列車整平壓實系統優化在泊江海子礦的應用

陳曉光,劉會彬,韓雨露,汪 強

(中煤航測遙感集團有限公司智慧礦山分公司,陜西 西安 710199)

0 引言

泊江海子選煤廠火車快速裝車系統位于內蒙古自治區鄂爾多斯市東勝區泊江海子鎮境內,煤炭主要外銷江蘇、浙江等地,需要將煤炭由生產地長距離運輸至使用地,是煤炭產銷地不平衡的典型代表。

首先煤炭在中國能源消耗結構總量中占主導地位[1],為經濟發展提供絕對的支撐作用。中國煤炭資源儲量豐富、分布面積廣、煤種齊全,然而煤炭資源分布卻極不均衡,呈現“北富南貧,西多東少”的狀況。北方幾個產煤儲量大省占全國煤炭產量的96%以上[2]。經濟發展呈現“南強北弱、南盛北衰”態勢[3-4],因此,煤炭資源必須進行大規模運輸,才能滿足經濟發展對能源的需要。

運輸領域內,鐵路運輸是陸地運輸最有效便捷的運輸方式,具有運載量多、適應性強、速度快、成本低和安全可靠的優點,是煤炭運輸的主力。在煤炭運輸過程中,由于煤炭為散裝顆粒狀或灰粉狀物料,易受自然風、隧道活塞風、火車運行顛簸和對向風等因素影響,沿路拋灑嚴重,沿鐵路兩側形成黑色拋灑帶,給沿途農作物、生態、居住環境造成嚴重影響,甚至帶來毀滅性災難,造成嚴重的生態問題和社會問題。同時,拋灑出去的煤炭無法進行收集,直接造成煤炭運輸虧噸,虧噸比例達到1.2%之多[5]。作為大宗運輸商品,煤炭運量巨大,而且是連續不間斷持續運輸,累積虧噸數量驚人,給煤炭銷售企業、采購企業和鐵路運輸企業造成巨大經濟損失,產生無謂浪費。另外,裝車不均勻,存在超偏心等現象也可能導致列車運行重心不穩,易造成列車運行失穩,造成安全事故。運煤列車普遍采取先將煤炭整平壓實,后進行噴灑封塵固化劑的措施,保證裝車均勻和增加煤炭裸露面的密實度、平整度,使煤炭不會輕易被風吹散刮落,有效的減少煤炭灑落,減少環境污染,提高煤炭運輸效率和安全。

泊江海子選煤廠火車快速裝車系統已經運行多年,為人工操作半自動化設備,未能完全實現全自動功能,從而造成人員多、勞動強度大,容易因人為疏忽或操作失誤造成裝載物料不均勻、撒料、超偏載等現象,影響裝車效果并會污染環境。所以應該增加整平壓實系統,實現列車整平壓實,降低工人勞動強度,解決散裝物料裝車過程中因虧噸給用戶造成的損失,杜絕運輸過程中因物料灑落造成的環境污染,消除因裝車偏心造成的運輸安全隱患,同時提升裝車和平車效率。

1 存在問題及分析

1.1 存在問題

泊江海子裝車站為便于列車通行,將裝車站建在與外運火車軌道網絡相平的環形基壩上?；鶋斡赏潦钪?高約13.5 m,標準壩面寬約7.5 m,敷設規矩為1 435 mm的標準軌道供列車通行。裝車平臺段壩面寬度約15 m,裝車塔布置在中間,兩側預留檢修平臺,北側稍寬約3.5 m,修有上壩面坡路,可以通行車輛,南側不到2 m,僅有爬梯可供人員上下,過南北兩側需要跨越高出地面約0.5 m的軌道及道基,不方便機械設備通行。裝車站運行方式為列車從裝車塔下方東進西出進行裝煤作業。裝車塔高度為31.75 m,裝煤皮帶將煤炭從頂部灌入位于中部的定量煤倉,系統控制下部裝煤給煤機實現列車裝煤。裝車塔東西長12.5 m,東側布置上裝車塔內部的樓梯,南北長度10.5 m。塔北側下部安設有裝煤漏斗,裝煤時待列車車頭通過后啟動,液壓推移至中間,對準列車車廂正上方,打開給煤機插板,與列車運行配速裝煤,控制室布置在南側,正對裝煤漏斗便于觀察裝煤情況。裝車塔東西兩側對稱布置有與塔體間距2 m的機車架空觸網線架,東側10 m處安設防凍設備,西側緊貼架空觸網架的軌道兩側安設有質檢、驗收平臺和距平臺12 m處安設有抑塵設備,整個裝車平臺上安裝設備比較密集,幾乎沒有多余空間。

列車整平壓實系統主要包括壓輥、鋼結構框架平臺、驅動裝置、電氣控制系統等組成。其工作原理是通過壓輥碾壓車廂內的煤炭,使煤炭整平、壓實、裝車均勻,表層達到一定的密實度不易散落且表面平整不易被風吹起的狀態,再通過抑塵液噴淋,在表面形成保護膜,保證列車在運行過程中煤炭不會輕易被風吹散刮落和顛簸散亂,有效地減少煤炭灑落,降低環境污染,提高煤炭運輸效率。所以其必須安設在裝車塔西側出口與抑塵裝置之間,車廂從其下部通過時先整平壓實再進行抑塵噴淋。

壓輥是整平壓實系統的執行部件,為鋼板卷制輥筒,由起升電機通過鋼絲繩收放控制壓輥起降。系統在停車狀態下,壓輥抬起,用機械掛鉤鎖死,以防溜車。待列車車頭通過后,根據不同車廂型號高度設定的參數,通過程序控制系統控制下放壓輥到達列車車廂設定高度,使壓輥直接與車廂里面的煤炭接觸進行碾壓。利用火車向前運行的拖拽力,借助壓輥自身重量和液壓加力使壓輥轉動碾壓車廂內的煤炭,使煤炭裝車均勻、表層達到壓實且表面平整不易散落和被風吹起的狀態。程序控制過程為利用傳感器探測列車高度和車廂運行實時位置,通過程序邏輯判斷,發出控制指令實時控制起升電機,調整壓輥高度,保證整平壓實每一節車廂里面的煤炭,且壓輥與車廂不發生干涉,使運行安全穩定。

鋼結構框架平臺作是系統固定支撐件,為型鋼焊制絎架結構,起系統支撐固定作用,橫跨鐵路兩側,安裝壓輥和驅動裝置,保證壓輥碾壓運行功能和尺寸。

現有整平壓實系統設備安設完全固定在獨立鋼構框架上,導致整個鋼構框架平臺結構比較龐大,如圖1所示。而泊江海子列車裝車站裝車平臺比較緊湊,沒有多余的空間。不能滿足整平壓實系統的安裝空間要求。

圖1 現有整平壓實框架外觀Fig.1 Appearance of existing leveling and compaction framework

存在的問題,一是現有整平壓實系統占用空間比較大,沿軌道方向縱向超過12 m距離,列車裝車站平臺沒有足夠的空間,超出裝車站平臺范圍,無法安裝;二是附屬爬梯、圍欄等設備較多,占用空間大,容易與裝車站設備發生干涉;三是施工投資費用較大。特別是基礎施工,要在原本就狹小且有軌道設施等其他原有設備的縫隙施工,另外施工振動不能超出軌道基礎適用范圍,所以不能采用機械施工,只能采用人力完成,導致施工難度巨大和成本激增。

1.2 問題分析

從存在問題來看,泊江海子火車裝車站不適合裝設整平壓實系統,但是裝載物料不均勻、超偏載等問題未能解決,存在運輸安全隱患,且利用裝車站已建成的抑塵裝置達不到抑塵環保要求。按照現行環保政策,“綠水青山就是金山銀山”環保發展理念和“不環保不生產、不合規不運行”的底線,隨時危及到裝車站的正常運行,進而影響礦井的正常生產。而尋找新的整平壓實、防塵抑塵方式,原有的抑塵噴淋裝置就可能要報廢,造成浪費。同時就目前技術發展水平來說,一時找不到一個更合適的解決方案,需要花費更長的時間去考察論證,時間上不允許,存在風險,所以泊江海子裝車站整平壓實系統必須及時安裝。

裝車站整平壓實系統沿軌道縱向超界導致系統根本無法安裝施工,項目停滯無法進行,現有方案無法實施,隨時影響裝車站正常運行。只能根據現場情況進行分析處理,情況如下:①安裝整平壓實系統才能解決裝車站現有問題,保證裝車站正常運行;②裝車站已經是成型系統,無法進行實質性改造使之與現有整平壓實系統方案匹配,只能從整平壓實系統方案本身進行優化改造;③整平壓實的核心設備是壓輥設備,通過壓輥的升降來控制壓煤的高度,平臺框架和智能控制室都屬于附屬設備。因此,目前需要確定壓輥安裝位置,縮小鋼構框架平臺。

通過查閱整個裝車站設計圖紙[6],了解到裝車站設計總重量超過1 200 t,支撐鋼梁為500 mm×300 mm工字鋼桁架,地基采用28根32 m×800 mm鋼籠混凝土商砼梅花樁,而整平壓實系統壓輥重量僅為10 t。重量比高達120∶1,通過專業計算和軟件模擬,完全可以將壓輥固定在現有裝車塔平臺上面。為了更安全可靠,最終決定僅將壓輥受力最小的懸臂固定端安裝于原裝車站底層鋼梁下部,另外單獨裝設鋼梁框架平臺用于懸掛壓輥,承受壓輥重量,最大程度保證系統安全穩定,如圖2所示。

圖2 優化后整平壓實框架與裝車站位置關系Fig.2 Relationship between optimized leveling and compaction framework and loading station location

2 優化解決方案及工程實現

2.1 優化方案

通過上述分析和核算,對現有裝車框架進行以下方面優化:①將受力較小的壓輥固定端依托裝車站原有裝車塔,固定在裝車塔底層鋼梁下方,保證托輥固定端穩固,并對裝車塔原有鋼梁進行局部加固處理[7-12];②為節省沿軌道方向空間且保證能夠滿足壓輥下放碾壓高度要求,將壓輥懸臂原有直臂形式改為屈臂形式[7-12];③將原有需要容納整個壓輥的龐大鋼結構形式改為僅需容納下壓輥大小的尺寸,以滿足安裝尺寸要求[11-12];④將原有整個鋼結構的獨立爬梯等附屬構件刪減,在裝車塔3層平臺(等高層)外墻開檢修通道門共用上下樓梯,僅需要增加少量彌補層高落差的臺階即可滿足人員檢修和巡查功能要求[12];⑤原有控制室與裝車塔控制室合并使用[13]。

2.2 工程實現

通過以上優化,將原有鋼架結構縱向12 m跨度縮減為1.6 m,避免了整平壓實系統與裝車平臺觸網線架和煤質驗收平臺等設備的干涉;將托輥架直臂改為曲臂,節省沿軌道方向尺寸,并保證抬高尺寸足夠列車通行和對車廂煤炭碾壓高度;將樓梯、控制室等公用設施與原有裝車站控制室設備進行共用,達到減少場地占用、提高方案適應度、降本增效等諸多益處,從而達到系統安裝、運行功能要求。如圖3所示。

圖3 裝車站平面布置Fig.3 Plane layout of loading station

3 使用效果及效益分析

3.1 使用效果分析

整平壓實系統只能安裝在裝車塔出車口與列車抑塵裝置之間,在列車裝煤完成之后進行整平壓實,緊接著噴灑抑塵劑,才能達到有效的防止裝運煤炭因列車運行過程中的顛簸、對向風和過隧道、橋梁時的活塞風、橫風影響而沿途拋灑,造成環境污染、生態破壞和對周邊居民生產生活帶來不必要影響。泊江海子礦列車裝車站平臺出車側原本長度僅16 m,并且在裝車平臺出車側軌道兩邊又布設觸網線橋架、質檢平臺、抽樣平臺、抑塵裝置(圖3),根本沒有空間能容下12 m長的整平壓實系統。只能見縫插針的在裝車站與觸網線橋架之間約2 m長的空間內架設整平壓實壓輥框架,采用曲臂形式使托輥可以升高到不影響列車通行高度和能滿足對車廂煤炭碾壓的高度要求。借助原有裝車站鋼構固定壓輥懸臂固定端,使新增裝車平臺框架與裝車站框架組合完成原有整平壓實系統框架平臺的作用。有效的利用了裝車站的結構優勢,克服了裝車站出車側距離短、設備布置密集、空間不足的缺點,保證整平壓實系統關鍵尺寸要求,使系統能夠正常運行。

3.2 經濟效益分析

經過上述優化后,泊江海子列車整平壓實系統可直接減少鋼架框架結構和樁基基礎材料及施工量、施工難度,產生良好的經濟效益。

節省鋼構材料,原有約重20 t的鋼構設備減少約為5 t,節省直接材料費用約6萬元[14]。

減少施工難度和施工量,鋼構安裝減少15 t,樁基施工由原來4根變為2根,節省直接施工費用約11.75萬元[14]。

可累計節約直接投資費用約17.75萬元,見表1。

4 結語

泊江海子礦列車整平壓實系統有效保證裝車站裝車均勻,防止車廂超偏重心問題和在運輸過程中煤炭拋灑、煤灰揮灑污染的問題,減小列車運行安全風險和煤炭運輸損失,防止沿途環境和生態污染,降低企業經濟損失。在實施過程中通過對列車整平壓實系統框架平臺結構、壓輥布置形式、曲臂機構形式、控制室位置、檢修通道合并等方面進行優化,很好的解決場地限制問題,滿足裝車站裝設條件,同時節約投資成本,完美實現產品的各項功能,技術指標完全達到各項技術要求。