水泥稳定土厂拌设备水泥计量误差研究

摘 要

水泥剂量是影响水泥稳定土施工质量的重要因素。水泥含量少的位置，会出现强度不足、松散等不良现象；水泥含量多的位置，不仅造成浪费又会出现大量裂缝。本文以更好的控制水泥稳定土施工中水泥计量精度、提高稳定土施工质量、节约成本为目的，通过建立稳定土厂拌设备水泥计量数学模型分析影响稳定土厂拌设备水泥供给系统精度的因素，对稳定土生产中减少误差的产生具有重要的意义。

关键词

稳定土厂拌设备 | 水泥剂量 | 计量精度 | 误差分析

稳定土厂拌设备是公路建设中的主要设备之一，主要用于生产底基层及基层用料，它可以按照一定的配合比将集料、水、水泥等材料进行搅拌，生产出的水泥稳定土混合料为高速公路建设中重要的基层材料。稳定土厂拌设备具有对混合料级配的控制精度较高，上料、出料稳定，拌和出的混合料均匀性好，生产能力强、效率高，可操作性强、自动化程度高，对混合料级配可以实时调整，可以实现生产数据的记录和管控，便于业主及监理部门监管等特点，已成为公路建设必不可少的设备之一。高精度的稳定土厂拌设备可以节约成本、提高生产效率、保证混合料质量避免不必要的生产事故，加快工程进度，为企业带来更高的收益。

在高速公路事业快速发展的今天，伴随着高速公路质量提升的要求，水泥稳定土的质量已成为公路建设的重要指标之一，水泥作为水泥稳定土的主要原材料之一，其用量直接决定了水泥稳定土的质量，保证水泥稳定土的质量，为高速公路基层施工质量打下坚实的基础。

试验和实践研究表明，水泥剂量应控制在4%～8%的范围内，如果水泥剂量太高会产生裂缝而且会造成不必要的经济损失，如果水泥剂量太低会造成路面松散、强度不足等现象。综合考虑水泥稳定类的强度、温缩性、干缩性以及经济型，水泥最佳剂量应在5%～6%的范围内。

长安大学刘洪海教授提出在稳定土厂拌设备安装调试后必须对水泥剂量的螺旋称进行标定，才可以生产混合料，水泥计量精度的准确性是衡量稳定土厂拌设备性能优劣的关键所在。全莉君曾提到在满意强度要求的前提下要控制水泥用量，这样可以减少裂缝的产生。

交通部发布的《稳定土厂拌设备技术要求》中明确规定，水泥剂量误差应控制在±1%范围内，水泥剂量每增加1%，路面产生裂缝的可能性会增加百分之十几，可见水泥剂量的控制在施工中具有极其重要的意义。

水泥供给系统计量原理分析

目前稳定土厂拌设备水泥供给系统主要有螺旋计量水泥供给系统和过渡仓（减量称）计量水泥供给系统两种。

螺旋计量水泥供给系统

螺旋计量水泥供给系统主要由水泥罐、软连接、给料输送螺旋、计量螺旋等组成。螺旋计量水泥供给系统为称重计量系统，其主要结构见图1。

主要工作流程为，给料输送螺旋通过旋转将储存于水泥罐中的水泥输送到计量螺旋，计量螺旋称量后将水泥均匀输送至搅拌缸，水泥的流向见图2。

设备安装完成后，整个计量系统应进行标定以确定计算机控制系统设定值与真实值之间的关系，从而确定输送螺旋的电机转速。时间t内，给料螺旋供料重量见式（1）。

过渡仓（减量称）计量水泥供给系统

过渡仓水泥供给系统主要由水泥罐、过渡仓、给料螺旋、输送螺旋等组成，主要结构见图3。过渡仓水泥供给系统采用的是减量称。通过计算过渡罐减少的重量确定水泥的输送量，通过计算过渡罐重量减少的速度来确定输送螺旋的转速，如果系统发现上一次计量统计时间内供料量有所减少，那么本次电机转速也会相应增加，以调整加料量。

通过减量称工作原理，可以建立减量称工作数学模型。

从式（2）可以看出，在下料系数k不变的情况下，下料速度取决于电机转速的快慢。在系统统计时间内，下料速度也是一个固定的值。在过渡仓上安装有计量称，通过传感器可以判断水泥过渡仓水泥重量的变化。设有系统连续统计时间Δt1=Δt2=Δt3，当计算机控制系统发现Δt2较上一个统计时间Δt1水泥下料重量M1有所减少时，计算机控制系统就会增加输送螺旋电机转速r2，那么Δt3内，随着电机转速的增加，下料速度也会增加，水泥下料重量相应增加。

为了保证M3≈M1，Δt3时间段内，电机转速应为：

螺旋计量水泥供给系统误差分析

水泥稳定土拌合设备在工作的过程中，由于设备自身的特点和人为因素都会对水泥计量的精度产生影响，现对螺旋计量水泥供给系统的误差进行分析。

自控系统产生的误差

(1)  “自动”控制下的误差

在水泥稳定土拌合设备工作期间，仔细观察计算机控制系统上面的数据不难发现，水泥瞬时流量总是围绕在设定值上下浮动，为了方便操作减轻工作强度，大多数情况拌合站都在“自动”控制的状态下工作，稳定土拌合站计算机控制系统都带有自动补偿功能，也就是当系统发现在上一个供料统计时间段内，水泥流量有所增加或者减少时，计算机控制系统会根据此种变化不断调整给料输送螺旋的电机转速，如果计算机统计流量低于设定流量，计算机控制系统就会通过变频器将电机转速调高，如果计算机统计流量高于设定值，计算机控制系统就会通过变频器将电机转速调低。

计算机控制自动补偿系统在补偿设备生产过程误差的同时，也会造成一定的误差。当水泥供给不稳定时，例如水泥罐起拱，这个时候水泥流量很低，给料螺旋电机转速会较快，当操作手发现起拱并气吹破拱后，会有大量的水泥进入给料螺旋，给料螺旋的下料系数k会很大，根据式（1），单位时间内下料重量M必然会很大，当计算机控制系统检测到水泥流量过大而要降低电机转速时，由于自动补偿系统的工作特性，使其无法再短时间降低转速，从而产生水泥供给误差。

(2) “手动”控制下的误差

当拌合站调至“手动”操作状态时，会将变频器（电机转速）调到了一个合适的位置，避免了计算机控制系统控制变频器自动补偿带来的误差，但是这样系统丧失了自动调节补偿的功能，也就是说当发现流量偏低或偏高时，也因无法实现自动补偿而导致误差。

多个给料螺旋产生的误差

项目工程中多采用2个及2个以上的水泥罐，以确保水泥供应稳定，预防因缺少水泥耽误工程进度。

计量螺旋一般采用一端固定一端通过拉力传感器连接的方式，如果在计量螺旋上同时开2个水泥入口，由两个不同的给料螺旋分别供料，这样在不同的水泥入口对应的电机参数设置就会有所不同，所以必须对这两个输送螺旋分别进行标定。不同水泥罐、不同给料螺旋的下料系数k必然不同，根据式（1）如果使用同一电机转速进行生产，就会产生较大的误差。

水泥罐注水泥过程中进行生产

水泥输送车向水泥罐注入水泥的时候会产生一定的冲击，水泥罐输出水泥量就和正常状态有一定的差别，直接影响输送螺旋下料系数k，用气泵破拱也有类似的影响，都会导致水泥计量的波动。

过渡仓计量水泥供给系统误差分析

上面提到由于水泥罐起拱螺旋计量水泥供给系统会产生误差，起拱现象可以通过增加过渡仓的方式进行改进，市场上很多设备已加有过渡仓，但结构不是很合理。二广高速某标段山东潍坊产稳定土厂拌设备加有过渡仓，此种结构传感器位于过渡仓上，称为减量称。

过渡仓上装有3个传感器，计算机控制系统设置有过渡仓重量上下限，当水泥量低于下料位时，计算机控制系统会控制叶轮给料机转动将水泥通过给料螺旋打入过渡仓，直到上料位。

根据水泥的堆积特性，水泥的堆积密度在料位高的时候大，料位低的时候小，这样给料螺旋电机在相同的转速下，下料系数k必然不同，那么下料速度也不相同。与螺旋计量水泥供给系统相似，计算机控制自动补偿系统在实现补偿的过程中，给料螺旋电机转速会有不变→升高→不变→加料→降低→不变的循环过程。由于自动补偿系统的延迟性（不能在短时间内降低转速），在过渡仓加水泥的过程中转速会保持在加料前一刻的状态，水泥剂量就会明显的偏高。加料完成以后微机通过自动调节系统将转速调整到一个合适的状态，此时系统具有较高的计量精度。

引起误差的其他因素

软连接处连接不当引起误差

软连接在安装的时候如果有太大的倾斜或者太长起皱，一段时间后软连接处就会囤积一定的水泥，受潮后会导致连接处内径变小，影响下料系数k，导致水泥计量的偏差；软连接处也不能太短，这样会使软接连绷的太紧，对传感器产生附加力的作用，影响传感器的正常工作。软连接的拆、装等也会对水泥计量进度产生影响。

蝶阀开度的影响

标定完成后，蝶阀的开度必须固定不变，蝶阀的开度直接影响下料系数k的值。如果因特殊情况需要改变蝶阀开度，则必须重新对水泥计量进行标定。

电网影响

计量螺旋、给料输送螺旋的电机转速与电网频率、电压和负荷的变化都有关系，电网的变化直接影响电机转速的稳定性，进而对水泥计量产生影响。

解决办法分析

为了避免因破拱以及其他原因产生的冲击，可以在螺旋计量水泥供给系统的基础上，在水泥罐和给料输送螺旋之间加一个容量较小的过渡罐，当过渡罐水泥量不足时，可以在较短的时间内加满水泥，而且因过渡罐容量较少，水泥的堆积密度变化范围较小，自动补偿系统可以在较短的时间内实现电机转速的稳定，大大提升水泥计量系统的计量精度。

结语

本文通过建立两种不同结构的稳定土厂拌设备水泥计量数学模型，分析了若干导致水泥计量精度产生误差的因素。

（1）影响水泥下料重量的主要因素有电机转速和下料系数。

（2）自动补偿系统工作特性、“手动”或“自动”操作模式、给料螺旋数量均有可能对水泥计量精度产生影响。

（3）不同压力下水泥堆积密度的不同会对减量称水泥供给系统计量精度造成影响。

（4）软连接处连接方法、软连接拆装以及在生产过程中水泥罐加注水泥等都会对水泥计量精度产生影响。