快装站高能效防冻液自动喷洒系统的研究与应用

任晓迪，张晓刚

(1.中煤平朔集团有限公司煤炭洗选中心, 山西 朔州 036006； 2.太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室, 山西 太原 030024)

0 引言

冬季天气严寒，铁路装运的精洗煤在冬季运输时容易发生煤炭与车厢黏连或煤炭冻结情况，造成到港(站)卸车困难，影响铁路运输效率和运输安全[1-2]。为解决该难题，在装煤过程中将防冻液均匀喷洒在煤流中，同时对车厢底部、内壁进行防冻液喷洒，防止煤与车厢之间冻结[3-4]。运煤列车车厢防冻液喷洒系统包括液流系统、机械系统、控制系统和监控系统[5]。目前，车厢防冻液喷洒大部分仍采用以人工操作为主的方式，这种方式难以保证喷头高度、伸至车厢内位置，遇到大风天气喷头晃动幅度大，导致大部分防冻液喷洒在车厢外面，同时防冻液喷洒量无法调节，在每节列车换挡处不能实现立即停喷，造成防冻液的大量浪费，防冻液长期喷洒在列车换挡处伤害列车设备，污染装车站环境[6]。

为解决这一问题，研究人员提出了一种液压动力、自动化控制的运煤车防冻液喷洒装置[7]，通过两个液压缸分别控制臂架的举升与回转，采用电磁阀控制喷洒量，但是在实际使用过程中，存在较大问题。防冻液喷洒量以及两节车厢之间防冻液停喷全靠人工凭观察调整，无法自动调节，导致防冻液的浪费以及环境污染；防冻液中含有杂质，运行一段时间后，容易造成电磁阀等元件堵塞或损坏，导致系统不可靠；臂架的举升与回转采用开式阀控液压系统，导致效率低下[8-10]。综上所述，目前运煤列车防冻液喷洒设备存在主要问题是防冻液浪费与环境污染以及系统可靠性与效率低下。

2010年太原理工大学设计了一种固定式的防冻液喷洒装置，在原有手动喷洒装置的基础上，利用光电传感器判断车厢位置，PLC根据光电传感器信号控制防冻液喷洒电磁阀的启停以达到节省人工的目的[11]。针对防冻液喷洒不均匀的问题，石永富设计了一套防冻液自动喷洒系统，管路系统提供具有一定压力的防冻液，PLC控制喷洒机构对车厢内表面和输送带上的煤进行均匀喷洒，最大化节约成本，而且操作维护简单[12]。针对两车厢间防冻液不能自动停止喷洒，造成浪费和环境污染问题，神华能源股份有限公司对防冻液喷洒系统进行改造，采用自动控制方式实现喷洒功能，解决了防冻液喷到两车之间和机车头部的问题，防冻液喷洒均匀，能从根本上解决冬季冻车问题[13]；中煤平朔集团有限公司通过测速雷达、起喷雷达和停喷雷达共同控制防冻液的自动停喷，还可根据环境温度调节泵的频率，控制喷洒流量[14]；张晓刚[15]、苏正友[16]等采用机电液控制方式，通过采集车速和输送带煤流重量等状态信息，实现车厢喷洒与缓冲仓煤流喷洒的自动控制。太原理工大学的苏海亮[1]设计了一种车载移动式防冻液喷洒系统，解决了固定式防冻液喷洒装置喷洒不灵活的问题。西山晋兴能源公司对防冻液喷洒系统进行智能化升级改造，利用PLC工控系统与软件相融合，通过现代无线传输的方式将监控信号、PLC 控制信号传输至移动终端，实现操作人员对现场设备的监视和控制[18]。

随着人类对环境保护和可持续发展的认识加深[19]，以及国家环保力度的不断加大，运煤车防冻液喷洒设备的节能环保性要求越来越高。为此，本文介绍了一种快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统，提出了快装站运煤列车两车厢之间防冻液自动停喷技术，基于闭式控制的大臂升降技术及其关键元件三油口液压泵、大臂低能耗回转驱动技术，实践证明，该自动喷洒系统提高了系统的工作效率与可靠性，降低了运行中的能耗，解决了防冻液浪费以及环境污染问题，符合当下国家工业产品设计的节能环保理念，具有广阔的应用前景。

1 快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统的关键技术

该快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统如图1所示，总体结构图如图2所示，其中防冻液喷洒控制采用泵控方式，通过改变电动机转速实现喷洒量的控制；通过控制升降液压缸的位移实现大臂的升降控制；通过控制回转马达的转动角度实现大臂的回转控制，该系统的关键技术包括以下几点：

图1 快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统

1-滚筒旋转编码器；2-喷洒滚筒装置；3-滚筒旋转液压马达；4-防冻液管路；5-升降油缸；6-喷洒大臂；7-配重；8-平台支架；9-楼梯；10-检修平台；11-喷洒大臂基座；12-滚筒定位刹车装置；13-大臂回转液压马达。

1) 基于车厢位置与速度检测的防冻液泵自动停喷控制方法；

2) 喷洒滚筒装置及其控制方法；

3) 大臂低能耗回转驱动系统；

4) 自动喷洒电气控制系统。

1.1 基于车厢位置与速度检测的防冻液泵自动停喷控制方法

图3所示为两车厢之间自动停喷示意图，其中，运煤车厢两侧设置有两对光电开关，其中一对光电开关负责收集车厢信号，另一对光电开关负责识别两个车厢之间有无遮挡，有遮挡信号时喷洒，无遮挡信号时停止喷洒，这样车厢驶入喷头下方开始喷洒，车厢驶离喷头下方停止喷洒，两节车厢之间喷头不喷洒。该车位判断系统的光电开关采用的是激光漫反射检测开关，其漫反射原理是发射和接收在同一个传感器中，发射光通过物体的表面反射回到接收器，它的优点是安装方便，检测距离远，抗噪能力强，相对传统激光对射开关来说，具有容易安装、调整，维护方便等优点。

图3 两车厢之间自动停喷示意图

防冻液喷洒量通过防冻液泵的变频控制器来调整，其控制原理如图4所示。首先，通过非接触式测速雷达对运煤车运行速度进行监测，根据速度反馈信号对防冻液喷洒量进行设定。图5为运煤列车行驶速度与喷洒量关系，喷洒量与车厢行驶速度成正比关系，列车行驶速度越快，喷洒量给定值越大。

图4 车厢喷洒流量控制原理

图5 列车行驶速度与喷洒量关系

实际喷洒量的计量通过高精度的智能电磁流量计进行检测，其内核采用高速中央处理器，计算速度非常快，精度高，测量性能可靠，测量原理是基于法拉第电磁感应定律，将流量信号放大处理后，输出模拟电压等信号，用于流量的控制和调节，可实现当前与历史累积流量统计。进一步地，基于给定流量与实际喷洒流量的差值对泵转速进行PI控制，实现防冻液的按需喷洒，防止浪费。根据该控制原理可知，车厢因故停止时车速为0，喷头不喷洒，车厢开始行驶后喷头立即喷洒，可实现防冻液泵的自动停喷控制。此外，防冻液管路上进一步安装有HYDAC压力传感器，用于实时监测系统压力，检测精度0.15%，输出信号为0～10 V，根据压力信号对喷洒量进行适当调整，保证系统正常运行。

1.2 喷洒滚筒装置及其控制方法

防冻液泵输出需求流量后，通过喷洒滚筒装置进行喷洒,喷洒滚筒的结构和实物如图6、图7所示。该装置包括防冻液喷头，输送防冻液的喷洒管，控制喷头角度的滚筒和旋转臂以及防护罩体等。

1-旋转臂; 2-罩体; 3-滚筒; 4-喷洒管; 5-喷头; 6-蓄能器。

图7 喷洒滚筒装置实物图

具体喷洒过程为：喷头进入运煤列车车厢内喷洒位后，滚筒向下旋转，喷头朝下露出，喷洒防冻液；在喷头即将喷完离开车厢之前，滚筒向上回转，停止喷洒。防冻液泵至喷头这一段的残留余液，通过滚筒向上回转，把余液收集在滚筒里，进入下一节车厢后，滚筒向下回转，防冻液泵启动，开始喷洒，同时将滚筒内的余液倒在车厢内。喷洒现场不漏不洒，既环保又节约防冻液用量。

滚筒工作时，电气控制系统发出信号，通过液压系统驱动液压马达回转，在电液比例阀的控制下，使滚筒以理想的速度完成回转，喷洒滚筒配置有旋转角度控制装置，由旋转编码器与限位开关检测并控制滚筒的翻转角度。因滚筒回转时具有惯性，位置不准确会影响喷洒，故喷洒滚筒配置有刹车装置，使滚筒翻转与停止动作快速响应，角度定位精确控制。为了防止液体喷洒到车厢外，滚筒外还设置了不锈钢全方位防护罩，防护罩下部加装了橡胶防护垫。即使在刮大风的恶劣天气环境下，也能有效地防止液体外泄、飞溅，避免对设备下方的工作人员或其它设备造成慢性破坏。

进一步结合2.1节基于车厢位置与速度检测的防冻液泵自动停喷控制方法，可解决目前防冻液喷洒系统普遍存在的防冻液喷洒效果差等问题。实际应用表明，与当前国内外同类技术相比，可节省防冻液约30%。

1.3 大臂低能耗回转驱动系统

快装站运煤列车防冻液喷洒设备大臂低能耗回转驱动系统如图8所示，包括蓄能器组，能量回收液压泵/马达，回转机构和回转驱动动力源[20-21]。在回转机构一侧设置有第Ⅱ减速器，第Ⅱ减速器连接有能量回收液压泵/马达，所述能量回收液压泵/马达的进出油口分别与液压控制阀的第Ⅰ工作油口A 和第Ⅱ工作油口B 连通；液压控制阀在中位时，第Ⅰ工作油口A、第Ⅱ工作油口B 分别与油箱口T 连通，压力油口P 与蓄能器组连通，当液压控制阀处在左边位置时，第Ⅰ工作油口A 和油箱口T 连通，第Ⅱ工作油口B 与蓄能器组的进口连通；当控制阀处于右边位置时，第Ⅰ工作油口A 与蓄能器组的进口连通，第Ⅱ工作油口B 与油箱口T 连通；安全阀的进油口与压力油口P 和蓄能器组连通，压力传感器安装在压力油口P 和蓄能器组连通的液压管路上；能量回收液压泵/马达的输出轴与第Ⅱ减速器的输入轴连接，第Ⅱ减速器的输出轴与回转机构连接，驱动防冻液喷洒设备大臂旋转。在回转机构另一侧通过回转驱动减速器连接有主驱动液压马达及其主驱动液压泵构成回转驱动动力源，驱动防冻液喷洒设备大臂旋转。

1-回转驱动动力源; 2-主驱动液压泵; 3-主驱动液压马达;4-回转驱动减速器; 5-回转机构; 6-第Ⅱ减速器;7-能量回收液压泵/马达; 8-第Ⅰ二位二通插装阀;9-第Ⅱ二位二通插装阀; 10-第Ⅲ二位二通插装阀;11-液压控制阀; 12-第Ⅳ二位二通插装阀; 13-压力传感器;14-蓄能器组; 15-安全阀。

防冻液喷洒设备大臂制动时，第Ⅰ二位二通插装阀得电导通第Ⅰ工作油口A与压力油口P，第Ⅳ二位二通插装阀得电导通第Ⅱ工作油口B与油箱，防冻液喷洒设备大臂的动能驱动能量回收液压泵/马达处于液压泵工况，通过第Ⅳ二位二通插装阀从液压油箱吸油并排入到液压蓄能器组产生反向制动力矩，将防冻液喷洒设备大臂的动能转化为蓄能器组中高压液体的压力能；当防冻液喷洒设备大臂再次加速运行时，控制第Ⅰ二位二通插装阀和Ⅳ第二位二通插装阀得电，或控制第Ⅱ二位二通插装阀和第Ⅲ二位二通插装阀得电，使第Ⅰ工作油口A或第Ⅱ工作油口B与压力油口P连通，蓄能器组中的压力油将使能量回收液压泵/马达处于液压马达工况，与主驱动液压马达一并驱动防冻液喷洒设备大臂运行，降低主驱动液压马达的装机功率。

在大惯性回转机构快速起动时，能量回收液压马达/泵可以辅助主系统驱动，降低主系统装机功率，如当主驱动液压马达和能量回收液压泵/马达的排量比为1∶1配置时，同样工况下，主驱动系统只需原来50%的驱动功率即可。制动过程中，采用进出口独立控制方式结合液压蓄能器，可回收回转机构的大容量动能。采用主辅系统匹配方式，在主系统出现故障时，辅助系统仍可驱动回转机构动作，系统具有安全冗余功能。此外，主驱动采用闭式泵控马达系统，消除了传统阀控系统存在的大节流损失，整个系统能量利用率高。

1.4 自动喷洒电气控制系统

防冻液喷洒电气控制系统采用PLC元件控制和触摸屏显示相结合的方式，整体控制原理如图9所示。

图9 自动喷洒系统控制原理

系统采用美国 AB 高端 PLC控制器作为整个电气控制系统的控制核心，并将变频调速技术和自动停喷控制技术相结合，通过传感器信号的采集，泵、阀等的控制信号传输来完成系统对喷洒压力、喷洒量、电磁阀开闭、大臂升降摆动、滚筒位置等参数的自动控制，使这些设备根据工况要求自动控制，保持防冻液自动喷洒系统的最佳运行状态。

其中，PLC控制器负责实时对以下信号进行采集和处理：

1) 操作系统各种开关量信号，如用于车位判断的光电开关；

2) 压力传感器、位移传感器、电磁流量计等对液压驱动系统的检测信号；

3) 电磁流量计与压力传感器对防冻液喷洒量以及管路压力的检测信号；

4) 温度传感器对环境温度的检测信号。

PLC控制器对采集的检测信号进行转化处理，结合图4的控制原理进行内部运算，最终按照操作需求输出相应的控制信号：主驱动液压泵转速与排量控制信号； 液压控制阀电比例控制信号；防冻液泵变频调速控制信号；防冻液喷洒点、喷头位置控制信号。

PLC控制器的输入端子与各个旋钮、按钮和光电开关等输入元件连接。其中，光电开关用于识别两个车厢之间有无遮挡及车厢行驶方向，对车位进行判断。PLC控制器的输出端子与泵和控制阀等输出元件连接，与防冻液泵的电动机变频器连接，对防冻液泵电动机进行变频调速，实现防冻液按需喷洒，防止浪费。PLC的模拟量模块与温度传感器、非接触式测速雷达、压力传感器和电磁流量计等连接，实时检测环境温度、运煤车运行速度、液压系统压力和流量，以及防冻液喷洒压力和流量。

为了改善操作人员的工作环境，提高生产效率，PLC控制器进一步与监控计算机通过MPI通信连接，用于对系统状态信号进行显示、数据存储以及打印，实现操作人员对系统的监视和控制，将控制指令全部集中在集控室完成。监控计算机系统具有历史数据存储功能，可将各种系统参数、检测信号、控制信号及报警数据等存入硬盘，随时调用。整个控制系统(PLC、触摸屏)采用UPS供电，以保证在停电时系统仍能正常工作。

如图1所示，车厢喷洒监控系统安装在图2中的检修平台上方，对整个喷洒过程进行实时监控。室外智能形摄像机具有日夜转换功能，夜间图像为黑白模式，白天图像为彩色模式，该设备可自动实现日夜转换功能，液晶显示器清晰度高、图像稳定、使用寿命长。通过该显示器，工作人员可实时监视防冻液喷洒设备的工作状况。

2 快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统的运行效果

快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统设备运行可靠、系统节能、动作精确，能大幅提高冬季装车效率，节约了防冻液、解决了装车站的环境污染。与当前国内外同类技术的比较如表1所示。

表1 本项目发明与当前国内外同类技术对比

该系统已在中煤平朔集团有限公司煤炭洗选中心、内蒙古准能龙王渠煤炭集运有限责任公司、大地工程开发(集团)有限公司天津分公司、朔州中煤杨涧洗选有限公司等企业应用，为用户创造长期的经济效益。如中煤平朔洗选中心年产8 000万t精煤，使用该新型防冻液自动喷洒系统后，年节约防冻液费用30%，每年节约防冻液费用5 000万元。

3 结论

本文介绍了一种快装站运煤列车防冻液高能效自动喷洒系统，可以实现两车厢之间防冻液自动停喷、喷洒量根据车速变频调节、停喷后防冻液泵和喷头之间的余液回收利用，能实现制动能量高效再生利用，降低了主驱动液压马达的装机功率，有效地防止液体外泄、飞溅，避免对设备下方的工作人员或其它设备造成慢性破坏，解决了防冻液浪费以及环境污染问题，提高了系统的工作效率与可靠性，降低运行中的能耗，符合当下国家工业产品设计的节能环保理念，可产生重大经济效益和环境效益，具有广阔的应用前景。