采煤機(jī)液壓制動(dòng)器盤(pán)內(nèi)溫度在線檢測(cè)系統(tǒng)

周新建，李 治

（西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054）

采煤機(jī)制動(dòng)器是采煤機(jī)重要的安全部件，其性能好壞直接影響煤礦開(kāi)采的安全進(jìn)行。制動(dòng)器的制動(dòng)性能主要取決于摩擦片的摩擦性能。當(dāng)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)彈簧擠壓摩擦片組件，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能來(lái)使得制動(dòng)器制動(dòng)[1]。由于制動(dòng)時(shí)間很短，制動(dòng)盤(pán)和摩擦片組件之間的表面溫度會(huì)迅速升高，導(dǎo)致過(guò)熱失效。因此需要對(duì)制動(dòng)時(shí)盤(pán)內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)來(lái)確保制動(dòng)器安全制動(dòng)[2]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種針對(duì)于盤(pán)內(nèi)溫度的檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)建立制動(dòng)盤(pán)的有限元模型，運(yùn)用ANASY分析，模擬制動(dòng)工況找到制動(dòng)盤(pán)上溫度變化最大的點(diǎn)，然后在與活塞接觸的制動(dòng)片上找到與溫度變化最大的點(diǎn)所平行的點(diǎn)，用溫度傳感器采集這個(gè)點(diǎn)的溫度變化，然后根據(jù)制動(dòng)器摩擦盤(pán)外側(cè)與內(nèi)側(cè)的溫度變化關(guān)系，得到制動(dòng)器內(nèi)部溫度。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)SPI串行總線傳給上位機(jī)[3]。盤(pán)內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)液壓盤(pán)式制動(dòng)器的安全使用具有重大意義。

1 制動(dòng)器溫度傳感器檢測(cè)點(diǎn)的確定

1.1 熱結(jié)構(gòu)耦合分析

采煤機(jī)液壓制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖如圖1。采煤機(jī)制動(dòng)器主要由制動(dòng)盤(pán)摩擦片、活塞、缸體、密封圈等組成，4個(gè)摩擦墊片與3個(gè)摩擦片組件交叉排列安裝在裝有冷卻油的封閉殼體內(nèi)[4]。由于并不能直接測(cè)量摩擦墊片與摩擦片組件之間制動(dòng)時(shí)的溫度，因此采用間接測(cè)量的方法，假設(shè)溫度在摩擦墊片中的熱傳遞時(shí)均勻的，在摩擦片的外側(cè)通過(guò)有限元建模找到溫度變化最大的點(diǎn)，水平方向上對(duì)應(yīng)在與活塞接觸的摩擦墊片上的這個(gè)點(diǎn)也就是溫度變化最大的點(diǎn)，通過(guò)制動(dòng)器內(nèi)部溫度與距摩擦墊片軸向距離經(jīng)驗(yàn)公式，得到摩擦片之間制動(dòng)時(shí)溫度變化情況。

圖1 采煤機(jī)液壓制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

對(duì)制動(dòng)片和摩擦片進(jìn)行建模，在建模過(guò)程中把一些不影響分析結(jié)果的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得到簡(jiǎn)化后的三維模型，然后對(duì)簡(jiǎn)化之后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后進(jìn)行溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)耦合分析[2]。當(dāng)制動(dòng)器受到的制動(dòng)力矩不同，摩擦副的外側(cè)和內(nèi)部的溫度變化狀態(tài)也是不同的，對(duì)摩擦副從300 N·m到1 200 N·m的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到制動(dòng)器受力摩擦副內(nèi)外側(cè)的溫度變化云圖。通過(guò)ANAYS分析后得到的制動(dòng)器溫度變化圖如圖2～圖5（限于篇幅，只取 300、600、900、1 200 N·m），不同力矩下摩擦副內(nèi)外側(cè)溫度表見(jiàn)表1。

圖2 300 N·m力矩作用摩擦副內(nèi)外側(cè)溫度變化云圖

圖3 600 N·m力矩作用摩擦副內(nèi)外側(cè)溫度變化云圖

圖4 900 N·m力矩作用摩擦副內(nèi)外側(cè)溫度變化云圖

圖5 1 200 N·m力矩作用摩擦副內(nèi)外側(cè)溫度變化云圖

表1 不同力矩下摩擦副內(nèi)外側(cè)溫度表

1.2 結(jié)果分析

從圖2～圖5可以得出，摩擦墊片的溫度沿著摩擦墊片軸向方向變化。隨著半徑的增大，摩擦墊片溫度也隨之增大，最終在摩擦片的最外緣處取得溫度變化最大的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)也就是摩擦片與摩擦墊片之間制動(dòng)時(shí)溫度變化最大的點(diǎn)。在這一點(diǎn)處放置溫度傳感器最能體現(xiàn)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中溫度變化情況。具體的放置點(diǎn)如圖1中A點(diǎn)，采集到溫度通過(guò)數(shù)據(jù)線通道B由數(shù)據(jù)線傳送出來(lái)后接入上位機(jī)接口中。溫度傳感器放置點(diǎn)局部放大圖如圖6。

通過(guò)分析可以看出摩擦片邊緣處的溫度最高，在制動(dòng)片上找到與摩擦片邊緣所平行的點(diǎn)，檢測(cè)這一點(diǎn)的溫度?？梢愿鶕?jù)摩擦副受到不同應(yīng)力時(shí)摩擦片內(nèi)外側(cè)之間的溫度變化得到摩擦片內(nèi)外側(cè)溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式[5-6]。

根據(jù)表1中變化的溫度變化情況，擬合出摩擦片內(nèi)外側(cè)溫度之間的曲線，得出內(nèi)外側(cè)溫度變化經(jīng)驗(yàn)公式為：

y＝－0.014 5x6＋0.452 7x5－5.381 1x4+30.399x3-82.227x2+112.66x+16.405

圖6 采煤機(jī)液壓制動(dòng)器局部放大圖

式中：y為制動(dòng)器內(nèi)部溫度，℃；x為溫度傳感器所采集到的溫度，℃。

將采集到的溫度作為x代入到經(jīng)驗(yàn)公式中，可以得出制動(dòng)器內(nèi)部溫度。

2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)主要以STM32F205控制芯片為核心，由溫度檢測(cè)模塊、電壓放大電路等組成。溫度檢測(cè)模塊將數(shù)據(jù)檢測(cè)到后進(jìn)行電壓放大，輸入到單片機(jī)當(dāng)中[7-8]。溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）電源模塊。采煤機(jī)制動(dòng)器工作在煤礦井下，其工作環(huán)境存在大量可燃介質(zhì)(如甲烷、煤塵等）。引起爆炸的因素很多，但主要危險(xiǎn)因素是電器設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的火花和溫度?？刂菩酒琒TM32F205的供電電壓為3.3 V，為了防止電氣設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生的火花和高溫引起的爆炸，在從電控箱中接出電源的時(shí)候應(yīng)該選擇最小的5 V電壓。HT7533芯片是一款電壓轉(zhuǎn)換芯片，將電制箱輸出的5 V電壓通過(guò)HT7533芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到3.3 V的控制芯片工作電壓，然后通過(guò)一系列的電容進(jìn)行濾波得到較為穩(wěn)定的電壓，為整個(gè)下位機(jī)部分進(jìn)行供電[7-9]。電源電路如圖8。

圖8 電源電路

2）溫度檢測(cè)模塊。采用鎳鉻-銅鎳熱電偶來(lái)測(cè)量摩擦墊片上的溫度，該熱電偶屬于廉金屬熱電偶，使用溫度為-200～900℃，是所有熱電偶溫度傳感器中靈敏度最大的，可以測(cè)量微小的溫度變化，具有良好的穩(wěn)定性[10]。

3）電壓放大模塊。電壓放大電路如圖9。熱電偶傳感器輸出的電壓屬于毫伏值，因此需要在傳遞給單片機(jī)之前先進(jìn)行電壓放大處理。查手冊(cè)得到鎳鉻-銅鎳熱電偶在溫度等于400℃時(shí)，輸出的電壓值為28.943 mV[10]，STM32F205的PA部分引腳接收放大之后的電壓，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查的該P(yáng)A口最大承受電壓為5 V，因此可以得到放大電路的增益大概是100倍。儀表放大電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力，因此采用儀表放大電路來(lái)進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)[11]。

4）單片機(jī)相關(guān)設(shè)置。設(shè)計(jì)以STM32F205VB為主控芯片，加上一些簡(jiǎn)單的外設(shè)構(gòu)成了下位機(jī)的控制部分。STM32F205VB具有3路12位的A/D轉(zhuǎn)換器，因此只需要將放大電路中的輸出端接到STM32F205VB中A/D轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的引腳上就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與采集[3，8]。STM32系列的微控制器具有很強(qiáng)的自由性，可以根據(jù)不同的使用情況來(lái)配置相應(yīng)的參數(shù)，例如時(shí)鐘，串口，GPIO等，這些參數(shù)都需要在使用之前進(jìn)行配置。

3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)

溫度顯示界面程序流程圖如圖10。

圖9 電壓放大電路

圖10 溫度顯示界面程序流程圖

上位機(jī)顯示界面采用QT5.5軟件平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，在原有的界面中的制動(dòng)器顯示區(qū)域中增加2欄，分別是溫度高于500℃的次數(shù)以及溫度高于700℃的次數(shù)，以及1個(gè)用來(lái)表示制動(dòng)異常的小燈。當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，后面顯示區(qū)域的次數(shù)會(huì)加1，當(dāng)數(shù)字累加到一定的次數(shù)時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警函數(shù)。而當(dāng)溫度高于700℃時(shí)，則會(huì)直接觸發(fā)報(bào)警函數(shù)，提醒工作人員檢查摩擦組件的性能，確保制動(dòng)器的安全制動(dòng)[4，7]。

4 結(jié)語(yǔ)

主要針對(duì)液壓制動(dòng)器盤(pán)內(nèi)溫度進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以ANAYS進(jìn)行溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析、STM32F205VB控制器芯片作為下位機(jī)核心，通過(guò)QT5.5軟件平臺(tái)構(gòu)建了上位機(jī)顯示界面，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)器盤(pán)內(nèi)溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。檢測(cè)系統(tǒng)具有優(yōu)良的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，可視化程度高。