智慧園區設備物料平衡研究

魏小華 WEI Xiao-hua；張慶成 ZHANG Qing-cheng；王超 WANG Chao

（三一重工股份有限公司工程車輛事業部，長沙 410100）

0 引言

智能化、無人化、安全性、環保性、節能化的智慧園區混凝土攪拌站是行業內高端設備環保的一個發展趨勢，體現在商品混凝土生產、管理的各個方面。混凝土攪拌樓作為生產混凝土的主要設備，自動化、智能化和精細化是混凝土攪拌樓的發展方向，在環保、節能和原材料緊縮形勢下，傳統的攪拌樓主體配套傳統的露天平面堆場基本不符合混凝土生產企業的規劃布置要求，既單一設備逐漸向智慧園區發展，后料場自動上料無人值守系統成為商品混凝土攪拌樓的核心配套設備之一，主體設備與配套設備結合的布置方案是否滿足物料平衡需要一套理論計算分析作為數據支撐，從而驗證在規劃布置上是否滿足設備連續式生產的產能。本文重點介紹以智慧園區的攪拌樓主體和配套設備后料場主體為例作為驗算，分析了原材料的平衡關系，為混凝土生產企業在優化布局上帶來一次行業上的革命！

1 本課題的研究進展及現狀

國內傳統商品混凝土攪拌樓主要包括樓頂層、樓頂骨料倉、上料區、攪拌層、計量層、出料層組成。上料區由裝載機師傅上料，控制系統指令上料區的弧形門啟動或停止，通過輸送皮帶與主樓連接，骨料通過上料區的地倉弧形門被運輸到樓頂進料層，通過回轉給料器轉動到不同骨料倉的位置，進入對應的樓頂骨料倉，完成上料過程。

傳統的自動上料存在的問題如下：

①師傅用工成本上漲。上料成本2～3元/方，操作人員2名/班。傳統的攪拌樓上料區需裝載機上料，師傅需要不斷從露天平面堆場或者廠房式的骨料堆場往攪拌樓的上料區上料。

②新批土地受限制。傳統的攪拌樓主體占地大，再加上裝載機工作區間和露天堆場的面積，原始的傳統攪拌樓布置不是最優化方案，否則導致混凝土生產企業耗費的土地成本大大增加。

③人為因素影響大。裝載機師傅由于疲勞等人為因素影響大，上錯料或對設備沖撞的事情時有發生。

2 物料平衡計算

2.1 概述

智慧園區的混凝土設備包含主體設備攪拌樓和配套高位料倉的上料系統，其物料平衡包含水、外加劑平衡、粉料的平衡和骨料的平衡。基本模型有自行的節拍時序圖，要求每種物料都要在自行的時間內完成輸送和計量，它涉及到機構或部件的選型是否正確和布置是否合理，進而與客戶的投資成本有著極大的關系。

攪拌樓主體經過控制系統的控制，水泥倉經螺旋輸送機輸送至水泥稱量斗，水和添加劑由供液系統輸送至樓頂儲液箱，再由儲液箱流至水稱量斗和添加劑稱量斗內，攪拌樓砂石骨料倉輸送至砂石骨料稱，物料全部稱量好后，按一定的順序打開骨料稱氣動門、水泥稱量斗氣動蝶閥、粉煤灰稱量斗氣動蝶閥、水稱量斗氣動蝶閥和添加劑稱量斗氣動球閥，同時開啟骨料稱振機、水泥稱和粉煤灰稱量斗振機，使各物料進入攪拌機中，由攪拌機攪拌均勻。攪拌好后經攪拌機出料門通過出料斗進入混凝土輸送車完成一個攪拌周期，以上整個過程均由電腦控制自動完成。

2.2 混凝土配方

攪拌站以生產普通C30混凝土為驗收標準，下面介紹所有物料平衡的計算以此配方為基礎，因地域因素對混凝土原材料配合比存在很大影響，結合各原材料密度以及質量需求，四方機每盤各原材料配合比如表1所示。

表1 四方機每盤各原材料配合比

2.3 水和外加劑平衡計算

攪拌樓取水從水池取出，按照時序要求，水計量在30s內完成，外加劑計量在36s內完成，按極限要求計算，水與外加劑供給按從水池和外加劑罐抽至計量稱，生產4方普通常溫C30混凝土要求水780kg，外加劑30kg，則要求水泵的輸送能力達到26kg/s，外加劑泵的輸送能力達到0.83kg/s，要求攪拌樓供給水泵的泵送能力＞26kg/s，攪拌樓供給外加劑泵的輸送能力＞0.83kg/s。

如何分析計算水補給能力，要結合水池大小進行分析，以智慧園區1號線和2號線分析，雙站共用一個水池。

四方混凝土攪拌樓結合試驗數據，實際生產率200 m3/h。

雙站消耗用水量：39*2=78t/h

按每天工作8小時計算：78*8=624t（按1噸水換算成1立方水計算）

設計水池的大小：12m*5m*3m=180m3

故選用水泵的供給能力＞雙站用水消耗量，建議客戶自備送水泵輸送能力78t/h，一天補給4次即可！

2.4 粉料平衡計算

攪拌樓的粉料計量是由螺旋輸送機從粉罐筒倉輸送至攪拌樓粉料計量稱的過程，按照時序要求，水泥計量在30s內完成，粉煤灰計量在16s內完成，礦粉計量在26s內完成。生產4方普通常溫C30混凝土要求水泥880kg、粉煤灰400kg、礦粉560kg，可計算螺旋輸送機輸送能力如下：

根據螺旋機輸送能力計算的許用能力值，才能完成物料的平衡，故而結合螺旋輸送機樣本數據和螺旋試驗數據選型，才能滿足攪拌樓連續式的生產需求。

2.5 高位料倉骨料平衡計算

2.5.1 進攪拌主樓骨料平衡計算

上述智慧園區設備的一號線為基本模型分析，考慮進攪拌主樓骨料皮帶的輸送能力是否大于攪拌樓骨料消耗的能力，而皮帶的投送能力與皮帶的寬度和投送距離有著密不可分的關系，也涉及選型不同與混凝土行業企業投資成本有很大的關系，以下面1號線進行分析，進攪拌主樓骨料系統包括樓平皮帶1-1、樓平皮帶2-1、樓轉折平皮帶1和攪拌樓斜皮帶1組成。

考慮當樓頂骨料倉使用一半骨料后開始加料，驗證1米寬的皮帶在不同骨料路線的情況下輸送至攪拌樓樓頂骨料倉的投料能力。

為保證骨料使用的安全性，按骨料（最遠的倉）運送至樓頂時間和一半骨料35t進料時間考慮，已知骨料G=35t；砂/石子的配料速度V配=210kg/s，注意砂/石子的配料速度與1米寬皮帶輸送能力是匹配的（試驗數據）。

樓頂輸送總時間T遠=T配+T2-1+T轉+T1=166.7+33.15+11.4+35.12=246.37s

樓頂4個倉總時間T遠=T總1*4=246.37*4=985.48s

按最遠的倉輸送到樓頂4個倉且每小時的實際輸送能力Q遠=35*4*3.65=511t/h

按骨料（最近的倉）運送至樓頂時間和一半骨料35T進料時間考慮，已知骨料G=35T；砂/石子的配料速度V配=210kg/s；

按最近的倉輸送到樓頂4個倉且每小時的實際輸送能力Q近=35*4*3.96=554t/h

皮帶的輸送能力按最遠和最近的倉輸送取平均值，則

結合4方攪拌樓實際生產率按200m3，每小時消耗石子：200m3×1000kg/m3=200t，砂子：200m3×680kg/m3=136t；

Q消耗=200+136=336t

結論：攪拌樓單條線按200m3/h產量，每小時砂石消耗砂石骨料336t，采用1米皮帶，進主樓骨料輸送量為：532.5T/h，安全系數為1.5，能完全滿足使用。

2.5.2 自動料倉上料骨料平衡計算

上述智慧園區設備的一號線為基本模型分析，自動上料系統要滿足兩條攪拌樓供料，因此后料場自動上料系統皮帶輸送能力大于兩條攪拌樓骨料消耗能力。

自動料場的骨料堆場設置四個大堆場，由17米直徑的鋼板圍制而成。假設砂、石每種物料各自上200T后更換大料倉，即每種骨料連續上200T后更換物料并更換對應料倉；考慮每個骨料堆場使用一半的時候由自動上料系統開始上料，驗證1.2米寬的皮帶由卸料區輸送至自動上料堆場投料能力在連續式生產的情況下是否大于兩條攪拌樓消耗骨料的能力。下面以自動上料骨料模型進行分析，其主要包括：平皮帶1-1，平皮帶1-2，自動堆場斜皮帶1和蛇形分料皮帶。

為保證骨料使用的安全性，按1#骨料堆場使用一半后，剩余骨料100t進料時間考慮，已知骨料G=100t，砂/石子的配料速度V配=270kg/s，注意砂/石子的配料速度與1.2米寬皮帶輸送能力是匹配（試驗數據）。

以上分析可以看出，小車移動時間小于1#骨料倉輸送時間，且1#骨料倉輸送時間相對2#、3#和4#骨料倉輸送時間是最短的。

2.5.3 卡車卸料區骨料平衡計算

上述智慧園區設備的上料區為基本模型分析，卡車的卸料能力要滿足兩條攪拌樓供料，如果攪拌樓連續式生產，因此卡車的卸料能力大于兩條攪拌樓骨料消耗能力，下面分析了不同情況的側翻車的卸料能力計算。

①50t側翻車卸料能力計算。

50t砂石側翻車運輸車卸料情況進行分析如下：

門1關閉，運砂車1開走，運砂車2開進耗時t1=1min；

門2打開耗時t2=3min；

運砂車2卸料耗時t3=1min；

一個循環周期t=t1+t2+t3=5min；

因此，50t砂石側翻車運輸車每小時卸料能力：

②100t側翻車卸料能力計算。

100t砂石側翻車運輸車卸料情況進行分析如下：

門1關閉，運砂車1開走，運砂車2開進耗時t1=1min；

門2打開耗時t2=6min；

運砂車2卸料耗時t3=2min；

一個循環周期t=t1+t2+t3=9min；

因此，100t砂石側翻車運輸車每小時卸料能力：

③兩輛32t立翻車卸料能力計算。

兩輛32t立翻車卸料情況進行分析如下：

運砂車1運砂車2開進耗時t1=1min；

門12打開耗時t2=1.5min；

運砂車1運砂車2卸料t3=1min；

砂車1運砂車2開走t4=1.5min；

一個循環周期t=t1+t2+t3+t4=5min；

由于卡車卸料區長度18米，可同時滿足兩輛32t立翻車卸料，則每小時卸料能力：

結論：通過分析不同的側翻車不同情況下卸料能力計算，選用兩輛32t立翻車可同時卸料，卡車卸料效率最高可達768t/h。

綜合以上，通過高位料倉骨料的三個平衡計算，得出三點結論，理論計算可以平衡運輸車上料及攪拌樓連續生產需求，從而為客戶在項目立項階段在方案設計和選型的合理性提供了一些參考。

①每小時自動料場皮帶輸送效率804t/h＞卡車卸料效率768t/h；

②每小時自動料場皮帶輸送效率804t/h＞2條攪拌樓骨料消耗能力672t/h；

③卡車卸料效率768t/h＞兩條攪拌樓骨料消耗能力672t/h。

3 結束語

在項目立項階段和智慧園區的混凝土設備連續式生產情況下，方案總體布置與物料平衡有著密不可封的關系，本文重點以一例智慧園區的主體設備攪拌樓和配套高位料倉的上料系統為模型分析，對所有物料的平衡能力做了綜合型驗算，分析了所有原材料輸送能力是否滿足連續式生產能力的需求。對于施工前的方案布置再優化，對于工程的投資造價會起到較好的效果，希望為混凝土生產企業在項目立項階段提供一份參考。