張 多，周 雄，胡小金

（1. 長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2. 陜西路橋集團路面工程有限公司，陜西 西安 710054）

國內(nèi)高速公路建設普遍采用強制間歇式瀝青攪拌設備，而傳統(tǒng)間歇式瀝青攪拌設備的冷料計量方式采用容積式計量法。為了準確地確定冷料供給系統(tǒng)的工作參數(shù)，避免生產(chǎn)過程中出現(xiàn)溢料、待料現(xiàn)象，需要對冷料倉流量進行標定［1-2］。關于冷料倉流量標定方法，相關資料進行了研究：張春燕等［3］通過對冷料倉流量的標定，確定了流量與集料規(guī)格、出料口開度、皮帶輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間的關系；費松濤等［4］針對不同轉(zhuǎn)速下集料自身級配的變異性問題，認為皮帶輪轉(zhuǎn)速恒定是保障出料穩(wěn)定性的必要條件；劉紅軻等［5］通過理論推導建立了小皮帶輪轉(zhuǎn)速與流量之間的關系；陳新軒等［6］提出在標定過程中如果所計算出的頻率太高或太低應調(diào)整冷料倉的開度重新進行標定；劉洪海等［7］通過理論計算和研究，建立了出料口開度、冷集料流量、配料電機轉(zhuǎn)速之間關系的數(shù)學模型，提出了一套間歇式瀝青攪拌設備冷料流量標定法。上述研究和分析主要針對冷料容積式計量轉(zhuǎn)化為重量流量劑量的標定方法，在工程實踐中具有重要的實用價值，然而這種計量方式常常因容重的變化以及冷料料流密度不穩(wěn)定等因素使其計量精度下降。

為了解決容積式計量法在標定中計量精度下降的問題，本文在對容積式計量方法以及對傳統(tǒng)皮帶秤誤差分析研究的基礎上，結(jié)合懸臂式皮帶秤能夠消除“皮帶效應”的優(yōu)勢，提出設計一種懸臂式皮帶秤裝置加入到攪拌設備冷料計量系統(tǒng)，用稱重計量法替代容積計量法，以此減小冷料計量誤差。

1 容積式計量方法分析

1.1 容積式計量標定方法

1.1.1 計時走料標定法

該方法使冷料經(jīng)過烘干存儲在熱料倉中，根據(jù)一定時間內(nèi)進入熱料倉中的熱骨料質(zhì)量，計算電機轉(zhuǎn)速與冷料流量之間的關系。具體操作如下：

（1）啟動攪拌設備，清空冷料倉和熱料倉內(nèi)的余量，同時將瀝青攪拌設備的總調(diào)系數(shù)設定為正常生產(chǎn)時的數(shù)值。根據(jù)生產(chǎn)時電機調(diào)速的范圍將轉(zhuǎn)速設置為高速、中速、低速3個擋位，并按照此速度分別走料。

（2）選定某一料倉，然后根據(jù)攪拌設備冷料倉電機轉(zhuǎn)速控制的顯示形式，按其控制參數(shù)最大值的25%、50%、75%分別走料。瀝青攪拌設備按照驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速的25%開始上料，經(jīng)過烘干、除塵后存儲在熱料倉，計時3～5min冷料倉停止供料；待所有骨料進入熱料倉后依次稱量每個料倉中骨料的質(zhì)量，并記錄；然后分別按驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速的50%和75%開始上料，重復上述過程。根據(jù)產(chǎn)量和時間，參照公式（1）可計算出各個轉(zhuǎn)速下對應的冷料供給量。

式中，Q為冷料的產(chǎn)量，t/h；M為該段時間內(nèi)進入熱料倉中熱骨料質(zhì)量，t；t為上料時間，min。

根據(jù)式（1），計算出3個不同轉(zhuǎn)速下對應的供料流量分別為Q1、Q2、Q3。并以此為因變量，轉(zhuǎn)速為自變量，對數(shù)據(jù)進行一階曲線擬合，得到給料電機轉(zhuǎn)速與冷料流量之間的線性關系。重復上述步驟，對其余冷料倉進行標定。

1.1.2 料段取樣標定法

與第一種方法相比，該方法更為簡便、經(jīng)濟，標定準確度也能夠保證。具體步驟如下：

（1）首先確定輸料皮帶的速度v。在平皮帶外側(cè)支架上選擇2個參考點，同時在皮帶上做好標記，用卷尺測量2個參考點之間的距離L。讓皮帶空轉(zhuǎn)幾分鐘后，待皮帶運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，從標記起始端開始計時t0。當皮帶上標記運動到支架標記終點處，停止計時t1，根據(jù)公式（2）求得皮帶速度v。為了減小誤差，運行時間的確定可以進行2次平行試驗。

式中，v為平皮帶運行速度，m/s；L為所測量的皮帶長度，m；t0為起始端計時時間，s；t1為終點處停止計時時間，s。

（2）確定皮帶轉(zhuǎn)速后，選定一個冷料倉，開始進行標定。用卷尺在斜皮帶上截取一段長度L0。開始正常上料，運行幾分鐘后，停止運行。將斜皮帶L0范圍內(nèi)的礦料全部取下，并進行稱重m0。為減小誤差，進行2次平行試驗。計算流量公式如式（3），其他冷料倉標定方法同上。

式中，Q1為計算流量，kg/s；m0為取樣重量，kg；L0為斜皮帶取樣長度，m。

（3）由于標定時，冷料沒有進行烘干除塵，因此需要對公式進行修正，同時為了便于計算，將流量單位由Q1′（kg/s）轉(zhuǎn)化為Q2（t/h），見公式（4）、（5）。

式中，ω為含水率，%；γ為除塵率，%。

容積式計量法是通過調(diào)整料門高度和供料皮帶轉(zhuǎn)速來改變供料流量。這種計量方式必須在每次施工前對冷料倉進行流量標定。通過標定發(fā)現(xiàn)，計時走料標定法步驟簡便，且冷料取樣樣本容量大，標定結(jié)果較準確。然而一些不足之處也值得注意：（1）冷料流量標定時都是單一料倉的冷料經(jīng)過烘干滾筒，此時除塵系統(tǒng)工作參數(shù)與正常生產(chǎn)時相同，但是供料流量要遠遠小于正常生產(chǎn)時供料流量，這就導致了除塵量過高，所以稱量結(jié)果往往與實際有偏差；（2）烘干和除塵系統(tǒng)的工作將導致大量能量的浪費；（3）由于瀝青攪拌設備的冷料要經(jīng)過較長時間才能進入熱料倉，因此標定效率較低；料段取樣標定法優(yōu)勢在于簡單可行，快速準確，在實際生產(chǎn)中易于操作，而且節(jié)能環(huán)保，不足之處在于冷料計量控制系統(tǒng)設計時采用開環(huán)控制的方式，不能實現(xiàn)實時監(jiān)控和誤差的反饋調(diào)節(jié)。

綜上所述，容積式計量法的計量精度依賴于冷料倉流量標定的準確性。在標定過程中上述問題始終沒有得到妥善地解決，導致容積式計量法的精度下降。

2 皮帶秤計量方法研究

2.1 傳統(tǒng)電子皮帶秤結(jié)構(gòu)與計量原理

電子皮帶秤計量裝置主要包括7部分：皮帶輸送裝置、稱重傳感器、測速傳感器、秤架、信號處理器、微機控制器以及計算機終端［8］。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 電子皮帶秤計量裝置

目前，電子皮帶秤主要利用積分法對單位時間流過的物料重量以及單位時間通過的距離進行積分運算，從而準確獲得稱量結(jié)果。其計量原理：由皮帶輸送裝置以一定的速度運送物料，由安裝在皮帶輸送裝置下秤架上的稱重傳感器實時稱得單位時間里的物料重量，同時由速度傳感器測得皮帶的速度，可知道單位時間內(nèi)物料的輸送距離；將通過皮帶秤的物料重量和皮帶的速度轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過信號處理器進行放大處理，最后由主控計算機進行積分運算處理以及補償調(diào)整處理，得到物料的重量。

其中，輸送機輸送物料時傳感器測得皮帶上單位長度的瞬時載荷值q（t）與在同一時刻測得的物料輸送皮帶的瞬時速度v（t）相乘，計算結(jié)果即為物料的瞬時流量W（t），在時間T內(nèi)對物料的瞬時流量積分得到累積重量，如式（6）所示。

式中，W為時間T內(nèi)物料的累計重量，kg/s；W（t）為物料的瞬時流量，kg/s；q（t）為皮帶上單位長度的瞬時載荷值，kg/m；v（t）為皮帶的輸送速度，m/s。

2.2 傳統(tǒng)電子皮帶秤的誤差分析

隨著電子皮帶秤在各領域的廣泛應用，其計量精度要求逐漸提高。國內(nèi)外研究人員對其誤差產(chǎn)生原因進行了相關分析，得出導致電子皮帶秤計量誤差的主要因素包括：稱重力誤差δ1、輸送帶速度誤差δ2、信號處理誤差δ3、安裝校準誤差δ4、環(huán)境因素誤差δ5等。在工程實際中，這些誤差影響測量結(jié)果的程度也不相同。由實踐和理論分析可知，稱重力誤差δ1是影響電子皮帶秤測量精度的主要因素，而導致稱重力誤差δ1的原因有很多，其中“皮帶效應”是主要原因。

“皮帶效應”在傳統(tǒng)電子皮帶秤中無法避免，導致的計量誤差不可忽略。H·Colijn以簡支梁假設為基礎，通過建立電子皮帶秤的稱重力測量模型推導出較為精確的計算公式［9］，如式（7）所示。

當將輸送帶假設為剛性的簡支梁時，k（z）較為復雜。將輸送帶假設為柔性的繩索時，與實際情況更為相符，此時k（z）=1，方便分析計算。式（8）由公式（9）表示。

將式（9）中的誤差源D與T分別以增量的形式代替為（D0+ΔD）和（T0+ΔT）進行泰勒展開計算，如公式（10）所示。

由式（10）可知，第一項為常量，屬于系統(tǒng)中的恒定誤差，該誤差可以通過稱重傳感器的校準裝置校準零點和校準量程進行歸零處理；第二項的誤差中ΔD是由于秤架系統(tǒng)中各部分的撓度變形導致的稱重托輥的垂直下沉量；第三項的誤差中ΔT是由輸送帶張力變化導致。由此可知，第二項與第三項的誤差之間有著很強的相關性，并不是獨立的，兩種誤差都受到物料流的重量影響。

綜合以上情況，再將系統(tǒng)恒定誤差予以消除考慮，誤差可用式（11）表示。

由上述推導可知，“皮帶效應”的影響始終存在，輸送帶運行過程中的皮帶跑偏、皮帶松弛等對計量精度的影響無法避免。在實際工程中，傳統(tǒng)電子皮帶秤的計量精度隨著使用時間的增加產(chǎn)生的誤差越來越大，往往超出規(guī)定值。一旦誤差超出規(guī)定值，就必須重新校準皮帶秤，使得皮帶秤的誤差被控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。校準過程繁瑣困難，而且校準次數(shù)隨著皮帶秤使用時間的增加而增加。

2.3 懸臂式皮帶秤計量數(shù)學模型的建立

針對傳統(tǒng)電子皮帶秤計量裝置存在的不足，通過對瀝青攪拌設備皮帶輸送機的結(jié)構(gòu)進行簡易改進，將懸臂式皮帶秤加入到冷料配料系統(tǒng)，其簡易圖如圖2所示。

圖2 裝有懸臂皮帶秤裝置的稱量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

在傳統(tǒng)冷料稱量系統(tǒng)中，將給料皮帶和輸料皮帶中間加上一個懸臂式稱重皮帶秤裝置，該裝置與給料皮帶固定，懸臂式皮帶秤末端裝有稱重傳感器，如圖2所示。其受力過程為：當物料下落至輸送帶的支點A處，稱重傳感器承受的力為零；物料繼續(xù)向右運動，經(jīng)過A點后，稱重傳感器承受的重力持續(xù)增大；經(jīng)過B點（皮帶末端）時，稱重傳感器承受的重力達到峰值。根據(jù)電子皮帶秤稱重原理得到物料的重量，該裝置能夠完全消除“皮帶效應”的影響，提高計量精度。通過對懸臂式皮帶秤輸料過程受力分析（如圖3所示），建立力的平衡方程用公式（12）表示。

式中，m（t）為皮帶上瞬時物料重量，kg；F3（t）為重力傳感器受到物料的瞬時作用力，N；F4（t）為物料對皮帶的瞬時沖擊作用力，N。

皮帶料流長度為L1，單位長度的物料質(zhì)量q（t）為

由公式（15）可得在時間T內(nèi)經(jīng)過皮帶秤的累積物料流量W為

式中，v（t）為懸臂式皮帶秤輸送帶速度，m/s；g為重力加速度，取值為9.8m/s2；L1為傳感器支點（皮帶末端）到支點中心的水平距離，m；l1為料流質(zhì)心位置到支點中心的水平距離，m；l2為料流沖擊力位置到支點中心的水平距離，m。

由式（15）分析可知，上述流量計量公式不僅受到重力傳感器所受物料的瞬時作用力F3的影響，還與物料對皮帶的瞬時沖擊作用力F4有關。由于物料對皮帶的瞬時沖擊作用力F4受到供料皮帶高度、瞬時物料重量等外界因素的影響，導致測量不便，而且存在較大誤差，所以為了提高計量精度，在設計懸臂式皮帶秤時，支點O應盡量與物料沖擊力F4的作用點重合。此時l2=0，式（15）可化為

3 結(jié)束語

（1）容積式計量流量標定方法通過建立小皮帶轉(zhuǎn)速或頻率與流量之間的線性方程，最終確定合適的小皮帶轉(zhuǎn)速或頻率，用來指導生產(chǎn)，但是傳統(tǒng)的冷料計量控制系統(tǒng)每次施工前需要對冷料倉進行流量標定，無法實現(xiàn)自動調(diào)整誤差，所以應該將這種開環(huán)控制方式改為閉環(huán)控制方式，從而實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)；

（2）傳統(tǒng)電子皮帶秤具有結(jié)構(gòu)簡單易安裝，占用空間小易布置，成本低易普及，動態(tài)計量速度快，連續(xù)稱量效率高等優(yōu)點，但是不能消除“皮帶效應”，其計量精度難以滿足瀝青攪拌設備要求；

（3）通過設計一種懸臂式皮帶秤，建立力學分析模型，得到了與之對應的流量計量公式。結(jié)果表明，在設計懸臂式皮帶秤時，支點O應盡量與物料沖擊力F4的作用點重合，此時可以有效避免物料沖擊力對皮帶的影響，從而實現(xiàn)在瀝青攪拌設備中用稱重計量法替代容積式計量法，提高流量計量精度。