機場行李托盤式分揀機節(jié)能分析

文/ 王長新唐成生蘇福

2019年9月25日，習近平總書記親自出席北京大興國際機場投運儀式，對民航工作作出重要指示，要求建設以“平安、綠色、智慧、人文”為核心的“四型機場”，為中國機場未來發(fā)展指明了方向。其中，綠色機場是在全生命周期內實現資源集約節(jié)約、低碳運行、環(huán)境友好的機場[1]。《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中提出預期指標，其中機場單位旅客能耗（千克標準煤）由0.948降低為0.853[2]。

托盤式分揀機是大中型樞紐機場行李處理系統(tǒng)中應用最廣泛的核心分揀設備之一，其運行能耗的降低是綠色機場建設的重要方面。因此，有必要對機場行李托盤式分揀機進行系統(tǒng)原理分析，并進一步探討可能的節(jié)能措施或方案，為機場行李托盤式分揀機的節(jié)能性優(yōu)化提供指導，為“四型機場”建設及“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃指標達成提供技術基礎。

一、托盤式行李高速自動分揀系統(tǒng)簡介

機場行李自動處理系統(tǒng)是一套集機械傳送、電氣控制、信息管理、網絡通信、工業(yè)監(jiān)控等技術于一體，實現自動對機場行李進行快速準確分揀處理的機電一體化系統(tǒng)，是機場運營的核心保障系統(tǒng)和現代空港地勤設施重要的成套裝備之一[3]。

機場行李自動處理系統(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分揀系統(tǒng)、交叉帶式行李高速自動分揀系統(tǒng)、ICS（Individual Carrier System）自動分揀系統(tǒng)等，其中以托盤式分揀機為核心集中分揀設備的托盤式行李高速自動分揀系統(tǒng)，是目前大中型樞紐機場中應用最廣泛的行李自動處理系統(tǒng)。托盤式行李高速自動分揀系統(tǒng)主要組成包括離港值機系統(tǒng)、中轉值機系統(tǒng)、托盤式分揀機、滑槽、轉盤及早到系統(tǒng)等，如圖1所示[4]，可見托盤式分揀機是該系統(tǒng)中最大的單體設備之一。因此，對托盤式分揀機進行節(jié)能分析，對托盤式行李高速自動分揀系統(tǒng)的節(jié)能設計具有重要指導意義。

圖1 某機場托盤式行李高速自動分揀系統(tǒng)示意圖

二、托盤式分揀機系統(tǒng)耗能分析

1.托盤式分揀機運行原理

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

圖2 托盤式分揀機系統(tǒng)原理示意圖

2.機械系統(tǒng)耗能分析

托盤式分揀機主要由托盤組件、傾翻機構、運載小車及軌道系統(tǒng)組成，托盤組件安裝在傾翻機構上，傾翻機構安裝在運載小車上，運載小車首尾相連，通過導向輪及承載輪運行于軌道系統(tǒng)上，其中小車通常由直線電機驅動，托盤式分揀機主要典型結構如圖3所示，小車典型基本結構如圖4所示。

圖3 托盤式分揀機主體結構示意圖

圖4 運載小車結構示意圖

托盤式分揀機通過小車承載行李、托盤組件與傾翻機構在軌道上運行，實現行李的輸送。因此，小車是行李輸送運動能量的提供部件，也是輸送能量的主要消耗部件，需對小車能量消耗形式進行分析。運載小車豎向力主要由承載輪承擔，橫向力主要由導向輪承擔，小車在運行過程中小車間的拉壓力由關節(jié)軸承及其銷軸承擔，由此可知，小車的能量消耗點主要有：（1）承載輪與軌道間的滾動摩擦耗能；（2）承載輪自身軸承摩擦耗能；（3）承載輪擺動銷軸摩擦耗能；（4）導向輪與軌道間的滾動摩擦耗能；（5）導向輪自身軸承摩擦耗能；（6）關節(jié)軸及銷軸承摩擦耗能。

托盤組件承載行李，當運行到指定分揀口位置時，傾翻機構帶動托盤組件進行傾翻動作，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作進行耗能分析，主要分析對象為托盤組件及傾翻機構。

傾翻機構典型結構如圖5所示，其驅動及傳動組成包括：驅動電機、減速器、傳動齒輪及滾輪導向槽等。據此，可分析傾翻機構耗能點有：（1）減速器傳動效率耗能；（2）齒輪傳動耗能；（3）齒輪軸支撐軸承摩擦耗能；（4）滾輪與滾輪軸摩擦耗能；（5）滾輪與導向槽摩擦耗能；（6）導向板轉動銷軸摩擦耗能。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，從而產生能量的消耗。

圖5 傾翻機構結構示意圖

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

3.控制及電氣系統(tǒng)耗能分析

由機械系統(tǒng)結構分析可知，托盤式分揀機運行驅動力源于直線電機及傾翻機構電機，因此控制系統(tǒng)能量損耗主要由直線電機及傾翻機構電機效率損耗產生。此外，控制或電氣系統(tǒng)主要組成包括電機驅動器、變頻器、網關、控制器及傳感器等器件，也會消耗部分能量。其中，直線電機通常采用變頻器驅動，由PLC發(fā)出控制指令，控制直線電機的啟停及調速，其基本控制原理如圖6所示。變頻器作為工頻電網到變頻電網的轉換器件，相對其他電子器件能量消耗，會產生較大的能量損耗（約5%）。

圖6 直線電機控制原理示意圖

三、節(jié)能措施或方案分析

1.機械系統(tǒng)節(jié)能分析

傳動系統(tǒng)節(jié)能設計：（1）傾翻機構傳動裝置類型主要有齒輪傳動及蝸桿傳動等，在制造精度或傳動比相同的條件下，蝸桿傳動效率比齒輪傳動效率更低[6]，因此從節(jié)能的角度，應優(yōu)先采用齒輪傳動更符合傳動的節(jié)能設計，如圖5所示結構；（2）滾動軸承與滑動軸承相比，摩擦阻力更小，效率更高，相比滑動軸承，滾動軸承啟動和運轉的摩擦力差別較小，采用滾動軸承相比滑動軸承的啟動阻力更小[7]，從運轉與啟動過程節(jié)能的角度，應優(yōu)先選用滾動軸承替代滑動軸承或優(yōu)先采用滾動摩擦結構替代滑動摩擦結構，如傾翻機構滾輪結構及運載小車承載輪擺動銷軸結構均為滑動摩擦結構，滾輪與導向槽之間為滾動摩擦結構；（3）串聯傳動系統(tǒng)的整體傳動效率，是各傳動機構傳動效率的乘積，所以應盡可能降低傳動系統(tǒng)的復雜程度，減少傳動機構的數量，從而減少能量的損耗；（4）傾翻機構減速器通常為標準采購件，設計時只需根據技術要求進行選用，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致的能耗的增加，如導向板轉動銷軸結構、滾輪與導向槽結構等，當加工精度不足，表面粗糙度過大等，均會增大摩擦阻力，導致能耗的增加。

維護保養(yǎng)節(jié)能：（1）機械系統(tǒng)在使用過程中，各部位之間一定會發(fā)生相應的摩擦，如導向板轉動銷軸結構間的磨損，以及將滾輪與導向槽結構間的摩擦等，如果不注重對托盤式分揀機的定期檢修，使得各部位之間長期處于工作狀態(tài)，使其摩擦力增大，那么必然會增加運行功率，增加運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備更換，對易磨損的部位進行潤滑，減少托盤式分揀機運行中各部位之間的摩擦，從而達到降低能耗的目的；（2）可采用先進的監(jiān)測設備，對托盤式分揀機的運行能耗進行實時觀察，當托盤式分揀機在運行過程中出現異常的電能消耗情況，就及時組織人員進行檢查維護。

2.控制系統(tǒng)節(jié)能分析

在運行控制模式節(jié)能方面：（1）快慢循環(huán)控制是采用變頻器來控制運行的速度，當有行李注入時，以額定速度運行，當在一段時間內沒有檢測到行李注入時，開始減速轉為低速運行，進入待機運行狀態(tài)；（2）快慢停循環(huán)是采用變頻器來控制運行的速度，當有行李導入時，以額定速度運行，當在一段時間內沒有檢測行李注入時，開始減速轉為低速運行，當再過一段時間仍沒檢測到行李導入時，開始進入停止運行狀態(tài)，進一步提高節(jié)能率；（3）間歇運行循環(huán)，當有行李導入時，以額定速度運行，當過一段時間仍沒檢測到行李導入時，直接進入停止運行狀態(tài)，其節(jié)電比較明顯，但由于啟動和停止過于頻繁，可能會使托盤式分揀機機械磨損明顯增加，且起動電流過大也會對電網造成一定沖擊。

通過節(jié)能運行控制帶來的好處，除能夠起到節(jié)能效果，還有如下優(yōu)點：一是降低零部件更換費用，同時有利于延長托盤式分揀機的使用壽命。當設備長時間處于高速運轉的狀態(tài)，滾輪、齒輪、銷軸等關鍵部件磨損加劇，最終需要更換。而更換這些部件的費用高、難度大，且會增加停機時間；二是減少機械部件磨損嚴重導致的故障率高、噪聲大、各項安全參數超標，無法保證使用安全，甚至無法使用的情況發(fā)生。

在高效電機節(jié)能方面，電機作為托盤式分揀機運行的動力源，其能量消耗是最大的，其效率高低直接決定托盤式分揀機節(jié)能性能的高低，應選用高效率的電機取代低效率的電機。

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

在工頻變頻切換節(jié)能方面，在額定速度運行時，由50Hz的工頻電源進行供電，變頻器不投入運行。當在無行李注入一定時間后，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進行低速運行或停止運行，從而達到節(jié)能的目的。當有行李再次注入時，由變頻器供電，托盤式分揀機運行加速到額定速度，當到達額定速度后，由變頻器供電切換到工頻電源供電運行。工頻變頻切換節(jié)能技術的優(yōu)點，是實現額定速度運行時采用工頻電源供電，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換損失，提高了效率。無行李時低速運行或停止，采用變頻控制，使系統(tǒng)平穩(wěn)調速，對機械系統(tǒng)的沖擊較小。

四、結論

通過對托盤式分揀機的運行及結構原理分析，從機械系統(tǒng)、控制與電氣系統(tǒng)角度，分別研究耗能點，并進一步探討了機械、控制與電氣方面的節(jié)能措施或方案，從而分析得出，機械系統(tǒng)的主要節(jié)能措施或方案主要有傳動系統(tǒng)節(jié)能設計與維護保養(yǎng)節(jié)能，控制或電氣系統(tǒng)節(jié)能措施或方案主要有：運行控制模式節(jié)能、高效電機節(jié)能、能量回饋節(jié)能、工頻變頻切換節(jié)能，為托盤式分揀機的節(jié)能設計、節(jié)能運行及維護提供了技術改進方向。