（机械设计及理论专业论文）橡胶沥青的生产工艺及关键设备研究.pdf

i l i l ll l ii i i ii i i ii i i iu l 17 3 0 0 4 4 s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o nt e c h n i q u eo fa s p h a l tr u b b e r a n dk e y e q u i p m e n t ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gd a o f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gr e n f e n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：加年多月i o 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) 论文作者躲互蛘 导师签名：彳3 人甲 导师签名：纠、b i 枷 o 年6f j l i oe l z 。一年6 月o 日 摘要 随着经济的发展，交通量的不断增大，对公路路面的要求也越来越高。经过近几十 年的研究，橡胶粉改性沥青的应用技术也逐渐成熟，依靠其优良的路用性能、环保等特 点得到了广泛的应用。橡胶沥青使用量的增加，给其生产带来了巨大的压力。设计一套 自动化程度高、生产量大、效率高、使用方便的橡胶沥青生产设备乃是当务之急。 本文深入分析了橡胶沥青的改性机理和生产工艺，并在此基础上设计了橡胶沥青生 产设备中的快速升温设备，包括整体的组装图、管板、换热管、分隔板、折流板等，在 此基础上，建立其传热模型，并分析了导热油进口温度、流量与沥青出口温度的关系。 另外，本文通过结合p l c 控制技术和变频调速技术，对螺旋输送电机进行了p l c 控制， 完成了配合比的变频调速系统的设计和研究。首先，根据系统要求选择了合理的控制方 案，即p i d 闭环控制方案；然后，根据控制方案设计出控制电路，并对p l c 控制器、 变频器、传感器等硬件进行了选型配置，并详细介绍了采用p l c 控制器的优越性，以 及m m 4 3 0 变频器快速调试参数的设置等；接着，在分析了p i d 算法的基础上，选用 s t e p 7 m i c 脶m 0 编程软件进行了系统p l c 控制程序的设计；最后，简单介绍了p l c 控制器。 该快速升温设备加热效率高，能够很好的满足整个橡胶沥青生产设备对高温基质沥 青的需求，根据导热油进口温度、流量与沥青出口温度关系图可以指导实际生产。另外， 通过模拟控制程序，本控制系统可以实现根据控制参数即配合比的偏差来自动调节螺旋 输送电机的转速，以达到实际配比与标准配比的偏差在精度范围之内的目的。其次，该 控制系统还具有较好的故障报警功能。 关键词：橡胶沥青快速升温p l c 控制变频调整 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n c r e a s i n gv o l u m eo ft r a f f i co nt h er o a ds u r f a c e ， t h er e q u e s tt oh i g h w a yr o a ds u r f a c ei sa l s om o r ea n dm o r eh i g l l a f t e rs e v e r a ld e c a d e so f r e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fr u b b e ra s p h a l th a sg r a d u a l l ym a t u r e d d e p e n do ni t s g o o d c h a r a c t e r i s t i c so fr o a ds u r f a c e ，g o o de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，r u b b e ra s p h a l t h a sb e e nu s e dw i d e l y t h ei n c r e a s e du s eo fr u b b e ra s p h a l tb r i n g sg r e a tp r e s s u r eo ni t s p r o d u c t i o n i ti su r g e n tt od e s i g nar u b b e ra s p h a l tp r o d u c t i o ne q u i p m e mw h i c hh a sh i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n , b i gp r o d u c t i o nv o l u m e ，h i 曲e f f i c i e n c y , e a s i n e s so f u s e o nt h eb a s e m e n to fa n a l y s i so fr u b b e ra s p h a l tm o d i f i e dm e c h a n i s m sa n dp r o d u c t i o n p r o c e s s e s ，w ed e s i g nar a p i d l yw a n n i n gd e v i c eo fr u b b e ra s p h a l tp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ， i n c l u d i n ga s s e m b l yd r a w i n g ，p i p ep l a t e ，h e a te x c h a n g ep i p e ，d i v i d e r s ，b a f f l e sa n ds oo n o t h e r , t h i ss y s t e mc o m b i n e d 、析n lp l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , f r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g y , t o a c h i e v et h eo b j e c t i v e so fd e s i g np r o p o r t i o nb yp l c c o n t r o l l i n gs c r e wc o n v e y o rm o t o r f i r s t l y , t h ep a p e rc h o o s e sr a t i o n a ls y s t e mc o n t r o ls c h e m eb a s e do ns y s t e mn e e d s ，t h a ti sp i dc l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m e t h e nc o n t r o lc i r c u i tw a sd e s i g n e do nt h es c h e m e a tt h es a m et i m e ， h a r d w a r el i k ep l c ，c o n v e r t e r s ，s e n s o r sa n ds oo nw a sd i s t r i b u t e da n dc o n n e e t e d t h e n i n t r o d u c e st h ea d v a n t a g e so fu s i n gp l cc o n t r o l l e r a n dt h e nt h eq u i c k - d e b u g g i n gp a r a m e t e r s o fm m 4 3 0c o n v e r t e rw e r es e tu pi ns y s t e m b a s e do nt h er e s e a r c ho fp i dc o n t r o la l g o r i t h m ， t h ep l cc o n t r o lp r o g r a mo fs y s t e mw a sd e s i g n e d 谢t l ls t e p 7 - m i c r o w i n 4 0 a tl a s t ，ab r i e f i n t r o d u c t i o no f c o n n e c t i o no fp l cc o n t r o l l e ra n du p p e rc o m p u t e rw a sp r o v i d e d i tw a sp r o v e dt h a tt h er a p i dh e a t i n gd e v i c eh a sh i g hh e a t i n ge f f i c i e n c y , i tc a ns a t i s f yt h e n e e d so fh i g h - t e m p e r a t u r ea s p h a l tb yr u b b e ra s p h a l tp r o d u c t i o ne q u i p m e n t i na d d i t i o n , t h r o u g hs i m u l a t i n gc o n t r o lp r o g r a m ，t h ec o n t r o ls y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yr e g u l a t et h es p e e d o fs c r e wc o n v e y o rm o t o ra c c o r d i n gt ot h ed e v i a t i o no fc o n t r o l l i n gp a r a m e t e ri no r d e rt o a c h i e v et h a tt h ed e v i a t i o no fa c t u a lp r o p o r t i o na n ds t a n d a r dd e v i a t i o np r o p o r t i o nw i t h i nt h e n e e d e ds c o p e m e a n w h i l e ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a dg o o df u n c t i o no ff a u l tw a r n i n g k e yw o r d s ：r u b b e ra s p h a l t ；r a p i dw a n n i n g ；p l cc o n t r o l ；v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i o n 1 1 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景。1 l 。2 橡胶沥青的发展历史。l 1 3 国内外对橡胶沥青的研究3 1 3 1 加工方法的研究3 1 3 2 改性机理4 1 3 3 橡胶沥青特点4 1 3 4 橡胶沥青应用5 1 4 本文研究内容6 第二章橡胶沥青的生产设备7 2 1 橡胶沥青生产工艺7 2 1 1 干法生产工艺。7 2 1 2 湿法生产工艺8 2 1 3 干、湿两种生产工艺的比较8 2 2 橡胶沥青生产设备。9 2 2 1 橡胶沥青与其它改性沥青生产设备的异同9 2 2 2 橡胶沥青生产设备类型9 2 2 3 橡胶沥青生产设备组成1 l 2 3 本章小结1 4 第三章沥青快速升温设备的设计1 6 3 1 概述。1 6 3 2 沥青的加热方式1 6 3 3 换热器类型的选择1 7 3 4u 型换热器的结构设计。2 0 3 4 1 换热面积的计算2 0 3 4 2 换热器结构的设计2 4 3 5 换热器传热模型。2 5 3 6 本章小结31 第四章沥青与橡胶粉控制系统分析与控制算法。3 2 4 1 控制系统分析3 2 4 1 1 基本工艺流程3 2 i i i 4 1 2 计量系统的分析3 2 4 1 - 3 系统的控制原理。3 3 4 1 4 系统的控制算法p d 算法3 4 4 1 5 系统闭环控制方框图3 6 4 2 控制系统各个环节的传递函数3 7 4 2 1 变频调整器的数学模型3 7 4 2 2 执行机构的传递函数3 7 4 2 3 反馈环节数学模型3 8 4 2 4p l c 控制环节3 8 4 3 本章小结3 9 第五章橡胶沥青控制系统的硬件设计4 0 5 1 橡胶沥青控制系统总体设计4 0 5 1 1 橡胶沥青控制系统要求4 0 5 2 橡胶沥青控制系统的硬件设计4 l 5 2 1p l c 控制器4 1 5 2 2 橡胶沥青控制系统相关设备的选型4 9 5 3 本章小结5 6 第六章橡胶沥青控制系统的软件设计5 7 6 1p l c 的编程语言5 7 6 1 1p l c 的编程方法。5 7 6 1 2s t e p7 - m i c r o w i n 4 0 编程软件介绍5 7 6 2 系统的程序设计5 8 6 2 1c p u 及e m 2 3 5 模块的i o 分配5 8 6 2 2 程序设计。5 9 6 4 本章小结7 3 结论与展望7 5 一、结论：7 5 二、展望。7 5 参考文献7 7 攻读学位期间发表的论文。：8 0 致谢。8 l i v 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近十几年我国经济得到发展迅速，交通量增长迅速，车载重量变得多了又多， 路面坏了修，修了又坏。如何让路面避免坏了修，修了又坏的的现象发生，成为 现在人们特别是专家们关注的问题。 随着现在汽车的普及，汽车数量的迅速增加，这样全世界每年就会产生大量 的废弃橡胶轮胎，合理地处理掉这些废旧轮胎对周围环境的保护起到重量作用。 世界上的汽车大国有好多个，比如美国、英国、加拿大等，每年从汽车上换下来 的不用的轮胎有几亿个，其中有一小部分加收再加工得到利用，其余大多数被放 火烧掉或封闭在地下面。我国也有类似的情况：据统计，2 0 0 6 年在我国从汽车 上换下来的旧轮胎也有1 亿个，在全世界排名为第二，比美国数量少，并且每年 都以1 5 的速度增加，按照现在的形势，根据当前的增速，预计到2 0 1 1 年我国 的从汽车的换下来的旧轮胎将有2 亿条。把数量这么巨大的从汽车上换下来的轮 胎放在一起，堆叠起来，因为一些化学反应会积累许多热量，热量多了之后就会 自己燃烧起来，不仅会影响人们生活的安全环境，还会产生有毒气体，污染周围 空气。若把这些被封闭在地下面的从汽车上换下来的旧轮胎扔掉的话，则毫无意 义的浪费掉对我们有益的各种东西。如何科学有效地利用废旧橡胶轮胎成为许多 学者研究的重点【1 】【2 】。 如果在道路的路面材料里加入废旧轮胎，路面性能能够得到提升，不仅可以 有效地改善路面使用性能，还可以减少废旧轮胎对环境的污染。实验表明，把废 旧轮胎加工成橡胶粉，与沥青采用合适的比例进行混合发育，会大大改善沥青的 各种性能，这样不仅有利于整个社会的发展、环境的保护，也适应我国提倡建设 资源节约型、环境友好型社会的要求。本文对橡胶沥青的应用技术进行了阐述， 并对橡胶沥青生产设备的关键部分进行详细研究和探讨。 1 2 橡胶沥青的发展历史 根据a s t m 的定义，橡胶沥青( a r ) 就是“沥青、回收轮胎橡胶和某些添 加剂混合而成的，橡胶粉至少占到总量的1 5 ，并且与热沥青充分发生反应，使 第一章绪论 橡胶颗粒产生融涨产生的一种混合料 。从1 9 5 0 年开始出现橡胶粉改性沥青，它 是大多情况下应用在非刚性路的表面的一种结合材料。到1 9 6 0 年以后，世界上 技术先进的美国最早的把橡胶粉改性沥青应用于一些用作试验的路面的一些摊 铺。1 9 7 0 年至2 0 世纪末，全球有许多发达国家在橡胶粉改性沥青上面进行了大 量的人力财力进行研究，并进行了许多实践性的实验。其中以经济最发达的美国 走在最前面，其技术也最为先进。在美国，政府对于橡胶粉改性沥青的发展也起 到一定的促进作用，政府出于环境保护，社会安定的考虑，着重加大从汽车上换 下来的旧轮胎的处理工作，对旧轮胎再收购，再加工，再利用。1 9 9 1 年，美国 国会通过了陆上综合运输经济法案，从这个法案里可以知道从1 9 9 4 年开始，凡 是由联邦出资修筑公路所采购的公路施工材料里，要求将经费的5 以上分配给 采购由旧轮胎与沥青加工而成的改生沥青混合料。再以后每年都要将经费的所占 比例增加5 ，直到1 9 9 7 年为2 0 。在美国，交通发达，其公路的数量可观的 许多个州在道路施工中使用橡胶沥青，像亚利桑那州、佛罗里达州、加利福尼亚 州等，这些州进行了大量实验，积累了丰富的有科学价值的经验，并且制定了各 自的橡胶沥青使用规范。其它发达国家中橡胶沥青也得到应用，像俄罗斯成功地 橡胶沥青技术应用到实践，事实证明橡胶沥青在温度低的情况下，其优良的性能 更能得到发挥，位于纬度较高的俄罗斯修的许多公路应用橡胶沥青技术，效果相 当不错，在温度最低的冬季路表面结冰现象明显减少，自然交通事故的发生频率 也自然降低。在交通发达的英国，人们注重噪音污染，为了减少由于汽车轮胎与 路面之间摩擦产生的噪音，在交通量繁重的道路上应用橡胶沥青技术进行路面的 摊铺，降噪效果明显。此外，在日本、法国、加拿大、韩国、澳大利亚、南非、 芬兰、瑞典等地也已将这种发展前景好，对社会贡献大的技术橡胶沥青改性技术 应用于大部分高等级公路的修筑【2 】。 1 9 8 0 年以后，这项先进的公路材料技术被介绍到我国，像北京、沈阳等许 多省份都开展了对此技术的研究和应用，并根据实际的应用效果进行了总结。 2 0 0 0 年后，国家对环境保护的更加重视并且加大了对废物再利用的投入，橡胶 沥青技术迅速发展，在我国国内成立了许多以橡胶沥青生产为主要生产产品的制 造商，其中较大的制造商有浙江省美通橡胶沥青生产有限公司、四川省正中路科 橡胶沥青生产有限公司和南京市金邦橡胶沥青生产有限公司等。它们花重金从国 2 长安大学硕士学位论文 外购买橡胶沥青生产技术以及购买先进的生产设备，回来自己消化吸收，再创新， 以适应我国具体的基本情况，大大提高了我国橡胶沥青技术在国际上的地位。近 几年，广东、湖北、江苏、重庆等地先后将橡胶沥青应用在高速公路的施工中， 效果明显。 改革开放以来，我国经济发生的翻天覆地的变化，经济的发展必然会要求交 通运输量的加大，也就是说对路的数量和质量要求都会加大，另外，全民素质的 提高，社会的进步，人们的环保意识也不断提高，这种要求性能好，噪音低的路 面材料必须得到大量的应用，因此，橡胶沥青是适应历史的要求，显然其应用前 景也会非常好。 1 3 国内外对橡胶沥青的研究 1 3 1 加工方法的研究 橡胶沥青的加工方法有干法和湿法【4 】【5 】【6 】【7 】【8 1 1 9 1 。 干法处理：在沥青加入之前就将橡胶粉作为填料直接加入到断级配的烘干 的矿料中，作为集料级配的一部分，改善路面性能。 湿法处理：先将橡胶粉与沥青按照一定的比例进行混合，发育得到橡胶沥青， 再将橡胶沥青与骨料在按照一定的比例放入搅拌锅里面进行搅拌生成的一种沥 青混合料，因这种方法生产出的产品恨性能更好，所以它也是在生产过程中最常 用的橡胶沥青生产方法。具体来分湿法有两种生产方法：沥青库混合法和麦克唐 纳法。 ( 1 ) 沥青库混合法 沥青库混合法是指将废旧轮胎加工成的橡胶粉与沥青在特定的大容器罐里 面进行混合之后把产品通过沥青罐汽车运送到拌合站，对于用量少的情况也可以 在施工场地进行直接生产。这种方法生产的产品的特点是：橡胶粉与沥青不用外 力混合，橡胶粉颗粒更细( 5 0 目) ，橡胶粉添加的比例低，要求不能高于1 5 。 之所以这种生产方法加工的橡胶沥青内胶料颗粒分布能均匀，是因为橡胶粉颗粒 更细以及橡胶粉添加的比例低，另外其粘度也较低。 ( 2 ) 麦克唐纳法 麦克唐纳法始于2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，因麦克唐纳在这种工艺做了大量的研 3 第一章绪论 究工作，所以此工艺称为麦克唐纳法。于以前加工方法不同之处在于：橡胶粉粒 径比以前大，加工温度也要高很多。生产工艺为：将一定比例量的橡胶粉投入加 热到1 9 0 - 2 1 8 基质沥青中，使橡胶粉充分溶胀，形成一种凝胶状物质。利 用加工出橡胶沥青粘度大，各项指标也有很大的提高。 需要注意的是麦克唐纳法是当今湿法生产橡胶粉改性沥青的最的最多的方 法。 1 3 2 改性机理 自橡胶沥青发明以来，国内外的许多相关研究人员对橡胶沥青的改性机理开 展了长时间的工作，到现在为止，大多数研究人员认为橡胶粉与沥青混合时环境 为高温，接触面发生了物理性的和化学性的反应。 橡胶粉与沥青混合后在搅拌器的作用下混合均匀即两种材料的混容，在混合 的时间段内，因环境温度较高，橡胶粉与沥青之间发生界面渗透物质发应。一方 面，橡胶粉颗粒在高温作用下部分裂解，橡胶粉的一些成份通过界面交换渗到基 质沥青中，使沥青随着温度的变化其性能变化更小，沥青老化的时间也变得越来 越长；另一方面，基质沥青中含有一些分子较小的物质，其使沥青粘度低，加入 橡胶粉后，把这些物质反应掉了，沥青中的分子较大的部分留下，这样沥青的粘 度比以前更大。有了这样的反应，橡胶粉和沥青这两种物质的界面不再那么清析， 变成了形成一种弹性很好的凝胶状物质【l o l 。 1 3 3 橡胶沥青特点 l 、废弃物再利用、保护环境 长期以来，我国用于生产轮胎的橡胶占总消耗近6 0 ，随着我国汽车工业的 快速发展，轮胎的数量与日俱增，废旧轮胎的量每年以1 5 以上的速度增长。2 0 0 4 年产生的废旧轮胎已超过1 1 2 亿条，约3 2 0 万吨。到2 0 1 0 年，废旧轮胎的产生量 预计达到2 亿条。废旧轮胎具有很强的抗机械、性抗热性能，如果将它埋在土地 里，一百年也不会分解腐烂；若长期露天存放，不仅会占用大量土地，而且会产 生许多有害气体，严重污染环境，危害身体健康。若能把废旧轮胎加工成橡胶粉 应用到改善沥青性能上，那么大量的废旧轮胎就会得到再次利用，不仅提高了沥 青的性能还解决了环境污染问题。此外，用橡胶沥青摊铺的公路路面坏掉以后所 需的养护费用比用别的材料摊铺的路面的养护费用低。对于汽车行驶产生的噪音 4 长安大学硕士学位论文 降低也有较好的效用，对公路两旁的人们的生活影响较少。 2 、沥青性能得到提高和改善【5 】【l o 】【l l 】【1 2 】【1 3 】1 1 4 1 。 ( 1 ) 高温稳定性能 在温度较高的区域或者某些地区的高温季节里，沥青路面刚度会变差，车辆 在上面行驶的时候，就会出现车辙，而用橡胶沥青摊铺的路面可以很好的改减少 路面出现的车辙。 ( 2 ) 低温性能 周围环境温度较低时，沥青路面就会出现低温开裂，路面开裂严重影响路的 使用性能，橡胶沥青在低温环境下还能保持较好的性能，抗低温开裂能力较强， 因此，橡胶沥青在低温地区应用较多。 ( 3 ) 抗老化和耐疲劳性能 沥青在使一段时间后就会老化而变脆，另外常常会疲劳破坏，使其各方面性 能变差，路面也就变得容易损坏，而橡胶沥青摊铺的道路使用时间更长，而不会 发生老化和疲劳破坏。 ( 4 ) 抗水损坏能力 沥青路面最怕水，水一但进入路面里面，在车辆的反复碾压下，路面极易损 坏，橡胶沥青在这方法性能优越，防水效果很好，因此，橡胶沥青在降水多的地 区摊铺路面，或者通风不太好的隧道里摊铺路面。 橡胶沥青比起其它沥青来话好了不少，用的地方也多，但它也有点不足。比 如加工时间要求严格，加工起来不方便，刺鼻的气味让施工人员闻起来难受等。 在用橡胶沥青摊铺路面时一定得考虑到其优点以及其缺点，根据具体情况具体分 析，选择合理的加工方案，施工方案。 1 3 4 橡胶沥青应用 就目前的情况来看橡胶沥青的应用主要有两个方面：沥青混合料和碎石封 层。 ( 1 ) 橡胶沥青混合料 和一般的沥青混合料的搅拌方法差不多，只是把一般的沥青换成橡胶沥青， 但因为其橡胶沥青粘度等原因需要对搅拌时间进行修改，这样搅拌而成的由橡胶 沥青和骨料组合而成的混合物。 第一章绪论 ( 2 ) 碎石封层 碎石封层按其功能不同可以分为路表面封层和吸收应力的封层两种。 表面封层：其施工工艺为j - r 好的高温橡胶沥青装在沥青洒布车里，洒布车 把该沥青尽量均匀地洒在路面上，然后再用碎石洒布车均匀地在刚才洒的沥青上 洒上烘干的碎石，注意，沥青洒完后就立即洒碎石，接下来用压路机压几遍，目 的是让碎石更好的粘在沥青里面，一般要求碎石有三分之二在沥青里面。这种封 层可以防止路面上的水流到里面去、提高摩擦系数、延长寿命，并能弥补一些路 面原有的一些缺陷。 应力吸收层：施工工艺与表面封层基本相同，不同的是碎石封层就是路面的 最上层了，而应力吸收层上面还要加铺一沥青混合料路面，也就是说应力吸收层 只是个中间层。但应力吸收层作用很大，它可以阻止裂纹的扩大，减少疲劳破坏， 没有裂纹路面的水自然也就不会渗到路中间去了。 1 4 本文研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 橡胶沥青生产工艺及加工设备总体结构设计。 ( 2 ) 沥青快速升温设备的传热模型和结构设计。 ( 3 ) 基于p l c 的配比实时控制。 6 长安大学硕士学位论文 第二章橡胶沥青的生产设备 橡胶沥青是在基质沥青里加入橡胶粉进行充分的搅拌、发育之后生成的一种 改性沥青，也称为橡胶粉改性沥青。由于橡胶沥青不同于像s b s 改性沥青、e v a 、 p e 类改性沥青和s b r 类改性沥青等以前工程上常见的改性方法，所以它有自己 独特的加工方法和特有的加工工具。 2 1 橡胶沥青生产工艺 橡胶沥青加工方法可以大体上分为两类：干法加工和湿法加工f 9 】【1 0 1 1 1 】【1 2 1 1 1 4 1 。 2 1 1 千法生产工艺 干法生产的加工工艺为：首先把通过烘干筒烘干的骨料由提升机运送到搅拌 锅里，之后将称量好的与骨料一定比例的橡胶粉通过螺旋输送器直接加到搅拌锅 这样两种材料搅拌混合一定时间，然后再喷入加热好的沥青，再搅拌规定的时间， 从而形成了干法生产的橡胶沥青混合料。这种生产方法橡胶粉加入量多，约占混 合料总量的1 - - 3 。用图来表示的话如图2 1 ： 图2 1 干法生产工艺 特点是：干法生产工艺是将沥青混合料中一些粒径范围的碎石空出来，让从 汽车上换下来的废旧轮胎加工成的橡胶颗粒充当，因此这种方法可以解决掉大量 的废轮胎，但橡胶粉并没有对沥青的性能有明显的改善，路面改善不多。橡胶颗 粒是具有很强的弹性的，充当矿石加入到沥青混合料里面，路面也具有更好的弹 性，减震降噪。 7 第三章沥青快速升温设备设计 2 1 2 湿法生产工艺 本章所介绍的湿法生产工艺指的是麦克唐纳法。麦克唐纳法是指将沥青加热 到1 8 0 2 0 5 然后加入一定量的橡胶粉，搅拌均匀形成的橡胶沥青结合料。根 据a s t m 的定义，橡胶沥青是指橡胶粉含量在1 5 以上结合料。 湿法工艺生产的橡胶沥青用处比较多，它可用于碎石封层、应力吸收层、水 泥路面嵌缝料或作为密级配、间断级配或开级配沥青混凝土的结合料。 图2 2 湿法加工工艺 2 1 3 干、湿两种生产工艺的比较 ( 1 ) 掺加量不同 长安大学硕士学位论文 2 2 橡胶沥青生产设备 2 2 1 橡胶沥青与其它改性沥青生产设备的异同 橡胶沥青也是一种改性沥青，所以和其它常用改性沥青生产设备有很多相同 点，如下： ( 1 ) 改性剂添加设备：改性沥青都是在基质沥青加入适量的改性剂使基质 沥青的各方面性能都能够得到很好的提升。 ( 2 ) 搅拌装置：改性剂与基质沥青混合之后不能够充分混合，绝大多数都 需要进行强制搅拌，这就需要有个单独的设备来搅拌，这也是改性沥青生产设备 的一个共同点。 ( 3 ) 加热设备：改性沥青的加工都要在一个固定的较高的温度范围内，如 果超出了这个范围所生产的改性沥青的性能也就达不到要求，所以，改性沥青生 产设备一定要有个加热设备来保证温度要求。 ( 4 ) 发育设备：改性剂与基质沥青在一定的温度下发生物理化学反应得到 的才是改性沥青，原则上说基质沥青已经“变质 了，这种物理化学反应过程是 需要充分的时间的，所以还必须要提供一个发育设备，目的是让改性剂与基质沥 青充分反应。 ( 5 ) 控制室：为了保证精度要求、减少劳动强度、提高生产效率等，在改 性沥青生产设备中引入自动控制系统。 橡胶粉与其它改性剂相比也有自己独特的性质，比如，橡胶粉呈固态颗粒状、 其相对密度较轻等等，这些特性使得橡胶沥青的生产设备与其它改性剂生产设备 相比有些不同之处，比如： ( 1 ) 常用的改性沥青生产设备使用的是高速剪切机或者胶体磨使改性剂与 沥青充分混合分散均匀。而橡胶沥青生产设备使用具有特殊形状搅拌叶片的搅拌 罐来使橡胶粉和基质沥青混合均匀。 ( 2 ) 与其它的改性沥青相比，橡胶粉改性沥青要求更高的发育温度，一般 在1 9 5 - - - 2 0 5 ，所以要有一个对沥青升温效率高而且速度又要快的升温设备。 2 2 2 橡胶沥青生产设备类型 在上世纪6 0 年代，c h a r l e s h m c d o n a l d 发明了废旧轮胎橡胶粉改性沥青，先 9 第三章沥青快速升温设备设计 后被应用于道路的应力吸收层、应力吸收中间层，以及开级配、间断级配等沥青 混合料中，那个时候的橡胶沥青生产设备也还只是采用简单搅拌的非连续的非专 业设备，如图2 3 所示。早期的设备问题很多，像沥青升温不快，效率就低；橡 胶粉和沥青的配合比控制精度差，产品性能差；间歇式生产，致使每个批次橡胶 沥青的发育时间不相等品质不均匀。发育罐个数少，生产量就很少。 到了2 0 世纪8 0 年代以后，橡胶沥青发展速度加快，一些厂家也开始研制并 生产专用的橡胶沥青设备，并且可以直接与料拌和站相连来满足不同的需要。目 前，在国外像c e i 公司、d & h 设备公司、s t r a t c o 公司、v s s 公司等都是比 较知名的厂商。近几年我国在橡胶沥青方面发展也迅速，国内主要的橡胶沥青生 产设备厂家有河南高远公路养护技术有限公司、i 四jw l 新筑路业等等【l5 1 。 图2 3 早期设备 从上世纪6 0 年代以来橡胶沥青生产设备也发生了深刻的变革，可以从两个 角度对橡胶沥青生产设备分类：按结构分可以分成固定式和移动式；按生产工艺 可以分成间歇式和连续式。 ( 一) 固定式和移动式橡胶沥青加工设备对比： ( 1 ) 固定不动式橡胶沥青加工工具是将全部的生产工具安装在一个地方， 即为生产工厂，生产工具的体积庞大，需要的场地面积大；重量大，搬运安装困 难；但其产量大，生产率高。一般这样的生产工厂距离橡胶沥青所需地远，所以 必须把生产出来的产品用运输车辆送到施工地。加工过程和发育过程的温度及时 间对橡胶沥青的性能至关重要，应严格按照规定实施，如果产品所需地与加工工 厂距离远，车辆运送时间自然就延长，那么在运输的过程中性能就难免会改变， 这就不能保证产品的质量。 ( 2 ) 移动式橡胶沥青加工工具没有复杂的内部结构，体积不大，不太重， 1 0 长安大学硕士学位论文 便于挪动地方，从一个施工场地到另一个施工场地，另外，不占太多的地方，有 十几平米的地方就可以安装此设备。不足之处就是单位时间内加工的橡胶沥青 少。 ( 二) 连续式和间歇式橡胶沥青加工工具对比： ( 1 ) 连续式加工工具是指能够不问断地生产橡胶沥青的设备，其流程如下： 重量成一定比例的橡胶粉和沥青由输送器和沥青泵送到搅拌筒里，把这两材料初 步搅拌均匀，再由沥青泵压到发育罐里进行发育，整个过程中，搅拌与发育的时 间都是有要求的，在发育罐发育好的沥青混合物就是连续式生产的橡胶沥青了。 连续式生产过程中特别要注意：配合比满足规定要求，这种要求输送橡胶粉的量 与沥青的量的瞬时重量比是规定的值，由此可以看出该设备的控制系统的精度要 求较高。连续式生产设备优点是单位时间内生产的橡胶沥青的量较大，生产一筒 沥青所需的时间就短了。 ( 2 ) 间歇式橡胶沥青加工工具是与连续式加工式具的生产目的是一样的， 只是间歇式两路材料的加入方式不同，间歇式是间断的把两种材料加入搅拌罐， 当然其配合比还是要保证的，之后在罐中经过大约l 旺1 5 分钟搅拌，这样就能 保证混合均匀。之后再用沥青泵把混合均匀的混合料输送到发育罐里发育，规定 时间后就生产出所需的混合料了。这种方式生产可以很容易把配合比控制在需要 求的范围之内，所以控制简单，配合比准确，从而生产出的橡胶沥青的性能与生 产目的能相符。缺点是单位时间内生产的量少。 2 2 3 橡胶沥青生产设备组成 随着对橡胶沥青需求量的增大，生产效率高的连续式橡胶沥青生产设备得到 广泛的应用，本节主要对连续式生产设备的结构进行说明【1 6 l 。 连续式橡胶沥青生产设备组成如图2 4 第三章沥青快速升温设备设计 1 + 1 7 + 1 ，基酒t 进口饶毫，卜沮薹王，- 蕾籍 境樟电机，覆摔一铺t 曩凡置膏簟k 蔓青簟电机i 主控li 赣轴 1 1 堰t 避l 遣电帆l ，基油蛙di l t t 侍办 i kt 量传办 i 信，1 州lt k 热袖出口 图2 4 设备组成 由上图可以知，橡胶沥青生产设备主要包括五部分：( 1 ) 控制系统、( 2 ) 称 量系统、( 3 ) 加热系统、( 4 ) 搅拌发育系统( 5 ) 保温系统。 ( 一) 控制系统 控制系统控制的主要参数有： ( 1 ) 橡胶粉与基质沥青的配合比。 ( 2 ) 基质沥青从快速升温设备泵出时的温度。 ( 3 ) 基质沥青泵送到搅拌罐的流量。 ( 4 ) 螺旋输送到搅拌罐的橡胶粉的重量。 ( 5 ) 橡胶沥青在发育罐中的发育温度和发育时间。 橡胶粉重量的控制是由安装在储粉罐下面的压力传感器采用减量称重法称 得；基质沥青流量的检测采用流量计来实现；橡胶粉与基质沥青的配合比的保证 是通过检测橡胶粉和橡胶沥青混合料的重量，用p l c 控制改变橡胶粉的输送量 来实现的。对温度的检测是通过安装在基质沥青罐、搅拌罐和发育罐中的温度传 感器来路实现，并通过改变导热油的流速来控制各个部分的温度。 ( - - ) 称量系统 称量系统是对橡胶粉以及沥青进行计量的，它的准确性直接关系到配合比的 准确度，进而影响橡胶沥青的各方面性能。因此，要采用合适的传感器以及合理 的称量方法是保证计量准确的前提。橡胶粉是靠螺旋输送器按照规定的量地从储 粉罐输送到搅拌罐里，对其重量的测量采用的最好方法是减量称量法，即称得原 1 2 长安大学硕士学位论文 来储粉罐里的橡胶粉的总量，输送过程中称量剩余量，把两个值相减即为橡胶粉 的添加量。减量控制的称重传感器安装在储粉罐的底部，因为储粉罐与螺旋输送 器以及输送电机都安装在一个机架上，是固定连接，而螺旋输送器与搅拌罐是软 连接，所以，称重传感器称的重量是储粉罐本身、橡胶粉、螺旋输送器和电机的 总重量。生产过程中，输送器把橡胶粉连续输送到搅拌罐，称重传感器称得的重 量就减少，这个减少量就是被添加到搅拌罐里的橡胶粉的重量。沥青的计量也是 间接称量，搅拌罐与发育罐固定安装在同一个架子上，在这个架子下面安装有三 个压力传感器，它称得的重量是橡胶粉与沥青混合之后的重量，混合之后的重量 减去橡胶粉的重量就是沥青的重量了。这种称重法的优点是：对于一批产品，从 整体看能时时刻刻控制橡胶粉与沥青的配比，控制精度要比其它的高的多，另外， 这种方法控制简单，只有两个重量信号的比较，通过比较之后来控制螺旋输送器 的转速就可以了，所以控制简单。 对于间歇式生产设备，一个生产周期所需的胶粉与沥青的量可以精确计算， 一般采用人工的方法来称量，精度是可以保证，但工作效率低，劳动强度大。 ( 三) 加热系统 橡胶沥青生产时对温度要求比较高，必须保证其温度在规定的范围之内，否 则生产出的橡胶沥青性能就不能满足要求。 在橡胶沥青生产设备中需要加热的有四部分： ( 1 ) 基质沥青在存储罐中的预加热。 ( 2 ) 快速升温设备将基质沥青快速升至要求温度的快速加热。 ( 3 ) 搅拌时对搅拌罐中的橡胶沥青混合物的保温加热。 ( 4 ) 发育过程中对发育罐中橡胶沥青粘结剂的保温加热。 橡胶沥青生产设备中的这四个分部虽然加热温度不同，温度升高的原理和方 式一样的，即采用导热油加热。 导热油加热采用闭合回路的导热油对各部分进行循环加热的方式，温度上升 说明图如图2 5 ： 第三章沥青快速升温设备设计 一 图2 5 橡胶沥青加工设备加热系统加热流程图 ( 四) 搅拌、发育系统 搅拌系统是橡胶沥青加工设备的重要组成部分，在搅拌罐和发育罐里都要安 装搅拌器，使橡胶粉在沥青中尽量均匀反应速度快，加工效率高。对搅拌系统要 满足如下要求： ( 1 ) 由于橡胶粉的密度比沥青轻得多，所以混合时橡胶粉漂浮在沥青上面， 这就要求通过设计合理的搅拌叶片使橡胶粉与沥青充分混合均匀。 ( 2 ) 在橡胶粉与沥青混合的过程中会产生一些粘在搅拌罐内壁上而不易掉 下来的一些物质，这种现象即为挂料现象，它会大大影响生产效率，因此通过设 计合理的搅拌器，减少挂料现象的发生，提高生产效率。 ( 3 ) 在搅拌和发育过程一定得保证在规定的温度下进行，这就要求搅拌罐 和发育罐需设计有加热和保温功能，保证搅拌、发育温度要求。 ( 五) 保温系统 由于在橡胶沥青生产过程中温度比外界温度要高得多，因此基质沥青存储 罐、快速升温设备、搅拌罐、发育罐以及连接它们的管道等等需要用保温材料包 裹，减少其与空气的热交换，从而减少热量损失。 2 3 本章小结 本章主要对橡胶沥青的生产工艺和生产设备进行了详细的介绍。生产工艺包 1