牽引機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備，其性能將會直接影響到施工安全和施工進度，目前施工項目牽引機車驅(qū)動裝置常采用一臺變頻器一拖二或者一拖多運行，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噸機車為例，講述兩臺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解決以上難題。

1.牽引機車的組成部分

1.1. 牽引機車機械組成部分分為：車體，司機室，空氣

圖 1 45 噸牽引機車車頭

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

1.2. 牽引機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)動電機，空壓機變頻器以及空壓機系統(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)動兩臺交流異步電機。機車上電后，先打開空壓機系統(tǒng)，為氣動制動裝置充氣。運行時，司機通過操作手柄控制機車前進或后退，操作手柄可以分級給定頻率。啟動時，機車先運行，之后抱閘打開，變頻器控制電機升速至設定頻率。停車時，手柄回零，機車減速，此時電機處于發(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)，當機車減速至零速或者設定的停機頻率時，抱閘閉合，機車停止，之后關閉空壓機。

3.總體方案

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

機車的基本阻力負載和諸多因素有關，條件極為復雜， 在實際中通常很難用理論公式進行精確計算，通常使用大量的實驗獲取經(jīng)驗公式來進行基本阻力負載計算，礦山牽引機車的基本阻力可以表示為：

其中：F 牽引電機車運行的基本阻力(N);

S 牽引電機車迎風橫截面(m2);

M 牽引電機車的質(zhì)量(t);

v 機車運行的速度(km/h);

g 重量加速度，g=9.8m/s2。

圖 2 牽引機車電氣系統(tǒng)

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

圖 3 系統(tǒng)拓撲圖

? 機車規(guī)格：45T;

? 行駛速度：2.2米/秒;

? 電機：110kw/380V/2臺;

? 單臺電機額定電流205A變頻器：GD350-19-110G-4(F)。該機車采用新式抱閘系統(tǒng)，傳統(tǒng)氣動抱閘配合ABS系統(tǒng)，啟動

時先打開抱閘，再運行變頻器，運行時可以通過輕踩腳剎，使用氣動剎車減速，當需要快速減速時，可以深踩剎車，并配合ABS防抱死裝置實現(xiàn)機車的快速減速。

3.1.驅(qū)動方式

主牽引采用英威騰GD350-19系列變頻器一拖一電機，使用閉環(huán)矢量模式運行，電機側(cè)安裝編碼器，將運行頻率反饋至變頻器實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制;空壓機采用英威騰GD350系列變頻器驅(qū)動，系統(tǒng)上電后直接運行，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。機車上坡時處于電動狀態(tài)，電能從電池組流向變頻器，下坡時處于發(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)(運行頻率，輸出電流、電壓、報警信息等)。

3.4.運行方式

機車運行時由PLC控制先打開氣動剎車，由于可能是在坡道上啟動，變頻器需要使用零速保持功能， 確保氣動剎車打開過程中不溜車，當剎車完全打開后再加速運行。

在運行過程中出現(xiàn)緊急情況時，往往需要深踩剎車，此時由于氣動剎車力加大，可能會使變頻器觸發(fā)過載保護，因此需要斷開變頻器輸出，利用剎車傳感器制動力判斷當前剎車力度，當超過閾值時，輸出開關量信號給變頻器，使變頻器進入到安全轉(zhuǎn)矩截止狀態(tài)，同時ABS系統(tǒng)介入，防止車輪抱死打滑引發(fā)事故。當腳剎松開時，如果檔位手柄還在，變頻器可以轉(zhuǎn)速追蹤無沖擊的運行起來。

當機車停機時，如果在坡道上，變頻器停止輸出后會出現(xiàn)溜車，所以使用零伺服功能可以繼續(xù)保持力矩輸出，一段時間后等氣動剎車抱住，完成停車。

兩臺變頻器采用主從速度模式運行，通過下垂方式實現(xiàn)兩臺電機速度同步以及功率平衡。

4.應用效果

該45噸機車已在南京某施工現(xiàn)場成功應用，經(jīng)過一年以來的實踐證明，與其他傳統(tǒng)機車比較，通過變頻器一拖一閉環(huán)控制，配合零伺服以及ABS防抱死裝置的應用，機車在低速帶載啟動，尤其在坡道啟動的工況下，輸出扭矩明顯增大，針對機車運行過程中的突發(fā)情況，剎車操作更加簡易符合人性化理念，提高了機車行車的安全性，停機時不依賴地形因素，準確平穩(wěn)停車，整體使用情況良好。

5.結(jié)語

本文設計了牽引機車的一種驅(qū)動系統(tǒng)，介紹了牽引機車如何利用變頻器專用功能和ABS剎車裝置的搭配應用，實現(xiàn)機車的安全運行，通過現(xiàn)場的實際應用驗證了使用效果，對將來新一代更加智能、高效、安全及人性化的隧道施工機械的開發(fā)和研究具有一定的參考和借鑒意義。