矿用自卸汽车制动器智能监测装置的设计

□ 王 能 □ 孙龙跃 □ 於 君 □ 陈学伟 □ 刘 宇 □ 王 阳

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏常州 213011

1 设计背景

制动器是矿用自卸汽车的主要制动执行装置。矿用自卸汽车长期在露天煤矿、铜矿等恶劣环境中工作,长时间以重载模式运行于大坡道长距离路面,造成制动器的故障风险较高。尤其是矿用自卸汽车需要频繁制动,使制动元器件产生高温,对制动元器件会造成不可逆损伤。

笔者设计了矿用自卸汽车制动器智能监测装置,通过对制动器活塞温度、油压、磨耗这三个关键数据进行实时状态监测,在出现异常状况时及时报警,有效避免因制动器故障而引起的矿用自卸汽车安全事故。

2 数据监测

在对矿用自卸汽车制动器失效影响因素进行分析的基础上,确认主要有三个因素,分别为活塞异常升温、摩擦片磨耗达到极限、持续制动,由此确定制动器的三个数据监测点,分别为:

(1) 活塞温度;

(2) 液压系统进油口、出油口油压;

(3) 摩擦片磨耗。

通过以上三个数据监测点的实时监测,可以得到制动器关键零部件的使用性能,并且可以对制动器结构进行优化。

3 装置原理

矿用自卸汽车制动器智能监测装置主要由传感器模块、信号采集模块、传输模块、显示模块、声光报警模块等部分组成,可以实现异常工况报警和实时运行数据采集功能。智能监测装置应用时,需要进行硬件设置、算法设置和显示设置。

硬件设置时,将传感器模块通过金属连接的方式安装在制动器上,用于采集实时监测的数据。基于所采集的数据,部署超限诊断算法,通过声光报警模块进行实时报警。显示设置时,通过液晶显示屏实时输出温度、油压数据曲线,并且可以通过触摸屏调整阈值大小。

智能监测装置的拓扑结构如图1所示。

▲图1 智能监测装置拓扑结构

4 数据采集

矿用自卸汽车制动器智能监测装置通过信号采集模块对采集到的数据信息进行处理,设定超限阈值,进行异常状态和正常状态分类存储、传送。

(1) 假设活塞温度超限阈值为100 ℃,通过判断活塞实时温度与活塞温度超限阈值的关系,来判别制动器是否存在异常。当活塞实时温度低于100 ℃时,判定制动器处于正常运行状态,不做任何处理。当活塞实时温度达到100 ℃时,判定制动器处于非正常运行状态,将异常信号发送至声光报警模块。

(2) 假设油压超限阈值为1 MPa和4 MPa,通过判断实时油压与油压超限阈值的关系,来判别制动器是否存在异常。当实时油压高于4 MPa时,判定制动器处于正常运行状态,不做任何处理。若10 min内两次以上出现实时油压低于1 MPa的情况,则判定制动器处于连续制动状态,将异常信号发送至声光报警模块。若实时油压不低于1 MPa且不高于4 MPa,持续时间超过110 s,则系统存在背压,判定制动器处于拖滞状态,将异常信号发送至声光报警模块。

(3) 假设磨耗超限阈值为5 mm,通过判断实时磨耗与磨耗超限阈值的关系,来判别制动器是否存在异常。当实时磨耗小于5 mm时,判定制动器处于正常运行状态,不做任何处理。当实时磨耗达到5 mm时,将异常信号发送至声光报警模块。

5 实施方案

信号采集模块和声光报警模块安装于矿用自卸汽车驾驶室内,通过RS485或MODBUS接口将安装在矿用自卸汽车前桥左轮上的传感器与安装在矿用自卸汽车驾驶室右侧的信号采集模块相连接,声光报警模块通过5芯线缆与信号采集模块相连接。

信号采集模块通过轮询的方式分别采集活塞温度、油压、磨耗实时数据,并保存至矿用自卸汽车制动器智能监测装置的内存卡中,同时加入时间戳。采集时间间隔为10 s。显示模块实时显示活塞温度、油压,可以根据实际工况进行超限阈值调整。当实时数据达到超限阈值后,报警指示灯启动报警,同时将报警信息加入时间戳后保存至智能监测装置内存卡中,供后续调用分析。

6 数据分析

对矿用自卸汽车制动器智能监测装置记录的三组活塞最高温度进行统计,并统计对应的制动次数、运动时间、拖滞次数,见表1。

表1 制动器数据

活塞最高温度为77.7 ℃,运行时间为14 h,每小时制动次数在6次至7次之间。活塞最高温度发生”时间段活塞温度与油压如图2所示,连续拖滞时间段活塞温度与油压如图3所示。在图2中,活塞最高温度发生时间段内发生了连续制动,因拖滞引起的异常温升情况十分明显。在图3中,异常温升为19.2 K。

▲图2 活塞最高温度发生时间段活塞温度与油压

▲图3 连续拖滞时间段活塞温度与油压

对于瞬时制动,活塞和摩擦片贴合时间短,温升不明显。对于正常制动,活塞和摩擦片贴合时间长,温升明显。重载、高速、坡道情况下的制动相比空载、低速、平直道情况下的制动,温升情况更为明显。拖滞会造成明显的异常温升。

7 结束语

笔者设计了矿用自卸汽车制动器智能监测装置,能够实时采集制动器数据信息,通过故障报警功能提高矿用自卸汽车的运行安全性,在一定程度上降低制动器失效风险。实时采集的数据还可以为制动器可靠性设计提供理论参考。

所设计的智能监测装置可以应用于各型号矿用自卸汽车制动器,在判断制动器出现异常状况时实现报警,具有较高的实用价值。