智能現場混裝乳化炸藥車研制及工程應用

李萍豐 李大財 申衛峰

(1.宏大爆破工程集團有限責任公司,廣東 廣州 510623;2.李萍豐勞模和工匠人才創新工作室,廣東 廣州 510623;3.湖南金聚能科技有限公司,湖南 長沙 410000)

根據中國民爆行業協會和共研產業咨詢統計,2018—2022 年我國現場混裝炸藥產量呈逐年增長態勢,產量從2018 年的108 萬t 增長至2022 年的148萬t,年均增長9%;2022 年中國現場混裝炸藥產量占工業炸藥總產量的比例繼續增加,其產量占比為34%,相比歐美發達國家現場混裝炸藥達到了其市場份額的95%以上,充分表明我國現場混裝炸藥市場潛力巨大。 智能混裝車是集原料運輸、炸藥混制、炮孔裝填于一體的機電一體化高科技產品,在運輸、生產、使用等多個環節都具有較高的本質安全性,是爆破作業設備的最佳選擇[1-2]。 2023 年9 月28 日,國家礦山安全監察局印發了《煤礦當班入井(坑)作業人數限員規定》,明確規定:一個爆破區域(100 m 范圍內)作業人數不得超過9 人。 不難看出,傳統的爆破手段在規定的爆破時間和爆破人數內完成爆破施工是幾乎不可能的,智能爆破是大勢所趨[3-4],智能混裝車的研發使用是實現智能爆破的重要環節。 目前,現場混裝乳化炸藥車雖然具有安全且可靠、配方簡單、降低成本、節省投資、裝藥效率高、提升爆破效果和工作環境等優點[5],但存在勞動強度大、裝藥質量較難控制、炸藥密度較難實時調整、裝藥計量不準、工作效率較低、不適合爆區場地、自動化和智能化程度不高等顯著不足,尤其是無法實現自動尋找炮孔、裝藥實時計量、炸藥車本身故障診斷等[6]。

針對上述問題,本研究自主研發了智能混裝車,通過智能混裝車的運用,可實現自動尋孔、遙控對孔、裝藥參數實時提取、智能調節裝藥密度、故障智能排查報警、數據遠程管理等功能,有助于顯著提升炸藥現場混裝技術的自動化、機械化水平,推動智能礦山建設。

1 智能混裝車研制

1.1 整車結構

智能混裝車[7-8]主要由底盤系統、動力輸出系統、液壓控制系統、電氣控制系統、敏化系統、乳化基質料倉、泵送系統、裝填系統、水汽清洗系統、尋孔和對孔系統等部分組成,其結構如圖1 所示。 整車動力來源于汽車發動機,通過取力器驅動液壓油泵,再將壓力油泵送到各個執行機構,如基質泵馬達、伸縮油缸、對孔油缸、回轉馬達、卷筒馬達等。

圖1 智能混裝車結構Fig.1 Structure of intelligent charging vehicle

1.2 工藝原理

首先,乳化基質地面站生產半成品乳膠基質,通過基質泵泵入現場混裝智能混裝車的乳化基質料倉。隨后,配制好的敏化劑被泵入智能混裝車的敏化劑箱,并將沖洗水箱的水加至規定水位。 當智能混裝車駛入爆破現場進行定位后,便啟動汽車發動機掛上取力器,開啟自控系統,液壓系統開始工作。 具體步驟為:① 進行輸藥軟管對孔及放管操作,對孔后,通過軟管卷筒將輸藥軟管自動放入孔底,完成炸藥裝填前的對孔及放管工作;② 根據爆破設計要求,在駕駛室內的控制觸摸屏上設置炸藥密度、炸藥裝填高度等參數,打開基質料倉的碟閥,料倉內的乳膠基質通過基質泵進行泵送,敏化劑、催化劑分別經敏化劑泵、催化劑泵泵送,進入水環潤滑減阻裝置,敏化劑和乳膠基質在輸藥管內分層輸送,通過軟管卷筒,經輸藥軟管送入孔底;③ 輸藥膠管出料口裝有靜態混合器,乳膠基質及敏化劑在膠管出口處均勻混合,混合后進入炮孔,經10～15 min 發泡后,形成無雷管感度的乳化炸藥。整個系統采用可編程邏輯控制器進行控制,根據預設的裝藥量運行,并在裝藥結束后自動停止。

1.3 主要技術指標

現場混裝乳化智能混裝車的技術指標主要有:① 裝藥效率70～150 kg/min;② 主體設備輸送壓力0.3～1.2 MPa;③ 勞動定員2 人,駕駛員1 人,中、近距離遙控操作1 人;④ 裝藥范圍15.6 m,平面旋轉270°;⑤ 乳化炸藥安全性指標,摩擦感度0%、撞擊感度0%、無雷管感度、熱感度合格;⑥ 乳化炸藥性能指標,密度1.0～1.25 g/cm3、爆速≥4 000 m/s、炮孔利用率96%～100%。

2 智能混裝車關鍵技術

2.1 智能混裝車尋找炮孔和對準炮孔關鍵技術

智能混裝車尋找炮孔和對準炮孔機構由北斗/全球衛星導航系統(GNSS)載波相位差分(RTK)技術模塊[9-12]、機器視覺定位系統[13-16]、混裝車控制系統、長距離伸縮機械臂和仿生象鼻子機構組成。 智能尋孔對孔步驟為:① 通過智能混裝車定位系統接收炮區和炮孔的參數,提示智能混裝車停放位置和移動軌跡;② 智能混裝車停放穩定后,伸縮臂末端的北斗/全球衛星終端自動擴展到待裝藥炮孔上方(圖2);③ 操作人員依據機器視覺定位系統(由圖像采集裝置與分析軟件組成)進行初次對孔,然后將采集的圖像在計算機中進行處理,再利用遠程遙控裝置實現精準對孔(圖3)。

圖2 自動尋孔策略Fig.2 Strategy of intelligent charging holes

圖3 精準對孔策略Fig.3 Strategy of accurate hole alignment

2.2 智能混裝車裝藥參數獲取關鍵技術

針對炸藥裝填參數感知難的問題,提出了基于多傳感器融合的高精度裝藥參數感知方法,技術流程如圖4 所示。 采用多參數一體化辨識收送感知技術,智能混裝車通過轉速傳感器[17]測量主體輸送設備的轉速,由PLC 程序換算出主體輸送設備的裝藥效率[18]、單孔裝藥量等。 利用螺桿泵推進式容積的特點并結合電感式接近開關,共同組成輸送計量單元,實現精準計算。 采用單層排列卷筒,并配置導管、排管機構,為卷筒自動收放管服務(圖5),實現收放長度的精準計算。 采用旋轉編碼器加同步輪,檢測卷筒運行距離;采用輸送藥管導管機構設置的微動開關檢測下管動作(圖6)。

圖4 基于多傳感器融合的高精度裝藥參數感知流程Fig.4 High precision charge parameter perception process based on multi-sensor fusion

圖5 單層排列卷筒Fig.5 Single layer arrangement of reels

圖6 輸送藥管導管機構Fig.6 Delivery tube catheter mechanism

該技術實現了遠程伸縮裝藥狀態動態監控和感知,敏化劑流量計量精度可控制在±1%;設計出了基于多通道并行計算的炸藥流量監測技術,實現炸藥成分的精準計量;構建了基于超聲波高黏度物料流量系統,實現了高黏度炸藥參數的全自動實時監測和感知。

在尋孔作業完成后,輸藥管沿著炮孔中間直接下放至炮孔底部,實時顯示下放高度,并與炮孔實際深度相匹配(圖7),到達炮孔底部后,進行一鍵式智能裝藥,自動進行裝藥量精準計量與退管。

圖7 輸藥管沿著炮孔下放和回收Fig.7 Lowering and recovery of the drug delivery tube along the shell hole

2.3 智能混裝車裝藥密度調節關鍵技術

針對炸藥能量控制難的問題,研究了基于敏化劑流量的裝藥密度自適應調節技術(圖8),開發出了基于跟蹤閉環調節的裝藥流量控制模型,實現了炸藥成分的精準調控。 通過高精度的質量流量計代替原電磁流量計[19],經過反復標定,實現了敏化劑(潤滑)溶液的精準計量與輸送壓力的精準調節,大幅降低了人工參與度。 此外,在輸送設備出口加裝了超聲波高黏度物料流量計,該流量計除了檢測乳膠基質的流量外,還可以檢測物料的輸送壓力,確保物料得到高精度計量,同時也起到物料斷料報警提示等作用。

由于每個炮孔軸向上巖石破碎的能量需求不同,因此需要調整炸藥輸出能量。 智能混裝車通過調整敏化劑流量等技術實時調整炸藥能量輸出,實現同一炮孔裝填不同密度炸藥的智能調節和高、中、低環境溫度下的智能敏化。

2.4 智能混裝車乳膠基質長距離輸送減阻敏化關鍵技術

針對炸藥長距離輸送安全風險高和裝藥效率低的問題,提出了基于潤滑膜內嵌的前端分層減阻輸送方法(圖9)。 炸藥在進入炮孔前,采用潤滑減阻裝置敏化劑作為潤滑劑,在膠管壁上形成一層均勻薄膜,實現敏化劑和乳膠基質的分層輸送,以減小輸送壓力,提高本質安全性。 潤滑減阻裝置是由304 不銹鋼內外環組合而成,在高壓作用下通過內環凹槽的分流,在管壁表面形成連續的潤滑膜,從而起到潤滑管路的作用(圖10),實現了長距離、低壓力的泵送填裝。 基于敏化劑與乳膠基質混合的末端快速敏化技術,實現了乳化炸藥的無雷管感度安全快速敏化。

圖9 基于潤滑膜內嵌的前端分層減阻輸送流程Fig.9 Front end layered drag reduction conveying process based on embedded lubrication film

圖10 輸送減阻及末端靜態敏化示意Fig.10 Schematic of conveyance drag reduction and end static sensitisation

2.5 智能混裝車安全智能管理與故障智能診斷

智能混裝車采用溢流閥進行溢流、過載保護[20],并且液壓油缸設有平衡閥,可實現失速保護。 液壓系統設計包含進油、回油過濾器,結構簡單,過濾保護效果好。 復合動作時,各部件之間不會失速且液壓沖擊平穩。 同時,智能混裝車具有故障智能診斷功能,即輸送超壓報警、輸送超溫報警、輸送斷料報警、輸送泵堵轉報警、敏化劑斷流報警、過程儀表故障、液壓閥組部件故障、自動閥門開關故障、極限限位保護警示。當系統出現故障時系統會及時報警,關停設備,彈出報警畫面(圖11),顯示有關報警信息和常規處理排除方式,用戶可根據相關信息快速處理故障,成功構建起基于大數據的故障診斷模型,實現長距離炸藥輸送健康狀態監測。

圖11 報警畫面Fig.11 Alarm screen

2.6 智能混裝車遠程數據管理平臺研發

遠程數據管理平臺[21-23]由現場控制層、過程控制層、數據交互層和遠程管理層4 個部分構建。 首先通過現場控制層獲取現場信息;然后反饋給過程控制層,過程控制層通過工控機、PLC 控制器對現場信息進行分析處理,傳輸到數據交互層,形成數據庫;最后通過數據處理將有效信息傳輸至遠程管理層,進行遠程管控,如圖12 所示。

圖12 數據管理平臺框架Fig.12 Framwork of the data management platform

3 智能混裝車現場試驗

3.1 乳膠基質裝藥效率及相關測試

測試過程中通過標定螺桿泵每圈的輸送量(螺桿泵轉速采用轉速測定儀與螺桿泵轉速測定),確定裝藥效率,繼而確定敏化劑(潤滑劑)加入量,為現場實際操作提供指導,保證高黏度物料流量計量的準確性,試驗結果見表1。

表1 乳膠基質裝藥效率試驗結果Table 1 Test results of charging efficiency of latex matrix

同時改變裝藥效率,對比分析輸送壓力、敏化效果的變化情況,結果見表2。 分析可知:隨著裝藥效率的提高,輸送壓力隨之上升,輸送壓力不超過1.2 MPa,且敏化效果較好,表現出智能混裝車穩定的裝藥性能。

表2 不同裝藥效率下輸送壓力、炸藥密度與敏化效果對比Table 2 Comparison of conveying pressure,explosive density and sensitization effect under different charging efficiency

3.2 現場混裝乳化炸藥性能測試

為了保證現場混裝乳化炸藥性能,在云浮地面站對智能混裝車現場混裝乳化炸藥進行了多次測試,產品性能測試結果見表3。分析可知:炸藥密度為1. 0～1.25 g/cm3,爆速大于4 000 m/s,均表現合格。

表3 智能混裝車炸藥性能Table 3 Performance of explosives in inteligent mixing vehicle

3.3 智能混裝車現場不同裝藥方式裝藥效率對比試驗

人工條裝成品裝藥(圖13(a))、普通混裝炸藥車(圖13(b))和智能混裝車(圖13(c))比較結果見表4。 分析可知:智能混裝車總裝藥工效(每人每分鐘裝藥量)是普通混裝車的2 倍,是人工裝藥的4.7～7.0 倍。

表4 3 種裝藥方式的作業效率對比Table 4 Comparison of operation efficiency of three charging methods

圖13 3 種裝藥方式現場照片Fig.13 On-site photos of 3 charging methods

4 結 論

本研究研制了智能混裝車整套設備,突破了“高精度裝藥參數感知”“敏化劑流量裝藥密度自適應調節”“潤滑膜內嵌前端分層減阻輸送”等核心技術,大幅減少了裝藥輔助時間,顯著提高了爆破綜合效率,使得裝藥工序向減人、提效、安全方向邁進一大步,推動了礦山爆破裝藥設備的數字化、智能化升級。 主要結論如下:

(1)智能混裝車主要由底盤系統、動力輸出系統、液壓控制系統、電氣控制系統、敏化系統、乳化基質料倉、泵送系統、裝填系統、水汽清洗系統、尋孔和對孔系統等部分組成。智能混裝車工作流程包括半成品乳膠基質的泵送、智能尋孔、智能對孔、智能裝藥以及數據實時回傳等方面。 炮孔利用率達到96% ～100%。

(2)智能混裝車可通過接收到的裝藥參數指令,智能規劃其停放的位置以及需要移動最少次數的軌跡方位。 采用視覺圖像處理系統通過控制器實現精準對孔,進行一鍵式智能裝藥,自動進行裝藥量精準計量與退管。 配備的遠程數據管理平臺集成了裝藥密度調節、乳膠基質長距離輸送減阻敏化、智能混裝車安全智能管理與故障智能診斷等功能。

(3)現場應用效果表明,智能混裝車能夠嚴格按工藝配比生產,保證輸送、計量的準確性,隨著裝藥效率的提高,輸送壓力隨之上升,輸送壓力不超過1.2 MPa,且敏化效果較好,炸藥密度達到1. 0 ～1. 25 g/cm3、爆速大于4 000 m/s,總裝藥工效(每人每分鐘裝藥量)是普通混裝車的2 倍,是人工裝藥的4.7 ～7.0 倍。