黄骅港全自动多用途翻车机系统研发

马　磊

神华黄骅港务有限责任公司



黄骅港全自动多用途翻车机系统研发

马磊

神华黄骅港务有限责任公司

针对我国煤炭港口自动给料、精度定位难度大、钩头摘挂完全依赖人力和定位车自适应能力差等难点，提出了一种全自动多用途翻车系统，开发了包括料位检测、自动给料控制方法、自动摘挂钩装置、自动寻钩方法、自适应双臂定位车系统等关键技术，实现了翻车系统的全自动自适应作业模式。

漏斗自动给料； 定位车运动控制； 自动钩头摘挂； 定位车自适应

1　前言

长期以来，国内煤炭港口翻车机领域一直未实现全自动作业方式，生产过程中多处要人为干预，造成生产连贯性降低，效率低下，劳动力成本增加。通过调研发现，煤炭港口的翻车系统控制虽然有了长足发展，但在自动给料、精确定位、自适应等关键技术上仍存在重大难点[1-3]，主要表现在下面4个方面。

(1)自动给料难度大。首先，翻车机漏斗在大粉尘、水汽、振动等恶劣环境中工作，造成料位检测非常困难，只能依靠观察，准确性差、人力资源浪费严重。其次，翻车机有5个漏斗，每个漏斗的物料高度差异较大，且综合流量反馈存在大滞后、非线性等控制难点，很难实现稳定、准确给料，只能通过人员指挥手动调节漏斗流量，造成效率低下，流量起伏较大。

(2)精度定位难度大。在定位车牵引重载火车时，由于火车惯量大，列车长度较长，存在滞后性间歇冲击，高速后的定位经常出现漂移问题，造成自动作业中断，生产效率降低。

(3)钩头摘挂完全依赖人力。在以往翻卸摘钩车型时，首节定位时需要人工指挥，翻车前需要摘钩人员手动摘卸车钩，翻车后需要人为将车钩扶正，因此造成了翻车机不能完全自动作业，同时也增加了劳动力成本，并造成摘正钩人员工作环境恶劣，影响其身体健康。

(4)定位车自适应能力差。当前的翻车系统只能接卸摘钩车或者卸旋转钩车一种车型，不能同时适应摘钩车和旋转钩车，从而降低了生产的灵活性，每次调整翻卸车型都要花费至少3天时间，人力物力浪费严重，造成了生产延误。

鉴于以上问题，我港经过5年的研究探索，将生产工艺需求和技术创新相融合，攻破了生产工艺流程中的一系列重大难关,开发出全自动多用途翻车系统并应用于企业生产和行业工程建设。

2　研发内容

2.1翻车机作业环节

翻车机作业包括定位车牵引重车进入翻车机，翻车机翻转翻车将煤炭卸到漏斗，推车机将空车退出，漏斗进行自动给料等4个关键环节，如图1所示。

图1　翻车机翻卸作业

2.2漏斗自动给料

开发了料位的检测装置，提出了一种综合物料类型自识别、料位平衡控制、滞后预估处理的自动给料控制方法，突破了稳定、准确、高效的自动给料瓶颈。

(1)针对现有翻车机漏斗料位检测技术的空白，开发了一种可轻松穿透煤尘和水雾，不影响设备、维护人员安全并能精确稳定检测翻车机漏斗料位高度的检测装置，同时设计了自动冲洗装置，可以自动检测并清理作业中的煤尘粘附，解决了恶劣环境下料位检测的重大难题，从而代替人工观察，为漏斗的自动给料控制提供了数据支撑。

(2)针对翻车系统接卸物料种类繁多、密度不同的问题，提出了一种自动给料系统物料种类自识别方法。该方法根据放大系数函数来确定物料种类，能够对不同的物料进行不同的处理，使自动给料过程更加准确。利用开始给料的前3 s时间，通过对输入输出的周期采样计算，自动计算出本系统的动态放大倍数，同时解决煤种识别问题和非线性放大问题。

(3)提出了一种料位平衡控制方法。该方法可以在保证总流量稳定的前提下建立动态数学模型、确定放大系数函数、获取目标流量函数以及对目标流量函数进行预估处理，实现对每个漏斗的目标振动频率的确定，从而能够更加准确地达到目标流量，并能够对各个漏斗的物料流量进行单独调整，在保障整个作业过程的安全性的同时，提高给料效率，实现自动给料。

翻车机有5个给料漏斗，每个漏斗下方有1台振动给料机(每台振动给料机由2台凸轮电机驱动)，通过振动给料机的振动将漏斗里的物料振动到皮带机上进行输送。凸轮电机的振动速度是由系统PLC控制变频器的输出频率来调节的。通过5个漏斗同时给料，在皮带机上形成料流，皮带机出口的皮带秤用来反馈实际料流的流量[1]。

2.3定位车运动控制

针对火车惯性冲击强、稳定性差、定位精度差等缺点，提出了综合加速曲线、减速曲线、最大速度、最小速度4速比较的速度控制方法，在大惯量的火车负载下实现平稳启动、调速、制动，实现毫米级精准定位。

(1)加速阶段。采用下式进行速度计算：

(1)

式中，Vup为加速即时速度；V0为初始速度；a为加速度；t为加速时间。

(2)减速阶段。在定位车逐渐接近目标位置时，定位车必须逐渐减速直至停止。由于定位车的速度的实际输出值与给定值存在误差，所以这个阶段不能像加速阶段那样使用与时间相关的控制方式，必须使用与到达目标位置相差的距离相关的控制方式。可用以下公式来确定定位车的即时速度：

(2)

式中，Vdown为减速即时速度，因为到达目标位置定位车必须停止，所以V0为0；a为定位车减速时的加速度值；s为定位车现在的位置到目标位置的距离,则Vdown为2as的开方值。但在实际运行中，很可能发生定位车正在加速时，距离目标位置已经很近，定位车必须减速的情况[2]。

2.4自动钩头摘挂

(1)针对定位车在首次接车时，无法辨识火车停止位的问题，提出了一种车辆位置确定方法。PLC根据从多个光检测单元接收到的电信号以及相关数学算法，能够自动识别出车辆位置，进而根据识别的车辆位置控制定位车的落臂接钩操作，完全实现定位车的自动化作业[3]。

(2)开发了一种火车车钩开启装置。设计了驱动机构、主被动滑块、锁定机构、运动转换机构和提销杆等机械设备；开发了能自动将车钩打开的PLC程序，代替了摘钩员提销作业，免除摘钩员的安全隐患，同时可以缩短工作流程，提高工作效率。

(3)针对摘钩车在翻车机翻转过程中由于车钩重力作用造成车钩偏移，翻车机归零后需人工正钩方可接车的问题，开发了一种自动扶钩装置，在翻车机翻转过程中，正钩板通过传动机构使得动作件处于扶正位置，顶住翻车系统要翻转的火车车厢的火车车钩，以防止火车车钩在翻转过程中偏移，从而无需人工进行车钩扶正操作，节约人力成本并提高作业的效率和安全性。

2.5定位车自适应

针对多种车型的接车作业，需通过机械调整定位车车钩以适应不同车型的问题， 研究一种能够适应摘钩车和非摘钩车的双臂定位车，定位车具有四连杆式俯仰臂和伸缩臂，通过车型识别，自动切换对应大臂进行接车作业，从而提高定位车的适应能力，节省设备改造时间。

在车体头部采用四连杆俯仰式，普通钩头，用于接卸摘钩车，在车体尾部安装一套齿条缸驱动的伸缩臂装置，采用接卸旋转钩头车专用钩头，用于接卸不摘钩车。定位车可以根据所对应的车型自动调整大臂模式，进行在线切换，自适应作业。

3　结语

本项目开发了一种全自动多用途翻车系统。该系统包括料位检测装置、自动给料控制系统、运动控制系统、自动摘钩、挂钩、寻钩系统以及自适应双臂定位车。自动给料系统代替了人工手动给料，定位控制系统实现了毫米级精确定位，自动摘钩、正钩、寻钩系统代替了摘钩员、正钩员的人力操作，自适应双臂定位实现了不同的车型的在线切换，最终实现翻车系统的全自动自适应作业模式。

[1]李靖宇，董传博，李长安. 翻车机全自动给料系统的设计与实现[J]. 神华科技. 2010(4)：85-88.

[2]李靖宇. 利用plc对定位车进行运动控制[J]. 港口装卸. 2009(1)：36-37.

[3]李长安. 推车机正钩板设计[J]. 港口装卸. 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

马磊： 061113，河北省沧州市渤海新区神华小区10号楼