工程化总体方案设计报告格式.docx
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工程化总体方案设计报告格式
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自动装药装置项目
工程化方案设计报告
692-2012
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重庆大学
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“**自动装药装置项目”的工程化方案设计报告
一、**自动装药装置项目的技术指标
Ø装药周期不超过20min/根；
Ø多余物控制：
装药过程不会使药剂混入金属、非金属、液体等多余物；
Ø装药装置应可靠接地，能够防止药剂及操作人员触电；
Ø装药均匀性：
不低于手工装药均匀性（以两端分别连续取15～20个样本均满足成品线密度设计要求为准）；
二、**自动装药装置项目的设计功能
本项目用于自动装药，能适应长度为800mm、内径为Ф5mm的金属管（铅、铝、银、铜）装药需求。
本项目具有以下功能：
Ø实现人机隔离下的自动化装药；
Ø装药过程达到火工品生产技术安全要求；
Ø装药过程无多余物进入；
Ø装药周期力争小于20min/根；
Ø自动装药工艺能够实现驱动器件是防爆的，检测器件是防爆的；
Ø装药均匀性及密实性满足甲方成品检测指标要求。
自动装药工艺的设计能够实现主要工艺参数人工设置、工艺流程显示，工作时实际工艺参数的显示、存贮、实时动画，具有完善的保护、互锁、防爆功能。
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三、**自动装药装置的需求分析
3.1自动装药试验装置的分析与总结
经过自动装药试验装置的研究和运行，可以得到以下研究成果：
①从功能上分析，整个装药过程可以分为两个过程，即药剂装入金属管和金属管内药剂夯实。
每一个过程所要实现的目标是不同的。
②药剂装入金属管的过程首先需要确定装药次数。
从效率看希望金属管装药次数少；从夯实的效果上看希望金属管装药次数多。
在满足夯实效果的前提下金属管装药次数越少越好，由于金属管装药后能够再容纳药剂的空间变短，因此每一次装入金属管的药剂重量应各不相同。
每一次装入金属管的药剂量与装药次数有关。
通过试验分析，夯实后金属管管内的药剂密度可以提高一倍左右；为了确保最后金属管的上部有25mm的剩余空间，最后一次的最佳装药量为0.5g--1g，而第一次金属管最多的装药量为7.5g---8g，以后的装药量则为前一次装药量的一半左右，因此最佳的装药次数应该为四次。
③药剂装入金属管的过程还与每一次药剂的装入量有关。
除了最后一次药剂量应该控制在0.5--1.0g之外，第一次药剂量应该控制在6--8g之间，前三次的药剂量总计应该在14g--14.5g之间，具体的药剂量设定值可以通过试验数据分析结果进行确定。
④药剂装入金属管的过程还与药剂的装入方式有关。
药剂自动装入金属管可以采用水平振动和垂直振动两种方式。
水平振动可以实现筛网上药剂的下料；垂直振动可以实现加料嘴处药剂的下料。
通过试验，水平振动时由于筛网上药剂量的变化、筛网孔径的堵塞变化以及筛网上药剂结块，筛网上药剂的下料量不稳定，容易造成药剂在加料嘴处的堵塞，从而使进入金属管的药剂不可控；而由于高频垂直振动具有促进药剂向下运动的趋势，使药剂不易在加料嘴堵塞，因此只要控制加料嘴处的药剂量，可以确保药剂能够顺利装入金属管。
因此采用高频垂直振动方式是比较好的装药方式，但需要设计给料可控的装置。
⑤金属管内药剂的夯实过程主要分析的是采用何种动力以及需要多大的动力。
夯实的动力可以是高频垂直振动和自由落体。
通过分析，夯实的效果主要来源于金属管瞬间停止时所产生的动量，因此自由落体对夯实的效果肯定比高频垂直振动效果好。
经过试验装置的试验，采用具有初速度的自由落体可以实现较好的夯实效果，而且具有初速度的自由落体的高度只需要150mm即可。
⑥金属管内药剂的夯实效果还与金属管的变形度有关，金属管变形越小则夯实的效果越好。
由于自由落体是通过具有一定速度的金属管在很短时间内将速度降为零时将夯实动量传递给药剂，从而实现药剂的夯实，因此在自由落体中需要实现夯实动量的传递效率，确保金属管不会变形而降低能量的传递效率。
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3.2自动装药装置的需求分析
①自动装药装置需要满足每一根金属管的装药时间小于20min；由于15g药剂最少需要分成四次装入一根金属管，即每一次药剂装入金属管及其夯实过程不能超过5min；按照150mm的自由落体所需的时间和金属管夹紧、上行的时间，每一次自由落体所花费的时间为3秒，50次自由落体的时间需要150秒，因此，需要控制药剂装入金属管的时间，才能确保每一根金属管的装药时间小于20min；
②自动装药装置需要在20min之内将15g的药剂分四次全部装入金属管，每一次装入金属管的药剂必须可控，为此需要对给料装置的给药量进行控制，可以实现给料装置每一次给药量的可控，从而实现一次装入金属管药量可控；振动给料装置可以实现较高精度的给料控制，因此自动装药装置中的给料装置将采用振动给料机构；
③自动装药装置在装药过程和夯实过程中必须没有浮药产生，而最容易产生浮药的过程是加料嘴中的药剂装入金属管、金属管进行夯实两个过程。
针对加料嘴中药剂装入金属管的过程，需要解决加料嘴与金属管的连接，只需要将加料嘴能够插入金属管即可确保药剂不会溢出，则不会形成浮药；金属管离开加料嘴时需要加料嘴内没有药剂，可以通过控制给料装置的给药量和高频垂直振动实现加料嘴内的药剂全部装入金属管；针对金属管进行夯实过程可能产生浮药，可以采用密封帽的方式，在金属管进行夯实时，将金属管的两头密封，则金属管夯实过程不会产生浮药，唯一的可能是密封帽上可能粘附药剂，为此通过垂直振动后脱帽，可以基本消除浮药；
④自动装药装置需要满足铅、铝、银、铜等金属管的自动装药，铅、铝、银、铜的强度不同，在金属管夯实过程中变形量不同，可以通过增加护套的方式提高铅、铝、银的强度，从而保证各种金属管的夯实效果与金属管的材料无关；
⑤自动装药装置的操作需要简单方便，金属管的护套采用质量轻、强度大的材料，采用安装方便快速的结构，可以采用双层护套结构
⑥自动装药装置需要维护简单，给料装置和加料嘴余料能够快速清理，给料装置和加料嘴的光洁度较高。
⑦作为工程化应用的自动装药装置需要满足使用方便的要求，因此在进行装药操作时，操作者只需称好药剂并倒入给料装置即可，然后操作者将装好护套的金属管安装到自动装药装置；自动装药装置工作一段时间后，只需对给料装置的余料进行清理。
⑧作为工程化应用的自动装药装置需要稳定工作，主要解决给料装置的给料稳定性，通过参数设定和参数的自适应变化可以实现给料装置给料的稳定性；解决密封帽带帽和取帽的稳定性，通过钢珠结构可以实现金属管带帽和取帽的可靠性。
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四、**自动装药装置的设计思路
通过自动装药装置的需求分析和自动装药试验装置试验效果的分析，自动装药装置工程化设计的主要内容是护套结构的设计和整个自动装药装置运行效率的设计。
除了护套之外其他结构的设计思路已经成熟，自动装药装置工程化的设计思路如下：
1 自动装药装置运行效率的设计主要包括整个装置运行的稳定性可靠性设计、使用者操作的简单性设计和维护的快速性设计。
自动装药装置运行的稳定性和可靠性主要体现在给料装置的设计上；使用者操作的简单性主要体现在护套的设计上，实现金属管安装和拆卸护套的方便性和快速性；自动装药装置维护的快速性主要体现在给料装置和加料嘴余料清理的快速性。
2 给料装置主要实现给料的稳定和可控。
给料装置采用振动给料方式，通过精密直线送料器实现药剂的较精确送料，将药剂的送料面高度控制在一定范围之内，通过振动方式实现药剂的运动，从而达到较精确的直线送料目的；直线送料器与加料嘴密封相连；由于药剂的性能会有所变化，相同的一组参数实现的下药量会不同；为了实现给药量的较准确控制，将通过试验数据的软测量方式实现摸索和建立一套不同药剂特性下直线送料器运行参数与下料量之间的关系，实现自动装药装置运行过程中直线送料器下药量的检测；
3 金属管装药速度的控制。
将加料嘴插入金属管，通过高频垂直振动实现加料嘴中药剂装入金属管，通过调整直线送料器和高频垂直振动的参数，实现加料嘴中药剂装入金属管的速度大于直线送料器药剂的给料速度；通过高频垂直振动可以实现金属管加料过程中的自动排气，有利于金属管内装药速度的提高；
4 金属管高频振动的实现。
加料嘴药剂装入金属管的过程，将加料嘴与金属管一起放在高频垂直振动台上，整个负载在40公斤左右，实现加料嘴与金属管的整体高频垂直振动；通过整个负载的高频振动，将振动传递到金属管；
5 金属管的带帽和取帽。
金属管的带帽和取帽通过钢珠结构实现，采用钢珠可以实现在带帽和取帽过程中金属管不会卡在帽子内；同时金属管与帽子之间通过一圈钢珠实现卡紧，卡紧力需要实现在无外力情况下金属管不会自动滑落，帽子也不会自动滑落，在自由落体时帽子不会被振飞；帽子与帽子套之间通过两圈钢珠实现卡紧，实现金属管脱帽时金属管可以取出而帽子仍留在帽子套内；
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6 金属管运行空间的控制。
金属管在自由落体时设置金属管固定座，可以实现金属管在一定空间运动，不会使金属管偏离运动区域；金属管在一定的空间内，通过夹紧气缸实现金属管的定位，可以实现金属管顺利插入加料嘴；
7 金属管双层护套的实现。
采用整体式护套可以提高金属管内药剂夯实的密度，但又不利于金属管的安装和取出；采用两瓣式护套结构，有利于金属管的安装和取出，但会降低金属管内药剂的夯实效果；为此金属管的护套采用双层结构，外层采用整体式，内层采用两瓣式。
先用两瓣式护套将金属管包裹，然后再将包裹了金属管的两瓣式护套装入整体式护套，这样既实现了金属管安装的简单方便，又实现了金属管在夯实过程中不易变形；
8 自动装药装置运行操作的简单性。
自动装药装置控制参数设定采用触摸屏实现，具有操作简单方便，操作者只需简单地操作一个按钮即可开始生产；
9 自动装药装置的安全性设计。
所有执行机构均采用气动实行机构；电磁振动器采用防爆式；所有现场的检测信号均采用本安信号；设备外壳采用6mm防爆罩并可靠接地，实现人机隔离；
10 自动装药装置维护的简单性。
自动运行装置在投入使用后需要维护的部件主要是储料斗、加料嘴的清理；储料斗和加料嘴采用不锈钢制作，提高其表面的光洁度；储料斗与加料嘴的固定采用手拧螺丝进行连接，可以快速进行安装和取下实现维护的快速性；同时可以采用多套实现互换。
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五、**自动装药装置的设计方案
5.1自动装药装置设计方案的概述
根据自动装药装置的设计思路，自动装药装置通过振动给料和高频垂直振动实现加料嘴内的药剂装入金属管；通过加速自由落体实现金属管内药剂的夯实，自动装药装置的设计方案如图5.1所示。
图5.1自动装药装置的设计方案
自动装药装置采用了一个垂直电磁振动器、一个直线电磁振动给料器、三个气缸。
气缸实现金属管的升降运动、夹紧松开、帽子的移动。
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5.2自动装药装置的工作流程
根据自动装药装置的设计方案，自动装药装置的工作流程如下：
①人工称好15g的药剂，将15g药剂倒入储料斗；
②人工用护套将金属管包裹好后，安装到工件固定座内；
③人工操作控制系统的启动按钮，则金属管进入工作状态；
④首先夹紧气缸启动将金属管的护套夹紧，升降气缸提升将金属管插入加料嘴，按照设定的第一次装药参数，启动直线电磁加料器和垂直电磁振动器，将储料斗中的药剂装入金属管；第一次装药结束后，先停止直线电气加料器，然后停止垂直电磁振动器；升降气缸启动下降，将金属管和护套降低，密封帽气缸启动伸出，升降气缸启动上升，将金属管插入帽子内，松开金属管的夹紧气缸，升降气缸启动下降，启动密封帽装置的吹气电磁阀，将进水管和帽子同时吹落，进行自由落体运动；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，重复实现自由落体，直到第一次自由落体的设定参数完成了，则第一次夯实过程结束；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，升降气缸下降，将金属管从密封帽装置中拨出，帽子留在密封帽装置内部，实现金属管的脱帽；密封帽气缸启动缩回，为第二次装药做好准备；
⑤其次，夹紧气缸启动将金属管的护套夹紧，升降气缸提升将金属管插入加料嘴，按照设定的第二次装药参数，启动直线电磁加料器和垂直电磁振动器，将储料斗中的药剂装入金属管；第二次装药结束后，先停止直线电气加料器，然后停止垂直电磁振动器；升降气缸启动下降，将金属管和护套降低，密封帽气缸启动伸出，升降气缸启动上升，将金属管插入帽子内，松开金属管的夹紧气缸，升降气缸启动下降，启动密封帽装置的吹气电磁阀，将进水管和帽子同时吹落，进行自由落体运动；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，重复实现自由落体，直到第二次自由落体的设定参数完成了，则第二次夯实过程结束；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，升降气缸下降，将金属管从密封帽装置中拨出，帽子留在密封帽装置内部，实现金属管的脱帽；密封帽气缸启动缩回，为第三次装药做好准备；
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⑥第三，夹紧气缸启动将金属管的护套夹紧，升降气缸提升将金属管插入加料嘴，按照设定的第三次装药参数，启动直线电磁加料器和垂直电磁振动器，将储料斗中的药剂装入金属管；第三次装药结束后，先停止直线电气加料器，然后停止垂直电磁振动器；升降气缸启动下降，将金属管和护套降低，密封帽气缸启动伸出，升降气缸启动上升，将金属管插入帽子内，松开金属管的夹紧气缸，升降气缸启动下降，启动密封帽装置的吹气电磁阀，将进水管和帽子同时吹落，进行自由落体运动；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，重复实现自由落体，直到第三次自由落体的设定参数完成了，则第三次夯实过程结束；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，升降气缸下降，将金属管从密封帽装置中拨出，帽子留在密封帽装置内部，实现金属管的脱帽；密封帽气缸启动缩回，为第四次装药做好准备；
⑦第四，夹紧气缸启动将金属管的护套夹紧，升降气缸提升将金属管插入加料嘴，按照设定的第四次装药参数，启动直线电磁加料器和垂直电磁振动器，将储料斗中的药剂装入金属管；第四次装药结束后，先停止直线电气加料器，然后停止垂直电磁振动器；升降气缸启动下降，将金属管和护套降低，密封帽气缸启动伸出，升降气缸启动上升，将金属管插入帽子内，松开金属管的夹紧气缸，升降气缸启动下降，启动密封帽装置的吹气电磁阀，将进水管和帽子同时吹落，进行自由落体运动；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，重复实现自由落体，直到第四次自由落体的设定参数完成了，则第四次夯实过程结束；夹紧气缸启动夹紧金属管，升降气缸启动上升，将金属管和帽子重新插入密封帽装置，升降气缸下降，将金属管从密封帽装置中拨出，帽子留在密封帽装置内部，实现金属管的脱帽；密封帽气缸启动缩回，夹紧气缸松开，人工将护套和金属管取出；
⑧人工将金属管从护套中取出，则这一根金属管的自动装药就结束，可以进行下一根金属管的自动装药。
从自动装药装置的运行过程中可以看出该装置具有以下特征：
✓在加料过程中，可以改变垂直电磁振动器的频率和直线电磁振动加料机的频率，可以对加料量进行较好的控制；
✓银管的夯实采用加速自由落体实现；
✓垂直电磁振动是对整个机架进行，可以保证银管和加料斗的同步，不会划伤银管；
✓自由落体时银管仍然实现戴帽和取帽，可以消除夯实过程中的浮药。
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5.3自动装药装置的护套设计方案
根据自动装药装置的设计思路，主要是需要加强银管、铅管的护套设计方式。
为了加强护套的传力效果，同时为了实现金属管的装配简单方便，护套的设计方案采用了双层护套方案，外层采用强度较大的无缝钢管作为护套的主体；内层采用钢管剖成两瓣，同时为了在自由落体时不会直接撞击银管，在护套的底部增加了一个台阶；整个护套的方案如图5.2所示。
图5.2护套的设计方案
整个护套由护套体、加料帽、堵头、堵头座、内层嵌件组成；
银管、铅管先用内层嵌件报告后装在护套体内，通过加料帽和堵头座固定；
运行时，通过撞击堵头座，将撞击力传递给护套体进而传递给银管、铅管。
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5.4自动装药装置护套的具体设计方案
自动装药装置的护套包括护套体、加料帽、堵头、堵头座、内层嵌件等部件；图5.3为护套体的结构示意图。
图5.3护套体的结构示意图
护套体的内径为12mm，外径20mm，两头采用M16*1.5长度为15mm的螺纹。
两头的螺纹与加料帽和堵头座相连。
图5.4为内层嵌件的结构示意图。
内层嵌件长度为800mm，外径为12mm、内径为8.4mm，可以实现与银管和铅管的包裹。
图5.4内层嵌件的结构示意图
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图5.6为加料帽的结构示意图。
加料帽外径为20mm，内径为M16*1.5长度为15mm的螺纹，与护套体相连；整个加料帽的高度为30mm。
加料帽的上方为一个具有锥度的料嘴，其上方与加料嘴相连，下方与金属管相连。
图5.6加料帽的结构示意图
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5.5自动装药装置的具体设计方案
自动装药装置的主要结构包括给料装置、加料嘴结构、密封帽装置、垂直电磁振动装置。
图5.7为给料装置的结构示意图。
图5.7给料装置的结构示意图
给料装置主要包括储料斗、直线电磁振动给料器、加料斗。
先将药剂装入储料斗，启动直线电磁振动给料器后，药剂将从储料斗输送到加料斗，实现给料的要求。
改变直线电磁振动给料器的参数，将改变给料的速度。
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图5.8为加料斗的加料嘴与护套加料帽之间的连接结构示意图。
图5.8加料嘴与护套加料帽的连接示意图
护套的加料帽是一个带有锥度的结构，加料嘴是一个圆柱体的结构，当护套向上运行时，锥度部分可以将护套的加料帽与加料嘴很好地插入，实现护套的准确定位。
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图5.9为密封帽装置的结构示意图。
图5.9密封帽装置的结构示意图
密封帽装置由一个气缸实现密封帽装置的左右运行；密封帽装置上带有一个吹气口，实现帽子的吹落；帽子外侧设计了两层钢珠锁紧结构，帽子内侧设计了一层钢珠锁紧结构，可以实现帽子的脱帽，并实现金属管夯实过程中帽子不会被振落。
帽子内侧还设计了一个有锥度的凸块，可以实现金属管在夯实过程中药剂不会被振出。
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图5.10为垂直电磁振动器的结构示意图。
图5.10垂直电磁振动器的结构示意图
垂直电磁振动器是安装在装置的底部，实现振动装置的垂直振动，其负载能力为40公斤，可以改变垂直振动的频率。
5.6自动装药装置设计方案的总结
自动装药装置可以实现振动给料、垂直振动装药、自由落体等功能，通过调整这些功能的控制参数，可以实现每一次装药量的控制、夯实密度的控制。
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六、**自动装药装置运行可靠性和稳定性的分析
自动装药装置运行的可
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