УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ БИТУМА

Полезная модель относится к области приготовления асфальтобетонных смесей в дорожном строительстве и может использоваться для дозирования горячего битума и других расплавов вязких материалов, применяемых в различных отраслях промышленности.
Дозирование горячего битума, применяемого в качестве связующего компонента смеси, состоящей из песка, каменных материалов, минерального порошка и других ингредиентов асфальтобетона, осуществляется либо с помощью шестеренчатых насосов, производительность которых задается по времени работы или по количеству оборотов рабочих органов (шестерен), либо с помощью объемных и весовых дозаторов. Дозирование с помощью насосов не всегда обеспечивает требуемую точность дозирования, так как объем перекачиваемого битума при заданном времени работы насоса сильно зависит от температуры и вязкости перекачиваемого материала.
Объемные дозаторы, оснащенные поплавковым измерителем уровня битума, подаваемого в мерную емкость, позволяют достичь меньших погрешностей дозирования, но их точность также зависит от температуры и удельной плотности материала. Наибольшая точность дозирования битума обеспечивается тензометрическими весовыми дозаторами, в которых приемная емкость либо стационарно устанавливается на три балочных тензометрических датчика, либо шарнирно подвешивается на один S-образный датчик с помощью трех цепных подвесов.
Известен объемный дозатор битума [1], содержащий: приемную емкость битума, оснащенную теплоизолирующим кожухом; трубопровод подачи битума с электромагнитным клапаном; трубопровод слива битума с шестеренчатым насосом, поплавковый уровнемер с отсчетной шкалой и датчик уровня. Данный дозатор имеет стабильные показатели работы лишь при стабильной плотности битума и не обеспечивает необходимой точности дозирования по весу при изменении вязкости и плотности дозируемого материала.
Известен также весовой дозатор битума [2], у которого приемная емкость с помощью трех цепных подвесов шарнирно соединена с S-образным тензометрическим датчиком, жестко закрепленным на раме, изолированной от вибрирующих металлоконструкций площадки асфальтобетонного смесителя.
Сигнал с S-образного датчика подается в цифровой измерительный блок, в котором по мере достижения заданного веса битума формируется сигнал на выключение электромагнитного клапана подачи битума в приемную емкость дозатора и включение насоса слива битума для перекачивания его в смеситель.
Недостатком данного дозатора является то, что вся нагрузка от веса дозируемого битума и веса непосредственно дозатора передается на один тензодатчик большой грузоподъемности, что снижает относительную точность дозирования. Также к дозатору подобной конструкции нельзя жестко подключить трубопроводы подачи и слива мазута, а также, если требуется, - трубопровод пара. Это обусловлено тем, что вся конструкция дозатора находится в весовой системе. Не исключено и раскачивание подвешенного бункера, что также снижает точность измерений. Кроме того указанная конструкция весоизмерительной системы предусматривают при модернизации полную замену существующих объемных дозаторов, что не всегда целесообразно из-за высокой стоимости подобного оборудования.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является весовой дозатор битума [3], работающий по принципу точной разгрузки с остаточным тарным весом. Принцип дозирования битума в этом дозаторе заключается в измерении веса битума, вытесненного вертикальным цилиндрическим элементом, находящимся внутри приемной емкости битума и жестко связанным с S-образным тензометрическим датчиком. Вес полной дозы битума загружаемого в приемную емкость дозатора вычисляется в блоке контроля и управления, в котором измеренный вес вытесненного битума умножается на масштабирующий коэффициент, учитывающий во сколько раз объем приемной емкости превышает объем вертикального цилиндрического элемента. Недостатком данного дозатора является то, что при дозировании с остаточным тарным весом не учитывается плотность битума, влияющая на его кинематическую вязкость и производительность шестеренчатого насоса, установленного на трубопроводе слива битума. Это приводит к тому, что фиксирование заданного остаточного веса битума в премной емкости при ее разгрузке происходит нестабильно и в некоторых случаях резко снижает точность дозирования.
Решаемая задача - повышение точности дозирования битума за счет измерения его плотности непосредственно в приемной емкости дозатора в каждом цикле дозирования и формирования упреждающего сигнала на отключение насоса в зависимости от изменения кинематической вязкости битума, зависящей от его плотности.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для дозирования битума, содержащем блок управления и контроля с пускорегулирующей аппаратурой, приемную емкость с подогревом, трубопровод подачи битума с электромагнитным клапаном, трубопровод слива битума с насосом, S-образный тензометрический датчик, верхнее плечо которого жестко соединено с рамой, смонтированной на металлоконструкциях дозировочно-смесительной установки приготовления асфальтобетона, а нижнее плечо с помощью стержня связано с вертикальным цилиндрическим элементом, установленным внутри приемной емкости и имеющим вес в 2-3 раза больший, чем вес вытесняемого им битума при заполнении приемной емкости, объем которой в 10-30 раз больше объема вертикального цилиндрического элемента, вертикальный цилиндрический элемент имеет переменное сечение и содержит соосный цилиндрический участок большего диаметра, расположенный в средней части вертикального цилиндрического элемета таким образом, что низ соосного цилиндрического участка большего диаметра находится выше минимального уровня слива битума из приемной емкости, а верх располагается ниже максимального уровня заполнения приемной емкости битумом. Причем высота соосного цилиндрического участка большего диаметра в 3-4 раза меньше высоты вертикального цилиндрического элемента, а его диаметр в 1,5-2 раза превышает диаметр нижней и верхней частей вертикального цилиндрического элемента.
Отличием данного технического решения от известного уровня техники является то, что вертикальный цилиндрический элемент имеет переменное сечение и содержит в средней своей части соосный цилиндрический участок большего диаметра. Высота этого участка в 3-4 раза меньше высоты вертикального цилиндрического элемента, а его диаметр в 1,5-2 раза превышает диаметр нижней и верхней частей вертикального цилиндрического элемента. Изменение диаметра позволяет фиксировать моменты изменения скорости набора веса вытесняемого битума соосным цилиндрическим участком большего диаметра и по объему этого участка вычислять плотность битума в каждом цикле дозирования. Кроме того увеличенная поверхность вертикального цилиндрического элемента за счет расширения в средней части и повышенной площади контакта с битумом снижает возможную амплитуду вибраций, передаваемых от металлоконструкций асфальтобетонной установки на тезометрический датчик веса, что повышает точность измерений.
Принцип работы устройства для дозирования битума поясняется с помощью чертежей, на которых:
Фиг. 1 Общая схема устройства для дозирования битума с поперечным разрезом А-А;
Фиг. 2 Промежуточная фаза1 загрузки устройства для дозирования битума;
Фиг. 3 Промежуточная фаза2 загрузки устройства для дозирования битума;
Фиг. 4 Загруженное состояние устройства для дозирования битума;
Фиг. 5 Разгруженное состояние устройства для дозирования битума с остаточным тарным весом;
Фиг. 6 График изменения веса битума, вытесняемого вертикальным цилиндрическим элементом в процессе загрузки устройства для дозирования битума.
Устройство для дозирования битума (Фиг. 1) содержит: приемную емкость 1 с подогревом (не показан) и крышкой 2; трубопровод 3 подачи битума из системы его подготовки и рециркуляции; электромагнитный клапан 4, установленный на трубопроводе 3; трубопровод 5 слива битума с насосом 6; S-образный тензометрический датчик 7, закрепленный на раме 8; стержень 9; вертикальный цилиндрический элемент 10 с соосным цилиндрическим участком 11 большего диаметра; блок контроля и управления 12; пускатель 13 электромагнитного клапана 4; пускатель 14 насоса 6.
Промежуточный уровень дозы битума 15 при заполнении емкости 1 соответствует позиции 16 (фаза 1 загрузки). Второй промежуточный уровень дозы битума соответствует позиции 17 (фаза 2 загрузки) Максимальный уровень дозы битума при заполнении емкости 1 соответствует позиции 18, а минимальный уровень остаточного тарного веса битума 19 соответствует уровню 20.
Наличие у вертикального цилиндрического элемента 10 соосного цилиндрического участка 11 большего диаметра позволяет в процессе заполнения приемной емкости 1 дополнительно определять плотность дозируемого битума. Так как кинематическая вязкость расплава битума обратно пропорциональна его плотности, то при изменениях плотности данного материала может изменяться производительность перекачивающего шестеренчатого насоса 6 (при уменьшении плотности текучесть битума уменьшается и снижается производительность насоса и наоборот). Поэтому в процессе заполнения емкости 1 и ее разгрузке, что особенно важно при дозировании с остаточным тарным весом, необходимо учитывать колебания плотности битума, чтобы корректировать упреждающее время отключения насоса и исключать переполнение или переразгрузку приемной емкости.
Кроме того, данные о плотности битума, подаваемого непосредственно из дозатора в смеситель асфальтобетонной смеси, можно использовать для коррекции значения дозы битума и уставок в контур регулирования температуры битума. Это обусловлено тем, что снижение плотности битума может косвенно указывать на снижение температуры битума или на ухудшение теплоизоляции приемной емкости и битумопровода.
Дозирование битума осуществляется следующим образом. По команде блока 12 контроля и управления (может использоваться программируемый контроллер типа СПК-107 производства ЗАО «ОВЕН» или другой аналогичный контроллер) включается магнитный (возможен тиристорный) пускатель 13, который открывает электромагнитный клапан 4, установленный на трубопроводе 3 подачи битума из системы его подготовки и рециркуляции. Горячий битум 15 начинает постепенно поступать в приемную емкость 1 и заполнять ее до первого промежуточного уровня 16 (Фиг. 2), который соответствует нижнему уровню соосного цилиндрического участка 11, имеющего больший диаметр, чем нижняя часть вертикального цилиндрического элемента 10.
При этом в блоке 12 контроля и управления измеряется вес цилиндрического вертикального элемента 10, который уменьшается в соответствии с законом Архимеда на величину веса битума, вытесненного частью элемента 10, погруженного в битум. Одновременно в блоке 12 контроля и управления контролируется скорость изменения веса вертикального цилиндрического элемента 10. Эта скорость при постоянной производительности подачи битума в приемную емкость 1 зависит от объема вертикального цилиндрического элемента 10 и, естественно, от веса вытесненного им битума. Поскольку элемент 10 имеет переменное сечение за счет наличия участка 11 большего диаметра, то и скорость изменения вытесненного битума будет меняться при возрастании уровня битума в приемной емкости. Цифровые соотношения высоты и диаметра соосного цилиндрического участка подобраны опытным путем и выбраны из расчета надежной фиксации моментов изменения скорости веса вытесненного битума.
0
1
0
1
б0
б1
Сначала скорость изменения веса битума, вытесненного нижним участком элемента 10 характеризуется углом наклона α1 на соответствующем графике (Фиг. 6). При этом за интервал времени t-t (t - начало заполнения емкости 1 битумом, t - момент достижения уровня 16) вес вытесненного битума увеличивается от значения Р (остаточный тарный вес) до значения Р.
1
1
2
2
0
1
В момент времени t битум достигает уровня 16, после которого вес вытесненного битума за интервал времени t-t (t - момент достижения уровня 17) увеличивается на большую величину, чем в интервале t-t.
1
2
Это связано с тем, что еденичный объем соосного цилиндрического участка 11 в 2,25-4 раза больше еденичного объема нижней части участка элемента 10. Подобное значение определяется соотношением площадей поперечных сечений элемента 10 и участка 11, диаметры которых отличаются друг от друга в 1.5-2 раза. В этом случае скорость изменения веса вытесненного битума в интервале времени t-t характеризуется более крутым углом α2.
б2
б2
б3
По достижении уровня 17 (Фиг. 3) вес вытесненного битума характеризуется значением Р. После этого значения скорость изменения веса вытесненного битума уменьшается до начального значения и характеризуется углом α3 (угол α3=углу α1, так как диаметры верхнего и нижнего участков вертикального цилиндрического элемента 10 равны). В конце операции дозирования битум достигает уровня 18, а вес вытесненного битума изменяется от значения Р до значения Р.
1
2
Значения веса битума в моменты времени, когда меняется скорость изменения веса вытесненного битума (момент t и момент t) запоминаются в блоке 12 контроля и управления и используются для вычисления плотности дозируемого битума.
и
б
р
и
б
P
В процессе заполнения приемной емкости 1 битумом (первое заполнение осуществляется с учетом формирования остаточного тарного веса) исходный вес Р элемента 10 уменьшается в соответствии с законом Архимеда на величину Р, равную весу битума, вытесненного объемом элемента 10, погруженного в битум. Результирующий вес Р=Р-Р воздействует на S-образный тензометрический датчик 7 (может использоваться датчик типа CAS SBA-20), жестко закрепленный на раме 8., изолированной от вибраций работающего смесителя. Сигнал с этого датчика пропорциональный Р поступает в блок 12 контроля и управления для соответствующих вычислений и формирования управляющих сигналов на пускатели 13, 14.
пе
цэ
Поскольку блок 12 получает информацию о весе битума, вытесненного объемом элемента 10 ограниченного уровнями битума 18 (Фиг. 4) и 20 (Фиг. 5), можно с помощью масштабирующего коэффициента , где V - объем приемной емкости 1, ограниченный уровнями 18 и 20, а V - объем вертикального цилиндрического элемента 10, ограниченного теми же уровнями 18 и 20, определить общий вес дозируемой порции битума за вычетом остаточного тарного веса.
Так как вертикальный цилиндрический элемент 10 имеет переменное сечение по вертикали, то и значение масштабирующего коэффициента по вертикали тоже будет разным. Общий вес дозируемой порции битума в этом случае можно представить следующим выражением:
общ
м1
б1
б0
м2
б2
б1
м3
б3
б2
Р=К(Р-Р)+К(Р-Р)+К(Р-Р), где
;
пе01
V - объем приемной емкости 1, ограниченный уровнями битума 20, 16;
цэ01
V - объем вертикального цилиндрического элемента 10, ограниченный уровнями битума 20, 16;
пе12
V - объем приемной емкости 1, ограниченный уровнями битума 16, 17;
цэ12
V - объем вертикального цилиндрического элемента 10, ограниченный уровнями битума 16, 17;
пе23
V - объем приемной емкости 1, ограниченный уровнями битума 17, 18;
цэ23
V - объем вертикального цилиндрического элемента 10, ограниченный уровнями 17, 18.
общ
м1
м3
Учитывая то, что верхний и нижний участки вертикального цилиндрического элемента 10 имеют одинаковое поперечное сечение по высоте, можно упростить выражение значения Р, приравняв К и К. В итоге получаем:
общ
м1
б1
б0
м2
б2
б1
м1
б3
б2
Р=К(Р-Р)+К(Р-Р)+К(Р-Р).
м2
м1
Дальнейшее упрощение данной формулы достигается при заданном и известном соотношении диаметров вертикального цилиндрического элемента 10 и соосного участка 11. Так, например, при соотношении диаметров равном 2 их объемы отличаются друг от друга при одинаковой высоте в 4 раза. Это означает, что при постоянном диаметре приемной емкости 1 К=0,25 К.
Итоговое значение отдозированного веса битума, выраженного через вес вытесненного битума, имеет вид:
общ
м1
б1
б0
м1
б2
б1
м1
б3
б2
м1
б1
б0
б2
б1
б3
б2
м1
б1
б0
б2
б3
Р=К(Р-Р)+0.25К(Р-Р)+К(Р-Р)=К(Р-Р+0,25Р-0,25Р+Р-Р)=К(0,75Р-Р-0,75Р+Р).
б0
Приняв Р=0 (остаточный тарный вес в каждом цикле дозирования условно приравнивается к нулю), имеем окончательное значение:
общ
м1
б1
б2
б3
Р=К(0,75Р-0,75Р+Р).
б1
б2
б3
Значения веса вытесненного битума Р, Р и Р, соответствующие уровням заполнения 16, 17, 18 приемной емкости 1, измеряются в блоке 12 контроля и управления как результирующее изменение веса вертикального цилиндрического элемента 10.
м1
б1
б2
б3
Допустим, что К=25, Р=1,1 кг, Р=5,5 кг, Р=6,6 кг.
общ
Тогда Р=25(0,75 1,1-0,75 5,5+6,6)=25 3,3=82,5 кг.
б3
То есть при значении Р=6,6 кг (вес вытесненного битума в конце заполнения приемной емкости 1) пропорциональное значение веса отдозированного битума равняется 82,5 кг. Следовательно, для измерения веса 82,5 кг можно использовать при исходном весе вертикального цилиндрического элемета 10 в 8-10 кг тензометрический S-образный датчик на 10-20 кг, так как уменьшение веса элемента 10 за счет вытесненного битума составляет в данном примере 6,6 кг.
м
Увеличивая, или уменьшая значение масштабирующего коэффициента К за счет изменения объема элемента 10, можно с помощью одного и того же S-образного датчика и одной и той же измерительной системы дозировать с необходимой точностью порции битума в пределах от 30 до 150 и более кг (вес определяется объемом дозатора и емкостью смесителя).
б1
б2
1
2
Кроме того, переменное сечение вертикального цилиндрического элемета 10, имеющего соосный цилиндрический участок 11 большего диаметра, позволяет вычислить плотность дозируемого битума в процессе заполнения приемной емкости 1. Так как известны значения Р и Р, которые измеряются блоком 12 в моменты изменения скорости набора веса (точки t и t на графике Фиг. 6), можно определить вес битума, вытесняемого непосредственно соосным цилиндрическим участком 11.
сцу
б2
б1
сцу
Этот вес Р=Р-Р. Учитывая то, что объем оттого участка V известен и является для выбранной конструкции элемента 10 постоянной величиной, можно определить плотность подаваемого в приемную емкость 1 битума при ее заполнении:
б2
б1
сцу
3
Так при значении Р=5,5 кг, Р=1,1 кг, и V=4 дм плотность битума
В дальнейшем после набора заданной дозы (Фиг. 4) и определения плотности битума, загружаемого в приемную емкость 1 в данном цикле дозирования, блок 12 контроля и управления формирует команду на закрытие электромагнитного клапана 4 и при условии готовности смесителя (не показан) дает команду на включение пускателя 14 насоса 6. Вместо пускателя 6 может использоваться регулятор частоты питающего напряжения, подаваемого на привод насоса.
Уровень битума в приемной емкости 1 после включения насоса 6 снижается и при сливе заданной дозы (дозирование ведется по разгрузке с остаточным тарным весом 19) и достижения битума уровня 20 (Фиг. 5) блок 12 контроля и управления дает команду на отключение насоса 6. После чего начинается новый цикл дозирования.
При этом в зависимости от измеренной плотности битума, которая оказывает влияние на кинематическую вязкость битума, дается соответствующее упреждение на выключение насоса. Если в процессе набора заданной дозы определено, что плотность битума возросла (это равносильно снижению кинематической вязкости), необходимо раньше производить отключение насоса 6 по сравнению с предыдущим циклом, то есть увеличивать упреждение.
Это связано с тем, что скорость массопереноса менее вязкой жидкости возрастает. Если же вместо пускателя 14 используется частотный регулятор, то блок 12 контроля и управления может формировать сигнал на снижение частоты питающего напряжения привода насоса 6 и уменьшение его производительности. Все это позволяет не допустить переразгрузки приемной емкости 1 устройства для дозирования битума.
Если же измеренная плотность битума снизилась и битум стал более вязким, производительность насоса тоже снижается. В этом случае можно либо уменьшать время упреждения на отключение насоса 6, либо увеличивать его производительность за счет повышения частоты питающего напряжения. При этом можно избежать недоразгрузки приемной емкости 1.
Таким образом, подобный учет плотности битума в каждом цикле дозирования и непосредственно в приемной емкости 1 устройства для дозирования битума позволяет более точно осуществлять дозирование битума с изменяющимися характерисиками (марка битума, плотность, температура).
Источники информации, на которые следует обратить внимание при экспертизе:
1. Электронное издание СДМ - Строительные дорожные машины и техника. Кафедра ДСМ МАДИ, ПО «Стройтехника».
Сортировочные устройства и бункера, раздел 1.1 Дозирующие устройства,
2. Дозатор битума серии ДБ-03 (весовой) АБЗ Автоматика, г. Набережные Челны,
3. Дозатор битума, Полезная модель №147669, опубл. 10.11.2014.