（道路与铁道工程专业论文）钢桥面铺装环氧沥青混合设备国产化研究.pdf

摘要 摘要 环氧沥青结合料是环氧沥青混凝土钢桥面铺装的重要组成部分。结合料的性能是影响环 氧沥青混凝土拌和质量的决定因素，是钢桥面环氧沥青混凝土铺装方案成功与否的关键。目 前，我国大跨径钢桥面铺装使用的环氧沥青结合料混合设备，是由美国进口的专用设备，价 格昂贵且故障率高。在实际施工中，常常因混合设备故障影响拌和质量和延误钢桥面施工工 期，造成大量人力、物力资源的浪费。因此从设备国产化角度深入研究钢桥面铺装环氧沥青 结合料混合设备具有重要的理论意义和实用价值。 本文以大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装为工程背景，首先在调研国内外环氧沥青混凝 土铺装基础上，依据结合料特性，对环氧沥青铺装施工工艺与流程进行分析，提出国产混合 设备的性能指标；其次，再根据环氧沥青混合过程的流量监控、批量控制以及加热保温要求， 对混合过程进行系统分析，设计出环氧沥青结合料混合设备机电一体化运行控制方案，并进 行流体力学、电力学、动力学、热力学可行性计算；最后，选择合适的国产设备元件，并进 行系统校核计算，给出可行的环氧沥青结合料混合设备国产化研制方案。研究的重点是混合 设备的加热保温系统控制、流量计量、比例混合以及批量控制。 本文研究的国产环氧沥青结合料混合设备，通过泵控马达的优化设计，可调比为1 ：1 0 ， 不但可以作为美国环氧沥青结合料的混合设备，也可用于国产环氧沥青结合料( 东南大学开 发研制，已进入工程应用试验阶段) 的混合。 关键词： 环氧沥青结合料 大跨径钢桥 桥面铺装 机电一体化 混合设备 批量控制 a b s t r a c t a b s t r a c t e p o x ya s p h a l tb i n d e ri sa i li m p o r t a n tp a r to fe p o x ya s p h a l tp a v e m e n tf o r s t e e lb r i d g ed e c k t h e p r o p e r t i t yo f i ti m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t e b u tn o w a d a y si nc h i n a ，t h e m i x i n gm a c h i n e so fe p o x ya s p h a l tb i n d e rf o rs t e e lb r i d g ed e c kp a v e m e n ta r ea l li m p o r t e df r o m a m e r i c aa tap r i c e ，a n dt h em e c h a n i c a lf a i l u r er a t ei sh i g h i nc o n s t r u c t i o n ，t h eh i g hm e c h a n i c a l f a i l u r er a t ed e l a y st h et i m el i m i tf o rap r o j e c tm a dc a l l s e st h ew a s t eo fm a t e d a la n dm a n p o w e r s oi t i sam a t t e ro ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yo n1 0 c a l i z a t i o no fm i x i n gm a c h i n eo f e p o x ya s p h a l tb i n d e rf o rs t e e lb r i d g ed e c kp a v e m e n t b 勰i n go nt h er e s e a r c ho fe p o x ya s p h a l tp a v e m e n tf o rs t e e lb r i d g ed e c k , f i r s t l yt h i sp a p e r t a k e sa n a l y s i so ft h em i x i n gt e c h n i ca n dt h et e c h n o l o g i e a lp r o c e s s ，a n db r i n g sf o r w a r dt h e p a r a m e t e r so ft h eh o m e m a d em i x i n gm a c h i n e s e c o n d l ya c c o r d i n gt ot h eh e a v yd e m a n d so ft h e b a t c hc o n t r o l ，t h ef l o wc o n t r o l ，t h eh e a t i n ga n dt h eh e a tp r e s e r v a t i o n , t h ec o n t r o ls c h e m eo f m e c h a t r o n i c a ls y s t e ma r em a d ea n dt h ep a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e di nt h ef i l e do fh y d r o m e c h a n i c s ， e l e c t r i c s d y n a m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s f i n a l l yt h ec o m p o n e n t sm a d ei nc h i n aa r es e l e c t e da n dt h e d e s i g ns c h e m eo f t h eh o m e m a d em i x i n gm a c h i n ei sd e c i d e d t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e se m p h a s i st ot h e b a t c hc o n t r o l ，t h ef l o wc o n t r o l ，t h eh e a t i n ga n dt h eh e a tp r e s e r v a t i o n w i t ht h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h en l i x i l l 窑m a c h i n es y s t e m ，t h er a t i oo f f l u xr a n g e sf r o ml ：l t o l ：l0b yc h a n g i n g 也er a t eo fm o t o r st h a td r i v e rp u m p s n l en l a c h i n en o to n l yc a d _ m i x e se p o x y a s p h a l tb i n d e rm a d ei na m e r i c ab u ta l s oc a l lm i x e se p o x ya s p h a l tb i n d e rm a d ei nc h i n a ，w h i c h d e v e l o p e db ys o u t h e a s tu 1 1 i v e r s i t yi sg o i n gt ob ea p p l i e d k e y w o r d s ： e p o x ya s p h a l tb i n d e r l o n g - s p a ns t e e lb r i d g e s t e e ld e c kp a v e m e n t m e c h a t r o n i c s m i x i n gm a c h i n e b a t c hc o n t r o l 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着我国经济的快速增长，我国大跨径桥梁建设发展迅速。我国已建桥梁先后采用过日本、英国的铺 装技术，但实践证明，由于我国特殊的气候和交通条件，这些技术不能完全适用。从2 0 0 0 年开始，南京 长江二桥、舟山桃天门大桥、润扬长江大桥、江阴长江大桥、天津大沽桥等陆续采用了美国环氧沥青混凝 土桥面铺装技术。从目前的使用效果来看，环氧沥青混凝土具有强度高、抗疲劳性能好等特点，尤其在高 温下具有较好的抗荷载变形能力，有着其它方案无可比拟的优点。热拌环氧沥青混凝土桥面铺装适合我国 持续长时间高温和严重超载交通实际情况。此外，东南大学交通学院对热拌环氧沥青混台料国产化的研制 进行了长期、深入的研究已取得阶段性成果。并即将进入工程应用阶段。但是，热拌环氧沥青施工工艺 比较复杂，需另配备环氧沥青混合专用设备，施工中对时间和温度要求十分严格，对流量和比例控制要求 十分精确，施工难度相对较大，对桥面铺装环氧沥青专用设备的要求较高。目前，国内均采用美国进口的 专用设各，该设备存在操作难度大、出故障率高和维修困难等缺点，且价格昂贵。施工中往往因设备故障 而延误工期和影响施工质量。 在大跨径钢箱梁桥面铺装进入大量使用的情况下，研究出适合我国环氧沥青混凝土钢桥面铺装的结合 料混合设备，对促进我国大跨径钢桥桥面铺装具有重要的学术价值和实际意义。 1 2 环氧沥青混合设备的研究现状 环氧沥青混合设备特指将环氧树脂、沥青两反应组分按比例混合、反应，生成环氧沥青结合料，并按 施工要求将环氧沥青结合料喷射进拌和楼拌缸的专用设备。环氧沥青混合设备伴随着环氧沥青混凝土铺装 技术的研究与应用而发展起来的。 环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不可逆的固化物，这种材料从根 本上改变了沥青的热塑性质，而赋予沥青完全新的优良物理力学性质。用环氧沥青拌制的沥青混合料，其 路用性能比普通沥青混合料优异得多。国外从6 0 年代开始研究并推广使用环氧沥青混合料。日本北海道 大学士木工学科的间山正一、营原照雄在7 0 年代就对环氧沥青混合料的配制、模量、应力松弛性能、破 坏性能等进行了研究。英国的壳牌石油公司、日本的w a t a n a b e g u m i 公司、美国的c h e m c o s y s t e m s 公司也 都已生产专利的环氧沥青商品出售( 如壳牌石油公司的s h e l l g r i ps y s t e m ，w a t a n a b e g u m i 公司的w - e p o x 等) 。由于环氧树脂价格较高。与普通沥青混合料相比环氧沥青混合料单价要高出1 0 2 0 倍。加之施工技 术要求也较高，因而被认为是超高级的路面材料。 1 9 6 7 年，美国s a nm a t e o - h a y w a r d 大桥首次采用环氧树脂沥青混合料作为正交异性钢板桥面的铺装层。 近三十年来使用这种材料进行铜桥面铺装的国家主要有美国、日本、加拿大、荷兰和澳大利亚，其中美国 应用最为广泛。至今已经有2 7 座大桥采用该材料进行桥面铺装”1 ，美国和日本还编写了相应的环氧沥青桥 面铺装规范。国外使用环氧沥青混合料的场合除大跨径钢桥桥面铺装外，还包括以下几个方面： 1 ) 高等级公路和城市千道路面：1 9 7 4 年法国在b l o i s 公路，1 9 7 5 年英国伦敦在f i l m e r 路，1 9 8 6 年英国斯塔得郡的k e e l em 6 高速公路采用环氧沥青混合料铺筑路面。 2 ) 公共汽车停车站和道路交叉口：为减小车辙英国的曼彻斯特p i c c a d i l l y 公共汽车站、巴克停 车站采用环氧沥青混合料。 3 ) 公路与城市道路、机场道面的防滑砸层：1 9 7 3 年英国伦敦g r e a tw e s tr o a d 用环氧沥青碎石铺 筑防滑面层。1 9 7 3 年伦敦机场、1 9 8 0 年卡塔尔首都多哈机场，也在道面上加铺过环氧沥青防滑面层 以保证足够的抗滑能力。 4 ) 加油站、停机坪和广场：环氧沥青对燃油、机油的腐蚀具有极好的抵抗能力。用其铺装的广场、 仓储地经久耐用。1 9 7 7 年英国在r o y s ls e a f o r t hd o c k 集装箱转运站、t i l b u r y 转运站e n f i e l d 市 郊的商业中心区都曾采用环氧沥青混合料进行过铺装 环氧沥青混合料钢桥面铺装成功的例子和失败的例子都有。铺装产生破坏的桥包括： 1 ) 美国俄勒冈州的f r e m o n ts t 桥。该桥桥面铺装受到缚于车轮上防滑用的铁链的过度磨损而破坏， 东南大学硕士学位论文 后来采用普通沥青混合料重新铺装。 2 )巴西的r i od ej a n e r i o 桥，铺筑的环氧沥青混合料桥面使用性能很差。这可能与该桥所处的热 带地理环境位置及施工工艺有关。 3 ) 台北的k u a nd u 桥。由于未对严重的超载现象进行限制而使铺装产生破坏。美国路易斯安那州的 l u l i n g 桥。采用5 0 m m 一层摊铺，由于承包商无法实现最佳的压实而不得不增加结合料含量，从而引 起了稳定性的问题。 4 ) 澳大利亚匿门桥。总体情况较好，主要问题是出现铺装层和钢板之间粘结力丧失现象。在粘结力 丧失区的铺装层仍十分完好，但由于脱空的铺装层在行车荷载作用下不断拍打钢板而使钢板发生磨损 并使铺装层底面发生破坏。 5 ) 美国路易斯安那州h a l eb o g g s 斜拉桥。该桥在摊铺完成前铺装层中就因包含水气而鼓包。通车 1 年后开始开裂，3 年后开始出现脱层和严重的推挤永久变形。1 0 年后采用科氏( k o c h ) 公司的- s t y r e l f 8 8 聚合物改性沥青和偏细的s m a 结构进行了重新铺装。 美国环氧沥青钢桥面铺装专家认为出现这些破坏的原因主要出自设计时对桥梁所在地的气候环境( 温 度) 、交通荷载等因素考虑不足而导致的设计失误或是施工控制不严。日本铺装专家则认为，单从环氧沥 青混合料材料本身性能来看，这是一种非常好的材料，但由于这种材料的性能受其成型时温度、时间等因 素变化的影响很大，施工条件苛刻，施工中对其质量很难控制，加上材料费用昂贵，而摊铺过的环氧沥青 桥面铺装曾出现破坏现象，日本专家似乎并不十分支持使用该种材料进行桥面铺装。 从美日两国专家的共同观点来看，如果在设计中能够充分考虑桥面铺装的环境和交通条件严格按照 设计要求而控制施工使环氧沥青混合料的优越性能得以充分体现。采用环氧沥青混合料进行桥面铺装将 是一种很好的方案。 环氧沥青的优越性能和生产配制技术的复杂性使许多国家对该项技术守口如瓶，或都申请了专利。国 内环氧沥青的研究最早主要应用于防腐涂装行业，将煤焦油沥青和环氧树脂、固化剂及其它辅荆共混后制 成环氧沥青涂料涂覆于管道、钢桥、屋顶、码头水泥混合料构件等表面防腐。环氧沥青涂料的防腐性能优 越，能抵抗微生物的侵蚀，耐久性也较好。有关这方面的产品和专利较多。 国内道桥行业对环氧沥青的研究起步较晚。最初与环氧沥青相关的也是环氧煤焦油沥青，主要应用于 路面裂缝的修补。上海市市政工程管理处和同济大学，1 9 9 2 年至1 9 9 5 年期间研究了环氧沥青混合料的配 制原理、配制方法、热拌、冷拌环氧沥青混合料的物理力学性质，对环氧沥青混合料的物理力学性能进行 了综合评价，提出了热拌、冷拌环氧沥青混合料路面的设计和施工指南，并在上海龙吴路摊铺了一段2 0 0 m 2 的试验路。由于经费原因这项研究没有延续下去。而其研究成果又因为环氧沥青材料本身较高的成本。 也没在国内得到实际工程应用。1 9 9 8 年长沙交通学院路桥工程系在同济大学研究成果的基础上也开展了环 氧沥青混合料的试验研究，并初步分析了环氧沥青的改性机理。其研究成果已成文发表。目前东南大学 交通学院对热拌环氧沥青混合料国产化的研究已取得阶段性成果。并即将进入工程应用阶段。 国内热拌环氧沥青混凝土桥面铺装可追溯到台北的k u a nd u 桥，该桥由于未对严重的超载现象进行限 制而使铺装产生破坏。内地的热拌环氧沥青钢桥面铺装始于2 0 0 1 年通车的南京长江二桥( 南京长江二桥 自开放交通至今仍使用性能良好) ，其次是江阴大桥铺装实验、浙江桃天门大桥和润扬长江大桥、天津大 沽桥。 由于我国对钢桥面环氧沥青混凝土铺装技术研究起步较晚，热拌环氧沥青尚无正式产品投入工程应 用，也无专用环氧沥青结合料混合设备。目前，国内环氧沥青钢桥面铺装均采用美国产环氧沥青。施工单 位都使用从美国c h e m c os y s t e m s 公司进口的混合设备”1 ，从使用效果来看该设备存在价格昂贵，故障率 高。控制程序繁琐，效率低以及维修困难等缺点。加上使用单位配套设置、操作人员素质等因素，往往会 因操作不当或者疲劳作业，致使系统临时出现故障难以排除而影响生产，使混合质量受人为因素影响，较 难达到指标要求。 本文的研究重点就是以上述问题为出发点。结合我国热拌环氧沥青钢桥面铺装，对结合料特性和工艺 要求进行分析，并根据施工要求，研发性能优越、经济适用、可靠耐久的国产环氧沥青混合设备。 1 3 本文研究内容及技术路线 2 东南大学硕士学位论文 第2 章环氧沥青与混合设备 环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不可逆的固化物，这种材料从根 本上改变了沥青的热塑性质，而赋予了沥青全新的优良物理力学性质。用环氧沥青拌制的沥青混合料其 路用性能比普通沥青混合料优异得多。在本研究中选用了美国c h e m c os y s t e m s 公司生产的环氧沥青结合 料和东南大学自行开发研制的国产环氧沥青结合料作为设备试验材料。 2 1 环氧沥青介绍 2 1 1 美国环氧沥青 美国c h e m c os y s t e m s 公司生产的环氧沥青结合料( 类型v ) ，由两组分组成：组分a ( 环氧树脂) 和组 分b ( 一种由石油沥青和固化剂组成的匀质合成物) 。 组分a 是由双酚a 和表氯醇( e p i c h l o r o h y 打i n ) 经反应得到的液态双环氧树脂( d i e p o x yr e s i n ) ，不 含稀释剂( d i l u e n t ) 、软化剂( f l e x i b i l i z e r ) 或增塑剂( p l a s t i c i z e r ) 。也不舍无机填料、色素或其他 污染物或不溶物质。其技术指标如表2 1 所示。 表2 1 组分a 技术指标 指标 要求 试验方法 粘度( 7 3 下，泊) 1 0 0 1 6 0a s l md4 4 5 环氧当量( 含1 克环氧当量的材料克数) 1 8 5 1 9 2a s 删d1 6 5 2 颜色、加德纳( g a r d n e r ) ，煨大值 4a s l wd1 5 4 4 含水量( 最大百分比)0 0 5a s t md1 7 4 4 闪点( 克立夫兰敞口杯，最小摄氏度) 2 0 0a s t md9 2 比重 1 1 6 1 1 7 s 1 md1 4 7 5 外观 透明琥珀状目视 组分b 是一种由石油沥青和环氧树脂固化剂组成的匀质合成物。它不含不可溶物质( 比如无机填料或 色素等) 和污染物其技术指标如表2 2 所示。 表2 2 组分b 技术指标 指标 要求试验方法 酸值( m g ，k o h 每克) 4 0 6 0a s n fd 6 6 4 闪点( 克立夫兰敞口杯) 2 a s n 【d 9 2 含水量( )0 0 5 a s l vd 9 5 粘度。( 1 0 0 ，c p ) 1 4 0布氏粘度计，腽t 型采用3 号轴( 1 0 0 转分) 比重( 2 3 时) 0 9 8 1 0 2a 娜d 1 4 7 5 颜色 熏目视 组分a 和b 按要求混合并固化后得到的环氧沥青结合料技术指标如表2 3 所示。 第2 章环氧沥青与混合设备 表2 3 环氧沥青结台料技术指标 指标 要求( 类型v )试验方法 重量比( a ：b ) 1 0 0 ：5 8 5 抗拉强度( 2 y c ，肝a ) 1 5 1 鹋 s 1 m d 6 3 8 热固性( 3 0 0 )不熔化小试件放置在热扳上 膨胀比( 2 3 )3 5特殊规程 浸耗率( 2 3 )3 5 特殊规程 吸水率( ，) ( 7 天，2 3 )0 3a s d 5 7 0 粘度增加至1 0 0 0 c p ( 在1 2 1 c 时) ( 分钟) 5 0 放于容器中搅拌 采用美方建议的布氏粘度仪进行了环氧沥青两组分混合后的粘度随温度、时间变化规律的试验。试验 按美方提出的试验方法进行操作。试验中每隔一定的时间进行测试。除证实的环氧沥青结合料粘度增加到 某一固定值经历的时间满足提出的时闯要求外，还锝到了结合料粘度随时间的变化规律，如图2 - 1 所示嘲。 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 恺6 0 0 0 舞 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 7 尹 ， ， 。p 一 02 0 4 0 6 08 01 0 0 时间( 分钟) 图2 - i结合料两组分混合后粘度的变化规律 美国技术规范中要求在1 0 0 c 且不断搅拌的情况下，环氧沥青结合料的粘度增加到1 0 0 0 c p 的时问要大 于5 0 r a i n ，由图2 - l 可知，环氧沥青相应于这一要求的时间是8 5 r a i n ，满足要求。由图2 - 1 还可以看出，环 氧沥青前5 0 m i n 的粘度变化很小，超过5 0 m i n 后的粘度随时问增加较大，当环氧沥青的粘度增加到1 0 0 0 c p 后粘度随时间的变化增加更快，说明环氧沥青的性能在超过这一时间段后变化较快，这一时间有可能就 是环氧沥青开始固化的时间，由此可以理解环氧沥青混合料时间和温度要求严格的原因。 2 1 2 东南大学国产环氧沥青 东南大学自行研制的环氧沥青结合料，由两组分组成：组分a ( 环氧树脂) 和组分b ( 一种由石油沥 青和固化剂组成的匀质合成物) 。 组分a 是采用无锡树脂厂生产的e - - 5 1 ，组分固化组分b 为自行研制。采用b r o o kf i e l d 旋转粘度计， 分别测试两组分和结合料的粘度如袭2 4 所示。 表2 4 组分a 、b 和结合料技术指标 温度( )组分a ( i o p b s ) 维分b ( i o ，e s )环氧沥青结台料( 1 0 3 p a - s ) 8 08 6 2 6 拈5 5 蛆 g o3 7 0 7 3 8 23 2 0 1 0 0 2 1 4 02 1 01 9 2 1 1 01 2 ，7 l 1 2 51 1 8 1 2 07 7 5r 7 57 5 东南大学硕士学位论文 采用布氏粘度仪进行了环氧沥青两组分混合后的粘度随温度、时间变化规律的试验。试验中每隔一定 的时间进行测试，除证实的环氧沥青结合料粘度增加到某一固定值经历的时间满足时间要求外，还得到了 结合料粘度随时间的变化规律，如图2 2 所示。 ， ， r 02 04 06 08 01 0 0 时间( 分钟) 圈2 2 结合料两组分混合后粘度的变化规律 2 2 美国环氧沥青混合设备简介 目前，国内所使用的环氧沥青混合设备均由美国c h e m c os y s t e m s 公司生产。本文以笔者在润扬长江 大桥施工中使用的混合设备( 2 0 0 4 年进口) 为代表，介绍该设备的运行工作原理。其它进口的几台混合设 备基本一样。 该设备采用3 相2 2 0 v 变压器1 0 0 k v a 干式变压器供电电源供电，经3 相漏电空气保护开关分配到各分 回路供电。加热采用电加热方式采用电热丝对组分a 、组分b 容积罐和循环管路进行加热，自动温控。 流体输送采用直流电机驱动组分两组分齿轮泵，通过改变电机速度，改变两组分流速。比例控制结构为采 用一根动力轴上的两齿轮，通过同步齿轮传输带驱动两齿轮泵。两齿轮的传输比与工艺要求的比例( 1 ： 5 8 5 ) 大致相同。再通过管路旁路回流设各，人工调整比例流量。两组分管路流量的测量采用质量流量计。 通过气动三通换向阀的同时换向来切换循环管路和作业管路。批量控制采用质量流量计的变送器的批量控 制功能，人工操作。采用压力空气( 不小于0 7 1 v i p a ) 清洗混合管路。设备无能反转功能。其具体技术参数 如表2 5 所示： 表2 5c h e m c os y s t e m s 环氧沥青混合设备技术参数 项目技术参数 供电电源3 相2 2 0 v 变压器1 0 0 k v a 干式变压器 加热方式 电加热，自动温控 清洗方式空气清洗( 0 7 m p a ) 批量控制人工操作 流量比例控制 齿轮传动比人工改变旁路圊流，改变管路特性 调速驱动方式一台直流电机调速 流量误差 0 5 比例误差5 该类设备由于先天设计缺陷，运行控制时经常发生以下故障：由于该设备使用永磁直流电机进行调速， 碳刷磨损，经常发生电机烧毁：采用定齿轮传动比和旁路回流来控制流体比例，改变管路特性，抗干扰能 6 o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 5 0 5 3 2 2 l l d 。v 趟舞 第2 章环氧沥青与混台设备 力弱，比例可调性 t t 4 , ，不能适应工况变化和比例误差大；批量控制时，由于两组分流量比例达不到要求 造成两换向阀不能同时关闭( 相差最高达5 秒) ，影响混合料的性能；齿轮泵的润滑采用输送流体进行润 滑，造成泵不能反转，停止工作时，两循环管路的组分不能清空，造成管路堵塞，每次设备再使用时，都 要对管路进行加热浪费时间和资源。目前，国内采用美国设备进行施工的大跨径钢桥。由于美方设备揉 作复杂，运行时经常出现电机烧毁、驱动器烧毁和比例控制达不到工艺要求等故障，造成大量的人力、物 力资源的浪费。而且耽误大桥施工工期。困美方设备故障造成的大致工期延误见表2 6 。 表2 6 美方设备故障造成的大致工期延误 大桥名称南京长江= 桥江阴长江大桥( 修复)桃天门大桥润扬长江大轿天津大沾桥 耽误工期( 天) 1 02 51 03 54 电机烧毁、 管路加热失控，管路堵电机烧毁、控制器驱动泵烧毁、比批量控制失控 故障类型驱动器烧毁塞，电机烧毁、比倒失 烧毁、比例失控例误差大 控等 2 3 本章小结 基于环氧沥青混合工艺要求，本章主要介绍了美国c h e m c os y s t e m s 环氧沥青和东南大学自己开发研 制的环氧沥青的相关技术指标，并分别进行了粘度相关试验，对试验数据进行了简单分析。对当前国内使 用的典型的环氧沥青混合设备进行了简单介绍，并对其常见故障进行了分析。 7 东南大学硕士学位论文 第3 章环氧沥青混合设备机电一体化系统 3 1 机电一体化的技术构成 机电一体化( m c c h a t r o n i c s ) 是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、 计算机技术、信息技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术、信号变换技术以及软件编程技术等群 体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、低能 耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术”j 。 机电一体化技术不仅仅是机械技术、微电子技术以及其他新技术的简单组合、拼凑，而是上述群体技 术的相互渗透和有机融合机电一体化系统的形式多种多样，其功能也各不相同。一个较完善的机电一体 化系统，应包括以下几个基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、控制及信息处理单 元和驱动单元，各要素和环节之间通过接口相联系，基本结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1 机电一体化系统的基本组成和工作原理 1 ) 机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按 照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上并保持特定的关系。 2 ) 动力单元 动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力，以保证系统的正常 运行机电一体化系统的显著特征是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的输出。 3 ) 传感技术 传感技术是借助于检测元件( 敏感元件) 接受一定形式的信息，并按一定规律将它转换成另一 种信息的装置目前，大多数的传感器要将获取的信号转换成电信号。传感器的精度和可靠性的高低 决定着系统的成败 4 ) 驱动技术 驱动单元的功能是在控制信息的作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。一般用高性能 步进电机、直流、交流伺服驱动电动机等。 5 ) 执行单元 执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。一般要求灵敏度高、精确度高、重复 性能好、可靠性高。当前，执行装置正朝着标准化、系列化和智能化的方向发展。 6 ) 控制信息处理单元 控制信息处理单元是机电一体化的核心单元。其功能是将来自传感器的检测信息和外部输入命令 b 第3 章环氧沥青混合设备机电一体化系统 进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出 接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。 7 ) 接口 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运 动，从而构成一个有机整体。其基本功能有三个：变换、放大和传递。 3 2 环氧沥青混合料生产工艺流程 根据环氧沥青的特性，设计环氧沥青混合工艺流程如图3 2 所示： 图3 - 2 粘结层施工流程图 首先将组分a 和b 分别加热保温到9 0 士5 和1 3 0 5 ，再按比例( a b ：t 5 8 5 ) 进行混合反应生成 结合料，然后根据混合料拌最佳油石比和每盘混合料拌和量要求，在规定时间内，将结合料按批量喷洒进 拌缸，作后每次作业完，应立即清洗混合料输送管路与喷洒棒。以c h e m c os y s t e m s 生产的环氧沥青为例， 混合料拌和油石比一般控制为1 ：6 3 ，目前拌和站通常每盘拌混合料0 9 1 6 吨，环氧沥青结合料喷入拌 缸的时间一般控制在1 0 2 0 秒 3 3 环氧沥青混合设备技术指标 为提高沥青混合料拌和质量和速度，现在的沥青混合料生产一般都使用机电一体化程度很高的拌和 楼，自动化拌和。由于拌和楼没有将环氧树脂、沥青两种液体组分混合并批量喷洒的功能，所以环氧沥青 混合料的生产必须配备专门的环氧沥青混合设备。根据环氧沥青混合料拌和工艺和拌和楼的性能要求，要 求环氧沥青混合设备必须能够自动化连续稳定生产，与拌和楼的自动化生产相匹配。因而，国产环氧沥青 混合设备除了能均匀混合和进行混合管路与喷洒棒清洗外，还应满足如下的性能指标： 不均匀度系数 5 沥青容积罐电加热保温1 3 0 5 环氧树脂容积馥电加热保温 9 0 5 混合料批量控制8 0 2 0 0 k g m i n 混合料流量控制2 4 0 6 0 0 k g m i n b 混合比例1 1 2 1 1 1 0 高压空气源7 0 0 k p a 供电电源标准3 相3 8 0 v ，5 0 6 0 h z 3 4 混合设备控制运行原理 设计思路：根据环氧沥青的混台生产工艺要求。从系统的整体性能考虑各子系统，选用各种标准组件 模块。有机组合成机电一体化系统这样可以缩短设计与研制周期。节约工装设备费用，有利于生产管理、 使用和维护。 根据环氧沥青混合工艺要求，在借鉴美困设备运行控制的基础上，制定图3 - 3 所示的国产环氧沥青混 9 东南大学硕士学位论文 合设备运行原理示意图 批量控制箱阀门控制信号 图3 - 3 环氧沥青混合设备运行原理示意图 本构想依据机电一体化设计要求和环氧沥青混合工艺要求，将整个设备分成以下几个部分设计： 1 ) 加热温控系统： 加热系统首先要将两组分罐和循环管路的初始预加热到设计工况，然后，作为伴热系统进行工作， 补偿管道和罐体的热损失，并要求具有自温控功能； 2 ) 管路泵送、混合系统： 该系统的功能是通过动力泵，按设计要求将各组分沿管路泵送到指定设备，并将两组分在管路系 统内进行混合反应，要求具有足够的耐温和耐压要求： 3 )比例联动驱动系统： 该系统的作用是为组分泵提供驱动动力，并要求能按不同工况，不同比例进行实时比例调速，基 本要求是控制简单和使用寿命长； 4 ) 流量变送系统： 流量变送系统的功能是能够感测管路中的液体的流体性质，并通过变送系统，按使用要求变送出 流体的实时流体信号( 流量、压力、温度、密度等信号) ； 5 ) 批量控制系统： 要求该系统接收流量变送嚣输出的电流( 电压) 或脉冲信号，根据预先设置的批量在批量即将完 成和完成时输出两个继电器控制信号以完成阀位控制；同时在显示面板进行瞬时量、累计量或预设量 的显示； 6 ) 清洗系统：每次喷射完毕后，自动使用高压空气冲洗喷射管路。 3 5 本章小结 本章首先分析了机电一体化设备的技术构成，然后根据机电一体化设计的要求和环氧沥青混合工艺的 要求，制定环氧沥青混合设备系统的设计思路，确定其运行原理。 1 0 第4 章容积罐、基座 第4 章容积罐、基座 组分容积罐和基座是整个设备机械本体的重要组成部分。组分容积罐的作用是便于设备调试与拌和时 储存组分，根据环氧沥青拌和比例要求与混合料拌和量的要求，设计树脂容积罐为0 5 m 3 ，沥青罐的设计 容积为2 0 f ，可以满足连续生产约1 5 吨沥青混合料。根据沥青罐设计要求，并考虑安装、运输方便，沥 青和环氧树脂容积罐均采用圆桶柱形结构形式，如图4 - 1 所示。基座作为整台设备的底座，要有足够的空 间安装其它的组配件和足够的强度支撑设备的重量，要求有足够的稳定性和平整度，同时要考虑运载能力 的要求。 4 1 沥青容积罐 4 i 1 容量计算 器 图4 - 1 容积罐结构示意图 1 ) 径高比 合理选择径高比( d ，日) ，根据数学理论，钢材用量一定， 本文考虑使用限制，沥青罐径高比计算式( 4 1 ) ： d | h = 0 8 5 式中：d 沥青罐内径( m ) ； h 沥青罐高度( m ) 。 当径高比( d h = 1 ) 时，其容量最大。 ( 4 1 ) 2 ) 公称容量 圆形沥青罐的公称容量是指按照罐体的几何尺寸计算，并以整数表示的容量。沥青罐的储存容量是指 沥青罐实际上可储存的最大容量对于平项圆桶形罐沥青罐储存容量等于公称容量。 沥青罐公称容量k 的计算： k = g d 了2 h 一 ( 4 2 ) 本文k = 华= 2 o ( m 3 ) ( 4 1 ) ( 4 2 ) 式计算得日= 1 5 2 4 ( m ) ，。= 1 2 9 5 2 9 ( m ) o 3 ) 工作容量 沥青罐的工作容量k 是指罐内沥青液面波动范围内的容量，可用式( 4 3 ) 计算： 匕：型芈型 ( 4 3 ) g d 东南大学硕士学位论文 本文取b = 0 2 5 ( m ) ，将h = 1 5 2 4 ( m ) ，d = 1 2 9 5 ( m ) 代入式( 4 3 ) 计算得 咱= 1 6 7 1 9 ( m 3 ) 4 1 2 罐体设计 1 ) 材质的选择 沥青罐为钢板焊接结构，从使用角度考虑，对罐体用材要求很高，所选的钢板应满足强度、可焊性和 冲击韧性的基本要求。一般可选用q 2 3 5 钢板材料。 2 ) 罐壁设计 沥青罐的罐壁厚度按强度要求的最小厚度氏考虑，氏一般可以按式( 4 4 ) 计算： h h 所计算壁板底边至罐壁顶端的垂直距离( m ) c 钢板允许偏差及腐蚀量之和，一般取c = 0 ； y 沥青容重( t m 3 ) ，通常取，= 1 ； p 】许用应力( m p a ) ： g - - l 力加速度，取g = 9 8 ( r n s 2 ) 。 ( 4 4 ) 但是，考虑到建成后罐壁的圆度，所选罐壁的厚度不得小于表4 1 依刚性要求决定的最小厚度值。 表4 1 最小壁厚选择表 罐内径d ( m )d 1 21 2 d ( 1 51 5 d 3 63 6 d 6 0 最小壁厚度( m ) 4568 本文取d = 4 ( n u n ) 3 ) 罐底设计 沥青罐的灌项采用平底结极。沥青罐的罐底设计成持板式，罐底中间部分为中辐板。中辐板的厚度应 不小于6 m m 。罐底板最小直径d 。按式( 4 5 ) 计算： d 。= d + 2 磊+ o 1 2 ( 4 5 ) 式中d 底层罐壁内径( m ) ； d 底层罐壁厚度( m ) 本文d ；= 1 4 2 3 ( m ) 4 ) 灌顶设计 沥青罐的灌顶采用平顶结构，预留四个管孔，取板厚6 m m 。 4 1 3 保温层设计 为减少沥青的热量通过罐壁向大气散失，节省能源和保证沥青的工作温度，对沥青罐要采取保温措施。 通常是在罐壁外侧设置保温层选用良好的保温材料进行保温。本文选用绝热材料玻璃棉。玻璃棉是 1 2 第4 章容积罐、基座 一种玻璃质的絮状材料，导热性低，最高耐热4 0 0 ，隔热层外包一层l m m 薄铁皮，作为外罩。 保温层的厚度通过以下步骤计算： 1 ) 热沥青每小时放出的热量q r q t = m c ( t ；一f 2 ) ( 4 6 ) 式中m 沥青的质量( k g ) ； c 沥青的平均比热k j k g ，取 、t 2 温度时比热的平均值，如表4 2 所示； 沥青的初始温度( ) ； “沥青经过1 h 保温后的沥青温度。 表4 2 沥青不同温度下的比热 沥青温度( ) 1 0 2 02 0 6 06 0 1 0 0 1 0 0 1 5 0 沥青比热( k t k g ) 1 1 1 2 5 1 2 5 1 4 5 1 4 5 1 6 51 6 5 1 8 5 本文取沥青保温1 3 0 ( 2 ，比热c = 1 7 5 ( k j l k g ) ，沥青温度1 3 0 c ，外界空气温度2 0 ，自然状 态下，沥青每小时温度降r l - - f 2s2 ，沥青工作容量1 6 7 1 9 m a ，沥青容重l t m 3 ，代入式( 4 6 ) 计算热 沥青每小时放出的热量q r 如下： q t = m c ( 一f 2 ) = k 上c ( 一r 2 ) = 5 8 5 2 x 1 0 3 ( 1 c j ) g q = 3 6 0 0 k a ( t o 一) ( 4 7 ) 式中a 沥青罐表面积( m 2 ) ； 。- 哳青平均温度，取。= 生笋( ) ； 气外界空气温度( ) 。 融融甜* l 肛疆虿1 疆。 一+ l + + i + 一 q 式中q 曲沥青到罐内壁的放热系数( k j ( m 2 ) ) 取0 0 9 7 ； 口2 曲罐外表面到空气的放热系数( 1 d ( m 2 ) ) 。取0 0 5 8 ； 最沥青罐的罐壁厚度( m ) ： 罐壁的导热系数( k j ( m s ) ) ，2 1 - - 0 0 4 6 0 0 5 8 ： 盈保温材料的厚度( m ) ； 厶保温材料导热系数( 1 d ( m _ s ) ) ； 东南大学硕士学位论文 蠡沥青罐的外壁厚度( m ) ： 厶外壁的导热系数( k j ( m - s ) ) ，2 l = 南。 3 ) 保温层厚度反 对于沥青罐，本文选用玻璃棉毡作为保温材料。导热系数按式( 4 8 ) 计算： 如= 0 0 3 3 + 0 0 0 0 2 3 t ) ( 4 8 ) 本文取f = 1 3 0 ( ) ， = 五= o 0 5 8 ( l i ( m - s ) ) ，q = 0 0 9 7 ( k j l ( m 2 i s ) ) ，= 0 0 5 8 ( 1 d l ( m 2 _ s ) ) 由q r = q | ，可求得保温层厚度五： 盈= 也 削一百1 一妻一妻一壶 = 。s s s c m ， c t 。， 取沥青罐保温层厚度4 0 r a m ，自然温降每小时小于2 e 。 4 2 环氧树脂容积罐 环氧树脂容积罐的计算和沥青容积罐算法基本一样。 4 2 1 容量设计 i ) 径高比 本文考虑使用限制，环氧树脂罐径高比可按式( 4 1 ) 计算： d | h = 6 7 式中d 环氧树脂罐内径( m ) ： 日环氧树脂罐高度( m ) 2 ) 公称容量 圆桶形环氧树脂罐的公称容量是指按照罐体的几何尺寸计算，并以整数表示的容量。环氧树脂罐的储 存容量是指环氧树脂罐实际上可储存的最大容量。对于平顶圆桶形罐体环氧树脂罐的储存容量等于公称 容量。环氧树脂罐公称容量e 的计算： v ：- 丁t t d 2 h 本文中k = o 5 ( 一) ，由( 4 1 ) ( 4 2 ) 式计算得日= 0 9 5 3 5 ( m ) ，d = 0 8 1 7 3 ( m ) 。 3 ) 工作容量 环氧树脂罐的工作容量k 是指罐内环氧树脂液面波动范围内的容量，可用式( 4 3 ) 计算： v ：1 2 ：f 丝二里! g 4 本文取b = 0 2 ( m ) ，将h = 0 9 5 3 5 ( m ) ，d = 0 8 1 7 3 ( m ) 代入公式计算得： v q = 0 3 9 5 1 ( 1 n 3 ) 第4 章容积罐、基座 4 2 2 罐体设计 i ) 材质的选择 环氧树脂罐为钢板焊接结构，从使用角度考虑，对罐体用材要求很高，所选钢板