基于電動(dòng)缸的氣動(dòng)離合制動(dòng)器扭矩檢測(cè)裝置研制

張志平 ，王 超 ，劉楊園 ，王 駿

（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）

0 引言

離合器和制動(dòng)器是機(jī)械壓力機(jī)的核心功能部件，在壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中承擔(dān)傳遞離合扭矩和停車制動(dòng)的功能。組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器將離合器與制動(dòng)器組合在一起，實(shí)現(xiàn)離合與制動(dòng)功能的互鎖，并具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、安全可靠等特點(diǎn)[1]。隨著強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《GB27607-2011機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》、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(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推廣實(shí)施，其對(duì)壓力機(jī)急停功能的要求[2]，使組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器（以下簡稱離合制動(dòng)器）取代了剛性離合制動(dòng)器，在公稱壓力6 300 kN及以下的開、閉式機(jī)械壓力機(jī)配套市場(chǎng)中占統(tǒng)治地位；其對(duì)產(chǎn)品最大離合、制動(dòng)扭矩的標(biāo)記要求[3]，促使制造廠商急需研制專用的扭矩檢測(cè)裝置，以優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升質(zhì)量，進(jìn)一步拓展市場(chǎng)。本文介紹了采用電動(dòng)缸加載方式研制的離合制動(dòng)扭矩專用檢測(cè)裝置。

1 離合制動(dòng)器工作原理

圖1為組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理圖。安裝時(shí)，離合制動(dòng)器通過雙鍵與機(jī)械壓力機(jī)的傳動(dòng)軸聯(lián)接，兩根制動(dòng)銷1固定在床身，靜止不動(dòng)。兩根離合銷9固定在飛輪上，隨飛輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)；工作時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸4內(nèi)腔，推動(dòng)活塞3克服彈簧7阻力將離合芯板8壓緊在主體6上，通過摩擦力將飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩傳遞給主體6，主體帶動(dòng)傳動(dòng)軸驅(qū)使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作；制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣排出，活塞3在彈簧7復(fù)位力的作用下將制動(dòng)芯板2壓緊在氣缸4上，靜止的制動(dòng)芯板2通過摩擦力阻止主體6旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)制動(dòng)[4]。

圖1 組合式氣動(dòng)摩擦離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理圖

2 檢測(cè)裝置的功能要求

2.1 影響扭矩的因素

由工作原理可知，離合制動(dòng)器依靠固定在芯板上的摩擦片與對(duì)偶面產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞和制動(dòng)，其計(jì)算如下式所示：

其中：M為離合制動(dòng)器理論扭矩；m為摩擦副數(shù)目；μ為摩擦系數(shù)；q為摩擦材料上承受的壓強(qiáng)；R1、R2分別為摩擦材料工作面的內(nèi)、外徑。見圖2。

圖2 離合制動(dòng)器扭矩計(jì)算示意圖

由上式可知，離合制動(dòng)扭矩受摩擦副數(shù)量、壓縮空氣壓強(qiáng)、摩擦材料摩擦系數(shù)、對(duì)偶面接觸率等多個(gè)因素影響。而制動(dòng)扭矩還取決于制動(dòng)彈簧復(fù)位力克服活塞復(fù)位阻尼力與制動(dòng)芯板壓緊后產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)扭矩的大小。

2.2 檢測(cè)要求分析

綜上所述，結(jié)合產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，為客觀、準(zhǔn)確地檢測(cè)出某一臺(tái)離合制動(dòng)器的最大離合和制動(dòng)扭矩，除摩擦副數(shù)量確認(rèn)為常量，摩擦片的摩擦系數(shù)、摩擦對(duì)偶面的直徑以及平整度等需要在產(chǎn)品原材料采購或制造階段保證外，檢測(cè)裝置還需要滿足下列要求：

（1）壓縮空氣壓強(qiáng)可調(diào)。同一型號(hào)的離合制動(dòng)器可以通過增減制動(dòng)彈簧數(shù)量的方式在離合扭矩與制動(dòng)扭矩之間進(jìn)行大小調(diào)節(jié)。按標(biāo)準(zhǔn)要求，一般額定工作氣壓為0.55 MPa，工作氣壓允許范圍為0.45～0.63 MPa，初始驅(qū)動(dòng)氣壓應(yīng)大于0.2 MPa（否則不工作，出于安全考慮）。因此，檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮壓強(qiáng)可調(diào)，以便檢測(cè)多種工況下的扭矩?cái)?shù)值。

（2）通用化要求。離合制動(dòng)器為系列化產(chǎn)品，如表1所列為某企業(yè)LZ系列部分離合制動(dòng)器產(chǎn)品的扭矩和安裝尺寸。由此可見，為提高檢測(cè)裝置通用性，滿足不同型號(hào)產(chǎn)品同臺(tái)檢測(cè)的要求，應(yīng)充分考慮檢測(cè)模擬負(fù)載和安裝機(jī)構(gòu)可調(diào)的要求。

表1 某品牌LZ系列離合制動(dòng)器性能及安裝參數(shù)

（3）集成化。檢測(cè)裝置包括機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)及軟件控制系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析比較和顯示記錄等功能集成。

3 檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案選擇

檢測(cè)離合制動(dòng)扭矩的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)離合制動(dòng)器在結(jié)合（工作）狀態(tài)和制動(dòng)（停車）狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)抵抗扭矩。之前的相關(guān)研究中有利用變頻電機(jī)模擬在工況條件對(duì)離合制動(dòng)器綜合性能進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)[4]，以液壓元器件模擬靜態(tài)負(fù)載的綜合性能測(cè)試臺(tái)[5]，以及利用可變慣量飛輪模擬工況的分體式離合器制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)[6]，均是針對(duì)型式檢驗(yàn)，不適用于產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)控制簡便、響應(yīng)迅速、安全可靠等要求，采用電動(dòng)缸作為模擬負(fù)載是最佳的設(shè)計(jì)方案。

電動(dòng)缸是以伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等各種類型電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，以不同形式的絲杠（或螺母）為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)缸筒或負(fù)載做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。利用伺服電機(jī)等良好的控制特性，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)輸出推力、速度和位置的精確控制。相對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動(dòng)的其它元件，如液壓缸、氣缸等，電動(dòng)缸傳動(dòng)介質(zhì)不受溫度、壓縮比等影響，更加安全可靠，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。模塊化的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使之成為自動(dòng)化非標(biāo)設(shè)備領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高、控制精度高、響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 檢測(cè)原理

如圖3所示，檢測(cè)裝置由底座1、安裝軸14和電動(dòng)缸2和傳動(dòng)盤9等零部件組成。其中，檢測(cè)對(duì)象由對(duì)象軸向安裝在安裝軸14上，軸向用端面蓋板5密封固定，并通過氣接頭3提供壓縮空氣，由雙聯(lián)閥4調(diào)節(jié)氣壓，制動(dòng)芯板組件7和離合芯板組件6呈十字交叉形，通過各自定位銷固定在傳動(dòng)盤9上的T形安裝槽中。傳動(dòng)盤9通過滾動(dòng)軸承11空套安裝軸14上，安裝軸14通過鍵聯(lián)接安裝在底座1上，軸向用固定板13鎖緊定位。

圖3 檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)離合扭矩時(shí)，壓縮空氣經(jīng)雙聯(lián)閥4按雙聯(lián)閥4設(shè)定的氣壓由氣接頭3進(jìn)入離合制動(dòng)器氣缸內(nèi)腔，克服彈簧阻力壓緊離合芯板組件6。此刻控制系統(tǒng)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸組2按設(shè)定的推力推動(dòng)傳動(dòng)盤9運(yùn)動(dòng)，在一組電動(dòng)缸形成的扭矩大于離合制動(dòng)器最大離合扭矩時(shí)，傳動(dòng)盤9帶動(dòng)離合芯板組件6與離合制動(dòng)器上的摩擦副產(chǎn)生滑移，光柵尺15檢測(cè)到電動(dòng)缸2產(chǎn)生位移，即離合失效，向上位機(jī)發(fā)送指令，結(jié)束檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集電路發(fā)送的信號(hào)經(jīng)處理后在組態(tài)屏上以曲線形式顯示；檢測(cè)制動(dòng)扭矩時(shí)，雙聯(lián)閥4排氣，彈簧復(fù)位壓緊制動(dòng)芯板組件7，一組電動(dòng)缸按設(shè)定推力推動(dòng)傳動(dòng)盤9帶動(dòng)制動(dòng)芯板組件7運(yùn)動(dòng)，同上所述，產(chǎn)生滑移時(shí)記錄下最大峰值。由于離合和制動(dòng)聯(lián)鎖，因此在測(cè)試離合、制動(dòng)扭矩時(shí)，芯板組之間不會(huì)相互干涉，使得檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡捷。

3.2.2 電動(dòng)缸選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用國內(nèi)某品牌系列大推力活塞桿式電動(dòng)缸，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 電動(dòng)缸選型參數(shù)

表2中所示的一組電動(dòng)缸在工作時(shí)形成的扭矩，加上傳動(dòng)盤的杠桿效應(yīng)，使裝置的檢測(cè)范圍涵蓋了表1中的系列產(chǎn)品；加上T形槽固定安裝銷和離合制動(dòng)器孔徑可變套等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系列產(chǎn)品同臺(tái)檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求。

4 檢測(cè)裝置測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

根據(jù)檢測(cè)要求，離合制動(dòng)扭矩可以通過伺服電動(dòng)缸的輸出推力進(jìn)行轉(zhuǎn)化獲得，有效數(shù)值采集范圍可以通過光柵尺檢測(cè)離合、制動(dòng)芯板部件是否產(chǎn)生滑移確定，數(shù)據(jù)采集及處理相對(duì)簡便，采用PLC和觸摸屏組態(tài)控制即可實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)裝置的測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理分析系統(tǒng)如圖4所示，具體由壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)采集電路，PLC和組態(tài)屏，電源電路等模塊組成。

圖4 信號(hào)采集與測(cè)控系統(tǒng)

工作時(shí)，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象預(yù)先設(shè)置的工作氣壓，由壓力傳感器采集電動(dòng)缸輸出推力、光柵尺采集位移信號(hào)，經(jīng)I/O輸入接口電路發(fā)送到PLC，再由上位機(jī)的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和顯示、打印等。

4.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件使用靈活的組態(tài)方式，通過與PLC等其它相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、分析處理和控制設(shè)備。檢測(cè)裝置的測(cè)控系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)開發(fā)的MCGS組態(tài)軟件為開發(fā)平臺(tái)[8-9]。

利用MCGS組態(tài)軟件制作的人機(jī)對(duì)話界面，通過與下位機(jī)PLC聯(lián)機(jī)通訊，由PLC對(duì)氣壓、伺服電機(jī)進(jìn)行控制，采集壓力、位移等信號(hào)，并在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化、處理和顯示等功能。其工作界面如圖5所示。

圖5 軟件界面圖

5 檢測(cè)結(jié)果分析

以國內(nèi)某品牌LZ500型離合制動(dòng)器為檢測(cè)對(duì)象，對(duì)其最大離合扭矩、制動(dòng)扭矩進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)初始化后，先以初始驅(qū)動(dòng)氣壓0.2 MPa檢測(cè)有無離合扭矩產(chǎn)生，再以額定氣壓0.55 MPa檢測(cè)最大離合扭矩，其結(jié)果如圖6所示。檢測(cè)制動(dòng)扭矩時(shí)，在確保壓縮空氣排出、彈簧復(fù)位后進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖6 離合扭矩曲線圖

圖7 制動(dòng)扭矩曲線圖

對(duì)照表1中LZ500的離合制動(dòng)扭矩參數(shù)，檢測(cè)結(jié)果顯示的離合扭矩略大，制動(dòng)扭矩略小，其原因是標(biāo)注是工況下數(shù)據(jù)，檢測(cè)的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，因靜摩擦力相對(duì)于動(dòng)摩擦力要大，上述現(xiàn)象屬于正常情況，可以在軟件中修正。此外，系統(tǒng)可以根據(jù)需要，在允許的工作氣壓范圍內(nèi)，設(shè)定不同的氣壓，進(jìn)行多項(xiàng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果既可以曲線形式多項(xiàng)共同顯示，也可選擇單項(xiàng)顯示。

6 結(jié)束語

基于電動(dòng)缸的組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器檢測(cè)裝置是針對(duì)離合制動(dòng)器最重要的性能指標(biāo)扭矩進(jìn)行研制，用于產(chǎn)品的出廠檢測(cè)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)、集成度高、操作便捷、制造成本低、靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)。裝置的研制為離合制動(dòng)器生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的樣機(jī)驗(yàn)證及產(chǎn)品出廠檢測(cè)等環(huán)節(jié)提供了檢測(cè)方案和設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。