中心議題：
- 智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的特點(diǎn)
- 智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的組成
- 智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的要求
- 智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的工作原理
解決方案：
- 井下智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)方案
- 采用紅外線作為距離探測(cè)光源
1 對(duì)比分析
目前大多電機(jī)車的防撞裝置是靠彈性碰頭被動(dòng)地緩沖和吸收部分碰撞能量，來(lái)減輕撞擊危害的，但真正發(fā)生機(jī)車相撞時(shí)其防撞作用是微不足道的。煤礦井下環(huán)境特殊、巷道狹窄，岔道彎道較多，巷壁距道軌最大不足1 In。當(dāng)電機(jī)車行駛到彎道和岔巷時(shí)，安裝在電機(jī)車自身的發(fā)射器發(fā)出的電磁波或光線很容易被巷道墻壁或臨道過(guò)往車輛反射而造成剎車裝置誤報(bào)警誤動(dòng)作。其次，剎車裝置靠手閘、電機(jī)杠桿等機(jī)械機(jī)構(gòu)制動(dòng)，反應(yīng)速度或慢或急，制動(dòng)不平穩(wěn)，同樣容易導(dǎo)致車輛掉道或設(shè)備損壞，甚至造成人員受傷。所以，此類剎車裝置用于煤礦井下不適宜，還可能留下安全隱患。
根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、理論知識(shí)和事故案例，結(jié)合目前市場(chǎng)上多種車輛防撞裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種井下智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)方案。
2 系統(tǒng)特點(diǎn)
1) 井下智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)采用紅外線作為距離探測(cè)光源，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，不受電機(jī)車大燈、巷道照明、工人礦燈以及其他電磁波的干擾。紅外發(fā)射器和接收器分體安裝，不會(huì)因車輛或巷道墻壁反射信號(hào)而誤動(dòng)作。
2) 該系統(tǒng)運(yùn)用單片計(jì)算機(jī)作為主控制器，利用其超強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和信息處理能力，真正實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化目的，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和智能化水平，使電機(jī)車運(yùn)行獲得更安全的保證。
3) 當(dāng)電機(jī)車駛?cè)肭胺郊t外線的不同射程內(nèi)時(shí)，本系統(tǒng)能自動(dòng)依靠微電腦單片機(jī)對(duì)電機(jī)車當(dāng)前運(yùn)行速度和相對(duì)距離進(jìn)行運(yùn)算來(lái)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，必要時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)程序控制比例電磁閥的節(jié)流，使撞車危險(xiǎn)發(fā)生前實(shí)現(xiàn)軟制動(dòng)，剎車既迅速又平穩(wěn)，保證了人員和車輛設(shè)備的安全，不致于因劇烈碰撞和剎車過(guò)猛造成二次不必要的人員和設(shè)備損失。
4) 倘若再增加上LED或LCD顯示裝置，則系統(tǒng)會(huì)更直觀更完善，功能會(huì)更強(qiáng)大。
3 系統(tǒng)組成
該智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射單元、紅外接收單元、主控制單元、執(zhí)行單元、聲光報(bào)警單元、液壓制動(dòng)單元幾部分組成。
紅外線發(fā)射單元包括編碼調(diào)制器、載波振蕩器、電子開(kāi)關(guān)、發(fā)射管、聚光透鏡等組成;紅外接收單元為紅外集成一體化接收頭;主控制單元由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、手動(dòng)操作鍵盤、D/A轉(zhuǎn)換器組成;執(zhí)行單元由光電隔離器、模擬放大器組成;聲光報(bào)警單元由電機(jī)車電笛和閃光報(bào)警電路構(gòu)成;液壓制動(dòng)單元由速度傳感器、液壓油泵、比例電磁閥、溢流閥、液壓油缸、剎車推桿等組成。
4 系統(tǒng)要求
1)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“兩機(jī)車或兩列車在同一軌道同向行駛時(shí)，必須保持不少于100m的距離。運(yùn)送人員時(shí)列車的制動(dòng)距離不得超過(guò)20m”。其次，井下大巷彎道一般最小曲率半徑在25Ill左右。因此，本系統(tǒng)按最危險(xiǎn)的同一軌道相向行駛來(lái)計(jì)算并設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。紅外線發(fā)射單元中，三個(gè)紅外發(fā)射管發(fā)射距離分別調(diào)整為報(bào)警距離80m、一般制動(dòng)距離50m、緊急制動(dòng)距離7m三種。
2)考慮到煤礦井下環(huán)境潮濕，特別是夏季軌道面黏著系數(shù)更低很容易打滑，所以電機(jī)列車的制動(dòng)距離設(shè)定為報(bào)警、20m、2m三種，這樣列車制動(dòng)后仍留有一定的緩沖距離，防止打滑影響機(jī)車的制動(dòng)效果。根據(jù)三角函數(shù)公式α=2arctan(a/b)(其中a為最大光束半徑，b為光束射程即最大發(fā)射距離)算出紅外線管發(fā)射角度分別為44‘，68’和8°，即每個(gè)發(fā)射管的最大射程為80m、50m、7m時(shí)最大光束直徑均為1m(電機(jī)車的寬度)，光束正好覆蓋了電機(jī)車端面，又不影響到其它車輛，保證了靈敏度和可靠性。
3) 根據(jù)單片機(jī)每一時(shí)刻只能處理一路信號(hào)的特點(diǎn)，須將每個(gè)發(fā)射管的高頻調(diào)制脈沖的占空比控制在1/3以下，使其依次輪流工作，既減小了工作電流，降低了功耗，又不使信號(hào)相互干擾，造成誤測(cè)，提高系統(tǒng)的可靠性。
4)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》井下最高限速直行道5m/s，彎道2m/s的規(guī)定，在程序參數(shù)設(shè)定時(shí)要求：當(dāng)電機(jī)車進(jìn)入設(shè)定的制動(dòng)距離時(shí)，單片機(jī)按公式a=V2/2L計(jì)算剎車加速度(其中V為當(dāng)前車速，為最大制動(dòng)距離)，即單片機(jī)將剎車加速度自動(dòng)控制在0.6～4m/s2之間，并發(fā)出制動(dòng)指令，調(diào)節(jié)比例電磁閥控制制動(dòng)壓力，使列車在規(guī)定位移內(nèi)平穩(wěn)地制動(dòng)停車。
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5 工作原理
智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)原理，見(jiàn)圖1。
圖1 智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)原理
1) 紅外線發(fā)射單元的編碼調(diào)制器的三種不同編碼信號(hào)對(duì)38 kHz的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生三種不同頻率的調(diào)制信號(hào)送至放大器以驅(qū)動(dòng)三個(gè)紅外發(fā)射管，發(fā)射出三種不同編碼的紅外線。根據(jù)單片機(jī)每一時(shí)刻只能處理一路信號(hào)的特點(diǎn)，三路放大器由電子開(kāi)關(guān)控制其依次導(dǎo)通，保證每一時(shí)刻只有一路發(fā)射管工作，這樣既減小了工作電流，降低了功耗，又避免了信號(hào)相互干擾，造成接收器誤測(cè)。
通過(guò)對(duì)發(fā)射管選型和調(diào)整放大器發(fā)射功率使發(fā)射距離分別為S1=80m，S2=50m，S3=7m;通過(guò)調(diào)整各自透鏡組的焦距使光束射角分別為α1=44僅α2=68’，僅α3=8°，使每個(gè)發(fā)射距離的臨界處光束直徑都是1m，正好覆蓋住電機(jī)列車的端面，既保證了接收又防止了對(duì)相鄰車道車輛的干擾。發(fā)射單元安裝在電機(jī)車的照明大燈下方和列車尾燈下方適當(dāng)位置，由于井下軌道運(yùn)輸電機(jī)車、列車雙向行駛不分頭尾，所以機(jī)車和列車(礦車)兩端都分別安裝紅外發(fā)射器。紅外接收頭安裝在電機(jī)車頭與發(fā)射單元正對(duì)的位置。
2) 紅外線接收器采用紅外線一體化接收頭，它是集紅外接收、信號(hào)放大、帶通濾波、比較輸出等為一體的模塊，性能穩(wěn)定、可靠。無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換可以直接與單片機(jī)端口連接。接收器的信號(hào)入射角為最小的4。，這樣不論是直道還是彎道，其信號(hào)接收都不會(huì)受對(duì)面鄰道相向行駛的電機(jī)車所發(fā)出的紅外線干擾，除非行駛在同一軌道。
3) 采用單片計(jì)算機(jī)作主控芯片控制是實(shí)現(xiàn)智能化控制的真正意義所在。運(yùn)用單片計(jì)算機(jī)可使電路簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能增強(qiáng)，檢測(cè)控制自動(dòng)化，工作更可靠，運(yùn)行更安全。關(guān)于單片機(jī)的程序編制和應(yīng)用不算太難，由于篇幅在此不敘。
4) 紅外線發(fā)射器不間斷地依次向前方發(fā)射著三種不同射程不同編碼的紅外線波，以利單片控制器接收并判斷電機(jī)車當(dāng)前所處的位置，然后發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警或制動(dòng)指令。當(dāng)電機(jī)車由于某種原因在同一軌道行駛而進(jìn)入前方車輛的報(bào)警距離S1(80 m)時(shí)，接收器接收到前方發(fā)出的紅外信號(hào)迅速傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析判斷后經(jīng)光電隔離分兩路輸出，一路接通電機(jī)車號(hào)笛和閃光信號(hào)電路，發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒本車司機(jī)和對(duì)面電機(jī)車司機(jī)，注意減速慢行，保持車距;一路迅速啟動(dòng)液壓油泵，為剎車作準(zhǔn)備。如果車輛減速，退出報(bào)警距離后，系統(tǒng)自動(dòng)解除警報(bào)，斷開(kāi)液壓油泵電源。
如果電機(jī)車沒(méi)有減速繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入一般制動(dòng)距離S2(50 m)時(shí)，接收器把接收到的紅外信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別到是制動(dòng)信號(hào)后，立即發(fā)出指令，斷開(kāi)電機(jī)車主電機(jī)的控制回路，主電機(jī)斷電，使列車處于滑行狀態(tài)。同時(shí)立即與霍爾速度傳感器反饋的當(dāng)前車速進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)比分析，然后按照預(yù)設(shè)的制動(dòng)加速度發(fā)出制動(dòng)指令，控制電流經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、模擬放大后調(diào)節(jié)比例電磁閥的開(kāi)啟量，自動(dòng)調(diào)整液壓泵產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，使液壓油缸的輸出壓力逐步增加，在20 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停車。
如果電機(jī)車在彎道或遠(yuǎn)距離視線被遮擋的情況下發(fā)現(xiàn)前方車輛時(shí)，已經(jīng)進(jìn)入緊急制動(dòng)距離 ，即兩車相距7 m左右(其中R為軌道曲線半徑，按25 m計(jì)算)，此時(shí)接收器接收到對(duì)方發(fā)來(lái)的緊急制動(dòng)紅外信號(hào)后，單片機(jī)立即發(fā)出緊急制動(dòng)指令，以較陡的制動(dòng)加速度來(lái)控制比例電磁閥的打開(kāi)，較大的制動(dòng)力矩使列車在2 m之內(nèi)迅速剎車。同時(shí)又能防止因緊急剎車導(dǎo)致制動(dòng)閘包死現(xiàn)象。
5) 機(jī)車制動(dòng)后需按壓復(fù)位按鈕才能使系統(tǒng)發(fā)出解除制動(dòng)指令，退出制動(dòng)狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)定為手動(dòng)控制優(yōu)先于自動(dòng)控制，按壓手動(dòng)制動(dòng)按鈕就可隨時(shí)進(jìn)行一般制動(dòng)，省去轉(zhuǎn)動(dòng)剎車手輪的繁瑣操作，方便快捷。
6 結(jié)論
要減少和避免軌道運(yùn)輸事故的發(fā)生，除了加強(qiáng)思想教育、技術(shù)培訓(xùn)，提高機(jī)車司機(jī)的技能素質(zhì)，加強(qiáng)責(zé)任心外，最根本的就是要完善必要的裝備，實(shí)行自動(dòng)化控制。人機(jī)雙管齊下，才能真正有效地控制機(jī)車事故的發(fā)生、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)。智能化電機(jī)車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)軌道運(yùn)輸無(wú)事故的有力技術(shù)保障措施.
