_制动器虚拟检测系统的分析与应用

质量控制 故障分析 新技术新工艺 质量控制与故障分析 制动器虚拟检测系统的分析与应用 史文涛， 贺莉敏 （ 焦作制动器（ 集团） 有限责任公司， 河南 焦作 ） 摘 要： 采用先进的虚拟仪器开发软件 ， 构建新一代的基于 总线的功能易于扩展的制动 器虚拟检测系统， 可实现对大力矩制动器的性能检测， 还可根据需要设计或组合专用仪器或系统， 以得到 从传统检测仪器中无法比拟的效果。通过对防风铁楔制动器进行实测和分析， 验证了制动器虚拟检测系 统及虚拟制动力矩传感器检测方法， 是实现间接检测大制动力矩的可行而科学的一种实用检测手段， 解 决了困扰制动器厂家多年的一个难题。 关键词： 软件 ； 虚拟检测系统； 大制动力矩； 间接检测手段 中图分类号： 文献标志码： ， （ （ ） ， ， ， ） ： ， ， ， ， ： ， ， ， 由于制动器产品的性能和质量直接影响到大型 机械起重设备、 防风装备的性能和安全可靠性， 因 此， 对该产品的性能试验和质量检测， 是各制动器生 产厂家和使用单位都非常重视的一个重要环节。性 能试验和质量检测的结果完全取决于检测系统和检 测方法的精度、 功能与先进性。目前， 国内各制动器 生产厂家对制动器产品所采用的检测设备和检测方 法， 都远远落后于高速发展的现代工业对该产品的 要求， 尤其对大制动力矩制动器的检测， 长久以来一 直是困扰各生产厂家的一个难题。 制动器检测系统和检测方法 目前， 国内外制动器生产厂家在产品出厂前， 主 要进行方面的试验、 检测工作： 台架性能试验和产 品质量检测。前者主要为产品改进、 提高和新产品 开发提供必须的试验数据， 后者主要对制动器产品 进行质量把关。台架性能试验是利用制动器试验台 产生模拟制动器实际工作的载荷， 检验制动器的工 况； 产品质量检测中对性能指标的检测内容主要是 制动力矩检测， 检测结果应达到设计的额定制动力 矩值。 从 世纪 年代开始， 将计算机设备引入制 动器检测系统， 这类系统将采集的信号经变送器后 送入计算机的 采集电路， 计算机再将数字信号 进行处理、 输出， 提高了检测的自动化程度和试验数 据处理的精度。现有的这类制动器计算机辅助检测 系统尚存在以下不足： ） 检测设备是由制造厂家定 义的， 硬件依赖性过强， 设备的功能和规模固定， 不 利于修改和扩展， 技术更新慢， 开发和维护费用高， 价格昂贵， 且由于是封闭系统， 与其他设备连接有 限； ） 检测系统一般采用力矩传感器直接测量制动 力矩， 由于大力矩传感器价格较高， 标定较难， 目前 对大制动力矩制动器的检测尚有一定困难。 以“ 软件就是仪器” 为核心概念的虚拟仪器技 术， 使用户突破了仪器由厂家制造， 而用户无法改变 仪器既定功能的约束。用户可以根据自己的需要去 设计或组合专用仪器或系统， 以得到从传统仪器中 无法比拟的效果。因此， 选用先进的虚拟仪器开发 软件 作为开发工具， 构建新一代的基于 总线的、 开放型的、 功能易于扩展的、 与外部其他 设备连接方便的制动器虚拟检测系统， 可弥补上述 计算机辅助检测系统中的不足之处。 世纪 年代后期， 由于计算机软件技术得 到了飞速发展， 以软件为核心的虚拟检测系统应运 而生。虚拟检测系统近十年的发展证明， 充分利用 计算机强大的软件能力， 实现虚拟检测系统的功能， 新技术新工艺 年 第期 新技术新工艺 质量控制与故障分析 不仅有利于降低系统的成本与功耗， 而且便于修改 系统的功能与规模， 易于系统升级。目前， 虚拟检测 系统发展到已形成总线标准的 总线虚拟检测 系统和尚未形成总线标准的 总线虚拟检测系 统。 针对目前国内制动器试验与检测的落后状况， 以及国、 内外大制动力矩难以检测的问题， 本文以虚 拟仪器技术、 智能技术为主要手段， 进行构建新一代 制动器虚拟检测系统及虚拟制动力矩传感器的探索 和研究， 主要包括以下几个方面。 ）利用先进的虚拟仪器技术， 通过使用的虚拟 仪器开发软件 ， 构建一种实用的基于 总 线的制动器虚拟检测系统， 实现对制动器的制动力 矩、 摩擦块温度、 推动器推力、 推杆行程、 推动器温度 等参数的检测； 实现数据的误差处理、 噪声处理、 查 询、 显示、 打印等功能； 既能准确地检测制动器的各 方面参数， 又能通过分析得到其性能结果； 具有易于 根据用户要求进行扩展的特点。 ）通过构建虚拟制动力矩传感器， 用简单方法 实现间接检测大量程力矩。 ）以数值分析为基础， 以小波分析等现代信号 处理技术为主要手段， 对采集的数据进行噪声处理。 ）通过对块式电磁短行程制动器推动器的系 统分析， 为制动器虚拟检测系统的最终实现提供验 证。 制动器检测系统的构建 在虚拟仪器软件平台 上开发的制动 器虚拟检测系统的最大优点， 在于工作界面美观漂 亮、 数据查询方便准确（ 能够实现任意时间点、 时间 段数据的查询， 任意放大、 缩小、 移动、 对比图形） 、 功 能易扩展， 这主要得益于 功能强大的工具 库。 这个工具库中包含有数值分析模块、 信号分析 模块（ 时域分析和频域分析） 、 多种总线仪器的驱动 程序模块（ 可方便地和用户已经拥有的仪器进行连 接） 、 多种数据采集卡驱动程序模块（ 为数据采集提 供多种硬件选择） 和其他编程软件如 、 和 接口通信模块（ 可十分方便地利用它们的资源， 尤 其是 中强大的工程应用功能） 、 网 络通信功能模块（ 可实现远程试验控制、 远程数据处 理） 等。 这些模块的使用十分方便， 编程简单， 并且可根 据用户的要求， 在较短时间内增加相应的功能， 编程 效率比 、 等工具有了极大的提高。在编程时 将注意力集中于各种功能模块的协调工作方面， 而 不是各种功能模块的算法。由于功能模块的产品化 和检测软件编制时间的缩短， 工矿企业可以实现制 动器检验效率、 效果的提高， 有利于制动器生产厂家 产品的改进和更新换代。 检测系统的特点 对于台传统的检测系统而言， 它是个独立 的装置， 有机箱、 操作面板、 信号输入输出端、 开关、 旋钮等。检测结果的输出方式有数字、 指针式表头、 图形显示屏、 打印输出等。传统检测系统主要是由 大功能块组成： 信号的采集与控制、 信号的分析与 处理、 结果的表达与输出。这些功能块是由硬件或 固化的软件构成， 这种框架式的结构， 决定了传统检 测系统的组成和功能只能由系统厂家来定义和制 造， 用户无法更改。这就使得传统检测系统基本上 没有摆脱独立使用的模式， 对于较为复杂、 测试参数 较多的应用场合， 使用起来很不方便， 局限性很大。 在虚拟检测系统中， 硬件仅仅是为了解决信号 的输入输出， 软件是整个检测系统的关键。通过软 件， 计算机可以形象、 方便地模拟各种仪器控制面 板， 多种形式表达输出检测结果， 可以实现各种各样 的信号分析、 处理， 完成多种多样的测试功能， 把检 测系统的大功能块全部放在计算机上实现。先在 计算机上插入数据采集卡， 然后用软件在显示器上 生成仪器面板， 用软件进行信号的分析处理， 实现传 统检测系统的功能。虚拟检测系统的出现彻底打破 了传统检测设备由厂家定义、 用户无法改变的模式， 用户可以根据自己的需求， 设计自己的检测系统， 满 足多种多样的应用需求。 虚拟检测系统的特性主要体现在以下个方 面： ）显示器取代了传统检测设备的面板；）信号 处理成为系统软件的核心； ）面向总线接口控制， 用户通过软件工具可组建各种智能检测系统。 检测系统的构成 虚拟检测系统是将以往的检测系统中一种或多 种功能的通用模块组合起来， 通过编制不同的测试 软件来构成任何一种检测系统， 而不是某几种检测 系统。 例如， 激励信号可先由微机产生数字信号， 再经 变换产生所需的各种模拟信号， 这相当于一台 任意波形发生器， 大量的测试功能都可通过对被测 信号的采样，变换成数字信号， 再经过处理， 即 可直接用数字显示而形成数字电压表类仪器， 或用 图形显示而形成示波器类仪器， 或对数据进一步分 析后形成频谱分析一类仪器。其中， 数据分析与处 质量控制 故障分析 新技术新工艺 质量控制与故障分析 理以及显示等功能可直接由软件完成。这样就摆脱 了由各个仪器构成传统硬件再连成系统的模式， 而变 成有计算机、及等带共性硬件资源和应用软 件共同组成的虚拟仪器。许多厂家目前已研制出了多 种用于构建虚拟仪器的数据采集（ ） 卡。 检测系统的框架 制动器虚拟检测系统的结构组成 制动器虚拟检测系统的结构主要由个部分组 成， 如图所示。 图 制动器虚拟检测系统 制动器的主要性能参数是制动力、 制动推杆的 行程、 制动器摩擦块的温度、 推动器推力、 推动器行 程和推动器温度等。制动器虚拟检测系统所采集、 分析和处理的数据就是以这几个数据为中心的。 制动器虚拟检测系统的主要功能 制动器虚拟检测系统主要有大功能： 数据采 集功能和数据分析处理功能。 数据采集功能如图所示。 图 数据采集功能模块 试验方式主要是确定制动器的试验过程； 系统 校准是确定采样数据的初始系统误差值； 试验控制 是按照试验方式来控制整个试验过程； 试验数据的 采集和存储是为以后的数据分析和处理提供数据。 数据分析和处理的功能如图所示。 图 试验数据分析处理 试验数据的装载和试验数据的采集是相对独立 的。试验数据的分析与处理可处理之前试验采集到的 数据， 试验数据的装载提供了选择需要分析的数据的 功能。数字滤波是指使用软件算法对采集的初始数据 进行滤波处理， 去除随机误差； 小波滤波是指采用先进 的小波理论， 去除采集数据中噪声干扰； 数据的显示、 查询和打印是指对显示的数据图形进行放大、 缩小和 对任意时刻的数据值的查找以及打印等功能。 电力液压防风铁楔制动器性能的实测与 分析 图所示为电力液压防风铁楔制动器性能测量 系统的组成图， 信号源部分由 型 拉力传 感器输出电荷信号， 经滤波放大器放大后的输出信 号为电压信号（） ， 滤波放大器采用北京东方振 动和噪声技术研究所的 多功能抗混滤波放 大器。通过滤波放大器， 送到信号采集卡测量电流 电压的幅值。信号采集卡采用美国国家仪器有限公 司（ ） 的 采集卡， 其输 入电压为 ， 最大输入频率为 。 系统工作时， 送入滤波放大器以及 采集卡， 使用 软件进行编程采集、 读取、 显示数 据， 可得制动器的性能参数。 图 制动器性能测量系统组成图 试验测试岸边集装箱起重机在个（ 套） 防风 装置作用时的抗风能力大小， 取决于起重机被拉方 向只防跑制动器铁楔的作用（ 其他约束均解除） ， 以阻止被测岸桥行走轮滑、 移动。电力液压防风铁 楔制动器的设计制动力矩为 ， 杠杆比为 ， 工作行程为 ， 退距为 ， 传递效 率为 ， 摩擦系数为 。试验时制动转速为 ， 平均制动时间为， 制动温度在 范围内， 制动器电压 。 应用 软件编制的制动器性能测量系 统信号采集与读取程序如图所示。从拉力传感器 得到的电信号经滤波放大器滤波放大， 送到信号采 集卡后， 通过采集程序滤波并采集数据， 再通过读取 程序经转换数据（ 将拉力信号转换为力矩信号） 读取 不同条件下的试验数据。 图 制动器性能测量系统信号采集与读取程序 新技术新工艺 年 第期 新技术新工艺 质量控制与故障分析 图 图分别给出了制动温度为 、 、 、 时， 电力液压防风铁楔制动器制动力矩 时域波形图。 图 时制动器制动力矩时域波形图 结语 从图图中可知， 在 时， 最大制 动力矩均为 ； 在 时， 最大制动力矩 为 。平均制动力矩为 。因 此， 经实测的电力液压防风铁楔制动器的制动力矩