起重機(jī)械大車行走機(jī)構(gòu)主要完成重物的水平平面搬運(yùn)任務(wù)，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)制動(dòng)器制動(dòng)不平衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)車架法線方向與軌道鋪設(shè)方向偏斜，導(dǎo)致車輪輪緣磨損、主梁端接處受大慣性沖擊等問(wèn)題，存在嚴(yán)重的安全隱患。國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范僅對(duì)跨度大于40m的門式起重機(jī)有偏斜顯示(限制)裝置有強(qiáng)制設(shè)置要求，對(duì)于跨度小于40m的門式起重機(jī)和橋式起重機(jī)則沒(méi)有要求。但由于制動(dòng)不平衡所導(dǎo)致的啟動(dòng)和制動(dòng)不同步問(wèn)題卻普遍存在于兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的起重機(jī)械實(shí)際使用中。行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的偏斜顯示(限制)裝置是通過(guò)加裝在兩側(cè)車輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器將運(yùn)行數(shù)據(jù)采集比較實(shí)現(xiàn)的，但這種方法安裝調(diào)試相對(duì)復(fù)雜，價(jià)格較高，維護(hù)不便。針對(duì)使用環(huán)境惡劣的起重機(jī)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，如何設(shè)計(jì)一種既安裝簡(jiǎn)單、可靠有效，又價(jià)格低廉的偏斜顯示(限制)裝置呢?

　　1 制動(dòng)不平衡程度表征對(duì)象模型

　　1.1制動(dòng)不平衡產(chǎn)生機(jī)理分析

　　大車制動(dòng)不平衡這一現(xiàn)象普遍存在于兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的起重機(jī)械啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，主要表現(xiàn)形式如圖1所示。起重機(jī)初始狀態(tài)為A'，當(dāng)進(jìn)行啟動(dòng)或制動(dòng)操作時(shí)，如果存在大車行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)制動(dòng)不平衡，車輪為雙輪緣且與軌道間隙較小的情況下，起重機(jī)就會(huì)進(jìn)入狀態(tài)A。狀態(tài)A下起重機(jī)狀況表現(xiàn)為，車輪輪緣與軌道在行走慣性下擠壓摩擦;支腿與主梁或端梁與主梁連接處在平衡狀態(tài)下額外承受沿行走方向的慣性力剪切和沿主梁方向的拉伸。此時(shí)產(chǎn)生的偏斜距離d即可作為制動(dòng)不平衡的表征對(duì)象，在這種結(jié)構(gòu)下d的值雖然很小但是對(duì)起重機(jī)的危害卻是最大的。

　　當(dāng)車輪輪緣為單輪緣或雙輪緣但與軌道間隙較大時(shí)，制動(dòng)不平衡狀態(tài)如圖2所示。起重機(jī)從狀態(tài)B'進(jìn)入到狀態(tài)B。狀態(tài)B下起重機(jī)狀況表現(xiàn)為，車輪在慣性力作用下在軌道頂面發(fā)生沿軌道鋪設(shè)方向法線方向的位移，輪緣與軌道在行走慣性下擠壓摩擦;支腿與主梁或端梁與主梁連接處在平衡狀態(tài)下額外承受沿行走方向的慣性力剪切和沿主梁方向的拉伸。此時(shí)產(chǎn)生的偏斜距離d較大，但正是因?yàn)檐囕喸谲壍理斆娴奈灰菩纬闪艘粋€(gè)緩沖過(guò)程，在一定程度上減輕了對(duì)主梁端接處的損害。

圖 1 雙輪緣小間隙下的制動(dòng)不平衡狀態(tài)

圖 2 單輪緣或雙輪緣大間隙下的制動(dòng)不平衡狀態(tài)

　　1.2制動(dòng)不平衡程度表征對(duì)象模型建立

　　橋、門式各類起重機(jī)械國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)安裝完成后車輪水平和垂直方向傾斜程度(傾斜角的正切值)范圍作了規(guī)定，但對(duì)起重機(jī)整體偏斜量卻未作明確規(guī)定，而且如果在實(shí)際使用過(guò)程中直接測(cè)量與采集車輪軸傾斜角度代價(jià)太大也不現(xiàn)實(shí)。本文通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)容和制動(dòng)不平衡后起重機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)后確定將大車行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)偏斜量d作為制動(dòng)不平衡程度的表征參數(shù)。d與跨度s的比值即為車輪水平方向的傾角正切值，可用來(lái)判斷車輪傾角是否超標(biāo);而d本身與廠家設(shè)計(jì)制造要求比較即可判

　　斷大車行走制動(dòng)同步與平衡是否合適。針對(duì)現(xiàn)有編碼器采集距離信息帶來(lái)的成本和后期維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題，本文通過(guò)在固定車輪的端梁內(nèi)側(cè)腹板合適位置加裝接近開(kāi)關(guān)，在車輪輪緣合適位置布置一定數(shù)量金屬貼片(如圖3示意)，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到金屬貼片后上傳到控制器里的脈沖數(shù)與金屬貼片固定位置的車輪周長(zhǎng)關(guān)系即可作為車輪的行走距離數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。

　　當(dāng)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到金屬貼片時(shí)，就向控制器輸入通道發(fā)送一個(gè)高定平信號(hào)(如圖4所示)，脈沖數(shù)記為n。

圖 3 接近開(kāi)關(guān)和金屬貼片布置示意圖

圖 4 接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)脈沖計(jì)數(shù)

圖 5 起重機(jī)械大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

　　在車輪輪緣預(yù)布置25枚金屬貼片，此位置下車輪直徑記為D。由此可得脈沖數(shù)與直徑D圓周周長(zhǎng)系數(shù)α ()/_D

　　(1)

　　當(dāng)啟動(dòng)或制停時(shí)大車行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)從動(dòng)輪行走距離1計(jì)算模型如下式2所示。

　　ι=α * n(2)

　　制動(dòng)不平衡程度表征對(duì)象d的計(jì)算式如下式3所示。

　　d= ι左-ι右(3)

　　2 起重機(jī)械大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

　　2.1硬件設(shè)計(jì)

　　本文選用工業(yè)應(yīng)用成熟的FRDM-K64F芯片作為主控芯片，基于起重機(jī)械大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置的功能要求并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，本文設(shè)計(jì)起重機(jī)大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　設(shè)計(jì)圖的左半部分為輸入側(cè)，主要包括對(duì)兩側(cè)車輪接近開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)，對(duì)行走電機(jī)接觸器狀態(tài)開(kāi)關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì);中間部分為主控芯片;右半部分主要為輸出側(cè)，主要包括蜂鳴器報(bào)警輸出電路設(shè)計(jì)和制動(dòng)不平衡程度值數(shù)顯電路設(shè)計(jì);上下部分為供電電源電路設(shè)計(jì)。

　　其中，兩側(cè)車輪接近開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)輸入電路和行走電機(jī)接觸器狀態(tài)開(kāi)關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖 6 脈沖信號(hào)輸入和開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入電路

圖 7 蜂鳴器報(bào)警輸出電路

圖 8 制動(dòng)不平衡程度值數(shù)顯電路

　　蜂鳴器報(bào)警輸出電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

　　本文設(shè)計(jì)的起重機(jī)械大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置具有數(shù)據(jù)顯示功能，但K64芯片的引腳不具有驅(qū)動(dòng)能力，因此需要為數(shù)碼管的顯示配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219。它是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED，在-40°C to +85°C下工作。制動(dòng)不平衡程度值數(shù)顯電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

　　2.2 軟件部分設(shè)計(jì)

　　基于制動(dòng)不平衡度表征對(duì)象計(jì)算模型和起重機(jī)械大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置功能要求，設(shè)計(jì)主控程序流程如圖9所示。

圖 9 主程序控制流程圖

　　監(jiān)測(cè)裝置對(duì)控制柜大車行走控制接觸器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，操作人員發(fā)出的啟動(dòng)或停止指令通過(guò)接觸器的響應(yīng)狀態(tài)被間接的檢測(cè)和傳送到控制器輸入接口，同時(shí)加裝在大車行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)從動(dòng)輪上的行走距離檢測(cè)裝置將脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給控制器相應(yīng)的輸入接口;控制器在得到起重機(jī)大車行走運(yùn)行指令后，制動(dòng)不平衡判斷程序開(kāi)始對(duì)兩側(cè)回傳的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算并作代數(shù)差，差值結(jié)果取絕對(duì)值后與允許值進(jìn)行比較判定是否出現(xiàn)制動(dòng)不平衡且不平衡程度是否允許，差值的正負(fù)僅代表是哪一側(cè)走的距離大;如果不平衡程度未超過(guò)允許值則程序沒(méi)有輸出繼續(xù)循環(huán)掃描;如果不平衡程度超過(guò)允許值則程序執(zhí)行將不平衡程度值輸出顯示并向起重機(jī)操作人員發(fā)出警告。

　　為防止程序飛車、起重機(jī)械大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置死機(jī)，本文引入“看門狗”保護(hù)程序?qū)Τ绦蜻\(yùn)行進(jìn)行保護(hù)。

　　3 結(jié)論與討論

　　本文通過(guò)分析制動(dòng)不平衡產(chǎn)生機(jī)理和原因，以大車行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)從動(dòng)輪制動(dòng)后行走距離為監(jiān)測(cè)對(duì)象，基于嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)(DSP)設(shè)計(jì)了一種大車行走制動(dòng)不平衡監(jiān)測(cè)裝置，該裝置成本低廉、功能可靠、后期維護(hù)檢查方便簡(jiǎn)單，且具有再次開(kāi)發(fā)能力，為實(shí)現(xiàn)起重機(jī)整體控制集成提供了基礎(chǔ)和可能，有極大的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。