有刷式自动充放气系统在远控轮胎吊上的应用

吴士杰　胡巳俊

宁波北仑第三集装箱码头有限公司已实现堆场轮胎式集装箱龙门起重机（以下简称“轮胎吊”）无人化远程控制（以下简称“远控”）。远控轮胎吊装有胎压监测系统，可远程监控轮胎状态，但无法从根本上解放人力实现自动充气。轮胎吊维护成本相对较高，特别是轮胎消耗较大，日常需要维护的轮胎数量庞大，并且轮胎人工充气面临交叉作业、炸胎等安全风险。为此，在远控轮胎吊大车轮胎上应用有刷式自动充放气系统，实现轮胎远程监控、自动充放气、故障预判等功能。

1 自动充放气系统应用现状

为了实现车辆轮胎自动充放气功能，轮胎中央充放气系统应运而生，装备对象从最初的军用车辆拓展到民用车辆，并在油田、林业、勘探等特殊领域车辆上得到广泛应用。采用电子控制方式的轮胎中央充放气系统可通过网络与全车电子控制系统整合，并与胎压监测系统整合，使系统具有实时测压能力，从而进一步提升系统的自动化水平。轮胎中央充放气系统主要由气源、电控气阀组（包括电磁阀和气压调节器）、旋转密封气室、车轮阀、闭锁阀、电子控制装置和控制面板等组成。

近年来，国内港机设备也开始使用自动充放气技术。根据轮胎吊实际工况，即大车满载运行速度25 m/min和空载运行速度130 m/min，轮胎轮毂总成的动平衡要求不高，可考虑将自动充放气系统部分部件集成于轮边系统（见图1）。近年来，部分码头以传统轮胎中央充放气系统的设计思路为基础，对轮胎吊自动充放气系统实施升级改造（见图2和图3）。该系统虽能实现预期功能，但由于轮胎吊轮胎间距相对较大，气管、线缆布置略显杂乱，且气管偏长易损坏。

2 远控轮胎吊有刷式自动充放气系统技术方案

2.1 系统结构

如图4所示，远控轮胎吊有刷式自动充放气系统由变压器、显控单元、报警灯、滑环、轮边控制阀总成、气泵、高压限压阀、冷凝气管、气管等组成。

2.2 系统原理

（1）变压器 变压器布置在轮胎吊底梁机载电源附近，其工作原理是：从机载电源取220 V交流电，将其转换为24 V或12 V直流电后输送给显控单元、滑环、轮边电子控制单元等系统电气元件，从而为系统提供合适的电压电源。

（2）显控单元 显控单元布置在设备底梁上，其工作原理是：与轮边电子控制单元相互通信，获取并显示胎压、工作和故障状态，同时存储相关数据;控制轮边电子控制单元的工作状态，发出充气指令至轮边电子控制单元;接收来自轮边电子控制单元的信息，在发生故障时控制报警灯的亮灯模式，并发出蜂鸣警报。

（3）报警灯 报警灯受轮边电子控制单元控制，通过不同的亮灯模式实现状态提示和报警。

（4）滑环 滑环布置在轮边车轮车轴上，采用对开式结构，也可采用整体式或内置式结构。转子抱紧锁死在轮边车轮车轴上随车轮转动，定子浮动于转子外圈，通过止转销限位于车轮轴承座处，将电信号从静止的设备底梁发送至旋转的车轮轮辋，向轮边控制阀总成和气泵供电，同时实现显控单元与轮边电子控制单元间的通信。

（5）轮边控制阀总成 轮边控制阀总成布置于轮边车轮轮辋附近，随轮胎一起转动。轮边控制阀总成由轮边电子控制单元、传感器、单向阀、排气电磁阀、放气电磁阀等组成：轮边电子控制单元控制并处理传感器信号，并与显控单元通信，将胎压、工作和故障状态发送至显控单元并存储相关数据，同

时受显控单元控制，接收充气指令后，控制排气电磁阀、放气电磁阀和气泵启闭;传感器从轮边电子控制单元获取电源，实时监测胎压，并回传至轮边电子控制单元处理;单向阀控制气泵气路与轮胎的通断，使轮胎内的气体只能从气泵气路向轮胎单向流动，而不会回流至气泵气路;排气电磁阀受轮边电子控制单元控制，不得电时将气泵至单向阀的气体排空，得电时封闭气路，使气泵至单向阀不再排气;放气电磁阀受轮边电子控制单元控制，不得电时封闭气路，使单向阀至轮胎不排气，得电时将轮胎内的气体排空。

（6）气泵 气泵布置于轮边车轮轮辋附近，随轮胎一起转动。气泵受轮边电子控制单元控制，不得电时不工作，得电时产生高压气体用于充气。

（7）高压限压阀 高压限压阀布置于气泵出口处。当气泵至轮胎的气体压力过高时，高压限压阀打开，排出气体。

（8）冷凝气管 冷凝气管连接气泵与轮边控制阀总成，主要用于输出气体、冷却气体和滤水。

（9）气管 气管连接轮边控制阀总成与轮胎，用于输送气体。

2.3 系统功能

2.3.1 保压功能

单向阀作为气控阀，控制气泵气路与轮胎的通断，使轮胎内的气体只能从气泵气路向轮胎单向流动，而不会回流至气泵气路。此外，放气电磁阀受轮边电子控制单元控制，不得电时封闭气路，使单向阀至轮胎不排气，从而实现轮胎保压功能，避免氣体外泄。

2.3.2 胎压监测功能

电磁式传感器布置在单向阀之后，与轮边电子控制单元通过线束连接，获取供电电源;其能通过气路连接实时测量和读取胎压信号，并通过有线信号回传至轮边电子控制单元处理;此外，其还能通过线束和滑环与显控单元实现有线通信，并回传数据至显控单元。轮边电子控制单元可通过无线通信模式（蓝牙或射频等）与显控单元实现数据交互，将胎压信号传送至显控单元。此外，还可扩展增加温度传感器，实现轮胎气体温度监测功能。

2.3.3 胎压调节功能

显控单元实时获取轮边电子控制单元信号，并按设定逻辑工作。

（1）当胎压低于设定值时：显控单元向对应需要充气的轮边电子控制单元发送充气指令（通过线束、滑环或者蓝牙、射频等方式）;轮边电子控制单元收到充气指令后，通过线束控制气泵和排气阀得失电，实现充气功能。具体流程如下：气泵得电开启泵气，排气阀得电关闭，气泵产生的高压气体经冷凝气管、气路顶开单向阀，再经气管输送至轮胎，实现充气功能;一定时间后，气泵、排气阀均失电，传感器测量胎压，若胎压仍低于设定值，则继续充气;胎压达到设定值后，气泵、排气阀均失电，结束充气动作，气泵至单向阀气体经排气阀排出，排气阀关闭。

（2）当胎压高于设定值时：显控单元向对应需要放气的轮边电子控制单元发送放气指令（通过线束、滑环或者蓝牙、射频等方式）;轮边电子控制单元收到放气指令后，通过线束控制放气阀得失电，实现放气功能。具体流程如下：放气阀得电开启，轮胎经气管、放气阀排气，实现放气功能;一定时间后，放气阀失电关闭，传感器测量胎压，若胎压仍高于设定值，则继续放气;胎压达到设定值后，放气阀失电关闭，结束放气动作。

通过以上充放气逻辑的设定，实现对轮胎胎压的调节功能，使胎压始终处于合适范围内。充放气功能不是必备的，可按需求取舍。轮边控制阀总成可按需扩展，各总成可同时亦可轮流工作。

2.3.4 报警功能

轮边电子控制单元和显控单元均具备故障诊断功能，通过对压力信号的分析判断，可实现气路开路、轮胎、阀门和传感器等相关故障的诊断判定，并通过显控单元和报警灯提示司机或维修人员。

2.3.5 高压保护功能

气泵出口处设有高压限压阀。当气泵至轮胎的气体压力过高时，高压限压阀打开，排出气体，从而避免管道或轮胎内气压过高引发系统故障。

3 远控轮胎吊有刷式自动充放气系统应用效果

有刷式自动充放气系统经调试后应用于远控轮胎吊：當胎压低于设定最低工作压力时，轮边气泵得电工作，直至胎压达到设定工作压力;当温度上升，胎压高于设定最高工作压力时，放气阀得电，放气状态开启，直至胎压达到设定工作压力。有刷式自动充放气系统与远控轮胎吊原有的胎压监测系统连接，可远程实时监控轮胎胎压及自动充气时间、充气次数，并可根据充气次数判断轮胎漏气和爆胎故障，便于维保人员事先更换问题轮胎。与同类型旋转密封气室型自动充放气系统相比，有刷式自动充放气系统具有以下优势：（1）将气泵集成在每个轮毂轮边总成上，无须配置冗长的气管，更美加观和高效;（2）轮边总成设计为碳刷滑环总成，导电滑环由2个半圆组成，拆卸较其他方案更便捷，满足快速维保要求。

4 结束语

有刷式自动充放气系统应用于远控轮胎吊后，与轮胎吊原有的胎压监测系统共享数据，实现轮胎远程监控、状态报警、自动充放气、故障预判等功能，形成轮胎智能化维护闭环，不仅大大提高轮胎吊机动性，降低动力消耗和轮胎损耗，节省人力成本，而且避免炸胎等安全隐患，减少因轮胎问题引起的次生故障（如轮毂开裂和大车减速箱故障等），从而有效保障轮胎吊作业安全，进一步提升轮胎吊作业自动化水平。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2022-06-07）