散粮火车单溜管无驻车装车工艺要点

2020-10-28姜永顺

粮食与饲料工业 2020年4期

姜永顺

(中储粮营口储运有限责任公司，辽宁营口 115007)

散粮装车是散粮火车运输的重要环节，其装运工艺水平是粮食运输现代化的重要体现。目前煤炭、矿粉行业单溜管火车装车工艺相对成熟，案例也很多。粮食方面，单溜管火车装车工艺国外已有一些成功的使用案例，但国内应用尤其是散粮专用车方面的应用很少，不过近几年也正在逐步推广。

我国从推广“四散”粮食运输方式以来，散粮专用火车的使用越来越多，粮食专用车皮的型号包括L17K、L18、L70等。L17K是其中较老的车型，顶部有4个独立的圆口用于装粮，这种车型用伸缩软管的装车方式比较合适，但需车辆定点停车来装，装车后需要人工补充填塞方能保证装满，装车过程中车辆不能移动，自动化程度低，正渐渐予以淘汰，这里不作讨论。L18、L70两种属于较新的车型，顶部开设有长条孔，在技术上可以实现散粮单溜管无驻车火车装车工艺，集车辆智能识别、自动称重、快速装车、自动平车、数据报表等功能于一体，作业效率高，人员配置少，可有效解决散粮快速定量装车问题。

以L18、L70车型为例，分析无驻车装车工艺在设计方面需要注意的因素，比如火车牵引速度和牵引力、溜管自动升降、装满刮平、软件控制智能化等等方面，并提供实际选用方面的计算和经验，以期为有类似粮食发运项目建设提供参考，提高我国散粮专用车的现代化装运水平。

1 装车系统主要组成

主要组成部分如图1所示(车辆向左运动)。

图1 装车系统整体布局

1.1 塔架

塔架是整个装车站的主结构，往往高达数十米，分多个楼层，所有缓冲仓、皮带输送机、计量秤、操作室、闸阀门等等相关设施设备都安置于塔架之中，塔架为剪力墙结构或者钢结构。

1.2 缓冲仓

缓冲仓是用于存储前方输送设备来料的暂存仓，仓容一般较大，有的可达200 t以上，可有效缓解来料不均问题，也能保证装车过程供料均匀。缓冲仓一般为混凝土结构或钢结构，仓底多为方形倒锥结构，倾角足够大可以保证粮食自流，有时也内衬耐磨材料，减小摩擦系数，避免积粮积灰。

1.3 散料秤

这里的散料秤是指非连续累计散料秤，是用于定量装车的专用计量设备。散粮火车每车皮可装料60～70 t，散料秤一般通过多斗次的累计，可满足一节车皮装车需要。为防止散料秤成为工作中的瓶颈，影响产量和装车效率，一般选型时会选择产量偏大的产品。本案例中装车额定产量为1 000 t/h，而散料秤的额定产量选型为1 600 t/h。

也有很多工程项目配备了轨道衡，用于发运粮食数量的结算，且精度一般高于散料秤；但多数情况下也会同步配备散料秤，主要用于控制装车过程的每节车皮装车量，避免超出铁路部门的规定范围，当然也可以用于结算。

1.4 秤下钢斗

秤下钢斗用于暂存过秤后的散粮，保证装车过程供料均匀，一般尺寸较小，容量约10 t，内衬耐磨材料，确保使用寿命，也避免积粮积灰。

1.5 钢斗下卸料组合闸门

该闸门为手动和气动组合闸门，为保证密封效果，一般上部为手动闸门。正常使用时，先将手动闸门全打开，气动闸门根据控制系统的指令快速进行开启或关闭，保证装车过程中及时供料或断料。整个作业完成后，手动闸门关闭，避免漏料，确保安全。

1.6 伸缩式装车管

伸缩式装车管是负责将散粮灌入车皮的装置，主要由外溜槽体、内溜槽体、行程保护装置、液压升降驱动杆等部件组成。

外溜槽悬挂在内溜槽两侧的液压推杆上，内、外溜槽上有滑道，外溜槽可沿内溜槽上的滑道作上下伸缩运动，在更换装车车皮时，由液压驱动系统驱动外溜槽的升降。

溜槽之所以要设计为内外套筒结构，是因为外溜槽在内溜槽下方，装车时需降低高度并使用外溜槽刮平车内粮面，以保障装车量准确且不偏载，作业完成时又可升起外溜槽，保证车辆正常通行。

内溜槽的位置相对固定，但也需与其上方的称重仓口使用软联接脱开，一般采用帆布、软胶皮等软联接形式，避免装车溜槽的震动对定量称重过程的干扰，导致计量精度差的情况发生。

1.7 车辆识别系统

该系统用于扫描车辆识别码，迅速从中获取车皮尺寸、类型、吨位、车辆编号等有关信息，并可将有关信息自动上传至控制系统，给自动装车控制系统提供基本信息，可有效减少人工干预，提高整体作业效率。

1.8 控制室

控制室位于靠近装车的地方，放在较高的位置，确保装车方向视线良好。控制室是一个封闭的房间，操作员可通过窗户看到物料装入车厢的过程，所有控制部分都在操作人员能够触及到的地方，可很方便操作和监视装车的过程。

同时控制室也是个小规模的管控中心，各类关于火车装车塔流程的主机、显示器、监视器、控制台、打印机、对讲系统等相关设备，集中安放在此。

1.9 控制系统

控制系统是整个装车系统的神经中枢，通过计算机软件与执行机构联络和控制所有单元，并实时显示有关信息，保证装车作业顺畅进行。操作人员可通过控制系统了解到火车装车塔各个环节的工作状态，实现对装车的操作和把控，也可交由系统自动完成装车。

1.10 车辆牵引车或机构

为牵引空车皮或重车皮完成装车作业，需要配套牵引车，一般为公铁两用车，可在公路及铁路上行驶，提供千吨以上的牵引力；也有用钢丝绳牵引机构的，俗称“铁牛”，但仅限于直线铁路上使用，有岔道及弯道时则受限。其他类型的专用牵引机构比较少见。

2 装车工艺流程

智能车辆识别：作业时由公铁两用车或其他机构牵引散粮车列，首先通过车辆识别系统，自动识别车皮编号，并将车皮有关数据自动导入软件控制系统。

空车计量：牵引车皮通过轨道衡，车辆停稳后逐一计量，也同步录入控制系统。

车皮装车就位：机构牵引车辆至火车发放塔料斗秤下方装车位，过程中注意低速。

落下装车管的外溜槽：火车发放作业通过计算机系统控制，在传感器检测到第一节车皮上方装粮口起始部位对准装车管时，自动将装车管落下放至低于车皮装粮口下一定距离，然后开启散料秤、卸料气动闸门开始放料。

装粮：刚开始放粮时列车暂时不能移动，开启放料闸门，粮食自流入车箱，待装车管下部粮食堆满，下料自动停止后，再缓慢牵引车辆移动。因采用装车管本身材质较硬，可实现随装随刮平。待走到首节车厢尾部时，装车管上的传感器感受到限位信号，车辆再前行可能发生碰撞，系统会将装车管收起，本节车皮装车结束。

重复：下一节车皮移动到达装车管下方时，装车管上的传感器感受到到位信号，车辆停止移动，系统开始下探装车管，装车自动开始。后续车皮的装车将重复上述动作，直至车皮全部装粮完毕。

回程计量：装车结束后，牵引回轨道衡，配合车辆识别系统完成回程计量，整个装车过程结束。

3 主要工艺要点

3.1 牵引机构的低速大扭矩牵引能力

粮食加上数十辆车皮的自重很大，起动时需要克服的起动阻力也很大，故需要的车辆牵引力也大，应选择大扭矩的牵引机构；另外，车辆牵引速度十分重要，牵引速度快会导致车皮未能装满就已离开，这种情况需返回重复装车或者依靠人工填满。因此，车辆速度要低，一般在4 km/h以下。在输出功率一定的情况下，应选择低速下有良好的大扭矩输出性能的牵引机构。

列车起步和低速装车阶段均需要很大的输出扭矩，但长期此状态工作对牵引机构寿命有较大的影响。因此，为保证车皮装满，通过认真计算和复核，选择足够功率和良好大扭矩输出性能的公铁车或其他牵引机构是关键之一。

本项目的计算选型过程如下：以公铁两用车牵引装30节大豆的L18车皮为例，大豆自流角为32°，L18车皮进口长11 m，自重23.6 t。在首节车皮的进料口位置对好后，此时列车静止，启动装车程序，将图2中阴影区域装满。因车厢内部不规则，准确尺寸无法获得，初步测算装粮20 t左右。

图2 起始装粮示意

3.2 牵引力计算[1-2]

列车起动阻力=列车起动单位基本阻力×货车质量，且牵规规定：滚动轴承货车起动单位基本阻力计算结果小于5 N/kN的，按5 N/kN计算。

由此得出：

每节空车的运行阻力：

F=5×23.6×9.8=1 156.4 N

动态装粮时，本节车皮起动的阻力：

F=5×(23.6+20)×9.8=2 136.4 N

每节重车的运行阻力：

F=5×(23.6+60)×9.8=4 096.4 N

30节车皮合计起动阻力，即需要的起动牵引力如表1所示。

由表1可知，列车起动需要的最大牵引力为122 892 N，后续计算所需牵引功率后，再进一步复核牵引力。

表1 重车起动阻力初步计算

3.3 发动机功率计算

单节车皮装粮耗时：

装车能力为1 600 t/h，L18载重60 t，则装满一节车皮所需的时间为：

60÷1 600=0.037 5 h，即135 s。

首节车皮剩余40 t的动态装车时间为：

135×2÷3=90 s。

车皮顶装粮口长为11 m。

动态装粮需要匹配的平均牵引速度为：

11÷90=0.122 m/s。

牵引机构的做功为整个车辆动能的增加量与克服车辆摩擦力所做的功，即：

式中，P为牵引机构的功率；t为动态装粮需要的时间，90 s；m为30节列车的质量(包括不同载重过程中空车皮的总重、重车皮的总重和正在装载中车皮的重量)，kg;v为列车移动速度，0.122 m/s；μ为轮轨间摩擦系数，0.05；g=9.8 m/s2；L为动态装粮的移动距离，11 m。

9.8×11]÷90

装不同车厢时，对应的需要牵引机构功率估算如表2所示。

由表2可知，牵引机构功率应不小于150 kW，某品牌公铁两用车选用的是QSB6.7系列电控涡轮增压柴油发动机，查询该车的选型手册，最大输出功率在150 kW以上的某型号，对应的转速约1 500 r/m；再查看该发动机扭矩输出特性图，此转速下输出扭矩在峰值附近，显示该车峰值时粘着牵引力最大可达140 000 N，大于表1中的122 892 N，因此牵引力也足够。

表2 牵引机构功率初步计算

由此，选型已经初步确定，最终选定时要特别注意功率和牵引力留有一定余量，避免车辆长期在满负荷状态下工作，影响使用寿命。该案例中最终选用的公铁两用车自重23 t，最大车辆牵引吨位约2 800 t，可正常牵引30节满载散粮重车。

3.4 装车管自动升降

根据实际装车经验，L70、L18等车型在装到额定载重量时，粮面高度会明显低于车厢顶部进粮口高度，因此如果某节车皮走到头时装车管不能及时收回，将造成与车辆的机械碰撞，会给装车系统带来比较严重的损伤，修复过程长，耽误生产作业，铁路部门也可能采取严厉的处罚措施。因此，在本系统中，应设计装车管自动升降功能。装完某节车皮时，装车管的外溜槽收起，一般高出车顶面0.2 m左右，溜管放下时外溜槽逐步接近和进入火车车厢内，且不得刮碰车厢内筋板和连接部件，保证无粮食外泄，也减少粉尘溢出。作业完成后外溜槽将完全收起，收起后最低点高度要符合铁路限界相关规范要求，满足下方车辆安全通行需要。

自动升降过程中，通过各类传感器将到位信号反馈，系统控制软件随即发出指令，由液压或电动升降机构带动装车管外溜槽抬起。相反，当待装车车皮前行就位后，也有传感器给系统反馈，系统通知升降机构将外溜槽放下，准备开始作业。

在升降驱动元件的选择上，因电动传动不受天气冷热影响，维修保养简单，平时做好润滑保养即可，故倾向于采用电机减速驱动。实际使用证明，选用液压驱动形式也可，但在东北地区使用电机驱动更为合适。也有采用液压杆形式的，但天气寒冷地区使用时，液压油存在预热问题，否则液压工作会出现问题；另外，如液压密封不严，可能出现泄漏，造成粮食污染，气候较好地区选用较好的液压装置也是可以的。

3.5 粮面刮平功能

在铁路运输中，会有车皮因载荷不均的原因被罚款甚至其他更麻烦的处理措施，故车厢内前后装粮高度需基本一致。连续无驻车装车工艺原则上要求装车一次完成，不再安排人员去人工平整车面散粮，因此工艺上必须具备自动刮平功能，也就是装车管外溜槽在列车前进过程中应与粮面密切接触，有一定的刚度和硬度，随走随刮平。

为了兼具刮平功能，一般设计人员在考虑装车管材料时，一般情况都会想到使用普通钢材，但常用的A3钢强度和硬度较高，装车管一旦与同为钢铁材质的车厢发生碰撞，会带来比较严重的后果。因此，建议采用有一定强度的柔性材料。结合实验效果，认为采用聚氨酯耐磨板比较合适，造价不高，在保持一定强度的同时又具有良好的耐磨性。

3.6 装车管的防撞柔性设计

虽然装车管配有自动升降系统，但为了防止传感器或驱动装置出现故障，导致与车皮发生机械碰撞，造成车辆的损伤及装车系统的损坏，建议装车管增加防撞设计。

除了前述所说采用柔性的聚氨酯材料外，还需考虑两个方面，一是装车管采用聚氨酯板粘接形式成型，一旦发生碰撞，容易散架先行损坏，不至于损坏车体，更换也较为容易；二是装车管本身可设计类似关节的机构，该机构具有弹簧等缓冲元件，在发生碰撞时，两段之间能够自行围绕关节轴发生旋转，装车管的两段可形成一定角度，弯曲装车管段可以跨过车皮，避免发生更严重的事故。

3.7 软件系统智能设计，预设装车管下探高度

为保障车皮内前后粮面持平，不出现明显偏载，需要做到装车管外溜槽的下探高度比较合适，刮平时既不出现下探高度过低，后方粮食溢出的情况；也不出现下探高度不足，导致后方无粮可刮的情况。

鉴此，软件系统应设计预设装车管下探高度功能，能够进行智能分析。载重量60 t的L18车型、载重量69 t的L70车型都是常用车型，系统配备有车辆识别系统，车辆牵引上线后，识别系统可扫描获取车辆的长度、载重量等有关信息。以扫描到的车皮载重、长度信息，结合预先存入的车厢深度以及扦样获取的散粮容重为参考依据，系统计算出理论装车管应下探的高度。如果实际过程中出现了轻微偏差，利用软件的手动修正功能调整。