Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технологические процессы дозирования сыпучих компонентов на асфальтобетонных заводах 7
1.1. Назначение и классификация асфальтосмесительных установок 7
1.2. Состав и свойства асфальтобетонных смесей 11
1.3. Весовые автоматические дозаторы дискретного действия для сыпучих материалов 17
1.4. Методы и системы управления циклическим дозированием в строительстве 26
1.5. Технологические характеристики дозируемых материалов 33
1.6. Основные технологические схемы циклического дозирования 35
1.7. Математическое описание процесса циклического дозирования 41
1.8. Влияние реактивного динамического давления потока на погрешности дозирования 47
1.9 Влияние характера загрузки весовой емкости на погрешность дозирования 53
1.10 Влияние нечувствительности и запаздывания исполнительного механизма выпускного затвора весового бункера 55
Выводы и постановка задач исследования 57
ГЛАВА 2. Исследование питателей сыпучих компонентов асфальтобетонной смеси 60
2.1. Динамическая структура циклического дозатора 60
2.2. Учет выбега весового транспортера и динамики поступления материала в весовой бункер 62
2.3. Стабилизация скорости лепты весового транспортера 67
2.4. Учет нелинейности в системе стабилизации оборотов привода ленты весового транспортера 74
2.5. Система стабилизации скорости рабочего органа питателя 75
2.6. Оценка систематической погрешности и наличия величины массы в столбе падающего материала 80
Выводы к главе 2 S3
ГЛАВА 3. Дозирование компонентов асфальтобетонной смеси в режиме грубого и точного взвешивания 84
3.1. Режимы загрузки весового бункера дозатора 84
3.2. Исследование характера истечения сыпучих материалов 88
3.3. Методика экспериментальных исследований 92
3.4.Питатели сыпучих компонентов асфальтобетонной смеси 95
3.5. Питатели минерального порошка непрерывного действия 99
3.6.Номограмма определения режимов дозирования минерального порошка 102
выводы к 1 главе 3
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процессов периодического дозирования 108
4.1.Задачи экспериментальных исследований 108
42. Оценка систематической погрешности дозирования 117
4.3. Экспериментальные исследования дозаторов с учетом систематической погрешности 119
Выводы к главе 4 126
Основные выводы и результаты работы 127
Литература 129
- Весовые автоматические дозаторы дискретного действия для сыпучих материалов
- Влияние реактивного динамического давления потока на погрешности дозирования
- Учет выбега весового транспортера и динамики поступления материала в весовой бункер
- Исследование характера истечения сыпучих материалов
Введение к работе
Развитие строительного комплекса РФ предполагает увеличение заводского изготовления асфальтобетонных смесей, поэтому проблема повышения эффективности действующего оборудования путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующей технологии приобретает в настоящее время важное значение как один из путей увеличения производительности труда и улучшения качества продукции.
В схеме завода по производству асфальтобетонных смесей смесительные установки, объединяющие дозировочное и смесительное оборулование, играют важнейшую роль, так как здесь закладываются основы качества строительных смесей. Производительность и точность дозировочного оборудования оказывает существенное влияние на эффективность работы всего завода.
Общие технологические требования к процессу дозирования составляющих в производстве асфальтобетонной смеси, а также требования к средствам автоматизации для измерения и дозирования массы сформулированы в результате научных исследования ИЛІ.Ахвердова, Ю.М.Баженова, В.А.Баумана, Г.И.Горчакова, А.Е.Денисова, Г.Г.Зеличснка, А.Г.Комара, К.М.Королева, Л.А.Малининой, В,В.Михайлова, В.А.Огиевича, И.Г.Совалова, Ю.Г.Хаютина, С.В.Шестоперова и др.
Вопросам технологии и автоматизации приготовления бетонной смеси посвящены труды И.С.Вайнштока, В.А.Воробьева, А.А.Богданова, А.Э.Гордона, Р.С.Тиллеса, Л.И.Никулина, В.А.Дорфа.
Созданием весодозировочного оборудования и систем управления дозированием, а также вопросам технологии дозирования занимаются ВНИИСтройдормаш, ВНИИжелсзобетон, ЦНИИОМТП, НИКИМП и ряд других организаций и институтов. Усилиями этих организаций разработан и налажен серийный выпуск дозаторов и устройств управления к ним для технологического процесса производства асфальтобетонной смеси.
Результаты обследования асфальтобетонных заводов показывают, что уровень технологии и автоматизации значительного числа смесительных узлов еще низок, проектные разработки автоматизации, часто, не находят широкого практического применения из-за низкой точности и малой надежности систем автоматического циклического дозирования.
Причинами такого положения являются: недостаточная изученность объектов контроля и управления; отсутствие научно обоснованных методов и рекомендаций, направленных на повышение точности циклических дозаторов в автоматическом режиме взвешивания.
Основной парк дозаторных установок циклического действия АБЗ составляют серийно выпускающиеся дозаторы тонкодисперсных материалов, дозаторы заполнителей АВДИ-1200 и дозаторы жидкости АВДЖ425/1200 с рычажной весовой системой и циферблатным указателем. Выпуск рычажных дозаторов в РФ и за рубежом не сокращается.
В промышленности по производству асфальтобетонных смесей насчитывается свыше 4000 предприятий общей мощностью более 125 млп.м асфальтобетона в год, большинство этих предприятий нуждается в совершенствовании циклической технологии дозирования, а ряд и в повышении эффективности автоматизации смесительных узлов К настоящему времени по вопросу автоматического управления циклическим дозированием имеется ряд разработок, однако, практические достижения при использовании автоматических систем управления вряд ли могут считаться удовлетворительными, так как точность дозирования этих систем в условиях динамических воздействий падающего материала в бункер дозатора остается низкой.
При анализе существующих систем автоматического дозирования, выполненных по структуре «датчик массы-усилитель-исполпительный механизм», а также на основании лабораторных исследований и заводских испытаний систем с такой структурой выяснено, что даже при правильном выборе параметров звеньев системы управления (датчика, усилителяз исполнительного механизма) и высокой точности отдельного взятого звена такие системы управления в комплексе с циклическим дозатором и динамическом режиме взвешивания имеют низкую точность и не отвечают требованиям дозирования компонентов смеси.
Поэтому создание высокоэффективных технологических решений и системы циклического дозирования, способной работать в сложных условиях дозировочного отделения при высокой точности взвешивания является актуальной задачей.
Весовые автоматические дозаторы дискретного действия для сыпучих материалов
В установках периодического действия башенного типа (рис.1 Л а) нагретый каменный материал подается конвейером в сортировочное устройство (7) смесительного агрегата для распределения на фракции по размерам зерен. Каждая фракция щебня попадает в соответствующий отсек бункера (8). Под ним расположен автоматический весовой дозатор (9) периодического действия, где последовательно взвешиваются отдельные фракции щебня и песок в соответствии с заданной рецептурой смеси и подаются в лопастный смеситель (10).
Необходимый для приготовления смесей минеральный порошок поступает в смесительный агрегат из агрегата минерального порошка (II). Агрегат включает в себя оборудование для хранения и транспортирования этого материала. Заданное количество минерального порошка в смеси обеспечивается дозатором непрерывного или периодического действия (12), который входит в состав бункера готовой смеси.
В установках непрерывного действия партерного типа (рис. 1.16) нагретые песок и щебень поступают с транспортера (6) непосредственно в смеситель непрерывного действия, где перемешиваются и непрерывным потоком перемещаются от загрузочного к разгрузочному концу.
По уровню мобильности установки периодического и непрерывного действия подразделяются на стационарные и передвижные. Стационарные смесительные установки предназначены для оборудования постоянно действующих асфальтобетонных заводов на крупных строительных объектах.
Передвижные установки при эксплуатации перемешаются на различные объекты. Такие установки составлены из отдельных агрегатов, которые монтируются и демонтируются с помощью грузоподъемных средств и переводятся с объекта на объект обычными видами транспорта.
По производительности асфальтобетонные установки подразделяются на следующие типоразмеры: 12,25,32,50,60,63, 100, 150, 200, 250 и 400 т/ч. Производительность асфальтобетонных установок определяют при условии приготовления песчаных или мелкозернистых смесей с щебнем из исходных материалов со средней плотностью 1,6 т/мэ и первоначальной влажностью 5% [47].
Состав и свойства асфальтобетонных смесей. В общем случае все асфальтобетонные смеси состоят из твердой (каменные материалы), вязкожидкой (битум) и газообразной фаз. Каждая фаза включает в себя несколько компонентов, играющих определенную роль в структуре смеси.
Компоненты твердой фазы образуют каркас асфальтобетонной смеси. Свободное пространство между каменными материалами заполняется вязкожидкой и газообразной фазами. После физико-химических преобразований битум склеивает соседние зерна минеральных частиц в монолит, причем на прочность соединения зерен решающее значение оказывает толщина прослоек битума. При тонких битумных прослойках между минеральными зернами образуется жесткое соединение и асфальтобетон теряет одно из необходимых свойств дорожного покрытия - эластичность. Излишнее количество свободного битума снижает прочность связей минеральных частиц, это приводит к разрушению каркаса асфальтобетона. Все это значительно ухудшает качество дорожного покрытия. К основным структурно-механическим свойствам асфальтобетона относятся плотность, пористость, водостойкость и прочность. Асфальтобетоны — пористые материалы из-за присутствия в объеме помимо твердого вещества и битума воздушных пор. Подбор состава твердой фазы предполагает получение максимальной плотности минеральной смеси из щебня различных фракций, песка, минерального порошка. Можно влиять на межзерновую пустотность, подбирая дробленый щебень различных фракций. Пористость характеризует степень заполнения объема материала порами для минеральной части связана с се удельной поверхностью и пустотностыо, которые определяются на основе ее зерЕювого состава. Подбор наилучшего состава асфальтобетона связан с оптимизацией остаточной (суммарной) пористости и расхода битума. Состав минеральной части подбирается по минимуму остаточной пористости. При заданном фракционном составе твердой фазы минимизация межзернового объема пор приводит к минимизации и остаточной пористости. Выбор оптимальных доз минерального порошка, песка, крупного заполнителя различных фракций осуществляется исходя из минимума квадратического отклонения регламентированного распределения от фактического. Наибольшая прочность асфальтобетона достигается при максимальной плотности минерального каркаса и оптимальном содержании битума и минерального порошка. Нормальный зерновой состав минеральной части - один из важнейших факторов, позволяющих получать асфальтобетон высокого качества. Чем плотнее зерновой состав и упаковка зерен минерального материала, тем больше контактов между зернами, покрытыми пленками битума, выше внутреннее трение и сцепление. Смесь минерального порошка и битума образует ас фал ьто вяжущее вещество, оказывающее решающее влияние па строительные и эксплуатационные свойства асфальтобетона. Это объясняется тем, что на долю минерального порошка приходится 70-90% общей поверхности минеральных частиц, обволакиваемых битумом. Поэтому, погрешность отмеривания составляющих при приготовлении асфальтобетонной смеси не должна превышать для щебня (гравия) и песка ±3%, для минерального порошка и битума ±1,5% массы соответствующего компонента.
Влияние реактивного динамического давления потока на погрешности дозирования
В состав асфальтобетонной смеси входят компоненты, характеризующиеся различными физико-механическими свойствами, которые существенно влияют на характер подачи данного компонента питателем. Характер же движения материала влияет в свою очередь на погрешность взвешивания.
При дозировании минерального порошка дозаторами АВДЦ -425 и АВДЦ-1200 с подачей минерального порошка в весовой бункера с помощью шнековых или аэропитателей поступление материала характеризуется высокой нестационарностью секундного расхода. Этим же характеризуются и дозаторы АВДЦ-2400, кроме того, в этих дозаторах возможны сводообраэования минерального порошка и его обрушение, что приводит к еще большей неравномерности поступления минерального порошка в весовой бункер.
Характер движения песка при дозировании в большой степени зависит от влажности. Сухой песок характеризуется хорошей сыпучестью и сравнительно однородным потоком, при повышении влажности сыпучесть песка ухудшается, и возрастает степень неоднородности поступления его в весовой бункер. При этом наблюдаются сводообразовапия и обрушения, плотность резко изменяется, приводя к широкому вырьированию зоны нечувствительности силового пневмоцилиндра. Это приводит к большим разбросам ошибки дозирования песка. Отдельные частицы гравия имеют округлую форму, поэтому трение частиц внутри потока гравия меньше, это приводит к лучшей сыпучести гравия по сравнению со щебнем- Плотность потока этих материалов во время поступления в весовой бункер переменна, и приводит, как и в случае дозирования песка и щебня к переменной зоне нечувствительности силового пневмоцилиндра и дополнительной погрешности дозирования. Неравномерность истечения материала из гравитационного питателя характеризуется неравномерной производительностью 2„(кг/с или т?час), или расходом питателя. Максимальной неравномерностью поступления обладает минеральный порошок, отклонение расхода которого от номинального может достигать 80%, расчетная погрешность дозирования от неравномерности поступления минерального порошка может достигать 1-3%, в отдельных случаях погрешность может достигать 5-7%, Действительно, если система дозирования настроена на закрытие затвора при среднем расходе питателя 16 кг/с (рис.1 ЛЗд.а), но Б момент закрытия расход питателя составил максимально возможное значение 22 кг/с (рисЛЛЗ т.в), то при дозе минерального порошка , например, 240 кг произойдет перевес, равный 6 кг, а дополнительная ошибка взвешивания составит 2,5%. Высокой степенью неравномерности истечения обладает также песок, отклонение расхода которого от номинального может достигать 20-30%, в отдельных случаях достигает 80%. Погрешность дозирования от неравномерности истечения песка может достигать 2-4%, в отдельных случаях 10-15%. Меньшей степенью неравномерности истечения обладает гравий и щебень, отклонение расхода от поминального достигает 7-10%, погрешность дозирования при этом достигает 2-4%. Не все флуктуации расхода приводят к большим погрешностям взвешивания. При незначительной амплитуде, составляющей 0,5-2% от среднего расхода, влияние на точность взвешивания не оказывается. К значительным погрешностям дозирования приводят максимальные отклонения расхода питателя. Длительность которых 0,6-2 с при относительном изменение расхода на 10-40%. L10.Влияние нечувствительности и запаздывания исполнительного механизма выпускного затвора весового бункера Пневматический исполнительный механизм для открытия и закрытия затвора имеет зону нечувствительности, которая существенно влияет на погрешность дозирования в автоматическом режиме. Зона нечувствительности, возникающая при выключении дозатора оказывает существенное влияние на точность дозирования, так как сигнал, поступающий на электропневматический клапан дозатора отрабатывается не сразу, а с запаздыванием, приводящим к накоплению ошибки измерения расхода.
Зона нечувствительности зависит от плотности материала, находящегося в выпускной вороике бункера, С увеличением плотности материала увелїічивается и зона нечувствительности. Учитывая тот факт, что плотность потока материала нестационарна и изменяется через короткие промежутки времени, то, и зона нечувствительности изменяется от срабатывания к срабатыванию, и упреждение в системе управления, которое соответствовало определенной зоне нечувствительности, уже не соответствует последнему случаю. Это явление также приводит к дополнительным погрешностям взвешивания. Попытки устранить данную ошибку задатчиком массы (уставка порции с некоторым опережением), как правило, не приводят к положительному результату. Отсюда же возникает решение ввести регулятор опережения срабатывания затвора расходного бункера на закрытие по величине запаздывания предыдущего взвешивания. Такое решение не дает положительного результата, поскольку при следующем взвешивании меняется зона нечувствительности и, кроме того, на погрешность дозирования, наряду с указанным, влияют другие многочисленные факторы. С уменьшением расхода зона нечувствительности уменьшается и наоборот, с увеличением расхода происходит увеличение зоны нечувствительности. Это явление несколько упрощает задачу компенсации погрешности дозирования, зависящую от величины зоны нечувствительности исполнительного механизма затвора бункера, так как позволяет совместить методы компенсации погрешности, как при неравномерном расходе, так и при изменяющейся зоне нечувствительности.
Расчетная погрешность дозирования, зависящая от величины зоны нечувствительности и запаздывания исполнительного механизма, находится в пределах 0,2-2,0%.
Учет выбега весового транспортера и динамики поступления материала в весовой бункер
На действующих асфальтобетонных заводах используются циклические дозаторы с гравитационными питателями. Данные питатели, обладая такими достоинствами, как простота конструкций, отсутствие специального громоздкого привода, имеют недостаток в том, что истечение гравия, песка и минерального порошка в весовой бункер дозатора происходит неравномерно. Кроме того, из-за значительного расстояния между питателями и основанием весового бункера возникают удары в весовой системе под действием падающего материала, поэтому весовая система совершает в момент дозирования вынужденные колебания частотой 0,75-1,25 Гц, достигающие максимальной амплитуды в начальный момент взвешивания, что, в конечном счете приводит к существенным отклонениям доз компонентов асфальтобетонной смеси от заданных значений.
Одной из основных причин высокой погрешности дозировании -одностадийное взвешивание без разделения этого процесса на грубое и точное взвешивание, при котором основная часть материала дозируется в режиме грубого взвешивания (большая порция за короткое время) и оставшаяся - в режиме точного взвешивания или досыпки (малая пориия за длительное время).
Были проведены исследования по уменьшению ошибки дозирования в автоматическом режиме при использовании гравитационного питателя. Уменьшить вредное влияние ударной нагрузки на весовую систему и увеличить точность дозирования при использовании гравитационного питателя возможно за счет выбора режима загрузки весового бункера: загрузка одной порцией (одностадийное взвешивание); загрузка с постоянным порогом грубой массы и досыпка одной порцией; загрузка с постоянным порогом грубой массы и досыпка от мультивибратора; загрузка с изменяющимся в зависимости от величины дозы с порогом грубой массы и досыпка одной порцией. Последние три режима представляют двухстадийное взвешивание с разделением процесса дозирования на два этапа: в начале происходит грубое дозирование порции, после чего затвор питателя закрывается на время паузы, в течение которой колебания весовой системы частично затухают, затем осуществляется конечное взвешивание (досыпка). Результаты дозирования минерального порошка, песка, щебня, зафиксированных по непрерывным показаниям циферблатных указателей на каждом режиме загрузки весового бункера, даны на рис.3.1. Сравнивая полученные кривые и учитывая ударные нагрузки на весовую систему при дозировании минерального порошка, песка и цемента, можно установить следующее. Одностадийное взвешивание (Л/3 - заданная масса; Мф- фактическая масса в бункере дозатора; ДА/ = Qj„lhi-динамическая величина массы в столбе падающего материала ; Qn- средний расход питателя; /„,„,- время падения материала), характеризующееся полным открытием затвора питателя на время дозирования всей порции компонента. При ударных нагрузка на весовую систему одностадийное взвешивание не удовлетворяет требованиям точности. Сравнивая различные режимы двух стадийного взвешивания при ударных воздействиях падающего материала можно отметить, что загрузка с постоянным порогом грубой массы и досыпка одной порцией: масса грубой порции; Шф- масса досыпки) дает некоторое увеличение точности дозирования по сравнению с одностадийным, однако 50% отвешенных доз не укладываются в норму. При досыпке от мультивибратора несколькими порциями масса единичной /-ой порции досыпки; п — число досыпок) затвор совершает неоднократные движения на открытие и закрытие. Точность дозирования в этом случае несколько выше по сравнению с режимом досыпки одной порцией, но 30% отвешенных порций не соответствуют установленным нормам. Это объясняется тем, что возникают затруднения в подборе оптимального периода колебаний мультивибратора, который оказывается неодинаковым для различных затворов и зависит также от физико-механических свойств компонента. Кроме того, со временем изменяются тяговые характеристики силового пневмоцилиндра, поэтому заданный период колебаний может оказаться большим или недостаточным. В первом случае затвор откроется на большее, чем требуется, время и произойдет избыточное дозирование. Во втором случае времени импульса на открытие затвора будет недостаточно, и дозирование не осуществится. В целом ступенчатая досыпка от мультивибратора приводит к повышенному износу оборудования за счет добавочных операций, общий цикл дозирования значительно увеличивается.
Исследование характера истечения сыпучих материалов
При дозировании тонкодисперсных материалов, как правило, используются шнековые, барабанные и аэрационные питатели. Для первых двух управляющими параметрами служит скорость вращения винта шнека или ротора. Для аэрационного питателя настроечными параметрами служат высота материала h на пористой плитке питателя и расход воздуха g.
При экспериментальных исследованиях барабанного питателя использовалась методика градуировки питателя непрерывного действия после его полной наладки. Во время непрерывной работы питателя в установившемся режиме и при нормальном истечении минерального порошка из бункера, отсеченная доза материала подается по отводному рукаву в емкость, установленную на весах с циферблатным указателем, цена деления которого соответствовала 0,2 кг. Выключение питателя после достижения заданного значения дозы осуществлялось автоматически с помощью бесконтактного датчика БК, установленного в циферблатном указателе массы. Величина взвешиваемой дозы принималась равной !00 кг. Уровень материала в расходном бункере минерального порошка принудительно изменялся и соответствовал следующим значениям: 1,4 м; 1,8 м; 2,2 м; 2,6 м.
Исследования шнекового питателя проводились по той же методике. Обработка результатов измерений производилась согласно методике экспериментальных исследований. Объектами исследования являлись: образцы шнекового и барабанного питателей.
Шнековый питатель представляет собой трубу с загрузочным и выгрузочным патрубками, внутри которой на подшипниках качения вращался пинт диаметром 220 мм с постоянным шагом t-ІбОмм. С целью повышения равномерности работы питателя конечная часть винта шнека выполнена двухзаходноЙ. Для исключения влияния избыточного воздуха в весовом ковше на точность измерения массы, внутренняя полость шнека соединена с аспирациопной системой.
Передача вращения винту осуществляется через редуктор от 4-хскоростного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя Т-51/8/6/4/2 ( ;т-Зквт,Л =Ь7квт).
Шнековый питатель устанавливался в горизонтальном положении или под углом наклона 30 к горизонту. При испытании шнекового питателя в горизонтальном положении, с целью исключения возможности самопроизвольного истечения минерального порошка через питатель перед загрузочным патрубком шнека установлен затвор-питатель. Управляющим параметром шнекового питателя является скорость вращения винта шнека. Передача вращения винту осуществляется через редуктор от 4-хскоростного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя Т-51/8/6/4/2 (Мтаґ=3квт, Л г ] 1,7квт).
Барабанный питатель представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого на подшипниках качения вращается лопастной ротор диаметром 250мм. Управляющим параметром питателя является скорость вращения ротора. Изменение скорости вращения ротора барабанного питателя осуществлялось с помощью цепного пластинчатого вариатора, входящего в привод питателя.
Испытания барабанного питателя производились при следующих значениях угловой скорости ротора: S об/мин, [2 об/мин, 17 об/мин, 23 об/мин, 33 об/мин. При этих значениях п были получены следующие производительности: 9,6 т/час, 13,5 т/час, 18,3 т/час, 24 т/час, 30,9 т/час.
Результаты испытаний питателей минерального порошка представлены на рис.3.7Т 3.8 в виде графических зависимостей величины среднеквадратичной погрешности а от производительности Qtl питателей (рис.3.7,-для барабанного - кривая 1, для шнекового - кривая 2; рис.3.8, -аэрацииншлй питатель).
Так как погрешности барабанного и шнекового питателей незначительно отличаются одна от другой (рис, 3,7), то, исходя из минимума среднеквадратичной погрешности наилучшими для подачи сыпучих материалов в пневмосистеме являются именно эти питатели. Выбор же конкретного питателя в каждом отдельном случае производится в соответствии с требованиями компоновки, технологичности, удобства обслуживания и т.д.
На рис. 3.9 даны графические зависимости, позволяющие определить требуемые производительности Qj и Qrp питателя при дозировании минерального порошка в зависимости от следующих величин; Д п, Gq, где От - производительность питателя в режиме "точного" взвешивания, О -производительность питателя в режиме "точного взвешивания", Д -допустимая поірешность дозирования, п - количество последовательно подаваемых фракций, Gq - масса материала, подаваемая в режиме точного" взвешивания.
Общий цикл дозирования, исходя из требований, предъявляемых к производительности дозаторов, принимался равным 35 с и 45 с. Номограмма рис. 3.10 построена соответственно для смесителей емкостью 500 л и 750 л, из расчета максимально возможного расхода материала на 1 м асфальтобетонной смеси: 800 кг песка, І400 кг щебня.
Похожие диссертации на Автоматизация технологических процессов циклического дозирования компонентов асфальтобетонной смеси в комбинированном режиме грубого взвешивания и досыпки
