高爐鐵水罐對(duì)位電力牽引車開發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程優(yōu)化

謝皚

（湖南漣鋼機(jī)電設(shè)備制造有限公司，湖南 婁底 417009）

0 引言

目前，國內(nèi)外鋼鐵廠高爐鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)用的基本是內(nèi)燃機(jī)車，因其快捷，運(yùn)行范圍大，高爐下對(duì)罐方便而應(yīng)用廣泛。但高爐下對(duì)罐、各出鐵口的鐵水集中牽引時(shí)機(jī)車的等待時(shí)間較長(zhǎng)，燃油消耗多；等待過程中鐵水熱量大量散發(fā)，致使鐵水溫度降低不少，鐵水溫度達(dá)不到（或者損耗了）入轉(zhuǎn)爐時(shí)的溫度要求，延長(zhǎng)了煉鋼的冶煉時(shí)間；同時(shí)需要專人到出鐵口下指揮機(jī)車對(duì)罐，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)系數(shù)均比較大。為解決相關(guān)問題，提高公司產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，以對(duì)位電力牽引車代替內(nèi)燃機(jī)車對(duì)罐，逐漸在各鋼廠開始使用。本文就本公司開發(fā)設(shè)計(jì)高爐鐵水罐對(duì)位電力牽引車及優(yōu)化的主要情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 初步設(shè)計(jì)開發(fā)及相應(yīng)指標(biāo)選用和優(yōu)化

2016 年底，我公司受漣鋼集團(tuán)公司物管中心及有關(guān)部門的委托，根據(jù)漣鋼各管理部門提供的技術(shù)參數(shù)并依據(jù)煉鐵廠現(xiàn)場(chǎng)鐵水罐測(cè)試的參數(shù)，參照湘鋼、鞍鋼鐵水罐電力牽引車的情況，開始著手開發(fā)設(shè)計(jì)適用于本公司現(xiàn)場(chǎng)的鐵水罐電力牽引車。

因我公司3 座高爐多個(gè)出鐵口共23 條出鐵軌道，若每條出鐵軌道增設(shè)一臺(tái)鐵水罐電力牽引車的成本太大，電力牽引車產(chǎn)品使用率太低，故考慮每二條出鐵軌道共用一臺(tái)電力牽引車，電力牽引車的總使用數(shù)量將控制在12 臺(tái)左右，電力牽引車在內(nèi)燃機(jī)車的帶動(dòng)下應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)換道功能。

電源選用及對(duì)比：①蓄用池供電：供電穩(wěn)定，機(jī)車運(yùn)行平衡，維護(hù)方便，但使用的容量有限，蓄用池組貯存的電量也有限，難以滿足電力牽引車較大容量電機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，故不在考慮之列；②直流供電：供電穩(wěn)定，機(jī)車運(yùn)行平衡，但運(yùn)行維護(hù)難度較大，投資費(fèi)用較大；③交流供電：供電方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用少，但電源稍有波動(dòng)，機(jī)車運(yùn)行欠平衡。綜合考慮交流直流供電，我們決定使用三相四線交流380V 電源供電。

啟動(dòng)、減速及調(diào)速。因測(cè)算后機(jī)車帶的最大負(fù)荷達(dá)1800t，系統(tǒng)所需的啟動(dòng)力矩大，不能采用直接啟動(dòng)，而軟啟動(dòng)器啟動(dòng)又不能進(jìn)行調(diào)速，故采用變頻器進(jìn)行啟動(dòng)控制和調(diào)整速度。考慮到系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，機(jī)車運(yùn)行的速度不宜過快，系統(tǒng)采用減速箱進(jìn)行減速。

最終設(shè)計(jì)開發(fā)出簡(jiǎn)單的“一代”高爐鐵水罐對(duì)位電力牽引車：車架利用物管中心的舊車架進(jìn)行改造，考慮到電源的穩(wěn)定性和使用方便性，我們選用三相四線交流380V 電源，電纜轉(zhuǎn)筒供電；2 臺(tái)55kW 變頻器分別控制2 臺(tái)45kW 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速箱降速。遙控器與機(jī)車車身二地操作。經(jīng)過近半年的設(shè)計(jì)制作與現(xiàn)場(chǎng)使用，該對(duì)位電力牽引車牽引力基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)測(cè)試最大值達(dá)到了2000t，但操作功能僅限前進(jìn)、后退、停止。操作功能簡(jiǎn)單，性能不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，需進(jìn)一步優(yōu)化。

2 進(jìn)一步設(shè)計(jì)及優(yōu)化

（1）初步優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，初步優(yōu)化方面增加了操作臺(tái)操作、一鍵對(duì)位功能。操作方面增加了操作臺(tái)操作，由電纜轉(zhuǎn)筒將控制部分的線路引入車頭操作電源箱，然后將電纜鋪設(shè)至高爐操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車體、遙控、操作臺(tái)三地操作。由于考慮操作的安全可靠性，三地操作設(shè)定了優(yōu)先等級(jí)：車身操作優(yōu)先等級(jí)排第一，不需要操作時(shí)轉(zhuǎn)換到優(yōu)先等級(jí)排第二的操作臺(tái)，而操作臺(tái)不需要操作后轉(zhuǎn)換到優(yōu)先等級(jí)排第三的遙控器操作，每一步操作都環(huán)環(huán)相扣。同時(shí)為使操作臺(tái)操作穩(wěn)妥可靠，相應(yīng)位置設(shè)置了監(jiān)控器，使操作可視化，操作起來更加穩(wěn)妥放心。由于鐵水罐間每次移動(dòng)的距離相同，我們便設(shè)計(jì)出只用按一個(gè)鍵啟動(dòng)電力牽引車，鐵水罐自動(dòng)前進(jìn)或者后退一個(gè)鐵水罐位置的一鍵對(duì)位功能，這大大節(jié)省了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高了操作的準(zhǔn)確度。通過分析對(duì)比光電開關(guān)、限位開關(guān)及編碼器，我們決定用編碼器來測(cè)算鐵水罐車移動(dòng)的距離，由PLC 來進(jìn)行控制電力牽引車，實(shí)現(xiàn)一鍵對(duì)位功能。通過設(shè)計(jì)制作與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，一鍵對(duì)位功能性能雖然達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但誤差有點(diǎn)大，鐵水罐間最大距離為1000mm，少數(shù)情況下會(huì)偏離至2000mm[1]。

（2）進(jìn)一步優(yōu)化精準(zhǔn)一鍵對(duì)位。由于系統(tǒng)精準(zhǔn)一鍵對(duì)位可以減少操作的次數(shù)，而定位的精程度又可以更準(zhǔn)地測(cè)算出鐵水的重量，從而優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。我們對(duì)位的精準(zhǔn)度被要求從±800mm提高到±200mm。

為精準(zhǔn)一鍵對(duì)位，我們經(jīng)歷了調(diào)整電機(jī)抱閘松緊、調(diào)整車廂掛鉤尺寸、調(diào)整鐵軌平整度、改用激光牌對(duì)位等，然而取得的效果非常有限，有的方案實(shí)施起來難度非常大。

筆者前期實(shí)踐中運(yùn)用的一鍵精準(zhǔn)對(duì)位方法如下：①通過調(diào)整電機(jī)抱閘松緊調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)度：因看到電力牽引車在停車后由于慣性仍然運(yùn)行一段距離，筆者首先想到的是通過調(diào)整電機(jī)抱閘的松緊來控制電力牽引車停車后運(yùn)行距離的長(zhǎng)短，從而控制一鍵對(duì)位的精準(zhǔn)度但經(jīng)過反復(fù)將電機(jī)抱閘從緊逐漸調(diào)到松或者是從松逐漸調(diào)到緊，一鍵對(duì)位的精準(zhǔn)度均不能出現(xiàn)正向或者負(fù)向變化，通過調(diào)整電機(jī)抱閘松緊調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)的方法宣告失??；②通過調(diào)整車廂掛鉤尺寸調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)度，因看到車廂掛鉤間聯(lián)接時(shí)存在不少間隙，而這些間隙就是造成電力牽引車在停車后由于慣性互相碰撞，引發(fā)一鍵對(duì)位誤差較大的直接原因之一，而車廂掛鉤間間隙處理起來非常不容量，重新做掛鉤成本太大，筆者嘗試用物品填充掛鉤間間隙，通過多次測(cè)試，電力牽引車后的反向拖拉帶起的誤差有所減小，但整體還遠(yuǎn)不夠要求，誤差仍有1000mm 左右；③通過調(diào)整鐵軌平整度調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)度，在運(yùn)行的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)鐵軌平整度參差不齊，在電力牽引車即將停止而電機(jī)抱閘未抱緊時(shí)，整車會(huì)隨著鐵軌的不平整而向前或者向后滑行一段距離，而這段滑行距離也是誤差不可忽視的存在，只是它不是引起誤差的主要原因，會(huì)引起誤差的疊加，考慮到平整鐵軌難度太大卻不能從從根本上解決誤差，我們放棄了此調(diào)整鐵軌平整度調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)方法；④改用激光牌對(duì)位調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)度，在電力牽引車的側(cè)面每隔一個(gè)鐵水罐的位置放置一塊激光牌，當(dāng)電力牽引車開至此位置時(shí)機(jī)車上的反光繼電器動(dòng)作，從而控制機(jī)車啟停，經(jīng)多次測(cè)試，此方法和編碼器控制誤差不多，且激光牌會(huì)受環(huán)境灰塵影響不靈或者失效，用激光牌對(duì)位調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)失敗。

在經(jīng)歷一系列的改變和嘗試均未能調(diào)節(jié)一鍵對(duì)位精準(zhǔn)度后，筆者重新調(diào)整了思路，進(jìn)一步方案分析比較與運(yùn)動(dòng)分析，覺得精確對(duì)位的關(guān)鍵因素在于運(yùn)動(dòng)速度，停車時(shí)車的速度越慢，運(yùn)動(dòng)軌跡更可調(diào)，誤差更小。于是我們?nèi)杂迷瓉淼木幋a器和PLC 測(cè)試反饋調(diào)整對(duì)位，筆者先將電力牽引車的啟動(dòng)和停止的速度進(jìn)行了臺(tái)階調(diào)小，經(jīng)多次測(cè)試后誤差有一定的減小，車廂掛鉤間的碰撞也明顯減小，于是經(jīng)過多次嘗試，將電機(jī)進(jìn)行的多臺(tái)階調(diào)速，啟動(dòng)時(shí)速度從零經(jīng)幾級(jí)進(jìn)行加速，達(dá)到恒定速度，恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間，電機(jī)再進(jìn)行多臺(tái)階減速，直到減速到零。這樣電力牽引車的起動(dòng)、運(yùn)行到停止，整個(gè)過程都比較平穩(wěn)，于是一健對(duì)位精準(zhǔn)度便奇跡般達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)的要求。一般的誤差度在±100mm，經(jīng)常出現(xiàn)近似零偏差，較好地實(shí)現(xiàn)了一鍵對(duì)位優(yōu)化精準(zhǔn)任務(wù)。

3 固化成熟

經(jīng)過近三年時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行與整改，系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，技術(shù)趨于成熟，同時(shí)，筆者還在以下方面進(jìn)行了加強(qiáng)。

（1）為解決運(yùn)行時(shí)因震動(dòng)造成一、二次線震松的失靈故障，我們采取定檢時(shí)將所有螺母全部緊一遍的方法，不斷強(qiáng)化電氣之間的接觸。電氣元件之間的聯(lián)接部分，會(huì)隨著電力牽引車運(yùn)行，受到電磁震動(dòng)的影響、車廂掛鉤間的碰撞的影響和機(jī)車拖掛電力牽引車時(shí)碰撞的影響而松動(dòng)，從而引起操作失靈，增加電力牽引車的故障率，我們?cè)谥軝z或月檢時(shí)將其解決在萌芽狀態(tài)。

（2）為解決操作臺(tái)距離太遠(yuǎn)操作信號(hào)轉(zhuǎn)弱問題我們將控制電纜盡量選擇較大面積，控制電壓用交流220V，電纜選用屏蔽電纜。操作臺(tái)控制電壓信號(hào)原來用的是直流24V 電壓，信號(hào)常因減弱出現(xiàn)操作無任何反應(yīng)的現(xiàn)象，考慮到傳輸距離有300m 以上，我們將控制電纜截面由1.5mm2改成2.5mm2，控制電壓改到了交流220V，并且加了屏蔽層，這樣線損大大減少，信號(hào)也穩(wěn)定可靠，再未出現(xiàn)類似不能操作現(xiàn)象。

（3）為解決強(qiáng)弱電之間的干擾，筆者將相應(yīng)元器件按強(qiáng)弱電分開布置，能不共管鋪設(shè)的盡量不共管鋪設(shè)，電纜加置屏蔽層。在操作系統(tǒng)沒有反應(yīng)的故障中，我們通過排查發(fā)現(xiàn)部分故障是由于強(qiáng)弱電之間的相互干擾產(chǎn)生的，在盡力將強(qiáng)弱電部分分開布置和處理后，相應(yīng)故障同時(shí)得以處理，為此我們將后續(xù)生產(chǎn)的電力牽引車的電氣部分全部重新進(jìn)行布置和處理，強(qiáng)弱電部分分開布置和處理，后續(xù)生產(chǎn)的電力牽引車基本未出現(xiàn)因強(qiáng)弱電之間的干擾而產(chǎn)生故障。

（4）為解決元器件的經(jīng)久耐用和可靠性問題，筆者將部分元器件選用國際一線品牌，另一些元器件國內(nèi)一線品牌。元器件的品牌關(guān)系到元器件的質(zhì)量穩(wěn)定性和使用壽命，按鈕、信號(hào)燈等曾用的是國產(chǎn)二線品牌，故障率很高，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)，在改用國產(chǎn)一線品德或者進(jìn)口一線品牌后故障率大大降低，變頻器曾用一家國產(chǎn)二線品牌，電力牽引車啟動(dòng)困難抖動(dòng)厲害，且運(yùn)行過程伴隨一定的抖動(dòng)，變頻器在更換成國產(chǎn)一線品牌后，故障現(xiàn)象消失，而核心器件PLC 和編碼器則用國際一線品牌西門子，三大高爐大12 臺(tái)電力牽引車運(yùn)行多年，很少出現(xiàn)需要更換元器件情況。

（5）為解決電力牽引車運(yùn)行過程的安全可靠性，筆者在前進(jìn)與后退的極限限位設(shè)置了多重保護(hù)，確保電力牽引車運(yùn)行不超相應(yīng)位置。為防止電力牽引車后退過極限位置碰撞到防撞墻，我們?cè)O(shè)置了三重限位：①程序控制限位，到位后停車，僅現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作才能繼續(xù)后退；②機(jī)械限位，電力牽引車后退碰觸后控制電源斷電，變頻器失電而停車；③極限機(jī)械限位，防止程序出現(xiàn)失誤或輸出接觸器“粘死”而繼續(xù)后退，觸發(fā)后主電源斷開，系統(tǒng)需要到現(xiàn)場(chǎng)將相關(guān)回路短接（控制柜設(shè)短接按鈕）才能恢復(fù)。為防止電力牽引車前進(jìn)過極限位置拉斷電纜或者電力牽引車被鋼水燒毀，筆者設(shè)置了三重限位：①裝于電纜轉(zhuǎn)筒處的機(jī)械限位，到位后觸發(fā)運(yùn)作電源斷電面停車；②PLC 程序設(shè)置運(yùn)行時(shí)間，超過時(shí)間自動(dòng)停車；③編碼器PLC 程序設(shè)置運(yùn)行距離，到極限距離后自動(dòng)停車。在多重保護(hù)下，沒出現(xiàn)過電力牽引車超出前進(jìn)后退極限限位的情況。

（6）規(guī)范操作，防止內(nèi)燃機(jī)車拖拉電力牽引車時(shí)不正確操作損壞相應(yīng)部件。相應(yīng)操作人員應(yīng)經(jīng)培訓(xùn)合格后上崗；在內(nèi)燃機(jī)車拖拉電力牽引車時(shí)防過度碰撞，防止未松抱閘拖電力牽引車，拖拉電力牽引車時(shí)不應(yīng)超過相應(yīng)的速度，防止損壞減速箱，拖拉電力牽引車完畢應(yīng)及時(shí)恢復(fù)抱閘并及時(shí)脫鉤。

4 結(jié)語

隨著高爐鐵水罐對(duì)位電力牽引車在多家公司的良好應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益已明顯顯現(xiàn)，已有多家單位技術(shù)及管理人員向我公司詳細(xì)咨詢并到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參觀考察學(xué)習(xí)。同時(shí)也有多家單位開始著手改變?cè)瓉淼南到y(tǒng)，用對(duì)位電力牽引車代替內(nèi)燃機(jī)車對(duì)罐，邀約我公司參與招標(biāo)投標(biāo)。電力牽引車代替內(nèi)燃機(jī)車對(duì)罐將得以在各大鋼廠推廣使用。