Совершенствование систем дозирования битума в производстве асфальтобетонных смесей

Использование шестеренчатых насосов не всегда обеспечивает требуемую стабильность и точность дозирования, так как при заданной продолжительности включения насоса объем и вес перекачиваемых порций битума зависят от его температуры, вязкости и удельной плотности. Также с колебаниями этих параметров связаны и погрешности дозирования объемных бункерных устройств, оборудованных поплавковыми измерителями уровня и рычажно-циферблатными схемами измерения веса.

В связи с этим представляет интерес модернизация объемных дозаторов , которая позволяет не только существенно повысить точность дозирования битума, но и за счет сохранения жестких соединений трубопроводов с приемной емкостью дозирующего агрегата, а также упрощения схемы взвешивания сократить затраты на реконструкцию существующих асфальтобетонных установок.

Модернизированный дозатор битума с этим устройством (Рис.1а) содержит: приемную емкость 1 с подогревом ( не показан ) и крышкой 2; трубопровод 3 подачи битума из системы рециркуляции ; электромагнитный клапан 4, установленный на трубопроводе 3; откачивающий трубопровод 5 с насосом 6; S-образный тензометрический датчик 7, закрепленный на раме 8;  монтажный стержень 9; вертикальный цилиндрический элемент 10, находящийся внутри приемной емкости 1; блок 11 контроля и управления; пускатель 12 электромагнитного клапана 4; пускатель 13 насоса 6.

Работа данного дозатора, основанная на измерении и масштабировании веса битума, вытесняемого вертикальным цилиндрическим элементом, осуществляется следующим образом. По команде блока 11 контроля и управления включается магнитный пускатель 12, который открывает электромагнитный клапан 4 подачи битума из системы его подготовки и рециркуляции. Горячий битум 14 по трубопроводу 3 начинает поступать в приемную емкость 1 и заполнять ее до уровня 15, соответствующего заданному значению веса дозируемой порции ( Рис.1б ). При этом первое заполнение дозатора битума, а также все последующие циклы загрузки и разгрузки приемной емкости осуществляются с учетом остаточного тарного веса 16 битума, ограниченного уровнем 17 (Рис. 1в).

 В исходном состоянии вес Ри   вертикального цилиндрического элемента 10 вместе со стержнем 9 имеет постоянное значение и зависит только от параметров его конструкции ( объем элемента, вес элемента и пр.). По мере заполнения приемной емкости 1 жидким расплавом битума вес элемента 10 начинает снижаться в соответствии с законом Архимеда на величину    Рб,   равную весу битума, вытесненного объемом данного элемента, погруженного в дозируемый материал. Поэтому результирующий вес   Рр, который воздействует на нижнее плечо S- образного датчика 7 веса, тоже уменьшается и его в этом случае можно представить следующим выражением:        Рр   = Ри - Рб                          ( 1).

Далее сигнал с тензометрического датчика 7, пропорциональный данному весу Рр ,   поступает в блок 11 контроля и управления для   необходимых вычислений и формирования управляющих команд на пускатели 12, 13.

Учитывая, что все параметры в соотношении (4) кроме Рр   имеют постоянное значение в процессе дозирования заданной порции материала, а также зная измеренный вес вертикального цилиндрического элемента 10, погруженного в битум на определенную глубину, можно легко вычислить вес битума во всем полезном объеме приемной емкости.

Например, при Ри = 10кг, Рр = 7,8кг, Vпе = 50дм?, Vцэ = 2дм?

                                        Робщ =      ( 10кг– 7,8кг) = 55 кг.

То есть, измеренное уменьшение веса вертикального цилиндрического элемента 10 всего на 2,2 кг соответствует после масштабирования весу отдозированной порции битума равному 55 кг.

Таким образом, увеличивая или уменьшая значение масштабирующего коэффициента (это производится изменением соотношения объемов вертикального цилиндрического элемента  и приемной емкости дозатора) , можно с помощью одной и той же измерительной системы и одного и того же тензометрического датчика с небольшим диапазоном измерения веса осуществлять контроль за дозированием битума в широких пределах и с высокой точностью.

После проведения всех вычислений и набора необходимой дозы битума в приемной емкости 1 блок 11 контроля и управления формирует команду на закрытие электромагнитного клапана 4 и включение пускателя 13 насоса 6, перекачивающего отдозированный материал в смеситель асфальтобетона. Уровень битума в приемной емкости 1 в процессе разгрузки снижается и после перекачивания заданной дозы (Рис.1в) достигает отметки 17, соответствующей остаточному тарному весу 16, который также контролируется при измерении результирующего веса вертикального цилиндрического элемента.

Подобная работа с неполной выгрузкой материала из дозатора позволяет игнорировать возможное налипание остатков битума на стенках приемной емкости, что также повышает точность процесса и снижает динамические погрешности дозирования. Однако при изменении плотности битума, влияющей на его кинематическую вязкость ( при уменьшении плотности текучесть битума уменьшается и наоборот ), фиксирование заданного остаточного тарного веса в дозаторе может происходить нестабильно из-за соответствующих колебаний производительности шестеренчатого насоса.

Дополнительное повышение точности дозирования с помощью измерительной системы, работающей по принципу масштабирования веса битума, вытесненного вертикальным цилиндрическим элементом, достигается за счет усовершенствования формы этого элемента и реализации алгоритма измерения плотности горячего битума непосредственно внутри приемной емкости в каждом цикле приготовления асфальтобетонной смеси. Причем необходимое вычисление плотности битума в усовершенствованном устройстве, предложенном автором статьи, может вычисляться автоматически и не требует применения специальных дорогостоящих плотномеров.

В отличие от конструкции аналогичного устройства, изображенного на Рис. 1, усовершенствованный дозатор 1 битума  ( Рис. 2а) с расширенными функциональными возможностями содержит вертикальный цилиндрический элемент 2 переменного сечения, у которого средняя часть выполнена в форме соосного цилиндрического участка 3 большего диаметра. Низ этого участка находится выше минимального уровня остаточной порции битума, а верх располагается ниже максимальной отметки заполнения приемной емкости дозатора.

Принцип работы модернизированного дозатора, основанный на дополнительном определении плотности битума в процессе измерения и масштабирования его веса, заключается в следующем. Одновременно с формированием команды на включение электромагнитного клапана подачи битума в приемную емкость дозатора 1 в блоке контроля и управления ( не показан) поочередно измеряется скорость изменения веса битума, вытесненного нижним 4, средним 3 и верхним 5 участками вертикального цилиндрического элемента 2. Поскольку диаметр соосного цилиндрического участка 3, расположенного в средней части этого элемента, в 1,5 – 2 раза больше диаметров нижнего 4 и верхнего 5 участков, то и соответствующие скорости изменения контролируемого веса меняются при возрастании уровня битума в дозаторе.

Сначала скорость изменения веса битума, вытесненного нижним участком 4 в интервале времени t0 – t1 ( t0 – начало заполнения дозатора битумом от уровня 6 , соответствующего остаточному тарному весу; t1 – момент достижения битумом нижнего уровня 7 ( Рис. 2б) соосного цилиндрического участка 3), характеризуется углом наклона ?1 на графике ( Рис.3), а сам вес за этот период увеличивается от значения Рб0  ( остаточный тарный вес) до значения   Рб1 . В следующем интервале времени t1 – t2 ( t2 – момент достижения битумом верхнего уровня 8 ( Рис. 2в) соосного цилиндрического участка 3) вес вытесненного битума нарастает с большей скоростью ( ей соответствует угол наклона ?2 на том же графике ) и достигает значения Рб2. Такое нарастание скорости связано с тем, что при одинаковой единичной высоте единичный объем соосного цилиндрического участка 3 в 2,5 – 4 раза больше единичного объема нижнего участка 4.

Последующее за нарастанием уменьшение этого параметра в период времени  t2 – t3 ( t3 – момент окончания набора заданной дозы Рб3 ) характеризуется углом наклона ?3 на графике изменения веса битума, вытесненного вертикальным цилиндрическим элементом 2, и также обусловлено разным сечением участков 3 и 5.сцу  = Рб2 – Рб1 ( Рсцу  -вес битума, вытесненного цилиндрическим участком 3 ) на его объем Vсцу , который для этой конструкции известен и не меняется:

Значения веса битума Рб1 и Рб2 в моменты времени  t1 и t2 , когда меняется скорость нарастания веса вытесненного материала, фиксируется в блоке контроля и управления и используется для дальнейшего вычисления плотности дозируемого битума. Плотность   ? при этом определяется как частное от деления веса битума Р

                                                         ? =         

Определение плотности битума с помощью данного арифметического расчета , выполняемого микропроцессорным блоком управления в каждом цикле приготовления асфальтобетонной смеси, позволяет косвенно учитывать колебания кинематической вязкости дозируемого материала. Если в конце технологической операции заполнения дозатора битумом до уровня 9 (Рис. 2г) выявилось, что измеренная плотность материала возросла ( это равносильно снижению кинематической вязкости и повышению текучести битума ), необходимо в процессе разгрузки дозатора раньше отключать перекачивающий насос, то есть увеличивать время упреждения для соответствующей команды управления. Это связано с тем, что скорость массопереноса менее вязкой жидкости возрастает при ее перекачивании насосом. В случае же , когда дозируемый битум становится более вязким и по этой причине снижается производительность насоса, время упреждения на отключение команды «разгрузка дозатора» автоматически уменьшается.

Все это позволяет не допускать переразгрузку или недоразгрузку дозирующего устройства, а также исключать переполнение его приемной емкости в процессе загрузки. Дополнительно измеренная величина плотности битума при этом может использоваться и для коррекции уставок в контур автоматического регулирования температуры битума, так как снижение плотности дозируемого расплава косвенно указывает на возможное ухудшение теплоизоляции приемной емкости и битумопроводов. Особенно важен подобный учет плотности битума в каждом цикле приготовления асфальтобетонной смеси при дозировании битума с часто меняющимися характеристиками ( марка битума, плотность и др.).

Изготовление подобных схем и устройств для измерения веса дозируемого битума, а также широкая номенклатура выпускаемого в «Стромизмеритель» различного технологического оборудования и автоматизированных систем управления  [1 ,2]  для производства строительных материалов позволяет специалистам нижегородской фирмы в комплексе решать вопросы реконструкции и модернизации действующих асфальтобетонных заводов.