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矿用电机车刹车控制系统硬件

摘要

目前，在矿井的辅助运输中，煤矿架线机车应用较为普遍，其运行安全关系到安全生产，而智能识别红绿灯信号的制动系统是安全运行的保障。

本文介绍了煤矿架线机车智能气动刹车系统原理，并对该系统的主要构件进行了有限元分析，为机构设计和气动元件的选择提供了理论依据和实践基础;煤矿架线机车智能刹车系统设计，以MCS-51系列单片机为核心，采用无线电遥控发射-接收元件作为机车到达弯-岔道的检测元件，由单片机根据接收到的不同位置的编码信号，使系统发出相应的语音信号，并进行减速。

当煤矿架线机车运行到距离红灯安放位置40米以内时，遇红灯亮信号，矿用架线机车自动刹车，否则通过。

本文并对矿用架线机车避免启动起火的问题进行了介绍，提出了利用本智能刹车系统，在电机内部温度达到限定值时，能自动拉弓断电的电路设计方案。

关键词:

智能刹车无线电检测单片机有限元分析

Abstract

Atpresenttheapplianceofmineaerialcablelocomotiveisclearatlargeintheassistanttransportofminethesafetymovingrelatesthesafetyproductionandthebrakesystemthatcanintellectuallyidentifytheredandgreenlightsignalistheguaranteeofthesafetymoving.Thispaperintroducestheprincipleofintellectuallypneumaticbrakesystemandfiniteelementanalyzesthemostlycomponent.Itprovidestheoryandpracticebasicforframeworkdesignandthechoiceofpneumaticcomponents;theintellectualbrakesystemdesignofthemineaerialcablelocomotiveusesa8031singlechipmicroprocessorasCPU，usinginfraredrayremotecontrolledemitandreceivesystemasthemeasuringcomponenttomeasurewhethertheminelocomotivecomesnearthecurveorbranch.Whensystemreceivestheinfraredsignalwithdifferentpositioncoding，itcanbroadcastcorrespondsoundinformation，anddecelerate.Whenmineaerialcablelocomotiverunsfortydistanceorsub-fortydistancefromthepositionthattheredlightisplaced，itbrakeswhentheredlightislightedorrunscontinually.Moreover，thepaperintroducestheproblemthatmineaerialcablelocomotiveavoidsfireinstartup，bringsforwardacircuitdesignscheme，whichcanautomaticdraughtthebowandbreakelectricitywhenthemineaerialcablelocomotive’stemperatureisuptothefinitenumber.

Keywords:

IntellectualbrakeMeasuringwithwirelessSinglechipmicroprocessorFiniteelementanalysis

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1设计背景1

1.2研究现状2

1.2.1机械制动2

1.2.2电气制动3

1.3设计目的4

1.4内容4

2方案选择及总体方案4

2.1方案选择5

2.2总体方案5

3气动系统设计5

3.1原理介绍6

3.1.1空压机的工作原理6

3.1.2单电控电气阀的原理与接线7

3.1.3单向节流阀的结构与原理7

3.2主要气动元件的选型设计8

3.2.1空压机的选择8

3.2.2气缸的选型设计8

3.2.3单电控电气阀的选择9

3.3.3压缩空气管道管径和压力损失计算10

3.3.4气缸的设计11

3.3.5耗气量计算11

4矿机车车载弯道、岔道语音装置11

4.1研究现状12

4.1.1超声波遥控12

4.1.2红外线遥控12

4.1.3无线电遥控13

4.2方案选择及总体方案14

4.2.1方案选择14

4.2.2总体方案14

4.2.2.1系统功能设计14

4.3系统硬件设计15

4.3.1位置检测系统的设计15

4.3.2主机控制电路19

4.3.3语音报警系统设计20

4.4系统软件设计20

6参考文献1

7附系统完整电路图1

1绪论

1.1设计背景

煤矿架线机车的安全运行是安全生产的头等大事，制动系统是安全运行的基本手段。

正常停车时，靠它使机车停在正确位置，并且防止自动滑行。

矿用架线机车遇有紧急情祝实施紧急制动时，它的制动装置必须达到《煤矿安全规程》1992年版第326条“运送物料时，列车的制动距离必须不超过40米”的规定，这是矿用架线机车安全运行的保证。

《煤矿安全规程》中，对矿机车在运行于弯道和岔道时的运行速度也有严格的要求，到达弯道或岔道时要求司机采取相应措施，减慢速度。

但井下光线昏暗，矿机车司机很难凭感觉确定矿机车的准确位置，有时候司机在疲倦时不易发现红灯信号，:

极易发生安全事故。

因此为确保矿机车的安全运行，要求运行系统能自动给矿机车司机提供弯道、岔道识别提示装置。

而且，当矿用架线机车行驶到距离岔口40米以内时，如果此时交通灯为红灯，就需要司机实施刹车操作;如果此时司机注意力不够，就需要矿用架线机车自动能在40米内完全刹车;在刹车过程中红灯信号转换为绿灯时，机车由刹车状态自动转换为通行状态。

另外，矿用架线机车工作环境差，启动频繁，因而要求启动时能量消耗要小，启动要平稳，以避免机械冲击。

如果在启动时，牵引矿用架线机车直接接至电网上全压启动，会因静止时电枢绕组反电势等于零且自身内阻很小，引起大电流烧坏绕组，甚至引起机车失火事故。

综上所述，有必要对原有煤矿架线机车气动刹车系统进行改进，设一套矿用架线电机车智能刹车系统，以确保煤矿运输和生产安全，为我国煤炭生产的高产高效作成贡献。

1.2研究现状

制动装置是矿用架线机车的一个重要装置。

矿用架线机车通常兼有机械和电气两种制动装置，有的加装电磁滑靴

1.2.1机械制动

机械制动按照其动力分为手动、压气及液压制动。

机械制动装置都是采用闸瓦制动方式。

如图1.1所示，位于司机室内的手轮1安装在螺杆2上，螺杆另一端车成形螺纹，套在螺母3内，使其只能随手轮转动而不能移动。

当螺杆顺时转动时，通过拉杆4及制动杆5、8的作用，使闸瓦6、9分别压紧车轮产生制动。

反之，若手轮与螺杆逆时转动，则松闸。

闸瓦与车轮之间的间隙，用带正、反螺纹的螺栓7来调正。

闸瓦装在车轮水平中心线以下，使闸瓦压力中心线同车轮水平线成约8-10度的夹角。

当松闸时，闸瓦能可靠地返回原位。

这种制动装置结构简单能产生足够的制动力。

图1.1电机车的手动制动装置

1-手轮；2-螺杆；3-螺母；4-拉杆；5、8-制动杆；6、9-闸瓦；7-正反扣调节螺丝

1.2.2电气制动

矿用架线机车的电气制动是能耗制动，能耗制动是将运行中的矿用架线机车的电路与架空接触线断开，机车在惯性力作用下运行，将牵引矿用架线机车接成发电运行，电能消耗在电路中的电阻上，使矿用架线机车逐渐减速。

矿用架线机车电气制动的电路系统如图1、2所示。

（a）牵引运行电路（b）能耗制动电路

图1.2矿用架线机车能耗制动的电路系统

能耗制动电路的特点是两台电动机的激磁绕组交叉联接，即每台的激磁绕组都与另一台电机的电枢串联。

能耗制动具有接线简单、操作方便、不从电网消耗电能、不磨损闸瓦、能充分利用轮轨间的粘着力等优点。

但能耗制动不能使列车完全停止，还需要机械闸停车。

1.3设计目的

矿机车到达弯道和岔道时，系统能自动给矿机车司机提供弯道、岔道识别提示装置，并且当矿机车遇红灯信号时，能在40米内完全刹车;在刹车过程中红灯信号转换为绿灯时，机车由刹车状态自动转换为通行状态。

设计能实现上述功能的智能刹车系统，此系统用一套气动系统来完成。

1.4内容

通过对现有的刹车系统的比较分析，确定一套比较理想的智能刹车系统方案；围绕这套刹车系统，进行力学分析、确定出主要的元器件，进行气路的分析和计算；设计单片机控制系统，主要包括:

位置传感器检测电路、主机控制电路、声音提示电路、温控系统电路。

2方案选择及总体方案

2.1方案选择

前面介绍的机车各种制动方法中，机械手动刹车是一种比较传统的制动方法，制动空行程时间长约65左右，制动力差，在额定速度、重车下坡实行紧急制动时，制动距离无法达到煤矿安全规程40m的要求。

而电气制动（即能耗制动）无法瞬时将制动力提高，只能用于机车的减速制动。

电磁滑靴存在的问题是:

一旦电源中断，电磁滑靴就失去作用;对轨道条件要求较高;对于老机车改造来说车底空间小，无法安装较大的电磁滑靴，因而使用时必须与机械制动联合使用。

综上所述，本课题选用气动刹车。

气动刹车是一种新型的刹车系统，它具有制动力大，制动距离短，司机操作方便、简单等优点。

2.2总体方案

气动刹车工作原理：

直流电机是空压机的动力源，空压机通过弹性联轴器与电动机联接。

由空压机产生的压缩空气经冷却器冷却后，进入气罐。

这时，压缩空气由于冷却而分离出冷凝水，冷凝水存积于气罐底部，由自动排水器自动排出。

从气罐出来的压缩空气，用水分过滤器除掉游离的水分和尘埃，由油雾器注入细雾状润滑油，然后被分成两路:

一路经脚闸阀，一路经电磁换向阀，二者在梭阀处汇合去驱动制动缸刹车，从汽缸出来的空气通过消声器排出。

其中智能刹车信号接至电磁换向阀上，这一部分可以实现智能自动控制。

另一方面，主管道的空气导入压力继电器，根据其电气信号去驱动空压机的电动机进行控制。

当压力超过0.7Mpa时，切断电动机电源:

当气压低于0.5Mpa时，则电动机电源接通，带动空压机继续工作。

3气动系统设计

在本章中，首先是原理介绍，包括:

空压机的工作原理，单电控电气阀的原理与接线，单向节流阀的结构与原理;然后对主要气动元件的选型进行介绍，包括:

空压机、气缸、单电控电气阀以及梭阀;最后论述气路的分析和计算，包括:

刹车力的确定和计算，气路系统供气需要量的计算，压缩空气管道管径和压力损失计算，气缸的设计计算，耗气量的计算。

3.1原理介绍

3.1.1空压机的工作原理

在气压传动中，通常都采用容机型活塞式空压机，该空压机按结构可分为立式和卧式两种。

图3.1所示为立式活塞式空压机工作原理图。

图3.1立式空压机工作原理图

1-活塞；2-气缸；3-排气阀；4-排气管；5-空气滤清器；6-进气管；7-进气阀

立式活塞式空压机中的立式是指气缸中心线垂直于地面。

它利用曲柄连杆机构，将原动机（电动机等）的回转运动转变为活塞往复直线运动，当活塞1向下运动时，气缸2内的容积逐渐增大，压力逐渐降低而产生真空，进气阀7打开，外界空气在大气压作用下，通过空气过滤器5和进气管6被吸入气缸内，此过程称为吸气过程。

当活塞向上运动时，气缸的容积逐渐减小，空气受到压缩，压力逐渐升高而使进气阀关压缩空气就会打开排气阀3经排气管4输入储气罐中，此过程称为排气过程。

根据本系统的现场实际情况，采用卧式空气压缩机，。

卧式空气压缩机中的卧式是指气缸中心线平行于地面。

卧式空气压缩机的工作原理及工作过程与立式相同。

3.1.2单电控电气阀的原理与接线

3.1.2.1工作原理

图3.2所示为二位五通单电控电磁阀原理图，图示原始状态为电磁铁线圈未通电时，进气腔P与工作腔A相通，工作腔B与排气腔相通，当电磁铁线圈通电时，电磁铁芯推动阀芯换向，使进气腔P与工作腔B相通，工作腔A与排气腔O相通。

当电磁铁线圈断电时，在弹簧力作用下，阀芯复位，阀恢复到原始状态。

图3.2二位五通单电控电磁阀控制双作用气缸回路

3.1.3单向节流阀的结构与原理

单向节流阀的一种结构形式如图3.3所示。

图3.3单向节流阀结构图

工作原理：

单向节流阀是一个节流阀和一个单向阀的组合件。

如图3.4所示。

在本系统中，为了得到快速刹车和慢速放闸，需要设这种阀。

在工作行程中，即实施刹车时、如图（a）所示，气流从工作腔A顶开单向阀，快速进气，这时阀起单向阀的作用；当返回行程时，如图（b）所示，单向阀关闭，气流由进气腔经过节流阀，流入工作腔A，这时阀起节流阀的作用。

由于单向节流阀只在一个方向起作用，故只能调节一个方向的速度。

通过调节调节杆的移动来改变阀心的位置，从而改变节流口的开度调节通过的流量。

图3.4单向节流阀原理图

3.2主要气动元件的选型设计

3.2.1空压机的选择

气源装置中的主体是空气压缩机（简称空压机）,它是将原动机的机械能转化成气体压力能的装置，是产生压缩空气的气压发生装置。

3.2.2气缸的选型设计

气缸属于气压传动执行元件，它是将气体的压力能转化为机械能并将其输出的装置。

按照作用方式气缸可分为单作用和双作用两种。

单作用缸只能使活塞（或柱塞）作单方向运动，即液体或气体只是通向缸的一腔.而反方向运动则必须依靠外力（如弹簧力或自重等）来实现;双作用缸在两个方向上的运动都由液体或气体的推动来实现。

气缸的选择要点

（1）作用力根据外部工作需要确定活塞杆的推力或拉力。

同一气缸工作时的实际输出力大小随要求的工作速度不同而有很大变化。

速度增高，则由于背压增高等因素影响，输出力将急剧降低，其变化并非直线关系，选择缸径时对此必须十分注意。

应根据工作条件不同，按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力更近似地乘以1.15-2的安全系数，确定所需气缸的内径。

（2）行程行程S是气缸活塞能移动的最大距离。

气缸作用力、行程与活塞直径的关系，可查阅《机械设计手册》中的相关部分。

选用的行程一般按GB2349-80圆整。

（3）安装型式安装型式根据运动机构、使用目的、安装位置和气缸强度等因素决定。

根据本系统的现场实际情况，选用固定式气缸。

（4）活塞杆的运动速度主要决定于气缸进、排气口及导管内径的大小，以及阀门、管路等阻力和系统压力等因素。

最适宜的运动速度是活塞平均速度在100-50Omm/s范围内。

根据以上介绍的气缸的选择要点，并结合3.3.4节气缸的设计计算，就可以定出气缸的主要参数，从而选择合适的气缸类型。

3.2.3单电控电气阀的选择

本系统选用QF25ZD型二位五通单电控硬配电磁滑阀。

它是一种单稳态换向元件，其功能是改变气流的流动方向。

广泛用来控制各种类型的阀、双作用气缸或其它气动执行机构。

本阀的动作由电磁铁直接推动阀芯，使阀换位。

单电控电磁阀断电后阀芯能自动复位，无记亿功能。

主阀采用硬配何隙密封形式，滑动摩擦力小，具有换向灵敏，且不受压力变化影响等优点。

列车运行方程

列车运行方程，是把列车当作一个平移运动的刚体，表示列车在不同运行状态时，作用在列车上诸力的关系式。

在工程上用它计算列车运行所需的牵引力、制动力，或在一定条件下可以牵引的矿车数、制动距离及运行速度等参数。

列车运行状态有三种:

牵引运行——列车在电动机的牵引力作用下，起动、加速或等速运行；

惯性运行——列车在运行中，牵引电动机断电后，靠惯性运行；

制动运行——列车在运行中切断牵引电动机的电源，并施加机械的或电气的制动力，减速运行。

列车在牵引运行状态下，沿运行方向作用在列车上的力有牵引力F、静阻力W和惯性力

。

据力学平衡原理，可列出如下方程

（3..1）

这是列车在牵引运行状态下的基本方程。

列车运行的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可不予考虑。

3.3.3压缩空气管道管径和压力损失计算

3.3.3.1空气管道管径的确定

管径的基本计算公式

（3.2）

式中d——压缩空气管道内径，mm；

V——管道内的压缩空气流速，一般为5-10m/s；

——常温（20ºC）、常压（0.1MPa）状态下管道计算流量，

；

——吸气状态的大气压，Mpa;

——压缩空气管道内空气的平均压力，一般为0.5~0.9MPa。

若

=0.7MPa，v=8m/s时，可得近似公式：

（3.3）

式中d——压缩空气管道内径，mm；

Q——管内自由空气流量，

。

3.3.3.2管道压力损失的计算

管道内压力损失包括两部分，即沿程直线管段的压力损失和非直线管段（如变径管、弯头、阀门、三通等）处的压力损失（也称局部阻力损失）之和。

某段压缩空气管道的压力损失可用公式:

Pa（3.4）

式中

——第i段管道的压力损失，Pa；

——第i段管道的长度，m;

1.15——考虑第i段管道上管件的局部阻力的系数;该系数一般取1.10-1.20。

如须精确计算，不考虑此系数，可将各管件的等值长度计入管道长度内计算；

——第i段管道的内径，m；

——第i段管道的计算流量（自由状态），

。

3.3.4气缸的设计

对于活塞缸，缸的直径是指缸的内径。

缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。

对单杆缸，无杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率。

3.3.5耗气量计算

气缸的耗气量通常用自由耗气量表示以便于选取空气压缩机，它与缸径、活塞杆径、气缸的运动速度和工作压力有关。

对于一个单杆双作用气缸，全程往复一次的自由空气耗气量

4矿机车车载弯道、岔道语音装置

这一章和下一章将对系统的电路设计部分进行详细的论述。

本章论述矿机车车载弯道、岔道语音装置及智能刹车装置。

4.1研究现状

无线遥控系统按传播控制指令和信号的载体分，可分为超声波遥控、红外线遥控和无线电遥控。

4.1.1超声波遥控

超声波遥控是利用超声波来传送控制指令，对物体或各种过程进行远距离控制的遥控。

超声波是一种机械波，在遥控系统中，使用频率为20~200KHz，一般为40KHZ，频率太低，外界杂音太多，频率太高，在传播过程中衰减较大。

图4.1（a）发射器（b）接收器

超声波遥控的特点:

具有方向性，超声波可产生较大能量，发射、接收受粉尘影响较红外线小。

在两种不同的媒介面上会被反射，遥控距离一般为几米至几十米，适用于室内遥控，线路亦较复杂。

4.1.2红外线遥控

红外线遥控是指利用红外线为载体来传输控制指令对物体或各种过程进行远距离控制的遥控。

红外线是波长为0.76

-1000

，的电磁波，在遥控系统中，通常使用波长为0.76

-1.5

的红外光。

原理框图如4.2所示

图4.2（a）发射器（b）接收器

红外线遥控的特点;遥控距离短，一般为几米至几十米，且方向性很强，不能穿过障碍物去控制被控对象，另外，红外发射、接收器件受粉尘影响较大，但制作简单，造价低廉。

4.1.3无线电遥控

图4.3无线电设备方框图

无线电遥控是利用无线电传输控制信号，对物体或各种过程进行远距离控制的遥控无线电波是电磁波，无线电遥控使用的无线电波的频率范围，一般为几千赫至儿百兆赫。

但常用的为几兆赫即在短波和超短波范围内。

短波:

=10—100m，

f=3—30

，超短波:

=1—10m，f=30一300

。

无线电遥控方框图如图4.3所示。

无线电遥控的特点:

具有较远的遥控距离，一般可达到几米至几十千米，可穿过障碍物，抗干扰能力强，但线路较复杂，成本较高。

由以上介绍可以看出，三种遥控方式各有特点，考虑到现场的实际情况，可具体选择某种方案。

4.2方案选择及总体方案

4.2.1方案选择

鉴于前面介绍的情况，考虑到煤矿工作现场，潮湿、有淋水、粉尘大，不宜采用红外线遥控和超声波遥控，所以本课题选择无线电遥控方式。

无线电遥控可穿越障碍物，不受粉尘影响。

无线电遥控常用短波和超短波。

本课题选用超短波（

=1—10

，频率f=30-300

），在几十米范围内能全方位接收。

无线电遥控设备的工作原理:

图4.3的无线电遥控设备方框图是由发射机、接收机及执行机构三部分组成。

发射机主要包括编码电路和发射电路。

编码电路由操纵器（操纵开关或电位器等）控制，操纵者通过操纵器，使编码电路产生所需要的控制指令。

这些控制指令是具有某些特征的、相互间易于区分的电信号。

编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上去，还要将指令信号送到发射电路，使它载在高频信号（载波）上，才能由发射天线发送出去。

就如同用火车、飞机等运载工具运送货物一样，指令信号相当于货物，载波相当于运载工具。

我们把指令信号载到载波上去的过程叫调制，调制作用由发射电路的调制器完成。

发射电路的主要作用是产生载波，并由调制器将指令信号调制在载波上，经天线将已调载波发送出去。

接收机由接收电路及译码电路组成。

接收电路又包括高频部分及解调器部分。

由接收天线送来的微弱信号经接收机高频部分的选择和放大后，送到解调器。

就像火车、飞机等运载工具到站后，把货物卸下来的情况一样，解调器的作用是从载波上“卸”下指令信号。

由于“卸”下来的各种指令信号是混杂在一起的、还要送译码电路译码。

译码电路的工作就像把卸下来的货物鉴别分类，再分别送到使用场一样，它对各种指令信号进行鉴别，送到相应的执行放大电路。

执行放大电路把指令信号放大到具有一定的功率，用以驱动执行机构。

执行机构将电能转变为机械动作，例如电机的转动、电磁铁的吸动等，带动被控的调节机构（例如气缸），从而实现对被控目标的控制。

4.2.2总体方案

4.2.2.1系统功能设计

（1）安装在弯道处的无线电发射系统不停地发射无线电编码信号;岔道处无线电发射系统在红灯亮并且架线机车朝着岔道行驶至距离岔道40米以内时发射无线电编码信号;

（2）安装在矿用架线机车上的无线电接〕收系统接收到信号时，对信号进行解调、解密和译码。

然后启动执行机构:

语音报警、减速或刹车。

4.2.2.2系统组成框图

由系统功能要求设计出本系统的组成框图，如图4，4所示

图4.4系统框图

4.3系统硬件设计

电路设计主要包括:

位置检测电路、主机控制电路、语音电路以及它们相应的软件。

以下介绍系统的硬件设计。

4.3.1位置检测系统的设计

位置检测系统包括弯道、岔道处无线电集成遥控位置检测电路和距离岔道40米处的位置检测电路。

4.3.1.1弯道、岔道处无线电集成遥控位置检测系统原理

位置传感器选用无线电遥控发射一接收模块，其核心元件为专用集成遥控编码与译码电路