有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)在遠(yuǎn)控輪胎吊上的應(yīng)用

吳士杰　胡巳俊

寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司已實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“輪胎吊”）無(wú)人化遠(yuǎn)程控制（以下簡(jiǎn)稱“遠(yuǎn)控”）。遠(yuǎn)控輪胎吊裝有胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控輪胎狀態(tài)，但無(wú)法從根本上解放人力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充氣。輪胎吊維護(hù)成本相對(duì)較高，特別是輪胎消耗較大，日常需要維護(hù)的輪胎數(shù)量龐大，并且輪胎人工充氣面臨交叉作業(yè)、炸胎等安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，在遠(yuǎn)控輪胎吊大車輪胎上應(yīng)用有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輪胎遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)充放氣、故障預(yù)判等功能。

1 自動(dòng)充放氣系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

為了實(shí)現(xiàn)車輛輪胎自動(dòng)充放氣功能，輪胎中央充放氣系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，裝備對(duì)象從最初的軍用車輛拓展到民用車輛，并在油田、林業(yè)、勘探等特殊領(lǐng)域車輛上得到廣泛應(yīng)用。采用電子控制方式的輪胎中央充放氣系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)與全車電子控制系統(tǒng)整合，并與胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)測(cè)壓能力，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。輪胎中央充放氣系統(tǒng)主要由氣源、電控氣閥組（包括電磁閥和氣壓調(diào)節(jié)器）、旋轉(zhuǎn)密封氣室、車輪閥、閉鎖閥、電子控制裝置和控制面板等組成。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)港機(jī)設(shè)備也開始使用自動(dòng)充放氣技術(shù)。根據(jù)輪胎吊實(shí)際工況，即大車滿載運(yùn)行速度25 m/min和空載運(yùn)行速度130 m/min，輪胎輪轂總成的動(dòng)平衡要求不高，可考慮將自動(dòng)充放氣系統(tǒng)部分部件集成于輪邊系統(tǒng)（見圖1）。近年來(lái)，部分碼頭以傳統(tǒng)輪胎中央充放氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為基礎(chǔ)，對(duì)輪胎吊自動(dòng)充放氣系統(tǒng)實(shí)施升級(jí)改造（見圖2和圖3）。該系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，但由于輪胎吊輪胎間距相對(duì)較大，氣管、線纜布置略顯雜亂，且氣管偏長(zhǎng)易損壞。

2 遠(yuǎn)控輪胎吊有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，遠(yuǎn)控輪胎吊有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)由變壓器、顯控單元、報(bào)警燈、滑環(huán)、輪邊控制閥總成、氣泵、高壓限壓閥、冷凝氣管、氣管等組成。

2.2 系統(tǒng)原理

（1）變壓器 變壓器布置在輪胎吊底梁機(jī)載電源附近，其工作原理是：從機(jī)載電源取220 V交流電，將其轉(zhuǎn)換為24 V或12 V直流電后輸送給顯控單元、滑環(huán)、輪邊電子控制單元等系統(tǒng)電氣元件，從而為系統(tǒng)提供合適的電壓電源。

（2）顯控單元 顯控單元布置在設(shè)備底梁上，其工作原理是：與輪邊電子控制單元相互通信，獲取并顯示胎壓、工作和故障狀態(tài)，同時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù);控制輪邊電子控制單元的工作狀態(tài)，發(fā)出充氣指令至輪邊電子控制單元;接收來(lái)自輪邊電子控制單元的信息，在發(fā)生故障時(shí)控制報(bào)警燈的亮燈模式，并發(fā)出蜂鳴警報(bào)。

（3）報(bào)警燈 報(bào)警燈受輪邊電子控制單元控制，通過不同的亮燈模式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)提示和報(bào)警。

（4）滑環(huán) 滑環(huán)布置在輪邊車輪車軸上，采用對(duì)開式結(jié)構(gòu)，也可采用整體式或內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子抱緊鎖死在輪邊車輪車軸上隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，定子浮動(dòng)于轉(zhuǎn)子外圈，通過止轉(zhuǎn)銷限位于車輪軸承座處，將電信號(hào)從靜止的設(shè)備底梁發(fā)送至旋轉(zhuǎn)的車輪輪輞，向輪邊控制閥總成和氣泵供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯控單元與輪邊電子控制單元間的通信。

（5）輪邊控制閥總成 輪邊控制閥總成布置于輪邊車輪輪輞附近，隨輪胎一起轉(zhuǎn)動(dòng)。輪邊控制閥總成由輪邊電子控制單元、傳感器、單向閥、排氣電磁閥、放氣電磁閥等組成：輪邊電子控制單元控制并處理傳感器信號(hào)，并與顯控單元通信，將胎壓、工作和故障狀態(tài)發(fā)送至顯控單元并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，同

時(shí)受顯控單元控制，接收充氣指令后，控制排氣電磁閥、放氣電磁閥和氣泵啟閉;傳感器從輪邊電子控制單元獲取電源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)胎壓，并回傳至輪邊電子控制單元處理;單向閥控制氣泵氣路與輪胎的通斷，使輪胎內(nèi)的氣體只能從氣泵氣路向輪胎單向流動(dòng)，而不會(huì)回流至氣泵氣路;排氣電磁閥受輪邊電子控制單元控制，不得電時(shí)將氣泵至單向閥的氣體排空，得電時(shí)封閉氣路，使氣泵至單向閥不再排氣;放氣電磁閥受輪邊電子控制單元控制，不得電時(shí)封閉氣路，使單向閥至輪胎不排氣，得電時(shí)將輪胎內(nèi)的氣體排空。

（6）氣泵 氣泵布置于輪邊車輪輪輞附近，隨輪胎一起轉(zhuǎn)動(dòng)。氣泵受輪邊電子控制單元控制，不得電時(shí)不工作，得電時(shí)產(chǎn)生高壓氣體用于充氣。

（7）高壓限壓閥 高壓限壓閥布置于氣泵出口處。當(dāng)氣泵至輪胎的氣體壓力過高時(shí)，高壓限壓閥打開，排出氣體。

（8）冷凝氣管 冷凝氣管連接氣泵與輪邊控制閥總成，主要用于輸出氣體、冷卻氣體和濾水。

（9）氣管 氣管連接輪邊控制閥總成與輪胎，用于輸送氣體。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 保壓功能

單向閥作為氣控閥，控制氣泵氣路與輪胎的通斷，使輪胎內(nèi)的氣體只能從氣泵氣路向輪胎單向流動(dòng)，而不會(huì)回流至氣泵氣路。此外，放氣電磁閥受輪邊電子控制單元控制，不得電時(shí)封閉氣路，使單向閥至輪胎不排氣，從而實(shí)現(xiàn)輪胎保壓功能，避免氣體外泄。

2.3.2 胎壓監(jiān)測(cè)功能

電磁式傳感器布置在單向閥之后，與輪邊電子控制單元通過線束連接，獲取供電電源;其能通過氣路連接實(shí)時(shí)測(cè)量和讀取胎壓信號(hào)，并通過有線信號(hào)回傳至輪邊電子控制單元處理;此外，其還能通過線束和滑環(huán)與顯控單元實(shí)現(xiàn)有線通信，并回傳數(shù)據(jù)至顯控單元。輪邊電子控制單元可通過無(wú)線通信模式（藍(lán)牙或射頻等）與顯控單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將胎壓信號(hào)傳送至顯控單元。此外，還可擴(kuò)展增加溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)輪胎氣體溫度監(jiān)測(cè)功能。

2.3.3 胎壓調(diào)節(jié)功能

顯控單元實(shí)時(shí)獲取輪邊電子控制單元信號(hào)，并按設(shè)定邏輯工作。

（1）當(dāng)胎壓低于設(shè)定值時(shí)：顯控單元向?qū)?yīng)需要充氣的輪邊電子控制單元發(fā)送充氣指令（通過線束、滑環(huán)或者藍(lán)牙、射頻等方式）;輪邊電子控制單元收到充氣指令后，通過線束控制氣泵和排氣閥得失電，實(shí)現(xiàn)充氣功能。具體流程如下：氣泵得電開啟泵氣，排氣閥得電關(guān)閉，氣泵產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)冷凝氣管、氣路頂開單向閥，再經(jīng)氣管輸送至輪胎，實(shí)現(xiàn)充氣功能;一定時(shí)間后，氣泵、排氣閥均失電，傳感器測(cè)量胎壓，若胎壓仍低于設(shè)定值，則繼續(xù)充氣;胎壓達(dá)到設(shè)定值后，氣泵、排氣閥均失電，結(jié)束充氣動(dòng)作，氣泵至單向閥氣體經(jīng)排氣閥排出，排氣閥關(guān)閉。

（2）當(dāng)胎壓高于設(shè)定值時(shí)：顯控單元向?qū)?yīng)需要放氣的輪邊電子控制單元發(fā)送放氣指令（通過線束、滑環(huán)或者藍(lán)牙、射頻等方式）;輪邊電子控制單元收到放氣指令后，通過線束控制放氣閥得失電，實(shí)現(xiàn)放氣功能。具體流程如下：放氣閥得電開啟，輪胎經(jīng)氣管、放氣閥排氣，實(shí)現(xiàn)放氣功能;一定時(shí)間后，放氣閥失電關(guān)閉，傳感器測(cè)量胎壓，若胎壓仍高于設(shè)定值，則繼續(xù)放氣;胎壓達(dá)到設(shè)定值后，放氣閥失電關(guān)閉，結(jié)束放氣動(dòng)作。

通過以上充放氣邏輯的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎胎壓的調(diào)節(jié)功能，使胎壓始終處于合適范圍內(nèi)。充放氣功能不是必備的，可按需求取舍。輪邊控制閥總成可按需擴(kuò)展，各總成可同時(shí)亦可輪流工作。

2.3.4 報(bào)警功能

輪邊電子控制單元和顯控單元均具備故障診斷功能，通過對(duì)壓力信號(hào)的分析判斷，可實(shí)現(xiàn)氣路開路、輪胎、閥門和傳感器等相關(guān)故障的診斷判定，并通過顯控單元和報(bào)警燈提示司機(jī)或維修人員。

2.3.5 高壓保護(hù)功能

氣泵出口處設(shè)有高壓限壓閥。當(dāng)氣泵至輪胎的氣體壓力過高時(shí)，高壓限壓閥打開，排出氣體，從而避免管道或輪胎內(nèi)氣壓過高引發(fā)系統(tǒng)故障。

3 遠(yuǎn)控輪胎吊有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)應(yīng)用效果

有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后應(yīng)用于遠(yuǎn)控輪胎吊：當(dāng)胎壓低于設(shè)定最低工作壓力時(shí)，輪邊氣泵得電工作，直至胎壓達(dá)到設(shè)定工作壓力;當(dāng)溫度上升，胎壓高于設(shè)定最高工作壓力時(shí)，放氣閥得電，放氣狀態(tài)開啟，直至胎壓達(dá)到設(shè)定工作壓力。有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)與遠(yuǎn)控輪胎吊原有的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎胎壓及自動(dòng)充氣時(shí)間、充氣次數(shù)，并可根據(jù)充氣次數(shù)判斷輪胎漏氣和爆胎故障，便于維保人員事先更換問題輪胎。與同類型旋轉(zhuǎn)密封氣室型自動(dòng)充放氣系統(tǒng)相比，有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）將氣泵集成在每個(gè)輪轂輪邊總成上，無(wú)須配置冗長(zhǎng)的氣管，更美加觀和高效;（2）輪邊總成設(shè)計(jì)為碳刷滑環(huán)總成，導(dǎo)電滑環(huán)由2個(gè)半圓組成，拆卸較其他方案更便捷，滿足快速維保要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

有刷式自動(dòng)充放氣系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)控輪胎吊后，與輪胎吊原有的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輪胎遠(yuǎn)程監(jiān)控、狀態(tài)報(bào)警、自動(dòng)充放氣、故障預(yù)判等功能，形成輪胎智能化維護(hù)閉環(huán)，不僅大大提高輪胎吊機(jī)動(dòng)性，降低動(dòng)力消耗和輪胎損耗，節(jié)省人力成本，而且避免炸胎等安全隱患，減少因輪胎問題引起的次生故障（如輪轂開裂和大車減速箱故障等），從而有效保障輪胎吊作業(yè)安全，進(jìn)一步提升輪胎吊作業(yè)自動(dòng)化水平。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-06-07）