牽引機(jī)車是城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工中一種必不可少的后配套設(shè)備，其性能將會(huì)直接影響到施工安全和施工進(jìn)度，目前施工項(xiàng)目牽引機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置常采用一臺(tái)變頻器一拖二或者一拖多運(yùn)行，存在功率輸出不均衡，控制精度低，低頻力矩小， 啟停容易溜車等種種隱患。本文將以45噸機(jī)車為例，講述兩臺(tái)變頻器使用一拖一閉環(huán)矢量控制配合ABS裝置介入的控制方案來(lái)解決以上難題。

　　1.牽引機(jī)車的組成部分

　　1.1. 牽引機(jī)車機(jī)械組成部分分為：車體，司機(jī)室，空氣

　　圖 1 45 噸牽引機(jī)車車頭

　　制動(dòng)系統(tǒng)以及牽引裝置;整車前面為司機(jī)室，內(nèi)部包含操作臺(tái)，電控柜和電池管理系統(tǒng)，司機(jī)室后面是電池部分，常采用磷酸鐵鋰電池組，電池組下面是牽引裝置，其中兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后車輪組，由氣動(dòng)抱閘裝置提供剎車制動(dòng)力，牽引裝置后面為裝載車廂，如圖1。

　　1.1. 牽引機(jī)車電氣組成部分分為：電氣控制系統(tǒng)，主牽引變頻器，蓄電池組，交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，空壓機(jī)變頻器以及空壓機(jī)系統(tǒng)，如圖2。

　　2.系統(tǒng)工作方式

　　系統(tǒng)由蓄電池提供直流電源，通過(guò)專用變頻器將直流逆變成頻率及電壓可調(diào)的交流電，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)交流異步電機(jī)。機(jī)車上電后，先打開(kāi)空壓機(jī)系統(tǒng)，為氣動(dòng)制動(dòng)裝置充氣。運(yùn)行時(shí)，司機(jī)通過(guò)操作手柄控制機(jī)車前進(jìn)或后退，操作手柄可以分級(jí)給定頻率。啟動(dòng)時(shí)，機(jī)車先運(yùn)行，之后抱閘打開(kāi)，變頻器控制電機(jī)升速至設(shè)定頻率。停車時(shí)，手柄回零，機(jī)車減速，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，再生能量回饋至電池組，電池管理系統(tǒng)控制電池處于充電狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車減速至零速或者設(shè)定的停機(jī)頻率時(shí)，抱閘閉合，機(jī)車停止，之后關(guān)閉空壓機(jī)。

　　3.總體方案

　　牽引電機(jī)車基本阻力負(fù)載主要是零部件之間、機(jī)車動(dòng)輪與軌道鋼軌之間的摩擦和沖擊力等產(chǎn)生的。主要包括牽引機(jī)車的機(jī)械阻力和空氣阻力，其中機(jī)械阻力有軸承的摩擦阻力、車輪的摩擦阻力、車輪的滾動(dòng)阻力、輪軌之間的滑動(dòng)阻力等。對(duì)于礦山牽引機(jī)車來(lái)說(shuō)，通常情況下運(yùn)行速度較慢， 空氣的阻力一般不計(jì)。

　　機(jī)車的基本阻力負(fù)載和諸多因素有關(guān)，條件極為復(fù)雜， 在實(shí)際中通常很難用理論公式進(jìn)行精確計(jì)算，通常使用大量的實(shí)驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行基本阻力負(fù)載計(jì)算，礦山牽引機(jī)車的基本阻力可以表示為：

　　其中：F 牽引電機(jī)車運(yùn)行的基本阻力(N)

　　S 牽引電機(jī)車迎風(fēng)橫截面(m2);

　　M 牽引電機(jī)車的質(zhì)量(t);

　　v 機(jī)車運(yùn)行的速度(km/h);

　　g 重量加速度，g=9.8m/s2。

圖 2 牽引機(jī)車電氣系統(tǒng)

　　根據(jù)以上牽引機(jī)車的基本阻力公式，可以換算出不同規(guī)格機(jī)車所需要的牽引電機(jī)功率。以下以45T機(jī)車為例，所需要的配置方案如下：

　　? 機(jī)車規(guī)格：45T;

　　? 行駛速度：2.2米/秒;

　　? 電機(jī)：110kw/380V/2臺(tái);

　　? 單臺(tái)電機(jī)額定電流205A變頻器：GD350-19-110G-4(F)。該機(jī)車采用新式抱閘系統(tǒng)，傳統(tǒng)氣動(dòng)抱閘配合ABS系統(tǒng)，啟動(dòng)時(shí)先打開(kāi)抱閘，再運(yùn)行變頻器，運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)輕踩腳剎，使用氣動(dòng)剎車減速，當(dāng)需要快速減速時(shí)，可以深踩剎車，并配合ABS防抱死裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)車的快速減速。

圖 3 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

　　3.1.驅(qū)動(dòng)方式

　　主牽引采用英威騰GD350-19系列變頻器一拖一電機(jī)，使用閉環(huán)矢量模式運(yùn)行，電機(jī)側(cè)安裝編碼器，將運(yùn)行頻率反饋至變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制;空壓機(jī)采用英威騰GD350系列變頻器驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)上電后直接運(yùn)行，保證剎車用氣供給，如圖3。

　　3.2.接線方式

　　變頻器采用直流供電，具備防接反功能，同時(shí)具備上電緩沖裝置，可避免上電沖擊造成的電池或變頻器損壞。機(jī)車上坡時(shí)處于電動(dòng)狀態(tài)，電能從電池組流向變頻器，下坡時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，再生能量可由變頻器反充入電池組。

　　3.3.控制方式

　　系統(tǒng)通過(guò)端子控制方式啟停及多段速調(diào)速，485接口與PLC通訊傳輸數(shù)據(jù)(運(yùn)行頻率，輸出電流、電壓、報(bào)警信息等)。

　　3.4.運(yùn)行方式

　　機(jī)車運(yùn)行時(shí)由PLC控制先打開(kāi)氣動(dòng)剎車，由于可能是在坡道上啟動(dòng)，變頻器需要使用零速保持功能， 確保氣動(dòng)剎車打開(kāi)過(guò)程中不溜車，當(dāng)剎車完全打開(kāi)后再加速運(yùn)行。

　　在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，往往需要深踩剎車，此時(shí)由于氣動(dòng)剎車力加大，可能會(huì)使變頻器觸發(fā)過(guò)載保護(hù)，因此需要斷開(kāi)變頻器輸出，利用剎車傳感器制動(dòng)力判斷當(dāng)前剎車力度，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)給變頻器，使變頻器進(jìn)入到安全轉(zhuǎn)矩截止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)ABS系統(tǒng)介入，防止車輪抱死打滑引發(fā)事故。當(dāng)腳剎松開(kāi)時(shí)，如果檔位手柄還在，變頻器可以轉(zhuǎn)速追蹤無(wú)沖擊的運(yùn)行起來(lái)。

　　當(dāng)機(jī)車停機(jī)時(shí)，如果在坡道上，變頻器停止輸出后會(huì)出現(xiàn)溜車，所以使用零伺服功能可以繼續(xù)保持力矩輸出，一段時(shí)間后等氣動(dòng)剎車抱住，完成停車。

　　兩臺(tái)變頻器采用主從速度模式運(yùn)行，通過(guò)下垂方式實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)速度同步以及功率平衡。

　　4.應(yīng)用效果

　　該45噸機(jī)車已在南京某施工現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一年以來(lái)的實(shí)踐證明，與其他傳統(tǒng)機(jī)車比較，通過(guò)變頻器一拖一閉環(huán)控制，配合零伺服以及ABS防抱死裝置的應(yīng)用，機(jī)車在低速帶載啟動(dòng)，尤其在坡道啟動(dòng)的工況下，輸出扭矩明顯增大，針對(duì)機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)情況，剎車操作更加簡(jiǎn)易符合人性化理念，提高了機(jī)車行車的安全性，停機(jī)時(shí)不依賴地形因素，準(zhǔn)確平穩(wěn)停車，整體使用情況良好。

　　5.結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了牽引機(jī)車的一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，介紹了牽引機(jī)車如何利用變頻器專用功能和ABS剎車裝置的搭配應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的安全運(yùn)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了使用效果，對(duì)將來(lái)新一代更加智能、高效、安全及人性化的隧道施工機(jī)械的開(kāi)發(fā)和研究具有一定的參考和借鑒意義。