CN112518972A - 一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，基于螺旋输送混凝土的能量转换关系式，再根据直流电机带动负载时输出能耗计算螺旋驱动电机输出的机械能、直流电机空载时输出能耗计算螺旋驱动电机的螺旋机械能、以及混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力计算混凝土内能，计算出混凝土内能，再根据混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能、以及混凝土动能，计算出高精度的布料机螺旋输送量，本发明提供的方法通过考虑螺旋输送混凝土时的螺旋驱动电机输出的机械能消耗，再通过能量转换关系式与布料机输送混凝土的质量关系对布料机螺旋输送量进行计算，来提高螺旋输送量的计算精度。

Description

一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法

技术领域

本发明属于混凝土布料机自动控制技术领域，具体涉及一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

背景技术

预制构件混凝土布料是预制构件工业化生产线的重要工艺环节，该环节主要采用螺旋式布料机，将料斗内混凝土按照要求浇筑到模具内，其工作性能直接影响预制构件的产品质量。随着装配式建筑发展不断深入，当前人工控制混凝土布料机浇筑预制构件的生产方式已经无法满足产业发展需求，业界对数字化自动浇筑的混凝土布料机需求越来越迫切。

传统螺旋输送量机理模型过于简单，没有全面描述螺旋输送物料过程中的工艺情况，导致其输送量计算预报值与实际值相差大，无法用于布料重量控制的目标值给定预报，限制了混凝土布料重量自动控制的实现。

因缺少高精度螺旋输送量预报值的计算模型，混凝土布料重量自动控制***无法获得准确目标预报值，严重制约了混凝土布料重量自动控制功能的实现，导致当前预制混凝土构件产品重量精度低。

发明内容

针对以上现有技术的不足之处，本发明提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，以提高混凝土布料机螺旋输送量的预报精度，从而为混凝土布料重量控制***提供准确的目标预报值。

本发明一方面提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，包括：

根据直流电机带动负载时输出能耗，计算螺旋驱动电机输出的机械能W；

根据直流电机空载时输出能耗，计算螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀；

根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力，计算混凝土内能E_u；

根据螺旋输送混凝土的能量转化关系式W＝W_O+E_P+E_u，计算混凝土动能E_p；

根据混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能、以及混凝土动能E_p，计算布料机螺旋输送量Q_n。

进一步的，根据直流电机带动负载时输出能耗，对螺旋驱动电机输出的机械能W进行计算时所用的计算公式，包括：

W＝UIt-I²Rt

式中，U、I、R和t依次为螺旋驱动电机的电压、线圈电流、线圈电阻及运行时间。

进一步的，根据直流电机空载时输出能耗，对螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀进行计算时所用的计算公式，包括：

式中，U₀、I₀分别为螺旋驱动电机空载时的电压和电流，R为线圈电阻，t为运行时间。

进一步的，根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力，对混凝土内能E_u进行计算时所用的计算公式，包括：

E_u＝P_ft＝(P₁+P₂)t

式中，P_f为混凝土摩擦消耗功率；P₁和P₂分别为混凝土与螺旋输送通道内壁及螺旋摩擦消耗的功率。

进一步的，在对混凝土与螺旋输送通道内壁摩擦消耗的功率P₁进行计算时，包括：

根据计算公式P₁＝F₁lV_z＝NμlV_z，计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗功率P₁；

式中，F₁为单位长度混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦力；N为单位长度混凝土对螺旋输送通道内壁的压力；μ为混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦系数；l为混凝土在螺旋输送通道内壁内的输送长度，V_z为螺旋轴向速度角速度。

进一步的，在计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗的功率时，包括：

忽略混凝土颗粒之间的间隙，并假设螺旋输送通道内的混凝土近似为液态，以保证在输送通道填充范围内，混凝土与输送通道内壁充分接触。

进一步的，在计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗的功率时，还包括：

根据混凝土在螺旋输送通道内的径向截面积A和物料堆积高度h，通过计算公式N₁＝ρgA计算单位长度混凝土对螺旋输送通道的底面压力，以及通过计算公式

计算单位长度混凝土对螺旋输送通道的侧面压力，式中，ρ为物料的堆积密度；g为重力加速度；A和h分别为混凝土在螺旋输送通道内的径向截面面积和物料堆积高度；K_侧为侧压系数；

根据计算公式N＝N₁+2N₂，计算单位长度混凝土对螺旋输送通道内壁的压力。

进一步的，在对混凝土与螺旋叶片之间产生的摩擦消耗的功率P₂进行计算时，包括：

按照混凝土与螺旋叶片相互作用力关系，计算混凝土与螺旋叶片之间产生的摩擦消耗的功率，其中，所用的计算公式为：

式中，F₂为单位长度混凝土与螺旋叶片间的摩擦力，β为螺旋升角。

本发明另一方面提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

本发明又一方面提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算装置，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

本发明提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，基于螺旋输送混凝土的能量转换关系式W＝W_O+E_P+E_u，再根据直流电机带动负载时输出能耗计算螺旋驱动电机输出的机械能W、根据直流电机空载时输出能耗计算螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀、以及根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力计算混凝土内能E_u，计算出混凝土内能E_u，再根据混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能、以及混凝土动能E_p，计算出高精度的布料机螺旋输送量Q_n，发明提供的方法通过考虑螺旋输送混凝土时的螺旋驱动电机输出的机械能消耗，再通过能量转换关系式与布料机输送混凝土的质量关系来对布料机螺旋输送量Q_n进行计算，进而提高螺旋输送量的计算精度，且其计算值既可以作为布料重量自动控制***的目标预报值，又有助于重量自动控制***的稳定运行。

附图说明

图1为螺旋混凝土布料机生产过程示意图；

图2为本发明示例性实施例提供的一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法的流程示意图；

图3为本发明示例性实施例提供的另一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法的流程示意图；

图4为混凝土与螺旋叶片摩擦相关的参数关系图；

图5为螺旋输送物料过程能量转化示意图。

图中，1-布料机控制柜，2-布料大车，3-布料小车，4-布料器料斗，5-打散棒，6-螺旋驱动电机，7-螺旋，8-出料口闸门，9-底模托盘，10-预制混凝土构件边模，11-行走梁支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，所采用的螺旋式布料机的预制混凝土构件浇筑生产过程示意图如图1所示。

由此可见，现有技术中的螺旋式布料机在单位时间内通过布料口出口横截面的混凝土体积即为螺旋输送量，行业内通常采用式Q＝SρV_Z对螺旋输送量进行计算，式中：Q为布料机的螺旋输送量，kg/s；S为螺杆中混凝土层的横截面积，m²；ρ为混凝土的堆积密度，kg/m³；V_z为螺杆内混凝土的轴向输送速度，m/s。

由于，螺旋式布料机的料层横断面的面积S为：

式中：D为螺旋叶片直径，m；d为螺旋轴直径，m；Ψ为填充系数；c为倾斜修正系数。因此，采用传统机理螺旋输送量模型预报输送量时，所用的计算公式为

式中，φ为填充率，S为螺旋的螺距，n为螺旋转数，ρ为混凝土密度，D为螺旋外径，d为螺旋内径。

由于，V_z可由计算公式为

进行表示，式中：P为螺距，m；n为螺杆转数，r/min；因此，通过计算获得的布料机螺旋输送量传统机理模型的计算公式为

由于，传统布料机螺旋输送量机理模型是采用经验区间参数方法近似描述螺旋输送工艺状态，进而导致螺旋输送量计算精度低，因此，累加形成重量目标值之后使偏差也跟着增加，最终无法满足混凝土布料重量自动控制可靠和准确运行对重量预报目标值的要求。并且，传统螺旋输送量机理模型过于简单，因此，没有全面描述螺旋输送物料过程中的工艺情况，导致其输送量计算预报值与实际值相差大，无法用于布料重量控制的目标值给定预报，限制了混凝土布料重量自动控制的实现。

由于，缺少高精度螺旋输送量预报值的计算模型，混凝土布料重量自动控制***无法获得准确目标预报值，严重制约了混凝土布料重量自动控制功能的实现，导致当前预制混凝土构件产品重量精度低。因此，本发明的目的为提高混凝土布料机螺旋输送量的预报精度，从而为混凝土布料重量控制***提供准确的目标预报值。

本发明一方面提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，参见图2，包括：

S100、根据直流电机带动负载时输出能耗，计算螺旋驱动电机输出的机械能W。

在执行步骤S100根据直流电机带动负载时输出能耗，计算螺旋驱动电机输出的机械能W时，所用的计算公式，包括：

W＝UIt-I²Rt

式中，U、I、R和t依次为螺旋驱动电机的电压、线圈电流、线圈电阻及运行时间。

S200、根据直流电机空载时输出能耗，计算螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀。

在执行步骤S200根据直流电机空载时输出能耗，对螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀进行计算时所用的计算公式，包括：

式中，U₀、I₀分别为螺旋驱动电机空载时的电压和电流，R为线圈电阻，t为运行时间。

S300、根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力，计算混凝土内能E_u。

在执行步骤S300根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力，对混凝土内能E_u进行计算时所用的计算公式，包括：

E_u＝P_ft＝(P₁+P₂)t

式中，P_f为混凝土摩擦消耗功率；P₁和P₂分别为混凝土与螺旋输送通道内壁及螺旋摩擦消耗的功率。

进一步的，在对混凝土与螺旋输送通道内壁摩擦消耗的功率P₁进行计算时，包括：

根据计算公式P₁＝F₁lV_z＝NμlV_z，计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗功率P₁；

式中，F₁为单位长度混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦力；N为单位长度混凝土对螺旋输送通道内壁的压力；μ为混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦系数；l为混凝土在螺旋输送通道内壁内的输送长度，V_z为螺旋轴向速度角速度。

其中，在计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗的功率时，包括：

忽略混凝土颗粒之间的间隙，并假设螺旋输送通道内的混凝土近似为液态，以保证在输送通道填充范围内，混凝土与输送通道内壁充分接触。

进一步的，在计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗的功率P₁时，参见图3，还包括：

S301、根据混凝土在螺旋输送通道内的径向截面积A和物料堆积高度h，通过计算公式N₁＝ρgA计算单位长度混凝土对螺旋输送通道的底面压力，以及通过计算公式

计算单位长度混凝土对螺旋输送通道的侧面压力，式中，ρ为物料的堆积密度；g为重力加速度；A和h分别为混凝土在螺旋输送通道内的径向截面面积和物料堆积高度；K_侧为侧压系数；

其中，径向截面积A的计算公式为

物料堆积高度的计算公式为h＝ΨD，式中，Ψ为填充系数。

θ为混凝土内摩擦角。

S302、根据计算公式N＝N₁+2N₂，计算单位长度混凝土对螺旋输送通道内壁的压力。

进一步的，在对混凝土与螺旋叶片之间产生的摩擦消耗的功率P₂进行计算时，包括：

按照混凝土与螺旋叶片相互作用力关系，计算混凝土与螺旋叶片之间产生的摩擦消耗的功率，其中，所用的计算公式为：

式中，F₂为单位长度混凝土与螺旋叶片间的摩擦力，参见图4，β为螺旋升角。

因此，可获得混凝土内能的计算公式为

S400、根据螺旋输送混凝土的能量转化关系式W＝W_O+E_P+E_u，计算混凝土动能E_p。

具体的，在螺旋输送混凝土对物料进行输送的过程中，螺旋驱动电机带动螺旋叶片旋转，旋转的螺旋叶片将料斗内混凝土强制推出。据此可知，螺旋驱动电机输出的机械能主要消耗在螺旋和混凝土上，其中，消耗在螺旋上的能量主要以螺旋的螺旋旋转的形式表现出来，且与输送过程中的物料无关，为螺旋空载能耗，即螺旋机械能；而消耗在混凝土上的能量主要表现在两方面，一方面是物料输送过程中混凝土颗粒的轴向运动和径向运动，以混凝土颗粒动能形式表现出来，即混凝土动能；另一方面则是因混凝土颗粒复合运动造成的与螺旋以及通道内壁的摩擦，以混凝土颗粒内能的形式表现出来，即混凝土内能。

综上，由能量守恒定律可知，螺旋输送物料过程中的能量转化关系为：螺旋驱动电机的机械能转化为螺旋机械能、混凝土动能和混凝土内能，如图5所示。

将图4中相关能量数值模型化，得到螺旋输送混凝土的能量转化关系式为：

W＝W_O+E_P+E_u

式中，W为由螺旋驱动电机输出的机械能；W₀为螺旋机械能；E_p为混凝土动能；E_u为混凝土内能。

因此，在已知螺旋驱动电机输出的机械能W、螺旋机械能W₀和混凝土内能E_u的情况下，即可计算出混凝土动能E_p。

S500、根据混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能、以及混凝土动能E_p，计算布料机螺旋输送量Q_n。

其中，混凝土动能是采用混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能进行计算，其计算公式为

式中，J、ω和m依次为混凝土的转动惯量、角速度和输送重量。

进一步的，将螺旋叶片直径与螺旋轴直径形成的空间视为空心圆柱形空间，当螺旋输送混凝土时，混凝土填充在螺旋形成的空心圆柱空间中，因此，此时需要采用空心圆柱的转动惯量计算混凝土转动惯量J，其计算公式为

式中，D为螺旋叶片直径；d为螺旋轴直径。

又由于参考旋转运动中角速度与转数的关系，能够通过采用螺旋转数n，对混凝土角速度ω进行计算，其计算公式为

式中，n为螺旋的转数。之后，再参考螺距、转数以及轴向速度的关系，对螺旋轴向速度角速度V_z进行计算，其计算公式为

式中，n、S、V_z依次为螺旋的转数、螺距及轴向速度。

最后，将混凝土转动惯量

混凝土角速度

和螺旋轴向速度角速度

带入混凝土动能计算公式

中，即可获得最终混凝土动能计算式

因此，将螺旋输送混凝土的能量转化关系式W＝W_O+E_P+E_u、机械能W的计算公式W＝UIt-I²Rt、混凝土动能的计算式

以及混凝土内能的计算式

带入单位时间t内输送的物料重量关系式Q＝m/t，即可得布料机螺旋输送量Q_n的计算公式：

式中：U、I、R和t依次为螺旋驱动电机的电压、线圈电流、线圈电阻及运行间；U₀、I₀分别为螺旋驱动电机空载时的电压和电流；D为螺旋叶片直径；d为螺旋轴直径；n为螺旋的转数；S为螺旋的螺距；μ为混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦系数；l为混凝土在输送通道内输送长度；ρ为物料的堆积密度；g为重力加速度；Ψ为螺旋输送通道的填充率；β为螺旋升角。

本发明提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，基于螺旋输送混凝土的能量转换关系式W＝W_O+E_P+E_u，再根据直流电机带动负载时输出能耗计算螺旋驱动电机输出的机械能W、根据直流电机空载时输出能耗计算螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀、以及根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力计算混凝土内能E_u，计算出混凝土内能E_u，再根据混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能、以及混凝土动能E_p，计算出高精度的布料机螺旋输送量Q_n，发明提供的方法通过考虑螺旋输送混凝土时的螺旋驱动电机输出的机械能消耗，再通过能量转换关系式与布料机输送混凝土的质量关系来对布料机螺旋输送量Q_n进行计算，进而提高螺旋输送量的计算精度，且其计算值既可以作为布料重量自动控制***的目标预报值，又有助于重量自动控制***的稳定运行。

基于上述如图2至5所示方法，相应的，本发明实施例还提供了一种存储设备，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图2至5所示的一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算装置，该实体装置包括存储设备和处理器；存储设备，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图2至5所示的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，包括：

根据直流电机带动负载时输出能耗，计算螺旋驱动电机输出的机械能W；

根据直流电机空载时输出能耗，计算螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀；

根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力，计算混凝土内能E_u；

根据螺旋输送混凝土的能量转化关系式W＝W_O+E_P+E_u，计算混凝土动能E_p；

根据混凝土受螺旋挤出作用产生的轴向移动动能和旋转动能、以及混凝土动能E_p，计算布料机螺旋输送量Q_n。

2.根据权利要求1所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，根据直流电机带动负载时输出能耗，对螺旋驱动电机输出的机械能W进行计算时所用的计算公式，包括：

W＝UIt-I²Rt

式中，U、I、R和t依次为螺旋驱动电机的电压、线圈电流、线圈电阻及运行时间。

3.根据权利要求1所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，根据直流电机空载时输出能耗，对螺旋驱动电机的螺旋机械能W₀进行计算时所用的计算公式，包括：

式中，U₀、I₀分别为螺旋驱动电机空载时的电压和电流，R为线圈电阻，t为运行时间。

4.根据权利要求1所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，根据混凝土向输送通道出口方向运动时与螺旋叶片摩擦力和输送通道内壁分别产生的摩擦力，对混凝土内能E_u进行计算时所用的计算公式，包括：

E_u＝P_ft＝(P₁+P₂)t

式中，P_f为混凝土摩擦消耗功率；P₁和P₂分别为混凝土与螺旋输送通道内壁及螺旋摩擦消耗的功率。

5.根据权利要求4所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，在对混凝土与螺旋输送通道内壁摩擦消耗的功率P₁进行计算时，包括：

根据计算公式P₁＝F₁lV_z＝NμlV_z，计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗功率P₁；

式中，F₁为单位长度混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦力；N为单位长度混凝土对螺旋输送通道内壁的压力；μ为混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦系数；l为混凝土在螺旋输送通道内壁内的输送长度，V_z为螺旋轴向速度角速度。

6.根据权利要求5所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，在计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗的功率时，包括：

忽略混凝土颗粒之间的间隙，并假设螺旋输送通道内的混凝土近似为液态，以保证在输送通道填充范围内，混凝土与输送通道内壁充分接触。

7.根据权利要求5所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，在计算混凝土与螺旋输送通道内壁间的摩擦消耗的功率时，还包括：

根据混凝土在螺旋输送通道内的径向截面积A和物料堆积高度h，通过计算公式N₁＝ρgA计算单位长度混凝土对螺旋输送通道的底面压力，以及通过计算公式

计算单位长度混凝土对螺旋输送通道的侧面压力，式中，ρ为物料的堆积密度；g为重力加速度；A和h分别为混凝土在螺旋输送通道内的径向截面面积和物料堆积高度；K_侧为侧压系数；

根据计算公式N＝N₁+2N₂，计算单位长度混凝土对螺旋输送通道内壁的压力。

8.根据权利要求4所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法，其特征在于，在对混凝土与螺旋叶片之间产生的摩擦消耗的功率P₂进行计算时，包括：

按照混凝土与螺旋叶片相互作用力关系，计算混凝土与螺旋叶片之间产生的摩擦消耗的功率，其中，所用的计算公式为：

式中，F₂为单位长度混凝土与螺旋叶片间的摩擦力，β为螺旋升角。

9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

10.一种用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算装置，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8任一项所述的用于预制构件混凝土布料的螺旋输送量的计算方法。

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