筒仓卸料小车关键技术及应用

王洪宾 穆霄刚 江 辉 杜胜利

国能黄骅港务有限责任公司 沧州 061100

0 引言

煤炭的堆存一般采用堆场或封闭筒仓的形式，其中筒仓储煤具有防尘抑尘效果突出、整体美观和谐、自动化水平高、环保效益高的特点，已被广泛应用在煤矿、港口和电厂等。对于大型的储煤筒仓装卸作业系统而言，其吞吐量巨大的物料运营特点要求其在环境友好的前提下提升煤炭装卸效率和安全性，研究安全高效的筒仓卸料小车关键技术对于完善筒仓装卸工艺，实现专业化、自动化管理，降低企业项目投资，开发先进煤炭装卸技术，实现煤炭高效环保装卸具有重要的意义。

1 卸料小车概况

国内某港口采用封闭筒仓储煤工艺，超大型筒仓群共由48 个单仓直径40 m、高度43 m 的筒仓组成，总容量约144 万t，筒仓顶部布置远程全自动化控制单线进仓作业卸料小车，额定卸料能力8 000 t/h，最大卸料能力为9 200 t/h，单台自重151 t，行走变频调速范围0 ～30 m/min，仓顶行走距离255 m，实现带速4.2 m/s的自动行走卸料。卸料小车采用门式结构，由主体机架、驱动平台、尾车带式输送机、司机室、改向滚筒、平衡梁、夹轨器、三通溜槽、电气控制系统、落料密封接口等组成。行走轨道采用落地布置形式，沿带式输送机双向运行行走，可实现在最大负荷时启动和停止。卸料工艺采用单线进仓往复行走卸料，通过车体上的三通溜槽实现将上游带式输送机所运载的煤炭卸入筒仓内。

2 行走驱动能力设计

卸料小车在储煤筒仓集群的工程应用中频繁出现飞车现象，以示例港口CT9 卸料小车为例，监控显示最远飞车距离达50 m，多次以远超限定速度的形式失控撞击限位止挡，造成小车主体结构损坏的严重后果。卸料小车飞车存在多方面的原因：

1)轨道覆盖煤尘、积水、结冰等杂质，造成小车行走轮与轨道滚动摩擦系数改变，在外力不变的作用下由于摩擦力减少引发飞车现象；

2)带式输送机输送带经过卸料小车有输送带张力的作用 由于卸料小车对煤的转卸，头部抛料滚筒处受到的张力最大，尾车上游部分的输送带张力较低，下游部分的输送带张力较大。输送带的张力差作用在卸料小车上造成了卸料小车的飞车。尤其是在重载启动和紧急制动时，张力非常大，要充分重视输送带张力对卸料小车的影响。

3)尾车物料对卸料小车的影响 在行走机构驱动能力设计中，当尾车运送物料的质量与运送机械自重占比较大时，需考虑尾车运载物料的惯性力以及物料运动对卸料小车的冲击力等。连续料流冲击作用产生的冲击力是一个复杂的弹性过程，冲击过程中有复杂的能量变化形式。利用理论力学中的冲量定理可得出冲击力的表达式为

式中：Qm为物料流量，l为尾车长度，vt为尾车物料运输速度。

计算出料流冲击力后，可得出卸料小车行走机构的满载运行阻力，考虑传递系数和安全系数后可得出行走机构的驱动力。

3 卸料斗尺寸分析

筒仓采用钢筋混凝土立式筒仓形式，卸料小车的卸料溜槽为三通分叉溜槽。三通溜槽分叉的几何尺寸决定了筒仓内的最终可达料型，其结构尺寸对筒仓的容积可利用率设计具有重要的意义。卸料小车采用三通落料的理想筒仓堆型，如图1 所示。

在料堆高度一定的情况下，按图1 中选取不同的分叉溜槽落料点中心距L，可以得出占用不同容积的料堆堆型，如表1 所示。

图1 卸料小车卸料理想堆型

表1 多种分叉溜槽落料点中心距计算结果

由表1 可知，在不同的分叉溜槽落料点中心距L值下，筒仓可卸物料的体积不同，随着L值由小到大的变化，筒仓料堆可堆卸体积经历了由小变大随后又减少的过程，为了求得最优解，需要建立分叉溜槽落料点中心距L与理想卸料体积的关系式。L值过小会造成筒仓可堆料容积的浪费，L值较大势必会增加设备投资，最终可在综合考虑工程投资和技术应用背景的情况下选取理想设计值。示例港口8 台卸料小车的三通分叉溜槽最终选取具有最佳经济效益指标的中心距为8 m。

4 控制系统设计

卸料小车的控制方式主要由中央控制室远程无人自动操作、中央控制室手动操作和单机司机室现场手动操作3 种方式组成，控制系统结构如图2 所示。

图2 卸料小车控制系统结构图

正常作业操作方式为中控室自动操作，可以实现高效的全自动卸料作业。卸料小车采用非接触式刻度标尺精确定位技术采集行走实时位置，应用绝对值编码器和格雷母线使分辨率达2 mm，定位精度误差在 ±5 mm，实时精准监控卸料小车的运行。双向行走控制采用PLC+变频器的形式，行走控制与带式输送机信号、仓位信号、堵料信号以及尾车料流信号等筒仓安全信号连锁，实现对卸料小车远程监控和自动化连锁控制，精准进行行走定位布料作业。

5 堆料工艺设计

卸料小车采用单线进仓工艺，如图3 所示。每列筒仓顶部布置一条带式输送机廊道，廊道内采用带式输送机+卸料小车的作业方式完成仓内布料，即卸车线翻车机系统卸下的煤炭经由带式输送机转接输送到筒仓顶部的带式输送机上，再通过卸料小车尾车及其分叉溜槽完成向筒仓内卸料的过程。卸料小车可实现定点卸料，也可在工作时前后移动进行布料，每列筒仓顶部、带式输送机两侧对称布置一条长36 m、宽1 m 的进料口，进料口设有防尘覆盖带。筒仓堆料作业有只进料不出料、边进料边出料2 种作业工况。

图3 卸料小车单线卸料进仓

5.1 三点卸料工艺

堆料作业时卸料小车根据中控指令，自动行走至指定的作业卸料筒仓。其行走距离判定由机上编码器和地面格雷母线系统共同完成，可实现卸料小车的精确行走定位。筒仓堆料方式可根据仓内料高进行判断，当筒仓为空仓或仓内料位低于25 m 时，为了节能，减少小车行走次数，采用三点卸料方式，卸料点设定在筒仓6 个漏斗出料口的上方；当筒仓内料位高于25 m 或仓容剩余大于5 000 t 时，可采取5 点卸料方式，卸料点为筒仓卸料区域的5个均分点处；在卸料流程还剩余300 t时，卸料小车自动采取行走往复卸料方式，用来保证筒仓内料堆的平整。

当筒仓为空仓卸料时，卸料小车自动行进至筒仓第一个卸料点开始卸煤，当卸料高度达到5 m 时，自动移动至下一卸料点，在料堆再次达到5 m 时，自动下移。移至最后一点后持续堆料，当料位雷达检测到比上一卸料点存在5 m 高差时，自动后退至第二卸料点作业，以此依次作业进行。当作业量剩余300 t 时，卸料小车开始行走往复卸料，并通过机上料位雷达和筒仓内雷达自动跟踪低料位点进行料堆平整作业。当筒仓内有料但料高不足25 m 时，卸料小车同样采用三点卸料方式，但起始位置在3 个卸料点料高的最低处，作业开始后先填平料堆，然后从第一个卸料点开始堆料，堆料方式同空仓卸料。

当筒仓内料高高于25 m 或仓容剩余大于5 000 t 时，卸料小车采用五点卸料方式。在流程作业开始时，卸料小车将根据雷达料位显示自动填平仓内的低料位点，然后从筒仓内的第一个卸料点开始卸料，五点卸料方式料差定义在3 m。同样在剩余300 t 物料时，卸料小车自动采取行走往复卸料方式，用来保证筒仓内料堆的平整。三点卸料工艺无法实现理想料型，存在弊端，主要有：

1）仓容利用率低 煤堆上部距离筒仓钢结构距离裕量过大，筒仓实际载煤量在仓均2.5 万t，远未达到每座筒仓3 万t 的设计能力。

2）煤堆不平整 料堆呈现单峰形式，相邻波峰实际高差可达7 m，造成因料位分布不均偏载；同时3 个主卸料点之间会形成低谷，出现波浪形料堆。

3）卸料小车的单仓卸料行程较小，筒仓周边空间没有充分利用。

4）卸料小车往复直线行走堆料过程中，在预设堆高下无法实现随卸料小车行走距离行进，料堆顶部可堆体积沿筒仓半径方向的逐步增大的堆料需求。

5.2 多点自动卸料工艺

相比于三点卸料工艺，为了最大化合理利用仓容，提高作业效率，通过理论建模与大量实测数据比对，建立了基于时间控制的多点卸料工艺，实现了仓容的科学利用，主要工艺改进为：

1）调整雷达检测报警极限料位 仓顶房地面基准为H仓顶＝49.400 m，筒仓承重横梁的高度为L横梁＝1.5 m。可以得出，横梁底面的高度为H横梁＝H仓顶－L横梁＝47.9 m；筒仓地面基线为H地面＝6.1 m，筒仓仓底雷达测量0 m 基准与地面基线的距离为L雷达＝4 400 mm，即雷达高料位的0 m 基准为H雷达＝H地面+L雷达＝10.5 m。可以得出仓顶横梁底面距雷达0 m 基准为L横梁＝H仓顶－H雷达＝37.4 m。为保留一定的裕量，将37 m 作为筒仓卸料极限高度。实现了单个筒仓的最大堆存量提升4 000 t。

2）调整筒仓卸料小车行进方向卸料极限位置 经过检测卸料小车前后极限位距离落料口边缘1.7 m，将小车的前后极限分别沿行走方向调整了1 m，极限位每挪动1 m 将增加仓容150 t，通过增加卸料小车行走距离，每个筒仓增加容积300 t。为了保证筒仓安全作业，卸料时不出仓，设计了格雷母线与编码器的校准以及格雷母线的自行校准，确保小车的卸料运行的精准与安全。

3）多点移动自动布料技术 通过多点移动自动布料技术可实现卸料点的智能选择，卸料时初始点不以卸料小车轨道方向第一雷达料位为参考点，而是首先逻辑判断最低料位点与其他参考点的相对料位差，料位差超出预设值后优先在低料位点启动卸料流程进行补偿投料，防止筒仓底部出料时造成料位不平衡现象，有效避免了卸料作业出现料位大高差引发筒仓偏载的现象，延长了筒仓及配套设备的使用寿命。

4）将布料工艺设计为32 m 以下三点堆料，32 m以上采用时间控制的多点行走堆料+连续行走堆料的方式。当三点堆料煤堆高度达到32 m 之后，选取13 个点，通过时间控制的定点定时卸料，首先填平P1、P2、P3这3 个固定卸料点以及P1、P3与筒仓壁之间的低谷，然后再进行连续行走布料。通过理论推导和不断的堆料试验，建立合理的行走位置与时间控制逻辑。

如图4 所示，采用基于时间控制的多点行走堆料+连续行走堆料的方式具有远大于三点堆料工艺空间利用率，实现仓容从33 m 提升到36 m，单个筒仓可有效作业储煤量从23 000 t 提升到27 000 t。

图4 三点堆料与多点自动堆料堆型对比

6 结语

卸料小车机构简单、维修量小、自动化程度高，维护及维修成本低，在大规模筒仓布料工艺中广泛应用。但在工程应用中应考虑影响行走机构驱动力的多种因素，详细计算颗粒流冲击力，得出符合工程实际的行走机构驱动力。单线进仓工艺卸料小车采用基于时间控制的多点布料可有效利用筒仓空间，实现接近理想料型的低能耗卸料。卸料小车的设计对筒仓运营效率具有重要影响，应开发高精度高可靠度高度自动化的控制系统，通过先进可靠的卸料工艺设计实现筒仓科学合理使用。