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1 引言

混凝土是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的材料之一 ,其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)對整個建筑工程的質(zhì)量和成本有舉足輕重的關(guān)系?；炷劣质沁@樣一種特殊的材料 ,其質(zhì)量不合格不能作為次品或降低等級使用 ,且它的質(zhì)量合格與否不能立即檢測出來 ,一旦發(fā)現(xiàn)不合格 ,無法挽救。 因此 ,混凝土在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制尤為重要。影響混凝土質(zhì)量的因素有很多 ,生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)確配料是關(guān)鍵。

我國建筑工程中使用的混凝土 ,絕大多數(shù)在現(xiàn)場攪拌。 因為使用商品混凝土成本高 (比現(xiàn)場攪拌高 30 %左右 );自建攪拌站一次性投資大 ,且不適合流動施工使用。因此,目前現(xiàn)場攪拌仍廣泛使用500L以下無配料計量設(shè)備的攪拌機。由于無配料計量 ,砂、石重量一般是容積控制 (斗車畫線、按線計量 ) ,水泥整包加入 ,水量由人憑經(jīng)驗添加。這樣拌制的混凝土 ,質(zhì)量難以保證。 混凝土生產(chǎn)過程中的物料重量控制 ,一直是施工界的一個難題。

近十年來,隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等的飛速發(fā)展,國內(nèi)不少單位開發(fā)出適合我國國情的各種混凝土自動配料機。 利用它的配料功能,與用戶原有的攪拌機配套,增加上料設(shè)備 ,就是一個組合式的自動攪拌站。 由于它配置靈活 ,可充分利用用戶原有的設(shè)備資源,投資省,受到混凝土施工界的普遍歡迎。

2 國內(nèi)外混凝土配料機的發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)我們的調(diào)查研究和初步統(tǒng)計 ,國內(nèi)目前生產(chǎn)混凝土配料機的廠家有十幾家。按照其工作原理、結(jié)構(gòu)型式 ,大致可分為以下 3 種:

( 1)采用砂、石皮帶機配料 ,水泥螺旋輸送 ,機械秤或機械—電子秤累計計量。可配砂、石、水泥 3 種物料;

( 2)可配砂、石兩種物料 ,采用氣動閥門配料 ,帶投料皮帶的機械秤或機械—電子秤累計計量;

( 3)采用機—電秤計量 ,移動小車配料 ,繼電器控制 ,數(shù)碼管稱量顯示。

以上列舉的國內(nèi)市場上具有代表性的 3 種配料機 ,在使用中發(fā)現(xiàn)尚存在如下缺點:

(1)計量誤差較大 ,無法保證 GB10172 第六條對混凝土物料計量誤差之要求。 上述 3 種類型均采用機械秤或機— 電秤。 機械秤分度小 ,重量分辨率低。 更有甚者 ,有的機— 電秤傳力杠桿的鉸點采用圓柱銷 ,摩擦阻力大 ,因此秤的計量精度低。大部分產(chǎn)品說明書標(biāo)注的計量誤差是小于± 1 % ～ ± 2% ;實際檢定誤差達(dá)± 10 % 以上。

( 2)設(shè)備體積大 ,重量重 ,上料高度高;

( 3)移動安裝不方便;

( 4)配料物種少;

( 5)易損件多 ,可靠性較差 ,維修工作量大;

( 6)自動化程度較低;

( 7)基本上無微機控制管理系統(tǒng)或有簡單系統(tǒng)但人機界面較差。

通過研究分析 ,國內(nèi)其它配料機的主要技術(shù)癥結(jié)在于: 小型配料機沿用大型攪拌站“提升上料 ,自落配料”的設(shè)計模型。如果不能突破此傳統(tǒng)模式 ,在計量原理、總體結(jié)構(gòu)上另辟蹊徑 ,以上弊端尤其第 ( 1)、 ( 2)、( 3)條是無法克服的。

國外發(fā)達(dá)國家由于施工技術(shù)水平和機械化程度較高 ,商品混凝土應(yīng)用普及 ,因此一般只有大型、固定式的配料、攪拌兩用型攪拌站 ,且其配料是針對混凝土輸送車 ,而不是攪拌機。

3 研制方案

電子負(fù)秤混凝土自動配料機在設(shè)計思想和研制方案上不同于其他配料機 ,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

3. 1 將電子負(fù)秤原理應(yīng)用于混凝土自動配料設(shè)備中

電子正秤和電子負(fù)秤是電子秤的兩種不同類型。所謂正秤就是一般習(xí)慣的稱量方法 ,隨著被稱物重量的增加 ,秤的讀數(shù)增加。負(fù)秤則隨被稱物重量的減少 ,秤的讀數(shù)增加 ,它用于排料時指示排料量 ,因此也可稱之為卸料秤。電子負(fù)秤混凝土自動配料機采用的電子負(fù)秤是物料離開秤斗計量 ,而其它配料機采用的正秤是物料進(jìn)入秤斗計量。 下面對比分析正秤和負(fù)秤在混凝土配料計量方面的性能。

混凝土配料正秤計量示意圖如圖 1 所示。 首先將物料裝入料倉 ,然后將物料投入到秤斗進(jìn)行稱量,秤斗中的物料不斷增加直到正秤指示到所要求的重量 W 才停止投料 ,并將物料卸入攪拌箱。 由于料倉與秤斗之間具有一定的落差 ,物料投入到秤斗時總有一定的速度 ,因而會對秤斗產(chǎn)生一定的沖擊力F.另外 ,料倉每次卸料可能會殘留一部分 ,設(shè)秤斗未卸空量為 W 1 ,秤斗的皮重為 W 0 ,物料實際重量為 W 料 。上述參量存在以下關(guān)系式:

W 料 = W - W 0 －W 1 － F

分析上式 ,可知物料計量誤差一方面來自正秤本身的計量誤差 ,另一方面來自物料沖擊力、秤斗皮重變化以及秤斗未卸空量變化。

混凝土配料電子負(fù)秤計量示意圖如圖 2 所示。 首先將秤斗直接裝滿物料 ,微機質(zhì)量控制系統(tǒng)借助壓力傳感器測量出物料總重量 W 總 ,然后秤斗往攪拌箱內(nèi)投料 ,物料只要離開秤斗一個微小距離 ,微機質(zhì)量控制系統(tǒng)立即計量出此時秤斗的重量 W 剩 ,則投入到攪拌箱中的料重 W 料 ,可用下式表示:

W 料 = W 總 － W 剩

分析上式 ,可知配料精度不受物料沖擊力、秤斗皮重變化以及秤斗未卸空量變化等因素的影響 ,影響物料計量誤差的唯一因素是壓力傳感器的誤差 ,誤差源大大減少。 隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展 ,由壓力傳感器引起的誤差可降低到很小的程度。

綜上所述 ,電子負(fù)秤用于混凝土配料相對于正秤具有計量原理上的優(yōu)勢 ,它以計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)而得以實現(xiàn) ,是一種既有動態(tài)又有靜態(tài)計量特征的稱重電子秤。

3. 2 結(jié)構(gòu)簡單 ,更趨合理

由于采用電子負(fù)秤 ,可將正秤配料機上下安裝的料倉、秤斗合二為一 ,這樣能大大降低整體高度 ,也就降低了上料高度 ,縮小了體積 ,減輕了重量。

3. 3 配料速度提高

將正秤配料機使用中的配料、投料兩個分時、順序的工藝過程變成一個 ,即配料與投料同時進(jìn)行。簡化了工藝過程 ,加快配料速度。

3. 4 自動化程度高

應(yīng)用單片機控制和管理 ,采用微機屏幕漢字顯示 ,熱鍵操作提示。 即便是對控制系統(tǒng)一無所知的人 ,只要遵循屏幕上的操作提示 ,就可以操作使用。

3. 5 具有自適應(yīng)配料功能

正秤配料機在配合比輸入時都是輸入物料的實際重量。當(dāng)某種原因 ,稱得的水泥重量大于設(shè)定值時,造成水泥浪費;小于設(shè)定值時 ,影響混凝土質(zhì)量。 該配料機輸入的是水泥重量值和配合比。單片機能根據(jù)水泥稱量的終值和其他物料與水泥的比值 ,自動計算出其他物料的設(shè)定值。水泥計量終值大于設(shè)定值時 ,相應(yīng)地增加其他物料的重量 ,反之亦然。 理論上可實現(xiàn)水泥配料誤差為零 ,最大限度地節(jié)約水泥及確?；炷临|(zhì)量。

3. 6 具有較高的安全性

為了把住配料質(zhì)量關(guān) ,解決“花錢買設(shè)備 ,配料也失控”的問題 ,系統(tǒng)設(shè)置了“配方密碼修改、調(diào)用”功能。只有質(zhì)量監(jiān)督人員才有權(quán)設(shè)置密碼 ,修改配方 ,而施工人員因不知密碼 ,無法修改配方。

3. 7 具有較高的可靠性

工業(yè)控制以高可靠性為第一生命。配料機使用中 ,控制系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的。 為了保證不因控制系統(tǒng)發(fā)生故障而停工 ,配料機配置了二套互為備用的控制系統(tǒng)即微機控制系統(tǒng)和手動控制系統(tǒng) ,二套控制系統(tǒng)可迅速切換。

3. 8 自動統(tǒng)計報表功能

配料機可隨機打印任意時段內(nèi)的混凝土產(chǎn)量、物料消耗量報表。

4 硬件設(shè)計

電子負(fù)秤混凝土自動配料機的硬件是由機械部分和微機控制系統(tǒng)組成。由于篇幅所限 ,機械設(shè)計部分此處不再敘述。微機控制系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。 系統(tǒng)核心是 MCS51 系列單片機中的 89C52 。它通過 A/D轉(zhuǎn)換器 ,采集壓力傳感器的信號 ,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理 ,可得出每種配料的重量 ,并進(jìn)行自動配料。89C52 也可以產(chǎn)生各種開關(guān)量 ,通過繼電器控制步進(jìn)電機等。此外 , 89C52能夠接收和識別鍵盤控制命令和上料中斷命令等 ,也能夠產(chǎn)生缺料報警信號及顯示各種數(shù)據(jù)或其它內(nèi)容。

5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu) ,整個程序分為參數(shù)設(shè)置模塊、控制運行模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、顯示打印模塊、標(biāo)定及自檢模塊。程序設(shè)計采用兩級菜單形式 ,并具有較靈活的編輯修改功能。 參數(shù)設(shè)置過程中,每項內(nèi)容輸入后,在按回車確認(rèn)前可隨意修改剛編輯的內(nèi)容,按 ESC鍵可回到上一級菜單,按兩次回到主菜單 ,具有良好的人機界面。 軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 所示。

6 結(jié)束語

電子負(fù)秤混凝土自動配料機采用電子負(fù)秤這一獨特的計量原理和簡單、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,具有較高的總體性能。 配料誤差小于± 1 % ,完全滿足 GB10172 第六條對混凝土物料計量誤差之要求。 在設(shè)計小時產(chǎn)量相同條件下 ,該配料機的高度、體積和重量不到市場上同類產(chǎn)品的 1/2 。 在設(shè)備配置相同時 ,配料速度比同類產(chǎn)品快1/3,因而具有較高的性能價格比 ,適應(yīng)中小型建筑單位的設(shè)備配置現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)承受能力 ,對于提高我國的混凝土施工技術(shù)水平 ,確保工程質(zhì)量 ,節(jié)約水泥等具有重大意義 ,必將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

 

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