推式悬挂输送系统电动停放器的技术改进
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摘要：推式悬挂输送系统是邮件综合自动处理最常用、最关键的设备之一，而遍布于架空轨道的停放器则对整个系统运行发挥着重要作用。本文概要介绍了北京综合邮件处理中心推式悬挂输送系统的工艺流程及配置，并重点介绍了系统大量使用的电动停放器相关技术问题研究与改进成果。
关键词：推式悬挂输送系统、停放器、技术改进
推式悬挂输送系统简称“推挂系统”，是邮件综合自动处理最常用、最关键的设备之一，具有以邮袋为单位的邮件挂袋、输送、储存、开拆、跨区调拨等功能。遍布于架空轨道的停放器是推挂系统中数量最大的关键设备，用于实现载运邮袋的夹钳小车在储存和输送轨道上的定点停放，起到“阀门”作用，其稳定工作对整个推挂系统运行至关重要。
停放器一般分为气动和电动两种，特点各异。电动停放器结构相对简单，不需要气源和供气管线，单向吸合施力，回程依靠弹簧反力。气动停放器安装简单，动作稳定，可以双向施力，保持时无需能耗，在邮件自动处理领域使用最为普遍。北京邮件综合处理中心的推挂系统要求全部使用以电磁铁为动力的电动停放器，在调试过程发现停放器动作疲软、邮袋摆动时释放困难、频繁动作发热等问题，对邮件正常处理产生很大影响。通过对停放器系统技术进行改进，相关问题——得到解决，从2013年7月试投产至今效果良好。
本文首先概要介绍了北京综合邮件处理中心推式悬挂输送系统丁艺流程及配置，接着重点介绍了系统大量使用的电动停放器相关技术问题研究与改进成果。
一、推接系统概述与停放器的分布
北京综合邮件处理中心推挂系统分布在北区，东西长180米，南北宽72米，面积13000平方米，架空安装在距地面6米的空中，输送和储存的邮袋由夹钳小车夹持，悬挂在空中。该系统由18条链组成3套推挂系统，是全国规模最大、储存输送线路最复杂的推挂系统。图1为北京邮件综合处理中心推挂系统局部工艺流程图，图2为推挂系统储存区一角。
，
3套推挂系统分别用于处理干线进口包件邮袋、出口快包、挂刷邮袋和出口普包邮袋。邮袋接收后按邮件种类分区挂袋、储存和开拆。
推挂系统具备开拆区应急调用相邻储存区邮袋的功能，在调用相邻储存区邮袋时，屏蔽本储存区邮袋，保证储存区与开拆区的唯一对应关系；接收推挂系统在邮袋调配环节需按照先挂袋先开拆、开拆供袋均衡分配以及储存量最大化三个原则综合考虑。开拆供袋采用“出1补1”方式，各开拆区每小时供袋不小于900袋，在使用的开拆区各开拆轨内均衡分配。
停放器在空钳储存区、短储存区、长储存区和开拆区大量分布，总数多达750台，按其实现的功能划分，有挂袋点、交接轨、储存轨、空钳轨和开拆轨几种类型。停放器的主要功能是实现挂有邮袋的夹钳小车定点停放；按控制信息及时释放邮袋，使邮袋准时进入运行主链空推头位或下一道流程。这些部位停放器动作的可靠性，对邮袋能否同步进入主链空推头位起决定性作用，同时也关系到邮袋输送效率及其他技术指标的实现。
推式悬挂邮件处理系统技术参数如下：
·系统效率：
单线输送效率：≥900袋/小时
每个挂袋点效率：≥900袋/小时
·钳小车的掉袋率：≤0.5%
·窄袋有效释袋率：≥99.9%
·夹钳小车的掉钳率：≤0.1%
·入轨、出轨差错率：≤0.2%
·停放器不释放率：≤0.1%
·设备噪音：
驱动装置噪声：≤75dB（A）
开拆升降机：≤72dB（A）
牵引链运行部分：≤70dB（A）
道岔、停放器、释袋器：≤80dB（A）
二、停放器的结构与技术参数
电动停放器主要由十字轮、控制轮、机架壳体、电磁铁等零部件组成。结构件以铸钢为主，采用半敞开形式，产品一致性好，维护方便。驱动器件采用螺管式直流电磁铁，电磁铁是停放器的核心动力部件。停放器的工作可靠与否直接影响系统各项技术指标，停放器内外部结构分别如图3（a）和（h）所示。停放器应动作灵敏可靠、无异常声响、无卡阻现象。对应一个放行信号，十字轮转动90°，释放一个夹钳小车（邮袋）。停放器还应具有单向白锁能力，在冲击载荷作用下，能可靠的停放沿轨道下滑的载运邮袋的夹钳小车，不得出现小车定位不准或过冲现象。主要技术参数如下：
·停放器不释放率：≤0.1%
·电磁铁初吸力：20mm-150N
·电磁铁终吸力：0mm-450N
·工作电压：DC 24V
·工作电流：5.7A
·工作方式：间隔，通电率60%
·直流电阻：4.2Ω
三、停放器技术问题研究与改进
1 电磁铁吸力不足与提升措施
（1）结构特点
电动停放器的动力来自直流电磁铁或交流电磁铁。直流电磁铁工作电流恒定，不会因铁芯卡住而变大，安全性好，使用寿命较长，但初始吸力小。交流电磁铁初始吸力较大，且整个吸合过程吸力变化不大，但当动铁芯卡阻时易烧坏。本项目全部采用螺管式直流电磁铁，其型号为MQ80120，外形尺寸φ81.5x120mm，工作电压24V。图4是电磁铁结构剖面图，电磁吸合力随气隙减小迅速增大，初始吸合时气隙δ1最大，初始吸力F1较小。
（2）直流电磁铁存在的问题
①初始吸力较小。初始吸力13kg，正常工作够用，由于富裕度较小，对外载异常波动容忍度差，同时因动铁芯工作时受到的外力沿轴线摆动，造成动铁芯与定铁芯之间产生摩擦，摩擦阻力增大了电磁铁的负荷。
②电磁铁频繁工作时发热严重，发热后吸力下降，一次释放不出夹钳小车就反复吸合，造成电磁铁持续发热，进入恶性循环。
③邮袋小车滑入停放器后前后摆动，对停放器形成周期性外载荷波动，且峰谷荷载方向相反。当停放器电磁铁要动作释放夹钳小车时，如恰遇邮袋向后摆，通过夹钳小车给电磁铁一个很大的反向阻力，使电磁铁工作起来很吃力，导致停放器不能释放邮袋。
针对以上问题，通过专题研究、必要的实验和实际验证，摸索出了一套有效的整改措施，下面做出详细论述。
（3）直流电磁铁相关问题研究与改进
①采用阶梯驱动电源提升初始吸力。
为了有效提高电磁铁的初始吸力，在供电磁钬的24V恒斥电源后加阶梯驱动电源（或称差压驱动）模块，由阶梯驱动电源向电磁铁供电。具体做法是将原来24V电源的输出调整为18V，再接上DC/DC分路电压转换模块，DC/DC每一路都是先36V瞬间供电150ms，使电磁铁吸合，然后自动切换到18V电压保持，电压切换过程是连续不间断的，图5是电磁铁的差压供电曲线，图6为改进后的电磁铁供电电源，图7是存储示波器记录下的停放器实际工作电压、电流波形图及技术参数。每一路同一时间向一个电磁铁供电。经过反复试验得出的结果是，直接使用24V电源的初始吸力为130N，使用36V阶梯电源后的初始吸力平均值为180N。提升吸力38%，实现了“启动力补偿”的作用。电磁铁初始高压36V的吸合时间只有150ms，长时间保持电压为低压18V，从能耗方面看，电磁铁长时间工作在18V电源下，与24V供电相比节能效果明显。
以上电压切换完全由新增阶梯电源模块自动完成，PLC控制不变，主电源不变，总的改制成本较低。如果是新上马工程项目，可直接将稳压源做成差压驱动。
②电磁铁频繁工作时发热问题的解决。
在电源改进前，连续测试不到两小时，电磁铁发烫吸合无力，不能正常工作。
改用差压驱动电源后，电磁铁吸合后保持电压为18V，不仅节能，相对24V供电时的发热问题得到解决，其温升≤5℃，甲方验收时按检测大纲要求，动作频率900次，小时，8小时连续压力测试，性能稳定。
2 邮袋前后摆动释袋困难问题的治理
几十年来，推式悬挂输送系统中的停放器一直使用图8（a）红线框内所示的简单止退机构，该止退机构寄生在停放器上，位于小车轨上方。当携邮袋的夹钳小车快速下滑进入停放器十字轮，小车轮受到阻挡停止，但下部邮袋因惯性作用前后摆动，造成小车轮在止退机构P点和十字轮的轮翼Q点之间来回撞击，如图8（h）所示。当停放器释放邮袋时，恰遇邮袋向后摆时一般都释放不了。常规的做法是等待后来滑入的邮袋挤住前面摆动的邮袋后再动作，或多延时，待邮袋摆幅较小时再释放。不管哪种方法，都会明显降低输送效率。通过对储存轨出口停放器进行专门测试，其单袋一次释袋率只有55%。
针对这一疑难问题，研制出一种能有效治理夹钳小车摆动的止摆机构，图9（a）红线框内为新研制的止摆机构，工作原理如下；
止摆机构安装在小车轨道下部，小车沿轨道下滑时“弹性齿”被压下，小车一过，弹性齿在复位弹簧作用下立即弹起，邮袋后摆时弹性齿对小车吊杆起到杠杆支点作用，使小车轮由原来向后挤压十字轮的轮翼变为向前。防摆机构与原来止退机构原理相仿，其本质区别是安装位置改在小车轨道下方后，不管邮袋向前或向后摆动，小车轮始终都是向前挤压十字轮翼Q点，只要停放器电磁铁动作，即可轻易释放出夹钳小车。这一重大改进彻底改善了停放器的受力结构，既可止退义可将向后摆动的反力转化为向前的驱动夹钳小车的力，图9（b）说明止摆机构的作用效果。安装了新的止摆机构后，原止退机构自然失效。
3 释放出的夹钳小车倒退回停放器的问题
为了提高交接轨处邮袋的输送效率，要求交接轨停放器能够“进一出一”，即进入停放器一袋及时释放出一袋，这种单袋释放偶尔会因邮袋前后摆动，造成停放器释放出的邮袋本应向前同步进入主链，却因向后摆动的邮袋拖拉，将夹钳小车又拖进停放器内，出现同步差错。经过对夹持邮袋的夹钳小车运动规律观察分析，结合停放器内部实际结构，我们在控制轮上加装棘轮，壳体上加棘爪，如图10所示。该棘轮棘爪机构保证了控制轮以及与它同轴的十字轮只能单向转动，有效防止释放出的邮袋小车又退回停放器的问题。
4 电磁铁固定架材质对吸合力的影响
电磁铁固定架的材质对吸合力有较大影响。我们对MQ30120型电磁铁进行试验，驱动电压24V，电磁铁固定架选取导磁材料Q235钢板和非导磁YL铝板两种材料进行对比试验，两种固定板大小及厚度完全相同，结果如表1。
试验结果表明，固定架为非导磁材料铝板时的初始吸力比导磁材料钢板大，吸力平均提高11%。主要原因是面积较大的导磁材料固定架，短路掉部分磁通，增大了漏磁造成吸力减小。一般固定架材料选用非导磁材料，如奥氏体不锈钢板（如1Cr18Ni9）或铝板效果较好。当电磁铁固定架面积较小或吸力有较大富裕度时，也可不计吸力损耗，使用加工工艺性较好的Q235普通钢板。
另外，固定架刚性要好，在电磁铁工作时不应抖动，改进后的固定架如图11所示，较图10的固定架刚性明显提高；电磁铁安装要正，使轴线与吸合力方向一致，否则动铁芯与定铁芯会产生额外摩擦阻力，时间久了甚至会磨穿定铁芯内套。
5 停放器控制电路的保护
停放器的动力源是电磁铁，电磁铁的电感量L很大，其自感电动势对继电器触点的危害不可忽视。自感电动势公式如下：
E=L（di/dr）
式中，E-自感电动势
L-电磁铁线圈自感系数
di/dt-电流变化率
电磁铁线圈在通断电瞬间产生的自感电动势远高于电源电压，并通过供电回路施加于继电器触点两端，在继电器触点闭合和断开的瞬间产生强烈电弧，会导致触点“电蚀”损坏，如周围有可燃性气体甚至还会引起爆炸。
通过在电磁铁线圈两端并联压敏电阻的方法实现消弧，图12为保护电路原理图，RV为压敏电阻，L为电磁铁电感，断电瞬间的自感电动势通过压敏电阻钳位至U1ma，使继电器触点受到保护，图13为压敏电阻伏安特性。压敏电阻选用MY系列，标称电压U1ma=（13-2.6）倍工作电压，使用阶梯电源时工作电压取18V，不用阶梯电源时为24V，这样就得出使用阶梯电源时压敏电阻的U1ma在24-47V之间取值，不使用阶梯电源时的U1ma在31-63V之间选取，统一取值为45V。压敏电阻直接并联在电磁铁引出线两端。除压敏电阻外，灭弧元件也可采用稳压二极管串电阻的方式替代，两者功效相同，但压敏电阻连接方便。
6 其他问题研究
本案例电磁铁为动力驱动装置，电磁铁吸力大些工作可靠性高。所以，电磁铁供电导线截面确定时主要考虑线路压降对电磁铁吸力的影响，而不是以导线承受电流能力确定截面积。MQ80120型电磁铁线圈直流电阻4.2Ω（导线截面积2.5mm2），供电导线截面应在3—5mm2。供电线路越长，导线截面积就越大，保证线路压降不大于1V。如导线截面3mm2，供电线路单程长25米，线路压降就有1.6V，这时就应加大导线截面积。
电磁铁长久工作会产生剩磁，剩磁与吸合力方向一致，对吸合有利。但剩磁大了会影响停放器释放速度，日常维护应注意观察。简单的检验方法是抽出铁芯，看是否能吸回形针等微小铁件。现场解决的易行方法是调换电源正负极，若要求很高，可发回厂家做消磁处理。
电磁铁动铁芯往复运动应注意减少摩擦阻力，对于动铁芯带导向的螺管型电磁铁，可定期在导向机构处加少量脂。本项目选用无独立导向机构的MQ80120型电磁铁，在动铁芯和定铁芯之间涂少量脂，电磁铁动作效果明显改善，为了长期保持效果，防止尘土进入动定铁芯间的缝隙，专门制作了密封垫和密封盖，可长期保持效果良好。其他运动零部件之间也要注意定期，并经常保养，使停放器处于最佳运行状态。