一种废弃土自动破碎装置及智能掺料方法与流程

1.本发明涉及一种废弃土自动破碎装置及智能掺料方法，属于工程废弃土再利用领域。


背景技术：

2.我国正在进行大规模的工程建设，城市建设工程、公路、铁路工程、地铁建设工程等，工程量达到了历史上的高峰期，在工程建设中难以避免产生各种各样的工程废弃土。只要工程的开挖量和回填量不同的话必然产生各种废弃土，即使挖填量能够保持平衡，由于挖方土性质或者开挖与回填工程在时间、地点上的差异，仍然会产生废弃土。
3.对于工程性质良好的废弃土，可以通过堆放、保存后周转到其它工程中加以利用。为提高土的性质，在废弃土回填之前会掺入各种外加剂以提高回填土的力学性质，从而满足实际工程需要。外加剂的掺量往往受到土的含水率、土的种类、颗粒大小等因素影响，针对同一种土，在不同的含水率下所需要的外加剂掺量不同。在工程中废弃土的再利用往往根据需要掺入一定的外加剂，然而同一工程在不同位置土的含水率是不同的，若采用统一的外加剂掺量进行处理，很难达到所需要的效果，对每个位置的废弃土在实验室进行含水率的确定再确定外加剂掺量，不仅工作量大，土的含水率随时间的推移在不断的变化，因此无法获得准确的含水率。
4.另外由于实际工程中，废弃土量庞大，单块土体体积较大，传统的搅拌器很难将外加剂与废弃土充分混合，均匀性较差。废弃土的力学性质无法达到预期要求，或未达到相应的要求，需加入大量的外加剂，人力、物力、财力耗费较大。
5.因此亟需提出一种破碎装置可以及时检测出废弃土的体积含水量，并精准加入外加剂，充分搅拌后以满足实际工程需要。


技术实现要素：

6.本发明提供一种废弃土自动破碎装置及智能掺料方法，可以解决实际工程中废弃土再利用的处理问题，实现废弃土的破碎及掺料混合一体化，并根据所加废弃土的体积含水量实时调节外加剂的掺入量；实现完全的自动化及实时调节，加快废弃土的处理进程，提高外加剂与废弃土的混合均匀性，更好的提高废弃土的力学性能，满足工程实际需要。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种废弃土自动破碎装置，包括搅拌器、运输台以及控制台，运输台的一端开设进料口，运输台的另一端与搅拌器连通，在运输台的中间部分开设掺料口，搅拌器靠近底部的位置开设取土口；
9.在进料口内安装土壤水分探头，土壤水分探头以及掺料口通过导线与控制台连通，控制台及时获取土壤水分探头检测得出的废弃土体积含水量并计算出应添加的外加剂掺入量，由掺料口添加至运输台；
10.在运输台内顶部设置若干气压式碎土锤，对运输过程中的废弃土进行击打；
11.作为本发明的进一步优选，所述运输台内由进料口至搅拌器方向铺设履带，履带表面布设待运输的废弃土；
12.作为本发明的进一步优选，所述气压式碎土锤包括钢刺、第一连接杆、第二连接杆、弹簧、第一阀门以及第二阀门，第一连接杆以及第二连接杆均中空，且第二连接杆的一端由第一连接杆的开口端伸入，第二连接杆的一端通过弹簧与第一连接杆内腔封闭端顶部连接，第一连接杆与第二连接杆形成密封的连通结构；
13.在第一连接杆封闭端上安装第一阀门以及第二阀门，且第一阀门与第二阀门结构相同；
14.第二连接杆的另一端连接罩体，罩体朝向运输台的罩面均匀布满钢刺；
15.作为本发明的进一步优选，所述的第一阀门包括飞轮外壳、飞轮以及飞轮转轴，飞轮外壳嵌设在第一连接杆的封闭端，飞轮外壳中心穿设飞轮转轴，在飞轮外壳内飞轮转轴上套设飞轮；
16.作为本发明的进一步优选，若干气压式碎土锤沿着运输台运输方向顺次分布在运输台上方，设定若干气压式碎土锤分别为第1个气压式碎土锤、第2个气压式碎土锤
……
第n个气压式碎土锤，其中编号为单数的气压式碎土锤的第一阀门通过一根通气管连通，编号为双数的气压式碎土锤的第一阀门通过另一根通气管连通；
17.作为本发明的进一步优选，由进料口至搅拌器方向顺次排布的气压式碎土锤的钢刺分布密度逐渐增大，且钢刺体积逐渐减小以适应废弃土体积逐渐减小的特点；
18.作为本发明的进一步优选，所述搅拌器包括搅拌主轴和搅拌杆，搅拌主轴垂直布设在搅拌器腔室底面中心位置，在搅拌主轴的顶部垂直于搅拌主轴穿设连接杆，在连接杆上均匀穿设若干搅拌杆，且搅拌杆垂直连接杆；
19.作为本发明的进一步优选，所述控制台内包括处理系统、无线信号接收器以及单片机，处理系统以及无线信号接收器均与单片机连通；
20.一种基于任一所述的废弃土自动破碎装置的智能掺料方法，包括以下步骤：
21.步骤s1：废弃土由进料口进入运输台，由运输台的履带输送至搅拌器内；
22.步骤s2：土壤水分探头检测到进料口所进废弃土的体积含水量，将信息通过无线传输至控制台，控制台处理系统根据体积含水量计算得出相应的外加剂掺入量，单片机控制掺料口向运输台进行外加剂添加；
23.步骤s3：履带由进料口向搅拌器方向运行，将废弃土由进料口运输至搅拌器；
24.步骤s4：关闭第二阀门，外部气压设备向通气管内通气，通气管将气通过第一阀门注入第一连接杆内，第一连接杆与第二连接杆形成密封的连通结构内气压升高，将第二连接杆向履带方向推出，对废弃土进行击打；
25.步骤s5：关闭外部气压设备，第二阀门的飞轮转动实现第二阀门的打开，连通结构内的气压降低，第二连接杆在弹簧的拉力作用下，向第一连接杆的封闭端回弹；
26.步骤s6：当第一阀门打开时，关闭第二阀门，当第一阀门关闭时，打开第二阀门，第一阀门与第二阀门相互配合，气压式碎土锤进行上下移动对履带上的废弃土击打，将外加剂与废弃土进行初步击打混合；
27.步骤s7：启动搅拌器，主轴旋转，搅拌杆对搅拌器内的废弃土与外加剂进行二次搅拌混合，混合后由取土口取出；
28.作为本发明的进一步优选，步骤s2中，控制台处理系统根据体积含水量计算得出相应的外加剂掺入量，具体的计算方法为：
29.步骤s21：土壤水分探头在废弃土经过后，输出不同的电压，废弃土的体积含水量与输出的电压之间关系方程为
30.ω＝av b
31.其中，ω为土壤体积含水量，v为输出电压，a，b分别为系数，每个土壤水分探头具有特定校准曲线，通过校准曲线可查找a以及b的数值；
32.步骤s22：控制台处理系统计算外加剂掺入量，计算公式为
[0033][0034]
其中，x为外加剂掺入量，ω为土壤体积含水量，ωi为规范中给出的含水量界限值，xi为规范中给出的外加剂掺入量界限值。
[0035]
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0036]
1、本发明提供的废弃土自动破碎装置可以解决现有技术中废弃土与外加剂混合不均匀的问题；
[0037]
2、本发明提供的废弃土自动破碎装置可以实时对废弃土的体积含水量进行全面检测，并依据体积含水量进行匹配外加剂剂量的添加，实现精准掺量；
[0038]
3、本发明提供的废弃土自动破碎装置以及智能掺料方法大大提高了废弃土的处理效率，减少相应的人力、物力以及财力。
附图说明
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0040]
图1是本发明提供的优选实施例的整体结构外观示意图；
[0041]
图2是本发明提供的优选实施例的运输台内部结构示意图；
[0042]
图3是本发明提供的优选实施例的气压式碎土锤内部结构示意图；
[0043]
图4是本发明提供的优选实施例的搅拌器内部结构示意图；
[0044]
图5是图3中a部局部放大图；
[0045]
图6a-图6b是图5中结构在不同角度的拆分示意图。
[0046]
图中：1为搅拌器，2为控制台，3为掺料口，4为进料口，5为运输台，6为导线，7为取土口，8为通气管，9为气压式碎土锤，10为土壤水分探头，11为履带，12为钢刺，13为第一阀门，14为第二阀门，15为弹簧，16为第一连接杆，17为第二连接杆，18为搅拌主轴，19为搅拌杆，20为飞轮外壳，21为飞轮，22为转轴。
具体实施方式
[0047]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方
案，并不限制本发明的保护范围。
[0048]
如背景技术中指出的，现有技术中由于需要对不同位置的废弃土进行含水率的确定后才可以进行外加剂的添加，因此无法准确的获取废弃土体积含水量，同时由于实际工程的废弃土体量较大，无法真正做到废弃土与外加剂的充分均匀混合。
[0049]
基于此，本技术提供了一种废弃土自动破碎装置，同时还提供了其具体的智能掺料方法，可以解决现有技术中，废弃土与外加剂混合不充分不均匀的问题，以及现场对废弃土的体积含水量检测不及时、不全面的问题进行改善，保证对废弃土土壤体积含水量的实时检测，并加入相应的外加剂剂量，实现精准掺量。
[0050]
如图1所示，是本技术提供的废弃土自动破碎装置的优选实施例，总的来说包括三个部分，分别为搅拌器1、运输台5以及控制台2，运输台的一端开设进料口4，运输台的另一端与搅拌器连通，运输台内由进料口至搅拌器方向铺设履带11，履带表面布设待运输的废弃土，随着履带的运行推动废弃土的运输，在运输台的中间部分开设掺料口3，搅拌器靠近底部的位置开设取土口7。控制台内包括处理系统、无线信号接收器以及单片机，处理系统以及无线信号接收器均与单片机连通。
[0051]
为了实现对废弃土土壤体积含水量的实时检测从而可以加入匹配的外加剂剂量，实现精准掺量，在进料口内安装土壤水分探头10，土壤水分探头以及掺料口通过导线6与控制台连通，土壤水分探头通过使用电容和频域技术确定土壤中的介电常数并以此确定土壤的体积含水量。由于土壤颗粒与水的介电常数不同，因为介电常数的变化，探头输出不同的电压，通过每个探头的特定校准曲线可以得到相应的体积含水量。土壤水分探头的数据传输接口与无线信号发射器相连，将所测数据无线传输至位于控制台的处理系统，处理系统通过预先设置好的土壤体积含水量与外加剂掺量的关系确定相应的外加剂掺量，通过单片机对位于运输台上方的掺料口进行控制，掺入相应的外加剂剂量；
[0052]
这里给出具体的掺入外加剂剂量的计算过程，废弃土通过进料口装入，位于进料口底部的土壤水分探头(ec-5，decagon device)在废弃土经过后，由于介电常数的变化，探头输出不同的电压，通过每个探头的特定校准曲线(输出电压和体积含水量的关系)可以得到相应的体积含水量。所述土壤水分探头10使用时需先进行校核试验，以获得探头的体积含水量与输出电压的关系，根据关系曲线确定相应的关系方程，关系方程可总结为：
[0053]
ω＝av b
[0054]
其中，ω为土壤体积含水量，v为输出电压，a，b分别为系数，每个土壤水分探头具有特定校准曲线，通过校准曲线可查找a以及b的数值；
[0055]
将探头的数据输出接口连接致无线信号发射器，位于控制台2的信号接收器，接受到相应的电压v，计算出相应的土壤含水率。计算机利用得到的实际含水率，根据相应的规范规定，利用设定好的对应关系得到应掺入外加剂剂量，具体的实时外加剂掺量的确定，根据规范表格利用插值法确定每个体积含水量所需外加剂掺量，相应的关系方程如下：
[0056][0057]
其中，x为外加剂掺入量，ω为土壤体积含水量，ωi为规范中给出的含水量界限值，xi为规范中给出的外加剂掺入量界限值。
[0058]
上述提到的规范表格，如表1所示：
[0059]
表1 固化土混合料水泥掺量选用表
[0060][0061]
本技术中，废弃土在运输台运输过程中，为了更好的进行破碎处理兼与外加剂的混合，如图2所示，在运输台内顶部设置若干气压式碎土锤9，对运输过程中的废弃土进行击打。
[0062]
气压式碎土锤的结构具体如图3所示，包括钢刺12、第一连接杆16、第二连接杆17、弹簧15、第一阀门13以及第二阀门14，第一连接杆以及第二连接杆均中空，且第二连接杆的一端由第一连接杆的开口端伸入，第二连接杆的一端通过弹簧与第一连接杆内腔封闭端顶部连接，第一连接杆与第二连接杆形成密封的连通结构；在第一连接杆封闭端上安装第一阀门以及第二阀门，且第一阀门与第二阀门结构相同；第二连接杆的另一端连接罩体，罩体朝向运输台的罩面均匀布满钢刺。第一阀门与第二阀门的设置，是为了通过两者的配合启闭，使密封的连通结构内获得瞬时的高压强，从而将布满钢刺的罩体向运输台方向击打，对废弃土进行破碎处理，由于第二连接杆的一端是通过弹簧与第一连接杆内腔封闭端顶部连接的，那么连通结构内的气压发生循环的变强变弱，可以在弹簧拉伸力的作用下，实现罩体的回升复位以及推拉击打，在对废弃土进行破碎处理的同时，将废弃土与外加剂进行初次混合。
[0063]
本技术中，若干气压式碎土锤沿着运输台运输方向顺次分布在运输台上方，设定若干气压式碎土锤分别为第1个气压式碎土锤、第2个气压式碎土锤
……
第n个气压式碎土锤，其中编号为单数的气压式碎土锤的第一阀门通过一根通气管8连通，编号为双数的气压式碎土锤的第一阀门通过另一根通气管连通。设置两根通气管，错峰控制不同的碎土锤，是为了避免相邻气压式碎土锤同时工作，造成废弃土的挤压密实，影响对废弃土的破碎效果。
[0064]
至于气压式碎土锤的连通结构内气压的改变，本技术中第一阀门与第二阀门的构造是相同的，因此这里仅以第一阀门的结构作为阐述对象，如图5所示，包括飞轮外壳20、飞轮21以及飞轮转轴22，飞轮外壳嵌设在第一连接杆的封闭端，飞轮外壳中心穿设飞轮转轴，在飞轮外壳内飞轮转轴上套设飞轮。图6a-图6b中，给出了飞轮外壳以及飞轮的拆分结构示意图，此结构较为常见，因此不做具体阐述；使用时，通过飞轮的转动实现阀门的打开与关闭，第一阀门用于控制通气管内气压向第一连接杆内输入，第二阀门用于控制第一连接杆内部气压的向外排除，当第一阀门打开，第二阀门关闭时，第一连接杆内部气压增加，气压式碎土锤向下降落击打废弃土；当第一阀门关闭，第二阀门打开，所述第一连接杆内气压降低，第二连接杆在弹簧拉力的作用下，向第一连接杆方向回升至非工作状态；两个阀门相互配合实现气压式碎土锤上下移动，通过控制阀门内飞轮的转速，实现气压式碎土锤的击打
速度，通过控制通气管内的气压大小控制击打力度。
[0065]
这里需要单独阐述的是，通过控制通气管内的气压大小控制打击力度，所述气压式碎土锤在击打试样时，弹簧处于伸长状态，所述气压应不小于该状态下弹簧拉力大小。所述第二阀门大小根据通气管内气压值进行设置，应保证第一连接杆与第二连接杆形成密封的连通结构内气压能在瞬间降至大气压；所述连通结构内气压降至大气压后，所述气压式碎土锤在弹簧拉力作用下回升至非工作状态，根据气压式碎土锤自身重量及非工作状态下碎土锤底部距履带高度(h)要求，确定弹簧参数，保证气压式碎土锤因自身重量下降后仍满足所述高度(h)要求。
[0066]
气压式碎土锤底部设置钢刺，以增大对废弃土表面的压强，提高碎土效率；本技术中由进料口至搅拌器方向顺次排布的气压式碎土锤的钢刺分布密度逐渐增大，且钢刺体积逐渐减小，以适应废弃土体积在破碎过程中逐渐减小。
[0067]
废弃土最终通过运输台运输至搅拌器，在搅拌器的作用下，使外加剂与废弃土进行搅拌实现二次充分混合，这里给出图4所示的关于搅拌器的一个优选实施例，所述搅拌器包括搅拌主轴18和搅拌杆19，搅拌主轴垂直布设在搅拌器腔室底面中心位置，在搅拌主轴的顶部垂直于搅拌主轴穿设连接杆，在连接杆上均匀穿设若干搅拌杆，且搅拌杆垂直连接杆；搅拌杆可扩大搅拌范围，提高搅拌效率，可以尽可能发挥出外加剂的作用，最终混合完毕的成土通过取土口取出。
[0068]
总的来说，本技术提供的废弃土自动破碎装置通过位于进料口底部的土壤水分探头，实现对所加废弃土的土壤体积含水量进行实时检测，检测后的数据通过无线传输至位于控制台的处理系统，利用土壤体积含水量与外加剂掺量的关系，确定相应的外加剂的掺量，单片机将相应的掺量信息传达至位于运输台上方的掺料口，实现实时的掺料反馈机制；废弃土经过土壤水分探头之后，气压式碎土锤对所述废弃土进行击打破碎处理，击打速度及力度还可分别通过飞轮转速和通气管气压控制；气压式碎土锤底部设置钢刺以增加对废弃土产生的压强，钢刺从进料口至搅拌器方向逐渐变小变密，以适应废弃土体积逐渐减小的特点；在击打过程中外加剂与所述废弃土进行初步的混合处理，最终废弃土与外加剂在搅拌器中进行充分的搅拌混合，并从取土口取出。
[0069]
最后给出废弃土自动破碎装置的智能掺料方法，包括以下步骤：
[0070]
步骤s1：废弃土由进料口进入运输台，由运输台的履带输送至搅拌器内；
[0071]
步骤s2：土壤水分探头检测到进料口所进废弃土的体积含水量，将信息通过无线传输至控制台，控制台处理系统根据体积含水量计算得出相应的外加剂掺入量，单片机控制掺料口向运输台进行外加剂添加；
[0072]
步骤s3：履带由进料口向搅拌器方向运行，将废弃土由进料口运输至搅拌器；
[0073]
步骤s4：关闭第二阀门，外部气压设备向通气管内通气，通气管将气通过第一阀门注入第一连接杆内，第一连接杆与第二连接杆形成密封的连通结构内气压升高，将第二连接杆向履带方向推出，对废弃土进行击打；
[0074]
步骤s5：关闭外部气压设备，第二阀门的飞轮转动实现第二阀门的打开，连通结构内的气压降低，第二连接杆在弹簧的拉力作用下，向第一连接杆的封闭端回弹；
[0075]
步骤s6：当第一阀门打开时，关闭第二阀门，当第一阀门关闭时，打开第二阀门，第一阀门与第二阀门相互配合，气压式碎土锤进行上下移动对履带上的废弃土击打，将外加
剂与废弃土进行初步击打混合；
[0076]
步骤s7：启动搅拌器，主轴旋转，搅拌杆对搅拌器内的废弃土与外加剂进行二次搅拌混合，混合后由取土口取出。
[0077]
通过上述阐述，可以说明本技术提供的废弃土自动破碎装置及智能掺料方法，实现了检测、碎土、掺料以及搅拌一体化，加快了废弃土处理效率，缩短工期并减少成本。
[0078]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0079]
本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
[0080]
本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
[0081]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。