武玉松　馮沅　謝永平　劉洪海

摘 要：通過對螺旋秤與減量秤計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與計量原理的分析及對兩種系統(tǒng)應(yīng)用過程的試驗研究，得到影響其計量精度與穩(wěn)定性的主要因素，據(jù)此提出一套水泥計量系統(tǒng)優(yōu)化方案，并進行了實體工程驗證。結(jié)果表明，該優(yōu)化方案能夠很好的滿足公路工程對穩(wěn)定土廠拌設(shè)備水泥計量精度及穩(wěn)定性的要求。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定土廠拌設(shè)備；螺旋秤；減量秤；水泥計量

中圖分類號：U415.52 文獻標(biāo)志碼：B

0 引 言

穩(wěn)定土廠拌設(shè)備是筑路機械的主要機種之一，被廣泛應(yīng)用于各等級公路基層、底基層混合料的拌制[1]。其水泥計量精度的高低是評價整機計量性能的重要指標(biāo)，直接影響著成品混合料質(zhì)量。研究表明，混合料水泥含量過少將導(dǎo)致集料間的粘結(jié)力不足，路面強度降低；水泥含量過高，雖然可以增加強度，但也會產(chǎn)生較大的收縮裂

縫[2]。因此在混合料的拌制過程中，要確保水泥劑量的偏差在一定的范圍內(nèi)。

目前，計量水泥主要依靠螺旋秤和減量秤兩種典型計量系統(tǒng)。由于兩種計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和計量原理不同，因此影響其計量精度與穩(wěn)定性的因素也有差異。本文通過對兩種結(jié)構(gòu)型式與計量原理的水泥計量系統(tǒng)進行分析與過程檢測，得出影響水泥計量精度與穩(wěn)定性的主要因素，據(jù)此提出優(yōu)化方案，并對該方案進行實體工程驗證。

1 水泥秤計量特性分析

1.1 減量秤計量特性分析

減量秤計量系統(tǒng)通過檢測儲料倉重量的減少速率來確定水泥供給的瞬時流量，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。儲料倉上設(shè)置有稱重傳感器，在生產(chǎn)過程中，稱重傳感器將檢測到的重量信號傳給控制器，由控制器計算水泥瞬時的流量，再與實驗室給出的設(shè)定值進行比較，發(fā)出偏差信號給控制出料螺旋轉(zhuǎn)速的變頻器，進而調(diào)整水泥輸出流量[3]，直到與設(shè)定值相符并穩(wěn)定運行。

圖1 減量秤稱重結(jié)構(gòu)

由于減量秤計量系統(tǒng)儲料倉的容積有限，當(dāng)水泥量低于設(shè)定下限時，系統(tǒng)發(fā)出上料指令，上料螺旋電機運行，直到水泥量恢復(fù)到上限。在添加水泥的過程中，儲料倉的稱重傳感器不能檢測料倉重量的減少速率，因此系統(tǒng)將出料螺旋的轉(zhuǎn)速鎖定在上料前那一時刻的轉(zhuǎn)速值上。此時的減量秤計量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌隽下菪D(zhuǎn)速恒定的容積式計量系統(tǒng)。容積式計量系統(tǒng)達到計量準(zhǔn)確與穩(wěn)定的前提是所出水泥的密度穩(wěn)定，這就要求儲料倉底部水泥承受的壓力要相對穩(wěn)定[4]。然而添加水泥的過程是把水泥量從設(shè)定下限補充到設(shè)定上限的過程，隨著水泥量的不斷增加，倉底水泥承受的壓力不斷增大，水泥的密度也隨之增大。因此在料倉中水泥最少（水泥密度最小），且出料螺旋轉(zhuǎn)速鎖定的情況下，往儲料倉添加水泥，出料螺旋向攪拌缸輸送的水泥量會不斷增加。水泥添加完成后，稱重傳感器開始檢測儲料倉重量的減少速率，控制器重新調(diào)整出料螺旋轉(zhuǎn)速直到出料螺旋向攪拌缸輸送的水泥量重新穩(wěn)定在允許的偏差范圍內(nèi)。故減量秤計量系統(tǒng)本身就是一個穩(wěn)定—波動—調(diào)整—穩(wěn)定的周期性波動過程。

在攪拌設(shè)備生產(chǎn)過程中，通過設(shè)置物料小時流量傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)進行配料準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性檢測。實際工程應(yīng)用中減量秤計量系統(tǒng)的水泥供量變化情況的檢測結(jié)果如圖2所示。施工單位一般采用滴定試驗來檢測混合料水泥劑量，并據(jù)此調(diào)整控制室水泥配料比例。若在系統(tǒng)波動和調(diào)整階段采用滴定試驗檢測水泥實際劑量并將其作為控制室配方修正依據(jù)進行水泥供給設(shè)定，那么系統(tǒng)穩(wěn)定后混合料的實際水泥劑量會低于配比要求，路面鋪筑質(zhì)量達不到設(shè)計要求。

圖2 減量秤水泥供料量變化曲線

因此，在上料過程中減量秤計量系統(tǒng)的出料口水泥密度變化過大，是導(dǎo)致水泥劑量出現(xiàn)周期性波動，成品混合料質(zhì)量穩(wěn)定性差的主要因素。

1.2 螺旋秤計量特性分析

螺旋秤計量系統(tǒng)由機械部分和電控部分組成，機械部分包括水泥倉或水泥暫存?zhèn)}、螺旋給料機、計量螺旋等，電控部分包括稱重傳感器、變頻器、控制器等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。計量螺旋稱重傳感器將檢測到的重量信號反饋到控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)比較處理后發(fā)出指令給變頻器以調(diào)節(jié)螺旋給料機轉(zhuǎn)速，進而控制水泥流量，使其保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)水泥計量[5]。

圖3 螺旋秤稱重結(jié)構(gòu)

從設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制過程看，該計量系統(tǒng)并無太大缺陷，但實際工程應(yīng)用中往往發(fā)現(xiàn)有些螺旋秤供料系統(tǒng)難以達到預(yù)期效果。通過設(shè)置物料小時流量傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)對某螺旋秤計量系統(tǒng)進行配料準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性過程檢測，結(jié)果表明，該螺旋秤水泥配料過程流量變化較大。如圖4所示，螺旋秤計量系統(tǒng)水泥供料量圍繞設(shè)定值不斷的波動，且波動量偏離設(shè)定值較大，如此嚴重的配料誤差和波動將使混合料變異性增加，混合料穩(wěn)定性變差。當(dāng)施工單位采用滴定試驗檢測混合料水泥劑量時，若取得的混合料恰是圖2中水泥供料量處于波峰部分時，那么水泥劑量偏高，此時如果將水泥設(shè)定值調(diào)低，

圖4 螺旋秤水泥供料量變化曲線

則后續(xù)的混合料水泥劑量會低于實驗室配比的要求，將導(dǎo)致路面基層強度達不到要求；反之，則會使后續(xù)混合料水泥劑量高于實驗室配比的要求，導(dǎo)致路面開裂且增加工程造價。從全系統(tǒng)看，水泥計量不只是稱重問題，還涉及到材料、設(shè)備結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會直接影響螺旋秤計量系統(tǒng)水泥供料量的穩(wěn)定性。

產(chǎn)生圖4所示現(xiàn)象的主要原因是，在混合料拌制過程中，水泥倉或水泥暫存?zhèn)}中的水泥量在不斷變化，料倉底部水泥承受的壓力不斷變化，導(dǎo)致這部分水泥的密度也在不斷變化，控制系統(tǒng)需要根據(jù)水泥密度的變化不斷地調(diào)節(jié)給料電機頻率，再加上系統(tǒng)反饋的滯后性，使供料成為一個不穩(wěn)定的過程。螺旋秤是一種杠桿秤（螺旋的一端連接拉力或壓力傳感器，另一端為支撐點），其支撐點往往與計量螺旋的進料口距離較遠，水泥由螺旋給料機進入計量螺旋時會對計量螺旋產(chǎn)生沖擊，稱重傳感器檢測到的重量不只是水泥的重量還包括水泥對計量螺旋的沖擊影響，當(dāng)沖擊力較大且不穩(wěn)定時，必然會導(dǎo)致水泥供量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性受到較大影響。水泥在料倉錐形底部起拱時，盡管稱重傳感器已測出實際水泥供量低于設(shè)定值并使給料螺旋加速運轉(zhuǎn)，但仍不能使水泥流量增加，成品料中水泥含量必然不足。此時啟動破拱，會有大量水泥瞬間流入，一段時間內(nèi)水泥流量很大，隨后系統(tǒng)檢測到水泥流量過大又會降低螺旋轉(zhuǎn)速，水泥供量就會不穩(wěn)定。故水泥密度的變化、計量螺旋支撐點位置設(shè)置不合理及水泥的起拱是影響螺旋秤計量準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性的主要因素。endprint

2 水泥計量系統(tǒng)的優(yōu)化

為提高水泥計量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，以螺旋秤計量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對影響其計量的主要因素提出以下的優(yōu)化方案。

（1） 在水泥暫存?zhèn)}安裝射頻聲納電容連續(xù)式料位計，可連續(xù)檢測料倉內(nèi)水泥料位變化。如圖5所示，控制系統(tǒng)設(shè)定料倉內(nèi)水泥料位高度允許變化量Δh，檢測到的料位信號實時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，當(dāng)料位低于控制料位1時，上料螺旋給水泥暫存?zhèn)}上料，直到到達控制料位2時再停止上料；隨著生產(chǎn)的進行，暫存?zhèn)}內(nèi)的水泥料位下降，當(dāng)料位低于控制料位1時，上料螺旋再次啟動，直到料位到達控制料位2時停止。在生產(chǎn)中，將水泥料位高度允許變化量Δh設(shè)定在一個較小的范圍內(nèi)，可使倉底水泥承受的壓力保持基本不變，倉底水泥的密度即可保持基本不變，給料螺旋電機的轉(zhuǎn)速亦可保持不變，水泥計量的穩(wěn)定性從而會大大提高。

圖5 水泥計量系統(tǒng)的優(yōu)化

（2） 縮短給料螺旋長度并將其出料口抬高一定角度。給料螺旋太長會加劇控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后的現(xiàn)象，通過縮短給料螺旋的長度，可以提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效率；水泥自身具有流動性，將給料螺旋出料口抬高一定角度，可以有效避免水泥的自流，提高水泥流量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

（3） 計量螺旋支撐點設(shè)置在計量螺旋進料口中心線上，以承受水泥進入計量螺旋時對計量螺旋的沖擊力，避免稱重傳感器誤將沖擊力作為水泥重力的一部分而影響計量精度。

（4） 在水泥暫存?zhèn)}底部設(shè)置上下部均為錐狀的破拱器，可防止水泥在倉底部起拱。

3 實體工程驗證

為驗證上述優(yōu)化方案的效果，在施工現(xiàn)場對某WD500型廠拌設(shè)備螺旋秤計量系統(tǒng)進行改造，并完成標(biāo)定工作[6]。正常生產(chǎn)時，設(shè)定水泥劑量為43%，取成品混合料進行實際水泥劑量滴定試驗，以檢測水泥配料的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，試驗數(shù)據(jù)如表1、2和圖6所示。

以上圖表表明，在95%置信度下水泥劑量的變化范圍為4.34%±0.25%。該優(yōu)化方案供料準(zhǔn)確穩(wěn)定，能夠很好地滿足公路工程對穩(wěn)定土廠拌設(shè)備水泥計量準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié) 語

水泥密度變化大和計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷等因素會引起穩(wěn)定土攪拌設(shè)備中的水泥劑量產(chǎn)生大幅波動現(xiàn)象，采用增加連續(xù)式料位計及料位控制系統(tǒng)，傾斜并縮短給料螺旋長度，計量螺旋支撐點設(shè)置于進料口中心線上，倉底增加錐形破拱器等技術(shù)措施，可以顯著提高水泥計量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。試驗證明，當(dāng)水泥劑量設(shè)定值為4.3%時，在95%置信度下水泥劑量的變化范圍可以控制在4.34%±0.25%，計量準(zhǔn)確且穩(wěn)定。

參考文獻：

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint