一种密闭管道运输系统

郭林俊

1.密闭管道运输系统研制目标

密闭管道运输系统研制目标在于：

通过具有一级悬挂系统转向架的物料运输小车设计、动力外置式直线段直线电机驱动机构设计、动力外置式小车直角弯转向结构和机构设计、同步直线电机定子和转子的驱动导向耦合力场仿真分析、弧形同步直线电机定子和转子的驱动导向耦合力场仿真分析、运输小车测速定位系统设计、多小车往返穿梭运行实时调度系统设计等，实现封闭式管道内物料运输小车的平稳和顺畅运行，满足各工位的工作节拍，或根据各工位实际工作时间实时调整小车运行位置，并达到以下功能：

1.直角弯转向

2.封闭管道内无任何动力源

3.系统断电时，运输小车应具备自动锁死功能，不得出现溜车等现象

4.运输小车运行时车轨之间不得出现爬轨、啃轨和脱轨等现象

5.维修便捷

2.管道运输驱动系统方案设计

2.1 管道运输系统总体方案设计

管道运输系统主要由直线段驱动系统、直角转弯驱动系统、自导向运输小车等子系统构成。

其中，直角转弯驱动系统依据运输小车转弯的方式分为：

动力外置封闭式双作用直角转弯驱动系统

动力外置封闭式独立驱动直角转弯系统

动力外置贯穿式直角转弯驱动系统

2.2 自导向运输小车结构设计

常规有轮缘导向的轨道式运输车底盘在长期使用过程中会面临如下的问题，如车轮安装误差和必然存在的车轮直径公差等原因，在车轮长期往复或循环运行中造成的啃轨、脱轨等现象；车轮的轮缘与轨道侧面由于导向需求，从而长期摩擦导致的车轮轮缘和轨道的磨损加剧，导致轨道和车轮的维护和更换频繁。

本方案将采用具有摆式单极悬挂转向架的运输小车结构设计，具有自导向功能，车轮轮缘与轨道两侧无摩擦，且能够根据运输小车的质心位置变化自动恢复至轨道中心位置，并配合管道运输系统的导向系统，实现运输小车的自导向和车轮轨道的免维护功能。

同时，驱动方式采用直线电机驱动的方式，直线电机位于管道以外的空间，管道内的运输小车为无源结构和机构设计，无需日常维护。

2.3 直线段驱动系统方案设计

运输系统直线段驱动系统主要由小车底部悬挂的感应阵列和置于封闭式管道底部外侧的直线电机构成。

小车底部悬挂的感应阵列为无源结构，无需电力驱动。当置于封闭式管道底部外侧的直线电机通电时，产生磁场，与感应阵列相互作用，形成力场强耦合，产生驱动小车前进的直线驱动力，以及产生迫使小车位于轨道中心线位置的导向力。

通过控制直线电机供电电流的大小，可改变驱动力和导向力。

2.4 动力外置封闭式双作用直角转弯驱动系统

动力外置封闭式双作用直角转弯驱动系统的构成图，其主要有封闭管道底部内侧的回转平台、封闭管道底部外侧的回转支承、直线电机、弧形直线电机、回转驱动电机、回转内置感应阵列、外置式弧形直线电机等构成。

其中，此方式的驱动机构均在封闭管道外侧，无贯穿件进入封闭管道内侧，不破坏管道的封闭性，无泄漏。

工作时，回转电机驱动回转支承旋转，回转支承上方安装有直线电机，利用直线电机与管道内部运输小车下方安装的感应阵列之间的强力场耦合，驱动管道内部的回转平台旋转；同时，管道外部的回转支承旋转时，带动管道外部的弧形直线电机旋转，此弧形直线电机与管道内部回转平台上安装的回转内置感应阵列产生相互作用，驱动管道内部的回转平台旋转。

如此，既通过直线电机与管道内部运输小车底部的感应阵列相互作用，驱动回转平台旋转，实现直角转弯，又通过管道外部的弧形直线电机与内部的回转感应阵列相互作用，驱动回转平台旋转实现转弯。可有效避免单独采用某种旋转驱动方式可能造成的回转驱动力不足或是定位精度受限的问题。

同时，管道外部安装的直线电机也是运输小车从直角弯回转平台位置前后运行的驱动电机。

2.5 动力外置封闭式独立驱动直角转弯系统

动力外置封闭式独立驱动直角转弯系统构成图，其工作原理与动力外置封闭式双作用直角转弯驱动系统相似，区别在于：

（1）管道外部设置的弧形直线电机，其长度足够驱动管道内部的回转平台旋转90°角；其贴近于管道圆周外壁安装，支撑于地面，功率可实现单独驱动管道内部的回转平台旋转；

（2）管道底部外侧的回转电机，其功率仅需驱动直线电机回转即可，无需负担管道内部的回转平台旋转，可选功率较小的电机。

2.6 动力外置贯穿式直角转弯驱动系统

动力外置贯穿式直角转弯驱动系统构成，其与上述2个驱动系统方案的区别在于，将管道内和管道外的回转支承合二为一。

工作时，运输小车坐落于回转平台上，回转平台直接与管道底板之间贯穿；通过回转电机驱动回转平台下方的回转支承，实现回转平台带着运输小车的90°交转弯。

在回转平台圆周面和管道底板之间设置有动密封件，确保管道的泄漏率满足使用要求。

4.运输小车导向系统

运输小车的导向功能具有多种实现方式，本方案中的运输小车的导向主要依靠以下2种方式共同实现：

（1）运输小车设计有一级悬挂系统的转向架，可通过转向架的解耦设计实现小车的导向，避免爬轨、啃轨和脱轨现象；

（2）应用了悬浮、导向与牵引“三合一”的运输系统中的导向原理。

导向功能是采用在长定子电机的定子铁心与动子电磁铁的铁心上开出多条等宽纵向槽实现。当定子与动子的铁心中心线重合时，二者间的磁场只有纵向By分量。而当悬浮架横向移动时，动子铁心中心线也相应横移，此时定子与动子间的磁场将具有横向Bx与纵向By两个分量。磁场的横向分量Bx产生复位（导向）力使电机的定子与动子的铁心中心趋于对齐。横向位移越大，导向力越大，所以能够实现自导向功能。

5.运输小车驱动供电系统

管道运输小车的驱动供电系统位于封闭式管道以外，日常维护方便，故障维修便捷。其主要由牵引供电系统、牵引变流系统、牵引控制系统等部分组成。

牵引系统主要由供电、变流、馈电电缆、轨旁开关和直线同步电机长定子绕组等部分组成，为运输小车的运行提供动力。变流系统对电机电压和电流的幅值、频率与相位进行实时调节，并通过轨旁开关分段对长定子电机供电，实现对运输小车的运行状态和速度的精确控制。

6.运输小车测速定位系统

管道运输系统中运输小车的测速定位可通过轨道交通领域中的计数法和交叉感应回线法实现。

计数法利用电涡流接近开关传感器，对管道内的小车进行检测，由于轨枕间距为固定值，小车运行时接近传感器会形成一系列位置脉冲，从而可得到速度和相对位移。

交叉感应回线法是通过敷设的交叉感应回线，回线每隔一定间距交叉一次，对回线通以一定频率的交流信号，通过天线检测回线发送的信号。根据天线接收信号的变化可得到小车速度和相对位移。

7. 管道运输日常维护及故障处理

（1）运输小车位于管道内部；运输小车采用了摆式一级悬挂转向架底盘设计，车轮轮缘和轨道侧面之间没有导向所需要的摩擦，因此，车轮和轨道基本无磨损，可长期使用，无需日常维护；

（2）运输小车设置有防脱轨装置，可确保运输小车在轨运行和运行安全性；

（3）运输小车结构由不锈钢焊接而成，小车轮对中的轴承为滚动摩擦，若滚动轴承发生故障，如滚动噪声较大、小车出现爬轨或啃轨现象、行驶阻力较大等，由于防脱轨装置起作用，小车依然不会脱轨，此时可增大直线电机的电流，将小车强制驱动至检修工位进行故障处理；

（4）运输小车的驱动系统为直线电机和小车搭载的感应阵列；小车搭载的感应阵列为无源的反应板，无需供电或任何外加因素，可长时间使用无需更换。