礦用自卸汽車制動器智能監測裝置的設計

□ 王 能 □ 孫龍躍 □ 於 君 □ 陳學偉 □ 劉 宇 □ 王 陽

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1 設計背景

制動器是礦用自卸汽車的主要制動執行裝置。礦用自卸汽車長期在露天煤礦、銅礦等惡劣環境中工作,長時間以重載模式運行于大坡道長距離路面,造成制動器的故障風險較高。尤其是礦用自卸汽車需要頻繁制動,使制動元器件產生高溫,對制動元器件會造成不可逆損傷。

筆者設計了礦用自卸汽車制動器智能監測裝置,通過對制動器活塞溫度、油壓、磨耗這三個關鍵數據進行實時狀態監測,在出現異常狀況時及時報警,有效避免因制動器故障而引起的礦用自卸汽車安全事故。

2 數據監測

在對礦用自卸汽車制動器失效影響因素進行分析的基礎上,確認主要有三個因素,分別為活塞異常升溫、摩擦片磨耗達到極限、持續制動,由此確定制動器的三個數據監測點,分別為:

(1) 活塞溫度;

(2) 液壓系統進油口、出油口油壓;

(3) 摩擦片磨耗。

通過以上三個數據監測點的實時監測,可以得到制動器關鍵零部件的使用性能,并且可以對制動器結構進行優化。

3 裝置原理

礦用自卸汽車制動器智能監測裝置主要由傳感器模塊、信號采集模塊、傳輸模塊、顯示模塊、聲光報警模塊等部分組成,可以實現異常工況報警和實時運行數據采集功能。智能監測裝置應用時,需要進行硬件設置、算法設置和顯示設置。

硬件設置時,將傳感器模塊通過金屬連接的方式安裝在制動器上,用于采集實時監測的數據。基于所采集的數據,部署超限診斷算法,通過聲光報警模塊進行實時報警。顯示設置時,通過液晶顯示屏實時輸出溫度、油壓數據曲線,并且可以通過觸摸屏調整閾值大小。

智能監測裝置的拓撲結構如圖1所示。

▲圖1 智能監測裝置拓撲結構

4 數據采集

礦用自卸汽車制動器智能監測裝置通過信號采集模塊對采集到的數據信息進行處理,設定超限閾值,進行異常狀態和正常狀態分類存儲、傳送。

(1) 假設活塞溫度超限閾值為100 ℃,通過判斷活塞實時溫度與活塞溫度超限閾值的關系,來判別制動器是否存在異常。當活塞實時溫度低于100 ℃時,判定制動器處于正常運行狀態,不做任何處理。當活塞實時溫度達到100 ℃時,判定制動器處于非正常運行狀態,將異常信號發送至聲光報警模塊。

(2) 假設油壓超限閾值為1 MPa和4 MPa,通過判斷實時油壓與油壓超限閾值的關系,來判別制動器是否存在異常。當實時油壓高于4 MPa時,判定制動器處于正常運行狀態,不做任何處理。若10 min內兩次以上出現實時油壓低于1 MPa的情況,則判定制動器處于連續制動狀態,將異常信號發送至聲光報警模塊。若實時油壓不低于1 MPa且不高于4 MPa,持續時間超過110 s,則系統存在背壓,判定制動器處于拖滯狀態,將異常信號發送至聲光報警模塊。

(3) 假設磨耗超限閾值為5 mm,通過判斷實時磨耗與磨耗超限閾值的關系,來判別制動器是否存在異常。當實時磨耗小于5 mm時,判定制動器處于正常運行狀態,不做任何處理。當實時磨耗達到5 mm時,將異常信號發送至聲光報警模塊。

5 實施方案

信號采集模塊和聲光報警模塊安裝于礦用自卸汽車駕駛室內,通過RS485或MODBUS接口將安裝在礦用自卸汽車前橋左輪上的傳感器與安裝在礦用自卸汽車駕駛室右側的信號采集模塊相連接,聲光報警模塊通過5芯線纜與信號采集模塊相連接。

信號采集模塊通過輪詢的方式分別采集活塞溫度、油壓、磨耗實時數據,并保存至礦用自卸汽車制動器智能監測裝置的內存卡中,同時加入時間戳。采集時間間隔為10 s。顯示模塊實時顯示活塞溫度、油壓,可以根據實際工況進行超限閾值調整。當實時數據達到超限閾值后,報警指示燈啟動報警,同時將報警信息加入時間戳后保存至智能監測裝置內存卡中,供后續調用分析。

6 數據分析

對礦用自卸汽車制動器智能監測裝置記錄的三組活塞最高溫度進行統計,并統計對應的制動次數、運動時間、拖滯次數,見表1。

表1 制動器數據

活塞最高溫度為77.7 ℃,運行時間為14 h,每小時制動次數在6次至7次之間。活塞最高溫度發生”時間段活塞溫度與油壓如圖2所示,連續拖滯時間段活塞溫度與油壓如圖3所示。在圖2中,活塞最高溫度發生時間段內發生了連續制動,因拖滯引起的異常溫升情況十分明顯。在圖3中,異常溫升為19.2 K。

▲圖2 活塞最高溫度發生時間段活塞溫度與油壓

▲圖3 連續拖滯時間段活塞溫度與油壓

對于瞬時制動,活塞和摩擦片貼合時間短,溫升不明顯。對于正常制動,活塞和摩擦片貼合時間長,溫升明顯。重載、高速、坡道情況下的制動相比空載、低速、平直道情況下的制動,溫升情況更為明顯。拖滯會造成明顯的異常溫升。

7 結束語

筆者設計了礦用自卸汽車制動器智能監測裝置,能夠實時采集制動器數據信息,通過故障報警功能提高礦用自卸汽車的運行安全性,在一定程度上降低制動器失效風險。實時采集的數據還可以為制動器可靠性設計提供理論參考。

所設計的智能監測裝置可以應用于各型號礦用自卸汽車制動器,在判斷制動器出現異常狀況時實現報警,具有較高的實用價值。