（材料加工工程专业论文）稳定土厂拌设备水泥供给系统改进及应用.pdfVIP

摘要 稳定土厂拌设备是路面工程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，其将士、碎石、跞石、水泥、石灰、 粉煤灰、水等材料按施工配合比进行均匀拌和。稳定土厂拌设备水泥供给是否均匀，直 接影响到水泥计量精度和供料的稳定性，并决定搅拌后的成品料质量的好坏，水泥含量 少的位置，会出现强度不足；水泥含量多的位置，又会造成裂缝增加。本文以更好的控 制水泥稳定土施工中水泥含量，提高稳定土的施工质量，节约成本为目的，分析了水泥 含量对水泥稳定土的强度、最大干密度、最佳含水量等物理性能的直接影响，研究分析 了目前稳定土厂拌设备水泥供给系统的现状和存在的问题，提出了一种新的水泥供给系 统的方案，设计了水泥均料装置和水泥在线标定供给系统，以克服现有的稳定土厂拌设 备水泥供给系统计量、标定的准确性不高及只能人工标定而不能实现在线标定的不足。 利用改进的结构可改善和提高水泥的计量、标定精度，对比试验分析结果表明：该水泥 给料系统能实现水泥的在线标定和均匀给料，能节省人力，提高水泥计量、标定精度， 有效地控制施工中的水泥含量，既能节约成本，又能保证施工质量，具有一定的优点和 应用推广价值。 关键词：稳定土厂拌设备水泥供给计量精度 在线标定设计改进 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 ，d e t r i t u s ，c e m e n t ，l i m e ，f l ya s ha n dw a t e rt op r o d u c e d i v e r s i f i e dc e m e n ts t a b i l i z e ds o i le v e n l yt h ec e m e n ts u p p l yo ft h es t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t a f f e c tt h em i x i n gq u a l i t yd i r e c t l y , i fc e m e n ti st o ol i t t l e ，t h ei n t e n s i t yo ft h eb a s el a y e rw i l ln o t b ee n o u g h ，a n di fc e m e n ti st o om u c h ，t h ec r a c ko ft h eb a s el a y e rw i l li n c r e a s eb a d l ya i m i n g a tc o n t r o l l i n gt h ec e m e n tq u a n t i t yi ns t a b i l i z e ds o i l ，i m p r o v i n gc o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n d c u t t i n gd o w nc o s t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wc e m e n ts u p p l yb l u ep r i m ，a n dan e w c e m e n t s u p p l ye q u i p m e n ta n do n l i n ec a l i b r a t i o na r ed e s i g n e d t h ei m p r o v e ds t r u c t u r ec a ni m p r o v et h e w e i g h t i n gp r e c i s i o na n d c a l i b r a t i o np r e c i s i o n ，t h er e s u l t so ft h ec o n t r a s t i v et e s ts h o wt h a t ：t h i s c e m e n ts u p p l ys y s t e mc a ns u p p l yc e m e n te v e n l ya n dc a nb ec a l i b r a t e do n l i n e ，a n dt h e nt h e c o s ti sc u td o w n ，t h ep r e c i s i o ni si m p r o v e dc o n s e q u e n t i a l l y , t h ec e m e n tq u a n i t i t yi sc o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y , a n dt h es y s t e mi su s e f u la n dv a l u a b l ei nc e m e n ts t a b i l i z e ds o i lc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t ；c e m e n ts u p p l y ；w e i g h t i n gp r e c i s i o n ；o n l i n e c a l i b r a t i o n ；d e s i g ni m p r o v e m e n t i i i 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：辱勰缈扩年r 月r 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： 导师签名： 厚伽孙 冯纵 , - 4 年f 只要e t 伽行j 7 月j 7 日 长安人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章概 唑4 x d x弟一早僦 水泥稳定土是用各种粗、中、细粒土( 碎石、砾石、碎石土、沙砾、石屑等) 材料， 掺入适量的水泥和水，经拌和养生后得到的混合料，作为道路路基的主基层材料，它的 优点是强度比较稳定，且受水分的影响不大，其强度越高，稳定性也越好。尤其是在缺 乏优质粒料的地区，采用水泥稳定土做基层或底层土是比较经济的。随着交通量和车辆 轴载日益增长，对道路的整体强度、水稳性以及平整度等提出越来越高的要求，采用稳 定土补强道路的基层和底基层，是提高道路的整体强度、水稳性以及延长道路的使用寿 命的一种有效的措施。近几年来，水泥稳定碎石半刚性基层以其良好的水稳性、抗冻性， 力学强度可根据需要进行调整及整体承载能力强，可利用本地资源，经济性好等特点， 得到越来越广泛的应用【l 捌。 稳定土厂拌设备是集中制备稳定土的关键设备，专用于拌合各种以水硬性材料为结 合剂的稳定混合料，能将土、碎石、砾石或碎砾石、水泥、石灰、粉煤灰、水等材料按 施工配合比在固定地点进行均匀拌和。在我国二级以上公路己全部采用集中拌和法制备 稳定土材料。特别是“强基薄面”道路结构体系在我国公路建设中的应用，加大了水泥 稳定土的用量，更进一步强化了水泥稳定土集中拌和的重要性。作为当前高等级公路基 层修筑机械，稳定土厂拌设备具有对稳定材料级配精度高、拌和均匀性好、节约材料、 生产效率高以及便于自动化控制等特点，能更好地保证稳定材料的质量，故在目前高等 级路面的路基工程施工中得到了广泛的应用。 随着我国交通事业的高速发展，高等级公路的修筑也在快速增长，新型基层材料、 新的施工工艺被进一步推广使用。近几年来，我国相继修筑了不少高速公路，加快了货 物的周转时间，增加了货物的周转数量，提高了社会的经济效益，促进了国民经济的发 展。进入2 0 世纪以来，筑路工程中出现诸如无机结合料稳定砂砾、水泥稳定土、水泥 稳定砂砾、石灰稳定土及滚压砼等新材料。与此相应，生产新型基层材料的强制式连续 搅拌设备也相应问世，此类设备生产工艺要求严格，生产效率要求高，特别是水泥、石 灰稳定土连续搅拌设备，要求拌和均匀、级配精度高、进出料流畅、生产效率高等，尽 管国内已生产出类似产品，但与理想状况相差甚远，由于老式设备存在着生产能力小， 计量方式落后，计量精度差，自动化程度低，用途少等缺陷，不能满足目前高速公路施 第一章概述 工要求，距国际先进水平尚有很大差距【3 1 。 1 2 国内外稳定土厂拌设备的发展概况 1 2 1 国外稳定土厂拌设备的现状【4 一j 近年来，国外发达国家生产的稳定土厂拌设备己形成系列产品，生产率一般为2 0 0 - - 1 2 0 0 t h ，集料计量大多采用自动控制的连续称量技术，提高自动化控制程度、提高机 械操作性能、提高施工性能、减轻环境污染等。对于大型工程来说，采用大型机械经济 性好，施工质量高，施工速度快。因此，国外路面机械一直朝大型化发展，高等级公路 属于大型工程，采用大型机械有明显优势。国外厂拌控制系统都采用计算机控制方式， 水泥控制精度1 ，级配精度高。此外还具有完善报警控制功能。国外稳定土厂拌设 备的最大生产率为：美国达1 0 0 0 t h ，德国达1 2 0 0 t h ，日本达8 0 0 t h 。 目前，国外的稳定土厂拌设备生产商主要有：澳大利亚的a r a n 公司( 阿伦) 、美国 的l o w 公司、a b a r b e r - g r e e n 公司、意大利的m a r i n i 公司、英国的p a r k e r 公司、日本 的n i g a t a 公司、德国的b h s 公司、法国的s a e 等。 1 2 2 国内稳定土厂拌设备的现状 随着高等级路面的发展，国内稳定土厂拌设备也在迅速的发展。据统计结果表明： 稳定土厂拌设备的生产厂家已由最初的两三家发展为现在的一百多家，产品由最初的容 积式发展到后来的称重式，随着w b c 4 0 0 ，w b c s 0 0 的相继开发和问世，稳定土厂拌设备 的生产率也由上世纪八十年代初的5 0 t h 发展到现在的以3 0 0 t h 为主流，部分产量达 4 0 0 t h - - - 6 0 0 t h 6 一一】。随着国家加大基础设施建设的步伐和力度，稳定土厂拌设备产 品的市场容量也在逐年的加大，对路基基层处理质量的要求越来越高，为稳定土厂拌设 备的发展提供了良好的使用空间和发展机遇。但是，与国外同类型产品相比，还存在着 相当的差距，主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 设备的耐用性差，可靠性不高，在实际使用过程中有时出现仪表受干扰而导致 系统工作不稳定的情况，常常出现通讯不畅的情况。 ( 2 ) 设备的生产率偏低，国外最大的生产率为1 2 0 0t h ，国内的最大生产率目前为 6 0 0 t h 。 ( 3 ) 先进的电子技术，自动控制技术以及微电子技术在设备上的应用较少。 ( 4 ) 级配精度低，配料动态精度差，严重影响施工质量。 ( 5 ) 控制系统功能少、维护性差，人机交互界面不够友好。 现实要求我们在稳定土厂拌设备的控制原理和工业应用中都要有较大的突破，以提 2 长安大学硕士学位论文 高国产稳定土厂拌设备的市场竞争力，满足我国日益增长的路面建设的需求。 1 3 课题研究的背景 稳定土厂拌设备水泥剂量的准确性由水泥计量精度决定；在稳定土厂拌设备中，水 泥的计量精度主要依赖于标定。因此，如何提高稳定土厂拌设备水泥计量的精度，实现 在线标定和监控具有现实意义。 目前，稳定土厂拌设备所配置的水泥计量系统多采用称重计量方式和容积计量方式 【9 1 。称重计量系统主要为连续式水泥计量装置。螺旋秤上传感器所收集到的质量信号反 馈到控制系统，通过控制系统比较处理后发出指令给叶轮给料器上的调速电机，以控制 水泥的流量，使其保持在一个相对稳定的范围内，实现水泥的计量。从结构上讲，这种 计量方法并没有什么太大的缺陷，但是实际使用效果却不尽如人意。水泥计量不只是称 重问题，它还涉及到水泥的供给、料仓的结构、水泥料位高低、调速机构的组成和称重 螺旋的结构型式等因素，任何一个环节上出现问题都会影响到水泥的计量精度和标定不 准确。传统的螺旋连续水泥计量装置( 螺旋秤一端连接拉力或压力传感器，另一端为支 撑点) 【1 0 】，当粉罐底部发生水泥起拱时( 几乎每个粉罐都会发生此类故障) ，此时成品料 中水泥含量必然不足；对于直接从水泥贮存罐底部供料的稳定土厂拌设备，水泥贮存罐 一般可存水泥5 0 - - - 8 0 t ，水泥贮存罐中，上部的水泥对底部的水泥压力很大，致使水泥 的密度不均匀，导致水泥给料的松散程度不同，造成水泥给料的不均匀，影响水泥计量 和标定不准确；若实际生产量与原标定产量相差较大时，会造成计量误差过大；叶轮给 料器叶片粘料，同样也会造成水泥计量和标定误差。 标定是对稳定土厂拌设备计量系统的效验，以往通过人工接一定时间内的水泥，称 其实际质量与微机管理配料系统中显示的水泥累计质量相对比，进行调整，直到实际质 量与显示质量相等为止。由于受接料时间和设备结构空间的限制和人为因素的影响，接 料和称重误差较大，严重影响标定精度。原系统存在以下缺点：标定必须在停机状 态下进行。由于结构因素影响，接料时间短、料量少，标定误差大。不能实现在 线标定和监控。针对以上问题，设计一种稳定土厂拌设备水泥供给在线标定系统来代替 人工标定，改进和提高水泥的计量和标定精度，具有较高的实用价值。 1 4 课题研究的目的和意义 稳定土厂拌设备水泥给料是否均匀，直接影响到水泥计量精度和供料的稳定性，并 3 第一章概述 决定着成品料质量的好坏。为了克服水泥给料不均匀现象和能实现在线标定，动态准确 计量控制水泥的供给，改进目前稳定土厂拌设备的水泥供给系统就很有必要。 概括起来，对稳定土厂拌设备水泥供给系统的设计和改进，实现在线标定、动态计 量控制水泥的供给，具有以下意义： 1 操作界面友好，系统参数设置方便。 2 提高水泥计量精度，节约水泥，降低施工生产成本。 3 准确、均匀供给水泥，提高工程施工质量。 4 实现水泥的在线标定，代替人工标定。 5 提高稳定土厂拌设备的自动化水平，加快机电一体化和智能化进程，缩小与国 外产品在控制技术上的差距。 本课题是根据当前国内的稳定土厂拌设备的现状和要求，结合稳定土厂拌设备使 用、标定等工程实际问题提出的。解决水泥供给的准确性和实现在线标定，这是一个有 现实意义的课题。目前稳定土厂拌设备技术和电子技术趋于成熟，改进具有风险小，开 发周期短的优点，具有良好的市场需求和发展前景。 1 5 课题研究的主要内容 本文以呼和浩特绕城高速为工程依托，以内蒙古公路局新建设路桥有限公司的 w c b 5 0 0 稳定土厂拌设备为研究对象，在熟悉该拌合站基础上，对其水泥供给系统进行了 改进，主要研究工作为： 1 在分析水泥粉体特性基础上，设计水泥给料装置。该装置既要实现水泥均匀供给， 又要能防止水泥起拱。 2 改进水泥控制系统，设计水泥在线标定系统。该系统既能实现水泥的在线标定， 代替人工标定，又能提高水泥计量和标定的精度，节约成本，提高工程施工质量。 3 通过工程实践，采集大量试验数据，进行分析研究，进一步验证设计需要达到的 技术指标，进行改进前后的对比，得出改进成果的结论。 4 长安大学硕上学位论文 第二章水泥含量对水泥稳定类基层的影响 2 1 水泥稳定类材料和半刚性基层的基本特点 2 2 1 水泥稳定类材料的基本特点 1 、具有一定的抗拉强度。 2 、环境温度对水稳材料强度的形成和发展有很大影响 环境温度越高，水稳材料内部的化学反应就越快和越剧烈，因此其强度也越高。试 验证明【1 1 】，水稳材料的强度在高温下形成和发展很快，当温度低于5 c - - - 0 c 时水稳材料 的强度就难于形成。 3 、强度和刚性都随龄期增长。 虽然水稳材料的早期强度较高，但其内部的化学反应要持续一个相当长的时期才能 完成。在水泥终凝后，水泥混合料的硬结过程也常延续到一至两年以上，且结合料剂量 越大，龄期对强度的影响也越大。 4 、刚性介于柔性材料和刚性材料之间。 2 2 2 水泥稳定类半刚性基层的优点 水泥稳定土是用水泥做结合料所得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。在经过粉碎或原来松散的土中，掺入足量的水泥和水，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【1 2 】。在 半刚性路面结构中，水泥稳定土被越来越广泛使用，这与水泥稳定土本身的优点是分不 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，能适应重交通量和高速公路 路面基层的需要，水泥稳定土的强度经常是比较稳定的。它受水分变化的影响不大，而且 它的强度越高，稳定性也越好。 ( 2 ) 强度可以调整，以适应不同交通量的需要。水泥稳定土的强度可以从适应轻交通 量的最低要求，例如龄期7 d 的抗压强度小于1 o m p a ( 底基层) ，调整到适应重交通量的 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 a ，一些国家的贫混凝土强度大 于i o m p a 13 1 。 ( 3 ) 在缺乏优质粒料的地区，采用水泥稳定土做的基层或底基层，经常是比较经济 的。 5 第二章水泥含量对水泥稳定类基层的影响 ( 4 ) 设计正确、施工质量好的水泥稳定土基层或底基层的使用效果好。 ( 5 ) 水泥稳定土既可以在路上就地拌和，又可以用固定的拌和机械进行拌和后运到 路上直接摊铺，也可以利用移动式拌和机械沿线进行拌和。它便于机械化施工，用后两 种拌和方法，质量容易得到保证。 水泥稳定基层由于具有诸多优点，决定了水泥稳定土的使用范围很广，在工业发达、 水泥产量大的国家，大量采用了水泥稳定土【1 4 】。目前，我国也已广泛应用于各级公路的基 层或底基层中。但是，对于高等级道路的基层，还应要求其收缩性小。而常用的水泥稳 定土最大的缺点，就是收缩性较大，这将导致沥青路面的反射裂缝，造成沥青路面的一些 病害。 2 2 水泥稳定类材料强度形成原理 水泥稳定类包括水泥稳定砂砾、砂砾土、碎石土、土等，其强度的形成主要是水泥 与细粒土的相互作用【l5 1 。 水泥矿物与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出c a ( 0 h ) ： 并形成其它水化物。水泥的各种水化物生成后，有的继续硬化形成水泥石骨架，有的则 与土相互作用，其作用形式有：离子交换及团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用。 在水泥水化后的胶体中，c a ( 0 h ) ：和c a 2 + + 2 ( 0 h ) 一共存。而构成粘土的矿物是以s i o ： 为骨架合成的板状或针状的结晶，通常其表面会带有n a + 和k + 离子，析出的c a 2 + 离子与 土中的n a + 、k + 离子进行当量吸附交换，其结果使大量的土粒形成较大的土团。由于水 泥水化生成物c a ( o h ) ：具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起来， 形成水泥土的链条状结构，并封闭土团之间的孔隙，形成稳定的联结。 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量c a 2 + ，当c a 2 + 的数量超过上述离子交换 需要量后，则在碱性环境中使组成粘土矿物的s i o ：和a 1 ：0 。的一部分或大部分同c a 2 + 进 行化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物( 即硬凝反应) ，增大了土的强度。 水泥水化物中的游离c a ( o h ) ：不断吸收水中的h c o 。- 和空气中的c o ：生成c a c o 。这种 反应能使土固结，提高土的强度，但比硬凝反应的作用差一些。 综上所述，随着结晶进行的同时，结晶的析出端，也就是露出晶边的a l 3 + 离子的正 电荷将吸引结合于已析出晶面的( o h ) 一离子的负电荷，结果晶面之间发生排斥，从而形 成“晶边一晶面结合 的蜂窝状结构，把土中的矿物颗粒包络于蜂窝状结构里。 总之，水泥稳定土是水泥石的骨架作用与c a ( 0 h ) ：的物理化学作用的结果，后者使 6 长安人学硕上学位论文 粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则把这些团粒包裹和连接成坚强的整 体。 2 - 3 水泥剂量对水泥稳定类基层的影响 2 3 1 水泥剂量对水稳定类基层强度的影响 水泥的成分和剂量对水泥稳定土的强度有重要影响。通常认为，各种类型的水泥都 可用于稳定土。实践证明，对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥稳定土强度的主导 因素。一般情况下，硅酸盐水泥的稳定效果较好，而铝酸盐水泥则较差。当水泥的矿物 成分相同时，水泥稳定土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。在硬化条件相似 的情况下，当水泥的矿物成分相同时，随着水泥分散度的增大，其化学活性和硬化能力 也有所增长。 水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增加【1 6 】，对于级配不好的集料来说，水泥稳 定土的强度对水泥的强度很依赖，主要依靠水泥的胶结作用。而良好级配的水泥稳定土 的强度既来源于水泥的胶结作用，又来源于矿料骨架的支撑作用。但考虑到水泥稳定土 的抗温缩与抗干缩以及经济性，应有一个合理的水泥用量范围。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：匀h 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【1 7 】，水泥剂量 为4 8 较为合理。但从抗裂角度考虑，当水泥剂量为5 6 时，水泥稳定粒料抗温缩和 抗干缩的性能最好，当水泥剂量为7 时抗裂性能反而降低，当水泥剂量为3 时，抗裂性能 急剧下降。综合考虑水泥稳定类的强度、温缩性、干缩性以及经济性，水泥最佳剂量应 为5 - - 一6 的范围。 2 3 2 水泥剂量对水稳定类基层裂缝的影响 水泥能改变土的塑性。水泥加入塑性土中后能大大降低土的塑性，土的塑性指数的 降低程度随水泥剂量增加而增大，强度也是随着剂量和龄期的增长而增大。但是，并不是 水泥剂量越大越好，水泥土在施工过程中容易产生收缩裂缝，而且稳定粒料时，水泥用量 超过一定比例，混合料的收缩性大，也容易产生严重的收缩裂缝。这种基层裂缝经常会引 起其上薄沥青面层产生对应的反射裂缝。 为了减少水泥稳定土基层上沥青层由于半刚性基层的收缩裂缝而产生反射裂缝或 7 第二章水泥含量对水泥稳定类幕层的影响 对应裂缝，应尽可能采取必要的有效措施来减少水泥稳定土半刚性基层本身的收缩裂 缝。研究表明：改善集料的级配以减少水泥用量是减少水泥稳定土基层裂缝的重要措施 之一。用同- n 量的水泥稳定级配良好的集料，其强度和耐久性比稳定级配不好的集料 的强度和耐久性要高得多，例如，天然砂、砾，要用6 - - - 8 的水泥稳定，才能达到规定 的强度要求；而添加部分细料使其达到最佳级配后，只要用3 - - 4 水泥稳定，就可以达 到要求的强度。水泥稳定最佳级配砂、砾的强度比稳定天然砂、砾的强度高出0 5 1 o 倍。为了满足冻融实验的要求，最佳级配砂、砾只要2 的水泥，而天然砂、砾要用5 - - 6 的水泥。因此，在实际工作中，需要综合考虑添加水泥和改善集料级配这两个因素。 改善集料级配，减少水泥用量，使水泥剂量不大于6 。在用于稳定土的水泥剂量范围内， 水泥稳定土的强度随水泥剂量增加而增加，为了满足耐久性指标，水泥剂量以偏小为宜。 经验表明【1 引，水泥剂量为4 - - - - 6 时产生的干缩、温缩裂缝最小，强度也满足承载要求。国 外一般限制水泥的最大剂量不超过5 6 【1 9 , 2 0 】。我国路面基层施工技术规范规定水泥的 最大剂量不超过5 。在达到强度标准的前提下，采用最小水泥剂量，但不小于4 5 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了水泥稳定类材料和半刚性基层的基本特点及水泥稳定类材料强度 形成原理，分析了水泥剂量的增加对稳定类基层的强度、裂缝影响，得出综合考虑水泥 稳定类的强度、温缩性、干缩性以及经济性，水泥最佳剂量控制应为5 - - - 6 的范围；强 调了水泥剂量在稳定土基层中的重要性，为本文研究水泥剂量的控制提出了依据。 长安大学硕士学位论文 第三章稳定土厂拌设备水泥供给系统现状分析 3 1 稳定土厂拌设备的组成与工作原理 3 1 1 稳定土厂拌设备的组成 稳定土厂拌设备主要由计算机集中控制、粉料配送、骨料配送、集料皮带机、搅拌 机及成品料输送机等六个部分组成【2 1 1 ，如图3 1 所示。其中，骨料供给系统有五路，分 别将不同类骨料或同种物料的不同料径计量送出。除上述六部分外，还有供水系统、上 料系统等。 图3 1 设备组成框图 3 1 2 稳定土厂拌设备的工作原理 各种选定的物料如石灰，碎砂石，土粒，粉煤灰等采用装载机等上料设备装入配料 机的料斗中，经“电子皮带秤”计量给出，送至集料皮带机，与此同时，稳定剂如水泥 等粉料经气送送至粉料供给系统的大仓中，由“螺旋电子秤”计量给出，经螺旋输送机 与经集料皮带机送至搅拌机的各种物料一起进入搅拌机中间，由搅拌机进行均匀拌和。 在搅拌机物料入口处设有液体喷头，根据拌和前各种物料的含水情况，可以在此使用供 水系统喷加适量的水，以调整拌和物料的含水量，使之达到工程施工所需的要求。拌和 好的成品料暂存在混合料贮存仓中，仓底设有可以开启的斗门，开启斗门即可向停放在 9 第三章稳定十，拌设备水泥供给系统现状分析 仓下的载重车卸料。下面结合图3 2 【2 2 】，叙述各部分功能原理。 图3 2 稳定土厂拌设备布置示意图 1 骨料配料机组 骨料配料机组包括配料斗、配料给料机( 5 台) 、斗架和水平皮带输送机等。骨料 配料时，利用装载机或其它上料机具，将需要拌和的不同粒径的骨料，分别装进不同配 料料斗内，每个配料料斗下都设有皮带给料机，皮带给料机由调速电动机驱动，按施工 技术要求的配合比进行配料；配好的物料落到水平集料皮带输送机上，由其输送到斜置 集料皮带输送机上。 2 粉料供给系统 粉料供给系统主要包括粉料筒仓、螺旋输送机、粉料螺旋秤等。粉料通过运输车上 的气力输送装置送到粉料筒仓中，粉料筒仓的出料口与螺旋输送机的进料口相连接，进 入螺旋输送机的结合料被输送到小粉料仓中；小粉料仓的出口装有叶轮给料机，叶轮给 料机由调速电动机驱动，按施工技术要求的配合比进行配料：配好的粉料有螺旋送入搅 拌机内。 3 集料皮带输送机 集料皮带输送机将配好的各种骨料和结合料直接输送到搅拌机中。 4 供水系统 供水系统的作用是向搅拌机中喷水，以控制和调节被拌和混合料的含水量。供水系 l o 长安人学硕士学位论文 统由水箱、水泵、三通阀、节流阀、流量计、管路和喷水管等组成。供水量由手动节流 阀控制，用流量计显示。 5 搅拌机 搅拌机采用双卧轴强制连续搅拌机。当搅拌轴旋转时，由斜置集料皮带输送机输入 搅拌机的各种物料，在旋转叶浆的作用下、一边拌和、一边推向出料方向，这样可保证 连续进料、搅拌和出料。 6 混合料储仓 拌和好的成品混合料从搅拌机的出料端直接卸入混合料贮仓内暂时存放。混合料贮 仓主要包括立柱、平台、料斗、溢料管和启闭斗门的液压传动机构等组成。当混合料贮 仓装满拌和好的成品混合料时，可用手动控制液压系统打开放料门，将混合料卸入自卸 汽车运往施工工地。 7 电气控制系统 电气控制系统主要由强电控制部分和计算机控制部分组成。强电控制柜中设有总开 关，断路器和其他与设备工作容量及工况相适应的电气元件。系统采用3 8 0 v ，5 0 h z 交 流电源供电，控制电源则采用2 2 0 v 交流电。计算机控制柜主要由工业控制计算机，工 控板卡，调速控制器，控制软件及相关传感器等元器件组成。 3 2 水泥供给系统的不同计量方式 稳定土厂拌设备是一种连续强制式搅拌设备，其工作原理决定了它对水泥的计量必 须是一种动态连续的计量【23 1 。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，控制模式逐渐向计算机集成控制模式发展。 3 2 1 皮带秤计量水泥供给方式 1 皮带秤的组成 皮带秤位于料斗下方，物料拉出后进入称重段计量，仪表根据料量大小控制皮带转 速，达到定量给料目的。皮带采用高强度裙边，具有防跑偏功能，运行平稳，其结构组成如 图3 3 所示2 4 1 。 第三章稳定七厂拌设备水泥供给系统现状分析 图3 3 皮带秤组成简图 ( 1 ) 秤架：采用双杠杆结构，将物料从料仓中拖出并输送到称重段完成称重。 ( 2 ) 重力传感器：采用电阻应变桥式连接，当传感器受力后，将质量信号转换成相对应的 毫伏电压信号，完成质量到电信号的转换，并具有防过载功能。 ( 3 ) 速度传感器：靠重力与皮带接触，当皮带移动时带动摩擦轮转动，同时速度传感器发 生同步的脉冲信号。 ( 4 ) 信号放大器：将重力传感器输出的微弱毫伏信号加以放大，并以电流形式送出。 ( 5 ) 计算、控制、显示：完成这一功能的模块通常称为主机，主要接受信号放大器送来的 称重信号和速度信号，并经运算处理得到此时物料的累计质量和瞬时流量，并根据设定 流量值与现流量值差距发p i d 控制信号，控制给料设备达到要求流量。 ( 6 ) 调速装置：在p i d 信号控制下驱动调节设备的电机。常用的有滑差电机控制器和变 频调速器。 2 、皮带秤称重原理 皮带秤称重是一个动态连续累计过程，将每一瞬间所有经过皮带秤的物料质量累积 起来，因此皮带秤的称量是一个积分过程。但由于仪表运算是微机的数字运算，故只能每 隔一段时间采样一次，当采样频率足够高时，即可达到与连续积分相同的效果，其基本表 达式为： ii q 。= ( 只k 互+ 只正+ e l ) 彳= 杉z 彳 ( 3 1 ) 1 2 长安大学硕- l 学位论文 式中：q 一累计称质量，k g ； 只一第i 次的料重，k g m ； k 一第i 次的皮带速度，m s ； z 一第i 次的采样间隔时间，s i a 一校正系数。 以上为经典的皮带秤累积的数学模型，但实践中常根据具体情况进行简化。当以速 度传感脉冲触发采样时，每一个脉冲代表一个固定的皮带长度，可简化为定长采样模式： f q = ( 只+ 只+ 只) 彳一e 么 ( 3 2 ) = 0 式中：只一第i 段皮带上物料质量，k g ； a 一校正系数。 在实际的许多应用场合，皮带速度仅由电网频率变化所决定，此时可用定时采样的 方法进行累计运算，公式同上一样，为单位时间内采样时的皮带上物料质量。因皮带速度 恒定，每一固定时间内皮带所走过长度相同，其意义与定长采样相同，( 螺旋秤因螺旋转： 速不变，采用此种定时采样模式) 。 3 2 2 螺旋称计量水泥供给方式 1 螺旋称的组成 粉料螺旋电子称由主要螺旋输送机和称量系统组成，如图3 4 所示【2 5 1 。 斗、 眵7 一 图3 4 粉料螺旋电子秤组成结构示意图 2 粉料螺旋电子称的工作原理 1 3 第三章稳定十厂拌设备水泥供给系统现状分析 粉料螺旋电子称的工作原理与电子皮带秤相似，为保证物料的连续配给精度，在粉 料螺旋电子称中同样采用了压力传感器，压力信号和速度信号( 从变频器取出) 被连续采 集，计算机计算出物料的瞬时流量信号，最后经螺旋电子称计量给出物料量，粉料的供 给由设置在底部的螺旋输送机直接送入搅拌机，避免了环境污染。 3 2 3 减量称计量水泥供给方式 粉料减量秤组成见图3 5 【2 4 1 ( 称重斗上方根据需要，可采用电动斗门或叶轮给料机来 控制进料) ，主要用于水泥、石灰粉、煤粉等粉状物料或液体的连续配料。其密封性能 好，称重精度高。称重斗用于盛装物料并称重，依结构不同可支承于一只或三只( 拉式或 压式) 重力传感器。 当系统工作时，首先将设定料量输入微机，计算显示控制器发出给料指令，蝶阀打 开，粉料贮仓快速向称重斗加料，同时称重系统进行称重采样；当称重斗中的粉料达到 上料位时，上料位器发出电信号输入微机，由微机发出指令，蝶阀关闭，螺旋配料机开 始转动配料，称重斗开始给料，粉料单位时间内的损失质量即为称的瞬时给料量。随着 给料时间的延长，称重斗内的粉料不断减少，当粉料减少到下料位时，下料位器发出电 信号输入微机，微机发出指令，蝶阀打开向称重斗内加料，如此循环往复。如果检测出 的瞬时给料量与设定给料量有偏差，经比较处理后，微机便输出一个电信号，调节称重 斗下面调速电机的转速，以改变瞬时给料量，使之与设定的给料量始终保持在标准误差 之内。 图3 5 粉料减量秤组成示意图 1 4 长安大学硕卜学位论文 3 3 稳定土厂拌设备水泥供给系统技术现状分析 3 3 1 水泥供给计量方式分析 1 容积计量法 采用螺旋输送机或叶轮给料机对水泥进行计量和输送，通过改变驱动电机的转速来 调整水泥的输送量。由于缺少直观显示，水泥输送量的设定和调整非常麻烦，只能依靠 经验和现场称量进行校定。水泥受环境因素的影响，其密度和流量经常发生变化，造成 水泥有时超差较大，且不易发现，计量精度不稳定，水泥浪费严重，但制造成本低，价 格便宜【2 6 】。 2 质量称量法 采用螺旋电子秤对水泥进行计量和输送。在螺旋输送机的计量段下面装有称重传感 器，当水泥流经计量段时，传感器将质量转化为电信号输送给控制微机，微机内部进行 合成运算并与设定值进行比较，并发出电信号调整电机转速以调整水泥输送量，使之与 设定值相符，其计量精度可达1 。由于仓压、环境等因素容易造成水泥堵塞或瞬间流量 的增大，易引起水泥的偶然超差，影响水泥的计量精度。有的厂家在水泥仓和螺旋电子 秤之间增加了叶轮给料机，较好的控制了水泥流量的稳定。螺旋电子秤将检测到质量信 号输送到微机，经微机处理并与设定值进行比较后，发出电信号改变叶轮给料机驱动电 机的转速，调整水泥的输送量，达到控制计量精度的目的。 3 减量称重法 在水泥仓出口处装有给料蝶阀，下面与水泥计量斗相连，水泥计量斗由3 4 个传感 器挂在水泥仓上，它的下面装有可调速的螺旋输送机。当微机发出给料指令，蝶阀打开， 向水泥称量斗里加水泥，同时微机进行称重采样。当称量斗中的水泥达到上料位时，微 机发出指令，关闭蝶阀。微机读出料斗和物料的总重，并启动螺旋输送机配料。随着水 泥的流出，称重传感器的检测值不断变小，单位时间内的变化值就是水泥的流量。当水 泥到了下料位时，蝶阀打开，立即开始加料。在加料的过程中，螺旋机以加料前一刻的 速度继续供料，直到水泥到达上料位。在水泥输送过程中，微机将检测值与设定值进行 比较，调节螺旋输送机的转速来控制水泥的计量精度，其计量精度高，且不受环境干扰。 为了减少水泥加料对计量精度的影响，可在水泥仓和计量斗之间增加水泥储料斗，当水 泥计量斗中的水泥达到最少量时，将储料斗中的水泥瞬间加入，大大地缩短了加料时间， 提高了计量精度。 1 5 第三章稳定十厂拌设备水泥供给系统现状分析 3 3 2 水泥计量系统准确性分析 水泥供给计量系统的准确性和均匀性是影响稳定土混合料强度的重要因素之一，如 果水泥量变化较大，混合料必然出现离析，最终影响基层的摊铺和压实质量；若水泥计 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。 水泥计量系统的计量装置也可分为容积式计量和称重式计量两种方式2 7 1 。容积式计 量大都采用叶轮给料器，它主要由叶轮、壳体、接料口、出料口、动力驱动装置等组成， 可用改变叶轮转速的方法来调节粉料的输出量，这种形式结构简单，但计量准确性受到 叶轮转速、密封等因素的制约，特别是叶轮给料器叶片粘料同样会造成水泥计量的偏差， 系统计量准确性较差。称重式计量一般采用电子螺旋秤、减量秤等方式，连续动态称量 并反馈控制给料器的转速以调节水泥输出量，系统计量准确性较高。但是电子螺旋称计 量系统的准确性也受称重螺旋过长，自身质量较大，也会影响到水泥的计量精度准确性： 螺旋管径、螺距、传感器、电机工作时产生的电磁干扰和振动干扰等因素的影响，螺旋 参数选取和系统匹配不当也会使水泥供料反馈速度不及时，造成系统水泥计量不准确。 减量称计量的准确性主要受水泥加减时，水泥对称的冲击影响较大，造成传感器计量的 信号波动较大，系统计量的准确性较差，目前减量称由于结构复杂，性能不很稳定，应 用也逐渐减少。 3 3 3 水泥计量系统的标定 根据前面对水泥计量系统准确性的分析可以看出，水泥的计量准确性对稳定土混合 料影响是很大的，而水泥计量系统的准确性除了合理的参数、元件选配外，合理的标定 是保证其计量准确性的关键因素【2 8 2 9 1 。稳定土厂拌设备安装到位后，需要进行机械及电 气系统的调试，各部分调试好后就可以进入计量系统的标定程序，计量系统包括集料计 量的电子皮带秤、水泥计量的螺旋秤和水计量的流量计。稳定土厂拌设备水泥计量系统 的标定分静态标定与动态标定。 1 ) 静态标定 采用加标准砝码的方式，检查传感器的线性和灵敏度及安装调整情况。 2 ) 动态标定 采用与正常生产相同或相近的( 方式和供料量) 供料方式进行标定，确定比例因子 k 值，并用相同方式进行误差检查。要求计量误差满足：水泥误差2 ，并应记录存档。 如果动态标定不准确，就需要对拌和设备进行调整，保证在生产时供料的稳定性。 3 ) 动态标定数据及分析 1 6 长安人学硕士学位论文 为了了解稳定土厂拌设备水泥标定情况，跟踪调研了许多稳定土厂拌设备的标定结 果，发现水泥螺旋秤的动态标定尤为重要，在设备静态标定之后和进行生产之前，必须 对拌和设备进行动态标定，动态误差能说明在生产过程中水泥供料的稳定性。表3 1 数 据和图3 6 误差分析充分说明了动态标定的重要性。 表3 1 水泥螺旋秤动态标定数据 标定时间 理论质量 实际质量修正系数 标定次数误差( )备注 ( s ) ( k g )( k g )( k 值) 第1 次1 3 0 21 58 5 0 第2 次 11 8 6 1 3 11 1 7 第3 次1 1 0 41 3 18 0 0 1 51 2 0 第4 次1 1 4 81 3 14 3 3 第5 次1 2 2 21 4 0一1 8 3 第6 次1 2 2 01 3 81 6 7 注： 产量6 0 0 t h ，水泥用量4 8 ，理论瞬时流量8 k g s ，标定时间1 5 s 冰 、_ ， 蜊 噔 。 。 。 1 2 3456 标定次数( 次) 图3 。6 水泥仓动态标定误差的收敛 1 7 b 6 4 2 0吃q乇吨 第三章稳定士厂拌设备水泥供给系统现状分析 c 高1 8 嫣1 6 鉴1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 太今酝：今多一 1234567891 0 l l1 2 1 31 41 51 61 7 一标定前_ 卜标定后 采样点 图3 7 水泥计量的动态曲线 由上述标定结果可以看出，经过几次动态标定后水泥流量逐渐收敛，动态误差趋于 稳定，并能符合施工要求，可以保证配料中水泥剂量的准确、稳定。例如工地某标段水 泥计量的动态曲线标定前、后对比结果，如图3 7 ，标定前流量设定值为1 7 5 t h 时， 均值为1 3 9t h ，方差为1 7 3 7 ；标定后流量设定值为1 4 5 t h 时，均值为1 4 7t h ， 方差为0 8 1 2 。可见，标定不仅提高了水泥供给的准确性，而且提高了设备水泥供给的 稳定性。 3 3 4 水泥供给系统的结构分析 目前，稳定土厂拌设备由于其本身技术性能及控制模式的原因，稳定土混合料仍存 在级配不准及级配不稳定问题。稳定土厂拌设备每个计量单元按设备总的生产能力及各 自的配合比分别进行设定，独立地实现p i d 自动循环控制。但这种控制模式要想保证级 配稳定的前提是：物料供给量必须连续、稳定、均匀，这样才能根据秤的实际称重偏差， 通过调整秤的电机转速使该物料流量得到及时调整，流量相对保持稳定。但是实际中， 由于物料供给系统结构的限制，经常会出现物料供给不顺畅。特别是水泥供给系统的结 构对水泥的供给计量有很大的影响，生产中经常会出现水泥由于其材料本身的特性及水 泥罐存放方式等原因，易起潮、板结、起拱，因此，在使用过程中经常出现堵塞，粉料供给 中断，导致水泥配比减少，水泥含量严重偏低，影响级配。 对此谭军在“稳定土厂拌设备配料计量形式及集散控制模式初探”的文章中【2 4 】， 长安大学硕十学位论文 提出如图3 8 通过皮带秤综合计量和加设粉料过渡仓的结构，来改善水泥断料，提高水 泥计量准确度；黄兴勤通过研究稳定土厂拌设备技术性能对稳定土质量的影响【3 0 】，提出 图3 9 在原粉料供给系统中增加粉料过渡仓结构，改进水泥供给断料，提高水泥计量精 度；王笑风，余少亮，王振军在“提高稳定土拌和楼水泥称量系统稳定性的技术措施 【3 l 】 的文章中也提出图3 1 1 增加过渡仓的结构来改进水泥供给断料，提高水泥计量精度。对 上述提出的结构进行分析，结合工程应用实际发现，存在以下几方面的缺点和不足： _ 舌 图3 8 皮带秤综合计量 1 图3 8 通过螺旋称、过渡仓，叶轮给料器、皮带秤的综合计量结构，采用调速电 机带动叶轮给料机给料，依靠皮带秤计量掌握水泥质量，并把此数据信号传输到调速电 机，靠调整电机转速来实现水泥的计量( 如图3 8 ) 。水泥的计量可以根据施工实际需要 来调整，实现了机电一体化的自动准确控制，很好地解决了混合料中水泥剂量的准确性， 可以解决生产中水泥断料情况，但水泥计量精度不高，工程应用中皮带秤计量水泥变异 性很大。电子皮带秤的称重原理是根据皮带单位长度上的物料质量同皮带速度的乘积与 输送