有刷式自動充放氣系統在遠控輪胎吊上的應用

吳士杰　胡巳俊

寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司已實現堆場輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱“輪胎吊”）無人化遠程控制（以下簡稱“遠控”）。遠控輪胎吊裝有胎壓監測系統，可遠程監控輪胎狀態，但無法從根本上解放人力實現自動充氣。輪胎吊維護成本相對較高，特別是輪胎消耗較大，日常需要維護的輪胎數量龐大，并且輪胎人工充氣面臨交叉作業、炸胎等安全風險。為此，在遠控輪胎吊大車輪胎上應用有刷式自動充放氣系統，實現輪胎遠程監控、自動充放氣、故障預判等功能。

1 自動充放氣系統應用現狀

為了實現車輛輪胎自動充放氣功能，輪胎中央充放氣系統應運而生，裝備對象從最初的軍用車輛拓展到民用車輛，并在油田、林業、勘探等特殊領域車輛上得到廣泛應用。采用電子控制方式的輪胎中央充放氣系統可通過網絡與全車電子控制系統整合，并與胎壓監測系統整合，使系統具有實時測壓能力，從而進一步提升系統的自動化水平。輪胎中央充放氣系統主要由氣源、電控氣閥組（包括電磁閥和氣壓調節器）、旋轉密封氣室、車輪閥、閉鎖閥、電子控制裝置和控制面板等組成。

近年來，國內港機設備也開始使用自動充放氣技術。根據輪胎吊實際工況，即大車滿載運行速度25 m/min和空載運行速度130 m/min，輪胎輪轂總成的動平衡要求不高，可考慮將自動充放氣系統部分部件集成于輪邊系統（見圖1）。近年來，部分碼頭以傳統輪胎中央充放氣系統的設計思路為基礎，對輪胎吊自動充放氣系統實施升級改造（見圖2和圖3）。該系統雖能實現預期功能，但由于輪胎吊輪胎間距相對較大，氣管、線纜布置略顯雜亂，且氣管偏長易損壞。

2 遠控輪胎吊有刷式自動充放氣系統技術方案

2.1 系統結構

如圖4所示，遠控輪胎吊有刷式自動充放氣系統由變壓器、顯控單元、報警燈、滑環、輪邊控制閥總成、氣泵、高壓限壓閥、冷凝氣管、氣管等組成。

2.2 系統原理

（1）變壓器 變壓器布置在輪胎吊底梁機載電源附近，其工作原理是：從機載電源取220 V交流電，將其轉換為24 V或12 V直流電后輸送給顯控單元、滑環、輪邊電子控制單元等系統電氣元件，從而為系統提供合適的電壓電源。

（2）顯控單元 顯控單元布置在設備底梁上，其工作原理是：與輪邊電子控制單元相互通信，獲取并顯示胎壓、工作和故障狀態，同時存儲相關數據;控制輪邊電子控制單元的工作狀態，發出充氣指令至輪邊電子控制單元;接收來自輪邊電子控制單元的信息，在發生故障時控制報警燈的亮燈模式，并發出蜂鳴警報。

（3）報警燈 報警燈受輪邊電子控制單元控制，通過不同的亮燈模式實現狀態提示和報警。

（4）滑環 滑環布置在輪邊車輪車軸上，采用對開式結構，也可采用整體式或內置式結構。轉子抱緊鎖死在輪邊車輪車軸上隨車輪轉動，定子浮動于轉子外圈，通過止轉銷限位于車輪軸承座處，將電信號從靜止的設備底梁發送至旋轉的車輪輪輞，向輪邊控制閥總成和氣泵供電，同時實現顯控單元與輪邊電子控制單元間的通信。

（5）輪邊控制閥總成 輪邊控制閥總成布置于輪邊車輪輪輞附近，隨輪胎一起轉動。輪邊控制閥總成由輪邊電子控制單元、傳感器、單向閥、排氣電磁閥、放氣電磁閥等組成：輪邊電子控制單元控制并處理傳感器信號，并與顯控單元通信，將胎壓、工作和故障狀態發送至顯控單元并存儲相關數據，同

時受顯控單元控制，接收充氣指令后，控制排氣電磁閥、放氣電磁閥和氣泵啟閉;傳感器從輪邊電子控制單元獲取電源，實時監測胎壓，并回傳至輪邊電子控制單元處理;單向閥控制氣泵氣路與輪胎的通斷，使輪胎內的氣體只能從氣泵氣路向輪胎單向流動，而不會回流至氣泵氣路;排氣電磁閥受輪邊電子控制單元控制，不得電時將氣泵至單向閥的氣體排空，得電時封閉氣路，使氣泵至單向閥不再排氣;放氣電磁閥受輪邊電子控制單元控制，不得電時封閉氣路，使單向閥至輪胎不排氣，得電時將輪胎內的氣體排空。

（6）氣泵 氣泵布置于輪邊車輪輪輞附近，隨輪胎一起轉動。氣泵受輪邊電子控制單元控制，不得電時不工作，得電時產生高壓氣體用于充氣。

（7）高壓限壓閥 高壓限壓閥布置于氣泵出口處。當氣泵至輪胎的氣體壓力過高時，高壓限壓閥打開，排出氣體。

（8）冷凝氣管 冷凝氣管連接氣泵與輪邊控制閥總成，主要用于輸出氣體、冷卻氣體和濾水。

（9）氣管 氣管連接輪邊控制閥總成與輪胎，用于輸送氣體。

2.3 系統功能

2.3.1 保壓功能

單向閥作為氣控閥，控制氣泵氣路與輪胎的通斷，使輪胎內的氣體只能從氣泵氣路向輪胎單向流動，而不會回流至氣泵氣路。此外，放氣電磁閥受輪邊電子控制單元控制，不得電時封閉氣路，使單向閥至輪胎不排氣，從而實現輪胎保壓功能，避免氣體外泄。

2.3.2 胎壓監測功能

電磁式傳感器布置在單向閥之后，與輪邊電子控制單元通過線束連接，獲取供電電源;其能通過氣路連接實時測量和讀取胎壓信號，并通過有線信號回傳至輪邊電子控制單元處理;此外，其還能通過線束和滑環與顯控單元實現有線通信，并回傳數據至顯控單元。輪邊電子控制單元可通過無線通信模式（藍牙或射頻等）與顯控單元實現數據交互，將胎壓信號傳送至顯控單元。此外，還可擴展增加溫度傳感器，實現輪胎氣體溫度監測功能。

2.3.3 胎壓調節功能

顯控單元實時獲取輪邊電子控制單元信號，并按設定邏輯工作。

（1）當胎壓低于設定值時：顯控單元向對應需要充氣的輪邊電子控制單元發送充氣指令（通過線束、滑環或者藍牙、射頻等方式）;輪邊電子控制單元收到充氣指令后，通過線束控制氣泵和排氣閥得失電，實現充氣功能。具體流程如下：氣泵得電開啟泵氣，排氣閥得電關閉，氣泵產生的高壓氣體經冷凝氣管、氣路頂開單向閥，再經氣管輸送至輪胎，實現充氣功能;一定時間后，氣泵、排氣閥均失電，傳感器測量胎壓，若胎壓仍低于設定值，則繼續充氣;胎壓達到設定值后，氣泵、排氣閥均失電，結束充氣動作，氣泵至單向閥氣體經排氣閥排出，排氣閥關閉。

（2）當胎壓高于設定值時：顯控單元向對應需要放氣的輪邊電子控制單元發送放氣指令（通過線束、滑環或者藍牙、射頻等方式）;輪邊電子控制單元收到放氣指令后，通過線束控制放氣閥得失電，實現放氣功能。具體流程如下：放氣閥得電開啟，輪胎經氣管、放氣閥排氣，實現放氣功能;一定時間后，放氣閥失電關閉，傳感器測量胎壓，若胎壓仍高于設定值，則繼續放氣;胎壓達到設定值后，放氣閥失電關閉，結束放氣動作。

通過以上充放氣邏輯的設定，實現對輪胎胎壓的調節功能，使胎壓始終處于合適范圍內。充放氣功能不是必備的，可按需求取舍。輪邊控制閥總成可按需擴展，各總成可同時亦可輪流工作。

2.3.4 報警功能

輪邊電子控制單元和顯控單元均具備故障診斷功能，通過對壓力信號的分析判斷，可實現氣路開路、輪胎、閥門和傳感器等相關故障的診斷判定，并通過顯控單元和報警燈提示司機或維修人員。

2.3.5 高壓保護功能

氣泵出口處設有高壓限壓閥。當氣泵至輪胎的氣體壓力過高時，高壓限壓閥打開，排出氣體，從而避免管道或輪胎內氣壓過高引發系統故障。

3 遠控輪胎吊有刷式自動充放氣系統應用效果

有刷式自動充放氣系統經調試后應用于遠控輪胎吊：當胎壓低于設定最低工作壓力時，輪邊氣泵得電工作，直至胎壓達到設定工作壓力;當溫度上升，胎壓高于設定最高工作壓力時，放氣閥得電，放氣狀態開啟，直至胎壓達到設定工作壓力。有刷式自動充放氣系統與遠控輪胎吊原有的胎壓監測系統連接，可遠程實時監控輪胎胎壓及自動充氣時間、充氣次數，并可根據充氣次數判斷輪胎漏氣和爆胎故障，便于維保人員事先更換問題輪胎。與同類型旋轉密封氣室型自動充放氣系統相比，有刷式自動充放氣系統具有以下優勢：（1）將氣泵集成在每個輪轂輪邊總成上，無須配置冗長的氣管，更美加觀和高效;（2）輪邊總成設計為碳刷滑環總成，導電滑環由2個半圓組成，拆卸較其他方案更便捷，滿足快速維保要求。

4 結束語

有刷式自動充放氣系統應用于遠控輪胎吊后，與輪胎吊原有的胎壓監測系統共享數據，實現輪胎遠程監控、狀態報警、自動充放氣、故障預判等功能，形成輪胎智能化維護閉環，不僅大大提高輪胎吊機動性，降低動力消耗和輪胎損耗，節省人力成本，而且避免炸胎等安全隱患，減少因輪胎問題引起的次生故障（如輪轂開裂和大車減速箱故障等），從而有效保障輪胎吊作業安全，進一步提升輪胎吊作業自動化水平。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-06-07）