砂石料生產(chǎn)工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用

杜軒 周俊堯 付廷伍

摘要：針對砂石料系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)所存在的技術(shù)工藝復(fù)雜、工藝參數(shù)多、流程計(jì)算量大等難題，在深入分析砂石料加工特征的基礎(chǔ)上，提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的模塊化工藝設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種包含破碎、篩分、流量檢測等砂石料生產(chǎn)工藝要素的基礎(chǔ)工藝模塊。首先利用圖形化的基礎(chǔ)工藝模塊對砂石料生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行描述，并構(gòu)建砂石料生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程;然后利用標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的可計(jì)算性，通過編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)及流程量平衡計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了砂石料生產(chǎn)工藝流程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。最后利用基于本文理論所開發(fā)的砂石料ACAPP原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了具體砂石料加工系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了所提出的砂石料生產(chǎn)工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的有效性。

關(guān) 鍵 詞：砂石料生產(chǎn); ACAPP; 模塊化; 標(biāo)準(zhǔn)工藝流程

中圖法分類號： ?TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.020

?? 0 引 言

人工砂石料（以下簡稱砂石料）生產(chǎn)是根據(jù)成品砂石料的技術(shù)質(zhì)量要求，通過不同用途、型號的破碎機(jī)和篩分機(jī)，采用機(jī)械破碎的方式，將粒徑較大的原料巖石按照設(shè)計(jì)的流程加工，調(diào)整其組分的粒徑大小，以生成滿足要求的成品物料? [1] 。其工藝流程的設(shè)計(jì)必須充分考慮工藝的合理性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性及相互的匹配性;同時(shí)還要滿足生產(chǎn)所需的處理規(guī)模、巖石特性、成品級配等多種要求，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝柔性大，設(shè)備選擇及工藝參數(shù)計(jì)算復(fù)雜度較高。

傳統(tǒng)的砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)砂石料的生產(chǎn)規(guī)模、原料粒徑、巖石特性、成品級配需求等條件，設(shè)計(jì)人員憑借專業(yè)知識和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初擬工藝流程方案，具體工作包括確定破碎段數(shù)，確定各段破碎設(shè)備的種類、排料口開度、開閉路工藝流程形式，繪制工藝流程簡圖等;然后初選破碎設(shè)備機(jī)型，確定運(yùn)輸、加工損耗補(bǔ)償系數(shù)和設(shè)備負(fù)荷率等參數(shù)以構(gòu)建計(jì)算表，對初擬方案的工藝流程量進(jìn)行校核計(jì)算;最后根據(jù)各階段物料流量及設(shè)備負(fù)荷率參數(shù)，對破碎、篩分設(shè)備進(jìn)行選型配置，并繪制工藝流程詳圖。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法步驟繁瑣、計(jì)算復(fù)雜，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)輔助工藝過程規(guī)劃（CAPP）系統(tǒng)來進(jìn)行砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)能有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

1 研究現(xiàn)狀

工藝流程規(guī)劃的自動化是CAPP的關(guān)鍵部分，它能夠讓用戶自動獲得加工、制造過程所需的工藝計(jì)劃，是邁進(jìn)工業(yè)4.0的重要步驟? [2] 。然而在砂石料加工領(lǐng)域，工藝規(guī)劃的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)尚未實(shí)現(xiàn)，目前用于砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)的軟件主要為JKSimMet? [3] 、USIM PAC? [4] 和 MODSIM? [5] ，均屬于過程模擬軟件，主要通過人工選擇并連接各種基于數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的設(shè)備單元，以實(shí)現(xiàn)流程設(shè)計(jì)及仿真? [6] 。利用過程模擬軟件的確可以實(shí)現(xiàn)工藝流程的設(shè)計(jì)和仿真，但由于工藝設(shè)計(jì)的主觀性，設(shè)計(jì)者需要依賴自身的專業(yè)知識及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來確定加工步驟，往往導(dǎo)致工作效率低、專家依賴性強(qiáng)? [7] 。通過計(jì)算機(jī)輔助砂石料工藝流程設(shè)計(jì)（Aggregate Computer Aided Process Planning，ACAPP）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動化設(shè)計(jì)，有利于解決這些問題。

通過構(gòu)建類似ACAPP系統(tǒng)以解決砂石料生產(chǎn)工藝規(guī)劃問題的觀點(diǎn)早已被Leiva? [8] 提出過，他希望通過構(gòu)建破碎廠專家系統(tǒng)來設(shè)計(jì)破碎流程，以提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并從實(shí)際工程角度驗(yàn)證了該觀點(diǎn)的可行性，但并未提供實(shí)際的軟件設(shè)計(jì)方案及工藝推理機(jī)制。阻礙此類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原因在于砂石料加工工藝設(shè)計(jì)的特殊性，其中涉及到流程規(guī)劃、設(shè)備選型、物料流動仿真計(jì)算以及加工結(jié)果預(yù)測的結(jié)合，是ACAPP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)所在。

破碎、篩分是砂石料生產(chǎn)流程的重要組成部分。破碎機(jī)實(shí)現(xiàn)物料粒徑的變化，篩分機(jī)實(shí)現(xiàn)不同粒徑的物料分離，設(shè)備的選型及配置直接影響著砂石料生產(chǎn)的質(zhì)量。Johansson等? [9] 構(gòu)建了顎式破碎機(jī)的基本模型，用以預(yù)測其產(chǎn)品粒度分布。Bengtsson等提出了一種預(yù)測圓錐破碎機(jī)以及立軸沖擊式破碎機(jī)的產(chǎn)品形狀以及尺寸的方法? [10] ，構(gòu)建了預(yù)測圓錐破碎機(jī)能耗以及產(chǎn)品粒度分布的模型? [11] 。Harzanagh等? [12] 采用DEM對振動篩進(jìn)行了動力學(xué)分析，研究篩子的進(jìn)料速率、傾斜角度、振動頻率、振幅、振動方向以及篩孔大小對篩分效率的不同影響程度，用以指導(dǎo)對篩分產(chǎn)品粒度分布的有效預(yù)測。上述一系列工作使得利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)流程模擬、設(shè)備仿真以及產(chǎn)品預(yù)測成為可能，而設(shè)備選型、流程規(guī)劃、物料生產(chǎn)流程計(jì)算以及產(chǎn)品的平衡計(jì)算等關(guān)鍵問題仍待解決。缺少一個(gè)對砂石料生產(chǎn)流程規(guī)劃、設(shè)備選型和工藝參數(shù)計(jì)算模型的通用描述方法是ACAPP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)所在。

特征建模技術(shù)的研究及應(yīng)用，給機(jī)械產(chǎn)品建模和CAPP提供了有效的工具? [13-15] 。在砂石料加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，粒徑和外形是砂石料的主要特征。根據(jù)原料巖石的特性和產(chǎn)品需求，由破碎篩分調(diào)整各粒徑級顆粒數(shù)量及比重，同時(shí)，通過合理的設(shè)備搭配來獲得良好的顆粒形狀以提升產(chǎn)品質(zhì)量是砂石料工藝設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容? [16-17] 。因此基于砂石料的加工特征，對砂石料生產(chǎn)工藝流程及加工設(shè)備進(jìn)行描述，可為實(shí)現(xiàn)砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供一種可行的方法。

2 砂石料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)工藝流程

2.1 工藝流程的設(shè)計(jì)

砂石料生產(chǎn)工藝流程（以下簡稱工藝流程）設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素包括加工順序、設(shè)備選型及流程控制。砂石料生產(chǎn)的加工順序指對不同粒徑級的被加工物料所制定的加工方式及其順序安排。本文主要根據(jù)原料粒徑、生產(chǎn)規(guī)模、成品級配等條件確定破碎段數(shù)以及各段破碎設(shè)備的種類、排料口開度、開閉路工藝流程形式等，完成對加工順序的描述。此后，需要確定運(yùn)輸、加工損耗補(bǔ)償系數(shù)和設(shè)備負(fù)荷率等參數(shù)，同時(shí)對破碎設(shè)備機(jī)型進(jìn)行初選。通過流程量計(jì)算可檢驗(yàn)工藝方案的合理性，對于校核合理的工藝方案，設(shè)計(jì)者根據(jù)各階段物料流量及設(shè)備負(fù)荷率參數(shù)，對破碎、篩分設(shè)備進(jìn)行型號配置，完成設(shè)備選型工作;對于校核不合理的工藝方案，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對原方案的加工順序和設(shè)備選型進(jìn)行分析，做出調(diào)整后重新計(jì)算，實(shí)現(xiàn)流程控制。

砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)需考慮原料巖石特性、生產(chǎn)能力、產(chǎn)品級配等多種參數(shù)的影響，生產(chǎn)工藝柔性大，流程計(jì)算過程繁瑣。為實(shí)現(xiàn)砂石料生產(chǎn)工藝流程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，需要一種規(guī)范的砂石料生產(chǎn)工藝描述方法對砂石料生產(chǎn)工藝進(jìn)行描述，以便于流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型以及流程量、設(shè)備參數(shù)等工藝參數(shù)的計(jì)算。為此本文提出了一種圖形化的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程描述方法。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的定義

定義：若從工藝描述 D s到工藝流程F s存在一一映射s：D s→F s，則稱F s為基于s 的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。

標(biāo)準(zhǔn)工藝流程作為工藝流程的一種特殊形式，區(qū)別于傳統(tǒng)典型工藝流程和常用工藝流程的是它能夠?qū)ι笆霞庸すに囂峁┮环N標(biāo)準(zhǔn)的描述，該結(jié)構(gòu)具有兩種性質(zhì)：

① 標(biāo)準(zhǔn)工藝流程所描述的砂石料生產(chǎn)工藝不具二義性;

② 工藝流程參數(shù)的可計(jì)算性。

砂石料生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì)可描述為兩個(gè)階段：首先，根據(jù)物料變化特征擬定工藝流程;然后進(jìn)行工藝參數(shù)計(jì)算，確定工藝方案。而在運(yùn)用ACAPP系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝流程時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的構(gòu)建一方面能夠準(zhǔn)確地描述被加工物料的變化方式，包括各個(gè)粒徑級所采取的加工方式、加工順序、加工設(shè)備以及排料口開度，便于流程計(jì)算;另一方面其本身作為工藝流程的一種形式可以被調(diào)整和完善。因此，標(biāo)準(zhǔn)工藝流程成為連接兩個(gè)階段的紐帶，為砂石料生產(chǎn)工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。

工藝流程的設(shè)計(jì)因此被規(guī)范為4個(gè)步驟，如圖1所示。

（1） 描述工藝：以映射 s 的參數(shù)形式，描述被加工物料的不同粒徑級所采取的加工方式、加工順序、加工設(shè)備機(jī)型以及排料口開度。

（2） 構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)工藝流程：構(gòu)建基于 s 的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。

（3） 參數(shù)計(jì)算：計(jì)算設(shè)備參數(shù)和工藝流程量等工藝參數(shù)。

（4） 生成工藝設(shè)計(jì)方案：根據(jù)工藝參數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，生成最終的工藝設(shè)計(jì)方案。

通過標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的構(gòu)建為砂石料工藝系統(tǒng)的描述與計(jì)算提供了一種有效的方法。為了映射關(guān)系 s 的具體表達(dá)，本文提出一種模塊化的方法構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。

2.3 基于模塊化的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程

2.3.1 基礎(chǔ)工藝模塊

一個(gè)完整的砂石料生產(chǎn)工藝流程可視為由多個(gè)包含基本工藝要素的基礎(chǔ)工藝單元組合而成，物料能夠以一種標(biāo)準(zhǔn)的形式在這些單元間流動?；A(chǔ)工藝模塊是對基礎(chǔ)工藝單元的圖形化和參數(shù)化描述，具有模塊化特征以保證基礎(chǔ)工藝單元之間的相互獨(dú)立性與可組合性，具有內(nèi)嵌數(shù)學(xué)模型以實(shí)現(xiàn)工藝仿真計(jì)算。砂石料生產(chǎn)基本工藝要素主要包含以下內(nèi)容：

① 破碎，實(shí)現(xiàn)砂石物料粒徑的改變;

② 篩分，實(shí)現(xiàn)砂石物料粒徑的分級;

③ 流量檢測，根據(jù)需要對破碎、篩分的砂石流量進(jìn)行檢測、分配。

圖2所示的基礎(chǔ)工藝模塊就是根據(jù)上述砂石料生產(chǎn)基本工藝要素所構(gòu)建。

基礎(chǔ)工藝模塊以圖形化的方式對基礎(chǔ)工藝單元的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，它包含砂石料生產(chǎn)的全部基本工藝要素，能夠準(zhǔn)確形象地描述其所代表的基本工藝。該模塊由輸入物料、單層篩、破碎機(jī)、物料檢測單元、產(chǎn)出物料和輸出物料組成。輸入物料和輸出物料作為基礎(chǔ)工藝模塊的加工原料和加工剩余物料，能作為模塊接口連接其他相鄰的基礎(chǔ)工藝模塊。物料檢測單元用于檢測模塊內(nèi)各粒徑級物料量是否滿足產(chǎn)出條件，若滿足則產(chǎn)出需求量至產(chǎn)出物料，剩余物料作為輸出物料進(jìn)入下一個(gè)模塊。單層篩和破碎機(jī)組合形成的最小破碎篩分組，確保了整個(gè)模塊的不可分解，在單次破碎即可滿足產(chǎn)出條件時(shí)采用開路模式破碎，破碎產(chǎn)物直接進(jìn)入物料檢測單元;單次破碎無法滿足產(chǎn)出條件時(shí)采用閉路模式破碎，破碎產(chǎn)物以多次重入的方式在最小破碎篩分組內(nèi)反復(fù)破碎篩分，直至物料全部進(jìn)入物料檢測單元內(nèi)。

基礎(chǔ)工藝模塊構(gòu)造的基本工藝單元模型具有良好的可計(jì)算性，其內(nèi)部包含砂石料生產(chǎn)基本工藝要素所對應(yīng)的全部計(jì)算內(nèi)容，能計(jì)算各環(huán)節(jié)的物料信息。圖3分別描述了在開、閉路兩種破碎模式下該模塊的計(jì)算框架。其中? v?? x， I? ， v?? x， G? ， v?? x， O? 分別為輸入物料、產(chǎn)出物料、輸出物料;破碎矩陣 C 描述破碎機(jī)的破碎作業(yè);篩分矩陣 E x 描述單層篩的篩分作業(yè)，其篩孔尺寸與v x粒度相匹配;產(chǎn)出單元D x用于判斷進(jìn)入其中物料的v x粒徑級是否滿足需求量，若滿足則產(chǎn)出需求量至 v?? x， G? 。物料檢測單元M 由多個(gè)單層篩和產(chǎn)出單元組合而成，單層篩分離特定粒徑級物料，產(chǎn)出單元判斷該物料是否滿足產(chǎn)出條件，級級遞進(jìn)，使得物料檢測單元能夠檢測進(jìn)入其中物料的每個(gè)粒徑級是否滿足產(chǎn)出條件，從而判斷該模塊是否存在物料產(chǎn)出。

已知目標(biāo)物料為?? v ???F ，根據(jù)功能描述，定義D i產(chǎn)出物料? v ???i， G?? 時(shí)其內(nèi)部計(jì)算式為

D i? v ，? v ???F? ： ??v ???i， G? =f n? v ???F? i ?，i?? v i-v?? F （i） ≥0? 其中 N ???F （i） =? v ???F -? v ???i， G??? v?? i， G? = 0?????? v i-v?? F （i） <0? （1）

式中：? v 為D i的輸入物料;f x y，z 代表一個(gè)第z分量為y、其余分量均為0的x維矢量;v i和v?? F （i） 分別代表 v 和? v ???F 的第i分量 。

在開路破碎模式下，模塊內(nèi)輸出物料?? v ???O 、產(chǎn)出物料? v ???G 與輸入物料? v ???I? 間滿足以下關(guān)系：

v?? C =C I- E? i? ′? v?? i， I?? （2）

D m? I- E? m ?v?? C ， v?? F? ??????????m=i? 其中v′? m， D? = E′? m v?? m， I? ， v? m， D? = E? m v?? C? D m? I- E? m? ?v?? m， I? + v′?? m-1， D? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ?m=i+1? 其中v? m， D? = E? m ?v?? m， I? + v′?? m-1， D? + v?? m-1， D??? D m? I- E? m? ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ??m=i+2，…，n-1? 其中v? m， D? = E? m ?v?? m， I? + v?? m-1， D??? D m ?v?? m， I? + v?? m-1， D? ， v?? F? ????????????m=n? （3）

v?? G =? n m=i ?v?? m， G?? （4）

v?? O = v?? C + E? i? ′ v?? i， I? +? n m=i+1 ?v?? m， I? - v?? G? （5）

在閉路破碎模式下，破碎產(chǎn)物在最小破碎篩分組內(nèi)反復(fù)破碎篩分直至全部進(jìn)入物料檢測單元內(nèi)的行為可描述為圖4所示計(jì)算模型。

因此在閉路破碎模式的基礎(chǔ)工藝模塊內(nèi)，? v?? O 、 v?? G 與 v?? I? 間滿足以下關(guān)系：

v?? i， D? = ??C I- E? i? ??n+ E? i? n-1 j=0 ??C I- E? i? ??j ?v?? i， I?? n= min? n ?‖ I- E? i ??C I- E? i? ??n v?? i，I ‖? 1<ε，? ?????n∈N +???? （6）

D m? I- E? m? ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ??m=i+1，…，n-1 其中v? m， D? = E? m ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ??D m ?v?? m， I? + v?? m-1， D? ， v?? F? ??????????m=n?? （7）

v?? G =? n m=i+1 ?v?? m， G?? （8）

v?? O = v?? i， D? +? n m=i+1 ?v?? m， I? - v?? G? （9）

上述式中： n為破碎輪次;ε 為計(jì)算精度。

由于基礎(chǔ)工藝模塊能對基礎(chǔ)工藝單元的功能結(jié)構(gòu)做出圖形化描述，因此各模塊所代表的工藝不同時(shí)其內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)也不同，模塊內(nèi)各環(huán)節(jié)物料信息的計(jì)算即是確定模塊內(nèi)實(shí)際結(jié)構(gòu)的過程。該過程遵循結(jié)構(gòu)最簡原則，具體為根據(jù)計(jì)算各產(chǎn)出單元 D x的產(chǎn)出物料 v?? x， G?? 數(shù)值，精簡物料檢測單元內(nèi)單層篩和產(chǎn)出單元的數(shù)量，以達(dá)到使用最少的篩分，產(chǎn)出單元完成產(chǎn)出物料? v?? G? 的效果，節(jié)省篩分設(shè)備的使用數(shù)量。同時(shí)，由于存在篩分效率，精簡篩分設(shè)備還能減少遜徑骨料的數(shù)量，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

用參數(shù)表達(dá)式U? n，b （ C ， Es ，m，v? G ，v? I ，v? O ）來表示基礎(chǔ)工藝模塊，n和b分別代表執(zhí)行順序和分支編號，執(zhí)行順序?yàn)樵撃K根據(jù)物料粒徑變化需要被執(zhí)行的先后順序，而分支編號則在多個(gè)模塊的執(zhí)行順序相同時(shí)被使用，代表某一粒徑級的物料分批次被不同工藝模塊同時(shí)加工。 C 為破碎矩陣; Es 為篩分效率存儲矩陣，其內(nèi)部各列為各單層篩的篩分矩陣對角元;m為破碎模式（開路m=0，閉路m=1）;v? G 、v? I 和v? O 均為物料矢量，分別代表產(chǎn)出物料、輸入物料和輸出物料。

2.3.2 組合工藝模塊

當(dāng)多個(gè)具有相鄰執(zhí)行順序的基礎(chǔ)工藝模塊依次連接為一段工藝路線，且這些模塊間采用同種破碎、篩分設(shè)備時(shí)，允許合并為一個(gè)組合工藝模塊。模塊合并分為兩種情況：① 若合并的多個(gè)模塊均為開路模式，則組合工藝模塊為開路模式;② 若合并的多個(gè)模塊中最后一個(gè)模塊為閉路模式，則組合工藝模塊為閉路模式。其余情況不能合并。

模塊合并使得單個(gè)破碎機(jī)在開路或閉路模式下可以完成多個(gè)粒徑級的破碎，圖5分別描述了在開、閉路兩種模式下該模塊的計(jì)算框架。

在開路破碎模式下，模塊內(nèi)輸出物料 v? O 、產(chǎn)出物料v? G 與輸入物料v? I? 間滿足以下關(guān)系：

v?? m， C ?=C I- E′? m ?v?? m， I??????????? ?m=i?? 其中v′? m， D? = E′? m v?? m， I????? v?? m， C? =C I- E′? m? ?v?? m， I? + v′?? m-1， D?? ??m=i+1，…，j?? 其中v′? m， D? = E′? m ?v?? m， I? + v′?&nbsp; m-1， D?? ????（10）

D m? I- E? m ?v?? m， C? ， v?? F? ???????????m=i?? 其中v? m， D? = E? m v?? m， C???? D m? I- E? m? ?v?? m， C? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ???m=i+1，…，j?? 其中v? m， D? = E? m ?v?? m， C? + v?? m-1， D?? ???D m? I- E? m? ?v?? m， I? + v′?? m-1， D? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ??m=j+1?? 其中v? m， D? = E? m ?v?? m， I? + v′?? m-1， D? + v?? m-1， D?? ???D m? I- E? m? ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ??m=j+2，…，n-1?? 其中 v?? m， D? = E? m ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ??D m ?v?? m， I? + v?? m-1， D? ， v?? F? ????????????m=n?? （11）

v?? G =? n m=i ?v?? m， G?? （12）

v?? O =? j ?m=i?? v?? m， C? + v′?? j， D? +? n ?m=j+1?? v?? m， I? - v?? G? （13）

在閉路破碎模式下，多級破碎產(chǎn)物反復(fù)破碎篩分直至全部進(jìn)入物料檢測單元內(nèi)的行為可描述為圖6所示計(jì)算模型。

因此在閉路破碎模式的基礎(chǔ)工藝模塊內(nèi)， v? O 、v? G 與v? I? 間滿足以下關(guān)系：

D?? k ??m=? I- E? m? ?v??? k ???m， I?; + E?? m-1? v??? k ???m-1， I?? ， v?? F??? v??? 0 ???i， I? = v?? i， I? ， v??? k+1 ???i， I? =C I- E? i ?v??? k ???i， I??? v??? 0 ???m， I? = v?? m， I??? v??? k+1 ???m， I? =C? I- E? m? ?v??? k ???m， I? + E?? m-1? v??? k ???m-1， I?? - v??? k ???m， G???? v?? j， D? =? n ?m=0?? v??? m ???j， I? +C I- E? i ?v??? n ???i， I? +??? ???j ?m=i+1? ??I- E? m? ?v??? n ???m， I? + E?? m-1? v??? n ???m-1， I?? - v??? n ???m， G??? n= min? n ?‖ v?? j， D? -? n ?m=0?? v??? m ???j， I? ‖? 1<ε，n∈N +??? （14）

D m? I- E? m? ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ， v?? F? ?m=j+1，…，n-1?? 其中 v?? m， D? = E? m ?v?? m， I? + v?? m-1， D?? ??D m ?v?? m， I? + v?? m-1， D? ， v?? F? ???????????m=n?? （15）

v?? G =? j ?m=i+1??? n ?k=0?? v??? k ???m， G? +? n ?m=j+1?? v?? m， G?? （16）

v?? O = v?? j， D? +? n ?m=j+1?? v?? m， I? - v?? G? （17）

組合工藝模塊其內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)的確定同樣遵循結(jié)構(gòu)最簡原則，以節(jié)省篩子的使用數(shù)量。在實(shí)際使用時(shí)，一般采取兩種方式。

（1） 根據(jù)計(jì)算各產(chǎn)出單元 D x 的產(chǎn)出物料? v?? x， G?? 的數(shù)值，精簡物料檢測單元內(nèi)單層篩和產(chǎn)出單元的數(shù)量;

（2） 通過基礎(chǔ)工藝模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)推導(dǎo)組合工藝模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，即在組合工藝模塊結(jié)構(gòu)框架中保留各個(gè)基礎(chǔ)工藝模塊的篩分、產(chǎn)出單元。

需要注意的是，只有由基礎(chǔ)工藝模塊連接形成的工藝流程才屬于標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，若采用方式（1），組合工藝模塊則不可直接逆向分解為多個(gè)基礎(chǔ)工藝模塊。

2.3.3 工藝流程構(gòu)建

利用基礎(chǔ)工藝模塊構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)工藝流程時(shí)，先按照需求設(shè)定被加工物料各粒徑級的加工方式、加工順序以及破碎設(shè)備機(jī)型等參數(shù)以構(gòu)建基礎(chǔ)工藝模塊，接著按照執(zhí)行順序依次連接這些模塊形成標(biāo)準(zhǔn)工藝流程框架，其中具有分支編號的模塊以并聯(lián)的方式與其他模塊相連，連接方式如圖7所示。

接下來完成對該標(biāo)準(zhǔn)工藝流程框架的級配平衡計(jì)算，具體為依次完成各個(gè)模塊內(nèi)的參數(shù)計(jì)算，檢驗(yàn)是否能夠正確生成目標(biāo)物料以驗(yàn)證該工藝方案是否合理可行，并得到各工藝模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)。

最后，若部分基礎(chǔ)工藝模塊滿足合并條件，則可合并為組合工藝模塊以簡化流程，如圖8所示。

2.4 ACAPP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前在砂石料加工工藝流程設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)人員有豐富的專業(yè)知識并參考相似案例，經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，而流程量等工藝參數(shù)的確定需要耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算、校核和修改，工作強(qiáng)度大，易出錯(cuò)。為實(shí)現(xiàn)砂石料生產(chǎn)工藝流程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，設(shè)計(jì)ACAPP系統(tǒng)由6個(gè)功能模塊組成（見圖9）。

（1） 數(shù)據(jù)處理模塊：處理輸入的工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)和目標(biāo)工藝數(shù)據(jù)。

（2） 工藝生成模塊：基于項(xiàng)目數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)及相關(guān)方法，生成符合工程要求的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。

（3） 工藝調(diào)整模塊：調(diào)整工藝流程的工藝細(xì)節(jié)、增加附加工藝、補(bǔ)充設(shè)備配置等，得到最終工藝方案。

（4） 數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊：生成工藝報(bào)告。

（5） 交互控制模塊：在各個(gè)操作環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)用戶與數(shù)據(jù)信息的交互。

（6） 數(shù)據(jù)庫模塊：分為設(shè)備數(shù)據(jù)庫和專家知識庫，設(shè)備數(shù)據(jù)庫為每個(gè)操作環(huán)節(jié)中工藝的選擇、設(shè)計(jì)、調(diào)整以及計(jì)算提供設(shè)備參數(shù);專家知識庫儲存大量的工藝?yán)碚撘约敖?jīng)驗(yàn)知識，能在工藝的選擇、設(shè)計(jì)、調(diào)整中提供優(yōu)選方案。

上述ACAPP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于工藝生成模塊，即通過某種方法根據(jù)用戶輸入的項(xiàng)目、工藝數(shù)據(jù)生成符合描述的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。本文利用C + +實(shí)現(xiàn)了一個(gè)ACAPP的系統(tǒng)原型，目的是用以驗(yàn)證本文所提出的基于模塊化的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程在實(shí)現(xiàn)自主工藝設(shè)計(jì)的有效性，該系統(tǒng)的工藝生成模塊實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

3 工程實(shí)例

LDT砂石加工系統(tǒng)為里底水電站提供砂石料，本文通過使用ACAPP原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LDT砂石料加工系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)并與實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證本文方法的有效性。

LDT砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為1 500 t/h，表1為原料粒徑以及目標(biāo)物料粒度級配，振動篩的篩分效率采用Rosin-Rammler模型來進(jìn)行預(yù)測，并以此構(gòu)建篩分矩陣參與實(shí)時(shí)運(yùn)算。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)工藝流程

根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，確定各基礎(chǔ)工藝模塊的破碎形式、破碎機(jī)機(jī)型、排料口開度及破碎粒徑級如表2所列。

根據(jù)表2內(nèi)信息構(gòu)建基礎(chǔ)工藝模塊，連接得到標(biāo)準(zhǔn)工藝流程框架，并利用ACAPP原型系統(tǒng)完成物料平衡計(jì)算，得到表3～8所列基礎(chǔ)工藝模塊參數(shù)表。

基于各工藝模塊的參數(shù)，確定各基礎(chǔ)工藝模塊實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖11所示。

根據(jù)工藝模塊的下標(biāo)信息，不存在同一粒徑級分批次被多個(gè)工藝模塊同時(shí)加工的情形，直接按照工藝模塊的執(zhí)行順序依次連接圖12內(nèi)的各基礎(chǔ)工藝模塊，即可得到如下圖13所示的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程：

3.2 實(shí)際工藝流程

根據(jù)基礎(chǔ)工藝模塊的合并屬性，由于 U 2和U 3采用同種破碎機(jī)，U 4、U 5和U 6 也采用同種破碎機(jī)，進(jìn)行模塊合并，得到工藝流程如圖13所示。

選定粗碎車間配置1臺Ci124型反擊破碎機(jī)、2臺NP1415型反擊破碎機(jī)，中碎車間配置3臺Ci224型反擊破碎機(jī)，人工制砂車間采用8臺PL9500SD型立軸沖擊破碎機(jī)，粗砂整形車間采用2臺PLS-850型立軸沖擊破碎機(jī)，第一篩分配置2臺YKR2460H型雙層篩，第二篩分配置4臺3YKR2475型三層篩，第三篩分配置8臺2YKR2475型雙層篩。最終設(shè)計(jì)完成的工藝流程如圖14所示。

4 結(jié) 語

通過對砂石料加工特征的分析，提出了標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的概念，設(shè)計(jì)了一種包含砂石料生產(chǎn)工藝要素的基礎(chǔ)工藝模塊，并實(shí)現(xiàn)了一種基于基礎(chǔ)工藝模塊的砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)方法，將砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)分為描述工藝、構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)工藝流程、參數(shù)計(jì)算、生成工藝設(shè)計(jì)方案4個(gè)步驟。并利用C + +語言實(shí)現(xiàn)了ACAPP原型系統(tǒng)。該ACAPP系統(tǒng)不僅對不同砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)的需求具有很好的適應(yīng)性，能高效地實(shí)現(xiàn)砂石料生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)，而且減少了對工藝設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的過度依賴。經(jīng)過工程實(shí)例的驗(yàn)證，工藝設(shè)計(jì)方案完全能滿足工程需求，為大型砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。

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（編輯：胡旭東）

Research and application of computer aided process planning （CAPP） ?method for aggregate production process

DU Xuan 1，ZHOU Junyao 1，F(xiàn)U Tingwu 2

?（ 1.College of Mechanical & Power Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China; 2.Powerchina Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710000，China ）

Abstract：

Aiming at the problems existing in the process design of aggregate production system，such as complex technical process，many process parameters and large amount of process calculation，on the basis of a in-depth analysis on the aggregate processing characteristics，a modular process design method based on standard process flow was proposed，and a basic process module containing the production process elements of aggregate such as crushing，screening and flow detection was designed.Firstly，the graphical basic process module was used to describe the aggregate production process，and a standard process flow of aggregate production was constructed.Then，according to the computability of standard process flow，the balance calculation of equipment parameters and process flow were realized by programming，and the computer aided design for aggregate production process flow was realized.Finally，based on the theory of this paper，the process design of specific aggregate processing system was realized by using the aggregate CAPP prototype system，and the effectiveness of the proposed computer aided design method for aggregate production process was verified.

Key words：

aggregate production;Aggregate Computer Aided Process Planning;modular design;standard procedure flow