1 引言

混凝土是建筑工程中应用最广泛的材料之一 ,其经济、技术指标对整个建筑工程的质量和成本有举足轻重的关系。混凝土又是这样一种特殊的材料 ,其质量不合格不能作为次品或降低等级使用 ,且它的质量合格与否不能立即检测出来 ,一旦发现不合格 ,无法挽救。 因此 ,混凝土在生产过程中的质量控制尤为重要。影响混凝土质量的因素有很多 ,生产过程中的准确配料是关键。

我国建筑工程中使用的混凝土 ,绝大多数在现场搅拌。 因为使用商品混凝土成本高 (比现场搅拌高 30 %左右 );自建搅拌站一次性投资大 ,且不适合流动施工使用。因此,目前现场搅拌仍广泛使用500L以下无配料计量设备的搅拌机。由于无配料计量 ,砂、石重量一般是容积控制 (斗车画线、按线计量 ) ,水泥整包加入 ,水量由人凭经验添加。这样拌制的混凝土 ,质量难以保证。 混凝土生产过程中的物料重量控制 ,一直是施工界的一个难题。

近十年来,随着传感器技术、计算机技术和自动控制技术等的飞速发展,国内不少单位开发出适合我国国情的各种混凝土自动配料机。 利用它的配料功能,与用户原有的搅拌机配套,增加上料设备 ,就是一个组合式的自动搅拌站。 由于它配置灵活 ,可充分利用用户原有的设备资源,投资省,受到混凝土施工界的普遍欢迎。

2 国内外混凝土配料机的发展现状

根据我们的调查研究和初步统计 ,国内目前生产混凝土配料机的厂家有十几家。按照其工作原理、结构型式 ,大致可分为以下 3 种:

( 1)采用砂、石皮带机配料 ,水泥螺旋输送 ,机械秤或机械—电子秤累计计量。可配砂、石、水泥 3 种物料;

( 2)可配砂、石两种物料 ,采用气动阀门配料 ,带投料皮带的机械秤或机械—电子秤累计计量;

( 3)采用机—电秤计量 ,移动小车配料 ,继电器控制 ,数码管称量显示。

以上列举的国内市场上具有代表性的 3 种配料机 ,在使用中发现尚存在如下缺点:

(1)计量误差较大 ,无法保证 GB10172 第六条对混凝土物料计量误差之要求。 上述 3 种类型均采用机械秤或机— 电秤。 机械秤分度小 ,重量分辨率低。 更有甚者 ,有的机— 电秤传力杠杆的铰点采用圆柱销 ,摩擦阻力大 ,因此秤的计量精度低。大部分产品说明书标注的计量误差是小于± 1 % ～ ± 2% ;实际检定误差达± 10 % 以上。

( 2)设备体积大 ,重量重 ,上料高度高;

( 3)移动安装不方便;

( 4)配料物种少;

( 5)易损件多 ,可靠性较差 ,维修工作量大;

( 6)自动化程度较低;

( 7)基本上无微机控制管理系统或有简单系统但人机界面较差。

通过研究分析 ,国内其它配料机的主要技术症结在于: 小型配料机沿用大型搅拌站“提升上料 ,自落配料”的设计模型。如果不能突破此传统模式 ,在计量原理、总体结构上另辟蹊径 ,以上弊端尤其第 ( 1)、 ( 2)、( 3)条是无法克服的。

国外发达国家由于施工技术水平和机械化程度较高 ,商品混凝土应用普及 ,因此一般只有大型、固定式的配料、搅拌两用型搅拌站 ,且其配料是针对混凝土输送车 ,而不是搅拌机。

3 研制方案

电子负秤混凝土自动配料机在设计思想和研制方案上不同于其他配料机 ,主要体现在以下几个方面:

3. 1 将电子负秤原理应用于混凝土自动配料设备中

电子正秤和电子负秤是电子秤的两种不同类型。所谓正秤就是一般习惯的称量方法 ,随着被称物重量的增加 ,秤的读数增加。负秤则随被称物重量的减少 ,秤的读数增加 ,它用于排料时指示排料量 ,因此也可称之为卸料秤。电子负秤混凝土自动配料机采用的电子负秤是物料离开秤斗计量 ,而其它配料机采用的正秤是物料进入秤斗计量。 下面对比分析正秤和负秤在混凝土配料计量方面的性能。

混凝土配料正秤计量示意图如图 1 所示。 首先将物料装入料仓 ,然后将物料投入到秤斗进行称量,秤斗中的物料不断增加直到正秤指示到所要求的重量 W 才停止投料 ,并将物料卸入搅拌箱。 由于料仓与秤斗之间具有一定的落差 ,物料投入到秤斗时总有一定的速度 ,因而会对秤斗产生一定的冲击力F.另外 ,料仓每次卸料可能会残留一部分 ,设秤斗未卸空量为 W 1 ,秤斗的皮重为 W 0 ,物料实际重量为 W 料 。上述参量存在以下关系式:

W 料 = W - W 0 －W 1 － F

分析上式 ,可知物料计量误差一方面来自正秤本身的计量误差 ,另一方面来自物料冲击力、秤斗皮重变化以及秤斗未卸空量变化。

混凝土配料电子负秤计量示意图如图 2 所示。 首先将秤斗直接装满物料 ,微机质量控制系统借助压力传感器测量出物料总重量 W 总 ,然后秤斗往搅拌箱内投料 ,物料只要离开秤斗一个微小距离 ,微机质量控制系统立即计量出此时秤斗的重量 W 剩 ,则投入到搅拌箱中的料重 W 料 ,可用下式表示:

W 料 = W 总 － W 剩

分析上式 ,可知配料精度不受物料冲击力、秤斗皮重变化以及秤斗未卸空量变化等因素的影响 ,影响物料计量误差的唯一因素是压力传感器的误差 ,误差源大大减少。 随着传感器技术和数据处理技术的发展 ,由压力传感器引起的误差可降低到很小的程度。

综上所述 ,电子负秤用于混凝土配料相对于正秤具有计量原理上的优势 ,它以计算机技术和传感器技术为基础而得以实现 ,是一种既有动态又有静态计量特征的称重电子秤。

3. 2 结构简单 ,更趋合理

由于采用电子负秤 ,可将正秤配料机上下安装的料仓、秤斗合二为一 ,这样能大大降低整体高度 ,也就降低了上料高度 ,缩小了体积 ,减轻了重量。

3. 3 配料速度提高

将正秤配料机使用中的配料、投料两个分时、顺序的工艺过程变成一个 ,即配料与投料同时进行。简化了工艺过程 ,加快配料速度。

3. 4 自动化程度高

应用单片机控制和管理 ,采用微机屏幕汉字显示 ,热键操作提示。 即便是对控制系统一无所知的人 ,只要遵循屏幕上的操作提示 ,就可以操作使用。

3. 5 具有自适应配料功能

正秤配料机在配合比输入时都是输入物料的实际重量。当某种原因 ,称得的水泥重量大于设定值时,造成水泥浪费;小于设定值时 ,影响混凝土质量。 该配料机输入的是水泥重量值和配合比。单片机能根据水泥称量的终值和其他物料与水泥的比值 ,自动计算出其他物料的设定值。水泥计量终值大于设定值时 ,相应地增加其他物料的重量 ,反之亦然。 理论上可实现水泥配料误差为零 ,最大限度地节约水泥及确保混凝土质量。

3. 6 具有较高的安全性

为了把住配料质量关 ,解决“花钱买设备 ,配料也失控”的问题 ,系统设置了“配方密码修改、调用”功能。只有质量监督人员才有权设置密码 ,修改配方 ,而施工人员因不知密码 ,无法修改配方。

3. 7 具有较高的可靠性

工业控制以高可靠性为第一生命。配料机使用中 ,控制系统的可靠性是至关重要的。 为了保证不因控制系统发生故障而停工 ,配料机配置了二套互为备用的控制系统即微机控制系统和手动控制系统 ,二套控制系统可迅速切换。

3. 8 自动统计报表功能

配料机可随机打印任意时段内的混凝土产量、物料消耗量报表。

4 硬件设计

电子负秤混凝土自动配料机的硬件是由机械部分和微机控制系统组成。由于篇幅所限 ,机械设计部分此处不再叙述。微机控制系统框图如图 3 所示。 系统核心是 MCS51 系列单片机中的 89C52 。它通过 A/D转换器 ,采集压力传感器的信号 ,经过数据处理 ,可得出每种配料的重量 ,并进行自动配料。89C52 也可以产生各种开关量 ,通过继电器控制步进电机等。此外 , 89C52能够接收和识别键盘控制命令和上料中断命令等 ,也能够产生缺料报警信号及显示各种数据或其它内容。

5 软件设计

软件设计采用模块化结构 ,整个程序分为参数设置模块、控制运行模块、数据采集及处理模块、显示打印模块、标定及自检模块。程序设计采用两级菜单形式 ,并具有较灵活的编辑修改功能。 参数设置过程中,每项内容输入后,在按回车确认前可随意修改刚编辑的内容,按 ESC键可回到上一级菜单,按两次回到主菜单 ,具有良好的人机界面。 软件结构框图如图 4 所示。

6 结束语

电子负秤混凝土自动配料机采用电子负秤这一独特的计量原理和简单、合理的结构设计 ,具有较高的总体性能。 配料误差小于± 1 % ,完全满足 GB10172 第六条对混凝土物料计量误差之要求。 在设计小时产量相同条件下 ,该配料机的高度、体积和重量不到市场上同类产品的 1/2 。 在设备配置相同时 ,配料速度比同类产品快1/3,因而具有较高的性能价格比 ,适应中小型建筑单位的设备配置现状和经济承受能力 ,对于提高我国的混凝土施工技术水平 ,确保工程质量 ,节约水泥等具有重大意义 ,必将产生良好的社会效益和经济效益。

 

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