（机械电子工程专业论文）稳定土厂拌设备粉料计量系统研究.pdf

摘要 稳定土厂拌设备是路面施工机械的主要机种之一，是拌和水泥稳定土的关键设备， 用于拌和各种以水硬性材料为结合剂的稳定混合料，其粉料计量的精度和稳定性，决定 了成品料质量的好坏。 作为一种连续强制式搅拌设备，稳定土厂拌设备的工作原理决定了它对粉料的计量 必须是一种动态连续的计量。从计量方式上看，现有的稳定土厂拌设备对物料的计量有 容积式计量和称重式计量，而从结构形式看，先后采用了皮带秤、螺旋秤和减量称等几 种形式。其中利用螺旋计量秤进行计量的方式在国内外连续式稳定土厂拌设备上得到了 广泛的应用，技术也相对比较成熟。 论文在分析连续式稳定土厂拌设备粉料计量技术现状以及国内外相关资料的基础 上，提出目前粉料计量系统普遍存在的问题是由于粉料的自身特性造成的粉料输送的不 稳定，从而造成的计量精度不高；通过对各种粉料输送、计量结构形式的分析以及对稳 定土厂拌设备粉料计量系统大量动态标定数据的统计比较，提出利用双管螺旋计量的方 案可以提高粉料计量系统的计量精度：依据粉料输送理论，对双管螺旋的机械结构部分 进行了计算与设计：对所设计的螺旋利用机械模拟仿真技术进行了机构的静态和动态干 涉检查，利用a n s y s 软件对其进行了应力与变形分析，仿真结果表明该系统可满足正 常生产要求；在此基础上，对根据设计参数制造的双管螺旋系统进行了实验，实验结果 表明该系统可以提高稳定土厂拌设备的粉料计量精度和输送稳定性。 关键词：连续式稳定土厂拌设备，粉料称量系统，双管螺旋，计量精度，仿真 a b s t r a c t s t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n ti so n eo ft h ec e n t r a lr o a ds u r f a c ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r ya n d i ti st h ek e ye q u i p m e n tt om i xt h es o i l t h ew e i g h i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo ft h ep o w d e r w e i g h i n gs y s t e mi nt h i se q u i p m e n ti sv e r yi m p o r tt ot h eq u a l i t yo fc e m e n ts t a b i l i z e ds o i l t h em e t e r i n gm e t h o d so ft h ec o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t ss h o u l db ed y n a m i c a n dc o n t i n u o u sb e c a u s et h e i rw o r k i n gm o d e t h e yc a nb ec a t e g o r i z e dt oc u b a g em e t e r i n ga n d w e i g h tm e t e r i n gi nt h ef o r mo fm e t e r i n gm e t h o d s i fw ec a t e g o r i z et h e mi nt h ef o r mo f s t r u c t u r e ，i tw i l lb es t r a pm e t e r i n gd e v i c e ，s t r e wm e t e r i n gd e v i c ea n ds u b t r a c t i o nm e t e r i n g d e v i c e b e i n go n eo ft h e s es t r u c t u r e s ，s c r e wm e t e r i n gd e v i c ei sm a t u r ea n di sw i d e l yu s e di n d o m e s t i ca n df o r e i g nc o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t s b a s e do nt h et e c h n i q u es t a t u sa n df o r e i g nd a t ao fc o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t ， t h ew r i t e rp u tf o r w a r dt h ep r o b l e mo ft h ep o w d e rw e i g h i n gs y s t e mt h a tt h ew e a k n e s so f w e i g h i n gp r e c i s i o ni sb e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i co fc e m e n t a n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fs e v e r a l p o w d e rw e i g h i n gs y s t e ma n ds o m ed a t ao fd y n a m i cc a l i b r a t i o no ns e v e r a le q u i p m e n t s ， a n dc o n s u l t e dt h ed a t a ，t h ew r i t e rf o u n dt h ed o u b l e d s c r e ww e i g h i n gs y s t e mi ss u p e r i o rt h a n o t h e rs y s t e mi np o w d e rw e i g h i n g f o l l o w e dt h et h e o r i e so fp o w d e rd e l i v e r y , am a c h i n ew a sd e s i g n e di nt h i sp a p e rw h i c h c a nw e i g hp o w d e rm a t e r i a lw i t had o u b l e d - s c r e w s y s t e m f i n a l l y , t h ew r i t e rt e s t e dt h em a c h i n ew i t ht h em e t h o do fs i m u l a t i o n , a n de x a m i n e dt h e s c r e ww h i c hd e s i g n e di nt h ef o r e g o i n gc h a p t e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a l lm a i n t a i n g o o dw e i g h i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yi na c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i l m i x i n gp l a n t ，p o w d e rw e i g h i n gs y s t e m ， d o u b l e - s c r e w , w e i g h i n gp r e c i s i o n ，s i m u l a t i o n l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 彩，垃乞 叫年，月哕日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 彩娩 锄签名：心 沙p 具习日 产眇日 长安人学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，国内外采用最多而又有成效的基层施工方法可以分为两种：路拌法和厂拌法。 路拌法的是将各种基层修筑材料分层摊铺在道路基层上，用路拌机将各种材料就地 拌和均匀，然后压实成型。路拌法与厂拌法相比，具有基层材料搅拌不均匀以及施工质 量不高等缺点，但是设备投入少，所以常用于低等级公路建设。 厂拌法指的是将各种基层修筑材料集中在稳定土拌和厂，将其混合搅拌均匀，然后 运送到现场进行摊铺，再碾压成型。厂拌法对基层材料配比的精度特别是对稳定剂( 主 要是水泥) 的控制精度要比路拌法准确很多，而其在拌和的均匀性和材料的节省方面也 比路拌法要好，所以目前在高等级路面的路基工程施工中普遍采用这种方法。 稳定土厂拌设备是采用厂拌法进行生产的关键设备，它的作用主要是将土、碎石、 砾石或者碎砾石、水泥、粉煤灰、石灰以及水等路面基层材料按照施工配合比在固定地 点进行均匀拌和。作为当前高等级公路建设中的一种高效能稳定土基层材料拌合设备， 它对稳定材料级配精度高、拌和的均匀性好、能够更好地保证稳定材料质量，所以在目 前的高等级路面路基工程施工中有着广泛的应用【l j 。 自2 0 世纪9 0 年代初开始，随着我国公路建设的高速发展和公路施工技术的不断改 进，新型的基层材料、新的施工工艺被进一步推广使用，带动了我国稳定土厂拌设备的 发展。由于市场需求的多样性，加上新技术、新原理的应用，使得稳定土厂拌设备无论 是在整体的结构上，还是产品的功能上，都呈多样化发展，在我国公路建设事业中发挥 着重要作用。生产制造厂从开始的一两家增加为多家，产品品种规格逐渐丰富，虽然在 技术性能、外观质量、耐用性、制造精度等方面和国际先进设备相比还存在一定的差距， 但是国产设备基本技术性能一般都能达到施工技术规范所规定的要求。因此，在路面机 械市场上和已投入使用的稳定土厂拌设备中，大多数是国产产品，进口产品较少。同其 它路面机械产品相比，我国的稳定土厂拌设备生产能力是较强的，但在计量的精度和稳 定性、控制系统的精度等方面还有待于进一步的提高。 1 2 本课题研究的背景 1 2 1 稳定土和稳定土厂拌设备 第一章绪论 在道路施工的过程中，一般基层材料都是采用施工所在地容易得到的廉价材料，要 求其密实性好、孔隙率小、水稳性好。可以作基层的材料有水泥稳定土、石灰稳定土、 石灰工业废渣、级配碎石、级配砾石以及填隙碎石等。目前我国采用比较多的基层材料 是水泥稳定土、石灰稳定土和石灰工业废渣等，其中水泥稳定土所占的比例最大。 水泥稳定土是用水泥做结合材料生产基层混合料的一个广义的名称，它包括用水泥 稳定各种细粒土、中粒土和粗粒土。在经过粉碎或原来就是松散状态的土中，加入适量的 水泥和水，经拌和得到的混合料在压实和养生后，当其抗压强度符合规定要求时，称为水泥 稳定土【2 1 。在半刚性的路面结构中，水泥稳定土被越来越广泛地使用，这与水泥稳定土本身 所具备的优点是分不开的。水泥稳定土的主要优点有： ( 1 ) 、强度高，稳定性好。水泥稳定土具有足够高的强度，可以适应重交通量和高速公路路 面基层的需要。水泥稳定土的强度通常是比较稳定的，它受水分变化的影响不大，而且它 的强度越高，稳定性越好。 ( 2 ) 、水泥稳定土的强度可以调整，以适应不同交通量的需要。其强度可以适应轻交通量 的最低要求，例如龄期7 d 的抗压强度小于1 0 m p a ( 底基层) ，还可以适应重交通量的要求， 例如美国加利福尼亚州要求7 d 的抗压强度为5 4 m p 钆一些国家的贫混凝土强度大于 1 0 m p a l 3 1 。 ( 3 ) 、在缺乏优质基层粒料的地区，采用水泥稳定土铺筑的基层或底基层，通常是比较经 济的。 稳定土厂拌设备作为水泥稳定土的生产设备，其结构主要由以下几部分组成并按照 图1 1 所示方式布置： 图1 1 稳定土厂拌设备 2 长安人学硕上学位论文 1 骨料供给系统 骨料配料系统包括料斗、斗架和水平皮带输送机等。进行稳定土生产时，利用装载 机或者其它的上料机械，将不同粒径的骨料分别加入到不同的料斗内，每一个料斗的下 面都有一套皮带配料机构，皮带配料机构由调速电动机驱动，按照施工技术要求的配合 比进行骨料的供应；经计量的骨料通过水平集料皮带输送机输送至斜置的集料皮带输送 机上再进入搅拌缸进行搅拌。 2 粉料供给系统 粉料供给系统主要包括粉料储仓、螺旋输送机、粉料计量秤等。按照施工技术要求 的配合比进行粉料供给。 3 集料皮带输送机 集料皮带输送机包括水平集料皮带输送机和斜置的集料皮带输送机，其作用是将经 过计量的各种骨料等输送到搅拌机中。 4 供水系统 供水系统的作用是控制和调节被拌和的稳定材料的含水量，由水箱、水泵、三通阀、 节流阀、流量计、管路以及喷水管等组成。 5 搅拌缸 目前稳定土厂拌设备的搅拌缸大多采用的是双卧轴强制连续搅拌的形式。搅拌轴在 电机的带动下旋转，将各种物料在搅拌叶片的作用下一边拌和一边推向成品料输出方 向，这样可以保证连续的进料、搅拌和成品料输出。 6 混合料储存仓 经搅拌缸拌和好的成品料从搅拌机的输出端经斜皮带进入混合料储存仓暂时存放。 混合料储存仓主要包括立柱、平台、料斗、溢料管以及启闭斗门的液压传动机( 或者气 压传动机) 等。当混合料储存仓装满成品混合料时，可以用手动控制液压系统( 或者气 动系统) 打开放料门，将混合料装入自卸卡车运送至施工现场进行铺筑。 7 电器、控制系统 电器、控制系统主要由强电控制部分和工业计算机控制部分组成。强电控制部分 采用3 8 0 v 5 0 h z 的交流电源供电，控制柜中安装总开关、断路器以及其它的与设备工 作容量及工况相适应的电器元件。工业计算机控制部分则采用2 2 0 w 5 0 h z 的交流电源 供电，其控制柜主要由工控计算机、工控板卡、调速控制器、控制软件以及相关的传感 器等电器元件组成。 3 第一章绪论 1 2 2 稳定土厂拌设备计量系统现状 稳定土厂拌设备作为连续强制式的搅拌设备，其工作原理决定了它对骨料、粉料和 水等材料的计量必须是一种动态的、连续的计量。从计量的方式上看，现有的稳定土厂 拌设备对物料的计量主要有容积式计量和称重式计量两种形式，而从计量系统的结构形 式看，有皮带秤、螺旋秤和减量称等几种形式。容积式计量是通过控制单位时间内的物 料体积流量来达到控制物料重量流量的计量方式，是用调速电机来控制物料输送皮带机 ( 或者螺旋输送机) 的转速从而实现物料输送量的控制，这种计量方式在稳定土厂拌设 备的骨料计量上得到了广泛应用；称重式计量则是根据传感器所反馈的重量信号对物料 重量流量直接做出调整控制。在稳定土厂拌设备上常用的有皮带秤、螺旋秤和减量秤等 3 种形式。称重计量与容积计量相比，更能及时、直接对重量流量做出调整控制，相对 计量精度也较高，更能与微机控制技术相结合，达到满意的精度要求。【4 j 【6 1 在微机控制技术方面，稳定土厂拌设备计量系统的控制模式已经逐渐向计算机集成 控制模式发展。 我国从上世纪七十年代开始从欧洲引进开发连续搅拌，到目前为止一直采用这几种 连续式的计量形式，在计量方式上始终未有大的突破。事实上，这几种计量方法在欧洲 使用能够作到高精度，例如德国申克( s c h e n c k ) 的皮带秤，其动态配料精度可以达到 2 ，而在我国由于受到机械制造及材料等基础工业的制约，国产的皮带配料秤很难达 到这一精度。目前我国用于公路行业的皮带秤计量精度一般只能达到3 左右，与容积 计量的计量精度相当，而且稳定性较差。虽然目前我国生产的螺旋秤和减量秤可以将动 态配料精度控制在1 以内，但在稳定性等方面还是与国外同类产品有着较大差距，有 待于进一步的提高。 1 3 研究本课题的目的和意义 粉料( 主要是水泥) 供给计量系统的精度和稳定性是影响稳定土混合料强度的重要 因素之一，如果粉料量变化较大，混合料必然出现离析，最终影响基层的摊铺和压实 质量；如果粉料计量不准确，将影响混合料最终的强度，出现强度过高造成裂缝或强度 不足造成松散。 水泥稳定土的强度随着水泥剂量的增加而增加，对于级配不好的混合料来说，水泥稳 定土的强度对水泥的强度依赖性很强，主要依靠水泥的胶结作用；而对于级配良好的水泥 稳定土来说，其强度既来源于水泥的胶结作用，又来源于骨料的支撑作用。但是，考虑到 4 长安大学硕士学位论文 水泥稳定土的抗温缩与抗干缩以及经济性，混合料中水泥的用量应该有一个合理的范 围。试验结果表明，水泥稳定类材料的强度随水泥剂量的增加而提高，但随着水泥剂量的 增加，裂缝也会增多、加宽。据统计，水泥剂量增加一倍，路面的横缝增加2 4 倍。可见过多 的水泥剂量，强度虽增加了，而在经济上却不一定合理，在效果上也不一定显著。试验和研 究表明，水泥剂量为4 - - 8 较为合理。【7 】但从抗裂缝的角度来考虑，当混合料中的水泥剂 量为5 6 时，水泥稳定土的抗温缩和抗干缩性能最好，当水泥剂量为7 时抗裂缝性能 反而降低，当水泥剂量为3 时，抗裂缝性能将会急剧下降。综合考虑水泥稳定类的强度、 抗温缩性、抗干缩性以及经济性，混合料中水泥的最佳剂量应该在4 6 这一范围内 1 8 卜【1 1 】。要达到这一目标，就要求在实际生产中稳定土厂拌设备的粉料计量系统有着很 高的计量精度和稳定性。 粉料计量精度的高低决定着稳定土厂拌设备计量精度的高低，粉料计量精度的提高 除了可以保证成品料质量的稳定外，还可以降低施工成本、提高经济效益。 交通部颁发的稳定土厂拌设备技术要求对稳定土厂拌设备骨料的计量精度要求 为士3 ，而对粉料的计量精度要求为士1 ，对粉料计量系统的精度要求要相对骨料计量 系统的精度要求高出很多。从稳定土材料的构成成本来分析，每吨成品料中粉料的含量 虽然只有5 左右，但其价值却远远高于其他9 5 骨料的价值。从路基施工的现实情况 来看，稳定土厂拌设备的用户从未对骨料计量系统的精度提出过异议，倒是对粉料计量 系统的精度有很高的要求，由此可见粉料计量系统的精度高低决定了稳定土厂拌设备的 使用性能。【1 2 】 【1 3 1 例如在某工地的路基施工中，设计要求水泥稳定土中粉料的含量在4 5 5 o 之 间，假如能够将粉料的含量精确地控制在4 5 ，那么成品料同样可以达到设计要求， 但是，与设计级配的中间值4 7 5 相比，可以节省粉料0 2 5 。假设一套5 0 0 型的设备 每天可以生产4 0 0 0 t 的水泥稳定土，那么可以节省粉料1 0 t ，按照当前市场价来计算， 可以节省约3 5 0 0 元的粉料。假设该路基工程为2 0 万吨的水泥稳定土用量，节省的粉料 可达1 7 5 万元。所以，粉料计量系统精度的高低可以用来评价稳定土厂拌设备性能的优 劣，提高稳定土厂拌设备粉料计量系统的精度不仅可以保证施工质量，还可以降低施工 成本。 根据以上的分析，可以发现，无论是在保证道路基层质量方面还是在降低施工成本、 提高工程经济效益方面，现实要求我们对稳定土厂拌设备的计量精度，特别是粉料计量 系统的精度进行深入的研究，提高稳定土厂拌设备严格保证稳定土设计级配的能力，从 第一章绪论 而提高施工质量以及降低施工成本，满足我国日益提高的道路建设的需求。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题主要内容是：在研究各种类型的粉料输送、计量设备的原理，并在比较各种 计量形式标定数据的基础上，提出了在计量精度、稳定性方面有更好性能的稳定土厂拌 设备粉料计量系统：双管螺旋粉料计量系统；根据粉料输送原理，对双管螺旋机械结构部 分进行了设计，并利用虚拟设计软件对其进行了静态和动态干涉分析以及对螺旋轴进行 了应力与应变分析，以验证设计参数的合理性；最后，对所设计的双管螺旋进行了实验， 分析实验数据，结果证明该系统能够提高稳定土厂拌设备粉料计量的精度与稳定性。 1 5 本章小结 1 介绍了稳定土及其优点和稳定土厂拌设备在公路建设应用中的重要地位以及稳 定土厂拌设备的组成等； 2 介绍了稳定土厂拌设备计量方法的现状； 3 从保证施工质量及降低施工成本方面分析了研究本课题的目的和意义： 4 介绍了本课题的主要研究内容。 6 长安大学硕上学位论文 第二章稳定土厂拌设备粉料计量系统结构研究 2 1 稳定土厂拌设备粉料计量系统需要解决的问题 稳定土厂拌设备的生产方式决定了其需要对粉料进行动态的计量，但是，水泥作为 水泥稳定土的主要结合料，其物理性质影响着这种动态计量的精度。主要是因为，如果 水泥含水量很低，其物理性质表现为一种近似流体的状态，利用适当的结构形式对其进 行输送时，可以达到较好的稳定性，从而有利于对其进行计量；但是，水泥容易吸收空 气中的水分而含水量增加，从而改变其物理性质，变成一种半黏性的状态，在水泥仓以 及输送机构中容易“搭架 而影响输送的稳定性，从而影响计量的精度。 在稳定土厂拌设备的粉料计量系统中，无论是粉料的输送形式还是粉料的称量方式 都有着不同的选择，每一种方式在原理、结构以及经济性方面都有着其优缺点。这就要 求我们在分析各种输送形式、计量方式的原理、结构及经济性的基础上，从实际使用的 可行性出发，根据实验数据的比较，选择更为合理的计量形式。 对于相同的计量方式，随着其结构参数的不同，稳定土厂拌设备的粉料计量系统的 精度还会有着明显的差异，这就要求在合理的理论支持下，对结构进行设计，以达到提 高计量精度的目的。 另外，在实际生产的过程中，稳定土厂拌设备的称量系统还会受到各种干扰而影响 其计量精度，主要有机械干扰及电磁干扰，以及热干扰、光干扰、温度干扰、化学干扰 和射线辐射干扰等，这就需要我们对其进行分析，研究降低干扰的措施。 综上所述，我们需要从粉料的输送形式、计量原理以及输送理论等入手对系统结构 进行研究，以解决稳定土厂拌设备的粉料计量系统所需解决的问题。 2 2 粉料输送装置的几种形式 目前，粉料输送装置在很多行业都有着广泛的应用。粉料输送可以分为带输送、气 力输送、螺旋输送等，人们根据各个行业的实际情况，灵活地运用着各种粉料输送方法。 在稳定土厂拌设备的计量系统中，稳定、平稳的输送是精确计量的前提，所以有必要对 各种输送形式进行研究，寻找适用于稳定土厂拌设备粉料计量系统的输送形式。 2 2 1 带输送 物料的带式输送是连续输送物料的机械中效率较高、使用较普遍的一种形式，广泛 7 第二章稳定土厂拌设蚕粉料计量系统结构研究 应用于冶金、煤炭、化工、建筑、航空、港口、铁路、电力以及其它很多部门。比如在 煤矿开采系统中，带式输送机是最理想的高效连续运输设备，与其他运输设备( 如运煤 车等) 相比，具有输送距离长、输送量大、可以连续输送等优点，而且运行可靠，可以 较容易地实现自动化和集中控制，已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备。 在实际生产中常见的有固定高强度带式输送机、可伸缩带式输送机、水平转弯输送机以 及管状带式输送机等等。 2 2 2 气力输送 气力输送是根据空气动力学原理，利用空气的静压差，在管道中运送粒料、粉状、 丝状物料的一种输送方式。国外多数的气力输送装置是以物料在管道内的流动状态作为 分类的依据，按照此分类的依据，气力输送装置可以被分为稀相、密相和中相气力输送 装置。 在稀相气力输送装置中，管道内空气的流速相当高，足以使被输送的物料在气流中 处于悬浮状态；在密相气力输送装置中，空气的流速很低，不能将物料悬浮带走，物料 基本以充满管径的柱状或栓状流动；中相气力输送装置介于稀相与密相之间，对物料的 输送兼有两者的特征。 气力输送装置具有安装方便，管路排列灵活，可以充分利用空间，其维修费用低， 而且工厂生产环境好，车间干净卫生等优势。目前广泛应用于大中型卷烟厂、面粉加工 生产的过程中等等。【1 4 】 2 2 3 螺旋输送 螺旋输送是依靠螺旋轴自身的旋转来输送物料的一种物料输送形式，由于螺旋的连 续旋转，所以可以实现物料的连续输送。从结构上看，螺旋输送器主要由转子( 螺旋轴 和螺旋叶片) 和螺旋筒构成。根据实际情况，主轴可以水平或者倾斜安装以满足不同的 传输需要，水平传输距离一般不大于7 0 米。 螺旋输送器的结构简单，维修方便，而且其工艺布置灵活，可以多点进料，也可多 点卸料。根据其设计原理，人们将螺旋输送器成功地应用于食品输送、建筑、石油化工 等行业。 2 2 4 超声波输送 随着超声波技术的发展，人们将超声波震荡的原理应用于少量粉体的输送中。与传 统的粉料输送装置相比，超声波粉料输送装置具有以下优点： 长安人学硕士学位论文 ( 1 ) 、不需要电机、电磁激振器等驱动装置，也不需要轴、杆、皮带等机械传动件，结 构简单，易于加工制作。 ( 2 ) 、管径可以很小，因此输送的速率低，适于少量粉体的输送。 ( 3 ) 、依靠管壁上的衰减行波输送粉体，粉体颗粒与工作部件间无强烈的碰撞和摩擦， 避免了粉体颗粒的破碎，也不易产生粉体飞散现象。 ( 4 ) 、控制的参数多，可控性好。 ( 5 ) 、响应性能很快。 ( 6 ) 、在超声波所处的频域内工作，没有人体可感受的噪音和振动。 ( 7 ) 、不产生干扰电磁场，也不会受到电磁干扰信号的影响。 2 3 稳定土厂拌设备粉料输送方式的选择 在稳定土厂拌设备的物料输送机构中，带输送应用比较广泛，它对于物料的状态要求 不高，既可用于粉状物料的计量，也可用于块状物料的计量，可用于物料的连续计量。但也 存在如皮带跑偏、老化松驰等缺点，对安装位置有一些特殊要求，所以在稳定土厂拌设备 中，这种输送方式被用来进行骨料以及成品料的输送。 对于稳定土厂拌设备，粉状物料的输送对周围环境影响很大，其生产的现场处于室 外，生产环境比较恶劣，生产过程中往往伴着大风，甚至降雨，容易造成扬尘等环境污染。 恶劣的环境对工人的身体健康也有着不同程度的损害。因此，稳定土厂拌设备的粉料输 送系统大多采用螺旋输送，可以减少对环境的污染、节能降耗。 另外，从自动化控制方面考虑，电子螺旋枰系统设计合理，符合当前的控制发展趋势。 计算机软、硬件的选用可靠、先进，具有良好的可扩充性。应用软件的开发也是成功的， 系统抗扰动性能好，超调量小，显示画面及内容直观丰富，功能实用完善，操作简便，维 护简单。 对于气力输送及超声波输送形式，由于其原理及结构的复杂性，将造成产品成本的 增加，所以在稳定土厂拌设备的物料输送中还没有采用的实例。 2 4 稳定土厂拌设备几种计量方法的计量原理 稳定土厂拌设备是一种需要进行连续计量的设备，从计量的方式上看，现有设备对 物料的连续计量有容积式计量和称重式计量；从结构形式方面来看，称重式计量方式又 有着皮带秤、螺旋秤和减量称等几种形式。 o 第二章稳定土厂拌设备粉料计量系统结构研究 2 4 1 容积计量法 稳定土厂拌设备的传统计量方式采用螺旋输送机或者叶轮给料机对粉料进行输送 和计量，即容积式计量方式，主要是通过改变电机转速来实现粉料输送量的调整。这种 计量形式需要在生产前根据设备的产量、物料的配比以及料仓出料口的高度来计算出每 个电机的转速，如果产量，则需要对其重新计算和设定。操作麻烦而且容易出现计算错 误，只能依靠经验和现场的实际称量结果进行校定。 这种计量方式的优点是其制造成本较低，设备价格较便宜。但是，这种计量方式容 易受到粉料特性的改变而产生的影响，导致计量不准确而且不容易发现；通过人来计算 而设定的电机转速，存在着一定的误差且易发生错误。所以其计量精度不高，物料输送 不稳定，目前已被称重式计量所取代。 2 4 2 电子皮带秤计量法 电子皮带秤是称重式计量方法的一种，它根据重力的作用对物料的质量进行自动连 续称重。它是依据力学中的悬索原理进行工作的，其皮带的受力平衡关系介于弹性静不 定和柔性悬索之间，因为皮带在纵向所受的力小，所以更接近柔性悬索的状态，因此皮 带秤的计量以线分布密度来代替体分布密度，按照物料流量进行计量。【1 5 h 1 7 】 电子皮带秤的秤架采用双杠杆式结构，在物料从料仓中拖出并通过称量段时，由秤 框传递物料的重量信号至电子皮带秤的重力传感器，重力传感器再将重量信号转化为相 对应的电压信号送出，从而完成物料重量到电信号的转换。 电子皮带秤系统要完成物料的称量，还需要测出皮带的转速。系统通过速度传感器 来测定皮带转速，速度传感器是将一个摩擦轮压在回程皮带的上表面，摩擦轮随着皮带 的运动做纯滚动，带动速度传感器的内部机构发送出与皮带的输送速度相应的脉冲信 号，从而达到测量皮带转速的目的。 在传感器测出物料的重量信号以及皮带的速度信号后，电子皮带秤的计量配料控制 器将接受信号放大器送来的称重信号和速度信号，通过一定得算法进行运算处理从而得 到此时皮带秤所传输的物料的累计重量以及瞬时流量，并且，控制器还会对系统物料流 量的设定值与实际测定值之间进行比较，依据其差值发送出控制信号，通过变频器来控 制带动皮带秤的电机转速，使得物料的流量趋与设定值。图2 1 为电子皮带秤的计量原 理图。 l o k 安 学学论立 那么 图2 1 电子皮带秤的计量原理图 在电子皮惟群的皮带均匀地输送物料时，其一段时h jt 内的总物料输出量为w w = m dv t( 2 1 ) 式中m ，皮带单位长度上的物料重量( 竹位：k g m ) ； v 皮带的输送速度( 单位：m s ) ； t 物料输送的时间( 单位：s ) 。 在现实情况中输送皮带上的物料分靠一般是不能达到完全均匀的，电子皮带秤 中皮带的转速也往往是不断波动的，所以，电子皮带秤在d t 时间段内的物料输送量d w 为： d w = m p ( t ) v ( t ) d t( 2 2 ) 式中d w 瞬时的物料输送量( 单位：k g ) ： m 一( t ) 皮带单位长度上的物料重量( 即其线密度，单位：k g m ) ； v ( t ) 瞬时的皮带输送速度f 单位：m s ) 。 电子皮带秤的计盈是一个动忐连续累计的过程，它将每瞬间所经过电子皮带秤 的物料重量信号累积起来，所以其计量过程是一个积分的过程，因此，t 时间内皮带秤 的总输送量w 是瞬时输送量对时l 盲i 的积分： 第二章稳定十，一拌设备粉料计量系统结构研究 w = f d w = f m p ( t ) v ( t ) d t ( 2 3 ) 电子皮带秤存在着皮带容易跑偏、容易老化和松驰等缺点，另外对安装的位置也有 一些特殊要求，用于粉料的计量对周围环境影响也会很大，容易造成扬尘和环境污染， 所以在稳定土厂拌设备粉料计量系统中不采用这种形式，而是多用于稳定土厂拌设备的 骨料计量。【1 8 】 2 4 3 差分减量( 失重) 秤计量法 差分减量秤计量法( 或者叫失重秤计量法) 是一种在稳定土厂拌设备的粉料仓和 搅拌缸之间增设两个称量料斗进行粉料计量的形式。第一个叫做贮料斗，第二个叫做计 量料斗。贮料斗位于计量料斗的上方，它们分别由若干个( 一般设置三至四个) 称重传 感器吊挂在计量系统的支架上，利用螺旋输送器将粉料罐中的粉料送入贮料斗。贮料斗 通过斗门向计量料斗中加入一定量的粉料，计量料斗的下部安装螺旋输送器，在工控计 算机的控制下向搅拌缸内按时定量地供应粉料。 差分减量秤计量方法的工作原理是：开始工作时，粉料装满计量料斗，计量料斗所 吊挂的传感所受的载荷为w m 默，在粉料输送螺旋启动以后，计量料斗中粉料的重量逐 渐减少，它所吊挂的称重传感器所受的载荷w 将随着时间t 而变化。设粉料的瞬时流 量为q ，那么： q = d w d t( 2 3 ) 当采用工控计算机进行控制时，需要用离散数字量来进行表示，那么： d w d t aw at ( 2 。4 ) 式中： aw 计量料斗在采样间隔前后的重量差 t 采样间隔的时间 如果粉料的流量保持常数，那么计量料斗的传感器所受到载荷w 与采样时间t 之 间的线形关系如图2 2 所示。 图2 2 载荷w 随时间t 的变化关系 1 2 长安人学硕士学位论文 当计量料斗的称重传感器所受到的载荷减至一定量w m i n 时，设备的控制系统将发出 信号打开贮料斗的斗门，将贮料斗内的物料在很短的时间内加入计量料斗，当计量料斗 里的粉料重量再次达到w 一时，工控计算机会发出信号关闭贮料斗的斗门，并且启动螺 旋输送器由粉料储罐内向贮料斗内添加粉料，在贮料斗里的粉料达到一定重量时该螺旋 输送器停止输送，从而完成了一个工作循环。系统要求粉料储罐与贮料斗问的螺旋输送 器的输送能力必须大于计量料斗给料螺旋输送器的输送能力，以保证在计量料斗的一个 供料周期内贮料斗可以装满粉料。【1 9 】【2 5 】 差分减量秤计量方式不受计量秤体与给料机构的机械变化影响，它只是计算计量料 斗重量的差值，与其它动态计量方式相比，有着很大的优点。但是，因为这种结构占用 较大空间，而且在向计量料斗内加料的瞬间存在着计量“死区 ，所以大多数的稳定土 厂拌设备采用的是各种在传统的螺旋计量装置基础上加以改进的连续式螺旋粉料计量 系统。 2 4 4 螺旋秤计量法 螺旋秤计量法采用螺旋电子秤对粉料进行计量和输送。称重传感器安装在螺旋输送 机的计量段，当粉料经过螺旋输送器的计量段时，传感器将重量信号转化为电信号输送 给工控计算机，计算机机内部按照一定的算法进行合成运算并与设备粉料的设定值进行 比较，发送出电信号通过变频器调整电机的转速从而调整粉料的输送量，使其与设定值 相符合，在实际应用中，如果结构合理，这种计量形式的计量精度可以达到1 以内甚 至更精确。图2 3 所示为许多稳定土厂拌设备水泥计量系统所采用的形式。f 2 6 1 图2 3 螺旋秤的计量形式 这种计量形式在实际使用时效果相差很大，有的系统计量精度很差。分析其原因， 1 3 第一二章稳定土厂拌设备粉料计量系统结构研究 粉料的计量不只是对其进行称重的问题，它还涉及到粉料的供给、粉料仓的结构、粉料 斗料位的高低、电机调速机构的组成以及称重螺旋的结构形式等多方面因素，比如由于 粉料储仓的仓压、环境以及粉料的特性等因素都会造成粉料在料仓中堵塞或者瞬时流量 的增大，影响粉料的计量精度。另外，螺旋管径、螺距的参数选取不当也会影响螺旋秤 计量系统的粉料计量精度。所以，现实要求我们在螺旋结构、料仓结构等方面进行研究， 提高螺旋秤稳定性，提高其粉料计量精度。 2 5 计量系统在生产过程中所受的干扰及防止措施 在稳定土厂拌设备的生产过程中，其称量系统的所受到的干扰主要包括机械干扰和 电磁干扰，另外还有光干扰、热干扰、温度干扰、射线辐射干扰以及化学干扰等。在本 论文中，将重点讨论机械干扰和电磁干扰以及降低这些干扰的方法。 2 7 卜【2 8 1 2 5 1 机械干扰及解决办法 机械干扰指的是：由于机械本身固有的特性引起机械的振动或冲击，造成设备工作 装置动作的滞后，导致称量系统的转换元件发生振动、偏离，从而影响称量系统的正常 工作。 对稳定土厂拌设备来说，其由于机械而形成的干扰主要处于传感器、计量螺旋部分， 具体的表现是称量的真实值与设定值不符，计量螺旋不能够完全下料，导致实际重量不 够而造成称量不准确。 所以，对稳定土厂拌设备由于机械而形成的干扰应该在其控制器上设置调节旋钮， 进行基准、落差、零点的认可。另外，传感器安装后的受力应该保证与地面垂直，除受 到计量秤以及物料的重力外不再受到其它的力( 比如由于接口处软连接结构不合理而导 致计量秤受到额外的力等) ；如果采用多个传感器，应保证其连接良好；另外，设备生 产的环境中的振动也不应该过大。 在稳定土厂拌设备生产的过程中，应该加强对以上所述关键部位的定期检查，以保 证设备降低机械干扰的能力。 2 5 2 电磁干扰及解决办法 在设备生产过程中，电磁干扰普遍存在，它严重而且最复杂，可以通过路和场两方 面对设备的计量系统造成干扰。电磁干扰主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对计量系统中传感器的干扰 1 4 长，女人学硕十学位论文 计量系统中传感器由敏感元件组成桥路，一般采用正负对称的电源进行供电以减小 由于供电电源而引起的共模干扰，从而使电桥输出端形成的共模干扰电压近似等于o ： 应该合理设计传感器结构以减小差模干扰对计量系统的影响：另外，应将传感器完全屏 蔽以防止外界进人和内部寄生的耦合干扰；应采用屏蔽电缆对各种信号进行传输。 ( 2 ) 对设备信号传输线的干扰 应采用屏蔽导线对各种信号进行传输，并应该保证屏蔽导线的屏蔽层有着良好接 地，从而降低电磁干扰对设备信号传输线的干扰，提高计量的精度。 2 5 3 微机系统的抗干扰 稳定土厂拌设备的计量系统所选用的控制器般是单片机或者可编程控制器。控制 器与放大器、a d 转换器、电源以及传感器等组成设备的自动计量系统，这些组成部分 都有可能带来或者造成对系统的干扰，从而影响工控计算机的j 下常运行。应从软件和硬 件两个方面来采取措施降低其对系统的干扰。 2 9 】 ( 1 ) 从软件方面考虑 信号通道的干扰抑制采用屏蔽线进行信号传输，输人电路采用隔离放大器丸，d 或 d a 与机电气隔离；建立良好的接地；接地在消除干扰上起很大的作用，微机系统存在 着交流地、直流地、信号地、模拟地、数字地、负载地等。各种地线的设置应遵守一定 的原则：主机外壳金属屏蔽罩直接接地；对于大系统，考虑分块供电、分块设置，必要 时主机地线采用标准的单独的地线；系统各部分各自接地再会合于一点，由该点与系统 连在一起，构成单点接地；地线各点之间的位差必须减小，尽可能加粗地线，有条件的 可采用环形地线。 ( 2 ) 软件措施 在程序中插人空操作指令，实现p c 的容错；利用“时间片”克服系统的死锁；使 用数据冗余技术实现p a m 的自救等。 2 6 本章小结 1 。提出稳定土厂拌设备粉料计量系统需要解决的问题； 2 分析粉料输送装置的几种形式，探讨了稳定土厂拌设备粉料输送的方式； 3 分析了几种连续式计量方法的计量原理； 4 分析了计量系统在生产过程中所受到的干扰以及解决方法。 第一章粉科计量装口宴齄数n 折 第三章粉料计量装置实验数据分析 在稳定上拌合设备进行大批量生产前，混合料配比设计完成后，稳定土厂拌设备的 动态标定划其混合料| 勺质量起着重要的作_ e 。把好稳定上j 拌设备动态标定这一关，对 生产出高质量的混合料起着举足轻重的作用，同时也为人们了解设备性能、对设备进行 合理改进提供了数据参考。本文结合对若干台稳定土厂拌设备进行动态标定所得到的数 据进行比较，选择能够更加精确稳定地进行粉料计量的计量结构形式进行深入研究。 首先以某公司生产的w c b 5 0 0 型稳定土拌和站为例( 如图31 ) ，对施工中常用的连 续式稳定土厂拌设备的标定过程及注意事项作以分析与研究。 图3 1 某公司生产的w c b s 0 0 型稳定土拌和站 稳定r 厂拌设备汁量系统的标定可以分为静态标定与动态标定。静态标定一般采用 在粉料汁量系统加标准砝码的方式，检裔其传感器的线性和灵敏度以及设备的安装调整 情况等。动悉标定则采片j 的是与设备正常生产辅同或相近的粉料供料方式( 方法和供料 量) 进行标定，确定其比例因子( k 值) ，并且使用相同的方式进行标定误差的检查。1 3 0 l 31 稳定土厂拌设备的静态标定 稳定土拌设备的静念标定主要是对汁角系统传感器的线| 生和所获取信号的准确 长安大学硕上学位论文 性进行标定，使计量系统的传感器工作在线性较好的区段。进行静态标定时，分别对设 备电子皮带秤和螺旋秤的称重传感器进行标定，首先在电子皮带秤或者螺旋秤上按照一 定的规律放置标准砝码，读取系统控制器上所显示的数据，计算其计量误差，然后进行 系数的修正与调整，重新进行标定，直到传感器达到良好的线性状态为止。静态标定误 差的计算公式见式( 3 1 ) ，应将其误差控制在标准要求范围以内。 q f = 必1 0 0 x ( 3 1 ) 上式中， ，7 ，表示第i 次标定的误差；x ，表示设备控制器上所显示的测量值；x 为设 定砝码的质量，也就是真实值。 3 2 稳定土厂拌设备的动态标定 在稳定土厂拌设备的标定与调试过程中，经过静态标定后，更重要的是在实际生产 状态下对电子秤进行动态标定。 以进行粉料称量的螺旋计量秤为例，对其进行动态标定主要包括以下两方面： 1 、计量秤的标定，就是通过调整螺旋计量秤的系数( k 值) ，使系统的显示重量与实 际称量的物料重量相吻和； 2 、单级级配的标定，或者叫物料标定，就是通过调整电机的转速( r 值) 使每份物料 的用量与生产配比相一致。 3 2 1 动态标定前的准备工作和注意事项 ( i ) 仪器设备为台秤( 经过国家法定的计量检定机构检定，在其合格使用周期内) 、 秒表、导料布袋和计算器等。 ( 2 ) 动态标定时设备的设定产量应该以实际生产过程中该设备的生产能力为准。 ( 3 ) 配备好充足的粉料以保证设备能够连续、高效地工作。( 6 ) 检查螺旋配料秤，保 证其悬空，不受其他物体的干扰。 ( 7 ) 螺旋秤在动态标定前应将其清空并将显示值清零。 3 2 2 稳定土拌合设备水泥计量系统的动态标定 现以某公司生产的w c b 5 0 0 型稳定土拌和站为例，对其动态标定过程作以详细介 绍。其物料配比相关数据记录如表3 1 所示。 1 7 筘自粉科l f 裟目寓啦数，* 该稳定十拌和站的型号为w c b 5 0 0 ，其粉科输送、计量系统由两个水泥储料仓和相 应的螺旋输料器、汁量螺旋、机架、粉料仓以及调速螺旋等组成，其结构形式如图32 所示。 崮3 2w c b 5 0 0 犁稳定土拌和站的粉料输送、计量系统 水泥计量秤的动奄标定可以通过在螺旋计量科出料口套一个导料靠袋用来收集在 柄、定时问内流