Измерение крутящего момента в бетоносмесителе

Компания: AMEC / BAA
Местонахождение: Застройка Терминала 5, аэропорт Хитроу


Описание проблемы:
Масштабное производство бетона – ключевой процесс при застройке крупных объектов, таких как Терминал 5 аэропорта Хитроу. В связи с нестабильной подачей электроэнергии была нарушена процедура надзора и контроля над качеством производимого бетона.

Контроль над питанием смесителя, в частности, стабильности подачи электроэнергии, имеет исключительную важность и был невозможен из-за колебаний уровня мощности национальной энергосети.

Существующая система опиралась на измерение подводимой мощности электричества (кВт) для определения вязкости смеси, значительные колебания подводимой мощности и вызванные ими неточности в измерениях мощности больших двигателей существенно усложнили этот процесс.

Таким образом, появилась необходимость в более надежном способе измерения вязкости смеси.



Цель проекта:
TДля безошибочного измерения вязкости смеси самым непосредственным и точным способом измерения в процессе работы является измерение подводимого крутящего момента на смесителе. Эта принцип был испытан на других процессах смешивания от китайской глины до содержимого биореакторов.

Установка датчика крутящего момента на линии привода нерациональна, поскольку потребует значительного изменения конструкции смесителя и креплений двигателя и редуктора. Однако было установлено, что на линии привода присутствует изолированный компонент или участок вала, на котором представляется возможным измерение крутящего момента. Линия привода не обладала необходимой длиной, но имела муфту со ступицей с внутренними шлицами. Длина ступицы обеспечивала механический контакт со смесителем для передачи на него крутящего момента от редуктора. При помощи стандартных компонентов Серии 430, муфта была преобразована в датчик крутящего момента.

ПРЕИМУЩЕСТВА: Отсутствие механических изменений на линии привода и дополнительных расходов, минимальные прерывания рабочего цикла.

Смеситель бетона получает электроэнергию от двигателя, который вращает шпиндель внутри барабана смесителя для перемешивания бетона. Вал соединен с двигателем посредством крупной муфты. Измерение крутящего момента на муфте позволит рассчитать силу, приложенную к бетонной массе. Информация о приложенной силе в течение процесса перемешивания позволит определить вязкость смеси и, соответственно, осуществить контроль над качеством бетона без измерения подводимой мощности. Поскольку представляется возможным контролировать муфту, соединенную с валом, можно получать данные о вязкости смеси, тем самым осуществляя контроль над качеством и рентабельностью производства бетона.



Измерение крутящего момента в смесителе бетона:
Производство бетона для проекта T5 Хитроу при нормальных условиях было оценено как нерентабельное. Появилась необходимость в более экономичной альтернативе.

При нормальных условиях контроль над бетонной смесью осуществляется путем измерения тока в течение процесса перемешивания и использования данных о токе для определения нужной консистенции смеси. Если мощность электропитания колеблется и не является стабильной, возникают сложности при поддержании необходимого уровня расходов.

Одним из способов управления колебаниями мощности был переход на автономное электропитание с известными параметрами тока. После оценки ситуации в Терминале 5, это решение было принято, и в цеху производства бетона был установлен генератор. Хотя эта альтернатива разрешила существующую проблему, она показала себя экономически невыгодной, и на рассмотрение были вынесены другие варианты.

Руководители проекта обратились за помощью к компании Datum Electronics. Datum Electronics, специализирующаяся на системах и приборах измерения крутящего момента, порекомендовала альтернативный способ контроля над производством бетона - измерение крутящего момента в процессе перемешивания.

В принципе, измерение крутящего момента – это очень простой механический процесс. В широком смысле он подразумевает измерение "силы", затраченной для вращения (попытки вращения) чего-либо. Когда сила или "крутящий момент" приложены к валу, вал скручивается (незначительно). Такое скручивание порождает в материале вала "силу упругости", и именно этот процесс делает возможным измерение силы в процессе перемешивания. Для измерения крутящего момента к валу подсоединяются тензометрические датчики, определяющие деформацию вала при приложении к нему крутящего момента, или "силы".

Крутящий момент, подводимый к смесителю непосредственно связан с вязкостью смеси. Поэтому … (В теории), измерение крутящего момента – это безошибочный способ управления консистенцией смеси, не только при производстве бетона, но и в других видах смесителей.

Главной проблемой была адаптация этих принципов к условиям Терминала 5.



Теория и практика:
Система дозирования бетона, используемая AMEC в Терминале 5 аэропорта Хитроу снабжена двойным входным шпинделем для каждого дозатора. Трудность применения разработки в данном случае была обусловлена сложностью доступа к муфтам вала, не только для установки датчиков на муфту, но и для считывания сигнала с муфты и его выведения на монитор в пункте управления дозаторами.

TОсновной задачей было измерение крутящего момента, передаваемого смеси, без значительных изменений конструкции редуктора и привода. Мы рассмотрели проект и предложили решение, которое являлось экономичным и не требовало существенных модификаций смесителя. Большая часть предлагаемых нами систем основана на решении следующих задач:

(a) Нахождение подходящего механического компонента линии привода для измерения крутящего момента.
(б) Нахождение пути/разработка приспособления для передачи данных о крутящем моменте с вала.

Идеальное решение – это нахождение компонента (который может быть удален/заменен/модифицирован) линии привода, который может быть оснащен приборами в лабораторных условиях и откалиброван перед переустановкой на линию привода. Такой способ решения этой проблемы отличается рядом преимуществ, среди которых герметичная установка датчика и возможность непосредственной калибровки крутящего момента.

Учитывая специфику среды, наиболее рациональным решением явилось извлечение муфты из корпуса и ее соединение с системой измерения крутящего момента в Datum Electronics.

В данном случае система 430 была установлена на вал вместе с силовой муфтой. Был спроектирован специальный статор, повторяющий форму кожуха муфты и питающий устройство, установленное на валу, а также служащий приемником для сигнала крутящего момента. Сигналы крутящего момента и скорости вала передаются со статора в пункт управления в виде цифровых данных по интерфесу RS485. В пункте управления отображаются и регистрируются данные о крутящем моменте и о мощности.

Мы разработали систему, в которой муфта может быть переустановлена отдельно от статора, установленного вокруг муфты. Статор был необходимой частью конструкции, поскольку он обеспечивает питанием тензометрические датчики и передает полученные ими данные.

Полученный сигнал конвертируется и передается на монитор в комнате управления.



Измерение крутящего момента: производство бетона
Система измерения крутящего момента предоставляет пользователю данные о консистенции и поведении бетонной смеси.

Данные, полученные с вала, помогают определить поведение бетонной смеси в процессе перемешивания.

Данные, передаваемые с вала, свидетельствуют о резком увеличении крутящего момента при загрузке смесителя, и резком снижении крутящего момента (уровня вязкости), когда смесь приобретает постоянную консистенцию. Опытный обслуживающий персонал может оперативно "откорректировать" смесь, добавляя в нее жидкость для получения требуемой консистенции. Повторяемость данных о сигнале крутящего момента позволило снизить затраты времени на обработку.

Анализ регистрируемых данных показал, что они не только отображают изменение вязкости, но и дают представление о консистенции смеси, в т. ч., о наличии в ней комков. (Рисунок 2)

Как только данные показывают, что смесь достигла нужной консистенции, она может быть выгружена, а смеситель может быть заново наполнен.

Режим отображения данных был оптимизирован таким образом, чтобы оператор получал ясную картину о поведении смеси.

Из-за колебаний процесса перемешивания, данные были сглажены с помощью специального ПО для выведения среднего значения крутящего момента, чтобы пользователь имел четкое представление о поведении смеси.

После успешных испытаний системы на первом смесителе, был заказан и установлен комплект приборов для второго смесителя.

OПосле установки первой системы была заказана вторая система измерения крутящего момента для второго дозатора, в виду успешной проверки на первом дозаторе.

Для получения дополнительной информации и подробной консультации по системам и способам измерения крутящего момента свяжитесь с нашим представителем в России:

Sensor Systems Solutions, JSC (ЗАО "Сенсор Системс")
Тел.: +7 (495) 649-63-70 
E-mail: info@datum-electronics.ru