起重機制動器摩擦系數(shù)檢測裝置研究

翟 羽 ，鮑久圣 ，王 寧 ，陰 妍

（1.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116；2.徐州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 徐州 221000）

1 引言

起重機是工程中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，用于轉(zhuǎn)移、調(diào)度重物的空間位置，起重機制動器是其進行速度和位置調(diào)節(jié)以及可靠停止所必須的重要部件，它依靠制動摩擦副之間的摩擦作用實現(xiàn)制動功能，其制動摩擦性能對起重機作業(yè)安全和工業(yè)性能有重要影響[1]。在起重機作業(yè)過程中，制動失效會導(dǎo)致重物在重力作用下急劇加速墜落，輕則砸壞設(shè)備，重則造成人員傷亡。因此，起重機對制動器性能的要求比一般機械設(shè)備高很多，制動器性能對起重作業(yè)安全關(guān)系極大。當今起重機正朝著大型化、高效化、成套化發(fā)展，其制動器也要適應(yīng)高速、重載、響應(yīng)快的作業(yè)環(huán)境。制動器在高速、重載以及由此引發(fā)的高溫作用下，摩擦系數(shù)極易在短時間內(nèi)發(fā)生突變進而嚴重降低了制動性能，而由制動失效引發(fā)的惡性事故往往就是在一瞬間發(fā)生。長期以來，人們對起重機制動器的研究主要集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、閘瓦間隙調(diào)整、空動時間縮短等問題[2-5]，而對制動器性能的檢測卻很少。但是，制動器性能特別是制動摩擦系數(shù)卻是影響制動效果最直接的因素，其摩擦性能參數(shù)最能體現(xiàn)制動狀態(tài)[6-8]。因此，開展起重機制動器摩擦系數(shù)檢測裝置的設(shè)計研究，對提高機械制動器的工作可靠性，保障機械系統(tǒng)的制動安全，避免重大制動事故的發(fā)生，都將具有重要的理論價值和實際意義。

2 摩擦系數(shù)檢測方法及原理

起重機制動器按摩擦副結(jié)構(gòu)特征可分為盤式制動器和鼓（塊）式制動器；按驅(qū)動方式不同可分為電磁制動器、液壓制動器、電力液壓制動器；按工作狀態(tài)又可分為常閉式制動器和常開式制動器。由于電力液壓制動器具有控制簡單、運行無噪音、動作性能平穩(wěn)（無沖擊或沖擊很?。⒐收下实?、壽命長、運行維護成本低等諸多優(yōu)點，目前被國內(nèi)外公認為起重機各種制動機構(gòu)的理想制動裝置[9]。為采集起重機制動器摩擦系數(shù)，選用生產(chǎn)實踐中應(yīng)用較為廣泛的YWZ4-200/23電力液壓鼓式制動器為研究對象，需對其工作狀況及受力情況進行分析。首先以單個閘瓦為分析對象，如圖1所示。在制動副接觸理想的情況下，閘瓦上位于制動鼓水平軸線上下對稱位置兩點的受力在水平方向分力相互抵消，最終作用于閘塊上的合力為豎直方向。

圖1 電力液壓鼓式制動器單個閘瓦力學分析Fig.1 Analysis of Single Mechanical Brake

以電力液壓鼓式制動器整體作為分析對象，如圖2所示。制動壓力由制動彈簧提供，由于左右制動臂的作用力相等，存在關(guān)系N=N′即制動器整體在水平方向受力平衡；查用戶手冊可知該型號制動器的額定制動力矩為200N·m，即制動鼓作用于一對閘瓦上的制動力矩為200N·m，假設(shè)制動鼓為順時針轉(zhuǎn)動，則制動器底座對左側(cè)地板作用力豎直向上，對右側(cè)地板作用力豎直向下，在水平方向不存在對地板的作用力，即制動器底座對地板的作用為左拉右壓。

圖2 電力液壓鼓式制動器整體力學分析Fig.2 Analysis of Electric Hydraulic Drum Brake Mechanical

由摩擦系數(shù)定義可知，若要計算得出摩擦系數(shù)，需要測得制動壓力與制動力的值，其計算公式，如式（2）～式（5）所示

式中：N—彈簧力，N，可由壓力傳感器直接獲得；F—制動摩擦力，N，由基座對地板的傾覆力矩轉(zhuǎn)化求得，F(xiàn)可由式（2）求得。

式中：M—制動力矩，N·m；D—兩作用點之間的距離，m，可通過測量得出或查制動器使用說明書得到。

因此，對電力液壓鼓式制動器摩擦系數(shù)的檢測可轉(zhuǎn)化到對彈簧力和制動器基座與地板的之間的擠壓力。由于制動壓力由制動彈簧產(chǎn)生，那么對安裝制動彈簧的拉桿進行測力就能得到制動壓力的大小，因此擬定在拉桿末端對彈簧力進行測量，具體方法是在制動彈簧左端螺母與墊片之間安裝一個壓力傳感器測彈簧力，如圖3所示。由于對制動力矩可以通過對制動器基座與地板的之間的擠壓力測量并轉(zhuǎn)化得到，且制動器基座與地板的之間的接觸面為平面，因此可以在制動器受壓端面即左側(cè)基座與地板接觸面之間安裝一壓力傳感器測量制動器基座對地板的壓力，最終將兩個壓力傳感器采集到的電信號傳至單片機進行計算處理。此外，由于制動溫度對制動器摩擦性能具有較大的影響，進而影響起重機制動器的制動性能。所以在對摩擦系數(shù)檢測的基礎(chǔ)上，還加入溫度傳感器對制動溫度進行測量，初步確定將溫度傳感器通過耐高溫材料粘貼在制動閘瓦表面。

圖3 電力液壓鼓式制動器傳感器安裝Fig.3 Electric Hydraulic Drum Brake Sensor Installation

3 起重機制動器摩擦系數(shù)檢測裝置的研制

3.1 硬件檢測裝置的設(shè)計

硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，它的主要功能是在制動過程中完成信號的采集、傳輸、顯示以及存儲測量的結(jié)果，主要由計算機以及信號采集調(diào)理部分組成。硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要包括傳感器的選擇、信號調(diào)理以及單片機的選擇。檢測系統(tǒng)總體硬件布局，如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)總體硬件布局Fig.4 The Composition of Detection Systems

3.1.1 傳感器模塊

該設(shè)計采用的傳感器可分為壓力傳感器以及溫度傳感器兩種，壓力傳感器采用FSR壓力傳感器，其最大的特點就是體積小、重量輕、測量精度高，是一種超薄型壓力傳感器。由于單片機不能直接對器件的阻值進行讀取，而能夠?qū)﹄妷夯螂娏鬟M行讀取，因此需要設(shè)計一套將電阻轉(zhuǎn)電壓的模擬電路對測出的電阻信號進行轉(zhuǎn)化，其內(nèi)部電路圖，如圖5所示。主要包含一個TC7660-EOA和LM321MFX芯片。該電阻轉(zhuǎn)電壓模塊可將電阻按照一定關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓，此電路系統(tǒng)兼容5V輸入和3.3V電源輸入，其中1為VCC接線端，2接地，3為信號輸出接至單片機的模擬信號輸入端。溫度傳感器采用LM35溫度傳感器，它具有精密的集成電路，輸出信號為模擬電壓信號且與溫度成正比，該電壓在單片機所測信號范圍內(nèi)，因此可直接被單片機的模擬輸入端口進行識別并經(jīng)過公式計算得到實際溫度值。

圖5 電阻轉(zhuǎn)電壓電路Fig.5 Resistance Transfer Voltage Circuit

3.1.2 單片機模塊

采用ATMEGA328P單片機芯片，該芯片采用AVR核心處理器，它的一個突出特點是可以直接接入模擬信號進行處理且能夠輸出PWM方波。ATMEGA328P具有32KB的閃存容量以及1KB的EEPROM容量，內(nèi)部時鐘頻率為20MHz，可支持多種接口類型如 SPI、IIC 及 USART 等，具有寬電壓（1.8～5.5）V，可承受環(huán)境溫度范圍寬（-40～85）℃的特點，其擁有32KB的程序存儲器容量，能夠滿足中小型程序的存儲。主要應(yīng)用其3個模擬接口、5個數(shù)字接口以及其他接口，其中傳感器與模擬接口連接，LCD顯示器及指示燈與數(shù)字接口連接，此外還用到了串口通信及電源接口等。該芯片應(yīng)用簡便，將由第三方軟件（Arduino IDE）編譯好的下位機.hex文件載入芯片即可按照程序運行。

3.2 軟件檢測系統(tǒng)的設(shè)計

3.2.1 單片機系統(tǒng)設(shè)計

單片機采用ATMEGA328P單片機芯片，寫入相應(yīng)的采集程序完成壓力采集、溫度采集、數(shù)值計算、實時顯示及串口通信等功能。由于本設(shè)計使用了串口通信，因此在設(shè)置程序中，需要對串口波特率進行設(shè)定以及對液晶顯示器的顯示模式按照16列2行進行設(shè)置，對程序運行中用到的模擬引腳A0、A1與A2進行寫0初始化并將其設(shè)定為輸入引腳，最后在LCD1602顯示器預(yù)定位置顯示"TEMP"和"COF"以做標識。

3.2.2 上位機系統(tǒng)設(shè)計

上位機主要功能是接收、顯示并保存下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后按照一定的格式將接收到的數(shù)據(jù)進行截取并轉(zhuǎn)化為能夠直接讀取的格式進行顯示，并將摩擦系數(shù)、制動溫度兩種數(shù)據(jù)分別保存。采用LabVIEW編寫上位機軟件，在讀取串口數(shù)據(jù)時，采用串口屬性節(jié)點，如圖5所示。該節(jié)點的連線引用句柄至引用輸入端可指定執(zhí)行該屬性的類，使用其“Bytes at Port”功能對串口數(shù)據(jù)進行輸出。此外由于機械振動及電磁干擾傳的存在，傳感器實際采集的數(shù)據(jù)會有較大的波動，因此還需要編寫濾波程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進行濾波并顯示在波形圖表中，如圖5所示為本設(shè)計封裝起來的濾波程序。在串口配置函數(shù)中，波特率設(shè)置為9600與下位機一致，數(shù)據(jù)比特為8，無奇偶校驗，超時10s即啟動自動報錯并停止運行程序。按照對上位機的預(yù)期功能設(shè)計出的程序框圖，如圖6所示。截取字符串函數(shù)按照一次通信發(fā)送10位數(shù)據(jù)的方式進行截取，分別送至摩擦系數(shù)與制動溫度進行顯示并保存，其保存格式為“時間-數(shù)據(jù)”，文件存儲位置由初次運行程序時進行設(shè)定保存文件的路徑，通過句柄輸出設(shè)置每次數(shù)據(jù)存儲的位置為上次數(shù)據(jù)的末尾，以免數(shù)據(jù)覆蓋導(dǎo)致丟失。

圖6 上位機程序框圖Fig.6 Block Diagram of Host Computer

4 起重機制動器摩擦系數(shù)檢測裝置的臺架試驗

該起重機制動器摩擦系數(shù)檢測裝置的臺架測試在本實驗室的模擬制動試驗臺上開展，由于起重機的實際制動過程一般是對電機軸制動即高速軸制動，因此本測試將混合動力試驗臺設(shè)置為電機單獨驅(qū)動工作模式，并對電機軸開展制動測試。在本試驗臺開展制動試驗，主要用到了其變變頻電機、慣量飛輪及電力液壓鼓式制動器。在電機單獨驅(qū)動的工作模式下，電磁離合器斷開進而將柴油發(fā)動機隔離開來。首先通過變頻電機將慣量飛輪驅(qū)動至某一設(shè)定速度值，該過程的驅(qū)動能量來自電池組?？刂乒駜?nèi)安裝有變頻器將電池組提供的直流電壓逆變至適合變頻電機工作的交流電，并且可以通過控制臺對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。當控制面板顯示實際轉(zhuǎn)速達到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時，關(guān)閉電動機的同時實施制動，對相關(guān)制動參數(shù)進行采集。安裝好傳感器的試驗臺，如圖7所示。圖中：A—制動壓力傳感器；a—制動壓力數(shù)據(jù)線。由于溫度對制動器的制動摩擦性能有著較大的影響，過高的制動溫度甚至會導(dǎo)致摩擦突變的發(fā)生，本檢測裝置在對摩擦系數(shù)檢測基礎(chǔ)上對制動溫度也進行了采集。圖中：B—溫度傳感器，該溫度傳感器通過耐熱樹脂黏附在制動器的摩擦片表面；b—溫度采集數(shù)據(jù)線；c—制動力矩數(shù)據(jù)線。本次制動測試中，制動初速度為500r/min，轉(zhuǎn)動慣量為22.5kg·m2。

圖7 傳感器整體布置Fig.7 General Configurationof Sensors

將電力液壓制動器各參數(shù)調(diào)至額定狀態(tài)并檢查各部件無誤后啟動電機，將電機轉(zhuǎn)速設(shè)為500r/min，此時摩擦系數(shù)檢測裝置處于等待數(shù)據(jù)狀態(tài)。待電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后按下試驗臺操作面板的制動按鈕，三個傳感器將各自測得的模擬量數(shù)據(jù)傳入單片機進行轉(zhuǎn)換和計算，并將測得的結(jié)果進行實時顯示。液晶顯示器顯示的某一時刻制動溫度為28.33℃，摩擦系數(shù)為0.54，如圖8所示。將摩擦系數(shù)檢測裝置與計算機USB端口連接并建立通信，單片機可將液晶顯示的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至LabVIEW編寫的上位機中，并在上位機界面的相應(yīng)位置進行顯示。如圖9所示，某一次制動時的摩擦系數(shù)變化曲線及制動溫度變化曲線。由于制動過程伴隨著高頻振動和其他干擾，繪制出的制動性能曲線存在一定的鋸齒波動，但其曲線特征符合制動摩擦學原理，并能反映制動過程中的制動參數(shù)變化規(guī)律。通過打開已保存的數(shù)據(jù)文件可以對任意時刻的摩擦系數(shù)以及制動溫度進行查看，該數(shù)據(jù)可以提取并導(dǎo)入其他數(shù)據(jù)處理軟件做進一步分析，以對起重機制動器摩擦性能做進一步的研究。

圖8 液晶顯示器數(shù)據(jù)顯示Fig.8 LCD Display Data

圖9 上位機接收的數(shù)據(jù)Fig.9 Data Received by the Host Computer

5 結(jié)論

設(shè)計出一種起重機制動器摩擦系數(shù)檢測儀并進行了仿真與試驗研究。將單片機與LabVIEW軟件相結(jié)合，對硬件電路進行搭建調(diào)試，改進上位機、下位機程序使之與實際電路相匹配，并將摩擦系數(shù)檢測裝置移至慣量模擬制動試驗臺進行臺架試驗，繪制出的制動性能曲線特征符合制動摩擦學原理，并能反映制動過程中的制動參數(shù)變化規(guī)律。該裝置具有便攜以及快速檢測的特點，易于安裝，可為起重機制動器的現(xiàn)場檢測以及故障排查提供便利，能夠有效防止事故的發(fā)生。