礦用電機(jī)車防滑控制技術(shù)的研究

郝志宇

（西山煤電集團(tuán)西曲礦，山西 古交 030200）

引言

電機(jī)車是煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備之一，具有操作簡單、能耗低、負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。礦用電機(jī)車的安全運(yùn)行和制動(dòng)是平巷不可忽視的問題，作為電機(jī)車安全性能指標(biāo)之一，制動(dòng)性能占據(jù)了重要的地位。電機(jī)車制動(dòng)過程中，在車身還未停下來之前，閘瓦將車輪過早抱死，就會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，車輪和軌道之間的黏著系數(shù)減小，制動(dòng)距離變長。為了防止滑行現(xiàn)象，傳統(tǒng)的做法為在軌道上撒沙，也有加裝電磁滑靴等措施，這些措施一定程度上能夠增加電機(jī)車黏著系數(shù)，減少制動(dòng)距離，但是存在效果不佳、成本較高的問題。因此，通過速度傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速，用滑移率和減速度作為防滑程序的判據(jù)，通過防滑排風(fēng)閥調(diào)整電機(jī)車制動(dòng)力，使黏著系數(shù)保持在最大值，對縮短制動(dòng)距離，提高電機(jī)車安全性具有重要意義。

1 電機(jī)車防滑原理

1.1 黏著系數(shù)

電機(jī)車開始剎車后，車輪在閘瓦的作用下轉(zhuǎn)速顯著降低，車身在慣性作用下繼續(xù)前進(jìn)，由此車輪在軌道上的運(yùn)動(dòng)有滾筒也有滑動(dòng)?；瑒?dòng)摩擦力F與電機(jī)車對軌道的垂直靜載荷P和黏著系數(shù)μ成正比，見式（1）。根據(jù)目前公認(rèn)的KALLER滑移理論，黏著系數(shù)μ與滑移率λ有關(guān)，隨著滑移率增加，黏著系數(shù)先增大后減小?；坡师吮磉_(dá)式為（2），式中R為車輪半徑，ω為車輪角速度，v為電機(jī)車速。因此在電機(jī)車制動(dòng)過程中載荷不變的情況下，為了增加滑動(dòng)摩擦力，可以通過調(diào)節(jié)制動(dòng)力改變車速，從而使黏著系數(shù)μ保持在最大值，最大程度上利用黏著防滑[1-2]。

1.2 防滑系統(tǒng)原理

防滑控制系統(tǒng)由輸入單元、中央處理單元和執(zhí)行單元構(gòu)成。輸入單元由安裝在電機(jī)車輪上的速度傳感器和加速度傳感器構(gòu)成，用于采集和計(jì)算輪速和車速。中央處理單元由速度信號(hào)處理電路和以控制器為核心的控制電路構(gòu)成[3-4]。信號(hào)處理電路將傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過濾波、變換等處理，變成可被控制器直接讀取的信號(hào)。電機(jī)車啟動(dòng)后，首先控制電路對傳感器和排風(fēng)閥進(jìn)行檢測，若出現(xiàn)某路輸入或輸出單元原件故障信息，則屏蔽此路防滑通道，保證其他幾路通道正常工作，然后發(fā)出報(bào)警提醒工作人員進(jìn)行處理。檢測完成后開始接收傳感器信號(hào)，根據(jù)速度和加速信號(hào)計(jì)算速度差、滑移率和黏著系數(shù)等量化指標(biāo)，判斷機(jī)車的黏著狀態(tài)，黏著狀態(tài)不滿足防滑要求時(shí)發(fā)出相應(yīng)的防滑控制信號(hào)，經(jīng)過功率放大電路后驅(qū)動(dòng)排風(fēng)閥進(jìn)行工作。執(zhí)行單元為防滑排風(fēng)閥，由電磁閥、膜板、側(cè)體等組成，防滑排風(fēng)扇有增壓、保壓和減壓三種工作狀態(tài)，分別對應(yīng)制動(dòng)力增大、減小和保持。通過控制兩個(gè)電磁閥的帶電狀態(tài)改變控制腔內(nèi)的氣壓，進(jìn)而改變制動(dòng)缸的壓力[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如下頁圖1所示，速度傳感器輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理，上傳數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)對傳感器進(jìn)行故障診斷，若傳感器發(fā)生故障則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。傳感器診斷自檢通過后，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)車制動(dòng)信號(hào)和速度信號(hào)發(fā)出相應(yīng)防滑指令，經(jīng)功率放大和光電隔離處理后驅(qū)動(dòng)防滑排風(fēng)閥工作，單片機(jī)的其他外圍電路有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路等。

圖1 防滑系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制參數(shù)選擇與傳感器選型

防滑系統(tǒng)正常工作的前提是控制器及時(shí)且準(zhǔn)確地對制動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)現(xiàn)象做出判斷，判斷不及時(shí)將造成機(jī)車長時(shí)間滑行從而擦傷鐵軌，判斷時(shí)機(jī)提前則會(huì)導(dǎo)致機(jī)車制動(dòng)距離過長。能夠判斷機(jī)車是否發(fā)生滑行的物理量有速度差、滑移率、減速度及其微分，目前國內(nèi)外的防滑系統(tǒng)均采用幾個(gè)控制參數(shù)共同控制。為了提高判斷的準(zhǔn)確性，本文采用滑移率作為判斷是否滑行的主要判據(jù)，采用減速度及其微分進(jìn)行輔助判斷。由式（2）可知[6]，滑移率由車輪半徑、輪速和車速共同組成，在車輪上安裝速度傳感器獲取輪速ω，車速v由間接方法計(jì)算而來。常用的計(jì)算方法有最大輪速法、斜率法和變斜率法，最大輪速法即是用四個(gè)車輪的最大輪速作為車速，這種方法簡單但是在四個(gè)車輪均有滑移的情況下誤差較大。斜率法和變斜率法通過制動(dòng)時(shí)的參考車速和減速度計(jì)算車速，這種方法計(jì)算的車速與車輪是否滑移無關(guān)，準(zhǔn)確性更好。

無論采用哪種判據(jù)，獲取機(jī)車的速度都是必不可少的，并且機(jī)車的減速度可以通過速度間接計(jì)算得到，因此速度傳感器的性能對整個(gè)系統(tǒng)的性能具有重要影響。傳感器選型時(shí)應(yīng)著重考慮井下噪聲和粉塵等因素對靈敏度和精確度的影響，常用于礦井環(huán)境的的速度傳感器有霍爾式、光電式和電磁式，本文選擇的霍爾式速度傳感器Z9400為非接觸式安裝，具有寬頻帶、抗干擾、寬范圍、高精度的優(yōu)點(diǎn)。在車軸端部和軸箱箱蓋上分別安裝感應(yīng)齒輪和傳感器，二者之間保持1 mm的安裝間隙。

2.2 防滑排風(fēng)閥及其驅(qū)動(dòng)電路

如圖2-1所示，防滑排風(fēng)閥由制動(dòng)電磁閥VM1和緩解電磁閥VM2共同控制，VM1和VM2上不同的勵(lì)磁和消磁動(dòng)作構(gòu)成4種控制邏輯：VM1和VM2均失電消磁時(shí)排風(fēng)閥增壓，VM1得電勵(lì)磁VM2失電消磁時(shí)排風(fēng)閥保壓，VM1和VM2均得電勵(lì)磁時(shí)排風(fēng)閥減壓，VM1失電消磁VM2得電勵(lì)磁時(shí)排風(fēng)閥禁止[7]。

如圖2-2所示為排風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)的控制電壓為5 V，電磁閥的供電電壓為24 V，因此單片機(jī)引腳P1.1與電磁閥之間的接口電路具有信息傳遞、電壓隔離和功率放大功能。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，光耦KPC357NT內(nèi)的光敏器件導(dǎo)通發(fā)出光信號(hào)，場效應(yīng)管導(dǎo)通，IGBT的門極得電導(dǎo)通，電流經(jīng)24 V電源流過電磁閥線圈，電磁閥線圈得電完成對排風(fēng)閥的控制。

圖2 防滑系統(tǒng)軟件流程圖

圖2 排風(fēng)閥電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

防滑控制系統(tǒng)的算法是軟件設(shè)計(jì)的核心，常用的算法有邏輯門限制控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和PID控制等，邏輯門限制值選用速度差、滑移率、減速度及其微分中的一個(gè)或幾個(gè)作為控制參數(shù)，將該控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值作為控制門限，當(dāng)控制參數(shù)超過該門限值時(shí)啟動(dòng)防滑控制算法。這種算法適用于非線性控制系統(tǒng)，對控制器的計(jì)算能力要求低，在汽車防滑控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。為了降低控制器成本，本文采用邏輯門限制控制算法，電機(jī)車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)并不總是啟動(dòng)防滑控制程序，在車速較低的情況下制動(dòng)，防滑控制的控制參數(shù)達(dá)不到門限值，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離增大，因此在低速制動(dòng)時(shí)不宜啟動(dòng)防滑制動(dòng)，直接采用常規(guī)制動(dòng)將車輪抱死即可。

機(jī)載軟件由系統(tǒng)主程序、防滑控制程序、輪速采集程序和參考車速計(jì)算程序等組成，系統(tǒng)程序開始后進(jìn)行初始化，然后對傳感器進(jìn)行故障檢測，故障處理完成后依次采集軸重和輪速，由此計(jì)算車速，當(dāng)車速大于5 km/h啟動(dòng)防滑控制主程序，車速小于5 km/h則啟動(dòng)常規(guī)制動(dòng)。防滑控制程序?yàn)楹诵某绦?，流程圖如下頁圖3所示。程序初始化后對路面進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)路面和軸重情況預(yù)裝載門限值，然后計(jì)算控制參數(shù)進(jìn)入邏輯門控制，控制參數(shù)超過門限則對相應(yīng)端口發(fā)送相應(yīng)控制信號(hào)，動(dòng)作完成后返回主程序，動(dòng)作未完成則繼續(xù)執(zhí)行路面識(shí)別程序。

4 結(jié)語

本文研究的礦用電機(jī)車防滑控制系統(tǒng)通過車輪速度傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速，在單片機(jī)內(nèi)計(jì)算滑移率和減速度等控制參數(shù)，根據(jù)路面和載重情況設(shè)定的門限值控制算法判別是否啟動(dòng)防滑算法，通過防滑排風(fēng)閥的兩個(gè)電磁閥控制電機(jī)車制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車防滑功能。電機(jī)車防滑系統(tǒng)的應(yīng)用使車輪與軌道間的黏著系數(shù)始終保持在最大值，減小了電機(jī)車制動(dòng)距離，降低了車輪與軌道的機(jī)械磨損，提高了煤礦電機(jī)車的操縱性和安全性。