智能投料机气力输送系统设计

郭俊凯

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

智能投料机气力输送系统设计

郭俊凯

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

为了便于在道路施工中快速、精确地向沥青拌和站添加颗粒状添加剂，采用气力输送的方式设计智能投料机，使用防反风电子称量装置实现在气压扰动下的精确计量，采用收缩式结构气料混合加速室实现物料的快速吹送。对样机进行测试，结果表明：智能投料机的物料称量误差小于1%，吹送25 kg物料所用时间少于36 s，能够满足1000～5000型拌和站的要求。

道路施工；智能投料机；气力输送；电子称量

0 引 言

高速公路路面施工一般利用拌和站进行沥青混合料拌和，为了改善沥青性能需要添加颗粒状的外掺剂，例如颗粒状纤维、抗车辙剂、沥青改性剂、硬质沥青颗粒等［1］。目前沥青混合料中外掺剂的添加以人工辅助的半自动和自动投料设备为主，人工辅助的半自动投料设备适用于生产量较小的工程，但存在计量不准确等问题，采用自动化投料设备是目前的发展趋势。

能够实现自动投料功能的方式包括螺旋输送、皮带输送、气力输送等［2］。在拌和站添加外掺剂时，由于拌和站比较高，采用螺旋方式和皮带输送方式时结构复杂且不易安装，而采用气力输送只需将管路连接到拌和站即可，安装快速。

气力输送投料设备在使用过程中受风力影响会导致称量不精确［3］。在吹送过程中，外掺剂在风力作用下实现加速，这对气料混合加速室的结构设计提出严格要求［4］，故在气力输送智能投料机设计过程中必须要解决上述问题。

本文基于气力输送方式设计沥青拌和站外掺剂智能投料机，并从防反风电子称量装置、旋转给料器、鼓风机、气料混合加速室、输送管路等部分详细阐述智能投料机气力输送系统的设计；最后通过试验测试样机的整体性能。

1 智能投料机整机设计

1．1 功能分析

智能投料机通过调节电气执行机构逻辑，精确称量添加料的质量，并利用气力输送方式将添加料输送到拌和站8～10 m高的拌和锅中。具体功能包括：防反风精确电子称量、气力输送将外掺剂吹送到拌和锅、PLC逻辑控制、可视化操作及称重量和部件工作时间等参数的调整。

1．2 整机结构设计

根据功能分析，智能投料机采用PLC微电脑进行逻辑控制，通过HMI交互式操作界面进行参数设置，可精确设置电子称量质量，自动化程度高，投料时间准确、稳定、精度高，同时降低了现场操作工人的劳动强度。通过参数设置可以适用于1000～5000型间歇式沥青拌和设备，应用范围广，设备采用一体化设计，安装方便。

智能投料机工作流程为：添加料投入料仓中，通过螺旋将物料提升到计量仓，电子称量装置精确称量物料质量，通过给料器送入到气料混合加速室，利用气力将物料通过管道送入到拌和站的投料仓中，接收到拌和站的投料信号后投入拌和锅，完成投料。投料机的结构如图1所示。

图1 智能投料机结构

2 气力输送系统设计

与浓相气力输送系统相比，稀相气力输送系统气速高，物料在输送过程中由于摩擦易产生磨损，甚至破碎；且稀相气力输送系统能耗较大，因此本系统不采用。浓相气力输送系统包括浓相静压和浓相动压2种，其中静压气力输送系统料气比最高可达50以上，并且对气流速度要求较低，一般为5～10 m·s－1，但缺点是输送距离短、效率低，性能易受物料特性制约［5⁃7］。因此，浓相静压气力输送方式不予考虑。综上所述，选用浓相动压气力输送系统作为沥青混合料外掺剂智能投料机的风送系统。

智能投料机气系统主要由防反风电子称量装置、旋转给料器、鼓风机、气料混合加速室、输送管路组成。

2．1 防反风电子称量装置

电子称量装置位于旋转给料器上方，通过软连方式连接。其工作流程为：电子称称量设定质量的物料后将其送入下方的旋转给料器；给料器将物料均匀地送入气料混合加速室；由风机将物料吹送到输送管道中。然而，在实际的使用过程中，旋转给料器的气密性往往达不到密闭要求，气体会随给料器的转动到达电子称，并给电子称推力，从而影响电子称的实际称量精度以及计量仓中物料下落的速度。

防反风电子称量装置的结构如图2所示，由电子称量传感器、防返风弯头和导气管组成，导气管通过防反风弯头与旋转给料阀连接，将旋转给料阀中气压引出，减少了气压对电子称量装置的扰动，提高了称量精度，增加了称量稳定性。

图2 防反风称量装置

2．2 旋转给料器

旋转给料器由外壳、叶轮、主轴、端盖等组成，适用于粉状、颗粒状物料排料或给料系统。旋转给料器作为除尘设备的锁气卸料装置和闭式输送系统锁气给料装置，用于防止空气窜流以及均匀定量给料［8⁃9］。

根据沥青混合料外掺剂物料特性及智能投料机安装尺寸等参数，选定旋转给料器的技术参数，如表1所示。

2．3 鼓风机

风机是气力输送系统的动力来源，风机性能影响着系统的整体吹送能力以及对不同物料的适应性。气力输送系统多应用离心式风机和高压风机。离心式风机的特点是风量大、风压低，多用于吹送密度小、体积大的添加物料；但对于密度较大的物料，采用离心式风机易出现输送管路堵塞的现象，必须将管路整体拆除倒出物料后方可再次使用，不易检修和维护。相比离心式风机，高压风机吹送压力要高出10倍以上，但吹送风量小、风速低，其依靠大压力将物料推送出去，适用于物料密度较大的系统；另外，高压风机整体尺寸较小，运行噪音低，维护简单，适宜工程使用。

表1 旋转给料器技术参数

根据沥青混合料外掺剂物料特性以及风送系统的技术要求，选用高压风机，具体选型技术参数如表2所示。

表2 高压风机技术参数

2．4 气料混合加速室

气料混合加速室（图3）包括导流落料口、混合室、收缩式喷嘴、法兰盘、平滑出料口等。进气管通过法兰盘与混合室联接并插入室内底部的进料口下端，其末端为收缩式开口；气料混合室也是收缩式结构，通过缩口变径将出口变为输送管路内径。为了方便调整喷嘴伸入混合室的长度，喷嘴与法兰盘采用螺纹方式连接，另外还可以采用更换喷嘴的方式调整喷嘴直径，以便气力输送系统吹送物料时能够快速调整，使吹送效果达到最优。

图3 气料混合加速室结构

通过试验确定图3中气料混合加速室的参数，其中α为60°，管路直径d0为70 mm，喷嘴收缩角β为10°，收缩式喷嘴直径dt为50 mm，落料口到喷嘴的距离s为30 mm。

2．5 输送管路

对于浓相气力输送系统，管道中吹送物料为料栓和气栓2种分隔状态，料栓由管道中静压驱动，阻力主要由物料与管道壁的摩擦力产生，因此管道的材料和粗糙度对气力输送系统影响较大。管道材料不同，对输送系统的能耗影响差别较大，需要根据材料对输送压力损失的影响来选择适用于本系统的输送管路。研究表明，随着材料摩擦因数的增大，摩擦阻力相应增大，要求系统提供的输送压力就越高，管道磨损和输送过程中的能耗损失也越大，在同等条件下的输送距离也将受到限制［10］。表3对不同材料的性能参数进行了对比。

表3 不同材料摩擦性能对比

分析表3可知：超高分子量聚氯乙烯管材的摩擦因数较小，能有效减少摩擦阻力导致的压力损失和输送过程中的能耗损失；另外，超高分子量聚氯乙烯管材的磨损率最小，其耐磨性能优良，便于管道的长期使用。因此，最终选用超高分子量聚乙烯作为智能投料机浓相气力输送系统的输送管，管径为133 mm。

2．6 控制系统

智能投料机由备料系统（含料仓、上料螺旋、计量仓、称重传感器）、气力输送系统（含给料气动蝶阀、给料器、高压风机、管路）、投料系统（含投料仓、投料气动蝶阀）以及自动控制系统（含PLC控制器、触摸屏人机界面、数字式重量变送器、变频器）四部分组成［11］。

自动控制系统以PLC控制为核心，控制系统的整体工作逻辑。PLC控制器与人机交互界面进行通讯，可以设置智能投料机每次的投料质量和气动蝶阀的开启时间等参数，并且可以观测投料机的运行情况；智能投料机参数设置完成后，由PLC根据参数控制上料螺旋、高压风机的启停、气动蝶阀的开关、电子称的称重数据以及系统运行状态。PLC控制器通过MODBUS协议与防反风电子称量装置连接，根据实时物料称重并调节上料螺旋的工作频率，实现物料的精确称重。

3 样机测试

根据智能投料机实际使用环境确定了样机测试方案，搭建了测试平台，管路高度参考拌和锅的高度设定为8 m，利用样机分别吹送10、15、20、25 kg的物料，通过交互式触摸屏设置物料质量，测试单次吹送物料质量和吹送时间，并利用多次求平均值的方法确定平均质量和平均吹送时间，测定样机的电子称量精度和吹送效果。

吹送质量和实际称量质量如表4所示，可知吹送误差小于1%，满足设计要求。

表4 吹送物料质量对比

吹送时间如表5所示，为多次算数平均值取整。可知吹送25 kg物料时间为36 s，满足实际1000～5000型拌和站拌和周期1 min的使用要求。

表5 吹送时间

4 结 语

本文采用气力输送方式设计了智能投料机，满足沥青拌和站添加颗粒状外掺剂的使用要求。首先通过功能分析完成了整机设计，确定了投料机需具有输送物料、精确称量、PLC智能控制、HMI可视化交互等功能；然后对智能投料机气力输送系统进行了详细设计，采用防返风方式减小了风压扰动，实现了外掺剂的精确计量，采用收缩式结构设计了气料混合加速室，实现了物料的快速吹送，采用PLC逻辑控制方式实现了投料机的智能化工作，实现了与拌和站的联动工作，根据投料机设计要求选取了旋转给料器、鼓风机、输送管路等主要部件的参数；最后采用多次测量求平均值的方法对样机进行了测试，结果表明智能投料机称量误差小于1%，吹送25 kg物料的时间为36 s，能够满足1000～5000型拌和站的使用要求。

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［责任编辑：杜敏浩］

Design of Pneumatic Conveying System for Intelligent Batch Feeder

GUO Jun⁃kai
（Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，Shanxi，China）

In order to make itfast and accurate to add the granular additives into the asphalt mixing plant in the process of production，an intelligent batch feeder adopting pneumatic conveying mode was designed．The anti wind electronic weighing device was used to realize accurate measurement under the disturbance of pneumatic pressure，and the gas⁃solid blending and acceleration chamber was designed to achieve rapid blowing of materials under contraction．The results of prototype test show that the error of material weighing is less than 1%，and the time ofpneumatically conveying materials of25 kg is less than 36 s，which can meet the requirements of asphalt plant within the production range of 80～400 t·h－1．

road construction；intelligent batch feeder；pneumatic conveying；electronic weighing

1000⁃033X（2017）08⁃0106⁃04

2017⁃03⁃03

山西省重点科研攻关项目（15⁃2⁃05）

郭俊凯（1980⁃），男，山西长治人，高级工程师，研究方向为软件工程。

U415．5

B