自動定量裝車系統的應用研究

高廣恒 湯鵬飛 張小新

中交機電工程局有限公司

1 引言

鐵路運輸有著單列載重量大、使用專線運輸對城市道路交通影響小、電氣化鐵路綠色環保的優勢，正逐漸取代公路運輸成為疏港的重要方式。自動定量裝車系統作為實現快速高效散狀物料裝車的關鍵裝置得到了廣泛的應用。從介紹自動定量裝車系統的結構組成出發，通過理論分析和工程案例計算為定量裝車系統的實際應用提供理論支撐。

2 自動定量裝車系統組成

自動定量裝車系統通過自動稱量，把一批散狀物料按照由車廂(輛)的預裝料量和車輛順序形成的預設值順序表，分成預定的質量，并將其依次裝入車廂(輛)的衡器[1]。它主要由進料裝置、機械設備、動力系統、電氣與控制系統、稱量系統等構成。其中，進料裝置是將物料輸送給緩沖倉的裝置，如帶式輸送機、管狀帶式輸送機等可實現連續給料的設備裝置[2]。機械設備主要包括緩沖倉、入料閘門、稱量倉、卸料閘門、溜槽及溜槽閘門。動力系統為機械設備中各閘門的動作執行器提供動力，其中動作執行器通常為具有開度調節功能的液壓執行器；動力系統須配有蓄能器，保證系統斷電后自動關閉閘門并使各運動部件回歸到初始狀態，保證系統安全[3]。稱量系統對被稱物料進行質量檢測，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、標準器等。電氣與控制系統包含配電柜、料位傳感器、測速傳感器、信號指示裝置等，能夠控制本系統各部件的動作，并實現供料、稱量、卸料等全過程控制。

3 自動定量裝車工作周期

3.1 稱量系統工作周期

鐵路運輸不僅要控制整列車的裝載總重量，而且對每節車廂的裝載重量也有具體要求。稱量系統將物料按預設值分成若干份，解決了連續來料與按份裝車的問題。稱量系統的1個工作周期可分為判斷、進料、稱量和放料4個工作狀態(見圖1)。

圖1 稱量系統的工作過程

系統完成一個工作循環所需的時間為：

TF=tj+td+tw+tl

(1)

式中，tj為判斷時間，系統完成稱量倉空倉狀態監測和卸料閘門處于關閉狀態監測；td為進料時間，入料閘門打開至進料質量達到預設值且完成入料閘門關閉動作；tw為稱量時間，從入料閘門完全關閉后開始、獲取稱量值且完成自動存儲并累加；tl為放料時間，從卸料閘門開啟至稱量倉空倉并完成卸料閘門關閉動作。

擺動式裝車流量控制閘門(簡稱擺動溜槽)的作用是滿足不同火車車型的裝車需要，溜槽內部的弧形控制閘門控制卸料時機，防止將物料卸到車廂外的情況發生，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。擺動溜槽的動作與稱量系統的工作過程相互獨立，故擺動溜槽的動作時間不計入稱量系統的工作周期。

3.2 裝車系統裝車循環時間

在火車車廂行進過程中，擺動溜槽的1個工作周期可定義為從某一節車廂的開始裝車點到相鄰的下一節車廂的開始裝車點為止所占用的時間。1個工作周期TC由車廂通過裝車距離DL的時間和車廂通過裝車間隙DS的時間組成；a為溜槽開始卸料時與車廂的距離，b為溜槽完成卸料時與車廂的距離(見圖2)。

圖2 裝車過程示意

(2)

式中，v為裝車過程中車廂行進速度；TL為卸料時間；TS為過渡時間。

在整個TC過程中，緩沖倉內是一直有物料的，稱量倉內的物料重量按預設值接收并卸料，溜槽內物料須在小于等于TL的時間內完成空倉，否則就不能保證每節車廂的裝載質量。定量系統的這個特征使得物料在連續輸送過程中的靜態稱量得以實現，而且系統可以根據車號識別系統自動識別車廂編號并與預設值順序表比對一致后自動完成配料，避免混編車列裝車時手動輸入預設值而影響裝車效率。

4 自動定量裝車系統容積設計

4.1 稱量倉容積確定

稱量倉的最小有效容積由物料堆積容重和預設值決定。預設值越大、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 卸料倉容積確定

由前述定量秤的工作邏輯關系可知，TF最早開始時間必定是在系統檢測到稱量倉為空倉，卸料閘門處于關閉狀態之后開始；TF的最遲完成時間必定是在開始裝載下一節車廂前結束。

當TF≤TS時，稱量倉最遲可在溜槽完成卸料后才開始TF過程，此時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TC≥TF>TS時，稱量倉須在溜槽卸料結束前便開始TF過程，此時溜槽需具有一定的有效容積來緩存物料。

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

當TF>TC時，表示該系統在裝車作業時每裝完1節車廂，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自動裝車，不再論述。

4.3 緩沖倉容積確定

緩沖倉在連續裝車作業中起到承接上游進料裝置的來料和給稱量倉喂料的作用，是連續給料與間斷卸料之間的緩沖器。緩沖倉的有效容量的設計是否合理，關系到整個裝車系統是否能平穩連續高效地運行，是系統設計不可忽視的重要參數。

在1個TC內，若緩沖倉接收的來料量(按上游進料裝置均勻供料考慮)等于溜槽卸料量，當入料閘門關閉，緩沖倉內料位快速升高；當入料閘門開啟，緩沖倉內料位快速下降，但緩沖倉內的料位高度會在一個固定幅度呈周期性變化。

5 影響裝車時間的因素分析

對于一個特定的裝車系統，影響TC長短的因素主要有：

(1)當車廂行駛速度提高時，TC縮短，需要增大溜槽閘門的開度加快卸料，同時需要上游供料設備同步增大給料能力才能使系統持續保持穩定狀態，如果上游供料設備給料能力沒有同步增大，緩沖倉的料位會逐漸下降直至空倉，稱量倉內的物料重量因不能快速達到預設值而引起TF延長，甚至超過TC引起系統連續裝車失敗。

(2)當車廂行駛速度降低時，TC延長，需要減小溜槽閘門的開度減緩卸料，同時需要上游供料設備同步減小給料能力才能使系統持續保持穩定狀態，如果上游供料設備給料能力沒有同步減小，緩沖倉的料位會逐漸上升直至觸發溢料位開關，引起上游供料設備停機。

(3)當車列存在混編車廂列車速度不變時，裝車過程中TC是波動的，緩沖倉內的料位波動幅度也會增大或減小，而且實際裝車中會因個別車廂不具備裝車條件而出現“跳廂”的情況，每發生一次跳廂緩沖倉內的料位會急劇升高，待系統穩定后達到新的平衡。受緩沖倉容量的限制，連續跳廂次數是被嚴格限制的。

不間斷地連續作業是保證定量裝車系統效率的關鍵因素，分析上述影響連續裝車的因素可從以下幾個方面采取相應的應對措施。

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

(2)通過增大緩沖倉的容積、調高溢料位開關的料位高度，來保證系統在較大的料位波動幅度范圍內運行。

(3)對于一個既定的定量裝車系統，可通過對供料系統的改造來適應如車廂裝車速度波動、車廂混編(預設值波動)等因素引起的不穩定因素。可將供料系統由定速型改為變頻調速型，由多級調速型改為無級調速型。

(4)也可通過增大入料閘門、卸料閘門和溜槽閘門的開度，提高稱量系統工作效率，增大TC與TF的差值，使定量系統有足夠的自由時差。

6 案例分析

以國內某港鐵路疏港定量裝車系統為例進行計算分析。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t。對裝車系統的額定工況和裝車時間的具體計算結果見表1。

表1 不同車型生產能力計算表

表1(續)

由表1可知：

(1)本系統容許的裝車速度在0.54～0.931 km/h之間，可為調車機的選型提供基礎數據。

(2)實現年裝車1 000萬t的目標值，年最短工作天數為200天，可為判斷系統的合理性和確定生產組織提供理論依據。

7 結語

詳細介紹了自動定量裝車系統的結構組成和裝車循環的時間組成，分析了緩沖倉、稱量倉和溜槽的設計選型依據，并以工程案例為對象，為供料系統、定量系統等設備的能力和裝車速度的確定提供了理論依據，并提出了影響裝車時間因素的應對措施，為定量裝車系統的實際應用提供理論支撐。