混合机用吊挂喷水装置及方法与流程

本发明属于非电变量的自动调节，具体涉及一种混合机用吊挂式喷水装置。

背景技术：

1、混合机在混合干物料时需要按配比向料层加水，加水方式一般是在混合槽上方沿槽长布置一根喷水管，管上按间距设置若干喷嘴，水经供水干管与调节阀送入喷水管后自喷嘴喷出并落在料面上，由搅拌臂将水与物料混合均匀。喷水管的安装方式有两类，一类是用刚性支架或者机盖直接固定，检修时须拆卸机盖，刚性支架长期承受物料冲击后容易变形；另一类是用钢丝绳把喷水管吊挂在混合槽两端上方的支架之间，喷水管经沿其长度方向间隔布置的连接件与钢丝绳相连，进水端经软连接与供水干管对接，现场安装与日常检修较为方便。为避免钢丝绳失效后喷水管坠入混合槽造成搅拌轴卡阻与清槽停机，可以并行敷设一根自由弧垂较大的备用钢丝绳，该绳在正常工况下不承载，主受力钢丝绳断裂或者锚固端松脱后自动接管。喷水控制一般采用定时定压方式或者总量闭环方式，前者由电磁阀按设定时间开闭并由减压阀把喷水压力设定为固定值，后者由流量计对累计加水量作闭环控制。

2、吊挂式喷水管的空间姿态并不是固定不变的。钢丝绳的预紧力会随绳股的塑性伸长、锚固点的松动以及喷水管表面附着物的增重而衰减，喷水管两端的锚固高度也会因支架变形而出现差异，备用钢丝绳接管后的承载几何又与原来不同，喷水管的跨中垂度与两端高差随上述各项原因发生改变。喷嘴的喷幅宽度与其至料面的垂直距离直接相关，姿态改变后沿喷水管长度方向各处的喷幅不再一致，在各处喷水流量相同的条件下单位面积喷洒量出现偏差，混合料的含水率沿混合槽长度方向分布不均。定时定压方式与总量闭环方式都只控制加水的总量，既不感知喷水管的姿态，也不具备沿长度方向分配喷水量的手段，上述偏差无法被察觉，也无法被补偿。

3、为提高沿长度方向分配喷水量的自由度，可以把喷水管划分为若干喷水区段并对各区段分别作脉冲控制。各区段电磁阀的开闭会使供水总流量与喷水管内压力周期起伏，作用于喷水管封头与进水弯头的轴向不平衡力随之交变，吊挂钢丝绳承受交变载荷，喷水管发生摆动，喷洒的均匀性反而下降。把各区段的开启相位简单地在脉冲周期内等间隔错开，在各区段占空比彼此相等时可以抑制上述起伏，而在各区段占空比不相等时并不能使同时开启的区段数保持恒定，供水总流量的周期波动依然存在。现有技术缺少一种既按区段差异化分配喷水量又保持供水总流量平稳的脉冲调度方法。

4、喷水管长度较大且进水端采用软连接，管路的柔性大，其水击波速低于全钢管路，并随软管老化、水温与管内残余含气量而变化。启喷时阀门开启过快会在管路中产生压力冲击，压力冲击既造成启喷初期的喷洒量超量，又经喷水管的封头与进水弯头对吊挂钢丝绳形成附加载荷。现有做法采用缓开阀或者人工整定的固定升压曲线，其快慢与管路当时的实际动态特性没有对应关系，整定过缓会延长启喷时间并占用混合节拍，整定过快或者管路波速下降后仍会出现超压。管路在检修放空后以及盘次之间还可能滞留空气，按固定时间充水无法判断空气是否已经排尽，残余气团在后续升压过程中被压缩后突然溃灭，会造成比常规水击更为剧烈的冲击；而对本已充满的管路仍按放空状态充水，又会经排气阀排掉大量的水。

5、主受力钢丝绳失效、备用钢丝绳接管之后，吊挂系统已经失去冗余，而备用钢丝绳原本是按非承载工况设计的。现有做法或者立即停机，槽内物料失去搅拌后逐渐固结，清槽十分困难；或者维持原有的喷水压力与脉冲参数继续运行，已经没有冗余的备用钢丝绳继续承受由管内压力脉动与喷水管摆动所产生的交变载荷。现有技术缺少一种在备用钢丝绳接管后既把喷水引起的动载降到与实测摆幅和实测张力波动相适应的水平，又保证本盘加水总量不变的控制方法，也缺少在允许的混合时间不足以补足加水量时把缺口定量确定并及时报出的处理方式。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的技术方案为：本发明提供一种混合机用吊挂喷水装置，包括分设于混合槽长度方向两端上方的两组吊挂支架，以及经锚固销轴连接于两组吊挂支架之间并行敷设的主受力钢丝绳和备用钢丝绳，备用钢丝绳的自由弧垂大于主受力钢丝绳的自由弧垂；喷水管经沿其长度方向间隔布置的吊挂连接件与两根钢丝绳连接，其进水端与供水干管连通、封头端设有末端排气阀，并沿长度方向等分为n个喷水区段，每个喷水区段设有喷嘴和串接于其进水侧的区段电磁阀，n为不小于2的整数；供水干管上设有电磁流量计和电动调节阀；四个测力传感器分设于两根钢丝绳的四个锚固销轴处，第一、第二、第三压力变送器分设于电动调节阀下游的供水干管、喷水管进水端和喷水管封头端，第一位移传感器和第二位移传感器均正对喷水管跨中且测量方向分别为竖直和水平方向；控制器的输入端与上述测力传感器、压力变送器、位移传感器和电磁流量计电连接，输出端与电动调节阀、n个区段电磁阀和末端排气阀的控制端电连接。

2、所述控制器被配置为：由四路张力按优先级判定吊挂承载状态；由第一压力变送器的压力阶跃响应辨识管路等效水击波速，并据以限定电动调节阀的流量台阶幅值与台阶间隔；由跨中垂度和喷水管两端静压差重构喷水管姿态，得到各喷水区段的喷幅宽度；令各区段电磁阀的占空比正比于该区段喷幅宽度、反比于其标定流量系数，并按累积占空比对脉冲周期取模排布各区段电磁阀的开启相位；以电磁流量计的累计体积作为喷水终止条件；在判定为备用钢丝绳接管时，依据跨中横向位移和备用钢丝绳张力的波动执行降压或关阀停机。

3、优选地，吊挂连接件为圆钢弯制的倒v字形支架，其顶部两折角经绳夹与两根钢丝绳夹持连接、下部经抱箍与喷水管固定连接，主受力钢丝绳的一端经花篮螺栓与该端吊挂支架连接；喷水管进水端经软连接与供水干管连通，电动调节阀位于软连接上游；测力传感器为销轴式并构成锚固销轴的本体。所述控制器包括承载状态辨识单元、波速辨识单元、姿态重构单元、区段流量标定单元、缓启升压单元、分区调度单元和安全降级单元，各检测元件按功能分别接入相应单元，姿态重构单元与区段流量标定单元的输出经分区调度单元作用于区段电磁阀，波速辨识单元的输出经缓启升压单元作用于电动调节阀阀位，安全降级单元的输出既回接缓启升压单元与分区调度单元，又直连两类阀的控制端。

4、本发明还提供一种采用上述装置的混合机用吊挂喷水方法，包括：s1、标定与预置，完成张力零点校准，于充水静置工况下采集张力基线统计量，逐个单独开启喷水区段标定其流量系数，并预置结构参数、管路参数与工艺参数；s2、承载状态辨识，由两根钢丝绳两端张力计算承载分配比、纵向受力不对称度和总承载变化率，与由张力基线统计量按统计准则确定的阈值比较，按备用钢丝绳接管、纵向受力不对称异常、持续附加载荷异常、主受力钢丝绳预紧衰减的优先级判定承载状态；s3、充水排气与波速辨识，关闭区段电磁阀、开启末端排气阀充水，由封头端压力升至设定值并收敛判定充水完成，检修放空后的首次充水另以累计进水体积校核，关阀后施加受限开度阶跃，由压力首次跃变与端部反射跃变的时间差辨识等效水击波速；s4、姿态重构，在静止工况下由第一位移传感器测得跨中垂度作为抛物线分量、由喷水管两端静压差算得两端高差作为线性分量，叠加得姿态曲线并求得各喷水区段喷嘴至料面的垂直距离及其喷幅宽度，位移传感器输出无效时由张力按柔索关系反演垂度；s5、分级缓启升压，由水击超压允许值与所辨识波速确定单台阶流量增量和台阶数，台阶间隔不小于压力波往返时间，且仅在阀后压力峰峰值衰减至允许范围后进入下一台阶，直至达到目标供水流量；s6、分区补偿与恒开启数调度，令各区段电磁阀的占空比正比于该区段喷幅宽度、反比于其标定流量系数，且占空比之和为不小于1且不大于n的整数m，按累积占空比对脉冲周期取模排布各区段开启相位，使任一时刻开启区段数恒为m，并按剩余加水量与剩余时间修正目标供水流量，以累计加水体积达到单盘目标加水体积为终止条件；s7、安全降级，判定为备用钢丝绳接管时按受限速率逐级降压，并逐级读取跨中横向位移与备用钢丝绳张力的峰峰值，二者均不大于各自限值且压力不低于喷嘴最低工作压力时，收紧水击超压允许值后返回步骤s4至s6重新计算喷幅宽度、升压台阶与占空比相位并恢复受限喷水，同时按喷嘴流量与其进口压力的平方根成正比的关系延长剩余喷水时长以保持本盘加水总量，延长后超出混合机单盘允许的最长混合时间时按剩余可用时间下调本盘目标加水体积并输出加水量不足提示，否则关阀停机。

5、本发明的有益效果为：

6、本发明在主受力钢丝绳与备用钢丝绳的各锚固销轴处设置测力传感器，步骤s2以承载分配比、纵向受力不对称度和总承载变化率三个无量纲判据按优先级判定吊挂承载状态，三个判据均以各路张力之和作为分母，对传感器的共同增益误差与水温引起的整体漂移不敏感，所反映的是载荷在两根钢丝绳之间以及喷水管两端之间的重新分配，吊挂系统的异常在不向混合槽内增设检测元件的条件下被识别出来。判定阈值由充水静置工况下实测的基线均值与标准差按统计准则确定，不依赖人为设定的固定数值，同一套控制程序移用于不同绳径、不同跨距与不同预紧水平的机型时无须重新整定。步骤s4以第一位移传感器直接测得的跨中垂度作为姿态的抛物线分量，以喷水管两端的静压差算得的高差作为姿态的线性分量，两个分量叠加所得的姿态曲线可以反映非对称的真实姿态，只测垂度所无法反映的两端高差得到补足，一个原本用于监视沿程压降的测点获得了第二种用途。直接测量与力学反演互为主备，第一位移传感器被水雾或者飞溅物料短时遮挡时姿态量仍可获得，姿态感知的可用性在恶劣工况下得到保持。

7、步骤s6令各喷水区段电磁阀的占空比正比于该区段的喷幅宽度并反比于该区段的标定流量系数，各区段的平均喷水流量与其喷幅宽度成正比，各区段的单位面积喷洒量趋于一致，喷水管垂度增大与两端出现高差所引起的沿混合槽长度方向的喷洒偏差得到补偿，混合料含水率的分布得以改善。标定流量系数由步骤s1逐段单独开启实测取得，各区段之间因喷嘴数量、喷嘴磨损与沿程压降而固有的流量差异被一并折算进占空比，只按喷幅宽度分配所残留的偏差得以消除。上述分配方式使各区段占空比之和恒等于一个整数，步骤s6再按各区段前序占空比的累积值对脉冲周期取模排布开启相位，各区段的开启时段在相位轴上首尾相接而互不重叠，任一时刻处于开启状态的区段数保持恒定，供水总瞬时流量与喷水管内压力不随脉冲切换而周期起伏。作用于喷水管封头与进水弯头的轴向不平衡力随之平稳，钢丝绳所承受的交变载荷减小，喷水管的摆动受到抑制，钢丝绳的疲劳寿命得到延长。分区差异化补偿与总流量平稳这两项通常互相牵制的要求在同一套时序中同时得到满足，把各区段相位等间隔错开的方案在各区段占空比不相等时取不到同样的结果。

8、步骤s3在喷水之前以封头端压力的上升与收敛判定常规盘次的充水完成，对检修放空后的首次充水另行校核累计进水体积，两级判据分别针对两类不同的初始状态，可以避免残余气团在后续升压过程中被压缩后突然溃灭而造成剧烈冲击，也避免在管路本已充满时经末端排气阀排掉相当于管路容积的水量。步骤s3继而以一次受限的阀门开度阶跃在线辨识管路等效水击波速，含软连接的管路其波速随软管老化、水温与管内残余含气量而变化，实测所得的波速使步骤s5的台阶幅值与台阶间隔与管路当时的真实动态特性相对应，按固定曲线整定所存在的整定过缓与整定过快两种失效方式都被避免。步骤s5把单台阶的流量增量限定为允许压力升高与水的密度和波速之积的商，每一台阶所引起的压力升高不超过设定值，启喷阶段的压力冲击受到控制，喷洒量在启喷初期不再超量，吊挂钢丝绳所受的冲击载荷减小。台阶间隔取压力波往返一次时间的整数倍作为最短等待时间，再以阀后压力峰峰值的收敛作为推进下一台阶的条件，相邻台阶的压力波不会在阀处以相同相位叠加，升压过程在超压受控的前提下取得较短的时间，混合节拍不被无谓占用。

9、步骤s7在备用钢丝绳接管后按受限速率逐级下调喷水压力，降压动作本身不会激起新的压力瞬变，逐级读取的跨中横向位移峰峰值与备用钢丝绳张力峰峰值构成实测约束，喷水引起的动载被压到与喷水管至搅拌臂的设计间隙以及备用钢丝绳的疲劳裕度相适应的水平，已经失去冗余的吊挂系统得以维持运行至检修窗口，物料在槽内固结与随之而来的清槽作业被避免。喷嘴流量与其进口压力的平方根成正比，步骤s7按该关系延长剩余喷水时长，降压所减少的瞬时流量由时长予以补偿，本盘的加水总量与正常工况保持一致，混合料的配比不受降级运行的影响。延长后的时长超出混合机单盘允许的最长混合时间时，本盘的目标加水体积按剩余可用时间内所能加入的水量下调并输出提示，加水量的缺口成为一个确定的、可被上位配料系统在后续盘次中补偿的量，混合节拍同时得到保全。上述各步骤之间存在相互支撑的关系，波速辨识的结果同时供升压控制与降级后的重算使用，升压冲击的抑制提高了张力信号的信噪比并改善了承载状态判定与姿态重构的质量，恒开启数调度使张力的交变分量下降并再一次改善上述两项感知的质量，降级后喷水压力的改变又要求姿态与占空比重新计算，本发明的整体效果并不是各步骤单独作用的简单相加。