电动轮卡车起火事故分析与监控系统研究

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辽宁工程技术大学机械工程学院  高级工程师  苏维嘉    臧蕾
2005.7

【摘要】电动轮自卸车是集发动机、发电机、电动机、液压系统、电控系统于一体的大型运输车辆，发生安全事故会造成重大损失。笔者对造成事故的人为因素和设备因素进行了研究，并用故障树对电动轮起火事故作了较详细的分析，确定了造成事故的重要因素。在此基础上设计了基于CAN总线的安全监控系统。该系统以单片计算机为核心，采用模块化结构，组成控制器局域网络，进行分布式控制。监控系统由硬件系统和软件系统两部分构成。对发电机、电动机、发动机进行技术状态监测的同时监测驾驶员的疲劳状态和违章操作情况，可以减少由人为因素和设备因素造成的安全生产事故。对大型工矿设备的安全技术保障有一定的借鉴作用。

1、引言
电动轮自卸车是大型露天矿，水利工程中采用的主要运输工具，这种车辆是当今世界上最先进的运输设备之一。它的特点是：吨位大，消耗低，技术含量高，价格昂贵。电动轮自卸车由以下几个主要部分组成：柴油发动机，发电机，电动轮，电气系统，液压系统，底盘和车厢。  

整车的动力来自柴油发动机，与它同轴的发电机发出的电力，经电气系统控制供给电动轮里的电动机驱动车轮转动。液压系统控制车厢的举落、车辆的转向和制动。

电动轮自卸车在为企业创造经济效益的同时，也发生过一些事故，造成了重大损失。某矿十几年来有6台154吨自卸车因事故报废，共发生自卸车火灾事故数百次，其中4台自卸车因火灾事故而焚烧报废，造成数千万元的直接经济损失。

因此，分析产生事故的原因，找出影响安全生产的前兆信息，研究适合电动轮自卸车的安全监控系统是用车单位急需解决的课题。虽然造成事故的因素复杂纷乱，但利用故障树分析法就可以清晰地揭示事故的模式和发展过程，为制定防范措施和设计监控系统提供根据，是减少事故、提高设备可靠性、安全性的重要方法。

2、事故因素的故障树分析
分析电动轮自卸车的事故案例，可以归纳出两种造成事故的不安全因素，即人为因素和设备因素。人为因素主要反映在疲劳驾驶和违章操作两个方面。

疲劳驾驶是驾驶员上班前不能保证良好休息，工作中出现瞌睡现象造成车辆追尾，坠入排土场坡下等事故。

违章操作主要表现在，超速驾驶，违章使用工作制动，违章使用超越开关，违章使用停车制动等。

电动轮自卸车是集发动机、发电机、电动机、电控，液压多系统为一体的大功率设备，工作环境恶劣，各系统都在高负荷下工作，设备不可避免地会出现磨损、老化、疲劳损坏、功能下降等情况。这些情况属于设备因素。

电动轮起火是自卸车的一个严重事故，用故障树对电动轮起火进行分析，根据设备的特征与状态间的逻辑关系，来确定设备发生某一故障的可能原因。揭示设备的故障模式和故障的发展过程，发现设备的薄弱环节，找出故障原因，采取预防措施，为设计监测系统提供根据，是对自卸车进行事故分析的一个典型案例剖析全过程。

2.1、建造电动轮起火故障树
建造故障树是故障树分析的基础，建造故障树是否完善直接影响其分析结果的准确性。建造故障树是对设备的设计、运行、管理进行彻底熟悉的过程。对这些技术资料进行全面分析后，找出导致设备故障的各种因素及其发展过程。通过对电动轮起火因素的分析，建造电动轮起火故障树如图所示。



2.2、顶层子故障树
电动轮起火的条件是液压油泄漏和高温物体同存在。高温物体为制动盘高温和电器件高温。顶层子故障结构函数为

T=f(X1,X2,X3)

顶层故障树有两个最小割集，发生概率最大的最小割集是系统最薄弱的环节。事件X1作为独立的最小割集出现一次，X2、X3在两个事件组成的最小割集中出现一次，可得出结论事件X1制动盘高温最重要，事件X2液压油泄漏、事件X3电器件高温次之。  

2.3、制动盘高温子故障树
事件X1制动盘高温由下面3个事件引起，X11电气故
障、X12机械故障、X13违章操作。结构函数（X11,X12,X13）= X11 + X12 + X13

顶事件发生概率的变化量△g与各底事件发概率的变化量△qi之间有近似关系



其中概率重要度：



上式说明概率重要度大的底事件的发生概率下降将有效降低顶事件的发生概率。

在事件 X11，Xl2，Xl3中X13出现的概率远大于其他两个事件的出现概率，而且出现又可直接或间接导致X11、X12的发生。因此，降低违章操作的概率可降低制动盘高温的概率。防止X13的出现对防止电动轮起火起主要作用。


2.4、违章操作子故障树
违章操作可导致制动盘高温和电器件高温其结构函数如下：



违章操作子故障树的结构函数表明违章使用工作制动、紧急制动、超速行驶对顶事件影响最大，监测这些违章操作事件的出现是设计监测装置时应重点考虑的问题。

3、安全监控系统构成
电动轮自卸车安全监控 系统采用基于CAN( Controller Area Network)总线的分布式模块化结构，由7个智能化节点模块组成，分为监测影响安全生产的人为因素和设备因素两类信息。

人为因素的监测由疲劳驾驶监测模块和违章操作监测模块完成。

设备因素的监测由发动机监测模块、发电机监测模块、电动轮监测模块组成。系统结构框图如所示。



(1)疲劳驾驶监测模块：监测驾驶员的疲劳程度是否达到昏睡状态。如果疲劳极限传感器动作。在一定时间内出现声光警示信号，如果驾驶员不能及时解除警示信号，疲劳驾驶监控模块发出停车指令。
(2)停车控制模块：使车辆进入自动停车程序。
(3)违章操作监测模块：监测驾驶员超速行驶、违章使用工作制动，超越开关的情况，自动记录违章的时间和次数，并提供给车管人员作为考核驾驶员工作的依据。
(4)电动轮监测模块主要监测电动机、制动盘的温度，轴承的振动和整流环发火的程度，当超过设定值时监测系统自动报警并记录。  
(5)发动机监测模块：主要监测油温、油压、油量、水温、振动等参数，当超过设定值时声光报警或进入停车程序并记录相关数据。  
(6)发电机监测模块：主要监测温度和振动参数来判断设备的运行状态。  
(7)显示操作模块：完成系统中各模块参数的设定，各模块监测参数的显示、存储、超限报警功能。停车控制模块在接到停车指令后控制车辆按正确的程序停止工作。

3.1、硬件系统
硬件系统是由CAN总线连接7个智能节点模块组成分布式数据采集与控制系统。各模块独立采集数据，通过CAN总线相互通信形成局域网。

3.1.1节点电路
组成硬件系统的各功能模块中的节点电路要完成CAN总线数据的收发工作，也是硬件系统中的核心电路之一。在节点电路中选用89C25单片机做CPU，SJA1000作为CAN控制器。SJA1000芯片可连接各种微处理器，具有总线访问优先控制器，强有力的错误处理能力，无损结构的逐位仲裁特性。使用CAN控制器与物理总线间的接口芯片80C250，它提供向总线差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，具有降低射频干扰和抗汽车环境下的瞬间干扰等特性。

3.1.2 数据采集电路
在系统的智能节点模块中，大部分是以A／D转换器为主要芯片数据采集模块。在数据采集电路中的单片机89C52与CAN节点通信电路共用，另外还包括传感器，信号调理电路多路开关电路等。

数据采集电路中的信号调理电路 由运算放大器IA401和电子开关MAX4051组成程控放大器，增益选项为1、5、50、500。A／D转换电路采用AD7705芯片，多路转换电路选用MAX306芯，进行16路选项1转换。

3.1.3 显示操作电路
显示操作模块主要由LCD显示模块CGM12864C组成，4×4键盘组成的操作电路，由组成的存储电路。实现对其它模块工作参数设定，采集数据存储和报警等功能。

3.2 软件系统
电动轮自卸车安全监控系统，实质上是一个基于CAN总线的智能数据采集控制系统。软件系统由上电初始化，实时数据采集，数据实时处理现场信息时实显示，各模块间通信、报警等功能程序块组成。

监测模块程序：主要完成上电初始化、实时数据采集、数据处理、CAN总线通信功能。

显示操作模块程序主要由以下几部分组成：初始化程序，显示程序，键盘程序，通信程序，报警程序。

CAN总线编程是软件系统中的一个重要部分，它主要包括CAN初始化程序、CAN中断程序和CAN收发程序。

4、结论
(1)笔者通过故障树分析(FTA)对电动轮起火事故进行了详细探讨。分析了造成事故诸因素间的逻辑关系，归纳了设计安全监控系统的理论依据。  
(2)在分析事故成因的基础上，设计了基于CAN总线的安全监控系统，利用技术手段保证电动轮自卸车安全生产。
(3)监控系统将人为因素(即驾驶员疲劳程度信息和违章操作信息) 作为监测对象，使系统监测到的信息比较全面。  
(4)该监控系统应在进一步完善时加入与矿山调度系统联网功能，使车辆的安全信息，通过无线网及时上报矿山调度，以便于突发事件的协调指挥。

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