粮食动态连续定量装车关键技术的研究.pdf

粮食流通及仓储 ,N o 收稿日期:;修回日期:基金项目:中国煤科集团重点项目(T D Z D );中煤科工智能储装技术有限公司面上项目(K G C Z M S ).作者简介:武徽(),副研究员,理学硕士,研究方向为控制理论与控制工程.d o i:/j i s s n 粮食动态连续定量装车关键技术的研究武徽(煤炭科学研究总院储装技术研究分院/中煤科工智能储装技术有限公司,北京 )摘要:为提高粮食转运的效率,针对粮食装车高效定量,且称量准确度等级高的需求,结合散粮专用车的特点,设计了动态装车工艺,研制了专用的机械设备,确定了工艺时序图.研究了基于D EM分析技术的散粮堆积形态控制方法,掌握了动态连续装车条件下车厢位移和车厢内物料堆积重量之间的关系.研究了基于非连续累计计量的自动配仓技术,以及基于车厢位移检测技术的卸料控制方法.最终实现了粮食火车发放系统的动态连续定量装车.关键词:粮食装车;动态工艺;非连续累计;堆积形态控制;散粮装用车中图分类号:T S 文献标志码:A文章编号 ()R e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g i e so fd y n a m i cc o n t i n u o u sq u a n t i t a t i v e l o a d i n go f g r a i nWU H u i(S t o r a g ea n dl o a d i n gB r a n c ho fC h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e/C C T E GI n t e l l i g e n tS t o r a g e&L o a d i n gT e c h n o l o g yC o,L T DB e i j i n g ,C h i n a)A B S T R A C T:I no r d e r t or e a l i z ee f f i c i e n tg r a i nt r a n s p o r t a t i o n,a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fe f f i c i e n tg r a i nl o a d i n ga n dh i g hw e i g h i n ga c c u r a c y l e v e l,c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f s p e c i a l b u l kg r a i nv e h i c l e s,ad y n a m i c l o a d i n gp r o c e s s i sd e s i g n e d,s p e c i a lm e c h a n i c a l e q u i p m e n t i sd e v e l o p e d,a n dt h ep r o c e s ss e q u e n c ed i a g r a mi sd e t e r m i n e d T h ec o n t r o lm e t h o do fb u l kg r a i ns t a c k i n gs h a p eb a s e do nD EMa n a l y s i s t e c h n o l o g y i s s t u d i e d,a n d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e c a r r i a g ed i s p l a c e m e n t a n d t h em a t e r i a l s t a c k i n gw e i g h t i n t h e c a r r i a g eu n d e r t h e c o n d i t i o no f d y n a m i c c o n t i n u o u s l o a d i n g i sm a s t e r e d T h e a u t o m a t i cb i na l l o c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nd i s c o n t i n u o u sc u m u l a t i v em e a s u r e m e n ta n dt h eu n l o a d i n gc o n t r o lm e t h o db a s e do nc a r r i a g ed i s p l a c e m e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g ya r es t u d i e d F i n a l l y,t h ed y n a m i cc o n t i n u o u sq u a n t i t a t i v e l o a d i n go fg r a i nt r a i nd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sr e a l i z e d K E YWO R D S:g r a i n l o a d i n g;d y n a m i cp r o c e s s;d i s c o n t i n u o u s t o t a l i z i n g;a c c u m u l a t i o nf o r mc o n t r o l;s p e c i a l v e h i c l e f o rb u l kg r a i n受疫情蔓延、极端天气、地缘冲突等因素叠加影响,粮食安全挑战的担忧不断上升.近年来突发公共事件频发,粮食的应急保供问题成为全社会关注的焦点.我国的粮食流通系统在总体上能满足应对突发公共事件的需求,但也存在缺陷.粮食物流体系存在硬件设施跨地区衔接度低的不足.年钱煜昊等在 中国粮食物流体系现代化建设策略一文中指出,必须提升粮食物流体系建设系统化水平,增强粮食流通和提高粮食物流设施建设专业化水平,提升物流体系效能,提高粮食物流设施跨区域衔接度.常规的粮食外运装车多属于静态装车,时间偏长.粮食的动态连续定量装车将极大提高粮食发运的速度,提高跨区衔接效率.火车粮食装车系统设备组成为配合动态连续定量的火车粮食装车,装车系统主要包括缓冲仓、散料秤、秤下缓冲斗、装车闸门、装车溜槽等主要设备.缓冲仓位于装车系统的最上方,主要目的是保证粮食供给,保证装车称量的连续性.其与平台安装的粮食皮带输送机相连,保证输送的粮食到缓冲仓内储存,下方设有连接口,与散料秤相连接.散料秤是一种对粮食进行自动称量的非连续累加自动衡器.散料秤上部拥有一对进料闸门,与缓冲仓相连,采用多级控制,用来控制进入散料秤的粮食总量.散料秤下部拥有放料闸门,可将秤内粮食卸入到秤下缓冲斗中.秤下缓冲斗的作用在于提前为下一个循环的装车流程做好物料填充准备,保证下一循环的装车过程不停车,同时保证物料武徽:粮食动态连续定量装车关键技术的研究/年第期 在车厢中的分布不偏载.秤下缓冲仓中的粮食通过控制装车卸料闸门进入溜槽.装车卸料闸门采用气动执行装置实现开关,其根据装车逻辑完成开闭动作.装车溜槽安装在缓冲斗下平板闸门的下方,采用液压伺服驱动方式,精度c m,可伸入到散粮专用车中,通过调整溜槽高度,可适应不同车型装车作业.溜槽一方面用于引导粮食进入车厢中,另一方面用于车厢内粮面刮平.火车粮食装车系统机械设备布置如图.缓冲仓;散料秤;秤下缓冲斗;气动装车闸门;装车溜槽;散粮专用车图火车粮食装车系统工艺机械布置图动态装车工艺待装车辆在经过粮食发放站下方时,不停顿连续行进状态下进行装车称之为动态装车,也就是说在粮食装入车厢过程中车厢处于慢速运动状态.动态连续装车工艺最大的优点是装车效率高.目前大宗散料装车如煤炭、矿石等的快速装车大多采用此种方式.粮食智能化装车主要面对的是L 和L 这两种散粮专用车(见表)及其混编车型,特点是顶部卸料通道贯通,方便溜槽进入并连续性放料作业.物料为流动性好的颗粒粮食(如大豆、玉米、小麦等),采 用 公 铁 两 用 车 牵 引,单 套 系 统 装 车 速度 t/h.表L 、L 铁路散粮专用车参数表车型 载重/t容积/m长/mm高/mm宽/mm装货口尺寸(长宽)/mmL L 非连续累计计量技术火车粮食装车采用了按照散粮专用车的载重进行定量投放的模式,精准高效,不会因为超载或欠载而重复作业.火车粮食装车的称重系统一般由定量仓体、称重传感器组、接线盒、称重仪表、砝码校验装置等部分组成,见图(a).对于动态装车过程,往往配置一个大型定量仓(t),对物料进行一次性投放,保证配料的时间和卸料的时间.但这种模式往往采用超大型的锥形 或 者 圆 形 仓,其 计 量 准 确 度 一 般 只 能 达 到 级.为保证粮食称重的高精度计量,在配备了 级计量准确度的矩形散料秤的同时,选择了非连续累计自动秤的工艺模式,保证装车效率,兼顾贸易需求.粮食动态装车的称重系统,见图(b).归属于O I ML R “非连续累计自动衡器”,符合计量准确度 级标准.以L 散粮专用车为例,每次装车称重时需要装载 t的重量.称重系统通过把一批粮食分成份分离的载荷,控制前次每份约为 t,最后次 t,依次确定每份分离载荷的质量,累计其称量结果,并将分离载荷卸出,自动计算得出该批粮食的实际总量.(a)称重系统组成(b)矩形散料秤图称重系统 下缓冲斗的设计和应用下缓冲斗是连续装车的必要条件.如果没有下 武徽:粮食动态连续定量装车关键技术的研究/年第期缓冲斗的使用,待到溜槽进入车厢上部开始卸料,见图(a),第秤料无法把车厢前部填满,动态装车过程内秤料是无法卸料完毕的,而且物料偏载会非常严重.当配套上下缓冲斗之后,见图(b),车厢进入溜槽下方前会有秤料准备,而这秤料在溜槽向车厢开始卸料后可以把车厢前部填满,保证粮食在车厢前部的分布,同时保证动态装车过程中能够完成秤粮食的卸料,粮食分布合理,利用溜槽下唇实现粮面刮平.由此不难看出,需要在散料秤下设置容积不小于散料秤容积的下缓冲斗,保证散料秤称量好的物料提前流入缓冲斗,进而散料秤进入下一次称量程序,秤粮食的提前准备保证装车的连续性.(a)无下缓冲斗(b)配备下缓冲斗图基于下缓冲斗的装车模式 动态装车时序与工艺实现重点以L 散粮专用车为研究对象.L 载重 t,装货口采用 mm的矩形口.车辆长度为 mm,有效容积为 m.L 型粮食漏斗车主要用于在标准轨距铁路上运输玉米、小麦、大豆等散粒粮食货物,满足大型粮库等自动化装卸作业的要求.以L 编组为例,时序图见图.图L 装车时序图动态连续装车过程的工艺流程如下:()公铁车牵引空车到发放塔料斗秤下方装车武徽:粮食动态连续定量装车关键技术的研究/年第期 位.在轨道衡上配备有车号识别系统,车号识别系统可对散粮专用车的型号进行识别,并将识别结果发送至控制系统.()控制系统读取车号识别的结果,匹配数据得到车辆载重信息,称重系统根据该信息开始配料,在散料车厢未运行到位情况下完成秤配料置于下缓冲斗中,秤配料置于散料秤中.()散粮车厢运行到位后,装车系统根据车型、粮食品种、容重、载重量等有关参数,计算装车溜槽下探高度,溜槽自动下降至设定高度后开启闸门开始装粮作业,在完成准备好的秤粮食入车后,随着车辆行进,完成后续秤粮食的配仓和卸料的循环作业.装车过程中车辆无须停留,管内始终保持满料状态,车辆运行过程中溜槽底部兼具粮面刮平功能,装载到设定吨位后,关闭卸料闸门,溜槽提起至车厢外,准备下一节车皮的装车作业.()上述工序循环进行,直到最后一节空车装载结束.装车散粮堆积形态的控制为保证在动态装车过程中,粮食堆积形态不偏载,满足铁路运输的需要,基于D EM对动态装车过程中的散粮堆积形态进行了研究.以L 粮食专用车装大豆物料为例建立D EM分析模型,大豆颗粒采用椭球形,平均直径 mm,堆密度为 t/m.为同时适应L /L 装料口尺寸,装车溜槽下口设计为 mm,设溜槽伸入车厢深度为 mm.列车启动,匀速向前运动,称重仓下闸门开启后,物料经装车溜槽进入车厢,由于车厢初始状态为空,物料下落速度较快,通过之前准备好的次称量的物料一次卸料,完成车厢前部的填充.待后续物料充满溜槽后,在溜槽刮平作用下完成连续装车,对L 专列装车时,由于L 装料口是一个连续矩形口,装车溜槽伸入车厢后,列车可连续运动.闸门开启后的物料堆积状态如图所示,物料完全充满溜槽,车厢内已装粮食 t,此后列车以 m/s的速度向前运行,物料在溜槽的刮平作用下向后运动完成连续装车.图溜槽伸入车厢 mm的D EM仿真对比装车完成后车厢前部和后部的物料重量可发现,车厢前后物料相差 t,这与装车溜槽伸入车厢的深度密切相关.修改溜槽末端伸入车厢的深度为 、mm,重新进行计算,车厢完成装车后的前后物料差如表所示.表溜槽伸入深度与车厢前后物料差对比分析表溜槽伸入深度H/mm前半物料重量/t后半物料重量/t前后物料差/t 随着溜槽伸入车厢深度的增加,完成装车时物料在车厢内前后偏差由正偏差向负偏差转变,并不断增大,在伸入 mm左右时,车厢前后物料偏差较小,此时车厢装载达到均匀,因此可通过控制溜槽伸入车厢深度接近 mm来保证车厢装载均匀,装车后的效果如图所示.图溜槽伸入车厢 mm装车效果图通过仿真可以发现,当车速稳定的情况下,物料的堆积主要由溜槽伸入车厢深度以及粮食种类决定.因此在系统实际实施时要考虑两个方面:一个是溜槽的位置控制必须精准,因此选择了基于液压驱动的伺服控制系统,控制精度能保证在c m.武徽:粮食动态连续定量装车关键技术的研究/年第期第二个是在实际的装车过程中,应当根据车厢类型、粮食种类建立知识库.通过自动调用参数,实现散粮堆积形态的控制.动态连续定量装车的控制通过研究车厢位置检测技术,基于非连续累计原理的自动称量技术,多个层次的卸料设备自动控制技术,实现了从高精度定重称量配料到向车厢卸料全系列工艺流程的自动控制.自动配仓控制火车发放控制系统以下一节待装车厢的额定标载作为控制目标,以称重仪表实数值为控制依据,通过控制缓冲料位下的闸门达到快速精确配料的目的.以L 为例,其目标值为 t.通过之前的时序分析可知,需要通过次称量过程完成非连续累计自动秤的计算.系统通过分析计算出,平均每次的称量重量为 t.散料秤的进料闸门有个,为A和B.个闸门均可在自身的中间位停止,也就是说闸门可以开一半.这样通过闸门逐步关闭的方式,配料过程从粗配逐步向精配过度,最终逼近目标值.如图所示.几种组合分别为个全开、个全开个半开、个全关个全开、个全关个半开、全部关闭.实际的称量值为在散料秤物料最高点取值,减去散粮秤闸门关闭后的值.闸门组合变化的节点成为P r e V a l u e值(闸门关闭的提前量)数值可调,可根据配料时间和精度要求进行适当调试.为了保证最终非连续累计值与目标值的误差在可接受范围内,最后仓的配料并不是按照 t的目标值进行的,而是总的目标值减去前次称重的和,这样保证了非连续累计结果的精度.图配仓控制策略图 自动卸料控制通过之前分析可知,在散料秤下方增加了一个带有可控闸门的下缓冲斗.多设备的出现,要求在卸料过程中有一套成熟的卸料算法.卸料的过程中,主要涉及个层次的设备(图),最基础的是对车皮位移的测量层.以此测量值为基础,对其他设备的动作产生影响.然后是溜槽的控制、下缓冲仓的闸门、以及散料秤的配料控制.因此,最基础的是要把车厢位移检测好.图四个层次的连续装车控制算法对于行进中的车厢,在车厢一侧安装了激光雷达传感器进行检测.通过将检测结果转化后可以得到车辆与溜槽的相对位移LS u m.受现场条件所限,单个雷达传感器的位置与车厢距离较近,不能覆盖足够大的范围,所以多个传感器组网形式进行测量,按照所需测量的范围传感器组构成需要个.这里主要测量为L 系列粮食专用车,车厢长度一般在 m左右,假设以个传感器为一组进行测量.每个传感器测量的长度是其个边界点角度t a n值加减后与H值的乘积(图)(终止角起始角为和,为差),LAH(t a n t a n),测量总成为LS u mLALB.以LS u m作为自变量,即可对其他设备产生控制逻辑.首先是对溜槽控制的影响.当车皮移动到溜槽下方时,溜槽自动下降至车皮内,保证卸料全部在车皮内.同时下缓冲闸门打开,将散粮卸入到车厢武徽:粮食动态连续定量装车关键技术的研究/年第期 中去.当次计量的散粮全部落入到车皮中去后,缓冲闸门关闭.溜槽因为在卸料过程中除了作为落粮的通道外,还有一个平粮的作用,所以其在车皮的尾部为防止撞伤车皮提升.图激光雷达组粮食专用车位移测量于第层散粮秤的控制,根据设备的结构和工艺的要求,散料秤中的物料是卸入到下缓冲斗去的.再通过下缓冲斗卸载至车厢中去.那么在散料秤配仓及卸料过程中必须要考虑一定的逻辑关系,防止物料卸错车厢,造成计量值与实际值的偏差.具体实施的逻辑策略包括:()下缓冲斗的卸料闸门是在车厢与溜槽的相对位置合适后,开启卸料过程的,开启后的下缓冲斗闸门直到该车的所有料都卸入到车厢内后关闭;()当前车厢的散料秤中的第斗物料是在下缓冲斗内所有物料都已经卸入到前一节车后才允许卸入下缓冲斗,散料秤中的后几斗的物料在前斗物料完成计量后,依次进行配料、称重、卸料的过程;()当下缓冲斗中的物料减少到一个阈值下时,后几斗的物料允许逐次卸入到下缓冲斗中去.防止当物料来不及卸入到车厢时,会在下缓冲斗中产生堆积.此时如果向下缓冲斗卸料,有可能造成散料秤在秤内的物料未放光的情况下关闭放料闸板进行计量.小结火车粮食装车系统在实际使用过程中,称量精准,稳定可靠,保证了动态连续的装车过程.作为横向比较,以粮食运输发达的美国为例.美国常用的粮食专用车载重为 t级,因其单节载重量大,单节车厢中静态装车占一定比例对整体生产 速 度 影 响 不 大.我 国 最 大 的 粮 食 专 用 车 是L ,载重 t,降低静态装车占比对平均生产速度的提高有着重要的作用.通过表得到,动态连续装车的平均生产速度已经超过美国某粮商.在装车精度上,按照美国国家标准及技术协会N I S T相关粮食装载的标准,计量准确度为 级.动态连续定量装车配备了 级计量准确度的散料秤,计量准确度等级已经高于美国相关标准.动态连续定量装车对提高粮食转运效率贡献巨大.表动态连续装车与美国铁路装车效率对比项目美国ME N S F I E L D动态连续定量装车平均生产速度/th 粮食专用车载重/t 装车效率/节h 静态装车占比/计量准确度 级 级 参考文献钱煜昊,王晨,王金秋中国粮食物流体系现代化建设策略J西北 农 林 科 技 大 学 学 报(社 会 科 学 版),():姜永顺散粮火车单溜槽无驻车装车工艺要点J粮食与饲料工业,():马飞散粮无人化自动装车关键技术的研究和应用J现代食品,():武徽基于激光雷达组测量的全自动卸料系统研究J煤矿机电,():N a t i o n a l i n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g yh a n d b o o k e d i t i o n,s p e c i f i c a t i o n s,t o l e r a n c e s,a n do t h e rt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s f o rw e i g h i n ga n dm e a s u r i n gd e v i c e sS W a s h i n g t o nD C:U S D e p a r t m e n to fC o mm e r c e,(责任编辑:梅竹)