礦用電機車防滑控制技術的研究

郝志宇

（西山煤電集團西曲礦，山西 古交 030200）

引言

電機車是煤礦運輸的主要設備之一，具有操作簡單、能耗低、負載能力強的優點。礦用電機車的安全運行和制動是平巷不可忽視的問題，作為電機車安全性能指標之一，制動性能占據了重要的地位。電機車制動過程中，在車身還未停下來之前，閘瓦將車輪過早抱死，就會出現滑移現象，車輪和軌道之間的黏著系數減小，制動距離變長。為了防止滑行現象，傳統的做法為在軌道上撒沙，也有加裝電磁滑靴等措施，這些措施一定程度上能夠增加電機車黏著系數，減少制動距離，但是存在效果不佳、成本較高的問題。因此，通過速度傳感器采集車輪轉速，用滑移率和減速度作為防滑程序的判據，通過防滑排風閥調整電機車制動力，使黏著系數保持在最大值，對縮短制動距離，提高電機車安全性具有重要意義。

1 電機車防滑原理

1.1 黏著系數

電機車開始剎車后，車輪在閘瓦的作用下轉速顯著降低，車身在慣性作用下繼續前進，由此車輪在軌道上的運動有滾筒也有滑動。滑動摩擦力F與電機車對軌道的垂直靜載荷P和黏著系數μ成正比，見式（1）。根據目前公認的KALLER滑移理論，黏著系數μ與滑移率λ有關，隨著滑移率增加，黏著系數先增大后減小。滑移率λ表達式為（2），式中R為車輪半徑，ω為車輪角速度，v為電機車速。因此在電機車制動過程中載荷不變的情況下，為了增加滑動摩擦力，可以通過調節制動力改變車速，從而使黏著系數μ保持在最大值，最大程度上利用黏著防滑[1-2]。

1.2 防滑系統原理

防滑控制系統由輸入單元、中央處理單元和執行單元構成。輸入單元由安裝在電機車輪上的速度傳感器和加速度傳感器構成，用于采集和計算輪速和車速。中央處理單元由速度信號處理電路和以控制器為核心的控制電路構成[3-4]。信號處理電路將傳感器輸出的信號經過濾波、變換等處理，變成可被控制器直接讀取的信號。電機車啟動后，首先控制電路對傳感器和排風閥進行檢測，若出現某路輸入或輸出單元原件故障信息，則屏蔽此路防滑通道，保證其他幾路通道正常工作，然后發出報警提醒工作人員進行處理。檢測完成后開始接收傳感器信號，根據速度和加速信號計算速度差、滑移率和黏著系數等量化指標，判斷機車的黏著狀態，黏著狀態不滿足防滑要求時發出相應的防滑控制信號，經過功率放大電路后驅動排風閥進行工作。執行單元為防滑排風閥，由電磁閥、膜板、側體等組成，防滑排風扇有增壓、保壓和減壓三種工作狀態，分別對應制動力增大、減小和保持。通過控制兩個電磁閥的帶電狀態改變控制腔內的氣壓，進而改變制動缸的壓力[5]。

2 系統硬件設計

如下頁圖1所示，速度傳感器輸出信號經信號調理電路處理，上傳數據到單片機，單片機對傳感器進行故障診斷，若傳感器發生故障則發出報警信號。傳感器診斷自檢通過后，單片機根據電機車制動信號和速度信號發出相應防滑指令，經功率放大和光電隔離處理后驅動防滑排風閥工作，單片機的其他外圍電路有時鐘電路、復位電路、電源電路等。

圖1 防滑系統硬件結構

2.1 控制參數選擇與傳感器選型

防滑系統正常工作的前提是控制器及時且準確地對制動時的滑動現象做出判斷，判斷不及時將造成機車長時間滑行從而擦傷鐵軌，判斷時機提前則會導致機車制動距離過長。能夠判斷機車是否發生滑行的物理量有速度差、滑移率、減速度及其微分，目前國內外的防滑系統均采用幾個控制參數共同控制。為了提高判斷的準確性，本文采用滑移率作為判斷是否滑行的主要判據，采用減速度及其微分進行輔助判斷。由式（2）可知[6]，滑移率由車輪半徑、輪速和車速共同組成，在車輪上安裝速度傳感器獲取輪速ω，車速v由間接方法計算而來。常用的計算方法有最大輪速法、斜率法和變斜率法，最大輪速法即是用四個車輪的最大輪速作為車速，這種方法簡單但是在四個車輪均有滑移的情況下誤差較大。斜率法和變斜率法通過制動時的參考車速和減速度計算車速，這種方法計算的車速與車輪是否滑移無關，準確性更好。

無論采用哪種判據，獲取機車的速度都是必不可少的，并且機車的減速度可以通過速度間接計算得到，因此速度傳感器的性能對整個系統的性能具有重要影響。傳感器選型時應著重考慮井下噪聲和粉塵等因素對靈敏度和精確度的影響，常用于礦井環境的的速度傳感器有霍爾式、光電式和電磁式，本文選擇的霍爾式速度傳感器Z9400為非接觸式安裝，具有寬頻帶、抗干擾、寬范圍、高精度的優點。在車軸端部和軸箱箱蓋上分別安裝感應齒輪和傳感器，二者之間保持1 mm的安裝間隙。

2.2 防滑排風閥及其驅動電路

如圖2-1所示，防滑排風閥由制動電磁閥VM1和緩解電磁閥VM2共同控制，VM1和VM2上不同的勵磁和消磁動作構成4種控制邏輯：VM1和VM2均失電消磁時排風閥增壓，VM1得電勵磁VM2失電消磁時排風閥保壓，VM1和VM2均得電勵磁時排風閥減壓，VM1失電消磁VM2得電勵磁時排風閥禁止[7]。

如圖2-2所示為排風閥驅動電路，單片機的控制電壓為5 V，電磁閥的供電電壓為24 V，因此單片機引腳P1.1與電磁閥之間的接口電路具有信息傳遞、電壓隔離和功率放大功能。當單片機輸出低電平時，光耦KPC357NT內的光敏器件導通發出光信號，場效應管導通，IGBT的門極得電導通，電流經24 V電源流過電磁閥線圈，電磁閥線圈得電完成對排風閥的控制。

圖2 防滑系統軟件流程圖

圖2 排風閥電磁閥及其驅動電路

3 軟件設計

防滑控制系統的算法是軟件設計的核心，常用的算法有邏輯門限制控制、滑模變結構控制、模糊控制和PID控制等，邏輯門限制值選用速度差、滑移率、減速度及其微分中的一個或幾個作為控制參數，將該控制參數的經驗值作為控制門限，當控制參數超過該門限值時啟動防滑控制算法。這種算法適用于非線性控制系統，對控制器的計算能力要求低，在汽車防滑控制系統中廣泛應用。為了降低控制器成本，本文采用邏輯門限制控制算法，電機車進行制動時并不總是啟動防滑控制程序，在車速較低的情況下制動，防滑控制的控制參數達不到門限值，會導致制動距離增大，因此在低速制動時不宜啟動防滑制動，直接采用常規制動將車輪抱死即可。

機載軟件由系統主程序、防滑控制程序、輪速采集程序和參考車速計算程序等組成，系統程序開始后進行初始化，然后對傳感器進行故障檢測，故障處理完成后依次采集軸重和輪速，由此計算車速，當車速大于5 km/h啟動防滑控制主程序，車速小于5 km/h則啟動常規制動。防滑控制程序為核心程序，流程圖如下頁圖3所示。程序初始化后對路面進行識別，根據路面和軸重情況預裝載門限值，然后計算控制參數進入邏輯門控制，控制參數超過門限則對相應端口發送相應控制信號，動作完成后返回主程序，動作未完成則繼續執行路面識別程序。

4 結語

本文研究的礦用電機車防滑控制系統通過車輪速度傳感器采集車輪轉速，在單片機內計算滑移率和減速度等控制參數，根據路面和載重情況設定的門限值控制算法判別是否啟動防滑算法，通過防滑排風閥的兩個電磁閥控制電機車制動力，實現了電機車防滑功能。電機車防滑系統的應用使車輪與軌道間的黏著系數始終保持在最大值，減小了電機車制動距離，降低了車輪與軌道的機械磨損，提高了煤礦電機車的操縱性和安全性。