劉洪海，張鵬飛，張亞剛，鄭宗利，汪飛田

（1. 公路建設與養(yǎng)護技術材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心（甘肅路橋建設集團有限公司），甘肅 蘭州 730030；2. 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）

螺旋秤是1種集給料、計量于一身，能夠進行連續(xù)動態(tài)給料計量的設備［1］。由于其結(jié)構簡單、價格低廉、安裝方便、便于維修等特點，被廣泛應用于化工、建材、電力等眾多生產(chǎn)活動中，在瀝青混合料攪拌站粉料計量控制方面作用尤為突出。粉料是瀝青混合料中的重要組成部分，與瀝青結(jié)合形成瀝青膠漿，填充集料骨架空隙，增大瀝青油膜表面積，提高集料與瀝青間的結(jié)合力。研究表明，粉料用量的多少將直接影響瀝青混合料的高、低溫穩(wěn)定性，因此，粉料計量系統(tǒng)的準確性始終是研究熱點。孫秉禮［2-3］論述了采用自平衡系統(tǒng)的短螺旋秤和非自平衡系統(tǒng)的長螺旋秤的不足，并提出了相應對策；王世田等人［4］采用螺旋秤對比研究的方法，從秤體結(jié)構方面對影響計量精度的因素進行了分析；武玉松等人［5］通過對計量原理的研究，分析得到影響計量精度與穩(wěn)定性的主要因素，提出水泥計量系統(tǒng)優(yōu)化方案；王書鶴［6］基于自校正預測算法，提出“先快后慢，最后點動”的新型動態(tài)計量控制算法；譚戈［7］通過對計量過程分析，對生石灰螺旋秤零點漂移情況提出解決方法。

已有研究在提高螺旋秤計量精度方面做了大量的工作，但是對螺旋秤工作過程中粉料計量質(zhì)量與實際質(zhì)量的誤差分析較少。為此，本文依據(jù)螺旋秤計量原理，對流量變化過程進行微元化處理，定量分析計量質(zhì)量與實際質(zhì)量變化情況，并對兩者的誤差進行分析，為螺旋計量秤設計和工程應用提供理論依據(jù)。

1 螺旋秤工作原理

螺旋秤是粉料供給及計量系統(tǒng)的重要構件［8-12］，通常由恒速電機、螺旋秤秤體、傳感器、變送器、控制調(diào)節(jié)器等組成，圖1為螺旋秤供料計量系統(tǒng)簡圖。

圖1 螺旋秤供料計量系統(tǒng)簡圖

當螺旋秤空載時，由力矩平衡可得

式中：G1為螺旋秤自身重力，N；L1為螺旋秤重心到支點的距離，m；P0為螺旋秤空載時傳感器所測拉力，N；L0=為傳感器到支點的距離，m。

當螺旋秤內(nèi)有物料時

式中：G2為螺旋秤內(nèi)物料的重力，N；L2為螺旋秤內(nèi)物料重心到支點的距離，m；F為落料沖擊作用力，N；L3為物料沖擊力作用點到支點的距離，m；P為螺旋秤內(nèi)有物料時傳感器所測拉力，N。

若供料螺旋轉(zhuǎn)速恒定，通常認為物料在螺旋秤內(nèi)均勻分布［13-15］，取螺旋秤進出料口中心距離的1/2作為物料重心到支點的距離，即L2=L/2。

聯(lián)合式（1）（2）可得

由于螺旋秤在設計過程中，為減小物料沖擊對計量結(jié)果的影響，理論上沖擊力F的作用點與支點重合［16］，即，因此式可轉(zhuǎn)換為

式中：ΔP為螺旋秤正常工作與空載時傳感器所測拉力的差值，N；M為物料質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；L為螺旋秤進出料口中心距離，m。

由于粉料填充系數(shù)、螺旋秤間隙及瞬時電壓波動等多方面因素影響，粉料計量質(zhì)量并不是一成不變的［17-18］。當系統(tǒng)檢測到質(zhì)量超出設定范圍后，通過控制調(diào)節(jié)器改變螺旋輸料器轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對粉料供給量的調(diào)節(jié)［19-20］，其工作流程如圖2所示。

圖2 粉料計量控制系統(tǒng)工作流程

2 調(diào)節(jié)過程波動性與誤差分析

假設某段調(diào)節(jié)過程中螺旋秤內(nèi)粉料分布如圖3所示。

圖3 螺旋秤內(nèi)粉料分布簡圖

取螺旋秤任意一點處的微元段進行分析，根據(jù)力矩平衡可得

式中：Q為供料螺旋流量，kg/s；v為粉料在螺旋秤內(nèi)水平移動速度，m/s；l為料流顆粒距離進料口中心距離，m；t為料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動l所用時間，s；T為料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長，s。

設供料螺旋流量變化為Q=a+bsin（ωt+φ），代入式（7）可得出螺旋秤計量質(zhì)量：

式中：a為供料螺旋流量均值，kg/s；b為供料螺旋流量變化幅值，kg/s；ω為供料螺旋流量變化角速度，rad/s；φ為初相位，rad。

此時，螺旋秤內(nèi)粉料實際質(zhì)量為：

由此可知，調(diào)節(jié)過程中螺旋秤計量誤差為

由式（7）、（9）可知，當流量為某一定值時，粉料計量質(zhì)量與實際質(zhì)量相等；當流量發(fā)生變化時，計量質(zhì)量與實際質(zhì)量存在誤差。由式（11）可知，計量質(zhì)量與實際質(zhì)量誤差與供料螺旋流量均值a、供料流量變化幅值b、供料流量變化角速度ω、料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長T以及初相位φ有關。由式（11）還可看出，計量質(zhì)量與實際質(zhì)量誤差與供料螺旋流量均值a負相關，流量均值越大，誤差越??；與供料流量變化幅值b正相關，變化幅值越大，誤差越大。因此，在運行過程中為減小計量誤差，應提高供料流量均值，保持連續(xù)穩(wěn)定供料，且控制流量變化幅值在一定范圍內(nèi)。

為了分析供料螺旋流量變化角速度ω對計量誤差的影響，以GX250型螺旋輸料機為例，賦值a=8.3kg，b=0.1a，設供料螺旋流量變化角速度ω分別取不同的值5rad/s，10rad/s，15rad/s，20rad/s，依次令料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長T為1s、2s、3s、…、50s；借助MATLAB軟件繪圖可得到不同角速度下最大誤差δmax（δmax=max（|δ|））隨T變化的關系曲線，見圖4所示。為方便研究，對曲線進行包絡線處理，見圖5所示。為了分析初相位φ對計量誤差的影響，設初相位φ分別取不同的值0rad、2rad、4rad、6rad，依次令料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長T為1s、2s、3s、…、50s，可得到不同變化幅值下最大誤差δmax隨T變化的關系曲線，見圖6所示。

由圖4可知，當供料螺旋的流量變化角速度一定時，最大計量誤差隨料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長增加而減小，并存在特征點；當移動時長小于該點時，最大誤差隨移動時長的減小快速增加；當移動時長大于該點時，最大誤差隨移動時長的增大緩慢降低。由圖5還可看出，該特征點與螺旋流量變化角速度負相關，角速度越大其值越小。當供料流量變化角速度為5～20rad/s時，料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長（即螺旋秤長度與料流在螺旋秤內(nèi)移動的水平速度的比值）在8～4s較為合理。由圖6可知，最大誤差δmax受初相位影響較小。

圖4 不同角速度下最大誤差δmax隨T變化的關系曲線

圖5 不同角速度下最大誤差δmax隨T變化的包絡線

圖6 不同初相位下最大誤差δmax隨T變化的關系曲線

3 結(jié)束語

依據(jù)螺旋秤的計量原理，建立工作過程計量誤差模型，通過分析可得到如下結(jié)論：

（1）螺旋秤配料過程中，計量質(zhì)量與實際質(zhì)量存在誤差，對于供料螺旋流量變化角速度為5～20rad/s而言，當料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長小于8～4s時，螺旋秤計量質(zhì)量與實際質(zhì)量最大誤差變化明顯；當料流顆粒在螺旋秤內(nèi)移動時長大于8～4s時，變化較為平緩；因此，在供料螺旋流量變化角速度為5～20rad/s時，螺旋秤長度與料流在螺旋秤內(nèi)移動速度的比值宜為8～4s；

（2）計量誤差與供料螺旋流量均值負相關，流量均值越大，誤差越?。慌c供料流量變化幅值正相關，變化幅值越大，誤差越大。因此，在運行過程中為減小計量誤差，應提高供料流量均值，并保持連續(xù)穩(wěn)定供料，且控制流量變化幅值。