1 引言

混凝土是建築工程中應用最廣泛的材料之一 ,其經濟、技術指標對整個建築工程的質量和成本有舉足輕重的關係。混凝土又是這樣一種特殊的材料 ,其質量不合格不能作為次品或降低等級使用 ,且它的質量合格與否不能立即檢測出來 ,一旦發現不合格 ,無法挽救。 因此 ,混凝土在生產過程中的質量控製尤為重要。影響混凝土質量的因素有很多 ,生產過程中的準確配料是關鍵。

我國建築工程中使用的混凝土 ,絕大多數在現場攪拌。 因為使用商品混凝土成本高 (比現場攪拌高 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,目前現場攪拌仍廣泛使用500L以下無配料計量設備的攪拌機。由於無配料計量 ,砂、石重量一般是容積控製 (鬥車畫線、按線計量 ) ,水泥整包加入 ,水量由人憑經驗添加。這樣拌製的混凝土 ,質量難以保證。 混凝土生產過程中的物料重量控製 ,一直是施工界的一個難題。

近十年來,隨著傳感器技術、計算機技術和自動控製技術等的飛速發展,國內不少單位開發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,增加上料設備 ,就是一個組合式的自動攪拌站。 由於它配置靈活 ,可充分利用用戶原有的設備資源,投資省,受到混凝土施工界的普遍歡迎。

2 國內外混凝土配料機的發展現狀

根據我們的調查研究和初步統計 ,國內目前生產混凝土配料機的廠家有十幾家。按照其工作原理、結構型式 ,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 ,繼電器控製 ,數碼管稱量顯示。

以上列舉的國內市場上具有代表性的 3 種配料機 ,在使用中發現尚存在如下缺點:

(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— 電秤傳力杠杆的鉸點采用圓柱銷 ,摩擦阻力大 ,因此秤的計量精度低。大部分產品說明書標注的計量誤差是小於± 1 % ～ ± 2% ;實際檢定誤差達± 10 % 以上。

( 2)設備體積大 ,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)基本上無微機控製管理係統或有簡單係統但人機界麵較差。

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

國外發達國家由於施工技術水平和機械化程度較高 ,商品混凝土應用普及 ,因此一般隻有大型、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 研製方案

電子負秤混凝土自動配料機在設計思想和研製方案上不同於其他配料機 ,主要體現在以下幾個方麵:

3. 1 將電子負秤原理應用於混凝土自動配料設備中

電子正秤和電子負秤是電子秤的兩種不同類型。所謂正秤就是一般習慣的稱量方法 ,隨著被稱物重量的增加 ,秤的讀數增加。負秤則隨被稱物重量的減少 ,秤的讀數增加 ,它用於排料時指示排料量 ,因此也可稱之為卸料秤。電子負秤混凝土自動配料機采用的電子負秤是物料離開秤鬥計量 ,而其它配料機采用的正秤是物料進入秤鬥計量。 下麵對比分析正秤和負秤在混凝土配料計量方麵的性能。

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 ,然後將物料投入到秤鬥進行稱量,秤鬥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 ,並將物料卸入攪拌箱。 由於料倉與秤鬥之間具有一定的落差 ,物料投入到秤鬥時總有一定的速度 ,因而會對秤鬥產生一定的衝擊力F.另外 ,料倉每次卸料可能會殘留一部分 ,設秤鬥未卸空量為 W 1 ,秤鬥的皮重為 W 0 ,物料實際重量為 W 料 。上述參量存在以下關係式:

W 料 = W - W 0 －W 1 － F

分析上式 ,可知物料計量誤差一方麵來自正秤本身的計量誤差 ,另一方麵來自物料衝擊力、秤鬥皮重變化以及秤鬥未卸空量變化。

混凝土配料電子負秤計量示意圖如圖 2 所示。 首先將秤鬥直接裝滿物料 ,微機質量控製係統借助壓力傳感器測量出物料總重量 W 總 ,然後秤鬥往攪拌箱內投料 ,物料隻要離開秤鬥一個微小距離 ,微機質量控製係統立即計量出此時秤鬥的重量 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衝擊力、秤鬥皮重變化以及秤鬥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。 隨著傳感器技術和數據處理技術的發展 ,由壓力傳感器引起的誤差可降低到很小的程度。

綜上所述 ,電子負秤用於混凝土配料相對於正秤具有計量原理上的優勢 ,它以計算機技術和傳感器技術為基礎而得以實現 ,是一種既有動態又有靜態計量特征的稱重電子秤。

3. 2 結構簡單 ,更趨合理

由於采用電子負秤 ,可將正秤配料機上下安裝的料倉、秤鬥合二為一 ,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行。簡化了工藝過程 ,加快配料速度。

3. 4 自動化程度高

應用單片機控製和管理 ,采用微機屏幕漢字顯示 ,熱鍵操作提示。 即便是對控製係統一無所知的人 ,隻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。當某種原因 ,稱得的水泥重量大於設定值時,造成水泥浪費;小於設定值時 ,影響混凝土質量。 該配料機輸入的是水泥重量值和配合比。單片機能根據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定值。水泥計量終值大於設定值時 ,相應地增加其他物料的重量 ,反之亦然。 理論上可實現水泥配料誤差為零 ,最大限度地節約水泥及確保混凝土質量。

3. 6 具有較高的安全性

為了把住配料質量關 ,解決“花錢買設備 ,配料也失控”的問題 ,係統設置了“配方密碼修改、調用”功能。隻有質量監督人員才有權設置密碼 ,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

工業控製以高可靠性為第一生命。配料機使用中 ,控製係統的可靠性是至關重要的。 為了保證不因控製係統發生故障而停工 ,配料機配置了二套互為備用的控製係統即微機控製係統和手動控製係統 ,二套控製係統可迅速切換。

3. 8 自動統計報表功能

配料機可隨機打印任意時段內的混凝土產量、物料消耗量報表。

4 硬件設計

電子負秤混凝土自動配料機的硬件是由機械部分和微機控製係統組成。由於篇幅所限 ,機械設計部分此處不再敘述。微機控製係統框圖如圖 3 所示。 係統核心是 MCS51 係列單片機中的 89C52 。它通過 A/D轉換器 ,采集壓力傳感器的信號 ,經過數據處理 ,可得出每種配料的重量 ,並進行自動配料。89C52 也可以產生各種開關量 ,通過繼電器控製步進電機等。此外 , 89C52能夠接收和識別鍵盤控製命令和上料中斷命令等 ,也能夠產生缺料報警信號及顯示各種數據或其它內容。

5 軟件設計

軟件設計采用模塊化結構 ,整個程序分為參數設置模塊、控製運行模塊、數據采集及處理模塊、顯示打印模塊、標定及自檢模塊。程序設計采用兩級菜單形式 ,並具有較靈活的編輯修改功能。 參數設置過程中,每項內容輸入後,在按回車確認前可隨意修改剛編輯的內容,按 ESC鍵可回到上一級菜單,按兩次回到主菜單 ,具有良好的人機界麵。 軟件結構框圖如圖 4 所示。

6 結束語

電子負秤混凝土自動配料機采用電子負秤這一獨特的計量原理和簡單、合理的結構設計 ,具有較高的總體性能。 配料誤差小於± 1 % ,完全滿足 GB10172 第六條對混凝土物料計量誤差之要求。 在設計小時產量相同條件下 ,該配料機的高度、體積和重量不到市場上同類產品的 1/2 。 在設備配置相同時 ,配料速度比同類產品快1/3,因而具有較高的性能價格比 ,適應中小型建築單位的設備配置現狀和經濟承受能力 ,對於提高我國的混凝土施工技術水平 ,確保工程質量 ,節約水泥等具有重大意義 ,必將產生良好的社會效益和經濟效益。

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