任曉迪，張曉剛

(1.中煤平朔集團有限公司煤炭洗選中心, 山西 朔州 036006； 2.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室, 山西 太原 030024)

0 引言

冬季天氣嚴(yán)寒，鐵路裝運的精洗煤在冬季運輸時容易發(fā)生煤炭與車廂黏連或煤炭凍結(jié)情況，造成到港(站)卸車?yán)щy，影響鐵路運輸效率和運輸安全[1-2]。為解決該難題，在裝煤過程中將防凍液均勻噴灑在煤流中，同時對車廂底部、內(nèi)壁進(jìn)行防凍液噴灑，防止煤與車廂之間凍結(jié)[3-4]。運煤列車車廂防凍液噴灑系統(tǒng)包括液流系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)[5]。目前，車廂防凍液噴灑大部分仍采用以人工操作為主的方式，這種方式難以保證噴頭高度、伸至車廂內(nèi)位置，遇到大風(fēng)天氣噴頭晃動幅度大，導(dǎo)致大部分防凍液噴灑在車廂外面，同時防凍液噴灑量無法調(diào)節(jié)，在每節(jié)列車換擋處不能實現(xiàn)立即停噴，造成防凍液的大量浪費，防凍液長期噴灑在列車換擋處傷害列車設(shè)備，污染裝車站環(huán)境[6]。

為解決這一問題，研究人員提出了一種液壓動力、自動化控制的運煤車防凍液噴灑裝置[7]，通過兩個液壓缸分別控制臂架的舉升與回轉(zhuǎn)，采用電磁閥控制噴灑量，但是在實際使用過程中，存在較大問題。防凍液噴灑量以及兩節(jié)車廂之間防凍液停噴全靠人工憑觀察調(diào)整，無法自動調(diào)節(jié)，導(dǎo)致防凍液的浪費以及環(huán)境污染；防凍液中含有雜質(zhì)，運行一段時間后，容易造成電磁閥等元件堵塞或損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)不可靠；臂架的舉升與回轉(zhuǎn)采用開式閥控液壓系統(tǒng)，導(dǎo)致效率低下[8-10]。綜上所述，目前運煤列車防凍液噴灑設(shè)備存在主要問題是防凍液浪費與環(huán)境污染以及系統(tǒng)可靠性與效率低下。

2010年太原理工大學(xué)設(shè)計了一種固定式的防凍液噴灑裝置，在原有手動噴灑裝置的基礎(chǔ)上，利用光電傳感器判斷車廂位置，PLC根據(jù)光電傳感器信號控制防凍液噴灑電磁閥的啟停以達(dá)到節(jié)省人工的目的[11]。針對防凍液噴灑不均勻的問題，石永富設(shè)計了一套防凍液自動噴灑系統(tǒng)，管路系統(tǒng)提供具有一定壓力的防凍液，PLC控制噴灑機構(gòu)對車廂內(nèi)表面和輸送帶上的煤進(jìn)行均勻噴灑，最大化節(jié)約成本，而且操作維護簡單[12]。針對兩車廂間防凍液不能自動停止噴灑，造成浪費和環(huán)境污染問題，神華能源股份有限公司對防凍液噴灑系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用自動控制方式實現(xiàn)噴灑功能，解決了防凍液噴到兩車之間和機車頭部的問題，防凍液噴灑均勻，能從根本上解決冬季凍車問題[13]；中煤平朔集團有限公司通過測速雷達(dá)、起噴雷達(dá)和停噴雷達(dá)共同控制防凍液的自動停噴，還可根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)泵的頻率，控制噴灑流量[14]；張曉剛[15]、蘇正友[16]等采用機電液控制方式，通過采集車速和輸送帶煤流重量等狀態(tài)信息，實現(xiàn)車廂噴灑與緩沖倉煤流噴灑的自動控制。太原理工大學(xué)的蘇海亮[1]設(shè)計了一種車載移動式防凍液噴灑系統(tǒng)，解決了固定式防凍液噴灑裝置噴灑不靈活的問題。西山晉興能源公司對防凍液噴灑系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級改造，利用PLC工控系統(tǒng)與軟件相融合，通過現(xiàn)代無線傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)控信號、PLC 控制信號傳輸至移動終端，實現(xiàn)操作人員對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)視和控制[18]。

隨著人類對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識加深[19]，以及國家環(huán)保力度的不斷加大，運煤車防凍液噴灑設(shè)備的節(jié)能環(huán)保性要求越來越高。為此，本文介紹了一種快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)，提出了快裝站運煤列車兩車廂之間防凍液自動停噴技術(shù)，基于閉式控制的大臂升降技術(shù)及其關(guān)鍵元件三油口液壓泵、大臂低能耗回轉(zhuǎn)驅(qū)動技術(shù)，實踐證明，該自動噴灑系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的工作效率與可靠性，降低了運行中的能耗，解決了防凍液浪費以及環(huán)境污染問題，符合當(dāng)下國家工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的節(jié)能環(huán)保理念，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

該快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中防凍液噴灑控制采用泵控方式，通過改變電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)噴灑量的控制；通過控制升降液壓缸的位移實現(xiàn)大臂的升降控制；通過控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動角度實現(xiàn)大臂的回轉(zhuǎn)控制，該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點：

圖1 快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)

1-滾筒旋轉(zhuǎn)編碼器；2-噴灑滾筒裝置；3-滾筒旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)；4-防凍液管路；5-升降油缸；6-噴灑大臂；7-配重；8-平臺支架；9-樓梯；10-檢修平臺；11-噴灑大臂基座；12-滾筒定位剎車裝置；13-大臂回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)。

1) 基于車廂位置與速度檢測的防凍液泵自動停噴控制方法；

2) 噴灑滾筒裝置及其控制方法；

3) 大臂低能耗回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)；

4) 自動噴灑電氣控制系統(tǒng)。

1.1 基于車廂位置與速度檢測的防凍液泵自動停噴控制方法

圖3所示為兩車廂之間自動停噴示意圖，其中，運煤車廂兩側(cè)設(shè)置有兩對光電開關(guān)，其中一對光電開關(guān)負(fù)責(zé)收集車廂信號，另一對光電開關(guān)負(fù)責(zé)識別兩個車廂之間有無遮擋，有遮擋信號時噴灑，無遮擋信號時停止噴灑，這樣車廂駛?cè)雵婎^下方開始噴灑，車廂駛離噴頭下方停止噴灑，兩節(jié)車廂之間噴頭不噴灑。該車位判斷系統(tǒng)的光電開關(guān)采用的是激光漫反射檢測開關(guān)，其漫反射原理是發(fā)射和接收在同一個傳感器中，發(fā)射光通過物體的表面反射回到接收器，它的優(yōu)點是安裝方便，檢測距離遠(yuǎn)，抗噪能力強，相對傳統(tǒng)激光對射開關(guān)來說，具有容易安裝、調(diào)整，維護方便等優(yōu)點。

圖3 兩車廂之間自動停噴示意圖

防凍液噴灑量通過防凍液泵的變頻控制器來調(diào)整，其控制原理如圖4所示。首先，通過非接觸式測速雷達(dá)對運煤車運行速度進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)速度反饋信號對防凍液噴灑量進(jìn)行設(shè)定。圖5為運煤列車行駛速度與噴灑量關(guān)系，噴灑量與車廂行駛速度成正比關(guān)系，列車行駛速度越快，噴灑量給定值越大。

圖4 車廂噴灑流量控制原理

圖5 列車行駛速度與噴灑量關(guān)系

實際噴灑量的計量通過高精度的智能電磁流量計進(jìn)行檢測，其內(nèi)核采用高速中央處理器，計算速度非?？?，精度高，測量性能可靠，測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，將流量信號放大處理后，輸出模擬電壓等信號，用于流量的控制和調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)當(dāng)前與歷史累積流量統(tǒng)計。進(jìn)一步地，基于給定流量與實際噴灑流量的差值對泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI控制，實現(xiàn)防凍液的按需噴灑，防止浪費。根據(jù)該控制原理可知，車廂因故停止時車速為0，噴頭不噴灑，車廂開始行駛后噴頭立即噴灑，可實現(xiàn)防凍液泵的自動停噴控制。此外，防凍液管路上進(jìn)一步安裝有HYDAC壓力傳感器，用于實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力，檢測精度0.15%，輸出信號為0～10 V，根據(jù)壓力信號對噴灑量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證系統(tǒng)正常運行。

1.2 噴灑滾筒裝置及其控制方法

防凍液泵輸出需求流量后，通過噴灑滾筒裝置進(jìn)行噴灑,噴灑滾筒的結(jié)構(gòu)和實物如圖6、圖7所示。該裝置包括防凍液噴頭，輸送防凍液的噴灑管，控制噴頭角度的滾筒和旋轉(zhuǎn)臂以及防護罩體等。

1-旋轉(zhuǎn)臂; 2-罩體; 3-滾筒; 4-噴灑管; 5-噴頭; 6-蓄能器。

圖7 噴灑滾筒裝置實物圖

具體噴灑過程為：噴頭進(jìn)入運煤列車車廂內(nèi)噴灑位后，滾筒向下旋轉(zhuǎn)，噴頭朝下露出，噴灑防凍液；在噴頭即將噴完離開車廂之前，滾筒向上回轉(zhuǎn)，停止噴灑。防凍液泵至噴頭這一段的殘留余液，通過滾筒向上回轉(zhuǎn)，把余液收集在滾筒里，進(jìn)入下一節(jié)車廂后，滾筒向下回轉(zhuǎn)，防凍液泵啟動，開始噴灑，同時將滾筒內(nèi)的余液倒在車廂內(nèi)。噴灑現(xiàn)場不漏不灑，既環(huán)保又節(jié)約防凍液用量。

滾筒工作時，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)，在電液比例閥的控制下，使?jié)L筒以理想的速度完成回轉(zhuǎn)，噴灑滾筒配置有旋轉(zhuǎn)角度控制裝置，由旋轉(zhuǎn)編碼器與限位開關(guān)檢測并控制滾筒的翻轉(zhuǎn)角度。因滾筒回轉(zhuǎn)時具有慣性，位置不準(zhǔn)確會影響噴灑，故噴灑滾筒配置有剎車裝置，使?jié)L筒翻轉(zhuǎn)與停止動作快速響應(yīng)，角度定位精確控制。為了防止液體噴灑到車廂外，滾筒外還設(shè)置了不銹鋼全方位防護罩，防護罩下部加裝了橡膠防護墊。即使在刮大風(fēng)的惡劣天氣環(huán)境下，也能有效地防止液體外泄、飛濺，避免對設(shè)備下方的工作人員或其它設(shè)備造成慢性破壞。

進(jìn)一步結(jié)合2.1節(jié)基于車廂位置與速度檢測的防凍液泵自動停噴控制方法，可解決目前防凍液噴灑系統(tǒng)普遍存在的防凍液噴灑效果差等問題。實際應(yīng)用表明，與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)相比，可節(jié)省防凍液約30%。

1.3 大臂低能耗回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)

快裝站運煤列車防凍液噴灑設(shè)備大臂低能耗回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)如圖8所示，包括蓄能器組，能量回收液壓泵/馬達(dá)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動動力源[20-21]。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)一側(cè)設(shè)置有第Ⅱ減速器，第Ⅱ減速器連接有能量回收液壓泵/馬達(dá)，所述能量回收液壓泵/馬達(dá)的進(jìn)出油口分別與液壓控制閥的第Ⅰ工作油口A 和第Ⅱ工作油口B 連通；液壓控制閥在中位時，第Ⅰ工作油口A、第Ⅱ工作油口B 分別與油箱口T 連通，壓力油口P 與蓄能器組連通，當(dāng)液壓控制閥處在左邊位置時，第Ⅰ工作油口A 和油箱口T 連通，第Ⅱ工作油口B 與蓄能器組的進(jìn)口連通；當(dāng)控制閥處于右邊位置時，第Ⅰ工作油口A 與蓄能器組的進(jìn)口連通，第Ⅱ工作油口B 與油箱口T 連通；安全閥的進(jìn)油口與壓力油口P 和蓄能器組連通，壓力傳感器安裝在壓力油口P 和蓄能器組連通的液壓管路上；能量回收液壓泵/馬達(dá)的輸出軸與第Ⅱ減速器的輸入軸連接，第Ⅱ減速器的輸出軸與回轉(zhuǎn)機構(gòu)連接，驅(qū)動防凍液噴灑設(shè)備大臂旋轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)另一側(cè)通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動減速器連接有主驅(qū)動液壓馬達(dá)及其主驅(qū)動液壓泵構(gòu)成回轉(zhuǎn)驅(qū)動動力源，驅(qū)動防凍液噴灑設(shè)備大臂旋轉(zhuǎn)。

1-回轉(zhuǎn)驅(qū)動動力源; 2-主驅(qū)動液壓泵; 3-主驅(qū)動液壓馬達(dá);4-回轉(zhuǎn)驅(qū)動減速器; 5-回轉(zhuǎn)機構(gòu); 6-第Ⅱ減速器;7-能量回收液壓泵/馬達(dá); 8-第Ⅰ二位二通插裝閥;9-第Ⅱ二位二通插裝閥; 10-第Ⅲ二位二通插裝閥;11-液壓控制閥; 12-第Ⅳ二位二通插裝閥; 13-壓力傳感器;14-蓄能器組; 15-安全閥。

防凍液噴灑設(shè)備大臂制動時，第Ⅰ二位二通插裝閥得電導(dǎo)通第Ⅰ工作油口A與壓力油口P，第Ⅳ二位二通插裝閥得電導(dǎo)通第Ⅱ工作油口B與油箱，防凍液噴灑設(shè)備大臂的動能驅(qū)動能量回收液壓泵/馬達(dá)處于液壓泵工況，通過第Ⅳ二位二通插裝閥從液壓油箱吸油并排入到液壓蓄能器組產(chǎn)生反向制動力矩，將防凍液噴灑設(shè)備大臂的動能轉(zhuǎn)化為蓄能器組中高壓液體的壓力能；當(dāng)防凍液噴灑設(shè)備大臂再次加速運行時，控制第Ⅰ二位二通插裝閥和Ⅳ第二位二通插裝閥得電，或控制第Ⅱ二位二通插裝閥和第Ⅲ二位二通插裝閥得電，使第Ⅰ工作油口A或第Ⅱ工作油口B與壓力油口P連通，蓄能器組中的壓力油將使能量回收液壓泵/馬達(dá)處于液壓馬達(dá)工況，與主驅(qū)動液壓馬達(dá)一并驅(qū)動防凍液噴灑設(shè)備大臂運行，降低主驅(qū)動液壓馬達(dá)的裝機功率。

在大慣性回轉(zhuǎn)機構(gòu)快速起動時，能量回收液壓馬達(dá)/泵可以輔助主系統(tǒng)驅(qū)動，降低主系統(tǒng)裝機功率，如當(dāng)主驅(qū)動液壓馬達(dá)和能量回收液壓泵/馬達(dá)的排量比為1∶1配置時，同樣工況下，主驅(qū)動系統(tǒng)只需原來50%的驅(qū)動功率即可。制動過程中，采用進(jìn)出口獨立控制方式結(jié)合液壓蓄能器，可回收回轉(zhuǎn)機構(gòu)的大容量動能。采用主輔系統(tǒng)匹配方式，在主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，輔助系統(tǒng)仍可驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)動作，系統(tǒng)具有安全冗余功能。此外，主驅(qū)動采用閉式泵控馬達(dá)系統(tǒng)，消除了傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)存在的大節(jié)流損失，整個系統(tǒng)能量利用率高。

1.4 自動噴灑電氣控制系統(tǒng)

防凍液噴灑電氣控制系統(tǒng)采用PLC元件控制和觸摸屏顯示相結(jié)合的方式，整體控制原理如圖9所示。

圖9 自動噴灑系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)采用美國 AB 高端 PLC控制器作為整個電氣控制系統(tǒng)的控制核心，并將變頻調(diào)速技術(shù)和自動停噴控制技術(shù)相結(jié)合，通過傳感器信號的采集，泵、閥等的控制信號傳輸來完成系統(tǒng)對噴灑壓力、噴灑量、電磁閥開閉、大臂升降擺動、滾筒位置等參數(shù)的自動控制，使這些設(shè)備根據(jù)工況要求自動控制，保持防凍液自動噴灑系統(tǒng)的最佳運行狀態(tài)。

其中，PLC控制器負(fù)責(zé)實時對以下信號進(jìn)行采集和處理：

1) 操作系統(tǒng)各種開關(guān)量信號，如用于車位判斷的光電開關(guān)；

2) 壓力傳感器、位移傳感器、電磁流量計等對液壓驅(qū)動系統(tǒng)的檢測信號；

3) 電磁流量計與壓力傳感器對防凍液噴灑量以及管路壓力的檢測信號；

4) 溫度傳感器對環(huán)境溫度的檢測信號。

PLC控制器對采集的檢測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，結(jié)合圖4的控制原理進(jìn)行內(nèi)部運算，最終按照操作需求輸出相應(yīng)的控制信號：主驅(qū)動液壓泵轉(zhuǎn)速與排量控制信號； 液壓控制閥電比例控制信號；防凍液泵變頻調(diào)速控制信號；防凍液噴灑點、噴頭位置控制信號。

PLC控制器的輸入端子與各個旋鈕、按鈕和光電開關(guān)等輸入元件連接。其中，光電開關(guān)用于識別兩個車廂之間有無遮擋及車廂行駛方向，對車位進(jìn)行判斷。PLC控制器的輸出端子與泵和控制閥等輸出元件連接，與防凍液泵的電動機變頻器連接，對防凍液泵電動機進(jìn)行變頻調(diào)速，實現(xiàn)防凍液按需噴灑，防止浪費。PLC的模擬量模塊與溫度傳感器、非接觸式測速雷達(dá)、壓力傳感器和電磁流量計等連接，實時檢測環(huán)境溫度、運煤車運行速度、液壓系統(tǒng)壓力和流量，以及防凍液噴灑壓力和流量。

為了改善操作人員的工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，PLC控制器進(jìn)一步與監(jiān)控計算機通過MPI通信連接，用于對系統(tǒng)狀態(tài)信號進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)存儲以及打印，實現(xiàn)操作人員對系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，將控制指令全部集中在集控室完成。監(jiān)控計算機系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能，可將各種系統(tǒng)參數(shù)、檢測信號、控制信號及報警數(shù)據(jù)等存入硬盤，隨時調(diào)用。整個控制系統(tǒng)(PLC、觸摸屏)采用UPS供電，以保證在停電時系統(tǒng)仍能正常工作。

如圖1所示，車廂噴灑監(jiān)控系統(tǒng)安裝在圖2中的檢修平臺上方，對整個噴灑過程進(jìn)行實時監(jiān)控。室外智能形攝像機具有日夜轉(zhuǎn)換功能，夜間圖像為黑白模式，白天圖像為彩色模式，該設(shè)備可自動實現(xiàn)日夜轉(zhuǎn)換功能，液晶顯示器清晰度高、圖像穩(wěn)定、使用壽命長。通過該顯示器，工作人員可實時監(jiān)視防凍液噴灑設(shè)備的工作狀況。

2 快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)的運行效果

快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)設(shè)備運行可靠、系統(tǒng)節(jié)能、動作精確，能大幅提高冬季裝車效率，節(jié)約了防凍液、解決了裝車站的環(huán)境污染。與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)的比較如表1所示。

表1 本項目發(fā)明與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)對比

該系統(tǒng)已在中煤平朔集團有限公司煤炭洗選中心、內(nèi)蒙古準(zhǔn)能龍王渠煤炭集運有限責(zé)任公司、大地工程開發(fā)(集團)有限公司天津分公司、朔州中煤楊澗洗選有限公司等企業(yè)應(yīng)用，為用戶創(chuàng)造長期的經(jīng)濟效益。如中煤平朔洗選中心年產(chǎn)8 000萬t精煤，使用該新型防凍液自動噴灑系統(tǒng)后，年節(jié)約防凍液費用30%，每年節(jié)約防凍液費用5 000萬元。

3 結(jié)論

本文介紹了一種快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統(tǒng)，可以實現(xiàn)兩車廂之間防凍液自動停噴、噴灑量根據(jù)車速變頻調(diào)節(jié)、停噴后防凍液泵和噴頭之間的余液回收利用，能實現(xiàn)制動能量高效再生利用，降低了主驅(qū)動液壓馬達(dá)的裝機功率，有效地防止液體外泄、飛濺，避免對設(shè)備下方的工作人員或其它設(shè)備造成慢性破壞，解決了防凍液浪費以及環(huán)境污染問題，提高了系統(tǒng)的工作效率與可靠性，降低運行中的能耗，符合當(dāng)下國家工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的節(jié)能環(huán)保理念，可產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。