高爐鐵水罐對位電力牽引車開發設計與應用過程優化

謝皚

（湖南漣鋼機電設備制造有限公司，湖南 婁底 417009）

0 引言

目前，國內外鋼鐵廠高爐鐵水轉運用的基本是內燃機車，因其快捷，運行范圍大，高爐下對罐方便而應用廣泛。但高爐下對罐、各出鐵口的鐵水集中牽引時機車的等待時間較長，燃油消耗多；等待過程中鐵水熱量大量散發，致使鐵水溫度降低不少，鐵水溫度達不到（或者損耗了）入轉爐時的溫度要求，延長了煉鋼的冶煉時間；同時需要專人到出鐵口下指揮機車對罐，人員的勞動強度及危險系數均比較大。為解決相關問題，提高公司產品的競爭力，以對位電力牽引車代替內燃機車對罐，逐漸在各鋼廠開始使用。本文就本公司開發設計高爐鐵水罐對位電力牽引車及優化的主要情況進行簡單介紹。

1 初步設計開發及相應指標選用和優化

2016 年底，我公司受漣鋼集團公司物管中心及有關部門的委托，根據漣鋼各管理部門提供的技術參數并依據煉鐵廠現場鐵水罐測試的參數，參照湘鋼、鞍鋼鐵水罐電力牽引車的情況，開始著手開發設計適用于本公司現場的鐵水罐電力牽引車。

因我公司3 座高爐多個出鐵口共23 條出鐵軌道，若每條出鐵軌道增設一臺鐵水罐電力牽引車的成本太大，電力牽引車產品使用率太低，故考慮每二條出鐵軌道共用一臺電力牽引車，電力牽引車的總使用數量將控制在12 臺左右，電力牽引車在內燃機車的帶動下應可以實現換道功能。

電源選用及對比：①蓄用池供電：供電穩定，機車運行平衡，維護方便，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較長時間的運行，故不在考慮之列；②直流供電：供電穩定，機車運行平衡，但運行維護難度較大，投資費用較大；③交流供電：供電方便，維護簡單，投資費用少，但電源稍有波動，機車運行欠平衡。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、減速及調速。因測算后機車帶的最大負荷達1800t，系統所需的啟動力矩大，不能采用直接啟動，而軟啟動器啟動又不能進行調速，故采用變頻器進行啟動控制和調整速度。考慮到系統安全性和穩定性，機車運行的速度不宜過快，系統采用減速箱進行減速。

最終設計開發出簡單的“一代”高爐鐵水罐對位電力牽引車：車架利用物管中心的舊車架進行改造，考慮到電源的穩定性和使用方便性，我們選用三相四線交流380V 電源，電纜轉筒供電；2 臺55kW 變頻器分別控制2 臺45kW 驅動電機，減速箱降速。遙控器與機車車身二地操作。經過近半年的設計制作與現場使用，該對位電力牽引車牽引力基本達到了設計的要求，經測試最大值達到了2000t，但操作功能僅限前進、后退、停止。操作功能簡單，性能不能滿足現場需要，需進一步優化。

2 進一步設計及優化

（1）初步優化。根據現場需要，初步優化方面增加了操作臺操作、一鍵對位功能。操作方面增加了操作臺操作，由電纜轉筒將控制部分的線路引入車頭操作電源箱，然后將電纜鋪設至高爐操作臺，實現車體、遙控、操作臺三地操作。由于考慮操作的安全可靠性，三地操作設定了優先等級：車身操作優先等級排第一，不需要操作時轉換到優先等級排第二的操作臺，而操作臺不需要操作后轉換到優先等級排第三的遙控器操作，每一步操作都環環相扣。同時為使操作臺操作穩妥可靠，相應位置設置了監控器，使操作可視化，操作起來更加穩妥放心。由于鐵水罐間每次移動的距離相同，我們便設計出只用按一個鍵啟動電力牽引車，鐵水罐自動前進或者后退一個鐵水罐位置的一鍵對位功能，這大大節省了操作者的勞動強度和提高了操作的準確度。通過分析對比光電開關、限位開關及編碼器，我們決定用編碼器來測算鐵水罐車移動的距離，由PLC 來進行控制電力牽引車，實現一鍵對位功能。通過設計制作與現場測試，一鍵對位功能性能雖然達到預期目標，但誤差有點大，鐵水罐間最大距離為1000mm，少數情況下會偏離至2000mm[1]。

（2）進一步優化精準一鍵對位。由于系統精準一鍵對位可以減少操作的次數，而定位的精程度又可以更準地測算出鐵水的重量，從而優化經濟指標。我們對位的精準度被要求從±800mm提高到±200mm。

為精準一鍵對位，我們經歷了調整電機抱閘松緊、調整車廂掛鉤尺寸、調整鐵軌平整度、改用激光牌對位等，然而取得的效果非常有限，有的方案實施起來難度非常大。

筆者前期實踐中運用的一鍵精準對位方法如下：①通過調整電機抱閘松緊調節一鍵對位精準度：因看到電力牽引車在停車后由于慣性仍然運行一段距離，筆者首先想到的是通過調整電機抱閘的松緊來控制電力牽引車停車后運行距離的長短，從而控制一鍵對位的精準度但經過反復將電機抱閘從緊逐漸調到松或者是從松逐漸調到緊，一鍵對位的精準度均不能出現正向或者負向變化，通過調整電機抱閘松緊調節一鍵對位精準的方法宣告失敗；②通過調整車廂掛鉤尺寸調節一鍵對位精準度，因看到車廂掛鉤間聯接時存在不少間隙，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，引發一鍵對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，但整體還遠不夠要求，誤差仍有1000mm 左右；③通過調整鐵軌平整度調節一鍵對位精準度，在運行的過程中，筆者發現鐵軌平整度參差不齊，在電力牽引車即將停止而電機抱閘未抱緊時，整車會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，我們放棄了此調整鐵軌平整度調節一鍵對位精準方法；④改用激光牌對位調節一鍵對位精準度，在電力牽引車的側面每隔一個鐵水罐的位置放置一塊激光牌，當電力牽引車開至此位置時機車上的反光繼電器動作，從而控制機車啟停，經多次測試，此方法和編碼器控制誤差不多，且激光牌會受環境灰塵影響不靈或者失效，用激光牌對位調節一鍵對位精準失敗。

在經歷一系列的改變和嘗試均未能調節一鍵對位精準度后，筆者重新調整了思路，進一步方案分析比較與運動分析，覺得精確對位的關鍵因素在于運動速度，停車時車的速度越慢，運動軌跡更可調，誤差更小。于是我們仍用原來的編碼器和PLC 測試反饋調整對位，筆者先將電力牽引車的啟動和停止的速度進行了臺階調小，經多次測試后誤差有一定的減小，車廂掛鉤間的碰撞也明顯減小，于是經過多次嘗試，將電機進行的多臺階調速，啟動時速度從零經幾級進行加速，達到恒定速度，恒定速度運轉一定的時間，電機再進行多臺階減速，直到減速到零。這樣電力牽引車的起動、運行到停止，整個過程都比較平穩，于是一健對位精準度便奇跡般達到了現場的要求。一般的誤差度在±100mm，經常出現近似零偏差，較好地實現了一鍵對位優化精準任務。

3 固化成熟

經過近三年時間的現場運行與整改，系統逐漸穩定，技術趨于成熟，同時，筆者還在以下方面進行了加強。

（1）為解決運行時因震動造成一、二次線震松的失靈故障，我們采取定檢時將所有螺母全部緊一遍的方法，不斷強化電氣之間的接觸。電氣元件之間的聯接部分，會隨著電力牽引車運行，受到電磁震動的影響、車廂掛鉤間的碰撞的影響和機車拖掛電力牽引車時碰撞的影響而松動，從而引起操作失靈，增加電力牽引車的故障率，我們在周檢或月檢時將其解決在萌芽狀態。

（2）為解決操作臺距離太遠操作信號轉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。操作臺控制電壓信號原來用的是直流24V 電壓，信號常因減弱出現操作無任何反應的現象，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，信號也穩定可靠，再未出現類似不能操作現象。

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

（4）為解決元器件的經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，另一些元器件國內一線品牌。元器件的品牌關系到元器件的質量穩定性和使用壽命，按鈕、信號燈等曾用的是國產二線品牌，故障率很高，嚴重影響了生產，在改用國產一線品德或者進口一線品牌后故障率大大降低，變頻器曾用一家國產二線品牌，電力牽引車啟動困難抖動厲害，且運行過程伴隨一定的抖動，變頻器在更換成國產一線品牌后，故障現象消失，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 臺電力牽引車運行多年，很少出現需要更換元器件情況。

（5）為解決電力牽引車運行過程的安全可靠性，筆者在前進與后退的極限限位設置了多重保護，確保電力牽引車運行不超相應位置。為防止電力牽引車后退過極限位置碰撞到防撞墻，我們設置了三重限位：①程序控制限位，到位后停車，僅現場手動操作才能繼續后退；②機械限位，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極限機械限位，防止程序出現失誤或輸出接觸器“粘死”而繼續后退，觸發后主電源斷開，系統需要到現場將相關回路短接（控制柜設短接按鈕）才能恢復。為防止電力牽引車前進過極限位置拉斷電纜或者電力牽引車被鋼水燒毀，筆者設置了三重限位：①裝于電纜轉筒處的機械限位，到位后觸發運作電源斷電面停車；②PLC 程序設置運行時間，超過時間自動停車；③編碼器PLC 程序設置運行距離，到極限距離后自動停車。在多重保護下，沒出現過電力牽引車超出前進后退極限限位的情況。

（6）規范操作，防止內燃機車拖拉電力牽引車時不正確操作損壞相應部件。相應操作人員應經培訓合格后上崗；在內燃機車拖拉電力牽引車時防過度碰撞，防止未松抱閘拖電力牽引車，拖拉電力牽引車時不應超過相應的速度，防止損壞減速箱，拖拉電力牽引車完畢應及時恢復抱閘并及時脫鉤。

4 結語

隨著高爐鐵水罐對位電力牽引車在多家公司的良好應用，經濟效益已明顯顯現，已有多家單位技術及管理人員向我公司詳細咨詢并到現場進行參觀考察學習。同時也有多家單位開始著手改變原來的系統，用對位電力牽引車代替內燃機車對罐，邀約我公司參與招標投標。電力牽引車代替內燃機車對罐將得以在各大鋼廠推廣使用。