CN113842836A - 用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统和控制方法。粉体固化剂输送机位于高粘性渣土输送机上；圆柱形渣土输送管内有渣土螺旋输送轴，渣土输送机电机经动态扭矩传感装置和渣土螺旋输送轴同步旋转连接；圆柱形渣土输送管上有渣土料斗，下有出料口，出料口上有固化剂进料口；圆柱形固化剂输送管内装有固化剂螺旋输送轴，固化剂输送机电机和固化剂螺旋输送轴同步旋转连接；圆柱形固化剂输送管倾斜布置，圆柱形固化剂输送管前端有固化剂料斗，圆柱形固化剂输送管后端有固化剂出料口，固化剂料斗内侧设有压力传感装置。本发明可进行无须称重的连续作业，实现过粘淤泥质渣土与粉体固化剂的准确配料，并防止作业过程中的固化剂浪费。

Description

用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种固化土配料系统和控制方法，具体为一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统和控制方法。

背景技术

随着城市化进程推进，我国工程渣土的排放量逐年升高，为城市土地、环境及容貌的管理和建设带来了不小的挑战。为合理管理工程渣土，我国于2019年颁布的《建筑垃圾处理技术标准CJJ/T 134-2019》中，将资源化利用规定为工程渣土的最优先级处理方式。根据学者詹良通等的研究，城市渣土的资源化利用途径主要包括就近回填及堆坡造景、废弃矿山回填复垦、再生路基填料筑路、储备再利用和洼地回填5种。

在多样化的资源化途径中，再生路基填料筑路是一种高附加值的工程渣土大规模消纳方式。因来源广泛，工程渣土中不乏大量淤泥质土。尤其在东部沿海城市的地下工程建设中，淤泥质渣土产生量占比高的问题更为突出。众所周知，淤泥质土的含水率高，黏粒含量高，塑性指数大，工程性质差。为达到路用资源化的最终目的，淤泥质渣土中须均匀混入水泥、石灰等固化剂，进行固化处理以提升其工程性能。然而，淤泥质渣土因受含水率和黏粒含量的影响，呈典型介于硬塑和软塑态间的膏体状；同时天然状态下的基质吸力大，可操作性极低。在实施固化处理时，土体常出现粘附、堵塞设备等现象，空间分布极不均匀，难以准确地以所设计的配合比和固化剂进行混合。在无法精准配料的情况下，固化效果参差不齐，阻碍了后续路用资源化的进一步实施。

目前，固化/稳定土配料装置、系统方面的发明专利，以称重式配料为主。例如，发明专利CN 103437261A、CN 102830636 A中所用的皮带秤及水泥称，发明专利CN 110064351A中所用的称重料斗，发明专利CN 107310033 A中所用的与进料料斗连接的重力传感器。称重的配料方式并不适用于连续性进、出料的装置，称量过程耗时，工作效率低。特别对于易黏附设备的淤泥质渣土而言，直接称重的精度十分有限，难以保证固化质量。

鉴于上述背景及技术现状，现有技术缺少了一套不以称重为原理、可准确调配淤泥质渣土与固化剂用量的自动连续配料系统及控制方法，是实现工程渣土路用资源化的关键。

发明内容

针对上述背景及技术问题，本发明的目的在于提供一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统。

本发明提供如下技术方案：

一、一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统。

系统包括高粘性渣土输送机和粉体固化剂输送机，粉体固化剂输送机位于高粘性渣土输送机的上方；

所述高粘性渣土输送机包括渣土料斗、圆柱形渣土输送管、动态扭矩传感装置、渣土螺旋输送轴和渣土输送机电机；圆柱形渣土输送管水平布置，圆柱形渣土输送管中部内装有渣土螺旋输送轴，圆柱形渣土输送管一端固定安装有渣土输送机电机，渣土输送机电机的输出轴经动态扭矩传感装置和渣土螺旋输送轴同步旋转连接；圆柱形渣土输送管一端上部设有渣土料斗，另一端下部设有出料口，出料口上方的圆柱形渣土输送管上部设有固化剂进料口；

所述粉体固化剂输送机包括固化剂料斗、压力传感装置、固化剂输送机电机、圆柱形固化剂输送管、固化剂螺旋输送轴和固化剂出料口；圆柱形固化剂输送管内装有固化剂螺旋输送轴，圆柱形固化剂输送管的一端安装固化剂输送机电机，固化剂输送机电机一端和固化剂螺旋输送轴同步旋转连接；圆柱形固化剂输送管倾斜布置，圆柱形固化剂输送管的下端上设有固化剂料斗，圆柱形固化剂输送管的上端下侧设有固化剂出料口，固化剂料斗的入口侧面设有压力传感装置。

所述粉体固化剂输送机的固化剂出料口和高粘性渣土输送机的固化剂进料口通过柔性管密封连接。

所述的固化剂料斗入口为主要由斜面板拼成的呈上大下小的喇叭状，两个压力传感装置分别对称布置在固化剂料斗入口两侧的斜面板上。

还包括含水率传感器，含水率传感器布置在渣土料斗的入口侧。

所述的渣土料斗下部伸至圆柱形渣土输送管中部，与圆柱形渣土输送管最大管径处相接。

所述的圆柱形渣土输送管的底部设有垂直于圆柱形渣土输送管的稳定杆。

所述的淤泥质渣土特性为淤泥质渣土的含水率在天然状态下高于液限值。

利用淤泥质渣土的含水率实时检测并反馈到输送固化剂的固化剂输送机电机上，控制固化剂混合到淤泥质渣土中的加入速率和量，进而调控配料，实现不利用称重，根据渣土性质进行实时配料的效果优势。

二、一种利用淤泥质渣土特性对连续配料进行反馈控制方法

所述方法是利用淤泥质渣土特性对连续配料进行反馈控制。

方法包括：

A、通过动态扭矩传感装置实时监测获得渣土螺旋输送轴的实测扭矩数据，并结合淤泥质渣土的含水率对和淤泥质渣土混合的固化剂输送速度进行控制；

B、由压力传感装置监测固化剂对固化剂料斗施加的压力，根据压力数据控制渣土螺旋输送轴的制动。

所述A包括：

首先，根据动态扭矩传感装置采集获得的实测扭矩按照以下公式获得因渣土引起的螺旋输送轴的动态扭矩M_s：

M_s＝M-M₀

式中，M为动态扭矩传感装置的实测扭矩，M₀为渣土螺旋输送轴的固有空转扭矩；

然后，根据渣土螺旋输送轴的动态扭矩M_s结合淤泥质渣土的含水率按照以下公式反求处理获得圆柱形渣土输送管中的淤泥质渣土的实时质量m_s：

式中，m_s为圆柱形渣土输送管中的淤泥质渣土的实时质量；w为淤泥质渣土实时的含水率，k为第一换算系数，g为重力加速度常数，w_P为淤泥质渣土的固有塑限，I_P为淤泥质渣土的固有塑性指数，L为渣土螺旋输送轴的轴向长度；exp()表示自然常数e的()次幂；

再由圆柱形渣土输送管中的淤泥质渣土的实时质量m_s计算单位时间内固化剂输送量m_c：

m_c＝am_s

其中，a表示固化剂的设计配合比；

最后，再根据单位时间内固化剂输送量m_c处理获得固化剂螺旋输送轴的转速R进行反馈控制：

R＝m_c/c

式中，c为固化剂螺旋输送轴旋转一周的时间内固化剂出料口的固化剂落料量。

所述B包括：

由压力传感装置按照以下公式计算压力：

P＝γhcosα

式中，P为固化剂料斗斜面板所受侧向压力，γ为固化剂容重，h为固化剂料斗中的料位高度，α为固化剂料斗入口的斜面板与重力方向之间的夹角。

若获得的压力P为0，则控制渣土输送机电机停止运行，渣土螺旋输送轴停止转动；

若获得的压力P不为0，则控制渣土输送机电机运行，渣土螺旋输送轴转动。

原理在于：

(a)淤泥质渣土进入圆柱形渣土输送管13后，其存在对渣土螺旋输送轴14和圆柱形渣土输送管13内壁的吸附力，在输送过程中因轴与管道发生相对运动，渣土会产生扭矩作用于渣土螺旋输送轴14上；

(b)在相同含水率状态时，淤泥质渣土对恒定转速的渣土螺旋输送轴14制造的扭矩与圆柱形渣土输送管13内土的质量成正比，同时随土的含水率增加呈先增大后减小的趋势；

(c)在设定的配合比下，固化淤泥质渣土的固化剂用量与淤泥质渣土的质量成正比；

(d)对相同的固化剂，固化剂输送量与固化剂螺旋输送轴26的转速成正比。

由高粘性渣土输送机和粉体固化剂输送机构成。粉体固化剂输送机通过固化剂出料口，与高粘性渣土输送机的固化剂进料口，利用柔性管密封连接。渣土的输送，通过粉体固化剂输送机的压力传感装置所监测的，固化剂料斗内的压力数据制动。固化剂的输送配料量，通过高粘性渣土输送机的动态扭矩传感装置所监测的扭矩数据，自动实时调控。

本发明的有益效果在于：(a)可进行连续配料，中途无须称量，工作效率高；(b)可避免因淤泥质渣土过粘导致的土体与固化剂无法准确配料的情况，保证了固化处理的质量；(c)防止固化剂在无渣土输送时的浪费，最大程度降低了成本。

本发明可进行无须称重的连续作业，实现过粘淤泥质渣土与粉体固化剂的准确配料，并防止作业过程中的固化剂浪费。

附图说明

图1为高粘性渣土输送机的侧视结构示意图。

图2为高粘性渣土输送机的俯视结构示意图。

图3为粉体固化剂输送机的侧视结构示意图。

图4为粉体固化剂输送机的俯视结构示意图。

图5为渣土含水率及质量与渣土引起的动态扭矩M_s的关系图。

图6为螺旋输送轴26的转速R与动态扭矩传感装置17的实测扭矩M的关系图。

图中：11——渣土料斗，12——稳定杆，13——圆柱形渣土输送管，14——渣土螺旋输送轴，15——固化剂进料口，16——出料口，17——动态扭矩传感装置，18——渣土输送机电机；21——固化剂料斗，22——压力传感装置，23——支架，24——固化剂输送机电机，25——圆柱形固化剂输送管，26——固化剂螺旋输送轴，27——固化剂出料口。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属本发明的保护范围。

具体实施的系统包括高粘性渣土输送机和粉体固化剂输送机，粉体固化剂输送机位于高粘性渣土输送机的上方；

如图1和图2所示，高粘性渣土输送机1包括渣土料斗11、圆柱形渣土输送管13、动态扭矩传感装置17、渣土螺旋输送轴14和渣土输送机电机18；圆柱形渣土输送管13可水平或倾斜布置，圆柱形渣土输送管13中部内装有渣土螺旋输送轴14，渣土螺旋输送轴14和圆柱形渣土输送管13同轴布置，圆柱形渣土输送管13一端固定安装有渣土输送机电机18，渣土输送机电机18的输出轴经动态扭矩传感装置17和渣土螺旋输送轴14同步旋转连接，动态扭矩传感装置17用于监测渣土输送机电机18的输出轴和渣土螺旋输送轴14之间的传动扭矩；圆柱形渣土输送管13一端上部设有渣土料斗11，另一端下部设有出料口16，出料口16上方的圆柱形渣土输送管13上部设有固化剂进料口15。

淤泥质渣土从渣土料斗11进入到圆柱形渣土输送管13，渣土输送机电机18运行带动渣土螺旋输送轴14旋转，进而带动进入圆柱形渣土输送管13的淤泥质渣土沿圆柱形渣土输送管13输送到出料口16处，固化剂从固化剂进料口15进入圆柱形渣土输送管13中，和圆柱形渣土输送管13中的淤泥质渣土一起从出料口16落出。

如图3和图4所示，粉体固化剂输送机2包括固化剂料斗21、压力传感装置22、固化剂输送机电机24、圆柱形固化剂输送管25、固化剂螺旋输送轴26和固化剂出料口27；圆柱形固化剂输送管25内装有固化剂螺旋输送轴26，固化剂螺旋输送轴26和圆柱形固化剂输送管25同轴布置，圆柱形固化剂输送管25的一端安装固化剂输送机电机24，固化剂输送机电机24一端和固化剂螺旋输送轴26同步旋转连接；圆柱形固化剂输送管25两端高低倾斜布置，圆柱形固化剂输送管25中部通过支架23支撑安装，圆柱形固化剂输送管25的前端上设有固化剂料斗21，固化剂料斗21也通过支架23支撑安装，圆柱形固化剂输送管25的后端下侧设有固化剂出料口27，固化剂料斗21的入口侧面设有压力传感装置22。

固化剂从固化剂料斗21进入圆柱形固化剂输送管25，固化剂输送机电机24运行带动圆柱形固化剂输送管25旋转，进而带动进入圆柱形固化剂输送管25的固化剂沿圆柱形固化剂输送管25输送到固化剂出料口27处，然后经管道进入固化剂进料口15。

粉体固化剂输送机2的固化剂出料口27和高粘性渣土输送机1的固化剂进料口15通过柔性管密封连接，作业过程中不会有扬尘和物料飞溅。

固化剂料斗21入口为主要由斜面板拼成的呈上大下小的喇叭状，两个压力传感装置22分别对称布置在固化剂料斗21入口两侧的斜面板上。

具体还包括含水率传感器，含水率传感器可以布置在渣土料斗11的入口侧。

渣土料斗11呈上大下小四棱台结构，下部伸至圆柱形渣土输送管13中部，与圆柱形渣土输送管13最大管径处相接。通过在输送管中部最大直径处接入进料斗，使螺旋转轴可与斗中的淤泥质渣土大面积接触，通过淤泥质土的粘性，将螺旋转轴对斗中底层土的切应力传递到上层土中，使上层淤泥质渣土产生角位移，并在自重作用下演化为垂向线位移，进而制造破除粘性土起拱的效果，防止淤泥质渣土堵塞。

圆柱形渣土输送管13的底部设有垂直于圆柱形渣土输送管13的稳定杆12，稳定杆12用于限制圆柱形渣土输送管13的水平晃动。

本发明利用淤泥质渣土特性对连续配料进行反馈控制的实施过程如下：

A、通过动态扭矩传感装置17实时监测获得渣土螺旋输送轴14的实测扭矩数据，并结合淤泥质渣土的含水率对和淤泥质渣土混合的固化剂输送速度进行控制；

固化剂螺旋输送轴26的转速是动态变化的，根据动态扭矩传感装置17监测的扭矩数据，自动实时调控，进行固化剂输送配料量的控制。

向渣土料斗11中投放高粘性淤泥质渣土，因料斗11伸入输送管13中，内部螺旋输送轴可以与斗中的淤泥质渣土接触，通过淤泥质土的粘性，将转轴对斗中底层土的切应力传递到上层土中，使上层淤泥质渣土产生角位移，并在自重作用下演化为垂向线位移，进而产生破拱效应，将渣土连续输送通过圆柱形渣土输送管13。同时，如图5所示，淤泥质渣土进入圆柱形渣土输送管13后，引起渣土螺旋输送轴14产生动态扭矩M_s。

首先，根据动态扭矩传感装置17采集获得的实测扭矩按照以下公式获得由圆柱形渣土输送管13内的渣土引起的渣土螺旋输送轴14的动态扭矩M_s：

M_s＝M-M₀

然后，根据渣土螺旋输送轴14的动态扭矩M_s结合淤泥质渣土的含水率按照以下公式反求处理获得圆柱形渣土输送管13中的淤泥质渣土的实时质量m_s：

再由圆柱形渣土输送管13中的淤泥质渣土的实时质量m_s计算单位时间内固化剂输送量m_c：

m_c＝am_s

最后，再根据单位时间内固化剂输送量m_c处理获得固化剂螺旋输送轴26的转速R进行反馈控制：

R＝m_c/c

B、渣土螺旋输送轴14的转速是恒定的，由压力传感装置22监测固化剂对固化剂料斗21中施加的压力，根据压力数据控制渣土螺旋输送轴14的制动。

由压力传感装置22按照以下公式计算压力为：

P＝γhcosα

式中，P为固化剂料斗21斜面板所受侧向压力，γ为粉体固化剂容重，h为固化剂料斗21中的料位高度，α为固化剂料斗21入口的斜面板与重力方向之间的夹角。

若获得的压力P为0，则控制渣土输送机电机18停止运行，渣土螺旋输送轴14停止转动；

若获得的压力P不为0，则控制渣土输送机电机18运行，渣土螺旋输送轴14转动。

粉体固化剂输送机2作业时，固化剂料斗21内的固化剂料位高度持续下降，并引起内壁侧压力的减小，有P＝f(h)＝γhcosα。若持续补充料斗内的固化剂，设备可一直运行；当压力传感装置22监测的压力P不足时，传输信号制动高粘性淤泥质渣土输送机1，淤泥质渣土的输送停止。进一步，向固化剂料斗21中添加固化剂，并启动输送机继续作业。

以上实施例虽对本发明的具体实施方式及结果进行了详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，对本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统，其特征在于：

包括高粘性渣土输送机和粉体固化剂输送机，粉体固化剂输送机位于高粘性渣土输送机的上方；

所述高粘性渣土输送机(1)包括渣土料斗(11)、圆柱形渣土输送管(13)、动态扭矩传感装置(17)、渣土螺旋输送轴(14)和渣土输送机电机(18)；圆柱形渣土输送管(13)中部内装有渣土螺旋输送轴(14)，圆柱形渣土输送管(13)一端固定安装有渣土输送机电机(18)，渣土输送机电机(18)的输出轴经动态扭矩传感装置(17)和渣土螺旋输送轴(14)同步旋转连接；圆柱形渣土输送管(13)一端上部设有渣土料斗(11)，另一端下部设有出料口(16)，出料口(16)上方的圆柱形渣土输送管(13)上部设有固化剂进料口(15)；

所述粉体固化剂输送机(2)包括固化剂料斗(21)、压力传感装置(22)、固化剂输送机电机(24)、圆柱形固化剂输送管(25)、固化剂螺旋输送轴(26)和固化剂出料口(27)；圆柱形固化剂输送管(25)内装有固化剂螺旋输送轴(26)，圆柱形固化剂输送管(25)的一端安装固化剂输送机电机(24)，固化剂输送机电机(24)一端和固化剂螺旋输送轴(26)同步旋转连接；圆柱形固化剂输送管(25)倾斜布置，圆柱形固化剂输送管(25)的下端上设有固化剂料斗(21)，圆柱形固化剂输送管(25)的上端下侧设有固化剂出料口(27)，固化剂料斗(21)的入口侧面设有压力传感装置(22)。

2.根据权利要求1所述的一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统，其特征在于：所述粉体固化剂输送机(2)的固化剂出料口(27)和高粘性渣土输送机(1)的固化剂进料口(15)通过柔性管密封连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统，其特征在于：所述的固化剂料斗(21)入口为主要由斜面板拼成的呈上大下小的喇叭状，两个压力传感装置(22)分别对称布置在固化剂料斗(21)入口两侧的斜面板上。

4.根据权利要求1所述的一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统，其特征在于：还包括含水率传感器，含水率传感器布置在渣土料斗(11)的入口侧。

5.根据权利要求1所述的一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统，其特征在于：所述的渣土料斗(11)下部伸至圆柱形渣土输送管(13)中部，与圆柱形渣土输送管(13)最大管径处相接。

6.根据权利要求1所述的一种用于淤泥质渣土固化处理的自动连续配料系统，其特征在于：所述的圆柱形渣土输送管(13)的底部设有垂直于圆柱形渣土输送管(13)的稳定杆(12)。

7.一种应用于权利要求1-6任一所述系统的控制方法，其特征在于：

所述方法是利用淤泥质渣土特性对连续配料进行反馈控制。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：

方法包括：

A、通过动态扭矩传感装置(17)实时监测获得渣土螺旋输送轴(14)的实测扭矩数据，并结合淤泥质渣土的含水率对和淤泥质渣土混合的固化剂输送速度进行控制；

B、由压力传感装置(22)监测固化剂对固化剂料斗(21)施加的压力，根据压力数据控制渣土螺旋输送轴(14)的制动。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：

所述A包括：

首先，根据动态扭矩传感装置(17)采集获得的实测扭矩按照以下公式获得因渣土引起的螺旋输送轴(14)的动态扭矩M_s：

M_s＝M-M₀

式中，M为动态扭矩传感装置(17)的实测扭矩，M₀为渣土螺旋输送轴(14)的固有空转扭矩；

然后，根据渣土螺旋输送轴(14)的动态扭矩M_s结合淤泥质渣土的含水率按照以下公式反求处理获得圆柱形渣土输送管(13)中的淤泥质渣土的实时质量m_s：

式中，m_s为圆柱形渣土输送管(13)中的淤泥质渣土的实时质量；w为淤泥质渣土实时的含水率，k为第一换算系数，g为重力加速度常数，w_P为淤泥质渣土的固有塑限，I_P为淤泥质渣土的固有塑性指数，L为渣土螺旋输送轴(14)的轴向长度；exp()表示自然常数e的()次幂；

再由圆柱形渣土输送管(13)中的淤泥质渣土的实时质量m_s计算单位时间内固化剂输送量m_c：

m_c＝am_s

其中，a表示固化剂的设计配合比；

最后，再根据单位时间内固化剂输送量m_c处理获得固化剂螺旋输送轴(26)的转速R进行反馈控制：

R＝m_c/c

式中，c为固化剂螺旋输送轴(26)旋转一周的时间内固化剂出料口(27)的固化剂落料量。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：

所述B包括：

由压力传感装置(22)按照以下公式计算压力：

P＝γh cosα

式中，P为固化剂料斗(21)斜面板所受侧向压力，γ为固化剂容重，h为固化剂料斗(21)中的料位高度，α为固化剂料斗(21)入口的斜面板与重力方向之间的夹角。

若获得的压力P为0，则控制渣土输送机电机(18)停止运行，渣土螺旋输送轴(14)停止转动；

若获得的压力P不为0，则控制渣土输送机电机(18)运行，渣土螺旋输送轴(14)转动。

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