一種負(fù)載敏感式剎車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

楊 濤，鐘星能，周珍明，唐 超，陳 強(qiáng)

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

電動(dòng)絞車作為重力負(fù)載特性設(shè)備，其核心是具有可控的剎車能力。電動(dòng)絞車和液壓絞車的巨大區(qū)別是液壓絞車具有隨時(shí)停車自鎖能力，對(duì)于電動(dòng)絞車而言剎車是其核心部件，絞車系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其基本功能如下：

a.正常啟動(dòng)工作時(shí)，可靠提升，將負(fù)載提升至要求高度，系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度；

b.正?；蛘邞?yīng)急工作時(shí)，操縱提升控制，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吊掛載荷的上升、下降及空載狀態(tài)下鋼纜的上升和下降；

c.在上升和下降過(guò)程中，主機(jī)斷電，提升機(jī)構(gòu)能夠在當(dāng)前位置實(shí)現(xiàn)懸停；

d.斷電狀態(tài)下機(jī)構(gòu)具有足夠的制動(dòng)能力，同時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)正常操作。

目前，電動(dòng)絞車行業(yè)內(nèi)均采用帶有自鎖功能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如蝸輪蝸桿傳動(dòng)、四象限運(yùn)行電機(jī)控制模式等方案。蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率很低，使得系統(tǒng)復(fù)雜且笨重，功耗大；隨著大功率電子器件的發(fā)展，四象限運(yùn)行的電機(jī)控制模式是一個(gè)在技術(shù)上比較先進(jìn)的方式，但是應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境，可靠性不高。

結(jié)合復(fù)雜的機(jī)載環(huán)境特性，設(shè)計(jì)一種負(fù)載敏感式剎車結(jié)構(gòu)，利用負(fù)載重力作用產(chǎn)生剎車轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)重力特性負(fù)載的制動(dòng)懸停和可控下放。其具有較高的傳動(dòng)效率，提升過(guò)程達(dá)到齒輪傳動(dòng)的效率。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可有效降低機(jī)載無(wú)效載重。

1 主要技術(shù)指標(biāo)確定

負(fù)載敏感式剎車作為電動(dòng)絞車的核心部件，其安裝在電動(dòng)絞車的傳動(dòng)鏈中。負(fù)載敏感式剎車的各項(xiàng)指標(biāo)由分解電動(dòng)絞車的技術(shù)指標(biāo)過(guò)程中而來(lái)。電動(dòng)絞車的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a.提升重量：≥750 kg；

b.過(guò)載狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)應(yīng)自行可靠停車制動(dòng)，不得損壞結(jié)構(gòu)；

c.接收到停車信號(hào)時(shí)，必須確保卷筒及時(shí)可靠制動(dòng)，不得因吊掛載荷作用出現(xiàn)溜車。

表1為系統(tǒng)分解的負(fù)載敏感式剎車主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 負(fù)載敏感式剎車主要技術(shù)指標(biāo)

2 技術(shù)方案分析

2.1 技術(shù)方案

絞車的特殊性需要，無(wú)論是從可靠性和安全性上對(duì)剎車是有嚴(yán)格要求的，本項(xiàng)目剎車設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容是解決重力特性負(fù)載下的下放問(wèn)題。重力特性負(fù)載是矢量負(fù)載，其方向不變，因此剎車設(shè)計(jì)采用超越離合器作為單向運(yùn)動(dòng)部件，保證提升過(guò)程電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩提升負(fù)載。而怎樣利用負(fù)載特性產(chǎn)生剎車轉(zhuǎn)矩從而制動(dòng)，是剎車設(shè)計(jì)的重要方向。將重力負(fù)載轉(zhuǎn)化為剎車的剎車力矩，需要采用摩擦離合器結(jié)構(gòu)，而怎樣獲取剎車初始行為，是負(fù)載敏感式剎車的核心內(nèi)容。

采用摩擦離合器和超越離合器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式，利用球形鋼珠在螺旋圓弧槽內(nèi)的運(yùn)行特性獲得負(fù)載產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩的初始行為。

2.2 方案原理

負(fù)載敏感式可控剎車，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

當(dāng)整機(jī)處于提升工作狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)剎車組件根據(jù)負(fù)載的大小，決定剎車力矩的大小，從而使輸入轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)主動(dòng)盤驅(qū)動(dòng)從動(dòng)盤(小齒輪)輸出力矩，提升負(fù)載。

當(dāng)剎車組件處于帶載下降時(shí)，必須提供與提升負(fù)載時(shí)方向相反的輸入轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動(dòng)主動(dòng)盤反向旋轉(zhuǎn)，才能驅(qū)動(dòng)自動(dòng)剎車組件轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 剎車組件的工作原理

超越離合器組件通過(guò)棘輪結(jié)構(gòu)[1]實(shí)現(xiàn)單向旋轉(zhuǎn)，反向逆止功能。當(dāng)電機(jī)斷電負(fù)載的下降勢(shì)能產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過(guò)摩擦盤傳遞到超越離合器上，并將該反向力矩傳遞到絞車結(jié)構(gòu)件上，反之電機(jī)產(chǎn)生反電勢(shì)，而燒毀電機(jī)。剎車組件能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)剎車的關(guān)鍵在于摩擦盤、帶收尾的圓弧槽的主動(dòng)盤、帶鋼球的三角盤和帶收尾的圓弧槽的從動(dòng)盤，這種結(jié)構(gòu)使剎車組件的剎車能力與負(fù)載相互關(guān)聯(lián)，隨著負(fù)載增加，鋼球在槽內(nèi)的位置產(chǎn)生擠壓摩擦盤的趨勢(shì)，摩擦盤上的正壓力隨之增大，傳遞的力矩隨之增加，保證了在絞車工作過(guò)程中，隨時(shí)都能可靠剎車。

超越離合器組件使用了單向軸承，使得超越離合器可以單方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生反方向的力矩時(shí)單向軸承的逆止功能將該力矩傳遞到主體結(jié)構(gòu)上從而保護(hù)電機(jī)，且負(fù)載停在相應(yīng)的高度位置。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。

圖2 剎車結(jié)構(gòu)形狀

剎車工作的工況為電機(jī)斷電或中途懸停，當(dāng)出現(xiàn)這些工況時(shí)，由于起重負(fù)載的反作用力將使得重物勢(shì)能轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)組件的動(dòng)能并反向傳遞，整機(jī)轉(zhuǎn)速比較大，使得剎車端部的主動(dòng)小齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)剎車需要較多的摩擦片結(jié)構(gòu)來(lái)吸收瞬間的動(dòng)能。

3 動(dòng)力學(xué)分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析

負(fù)載敏感式剎車爆炸圖如圖3所示。由殼體、離合器殼體、超越離合器、擋圈、卡券、軸承和摩擦組件構(gòu)成。

圖3 剎車組件爆炸圖

摩擦組件裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]圖見(jiàn)圖4。主動(dòng)、從動(dòng)齒輪上設(shè)計(jì)有螺旋圓弧槽結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示。

圖4 摩擦組件結(jié)構(gòu)圖

圖5 從動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)圖 圖6 主動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)圖

3.2 力學(xué)分析

沿著滾珠鎖在位置的截面展開(kāi)，滾珠在主、從動(dòng)齒輪上螺旋圓弧槽內(nèi)的特征近似，如圖9所示。

螺旋圓弧槽參數(shù)：節(jié)距d：35 mm；螺距L：35 mm；掃略直徑：5.4 mm。

螺旋圓弧槽螺旋升角計(jì)算如下式：

(1)

對(duì)于負(fù)載敏感式剎車而言，其剎車轉(zhuǎn)矩的大小取決于末端負(fù)載的大小，顧名思義，負(fù)載越大，剎車獲取的剎車力矩也越大，其運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析[3]需要針對(duì)不同的負(fù)載狀態(tài)和上升、下放過(guò)程進(jìn)行分別討論。

一般來(lái)說(shuō)負(fù)載敏感式剎車不承受與提升過(guò)程相反的負(fù)載能力，相反的負(fù)載能力產(chǎn)生的從動(dòng)齒輪位移會(huì)直接導(dǎo)致剎車卡死，因此，此類負(fù)載在絞車工作過(guò)程中也盡可能避免產(chǎn)生，一般來(lái)說(shuō)對(duì)其有影響的是空載過(guò)程中的阻力。此處我們將空載和小于機(jī)構(gòu)固有摩擦力的重力負(fù)載稱之為輕載，而可以克服機(jī)構(gòu)摩擦力產(chǎn)生下放趨勢(shì)的負(fù)載為重載[2]。

為了簡(jiǎn)化分析結(jié)構(gòu)，螺旋圓弧槽與圓球的接觸方式近似為圓柱與斜面接觸，斜面傾斜角度為ψ，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的力為F，近似計(jì)算式：

F=T/r

(2)

式中：T為阻力轉(zhuǎn)矩；r為螺旋圓弧槽半徑。

討論一：輕載狀態(tài)下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需克服機(jī)構(gòu)摩擦阻力實(shí)現(xiàn)上升和下放方向的運(yùn)行。

上升狀態(tài)：由于機(jī)構(gòu)阻力與絞車運(yùn)行方向相反，當(dāng)剎車驅(qū)動(dòng)后續(xù)傳動(dòng)鏈運(yùn)行時(shí)，超越離合器方向?yàn)轫樲D(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)，因此，摩擦片是否能夠獲取摩擦力鎖死可以不考慮，也就是說(shuō)此過(guò)程即使有更大的阻力，絞車也能夠?qū)?dòng)力向末端傳遞。

下放狀態(tài)：輕載狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)阻力與絞車運(yùn)行方向相反，此時(shí)剎車驅(qū)動(dòng)后續(xù)傳動(dòng)鏈運(yùn)行時(shí)，超越離合器方向?yàn)槟嬷範(fàn)顟B(tài)，若想驅(qū)動(dòng)絞車順利向下放方向運(yùn)行，則運(yùn)行過(guò)程中從動(dòng)齒輪不允許出現(xiàn)位移，保持摩擦片和墊片為松弛狀態(tài)，從動(dòng)輪將動(dòng)力傳遞給后級(jí)主動(dòng)齒輪，從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。

復(fù)位彈簧彈力與背壓彈簧的彈力差值以及綜合軸向阻力Fz與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力Ft存在如下關(guān)系：

Ft=Fcosψ

(3)

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切向力Fτ與阻力轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力Fzτ存在如下關(guān)系：

Fτ=Fsinψ

(4)

當(dāng)螺旋升角已定，則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力和切向力的比例已定，需盡量降低剎車后端傳動(dòng)鏈在全溫度域內(nèi)的阻力，以獲得較寬的法向力和切向力的比例范圍，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整復(fù)位彈簧和背壓彈簧的彈力值來(lái)調(diào)節(jié)螺旋升角值，但是彈簧會(huì)帶來(lái)觸法行為難以獲取的困難。

討論二：重載狀態(tài)下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需克服機(jī)構(gòu)重力負(fù)載實(shí)現(xiàn)上升和下放方向的運(yùn)行。

上升狀態(tài)：由于重力負(fù)載方向與絞車運(yùn)行方向相反，當(dāng)剎車驅(qū)動(dòng)后續(xù)傳動(dòng)鏈運(yùn)行時(shí)，超越離合器方向?yàn)轫樲D(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)，因此，摩擦片受到反向作用力鎖死，摩擦組件為剛體結(jié)構(gòu)，電機(jī)拖動(dòng)重物上升；上升狀態(tài)停止，超越離合器鎖定，由于摩擦組件鎖定，為剛體狀態(tài)，保持懸停狀態(tài)。

下放狀態(tài)：重載狀態(tài)下，重力負(fù)載與絞車運(yùn)行方向相同，此時(shí)剎車驅(qū)動(dòng)后續(xù)傳動(dòng)鏈運(yùn)行時(shí)，超越離合器方向?yàn)槟嬷範(fàn)顟B(tài)，若想驅(qū)動(dòng)絞車順利向下放方向運(yùn)行，則運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)需驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪松開(kāi)鎖緊的摩擦片，保持摩擦片和墊片為松弛狀態(tài)，從動(dòng)輪將動(dòng)力傳遞給后級(jí)主動(dòng)齒輪從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，該過(guò)程是一個(gè)快速變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

該過(guò)程中電機(jī)速度與重物加速度匹配有重要的關(guān)系，當(dāng)下放過(guò)程中重物下放加速度大于電機(jī)下放轉(zhuǎn)速時(shí)，由于剎車前后級(jí)出現(xiàn)速度差，剎車很快鎖定減速，而當(dāng)速度一旦低于電機(jī)轉(zhuǎn)速，則由電機(jī)克服剎車力解開(kāi)剎車鎖定，松開(kāi)剎車片，繼續(xù)下放，直至剎車兩端速度匹配，剎車勻速下放。

因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮剎車前后級(jí)速度匹配，該運(yùn)行過(guò)程存在臨界轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速，則會(huì)導(dǎo)致剎車功能喪失，出現(xiàn)溜車失速。

負(fù)載敏感式剎車是利用滾珠在螺旋圓弧槽內(nèi)的運(yùn)行敏感度獲得剎車觸發(fā)初始行為的，因此對(duì)復(fù)位彈簧和背壓彈簧的壓力選取也有著嚴(yán)格的要求。在絞車設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮剎車觸發(fā)初始行為的獲取，目前常采用多傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，將其他傳動(dòng)鏈放置在傳動(dòng)鏈的前端，即剎車之前的傳動(dòng)鏈內(nèi)，利用傳動(dòng)鏈的阻力提高剎車觸發(fā)初始行為獲取的敏感度。

4 整機(jī)驗(yàn)證情況

該負(fù)載敏感式剎車研制完成后與系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的性能試驗(yàn)測(cè)試。主要進(jìn)行了空載性能試驗(yàn)、負(fù)載性能及極限負(fù)載性能試驗(yàn)。

4.1 空載和負(fù)載性能測(cè)試

按照?qǐng)D7進(jìn)行接線。負(fù)載在吊裝桁架上進(jìn)行，如圖8、圖9所示。

圖7 空載和負(fù)載性能試驗(yàn)接線圖

圖8 吊裝懸架工位示意圖

圖9 吊裝懸架工位加載示意圖

在線纜連接完畢后使用上位機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)CANTest軟件進(jìn)行指令操作。

通過(guò)電流表對(duì)提升機(jī)構(gòu)1和提升機(jī)構(gòu)2的空載電流和負(fù)載電流進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)機(jī)構(gòu)1、機(jī)構(gòu)2的響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間、反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品的性能指標(biāo)滿足任務(wù)書提出的要求。

表2 系統(tǒng)額定負(fù)載性能測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 極限負(fù)載性能試驗(yàn)

按照?qǐng)D10進(jìn)行接線。

圖10 極限負(fù)載測(cè)試連接圖

極限負(fù)載單提升機(jī)構(gòu)提升質(zhì)量達(dá)到750 kg，詳見(jiàn)表3。

5 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過(guò)前兩輪的研制及驗(yàn)證，在總結(jié)研制試驗(yàn)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行了優(yōu)化，本輪一年時(shí)間的研制和試驗(yàn)，取得了良好的效果。系統(tǒng)功耗是機(jī)載預(yù)計(jì)功耗的1/3，大大減小了機(jī)載電源容量壓力，同時(shí)速度及穩(wěn)定時(shí)間均能夠滿足系統(tǒng)的需求。各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，對(duì)后續(xù)類似產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

表3 系統(tǒng)極限負(fù)載性能測(cè)試數(shù)據(jù)