运煤车防冻液自动喷洒电液控制系统工作原理分析

运煤车防冻液自动喷洒电液控制系统工作原理分析 液压气动与密封/2011年第6期 张晓刚 摘 权龙 030024) (太原理工大学机械电子工程研究所，山西太原 要:为解决冬季精煤运输过程发生冻结、精煤粘结在车厢内壁上造成卸煤困难的问题，需在装车前将防冻液均匀喷洒在列车厢体 的内壁及底部，并在精煤进入缓冲仓之际将防冻液喷洒在煤流中，为节约防冻液，要求在两节车厢的间隔处停止喷洒。根据实际工作需求，采用机电液控制方式，由液压系统提供动力源，液压缸驱动大臂控制喷头的升降和回转，采用自动和人工两种控制方式，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，解决了两车厢之间因不停止喷洒而对环境造成污染的问题，节省了人力和大量防冻液，和元件选型中，充分考虑了使用环境寒冷、粉尘、湿气大等恶劣条件，使系统可靠工作。关键词:防冻液;自动喷洒;计量控制中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1008-0813(2011)06-0050-04 AnalysisonWorkingPrincipleofAutomaticSpray ——————————————————————————————————————————————— Electro-HydraulicControlSystemofAntifreezeofCoalTrain ZHANG Xiao-gang QUAN Long (MechanicalandElectricalEngineeringInstituteofTaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China) Abstract:Inordertosolvetroublesduringthetransportationoffinecoalsinwintersuchasfreezeandfinecoalsstickedontheinternalwallsofcompartments,itisnecessarytosprayantifreezeevenlyontheinternalwallandbottomofthecompartmentsbeforecoalsareloadedonthetrainandalsosprayitintofinecoalflowwhilefinecoalsentersurgebins.Inordertosaveantifreeze,itisrequiredtostopsprayingitintheintervalbetweentwocompartments.Inaccordancewiththeaccurateworkingrequirement,electro-hydrauliccontrolshallbeadopted,hydraulicsystemshallprovidepowersource,andtheliftandrotaryofthespraynozzleshallbecontrolledbythebigarmdrivenbythehydrauliccylinder.Besides,bymeansofbothautomaticandmanualcontrolmethods,theautomaticcontrolforthesprayofcompartmentsandcoalflowsinsurgebinscanberealized,thetroubleabouttheenvironmentalpollutioncausedbycontinuousspraybetweentwocompartmentsissolved,andalotofmanpower,antifreezecanbesaved——————————————————————————————————————————————— throughthedatalikethecollectedspeedofthetrainandtheweightofcoalflow ontheconveyoretc.Meanwhile,acompleteconsiderationistakenfortheappli cationunderseverconditionslikecold,dustandheavymoistureetc.,sothatthe systemcanbeoperatedreliably.KeyWords:antifreeze;automaticspray;measurementcontrol 绪论 防冻液自动喷洒控制系统，是根据冬季精煤运输 满足工作需要，要求控制装置自动化程度高，响应时间短、耐低温，喷洒控制装置既要满足不同型号车厢喷洒要求，又要具备防碰撞安全性要求，信号控制器与执行装置之间关联性、互锁性大。喷洒装置动作全部依靠液压驱动完成，由液压系统提供动力源，实现大臂回转、升降等功能。车厢防冻液喷洒通过控制喷洒电磁阀通断来实现，控制防冻液喷洒的信号通过光电开关来采集信号，自动喷洒控制系统分就地控制与远程控制两种模式，喷头装置定位准确，系统具有防撞功能。 要求而产生。选煤厂冬季生产中面临的最大问题就是精煤中含有水分，在运输过程中会发生冻结，致使卸煤非常困难，为此，需在装煤过程中将防冻液均匀喷洒在煤流中，防止精煤之间冻结，同时对车厢底部、内壁进行喷洒，防止煤与车厢之间冻结。防冻液自动喷洒主要分车厢喷洒和缓冲仓喷洒两部分。系统元件选型充分考虑工作现场严寒、粉尘、湿气大等恶劣环境条件。为 收稿日期:2011-03-17 ——————————————————————————————————————————————— 作者简介:张晓刚(1964-)，男,博士研究生，主要研究方向液压控制系统的节能理论及其应用技术。 1 传统防冻液喷洒装置 防冻液喷洒装置的形式和种类很多，因缓冲仓喷 洒装置结构简单，喷头在煤流上方固定不动，只有开闭 50 HydraulicsPneumatics&Seals/No.6.2011 和计量要求，因此，本文论述以车厢喷洒装置为主。 目前，车厢喷洒大部分仍采用以人工为主的方式，最简单的办法是人工握一根钢管站在小房内，将喷头伸至车厢，通过手中球阀完成喷洒，但是喷头高度、伸至车厢内位置难以保证，球阀打开后直至喷洒全部结束才关闭，造成浪费比较大。比较简易的防冻液喷洒装置，是由几根钢管焊接而成，装置回转和升降没有动力源，火车进入后，由人工推动将支架旋入车厢上方，主要不足是支架定位性不好，遇到大风天气晃动幅度大，导致很大一部分防冻液喷洒在车厢外面，同时防冻液喷洒量无法自动调节，也没有设置停喷控制信号，两节车厢之间继续喷洒，使得喷洒区域地面全部是湿地。还有一种防冻液车厢喷洒装置效果要好一些，通过采用两个电液推杆(或电动推杆)来实现系统相应动作，一个推杆负责大臂举升，另一个负责大臂回转，举升高度和回转位置全部由人工在地面完成，大臂横梁就是喷洒管，管的端部装有喷头，采用电磁阀控制喷洒，实际使用过程中出现系统不可——————————————————————————————————————————————— 靠，电液推杆(或电动推杆)有下坠、喷头有误喷等现象，故障发生后没有报警装置和自动复位装置，全靠人工凭观察调整，影响了装车站的正常工作。由于在喷洒过程中，防冻液中含有杂质，系统运行一段时间后，容易造成电磁阀等元件堵塞或损坏，上述简易防冻液装置均没有设置检修平台及就地操作室，更换元件及操作非常不方便。 保证防冻液喷洒至车厢内，最大程度减小对环境污染。防冻液喷洒量也实现自动控制，防冻液泵通过变频控制器可连续改变喷洒流量[2]，车厢喷洒防冻液量由测速雷达调节，根据车厢行驶速度与喷洒量的正比关系，列车行驶速度越快，测速雷达提供的喷洒量信号越大，车厢因故停止喷头不喷洒，车厢开始行驶后喷头立即喷洒;煤流缓冲仓侧喷洒量，由煤流输送带上的称重信号控制，根据称重量与喷洒量的正比关系，输送带上煤量越大，称重信号要求的喷洒量就越大。喷洒量的计量通过电磁流量计，可实现当前与历史累积流量统计，防冻液管路安装有压力传感器，系统根据压力信号控制防冻液泵流量输出。系统防撞车功能通过喷头快速提升来实现[3-5]，信号采集通过装在喷洒装置一定距离外的对射式红外线电眼来实现，电眼发出高于车厢一定高度的射线，当有高于射线高度的物体通过时，喷头会快速提升。 2 新型防冻液自动喷洒控制装置 图1所示是新型防冻液自动喷洒系统实物照片， 图1防冻液车厢喷洒控制装置 图2是2010年冬季安装在晋兴能源斜沟选煤厂的防冻液车厢自——————————————————————————————————————————————— 动喷洒控制装置。图2中，回转立柱改进为立柱液压缸，取代喷头升降液压缸，简化液压系统，方便了控制操作，装置下面的就地控制室采用全封闭结构，液压站、就地控制柜、防冻液控制及计量装置全部放在里面，具有保温、防尘效果。 该装置2006年安装在中煤集团安家岭矿选煤厂运行至今。系统以PLC可编辑程序控制器为核心，根据各类车型的不同，选择不同的喷头高度对车厢内壁进行喷洒，系统采用机电液控制方式[1]。防冻液车厢自动喷洒控制程序是，车头行进到车厢装煤位置，操作人员开启液压系统，大臂升降和回转到位，防冻液喷头在光电开关控制下进行喷洒，两节车厢之间受信号控制不喷洒。摄像监控系统随时监控喷洒装置工作情况，每趟列车防冻液喷洒量通过专门流量记录仪计量。具体内容如下，将两对光电开关放在车厢两侧，设定好对射距离，一对光电开关负责收集车厢信号，另一对光电开关负责收集两个车厢之间无遮挡区域，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。喷头在车厢上方相对位置取决于风力大小，风力五级以下时，喷头位于车厢上方约150mm，风力五级以上时，按下设定按钮，喷头自动伸入车厢进行喷洒， 图2新型防冻液车厢自动喷洒控制装置 图3是液压系统回路原理图，系统采用节能的保压回路[6-9]，双动力源系统，一备一用，溢流阀卸荷启动，立柱液压缸与回转马达之间的动作有互锁性，油箱内有自动温控和液位报警装置，立柱液压缸——————————————————————————————————————————————— 的升降采用 51 液压气动与密封/2011年第6期 行程开关和磁致伸缩位移传感器两种形式控制位移量，立柱液压缸升降到位后，采用蓄能器定位保压，回路上装有压力传感器，低于设定压力时，泵启动给蓄能器充压，达到设定压力，泵停止。 围内(如90?)回转，大臂的准确限位依靠行程开关来实现。就地操作室顶部作为检修平台，方便观察及更换元件，由操作室将信号线引至装车站控制室，实现远程监控，液压站的油温、液位、压力以及喷洒流量等信号上传至装车站控制室。 3 系统性能及数据分析 图5为防冻液自动喷洒控制原理框图，能实现信号 检测、位置识别、动作间互锁等功能，尤其当超过设定时间而未接收到车厢信号时，大臂会自动旋回，防止列车误碰撞，同时防撞信号不必向PLC反馈，将快速提升动作响应时间减至最小[10]。 图3液压系统原理图 图4是装车站防冻液泵站与车厢自动喷洒控制装置之间关系图，新型防冻液自动喷洒控制系统主要包括:就地操作室及检修平台、大臂升降与回转、液压系统、防冻液车厢喷洒及缓冲仓喷洒、防碰撞装置、装车站控制系统、防冻液泵站、计量与数字存储、监控装置等十部分。图4中，远程集中控制室位于装车站操作室，室内监控画面可——————————————————————————————————————————————— 以看到各处工作状况。大臂升降与回转、防冻液泵启动、车厢与缓冲仓喷洒等功能全部由集控室操作台控制，各项参数与信号全部存储于集控室工控机上，工控机显示屏显示当前运行情况，集中控制分手动操作和自动控制两种形式。各执行装置中，大臂力学性能可靠，齿轮回转盘可以实现360?回转，采用液压马达驱动，回转装置减速器安装有机械锁紧装置，保证在任意位置锁紧，也可以限制大臂在设定角度范 图5 防冻液自动喷洒控制原理框图 图6为雷达探测示意图，列车速度信号采用测速雷达获取，测速雷达依据微波多普勒效应，工作在微波频段状态，识别列车运动速度，且不受外界电磁场干扰，可工作于烟、尘、雾等特殊环境，雷达传感器灵敏度可调节。测速雷达主要由雷达传感器及状态显示器组成，状态显示器接受雷达传感器的速度信息和状态信息，显示并操作继电器。雷达传感器固定在支架上，探测方向与火车行进方向原则上不大于30?，此时雷达测出的速度并不是火车的运行速度，而是火车速度在雷达方向上的分量(径向速度)，需要进行换算，当雷达在火车正前方，火车迎面开来时，效果最好，当雷达垂直于火车运动方向时，雷达无法探测出火车的运动。 图4喷洒与控制关系图 图6 雷达探测示意图 ——————————————————————————————————————————————— 52 HydraulicsPneumatics&Seals/No.6.2011 图7是实际测量列车行进速度与防冻液车厢喷洒量的关系图，列车在正常装煤时平均行驶速度大约为 系统进一步的发展方向。 参 [1][2][3] 1/3m/s，平均喷头喷洒量为25L/min，列车最快行驶速度 为1m/s。由图7可以看出，当列车行驶速度在0.2m/s以内，喷洒量增加很快，在0.2,0.5m/s范围内，喷洒量与行驶速度仍成正比关系，但变化减慢，列车行驶速度大于0.5m/s后，测速雷达与变频控制器出现响应滞后。根据现场测量，列车装车时行驶速度绝大部分都在0.2, 考文献 李松晶，阮健，弓永军.先进液压传动技术概论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2008(2). 姜继海,苏文海,刘庆和.直驱式容积控制电液伺服系统[J].军民两用技术与产品，2003(9). RAHMFELDR.DevelopmentandcontrolofenergysavinghydraulicservoHam burg;TUHH,2002. driven ——————————————————————————————————————————————— for mobilemachine[D]. and apparatus 0.5m/s范围内，测速雷达与变频控制器完全可以满足要 求。 [4] VichersInc.Electro-hydraulicsystem withbidirectionalelectricmotorhydraulicunit:USA,98/113581998[P].1998- 03-19. [5]DemagInc.Plasticinjectionmouldingmachinecontrolled with[6][7][8] 图7 列车行驶速度与喷洒量关系图 speedvariablepump,Germany,3919823A1[P]. 1990-12-20. 权龙.转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统的静特性[J].机械 工程学报，2002(3). 权龙.转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统的动特性[J].机械 工程学报，2003(2). 权龙.变量泵、比例阀和蓄能器复合控制差动缸回路原理及应用 ——————————————————————————————————————————————— 研究[J].机械工程学报，2006(5). 权龙.泵控缸电液技术的研究现状、存在问题及创新解决[J].机械工程学报，2008(11). 王占林.近代液压控制[M].北京:机械工业出版社，1997.江木正夫,箫欣志.日本液压技术动向[J].液压气动与密封， [9][10][11][12] 图8是以C80型列车为例测出的原喷洒装置平均喷洒量与新型喷洒装置平均喷洒量对比图，A为以前喷洒量，B为目前喷洒量。图8中，每列C80型车厢约 100节(图中只列出五节)，每节车厢长11.85m，两节之 间距离1.2m，喷头进入车厢1m开始喷洒，喷头离车厢 2004(1). 路甬祥.对流体传动与控制技术的系统哲学思考[J].液压气动与密封，2005(5). 1m停止喷洒，实际每节喷洒长度为9.85m。从现场实际 计量结果看，采用新的自动喷洒系统，防冻液喷洒量节约四分之一以上，满足了环保节能[11]的使用要求。 图8流量对比图 4 结论 (1)新型防冻液自动喷洒控制系统实现了防冻液 喷洒量的自动控制，解决了两车厢之间因不停喷而对环境造成的——————————————————————————————————————————————— 污染，系统信号与喷洒控制之间动态响应[12]效果良好,能够满足现场使用要求，节省了大量的人力和防冻液成本。 (2)如何应对严寒、粉尘、湿气大等恶劣天气条件，尤其是在强风和极低温环境状况下，保证各元器件使用效果，不致产生误动作，不断增强系统的标准化，是 53 ———————————————————————————————————————————————