間歇式瀝青攪拌設(shè)備冷料倉(cāng)流量計(jì)量方式研究

張 多，周 雄，胡小金

（1. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 陜西路橋集團(tuán)路面工程有限公司，陜西 西安 710054）

國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)普遍采用強(qiáng)制間歇式瀝青攪拌設(shè)備，而傳統(tǒng)間歇式瀝青攪拌設(shè)備的冷料計(jì)量方式采用容積式計(jì)量法。為了準(zhǔn)確地確定冷料供給系統(tǒng)的工作參數(shù)，避免生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)溢料、待料現(xiàn)象，需要對(duì)冷料倉(cāng)流量進(jìn)行標(biāo)定［1-2］。關(guān)于冷料倉(cāng)流量標(biāo)定方法，相關(guān)資料進(jìn)行了研究：張春燕等［3］通過(guò)對(duì)冷料倉(cāng)流量的標(biāo)定，確定了流量與集料規(guī)格、出料口開(kāi)度、皮帶輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間的關(guān)系；費(fèi)松濤等［4］針對(duì)不同轉(zhuǎn)速下集料自身級(jí)配的變異性問(wèn)題，認(rèn)為皮帶輪轉(zhuǎn)速恒定是保障出料穩(wěn)定性的必要條件；劉紅軻等［5］通過(guò)理論推導(dǎo)建立了小皮帶輪轉(zhuǎn)速與流量之間的關(guān)系；陳新軒等［6］提出在標(biāo)定過(guò)程中如果所計(jì)算出的頻率太高或太低應(yīng)調(diào)整冷料倉(cāng)的開(kāi)度重新進(jìn)行標(biāo)定；劉洪海等［7］通過(guò)理論計(jì)算和研究，建立了出料口開(kāi)度、冷集料流量、配料電機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，提出了一套間歇式瀝青攪拌設(shè)備冷料流量標(biāo)定法。上述研究和分析主要針對(duì)冷料容積式計(jì)量轉(zhuǎn)化為重量流量劑量的標(biāo)定方法，在工程實(shí)踐中具有重要的實(shí)用價(jià)值，然而這種計(jì)量方式常常因容重的變化以及冷料料流密度不穩(wěn)定等因素使其計(jì)量精度下降。

為了解決容積式計(jì)量法在標(biāo)定中計(jì)量精度下降的問(wèn)題，本文在對(duì)容積式計(jì)量方法以及對(duì)傳統(tǒng)皮帶秤誤差分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合懸臂式皮帶秤能夠消除“皮帶效應(yīng)”的優(yōu)勢(shì)，提出設(shè)計(jì)一種懸臂式皮帶秤裝置加入到攪拌設(shè)備冷料計(jì)量系統(tǒng)，用稱重計(jì)量法替代容積計(jì)量法，以此減小冷料計(jì)量誤差。

1 容積式計(jì)量方法分析

1.1 容積式計(jì)量標(biāo)定方法

1.1.1 計(jì)時(shí)走料標(biāo)定法

該方法使冷料經(jīng)過(guò)烘干存儲(chǔ)在熱料倉(cāng)中，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熱料倉(cāng)中的熱骨料質(zhì)量，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速與冷料流量之間的關(guān)系。具體操作如下：

（1）啟動(dòng)攪拌設(shè)備，清空冷料倉(cāng)和熱料倉(cāng)內(nèi)的余量，同時(shí)將瀝青攪拌設(shè)備的總調(diào)系數(shù)設(shè)定為正常生產(chǎn)時(shí)的數(shù)值。根據(jù)生產(chǎn)時(shí)電機(jī)調(diào)速的范圍將轉(zhuǎn)速設(shè)置為高速、中速、低速3個(gè)擋位，并按照此速度分別走料。

（2）選定某一料倉(cāng)，然后根據(jù)攪拌設(shè)備冷料倉(cāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的顯示形式，按其控制參數(shù)最大值的25%、50%、75%分別走料。瀝青攪拌設(shè)備按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的25%開(kāi)始上料，經(jīng)過(guò)烘干、除塵后存儲(chǔ)在熱料倉(cāng)，計(jì)時(shí)3～5min冷料倉(cāng)停止供料；待所有骨料進(jìn)入熱料倉(cāng)后依次稱量每個(gè)料倉(cāng)中骨料的質(zhì)量，并記錄；然后分別按驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的50%和75%開(kāi)始上料，重復(fù)上述過(guò)程。根據(jù)產(chǎn)量和時(shí)間，參照公式（1）可計(jì)算出各個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的冷料供給量。

式中，Q為冷料的產(chǎn)量，t/h；M為該段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熱料倉(cāng)中熱骨料質(zhì)量，t；t為上料時(shí)間，min。

根據(jù)式（1），計(jì)算出3個(gè)不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的供料流量分別為Q1、Q2、Q3。并以此為因變量，轉(zhuǎn)速為自變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階曲線擬合，得到給料電機(jī)轉(zhuǎn)速與冷料流量之間的線性關(guān)系。重復(fù)上述步驟，對(duì)其余冷料倉(cāng)進(jìn)行標(biāo)定。

1.1.2 料段取樣標(biāo)定法

與第一種方法相比，該方法更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，標(biāo)定準(zhǔn)確度也能夠保證。具體步驟如下：

（1）首先確定輸料皮帶的速度v。在平皮帶外側(cè)支架上選擇2個(gè)參考點(diǎn)，同時(shí)在皮帶上做好標(biāo)記，用卷尺測(cè)量2個(gè)參考點(diǎn)之間的距離L。讓皮帶空轉(zhuǎn)幾分鐘后，待皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，從標(biāo)記起始端開(kāi)始計(jì)時(shí)t0。當(dāng)皮帶上標(biāo)記運(yùn)動(dòng)到支架標(biāo)記終點(diǎn)處，停止計(jì)時(shí)t1，根據(jù)公式（2）求得皮帶速度v。為了減小誤差，運(yùn)行時(shí)間的確定可以進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

式中，v為平皮帶運(yùn)行速度，m/s；L為所測(cè)量的皮帶長(zhǎng)度，m；t0為起始端計(jì)時(shí)時(shí)間，s；t1為終點(diǎn)處停止計(jì)時(shí)時(shí)間，s。

（2）確定皮帶轉(zhuǎn)速后，選定一個(gè)冷料倉(cāng)，開(kāi)始進(jìn)行標(biāo)定。用卷尺在斜皮帶上截取一段長(zhǎng)度L0。開(kāi)始正常上料，運(yùn)行幾分鐘后，停止運(yùn)行。將斜皮帶L0范圍內(nèi)的礦料全部取下，并進(jìn)行稱重m0。為減小誤差，進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。計(jì)算流量公式如式（3），其他冷料倉(cāng)標(biāo)定方法同上。

式中，Q1為計(jì)算流量，kg/s；m0為取樣重量，kg；L0為斜皮帶取樣長(zhǎng)度，m。

（3）由于標(biāo)定時(shí)，冷料沒(méi)有進(jìn)行烘干除塵，因此需要對(duì)公式進(jìn)行修正，同時(shí)為了便于計(jì)算，將流量單位由Q1′（kg/s）轉(zhuǎn)化為Q2（t/h），見(jiàn)公式（4）、（5）。

式中，ω為含水率，%；γ為除塵率，%。

容積式計(jì)量法是通過(guò)調(diào)整料門(mén)高度和供料皮帶轉(zhuǎn)速來(lái)改變供料流量。這種計(jì)量方式必須在每次施工前對(duì)冷料倉(cāng)進(jìn)行流量標(biāo)定。通過(guò)標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，計(jì)時(shí)走料標(biāo)定法步驟簡(jiǎn)便，且冷料取樣樣本容量大，標(biāo)定結(jié)果較準(zhǔn)確。然而一些不足之處也值得注意：（1）冷料流量標(biāo)定時(shí)都是單一料倉(cāng)的冷料經(jīng)過(guò)烘干滾筒，此時(shí)除塵系統(tǒng)工作參數(shù)與正常生產(chǎn)時(shí)相同，但是供料流量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常生產(chǎn)時(shí)供料流量，這就導(dǎo)致了除塵量過(guò)高，所以稱量結(jié)果往往與實(shí)際有偏差；（2）烘干和除塵系統(tǒng)的工作將導(dǎo)致大量能量的浪費(fèi)；（3）由于瀝青攪拌設(shè)備的冷料要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入熱料倉(cāng)，因此標(biāo)定效率較低；料段取樣標(biāo)定法優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單可行，快速準(zhǔn)確，在實(shí)際生產(chǎn)中易于操作，而且節(jié)能環(huán)保，不足之處在于冷料計(jì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用開(kāi)環(huán)控制的方式，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和誤差的反饋調(diào)節(jié)。

綜上所述，容積式計(jì)量法的計(jì)量精度依賴于冷料倉(cāng)流量標(biāo)定的準(zhǔn)確性。在標(biāo)定過(guò)程中上述問(wèn)題始終沒(méi)有得到妥善地解決，導(dǎo)致容積式計(jì)量法的精度下降。

2 皮帶秤計(jì)量方法研究

2.1 傳統(tǒng)電子皮帶秤結(jié)構(gòu)與計(jì)量原理

電子皮帶秤計(jì)量裝置主要包括7部分：皮帶輸送裝置、稱重傳感器、測(cè)速傳感器、秤架、信號(hào)處理器、微機(jī)控制器以及計(jì)算機(jī)終端［8］。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 電子皮帶秤計(jì)量裝置

目前，電子皮帶秤主要利用積分法對(duì)單位時(shí)間流過(guò)的物料重量以及單位時(shí)間通過(guò)的距離進(jìn)行積分運(yùn)算，從而準(zhǔn)確獲得稱量結(jié)果。其計(jì)量原理：由皮帶輸送裝置以一定的速度運(yùn)送物料，由安裝在皮帶輸送裝置下秤架上的稱重傳感器實(shí)時(shí)稱得單位時(shí)間里的物料重量，同時(shí)由速度傳感器測(cè)得皮帶的速度，可知道單位時(shí)間內(nèi)物料的輸送距離；將通過(guò)皮帶秤的物料重量和皮帶的速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)處理器進(jìn)行放大處理，最后由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分運(yùn)算處理以及補(bǔ)償調(diào)整處理，得到物料的重量。

其中，輸送機(jī)輸送物料時(shí)傳感器測(cè)得皮帶上單位長(zhǎng)度的瞬時(shí)載荷值q（t）與在同一時(shí)刻測(cè)得的物料輸送皮帶的瞬時(shí)速度v（t）相乘，計(jì)算結(jié)果即為物料的瞬時(shí)流量W（t），在時(shí)間T內(nèi)對(duì)物料的瞬時(shí)流量積分得到累積重量，如式（6）所示。

式中，W為時(shí)間T內(nèi)物料的累計(jì)重量，kg/s；W（t）為物料的瞬時(shí)流量，kg/s；q（t）為皮帶上單位長(zhǎng)度的瞬時(shí)載荷值，kg/m；v（t）為皮帶的輸送速度，m/s。

2.2 傳統(tǒng)電子皮帶秤的誤差分析

隨著電子皮帶秤在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其計(jì)量精度要求逐漸提高。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行了相關(guān)分析，得出導(dǎo)致電子皮帶秤計(jì)量誤差的主要因素包括：稱重力誤差δ1、輸送帶速度誤差δ2、信號(hào)處理誤差δ3、安裝校準(zhǔn)誤差δ4、環(huán)境因素誤差δ5等。在工程實(shí)際中，這些誤差影響測(cè)量結(jié)果的程度也不相同。由實(shí)踐和理論分析可知，稱重力誤差δ1是影響電子皮帶秤測(cè)量精度的主要因素，而導(dǎo)致稱重力誤差δ1的原因有很多，其中“皮帶效應(yīng)”是主要原因。

“皮帶效應(yīng)”在傳統(tǒng)電子皮帶秤中無(wú)法避免，導(dǎo)致的計(jì)量誤差不可忽略。H·Colijn以簡(jiǎn)支梁假設(shè)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立電子皮帶秤的稱重力測(cè)量模型推導(dǎo)出較為精確的計(jì)算公式［9］，如式（7）所示。

當(dāng)將輸送帶假設(shè)為剛性的簡(jiǎn)支梁時(shí)，k（z）較為復(fù)雜。將輸送帶假設(shè)為柔性的繩索時(shí)，與實(shí)際情況更為相符，此時(shí)k（z）=1，方便分析計(jì)算。式（8）由公式（9）表示。

將式（9）中的誤差源D與T分別以增量的形式代替為（D0+ΔD）和（T0+ΔT）進(jìn)行泰勒展開(kāi)計(jì)算，如公式（10）所示。

由式（10）可知，第一項(xiàng)為常量，屬于系統(tǒng)中的恒定誤差，該誤差可以通過(guò)稱重傳感器的校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)零點(diǎn)和校準(zhǔn)量程進(jìn)行歸零處理；第二項(xiàng)的誤差中ΔD是由于秤架系統(tǒng)中各部分的撓度變形導(dǎo)致的稱重托輥的垂直下沉量；第三項(xiàng)的誤差中ΔT是由輸送帶張力變化導(dǎo)致。由此可知，第二項(xiàng)與第三項(xiàng)的誤差之間有著很強(qiáng)的相關(guān)性，并不是獨(dú)立的，兩種誤差都受到物料流的重量影響。

綜合以上情況，再將系統(tǒng)恒定誤差予以消除考慮，誤差可用式（11）表示。

由上述推導(dǎo)可知，“皮帶效應(yīng)”的影響始終存在，輸送帶運(yùn)行過(guò)程中的皮帶跑偏、皮帶松弛等對(duì)計(jì)量精度的影響無(wú)法避免。在實(shí)際工程中，傳統(tǒng)電子皮帶秤的計(jì)量精度隨著使用時(shí)間的增加產(chǎn)生的誤差越來(lái)越大，往往超出規(guī)定值。一旦誤差超出規(guī)定值，就必須重新校準(zhǔn)皮帶秤，使得皮帶秤的誤差被控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。校準(zhǔn)過(guò)程繁瑣困難，而且校準(zhǔn)次數(shù)隨著皮帶秤使用時(shí)間的增加而增加。

2.3 懸臂式皮帶秤計(jì)量數(shù)學(xué)模型的建立

針對(duì)傳統(tǒng)電子皮帶秤計(jì)量裝置存在的不足，通過(guò)對(duì)瀝青攪拌設(shè)備皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)易改進(jìn)，將懸臂式皮帶秤加入到冷料配料系統(tǒng)，其簡(jiǎn)易圖如圖2所示。

圖2 裝有懸臂皮帶秤裝置的稱量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在傳統(tǒng)冷料稱量系統(tǒng)中，將給料皮帶和輸料皮帶中間加上一個(gè)懸臂式稱重皮帶秤裝置，該裝置與給料皮帶固定，懸臂式皮帶秤末端裝有稱重傳感器，如圖2所示。其受力過(guò)程為：當(dāng)物料下落至輸送帶的支點(diǎn)A處，稱重傳感器承受的力為零；物料繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)A點(diǎn)后，稱重傳感器承受的重力持續(xù)增大；經(jīng)過(guò)B點(diǎn)（皮帶末端）時(shí)，稱重傳感器承受的重力達(dá)到峰值。根據(jù)電子皮帶秤稱重原理得到物料的重量，該裝置能夠完全消除“皮帶效應(yīng)”的影響，提高計(jì)量精度。通過(guò)對(duì)懸臂式皮帶秤輸料過(guò)程受力分析（如圖3所示），建立力的平衡方程用公式（12）表示。

式中，m（t）為皮帶上瞬時(shí)物料重量，kg；F3（t）為重力傳感器受到物料的瞬時(shí)作用力，N；F4（t）為物料對(duì)皮帶的瞬時(shí)沖擊作用力，N。

皮帶料流長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，單位長(zhǎng)度的物料質(zhì)量q（t）為

由公式（15）可得在時(shí)間T內(nèi)經(jīng)過(guò)皮帶秤的累積物料流量W為

式中，v（t）為懸臂式皮帶秤輸送帶速度，m/s；g為重力加速度，取值為9.8m/s2；L1為傳感器支點(diǎn)（皮帶末端）到支點(diǎn)中心的水平距離，m；l1為料流質(zhì)心位置到支點(diǎn)中心的水平距離，m；l2為料流沖擊力位置到支點(diǎn)中心的水平距離，m。

由式（15）分析可知，上述流量計(jì)量公式不僅受到重力傳感器所受物料的瞬時(shí)作用力F3的影響，還與物料對(duì)皮帶的瞬時(shí)沖擊作用力F4有關(guān)。由于物料對(duì)皮帶的瞬時(shí)沖擊作用力F4受到供料皮帶高度、瞬時(shí)物料重量等外界因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量不便，而且存在較大誤差，所以為了提高計(jì)量精度，在設(shè)計(jì)懸臂式皮帶秤時(shí)，支點(diǎn)O應(yīng)盡量與物料沖擊力F4的作用點(diǎn)重合。此時(shí)l2=0，式（15）可化為

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）容積式計(jì)量流量標(biāo)定方法通過(guò)建立小皮帶轉(zhuǎn)速或頻率與流量之間的線性方程，最終確定合適的小皮帶轉(zhuǎn)速或頻率，用來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，但是傳統(tǒng)的冷料計(jì)量控制系統(tǒng)每次施工前需要對(duì)冷料倉(cāng)進(jìn)行流量標(biāo)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整誤差，所以應(yīng)該將這種開(kāi)環(huán)控制方式改為閉環(huán)控制方式，從而實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)；

（2）傳統(tǒng)電子皮帶秤具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易安裝，占用空間小易布置，成本低易普及，動(dòng)態(tài)計(jì)量速度快，連續(xù)稱量效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是不能消除“皮帶效應(yīng)”，其計(jì)量精度難以滿足瀝青攪拌設(shè)備要求；

（3）通過(guò)設(shè)計(jì)一種懸臂式皮帶秤，建立力學(xué)分析模型，得到了與之對(duì)應(yīng)的流量計(jì)量公式。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)懸臂式皮帶秤時(shí)，支點(diǎn)O應(yīng)盡量與物料沖擊力F4的作用點(diǎn)重合，此時(shí)可以有效避免物料沖擊力對(duì)皮帶的影響，從而實(shí)現(xiàn)在瀝青攪拌設(shè)備中用稱重計(jì)量法替代容積式計(jì)量法，提高流量計(jì)量精度。