馬　磊

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

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黃驊港全自動多用途翻車機(jī)系統(tǒng)研發(fā)

馬磊

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

針對我國煤炭港口自動給料、精度定位難度大、鉤頭摘掛完全依賴人力和定位車自適應(yīng)能力差等難點(diǎn)，提出了一種全自動多用途翻車系統(tǒng)，開發(fā)了包括料位檢測、自動給料控制方法、自動摘掛鉤裝置、自動尋鉤方法、自適應(yīng)雙臂定位車系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了翻車系統(tǒng)的全自動自適應(yīng)作業(yè)模式。

漏斗自動給料； 定位車運(yùn)動控制； 自動鉤頭摘掛； 定位車自適應(yīng)

1　前言

長期以來，國內(nèi)煤炭港口翻車機(jī)領(lǐng)域一直未實(shí)現(xiàn)全自動作業(yè)方式，生產(chǎn)過程中多處要人為干預(yù)，造成生產(chǎn)連貫性降低，效率低下，勞動力成本增加。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤炭港口的翻車系統(tǒng)控制雖然有了長足發(fā)展，但在自動給料、精確定位、自適應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)上仍存在重大難點(diǎn)[1-3]，主要表現(xiàn)在下面4個方面。

(1)自動給料難度大。首先，翻車機(jī)漏斗在大粉塵、水汽、振動等惡劣環(huán)境中工作，造成料位檢測非常困難，只能依靠觀察，準(zhǔn)確性差、人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重。其次，翻車機(jī)有5個漏斗，每個漏斗的物料高度差異較大，且綜合流量反饋存在大滯后、非線性等控制難點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確給料，只能通過人員指揮手動調(diào)節(jié)漏斗流量，造成效率低下，流量起伏較大。

(2)精度定位難度大。在定位車牽引重載火車時，由于火車慣量大，列車長度較長，存在滯后性間歇沖擊，高速后的定位經(jīng)常出現(xiàn)漂移問題，造成自動作業(yè)中斷，生產(chǎn)效率降低。

(3)鉤頭摘掛完全依賴人力。在以往翻卸摘鉤車型時，首節(jié)定位時需要人工指揮，翻車前需要摘鉤人員手動摘卸車鉤，翻車后需要人為將車鉤扶正，因此造成了翻車機(jī)不能完全自動作業(yè)，同時也增加了勞動力成本，并造成摘正鉤人員工作環(huán)境惡劣，影響其身體健康。

(4)定位車自適應(yīng)能力差。當(dāng)前的翻車系統(tǒng)只能接卸摘鉤車或者卸旋轉(zhuǎn)鉤車一種車型，不能同時適應(yīng)摘鉤車和旋轉(zhuǎn)鉤車，從而降低了生產(chǎn)的靈活性，每次調(diào)整翻卸車型都要花費(fèi)至少3天時間，人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重，造成了生產(chǎn)延誤。

鑒于以上問題，我港經(jīng)過5年的研究探索，將生產(chǎn)工藝需求和技術(shù)創(chuàng)新相融合，攻破了生產(chǎn)工藝流程中的一系列重大難關(guān),開發(fā)出全自動多用途翻車系統(tǒng)并應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)和行業(yè)工程建設(shè)。

2　研發(fā)內(nèi)容

2.1翻車機(jī)作業(yè)環(huán)節(jié)

翻車機(jī)作業(yè)包括定位車牽引重車進(jìn)入翻車機(jī)，翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)翻車將煤炭卸到漏斗，推車機(jī)將空車退出，漏斗進(jìn)行自動給料等4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1　翻車機(jī)翻卸作業(yè)

2.2漏斗自動給料

開發(fā)了料位的檢測裝置，提出了一種綜合物料類型自識別、料位平衡控制、滯后預(yù)估處理的自動給料控制方法，突破了穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效的自動給料瓶頸。

(1)針對現(xiàn)有翻車機(jī)漏斗料位檢測技術(shù)的空白，開發(fā)了一種可輕松穿透煤塵和水霧，不影響設(shè)備、維護(hù)人員安全并能精確穩(wěn)定檢測翻車機(jī)漏斗料位高度的檢測裝置，同時設(shè)計了自動沖洗裝置，可以自動檢測并清理作業(yè)中的煤塵粘附，解決了惡劣環(huán)境下料位檢測的重大難題，從而代替人工觀察，為漏斗的自動給料控制提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)針對翻車系統(tǒng)接卸物料種類繁多、密度不同的問題，提出了一種自動給料系統(tǒng)物料種類自識別方法。該方法根據(jù)放大系數(shù)函數(shù)來確定物料種類，能夠?qū)Σ煌奈锪线M(jìn)行不同的處理，使自動給料過程更加準(zhǔn)確。利用開始給料的前3 s時間，通過對輸入輸出的周期采樣計算，自動計算出本系統(tǒng)的動態(tài)放大倍數(shù)，同時解決煤種識別問題和非線性放大問題。

(3)提出了一種料位平衡控制方法。該方法可以在保證總流量穩(wěn)定的前提下建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型、確定放大系數(shù)函數(shù)、獲取目標(biāo)流量函數(shù)以及對目標(biāo)流量函數(shù)進(jìn)行預(yù)估處理，實(shí)現(xiàn)對每個漏斗的目標(biāo)振動頻率的確定，從而能夠更加準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)流量，并能夠?qū)Ω鱾€漏斗的物料流量進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，在保障整個作業(yè)過程的安全性的同時，提高給料效率，實(shí)現(xiàn)自動給料。

翻車機(jī)有5個給料漏斗，每個漏斗下方有1臺振動給料機(jī)(每臺振動給料機(jī)由2臺凸輪電機(jī)驅(qū)動)，通過振動給料機(jī)的振動將漏斗里的物料振動到皮帶機(jī)上進(jìn)行輸送。凸輪電機(jī)的振動速度是由系統(tǒng)PLC控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)的。通過5個漏斗同時給料，在皮帶機(jī)上形成料流，皮帶機(jī)出口的皮帶秤用來反饋實(shí)際料流的流量[1]。

2.3定位車運(yùn)動控制

針對火車慣性沖擊強(qiáng)、穩(wěn)定性差、定位精度差等缺點(diǎn)，提出了綜合加速曲線、減速曲線、最大速度、最小速度4速比較的速度控制方法，在大慣量的火車負(fù)載下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動、調(diào)速、制動，實(shí)現(xiàn)毫米級精準(zhǔn)定位。

(1)加速階段。采用下式進(jìn)行速度計算：

(1)

式中，Vup為加速即時速度；V0為初始速度；a為加速度；t為加速時間。

(2)減速階段。在定位車逐漸接近目標(biāo)位置時，定位車必須逐漸減速直至停止。由于定位車的速度的實(shí)際輸出值與給定值存在誤差，所以這個階段不能像加速階段那樣使用與時間相關(guān)的控制方式，必須使用與到達(dá)目標(biāo)位置相差的距離相關(guān)的控制方式?？捎靡韵鹿絹泶_定定位車的即時速度：

(2)

式中，Vdown為減速即時速度，因為到達(dá)目標(biāo)位置定位車必須停止，所以V0為0；a為定位車減速時的加速度值；s為定位車現(xiàn)在的位置到目標(biāo)位置的距離,則Vdown為2as的開方值。但在實(shí)際運(yùn)行中，很可能發(fā)生定位車正在加速時，距離目標(biāo)位置已經(jīng)很近，定位車必須減速的情況[2]。

2.4自動鉤頭摘掛

(1)針對定位車在首次接車時，無法辨識火車停止位的問題，提出了一種車輛位置確定方法。PLC根據(jù)從多個光檢測單元接收到的電信號以及相關(guān)數(shù)學(xué)算法，能夠自動識別出車輛位置，進(jìn)而根據(jù)識別的車輛位置控制定位車的落臂接鉤操作，完全實(shí)現(xiàn)定位車的自動化作業(yè)[3]。

(2)開發(fā)了一種火車車鉤開啟裝置。設(shè)計了驅(qū)動機(jī)構(gòu)、主被動滑塊、鎖定機(jī)構(gòu)、運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和提銷桿等機(jī)械設(shè)備；開發(fā)了能自動將車鉤打開的PLC程序，代替了摘鉤員提銷作業(yè)，免除摘鉤員的安全隱患，同時可以縮短工作流程，提高工作效率。

(3)針對摘鉤車在翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中由于車鉤重力作用造成車鉤偏移，翻車機(jī)歸零后需人工正鉤方可接車的問題，開發(fā)了一種自動扶鉤裝置，在翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中，正鉤板通過傳動機(jī)構(gòu)使得動作件處于扶正位置，頂住翻車系統(tǒng)要翻轉(zhuǎn)的火車車廂的火車車鉤，以防止火車車鉤在翻轉(zhuǎn)過程中偏移，從而無需人工進(jìn)行車鉤扶正操作，節(jié)約人力成本并提高作業(yè)的效率和安全性。

2.5定位車自適應(yīng)

針對多種車型的接車作業(yè)，需通過機(jī)械調(diào)整定位車車鉤以適應(yīng)不同車型的問題， 研究一種能夠適應(yīng)摘鉤車和非摘鉤車的雙臂定位車，定位車具有四連桿式俯仰臂和伸縮臂，通過車型識別，自動切換對應(yīng)大臂進(jìn)行接車作業(yè)，從而提高定位車的適應(yīng)能力，節(jié)省設(shè)備改造時間。

在車體頭部采用四連桿俯仰式，普通鉤頭，用于接卸摘鉤車，在車體尾部安裝一套齒條缸驅(qū)動的伸縮臂裝置，采用接卸旋轉(zhuǎn)鉤頭車專用鉤頭，用于接卸不摘鉤車。定位車可以根據(jù)所對應(yīng)的車型自動調(diào)整大臂模式，進(jìn)行在線切換，自適應(yīng)作業(yè)。

3　結(jié)語

本項目開發(fā)了一種全自動多用途翻車系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括料位檢測裝置、自動給料控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、自動摘鉤、掛鉤、尋鉤系統(tǒng)以及自適應(yīng)雙臂定位車。自動給料系統(tǒng)代替了人工手動給料，定位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了毫米級精確定位，自動摘鉤、正鉤、尋鉤系統(tǒng)代替了摘鉤員、正鉤員的人力操作，自適應(yīng)雙臂定位實(shí)現(xiàn)了不同的車型的在線切換，最終實(shí)現(xiàn)翻車系統(tǒng)的全自動自適應(yīng)作業(yè)模式。

[1]李靖宇，董傳博，李長安. 翻車機(jī)全自動給料系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 神華科技. 2010(4)：85-88.

[2]李靖宇. 利用plc對定位車進(jìn)行運(yùn)動控制[J]. 港口裝卸. 2009(1)：36-37.

[3]李長安. 推車機(jī)正鉤板設(shè)計[J]. 港口裝卸. 2009(4)：21-22.

An Automatic Car Dumper System with Multitasks

Ma Lei

Shenhua Huanghua Harbour Administration Co., Ltd

Currently, coal terminals in china are difficult to achieve fully automatic feeding and high precision positioning . The couple-uncouple system of the hook head are entirely relied on the manual labor, and positioning vehicles present poor self-adaptive capabilities. In order to solve these problems, the paper proposes a novel fully automatic car dumper system with multi-functions, which includes material level detection module, automatic feeding control system, automatic couple-uncouple hook head, automatic hook-finding system and self-adaptive positioning vehicles with double arms. Finally, the fully automatic self-adaptive operation mode of the car dumper system is realized.

automatic feeding funnel; motion control of positioning vehicle; automatic couple-uncouple system of hook head; self-adaptive system of positioning vehicle

2016-03-11

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.018

馬磊： 061113，河北省滄州市渤海新區(qū)神華小區(qū)10號樓