摘要：以沥青计量系统的沥青秤为研究对象，对比分析了增量秤和减量秤的工作原理和加热方式，建立了减量秤浮力系数的计算公式，提出了增量秤和减量秤的标定方法及其标定过程中的注意事项，并结合某一级公路进行了试验验证。结果表明：经过标定的沥青秤可以提高沥青计量系统的准确性，可以保证沥青混合料的质量符合设计要求。
关键词：搅拌设备；增量秤；减量秤；浮力系数
中图分类号：U415.52文献标志码：B
Research on Structure and Calibration of Asphalt Weighing Scales of Asphalt Mixing Plant
LIU Shiqing1， ZHAO Pingan2， LI Zhuang2
（1. Eighth Branch for Highway Project Management of Inner Mongolia Highway Construction and Development
Co.， Ltd.， Hohhot 010051， Inner Mongolia， China； 2. Key Laboratory of Road Construction Technology and
Equipment of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）
Abstract： By taking the asphalt weighing scales as the subject of study， the working principle and the heating method of the incremental scale and the reduction scale were compared， and the calculation formula of buoyancy coefficient was established. Methods and matters that need attention in the calibration process were proposed. The results of tests on a firstgraded highway show that the calibrated asphalt scales can improve the accuracy of the asphalt metering system and ensure the quality of the asphalt mixture to meet the design requirements.
Key words： mixing plant； incremental scale； reduction scale； buoyancy coefficient
0引言
間歇式沥青混合料搅拌设备中物料的计量方式主要为称重式计量。称重式计量的工作原理是：用电子传感器测量计量桶内物料的质量并转换成模拟信号，进而转化为数字信号输出到显示屏上。计量秤包括骨料秤、沥青秤、粉料秤，本文主要对沥青秤进行研究。在沥青混合料生产过程中，沥青含量是关键的控制技术指标之一，沥青含量的多少直接影响沥青路面的质量[13]。沥青含量偏多时，路面容易产生车辙、拥包、乏油等病害；沥青含量偏少时，路面容易发生网裂、松散等病害。因此，准确计量沥青含量是生产符合设计要求的沥青混合料的关键环节之一[46]。交通行业标准《强制间歇式沥青混合料搅拌设备》（JT/T 270—2002）规定：静态沥青配料计量准确度指标为±
025%，动态沥青配料计量准确度指标为±2%。许多学者、从业人员对提高沥青秤计量准确度和降低配料误差作了大量研究。李玉平对称量电路进行了改造，提高了沥青秤的称量精度和稳定性[7]；刘武斌等认为采用二次称量方式可有效减少沥青的飞料，从而减小配料误差[810]；余建辉认为沥青供料阀门设计为大小阀或者采用两节气缸实现二次关门，可减少沥青冲量带来的误差[11]；刘洪海等认为采用负反馈的方法对落料误差进行修正，可将配料误差控制在允许范围内[1217]。由于缺乏理论依据和指导方法，在工程实践中，从业人员很少在搅拌设备工作前对称量系统进行检验和校核。针对沥青秤结构的多样化，本文从不同结构的沥青秤及其标定时应采取的相应方法进行分析，以提高沥青称量系统的准确性。
1沥青秤结构分析与比较
根据沥青秤的结构和工作原理的不同，可将其分为增量秤和减量秤。增量秤结构和实物见图1、2，其工作原理为：当搅拌设备配料时，若拌和一锅混合料需要的沥青质量为P，增量秤则称量同等质量的沥青，然后通过出油管从计量桶底部抽走全部沥青。增量秤的出油管位于计量桶下方，因而不受浮力的影响。减量秤的结构和实物见图3、4，其工作原理为：当搅拌设备配料时，若拌和一锅混合料需要的沥青质量为P，通过进油管向计量桶加入质量为Q的沥青（Q>P），吸油管通过泵从计量桶内抽沥青，直到计量桶中剩余沥青的质量为L（L=Q-P）时，泵停止工作。由于减量秤的吸油管和导热油管都浸入计量桶的沥青中，沥青对管道又有一定的浮力作用，导致实际质量与控制室表显质量不一致，需考虑浮力修正系数。
所示，当沥青计量系统采用减量秤配料时，沥青液面始终高于a位置，即始终保持吸油管管口沉浸在沥青中，吸油管和导热油管受到计量桶内沥青的浮力作用，将产生反作用力到减量秤的传感器上，从而影响称量的准确度。沥青初始高度在c位置时，沥青质量为Mc，浮力为fc；沥青称量终了高度处于b位置时，沥青质量为Mb，浮力为fb；定义浮力系数γ为被抽走沥青的实际质量与其表显质量之比
γ=MgF（1）
F=Mg+f（2）
f=ρgv（3）
Me=Mc-Mb（4）
Me=ρ（s1-s2-2s3）h（5）
fc-fb=ρg（s2+2s3）h（6）
式中：F为称量传感器的受力（N）；M为沥青质量（kg）；g为重力加速度（m·s-2）；f为管道所受的浮力（N）；ρ为沥青的密度（kg·m-3）；v为管道浸入沥青所占的体积（m3）；Me为被抽走的沥青质量；h为Me部分沥青占据计量桶的高度（m）；s1为计量桶的底面积（m2）；s2为吸油管的横截面积（m2）；s3为导热油管的面积（m2）。
将式（2）～（6）代入式（1），可得
γ=s1-s2-2s3s1（7）
由式（7）可知，浮力系数的大小与沥青液面高度、沥青密度等无关，只取决于浸入沥青中管道的截面积与计量桶底面积的比值，比值越大，γ越小，实际的沥青质量与表显质量之间的偏差越大。当沥青计量桶和管道为规则的等截面时，浮力系数为定值。在管道面积不变的情况下，沥青拌和站设计人员可适当增大计量桶的底面积，从而使浮力系数减小，降低浮力对减量秤计量准确度的影响。
为了确保沥青在计量桶中维持规定的温度，在沥青称量系统设置了加热装置。其加热方式有2种：利用电加热器加热沥青；在计量桶底部布置蛇形导热油管，通过导热油利用热传导机理循环加热沥青，从而保证沥青温度达到所需要求。若减量秤利用电加热器加热沥青，便不存在导热油管对浮力系数的影响，则浮力系数为
γ=s1-s2s1（8）
2沥青秤标定方法
由于增量秤和减量秤的结构和工作原理不同，需要采用不同的标定方法保证沥青秤的准确度。标定是指使用标准的计量仪器校准所使用仪器的精度。通常在施工现场采用四级标准砝码校准沥青秤，校准完成后使其静态计量准确度符合要求。取不小于沥青秤量程的80%进行标定工作，按式（9）计算相对误差，若|δ|≤0.25%则该沥青秤符合生产要求。
δ=m1-m2m1（9）
式中：m1为实际质量，m2为表显质量。
2.1增量秤标定方法
（1）在操作界面直接进行清零。
（2）在沥青秤上均匀放置质量为D（不小于沥青秤量程的80%）砝码，将数值输入标定界面，使标定状态下表显质量等于实际质量。
（3）从沥青秤上取下质量为D/2砝码，从操作界面上读取沥青秤示数，计算相对误差δ。
（4）取下所有砝码，观察零点。
（5）在操作界面上对秤清零后加上质量为D/2砝码，得到沥青秤显示值和实际值，计算相对误差δ。
（6）加上质量为D/2砝码，读取终值并计算相对误差δ。
若|δ|≤0.25%，表明沥青秤满足规范要求，否则应对设备进行检查并重新标定。为了减小偶然误差，整个检验过程需重复多次，按式（10）取均值。
δ[KG*3]-=∑ni=1δin（10）
式中：δ[KG*3]-为误差平均值；δi为第i次的相对误差，i=0，…，n。
2.2减量秤标定方法
（1）在沥青秤上均匀放置3个20 kg砝码作为称底（代替没过吸油管管口的沥青质量），清零。
（2）在沥青秤上均匀放置质量为D的（不小于沥青秤量程的80%）砝码，由于减量秤自身结构因素，在工作时存在浮力系数α（α<1），将质量D乘以α得到B，将B输入标定界面，即在该状态下表显质量等于沥青的实际质量。
（3）从沥青秤上取下质量为D/2的砝碼，从操作界面上读取沥青秤示数，沥青秤实际称重为D/2乘以α得到的数值，计算相对误差δ；再取下全部砝码，观察零点。
（4）在操作界面上对秤清零后加上质量为D/2的砝码，得到沥青秤显示值和实际值，计算相对误差δ。
（5）再加上质量为D/2的砝码，读取终值并计算相对误差δ。
若|δ|≤025%，表明沥青秤满足规范要求，否则应对设备进行检查并重新标定。为了减小偶然误差，整个检验过程需重复多次，按式（10）取均值。
为了保证标定的准确性，应当注意如下事项：在进行清零工作前，应检查沥青秤软连接是否恰当，周围有无异物干扰；对于减量秤（新样机除外）在清零前应检查计量桶里是否含有残余沥青，由于残余沥青会使计量桶与导热油管粘连在一起，必须将其排出使导热油管和计量桶完全分离，或者加热残余沥青使计量桶与导热油管处于自由状态；在计量桶上放置砝码时，动作要轻缓，摆放均匀，尽可能对称放置；标定时注意环境因素的干扰，在风速很小、计量秤显示数值稳定时方可标定；多次检验误差较大，可能存在传感器损坏、安装不当、线路连接不当等问题，应要求技术人员及时检查，排除故障后重新标定。
3试验验证
结合工程实践，对某一级公路其中一标段的4000型沥青混合料搅拌设备进行标定，该搅拌设备的沥青称量系统为减量秤，浮力系数γ为0945 5，采用四级标准砝码标定，试验数据见表1。
对搅拌设备的沥青秤完成标定后，得出|δ[KG*3]-|≤025%，可以确认沥青称量系统计量误差符合规范要求。在摊铺200 m试验路段时，工作人员进行现场取样，测试油石比符合设计要求。
4结语
从工作原理和加热方式2方面对比分析了增量秤和减量秤2种沥青秤，进而引入了减量秤的浮力系数。浮力系数仅与计量桶的底面积和浸入沥青中的管道截面积有关，与沥青的黏度、温度和密度等特性无关。当沥青计量桶和管道为规则的等截面时，浮力系数为定值。在管道面积不变的情况下，沥青拌和站设计人员可适当增大计量桶的底面积，使浮力系数减小，降低浮力对减量秤计量准确度的影响。针对不同的沥青秤，提出了相应的标定方法及标定过程中的注意事项。
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[责任编辑：党卓钰]