CN101492128A - 电磁管道运输系统 - Google Patents

Abstract

一种电磁管道运输系统，包括输送管道和运矿车，其特征在于所述输送管道内设置线性同步电机线圈，运矿车上设置有永磁体，运矿车通过其永磁体与线性同步电机线圈作用产生的推进力在输送管道内运动，实现运矿车上物料的输送。该电磁管道运输系统的可靠性和可维护性强，能够适用于各种复杂地形的采煤区和运输区，并具有攀登陡峭的坡度，使占地最小化，以及缩短到铁路线的运输通道距离等能力，实现快时速，低成本，运行平稳、易于实现自动控制，无污染的优点。该电磁管道运输系统更利用商业化运营，可用于煤炭、矿石等大宗物料的中短途低成本输送。

Description

电磁管道运输系统

技术领域

本发明属于永磁直线电动机应用技术和物料运输技术领域，具体地涉及一种根据永磁直线电动机原理，利用输送管道和运矿车实现物料输送的电磁管道运输系统。

背景技术

根据世界煤炭研究所估计，煤炭费用的70％为运输费用。每年全世界从矿山运到集散地的卡车运输费用估计至少为80亿美元。我国是最大产煤国，每年煤炭生产产量约为20亿吨，占全球煤产量的五分之二。由于中国石油资源匮乏，占一次能源消费比重高达2/3以上的煤炭是中国能源的基础，而工业布局与煤炭资源的错位，又要求北煤南运、西煤东运。另外中国煤炭运输主要依靠铁路、公路、沿海和内河水运。铁路是煤炭运输的最主要方式，中国现有铁路总长为7.66万公里，是煤炭运输最主要的通道，承担了75％的煤炭总运量，尽管煤炭运量已占铁路货运量的45％以上，仍然不能满足煤炭运输需求，而铁路线路的增长不可能在短期有所突破，因此这一矛盾难以迅速解决；公路运煤则以短距离运输为主，近几年随着铁路运力的紧张，公路运煤量呈快速增加的势头。货车作为内陆煤炭运输的主要工具，需要大量的柴油燃料，随着石油供求关系的制约，也成为能源经济发展的制约。

例如内蒙古是我国最重要的煤炭能源基地之一，现已查明含煤面积达10多万平方公里，累计探明储量占全国的25％以上，远景储量12000亿吨。鄂尔多斯市煤炭资源极其丰富，全市8.7万平方公里的土地上，含煤面积约占70％，由准格尔煤田、东胜煤田、卓子山煤田组成。三大煤田现已探明储量为1496亿吨，占全国总储量的六分之一，自治区的三分之一，预测远景储量10000亿吨。2006年，鄂尔多斯市煤炭产量为1.76亿吨，其中神华集团8333万吨；分旗区看，东胜区2600万吨，达拉特旗518万吨，准格尔旗8418万吨，伊金霍洛旗5883万吨，鄂托克旗196万吨。煤矿生产能力100～200万吨的有1座，200～500万吨的有3座，500～1000万吨的有2座，1000万吨以上的有6座。其中矿井距集装站在20～50公里的煤矿有20多座。2006年鄂尔多斯市通过铁路和公路共外运煤炭1.25亿万吨，其中铁路外运8000万吨；公路外运4500万吨。运输成本较高，运输线路建造成本和运输成本居高不下，是造成煤价不断上涨的关键原因之一。内蒙古煤炭工业的发展已被交通运输的能力和成本所制约，这也极大的影响到其它煤炭消耗行业的发展。尤其是在煤矿与发电企业之间，运输量非常大，仅以内蒙古为例，自治区现有重点发电企业33家，重点煤炭矿区28家、资源量近1300亿吨，其中：12个煤炭矿区直接为25个电厂点对点运煤，运距范围10～350公里，总计运输线为2135公里。

综上所述，目前中国煤炭运输技术、承载量以及运输管理对经济社会的影响主要有四个方面：一是成本增加造成电力成本增加；二是运力不足制约了产煤区生产能力发挥，容易造成短期煤炭供应紧张；三是煤炭运输安全管理任务紧迫，四是污染严重。开发高效、经济、节能和环保型煤炭交通运输工具，大幅提升煤炭运输能力，已经成为加快我国能源建设、促进国民经济快速增长的必须条件。

稀土永磁直线同步电机输运管道技术及其产业化，是近年来国际交通运输产业前沿技术之一，是交通运输产业中高技术领域里具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术，是未来交通运输产业高技术更新换代和新兴产业发展的一个重要基础，是国家交通运输产业高技术创新能力的一种体现。上世纪90年代，美国磁悬浮飞机技术公司在进行磁悬浮飞机(Magplane)研发时，同时开展了磁管道运输系统的研发，并于2000年在美国佛罗里达州IMC-Global磷矿建造了一条275公尺，直径为61公分的磷矿磁管道运输示范线，用以和传统交通工具在投资成本、运行成本、环境影响、能源消耗等方面进行比较评估。该次管道运输系统采用前后各装设的4个定向滑行轮的运矿车，并采用玻璃钢纤维管作为输送管道，输送管道外设置线性直流电机线圈，运矿车通过定向滑行轮架在输送管道移动，实现物料的输送。由于该磁管道输送系统仅为实验评估项目，而且在输送管道和运矿车的设计上尚存在诸多缺陷，因此无法达到商业化应用的需要，而且可操作性差。运矿车在装载物料后其对定向滑行轮的压力较大，极容易造成输送管道和定向滑行轮的损坏，从而影响整个输送系统的运行。

可见，目前运输方式中，采用卡车运输煤炭将使用大量昂贵的柴油燃料，不但能效低，价格昂贵，而且会对当地造成污染。卡车还要对卡车以及公路基础设施进行大量的维护。采用铁轨运输煤炭在多山地区要求建立迂回路线，并且在路轨附近500米之内具有不可开采矿山的限制，从而大大地限制了煤炭的开采量。采用水煤炭泥浆管道运输煤炭通常会产生严重的环境问题，因为不但要泵取运送地域的地下水，还要在运送终点处理泥浆水。其它可能的运矿车管道，例如气动管道，相对于电磁管道，具有高能耗要求以及有限的生产量。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用电磁力对运矿车进行推动，利用输送管道实现高效率地攀登采煤区域附近普遍存在的困难地形，并具有攀登陡峭的坡度，使占地最小化，以及缩短到铁路线的运输通道距离等能力的电磁管道输送系统，其突出特点是时速快、运行平稳，易于实现自动控制；无噪音，不排放有毒、有害气体。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁管道运输系统，包括输送管道和运矿车，其特征在于所述输送管道内设置线性同步电机线圈和运矿车悬挂轨道，运矿车上设置有永磁体和用于悬挂的车轮，运矿车通过其永磁体与线性同步电机线圈作用产生的推进力在输送管道内运动，所述运矿车悬挂轨道和运矿车上用于悬挂的车轮将运矿车悬挂并限位设置，实现运矿车携带物料在输送管道内的输送。

具体的讲，所述输送管道为一运载输送管道和空载输送管道构成的输送回路，其一端设置物料装载平台，另一端设置物料卸载平台，物料装载平台和物料卸载平台高于输送管道输送线路，物料装载平台的输送管道端为斜向设置，在运矿车装载物料后沿斜向下输送管道加速运行时，由于车重在运行方向的分力作用，在更短时间和距离内将运矿车加速到巡航运行速度。

所述输送管道的内壁间隔安装三相线性同步电机线圈，每相线圈绕组由单根电缆循环绕制而成，所述输送管道全部由平直管道模组拼接而成，并由平直管道模块以小角度偏移来拟合弯道曲线。该小角度一般为5度。

所述输送管道内线性同步电机线圈间的安装距离为30～60米，最佳为50米，所述每个平直管道模组的长度为4～10米，最佳为6.25米。

所述运矿车包括一圆筒形的物料运载舱，物料运载舱的上端面设置有密闭盖体，盖体与物料运载舱间设置电磁锁和铰接端，物料运载舱的另一端面设置有永磁体阵列。

所述运矿车悬挂轨道为输送管道内壁固定设置的工字钢梁，所述运矿车的前后设置有两组车轮，该两组车轮装设在工字钢梁的左右两轨道内，所述工字钢梁的两侧分别设置导向滑轨，运矿车的前后两侧分别设置滑轮与导向滑轨配合，运矿车通过两组车轮和滑轮悬挂在输送管道内。

所述工字钢梁的上端与输送管道壁固定，运矿车的前后设置的车轮为左右并列设置，左右车轮分别装配在工作梁的左右轨道内。

所述输送管道的装载平台端设置有复数个平行设置的装载位，所述各装载位通过轨道与输送管道连接，装载平台前后两端连接处设置有机械道岔，各装载位轮流将装载后的运矿车送入输送管道。

所述装载位处设置有装载机构，所述装载机构的上端为物料仓，下端设置一转载筒体，转载筒体的容积与运矿车容积相当，转载筒体的筒壁上下分别设置两盖体，上盖体可沿筒壁将转载筒体与物料仓间隔离，下盖体打开可实现运矿车的物料装载。

输送管道的卸载平台端设置机械道岔，运矿车在卸载平台卸载物料后，经机械道岔变道进入空载输送管道返回。

所述机械道岔设有两段弯曲工字梁，都安装在一个旋转鼓上，相差180度角，鼓左右旋转半圈，可以将弯曲工字梁连接到所选择的装载平台，从而实现轨道切换。

所述单个运矿车的尾部或者运矿车列中最后一辆运矿车的尾部设置有一小型电机驱动装置，该驱动装置包括一齿轮电机，在运矿车发生停机故障后，驱动装置启动齿轮电机推送运矿车至线性同步电机线圈之上。

所述三相线性同步电机由现场控制系统控制，由位置检测系统精确测量运矿车与电机线圈的相对位置，并参考来自中央控制器的输入控制信号，经由数字信号处理器对三相逆变器进行开关控制，改变三相线性同步电机线圈的电流大小，相位和频率，从而控制运矿车车速。

所述现场电机相位控制系统由中央控制系统调控，中央系统控制功能包括跟踪运矿车，指示现场控制模块，运输系统从一种停止状态开始起动，控制关闭运输系统，以及采用安全方式处理运输系统的故障，中央控制系统可以调控加减速，并且发送装载、卸载和维修支线操作指令。

本案发明人在对国外目前的磁管道运输系统的初步开发进行分析借鉴的基础上，对整体可实现方案和关键的技术进行重新研发和设计，通过输送管道内设置工字型钢梁结构的运矿车悬挂轨道，并在运矿车的前后端分别设置两组用于悬挂的车轮，使运矿车可通过该两组车轮吊挂在输送管道内；运矿车左右两侧的滑轮与输送管道相应位置设置的导向滑轨配合，使运矿车能够平稳的在输送管道内运行，消除因运矿车单纯依靠导向滑行轮支撑和移动所带来的运矿车和输送管道的磨损，以及运矿车在输送管道内运行时发生旋转的问题。该种运矿车与输送管道的结合方式能够实现运矿车的高速平稳安全运行，并可限定运矿车运行时的旋转角度，实现运矿车上装设的永磁体与管道内设置的线性同步电机线圈的有效配合和驱动。同时还能有效降低运矿车和输送管道间的摩擦系数，并提高了运矿车与输送管道间的精确定位。

输送管道最佳的方式是采用多个平直管道模组拼接而成，每个平直管道模组为一定长度的相同主体结构的筒体，这样能够实现输送管道的工厂制造，并可在安装现场通过夹具调整各管道模组的安装，减小平直管道模组间的衔接误差。线性同步电机线圈安装在输送管道内壁，在事故时易于更换管道模组，一般采用的方式为三相线圈绕组的每相由单根电缆来回循环绕制5次而成，各线性同步电机线圈沿输送管道间隔分布，不连续，最佳的方式是每50米左右设置一线性同步电机线圈，该方法可以显著的减少制造和运输成本。

运矿车为舱式运矿车，其物料运载舱外虽然设置密闭盖体，可以防止运矿车在输送管道中运行时车载物料损失，但是仍然存在散落物料的情况，运矿车的悬挂设置可以有效消除散落物料造成的运矿车和输送管道间的损害性摩擦。另外可以采用清扫工具定期对输送管道进行清扫。

运矿车间隔进入输送管道，既可以是单个的运矿车间隔进入，也可以是以首尾连接方式串联多辆运矿车，组成一运矿车组，各运矿车组间隔进入。

由于在物料运输过程中，运矿车从装载平台进入到外运方向的输送管道，装载间隔及运送运矿车的间隔非常短，只有数秒钟，对此可采用中央控制系统对运输管道的遥测与控制、运矿车的加速、巡航和减速以及装载和卸载平台的运矿车的行驶速度进行测控和管理，当输送管道线路出现故障时，能够进行迅速的事故诊断与应对布置。整个电磁管道运输系统由中央和现场两级控制系统来控制，每一列同时运行的运矿车将由各自的现场控制系统加以控制，由位置检测系统精确测量运矿车与电机线圈的相对位置，并参考来自中央控制器的输入控制信号，经由数字信号处理器对三相逆变器进行开关控制，改变三相线性同步电机线圈的电流大小，相位和频率，从而控制运矿车车速。

本发明的有益效果在于，该电磁管道运输系统的可靠性和可维护性强，能够适用于各种复杂地形的采煤区和运输区，并具有攀登陡峭的坡度，使占地最小化，以及缩短到铁路线的运输通道距离等能力，实现快时速，低成本，运行平稳、易于实现自动控制，无污染的优点。该电磁管道运输系统更利用商业化运营，可用于煤炭、矿石等大宗物料的中短途低成本输送。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1是本发明中运矿车的主体结构示意图；

图2是本发明中电磁管道运输系统的截面结构示意图；

图3是本发明中电磁管道运输系统的整体结构示意图；

图4是本发明电磁管道运输系统中装载平台的结构和装载流程示意图；

图5是本发明电磁管道运输系统中卸载平台的结构和装载流程示意图。

图6是本发明电磁管道运输系统中运矿车尾部设置一小型电机驱动装置的结构示意图；

图7是本发明电磁管道运输系统中单列运矿车的控制系统的框架示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，该电磁管道输送系统为建于内蒙古包头市的煤炭输送用双输送管道示范线，其是由一运载输送管道和空载输送管道构成的输送回路。输送管道的部分线路为平直线路，并设有大小两个S型弯道，S型弯道的最小弯曲半径为70米，在卸货平台附近对运矿车进行低速定位管理，以便于停靠运矿车。

输送管道的内壁间隔安装线性同步电机线圈9，每相约6米长线圈绕组由单根电缆循环绕制而成，三个外去方向及三个返回方向，共有三相线圈绕组，绕组波长为21.6厘米，线性同步电机线圈绕组被安装在一个防护罩内，表面光滑，易于定期清除煤屑，线性同步电机线圈在输送管道内每隔50米设置一组。输送管道中的运矿车全部为平直管道模组拼接而成，每个平直管道模组的长度为6.25米，该种方式可以很大程度的适应现有复杂地形，包括最小的水平弯道，每个平直管道模组对接相差5度角，可以实现弯道半径为69米的弯曲输送管道布置。在高速段路线上的0度、5度，以及10度坡度，以及低速段的30度坡度。所有输送管道模组，包括水平或垂直弯道部分的电机段，都将是平直的。在同一路段不会同时出现水平和垂直弯道。在低速区段，如果垂直或水平弯道大于10度，将被安置在特制防护管内。

运矿车包括一圆筒形的物料运载舱3，物料运载舱的上端面设置有密闭盖体2，盖体与物料运载舱间设置电磁锁，物料运载舱的另一端面设置有永磁体阵列4。输送管道的内壁固定设置有工字钢梁6，所述运矿车的前后设置有两组车轮1，所述两组车轮装设在工字钢梁的左右两轨道内，所述工字钢梁的两侧设置导向滑轨8，运矿车的前后两侧分别设置滑轮5与导向滑轨配合连接，运矿车通过两组车轮和滑轮悬挂在输送管道内。工字钢梁的上端与输送管道壁固定，运矿车的前后设置的滑轮5为左右并列设置，左右滑轮分别装配在工字钢梁的左右滑轨8内。

如图4和图5所示，输送管道的装载平台11和卸载平台12分别设置有复数个平行设置的装载位，所述两装载位通过轨道与输送管道连接，连接处设置有机械道岔，两装载位轮流将装载后的运矿车送入输送管道的进口端10。装载位处设置有装载机构，所述装载机构的上端为物料仓13，下端设置一转载筒体14，转载筒体的容积与运矿车16容积相当，转载筒体的筒壁上下分别设置两盖体，上盖体可沿筒壁将转载筒体与物料仓间隔离，下盖体打开可实现运矿车的物料装载，运矿车的封闭盖体有一机械臂15进行开启和闭合操作。机械道岔为上下分别设置弯曲工字梁的可旋转输送管道，机械道岔的两弯曲工字梁经过180度旋转可分别对接两装载位的导向滑轨轨道，将运矿车导入输送管道。输送管道的卸载平台端也设置机械道岔，运矿车16在卸载平台由机械臂17完成卸载物料后，经机械道岔变道进入空载输送管道返回。

如图6，该装有电机驱动舱的运矿车为运矿车停机故障补救方案，能够方便的解决电磁管道输送系统中出现的断电或其它原因导致的运矿车停机故障。电机驱动舱设置在运矿车后段的悬挂车轮组件18上，所述电机驱动舱包括一齿轮驱动电机19和一小型电源20，小型电源20与齿轮驱动电机19电连接并为齿轮驱动电机提供驱动力。齿轮驱动电机的驱动轮与悬挂车轮组件的一组车轮1驱动连接，该驱动轮为电绝缘轮。电机驱动舱还包括一无线信号发送装置21和无线通信信号控制的电机驱动开关，电机驱动开关位于金属板的后端，用于实现齿轮电机的无线控制驱动。

如图7，每一列同时运行的运矿车将由各自的现场控制系统加以控制，如果整个管道运行回路上有N组运矿车列，包括返回管道，则至少需要N个现场控制系统。现场控制系统包括三相绕组线圈，三相逆变器，数字信号处理器，位置检测信号以及来自中央控制器的输入控制信号。三相绕组线圈由A，B，C三相线圈组成。由位置检测系统精确测量运矿车与电机绕组线圈的相对位置，并参考来自中央控制器的输入控制信号，经由数字信号处理器对三相逆变器进行开关控制，改变三相线性同步电机绕组线圈的电流大小，相位和频率，从而控制运矿车车速。

运输作业时，可以将2-5辆运矿车首尾依次连接后送入输送管道进行物料输送，采用多个装载机构在规定的时间间隔10秒种之内，对一列五个运矿车同时进行装载，测试物料为大小不同的混合煤炭颗粒，最大直径为5厘米，经实验表明，该电磁管道运输系统的运行成本仅为货车运送成本的四分之一，同时能够实现电气自动控制，长时间运行平稳，按每10秒钟发送一运矿车，运矿车的直径为60厘米，其运载能力为300万吨/年，能够满足电厂或大型煤炭输送的需要。

Claims (14)

1.一种电磁管道运输系统，包括输送管道和运矿车，其特征在于所述输送管道内设置线性同步电机线圈和运矿车悬挂轨道，运矿车上设置有永磁体和用于悬挂的车轮，运矿车通过其永磁体与线性同步电机线圈作用产生的推进力在输送管道内运动，所述运矿车悬挂轨道和运矿车上用于悬挂的车轮将运矿车悬挂并限位设置，实现运矿车携带物料在输送管道内的输送。

2.根据权利要求1所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述输送管道为一运载输送管道和空载输送管道构成的输送回路，其一端设置物料装载平台，另一端设置物料卸载平台，物料装载平台和物料卸载平台高于输送管道输送线路，物料装载平台的输送管道端为斜向设置，在运矿车装载物料后沿斜向下输送管道加速运行时，由于车重在运行方向的分力作用，在更短时间和距离内将运矿车加速到巡航运行速度。

3.根据权利要求1所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述输送管道的内壁间隔安装三相线性同步电机线圈，每相线圈绕组由单根电缆循环绕制而成，所述输送管道全部由平直管道模组拼接而成，并由平直管道模块以小角度偏移来拟合弯道曲线。

4.根据权利要求3所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述输送管道内线性同步电机线圈间的安装距离为30～60米，最佳为50米，所述每个平直管道模组的长度为4～10米，最佳为6.25米。

5.根据权利要求1所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述运矿车包括一圆筒形的物料运载舱，物料运载舱的上端面设置有密闭盖体，盖体与物料运载舱间设置电磁锁和铰接端，物料运载舱的另一端面设置有永磁体阵列。

6.根据权利要求1所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述运矿车悬挂轨道为输送管道内壁固定设置的工字钢梁，所述运矿车的前后设置有两组车轮，该两组车轮装设在工字钢梁的左右两轨道内，所述工字钢梁的两侧分别设置导向滑轨，运矿车的前后两侧分别设置滑轮与导向滑轨配合，运矿车通过两组车轮和滑轮悬挂在输送管道内。

7.根据权利要求6所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述工字钢梁的上端与输送管道壁固定，运矿车的前后设置的车轮为左右并列设置，左右车轮分别装配在工作梁的左右轨道内。

8.根据权利要求2所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述输送管道的装载平台端设置有复数个平行设置的装载位，所述各装载位通过轨道与输送管道连接，装载平台前后两端连接处设置有机械道岔，各装载位轮流将装载后的运矿车送入输送管道。

9.根据权利要求8所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述装载位处设置有装载机构，所述装载机构的上端为物料仓，下端设置一转载筒体，转载筒体的容积与运矿车容积相当，转载筒体的筒壁上下分别设置两盖体，上盖体可沿筒壁将转载筒体与物料仓间隔离，下盖体打开可实现运矿车的物料装载。

10.根据权利要求2所述的电磁管道运输系统，其特征在于输送管道的卸载平台端设置机械道岔，运矿车在卸载平台卸载物料后，经机械道岔变道进入空载输送管道返回。

11.根据权利要求8所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述机械道岔设有两段弯曲工字梁，都安装在一个旋转鼓上，相差180度角，鼓左右旋转半圈，可以将弯曲工字梁连接到所选择的装载平台，从而实现轨道切换。

12.根据权利要求1所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述单个运矿车的尾部或者运矿车列中最后一辆运矿车的尾部设置有一小型电机驱动装置，该驱动装置包括一齿轮电机，在运矿车发生停机故障后，驱动装置启动齿轮电机推送运矿车至线性同步电机线圈之上。

13.根据权利要求3所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述三相线性同步电机由现场控制系统控制，由位置检测系统精确测量运矿车与电机线圈的相对位置，并参考来自中央控制器的输入控制信号，经由数字信号处理器对三相逆变器进行开关控制，改变三相线性同步电机线圈的电流大小，相位和频率，从而控制运矿车车速。

14.根据权利要求13所述的电磁管道运输系统，其特征在于所述现场电机相位控制系统由中央控制系统调控，中央系统控制功能包括跟踪运矿车，指示现场控制模块，运输系统从一种停止状态开始起动，控制关闭运输系统，以及采用安全方式处理运输系统的故障，中央控制系统可以调控加减速，并且发送装载、卸载和维修支线操作指令。

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