起重機械大車行走機構主要完成重物的水平平面搬運任務，當行走機構兩側制動器制動不平衡時會出現車架法線方向與軌道鋪設方向偏斜，導致車輪輪緣磨損、主梁端接處受大慣性沖擊等問題，存在嚴重的安全隱患。國家現有標準規范僅對跨度大于40m的門式起重機有偏斜顯示(限制)裝置有強制設置要求，對于跨度小于40m的門式起重機和橋式起重機則沒有要求。但由于制動不平衡所導致的啟動和制動不同步問題卻普遍存在于兩側獨立驅動的起重機械實際使用中。行業內現有的偏斜顯示(限制)裝置是通過加裝在兩側車輪上的旋轉編碼器將運行數據采集比較實現的，但這種方法安裝調試相對復雜，價格較高，維護不便。針對使用環境惡劣的起重機工業應用現場，如何設計一種既安裝簡單、可靠有效，又價格低廉的偏斜顯示(限制)裝置呢?

　　1 制動不平衡程度表征對象模型

　　1.1制動不平衡產生機理分析

　　大車制動不平衡這一現象普遍存在于兩側獨立驅動的起重機械啟動和制動過程中，主要表現形式如圖1所示。起重機初始狀態為A'，當進行啟動或制動操作時， 如果存在大車行走機構兩側制動不平衡，車輪為雙輪緣且與軌道間隙較小的情況下，起重機就會進入狀態A。狀態A下起重機狀況表現為，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。此時產生的偏斜距離d即可作為制動不平衡的表征對象，在這種結構下d的值雖然很小但是對起重機的危害卻是最大的。

　　當車輪輪緣為單輪緣或雙輪緣但與軌道間隙較大時，制動不平衡狀態如圖2所示。起重機從狀態B'進入到狀態B。狀態B下起重機狀況表現為，車輪在慣性力作用下在軌道頂面發生沿軌道鋪設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。此時產生的偏斜距離d較大，但正是因為車輪在軌道頂面的位移形成了一個緩沖過程，在一定程度上減輕了對主梁端接處的損害。

　　

圖 1 雙輪緣小間隙下的制動不平衡狀態

　

　圖 2 單輪緣或雙輪緣大間隙下的制動不平衡狀態

　　1.2制動不平衡程度表征對象模型建立

　　橋、門式各類起重機械國家標準和行業標準都對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)范圍作了規定，但對起重機整體偏斜量卻未作明確規定，而且如果在實際使用過程中直接測量與采集車輪軸傾斜角度代價太大也不現實。本文通過分析標準要求內容和制動不平衡后起重機結構狀態參數后確定將大車行走機構兩側偏斜量d作為制動不平衡程度的表征參數。d與跨度s 的比值即為車輪水平方向的傾角正切值，可用來判斷車輪傾角是否超標;而d本身與廠家設計制造要求比較即可判斷大車行走制動同步與平衡是否合適。

　　針對現有編碼器采集距離信息帶來的成本和后期維護保養問題，本文通過在固定車輪的端梁內側腹板合適位置加裝接近開關，在車輪輪緣合適位置布置一定數量金屬貼片(如圖3示意)，接近開關檢測到金屬貼片后上傳到控制器里的脈沖數與金屬貼片固定位置的車輪周長關系即可作為車輪的行走距離數學模型基礎。

　　當接近開關檢測到金屬貼片時，就向控制器輸入通道發送一個高定平信號(如圖4所示)，脈沖數記為n。

　　

圖 3 接近開關和金屬貼片布置示意圖

　　

圖 4 接近開關檢測脈沖計數

　　

圖 5 起重機械大車行走制動不平衡監測裝置硬件結構圖

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

　　(1)

　　當啟動或制停時大車行走機構兩側從動輪行走距離1 計算模型如下式2所示。

　　ι=α * n (2)

　　制動不平衡程度表征對象d的計算式如下式3所示。

　　d= ι左-ι右 (3)

　　2 起重機械大車行走制動不平衡監測裝置設計

　　2.1硬件設計

　　本文選用工業應用成熟的FRDM-K64F芯片作為主控芯片，基于起重機械大車行走制動不平衡監測裝置的功能要求并結合工程應用實際，本文設計起重機大車行走制動不平衡監測裝置硬件結構如圖5所示。

　　設計圖的左半部分為輸入側，主要包括對兩側車輪接近開關脈沖信號輸入電路設計，對行走電機接觸器狀態開關量輸入電路設計;中間部分為主控芯片;右半部分主要為輸出側，主要包括蜂鳴器報警輸出電路設計和制動不平衡程度值數顯電路設計;上下部分為供電電源電路設計。

　　其中，兩側車輪接近開關脈沖信號輸入電路和行走電機接觸器狀態開關量輸入電路設計如圖6所示。

　　

圖 6 脈沖信號輸入和開關量信號輸入電路

　　

圖 7 蜂鳴器報警輸出電路

　

　圖 8 制動不平衡程度值數顯電路

　　蜂鳴器報警輸出電路設計如圖7所示。

　　本文設計的起重機械大車行走制動不平衡監測裝置具有數據顯示功能，但K64芯片的引腳不具有驅動能力， 因此需要為數碼管的顯示配置一個驅動芯片MAX7219。它是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，它連接微處理器與8位數字的7段數字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED，在-40°C to +85°C 下工作。制動不平衡程度值數顯電路設計如圖8所示。

　　2.2 軟件部分設計

　　基于制動不平衡度表征對象計算模型和起重機械大車行走制動不平衡監測裝置功能要求，設計主控程序流程如圖9所示。

　　

圖 9 主程序控制流程圖

　　監測裝置對控制柜大車行走控制接觸器狀態進行實時監測，操作人員發出的啟動或停止指令通過接觸器的響應狀態被間接的檢測和傳送到控制器輸入接口，同時加裝在大車行走機構兩側從動輪上的行走距離檢測裝置將脈沖信號實時傳送給控制器相應的輸入接口;控制器在得到起重機大車行走運行指令后，制動不平衡判斷程序開始對兩側回傳的脈沖信號進行處理計算并作代數差，差值結果取絕對值后與允許值進行比較判定是否出現制動不平衡且不平衡程度是否允許，差值的正負僅代表是哪一側走的距離大;如果不平衡程度未超過允許值則程序沒有輸出繼續循環掃描;如果不平衡程度超過允許值則程序執行將不平衡程度值輸出顯示并向起重機操作人員發出警告。

　　為防止程序飛車、起重機械大車行走制動不平衡監測裝置死機，本文引入“看門狗”保護程序對程序運行進行保護。

　　3 結論與討論

　　本文通過分析制動不平衡產生機理和原因，以大車行走機構兩側從動輪制動后行走距離為監測對象，基于嵌入式開發技術(DSP)設計了一種大車行走制動不平衡監測裝置，該裝置成本低廉、功能可靠、后期維護檢查方便簡單，且具有再次開發能力，為實現起重機整體控制集成提供了基礎和可能，有極大的實際應用和推廣價值。