防爆气动药柱包覆机的设计研究.pdf

总第 1 5 3期 2 0 1 6年第 1 期 机械管理开发 M EC H ANI CAL M ANAGEM ENT AND DEVELoPM ENT 机 械分 析 与设计 防爆气动药柱包覆机的设计研究 张冬 ， 张 春元 中北 大 学机 电工程 学 院 ，山西太 原0 3 0 0 5 1 T o t a l o f 1 5 3 No ． 1 2 0 1 6 摘 要 为 了减 少药柱端 面 包覆 时的在 线 生产人 员，设计 了可远程 监控 的 防爆 气动 包覆 系统 。在说 明 包覆 系统 中气动 包覆 机 的组 成 时 ，介 绍 了 包覆机 中应 用于 药柱 端 面涂 胶 的 立 式 涂胶 装 置 、阻 燃 片 涂胶 的卧 式涂胶 装 置 以及 让位 机 构 。 同时对 包覆 机 的 工作 过 程 、 气动 系统 和控 制 系统 进行 了说 明， 阐述 了包覆 机 的 气动作 业 回路 和 P L C控 制过程 等 。最 后 对 包覆机 采 取 的 防爆 和 防 护措 施 进行 了分 析 。包覆机的投入使 用实现 了自动化的端面包覆，降低 了事故的危害性 ，保证 了生产人 员的生命 安 全 ，并且 在 生产 实践 中可以逐 步改进 ，最终 实现 “ 人 药分 离” 。 关 键词 药柱 包覆机 ；结 构设 计 ；气动和控 制 系统 ；防爆 措 施 中图分 类号 T H 6 文 献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 3 ． 7 7 3 X 2 0 1 6 0 1 ． 0 0 3 9 ． 0 4 D o I 1 0 ． 1 6 5 2 5 ／ i ． c n k i 。 c n 1 4 ． 1 1 3 4 ／ t h ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 3 引 言 可燃性粉末药品挤压成 型后 ， 药 柱经过 包覆 ， 可 以提高燃 烧 渐增 性 。文 章所 述 药 柱端 面包 覆 ， 采用的包覆 工艺 为贴 片 包覆 ， 即在 药柱 端 面粘 贴 阻燃片 。工厂现行加工 方法多 为生产工人 在 隔爆 间 内手 工完成 阻燃片 的粘贴 ， 由于在 传统加 工过 程 中， 极有 可能 出现 火 花 、 静 电等 点燃 源 ， 引起 隔 爆间粉尘混 合 物燃烧 ， 一旦 生 产事 故发 生会 因生 产人员撤离 不及 时 造成 重 大人 员伤 亡 ， 因此需 要 采用 自动 化包 覆 设 备 ， 以期 减 少 在线 生 产 人 员。 目前 ， 国内市场 中包覆机 种类繁 多 ， 但是 并没有 适 用 于药柱端面包覆 的包覆设备 。 针对这个 现象 ， 研 制 了可远 程 控制 的防爆 气 动包覆 系统 ， 文章 介绍 的是包 覆 系统 中药 柱包 覆 机 的方案设计 。 1 包 覆 机 的 组 成 及 工 作 过 程 1 ． 1 药柱端面 自动化包覆流程 传统 的药柱端 面包覆 主要 依靠人 工进 行药柱 收 稿 日期 2 0 1 5 一 l 1 2 2 第 一作 者简 介 张 冬 1 9 9 0 一 ， 男 ，山 东聊 城 人 ， 中北大 学机 电工程 学 院在 读 硕 士 ，研 究方 向 推 进 剂的 包覆设 备 。 和阻燃 片的涂胶贴合 。所研 制的包覆机 根据传 统 生产流程 ， 在 不 改变 生产 材料 的基 础上 制定 了 自 动化包覆流 程 ， 如 图 1所示 。包 覆 机具 体工 作 过 程为 药柱 由辅助上料装 置放 置到上件工 位 ， 随输 送带运动到 清洗 工位 ， 经 过 清洗装 置 清洗端 面 然 后干燥 ， 由输 送 带将 药柱 运输 到 下一个 工 序对 药 柱端面涂胶 ， 与 此 同时 卧式涂 胶装 置进 行 阻燃 片 涂胶 ， 卧式 涂胶 装置 整体 安装 在气 动 滑 台上进 行 直线运动 ， 涂胶装置 为水平放 置 的阻燃 片涂胶后 ， 退 回到初始位置让 出工位 。药柱涂 胶后输送 到贴 片工序 ， 贴 片机 构是 由贴片 气缸 和阻燃 片 支架 组 成 的连杆机 构 ， 贴 片机 构将 阻燃 片 和药柱 进行 贴 合 。贴合后药柱 由运输 带运送 到保压工 序 。保 压 后完成整个药柱端面包覆 。 图 1 包覆机 包覆 流程 1 ． 2 包覆机的组成 所研制包覆机包括机械 结构 、 气 动系统 、 控制 系统和辅助 装 置 的设计 ， 设 计过 程 中充分 考虑 到 设备的使用环境和包覆流程， 采用了间歇工作的 4 0 机械管理开发 j x g l Mb j b 1 2 6 ． c o m 同步带输送 药柱 ， 保 证 各工 序加 工 时 间。包 覆 机 的机械结构 主要 是工 作 台支 架 、 药柱 端面 清洗 装 置 、 立式涂胶机 、 卧式涂胶机 、 阻燃 片贴合 机构 、 药 柱定位对中机构 。药柱端 面完成包 覆的主要 动作 是涂胶和贴 合 阻燃 片 ， 因此 包覆 机机 械结 构设 计 中涂胶装置 和 卧式涂 胶 机 的设 计 尤其 重要 ， 涂 胶 过程 中， 药 柱端 面处 于 垂直 状态 且两 端 面 同时涂 胶 ， 市场 中在售涂 胶装置不 能满足涂 胶要求 ， 为此 设计 了立式 涂胶 机 ， 立 式涂 胶机 基本 原理 是气 动 马达带动传 动轴 转 动 ， 传动 轴通 过两 对 啮合 的锥 齿轮带动涂于两组胶 辊转动 ， 工作过 程为 胶 液供 给装置供 给胶液 ， 药 柱 端 面涂胶 装置 由气 动 马达 带动胶辊 ， 由于摩擦力带 动点光轮转 动 ， 由胶液 出 口流 出的胶 液 直接 流到 点光 轮边 缘及 外 表面 ， 并 通过转动均 匀 涂在胶 辊 外表 面 ， 胶辊 与 药柱端 面 紧密接触 ， 将 胶液 均 匀涂 在药 柱 端面 。阻燃 片供 给到贴合机构后处 于水平放置 ， 涂胶 面 向上 ， 根据 普通 卧式涂胶机原 理设计 了阻燃片 专用卧式涂胶 机 ， 结构如图 2 - 1所示 。卧式涂胶机基本原理为气 马达 1通过减速机构连接传 动轴 2 ， 传 动轴将动力 直接传送给安装 在传 动轴 上 的胶 辊 4 。设计 中阻 燃 片的贴合 与 阻燃 片 的涂胶 在 同一工 位 ， 卧 式涂 胶机涂 胶后 需让 出工位 ， 因此 卧式涂 胶机 1安装 在气动滑 台 3上 以便 于阻燃 片贴合机构 2可 以旋 转 9 0 。 进行阻燃片贴合 ， 结构示 意图如 图 2 2所示 。 2 包覆机 的气动和控制 系统 2 ． 1 包覆机的气 动系统 包覆机 气 动 系 统 分 为 清 洁 、 涂 胶 、 阻 燃 片 贴 合 、 定位 、 传 动几 个 部分 ， 从 气 动原 理 图 3中 的执 行元件看 出具体 有 以下 7种 定 位 气 缸 、 传 动 气 缸 、 清洁气马达 、 卧式涂胶机气马达 2个 、 立式涂 胶气马达 、 卧式 涂胶机气 动滑 台 2个 、 阻燃 片贴 合气缸 2个 。因此包覆 机气 动作 业 回路[ 1 可 以 分为以下几种 [ 1 ] 气体产 生装置 。与溢流 阀 、 两 位 三通电磁 阀、 节 流 阀和单 作用 气 缸组成 定位 作 业 回路 ； 气体 产生 装置 与溢 流 阀 、 两位 五 通 电磁 阀 、 传动气缸 和排气节流 阀组 成排气节流传 动作业 回 路 ； 气体 产 生装 置 与节 流 阀、 两位 两 通 常开 电磁 阀、 节 流阀、 气马达和排气节 流 阀组 成药柱端 面清 洗作业 回路 ； 气体 产生装置 与节流 阀、 两位两 通常 第 3 1卷 l 一涂胶马达 ； 2 一减速装置 ； 3 一电光轮 ； 4 一胶辊 ； 5 一气动滑台 ； 6 一工作支架 2 1卧式涂胶机 1 一涂胶装置 ； 2 一阻燃片贴合机构 ； 3 一气动 滑台 2 - 2工位让步结构网 图 2 包覆机 涂胶 装置 结构 图 1 ～气源 ； 2 一储气罐 ； 3 一气动 三联件 ； 4 一溢流阀 ； 5 一两位 三通电磁阀 ； 6 一消声器 ； 7 一单向节流阀 ； 8 一定位气缸 ； 9 一排气节流阀 ； l O 一两位五通 电磁 阀； 1 1 一传动气缸 ； 1 2 一两位两通 电磁 阀； 1 3 一清洁气 马达 ； 1 4 一阻燃 片涂 胶气马达 ； 1 5 ～药柱涂胶气 马达 ； 1 6 一三位五通 电磁阀 ； 1 7 一减压 阀； 1 8 一气动 滑台 ； 1 9 ～阻燃片贴合气缸 图 3 气动原理 图 开 电磁阀 、 节流 阀和 气 马达组 成 阻燃 片涂 胶作 业 回路 ； 气体产生装置与节 流 阀、 两位两 通常开 电磁 阀、 节流 阀和气马达组成 药柱端 面涂胶 作业 回路 ； 气体产生 装 置 与节 流 阀、 三 位 五 通 电 磁 阀 、 减 压 阀、 节流 阀和气 动滑 台组 成 卧式涂 胶 机让 位 作业 2 0 1 6年第 1 期 张 冬 ， 张春元 防爆气 动药柱包 覆机 的设计研 究 回路 ； 气体产 生装 置 与节 流 阀 、 三位 五通 电磁 阀、 节 流阀和 阻 燃 片 贴合 气 缸 组 成 阻 燃 片 贴合 作 业 回路 。 2 ． 2 包覆机控制 系统 2 ． 2 ． 1 P L C控 制 包 覆机 工作 方 式 为 自动顺 序 控 制 和 手 动 单 步控制 ， 控 制地点 可 以是 现 场 和隔爆 间外 的监控 室 。 自动顺 序控 制 模 式 下 包 覆 机可 以根 据 预 先 设 定 的程 序运 行 ， 此模 式 为 自动 化 生 产 常 态 ； 手 动模式 下可 以根据需 要控 制包 覆 机 中任一 动作 ， 此模式 用于 设 备 的 调试 和 出现 特 殊 情 况 时 的故 障排 除 ， 手 动 模 式 中设 置单 步顺 序 按 钮 ， 可 以实 现手 动顺序控 制包覆 机 ， 便 于生 产人 员 现场 操作 生产 时使 用 。生 产人 员 现 场 操 作 时使 用 组 合 防 爆按 钮 盒 ， 监 控 室 中通 过 控 制 台上 的 控 制 按 钮 操作 。 包覆 机气 动 回路 中换 向 阀包 括 三 位 五 通 电 磁 阀和两位 五通 电磁 阀 、 两位 三通 电磁 阀和两 位 两通 电磁 阀 ， 各 电磁 阀为 P L C控制 系统 中包 覆机 的主要受控 对象 ， 而输 入 信号 主要 是 双作 用气 缸 上 安装 的限位开关 的机械 式 行程 开关 [ 2 ] ， 以及 总 启 动和停 止 按 钮 和包 覆 机 各 部 分 单 独设 置 的启 动停止 按钮等 ， 具体见 表 l 。P L C运 行时 ， 循环 扫 描 程序 ， 提 取 由输 入 端 子输 入 映像 区 内的信 号 ， 经过 P L C内部处理 器处理后 输 出到输 出映像 区， 对 电磁阀和指 示灯输 出， 实 现对 包覆 机 的控 制 和 指示 。通过 顺 序 控制 编 程 方 法 中 S ／ R逻辑 指 令或 S TL 步 进 指 令 编 程 ， 实 现 包 覆 机 的 包 覆 动作 。 2 ． 2 ． 2 控 制过 程 药柱端 面包覆 时 ， 所 需 生产 材 料 由辅 助装 置 供 给 ， 生产 人员 将药 柱送 到 包覆 系 统 上料 处 。包 覆 机的 主要作 用是完成对 药柱和 阻燃 片的涂胶 与 贴 合 ， 基 本 的动作 顺 序是 机 器上 电一气 压检 测 、 P L C 自检一初始状态检测 各气缸 收缩 、 胶液 和阻 燃 片供给 检测 ～选 择 工 作 模 式一上 料一输 送 带 气缸 伸缩一 清洁装置气 马达转 动一输 送 带气缸 伸 缩一 立式涂胶机气马达 转动一让位 机构 气动滑 台 进气伸 出一卧式涂胶机 气马达 转动一让 位机构 气 动 滑 台 出 气 收 缩一输 送 带 气 缸 伸 缩一定 位 气 表 1 P I C中包覆机 的 i ／ o表 41 输入点 输 出点 总启动 S B 1 X0 总气 电控制 YV3 y 0 急停 S B 2 X1 传动气缸伸展 YV1 1 y1 同步带开关 S B 3 X2 传动气缸收缩 YV1 2 y 2 清洁装置 S B 4 X3 气动滑台伸 YVZ 2 1 y 3 立式涂胶机 S B 5 X4 气动滑 台收 YVZ 2 2 y4 卧式涂胶机左 S B 6 X5 气动滑台伸 YVY2 l y 5 卧式涂胶机右 S B 7 X6 气动滑 台收 YVY2 2 y6 左气动滑台 S B 8 X7 贴 片气缸伸 YVZ 3 1 Y7 右气动滑台 S B 9 Xs 贴片气缸收 YVZ 3 2 Y 8 定位装置开关 S B 1 0 X日 贴片气缸伸 YVY3 1 y9 左贴片机构 S B 1 1 X1 o 贴片气缸收 YVY3 2 Y I o 右贴片机构 S B 1 2 X1 1 立 式涂胶马达 YV1 yl 1 单步顺序开关 S B 1 3 X2 1 卧式涂胶 气马达左 YVZ 2 yl 2 传动气缸左极限 S Q1 Xl 2 卧式涂胶气马达右 YVY2 y l 3 传动气缸右极限 S Q2 X1 3 定位气缸伸展 YQ1 Ys 4 疋址 缸上檄限 s Q3 Xl 4 定位气缸收 缩 YQ2 yl 5 左贴片气缸上极限 S Q4 X1 5 指示灯 1 yl 6 左贴片气缸下极限 S Q5 Xl 6 指示灯 2 y1 7 右贴 片气缸上极限 S Q6 X1 7 右贴片气缸下极限 S Q7 X1 8 左 气动滑 台极 限 S Q8 X1 9 右气动滑 台极限 S Q9 X2 0 气压检 测 S Q1 0 X2 3 阻燃片上件检 测 S Q1 1 X2 4 工件检 测 S Q1 2 X2 5 胶量检测 S Q1 3 Xz 6 缸伸缩杆伸 出一 阻燃 片贴合 气缸 伸缩一定 位气缸 伸缩杆收缩一输送带气缸伸缩一保压装置工作， 完成包覆 机粘 贴阻燃 片的过程 。 3 包覆机防爆性分析 包覆机适 用 于粉尘 性环 境 ， 属于 I E C分类 中 的爆炸性粉尘和纤维场 所设备 。生 产企业通 过通 风 、 设备 除尘等方法 降低 了环境 中的粉 尘浓度 ， 但 设备在设计 、 制造 和使用 中仍 需避免点 燃源 ， 包覆 机 的使用过程 中除了电气设备 涉及 的电火 花和热 表 面等还有 以下几类 点燃源 机械火 花 、 非 电气 因 素 引起 的热表 面、 静 电和粉尘 自燃等[ 4 ] ， 因此包覆 机 在设计 、 选 材 、 制造 安装 和使 用过 程 中根据 GB 2 5 2 8 6 2 0 1 0 爆 炸性 环 境 用 非 电气 设 备 和 GB 3 8 3 6 2 0 1 0 4 爆 炸性 环境用 防爆 电气设 备 系列标 准 ， 采取 了相应的防爆措施 1 合理的生产频 率。传动作业 回路 采用排气 节流回路使得药柱在工序 之间的运输 速度较低 ， 保 证工件精确到位 ， 减小设备机构之 间的摩擦、 碰撞产 生机械火花 、 热量和静电的可能 ， 避免点燃源 。 4 2 机械管理开发 j x g l k f b j b 1 2 6 ． c o rn 2 静 电的防护_ 5 ] 。设 备金属部分 具有 良好 的 对地导 电性 ， 防止静 电荷堆积 ； 设备 所用输送 带满 足 GB ／ T 1 0 7 1 5 2 0 0 2 带传 动多 楔带 、 联组 V带 及包括宽 V 带 、 六 角带 在 内的单根 V 带抗静 电带 的导 电性 要求 和试 验方 法 要求 ； 凡 与药 柱 直接 接触 的包覆机结构均采用电胶 木制作。 3 合理的电气 布局_ 6 ] 。包覆机中电气控制部 分均满足爆 炸 危险 场所 电气 安装 技术 要求 ， 设 备 均采用 防爆 型 电气 设备并 且 安装 在控 制 柜 中， 控 制柜 和设 备之 间 为安全 距离 ， 设 备 中机 械式 开关 带有灭弧装置等 。 4 包覆机 中暴 露在粉 尘环境需要做较高速运 动 的机构 采用 防静 电材 质 ， 比如包 覆机 的导 向装 置 。包覆机机构连接 处可产生摩擦 的非静 联接采 用敷铜处理[ 7 5 。 此外 为了避免包覆 机在运行 过程 中的突发状 况及相应 安全 隐患 ， 包 覆机 在设 计 和使 用过 程 中 也做 了相关 的防 范措施 远 程监 控 系统 实时 掌握 现场 生产 动态 ； 机 械式 限位 机 构保 证工 件到 位 的 精确 ， 避免超行程 导致 的碰撞 和药柱 的滑落 ； 导 向 机构 可对 放置 药柱 的支 撑板 起 到稳定 的作 用 ， 防 止传送带 晃动 引起 药柱 碰撞 ； 单项 轴承 和 同步带 的使 用保证 了药柱 在整个加工过程 中的运动方 向 和轴 向的垂直 ； 包 覆机采用 全气动 ， 并且气 动系统 压缩气体 均经 过 降温处 理 ， 避 免 了热气体 可 能 引 发 的隐患 。 第 3 1卷 4 结 语 所研 制药柱端 面包 覆机 经过现场调 试使用 满 足生产要求 ， 能 够 可靠地 实 现 自动化药 柱 端 面包 覆 。包覆系统 与传 统包 覆方 式 相 比， 减 少 了在 线 生产人员 ， 消 除人 为因素造成 的隐患 ， 提高生 产人 员安全度 ， 降低事故危 害性 ， 包覆机减少 了对 生产 材料 的浪 费 ， 降低 了生 产成 本 ， 增加 了经济 效 益 。 包覆机在使用过程 中可通 过更换 “ V” 型架 、 胶 辊 、 传动气缸 等适用 于不 同规 格 的药柱 端 面包 覆 ， 具 有 良好 的生产 柔性 。这种 包覆 机 的研 制 与开 发 ， 具有 良好 的应用前景 。 参考文献 徐文琴． 液压 与气 动技术 E M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 O1 4． 范金玲．基于 P L C的气动机械手的控制系统设计L J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 7 3 6 3 8 ． 许宝 文． 玻璃 检测 机气 动 系统设 计[ J ] ． 液 压 与气 动 ， 2 0 1 4 1 O 8 9 9 1 ． 董 晓岚． P L C控 制气 动 回路 系统 断 电回路 动 作 分析 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 3 3 6 8 6 9 ． 樊新斌 ， 汪新 盛 ， 刘延虎 ， 等．浅 谈油 气场站 静 电防护 措[ J ] ． 石油化工安全环保技术 ， 2 0 1 3 ，2 9 2 3 0 3 4 ． 李书朝． 粉尘爆炸 机理及粉 尘 防爆 电气设 备标准 介绍 [ J ] ． 电气防爆 ， 2 0 1 4 2 3 4 3 6 ． 赵建林 ， 耿艳彪． 一种 自动涂胶机的研制E J ] ． 机 械 1 二 程 师 ，2 0 1 2 1 1 1 5 0 1 5 1 ． 编辑 贾 娟 De s i g n o f Ex pl o s i o n - pr o o f Pne uma t i c Co v e r i n g M a c hi n e f o r Gr a i n Zha n g Do ng，Zha ng Chu ny u a n S c h o o l o f M e c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ，Ta i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 5 1 ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 rL rL rL rL rL rL rL 一 ．一 一 一 一 ～ 一 一 一一 一 一 ～ 一 ～ ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一～ 一 ～ 一 一．1 l 一 一 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一 啦 一 一 一 一～ ～ 一 ～ 一 ．妻 ～ 一 一 ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ ～ 一 一 一 ～ ～ 一 一 一一 一 一 一 ～ 一 一 垩I～ 一岫 一