組合式氣動干式摩擦離合制動器試驗臺研制

王 駿，吳 迅，蔣兆軍，韋國上

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇無錫智能儀器廠，江蘇 無錫 214121）

離合制動器是鍛壓機(jī)床的核心功能部件，起傳遞工作扭矩和傳動機(jī)構(gòu)制動的作用，其運(yùn)行可靠性直接影響到機(jī)床的可靠性水平［1］。組合式氣動干式摩擦離合制動器因結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等特點(diǎn)，被廣泛使用在6 300kN以下噸位的機(jī)械壓力機(jī)上。隨著《GB27607—2011機(jī)械壓力機(jī) 安全技術(shù)要求》推廣實施，其對壓力機(jī)急停功能的規(guī)定將促使剛性離合制動器逐步改型升級成摩擦離合制動器［2］。市場的拓展使得生產(chǎn)廠家急需一個產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、質(zhì)量檢測的測試平臺，同時也為產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 12089—2014鍛壓機(jī)械用組合式氣動干式摩擦離合制動器》制訂過程中涉及的相關(guān)性能指標(biāo)提供一個試驗依據(jù)。

1 組合式氣動干式摩擦離合制動器原理及其檢測要求

1.1 組合式氣動干式摩擦離合制動器原理

圖1 組合式氣動摩擦離合制動器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，組合式氣動干式摩擦離合制動器（以下簡稱離合制動器）工作時，壓縮空氣進(jìn)入氣缸內(nèi)部，推動活塞克服彈簧力將離合芯板壓緊在主體上，離合銷聯(lián)接飛輪和離合芯板，將飛輪的轉(zhuǎn)動扭矩傳遞給主體，帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作；制動時，壓縮空氣經(jīng)進(jìn)排氣孔排出，活塞在彈簧復(fù)位力的作用下將制動芯板壓緊在氣缸上，制動芯板通過制動銷固定在壓力機(jī)床身上，靜止的制動芯板帶動主體停止旋轉(zhuǎn)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)制動［3］。組合式離合制動器具有離合－制動互鎖功能，且安全可靠。

1.2 離合制動器性能指標(biāo)檢測要求

根據(jù)上述工作原理可知，離合制動器的離合－制動扭矩、進(jìn)排氣靈敏度、溫升和平衡等為主要性能指標(biāo)，決定了離合制動器的性能質(zhì)量［4］。

（1）離合扭矩。離合扭矩直接影響機(jī)械壓力機(jī)的公稱壓力，檢測離合制動器的離合扭矩ML是為驗證其在相應(yīng)氣壓和制動彈簧數(shù)量下能夠傳遞的最大工作扭矩，即 ML－t曲線（t為時間）。

（2）制動扭矩。制動扭矩MZ直接影響機(jī)械壓力機(jī)的制動角等參數(shù)，對操作人員及設(shè)備安全至關(guān)重要［5］。檢測制動扭矩是為驗證其在相應(yīng)氣壓和制動彈簧數(shù)量下離合制動器能夠提供的最大制動扭矩，即MZ－t曲線。

（3）進(jìn)排氣靈敏度。進(jìn)排氣靈敏度對機(jī)械壓力機(jī)在單次連續(xù)作業(yè)狀態(tài)下能否達(dá)到額定工作壓力起著決定性作用。檢測進(jìn)排氣靈敏度是通過檢測氣缸內(nèi)部壓力P能否在規(guī)定時間達(dá)到額定壓力值，即P－t曲線。

（4）溫升。溫升對機(jī)械壓力機(jī)的正常工作十分重要，是衡量離合制動器使用性能的一項重要指標(biāo)［6］。檢測溫升，必須待離合制動器正常工作一段時間后，在溫度穩(wěn)定的情況下，其摩擦副上的實時溫升T，即T－t曲線。

（5）■平衡。由離合制動器動、靜不平衡產(chǎn)生的撓曲變形會給離合制動器傳遞扭矩和制動帶來沖擊，降低摩擦副接合的平穩(wěn)性；同時引起飛輪支撐軸承受載變化，造成軸承變形、發(fā)熱而引發(fā)機(jī)械故障。對干式離合制動器而言，檢測結(jié)果對于修正平衡狀況意義不大，主要是評估離合制動器主要回轉(zhuǎn)零件的毛坯鑄造、加工安裝精度。檢測離合制動器的不平衡主要通過測量其高速旋轉(zhuǎn)時的最大振幅來實現(xiàn)，即A－t曲線（A 為振幅）。

2 試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計要求

試驗臺的檢測對象具有規(guī)格多、系列化的特點(diǎn)，單個檢測對象又需要檢測多個性能指標(biāo)，因此，試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足下列要求：

（1）模塊化。根據(jù)檢測要求制定模塊化檢測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計配合5個檢測模塊，在一臺試驗臺上完成上述各個性能的檢測。

（2）通用化。檢測對象系列、型號各異，如離合扭矩范圍從1 100～17 000N·m、安裝聯(lián)接尺寸各不相同，利用可調(diào)換的機(jī)構(gòu)設(shè)計，滿足不同型號的檢測對象同臺檢測，提高效益；

（3）集成化。以機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺為載體，操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工況模擬系統(tǒng)相互配合，在同一平臺上完成5個檢測模塊的數(shù)據(jù)采集、分析處理后顯示結(jié)果等功能。

一是，養(yǎng)殖草雞需要較大的放養(yǎng)場地，慈王村擁有豐富的土地資源，村民荒地較多，雞舍環(huán)境干凈優(yōu)越。得天獨(dú)厚的自然條件極其適宜草雞養(yǎng)殖。二是，草雞優(yōu)良的保健價值日益得到市場的青睞。三是，慈王村領(lǐng)導(dǎo)干部對草雞散養(yǎng)技術(shù)、環(huán)境調(diào)控與疾病防疫有一定的研究。四是，慈王村地理位置優(yōu)越，茶園、農(nóng)家樂數(shù)量居多，當(dāng)?shù)厍逭媸称贰氨床蓦u”遠(yuǎn)近聞名，草雞市場供不應(yīng)求，銷售優(yōu)勢明顯。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，由于JH系列高性能機(jī)械壓力機(jī)采用二級傳動的結(jié)構(gòu)較為普遍，試驗臺也以減速器和皮帶傳動調(diào)節(jié)離合制動器的轉(zhuǎn)速，采用電機(jī)拖動模擬負(fù)載。

（1）采用力矩三相異步電機(jī)，其具備獨(dú)特的軟機(jī)械特性，即負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)速會自行降低，負(fù)載減少時，轉(zhuǎn)速自行升高，并且調(diào)幅較寬。電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為200 N·m，堵轉(zhuǎn)時間為120s，配以二級傳動放大傳遞扭矩，覆蓋檢測對象的扭矩范圍；

（2）離合、制動扭矩是離合制動器最主要的兩項性能指標(biāo)，為了如實獲取檢測數(shù)據(jù)，采用大功率扭矩傳感器直接讀出檢測數(shù)據(jù)，該傳感器的扭矩范圍為0～20 000N·m，精度＜±0.5%F.S，避免了換算或轉(zhuǎn)換帶來的數(shù)據(jù)失真［7］；

（3）離合制動器安裝部件均可更換，根據(jù)檢測對象選擇不同的安裝軸等安裝部件，滿足不同聯(lián)接尺寸、不同噸位的離合制動器的安裝。試驗臺實物見圖3。

2.3 檢測模塊設(shè)計

根據(jù)檢測要求，設(shè)計模塊化檢測方案，選取相應(yīng)功能的傳感器，合理布局安放位置，配合機(jī)械平臺完成數(shù)據(jù)采集。

（1）離合扭矩檢測。如圖2所示，離合電機(jī)通過減速器、帶輪將轉(zhuǎn)矩傳遞給飛輪，飛輪通過承重軸承空套在扭矩軸Ⅰ上，帶動離合制動器離合芯板部件空轉(zhuǎn)，扭矩軸Ⅰ通過扭矩傳感器與扭矩軸Ⅱ聯(lián)接，離合制動器通氣接合后，飛輪轉(zhuǎn)矩經(jīng)離合制動器傳遞給扭矩軸Ⅰ，此時，制動電機(jī)啟動，在扭矩傳感器兩側(cè)形成一個旋向相反的力偶，由扭矩傳感器輸出離合扭矩數(shù)值［8］。

（2）制動扭矩檢測。離合制動器處于制動狀態(tài)，扭矩軸Ⅰ固定不動，制動電機(jī)啟動帶動扭矩軸Ⅱ旋轉(zhuǎn)，在扭矩傳感器兩側(cè)形成一個旋向相反的力偶，由扭矩傳感器輸出制動扭矩數(shù)值。

圖2 試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖3 試驗臺外觀實物圖

（3）靈敏度檢測。檢測氣壓的壓力傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)氣接頭的進(jìn)氣口，通過檢測達(dá)到額定的氣壓所需的時間和排出氣體至正常氣壓所需時間來評價離合制動器的靈敏度。

（4）溫升。待離合制動器工作一段時間溫度穩(wěn)定后，采用在線式非接觸式溫度傳感器測量離合制動器制動摩擦副接合部位的溫度［9］，測溫精度為測量值的1%或±1℃；

（5）平衡。振動傳感器安裝于離合制動器的主體零件上，離合電動啟動，離合部件接合，帶動離合制動器整體旋轉(zhuǎn)，通過檢測回轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中的振幅的大小評估離合制動器的平衡狀況［10］。

3 試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)試驗臺功能要求，設(shè)計的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖4所示，主要由溫度、旋轉(zhuǎn)編碼器、扭矩、振幅、壓力傳感器信號采集電路、PLC測控系統(tǒng)、電源電路等模塊組成［11］。

測控系統(tǒng)在工作過程中，由編碼器采集角度信號、扭矩傳感器采集扭矩信號、溫度傳感器采集摩擦副表面溫度、由固定在離合器主體上的振動傳感器采集振幅信號，所有采集到的信號再經(jīng)過I/O輸入接口電路送到PLC，通過上位機(jī)的組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、傳輸、顯示等。

圖4 試驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

3.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于組態(tài)軟件具有靈活的組態(tài)方式，可以快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的軟件系統(tǒng)［12－13］。本試驗臺數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)軟件采用北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)MCGS組態(tài)軟件作為組態(tài)軟件開發(fā)平臺。

試驗臺控制軟件主要由人機(jī)界面、扭矩檢測、溫度檢測等模塊組成，如圖5所示。由組態(tài)軟件通過PLC對變頻器實現(xiàn)對電機(jī)的控制，獲得不同轉(zhuǎn)速、氣壓下所需的測試環(huán)境，在不同的條件下，通過PLC對試驗臺的溫度、扭矩、靈敏度等信息進(jìn)行采集，在上位機(jī)上實現(xiàn)所需測量信息的轉(zhuǎn)換、分析、處理、存儲和顯示等功能［14］。

圖5 試驗臺控制軟件系統(tǒng)

4 檢測結(jié)果分析

試驗臺檢測系統(tǒng)運(yùn)行時，可以事先根據(jù)被測對象設(shè)置相應(yīng)的檢測數(shù)值范圍，提高檢測精度，也可以根據(jù)需要，選擇單項或多項檢測。點(diǎn)擊檢測項目按鈕，試驗臺將根據(jù)程序設(shè)定好的流程進(jìn)行機(jī)器預(yù)熱、機(jī)構(gòu)動作、傳感器采集數(shù)據(jù)、分析處理、顯示等動作，自動完成項目檢測。圖6為軟件應(yīng)用界面，檢測結(jié)果既可以曲線形式多項共同顯示，也可單項顯示。

根據(jù)國內(nèi)某品牌離合制動器廠家要求，為其2個規(guī)格的離合制動器產(chǎn)品做性能檢測。首先根據(jù)其產(chǎn)品聯(lián)接尺寸，選擇相應(yīng)的連接固定件，安裝完畢后打開軟件系統(tǒng)；然后根據(jù)被測對象要求對相應(yīng)的檢測范圍進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，逐個啟動檢測按鈕，試驗臺按程序設(shè)定流程對離合、制動扭矩、靈敏度、溫升和平衡進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗臺控制軟件界面

（1）離合扭矩。圖7為新出廠的某個規(guī)格離合制動器在不同的供氣壓力（P＝0.55/0.60MPa）下的離合扭矩的測試數(shù)據(jù)，由于離合扭矩與摩擦副對偶面接合度關(guān)聯(lián)較大，雖然被測離合制動器摩擦對偶面尚需磨合，但檢測結(jié)果與離合制動器的理論設(shè)計值在趨勢和數(shù)值上相符［15］；

圖7 離合扭矩曲線

（2）靈敏度。由檢測方案可知，測量獲得的時間包括氣體充盈時間和電磁閥、氣動元件的滯后時間，圖示實測時間t＝0.18s，剔除元件器額定響應(yīng)滯后時間后的tc按式（1）計算，t＜tc。

（3）溫升。在檢測對象工作一段時間后，開啟溫升檢測模塊?？辙D(zhuǎn)時溫度趨于穩(wěn)定，離合制動器動作時，由于摩擦副瞬間接合產(chǎn)生大量的摩擦熱，溫度有瞬間升高的情況。

（4）平衡。平衡的檢測通過振幅大小來衡量，軟件過濾了離合制動器接合時的瞬間峰值，以平均值顯。示，圖示比較平穩(wěn)，可以作為相對參考值。

5 結(jié)束語

根據(jù)離合制動器主要性能指標(biāo)設(shè)計開發(fā)綜合試驗臺，保證了檢測方案實現(xiàn)，該試驗臺具有機(jī)械結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)、集成度高，控制系統(tǒng)靈活可靠、軟件人機(jī)界面友好、易于操作的特點(diǎn)。為離合制動器生產(chǎn)廠家產(chǎn)品設(shè)計驗證及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究提供了檢測方案和設(shè)備平臺，具有良好的應(yīng)用前景。

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