高廣恒 湯鵬飛 張小新

中交機(jī)電工程局有限公司

1 引言

鐵路運(yùn)輸有著單列載重量大、使用專線運(yùn)輸對(duì)城市道路交通影響小、電氣化鐵路綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，正逐漸取代公路運(yùn)輸成為疏港的重要方式。自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)快速高效散狀物料裝車的關(guān)鍵裝置得到了廣泛的應(yīng)用。從介紹自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，通過(guò)理論分析和工程案例計(jì)算為定量裝車系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。

2 自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)組成

自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)稱量，把一批散狀物料按照由車廂(輛)的預(yù)裝料量和車輛順序形成的預(yù)設(shè)值順序表，分成預(yù)定的質(zhì)量，并將其依次裝入車廂(輛)的衡器[1]。它主要由進(jìn)料裝置、機(jī)械設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，進(jìn)料裝置是將物料輸送給緩沖倉(cāng)的裝置，如帶式輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)等可實(shí)現(xiàn)連續(xù)給料的設(shè)備裝置[2]。機(jī)械設(shè)備主要包括緩沖倉(cāng)、入料閘門、稱量倉(cāng)、卸料閘門、溜槽及溜槽閘門。動(dòng)力系統(tǒng)為機(jī)械設(shè)備中各閘門的動(dòng)作執(zhí)行器提供動(dòng)力，其中動(dòng)作執(zhí)行器通常為具有開(kāi)度調(diào)節(jié)功能的液壓執(zhí)行器；動(dòng)力系統(tǒng)須配有蓄能器，保證系統(tǒng)斷電后自動(dòng)關(guān)閉閘門并使各運(yùn)動(dòng)部件回歸到初始狀態(tài)，保證系統(tǒng)安全[3]。稱量系統(tǒng)對(duì)被稱物料進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括稱重傳感器、電子稱重儀表、接線盒、稱重控制軟件、上位機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)器等。電氣與控制系統(tǒng)包含配電柜、料位傳感器、測(cè)速傳感器、信號(hào)指示裝置等，能夠控制本系統(tǒng)各部件的動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)供料、稱量、卸料等全過(guò)程控制。

3 自動(dòng)定量裝車工作周期

3.1 稱量系統(tǒng)工作周期

鐵路運(yùn)輸不僅要控制整列車的裝載總重量，而且對(duì)每節(jié)車廂的裝載重量也有具體要求。稱量系統(tǒng)將物料按預(yù)設(shè)值分成若干份，解決了連續(xù)來(lái)料與按份裝車的問(wèn)題。稱量系統(tǒng)的1個(gè)工作周期可分為判斷、進(jìn)料、稱量和放料4個(gè)工作狀態(tài)(見(jiàn)圖1)。

圖1 稱量系統(tǒng)的工作過(guò)程

系統(tǒng)完成一個(gè)工作循環(huán)所需的時(shí)間為：

TF=tj+td+tw+tl

(1)

式中，tj為判斷時(shí)間，系統(tǒng)完成稱量倉(cāng)空倉(cāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和卸料閘門處于關(guān)閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)；td為進(jìn)料時(shí)間，入料閘門打開(kāi)至進(jìn)料質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)值且完成入料閘門關(guān)閉動(dòng)作；tw為稱量時(shí)間，從入料閘門完全關(guān)閉后開(kāi)始、獲取稱量值且完成自動(dòng)存儲(chǔ)并累加；tl為放料時(shí)間，從卸料閘門開(kāi)啟至稱量倉(cāng)空倉(cāng)并完成卸料閘門關(guān)閉動(dòng)作。

擺動(dòng)式裝車流量控制閘門(簡(jiǎn)稱擺動(dòng)溜槽)的作用是滿足不同火車車型的裝車需要，溜槽內(nèi)部的弧形控制閘門控制卸料時(shí)機(jī)，防止將物料卸到車廂外的情況發(fā)生，而且可以在緊急情況終止卸料，防止物料卸到鐵軌上造成安全事故。擺動(dòng)溜槽的動(dòng)作與稱量系統(tǒng)的工作過(guò)程相互獨(dú)立，故擺動(dòng)溜槽的動(dòng)作時(shí)間不計(jì)入稱量系統(tǒng)的工作周期。

3.2 裝車系統(tǒng)裝車循環(huán)時(shí)間

在火車車廂行進(jìn)過(guò)程中，擺動(dòng)溜槽的1個(gè)工作周期可定義為從某一節(jié)車廂的開(kāi)始裝車點(diǎn)到相鄰的下一節(jié)車廂的開(kāi)始裝車點(diǎn)為止所占用的時(shí)間。1個(gè)工作周期TC由車廂通過(guò)裝車距離DL的時(shí)間和車廂通過(guò)裝車間隙DS的時(shí)間組成；a為溜槽開(kāi)始卸料時(shí)與車廂的距離，b為溜槽完成卸料時(shí)與車廂的距離(見(jiàn)圖2)。

圖2 裝車過(guò)程示意

(2)

式中，v為裝車過(guò)程中車廂行進(jìn)速度；TL為卸料時(shí)間；TS為過(guò)渡時(shí)間。

在整個(gè)TC過(guò)程中，緩沖倉(cāng)內(nèi)是一直有物料的，稱量倉(cāng)內(nèi)的物料重量按預(yù)設(shè)值接收并卸料，溜槽內(nèi)物料須在小于等于TL的時(shí)間內(nèi)完成空倉(cāng)，否則就不能保證每節(jié)車廂的裝載質(zhì)量。定量系統(tǒng)的這個(gè)特征使得物料在連續(xù)輸送過(guò)程中的靜態(tài)稱量得以實(shí)現(xiàn)，而且系統(tǒng)可以根據(jù)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別車廂編號(hào)并與預(yù)設(shè)值順序表比對(duì)一致后自動(dòng)完成配料，避免混編車列裝車時(shí)手動(dòng)輸入預(yù)設(shè)值而影響裝車效率。

4 自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)容積設(shè)計(jì)

4.1 稱量倉(cāng)容積確定

稱量倉(cāng)的最小有效容積由物料堆積容重和預(yù)設(shè)值決定。預(yù)設(shè)值越大、物料堆積容重越小，稱量斗的最小有效容積需越大，反之亦然。

4.2 卸料倉(cāng)容積確定

由前述定量秤的工作邏輯關(guān)系可知，TF最早開(kāi)始時(shí)間必定是在系統(tǒng)檢測(cè)到稱量倉(cāng)為空倉(cāng)，卸料閘門處于關(guān)閉狀態(tài)之后開(kāi)始；TF的最遲完成時(shí)間必定是在開(kāi)始裝載下一節(jié)車廂前結(jié)束。

當(dāng)TF≤TS時(shí)，稱量倉(cāng)最遲可在溜槽完成卸料后才開(kāi)始TF過(guò)程，此時(shí)溜槽的有效容積為最小值，理論上可以理解為該種情況溜槽容積為零。

當(dāng)TC≥TF>TS時(shí)，稱量倉(cāng)須在溜槽卸料結(jié)束前便開(kāi)始TF過(guò)程，此時(shí)溜槽需具有一定的有效容積來(lái)緩存物料。

在不考慮物料從稱量倉(cāng)完全落入溜槽所需要的時(shí)間情況下，當(dāng)TF=TC時(shí)，卸料倉(cāng)有效容積等于稱量倉(cāng)的有效容積。

當(dāng)TF>TC時(shí)，表示該系統(tǒng)在裝車作業(yè)時(shí)每裝完1節(jié)車廂，車輛需要停車等待稱量斗完成配料，該種情況已不屬于連續(xù)自動(dòng)裝車，不再論述。

4.3 緩沖倉(cāng)容積確定

緩沖倉(cāng)在連續(xù)裝車作業(yè)中起到承接上游進(jìn)料裝置的來(lái)料和給稱量倉(cāng)喂料的作用，是連續(xù)給料與間斷卸料之間的緩沖器。緩沖倉(cāng)的有效容量的設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到整個(gè)裝車系統(tǒng)是否能平穩(wěn)連續(xù)高效地運(yùn)行，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可忽視的重要參數(shù)。

在1個(gè)TC內(nèi)，若緩沖倉(cāng)接收的來(lái)料量(按上游進(jìn)料裝置均勻供料考慮)等于溜槽卸料量，當(dāng)入料閘門關(guān)閉，緩沖倉(cāng)內(nèi)料位快速升高；當(dāng)入料閘門開(kāi)啟，緩沖倉(cāng)內(nèi)料位快速下降，但緩沖倉(cāng)內(nèi)的料位高度會(huì)在一個(gè)固定幅度呈周期性變化。

5 影響裝車時(shí)間的因素分析

對(duì)于一個(gè)特定的裝車系統(tǒng)，影響TC長(zhǎng)短的因素主要有：

(1)當(dāng)車廂行駛速度提高時(shí)，TC縮短，需要增大溜槽閘門的開(kāi)度加快卸料，同時(shí)需要上游供料設(shè)備同步增大給料能力才能使系統(tǒng)持續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，如果上游供料設(shè)備給料能力沒(méi)有同步增大，緩沖倉(cāng)的料位會(huì)逐漸下降直至空倉(cāng)，稱量倉(cāng)內(nèi)的物料重量因不能快速達(dá)到預(yù)設(shè)值而引起TF延長(zhǎng)，甚至超過(guò)TC引起系統(tǒng)連續(xù)裝車失敗。

(2)當(dāng)車廂行駛速度降低時(shí)，TC延長(zhǎng)，需要減小溜槽閘門的開(kāi)度減緩卸料，同時(shí)需要上游供料設(shè)備同步減小給料能力才能使系統(tǒng)持續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，如果上游供料設(shè)備給料能力沒(méi)有同步減小，緩沖倉(cāng)的料位會(huì)逐漸上升直至觸發(fā)溢料位開(kāi)關(guān)，引起上游供料設(shè)備停機(jī)。

(3)當(dāng)車列存在混編車廂列車速度不變時(shí)，裝車過(guò)程中TC是波動(dòng)的，緩沖倉(cāng)內(nèi)的料位波動(dòng)幅度也會(huì)增大或減小，而且實(shí)際裝車中會(huì)因個(gè)別車廂不具備裝車條件而出現(xiàn)“跳廂”的情況，每發(fā)生一次跳廂緩沖倉(cāng)內(nèi)的料位會(huì)急劇升高，待系統(tǒng)穩(wěn)定后達(dá)到新的平衡。受緩沖倉(cāng)容量的限制，連續(xù)跳廂次數(shù)是被嚴(yán)格限制的。

不間斷地連續(xù)作業(yè)是保證定量裝車系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素，分析上述影響連續(xù)裝車的因素可從以下幾個(gè)方面采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

(1)為保證車廂行駛速度的穩(wěn)定，可采用固定速度的鋼絲繩牽引調(diào)車機(jī)作為牽引車。

(2)通過(guò)增大緩沖倉(cāng)的容積、調(diào)高溢料位開(kāi)關(guān)的料位高度，來(lái)保證系統(tǒng)在較大的料位波動(dòng)幅度范圍內(nèi)運(yùn)行。

(3)對(duì)于一個(gè)既定的定量裝車系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)供料系統(tǒng)的改造來(lái)適應(yīng)如車廂裝車速度波動(dòng)、車廂混編(預(yù)設(shè)值波動(dòng))等因素引起的不穩(wěn)定因素。可將供料系統(tǒng)由定速型改為變頻調(diào)速型，由多級(jí)調(diào)速型改為無(wú)級(jí)調(diào)速型。

(4)也可通過(guò)增大入料閘門、卸料閘門和溜槽閘門的開(kāi)度，提高稱量系統(tǒng)工作效率，增大TC與TF的差值，使定量系統(tǒng)有足夠的自由時(shí)差。

6 案例分析

以國(guó)內(nèi)某港鐵路疏港定量裝車系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算分析。本鐵路疏港車型主要為C60、C70、C80和混編車列，而混編車列的計(jì)算存在非常多的不確定性因素，因此不考慮混編車列的情況。該裝車系統(tǒng)的額定供料能力為3 600 t/h，最大能力4 140 t/h，年裝車能力1 000萬(wàn)t。對(duì)裝車系統(tǒng)的額定工況和裝車時(shí)間的具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同車型生產(chǎn)能力計(jì)算表

表1(續(xù))

由表1可知：

(1)本系統(tǒng)容許的裝車速度在0.54～0.931 km/h之間，可為調(diào)車機(jī)的選型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)現(xiàn)年裝車1 000萬(wàn)t的目標(biāo)值，年最短工作天數(shù)為200天，可為判斷系統(tǒng)的合理性和確定生產(chǎn)組織提供理論依據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)介紹了自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和裝車循環(huán)的時(shí)間組成，分析了緩沖倉(cāng)、稱量倉(cāng)和溜槽的設(shè)計(jì)選型依據(jù)，并以工程案例為對(duì)象，為供料系統(tǒng)、定量系統(tǒng)等設(shè)備的能力和裝車速度的確定提供了理論依據(jù)，并提出了影響裝車時(shí)間因素的應(yīng)對(duì)措施，為定量裝車系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。