高寒地区煤炭装车防冻液喷洒方案设计与应用

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摘要：本文介绍了北方高寒地区煤炭装车防冻液喷洒的改进方案设计及其应用情况。

关键词：煤炭；防冻；PLC；控制系统；喷嘴

中图分类号：F407.21文献标识码： A

1概述

近年来随着煤炭生产的机械化、自动化程度不断调高，高寒矿区煤炭生产规模和生产能力的扩大，其运输能力也大幅度增加，而原有的装车防冻剂喷洒系统，尤其是防冻剂喷洒机构，设施简陋、控制系统灵敏度差，喷洒极不均匀，造成防冻剂消耗量大，而车皮防冻效果却不理想。

2现有设备的不足

根据现场实地考察，主要问题如下：

1）喷洒机构简陋。现有的防冻剂喷洒机构，喷嘴距离轨面高度约为3.60～3.80m，不具备升降功能，无法根据车皮型号自动控制升降，喷嘴距离车厢底部较高，无法保证防冻剂均匀地喷洒在车厢内，造成喷洒不均匀，遗留死角。

2）防冻剂喷洒机构设在室外，经常受到室外风的影响，当风速较大时，防冻剂被风吹至车厢外，无法保证喷洒均匀的同时，也浪费了大量的防冻剂。

3）防冻剂喷洒系统控制用电磁阀，采用国产设备，故障率高，泄漏量大，灵敏度差，不仅影响防冻剂的喷洒效果，而且也造成大量的防冻剂流失。

4）控制系统采用红外线探测仪，经常受到现场恶略环境的影响，造成不动作和误动作。而且故障率很高，基本上没有投入运行。

5）由于控制系统的不完善，防冻剂喷洒基本上采用手动控制方式，增加了操作工人的劳动强度。其次受到人为因素的影响，很难达到理想的喷洒效果。在车档连接处，也不能保证喷洒系统的快速关停。

6）现有的防冻剂喷嘴质量较差。由于缺少防冻剂专用喷嘴，现有的防冻剂喷洒系统采用空调系统的Y-1型喷嘴代替，造成防冻剂喷洒量、雾化效果等均无法控制。

7）现有的防冻剂泵，缺少变频和压力稳定装置，无法根据喷洒系统的需要自动调整压力，防冻剂喷洒量也无法控制。

3、喷洒装置的改进方案

3.1、执行机构的改进

通过缩短喷头与车底与侧壁的距离，提高喷洒均匀性，同时减少防冻剂的用量并降低风力对喷洒的影响（结构示意图见图3.1）。

改进方案描述如下，对现有喷洒装置摆臂增加旋转架，旋转架上加装雾化喷嘴。旋转架通过伺服电机驱动可绕摆臂旋转，伺服电机由PLC控制，通过程序控制器其旋转。火车行进至车皮与车皮过渡段时，伺服电机在PLC的控制线带动旋转架迅速旋转进入下节车皮，继续喷洒。

该方案使用了旋转的结构可使喷头深入车厢内部针对侧壁和地板进行喷洒，相对过去的喷洒装置大幅缩短了喷头到车皮侧壁及地板的喷洒距离（由原来的3.132米以上降低1米以内），可在有效提高喷洒均匀性的同时降低防冻液的使用量。

通过旋转可在不影响喷洒的同时避免火车车皮将喷洒机构损坏，造成不必要的损失。在其控制喷洒过程中，通过定位传感器来对喷洒机构进行多方位的定位，并将定位信号传送给PLC，通过PLC的输出控制，使喷洒机构可在车皮内部通过旋转灵活地完成角度变换，从而可对车皮内部进行全方位的喷洒。使车皮内部每个表面都能均匀覆盖上防冻液。在火车的连接处不需要进行喷洒，为了节省防冻液，采用的超声波传感器和红外传感器双重定位，通过控制起到保护喷洒机构的作用同时解决不浪费防冻液的问题。

图3.1现有喷洒方式的改进

3.2、控制系统的设计

控制系统的设计目标是列车运行(1~3 km/h)过程中准确识别车厢位置，并控制旋转架带动喷头迅速达到工作位置，开始喷洒。保证防冻液快速、均匀地喷洒在空车厢内的5 个表面上，其喷洒流量及速度均可自动调节，保证了喷洒均匀稳定的效果，同时考虑到防冻液在选煤厂的生产成本中占有不小比例，通过控制系统设计使防冻液的喷洒在降低使用量的同时提高均匀性及附着性，降低企业的生产成本。通过对传感器信号进行分析，实现喷洒装置的自动控制，降低工人劳动强度（控制系统原理图如下）。

图3.2控制系统原理图

3.3、喷嘴的改进

3.3.1、喷嘴的选择

在防冻液的喷洒中，喷嘴是执行机构的最终环节，在很大程度上决定了喷洒的效果。常用的喷嘴的基本形状如下图。

图3.3喷嘴的类型

图中圆锥状喷嘴是应用最广泛的一种，防冻液经喷嘴喷出后以圆锥面形式展开，也有形成中空的圆锥状展开。扇状喷嘴是喷嘴尖端形成一个窄缝，使液体呈扇形展开，被喷洒表面为平面状时采用这种喷嘴能获得很好的效果。棒状喷嘴是使流体呈棒状的喷嘴，这种方式多针对狭缝间隙进行喷洒。放射状喷嘴是中空球形，在球面上有许多细孔，使防冻液呈发射状喷射。

喷嘴喷出的防冻剂雾化颗粒在空中靠惯性力飞向待留滞表面，其速度为0是，将在重力作用下落向地面。可理论计算出在不同压力下，雾化颗粒的初始速度。

其中为喷雾压力； 为被喷洒介质密度；为喷头出口速度。

本方案的喷洒执行机构可深入车厢内部针对车皮侧壁及地板进行喷洒，最大程度上减少风力对喷洒的影响。同时采用锥形雾化喷嘴，既能提高喷洒的均匀性又能最大程度的节省防冻液的用量。

3.3.2、静电喷洒

针对锥形雾化喷嘴进一步改进，应用静电喷洒技术使喷嘴具有正的或负的静电并使喷嘴喷出的雾滴带有和喷嘴极性相同或相异的电荷。根据静电感应原理，地面上的目标表面将引起和喷嘴极性相反的电荷。如果喷嘴具有负的高压，就会使目标表面引起正电荷。并在两者之间形成静电场。由于雾滴带有和喷嘴极性相同的电荷，会受到喷嘴同性电荷的排斥，在目标表面异性电荷的吸引下，雾滴受电场力推动将沿着电力线向目标运移，电力线分布于目标的各个部位， 从而使雾滴向目标的各个位置沉积。因此，静电喷雾的雾滴不仅能吸附到目标的正面，而且能吸附到目标的背面和隐蔽部位。

实际应用的静电喷洒方式主要分为3种：接触充电、感应充电和电晕充电。

静电喷雾在向目标运动过程中，受到静电力、重力、空气浮力和惯性力等作用。其中，对雾滴沉降起主要作用的是静电力和重力。雾滴所受静电力包括两方面的力。首先是带电雾滴相互之间存在的电场力，其次是喷头电极与目标物之间的电场力对雾滴运动起决定作用的电场力，正是由于这个电场力，使得雾滴朝目标定向移动。只不过是使雾滴之间造成斥力，不致使雾滴相互碰撞而聚凝。静电力就能对这些粒子的运动起支配作用，表现为，也就是说，只要雾滴足够小，静电力便可控制雾滴的运动， 使得雾滴朝目标定向移动。

图3.4静电喷头

带电雾滴向目标运动过程中，受到静电力、重力、空气浮力和惯性力等作用。其中，对雾滴沉降起主要作用的是静电力F和重力G。雾滴所受静电力包括两方面的力。第一是带电雾滴相互之间存在的电场力F1（N），第二是喷头电极与目标物之间的电场力F2（N），

F1＝qE1；F2＝qE2

式中E1为带电雾滴相互之间的电场强度（N/c）；

E2为喷头电极与目标物之间的电场强度（V/m 或N/c）；

Q为雾滴的带电量，一般很小，为10-13 级。由于E2＞＞E1，故

F2＞＞F1

对雾滴运动起决定作用的电场力是F2，正是由于这个电场力，使得雾滴朝目标定向移动。F1只不过是使雾滴之间造成斥力，不致使雾滴相互碰撞而聚凝。

忽略F1，则带电雾滴向目标物沉降过程中主要受到静电力F2和重力G。这2 个力作用的结果是：若G＞＞F2，则雾滴降落在地面上的比例增大；若F2/G＞1，则雾滴具有一定的沉降速度。宏观世界里，虽然静电力作用很小，但随着带电粒子质量的减少，较小的静电力就能对这些粒子的运动起支配作用，表现为F2/G＞1，也就是说，只要雾滴足够小，静电力便可控制雾滴的运动， 使得雾滴朝目标定向移动。

由于静电力的作用，可减少防冻液的飘洒损失，提高喷洒的均匀性。在喷洒机构中引入静电喷洒还可以提高防冻液的附着性，进而增加防冻液的留滞性，防止防冻液沿车皮侧壁及底板流失。

3.4、喷洒机构的防撞安全措施

3.4.1、控制系统的防撞措施

喷洒控制系统通过设置多个定位传感器来对喷洒机构进行多方位的定位，将定位信号传送给PLC，通过PLC的输出控制，使喷洒机构可在车皮内部通过旋转迅速灵活地完成角度变换，保证对车皮内部进行全方位的喷洒的同时避免发生碰撞，造成损坏。采用的超声波传感器和红外传感器及接触式开关多重定位，通过控制起到保护喷洒机构的作用同时解决不浪费防冻液的问题。

3.4.2、防撞结构

如果控制系统突遇故障不能控制深入车厢内部的旋转架恢复到平衡位置，此时旋转架与车皮发生碰撞，旋转架由于其旋转特性，可在推力的作用下自动恢复到平衡位置。可避免与车皮发生挤压，从而造成车皮或喷洒机构的破坏。

图3.5防碰撞示意图

3.4.3、防撞材料的应用

在采取以上安全措施的同时，将喷嘴安装在车皮行进方向的同侧，避免碰撞对喷头造成损坏。旋转架本身采用防撞的橡胶材质，在可能与车皮发证碰撞的部位增加防撞边条。在极端情况下如果发生碰撞，防撞边条可缓冲碰撞力，橡胶材质本身也可通过弹性形变避免碰撞有可能造成的损伤。既能保证不损伤车皮也保护了喷洒装置，旋转架及防撞边条设计如下图。

图3.6橡胶材质的旋转架及防撞边条

3.4.4、安全脱离装置

旋转架在伺服电机的驱动下绕悬臂旋转，旋转架与悬臂使用可脱离设计，通过计算和试验在一定的力作用下，旋转架能够脱离悬臂。如车皮未清理彻底致使有突出车皮的树枝或其他杂物缠绕在旋转架上不能脱离且拉力超过设定的安全范围时，旋转架可与悬臂脱离，有效保证生产安全。

4总结

以上方案已被国内高寒地区矿务局采纳，现已通过实验验证进入生产装备阶段。随着设备的投入使用将进一步提高我国高寒地区煤炭装车防冻液喷洒的装备水平。

作者简介：潘世奇（1980-），男，河南省平顶山人，工程师，2004年毕业于郑州大学机械工程及自动化专业，现就职于北京华宇工程有限公司 选煤工程二所机制室室主任，主要从事于选煤厂设计。

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