瀝青拌合站稱量裝置結(jié)構優(yōu)化分析

候峙樸，范 英，陳佳峻，高思偉，閆 浩

(太原科技大學 交通與物流學院，山西 太原 030024)

0 引言

在道路施工中，對骨料稱量精度要求比較高。道路力學特性也對骨料稱量精度比較敏感，而道路力學特性的改變會影響人們的生命安全。因此瀝青拌合站骨料的配比精度也越發(fā)受到重視。

目前常用的動態(tài)稱量裝置有電子皮帶秤[1]、核子秤、溜槽秤及沖板流量計幾類[2]2。

皮帶秤的稱量原理是基于運輸機上某點重量，與皮帶運動速度和時間相乘后得出總質(zhì)量；核子秤是通過放射線照射通過的物料，根據(jù)穿透物料的射線的量折算出通過瞬間的物料質(zhì)量，再乘以物料通過的速度和時間后得出總質(zhì)量；沖板流量計是通過控制物料的下落方式和高度將沖擊速度和沖擊角度確定，并通過安裝的傳感器檢測物料流沖擊到檢測板上產(chǎn)生的沖擊，換算得到物料流沖擊檢測板的瞬時流量，然后經(jīng)過累加計算后得出物料質(zhì)量。

對瀝青拌合站骨料的稱量來說，溜槽秤和沖板流量計不管是在稱量原理還是稱量誤差方面都有著絕對的優(yōu)勢。對于皮帶秤和核子秤來說，熱骨料過高的表面溫度不僅會影響稱量精度，還會對稱量裝置的輸送皮帶造成損失，降低稱量裝置使用壽命。

通過對溜槽秤進行結(jié)構優(yōu)化，基于圓弧溜槽秤提出一種分段式的滑弧溜槽秤稱量裝置，并與精度較高的雙板秤稱量裝置以及目前瀝青拌合站常用的稱量斗式稱量裝置進行對比分析，以此來驗證稱量精度，找到最適合瀝青拌合站的稱量連續(xù)散狀固體物料的衡器。

實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental flow chart

1 溜槽秤稱量裝置

1.1 溜槽秤稱量裝置原理

溜槽秤稱量裝置以變質(zhì)量力學的動量定理為稱量原理。

在變質(zhì)量情況下，質(zhì)量是時間的函數(shù)，動量的變化為：

(1)

注意，dm改變是以速度u相對于m原質(zhì)量中分出。此時作用在m的力為F。

(2)

此式中，dm是以相對原質(zhì)量的速度ur分離出去或加進來，因此對m產(chǎn)生的作用力F改變了系統(tǒng)的動量，由此得變質(zhì)量力學的動量方程：

(3)

其中，ur為放出或加入質(zhì)量的相對速度，F(xiàn)為外力的合力，若用v表示放出或加入質(zhì)量的絕對速度，則用絕對速度表示的變質(zhì)量動量方程：

(4)

變質(zhì)量動量方程的積分形式為：

(5)

由此可以看出只要測出在時間t內(nèi)作用力F的累積值，就可求得在相同時間內(nèi)物料的總質(zhì)量。

溜槽秤稱量裝置的測力傳感器安裝在圓弧拐角處，主要用來測量溜槽秤所受的水平力，在實驗設定的時間內(nèi)，骨料到達測力圓弧處的速度為u1，角度為φ1，出去時的速度為u2，角度為φ2，根據(jù)變質(zhì)量動量原理，水平方向上圓弧所受的作用力等于水平方向物料動量的改變。

在忽略其他各種外部干擾力的情況下，在實驗設定的時間內(nèi)，槽在水平方向上受到的作用力為Fn與所經(jīng)過的骨料質(zhì)量有以下關系：

(6)

考慮到摩擦力等其他外部因素的影響，上式可改寫為：

(7)

1.2 溜槽秤稱量裝置現(xiàn)狀分析

溜槽秤稱量裝置具有構造簡單、便于拆卸、適用于各種全密封組合、可稱量附著性強的物料等諸多優(yōu)點，目前仍被廣泛使用。因此，對于溜槽秤稱量裝置的研究以及基于此稱量裝置的改進仍在不斷進行。

中國計量科學研究院的周祖濂研究員對溜槽秤稱量裝置作過詳細的總結(jié)介紹[3]，讓我們對溜槽秤這種稱量裝置有了足夠的了解。此外，很多人對溜槽秤進行了研究和改進。李勇等基于溜槽秤設計了一種具有兩個測力傳感器的圓弧滑槽秤[4]，兩個傳感器首尾相連來提高稱量精度；梁躍武等設計了一種新型的滑槽秤[5]，這種滑槽秤在傳統(tǒng)溜槽秤的基礎上在出口處增加了新型沖力傳感器以提高稱量精度；張榮軒基于梁躍武提出的新型滑槽秤，分析了該種稱量裝置在散裝糧食行業(yè)的應用前景[6]。

通過研究，發(fā)現(xiàn)很多人對溜槽秤的改進，都是從傳感器入手，對于溜槽秤本身結(jié)構的探究比較少。

通過對溜槽秤稱量計算原理以及公式的分析，不難得到出入角度φ1和φ2對于溜槽秤稱量精度具有很大的影響。因此本文從稱量裝置的結(jié)構入手，提出一種分段式的滑弧溜槽秤稱量裝置，通過分階段的結(jié)構來改變出入角的變化，以此來提高稱量裝置的精度。

1.3 溜槽秤稱量裝置結(jié)構改進

在整段弧式圓弧溜槽秤的基礎上，設置一個偏斜為9.77°的二階段斜面，以此將骨料的進入角變?yōu)榱?0.23°，再以二段式溜槽秤為基礎，根據(jù)公式和仿真實驗所得的數(shù)據(jù)逆推出骨料所需的最優(yōu)出去角為51.4°，得到三階段的最終角度為51.4°，改進過程如圖2所示。

圖2 溜槽秤結(jié)構優(yōu)化Fig.2 Structural optimization of chute scale

改進完成后，通過SW、hypermesh以及EDEM進行仿真分析[7]，通過實驗結(jié)論來證明改進后的三段式溜槽秤可以有效提高骨料的稱量精度。

2 結(jié)構優(yōu)化對比

為了更直觀地了解優(yōu)化前后不同結(jié)構下溜槽秤稱量裝置的稱量精度，將其他可能影響稱量精度的骨料重量、裝置材質(zhì)等外部因素設為相同的值，如表1所示，確保只存在結(jié)構這一個變量因素。

表1 模型及骨料數(shù)據(jù)Table1 Model and aggregate data

在已建好模型的基礎上，在hypermesh中進行網(wǎng)格劃分后導入EDEM進行仿真實驗。仿真過程中，為了確保測量精度可信，除了系統(tǒng)模型外，還應對EDEM軟件中的骨料、實驗時間等其他影響因素進行設置。

首先，仿真實驗中使用的熱骨料總體質(zhì)量均設置為100 kg；其次，為了更好地模仿實際效果，骨料總體設置成兩種不同的形狀，且生成骨料的顆粒工坊也設置為不規(guī)則隨機生成骨料；最后，為了確保實驗精度，增加說服力，設置為0.000 1 s記錄一次數(shù)據(jù)，總體實驗時間為2 s.

仿真過程如圖3所示，精度結(jié)果對比如表2所示。

圖3 不同稱量結(jié)構溜槽秤仿真Fig.3 Simulation of chute scales of different structures

表2 不同稱量結(jié)構的精度對比Table 2 Precision comparison of different weighing structures

通過實驗仿真和精度對比可以得知，三段式溜槽秤的稱量精度是最高的，相比二段式溜槽秤稱量精度幅度提高了62.3%，相比整段弧式溜槽秤稱量精度幅度提高了71.8%.

3 不同稱量裝置精度對比

在對溜槽秤稱量裝置的結(jié)構進行優(yōu)化后，通過對比雙板秤稱量裝置和稱量斗式稱量裝置的精度，來驗證結(jié)構優(yōu)化的成功性。

在不考慮密度、濕度、粒度等各種外力物理因素的條件下，沖板秤稱量裝置是測量熱骨料這類散狀固體物料最為理想的測量方法[2]25；稱量斗式稱量裝置是目前瀝青拌合站常用的熱骨料稱量裝置。因此選取這兩個稱量裝置與優(yōu)化后的溜槽秤稱量裝置進行對比分析。

3.1 沖板秤稱量裝置

沖板秤稱量裝置是通過動量改變的測量原理來測量骨料的質(zhì)量。依照沖板流量計的理論，骨料落到?jīng)_板上時，會有一個沖擊力F1，沖擊力F1可以分解為一個垂直向下的重力Fc和一個水平方向上的分力Fs，其中重力Fc就由安裝時的固定裝置以及兩塊板互相擠壓安裝產(chǎn)生的反作用力完全抵消，所以實驗時只需要測量水平方向上的分力Fs.

(8)

式中：Fs為物料在沖板水平方向上的分力；qm為物料的質(zhì)量；g為自由落體加速度；α為物料與沖板之間的夾角；β為沖板平面與水平面夾角；h為物料下落的起始點與沖板之間垂直距離。

本文對比采用的是雙板秤稱裝置。首先，雙板安裝角度固定，因此可以保證骨料落到?jīng)_板的角度和速度固定，可以有效降低誤差；其次，兩塊板的設計大大增加了骨料稱量面積，有效降低反彈和堆積誤差；最后，兩塊板固定在一起，互相受力，還能夠更加有效地抵消受到的垂直力，使稱量精度更準確。模型如圖4所示，仿真過程如圖5所示。

圖4 雙板秤式稱量系統(tǒng)Fig.4 The weighing system of the double plate scale

圖5 雙板秤式稱量系統(tǒng)仿真Fig.5 Simulation of the double plate weighing system

3.2 稱量斗式稱量裝置

稱量斗式稱量裝置主要靠骨料堆積到稱量斗上的力來測量骨料的質(zhì)量，稱量斗下方除了有稱量用的傳感器以外，還有卸料門控制開關。瀝青拌合站工作時，骨料會暫時儲存在稱量斗內(nèi)，當斗內(nèi)的質(zhì)量達到實際要求的質(zhì)量時，稱量斗下方的卸料門開啟，骨料會下落到下一步流程中[8]。

在不考慮其他外力因素影響的情況下，稱量斗的斗門承受熱骨料下落的沖擊力[9]。計算表達公式如式(9)所示。

(9)

式中：Wz為實際骨料的質(zhì)量，也就是所求的熱骨料的質(zhì)量；ρ0為骨料在空中密度；ρ為計量斗內(nèi)骨料密度；?為骨料在計量斗內(nèi)的休止角；r為骨料堆上方圓錐部分的半徑；其余的均為固定值。

稱量斗式稱量系統(tǒng)如圖6所示，仿真過程如圖7所示。

圖6 稱量斗式稱量系統(tǒng)Fig.6 A weighing system of the weigh hoppper

圖7 稱量斗式稱量系統(tǒng)仿真Fig.7 Simulation of the weighing system of the weigh hoppper

3.3 精度仿真對比

三段式溜槽秤稱量裝置和雙板秤稱量裝置以及稱量斗式稱量裝置的精度對比如表3所示。

表3 不同稱量裝置精度對比Table 3 Comparison of accuracy of different weighing devices

通過仿真實驗可知，經(jīng)過結(jié)構優(yōu)化的三段式溜槽秤的稱量精度是三種不同稱量裝置中最高的，稱量精度的誤差約為1.24%，滿足國家標準GB/T 17808-2010規(guī)定的動態(tài)配料計量中的骨料計量精度±2.50%[10].

4 結(jié)論

通過對溜槽秤稱量裝置的結(jié)構優(yōu)化以及與不同稱量裝置精度的實驗計算對比，可以發(fā)現(xiàn)，三段式溜槽秤稱量裝置的精度誤差是最小的，證明結(jié)構優(yōu)化后的三段式溜槽秤稱量裝置的稱量精度比雙板秤稱量裝置和稱量斗式稱量裝置的稱量精度更高。

三段式溜槽秤稱量裝置，稱量誤差約為1.24%，可以大大降低骨料稱量時的誤差，提高稱量精度，對瀝青拌合站熱骨料稱量裝置的設計提供了一定的參考。而同時，稱量精度的提高，對于整個瀝青拌合站運作的環(huán)保問題、資源利用率問題以及道路保護等方面都有很重要的意義。