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1、 螺旋秤与减量秤计量特性分析与优化 武玉松冯沅谢永平刘洪海摘 要：通过对螺旋秤与减量秤计量系统结构组成与计量原理的分析及对两种系统应用过程的试验研究，得到影响其计量精度与稳定性的主要因素，据此提出一套水泥计量系统优化方案，并进行了实体工程验证。结果表明，该优化方案能够很好的满足公路工程对稳定土厂拌设备水泥计量精度及稳定性的要求。关键词：稳定土厂拌设备；螺旋秤；减量秤；水泥计量：U415.52 文献标志码：B0 引 言稳定土厂拌设备是筑路机械的主要机种之一，被广泛应用于各等级公路基层、底基层混合料的拌制1。其水泥计量精度的高低是评价整机计量性能的重要指标，直接影响着成品混合料质量。研究表明，混合
2、料水泥含量过少将导致集料间的粘结力不足，路面强度降低；水泥含量过高，虽然可以增加强度，但也会产生较大的收缩裂缝2。因此在混合料的拌制过程中，要确保水泥剂量的偏差在一定的范围内。目前，计量水泥主要依靠螺旋秤和减量秤两种典型计量系统。由于两种计量系统的结构组成和计量原理不同，因此影响其计量精度与稳定性的因素也有差异。本文通过对两种结构型式与计量原理的水泥计量系统进行分析与过程检测，得出影响水泥计量精度与稳定性的主要因素，据此提出优化方案，并对该方案进行实体工程验证。1 水泥秤计量特性分析1.1 减量秤计量特性分析减量秤计量系统通过检测储料仓重量的减少速率来确定水泥供给的瞬时流量，其结构示意如图1所
3、示。储料仓上设置有称重传感器，在生产过程中，称重传感器将检测到的重量信号传给控制器，由控制器计算水泥瞬时的流量，再与实验室给出的设定值进行比较，发出偏差信号给控制出料螺旋转速的变频器，进而调整水泥输出流量3，直到与设定值相符并稳定运行。图1 减量秤称重结构由于减量秤计量系统储料仓的容积有限，当水泥量低于设定下限时，系统发出上料指令，上料螺旋电机运行，直到水泥量恢复到上限。在添加水泥的过程中，储料仓的称重传感器不能检测料仓重量的减少速率，因此系统将出料螺旋的转速锁定在上料前那一时刻的转速值上。此时的减量秤计量系统转变为出料螺旋转速恒定的容积式计量系统。容积式计量系统达到计量准确与稳定的前提是所出
4、水泥的密度稳定，这就要求储料仓底部水泥承受的压力要相对稳定4。然而添加水泥的过程是把水泥量从设定下限补充到设定上限的过程，随着水泥量的不断增加，仓底水泥承受的压力不断增大，水泥的密度也随之增大。因此在料仓中水泥最少（水泥密度最小），且出料螺旋转速锁定的情况下，往储料仓添加水泥，出料螺旋向搅拌缸输送的水泥量会不断增加。水泥添加完成后，称重传感器开始检测储料仓重量的减少速率，控制器重新调整出料螺旋转速直到出料螺旋向搅拌缸输送的水泥量重新稳定在允许的偏差范围内。故减量秤计量系统本身就是一个稳定波动调整稳定的周期性波动过程。在搅拌设备生产过程中，通过设置物料小时流量传感器和监测系统进行配料准确性与稳定
5、性检测。实际工程应用中减量秤计量系统的水泥供量变化情况的检测结果如图2所示。施工单位一般采用滴定试验来检测混合料水泥剂量，并据此调整控制室水泥配料比例。若在系统波动和调整阶段采用滴定试验检测水泥实际剂量并将其作为控制室配方修正依据进行水泥供给设定，那么系统稳定后混合料的实际水泥剂量会低于配比要求，路面铺筑质量达不到设计要求。图2 减量秤水泥供料量变化曲线因此，在上料过程中减量秤计量系统的出料口水泥密度变化过大，是导致水泥剂量出现周期性波动，成品混合料质量稳定性差的主要因素。1.2 螺旋秤计量特性分析螺旋秤计量系统由机械部分和电控部分组成，机械部分包括水泥仓或水泥暂存仓、螺旋给料机、计量螺旋等，
6、电控部分包括称重传感器、变频器、控制器等，其结构如图3所示。计量螺旋称重传感器将检测到的重量信号反馈到控制系统，通过控制系统比较处理后发出指令给变频器以调节螺旋给料机转速，进而控制水泥流量，使其保持在一个相对稳定的范围内，实现水泥计量5。图3 螺旋秤称重结构从设备结构和控制过程看，该计量系统并无太大缺陷，但实际工程应用中往往发现有些螺旋秤供料系统难以达到预期效果。通过设置物料小时流量传感器和监测系统对某螺旋秤计量系统进行配料准确性与稳定性过程检测，结果表明，该螺旋秤水泥配料过程流量变化较大。如图4所示，螺旋秤计量系统水泥供料量围绕设定值不断的波动，且波动量偏离设定值较大，如此严重的配料误差和波
7、动将使混合料变异性增加，混合料稳定性变差。当施工单位采用滴定试验检测混合料水泥剂量时，若取得的混合料恰是图2中水泥供料量处于波峰部分时，那么水泥剂量偏高，此时如果将水泥设定值调低，图4 螺旋秤水泥供料量变化曲线则后续的混合料水泥剂量会低于实验室配比的要求，将导致路面基层强度达不到要求；反之，则会使后续混合料水泥剂量高于实验室配比的要求，导致路面开裂且增加工程造价。从全系统看，水泥计量不只是称重问题，还涉及到材料、设备结构等多方面因素的影响，任何一个环节出现问题都会直接影响螺旋秤计量系统水泥供料量的稳定性。产生图4所示现象的主要原因是，在混合料拌制过程中，水泥仓或水泥暂存仓中的水泥量在不断变化，
8、料仓底部水泥承受的压力不断变化，导致这部分水泥的密度也在不断变化，控制系统需要根据水泥密度的变化不断地调节给料电机频率，再加上系统反馈的滞后性，使供料成为一个不稳定的过程。螺旋秤是一种杠杆秤（螺旋的一端连接拉力或压力传感器，另一端为支撑点），其支撑点往往与计量螺旋的进料口距离较远，水泥由螺旋给料机进入计量螺旋时会对计量螺旋产生冲击，称重传感器检测到的重量不只是水泥的重量还包括水泥对计量螺旋的冲击影响，当冲击力较大且不稳定时，必然会导致水泥供量的准确性与稳定性受到较大影响。水泥在料仓锥形底部起拱时，尽管称重传感器已测出实际水泥供量低于设定值并使给料螺旋加速运转，但仍不能使水泥流量增加，成品料中水
9、泥含量必然不足。此时启动破拱，会有大量水泥瞬间流入，一段时间内水泥流量很大，随后系统检测到水泥流量过大又会降低螺旋转速，水泥供量就会不稳定。故水泥密度的变化、计量螺旋支撑点位置设置不合理及水泥的起拱是影响螺旋秤计量准确性与稳定性的主要因素。endprint2 水泥计量系统的优化为提高水泥计量的准确性、稳定性，以螺旋秤计量系统为基础，针对影响其计量的主要因素提出以下的优化方案。（1） 在水泥暂存仓安装射频声纳电容连续式料位计，可连续检测料仓内水泥料位变化。如图5所示，控制系统设定料仓内水泥料位高度允许变化量h，检测到的料位信号实时传输到控制系统，当料位低于控制料位1时，上料螺旋给水泥暂存仓上料，
10、直到到达控制料位2时再停止上料；随着生产的进行，暂存仓内的水泥料位下降，当料位低于控制料位1时，上料螺旋再次启动，直到料位到达控制料位2时停止。在生产中，将水泥料位高度允许变化量h设定在一个较小的范围内，可使仓底水泥承受的压力保持基本不变，仓底水泥的密度即可保持基本不变，给料螺旋电机的转速亦可保持不变，水泥计量的稳定性从而会大大提高。图5 水泥计量系统的优化（2） 缩短给料螺旋长度并将其出料口抬高一定角度。给料螺旋太长会加剧控制系统调节滞后的现象，通过缩短给料螺旋的长度，可以提高控制系统的调节效率；水泥自身具有流动性，将给料螺旋出料口抬高一定角度，可以有效避免水泥的自流，提高水泥流量的准确性与
11、稳定性。（3） 计量螺旋支撑点设置在计量螺旋进料口中心线上，以承受水泥进入计量螺旋时对计量螺旋的冲击力，避免称重传感器误将冲击力作为水泥重力的一部分而影响计量精度。（4） 在水泥暂存仓底部设置上下部均为锥状的破拱器，可防止水泥在仓底部起拱。3 实体工程验证为验证上述优化方案的效果，在施工现场对某WD500型厂拌设备螺旋秤计量系统进行改造，并完成标定工作6。正常生产时，设定水泥剂量为43%，取成品混合料进行实际水泥剂量滴定试验，以检测水泥配料的准确性和稳定性，试验数据如表1、2和图6所示。以上图表表明，在95%置信度下水泥剂量的变化范围为4.34%0.25%。该优化方案供料准确稳定，能够很好地满
12、足公路工程对稳定土厂拌设备水泥计量准确性及稳定性的要求。4 结 语水泥密度变化大和计量系统结构设计缺陷等因素会引起稳定土搅拌设备中的水泥剂量产生大幅波动现象，采用增加连续式料位计及料位控制系统，倾斜并缩短给料螺旋长度，计量螺旋支撑点设置于进料口中心线上，仓底增加锥形破拱器等技术措施，可以显著提高水泥计量的准确性与稳定性。试验证明，当水泥剂量设定值为4.3%时，在95%置信度下水泥剂量的变化范围可以控制在4.34%0.25%，计量准确且稳定。参考文献：1 董 武，王红华.影响稳定土拌和站水泥减量秤不稳定的主要因素J.筑路机械与施工机械化，2007，24（3）：18-19.2 杨龙安.水泥稳定碎石
13、基层施工中水泥剂量的变异性分析及控制J.盐城工学院学报：自然科学版，2010（2）：49-51.3 邵长柱.水稳碎石基层水泥剂量控制体系研究D.西安：长安大学，2012.4 陈新轩，于黎明.稳定土厂拌设备水泥供给计量系统分析J.建筑机械，2009，26（3）：88-90.5 付林坪，甘付宾，李 放.稳定土厂拌设备水泥计量系统的改进J.筑路机械与施工机械化，2012，29（8）：79-80.6 韩 宇，谢立扬，许俊清.稳定土厂拌设备的动态标定分析J.筑路机械与施工机械化，2006，23（12）：30-32，35.责任编辑：杜敏浩endprint筑路机械与施工机械化2015年2期筑路机械与施工机械化的其它文章基于ABAQUS的机械臂结构件优化与分析基于搅拌站的沥青发泡功能模块的通讯模式两种温拌改性沥青混合料的路用性能评价复杂钢管结构立柱的设计研究轮式摊铺机前轮辅助驱动系统的设计磨料水铣混凝土工艺规律分析 -全文完-
