牽引機車是城市地鐵隧道盾構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

　　制動系統以及牽引裝置;整車前面為司機室，內部包含操作臺，電控柜和電池管理系統，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。

　　1.1. 牽引機車電氣組成部分分為：電氣控制系統，主牽引變頻器，蓄電池組，交流異步驅動電機，空壓機變頻器以及空壓機系統，如圖2。

　　2.系統工作方式

　　系統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的交流電，驅動兩臺交流異步電機。機車上電后，先打開空壓機系統，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，此時電機處于發電狀態，再生能量回饋至電池組，電池管理系統控制電池處于充電狀態，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

　　根據以上牽引機車的基本阻力公式，可以換算出不同規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：

　　? 機車規格：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，傳統氣動抱閘配合ABS系統，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防抱死裝置實現機車的快速減速。

圖 3 系統拓撲圖

　　3.1.驅動方式

　　主牽引采用英威騰GD350-19系列變頻器一拖一電機，使用閉環矢量模式運行，電機側安裝編碼器，將運行頻率反饋至變頻器實現閉環矢量控制;空壓機采用英威騰GD350系列變頻器驅動，系統上電后直接運行，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，電能從電池組流向變頻器，下坡時處于發電狀態，再生能量可由變頻器反充入電池組。

　　3.3.控制方式

　　系統通過端子控制方式啟停及多段速調速，485接口與PLC通訊傳輸數據(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矩截止狀態，同時ABS系統介入，防止車輪抱死打滑引發事故。當腳剎松開時，如果檔位手柄還在，變頻器可以轉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溜車，所以使用零伺服功能可以繼續保持力矩輸出，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場成功應用，經過一年以來的實踐證明，與其他傳統機車比較，通過變頻器一拖一閉環控制，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，準確平穩停車，整體使用情況良好。

　　5.結語

　　本文設計了牽引機車的一種驅動系統，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，實現機車的安全運行，通過現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和研究具有一定的參考和借鑒意義。