一种农机制动器磨损度智能检测装置与控制系统

2022-11-12

液压盘式制动器是农用拖拉机的重要配置, 是保证安全行驶的重要部件, 具有结构简单、体积小、制动力矩大, 且不受泥水侵袭等优点。在农机的使用过程中, 摩擦材料的磨损、表面温度过高和热疲劳是导致制动器制动失效主要原因, 由于农机保养维护率低, 通常只有当故障出现时才进行维修保养, 给农业生产带来不安全隐患。利用微电子新技术研制一种制动器磨损度智能检测装置和控制系统, 这种系统可以实时监测摩擦片磨损量及超限报警功能, 提高了制动器的效率和安全稳定性。

1 制动器的结构与工作原理

液压盘式制动器是农用四轮拖拉机上的安全制动装置[1], 其安装在拖拉机的驱动轮主轴上, 结构见图1。液压制动器通过轴承座由螺钉固定在机器牵引部壳体上, 其工作原理是:当车辆正常行驶时, 活塞、摩擦片、轴承座三者是分离的, 活塞和轴承轴座是固定不动的, 摩擦片在主轴的带动下高速旋转;当车辆制动时, 制动电磁阀控制液压油从进油口1进入油缸, 在液压油的作用下将活塞8压向高速旋转的摩擦片11, 使之与另一端的轴承座9接触, 这样在液压力的作用下, 活塞和轴承座将摩擦片压紧, 产生制动力矩, 起到制动主轴的作用。制动取消时, 液压油经电磁阀回油池, 这时由于液压力的撤销, 活塞、摩擦片、轴承座三者再次分离, 制动力矩消失。

2 检测系统设计

2.1 结构设计

盘式液压制动器的检测系统由摩擦片磨损度检测电路、显示电路和报警保护电路等部分组成。为引入制动器磨损检测装置, 将活塞8进行改进。如图2所示, 在活塞端面钻3个成120°均匀分布的锥形螺纹孔, 用于安装3个电涡流传感器, 其小端朝向制动器摩擦片。1为纸基摩擦介质, 2为电涡流传感器, 3为锥形螺栓, 4为制动器活塞。

工作时, 电涡流传感器检测的位移信号传输到一级放大电路, 经过500倍放大后, 反相比例放大电路进行二级放大, 最终送入A/D转换器MAX197芯片并将电压信号转换成数字信号, 经单片机处理通过液晶状态显示。当摩擦片磨损量超标时报警电路发出报警信息, 可提醒驾驶员及时更换摩擦片或选择中断机械运行。图3为该系统的工作原理。

2.2 传感器选择

本设计中选用了3个CFZ系列电涡流位移传感器。线性范围:0~40 mm。线性误差:0.6%。探头外径:6mm。信号输出0~5 V DC。工作电源:±15~24 V DC。该传感器具有非接触测量、线性范围宽、灵敏度高、抗干扰能力强、无介质影响、稳定可靠及易于处理等明显优点。

2.3 A/D转换芯片与信号处理

本系统中A / D转换器采用M A X I M公司出品的MAX197芯片。MAX197芯片是一款支持12位转换精度。高速的逐次逼近式A/D转换器。本设计中传感器额定激励电压为10 V, 根据传感器的规格计算得输出小信号电压值为0~10 m V。设计中数据A/D能进行转换的电压范围是0~±5 V, 因此小信号在处理之前首先要做一次放大, 要求放大倍数大致在500倍, 并且符合成本低, 精度高, 信号不失真。信号一级放大电路如图4所示。

2.4 单片机的选用

本设计采用最常用且价格便宜的ATMEL公司的单片机AT89C52 (以下简称89C52) , 由于分别安装了3个位移传感器, 为了实现对3个测量点3个传感器的巡检, 采用德州CD4951B芯片选择测量通道, 该芯片具有逻辑电平转换功能的CMOS单路8通道模拟多路复用器/多路解复用器, 能满足检测精度和动态检测的需要｡

2.5 软件设计及数据处理

为了便于程序的调试, 主程序采用模块化的设计思想[2,3], 主要有A/D采集模块。存储模块和显示模块。通过AD转换器将传感器输出变成数字信号, 由单片机进行读取, 经过相关数据处理和变换, 将位移在LED显示器上实时显示, 然后检测信号和设置的极限值比较, 超出范围进行报警, 其中取3个测量点最大值为记录数据。主程序流程如图5所示。