快裝站高能效防凍液自動噴灑系統的研究與應用

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 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

冬季天氣嚴寒，鐵路裝運的精洗煤在冬季運輸時容易發生煤炭與車廂黏連或煤炭凍結情況，造成到港(站)卸車困難，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、內壁進行防凍液噴灑，防止煤與車廂之間凍結[3-4]。運煤列車車廂防凍液噴灑系統包括液流系統、機械系統、控制系統和監控系統[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、伸至車廂內位置，遇到大風天氣噴頭晃動幅度大，導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節，在每節列車換擋處不能實現立即停噴，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備，污染裝車站環境[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，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車廂之間防凍液停噴全靠人工憑觀察調整，無法自動調節，導致防凍液的浪費以及環境污染；防凍液中含有雜質，運行一段時間后，容易造成電磁閥等元件堵塞或損壞，導致系統不可靠；臂架的舉升與回轉采用開式閥控液壓系統，導致效率低下[8-10]。綜上所述，目前運煤列車防凍液噴灑設備存在主要問題是防凍液浪費與環境污染以及系統可靠性與效率低下。

2010年太原理工大學設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上，利用光電傳感器判斷車廂位置，PLC根據光電傳感器信號控制防凍液噴灑電磁閥的啟停以達到節省人工的目的[11]。針對防凍液噴灑不均勻的問題，石永富設計了一套防凍液自動噴灑系統，管路系統提供具有一定壓力的防凍液，PLC控制噴灑機構對車廂內表面和輸送帶上的煤進行均勻噴灑，最大化節約成本，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，造成浪費和環境污染問題，神華能源股份有限公司對防凍液噴灑系統進行改造，采用自動控制方式實現噴灑功能，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、起噴雷達和停噴雷達共同控制防凍液的自動停噴，還可根據環境溫度調節泵的頻率，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信息，實現車廂噴灑與緩沖倉煤流噴灑的自動控制。太原理工大學的蘇海亮[1]設計了一種車載移動式防凍液噴灑系統，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進行智能化升級改造，利用PLC工控系統與軟件相融合，通過現代無線傳輸的方式將監控信號、PLC 控制信號傳輸至移動終端，實現操作人員對現場設備的監視和控制[18]。

隨著人類對環境保護和可持續發展的認識加深[19]，以及國家環保力度的不斷加大，運煤車防凍液噴灑設備的節能環保性要求越來越高。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，提出了快裝站運煤列車兩車廂之間防凍液自動停噴技術，基于閉式控制的大臂升降技術及其關鍵元件三油口液壓泵、大臂低能耗回轉驅動技術，實踐證明，該自動噴灑系統提高了系統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境污染問題，符合當下國家工業產品設計的節能環保理念，具有廣闊的應用前景。

1 快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統的關鍵技術

該快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統如圖1所示，總體結構圖如圖2所示，其中防凍液噴灑控制采用泵控方式，通過改變電動機轉速實現噴灑量的控制；通過控制升降液壓缸的位移實現大臂的升降控制；通過控制回轉馬達的轉動角度實現大臂的回轉控制，該系統的關鍵技術包括以下幾點：

圖1 快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統

1-滾筒旋轉編碼器；2-噴灑滾筒裝置；3-滾筒旋轉液壓馬達；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-大臂回轉液壓馬達。

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) 大臂低能耗回轉驅動系統；

4) 自動噴灑電氣控制系統。

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，運煤車廂兩側設置有兩對光電開關，其中一對光電開關負責收集車廂信號，另一對光電開關負責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，這樣車廂駛入噴頭下方開始噴灑，車廂駛離噴頭下方停止噴灑，兩節車廂之間噴頭不噴灑。該車位判斷系統的光電開關采用的是激光漫反射檢測開關，其漫反射原理是發射和接收在同一個傳感器中，發射光通過物體的表面反射回到接收器，它的優點是安裝方便，檢測距離遠，抗噪能力強，相對傳統激光對射開關來說，具有容易安裝、調整，維護方便等優點。

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整，其控制原理如圖4所示。首先，通過非接觸式測速雷達對運煤車運行速度進行監測，根據速度反饋信號對防凍液噴灑量進行設定。圖5為運煤列車行駛速度與噴灑量關系，噴灑量與車廂行駛速度成正比關系，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系

實際噴灑量的計量通過高精度的智能電磁流量計進行檢測，其內核采用高速中央處理器，計算速度非常快，精度高，測量性能可靠，測量原理是基于法拉第電磁感應定律，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節，可實現當前與歷史累積流量統計。進一步地，基于給定流量與實際噴灑流量的差值對泵轉速進行PI控制，實現防凍液的按需噴灑，防止浪費。根據該控制原理可知，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，可實現防凍液泵的自動停噴控制。此外，防凍液管路上進一步安裝有HYDAC壓力傳感器，用于實時監測系統壓力，檢測精度0.15%，輸出信號為0～10 V，根據壓力信號對噴灑量進行適當調整，保證系統正常運行。

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行噴灑,噴灑滾筒的結構和實物如圖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臂以及防護罩體等。

1-旋轉臂; 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：噴頭進入運煤列車車廂內噴灑位后，滾筒向下旋轉，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，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，把余液收集在滾筒里，進入下一節車廂后，滾筒向下回轉，防凍液泵啟動，開始噴灑，同時將滾筒內的余液倒在車廂內。噴灑現場不漏不灑，既環保又節約防凍液用量。

滾筒工作時，電氣控制系統發出信號，通過液壓系統驅動液壓馬達回轉，在電液比例閥的控制下，使滾筒以理想的速度完成回轉，噴灑滾筒配置有旋轉角度控制裝置，由旋轉編碼器與限位開關檢測并控制滾筒的翻轉角度。因滾筒回轉時具有慣性，位置不準確會影響噴灑，故噴灑滾筒配置有剎車裝置，使滾筒翻轉與停止動作快速響應，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。即使在刮大風的惡劣天氣環境下，也能有效地防止液體外泄、飛濺，避免對設備下方的工作人員或其它設備造成慢性破壞。

進一步結合2.1節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普遍存在的防凍液噴灑效果差等問題。實際應用表明，與當前國內外同類技術相比，可節省防凍液約30%。

1.3 大臂低能耗回轉驅動系統

快裝站運煤列車防凍液噴灑設備大臂低能耗回轉驅動系統如圖8所示，包括蓄能器組，能量回收液壓泵/馬達，回轉機構和回轉驅動動力源[20-21]。在回轉機構一側設置有第Ⅱ減速器，第Ⅱ減速器連接有能量回收液壓泵/馬達，所述能量回收液壓泵/馬達的進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 與蓄能器組的進口連通；當控制閥處于右邊位置時，第Ⅰ工作油口A 與蓄能器組的進口連通，第Ⅱ工作油口B 與油箱口T 連通；安全閥的進油口與壓力油口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機構連接，驅動防凍液噴灑設備大臂旋轉。在回轉機構另一側通過回轉驅動減速器連接有主驅動液壓馬達及其主驅動液壓泵構成回轉驅動動力源，驅動防凍液噴灑設備大臂旋轉。

1-回轉驅動動力源; 2-主驅動液壓泵; 3-主驅動液壓馬達;4-回轉驅動減速器; 5-回轉機構; 6-第Ⅱ減速器;7-能量回收液壓泵/馬達; 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。

防凍液噴灑設備大臂制動時，第Ⅰ二位二通插裝閥得電導通第Ⅰ工作油口A與壓力油口P，第Ⅳ二位二通插裝閥得電導通第Ⅱ工作油口B與油箱，防凍液噴灑設備大臂的動能驅動能量回收液壓泵/馬達處于液壓泵工況，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生反向制動力矩，將防凍液噴灑設備大臂的動能轉化為蓄能器組中高壓液體的壓力能；當防凍液噴灑設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/馬達處于液壓馬達工況，與主驅動液壓馬達一并驅動防凍液噴灑設備大臂運行，降低主驅動液壓馬達的裝機功率。

在大慣性回轉機構快速起動時，能量回收液壓馬達/泵可以輔助主系統驅動，降低主系統裝機功率，如當主驅動液壓馬達和能量回收液壓泵/馬達的排量比為1∶1配置時，同樣工況下，主驅動系統只需原來50%的驅動功率即可。制動過程中，采用進出口獨立控制方式結合液壓蓄能器，可回收回轉機構的大容量動能。采用主輔系統匹配方式，在主系統出現故障時，輔助系統仍可驅動回轉機構動作，系統具有安全冗余功能。此外，主驅動采用閉式泵控馬達系統，消除了傳統閥控系統存在的大節流損失，整個系統能量利用率高。

1.4 自動噴灑電氣控制系統

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

圖9 自動噴灑系統控制原理

系統采用美國 AB 高端 PLC控制器作為整個電氣控制系統的控制核心，并將變頻調速技術和自動停噴控制技術相結合，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、滾筒位置等參數的自動控制，使這些設備根據工況要求自動控制，保持防凍液自動噴灑系統的最佳運行狀態。

其中，PLC控制器負責實時對以下信號進行采集和處理：

1) 操作系統各種開關量信號，如用于車位判斷的光電開關；

2) 壓力傳感器、位移傳感器、電磁流量計等對液壓驅動系統的檢測信號；

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) 溫度傳感器對環境溫度的檢測信號。

PLC控制器對采集的檢測信號進行轉化處理，結合圖4的控制原理進行內部運算，最終按照操作需求輸出相應的控制信號：主驅動液壓泵轉速與排量控制信號； 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、按鈕和光電開關等輸入元件連接。其中，光電開關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行變頻調速，實現防凍液按需噴灑，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、壓力傳感器和電磁流量計等連接，實時檢測環境溫度、運煤車運行速度、液壓系統壓力和流量，以及防凍液噴灑壓力和流量。

為了改善操作人員的工作環境，提高生產效率，PLC控制器進一步與監控計算機通過MPI通信連接，用于對系統狀態信號進行顯示、數據存儲以及打印，實現操作人員對系統的監視和控制，將控制指令全部集中在集控室完成。監控計算機系統具有歷史數據存儲功能，可將各種系統參數、檢測信號、控制信號及報警數據等存入硬盤，隨時調用。整個控制系統(PLC、觸摸屏)采用UPS供電，以保證在停電時系統仍能正常工作。

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

2 快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統的運行效果

快裝站運煤列車防凍液高能效自動噴灑系統設備運行可靠、系統節能、動作精確，能大幅提高冬季裝車效率，節約了防凍液、解決了裝車站的環境污染。與當前國內外同類技術的比較如表1所示。

表1 本項目發明與當前國內外同類技術對比

該系統已在中煤平朔集團有限公司煤炭洗選中心、內蒙古準能龍王渠煤炭集運有限責任公司、大地工程開發(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應用，為用戶創造長期的經濟效益。如中煤平朔洗選中心年產8 000萬t精煤，使用該新型防凍液自動噴灑系統后，年節約防凍液費用30%，每年節約防凍液費用5 000萬元。

3 結論

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，可以實現兩車廂之間防凍液自動停噴、噴灑量根據車速變頻調節、停噴后防凍液泵和噴頭之間的余液回收利用，能實現制動能量高效再生利用，降低了主驅動液壓馬達的裝機功率，有效地防止液體外泄、飛濺，避免對設備下方的工作人員或其它設備造成慢性破壞，解決了防凍液浪費以及環境污染問題，提高了系統的工作效率與可靠性，降低運行中的能耗，符合當下國家工業產品設計的節能環保理念，可產生重大經濟效益和環境效益，具有廣闊的應用前景。