鐵液輸送系統(tǒng)移動供電方式選擇

楊 鵬，鄒金玉，曹 偉

（1.中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066200；2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

0 引言

過去冶金鑄造生產(chǎn)行業(yè)中，電爐熔煉出的鐵液運(yùn)輸至澆注位置多采用環(huán)形導(dǎo)軌高空運(yùn)輸、地面叉車運(yùn)輸、起重機(jī)吊運(yùn)等，需要較多人力輔助，勞動強(qiáng)度大，危險性高。為此，以輸送輥道、鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)車、升降設(shè)備、倒包設(shè)備等自動化裝備為主的鐵液輸送系統(tǒng)得到了較為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。鐵液輸送系統(tǒng)通過電氣系統(tǒng)對機(jī)械設(shè)備的合理控制，實(shí)現(xiàn)鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)包的自動輸送，各裝備的供電尤其是移動設(shè)備的穩(wěn)定供電是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效安全運(yùn)行以及連續(xù)生產(chǎn)的重要保障。隨著電氣自動化的控制要求和安全性能要求越來越高以及設(shè)備運(yùn)行的往復(fù)性特點(diǎn)，其供電方式的安全可靠性顯得愈加重要。

1 移動供電的主要類型

1.1 電纜拖鏈

電纜拖鏈?zhǔn)菍⒃O(shè)備所用電纜規(guī)整地放置在形似坦克鏈的鏈條內(nèi)部，拖鏈一端連接在移動設(shè)備上（移動端），另一端連接在行程進(jìn)線端處（固定端），整體置于特制的導(dǎo)軌或滑槽之上，拖鏈移動端隨著設(shè)備的運(yùn)行同步移動，對移動設(shè)備進(jìn)行供電。拖鏈的固定端通常設(shè)置在靠近設(shè)備行程的中間位置，并留有一定長度的安全余量[1]。

電纜拖鏈通常包含拖鏈、導(dǎo)軌、滑槽、支架、浮動頭等部件。拖鏈由多個單元鏈節(jié)組合而成，不同鏈節(jié)之間能夠自由轉(zhuǎn)動，每個鏈節(jié)的蓋板都可打開，內(nèi)部有分隔片隔開空間，便于電纜放入并歸置。根據(jù)材質(zhì)種類拖鏈可分為鋼制拖鏈、塑料拖鏈，其結(jié)構(gòu)形式通常有橋式、封閉以及半封閉式。

應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）對電纜斷面樣式?jīng)]有嚴(yán)格要求，可多根排列；

（2）對內(nèi)置電纜有保護(hù)作用；

（3）傳輸介質(zhì)多樣化，可放置不同電壓等級的電線電纜以及氣管、油管等管線；

（4）無需額外的驅(qū)動和控制系統(tǒng)；

（5）具有較高的強(qiáng)度、韌性、耐磨性以及耐腐蝕性；

（6）對移動設(shè)備的移動速度和距離適應(yīng)性強(qiáng)；

（7）拖鏈的每一節(jié)都可打開，便于安裝和維修；

（8）對安裝運(yùn)行場合要求高，運(yùn)行軌道上不能夠出現(xiàn)大的異物；

（9）對安裝在里面的電纜及其他管線的尺寸與彎曲半徑有一定要求；

（10）適用于運(yùn)動距離較短的場合（通常＜20 m）；

（11）只適用于單方向運(yùn)動的場合，可用于前后或上下運(yùn)動。

1.2 滑觸線

滑觸線是沿著移動設(shè)備的運(yùn)行軌道平行鋪設(shè)若干條導(dǎo)體且接通電源，在移動的設(shè)備上安裝可以從導(dǎo)體上取電的集電器，設(shè)備移動時，集電器隨設(shè)備同步運(yùn)行，隨時從導(dǎo)體上取得電力輸送給設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對移動設(shè)備的供電[2]。

滑觸線一般由護(hù)套、導(dǎo)軌、集電器以及其他輔助部件（固定夾、端頭、支架、熱膨脹補(bǔ)償部件和絕緣部件等）組成。護(hù)套是一根半封閉的導(dǎo)管狀部件，內(nèi)部可鋪設(shè)一定數(shù)量的導(dǎo)軌，護(hù)套材質(zhì)一般為高絕緣性能的工程塑料；導(dǎo)軌的主材質(zhì)為銅，根據(jù)截面積以及長度不同有多種型號；集電器是在護(hù)套管內(nèi)圓形的電刷殼架，在移動過程中連通導(dǎo)軌與設(shè)備用電元件。

滑觸線通常選用安全滑觸線，其防護(hù)等級和絕緣性能較好，安全性高。

應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）架線簡單，受移動軌跡影響小，能夠沿著設(shè)備運(yùn)行路線（直線或彎曲）鋪設(shè)；

（2）可支持高速運(yùn)動，運(yùn)行速度可高達(dá)340 m/min；

（3）每段可以單獨(dú)更換，安裝檢修維護(hù)方便，費(fèi)用低；

（4）安全滑觸線安裝空間內(nèi)會對其他設(shè)備運(yùn)行或人員通行造成限制；

（5）滑觸線內(nèi)積聚粉塵過多可能造成接觸不良，出現(xiàn)電閃擊或者欠相現(xiàn)象；

（6）集電器碳刷磨損至一定程度會存在虛觸，產(chǎn)生火花、電灼傷等現(xiàn)象，需頻繁更換；

（7）供電距離受空間與壓降限制，不適于傳送較高等級的電壓。

1.3 電纜卷筒

電纜卷筒是將電纜一端連接在固定于設(shè)備上的卷筒上（移動端），一端連接地面供電處（固定端），電纜主體纏繞在卷筒槽內(nèi)，隨設(shè)備的移動進(jìn)行同步收緊或放松，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的移動電力供給。電纜卷筒由驅(qū)動裝置、卷盤、動力及控制卷筒控制柜、中心集電器、防電纜拉斷的拉力保護(hù)裝置及相應(yīng)的限位、鋪設(shè)電機(jī)及限位用的動力和控制電纜等組成。根據(jù)驅(qū)動形式，電纜卷筒通常劃分為兩大類：彈簧式和電動式。彈簧式電纜卷筒多采用發(fā)條式卷纜器技術(shù)，以蝸卷彈簧作為動力，憑借其可儲能性自動卷取電纜，主要有滑環(huán)內(nèi)裝式、滑環(huán)外裝式、懸臂式三種結(jié)構(gòu)。電動式電纜卷筒則以電機(jī)為驅(qū)動源，匹配設(shè)備移動速度自動卷取電纜，有力矩式、磁滯式、半液力半摩擦式等型式[3]。

應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）彈簧式電纜卷筒適用于截面積較小、距離較短電纜卷?。ㄒ话悴怀^120 m）；

（2）電動式電纜卷筒適用于截面積較大、距離較長電纜卷取（一般大于100 m）；

（3）可采用高壓電纜，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大負(fù)荷供電；

（4）對電纜抗拉強(qiáng)度、抗彎性能要求高，電纜造價較高；

（5）傳輸?shù)蛪盒盘柎嬖诿黠@的衰減效應(yīng)，需增加必要的信號處理措施；

（6）每個卷筒一般只安裝一根電纜，不適合于電纜連接多的場合；

（7）適用于單線往復(fù)運(yùn)動場合；

（8）電纜通常放置于地上，存在人踩車壓、折斷磨損的可能；

（9）電動式較彈簧式價格更高。

1.4 電纜滑車

電纜滑車是將軌道沿工作路徑懸吊安裝，扁平電纜一端連接在導(dǎo)軌的始端固定器上（固定端），另一端連接在臺車上（移動端），電纜主體中間根據(jù)需要設(shè)置若干自由小車，移動端臺車移動帶動電纜、電纜拖動中間各臺車（若距離超過20 m 需要考慮采用牽引繩），實(shí)現(xiàn)供電時與設(shè)備的同步移動。

電纜滑車通常包括軌道、攜纜臺車、扁平電纜以及懸吊、固定等部件。軌道一般采用冷軋鋼板一次冷拉成型，由多個單元軌道組合可滿足不同長度需要；臺車數(shù)量一般設(shè)置為軌道總長度的1/2，依據(jù)電纜允許下垂量調(diào)整臺車個數(shù)；扁平電纜多采用非延展性材料制成，彎曲半徑較圓電纜更小，耐用性更強(qiáng)[4]。

應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)軌安裝方便，基本無需調(diào)試；

（2）供電方式為無觸點(diǎn)供電，穩(wěn)定性好；

（3）可接觸油污，具有耐氣候性能，壽命周期較長；

（4）行走時通過滑車之間依次牽引，不適合長距離供電；

（5）受空間限制，電纜懸垂長度會影響臺車數(shù)目，如臺車數(shù)量太多，可能出現(xiàn)電纜間摩擦以及卡阻情況；

（6）適用于少量電纜的連接。

1.5 低壓導(dǎo)軌供電

低壓導(dǎo)軌供電是對設(shè)備行走導(dǎo)軌通電處理，將380 V 電源電壓通過降壓變壓器降壓到安全電壓36 V（或24 V）接至導(dǎo)軌上，通過設(shè)備行走車輪以及取電裝置把低壓電輸送到車上的升壓變壓器（或整流處理模塊），將低壓電升壓至380 V（或直流36 V 等）用于電動機(jī)工作電壓，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行的移動供電。

低壓導(dǎo)軌供電通常包括地面控制降壓系統(tǒng)、導(dǎo)軌、取電壓塊、車載升壓系統(tǒng)（或其他整流調(diào)壓模塊）等。380V 電源電壓多為單相電或者三相電，軌道低壓供電分為兩相低壓供電或三相低壓供電，其中三相低壓電需要引入導(dǎo)電柱；取電壓塊安裝位置可以在車輪上或者軌道上，不同安裝位置的供電效果不同，對設(shè)備安裝的要求也有不同。

應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）安全性高，不怕觸電、燙傷、不怕砸壞；

（2）無需電纜，不會妨礙交叉運(yùn)輸；

（3）不受運(yùn)動軌跡限制，可以直道、彎道以及環(huán)形道上運(yùn)行；

（4）不受移動距離限制，可以適當(dāng)調(diào)整降壓變壓器的數(shù)量；

（5）對設(shè)備絕緣性能要求比較高，避免短路；

（6）在車輪上取電對設(shè)備安裝精度要求較高，在軌道上取電對軌道清潔度要求較高；

（7）適用于運(yùn)行速度較低設(shè)備（不超過25 m/min）；

（8）可適用供電電機(jī)功率不高的情況（通常不超過8 kW）。

1.6 無線供電

無線供電是借助于電磁場或者電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)，稱為無線電能傳輸（WPT）。無線電能傳輸又稱為無線電力傳輸、非接觸電能傳輸，是指通過發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量（如電磁場能、激光、微波及機(jī)械波等），隔空傳輸一段距離后，再通過安裝在移動設(shè)備上的接收器將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。

無線電能傳輸根據(jù)傳輸原理主要分為電磁場感應(yīng)耦合式、磁諧振耦合式、微波輻射式三類，目前電磁場感應(yīng)耦合式更加成熟，應(yīng)用比較廣泛。電磁場耦合感應(yīng)式無線供電系統(tǒng)一般包括軌道電源模塊、初級線圈軌道、整流器、集電器、DAT 組件、邏輯控制器等。無線供電技術(shù)目前在電動汽車、軌道交通、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)已得到了較好的應(yīng)用。

應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）非接觸式供電，避免接觸不良，安全性高；（2）支持設(shè)備高速度運(yùn)行；

（3）維修和操作費(fèi)用低，沒有磨損機(jī)械零部件；

（4）不受設(shè)備運(yùn)行軌跡影響；

（5）造價昂貴，投入成本較高；

（6）系統(tǒng)復(fù)雜，需要配置供電控制系統(tǒng)。

2 鐵液輸送系統(tǒng)移動供電選用原則

鐵液輸送系統(tǒng)裝備的負(fù)載大、工作環(huán)境比較惡劣（溫度高、煙塵量大），爐前設(shè)備常有鐵液飛濺（甚至鐵液灑落）。在選擇移動供電方式時首先要滿足對于供電參數(shù)的要求，其次要求工作時盡量匹配設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可靠性高，減少故障率，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。對移動供電方式的選用原則（或考慮因素）通常包括：

（1）滿足設(shè)備正常運(yùn)行的電力（也可能包括液壓、氣動）需要；

（2）滿足設(shè)備的運(yùn)行距離以及速度需要；

（3）滿足設(shè)備的運(yùn)行軌跡（直線或者彎曲）需要；

（4）滿足移動設(shè)備上的允許安裝方式及空間限制；

（5）考慮是否可能存在重物掉落砸損的風(fēng)險；

（6）考慮是否可能出現(xiàn)鐵液濺落燙損的風(fēng)險；

（7）考慮是否可能出現(xiàn)灰渣堵塞卡死的情況；

（8）考慮惡劣環(huán)境情況下是否容易存在虛接、短路的情況；

（9）考慮是否便于設(shè)置防護(hù)措施；

（10）對于坑中空間，是否會存在積水、積塵的情況；

（11）對于地面空間，是否可能阻礙人員、叉車或其他設(shè)備通行；

（12）對于空中空間，是否會阻礙起重機(jī)吊裝工作；

（13）考慮供電設(shè)備能夠正常工作條件下的故障率以及生命周期；

（14）考慮是否便于正常維護(hù)維修；

（15）考慮造價成本以及維護(hù)成本是否滿足預(yù)期；

（16）備品備件購買周期是否合適。

3 鐵液輸送設(shè)備的常用移動供電方式

3.1 地面轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備

用于在地面轉(zhuǎn)運(yùn)鐵液包，可分為爐前轉(zhuǎn)運(yùn)車和中間轉(zhuǎn)運(yùn)車兩種。

爐前轉(zhuǎn)運(yùn)車通常位于電爐前面，將滿包轉(zhuǎn)送至其他設(shè)備或空包轉(zhuǎn)運(yùn)到爐前，主要是直線往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)行距離隨電爐數(shù)量和間距而定（一般大于20 m），小車運(yùn)行時經(jīng)常有鐵液飛濺，容易對設(shè)備電氣元件造成堵塞或者燙傷。一般可考慮采用電纜卷筒（優(yōu)選）或者滑觸線，尤其注意需要做好防護(hù)措施。

中間轉(zhuǎn)運(yùn)車用于在不同路線設(shè)備之間轉(zhuǎn)運(yùn)鐵液包，主要為直線往復(fù)運(yùn)動，受爐前鐵渣飛濺影響較小。一般優(yōu)先電纜拖鏈，如距離太大可根據(jù)情況選用電纜卷筒或滑觸線。

3.2 垂直升降設(shè)備

用于提升鐵液包至一定高度轉(zhuǎn)運(yùn)或倒包，主要為較短距離的上下往復(fù)運(yùn)動，一般考慮選用電纜拖鏈。

3.3 高平面移動設(shè)備

用于移動鐵液包至指定位置倒包，主要為直線往復(fù)運(yùn)動，一般考慮選用電纜拖鏈，也可根據(jù)情況選擇用電纜滑車。

4 結(jié)語

鐵液輸送系統(tǒng)的工作環(huán)境較為惡劣，設(shè)備安全性要求較高，因此選擇合適的供電方式確保移動設(shè)備可以正常穩(wěn)定運(yùn)行極其重要。選擇供電方式時應(yīng)當(dāng)結(jié)合安全性、適用性、工作參數(shù)、工況環(huán)境以及成本等各個方面綜合考慮。本文通過對常用移動供電方式的介紹以及在鐵液輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，為工程項(xiàng)目的設(shè)計以及設(shè)備供電方式的更好選擇提供一定參考。