姜永順

(中儲(chǔ)糧營(yíng)口儲(chǔ)運(yùn)有限責(zé)任公司，遼寧 營(yíng)口 115007)

散糧裝車是散糧火車運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，其裝運(yùn)工藝水平是糧食運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。目前煤炭、礦粉行業(yè)單溜管火車裝車工藝相對(duì)成熟，案例也很多。糧食方面，單溜管火車裝車工藝國(guó)外已有一些成功的使用案例，但國(guó)內(nèi)應(yīng)用尤其是散糧專用車方面的應(yīng)用很少，不過近幾年也正在逐步推廣。

我國(guó)從推廣“四散”糧食運(yùn)輸方式以來，散糧專用火車的使用越來越多，糧食專用車皮的型號(hào)包括L17K、L18、L70等。L17K是其中較老的車型，頂部有4個(gè)獨(dú)立的圓口用于裝糧，這種車型用伸縮軟管的裝車方式比較合適，但需車輛定點(diǎn)停車來裝，裝車后需要人工補(bǔ)充填塞方能保證裝滿，裝車過程中車輛不能移動(dòng)，自動(dòng)化程度低，正漸漸予以淘汰，這里不作討論。L18、L70兩種屬于較新的車型，頂部開設(shè)有長(zhǎng)條孔，在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)散糧單溜管無(wú)駐車火車裝車工藝，集車輛智能識(shí)別、自動(dòng)稱重、快速裝車、自動(dòng)平車、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能于一體，作業(yè)效率高，人員配置少，可有效解決散糧快速定量裝車問題。

以L18、L70車型為例，分析無(wú)駐車裝車工藝在設(shè)計(jì)方面需要注意的因素，比如火車牽引速度和牽引力、溜管自動(dòng)升降、裝滿刮平、軟件控制智能化等等方面，并提供實(shí)際選用方面的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，以期為有類似糧食發(fā)運(yùn)項(xiàng)目建設(shè)提供參考，提高我國(guó)散糧專用車的現(xiàn)代化裝運(yùn)水平。

1 裝車系統(tǒng)主要組成

主要組成部分如圖1所示(車輛向左運(yùn)動(dòng))。

圖1 裝車系統(tǒng)整體布局

1.1 塔架

塔架是整個(gè)裝車站的主結(jié)構(gòu)，往往高達(dá)數(shù)十米，分多個(gè)樓層，所有緩沖倉(cāng)、皮帶輸送機(jī)、計(jì)量秤、操作室、閘閥門等等相關(guān)設(shè)施設(shè)備都安置于塔架之中，塔架為剪力墻結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)。

1.2 緩沖倉(cāng)

緩沖倉(cāng)是用于存儲(chǔ)前方輸送設(shè)備來料的暫存?zhèn)}，倉(cāng)容一般較大，有的可達(dá)200 t以上，可有效緩解來料不均問題，也能保證裝車過程供料均勻。緩沖倉(cāng)一般為混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，倉(cāng)底多為方形倒錐結(jié)構(gòu)，傾角足夠大可以保證糧食自流，有時(shí)也內(nèi)襯耐磨材料，減小摩擦系數(shù)，避免積糧積灰。

1.3 散料秤

這里的散料秤是指非連續(xù)累計(jì)散料秤，是用于定量裝車的專用計(jì)量設(shè)備。散糧火車每車皮可裝料60～70 t，散料秤一般通過多斗次的累計(jì)，可滿足一節(jié)車皮裝車需要。為防止散料秤成為工作中的瓶頸，影響產(chǎn)量和裝車效率，一般選型時(shí)會(huì)選擇產(chǎn)量偏大的產(chǎn)品。本案例中裝車額定產(chǎn)量為1 000 t/h，而散料秤的額定產(chǎn)量選型為1 600 t/h。

也有很多工程項(xiàng)目配備了軌道衡，用于發(fā)運(yùn)糧食數(shù)量的結(jié)算，且精度一般高于散料秤；但多數(shù)情況下也會(huì)同步配備散料秤，主要用于控制裝車過程的每節(jié)車皮裝車量，避免超出鐵路部門的規(guī)定范圍，當(dāng)然也可以用于結(jié)算。

1.4 秤下鋼斗

秤下鋼斗用于暫存過秤后的散糧，保證裝車過程供料均勻，一般尺寸較小，容量約10 t，內(nèi)襯耐磨材料，確保使用壽命，也避免積糧積灰。

1.5 鋼斗下卸料組合閘門

該閘門為手動(dòng)和氣動(dòng)組合閘門，為保證密封效果，一般上部為手動(dòng)閘門。正常使用時(shí)，先將手動(dòng)閘門全打開，氣動(dòng)閘門根據(jù)控制系統(tǒng)的指令快速進(jìn)行開啟或關(guān)閉，保證裝車過程中及時(shí)供料或斷料。整個(gè)作業(yè)完成后，手動(dòng)閘門關(guān)閉，避免漏料，確保安全。

1.6 伸縮式裝車管

伸縮式裝車管是負(fù)責(zé)將散糧灌入車皮的裝置，主要由外溜槽體、內(nèi)溜槽體、行程保護(hù)裝置、液壓升降驅(qū)動(dòng)桿等部件組成。

外溜槽懸掛在內(nèi)溜槽兩側(cè)的液壓推桿上，內(nèi)、外溜槽上有滑道，外溜槽可沿內(nèi)溜槽上的滑道作上下伸縮運(yùn)動(dòng)，在更換裝車車皮時(shí)，由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外溜槽的升降。

溜槽之所以要設(shè)計(jì)為內(nèi)外套筒結(jié)構(gòu)，是因?yàn)橥饬锊墼趦?nèi)溜槽下方，裝車時(shí)需降低高度并使用外溜槽刮平車內(nèi)糧面，以保障裝車量準(zhǔn)確且不偏載，作業(yè)完成時(shí)又可升起外溜槽，保證車輛正常通行。

內(nèi)溜槽的位置相對(duì)固定，但也需與其上方的稱重倉(cāng)口使用軟聯(lián)接脫開，一般采用帆布、軟膠皮等軟聯(lián)接形式，避免裝車溜槽的震動(dòng)對(duì)定量稱重過程的干擾，導(dǎo)致計(jì)量精度差的情況發(fā)生。

1.7 車輛識(shí)別系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于掃描車輛識(shí)別碼，迅速?gòu)闹蝎@取車皮尺寸、類型、噸位、車輛編號(hào)等有關(guān)信息，并可將有關(guān)信息自動(dòng)上傳至控制系統(tǒng)，給自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)提供基本信息，可有效減少人工干預(yù)，提高整體作業(yè)效率。

1.8 控制室

控制室位于靠近裝車的地方，放在較高的位置，確保裝車方向視線良好。控制室是一個(gè)封閉的房間，操作員可通過窗戶看到物料裝入車廂的過程，所有控制部分都在操作人員能夠觸及到的地方，可很方便操作和監(jiān)視裝車的過程。

同時(shí)控制室也是個(gè)小規(guī)模的管控中心，各類關(guān)于火車裝車塔流程的主機(jī)、顯示器、監(jiān)視器、控制臺(tái)、打印機(jī)、對(duì)講系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備，集中安放在此。

1.9 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)裝車系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，通過計(jì)算機(jī)軟件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)絡(luò)和控制所有單元，并實(shí)時(shí)顯示有關(guān)信息，保證裝車作業(yè)順暢進(jìn)行。操作人員可通過控制系統(tǒng)了解到火車裝車塔各個(gè)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝車的操作和把控，也可交由系統(tǒng)自動(dòng)完成裝車。

1.10 車輛牽引車或機(jī)構(gòu)

為牽引空車皮或重車皮完成裝車作業(yè)，需要配套牽引車，一般為公鐵兩用車，可在公路及鐵路上行駛，提供千噸以上的牽引力；也有用鋼絲繩牽引機(jī)構(gòu)的，俗稱“鐵?！?，但僅限于直線鐵路上使用，有岔道及彎道時(shí)則受限。其他類型的專用牽引機(jī)構(gòu)比較少見。

2 裝車工藝流程

智能車輛識(shí)別：作業(yè)時(shí)由公鐵兩用車或其他機(jī)構(gòu)牽引散糧車列，首先通過車輛識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別車皮編號(hào)，并將車皮有關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入軟件控制系統(tǒng)。

空車計(jì)量：牽引車皮通過軌道衡，車輛停穩(wěn)后逐一計(jì)量，也同步錄入控制系統(tǒng)。

車皮裝車就位：機(jī)構(gòu)牽引車輛至火車發(fā)放塔料斗秤下方裝車位，過程中注意低速。

落下裝車管的外溜槽：火車發(fā)放作業(yè)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，在傳感器檢測(cè)到第一節(jié)車皮上方裝糧口起始部位對(duì)準(zhǔn)裝車管時(shí)，自動(dòng)將裝車管落下放至低于車皮裝糧口下一定距離，然后開啟散料秤、卸料氣動(dòng)閘門開始放料。

裝糧：剛開始放糧時(shí)列車暫時(shí)不能移動(dòng)，開啟放料閘門，糧食自流入車箱，待裝車管下部糧食堆滿，下料自動(dòng)停止后，再緩慢牽引車輛移動(dòng)。因采用裝車管本身材質(zhì)較硬，可實(shí)現(xiàn)隨裝隨刮平。待走到首節(jié)車廂尾部時(shí)，裝車管上的傳感器感受到限位信號(hào)，車輛再前行可能發(fā)生碰撞，系統(tǒng)會(huì)將裝車管收起，本節(jié)車皮裝車結(jié)束。

重復(fù)：下一節(jié)車皮移動(dòng)到達(dá)裝車管下方時(shí)，裝車管上的傳感器感受到到位信號(hào)，車輛停止移動(dòng)，系統(tǒng)開始下探裝車管，裝車自動(dòng)開始。后續(xù)車皮的裝車將重復(fù)上述動(dòng)作，直至車皮全部裝糧完畢。

回程計(jì)量：裝車結(jié)束后，牽引回軌道衡，配合車輛識(shí)別系統(tǒng)完成回程計(jì)量，整個(gè)裝車過程結(jié)束。

3 主要工藝要點(diǎn)

3.1 牽引機(jī)構(gòu)的低速大扭矩牽引能力

糧食加上數(shù)十輛車皮的自重很大，起動(dòng)時(shí)需要克服的起動(dòng)阻力也很大，故需要的車輛牽引力也大，應(yīng)選擇大扭矩的牽引機(jī)構(gòu)；另外，車輛牽引速度十分重要，牽引速度快會(huì)導(dǎo)致車皮未能裝滿就已離開，這種情況需返回重復(fù)裝車或者依靠人工填滿。因此，車輛速度要低，一般在4 km/h以下。在輸出功率一定的情況下，應(yīng)選擇低速下有良好的大扭矩輸出性能的牽引機(jī)構(gòu)。

列車起步和低速裝車階段均需要很大的輸出扭矩，但長(zhǎng)期此狀態(tài)工作對(duì)牽引機(jī)構(gòu)壽命有較大的影響。因此，為保證車皮裝滿，通過認(rèn)真計(jì)算和復(fù)核，選擇足夠功率和良好大扭矩輸出性能的公鐵車或其他牽引機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵之一。

本項(xiàng)目的計(jì)算選型過程如下：以公鐵兩用車牽引裝30節(jié)大豆的L18車皮為例，大豆自流角為32°，L18車皮進(jìn)口長(zhǎng)11 m，自重23.6 t。在首節(jié)車皮的進(jìn)料口位置對(duì)好后，此時(shí)列車靜止，啟動(dòng)裝車程序，將圖2中陰影區(qū)域裝滿。因車廂內(nèi)部不規(guī)則，準(zhǔn)確尺寸無(wú)法獲得，初步測(cè)算裝糧20 t左右。

圖2 起始裝糧示意

3.2 牽引力計(jì)算[1-2]

列車起動(dòng)阻力=列車起動(dòng)單位基本阻力×貨車質(zhì)量，且牽規(guī)規(guī)定：滾動(dòng)軸承貨車起動(dòng)單位基本阻力計(jì)算結(jié)果小于5 N/kN的，按5 N/kN計(jì)算。

由此得出：

每節(jié)空車的運(yùn)行阻力：

F=5×23.6×9.8=1 156.4 N

動(dòng)態(tài)裝糧時(shí)，本節(jié)車皮起動(dòng)的阻力：

F=5×(23.6+20)×9.8=2 136.4 N

每節(jié)重車的運(yùn)行阻力：

F=5×(23.6+60)×9.8=4 096.4 N

30節(jié)車皮合計(jì)起動(dòng)阻力，即需要的起動(dòng)牽引力如表1所示。

由表1可知，列車起動(dòng)需要的最大牽引力為122 892 N，后續(xù)計(jì)算所需牽引功率后，再進(jìn)一步復(fù)核牽引力。

表1 重車起動(dòng)阻力初步計(jì)算

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

單節(jié)車皮裝糧耗時(shí)：

裝車能力為1 600 t/h，L18載重60 t，則裝滿一節(jié)車皮所需的時(shí)間為：

60÷1 600=0.037 5 h，即135 s。

首節(jié)車皮剩余40 t的動(dòng)態(tài)裝車時(shí)間為：

135×2÷3=90 s。

車皮頂裝糧口長(zhǎng)為11 m。

動(dòng)態(tài)裝糧需要匹配的平均牽引速度為：

11÷90=0.122 m/s。

牽引機(jī)構(gòu)的做功為整個(gè)車輛動(dòng)能的增加量與克服車輛摩擦力所做的功，即：

式中，P為牽引機(jī)構(gòu)的功率；t為動(dòng)態(tài)裝糧需要的時(shí)間，90 s；m為30節(jié)列車的質(zhì)量(包括不同載重過程中空車皮的總重、重車皮的總重和正在裝載中車皮的重量)，kg;v為列車移動(dòng)速度，0.122 m/s；μ為輪軌間摩擦系數(shù)，0.05；g=9.8 m/s2；L為動(dòng)態(tài)裝糧的移動(dòng)距離，11 m。

9.8×11]÷90

裝不同車廂時(shí)，對(duì)應(yīng)的需要牽引機(jī)構(gòu)功率估算如表2所示。

由表2可知，牽引機(jī)構(gòu)功率應(yīng)不小于150 kW，某品牌公鐵兩用車選用的是QSB6.7系列電控渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，查詢?cè)撥嚨倪x型手冊(cè)，最大輸出功率在150 kW以上的某型號(hào)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速約1 500 r/m；再查看該發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出特性圖，此轉(zhuǎn)速下輸出扭矩在峰值附近，顯示該車峰值時(shí)粘著牽引力最大可達(dá)140 000 N，大于表1中的122 892 N，因此牽引力也足夠。

表2 牽引機(jī)構(gòu)功率初步計(jì)算

由此，選型已經(jīng)初步確定，最終選定時(shí)要特別注意功率和牽引力留有一定余量，避免車輛長(zhǎng)期在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，影響使用壽命。該案例中最終選用的公鐵兩用車自重23 t，最大車輛牽引噸位約2 800 t，可正常牽引30節(jié)滿載散糧重車。

3.4 裝車管自動(dòng)升降

根據(jù)實(shí)際裝車經(jīng)驗(yàn)，L70、L18等車型在裝到額定載重量時(shí)，糧面高度會(huì)明顯低于車廂頂部進(jìn)糧口高度，因此如果某節(jié)車皮走到頭時(shí)裝車管不能及時(shí)收回，將造成與車輛的機(jī)械碰撞，會(huì)給裝車系統(tǒng)帶來比較嚴(yán)重的損傷，修復(fù)過程長(zhǎng)，耽誤生產(chǎn)作業(yè)，鐵路部門也可能采取嚴(yán)厲的處罰措施。因此，在本系統(tǒng)中，應(yīng)設(shè)計(jì)裝車管自動(dòng)升降功能。裝完某節(jié)車皮時(shí)，裝車管的外溜槽收起，一般高出車頂面0.2 m左右，溜管放下時(shí)外溜槽逐步接近和進(jìn)入火車車廂內(nèi)，且不得刮碰車廂內(nèi)筋板和連接部件，保證無(wú)糧食外泄，也減少粉塵溢出。作業(yè)完成后外溜槽將完全收起，收起后最低點(diǎn)高度要符合鐵路限界相關(guān)規(guī)范要求，滿足下方車輛安全通行需要。

自動(dòng)升降過程中，通過各類傳感器將到位信號(hào)反饋，系統(tǒng)控制軟件隨即發(fā)出指令，由液壓或電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)裝車管外溜槽抬起。相反，當(dāng)待裝車車皮前行就位后，也有傳感器給系統(tǒng)反饋，系統(tǒng)通知升降機(jī)構(gòu)將外溜槽放下，準(zhǔn)備開始作業(yè)。

在升降驅(qū)動(dòng)元件的選擇上，因電動(dòng)傳動(dòng)不受天氣冷熱影響，維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單，平時(shí)做好潤(rùn)滑保養(yǎng)即可，故傾向于采用電機(jī)減速驅(qū)動(dòng)。實(shí)際使用證明，選用液壓驅(qū)動(dòng)形式也可，但在東北地區(qū)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)更為合適。也有采用液壓桿形式的，但天氣寒冷地區(qū)使用時(shí)，液壓油存在預(yù)熱問題，否則液壓工作會(huì)出現(xiàn)問題；另外，如液壓密封不嚴(yán)，可能出現(xiàn)泄漏，造成糧食污染，氣候較好地區(qū)選用較好的液壓裝置也是可以的。

3.5 糧面刮平功能

在鐵路運(yùn)輸中，會(huì)有車皮因載荷不均的原因被罰款甚至其他更麻煩的處理措施，故車廂內(nèi)前后裝糧高度需基本一致。連續(xù)無(wú)駐車裝車工藝原則上要求裝車一次完成，不再安排人員去人工平整車面散糧，因此工藝上必須具備自動(dòng)刮平功能，也就是裝車管外溜槽在列車前進(jìn)過程中應(yīng)與糧面密切接觸，有一定的剛度和硬度，隨走隨刮平。

為了兼具刮平功能，一般設(shè)計(jì)人員在考慮裝車管材料時(shí)，一般情況都會(huì)想到使用普通鋼材，但常用的A3鋼強(qiáng)度和硬度較高，裝車管一旦與同為鋼鐵材質(zhì)的車廂發(fā)生碰撞，會(huì)帶來比較嚴(yán)重的后果。因此，建議采用有一定強(qiáng)度的柔性材料。結(jié)合實(shí)驗(yàn)效果，認(rèn)為采用聚氨酯耐磨板比較合適，造價(jià)不高，在保持一定強(qiáng)度的同時(shí)又具有良好的耐磨性。

3.6 裝車管的防撞柔性設(shè)計(jì)

雖然裝車管配有自動(dòng)升降系統(tǒng)，但為了防止傳感器或驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)故障，導(dǎo)致與車皮發(fā)生機(jī)械碰撞，造成車輛的損傷及裝車系統(tǒng)的損壞，建議裝車管增加防撞設(shè)計(jì)。

除了前述所說采用柔性的聚氨酯材料外，還需考慮兩個(gè)方面，一是裝車管采用聚氨酯板粘接形式成型，一旦發(fā)生碰撞，容易散架先行損壞，不至于損壞車體，更換也較為容易；二是裝車管本身可設(shè)計(jì)類似關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有彈簧等緩沖元件，在發(fā)生碰撞時(shí)，兩段之間能夠自行圍繞關(guān)節(jié)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，裝車管的兩段可形成一定角度，彎曲裝車管段可以跨過車皮，避免發(fā)生更嚴(yán)重的事故。

3.7 軟件系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)裝車管下探高度

為保障車皮內(nèi)前后糧面持平，不出現(xiàn)明顯偏載，需要做到裝車管外溜槽的下探高度比較合適，刮平時(shí)既不出現(xiàn)下探高度過低，后方糧食溢出的情況；也不出現(xiàn)下探高度不足，導(dǎo)致后方無(wú)糧可刮的情況。

鑒此，軟件系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)裝車管下探高度功能，能夠進(jìn)行智能分析。載重量60 t的L18車型、載重量69 t的L70車型都是常用車型，系統(tǒng)配備有車輛識(shí)別系統(tǒng)，車輛牽引上線后，識(shí)別系統(tǒng)可掃描獲取車輛的長(zhǎng)度、載重量等有關(guān)信息。以掃描到的車皮載重、長(zhǎng)度信息，結(jié)合預(yù)先存入的車廂深度以及扦樣獲取的散糧容重為參考依據(jù)，系統(tǒng)計(jì)算出理論裝車管應(yīng)下探的高度。如果實(shí)際過程中出現(xiàn)了輕微偏差，利用軟件的手動(dòng)修正功能調(diào)整。

4 小結(jié)

雖然散糧火車單溜管無(wú)駐車裝車工藝在國(guó)內(nèi)不夠普及，但已有一些成功案例，我們所介紹的一些經(jīng)驗(yàn)、做法、選型計(jì)算等，在實(shí)際使用中取得了較好效果，可供同類項(xiàng)目參考。