CN108750718B - 一种旋转三斗式快速定量装车方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转三斗式快速定量装车方法，所述方法包括：启动；A斗配料；B斗配料；C斗配料，A、B斗卸料，并判断装车是否结束；C斗卸料，结束装车。本发明所述的装置通过使用缓慢旋转的三瓣料斗，形成了三个在同一平面上即是缓冲仓也是定量仓的三个料斗。由于料斗的缓慢旋转，省去了入料口上设置的三岔分料器，皮带机的出料口直接对准料斗，使装车站的高度进一步降低，大大的节约了工程费用。所述的方法通过模型模拟和实验，优化装车过程，使装车更加平稳均匀，即可以装载汽车也可以连续装载运行的列车，是一种低成本高效率的装车方法。

Description

一种旋转三斗式快速定量装车方法

技术领域

本发明涉及一种旋转三斗式快速定量装车方法，是一种计量和装载方法，是一种大宗散装物料的自动化装车方法，是一种应用于煤炭、矿石、粮食等大宗散装物料自动化装车的方法。

背景技术

传统的装车站通常有两层：缓冲仓和定量仓。这种设置使装车站的高度过高，建造费用急剧增加。为解决装车站高度过高的问题，2005年提出了一种只有单层的装车站及装车方法（见中国专利ZL2005100750969，公开日：2006年2月13日）。这种单层装车站和装车方法在一个平面上设置多个即是缓冲仓也是定量仓的料斗，各个料斗交替工作达到了即可以缓冲又能够定量称重的效果。经过多年的实践，单层装车站和装车方法使装车站主体结构的建造费用大大降低，确实起到了良好的效果，但也发现了一些问题。为装卸物料方便，单层装车站各个料斗的物料进出口必须统一在一起，限于这个约束条件，料斗的平面布置比较困难，通常情况下只能布置两个料斗，再增加料斗就会出现交替料斗的时间拖延，降低了装车效率，同时出现入料分岔管过高、皮带机和卸料溜槽难于布置等问题。由于两个料斗交替卸料，中间有一段间断，使装车很难达到均匀。这个问题对于连续装车的列车尤为突出，会使一节车厢上装车的物料出现两个明显分开的堆积，这是列车装车所无法容忍的，这也是现有单层装车站在列车装车上无法推广的重要原因。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种旋转三斗式快速定量装车方法。所述的方法在平面上布置三个120度形成截面为圆形的料斗，在缓慢的转动中不断的交替装料、称重和卸料，经过优化的装料和卸料时间，实现了均匀装车并提高了装车的效率。

本发明的目的是这样实现的：一种旋转三斗式快速定量装车方法，所述方法所使用的装车站包括：皮带机、安装在固定框架上的三个能够一起缓慢旋转的扇形的料斗、下缓冲斗、装车溜槽，所述的三个料斗分别设有称重传感器和卸料闸门；

所述方法的装车过程步骤如下：

步骤1，启动：开启皮带机，使皮带机上的物料开始落入一个扇形料斗中；落入物料的扇形料斗的称重传感器感知有物料进入，并通知装车控制器，装车控制器将落入物料的扇形料斗定为A斗，并按旋转方向将另外两个料斗分别确定为B斗和C斗，同时调整A斗相对于皮带机头溜槽落料口的位置，使皮带机机头溜槽落料口对准A斗的旋转方向开始侧；

步骤2，A斗配料：皮带机启动开始供料，待物料开始进入A斗后，三个料斗启动开始缓慢旋转，在三个料斗共同旋转120°角的过程中，A斗逐渐充满，当三个料斗旋转120°角后，A斗配料结束；

步骤3，B斗配料：待三个料斗旋转进入第二个120°角时，B斗进入配料位置开始装载物料，同时A斗进入称重状态，以完成A斗内物料准确称重并记录其数值；

步骤4，C斗配料，A、B斗卸料，并判断装车是否结束：待三个料斗旋转进入第三个120度角时，B斗进入称量，C斗开始配料并称重；在C斗配料的同时，判断该车厢是否为装车序列的最后一个车厢；在C斗装载配料和称重过程中，A斗和B斗内的物料均已完成称重，此时，装车车厢的前端达到装车溜槽的出口下端，打开A斗和B斗的卸料闸门，两个斗内物料进入下缓冲斗，并通过装车溜槽开始装车，在卸料过程中，控制B斗的卸料流速低于A斗的卸料流速；

步骤5，C斗卸料：当A斗与B斗内的物料接近卸空时，C斗完成配料和称重，根据已经下放的A斗和B斗物料重量和该车厢待装车重量计算出C斗需要下放的物料重量，并开启C斗卸料闸门，利用减量控制原理卸出C斗需要下放的物料，保证该车厢的装车重量与计划值一致；根据步骤4判断是否为装车序列的最后一个车厢的结果，如果是则进入步骤6，如果否则回到步骤2，三个料斗进入下一轮的配料、称重和卸料；

步骤6，结束装车：当第4步骤判断当前装车的车厢是最后一节车厢时，皮带机对C斗配料完成后就停止运行，当C斗卸料完成后就停止三个料斗的旋转，装车过程结束。

进一步的，所述的装车过程采取匀速装车的方式：装车车辆以规定的匀速前进通过装车站，三个料斗以规定的匀速运转配料和卸料，皮带机以匀速向三个料斗输料。

进一步的，所述的装车过程采取根据车速变化调整装车方式：检测装车车辆通过装车站的运行车速，以车速确定料斗的转速，再以料斗的转速确定皮带机的输料量。

本发明产生的有益效果是：本发明所述的装置通过使用缓慢旋转的三瓣料斗，形成了三个在同一平面上即是缓冲仓也是定量仓的三个料斗。由于料斗的缓慢旋转，省去了入料口上设置的三岔分料器，皮带机的出料口直接对准料斗，使装车站的高度进一步降低，大大的节约了工程费用。所述的方法通过模型模拟和实验，优化装车过程，使装车更加平稳均匀，即可以装载汽车也可以连续装载运行的列车，是一种低成本高效率的装车方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法所使用的装车站的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述方法所述使用的三个料斗的截面示意图；

图3是本发明的实施例一所述的方法的三个料斗的工作过程时序图；

图4是本发明实施例一所述方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种旋转三斗式快速定量装车方法，所述方法所使用的装车站包括：皮带机及皮带机溜槽1、安装在固定框架2上的三个能够一起缓慢旋转的扇形的料斗3、下缓冲斗4、装车溜槽5，装车溜槽下方为装车的车厢6，所述的三个扇形的料斗分别设有称重传感器和卸料闸门7，结构如图1所示。

本实施例中的装车站与传统的装车站最大的区别在于，使用一层料斗，料斗都在一个平面上。在一个平面上布置三个料斗，这三个料斗的水平截面形状做成三个120度扇形，如图2所示，其中所标注的A、B、C三个料斗是示意性的，在实际过程中可以调换。整个装车站使用控制器对整个装车过程进行控制。

本实施例的基本思路是，以三个料斗分别进行配料、称重和卸料，在这一过程中三个料斗一起旋转，分别处于不同的位置并完成不同的工作。值得说明的是，这三个料斗不是在三个位置上进行三种不同的工作，即：一个位置配料、一个位置称重、一个位置卸料。经过计算机模拟和实验，这样三个位置的分别工作无法达到均匀装车的要求。经过计算机模拟和缩小模型的实验，本实施例形成一种特殊的工作方式：先装满两个料斗，在第三个料斗称重时，装满物料的两个料斗同时卸料，当两个料斗卸料完成后，第三个料斗再开始卸料，利用两个料斗充分的料源和第三料斗的良好衔接，达到均匀装车的目的。

旋转三斗式快速定量装车方法，缺少了顶部的缓冲仓，皮带来料直接进入称重仓称重，要想满足快速装车的需要，需要对单斗的配料时间、旋转时间、卸料时间进行分析计算和精确控制。用离散单元法（Discrete Element Method，简称DEM）进行计算机模拟：以皮带机4500t/h的发运能力，装载煤炭的C80列车车厢一节，装车时间规定为65秒左右为调节进行装车模拟，这一装车过程通过图3的时序图表示，图中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为装车要素，即：料斗A、料斗B、料斗C和车厢。由于图幅大小的限制，图3中只画出了三个料斗旋转3圈和装一车半的过程，其余过程能够从前面的过程中类推出。

从图3中可以看到，三个料斗的装车时间是互相衔接的，三个料斗旋转一圈的时间为66秒，这66秒中为三个料斗的上口掠过皮带机的溜槽出口，不断的配料。各料斗的配料时间均为22秒，三个料斗正好为66秒，称重时间均为5秒，卸料时间：A斗为7秒，料流速4吨/秒，B斗为12秒，料流速为2.2吨/秒，C斗10秒，料流速为3吨/秒。A斗以最快的料流速卸料，以保证初始的料流充分，之后的两个料斗卸料则相对缓慢，以保证稳定料流。

由于煤炭物料在快速定量装车过程中呈现出散体特征，其物理性质介于固体和液体之间，从单个颗粒的角度来说，它是固体，而多个颗粒形成的集合体又显示出流体的性态，具有流动性，能在一定范围内能保持其形状，因此，在进行煤炭物料流动性分析时可采用离散单元法。

离散单元法的基本原理是将散体看作具有一定形状和质量的离散质元集合，根据牛顿第二定律建立每个质元的运动方程，利用动态松驰法迭代求解，从而获得散体的整体运动形态。当各个质元之间的平均不平衡力趋于零时，散体呈现出稳定堆积状态。

离散元理论的动力学方程如下：

其中，M _i 是单元i的质量；v _i 一般为单元i质心的速度矢量；表示与单元i “接触”的某单元j对单元i的“接触力”，它可以分解成i与j间接触线（面）的法向力和切向力之和，即；为单元i所受的其他外力；b _i 为单元i的体力；I _i 为单元i的转动惯量；ω _i 为单元i的角速度；r _ij 为单元j作用于单元j的作用点到j形心的距离；为旋转弹簧产生的力矩；为外力矩。

利用离散单元法建立物料在装卸载过程中的流动堆积模型，模拟计算物料在旋转三斗中的堆积流动状态，计算单斗物料的配仓时间（27t物料大约需要22s），闸门开启卸空时间需要10s（根据离散单元模型计算获得），如果第二斗配料的同时开启第一斗的闸门，物料卸空时第二斗配料还未完成，会出现10s断流，此时车厢还会向前移动造成装车不均匀，根据DEM模型计算，第一斗配料和称重完毕后不能立即开闸门卸料，需等待至少15s或者等待第二斗配料完成后再开始卸料装车，此时完成称重的第二斗也可以同时开启闸门，满足连续装车需求。

本实施例中，三个料斗在配料、称重和卸料的过程中不间断的旋转，并保持基本恒定的旋转速度，即便是调整旋转速度，其变化也不大，尽量保持匀速转动。料斗不断旋转的好处在于，避免料斗的启动和停止所造成的转动惯量的变化所引起的电机的启动停止消耗大量的能源。因为，三个料斗通常情况下要装载大约100吨左右的物料，而使100吨左右的物体启动或停止都要消耗大量的能源。而使100吨左右的物体保持匀速或接近匀速的旋转，就能够节省启停所消耗的能源。

本实施例的装车过程可以有两种方式：

一种是匀速装车方式，装车的车辆以规定的匀速前进，通过装车站，三个料斗以规定的匀速运转配料和卸料，皮带机以匀速向三个料斗输料。匀速装车方式是一种简单的控制，无需信息反馈，只要车辆、料斗和皮带机的速度控制得适当，就能够达到良好的效果。

但在一些情况下，装车车辆的运行不太容易控制得十分稳定，总有一些差别，因此，就有了第二种根据车速变化而自动调整的装车方式。设置车速传感器、检测三个料斗旋转的增量传感器，皮带机的驱动电机和三个料斗旋转的驱动电机都使用变频控制电机。首先检测车速，以车速确定料斗的转速，再以料斗的转速确定皮带机的输料量。这样可以在一定范围内，装车车辆的运行速度有所变化，装车量也有所变化，实现闭环控制。

所述方法的装车过程步骤如下，流程如图4所示：

步骤1，启动：开启皮带机，使皮带机上的物料开始落入一个扇形料斗中；落入物料的扇形料斗的称重传感器感知有物料进入，并通知装车控制器，装车控制器将落入物料的扇形料斗定为A斗，并按旋转方向将另外两个料斗分别确定为B斗和C斗，同时调整A斗相对于皮带机头溜槽落料口的位置，使皮带机机头溜槽落料口对准A斗的旋转方向开始侧；

本步骤相当于多数自动化设备的归零，即控制系统与机械系统进行归零操作，使控制系统能够确定机械系统状态，并将这一状态确定为整个系统的启动原点。在本步骤中，首先启动皮带机，将一部分物料卸入料斗中，这时控制系统并不知道皮带机的出料溜槽对准的是哪一个料斗，所以先试着将一小部分物料卸出，这时肯定有至少一个料斗的称重传感器发出物料进入的信号，也可能有两个料斗的称重传感器发出信号，这当然是皮带机的出料溜槽正好在两个料斗之间。不论是一个还是两个料斗的称重传感器发出信号，控制器已经确定了机械系统的状态，这时只要调整皮带机的出料溜槽与料斗的相对位置即可。皮带机的出料溜槽与料斗的相对位置是指皮带机的出料溜槽应对准料斗的初始一边，所谓的初始一边是指料斗在旋转时最先与皮带机出料溜槽接触的一边。由于料斗在输料过程中不断旋转，为使入料时间充分，皮带机的出料溜槽要在料斗刚开始进入皮带机入料范围内即开始向料斗输料，因此，在装车站启动时，要将皮带机的出料溜槽对准一个料斗的起始边，这样才能对该斗留有充分的装料时间。

本步骤中确定A、B、C三个料斗的名称只是为了叙述方便，也为了编制程序时的方便，在实际中任何一个料斗都可以被确定为A、B、C斗，也可以用任何易于区别的符号代替A、B、C作为料斗的代称。

步骤2，A斗配料：皮带机启动开始供料，待物料开始进入A斗后，三个料斗启动开始缓慢旋转，在三个料斗共同旋转120°角的过程中，A斗逐渐充满，当三个料斗旋转120°角后，A斗配料结束；

本实施例中，整个配料、称重和卸料的过程，三个料斗都在不停旋转，皮带机也不停的输送物料。当装车站开始运行的时候，以皮带机溜槽的出料口所对准的那个料斗为初始，然后依次对三个料斗进行装料，也就是三个料斗每转过120度，经过皮带机溜槽出料口的料斗，在进行装料，其装料量与料斗的旋转速度和皮带机的输送物料的速度有关。在本步骤中，三个料斗的旋转从初始到进入第120度角之间的一段时间内，A斗的上口掠过皮带机溜槽的出料口，实现了A斗的装料。

步骤3，B斗配料：待三个料斗旋转进入第二个120°角时，B斗进入配料位置开始装载物料，同时A斗进入称重状态，以完成A斗内物料准确称重并记录其数值；

在本步骤中，三个料斗旋转在120度到240度的一段时间内，B斗的上口开始掠过皮带机溜槽的出料口，实现B斗的装料。在B斗装料的同时，A斗称重。由于称重的时间很短，很快即完成，因此，A斗多数时间处于卸料待命状态。称重和卸料待命状态可以认为是一种准静态，所谓准静态是指料斗中物料的重量不发生变化，物料既不增加也不减少，而不是料斗是否运动这样的静态，这时三个料斗还是在不断的转动。

步骤4，C斗配料，A、B斗卸料，并判断装车是否结束：待三个料斗旋转进入第三个120度角时，B斗进入称量，C斗开始配料并称重；在C斗配料的同时，判断该车厢是否为装车序列的最后一个车厢；在C斗装载配料和称重过程中，A斗和B斗内的物料均已完成称重，此时，装车车厢的前端达到装车溜槽的出口下端，打开A斗和B斗的卸料闸门，两个斗内物料进入下缓冲斗，并通过装车溜槽开始装车，在卸料过程中，控制B斗的卸料流速低于A斗的卸料流速；

当三个料斗旋转进入240度到360度的一段时间内，皮带机溜槽出口掠过C斗的上口，C斗开始配料，B斗配料结束，称重，进入准静态。这时A斗和B斗中已经有了充分的物料，做好了卸料的准备。如果是列车装车，这时列车的第一个车厢的前端应当达到了装车溜槽的出口处，A斗和B斗的卸料闸门打开，物料经过下缓冲斗和装车溜槽进入车厢。A斗和B斗的卸料闸门可以同时打开，或者A斗的卸料闸门先打开，B斗的卸料闸门延时一段时间打开。

在C斗配料的同时需要判断后面还有没有车厢需要装载。当被装载的车辆是列车时这一步骤尤其重要，如果判断后面还有车厢需要装载，就在C斗卸料之后使皮带机和三斗旋转继续运行，也就是继续装车过程，如果后面没有车厢需要装载了，在C斗配料结束后就要停止皮带机运行，之后在C斗卸料后再停止三斗旋转。

在通常情况下，将A斗和B斗的装料量设定为超过一个车厢1/3的装料量，在A斗和B斗卸料的过程中给出了C斗装料和称重的充分时间，A斗和B斗卸料还没有完成时，C斗已经完成配料和称重。这样，当A斗和B斗还没有完成卸料但已接近卸料完成时，C斗就可以打开卸料闸门，向下缓冲斗中卸料了，这样就可以保证装车溜槽的出口一直保持稳定的卸料流，使整个车厢上的物料堆积呈现平整的状态。

为保证卸料流在装车溜槽出口处的整体稳定，A斗和B斗的卸料过程中，控制A斗和B斗以不同的流速卸料，A斗以最大的流速尽快卸料，而B斗则以较缓的流速卸料，这样就可以在装车溜槽的出口处保持稳定的卸料流速，不至于产生两个料斗卸料出现的衔接问题。卸料的不同流速可以使用两个卸料闸门打开的程度上的差异进行了控制，虽然两个闸门是同时打开的，但打开的程度不同，就可以产生不同的卸料流速。

步骤5，C斗卸料：当A斗与B斗内的物料接近卸空时，C斗完成配料和称重，根据已经下放的A斗和B斗物料重量和该车厢待装车重量计算出C斗需要下放的物料重量，并开启C斗卸料闸门，利用减量控制原理卸出C斗需要下放的物料，保证该车厢的装车重量与计划值一致；根据步骤4判断是否为装车序列的最后一个车厢的结果，如果是则停止皮带机运转，待C斗卸料达到计划值之后停止三斗旋转，结束装车过程；如果否则回到步骤2，进入下一轮的装车称重。

本步骤是三个斗转过一圈后进入下一圈时的初始阶段。这时A斗的上口已经开始掠过皮带机溜槽的出口，如果继续装车，皮带机就继续输料，如果不再继续装车，皮带机就停止了。

C斗卸料闸门的开启应在B斗卸料接近尾声时，这样可以保证装车溜槽出口处的物料流稳定在一个水平，使装车的堆积均匀。

如果步骤4中判断后面还有车厢需要装车，皮带机和三个斗还有继续运行，如前所述，C斗卸料时，A斗的上口已经掠过皮带机溜槽的出口，如果皮带机还在输料，那么A斗就处于配料状态，这样就开始了下一个循环，如此往复，实现连续快速定量装车。

步骤6，结束装车：当第4步骤判断当前装车的车厢是最后一节车厢时，皮带机对C斗配料完成后就停止运行，当C斗卸料完成后就停止三个料斗的旋转，装车过程结束。

实施例二：

本实施例是实施例一个改进，是实施例一关于装车过程的细化。本实施例所述的装车过程采取匀速装车的方式：装车车辆以规定的匀速前进通过装车站，三个料斗以规定的匀速运转配料和卸料，皮带机以匀速向三个料斗输料。

本实施例的装车方式是一种开环过程，不做反馈，使用时序控制。只要物料供应稳定，就能够达到良好的装车效果。

实施例三：

本实施例是实施例一个改进，是实施例一关于装车过程的细化。本实施例所述的装车过程采取根据车速变化调整装车方式：检测装车车辆通过装车站的运行车速，以车速确定料斗的转速，再以料斗的转速确定皮带机的输料量。

本实施例所使用的装车站需要安装多个传感器，以及调速设备。如在固定框架上设置车速传感器，旋转架上设置增量传感器。同时将驱动三个料斗旋转的驱动电机和皮带机的驱动电机设置为变频电机。并将这些设施与装车控制器连接在一起，以便控制。

其过程为：首先检测装车车辆通过装车站的运行速度，以装车车辆的运行速度确定安装三个料斗的旋转架的转速，再通过旋转架的转速确定入料的速度，以确定皮带机的输料量。这样的控制能够将装车量控制得更加精确，以致提高装车速度。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如装车站的形式和具体结构、装车的车辆类型、时间控制的过程、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种旋转三斗式快速定量装车方法，所述方法所使用的装车站包括：皮带机、安装在固定框架上的三个能够一起缓慢旋转的扇形的料斗、下缓冲斗、装车溜槽，所述的三个料斗分别设有称重传感器和卸料闸门；

其特征在于，所述方法的装车过程步骤如下：

步骤1，启动：开启皮带机，使皮带机上的物料开始落入一个扇形料斗中；落入物料的扇形料斗的称重传感器感知有物料进入，并通知装车控制器，装车控制器将落入物料的扇形料斗定为A斗，并按旋转方向将另外两个料斗分别确定为B斗和C斗，同时调整A斗相对于皮带机头溜槽落料口的位置，使皮带机机头溜槽落料口对准A斗的旋转方向开始侧，所述的旋转方向开始侧是指料斗在旋转时最先与皮带机出料溜槽接触的一边；

步骤2，A斗配料：皮带机启动开始供料，待物料开始进入A斗后，三个料斗启动开始缓慢旋转，在三个料斗共同旋转120°角的过程中，A斗逐渐充满，当三个料斗旋转120°角后，A斗配料结束；

步骤3，B斗配料：待三个料斗旋转进入第二个120°角时，B斗进入配料位置开始装载物料，同时A斗进入称重状态，以完成A斗内物料准确称重并记录其数值；

步骤4，C斗配料，A、B斗卸料，并判断装车是否结束：待三个料斗旋转进入第三个120度角时，B斗进入称量，C斗开始配料并称重；在C斗配料的同时，判断当前装车的车厢是否为装车序列的最后一个车厢；在C斗装载配料和称重过程中，A斗和B斗内的物料均已完成称重，此时，当前装车的车厢的前端达到装车溜槽的出口下端，打开A斗和B斗的卸料闸门，两个斗内物料进入下缓冲斗，并通过装车溜槽开始装车，在卸料过程中，控制B斗的卸料流速低于A斗的卸料流速；

步骤5，C斗卸料：当A斗与B斗内的物料接近卸空时，C斗完成配料和称重，根据已经下放的A斗和B斗物料重量和当前装车的车厢待装车重量计算出C斗需要下放的物料重量，并开启C斗卸料闸门，利用减量控制原理卸出C斗需要下放的物料，保证当前装车的车厢的装车重量与计划值一致；根据步骤4判断是否为装车序列的最后一个车厢的结果，如果是则进入步骤6，如果否则回到步骤2，三个料斗进入下一轮的配料、称重和卸料；

步骤6，结束装车：当第4步骤判断当前装车的车厢是最后一节车厢时，皮带机对C斗配料完成后就停止运行，当C斗卸料完成后就停止三个料斗的旋转，装车过程结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的装车过程采取匀速装车的方式：装车车辆以规定的匀速前进通过装车站，三个料斗以规定的匀速运转配料和卸料，皮带机以匀速向三个料斗输料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的装车过程采取根据车速变化调整装车方式：检测装车车辆通过装车站的运行车速，以车速确定料斗的转速，再以料斗的转速确定皮带机的输料量。