一种固化土拌合过程的分段搅拌与均匀性提升方法与流程

本发明属于自动控制，具体涉及一种固化土拌合过程的分段搅拌与均匀性提升方法。

背景技术：

1、固化土是以就地土或外运土为主要原料，掺入水泥或石灰等固化剂并加水拌合后形成的工程材料，广泛应用于基坑回填、管沟回填、道路基层以及场地平整等工程，固化剂与水分在土体中的分散一致性直接决定成品的强度与耐久性能，拌合环节因此成为质量控制的关键。目前工程中普遍采用固定时长的分段拌合工艺，按经验设定干拌、加水与湿拌的持续时间，并以单点集中加水的方式加水；已有做法还包括在搅拌设备上监测搅拌功率或扭矩曲线以辅助判断拌合程度，以及依据含水率在线检测结果自动计算加水量。这些手段在原料性质稳定时基本可用，但仍存在以下问题：其一，原土的粒团级配与含水率随取土部位和天气明显波动，固定时长的分段切换与物料实际状态脱节，欠拌与过拌并存，而扭矩或功率曲线只能反映整体阻力的变化趋势，干拌完成与湿拌完成同样表现为曲线平台，仅凭曲线难以区分二者；其二，单点集中加水在落水点附近形成过湿泥团，加剧团聚；其三，拌合结束后若存在局部干燥或固化剂富集区域，常规做法只能整盘延长搅拌或整体补水，补拌效率低，整体含水率被动升高，破坏既定配合比。因此，需要一种能够依据物料实际状态切换拌合分段、并对局部失衡区域实施定点处置的拌合方法。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种固化土拌合过程的分段搅拌与均匀性提升方法，由拌合物料的物态识别结果驱动干拌段、半湿拌段与湿拌段之间的切换，并对拌合面上定位出的干区实施分区定向补水，以解决固定时长分段切换与物料实际状态脱节、以及局部失衡区域整盘补拌效率低的问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种固化土拌合过程的分段搅拌与均匀性提升方法，包括以下步骤：

4、步骤1、检测得到原土的含水率与超限粒团占比，依据检测结果确定并执行前处理方案；

5、步骤2、将经步骤1处理后的原土与固化剂投入搅拌机的搅拌腔形成拌合物料，依次执行干拌段、半湿拌段与湿拌段；采集搅拌轴的扭矩信号，在逐个衔接的判别周期内提取趋势水平、波动幅度与有序度指标3项特征，依据3项特征将拌合物料判别为散粒态、液桥过渡态或塑性流动态，当物态的判别结果在预设确认时长内持续成立时，确认拌合物料处于对应的物态；当拌合物料被确认处于散粒态时，由干拌段切换进入半湿拌段；半湿拌段中，通过分别覆盖不同喷淋分区的多个雾化喷嘴组向拌合物料喷淋加入拌合用水，当拌合物料先后被确认处于液桥过渡态与塑性流动态时，切换进入湿拌段；湿拌段中进行匀化搅拌，当塑性流动态的判别结果持续成立的时长达到预设匀化时长时进入步骤3；

6、步骤3、采集拌合面图像并按各喷淋分区的覆盖位置划分为对应的图像子区，计算每个图像子区的灰度均值以及全部灰度均值的总体平均值，将灰度均值高出总体平均值的量大于预设灰度偏差阈值的图像子区判定为干区；依据干区的判定结果执行均匀性判定，判定拌合均匀性待提升时触发补拌策略：仅开启覆盖干区的雾化喷嘴组向干区喷淋补拌用水，随后进行补充搅拌并重新执行均匀性判定，直至判定拌合均匀性达标后出料。

7、进一步地：前处理方案包括预破碎处理、预润湿处理与预干拌处理；步骤1中，将原土经上料皮带输送至搅拌机，通过设置于上料皮带上方的检测相机采集原土图像，对原土图像进行灰度化处理与阈值分割，提取各粒团对应的连通区域，将连通区域的等效圆直径作为粒团的等效粒径，统计等效粒径大于预设粒径上限的粒团的面积占原土图像中全部粒团总面积的比例，作为超限粒团占比；通过设置于上料皮带出料端的含水率检测装置检测原土的含水率；当超限粒团占比大于预设占比阈值时执行预破碎处理，将原土送入齿辊式预破碎装置进行破碎，破碎后的原土经上料皮带重新输送并重新检测，直至超限粒团占比降至预设占比阈值以内；当含水率低于预设含水率下限时执行预润湿处理，向原土表面喷洒雾化水并翻拌，喷洒的雾化水的水量计入拌合用水总量，直至含水率达到预设含水率下限；当含水率高于预设含水率上限时执行预干拌处理，对原土进行翻拌散湿，直至含水率降至预设含水率上限以内；当超限粒团占比与含水率的检测结果同时触发多项前处理方案时，预破碎处理先于预润湿处理与预干拌处理执行；当超限粒团占比处于预设占比阈值以内、含水率达到预设含水率下限、且含水率处于预设含水率上限以内时，原土进入步骤2。

8、进一步地：步骤2中，扭矩信号的采集、3项特征的提取以及物态的判别与确认自干拌段起动时刻起持续执行；通过安装于搅拌轴驱动端的扭矩传感器按固定采样周期连续采集扭矩信号，将扭矩信号中经低通滤波保留的缓变部分作为趋势分量，将扭矩信号中滤除趋势分量后剩余的快变部分作为波动分量，低通滤波的截止频率设定为低于搅拌轴的转动频率；以预设判别时长为1个判别周期，预设判别时长覆盖多个采样周期；趋势水平为趋势分量在判别周期内的平均值，波动幅度为波动分量在判别周期内的最大值与最小值之差。

9、进一步地：有序度指标的提取过程为：在判别周期内沿时间先后顺序、以1个采样点为步进逐点滑动截取由扭矩信号中连续预设个数的采样点组成的排列组，将每个排列组内的各采样点按数值由小到大排序，数值相等的采样点按时间先后排序，将排序后各采样点在原排列组内的先后位置关系记录为1种排列模式，统计全部排列组中每种排列模式的出现次数，将出现次数最多的排列模式的出现次数占排列组总数的比例作为有序度指标。

10、进一步地：依据3项特征判别拌合物料的物态的规则为：当相邻判别周期之间趋势水平的变化量小于预设平稳阈值、波动幅度大于预设波动阈值、且有序度指标小于预设有序度阈值时，判别拌合物料处于散粒态；当趋势水平随判别周期逐个增大、相邻判别周期之间的增大量大于预设平稳阈值、且波动幅度大于预设波动阈值时，判别拌合物料处于液桥过渡态；当相邻判别周期之间趋势水平的变化量小于预设平稳阈值、波动幅度小于预设波动阈值、且有序度指标大于预设有序度阈值时，判别拌合物料处于塑性流动态。

11、进一步地：步骤2中，将固化剂经螺旋计量输送装置按预设掺量比例投入搅拌腔；多个雾化喷嘴组沿搅拌轴的轴向排布于搅拌腔顶部，每个雾化喷嘴组对应覆盖搅拌腔顶面的1个喷淋分区，全部喷淋分区拼合覆盖整个拌合面；干拌段中，搅拌轴以干拌转速运转，全部雾化喷嘴组保持关闭，对原土与固化剂进行干态翻拌；半湿拌段中，搅拌轴以半湿拌转速运转，全部雾化喷嘴组以喷淋脉冲的方式同步喷淋，每个喷淋脉冲为雾化喷嘴组开启并持续预设喷淋时长后关闭，相邻喷淋脉冲之间间隔预设间歇时长，拌合用水按全部喷淋分区均摊、以雾滴形态分散加入拌合物料，拌合用水的目标加注量依据拌合物料的目标含水率与步骤1检测得到的含水率确定，喷淋持续至目标加注量加注完毕；湿拌段中，搅拌轴以湿拌转速运转，湿拌转速高于半湿拌转速。

12、进一步地：半湿拌段中，当目标加注量加注完毕、且自加注完毕时刻起经过预设等待时长后拌合物料最近1次被确认的物态为散粒态或液桥过渡态时，控制全部雾化喷嘴组以喷淋脉冲的方式追加喷淋，追加喷淋的水量计入拌合用水总量，拌合用水总量受预设加水总量上限约束；每次追加喷淋结束后重新起算预设等待时长，重复上述判定与追加喷淋；当拌合用水总量达到预设加水总量上限、且拌合物料最近1次被确认的物态为散粒态或液桥过渡态时，输出人工干预提示并停机待检。

13、进一步地：步骤3中，采集拌合面图像前将搅拌轴转速降至巡拌转速，巡拌转速低于干拌转速、半湿拌转速与湿拌转速，使拌合面缓慢翻动并保持在设置于搅拌腔顶部的工业相机的视场内；拌合面图像由工业相机在补光光源照射下采集，并经灰度化处理后用于划分图像子区；以搅拌轴转速降至巡拌转速前最后1个判别周期的波动幅度作为评价波动幅度；均匀性判定的规则为：当干区数量为0、全部图像子区的灰度均值中的最大值与最小值之差小于预设均匀性阈值、且评价波动幅度小于预设波动阈值时，判定拌合均匀性达标，将搅拌轴转速恢复至湿拌转速并出料；当存在干区，或最大值与最小值之差达到预设均匀性阈值以上，或评价波动幅度达到预设波动阈值以上时，判定拌合均匀性待提升，触发补拌策略。

14、进一步地：补拌策略中，保持搅拌轴以巡拌转速运转，按预设刷新周期重新采集拌合面图像，在每个刷新周期内以最新采集的拌合面图像重新划分图像子区、重新计算灰度均值与总体平均值并重新判定干区，干区的判定针对每个图像子区独立执行，将本次判定出的干区所处的图像子区对应的喷淋分区作为干区当前所处的喷淋分区；向干区喷淋补拌用水时，以喷淋脉冲的方式执行喷淋，单个干区对应的喷淋脉冲次数按干区的灰度均值高出总体平均值的量所落入的预设分档区间设定，预设分档区间按高出总体平均值的量由低到高依次划分，落入的预设分档区间越高，设定的喷淋脉冲次数越多。

15、进一步地：补拌策略中，拌合物料在拌合面上的翻动方向由搅拌轴的转向确定，干区随拌合物料的翻动沿翻动方向移动；将干区当前所处的喷淋分区记为原喷淋分区，将干区沿翻动方向即将进入的喷淋分区记为接续喷淋分区；当干区移动至原喷淋分区与接续喷淋分区的交界区域时，先开启接续喷淋分区对应的雾化喷嘴组，待干区整体进入接续喷淋分区对应的图像子区后，再关闭原喷淋分区对应的雾化喷嘴组，使喷淋落点持续跟随并覆盖移动中的干区；补拌用水的累计喷淋量计入拌合用水总量，并受预设加水总量上限约束；全部干区对应的喷淋脉冲执行完毕后，将搅拌轴转速恢复至湿拌转速进行补充搅拌，补充搅拌的时长达到预设补拌时长后，将搅拌轴转速再次降至巡拌转速，重新执行均匀性判定；当补拌策略的累计执行次数达到预设次数上限时，输出人工干预提示并停机待检。

16、采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：本发明以搅拌轴扭矩信号为信息源，将趋势水平、波动幅度与有序度指标3项特征组合起来对拌合物料的物态进行判别，散粒态与塑性流动态在趋势水平上同样表现为平稳平台，却能依靠波动幅度与有序度指标的高低差异被明确区分，分段切换由此与物料真实物态对准，切换时机随原土性质自动适应，欠拌与过拌得以同时消除；确认机制要求判别结果持续成立方可生效，既滤除偶发扰动，又在干拌段兼作固化剂分散到位的终点依据；半湿拌段以喷淋脉冲将拌合用水按喷淋分区均摊加入，抑制集中落水形成过湿泥团的倾向，追加喷淋依物态确认结果闭环补足水量，含水率检测偏差被拌合过程自身消化；均匀性评价中，拌合面图像反映表面水分分布，评价波动幅度反映内部流变状态，2条通道表里互补，补拌用水仅施加于定位出的干区并按灰度偏差程度分档给量，喷淋落点随干区移动接力切换，补水一次到位，拌合物料整体含水率与既定配合比得到保持；加水总量与补拌次数均设上限，过程必然终止，批与批之间的拌合质量一致性明显提升。