螺旋秤與減量秤計(jì)量特性分析與優(yōu)化

武玉松　馮沅　謝永平　劉洪海

摘 要：通過(guò)對(duì)螺旋秤與減量秤計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與計(jì)量原理的分析及對(duì)兩種系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程的試驗(yàn)研究，得到影響其計(jì)量精度與穩(wěn)定性的主要因素，據(jù)此提出一套水泥計(jì)量系統(tǒng)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了實(shí)體工程驗(yàn)證。結(jié)果表明，該優(yōu)化方案能夠很好的滿(mǎn)足公路工程對(duì)穩(wěn)定土廠拌設(shè)備水泥計(jì)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(jì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

穩(wěn)定土廠拌設(shè)備是筑路機(jī)械的主要機(jī)種之一，被廣泛應(yīng)用于各等級(jí)公路基層、底基層混合料的拌制[1]。其水泥計(jì)量精度的高低是評(píng)價(jià)整機(jī)計(jì)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(guò)少將導(dǎo)致集料間的粘結(jié)力不足，路面強(qiáng)度降低；水泥含量過(guò)高，雖然可以增加強(qiáng)度，但也會(huì)產(chǎn)生較大的收縮裂

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

目前，計(jì)量水泥主要依靠螺旋秤和減量秤兩種典型計(jì)量系統(tǒng)。由于兩種計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和計(jì)量原理不同，因此影響其計(jì)量精度與穩(wěn)定性的因素也有差異。本文通過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)型式與計(jì)量原理的水泥計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行分析與過(guò)程檢測(cè)，得出影響水泥計(jì)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(duì)該方案進(jìn)行實(shí)體工程驗(yàn)證。

1 水泥秤計(jì)量特性分析

1.1 減量秤計(jì)量特性分析

減量秤計(jì)量系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)重量的減少速率來(lái)確定水泥供給的瞬時(shí)流量，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。儲(chǔ)料倉(cāng)上設(shè)置有稱(chēng)重傳感器，在生產(chǎn)過(guò)程中，稱(chēng)重傳感器將檢測(cè)到的重量信號(hào)傳給控制器，由控制器計(jì)算水泥瞬時(shí)的流量，再與實(shí)驗(yàn)室給出的設(shè)定值進(jìn)行比較，發(fā)出偏差信號(hào)給控制出料螺旋轉(zhuǎn)速的變頻器，進(jìn)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(yùn)行。

圖1 減量秤稱(chēng)重結(jié)構(gòu)

由于減量秤計(jì)量系統(tǒng)儲(chǔ)料倉(cāng)的容積有限，當(dāng)水泥量低于設(shè)定下限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出上料指令，上料螺旋電機(jī)運(yùn)行，直到水泥量恢復(fù)到上限。在添加水泥的過(guò)程中，儲(chǔ)料倉(cāng)的稱(chēng)重傳感器不能檢測(cè)料倉(cāng)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(shí)刻的轉(zhuǎn)速值上。此時(shí)的減量秤計(jì)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌隽下菪D(zhuǎn)速恒定的容積式計(jì)量系統(tǒng)。容積式計(jì)量系統(tǒng)達(dá)到計(jì)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(chǔ)料倉(cāng)底部水泥承受的壓力要相對(duì)穩(wěn)定[4]。然而添加水泥的過(guò)程是把水泥量從設(shè)定下限補(bǔ)充到設(shè)定上限的過(guò)程，隨著水泥量的不斷增加，倉(cāng)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(cāng)中水泥最少（水泥密度最?。?，且出料螺旋轉(zhuǎn)速鎖定的情況下，往儲(chǔ)料倉(cāng)添加水泥，出料螺旋向攪拌缸輸送的水泥量會(huì)不斷增加。水泥添加完成后，稱(chēng)重傳感器開(kāi)始檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)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(jì)量系統(tǒng)本身就是一個(gè)穩(wěn)定—波動(dòng)—調(diào)整—穩(wěn)定的周期性波動(dòng)過(guò)程。

在攪拌設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置物料小時(shí)流量傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行配料準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性檢測(cè)。實(shí)際工程應(yīng)用中減量秤計(jì)量系統(tǒng)的水泥供量變化情況的檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。施工單位一般采用滴定試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)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(dòng)和調(diào)整階段采用滴定試驗(yàn)檢測(cè)水泥實(shí)際劑量并將其作為控制室配方修正依據(jù)進(jìn)行水泥供給設(shè)定，那么系統(tǒng)穩(wěn)定后混合料的實(shí)際水泥劑量會(huì)低于配比要求，路面鋪筑質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

圖2 減量秤水泥供料量變化曲線

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

1.2 螺旋秤計(jì)量特性分析

螺旋秤計(jì)量系統(tǒng)由機(jī)械部分和電控部分組成，機(jī)械部分包括水泥倉(cāng)或水泥暫存?zhèn)}、螺旋給料機(jī)、計(jì)量螺旋等，電控部分包括稱(chēng)重傳感器、變頻器、控制器等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。計(jì)量螺旋稱(chēng)重傳感器將檢測(cè)到的重量信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)，通過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泥流量，使其保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水泥計(jì)量[5]。

圖3 螺旋秤稱(chēng)重結(jié)構(gòu)

從設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程看，該計(jì)量系統(tǒng)并無(wú)太大缺陷，但實(shí)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(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)設(shè)置物料小時(shí)流量傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某螺旋秤計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行配料準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性過(guò)程檢測(cè)，結(jié)果表明，該螺旋秤水泥配料過(guò)程流量變化較大。如圖4所示，螺旋秤計(jì)量系統(tǒng)水泥供料量圍繞設(shè)定值不斷的波動(dòng)，且波動(dòng)量偏離設(shè)定值較大，如此嚴(yán)重的配料誤差和波動(dòng)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(yàn)檢測(cè)混合料水泥劑量時(shí)，若取得的混合料恰是圖2中水泥供料量處于波峰部分時(shí)，那么水泥劑量偏高，此時(shí)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(huì)低于實(shí)驗(yàn)室配比的要求，將導(dǎo)致路面基層強(qiáng)度達(dá)不到要求；反之，則會(huì)使后續(xù)混合料水泥劑量高于實(shí)驗(yàn)室配比的要求，導(dǎo)致路面開(kāi)裂且增加工程造價(jià)。從全系統(tǒng)看，水泥計(jì)量不只是稱(chēng)重問(wèn)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(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)直接影響螺旋秤計(jì)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(guò)程中，水泥倉(cāng)或水泥暫存?zhèn)}中的水泥量在不斷變化，料倉(cāng)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(jī)頻率，再加上系統(tǒng)反饋的滯后性，使供料成為一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)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(diǎn)），其支撐點(diǎn)往往與計(jì)量螺旋的進(jìn)料口距離較遠(yuǎn)，水泥由螺旋給料機(jī)進(jìn)入計(jì)量螺旋時(shí)會(huì)對(duì)計(jì)量螺旋產(chǎn)生沖擊，稱(chēng)重傳感器檢測(cè)到的重量不只是水泥的重量還包括水泥對(duì)計(jì)量螺旋的沖擊影響，當(dāng)沖擊力較大且不穩(wěn)定時(shí)，必然會(huì)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(cāng)錐形底部起拱時(shí)，盡管稱(chēng)重傳感器已測(cè)出實(shí)際水泥供量低于設(shè)定值并使給料螺旋加速運(yùn)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(shí)啟動(dòng)破拱，會(huì)有大量水泥瞬間流入，一段時(shí)間內(nèi)水泥流量很大，隨后系統(tǒng)檢測(cè)到水泥流量過(guò)大又會(huì)降低螺旋轉(zhuǎn)速，水泥供量就會(huì)不穩(wěn)定。故水泥密度的變化、計(jì)量螺旋支撐點(diǎn)位置設(shè)置不合理及水泥的起拱是影響螺旋秤計(jì)量準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性的主要因素。endprint

2 水泥計(jì)量系統(tǒng)的優(yōu)化

為提高水泥計(jì)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，以螺旋秤計(jì)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)影響其計(jì)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(jì)，可連續(xù)檢測(cè)料倉(cāng)內(nèi)水泥料位變化。如圖5所示，控制系統(tǒng)設(shè)定料倉(cāng)內(nèi)水泥料位高度允許變化量Δh，檢測(cè)到的料位信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，當(dāng)料位低于控制料位1時(shí)，上料螺旋給水泥暫存?zhèn)}上料，直到到達(dá)控制料位2時(shí)再停止上料；隨著生產(chǎn)的進(jìn)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(shí)，上料螺旋再次啟動(dòng)，直到料位到達(dá)控制料位2時(shí)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(gè)較小的范圍內(nèi)，可使倉(cāng)底水泥承受的壓力保持基本不變，倉(cāng)底水泥的密度即可保持基本不變，給料螺旋電機(jī)的轉(zhuǎn)速亦可保持不變，水泥計(jì)量的穩(wěn)定性從而會(huì)大大提高。

圖5 水泥計(jì)量系統(tǒng)的優(yōu)化

（2） 縮短給料螺旋長(zhǎng)度并將其出料口抬高一定角度。給料螺旋太長(zhǎng)會(huì)加劇控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后的現(xiàn)象，通過(guò)縮短給料螺旋的長(zhǎng)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(dòng)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(jì)量螺旋支撐點(diǎn)設(shè)置在計(jì)量螺旋進(jìn)料口中心線上，以承受水泥進(jìn)入計(jì)量螺旋時(shí)對(duì)計(jì)量螺旋的沖擊力，避免稱(chēng)重傳感器誤將沖擊力作為水泥重力的一部分而影響計(jì)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(cāng)底部起拱。

3 實(shí)體工程驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述優(yōu)化方案的效果，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)某WD500型廠拌設(shè)備螺旋秤計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行改造，并完成標(biāo)定工作[6]。正常生產(chǎn)時(shí)，設(shè)定水泥劑量為43%，取成品混合料進(jìn)行實(shí)際水泥劑量滴定試驗(yàn)，以檢測(cè)水泥配料的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)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(mǎn)足公路工程對(duì)穩(wěn)定土廠拌設(shè)備水泥計(jì)量準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

水泥密度變化大和計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷等因素會(huì)引起穩(wěn)定土攪拌設(shè)備中的水泥劑量產(chǎn)生大幅波動(dòng)現(xiàn)象，采用增加連續(xù)式料位計(jì)及料位控制系統(tǒng)，傾斜并縮短給料螺旋長(zhǎng)度，計(jì)量螺旋支撐點(diǎn)設(shè)置于進(jìn)料口中心線上，倉(cāng)底增加錐形破拱器等技術(shù)措施，可以顯著提高水泥計(jì)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。試驗(yàn)證明，當(dāng)水泥劑量設(shè)定值為4.3%時(shí)，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(jì)量準(zhǔn)確且穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint