郭俊凱

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006）

智能投料機(jī)氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭俊凱

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006）

為了便于在道路施工中快速、精確地向?yàn)r青拌和站添加顆粒狀添加劑，采用氣力輸送的方式設(shè)計(jì)智能投料機(jī)，使用防反風(fēng)電子稱量裝置實(shí)現(xiàn)在氣壓擾動下的精確計(jì)量，采用收縮式結(jié)構(gòu)氣料混合加速室實(shí)現(xiàn)物料的快速吹送。對樣機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：智能投料機(jī)的物料稱量誤差小于1%，吹送25 kg物料所用時(shí)間少于36 s，能夠滿足1000～5000型拌和站的要求。

道路施工；智能投料機(jī)；氣力輸送；電子稱量

0 引 言

高速公路路面施工一般利用拌和站進(jìn)行瀝青混合料拌和，為了改善瀝青性能需要添加顆粒狀的外摻劑，例如顆粒狀纖維、抗車轍劑、瀝青改性劑、硬質(zhì)瀝青顆粒等［1］。目前瀝青混合料中外摻劑的添加以人工輔助的半自動和自動投料設(shè)備為主，人工輔助的半自動投料設(shè)備適用于生產(chǎn)量較小的工程，但存在計(jì)量不準(zhǔn)確等問題，采用自動化投料設(shè)備是目前的發(fā)展趨勢。

能夠?qū)崿F(xiàn)自動投料功能的方式包括螺旋輸送、皮帶輸送、氣力輸送等［2］。在拌和站添加外摻劑時(shí)，由于拌和站比較高，采用螺旋方式和皮帶輸送方式時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易安裝，而采用氣力輸送只需將管路連接到拌和站即可，安裝快速。

氣力輸送投料設(shè)備在使用過程中受風(fēng)力影響會導(dǎo)致稱量不精確［3］。在吹送過程中，外摻劑在風(fēng)力作用下實(shí)現(xiàn)加速，這對氣料混合加速室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)格要求［4］，故在氣力輸送智能投料機(jī)設(shè)計(jì)過程中必須要解決上述問題。

本文基于氣力輸送方式設(shè)計(jì)瀝青拌和站外摻劑智能投料機(jī)，并從防反風(fēng)電子稱量裝置、旋轉(zhuǎn)給料器、鼓風(fēng)機(jī)、氣料混合加速室、輸送管路等部分詳細(xì)闡述智能投料機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；最后通過試驗(yàn)測試樣機(jī)的整體性能。

1 智能投料機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)

1．1 功能分析

智能投料機(jī)通過調(diào)節(jié)電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯，精確稱量添加料的質(zhì)量，并利用氣力輸送方式將添加料輸送到拌和站8～10 m高的拌和鍋中。具體功能包括：防反風(fēng)精確電子稱量、氣力輸送將外摻劑吹送到拌和鍋、PLC邏輯控制、可視化操作及稱重量和部件工作時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整。

1．2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能分析，智能投料機(jī)采用PLC微電腦進(jìn)行邏輯控制，通過HMI交互式操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可精確設(shè)置電子稱量質(zhì)量，自動化程度高，投料時(shí)間準(zhǔn)確、穩(wěn)定、精度高，同時(shí)降低了現(xiàn)場操作工人的勞動強(qiáng)度。通過參數(shù)設(shè)置可以適用于1000～5000型間歇式瀝青拌和設(shè)備，應(yīng)用范圍廣，設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)，安裝方便。

智能投料機(jī)工作流程為：添加料投入料倉中，通過螺旋將物料提升到計(jì)量倉，電子稱量裝置精確稱量物料質(zhì)量，通過給料器送入到氣料混合加速室，利用氣力將物料通過管道送入到拌和站的投料倉中，接收到拌和站的投料信號后投入拌和鍋，完成投料。投料機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能投料機(jī)結(jié)構(gòu)

2 氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與濃相氣力輸送系統(tǒng)相比，稀相氣力輸送系統(tǒng)氣速高，物料在輸送過程中由于摩擦易產(chǎn)生磨損，甚至破碎；且稀相氣力輸送系統(tǒng)能耗較大，因此本系統(tǒng)不采用。濃相氣力輸送系統(tǒng)包括濃相靜壓和濃相動壓2種，其中靜壓氣力輸送系統(tǒng)料氣比最高可達(dá)50以上，并且對氣流速度要求較低，一般為5～10 m·s－1，但缺點(diǎn)是輸送距離短、效率低，性能易受物料特性制約［5?7］。因此，濃相靜壓氣力輸送方式不予考慮。綜上所述，選用濃相動壓氣力輸送系統(tǒng)作為瀝青混合料外摻劑智能投料機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)。

智能投料機(jī)氣系統(tǒng)主要由防反風(fēng)電子稱量裝置、旋轉(zhuǎn)給料器、鼓風(fēng)機(jī)、氣料混合加速室、輸送管路組成。

2．1 防反風(fēng)電子稱量裝置

電子稱量裝置位于旋轉(zhuǎn)給料器上方，通過軟連方式連接。其工作流程為：電子稱稱量設(shè)定質(zhì)量的物料后將其送入下方的旋轉(zhuǎn)給料器；給料器將物料均勻地送入氣料混合加速室；由風(fēng)機(jī)將物料吹送到輸送管道中。然而，在實(shí)際的使用過程中，旋轉(zhuǎn)給料器的氣密性往往達(dá)不到密閉要求，氣體會隨給料器的轉(zhuǎn)動到達(dá)電子稱，并給電子稱推力，從而影響電子稱的實(shí)際稱量精度以及計(jì)量倉中物料下落的速度。

防反風(fēng)電子稱量裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由電子稱量傳感器、防返風(fēng)彎頭和導(dǎo)氣管組成，導(dǎo)氣管通過防反風(fēng)彎頭與旋轉(zhuǎn)給料閥連接，將旋轉(zhuǎn)給料閥中氣壓引出，減少了氣壓對電子稱量裝置的擾動，提高了稱量精度，增加了稱量穩(wěn)定性。

圖2 防反風(fēng)稱量裝置

2．2 旋轉(zhuǎn)給料器

旋轉(zhuǎn)給料器由外殼、葉輪、主軸、端蓋等組成，適用于粉狀、顆粒狀物料排料或給料系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)給料器作為除塵設(shè)備的鎖氣卸料裝置和閉式輸送系統(tǒng)鎖氣給料裝置，用于防止空氣竄流以及均勻定量給料［8?9］。

根據(jù)瀝青混合料外摻劑物料特性及智能投料機(jī)安裝尺寸等參數(shù)，選定旋轉(zhuǎn)給料器的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

2．3 鼓風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)是氣力輸送系統(tǒng)的動力來源，風(fēng)機(jī)性能影響著系統(tǒng)的整體吹送能力以及對不同物料的適應(yīng)性。氣力輸送系統(tǒng)多應(yīng)用離心式風(fēng)機(jī)和高壓風(fēng)機(jī)。離心式風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)量大、風(fēng)壓低，多用于吹送密度小、體積大的添加物料；但對于密度較大的物料，采用離心式風(fēng)機(jī)易出現(xiàn)輸送管路堵塞的現(xiàn)象，必須將管路整體拆除倒出物料后方可再次使用，不易檢修和維護(hù)。相比離心式風(fēng)機(jī)，高壓風(fēng)機(jī)吹送壓力要高出10倍以上，但吹送風(fēng)量小、風(fēng)速低，其依靠大壓力將物料推送出去，適用于物料密度較大的系統(tǒng)；另外，高壓風(fēng)機(jī)整體尺寸較小，運(yùn)行噪音低，維護(hù)簡單，適宜工程使用。

表1 旋轉(zhuǎn)給料器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)瀝青混合料外摻劑物料特性以及風(fēng)送系統(tǒng)的技術(shù)要求，選用高壓風(fēng)機(jī)，具體選型技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 高壓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2．4 氣料混合加速室

氣料混合加速室（圖3）包括導(dǎo)流落料口、混合室、收縮式噴嘴、法蘭盤、平滑出料口等。進(jìn)氣管通過法蘭盤與混合室聯(lián)接并插入室內(nèi)底部的進(jìn)料口下端，其末端為收縮式開口；氣料混合室也是收縮式結(jié)構(gòu)，通過縮口變徑將出口變?yōu)檩斔凸苈穬?nèi)徑。為了方便調(diào)整噴嘴伸入混合室的長度，噴嘴與法蘭盤采用螺紋方式連接，另外還可以采用更換噴嘴的方式調(diào)整噴嘴直徑，以便氣力輸送系統(tǒng)吹送物料時(shí)能夠快速調(diào)整，使吹送效果達(dá)到最優(yōu)。

圖3 氣料混合加速室結(jié)構(gòu)

通過試驗(yàn)確定圖3中氣料混合加速室的參數(shù)，其中α為60°，管路直徑d0為70 mm，噴嘴收縮角β為10°，收縮式噴嘴直徑dt為50 mm，落料口到噴嘴的距離s為30 mm。

2．5 輸送管路

對于濃相氣力輸送系統(tǒng)，管道中吹送物料為料栓和氣栓2種分隔狀態(tài)，料栓由管道中靜壓驅(qū)動，阻力主要由物料與管道壁的摩擦力產(chǎn)生，因此管道的材料和粗糙度對氣力輸送系統(tǒng)影響較大。管道材料不同，對輸送系統(tǒng)的能耗影響差別較大，需要根據(jù)材料對輸送壓力損失的影響來選擇適用于本系統(tǒng)的輸送管路。研究表明，隨著材料摩擦因數(shù)的增大，摩擦阻力相應(yīng)增大，要求系統(tǒng)提供的輸送壓力就越高，管道磨損和輸送過程中的能耗損失也越大，在同等條件下的輸送距離也將受到限制［10］。表3對不同材料的性能參數(shù)進(jìn)行了對比。

表3 不同材料摩擦性能對比

分析表3可知：超高分子量聚氯乙烯管材的摩擦因數(shù)較小，能有效減少摩擦阻力導(dǎo)致的壓力損失和輸送過程中的能耗損失；另外，超高分子量聚氯乙烯管材的磨損率最小，其耐磨性能優(yōu)良，便于管道的長期使用。因此，最終選用超高分子量聚乙烯作為智能投料機(jī)濃相氣力輸送系統(tǒng)的輸送管，管徑為133 mm。

2．6 控制系統(tǒng)

智能投料機(jī)由備料系統(tǒng)（含料倉、上料螺旋、計(jì)量倉、稱重傳感器）、氣力輸送系統(tǒng)（含給料氣動蝶閥、給料器、高壓風(fēng)機(jī)、管路）、投料系統(tǒng)（含投料倉、投料氣動蝶閥）以及自動控制系統(tǒng)（含PLC控制器、觸摸屏人機(jī)界面、數(shù)字式重量變送器、變頻器）四部分組成［11］。

自動控制系統(tǒng)以PLC控制為核心，控制系統(tǒng)的整體工作邏輯。PLC控制器與人機(jī)交互界面進(jìn)行通訊，可以設(shè)置智能投料機(jī)每次的投料質(zhì)量和氣動蝶閥的開啟時(shí)間等參數(shù)，并且可以觀測投料機(jī)的運(yùn)行情況；智能投料機(jī)參數(shù)設(shè)置完成后，由PLC根據(jù)參數(shù)控制上料螺旋、高壓風(fēng)機(jī)的啟停、氣動蝶閥的開關(guān)、電子稱的稱重?cái)?shù)據(jù)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。PLC控制器通過MODBUS協(xié)議與防反風(fēng)電子稱量裝置連接，根據(jù)實(shí)時(shí)物料稱重并調(diào)節(jié)上料螺旋的工作頻率，實(shí)現(xiàn)物料的精確稱重。

3 樣機(jī)測試

根據(jù)智能投料機(jī)實(shí)際使用環(huán)境確定了樣機(jī)測試方案，搭建了測試平臺，管路高度參考拌和鍋的高度設(shè)定為8 m，利用樣機(jī)分別吹送10、15、20、25 kg的物料，通過交互式觸摸屏設(shè)置物料質(zhì)量，測試單次吹送物料質(zhì)量和吹送時(shí)間，并利用多次求平均值的方法確定平均質(zhì)量和平均吹送時(shí)間，測定樣機(jī)的電子稱量精度和吹送效果。

吹送質(zhì)量和實(shí)際稱量質(zhì)量如表4所示，可知吹送誤差小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 吹送物料質(zhì)量對比

吹送時(shí)間如表5所示，為多次算數(shù)平均值取整。可知吹送25 kg物料時(shí)間為36 s，滿足實(shí)際1000～5000型拌和站拌和周期1 min的使用要求。

表5 吹送時(shí)間

4 結(jié) 語

本文采用氣力輸送方式設(shè)計(jì)了智能投料機(jī)，滿足瀝青拌和站添加顆粒狀外摻劑的使用要求。首先通過功能分析完成了整機(jī)設(shè)計(jì)，確定了投料機(jī)需具有輸送物料、精確稱量、PLC智能控制、HMI可視化交互等功能；然后對智能投料機(jī)氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用防返風(fēng)方式減小了風(fēng)壓擾動，實(shí)現(xiàn)了外摻劑的精確計(jì)量，采用收縮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了氣料混合加速室，實(shí)現(xiàn)了物料的快速吹送，采用PLC邏輯控制方式實(shí)現(xiàn)了投料機(jī)的智能化工作，實(shí)現(xiàn)了與拌和站的聯(lián)動工作，根據(jù)投料機(jī)設(shè)計(jì)要求選取了旋轉(zhuǎn)給料器、鼓風(fēng)機(jī)、輸送管路等主要部件的參數(shù)；最后采用多次測量求平均值的方法對樣機(jī)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明智能投料機(jī)稱量誤差小于1%，吹送25 kg物料的時(shí)間為36 s，能夠滿足1000～5000型拌和站的使用要求。

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［責(zé)任編輯：杜敏浩］

Design of Pneumatic Conveying System for Intelligent Batch Feeder

GUO Jun?kai
（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，Shanxi，China）

In order to make itfast and accurate to add the granular additives into the asphalt mixing plant in the process of production，an intelligent batch feeder adopting pneumatic conveying mode was designed．The anti wind electronic weighing device was used to realize accurate measurement under the disturbance of pneumatic pressure，and the gas?solid blending and acceleration chamber was designed to achieve rapid blowing of materials under contraction．The results of prototype test show that the error of material weighing is less than 1%，and the time ofpneumatically conveying materials of25 kg is less than 36 s，which can meet the requirements of asphalt plant within the production range of 80～400 t·h－1．

road construction；intelligent batch feeder；pneumatic conveying；electronic weighing

1000?033X（2017）08?0106?04

2017?03?03

山西省重點(diǎn)科研攻關(guān)項(xiàng)目（15?2?05）

郭俊凱（1980?），男，山西長治人，高級工程師，研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>

U415．5

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