采煤機液壓制動器盤內溫度在線檢測系統

周新建，李 治

（西安科技大學，陜西 西安 710054）

采煤機制動器是采煤機重要的安全部件，其性能好壞直接影響煤礦開采的安全進行。制動器的制動性能主要取決于摩擦片的摩擦性能。當制動器進行制動時，制動彈簧擠壓摩擦片組件，將機械能轉換為熱能來使得制動器制動[1]。由于制動時間很短，制動盤和摩擦片組件之間的表面溫度會迅速升高，導致過熱失效。因此需要對制動時盤內溫度進行檢測來確保制動器安全制動[2]。為了解決這個問題，設計出一種針對于盤內溫度的檢測系統。通過建立制動盤的有限元模型，運用ANASY分析，模擬制動工況找到制動盤上溫度變化最大的點，然后在與活塞接觸的制動片上找到與溫度變化最大的點所平行的點，用溫度傳感器采集這個點的溫度變化，然后根據制動器摩擦盤外側與內側的溫度變化關系，得到制動器內部溫度。對采集到的信號進行處理后通過SPI串行總線傳給上位機[3]。盤內溫度的實時檢測對液壓盤式制動器的安全使用具有重大意義。

1 制動器溫度傳感器檢測點的確定

1.1 熱結構耦合分析

采煤機液壓制動器結構圖如圖1。采煤機制動器主要由制動盤摩擦片、活塞、缸體、密封圈等組成，4個摩擦墊片與3個摩擦片組件交叉排列安裝在裝有冷卻油的封閉殼體內[4]。由于并不能直接測量摩擦墊片與摩擦片組件之間制動時的溫度，因此采用間接測量的方法，假設溫度在摩擦墊片中的熱傳遞時均勻的，在摩擦片的外側通過有限元建模找到溫度變化最大的點，水平方向上對應在與活塞接觸的摩擦墊片上的這個點也就是溫度變化最大的點，通過制動器內部溫度與距摩擦墊片軸向距離經驗公式，得到摩擦片之間制動時溫度變化情況。

圖1 采煤機液壓制動器結構圖

對制動片和摩擦片進行建模，在建模過程中把一些不影響分析結果的部件進行簡化處理，得到簡化后的三維模型，然后對簡化之后的三維模型進行網格劃分，網格劃分完成后進行溫度場與結構耦合分析[2]。當制動器受到的制動力矩不同，摩擦副的外側和內部的溫度變化狀態也是不同的，對摩擦副從300 N·m到1 200 N·m的受力狀態進行分析，得到制動器受力摩擦副內外側的溫度變化云圖。通過ANAYS分析后得到的制動器溫度變化圖如圖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外側溫度表見表1。

圖2 300 N·m力矩作用摩擦副內外側溫度變化云圖

圖3 600 N·m力矩作用摩擦副內外側溫度變化云圖

圖4 900 N·m力矩作用摩擦副內外側溫度變化云圖

圖5 1 200 N·m力矩作用摩擦副內外側溫度變化云圖

表1 不同力矩下摩擦副內外側溫度表

1.2 結果分析

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，這個點也就是摩擦片與摩擦墊片之間制動時溫度變化最大的點。在這一點處放置溫度傳感器最能體現整個制動過程中溫度變化情況。具體的放置點如圖1中A點，采集到溫度通過數據線通道B由數據線傳送出來后接入上位機接口中。溫度傳感器放置點局部放大圖如圖6。

通過分析可以看出摩擦片邊緣處的溫度最高，在制動片上找到與摩擦片邊緣所平行的點，檢測這一點的溫度。可以根據摩擦副受到不同應力時摩擦片內外側之間的溫度變化得到摩擦片內外側溫度變化的經驗公式[5-6]。

根據表1中變化的溫度變化情況，擬合出摩擦片內外側溫度之間的曲線，得出內外側溫度變化經驗公式為：

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

圖6 采煤機液壓制動器局部放大圖

式中：y為制動器內部溫度，℃；x為溫度傳感器所采集到的溫度，℃。

將采集到的溫度作為x代入到經驗公式中，可以得出制動器內部溫度。

2 溫度檢測系統下位機設計

溫度檢測系統的下位機主要以STM32F205控制芯片為核心，由溫度檢測模塊、電壓放大電路等組成。溫度檢測模塊將數據檢測到后進行電壓放大，輸入到單片機當中[7-8]。溫度檢測系統結構如圖7。

圖7 溫度檢測系統結構

1）電源模塊。采煤機制動器工作在煤礦井下，其工作環境存在大量可燃介質(如甲烷、煤塵等）。引起爆炸的因素很多，但主要危險因素是電器設備在運行過程中產生的火花和溫度。控制芯片STM32F205的供電電壓為3.3 V，為了防止電氣設備在運行中產生的火花和高溫引起的爆炸，在從電控箱中接出電源的時候應該選擇最小的5 V電壓。HT7533芯片是一款電壓轉換芯片，將電制箱輸出的5 V電壓通過HT7533芯片進行轉換得到3.3 V的控制芯片工作電壓，然后通過一系列的電容進行濾波得到較為穩定的電壓，為整個下位機部分進行供電[7-9]。電源電路如圖8。

圖8 電源電路

2）溫度檢測模塊。采用鎳鉻-銅鎳熱電偶來測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，可以測量微小的溫度變化，具有良好的穩定性[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之前先進行電壓放大處理。查手冊得到鎳鉻-銅鎳熱電偶在溫度等于400℃時，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，由數據手冊可以查的該PA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進行電路的設計[11]。

4）單片機相關設置。設計以STM32F205VB為主控芯片，加上一些簡單的外設構成了下位機的控制部分。STM32F205VB具有3路12位的A/D轉換器，因此只需要將放大電路中的輸出端接到STM32F205VB中A/D轉換所對應的引腳上就可以實現數據的轉換與采集[3，8]。STM32系列的微控制器具有很強的自由性，可以根據不同的使用情況來配置相應的參數，例如時鐘，串口，GPIO等，這些參數都需要在使用之前進行配置。

3 溫度檢測系統上位機的設計

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

上位機顯示界面采用QT5.5軟件平臺作為開發環境，在原有的界面中的制動器顯示區域中增加2欄，分別是溫度高于500℃的次數以及溫度高于700℃的次數，以及1個用來表示制動異常的小燈。當溫度高于500℃時，后面顯示區域的次數會加1，當數字累加到一定的次數時，會觸發報警函數。而當溫度高于700℃時，則會直接觸發報警函數，提醒工作人員檢查摩擦組件的性能，確保制動器的安全制動[4，7]。

4 結語

主要針對液壓制動器盤內溫度進行了設計。以ANAYS進行溫度場與結構進行耦合分析、STM32F205VB控制器芯片作為下位機核心，通過QT5.5軟件平臺構建了上位機顯示界面，實現了制動器盤內溫度檢測系統設計。檢測系統具有優良的實時性、準確性，可視化程度高。