備，結構簡單且易控制。

需要注意的是，系統方案實施的前提條件是基礎雷管質量良好、性能穩定，這就必須要求基礎雷管生產質量有保證，避免不合格基礎雷管流入裝配線，從而產生重大的經濟損失。

一是雷管裝填線在線藥高檢測、視覺檢測及不合格剔除系統要運行可靠，能夠確保雷管裝填過程的不合格品率控制在標準允許的范圍內。

二是引火藥、起爆藥和猛炸藥等各種藥劑的質量要穩定，以確保雷管起爆能力符合標準要求。

三是做好每組、每批基礎雷管的性能抽檢工作。

3 安全性分析

抗爆間室的進（出）口處內、外均應設計隔爆門，防止傳輸過程中內、外部的雷管出現意外時發生殉爆，確保基礎雷管傳輸過程的安全風險可控[7]。

同時，裝配線傳輸過程中也應有防止殉爆的措施。 有鋼板防護的輸送廊道中，可以在基礎雷管輸送皮帶上設置幾個阻擋氣缸，通過阻擋氣缸動作將基礎雷管按一定的間距分隔開，使每一盒基礎雷管都保持一定的安全距離，消除殉爆的風險[8]。 工房內沒有設置基礎雷管輸送廊道空間的情況下，學者們設計了一種基礎雷管傳遞防爆鋼桶的隔爆試驗。如圖3 所示，防爆鋼桶材質為Q235-B，壁厚16 mm，長3 000 mm，寬550 mm，高600 mm。 鋼桶頂部加裝500 mm 高的防護機構，頂部和側面均采用3 層不同規格的鋼網防護，外加1 層PVC 水晶板結構。 傳遞窗采用三角筋板加強焊接。 試驗結果表明:基礎雷管在c處爆炸時，爆炸后桶體完好，無明顯形變；在a處傳遞窗內爆炸時，b處的雷管未發生殉爆。

圖3 基礎雷管傳遞防爆鋼桶試驗裝置結構示意圖（單位:mm）Fig.3 Structure of the explosion-proof steel drum in transmission test of the plain detonator （Unit: mm）

在此試驗的基礎上，將防爆鋼桶的寬度調整為800 mm，取消傳遞窗，其他條件不變，制作10 m 防爆鋼桶。 在防爆鋼桶內測試基礎雷管在設定的間距內是否殉爆，如圖4 所示。 圖4 中，I 處的主爆雷管正常起爆后，IV 處的從爆雷管連續3 次均未發生殉爆，說明基礎雷管在防爆鋼桶內傳遞的過程中，控制雷管盒間距大于4 m，能夠確保不發生殉爆。

圖4 基礎雷管殉爆距離試驗的位置（單位:mm）Fig.4 Location in detonation distance test of the plain detonator （Unit: mm）

抗爆間室內電氣設備保護級別選用Da 級或Db級，傳輸動力也可選用氣壓步進馬達或液壓步進馬達，采用氣動控制或液壓動力PLC 程序模塊控制系統，所有設備做好接地和等電位連接，能夠確保設備運行過程的安全[9]。

抗爆間室的抗爆門與室內設備設置門機安全連鎖裝置。 當抗爆門開啟時，所有設備停止運行，降低安全風險，能夠確保工作人員的人身安全。

抗爆間室內應嚴格控制在線藥量。 通常抗爆間室的設計藥量為10 kg 或5 kg。 當設計藥量為10 kg時，D、E、F緩存位各存一箱雷管，加上C位的雷管，雷管總量不超過9 600 發，藥量小于10 kg；當設計藥量5 kg 時，則取消E、F緩存位，在線藥量也可滿足作業場所定量管理的要求。

以上情況說明，設計的系統產生的安全風險可控、受控。

4 經濟性分析

通常情況下，雷管裝填線每班配置基礎雷管收集操作員1 人，轉運到基礎雷管暫存間1 人，轉運入庫1 人，電子雷管裝配過程中基礎雷管的配送1 人。實現基礎雷管自動收集與分發后，基礎雷管轉運入庫和裝配過程的配送可以合并為1 人，由巡視人員兼職，其余2 個崗位撤銷，雙班則可減少8 人。 按照8 萬元/（人·a）（含五險一金）員工工資測算，每年可節約人工成本64 萬元。 設備運行、維護保養以及折舊費用6 萬元/a，則每年新增凈利潤58 萬元；而改造及設備采購安裝費用大約60 萬元。 由此可見，該項目投資運行大約1 a，即可收回全部費用，經濟效益較好。

5 結論

基礎雷管自動收集與分發系統主要采用氣動及液壓動力控制與運行，各單元部件技術成熟、穩定，結構簡單，設備動作頻次少、幅度小，安全風險可控、受控。 系統改造后，取消了基礎雷管收集、轉運、入庫、分發、配送等崗位，從裝填線到裝配線全過程直接接觸雷管的人數為0，符合民爆行業發展技術進步要求和技術發展方向，提高了雷管生產線的本質安全水平，優于民爆行業《 “十四五”民用爆炸物品行業安全發展規劃》[1]中生產線定員標準提升行動的要求，且每年可節約成本50 多萬元，經濟效益和社會效益較為突出。

當裝填線與裝配線為分建工房時，可單獨設置和使用自動收集和自動分發功能。 該系統通過局部調整后，可用于基礎雷管收集盒的自動收集與分發。