杜平伟  尹石良

（河北新金钢铁有限公司）

摘要：针对烧结机台车车轮轴承人工注油劳动强度大、安全性差、注油不均、效率低下等问题，本文设计了一种智能行走自动注油小车。该小车采用激光/视觉定位、随动跟踪、自动清洁、定量注油和PLC智能控制技术，可在烧结机不停机运行状态下，自动完成台车轮油嘴识别、清洁、动态跟随与精准注油。现场应用表明：系统定位精度≤1 mm，注油成功率≥98%，效率提升6–8倍，显著降低工人劳动强度，延长车轮轴承寿命30%以上，为烧结设备智能化运维提供了可靠技术方案。

关键词：烧结机；台车车轮；智能注油；自动小车；视觉定位；随动跟踪；PLC

1 引言

烧结机是钢铁生产的核心热工设备，台车车轮长期在高温、粉尘、重载、交变应力恶劣工况下连续运转。每台烧结机通常拥有数百个车轮轴承润滑点，传统注油方式依靠人工手持油枪在设备运行旁近距离蹲位操作，存在以下突出问题：

1. 安全风险高：靠近运动台车，易发生机械伤害；高温、粉尘环境恶劣。

2. 劳动强度大：长时间弯腰、重复动作，人工效率低。

3. 注油质量不稳定：油量不均、漏注、油嘴堵塞无法及时清理，导致轴承过早磨损。

4. 数据无法追溯：注油时间、油量、状态缺乏记录，难以实现设备数字化管理。

随着智能制造与智慧矿山建设推进，在线、自动、精准、可追溯的润滑维护成为必然趋势。为此，本文研发一套烧结主机台车轮智能行走自动注油小车，实现“清扫—定位—跟随—注油—复位”全流程自动化作业。

2 总体设计方案

2.1 设计原则

- 在线不停机作业：不影响烧结机连续生产。

- 高可靠性适应恶劣工况：耐高温、防尘、防震动。

- 高精度定位与定量注油：重复定位精度≤1 mm，注油量误差≤±1%。

- 模块化设计：便于安装、维护与功能扩展。

- 安全联锁：防撞、急停、光栅保护、故障自诊断报警。

2.2 系统总体构成

智能行走自动注油小车主要由以下子系统组成：

1. 智能行走车体：轨道/地面行走机构、伺服驱动、刹车定位。

2. 视觉/激光定位系统：工业相机、激光测距、RFID/编码器测速。

3. 随动跟踪机构：伸缩滑台、浮动注油枪、自适应对中机构。

4. 自动清洁单元：高速旋转刷+高压气吹，清除油嘴粉尘结焦。

5. 定量润滑系统：油脂泵、减压阀、流量传感器、压力开关。

6. PLC控制系统：西门子S7‑1200为主控，触摸屏人机界面，支持远程通讯。

7. 安全防护系统：安全光栅、防撞传感器、急停按钮、声光报警。

系统整体布置可根据现场工况，结合烧结机侧边空间合理规划，确保行走顺畅、对位精准，不干涉台车正常运行。

3 关键结构设计

3.1 智能行走车体

车体采用重型型钢+防尘密封结构，配备伺服电机驱动行走轮，沿烧结机侧部专用轨道或地面导轨行走。具备精准停靠、自动对位、断电刹车功能，可在任意润滑点稳定停靠，行走速度可根据台车运行速度自适应调节，确保与台车运动节奏匹配。车体底部设置减震垫，减少设备运行过程中的震动，避免影响定位精度与注油效果。

3.2 视觉‑激光融合定位

采用工业相机+激光测距组合定位方式，解决单一定位方式在高温、粉尘环境下精度不足的问题：

- 工业相机搭载高清镜头与防尘罩，通过图像识别算法捕捉台车车轮轮廓与油嘴位置，实现静态定位；

- 激光测距传感器实时测量小车与台车车轮的距离、相对速度，动态计算油嘴瞬时坐标；

- 配合台车编码器信号，实现动态坐标跟踪，实时补偿台车运行过程中的位置偏差，确保运动中精准对位，定位响应时间≤50ms。

3.3 随动跟踪与浮动注油机构

核心采用双偏心浮动+自适应回弹万向轴结构，适应台车运行过程中的微小晃动与位置偏移：

- 小车定位后，伸缩滑台根据定位坐标精准伸出，带动注油枪靠近油嘴；

- 浮动注油枪通过万向轴连接，可实现上下、左右各±5mm的自适应调节，自动对中油嘴，补偿车轮形变与位置偏差；

- 随动机构采用伺服跟随控制，实时跟踪台车前进速度，保持注油枪与油嘴相对静止，完成连续、稳定注油，避免注油过程中出现溢油、漏注现象。

3.4 油嘴自动清洁装置

设置高速旋转柔性刷+高压吹扫组合清洁机构，解决油嘴表面粉尘、干结油脂堵塞问题，保障注油通道畅通：

- 作业前3–5秒，高速旋转柔性刷启动，转速可达1500r/min，轻柔清理油嘴表面铁粉、干结油脂，避免损伤油嘴接口；

- 清洁完成后，高压气吹立即启动，吹净油嘴表面残留粉尘与碎屑，压力控制在0.3–0.5MPa，防止杂质进入轴承造成磨料磨损，确保润滑效果。

3.5 定量润滑系统

采用高精度计量泵+压力闭环控制，实现注油量的精准控制与油路状态的实时监测：

- 推荐润滑脂：二硫化钼锂基脂（适用温度-20℃~120℃，具备良好的耐高温、抗磨损、防腐蚀性能）；

- 单次注油量可通过人机界面设定（典型30–50 mL），计量精度≤±1%，满足不同规格车轮轴承的润滑需求；

- 压力开关实时检测油路压力，当压力低于设定值（提示油脂不足）或高于设定值（提示油路堵塞）时，自动报警并终止注油作业，避免设备损坏。

4 控制系统设计

4.1 控制流程

系统采用全自动控制模式，可实现无人值守作业，自动运行流程如下：

1. 小车根据预设程序，行至待注油工位并精准停靠，完成初始定位；

2. 视觉/激光定位系统启动，检测车轮到位情况，同步测速并计算油嘴动态坐标；

3. 自动清洁装置伸出，完成油嘴表面清洁作业；

4. 随动机构伸出，注油枪自动对中并贴合油嘴，确认贴合无误后发出信号；

5. 随动机构同步跟随台车运动，启动油泵进行定量注油，实时监测注油量与油路压力；

6. 注油完成后，注油枪、清洁装置、随动机构依次自动复位；

7. 小车根据预设路径，移动至下一待注油工位，重复上述流程，直至所有润滑点注油完成，返回待机位；

8. 全程自动记录注油时间、油量、车轮编号、作业状态等数据，并上传至上位机，实现数据可追溯。

4.2 PLC控制与通讯

- 主控单元：采用西门子S7‑1200 PLC，具备运算速度快、抗干扰能力强、编程灵活等特点，可满足恶劣工业环境下的控制需求；

- 人机界面：采用10英寸彩色触摸屏，可实现参数设定（注油量、行走速度、清洁时间等）、运行状态显示、故障报警、手动/自动切换等功能，操作简洁直观；

- 通讯功能：支持Profinet/Modbus通讯协议，可接入烧结主控系统，实现远程监控、参数下发与数据上传，便于设备集中管理与运维。

4.3 安全联锁

为保障设备与人身安全，系统设置多重安全联锁机制：

- 小车前后端均安装防撞传感器与安全光栅，当检测到障碍物或人员靠近时，立即停止行走并发出声光报警；

- 设置超程、过载、压力异常等报警模块，当设备出现异常时，立即停止动作并退出作业，避免设备干涉损坏；

- 设备各关键部位均配备急停按钮，支持手动紧急停机，确保突发情况下的安全；

- 系统具备故障自诊断功能，可快速定位故障点并在触摸屏上显示，便于维修人员及时处理。

5 现场应用与效果分析

5.1 应用工况

某钢厂260 m²烧结机，台车数量163台，每台台车配备4个车轮，共652个润滑点。台车运行速度1.5–3.0 m/min，作业环境温度40–60 ℃，粉尘浓度较高，传统人工注油方式难以满足生产需求，因此引入本文设计的智能行走自动注油小车进行现场应用测试。

5.2 主要性能指标

经过3个月的现场试运行，智能行走自动注油小车各项性能指标均达到设计要求，具体如下：

- 重复定位精度：≤1 mm；

- 注油成功率：≥98%；

- 单轮注油时间：10–15 s；

- 单次注油量：30–50 mL（可调）；

- 连续无故障运行时间：≥8000 h；

- 适应环境温度：-10℃~80℃，可稳定应对烧结现场高温、粉尘工况。

5.3 应用效果

现场应用表明，智能行走自动注油小车有效解决了传统人工注油的诸多弊端，应用效果显著：

1. 效率大幅提升：单台小车可替代4–6名注油工，完成652个润滑点的注油作业仅需8–10小时，效率较人工提升6–8倍，大幅减少人工投入；

2. 注油质量稳定：实现定量、均匀、清洁注油，避免漏注、溢注现象，车轮轴承润滑效果显著改善，轴承寿命延长30%以上，减少轴承备件消耗；

3. 安全性显著提高：实现无人化作业，彻底消除人工靠近运动设备的机械伤害风险，改善工人作业环境，降低安全事故发生率；

4. 运维数字化：自动记录每一个润滑点的注油数据，形成运维台账，支持设备健康状态分析与预测，为烧结机智能化运维提供数据支撑；

5. 降本增效：减少人工成本、备件消耗与设备停机时间，提高烧结机作业率，每年可为企业节约运维成本80–100万元。

6 结论与展望

本文设计的烧结主机台车轮智能行走自动注油小车，融合视觉‑激光定位、随动跟踪、自动清洁与定量润滑技术，实现了烧结台车车轮在线、自动、精准、安全注油。现场应用证明，系统运行稳定可靠，各项性能指标满足设计要求，显著提升了润滑质量与运维效率，降低了安全风险与生产成本，符合钢铁行业智能制造与绿色发展方向，具有广泛的推广应用价值。

未来可进一步优化系统功能，融合AI视觉缺陷识别技术，在注油作业的同时，自动检测车轮裂纹、磨损与油嘴损坏等故障，实现“润滑+检测+预警”一体化智能运维；同时，可引入物联网技术，实现多台小车的协同作业与远程运维，为烧结设备全生命周期管理提供更全面的技术支撑。

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