C型翻車機(jī)保護(hù)功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

茍 兵，史大龍

（酒鋼集團(tuán)宏興股份公司儲運(yùn)部，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

翻車機(jī)（也叫鐵路貨車翻卸機(jī)）是指用于鐵路大宗散裝物料運(yùn)輸列車卸車的設(shè)備，具有卸車效率高、機(jī)體龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種非常專業(yè)化的物料卸料系統(tǒng)，在鋼廠和電廠中應(yīng)用較為廣泛[1]。酒鋼集團(tuán)儲運(yùn)部共有9臺翻車機(jī)，承擔(dān)著酒鋼集團(tuán)本部球團(tuán)礦、鐵精礦、動力煤、石灰石等物料的翻卸作業(yè)任務(wù)，其中5臺是C型翻車機(jī)，4臺是CHF-2型側(cè)傾式翻車機(jī)。

C型翻車機(jī)和側(cè)傾式翻車機(jī)系統(tǒng)均由翻車機(jī)和重車調(diào)車機(jī)（簡稱重調(diào)機(jī)）兩部分組成[2]，翻車機(jī)負(fù)責(zé)車皮翻卸作業(yè)，重調(diào)機(jī)負(fù)責(zé)將車皮牽引到翻車機(jī)平臺上的指定位置。這兩種翻車機(jī)的區(qū)別在于翻車機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，C型翻車機(jī)采用“C”型端盤，結(jié)構(gòu)輕巧，采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行壓車和靠車；側(cè)傾式翻車機(jī)采用機(jī)械壓車、靠車，無液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和元件相對于C型翻車機(jī)相對簡單。這兩種翻車機(jī)都是采用PLC控制，系統(tǒng)具有集中手動和就地手動操作方式，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)翻車機(jī)、重調(diào)機(jī)各機(jī)構(gòu)的位置信號、壓力信號、電氣保護(hù)信號及操作信號組成聯(lián)鎖邏輯控制程序，具有很高的自動化程度。當(dāng)作業(yè)流程中某個信號出現(xiàn)異常時，控制邏輯條件不足，程序立即中斷停機(jī)，待故障排除信號恢復(fù)正常后才能繼續(xù)執(zhí)行程序控制。PLC控制程序顯示的各類信號可以輔助操作人員判斷各機(jī)構(gòu)是否運(yùn)行正常，文章以電氣控制系統(tǒng)較為復(fù)雜、聯(lián)鎖保護(hù)功能較多的C型翻車機(jī)進(jìn)行論述。

PLC控制程序中的主要信號有電機(jī)過載、0°、15°、150°、165°、正翻終點(diǎn)、回翻終點(diǎn)、壓車壓力、松壓到位、靠車到位、松靠到位、進(jìn)車端保護(hù)、出車端保護(hù)、抬臂到位、落臂到位、前鉤開到位、前鉤合到位、后鉤開到位、后鉤合到位、接車/牽車終端限位。這些信號靠變頻器、主令開關(guān)、接近開關(guān)、壓力傳感器等電氣元件輸入到PLC控制系統(tǒng)中參與聯(lián)鎖控制。在日常運(yùn)行過程中，這些信號會出現(xiàn)一些“假信號”。例如，主令開關(guān)在對軌不齊的情況下發(fā)出0°信號、進(jìn)車端和出車端保護(hù)開關(guān)在車皮溜車時發(fā)出正常信號、壓車鉤結(jié)冰時壓力傳感器會檢測到符合要求的壓力值，這些狀態(tài)下翻車機(jī)和車皮的實(shí)際位置和狀態(tài)不滿足動作條件，不能進(jìn)行操作。但是出現(xiàn)這些故障時開關(guān)仍然會向PLC輸入一個“假的正常信號”，如果這個時候不經(jīng)確認(rèn)就進(jìn)行操作就很容易出現(xiàn)重大設(shè)備故障和人身安全事故。

1 翻車機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

從進(jìn)車端看翻車機(jī)的各機(jī)構(gòu)依次是：夾輪器機(jī)構(gòu)、重調(diào)機(jī)、翻車機(jī)本體、出車端止擋器[3]。翻車機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 翻車機(jī)系統(tǒng)主要設(shè)備布置圖

1.1.1 夾輪器

夾輪器用來夾緊車皮，防止鐵路配車和生產(chǎn)過程中車皮溜車[4]。夾輪器由2組夾板組成，尺寸為3.05 m×2.6 m。夾輪器的動作靠安裝2個同步動作的液壓缸進(jìn)行，夾緊到位和松開到位靠安裝在夾板下方的接近開關(guān)進(jìn)行檢測。

1.1.2 翻車機(jī)

翻車機(jī)用來將車皮內(nèi)的物料翻卸到礦槽內(nèi)。該機(jī)由壓車機(jī)構(gòu)、靠車機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成，翻車前8個壓車鉤落下壓緊車皮，再進(jìn)行靠車操作。壓車、松壓、靠車、松靠操作均靠電磁閥進(jìn)行控制。

1.1.3 重調(diào)機(jī)

重調(diào)機(jī)主要用來牽引車皮到達(dá)指定位置。重調(diào)機(jī)由行走機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)組成，牽車時大臂落下后鉤與重車鉤頭相連，前鉤與空車鉤頭相連。鉤頭內(nèi)安裝有鉤舌進(jìn)行鎖定，車皮到達(dá)位置后進(jìn)行提銷操作使鉤頭脫離，所有的行走、抬臂、落臂、提銷操作均靠電磁閥進(jìn)行控制。

1.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場電氣系統(tǒng)2部分組成，主要包含PLC控制柜、操作臺、翻車機(jī)控制柜、重調(diào)機(jī)控制柜、就地操作箱等。集中手動方式是常用生產(chǎn)操作方式，在操作臺操作；就地手動方式是檢修調(diào)試操作方式，分別在翻車機(jī)和重調(diào)機(jī)的就地操作箱上操作，2種操作方式均通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.2.1 PLC控制系統(tǒng)

C型翻車機(jī)PLC控制系統(tǒng)采用的是昆騰140系列PLC。系統(tǒng)主要構(gòu)成是在G01控制柜設(shè)置1個主站，在G02控制柜和T01操作臺分別設(shè)置1個從站；采用5組16槽機(jī)架，16通道開關(guān)量輸入模塊24個，16通道開關(guān)量輸出模塊23個。詳細(xì)情況如下：電源模塊：型號140CPS11420，數(shù)量5個，為每組模塊提供電源；CPU模塊：型號140CPU11303，數(shù)量1個，運(yùn)行PLC控制程序；遠(yuǎn)程I/O主通信模塊：型號140CRP93100，數(shù)量2個；遠(yuǎn)程I/O從通信模塊：型號140CRA93100，數(shù)量2個；以太網(wǎng)模塊：型號140NOE77101，數(shù)量1個，與上位機(jī)通信；開關(guān)量輸入模塊：型號140DAI74000，數(shù)量24個，共384個通道，用于接收按鈕、變頻器、接近開關(guān)、熱過載繼電器等電氣元件發(fā)出的信號；開關(guān)量輸出模塊：型號140DAO84210，數(shù)量23個，共368個通道，用于向指示燈、變頻器、接觸器發(fā)出控制信號。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.2 現(xiàn)場電氣系統(tǒng)

現(xiàn)場電氣系統(tǒng)由斷路器、接觸器、變頻器、熱繼電器、主令控制器、電機(jī)、聲光報(bào)警器、接近開關(guān)、限位開關(guān)、電磁閥等組成。

翻車機(jī)由1臺6SE7033-7EG60變頻器驅(qū)動2臺YZP280M-4 75 kW電機(jī)；重調(diào)機(jī)由1臺6SE7036-0EK60變頻器驅(qū)動4臺YZP315S1-8 63 kW電機(jī)，變頻器采用多段速度調(diào)速控制。

PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)場電氣系統(tǒng)的連接示意圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)場電氣系統(tǒng)的連接示意

2 翻車機(jī)主要作業(yè)流程和保護(hù)信號

2.1 作業(yè)流程

2.1.1 翻車機(jī)作業(yè)流程

重調(diào)機(jī)牽引重車到達(dá)翻車機(jī)本體后，開始壓車（壓車到位）→靠車（靠車到位）→正翻（重調(diào)機(jī)不在翻車區(qū)域、進(jìn)車端和出車端無異常、允許翻車指示燈亮）→回翻→0°→松靠（松靠到位）→松壓（松壓到位）→重調(diào)機(jī)重新牽引重車。

2.1.2 重調(diào)機(jī)作業(yè)流程

停車落臂處→落臂（落臂到位）→接車（后鉤開到位、夾軌器松到位）→牽車（后鉤合到位、翻車機(jī)0°、松壓到位、松靠到位）→人工摘鉤（四計(jì)軸、整列到位）→單車到位（提后鉤、后鉤開到位）→前行到位（開前鉤）→回退到位（抬臂、抬臂到位，翻車機(jī)翻車）→回退接車。

2.2 夾輪器信號

夾緊到位信號：人工摘鉤后夾緊進(jìn)車端重車，防止溜車。

松夾到位信號：重調(diào)機(jī)接車前夾輪器打開，松夾信號是接車的必要條件。

2.3 翻車機(jī)本體信號

壓車到位信號：在重梁側(cè)和輕梁側(cè)8個壓車鉤液壓缸上安裝傳感器檢測液壓油路的壓力值，8個傳感器檢測的壓力都達(dá)到設(shè)定值時輸出到位信號，8個壓車鉤到位信號全有效時認(rèn)為壓車梁壓車到位。

靠車到位信號：靠棚板垂直安裝，液壓缸推動靠棚板水平移動靠在車皮上，接近開關(guān)檢測靠棚板到位后關(guān)閉電磁閥，停止靠車。壓車到位和靠車到位信號有效時允許翻車。

松靠到位信號：接近開關(guān)檢測靠棚板縮回到位后，關(guān)閉電磁閥。

松壓到位信號：在重梁側(cè)和輕梁側(cè)頂部各安裝4個接近開關(guān)檢測壓車梁抬起到位情況，8個接近開關(guān)全部檢測到鉤頭升起到位后，電磁閥關(guān)閉。松靠到位、松壓到位信號有效時允許牽車。

進(jìn)車、出車端保護(hù)信號：分別在翻車機(jī)的進(jìn)車端和出車端安裝檢測開關(guān)，翻車前檢測開關(guān)被車皮遮擋時不允許翻車，防止車皮出現(xiàn)溜車和牽車不到位的情況下進(jìn)行翻車，出現(xiàn)車皮脫線事故。

主令控制器角度信號：主要有正翻終點(diǎn)、回翻終點(diǎn)、0°、15°、150°、165°翻車機(jī)位置檢測信號，PLC程序根據(jù)角度信號控制翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)動作和輸出加減速指令。

極限限位：正翻極限、回翻極限安裝在翻車機(jī)的正翻和回翻運(yùn)行的極限位置處，防止翻車機(jī)因制動器失效或減速不及時超出允許的運(yùn)轉(zhuǎn)行程。這兩個開關(guān)動作會造成翻車機(jī)主斷路器跳閘且整機(jī)斷電，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。同時制動器失電后開始制動，這是一種緊急狀態(tài)下的安全保護(hù)。

2.4 重調(diào)機(jī)信號

抬臂到位信號：重調(diào)機(jī)牽車臂抬起到90°時允許高速回退接車，牽車臂抬起后可以防止重調(diào)機(jī)運(yùn)行過程中牽車臂剮蹭翻車機(jī)和車皮。

落臂到位信號：重調(diào)機(jī)牽車臂落下與車皮鉤頭處于同一線上，可以進(jìn)行接車和牽車作業(yè)。

鉤頭合到位信號：重調(diào)機(jī)牽車臂鉤頭與車皮鉤頭連接后，鉤舌閉合顯示合到位，是重調(diào)機(jī)牽引車皮行走的必要條件。

鉤頭開到位信號：經(jīng)提銷操作后，重調(diào)機(jī)牽車臂鉤頭與車皮鉤頭分開，鉤舌打開顯示開到位信號，是判斷溝通是否分開的重要信號。

3 存在的問題及原因分析

3.1 回翻到0°時對軌不齊

按照標(biāo)準(zhǔn)，翻車機(jī)在0°時本體軌道與地面軌道錯位量≤±3 mm時軌道對齊，主令控制器隨著本體旋轉(zhuǎn)到0°，觸點(diǎn)閉合向PLC控制程序發(fā)出0°信號。當(dāng)錯位量＞±3 mm時，軌道未對齊，不能顯示0°信號。但是軌道錯位量反饋到主令控制器上的轉(zhuǎn)動量很小，這時主令控制器有可能顯示0°信號正常，翻車機(jī)、重調(diào)機(jī)聯(lián)鎖信號條件滿足，PLC控制程序允許重調(diào)機(jī)進(jìn)行牽車，如果未經(jīng)確認(rèn)就操作會造成車皮脫線事故。2018年，3#翻車機(jī)因軌道未對齊造成車皮脫線事故，出現(xiàn)這種情況的主要原因如下。

（1）制動器制動力矩變小。翻車機(jī)高速回翻到15°減速、0°停機(jī)，當(dāng)制動器制動片磨損嚴(yán)重未及時調(diào)整使制動力矩偏小會造成翻車機(jī)回翻到0°時出現(xiàn)超零故障[5]，翻車機(jī)臺車軌道不能與地面軌道對齊。

（2）主令控制器觸點(diǎn)異常。翻車機(jī)主令控制器觸點(diǎn)和齒輪機(jī)構(gòu)長期運(yùn)行過程中出現(xiàn)磨損，軌道未對齊的情況下輸出0°信號，信號與翻車機(jī)實(shí)際的位置不一致。

3.2 進(jìn)車端和出車端保護(hù)信號異常

翻車機(jī)車體的進(jìn)車端和出車端分別安裝一個漫反射式光電開關(guān)，當(dāng)光電開關(guān)發(fā)射的光束被車皮遮擋時相應(yīng)的保護(hù)信號異常，不允許翻車[6]。但是由于翻車機(jī)作業(yè)現(xiàn)場粉塵濃度較大，空氣中漂浮的粉塵顆粒將光束遮擋，造成光電開關(guān)頻繁動作降低使用壽命，不能正常工作。光電開關(guān)長期處于高粉塵環(huán)境中，故障率較高，出現(xiàn)故障后車皮遮擋時無法發(fā)出異常信號，PLC系統(tǒng)聯(lián)鎖條件滿足，允許翻車。

2019年，5#翻車機(jī)重調(diào)機(jī)牽引重車到翻車機(jī)顯示單車到位信號后，操作人員進(jìn)行提后鉤操作后鉤頭未正常分開，使車皮繼續(xù)跟隨重調(diào)機(jī)前進(jìn)超出翻車機(jī)區(qū)域，由于現(xiàn)場粉塵濃度較大影響視線，同時出車端光電開關(guān)故障未顯示異常信號，操作人員未能及時發(fā)現(xiàn)異常，僅依靠操作臺信號進(jìn)行操作，最終造成車皮脫線、車皮報(bào)廢的嚴(yán)重事故。

3.3 機(jī)械機(jī)構(gòu)異常引起的故障

冬季生產(chǎn)中，翻車機(jī)翻卸的物料經(jīng)解凍庫解凍后，物料內(nèi)已結(jié)冰的水分融化后粘在翻車機(jī)的壓車鉤上，長時間不清理會造成壓車鉤結(jié)冰嚴(yán)重不能壓實(shí)車皮，壓車過程中壓車鉤的壓力值符合要求，但是在翻車過程中車皮在重力的作用下移位，出現(xiàn)脫線事故。3#翻車機(jī)、7#翻車機(jī)均因壓車鉤結(jié)冰后未壓實(shí)車皮出現(xiàn)脫線事故。

4 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

4.1 翻車機(jī)平臺加裝平臺保護(hù)信號

翻車機(jī)的翻轉(zhuǎn)角度為0°～165°，當(dāng)翻車機(jī)回翻到0°并對齊軌道時，翻車機(jī)平臺的角度固定，因此，可以在翻車機(jī)平臺的外沿安裝一個接近開關(guān)，可用于檢測平臺的位置，當(dāng)平臺翻轉(zhuǎn)到0°并且與軌道對齊時，這個開關(guān)才能檢測到信號。將這個平臺保護(hù)信號加入到重調(diào)機(jī)的牽車和接車條件中，在重調(diào)機(jī)的所有牽車和接車動作中，只有平臺保護(hù)信號和翻車機(jī)現(xiàn)有的0°信號同時正常時，才允許重調(diào)機(jī)牽車和接車作業(yè)。如果出現(xiàn)平臺保護(hù)信號異常、翻車機(jī)0°信號正常的情況，操作人員必須檢查、調(diào)整制動器和主令控制器，使軌道準(zhǔn)確對齊，才能進(jìn)行牽車和接車操作。平臺保護(hù)信號程序優(yōu)化如圖4所示。

圖4 平臺保護(hù)信號程序

4.2 改進(jìn)進(jìn)車端、出車端保護(hù)開關(guān)

在翻車機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，進(jìn)車端、出車端保護(hù)開關(guān)需要排除粉塵的干擾，能有效檢測車皮是否超出進(jìn)車端和出車端區(qū)域，為PLC系統(tǒng)提供真實(shí)的聯(lián)鎖保護(hù)信號。但是，不管是鏡面反射型還是漫反射型光電開關(guān)，光束的反射容易受粉塵的影響，需要待粉塵沉降后才能正確檢測，對生產(chǎn)時間影響較大，同時光電開關(guān)受粉塵的影響故障率較高，因此，選擇一種不受粉塵環(huán)境干擾的檢測開關(guān)，確保進(jìn)車端和出車端保護(hù)功能正常顯得尤為重要。

正常情況下，車皮位于翻車機(jī)本體的中間位置，既使出現(xiàn)溜車情況，只要車皮不超出車體的范圍，就不會出現(xiàn)脫線的事故。因此，進(jìn)車端和出車端保護(hù)開關(guān)安裝在車體的兩端，距離車皮0.5 m以上，防止開關(guān)被擠壞。常用的非接觸式檢測開關(guān)有光電開關(guān)、接近開關(guān)、超聲波開關(guān)，通過對比，接近開關(guān)在粉塵環(huán)境下能夠正常工作，但是感應(yīng)距離只有幾毫米，最大幾十毫米，達(dá)不到檢測距離。超聲波開關(guān)通過非接觸無磨損的超聲波檢測大目標(biāo)物體，物體是否透明、是否為金屬或非金屬，液體、固體或是粉狀均不會影響工作，具有指向性好、測量精準(zhǔn)、可靠性強(qiáng)、抗干擾性能優(yōu)異等特點(diǎn)[7]，檢測距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1.3 m。超聲波開關(guān)發(fā)出的聲波是一個扇形區(qū)域，在聲波區(qū)域范圍內(nèi)有車皮進(jìn)入時反射聲波發(fā)出信號。

通過試驗(yàn)，在不改變原有電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，超聲波開關(guān)可以代替光電開關(guān)作為進(jìn)車端、出車端保護(hù)開關(guān)，滿足粉塵環(huán)境下的翻車作業(yè)。

4.3 增加人工確認(rèn)流程

在翻車機(jī)作業(yè)流程和操作規(guī)程中增加翻車前人工確認(rèn)內(nèi)容：當(dāng)車皮牽引到位，進(jìn)行壓車、靠車操作后，翻車前摘鉤人員須對車皮的位置、壓車鉤壓車狀態(tài)（包括壓車鉤上是否有異物、積冰等）、靠棚靠車狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無異常情況后按下確認(rèn)按鈕才允許進(jìn)行翻車。相應(yīng)的在翻車機(jī)正翻邏輯程序條件中增加人工確認(rèn)信號，壓車到位和靠車到位后由操作人員現(xiàn)場確認(rèn)后按下確認(rèn)按鈕。當(dāng)翻車機(jī)進(jìn)行松壓、松靠、正翻到165°等其中任何一個操作時，確認(rèn)信號失效，需要重新進(jìn)行確認(rèn)。

翻車確認(rèn)信號程序優(yōu)化如圖5所示。

圖5 翻車確認(rèn)信號程序

5 結(jié)語

通過分析C型翻車機(jī)出現(xiàn)的電氣聯(lián)鎖保護(hù)信號故障，根據(jù)不同故障的產(chǎn)生原因提出增加平臺保護(hù)信號、改進(jìn)進(jìn)車端和出車端保護(hù)開關(guān)、增加翻車確認(rèn)條件等保護(hù)功能優(yōu)化方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖保護(hù)信號程序在進(jìn)行程序仿真模擬和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中均能夠達(dá)到改進(jìn)的目的，當(dāng)出現(xiàn)信號異常時程序會自動中斷，起到保護(hù)作用。

以上措施能夠避免因檢測元件的故障造成聯(lián)鎖保護(hù)信號的失效和操作人員確認(rèn)不到位造成的車皮脫線事故，提高翻車機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性，提高設(shè)備本質(zhì)安全。