木质素纤维投放机的优化设计与改造

【摘 要】针对目前沥青拌和站使用的木质素纤维投放设备存在的不足，结合自身实践，对纤维吹送设备结构不合理等缺陷和问题进行了改造。实践证明，改造后的设备纤维投放时间缩短、精度增加，生产效率大幅提高。

【Abstract】Aimed at the shortages of additive equipment for methyl cellulose currently applied to asphalt mixing plant, the defects and problems such as irrational structure of fiber blowing device were reformed in combination with experience. The practice shows that the reformed equipment works in shorter time, higher precision and efficiency.

【关键词】木质素纤维投放机；优化设计；控制模块；计量

【Key words】additive equipment for methyl cellulose; optimization design; control module; measurement

中图分类号：U415.5 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)01-0075-03

0 引言

生产沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）必须采用纤维稳定剂，而近年来中国铺筑的一些SMA道路工程，大多数都是以人工直接投入方式来添加纤维的。人工添加方式的缺点是无法保证纤维及时足量的投入，如果人工投放纤维不及时，预先加工成一定量包装的塑料小包纤维就可能分散不均；如发生漏投，则可能造成铺筑的SMA表面出现小面积油斑［1-2］，油斑往往是玛蹄脂部分缺乏纤维或纤维成团没有充分分散的结果。为了避免人工投入的弊病，使用机械投入纤维就显得十分必要［3-6］。为此，笔者的单位在购置一台进口4000型沥青搅拌站的同时也配备了国产的纤维投放机。使用效果表明，使用投放机后纤维投放质量得到较大改善。纤维的净投放时间经实测需18 s，为了将纤维充分拌匀，拌和机的干拌时间则需设置为25 s。每个拌和周期为70 s，周期过长将使拌和机的生产效率大大降低，并带来能耗的增加，石料与拌缸的干摩擦将造成搅拌叶片和拌缸衬板的加速磨损。

针对上述纤维投放机械存在的设计上的不足，本文对目前国内沥青混凝土搅拌站配套使用的纤维添加设备进行了调研和分析，并对原纤维投放设备进行了改进和优化［7］。

1 纤维添加设备与沥青搅拌站匹配现状

通过调研，目前国内搅拌站配套使用的纤维添加设备普遍存在着以下问题。

（1） 施工企业专门定制纤维添加设备。由于各施工企业所拥有沥青搅拌站的品牌和结构不同，纤维添加设备的整体结构也各有不同，因此企业需要专门定制纤维添加设备，但定制的设备购置成本较高，且不具备普遍适用性。

（2） 购买具有纤维添加专用设备配置的进口沥青搅拌站。企业在最初采购搅拌站时，就选取购买具有纤维添加专用设备配置的进口沥青搅拌站，但价格昂贵。大多数进口沥青搅拌站生产厂家并不生产专用的纤维添加设备，需另外购配，但购配的纤维添加设备与原搅拌主机控制系统并不配套。

（3） 国内生产销售的纤维添加设备大多数不是沥青搅拌站生产厂家生产的。这些产品模式单一，不能与每一台沥青搅拌站合理匹配，虽能实现纤维投放的功能并保证质量，但投放效率较低，不能满足用户节省燃料成本、提高生产效率的要求。

2 原木质素纤维投放机概况

笔者单位进口的4000型沥青拌和楼配套的是国产的GFAD2000型粒状木质纤维添加设备。储料仓内的木质素纤维经计量螺旋输送到计量称斗内，由称重传感和计量仪表控制计量重量，旋转阀在生产过程中与拌和楼同步将计量斗内计量完毕的纤维素排出，再由风机经长管道吹送入拌缸完成一个工作循环。

原设备的控制系统采用的是三菱的FX1N-24MR PLC模块，计量控制器采用UNI800B计量仪表，在控制面板中设置有手动和自动控制转换开关。由于采用称重传感器计量方式，计量精度较高，可实现同时与拌机联机并与拌和生产同步投放。经使用发现，木质纤维投放设备在生产过程中存在以下缺陷和不足。

（1） 计量螺旋容易堵塞，导致生产中断，清理需花费大量时间，影响生产。同时由于中断了生产的连续性，对混合料的产品质量会造成一定影响。

（2） 投放时计量斗排放速度慢。为了保证SMA沥青混合料的质量，木质纤维投放时间较长时，只能相应地增加干拌时间。实测投放过程约需18 s，极大地延长了生产拌和周期（约为70 s），使拌机的产能大打折扣。

（3） 报警功能不全。当拌机向木质纤维素投放设备发出投放信号时，如果此时还没完成纤维素的计量，由于没有报警信号，在操作人员没注意的情况下就会很容易造成漏加木质纤维素，从而使拌和出的产品不合格，造成较大浪费。

鉴于原购置的纤维投放设备在设计上存在的缺陷以及与沥青搅拌站匹配不合理等状况，我们对原纤维投放设备进行了彻底改造和优化设计（图1）。改造后纤维净投放时间缩短到8 s以内，达到国外同类设备的先进水平。

3 结构的优化设计

3.1 输送流程优化设计

在新的改造方案中，生产时先将储料仓中的木质素纤维由旋转阀排放出来，被吹送风机吹送到拌机主楼的集料装置中，经计量输送螺旋送入计量斗完成计量以备用。当拌机发出投放信号时，计量斗的排放蝶阀打开，纤维直接从计量斗排入拌缸。我们将原投放设备设置在地面上的纤维计量斗改装到拌和楼二楼拌缸的侧上部，增加风力助吹投放功能。当投放纤维时，由于减少了原来经旋转阀排放和风机吹送以及管道输送等多个环节，从而大大缩短了纤维的投放时间。

3.2 增设旋风分离器

由于吹送到拌机主楼的是气固两相的混合物，这就需要在拌机主楼上添加一个气固分离装置，分离出气体和木质纤维。而旋风分离器结构比较简单，体积较小，且其分离的效率高，因此我们加装了一个旋风分离器。当气、固两相流进入分离装置时，木质纤维借离心惯性力被甩向器壁面后分离下沉，气体则经分离器上部的排气管排出。旋风分离器安装在拌机四楼的平台上，离地面高度约为12 m，原配吹送风机可以把木质纤维吹送到这个高度。

3.3 加装中间储存仓和微型料位计

为了保证单次计量过程的连续性，以提高计量精度，需在计量螺旋输送器前设置一个小容量的中间储存仓。日工NBD-320型搅拌机的最大单次拌和量为4 000 kg，如按0.3%的添加量，则单次木质纤维计量为12 kg。在旋风分离器下部加装一个中间储存仓，并在储存仓上加装微型料位计，通过料位计的检测来保证中间储存仓内木质纤维量大于12 kg。当料位计检测到中间储仓内料位低时，就将信号反馈给控制系统，控制系统便启动木质纤维吹送系统。在吹送过程中，当控制系统接收到料位计检测到有料的信号时，继续吹送木质纤维几秒钟，再次确认信号后停止吹送，这样可以防止料位计的误动作导致吹送系统频繁启停，同时保证中间储仓内有足够的料满足单次计量。

3.4 弹性输送螺旋

为解决原螺旋输送器经常发生堵塞的问题，改用了弹性输送螺旋。螺旋内部采用柔性弹簧作为导料机构，相对于原来叶片式的输送器，这种螺旋具有不易堵塞、直径小、计量精度高的优点。同时，在计量过程中也不会因柔性弹簧对粒状木质纤维素产生剪切研磨作用，而导致产生粉末状纤维。

4 控制系统的优化

4.1 控制模块的修改

在控制系统方面，采用原有的三菱的FX1N-24MR PLC模块和UNI800B计量仪表，并对控制系统进行相应的修改，PLC的端口分配如图2所示.。

24MR模块共有14个输入点，原控制系统已全部分配利用，由于增加了一个旋风分离器上的料位计，需加入其信号参与控制。经分析研究，原UNI800B的称重控制仪表共占用了X13、X14、X15三个输入点，其中X13主要是用于有两种计量速度的计量系统，因本系统只有单个计量速度，所以可以把X13分出来给高位的料位计。24MR模块共有10个输出控制点，其中原控制系统中8个已分配使用，所以用Y10输出点作为旋风分离器料位计状态指示输出。Y11则接多一个蜂鸣器作为报警输出，实现报警功能。整个电气改造是在原控制系统的设计基础上，作了部分改动。控制箱操作面板的布局和各个按键、指示的定义也没有改变，只在面板上增加了一个料位的状态指示灯及报警的蜂鸣器，做到了尽量少的改动。

4.2 24MR模块的控制程序的重新编写

经过机械和电气布线改动以后，由于木质纤维投放设备的工作流程已经完全不同了，所以必须重新编写24MR模块的控制程序。新的控制程序按功能主要可以分为两个部分：维持木质纤维临时储仓内有料的控制部分和同步计量、投料部分。在第一部中，当PLC模块接收到料位计发来的料空信号时，延时确认后就启动纤维吹送程序，依次延时启动风门、旋转阀，木质纤维经风机和吹送管道吹入旋风分离器分离出木质纤维和空气。当料位计检测到临时储仓内有料时就发出信号，PLC经延时确认后，依次延时停止旋转阀、风门。经过这个过程自动不断的循环，就能一直保持临时储仓内有足够多的木质纤维满足计量要求。因为吹送的高度达到12 m时，吹送的速度会有所降低，而旋转阀的排料速度较大，所以在实际使用过程中会出现来不及吹上去的木质纤维堵塞吹送管道的问题。经研究试验后，通过修改程序将吹送过程中的旋转阀设定为间歇工作方式，即工作4 s后停止工作4 s，这样就可以防止在短时间内吹送管道内积聚太多的料，有效地解决了堵塞问题，同时又可以满足生产需求。

4.3 同步计量

在同步计量方面，主要由UNI800B智能称重仪表的IN1端发出计量信号，PLC控制开启计量输送螺旋，将临时储仓内的木质纤维导入计量罐，当接近计量目标值时，仪表就会自动进行落差修正，停止计量输送螺旋。完成一个计量过程后，当拌机向投放机发出木质素纤维投放信号（K6）时，PLC控制称斗排放（Y3）输出，打开排放蝶阀，木质素纤维便可直接投入到拌缸。UNI800B仪表检测到纤维排空后，再次发出计量信号，PLC关闭蝶阀，进入下一个计量、投放循环。

4.4 报警功能设置

上述同步计量中的程序是自动控制过程，在程序优化设计中，跟原系统一样保留了手动功能，同时增加了报警功能。主要是增加了生产过程中未投木质素纤维及其投放时间过长的两项报警功能。当拌机发送来投料信号时，如果此时纤维机由于储仓无料还没完成木质素纤维的计量，而且没有人为采取措施，就会造成这一次拌出的成品料中没能添加木质素纤维而成为废料。增加了报警功能后，当PLC检测到储仓无料时，便可控制蜂鸣器发出警报以提醒操作人员检查并采取相关措施。同时，当PLC检测投料过程的时间超过10 s时，控制蜂鸣器便发出警报，提醒操作人员延长干拌时间，以保证沥青混合料的质量。

5 结语

（1） 通过对原配置的木质素纤维投放设备在结构和控制系统等方面进行优化设计和改造，经实际使用证明，木质纤维的计量准确，与拌机同步精确，故障率低，自动化程度高。木质纤维的投入所需时间缩短至3～8 s，拌机每拌和一次的周期由改造前的70 s缩短为59 s，生产效率提高了约18%。

（2） 改变了现有市场上销售的纤维投放专用设备不适应不同品牌和类型的搅拌站且投放效率低的结构设计问题。

（3） 优化设计出投放流程更科学合理、计量更准确、投放效率更高的纤维投放专用设备。生产效率和质量达到国外同类设备先进水平。

（4） 经与日工4000型搅拌站配套生产验证，改装后的纤维添加设备完全满足生产SMA沥青混合料中木质纤维素的添加要求。在广州迎亚运道路升级改造工程施工期间，生产了大约20万t高品质的SMA沥青混合料，实践证明这种方法是可行的。

参考文献：

［1］ 沈金安.关于沥青混合料的均匀性和离析问题［J］.公路交通科技，2001，6，20-24.

［2］ 沈金安.改性沥青与SMA路面［M］.北京：人民交通出版社,1999.

［3］ 沈金安，李福普.SMA路面设计与铺筑［M］.北京.人民交通出版社，2003.

［4］ 梁锡三.沥青混合料设计及路面质量控制原理［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［5］ JTJ F40―2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.

［6］ JTG E42―2005，公路工程集料试验规程［S］.

［7］ 成大先.机械设计手册（第五版）［M］.北京：化学工业出版社,2008.

收稿日期：2011-08-04