大型儲煤罐移動式卸料小車無人化操作改造

黃仕濤

江蘇利電能源集團 江陰 214444

0 引言

目前，國內尚有許多卸料小車移倉過程中需要現場人員操作或配合[1]，作業繁瑣。同時還需要人工手動進行投、退錨定，增加了操作工作量，也存在人員誤操作導致錨定繩被拉斷的安全風險。

隨著國內外自動控制技術的快速發展，新的技術與機械裝備高度融合，有利于新技術應用到卸料小車控制系統中，以實現卸料小車遠程自動化控制，提高系統運行效率。全自動卸料小車將是未來發展的主要方向，通過技術革新，淘汰落后的人工操作模式，實現全面自動化、智能化勢在必行。

1 情況概述

某發電廠三期輸煤系統采用封閉儲煤罐儲煤工藝，超大型儲煤罐群。筒式儲煤罐具有防塵抑塵效果突出、整體簡潔美觀、自動化程度高、環保效益好的優點[2]。該電廠儲煤罐群共由10個單罐直徑 40 m、高度 43 m的儲煤罐組成，總容量約300 000 t。儲煤罐頂部輸送帶機廊道內布置雙向行走、定點單側中心卸料的移動式卸料小車，額定卸料能力1 800 t/h，最大卸料能力為 2 150 t/h，自重為26.5 t，行走速度為 0.36 m/s，小車行走距離為208 m，帶速為3.15 m/s。

卸料小車采用框架結構，由主體機架、行走驅動、尾車、改向滾筒、壓帶輪、錨定繩、溜槽、電氣控制系統、落料管及其密封接口等組成。卸料小車軌道采用高架形式，沿帶式輸送機兩側布置。卸料工藝采用單線往復行走移倉，定點卸料進倉，通過車體上的直通溜槽，實現將上游帶式輸送機所運載的煤炭經下游環型布料機卸入筒式儲煤罐。

三期輸煤系統中4臺卸料小車分別安裝于3期儲煤罐頂305A/B帶、306A/B帶棧橋廊道內，于2006年建成投用。每條輸送帶對應1臺卸料小車，同廊道內的2臺卸料小車共用5個中心落料斗，通過5臺環型布料機實現向同一排的5個儲煤罐卸料，35A/B小車可以向1號～5號儲煤罐卸料，36A/B小車可以向6號～10號儲煤罐卸料。卸料小車結構如圖1所示。

圖1 卸料小車結構示意圖

目前三期卸料小車為三期煤控遠程操作移倉，但需要人工通過通信設備現場指揮卸料小車行走和停止，且移倉前后需要人工解拴錨定繩。移倉過程需要人員現場手動頻繁開啟、關閉中心落料斗蓋板，手動操作存在現場工作環境惡劣、小車起停頻率高、工人勞動強度大[3]、移倉效率低等問題，影響整個卸載段生產效率。因此，需要通過技術革新對卸料小車設備進行改造，解決卸料小車遠程操作還需要人員現場配合的狀態，從而實現卸料小車全程自動化、智能化控制。

2 研究內容

2.1 主要研究內容

本文主要針對該發電廠三期輸煤卸料小車的錨定方式、與下游設備的接口、卸料小車遠程智能操作和安全保護等內容進行研究。

目前，卸料小車兩側采用直徑為20 mm的鋼絲繩作為錨定繩，錨定繩長度為3 m，一端通過吊耳固定在卸料小車機架上，另一端通過軸銷固定在卸料小車軌道梁側錨定板孔內。由于卸料小車定位存在誤差，錨定繩無法精確收緊，留有200 mm松弛長度，卸料小車運行過程中煤量瞬間過大導致卸料小車朝物料運行方向滑移，錨定鋼絲繩在卸料小車慣性力作用下迅速拉緊，存在斷繩飛車風險。

卸料小車落料管與下游環形布料機設備接料口上方的中心落料斗相接于帶式輸送機廊道地面，料斗接口兩側安裝防護防塵蓋板。卸料小車到其他儲煤罐布料時，小車離開的中心落料斗接口敞開的蓋板需要人員及時蓋上，防止人員行走時誤墜入落料斗，同時防止對側卸料小車在此處布料時粉塵外溢。卸料小車移至中心落料斗前，需要人工打開落料斗蓋板，避免發生卸料小車落料管與蓋板相碰撞事故。

2.2 擬采取的研究方法

2.2.1 研究擬解決的問題、方法

研究擬解決自動錨定模式替代人工錨定模式，自動開閉倉模式替代人工手動開閉倉模式。

對卸料小車錨定進行改造，引入智能化、自動化程度較高的錨定裝置。通過研究，擬增加在定點作業布料時的卸料小車移動阻力，防止異常大煤量工況下卸料小車被輸送帶牽引移動引發飛車事故[4]。

對卸料小車的落料管與中心落料斗的接口進行改造，縮短卸料小車落料管的長度，去除中心落料斗上部蓋板，并在中心落料斗上部增加鎖氣裝置，實現遠程自動啟閉。

2.2.2 研究方法的可行性、先進性分析

目前，構建卸料小車無人化操作改造的裝置主要有鎖氣器、彈簧夾軌器、電動錨定裝置等。

1）普通鎖氣器 普通鎖氣器具有結構簡單、造價低、能實現卸料口啟閉功能等優點，但同時由于卸料小車落料管較高，煤流沖擊動能很大，直接沖擊擋板上擋板非常容易磨損，后期維護工作量大。且擋板需要足夠的強度，配重尺寸較大，布置困難，與周圍輸送帶干涉嚴重。遇潮煤、粘煤，檔板容易積料造成落料管通流面積減少，引起堵煤、溢煤情況發生。

2）電動鎖氣器 電動鎖氣器具有結構緊湊、故障率低、維護方便等優點，能夠實現卸料口自動啟閉功能，鎖氣效果優于普通鎖氣器，能實現全開和全閉，不影響物料的通流面積，不會發生積煤和堵煤現象。擋板打開時，不與煤流接觸，不會受到煤流沖擊，不易磨損，質量輕，無需配重，不與輸送帶干涉，自動化程度高，易于實現遠程控制，但電動鎖氣器造價相對較高。

3）彈簧式夾軌器 彈簧式夾軌器具有結構合理、夾緊力大、安全可靠等優點，夾軌器底部采用導向浮動架，保證卸料小車行走時夾鉗與軌道之間的間隙，防止軌道和夾鉗磨損。2套夾軌器可采用一套液壓系統。但與此同時彈簧式夾軌器造價相對略高。

4）電動錨定裝置 電動錨定裝置具有結構合理、安全可靠等優點，能夠避免卸料小車飛車事故發生。但電動錨定裝置不能消除卸料小車初起滑移引發的定位信號丟失，造成上游帶式輸送機非停情況發生。

3 研究成果和創新點

3.1 研究成果的形式和描述

針對卸料小車自身特性和軌道形式，通過計算和實驗，確定夾軌器的形式、防滑能力，合理布置；設計電動錨定裝置，實現自動上錨和解錨；優化卸料小車與中心落料斗接口；設計電動鎖氣器，實現自動開閉；彈簧夾軌器、電動錨定裝置和鎖氣器與DCS程序連鎖，實現遠程無人化操作；完善工業電視，實現遠程監控；實現卸料小車上機伸縮爬梯。

3.2 主要創新點

項目針對卸料小車遠程移倉操作過程中需要現場人員配合打開和關閉落料斗蓋板、解錨和上錨等落后操作模式研究，引入電動鎖氣器、彈簧夾軌器、電動錨定等裝置，實現遠程自動啟閉鎖氣器、自動上夾解夾、自動上錨解錨，實現卸料小車遠程無人化操作。卸料小車無人化操作改造模型如圖2所示。

圖2 卸料小車無人化操作改造模型

電動鎖氣器設計新穎、結構合理、鎖氣效果好、無粉塵外溢、無磨損、自動化程度高、易于實現遠程控制。

彈簧夾軌器結構合理、夾鉗不易磨損、防滑力大，能夠有效防止卸料小車滑移、倉位信號丟失、帶式輸送機非停情況發生，安全可靠，能夠有效防止卸料小車飛車事故，能夠實現遠程自動上夾解夾，自動化程度高。

電動錨定結構合理，上錨解錨方便快速，能夠替代人工錨定，自動化程度高，能夠實現全自動錨定，安全可靠，抗滑移能力強，最終阻止飛車事故發生。

4 研究成果實施

4.1 電動鎖氣器設計、制造、安裝、調試

根據卸料小車落料管和下游設備上方的中心落料斗安裝位置，設計一套電動鎖氣器并外委加工。卸料小車最底部一節落料管下端截去長度940 mm，重新制作接口密封罩。每只中心落料斗上方兩側各安裝1臺雙擋板電動鎖氣器。鎖氣器采用DYTP-C型電液推桿作為驅動，電液推桿型號為DYTP-C1000-/110，推桿有效行程為250 mm ，推力為1 t，電動機型號Y90L-4-1.5 kW，推速50 mm/s，電動鎖氣器如圖3所示。

圖3 電動鎖氣器示意圖

當卸料小車運行至指定倉位的電動鎖氣器時，電液推桿電動機得電，電動機反轉，電液推桿縮回，通過單推臂、短軸、雙推臂帶動曲形連桿運動，推動雙擋板單推臂向兩側轉動至打開限位動作時停止轉動，電動機斷電。此時，電動鎖氣器擋板向外側完全打開落料管通流空間，保證卸料小車卸載時的物料能夠順利通過。當卸料小車在該倉作業完畢，發出離開該倉向目標倉移動指令時，該倉的電動鎖氣器電動機得電，電動機正轉，電液推桿推出，單推臂、短軸、雙推臂帶動曲形連桿反向運動，推動雙擋板單推臂向中間轉動至關閉限位動作時停止轉動，電動機斷電。此時，電動鎖氣器擋板向內側完全關閉落煤管通流空間，起到鎖氣作業，防止另一路卸料小車工作時揚塵從該鎖氣器溢出。電動鎖氣器增加了自動開啟和關閉保護，當卸料小車落料管處于指定倉位的中心落料斗時，電動鎖氣器的擋板才能自動打開，當卸料小車停止作業離開指令發出，電動鎖氣器的擋板自動關閉后，卸料小車才能離開該倉位。

電動鎖氣器旁設置擋板就地操作箱，用于對設備的相關操作。就地操作箱切換開關至就地位置，通過就地按鈕可實現電動鎖氣器擋板的打開和關閉，一般用于就地試驗和調試，方便電動鎖氣器和中心落料斗檢修，正常工作方式不使用。就地操作箱切換開關至遠程位置，當卸料小車到達該倉位，倉位信號動作10 s后，擋板自動打開。卸料小車離開倉位后，擋板自動關閉。當擋板打開信號到位后，允許輸送帶啟動，運行中如果擋板打開信號消失立即停運，實現輸送帶聯鎖保護。

設定鎖氣器擋板打開、關閉時間為5 s，運行指令觸發7s后，若無相應限位信號反饋，系統認為擋板存在卡澀，立即撤銷運行指令，并在DCS畫面觸發鎖氣器擋板系統故障，需要現場檢查處理后復位故障。

4.2 夾軌器選型、采購、安裝、調試

根據卸料小車機架和軌道尺寸選用一拖二液壓彈簧夾軌器，以實現自動解軌和夾軌功能。夾軌器型號為XJYT-25，防滑力25 kN，電動機功率1.5 kW，額定壓力8 MPa，適合軌道50×50方軌。彈簧夾軌器如圖4所示。

圖4 彈簧式夾軌器示意圖

當卸料小車離開倉位至目標倉位指令發出后，通過液壓彈簧式夾軌器控制電路，在卸料小車行走機構開始行走前，接通夾軌器的液壓泵站油泵電動機和電磁閥的電源，使壓力油進入液壓缸前腔，推動活塞壓縮彈簧，儲備能量使夾鉗張開。待夾鉗完全張開后，油泵電動機電源被限位開關切斷（但電磁閥此時仍保持通電狀態），同時卸料小車行走電動機聯鎖電路接通，卸料小車才能開始行走。油泵電動機斷電后，液壓系統因單向閥和電磁閥的保壓作用從而保證夾鉗處在張開位置。液壓彈簧式夾軌器松軌后，夾軌器打開限位動作時卸料小車才能移倉。運行過程中，電磁閥保持通電狀態，當到達目標倉位后，電磁閥斷電，使壓力油流回到油箱中，彈簧釋放能量，使夾鉗閉合鎖緊。當液壓系統存在內泄漏時，夾鉗張開后，經過一段時間張開度會減少，當減少到一定程度時，在限位開關作用下切斷時間繼電器，接通油泵電動機的電源，油泵電動機通電，快速向液壓缸補油，使夾鉗又恢復到完全張開位置。此時，限位開關切斷油泵電動機電源，接通時間繼電器電源，在此過程中，因時間繼電器的延時作用使大車行走聯鎖繼電器始終通電，故不會影響大車正常行走[5]。卸料小車就位后位置限位動作，電動鎖氣器打開，輸送帶啟動上煤運行。

夾軌器旁設置就地操作箱，用于對設備的相關操作。就地操作箱切換開關至就地位置，通過就地按鈕實現彈簧夾軌器的打開和關閉，一般用于就地試驗和調試，正常工作方式不使用。就地操作箱切換開關至遠程位置，當卸料小車接收到行走啟動指令后，夾軌器自動打開，卸料小車停止后，夾軌器自動上夾。

卸料小車聯鎖保護，當夾軌器打開信號到位后，允許卸料小車行走，卸料小車運行中，如果夾軌器打開信號消失，小車行走立即停止。

4.3 電動錨定裝置設計、制造、安裝

根據卸料小車機架和軌道梁相對尺寸設計一套電動錨定裝置，實現電動錨定替代手動錨定。

電動錨定裝置規格為DDMD1600-SLWD5M，升降機選用SWLD5M-1B-IV-200FZ-0.75 kW法蘭電動機帶制動器。電動錨定裝置如圖5所示。

圖5 電動錨定裝置示意圖

將現有錨定繩去除，增加電動錨定裝置以實現自動解錨、上錨功能，程序和夾軌器同步，當發出移倉指令后，絲桿升降機電動機得電，制動器打開，電動機正轉，錨定板提起，解錨限位動作時停止運動，電動機斷電，解錨完成。利用升降機自鎖[6]動能和電動機制動器鎖住錨定板，防止下溜。錨定解錨限位和夾軌器打開限位同時動作后，卸料小車才能行走。當卸料小車到達指定倉位，夾軌器上夾，絲桿升降機電動機得電，制動器打開，電動機反轉，錨定板落下進入錨定坑，上錨限位動作時停止運動，電動機斷電，上錨完成。

電動錨定裝置安裝于卸料小車中部位置，用于防止卸料小車滑移，采用電動機螺桿完成機構動作，錨定裝置設有上、下限位用于控制錨定板行程。

現場設有就地控制箱，用于對設備的相關操作，就地控制箱電源與液壓夾軌器取自同一路電源。就地操作箱切換開關至就地位置，通過就地按鈕實現錨定裝置的抬起和落下，一般用于就地試驗和調試，正常工作方式不使用。就地操作箱切換開關至遠程位置，當卸料小車接收到行走啟動指令后，錨定裝置自動抬起，卸料小車停止后，卸料小車判斷有倉位信號后，錨定裝置自動落下，無倉位信號，錨定裝置不落下。

卸料小車聯鎖保護，當錨定裝置抬起信號到位后，允許卸料小車行走，卸料小車運行中，如果錨定裝置打開信號消失，小車行走立即停止。錨定裝置落下信號到位后，才能允許輸送帶啟動。

4.4 卸料小車上安裝工業電視

卸料小車上引入工業電視監控系統作為卸料小車自動控制系統的輔助系統[7]，能夠在煤控室遠程操作和觀察卸料小車移倉過程及倉位情況，實時顯示出卸料小車所處位置和狀態[8]，真正實現遠程無人化操作。

5 結語

大型儲煤罐卸料小車無人化操作改造后，縮短了移倉時間，提高了移倉效率，減少移倉過程中輸送帶停運時間。按照每卸載5萬t煤需要移倉3次計算，能夠節省時間1 h。年度卸載量按照850萬t計，全年可節省170 h，有效降低船舶在港時間，減少滯期費用50萬元。同時，實現大型儲煤罐卸料小車無人化操作后，不僅提高卸料小車移倉效率，減少工人勞動強度，而且避免操作人員接觸現場粉塵，改善人員操作環境，同時消除了地面上蓋板打開狀態下人員行走時誤踏入落料斗高處墜落的風險。