劉洪海，王守習(xí)，張永衛(wèi)，袁　安，曾凡記

(1.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院， 陜西西安710064；2.中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)西安筑路機(jī)械有限公司， 陜西西安710064)

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整體稱量懸臂式皮帶秤結(jié)構(gòu)參數(shù)與誤差分析

劉洪海1，王守習(xí)1，張永衛(wèi)2，袁安2，曾凡記1

(1.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院， 陜西西安710064；2.中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)西安筑路機(jī)械有限公司， 陜西西安710064)

摘要：瀝青混合料攪拌設(shè)備冷料配料系統(tǒng)通常采用電子皮帶秤計(jì)量，由于受“皮帶效應(yīng)”的影響會(huì)產(chǎn)生稱重力變化，造成較大的計(jì)量誤差。借鑒皮帶秤計(jì)量原理，研發(fā)了整體稱量懸臂式皮帶秤，可以避免“皮帶效應(yīng)”的影響。通過建立料流重心的動(dòng)態(tài)模型，分析了料流波動(dòng)引起的測(cè)量誤差與皮帶長(zhǎng)度之間的關(guān)系，結(jié)果表明皮帶越長(zhǎng)，計(jì)量誤差越小，并存在3 m拐點(diǎn)，當(dāng)長(zhǎng)度小于拐點(diǎn)時(shí)，隨長(zhǎng)度增加計(jì)量誤差迅速減??；當(dāng)長(zhǎng)度大于拐點(diǎn)時(shí)，隨長(zhǎng)度增加計(jì)量誤差減小得十分緩慢。通過對(duì)4000型攪拌設(shè)備配套的該皮帶秤進(jìn)行試驗(yàn)研究表明計(jì)量誤差能控制在0.6%以內(nèi)，較傳統(tǒng)的電子皮帶秤顯著提高，工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：攪拌設(shè)備；計(jì)量裝置；皮帶秤；計(jì)量精度

0引言

瀝青混合料攪拌設(shè)備冷料供料的準(zhǔn)確性關(guān)系到混合料的生產(chǎn)質(zhì)量和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而影響路面性能和耐久性[1-2]，因此保證冷料的準(zhǔn)確供料具有重要意義。當(dāng)前，散狀物料主要采用電子皮帶秤、核子秤和沖板流量計(jì)等計(jì)量裝置進(jìn)行計(jì)量[3-8]。相對(duì)沖板流量計(jì)和核子秤計(jì)量裝置，電子皮帶秤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)展歷史較長(zhǎng)，技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用較為普遍。國(guó)內(nèi)有關(guān)電子皮帶秤的研究文獻(xiàn)很多，不同文獻(xiàn)中提出了不同的提高計(jì)量精度的措施：羅才生等[9]從傳統(tǒng)力學(xué)角度出發(fā)，推導(dǎo)了皮帶秤的計(jì)量誤差與各個(gè)因素之間的關(guān)系，并提出了通過增加稱重托輥數(shù)減小計(jì)量誤差的方法；方原柏[10]通過多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、試驗(yàn)，認(rèn)為稱重模塊應(yīng)該裝在皮帶張力小、皮帶張力變化小的位置；丁可銀[11]從電子皮帶秤信號(hào)傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，認(rèn)為稱重傳感器與二次儀表采用四線制線路聯(lián)接時(shí)，線長(zhǎng)應(yīng)控制在30 m以內(nèi)。上述的相關(guān)研究分析都有效的減小了皮帶秤的計(jì)量誤差，在工程實(shí)踐中有很大的實(shí)用價(jià)值。然而皮帶跑偏、松弛等因素引起的皮帶效應(yīng)問題卻始終無法解決，隨著使用周期的延長(zhǎng),電子皮帶秤計(jì)量精度下降較為嚴(yán)重。

為了解決皮帶效應(yīng)對(duì)皮帶秤計(jì)量精度的影響，本文在常用散狀物料流量計(jì)量裝置分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合攪拌設(shè)備斜皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，從準(zhǔn)確性、實(shí)用性角度提出了一種整體稱量懸臂式散狀物料流量計(jì)量裝置。通過對(duì)其計(jì)量原理、相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸和料流波動(dòng)影響的研究，推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)參數(shù)、料流參數(shù)與計(jì)量誤差之間的關(guān)系，并進(jìn)行了計(jì)量誤差計(jì)算分析與試驗(yàn)研究。

1幾種主要散狀物料流量計(jì)量器工作原理

1.1核子秤結(jié)構(gòu)與工作原理

1-散狀物料；2-皮帶；3-探測(cè)器；4-測(cè)速傳感器；5-射源箱；6-秤體支架；7-微機(jī)；8-信號(hào)調(diào)理箱；9-信號(hào)放大器圖1　核子秤示意圖Fig.1　The diagram of nuclear scale

核子秤是利用γ射線穿過物料時(shí)輻射強(qiáng)度被減弱的原理制造的一種散狀顆粒流量計(jì)量裝置[12-13]。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

射線源輸出的射線穿過被測(cè)物料到達(dá)射線檢探測(cè)器，料厚不同，物料對(duì)γ射線強(qiáng)度的減弱程度不同。料層越厚，能夠穿過物料的射線越少，探測(cè)器輸出的電信號(hào)越弱。信號(hào)經(jīng)過放大器放大，連同皮帶測(cè)速傳感器輸出的速度信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中乘積運(yùn)算，從而得出物料流量的瞬時(shí)值和累計(jì)值。

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的連續(xù)化、精準(zhǔn)化的要求，核子秤結(jié)構(gòu)不斷更新，功能不斷完善。但仍存在若干問題：

①系統(tǒng)內(nèi)部誤差。即輸送帶厚度不均勻所導(dǎo)致的空帶誤差、放射性統(tǒng)計(jì)漲落帶來的誤差等。

②系統(tǒng)外部誤差。即被輸送物料的堆積形式帶來的誤差，物料材質(zhì)特性、含水率變化引起的誤差等。

③放射源發(fā)射的射線能破壞細(xì)胞組織，對(duì)工作人員的身體健康有一定影響。

1.2沖板流量計(jì)結(jié)構(gòu)與工作原理

1-沖板；2-物料；F-沖擊力；Fm-水平分力；Fp-垂直分力圖2　沖板流量計(jì)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.2 The functional diagram of rush-board meter

傳統(tǒng)的沖板流量計(jì)主要由沖擊板、浮動(dòng)框架、差動(dòng)變壓器式傳感器、變送器和儀表五部分組成[14-15]，其工作原理如圖2所示。

沖量板與水平線成一定傾角放置，下料時(shí)物料2下落至沖量板平面1上，作用在沖板平面上的力F可分解為水平分力Fm和垂直分力Fp。垂直分力與流量計(jì)所受的支撐力平衡，合力為零。水平分力帶動(dòng)沖量板向右移動(dòng)，沖量板帶動(dòng)流量計(jì)中的差動(dòng)傳感器鐵芯移動(dòng)，差動(dòng)傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，經(jīng)過積算器積算處理得到給料量和給料總量。20世紀(jì)80年代以來，沖量板流量計(jì)得到長(zhǎng)足發(fā)展，但是仍存在以下問題：

①不同的下落姿態(tài)、皮帶的速度、物料濕度、厚度及堆角等因素，都可能會(huì)引起物料下料時(shí)拋物線形狀發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致落料角和落料高度的變化，形成較大動(dòng)態(tài)誤差。

②機(jī)械測(cè)量機(jī)構(gòu)復(fù)雜，涉及器件較多，對(duì)測(cè)量精度的影響較大。而且計(jì)量器測(cè)量精度還受到制造、裝配質(zhì)量的影響。

③在長(zhǎng)期使用過程中，細(xì)小粉塵隨處飄逸，使流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)表面附著大量灰塵，影響計(jì)量精度。

1.3電子皮帶秤結(jié)構(gòu)與工作原理

1-稱重傳感器；2-測(cè)速傳感器；3-秤架；4-放大器；5-接線盒；6-主控計(jì)算機(jī)圖3　電子皮帶秤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3　The structure diagram of electronic belt scale

電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)形式和種類較多，按傳感器工作原理分為：電阻應(yīng)變式皮帶秤、電磁式皮帶秤、差動(dòng)變壓器式皮帶秤等。按秤架結(jié)構(gòu)分為：?jiǎn)瓮休伿狡С?、多托輥式皮帶秤、平行板簧式皮帶秤和懸臂式皮帶秤。按照皮帶速度不同分為恒速和調(diào)速皮帶秤[16- 17]。電子皮帶秤一般由六大部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，皮帶秤在輸送狀態(tài)利用稱重傳感器和測(cè)速傳感器，將通過皮帶秤的物料重量和皮帶的速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大器將兩組信號(hào)放大處理，輸送給計(jì)算機(jī)完成積算、調(diào)節(jié)、控制等功能。其計(jì)量原理：輸送機(jī)輸送物料時(shí)傳感器測(cè)得皮帶上單位長(zhǎng)度的瞬時(shí)載荷值為q(t)與在同一時(shí)刻測(cè)得的瞬時(shí)速度v(t)相乘，計(jì)算結(jié)果即為散狀顆粒的瞬時(shí)流量，在時(shí)間T內(nèi)對(duì)物料的瞬時(shí)流量積分得到累積重量，如式(1)所示：

(1)

式中，W為時(shí)間T內(nèi)物料的累計(jì)計(jì)量值；q(t)為皮帶單位長(zhǎng)度物料重量；v(t)為皮帶機(jī)的輸送速度。

圖4　稱重力測(cè)量模型Fig.4　The measurement model of called gravity

電子皮帶秤具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、動(dòng)態(tài)計(jì)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。近年來，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)皮帶秤的誤差來源進(jìn)行了分析，認(rèn)為影響皮帶秤計(jì)量精度的主要因素有：稱重力誤差δ1、皮帶速度誤差δ2、信號(hào)處理誤差δ3、校準(zhǔn)誤差δ4、環(huán)境影響誤差δ5等，其中稱重力誤差是影響皮帶秤計(jì)量精度的主要因素，而皮帶效應(yīng)是稱重力誤差的主要來源。為了分析皮帶效應(yīng)對(duì)稱重力誤差的影響，建立如圖4所示的稱重力測(cè)量模型。

由圖4可知作用在稱重傳感器上的力F，減去皮帶自重的作用力F0是物料的作用力,由式(2)表示：

(2)

(3)

則式(2)可由式(4)表示：

(4)

根據(jù)式(4)，H.Colijn從簡(jiǎn)支梁假設(shè)出發(fā)推導(dǎo)出通用計(jì)算公式[12]，見式(5):

(5)

式中，n為稱重托輥數(shù)；θ為皮帶機(jī)傾角，(°)；D為托輥不準(zhǔn)直度，m；T為皮帶張力，N；k(z)為皮帶剛度系數(shù)，為一無量綱雙曲正切超越函數(shù),見式(6)、式(7):

(6)

(7)

式中，E為皮帶彈性模量，N/m2；I為皮帶斷面面積慣性矩,m4。

根據(jù)式(5)知重量誤差由式(8)表示:

(8)

為了便于分析，假設(shè)皮帶為柔索，即k(z)=1，式(8)可簡(jiǎn)化為式(9)：

(9)

將式(9)中的誤差源變量D與T，分別代替之以T0+ΔT和D0+ΔD,展開略去二階小量得式(10)：

(10)

式中，第一項(xiàng)為常量，為恒定系統(tǒng)誤差，可以通過校準(zhǔn)零點(diǎn)與校準(zhǔn)量程予以清除；第二項(xiàng)的ΔD是稱架系統(tǒng)各部分的撓度造成的稱重托輥垂直下沉量；第三項(xiàng)誤差是由于皮帶張力的變化引起，后兩項(xiàng)并不相互獨(dú)立，而是具有較強(qiáng)的相關(guān)性，其變化根源都在于物料載荷量的變化。由皮帶張力與托輥不準(zhǔn)直度引起的誤差(δ1)TD可由式(11)表示：

(11)

(12)

當(dāng)前，連續(xù)式瀝青攪拌設(shè)備對(duì)于骨料計(jì)量精度的要求為2.5%。根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)計(jì)算的皮帶秤計(jì)量精度很難滿足瀝青攪拌設(shè)備使用要求，雖然可以通過增加稱重托輥數(shù)提高皮帶秤計(jì)量精度，但是皮帶秤使用過程中的主要問題(即皮帶效應(yīng)、皮帶松弛、跑偏)卻無法避免。這也是工程實(shí)際當(dāng)中計(jì)量精度滿足要求的皮帶秤在使用一段時(shí)間后計(jì)量誤差往往超出規(guī)定值的主要原因。出現(xiàn)上述情況，必須通過預(yù)緊皮帶、砝碼標(biāo)定或動(dòng)態(tài)物料標(biāo)定，重新將皮帶稱計(jì)量誤差控制在一定范圍內(nèi)。校正過程比較繁瑣，而且后續(xù)使用過程中上述問題會(huì)不可避免的再次出現(xiàn)。

2整體稱量懸臂式皮帶流量計(jì)量裝置

2.1秤體結(jié)構(gòu)及計(jì)量原理

針對(duì)上述常用的散狀物料流量計(jì)量裝置存在的不足，通過對(duì)瀝青攪拌設(shè)備斜皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易改進(jìn)，開發(fā)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的整體稱量懸臂式物料流量計(jì)量裝置，用于冷料的流量計(jì)量，其總體結(jié)構(gòu)見簡(jiǎn)圖5。

1-斜皮帶；2-頭架；3-稱重傳感器；4-校秤裝置；5-尾架

圖5所示稱重裝置主要由斜皮帶輸送機(jī)主體、頭架、尾架和校秤裝置等組成，頭架的上下銷軸座由銷軸鉸接；尾架頂端安裝有兩個(gè)懸臂梁傳感器，傳感器支撐秤體，檢測(cè)皮帶輸送的冷料重力變化信號(hào)并輸出；校稱裝置用于對(duì)稱重裝置的校準(zhǔn)。通過對(duì)秤體動(dòng)態(tài)輸料過程受力分析，如圖6所示，力平衡方程見式(13)：

m(t)gl-F(t)L=0，

(13)

式中，m(t)為皮帶上瞬時(shí)料重，kg；F(t)為傳感器受到材料的瞬時(shí)作用力，N。

L1-斜皮帶上料流長(zhǎng)度；l-料流質(zhì)心位置到銷軸軸心水平距離；L-傳感器支點(diǎn)到銷軸軸心水平距離

由式(13)可得式(14):

(14)

斜皮帶料流長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，則單位長(zhǎng)度的斜皮帶上冷料質(zhì)量由式(15)計(jì)算：

(15)

令斜皮帶線速度為v(t)(m/s)，則物料瞬時(shí)流量q(t)可由式(16)表示：

(16)

根據(jù)式(16)可得在時(shí)間T內(nèi)經(jīng)過皮帶秤的累積料流量Q可由式(17)表示：

(17)

2.2料流波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響

對(duì)于整體稱量懸臂式皮帶秤影響計(jì)量精度的主要因素已不是稱重力誤差，皮帶效應(yīng)的影響可以忽略；其誤差主要由以下幾部分組成：料流波動(dòng)誤差、皮帶測(cè)速誤差、信號(hào)處理誤差、環(huán)境影響誤差等，其中料流波動(dòng)誤差是影響計(jì)量精度的主要因素。由于該皮帶秤的冷料計(jì)量原理是在理想情況下推理得來，即假設(shè)斜皮帶上料厚是均勻的，料流質(zhì)心正好在料流的中間位置；然而在工程實(shí)踐中，瀝青攪拌設(shè)備斜皮帶上的料厚并不是一成不變的，往往是按照一定規(guī)律波動(dòng)，料流質(zhì)心位置也隨之輕微變動(dòng)，如圖7所示。

為此需要建立料流運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程，分析由料流波動(dòng)引起的質(zhì)心位置變動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，料流波動(dòng)如圖8所示。

圖7料流波動(dòng)圖

Fig.7The waved diagram of material flow

圖8斜皮帶料流波形圖

Fig.8The waveform of material flow on inclined belt

假設(shè)t為某一料流顆粒隨皮帶運(yùn)動(dòng)x米所用時(shí)間，可用式(18)表示：

(18)

根據(jù)圖8所示料流波形，建立料流厚度動(dòng)態(tài)方程，見式(19)：

Y=a+bsin(ωt+φ)，

(19)

式中，a為料流厚度均值，m；b為料流波動(dòng)幅值，m；ω為料流波動(dòng)角速度，rad/s。

取A為沿斜皮帶方向料流截面積，可由式(20)表示：

(20)

(21)

式中，Sy為平面圖形對(duì)y軸的靜矩，可由式(22)表示：

(22)

綜合式(20)、(21)、(22)可得式(23)：

(23)

(24)

按上述方法，當(dāng)料流波幅b分別取不同的值0.02m、0.03m、0.04m時(shí)，依次令皮帶秤的有效長(zhǎng)度L1為1m，2m，3m,…,13m，即可得到不同的波幅下誤差值δc隨著L1變化的關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖9x隨φ的變化曲線

Fig.9The curve showingxchanges withφ

圖10δc隨著L1變化的關(guān)系曲線

Fig.10The curve showingδcchanges withL1

由圖10可知，其他條件不變時(shí)，皮帶長(zhǎng)度和δc具有負(fù)相關(guān)性：當(dāng)皮帶有效長(zhǎng)度小于3 m時(shí)，δc隨著皮帶長(zhǎng)度縮短急劇增加；皮帶有效長(zhǎng)度大于3 m時(shí)，δc值較小且隨長(zhǎng)度變化較為緩慢。為了提高整體稱量懸臂式皮帶秤計(jì)量精度，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)不短于3 m。為了進(jìn)一步提高整體稱量懸臂式皮帶秤計(jì)量精度，供料均勻穩(wěn)定是有效的途徑。

圖11和圖12為根據(jù)圖5原理對(duì)4000型攪拌設(shè)備現(xiàn)有斜皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝后的秤體實(shí)物照片，通過計(jì)量試驗(yàn)，得到誤差見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明該皮帶秤計(jì)量誤差均值為0.53%，高于冷料計(jì)量2.5%的誤差要求。

圖11　頭架結(jié)構(gòu)

圖12　稱重模塊

3結(jié)論

①電子皮帶秤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在攪拌設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛，但是受到“皮帶效應(yīng)”的影響，電子皮帶秤計(jì)量精度較難提高。

②整體稱量懸臂式皮帶秤不受“皮帶效應(yīng)”的影響，其計(jì)量誤差主要來源于料流的波動(dòng)；通過建立料流質(zhì)心的動(dòng)態(tài)模型，分析發(fā)現(xiàn)料流波動(dòng)誤差隨皮帶長(zhǎng)度增加而降低，并在長(zhǎng)度為3 m處出現(xiàn)拐點(diǎn)，該種類型的皮帶秤設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)不短于3 m。

③通過對(duì)4000型攪拌設(shè)備配套的新型皮帶秤進(jìn)行試驗(yàn)研究表明計(jì)量誤差能控制在0.6%以內(nèi)，較傳統(tǒng)的電子皮帶秤的計(jì)量精度顯著提高，且工作穩(wěn)定可靠，值得推廣應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯梁健)

收稿日期：2016-03-04；

修訂日期：2016-04-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家十二五科技支撐項(xiàng)目(2011BAE28B03)；陜西交通科技項(xiàng)目(15-02k)；教育部中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014G3252006)

通訊作者：劉洪海(1963—)，男，陜西西安人，長(zhǎng)安大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師;E-mail：liuhonghai@chd.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0658

中圖分類號(hào)：U415.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)03-0658-08

The structure parameters and error analysis of whole-weighing cantilever belt conveyor scale

LIU Hong-hai1， WANG Shou-xi1， ZHANG Yong-wei2， YUAN An2， ZENG Fan-ji1

(1. School of Construction Machinery, Chang’an University，Xi’an 710064，China；2. Xi’an Road Construction Machinery Co. Ltd.，China Communications Construction Company，Xi’an 710064，China)

Abstract：The electronic belt scale is commonly used by the batching system of asphalt mixing plant to measure the flow rate of cold charge, the influence of “belt effect” on the variation of gravity will result a larger measurement error. Based on the measuring principle of belt scales, whole-weighing cantilever belt metering device was developed to avoid “belt effect”. The relationship between measurement error caused by stream fluctuations and belt length was analyzed by means of the establishment of the dynamic model of material flow center of gravity. The result showed that the longer of belt length, the smaller of measurement error, and there was a 3 m inflection point. When the length was less than the inflection point, the measurement error was rapidly reduced with the increase of the length; when the length was greater than the inflection point, the measurement error was reduced very slowly with the increase of length. The field study showed that whole-weighing cantilever belt metering error was controlled within 0.6%. Compared with traditional belt electronic scale, the measurement precision and the stability of working process have been improved significantly.

Key words：mixing equipment； metering device；belt scale；measurement precision

引文格式：劉洪海，王守習(xí)，張永衛(wèi)，等.整體稱量懸臂式皮帶秤結(jié)構(gòu)參數(shù)與誤差分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(3)：658-665.