棉花铁路运输环境条件下棉花回潮率变化测试试验
2019年08月01日        国家棉花加工工程技术研究中心

  按照试验项目要求,项目组在铁路系统内首次对棉花运输车内、包内相关数据如:温度、湿度、回潮率等进行系统测试。按照不同季节、不同发送车站(南北疆)、车辆不同封堵方式,共进行了六次钢丝捆绑棉包运输过程环境条件测试工作(第一次2009年10月30日至11月14日,库尔勒-萧山西站;第二次2010年2月2日至2月18日,乌拉泊-天津张贵庄;第三次2010年5月4日至5月19日,乌拉泊-无锡南;第四次2010年6月17日至7月13日,阿克苏-泰州西站;第五次2010年8月6日至20日,乌鲁木齐北站-岳阳北站;第六次2010年11月14日至11月28日,米泉-许昌),取得了大量的数据,为研究棉包在铁路运输过程中温度、湿度、回潮率波动变化提供了数据支撑。

  一、测试技术简介

  (一)车内、车外环境温、湿度测试

  车内、车外环境温、湿度测试都采用洪昌科技有限公司生产的HC-02型温湿度测试仪,图1。

                    

  车内环境测试仪器在车内布置位置如图2所示,每车18个测点,放置在车厢壁或棉包上。

                    

  (二)棉包内温、湿度测试

  由于棉包是在400吨压力下打包完成的,密度很大,很难把测试仪器直接埋入棉包内,项目组经过深入研究,先后采取了三种作业方式(手工掏包埋入仪器、打孔埋入仪器、轧花厂打包时直接埋入仪器),具体如下:

  1、在棉包上手工掏包并埋入仪器作业方式

  第一次测试时棉包内温、湿度测试采用铁科院运经所、中国棉花协会棉花加工分会、安徽财贸学院联合联合研发的MWS-12型温湿度测试仪及数据接收器,仪器参数如下。

  每车布置12套温湿度测试仪及一套数据接收器,温湿度测试仪器获得的数据采用无线传输方式发送到数据接收器,由数据接收器记录并保存。

                    

  包内温湿度测试仪在车内布置位置如图4所示,仪器埋入棉包采取人工掏包后再埋入仪器的作业方式,作业深度30cm和60cm两种,由于此作业方式是采取原始的人工掏挖——棉花回填——复包的作业方式,图5所示,效率极低,平均掏挖一个30cm深的洞需要2小时以上。

                    

  2、采用专用工具在棉包上打孔埋入仪器作业方式

  第一次测试试验取得了一定的预期效果,但也暴露出了一些问题,主要体现在作业效率低,需要的作业人员多,埋放位置的棉包密度与实际棉包密度有一定差距,密封性也较差,不能完全反映棉包内的实际(压力及密度等)情况。所以,第一次测试后,项目组对测试仪器埋放方式进行了研究,借鉴中纤局承担的科技部项目《棉包分层温度与回潮率检测项目》采用的仪器埋包作业方式,项目组在第二次测试中采取打孔埋入仪器的作业方式,并研发了专用作业工具,图6。测试仪器则采用HC-02型温湿度测试仪(与车内环境温湿度测试仪器一样)。打孔作业过程见图7。

                    

                    

  现场作业时实测一套仪器埋入棉包内作业时间大约为5分钟,由于棉包内压力很大,套管取出后,几秒钟之内孔径就缩小到完全把探头导线紧紧包裹,测试探头完全埋入棉包内,测试点条件与棉包内实际情况基本一致。为分析棉包不同深度对温湿度变化的影响,同一棉包按30cm、10cm两种深度各埋入一组测试仪器,两者间距10cm。

  3、轧花厂打包时在棉包内埋入仪器作业方式

  在第六次测试中,项目组采取了在轧花厂打包作业时埋入测试仪器的作业方式,图8,实现了与棉包内部实际环境完全一致的测试条件。

                    

  (三)回潮率测试

  测试棉包回潮率在运输前后的变化规律对研究棉花燃烧特性更有意义,但目前还没有合适的测试仪器,项目组进行科研攻关,研发了世界上首创的能够不开包实时测试棉包回潮率的仪器(MBS型棉包温度水分巡回检测装置)和便携式回潮率测试仪器(MBS型原棉打包水分测定仪),2010年3月在衡水棉花试验基地进行了试验,并在第四次测试中正式使用。

                    

                    

                    

  (四)棉包状态在途实时监测

  为确保测试车组发生火灾时测试数据能够保留下来,项目组提出了基于无线传感器网络的铁路运输中棉花状态在途监测方案。通过在棉包内、棉包间部署传感器节点,实时检测棉花在运输过程中的温度、湿度及回潮率状态,同时对列车进行定位,并将检测数据信息及时发送到地面系统,实现对棉花运输在途状态的实时跟踪及监测,及时、准确的掌握棉花运输过程中温、湿度及回潮率状态。

  系统由温湿度传感器、回潮率传感器、GPS定位传感器、车载网关及地面应用系统组成,主要功能包括实时接收监控信息、数据分析及存储、监控画面实时刷新、历史信息查询、绘制历史数据曲线、历史数据分析等。

                    

  布置在棉花运输棚车内的多个车内温湿度传感器、回潮率传感器及GPS定位模块同车载网关共同构成了车内无线传感器网络,是本系统最底层的网络部分,由2.4G频段的传感器节点连在一起的射频节点组成。各个车载传感器通过此网络将实时采集的温湿度、回潮率数据汇聚到车载网关。车上安装GPS定位模块,能够定时将地理位置信息和时间信息通过车内无线网络发送到车载网关。

                    

                    

  在本系统中,车载网关占有至关重要的地位,将收到的多节点的温湿度值、回潮率值及地理位置信息打包后利用GPRS模块通过Internet网络实时发送到地面应用系统,是车载监测数据能否及时传输到地面系统的关键。

                    

  从第三次测试项目组引入棉花在途实时监测系统以后,实现了在北京即可实时读取试验车在途的测试数据。在以后测试中,每次共在8辆棚车内安装96套包内温湿度测试仪器、144套车内环境测试仪器、2套车外环境测试仪器、48套回潮率测试仪器、12套带无线传输装置的车内环境测试仪器、3套带无线传输装置的回潮率测试仪器以及两套GPS定位系统,实现了部分棉包内温湿度和回潮率、车内温湿度、试验列车位置、试验列车速度等试验数据异地实时读取。

                    

  二、六次测试结果分析

  棉花经新疆运输至内地过程中,途经新疆、甘肃、陕西、山西、河南、安徽、江苏、湖北等。耸涫奔浯蟛糠衷7天以上,运距较长,沿途气候变化显著。其中一次测试部分数据见图19、图20、图21所示。

                    

  (一)测试结果显示:车内环境温、湿度受车外环境变化影响很大,夏季试验时在新疆境内测得车内最高温度达到66.21℃(第四次测试,2010年6月23日,阿克苏),冬季试验时在甘肃境内测得最低温度-21.24℃(第二次测试,2010年2月12日,甘肃)。车内最大相对湿度可达100%。

  (二)同一测点测试结果显示:车内环境温、湿度在每一天都有显著变化,测得的最高、最低温度在24小时内差值最大可达50℃,相对湿度差值则在60%以上;温度、湿度在每一天出现极值时对应的时间一致(如:温度最高点总是与湿度的最低点时间一致)。

  按装载方案每车平均装载186个227kg标准棉包,棉包体积占棚车容积接近80%,车内棉包装载十分紧密,在这种装载条件下,综合比较不同车型及门窗封堵方式条件下测试数据,结果显示:位于车厢内中部位置(2、4、8、10点)的测点,由于空气流动较。獾阒鼙呋肪车奈、湿度变化值较车厢上部、侧壁位置测点数据变化较少,而靠近车厢侧壁及顶部位置测点受车外环境影响较大,数据变化明显。

  (三)六次测试共对576个棉包内的温湿度变化情况进行了测试,结果显示:即使棉包周边环境温度、湿度变化显著,棉包内测得的温、湿度数据变化值仍然很。蟛糠植獾阄露炔馐灾翟谠耸淙绦∮5℃、相对湿度波动值小于5%,个别测点(数量少于10%)温湿度测试值变化略大,但温度变化值在运输全程中也小于10℃,相对湿度波动值小于10%。

  手工掏包、打孔置入、轧花厂打包时直接埋入传感器三种作业方式获得的棉包内温度、湿度、回潮率测试数据变化值都很。啾扔谇傲街肿饕捣绞,采用轧花打包时直接埋入测试仪器作业方式取得的大部分温湿度、回潮率数据变化更。夹蜗允炯负跷毕。

  测试结果还显示:运输期间棉包内测试数据几乎不受测点位置影响,也不受装载车型及车门窗是否封堵等因素影响,说明在一个运输时间段内测点周边环境条件变化不足以对棉包内测试数据产生较大影响。

  (四)棉包内的棉花回潮率测试结果显示:所有测点的棉花回潮率在运输全程中波动值均不大于5%,大部分测点测试值在运输全程中几乎没有变化。

  (五)由于棉包是在400吨压力下打包成型,棉包密度达到440kg/m3,在六次测试中未发现包内仪器埋放深度(10cm和30cm两种)对测试结果有明显影响。