机场行李托盘式分拣机节能分析

文/ 王长新唐成生苏福

2019年9月25日，习近平总书记亲自出席北京大兴国际机场投运仪式，对民航工作作出重要指示，要求建设以“平安、绿色、智慧、人文”为核心的“四型机场”，为中国机场未来发展指明了方向。其中，绿色机场是在全生命周期内实现资源集约节约、低碳运行、环境友好的机场[1]。《“十四五”民用航空发展规划》中提出预期指标，其中机场单位旅客能耗（千克标准煤）由0.948降低为0.853[2]。

托盘式分拣机是大中型枢纽机场行李处理系统中应用最广泛的核心分拣设备之一，其运行能耗的降低是绿色机场建设的重要方面。因此，有必要对机场行李托盘式分拣机进行系统原理分析，并进一步探讨可能的节能措施或方案，为机场行李托盘式分拣机的节能性优化提供指导，为“四型机场”建设及“十四五”民用航空发展规划指标达成提供技术基础。

一、托盘式行李高速自动分拣系统简介

机场行李自动处理系统是一套集机械传送、电气控制、信息管理、网络通信、工业监控等技术于一体，实现自动对机场行李进行快速准确分拣处理的机电一体化系统，是机场运营的核心保障系统和现代空港地勤设施重要的成套装备之一[3]。

机场行李自动处理系统主要类型有推臂式行李分拣系统、托盘式行李高速自动分拣系统、交叉带式行李高速自动分拣系统、ICS（Individual Carrier System）自动分拣系统等，其中以托盘式分拣机为核心集中分拣设备的托盘式行李高速自动分拣系统，是目前大中型枢纽机场中应用最广泛的行李自动处理系统。托盘式行李高速自动分拣系统主要组成包括离港值机系统、中转值机系统、托盘式分拣机、滑槽、转盘及早到系统等，如图1所示[4]，可见托盘式分拣机是该系统中最大的单体设备之一。因此，对托盘式分拣机进行节能分析，对托盘式行李高速自动分拣系统的节能设计具有重要指导意义。

图1 某机场托盘式行李高速自动分拣系统示意图

二、托盘式分拣机系统耗能分析

1.托盘式分拣机运行原理

托盘式分拣机接收由高速注入系统进入的行李，将行李输送至指定滑槽位置时，通过倾翻托盘的方式将行李卸载到指定滑槽，完成行李的自动分拣，其系统原理如图2所示[5]。由托盘式分拣机运行原理可知，从行李分拣耗能的角度分析，其主要能耗点在于行李的输送与行李的倾翻。

图2 托盘式分拣机系统原理示意图

2.机械系统耗能分析

托盘式分拣机主要由托盘组件、倾翻机构、运载小车及轨道系统组成，托盘组件安装在倾翻机构上，倾翻机构安装在运载小车上，运载小车首尾相连，通过导向轮及承载轮运行于轨道系统上，其中小车通常由直线电机驱动，托盘式分拣机主要典型结构如图3所示，小车典型基本结构如图4所示。

图3 托盘式分拣机主体结构示意图

图4 运载小车结构示意图

托盘式分拣机通过小车承载行李、托盘组件与倾翻机构在轨道上运行，实现行李的输送。因此，小车是行李输送运动能量的提供部件，也是输送能量的主要消耗部件，需对小车能量消耗形式进行分析。运载小车竖向力主要由承载轮承担，横向力主要由导向轮承担，小车在运行过程中小车间的拉压力由关节轴承及其销轴承担，由此可知，小车的能量消耗点主要有：（1）承载轮与轨道间的滚动摩擦耗能；（2）承载轮自身轴承摩擦耗能；（3）承载轮摆动销轴摩擦耗能；（4）导向轮与轨道间的滚动摩擦耗能；（5）导向轮自身轴承摩擦耗能；（6）关节轴及销轴承摩擦耗能。

托盘组件承载行李，当运行到指定分拣口位置时，倾翻机构带动托盘组件进行倾翻动作，使行李从托盘组件滑入滑槽，完成行李的卸载。因此，有必要对行李的倾翻动作进行耗能分析，主要分析对象为托盘组件及倾翻机构。

倾翻机构典型结构如图5所示，其驱动及传动组成包括：驱动电机、减速器、传动齿轮及滚轮导向槽等。据此，可分析倾翻机构耗能点有：（1）减速器传动效率耗能；（2）齿轮传动耗能；（3）齿轮轴支撑轴承摩擦耗能；（4）滚轮与滚轮轴摩擦耗能；（5）滚轮与导向槽摩擦耗能；（6）导向板转动销轴摩擦耗能。行李注入托盘组件后，托盘倾翻行李，可能会改变行李的重力势能，从而产生能量的消耗。

图5 倾翻机构结构示意图

以上对托盘式分拣机的主要机械结构进行了耗能分析，为机械系统节能方案的提出，确定了研究对象，提供了理论基础。

3.控制及电气系统耗能分析

由机械系统结构分析可知，托盘式分拣机运行驱动力源于直线电机及倾翻机构电机，因此控制系统能量损耗主要由直线电机及倾翻机构电机效率损耗产生。此外，控制或电气系统主要组成包括电机驱动器、变频器、网关、控制器及传感器等器件，也会消耗部分能量。其中，直线电机通常采用变频器驱动，由PLC发出控制指令，控制直线电机的启停及调速，其基本控制原理如图6所示。变频器作为工频电网到变频电网的转换器件，相对其他电子器件能量消耗，会产生较大的能量损耗（约5%）。

图6 直线电机控制原理示意图

三、节能措施或方案分析

1.机械系统节能分析

传动系统节能设计：（1）倾翻机构传动装置类型主要有齿轮传动及蜗杆传动等，在制造精度或传动比相同的条件下，蜗杆传动效率比齿轮传动效率更低[6]，因此从节能的角度，应优先采用齿轮传动更符合传动的节能设计，如图5所示结构；（2）滚动轴承与滑动轴承相比，摩擦阻力更小，效率更高，相比滑动轴承，滚动轴承启动和运转的摩擦力差别较小，采用滚动轴承相比滑动轴承的启动阻力更小[7]，从运转与启动过程节能的角度，应优先选用滚动轴承替代滑动轴承或优先采用滚动摩擦结构替代滑动摩擦结构，如倾翻机构滚轮结构及运载小车承载轮摆动销轴结构均为滑动摩擦结构，滚轮与导向槽之间为滚动摩擦结构；（3）串联传动系统的整体传动效率，是各传动机构传动效率的乘积，所以应尽可能降低传动系统的复杂程度，减少传动机构的数量，从而减少能量的损耗；（4）倾翻机构减速器通常为标准采购件，设计时只需根据技术要求进行选用，可优先选用高效率的减速器，从而使系统更节能；（5）提高零部件的加工工艺，减少因零部件的加工水平导致的能耗的增加，如导向板转动销轴结构、滚轮与导向槽结构等，当加工精度不足，表面粗糙度过大等，均会增大摩擦阻力，导致能耗的增加。

维护保养节能：（1）机械系统在使用过程中，各部位之间一定会发生相应的摩擦，如导向板转动销轴结构间的磨损，以及将滚轮与导向槽结构间的摩擦等，如果不注重对托盘式分拣机的定期检修，使得各部位之间长期处于工作状态，使其摩擦力增大，那么必然会增加运行功率，增加运行过程中的电能损耗。因此，需要重视日常检修及保养工作，通过定期的故障排查和零部件设备更换，对易磨损的部位进行润滑，减少托盘式分拣机运行中各部位之间的摩擦，从而达到降低能耗的目的；（2）可采用先进的监测设备，对托盘式分拣机的运行能耗进行实时观察，当托盘式分拣机在运行过程中出现异常的电能消耗情况，就及时组织人员进行检查维护。

2.控制系统节能分析

在运行控制模式节能方面：（1）快慢循环控制是采用变频器来控制运行的速度，当有行李注入时，以额定速度运行，当在一段时间内没有检测到行李注入时，开始减速转为低速运行，进入待机运行状态；（2）快慢停循环是采用变频器来控制运行的速度，当有行李导入时，以额定速度运行，当在一段时间内没有检测行李注入时，开始减速转为低速运行，当再过一段时间仍没检测到行李导入时，开始进入停止运行状态，进一步提高节能率；（3）间歇运行循环，当有行李导入时，以额定速度运行，当过一段时间仍没检测到行李导入时，直接进入停止运行状态，其节电比较明显，但由于启动和停止过于频繁，可能会使托盘式分拣机机械磨损明显增加，且起动电流过大也会对电网造成一定冲击。

通过节能运行控制带来的好处，除能够起到节能效果，还有如下优点：一是降低零部件更换费用，同时有利于延长托盘式分拣机的使用寿命。当设备长时间处于高速运转的状态，滚轮、齿轮、销轴等关键部件磨损加剧，最终需要更换。而更换这些部件的费用高、难度大，且会增加停机时间；二是减少机械部件磨损严重导致的故障率高、噪声大、各项安全参数超标，无法保证使用安全，甚至无法使用的情况发生。

在高效电机节能方面，电机作为托盘式分拣机运行的动力源，其能量消耗是最大的，其效率高低直接决定托盘式分拣机节能性能的高低，应选用高效率的电机取代低效率的电机。

在能量回馈节能方面，当系统减速时，电机处于发电运行状态，对于能耗制动模式，其再生的能量以热能的形式消耗在制动电阻上；而对于能量回馈技术模式，可将再生的能量回馈电网，从而起到节能效果。

在工频变频切换节能方面，在额定速度运行时，由50Hz的工频电源进行供电，变频器不投入运行。当在无行李注入一定时间后，将由工频电源供电切换到变频器供电，从而使托盘式分拣机进行低速运行或停止运行，从而达到节能的目的。当有行李再次注入时，由变频器供电，托盘式分拣机运行加速到额定速度，当到达额定速度后，由变频器供电切换到工频电源供电运行。工频变频切换节能技术的优点，是实现额定速度运行时采用工频电源供电，额定速度以外的状态采用变频器供电，减少了额定速度下变频器的能量转换损失，提高了效率。无行李时低速运行或停止，采用变频控制，使系统平稳调速，对机械系统的冲击较小。

四、结论

通过对托盘式分拣机的运行及结构原理分析，从机械系统、控制与电气系统角度，分别研究耗能点，并进一步探讨了机械、控制与电气方面的节能措施或方案，从而分析得出，机械系统的主要节能措施或方案主要有传动系统节能设计与维护保养节能，控制或电气系统节能措施或方案主要有：运行控制模式节能、高效电机节能、能量回馈节能、工频变频切换节能，为托盘式分拣机的节能设计、节能运行及维护提供了技术改进方向。