公路施工中混凝土攪拌設備配料誤差控制方法

崔新海

摘要：在混凝土攪拌設備設定喂料提前量時，因機械動作偏差帶來的物料時多時少，導致配料實際值與設定值存在誤差，為此對混凝土攪拌設備配料誤差控制方法進行研究十分必要。根據混凝土攪拌站配料系統結構，確定配料誤差主要為非線性的喂料誤差，引入自適應補償算法修正喂料的提前量，實現混凝土攪拌設備配料誤差控制。實例研究結果表明，所設計方法可以將混凝土攪拌設備配料誤差控制在0.5%以內，證明了該方法的有效性。

關鍵詞：公路施工；混凝土攪拌設備；配料誤差；控制方法

0? ?引言

混凝土配料工序的精度與速度對工程質量有著嚴重影響。然而，在實際的混凝土攪拌設備配料中，由于混凝土是一種由水泥、砂石以及各種添加劑所組成的非勻質物料，受攪拌設備與攪拌技術的限制，使得混凝土配料過程產生落料誤差、計量誤差以及懸浮誤差等。一旦混凝土的配料工序存在誤差，將會直接影響混凝土的持久性與強度，所以如何降低混凝土攪拌設備配料誤差，逐漸成為我國建筑領域關鍵研究課題之一。

為控制混凝土攪拌設備的配料誤差，國內相關研究人員在配料方式上采取很多嘗試，如采用二次放料或減緩原材料稱量速度等方法，來降低混凝土的配料誤差。這些方法雖然在一定程度上可以控制混凝土的配料誤差，但不利于混凝土的配料速度。本文針對公路施工中混凝土攪拌設備的配料誤差來源及影響因素，設計一種誤差控制方法，以期提升混凝土配料精度。

1? ?混凝土攪拌設備配料誤差控制方法設計

1.1? ?混凝土配料精度影響因素分析

一般來說，混凝土攪拌設備配料系統主要由原材料倉庫、給料裝置、計量裝置等設備構成[1]，其結構如圖1所示。

這種配料系統屬于時變且無法超調的結構[2]，只要在控制器內輸入全部原材料的配比，系統就會控制攪拌設備完成一系列的混凝土自動化配料流程。

在實際配料過程中，如果料斗發生振動、計量裝置精度不夠等，則會引起一系列的攪拌設備工作誤差，進而影響混凝土配料精度。所以本文主要結合混凝土攪拌設備的配料系統結構，確定配料誤差的主體誤差，從而有針對性地設計誤差控制方法。

1.2? ?配料誤差原因分析

通?；炷翑嚢柙O備配料誤差包含喂料誤差、崩塌誤差等。由混凝土攪拌設備機械運動慣性以及不確定性所造成的誤差就是喂料誤差。也就是在喂料過程中，因機械運動的動作發生偏差、計量裝置計量偏差等原因，導致帶來的物料量具有隨機性，進而引起的誤差。所以喂料誤差為混凝土攪拌設備配料誤差的主體誤差[3]。

1.3? ?配料誤差數學模型

本文將結合混凝土攪拌設備控制系統的結構，建立配料誤差的數學模型。在配料系統的計量裝置工作過程中，計量裝置會將混凝土原材料施加的力轉換為數字信號，經過相應的運算處理，形成原材料的質量數據。

1.3.1? ?計量裝置所受力計算

配料系統中計量裝置所受的力計算公式如下：

F=m0 g+?? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：F表示混凝土攪拌設備計量裝置所受的力；m0 表示待測量混凝土原材料的實際質量；g表示重力加速度值；?表示計量裝置吸油管所受浮力數據。

1.3.2? ?混凝土原材料質量計算

一般來說，混凝土攪拌設備計量裝置在稱取混凝土原材料的質量時，會得到原材料在計量前與計量后的差值，那么配料系統所計量的混凝土原材料質量為：

（2）

式中：G表示混凝土攪拌設備配料系統測得的混凝土原材料質量；F1、F2分別表示計量裝置在稱量混凝土原材料初值與終值時所受的力。

1.3.3? ?配料誤差計算

由式（1）與式（2）可知，混凝土攪拌設備配料系統所測得的混凝土原材料質量，主要由原材料的實際質量與計量裝置的浮力差計算所得，所以如果計量裝置內部結構存在偏差，就會導致配料出現偏差。該配料誤差的計算公式如下：

G'=λG? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：G'表示混凝土攪拌設備喂料過程中，因計量裝置結構造成的混凝土原材料計量誤差；λ表示計量裝置的浮力影響系數。

1.3.4? ?設備工作誤差計算

除此之外，混凝土攪拌設備的喂料誤差還包括設備工作誤差，其計算公式如下所示：

C'=P-G =T-K? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：C'表示混凝土攪拌設備喂料過程中，因機械工作狀態造成的混凝土配料誤差；P表示混凝土配料比設定值；T表示混凝土配料時設定的提前量；K表示空中料柱量。

綜上，本文給出了混凝土攪拌設備喂料誤差中常見的計量裝置誤差與工作誤差的數學模型。在進行配料誤差控制時，需要準確掌握誤差來源與過程，才能有針對性地控制誤差，實現混凝土攪拌設備的高精度配料。

1.4? ?配料誤差的自適應補償控制

由上述內容可知，混凝土攪拌設備的配料誤差主體是喂料誤差，這是一種具有非線性、隨機性等特點的誤差，傳統的控制方法難以保障控制精度，為此本文引入自適應補償算法，設計一個配料誤差補償模型，來實現誤差的自適應控制[4]。

1.4.1? 自動化配料原理

一般來說，在混凝土攪拌設備進行自動化配料時，需要提前預測空中料柱量，根據該數據對混凝土的提前量進行設定。當啟動攪拌設備的喂料程序時，會不斷檢測喂料的質量，并將給定量與實際喂料質量進行對比，二者之間的誤差與設定提前量一致時，就會停止喂料，否則根據空中料柱量來補齊混凝土給定值。

1.4.2? 自適應補償算法的優勢

如果喂料的提前量設定精度不合理，將會直接影響配料的準確性。如果提前量較小，會影響攪拌設備的計量裝置的稱取精度，反之如果提前量較大，會導致下次配料準確性較差。本文通過自適應補償算法，來控制提前量的精度，從而提升配料精度[5]。

1.4.3? ?配料誤差自適應補償控制方法

混凝土攪拌設備配料的空中料柱量，主要受已有料量、配料比設定量、數量裝置的機械工作參數等因素影響，所以根據修正提前量，來控制混凝土攪拌設備的配料誤差，屬于多因素的隨機性問題。本文利用自適應補償算法，構建一個提前量修正補償的數學模型，具體公式如下：

（5）

式中：Tn+1表示混凝土攪拌設備第n+1次配料的提前量；n表示混凝土攪拌設備配料的總次數；（G'+C'）i表示混凝土攪拌設備第i次的喂料誤差。

在根據式（5）得到混凝土攪拌設備配料提前量的修正補償數學模型后，需要將其設置在配料控制系統上[6]，按照圖2所示流程進行模型運算，從而實現配料誤差控制。

在混凝土攪拌設備配料系統中，混凝土的各種原材料具有不一致特性，且它們的儲料倉也不一致，所以會導致空中料柱量難以精準設定。本文針對混凝土攪拌設備配料誤差，設計一種自適應補償模型，以此不斷修正混凝土配料的提前量，進而達到配料誤差控制的目的。

需要注意的是，修正的混凝土配料提前量，可以呈現出當下混凝土攪拌設備的配料偏差，所以不同的混凝土原材料，需要采用不同數據樣本進行修正，以此保障配料誤差控制效果。

2? ?實例分析

2.1? ?工程概況

某高速公路全長28.5km，路面寬度為24m，設計為雙向四車道。該公路路面設計為混凝土面層結構，為滿足高強度、持久性、防滲性、穩定性等需求，采用粒徑較小的級配混合料，其配比如表1所示：

為充分發揮混凝土路面結構的作用，需嚴格按照表1中的配合比進行配料。該公路工程采用的是自動配料系統，也就是將各種原材料裝入自動配料系統后，系統會按照設定配比自動稱重計量，然后運輸至攪拌設備中，攪拌成混凝土。在此過程中，受眾多因素的限制存在嚴重誤差，如果混凝土的配合比控制不夠，配料精度未達到0.5級，那么公路路面結構在早期會出現松散、裂縫、油包等病害。

2.2? ?結果分析

為驗證本文設計方法的可行性與可靠性，首先不采用設計控制方法，進行混凝土攪拌設備的自動配料，得到配料結果的實際偏差如表2所示。

由表2可知，原有混凝土攪拌設備配料的相對誤差在1.19%～6.2%范圍內，不符合我國預拌混凝土國家標準，難以確?；炷凉仿访娼Y構的高質量性以及混凝土材料的高利用率。

在保障其他實驗條件一致，在混凝土攪拌設備自動化控制系統上融入本文設計的誤差控制方法，再次運行攪拌設備，此時得到混凝土配料結果與實際的偏差數據如表3所示。

由表3可知，采用本文設計方法控制后的混凝土攪拌設備配料的相對誤差均在0.5%以內，表明此時配料精度達到了0.5級別，可以滿足公路施工中對混凝土攪拌設備的配料精度要求。

由此可以說明，本文設計的誤差控制方法效果良好。通過自適應補償算法來修正混凝土喂料中的提前量，可以有效解決具有隨機性、非線性等特點的混凝土攪拌設備喂料誤差，從而提升混凝土配料精度。

3? ?結束語

混凝土配料的精度是影響公路施工質量的關鍵因素，我國常見混凝土攪拌設備的自動化配料過程中無法避免存在一定誤差，所以本文設計一種配料誤差控制方法。文中首先確定了混凝土攪拌設備配料誤差中的主體誤差，并結合該主體誤差設計一個自適應補償模型，來修正喂料中的誤差，達到了配料誤差控制的目的。同時，經過了實際工程的測試，驗證了設計方法可以有效控制混凝土攪拌設備的配料誤差，實現高精度配料，具有一定適用性。雖然本文已經取得一定研究成果，但由于時間有限，文中僅從混凝土攪拌設備配料精度進行了研究，今后將針對配料速度做進一步研究，為推動我國公路工程項目的健康發展做貢獻。

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