文/ 王長新唐成生蘇福

2019年9月25日，習(xí)近平總書記親自出席北京大興國際機(jī)場投運(yùn)儀式，對民航工作作出重要指示，要求建設(shè)以“平安、綠色、智慧、人文”為核心的“四型機(jī)場”，為中國機(jī)場未來發(fā)展指明了方向。其中，綠色機(jī)場是在全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源集約節(jié)約、低碳運(yùn)行、環(huán)境友好的機(jī)場[1]?！丁笆奈濉泵裼煤娇瞻l(fā)展規(guī)劃》中提出預(yù)期指標(biāo)，其中機(jī)場單位旅客能耗（千克標(biāo)準(zhǔn)煤）由0.948降低為0.853[2]。

托盤式分揀機(jī)是大中型樞紐機(jī)場行李處理系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的核心分揀設(shè)備之一，其運(yùn)行能耗的降低是綠色機(jī)場建設(shè)的重要方面。因此，有必要對機(jī)場行李托盤式分揀機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)原理分析，并進(jìn)一步探討可能的節(jié)能措施或方案，為機(jī)場行李托盤式分揀機(jī)的節(jié)能性優(yōu)化提供指導(dǎo)，為“四型機(jī)場”建設(shè)及“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)達(dá)成提供技術(shù)基礎(chǔ)。

一、托盤式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)簡介

機(jī)場行李自動(dòng)處理系統(tǒng)是一套集機(jī)械傳送、電氣控制、信息管理、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)監(jiān)控等技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對機(jī)場行李進(jìn)行快速準(zhǔn)確分揀處理的機(jī)電一體化系統(tǒng)，是機(jī)場運(yùn)營的核心保障系統(tǒng)和現(xiàn)代空港地勤設(shè)施重要的成套裝備之一[3]。

機(jī)場行李自動(dòng)處理系統(tǒng)主要類型有推臂式行李分揀系統(tǒng)、托盤式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)、交叉帶式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)、ICS（Individual Carrier System）自動(dòng)分揀系統(tǒng)等，其中以托盤式分揀機(jī)為核心集中分揀設(shè)備的托盤式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)，是目前大中型樞紐機(jī)場中應(yīng)用最廣泛的行李自動(dòng)處理系統(tǒng)。托盤式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要組成包括離港值機(jī)系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)值機(jī)系統(tǒng)、托盤式分揀機(jī)、滑槽、轉(zhuǎn)盤及早到系統(tǒng)等，如圖1所示[4]，可見托盤式分揀機(jī)是該系統(tǒng)中最大的單體設(shè)備之一。因此，對托盤式分揀機(jī)進(jìn)行節(jié)能分析，對托盤式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 某機(jī)場托盤式行李高速自動(dòng)分揀系統(tǒng)示意圖

二、托盤式分揀機(jī)系統(tǒng)耗能分析

1.托盤式分揀機(jī)運(yùn)行原理

托盤式分揀機(jī)接收由高速注入系統(tǒng)進(jìn)入的行李，將行李輸送至指定滑槽位置時(shí)，通過傾翻托盤的方式將行李卸載到指定滑槽，完成行李的自動(dòng)分揀，其系統(tǒng)原理如圖2所示[5]。由托盤式分揀機(jī)運(yùn)行原理可知，從行李分揀耗能的角度分析，其主要能耗點(diǎn)在于行李的輸送與行李的傾翻。

圖2 托盤式分揀機(jī)系統(tǒng)原理示意圖

2.機(jī)械系統(tǒng)耗能分析

托盤式分揀機(jī)主要由托盤組件、傾翻機(jī)構(gòu)、運(yùn)載小車及軌道系統(tǒng)組成，托盤組件安裝在傾翻機(jī)構(gòu)上，傾翻機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)載小車上，運(yùn)載小車首尾相連，通過導(dǎo)向輪及承載輪運(yùn)行于軌道系統(tǒng)上，其中小車通常由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，托盤式分揀機(jī)主要典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，小車典型基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 托盤式分揀機(jī)主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 運(yùn)載小車結(jié)構(gòu)示意圖

托盤式分揀機(jī)通過小車承載行李、托盤組件與傾翻機(jī)構(gòu)在軌道上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)行李的輸送。因此，小車是行李輸送運(yùn)動(dòng)能量的提供部件，也是輸送能量的主要消耗部件，需對小車能量消耗形式進(jìn)行分析。運(yùn)載小車豎向力主要由承載輪承擔(dān)，橫向力主要由導(dǎo)向輪承擔(dān)，小車在運(yùn)行過程中小車間的拉壓力由關(guān)節(jié)軸承及其銷軸承擔(dān)，由此可知，小車的能量消耗點(diǎn)主要有：（1）承載輪與軌道間的滾動(dòng)摩擦耗能；（2）承載輪自身軸承摩擦耗能；（3）承載輪擺動(dòng)銷軸摩擦耗能；（4）導(dǎo)向輪與軌道間的滾動(dòng)摩擦耗能；（5）導(dǎo)向輪自身軸承摩擦耗能；（6）關(guān)節(jié)軸及銷軸承摩擦耗能。

托盤組件承載行李，當(dāng)運(yùn)行到指定分揀口位置時(shí)，傾翻機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托盤組件進(jìn)行傾翻動(dòng)作，使行李從托盤組件滑入滑槽，完成行李的卸載。因此，有必要對行李的傾翻動(dòng)作進(jìn)行耗能分析，主要分析對象為托盤組件及傾翻機(jī)構(gòu)。

傾翻機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)如圖5所示，其驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)組成包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)齒輪及滾輪導(dǎo)向槽等。據(jù)此，可分析傾翻機(jī)構(gòu)耗能點(diǎn)有：（1）減速器傳動(dòng)效率耗能；（2）齒輪傳動(dòng)耗能；（3）齒輪軸支撐軸承摩擦耗能；（4）滾輪與滾輪軸摩擦耗能；（5）滾輪與導(dǎo)向槽摩擦耗能；（6）導(dǎo)向板轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸摩擦耗能。行李注入托盤組件后，托盤傾翻行李，可能會改變行李的重力勢能，從而產(chǎn)生能量的消耗。

圖5 傾翻機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

以上對托盤式分揀機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耗能分析，為機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能方案的提出，確定了研究對象，提供了理論基礎(chǔ)。

3.控制及電氣系統(tǒng)耗能分析

由機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知，托盤式分揀機(jī)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力源于直線電機(jī)及傾翻機(jī)構(gòu)電機(jī)，因此控制系統(tǒng)能量損耗主要由直線電機(jī)及傾翻機(jī)構(gòu)電機(jī)效率損耗產(chǎn)生。此外，控制或電氣系統(tǒng)主要組成包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、變頻器、網(wǎng)關(guān)、控制器及傳感器等器件，也會消耗部分能量。其中，直線電機(jī)通常采用變頻器驅(qū)動(dòng)，由PLC發(fā)出控制指令，控制直線電機(jī)的啟停及調(diào)速，其基本控制原理如圖6所示。變頻器作為工頻電網(wǎng)到變頻電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器件，相對其他電子器件能量消耗，會產(chǎn)生較大的能量損耗（約5%）。

圖6 直線電機(jī)控制原理示意圖

三、節(jié)能措施或方案分析

1.機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能分析

傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)：（1）傾翻機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置類型主要有齒輪傳動(dòng)及蝸桿傳動(dòng)等，在制造精度或傳動(dòng)比相同的條件下，蝸桿傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)效率更低[6]，因此從節(jié)能的角度，應(yīng)優(yōu)先采用齒輪傳動(dòng)更符合傳動(dòng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，如圖5所示結(jié)構(gòu)；（2）滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承相比，摩擦阻力更小，效率更高，相比滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦力差別較小，采用滾動(dòng)軸承相比滑動(dòng)軸承的啟動(dòng)阻力更小[7]，從運(yùn)轉(zhuǎn)與啟動(dòng)過程節(jié)能的角度，應(yīng)優(yōu)先選用滾動(dòng)軸承替代滑動(dòng)軸承或優(yōu)先采用滾動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)替代滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)，如傾翻機(jī)構(gòu)滾輪結(jié)構(gòu)及運(yùn)載小車承載輪擺動(dòng)銷軸結(jié)構(gòu)均為滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)，滾輪與導(dǎo)向槽之間為滾動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)；（3）串聯(lián)傳動(dòng)系統(tǒng)的整體傳動(dòng)效率，是各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率的乘積，所以應(yīng)盡可能降低傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量，從而減少能量的損耗；（4）傾翻機(jī)構(gòu)減速器通常為標(biāo)準(zhǔn)采購件，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行選用，可優(yōu)先選用高效率的減速器，從而使系統(tǒng)更節(jié)能；（5）提高零部件的加工工藝，減少因零部件的加工水平導(dǎo)致的能耗的增加，如導(dǎo)向板轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸結(jié)構(gòu)、滾輪與導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)等，當(dāng)加工精度不足，表面粗糙度過大等，均會增大摩擦阻力，導(dǎo)致能耗的增加。

維護(hù)保養(yǎng)節(jié)能：（1）機(jī)械系統(tǒng)在使用過程中，各部位之間一定會發(fā)生相應(yīng)的摩擦，如導(dǎo)向板轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸結(jié)構(gòu)間的磨損，以及將滾輪與導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)間的摩擦等，如果不注重對托盤式分揀機(jī)的定期檢修，使得各部位之間長期處于工作狀態(tài)，使其摩擦力增大，那么必然會增加運(yùn)行功率，增加運(yùn)行過程中的電能損耗。因此，需要重視日常檢修及保養(yǎng)工作，通過定期的故障排查和零部件設(shè)備更換，對易磨損的部位進(jìn)行潤滑，減少托盤式分揀機(jī)運(yùn)行中各部位之間的摩擦，從而達(dá)到降低能耗的目的；（2）可采用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，對托盤式分揀機(jī)的運(yùn)行能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，當(dāng)托盤式分揀機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常的電能消耗情況，就及時(shí)組織人員進(jìn)行檢查維護(hù)。

2.控制系統(tǒng)節(jié)能分析

在運(yùn)行控制模式節(jié)能方面：（1）快慢循環(huán)控制是采用變頻器來控制運(yùn)行的速度，當(dāng)有行李注入時(shí)，以額定速度運(yùn)行，當(dāng)在一段時(shí)間內(nèi)沒有檢測到行李注入時(shí)，開始減速轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；（2）快慢停循環(huán)是采用變頻器來控制運(yùn)行的速度，當(dāng)有行李導(dǎo)入時(shí)，以額定速度運(yùn)行，當(dāng)在一段時(shí)間內(nèi)沒有檢測行李注入時(shí)，開始減速轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行，當(dāng)再過一段時(shí)間仍沒檢測到行李導(dǎo)入時(shí)，開始進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步提高節(jié)能率；（3）間歇運(yùn)行循環(huán)，當(dāng)有行李導(dǎo)入時(shí)，以額定速度運(yùn)行，當(dāng)過一段時(shí)間仍沒檢測到行李導(dǎo)入時(shí)，直接進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)，其節(jié)電比較明顯，但由于啟動(dòng)和停止過于頻繁，可能會使托盤式分揀機(jī)機(jī)械磨損明顯增加，且起動(dòng)電流過大也會對電網(wǎng)造成一定沖擊。

通過節(jié)能運(yùn)行控制帶來的好處，除能夠起到節(jié)能效果，還有如下優(yōu)點(diǎn)：一是降低零部件更換費(fèi)用，同時(shí)有利于延長托盤式分揀機(jī)的使用壽命。當(dāng)設(shè)備長時(shí)間處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，滾輪、齒輪、銷軸等關(guān)鍵部件磨損加劇，最終需要更換。而更換這些部件的費(fèi)用高、難度大，且會增加停機(jī)時(shí)間；二是減少機(jī)械部件磨損嚴(yán)重導(dǎo)致的故障率高、噪聲大、各項(xiàng)安全參數(shù)超標(biāo)，無法保證使用安全，甚至無法使用的情況發(fā)生。

在高效電機(jī)節(jié)能方面，電機(jī)作為托盤式分揀機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力源，其能量消耗是最大的，其效率高低直接決定托盤式分揀機(jī)節(jié)能性能的高低，應(yīng)選用高效率的電機(jī)取代低效率的電機(jī)。

在能量回饋節(jié)能方面，當(dāng)系統(tǒng)減速時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，對于能耗制動(dòng)模式，其再生的能量以熱能的形式消耗在制動(dòng)電阻上；而對于能量回饋技術(shù)模式，可將再生的能量回饋電網(wǎng)，從而起到節(jié)能效果。

在工頻變頻切換節(jié)能方面，在額定速度運(yùn)行時(shí)，由50Hz的工頻電源進(jìn)行供電，變頻器不投入運(yùn)行。當(dāng)在無行李注入一定時(shí)間后，將由工頻電源供電切換到變頻器供電，從而使托盤式分揀機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)行或停止運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)有行李再次注入時(shí)，由變頻器供電，托盤式分揀機(jī)運(yùn)行加速到額定速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)額定速度后，由變頻器供電切換到工頻電源供電運(yùn)行。工頻變頻切換節(jié)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)額定速度運(yùn)行時(shí)采用工頻電源供電，額定速度以外的狀態(tài)采用變頻器供電，減少了額定速度下變頻器的能量轉(zhuǎn)換損失，提高了效率。無行李時(shí)低速運(yùn)行或停止，采用變頻控制，使系統(tǒng)平穩(wěn)調(diào)速，對機(jī)械系統(tǒng)的沖擊較小。

四、結(jié)論

通過對托盤式分揀機(jī)的運(yùn)行及結(jié)構(gòu)原理分析，從機(jī)械系統(tǒng)、控制與電氣系統(tǒng)角度，分別研究耗能點(diǎn)，并進(jìn)一步探討了機(jī)械、控制與電氣方面的節(jié)能措施或方案，從而分析得出，機(jī)械系統(tǒng)的主要節(jié)能措施或方案主要有傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與維護(hù)保養(yǎng)節(jié)能，控制或電氣系統(tǒng)節(jié)能措施或方案主要有：運(yùn)行控制模式節(jié)能、高效電機(jī)節(jié)能、能量回饋節(jié)能、工頻變頻切換節(jié)能，為托盤式分揀機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能運(yùn)行及維護(hù)提供了技術(shù)改進(jìn)方向。