電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器滾珠絲杠設(shè)計(jì)及可靠性分析

孫 換，張家旖，何衛(wèi)峰

洛陽(yáng)百克特科技發(fā)展股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471000

目 前，國(guó)內(nèi)外許多大型機(jī)械都是利用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)液壓閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力大小的控制，如起重機(jī)與礦井提升機(jī)等大型機(jī)械制動(dòng)[1-2]。長(zhǎng)久以來(lái)，液壓控制一直存在液壓油管安裝繁瑣以及液壓油泄漏造成油壓不穩(wěn)的問(wèn)題，從而影響制動(dòng)效果，而且，液壓油的泄漏也會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)始研究設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)裝置，并且取得了一定的進(jìn)展。電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)裝置通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)一系列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的，對(duì)比于傳統(tǒng)液壓制動(dòng)，有著制動(dòng)響應(yīng)快速、無(wú)液壓泄漏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)[3]。故對(duì)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)裝置的研究具有重要的意義。

1 電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器工作原理及結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的運(yùn)行原理如圖1 所示。制動(dòng)器以 PLC 為控制器，力矩電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整力矩電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)，使得電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器可以根據(jù)負(fù)載的變化對(duì)制動(dòng)力矩自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。

圖1 電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器運(yùn)行原理Fig.1 Operating principle of electric mechanical brake

電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器基于“動(dòng)力源—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)—執(zhí)行機(jī)構(gòu)“ 完成作業(yè)，電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)螺母壓縮滑塊，進(jìn)而壓緊碟形彈簧，與螺母連接的閘瓦向左移動(dòng)，解除制動(dòng)正壓力，完成制動(dòng)器松閘；當(dāng)提升機(jī)停止時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)斷電或正轉(zhuǎn)，依靠碟形彈簧的彈力，通過(guò)滑塊作用到螺母，進(jìn)而推動(dòng)閘瓦直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)擠壓制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)摩擦制動(dòng)，完成制動(dòng)器閉閘。與液壓制動(dòng)器相比，電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器利用力矩電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)力矩的方法簡(jiǎn)化了盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，同時(shí)也避免了液壓泄漏等問(wèn)題。

圖2 電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electric mechanical brake

2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)及仿真

2.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)選型

滾珠絲杠是電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的關(guān)鍵承載部件，也是電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器中最薄弱的部件[4-5]。它會(huì)因制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的力矩和彈簧預(yù)緊力的作用而變形，從而對(duì)制動(dòng)安全性能產(chǎn)生重要的影響。因此必須保證滾珠絲杠的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足實(shí)際需求。

電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)參照 JKMD-5×4 多繩摩擦式礦井提升機(jī)進(jìn)行，提升機(jī)參數(shù)如表1 所列。

表1 提升機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of hoist

電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器摩擦閘瓦半徑為 65 mm，厚度為10 mm。最大制動(dòng)比壓選用 2.0 MPa，提升機(jī)閘瓦面積S提與所設(shè)計(jì)制動(dòng)器閘瓦面積S制之比為T(mén)。

則制動(dòng)器的制動(dòng)正壓力F可根據(jù)提升機(jī)制動(dòng)力F提計(jì)算得出。

依據(jù)縮比相似原理，電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器應(yīng)產(chǎn)生的制動(dòng)正壓力為 26.042 kN，為留有一定余量，以制動(dòng)正壓力 30 kN 為設(shè)計(jì)目標(biāo)。碟簧變化包括 2 個(gè)階段：第 1 階段為閉閘階段，需達(dá)到 30 kN 的預(yù)壓縮載荷量；第 2 階段為開(kāi)閘階段，在原有基礎(chǔ)上再次壓縮 1 mm，使得閘瓦與制動(dòng)盤(pán)分離。故設(shè)計(jì)制動(dòng)器開(kāi)閘階段需要承受 35 kN 的預(yù)緊力，因此這里取滾珠絲杠承受最大預(yù)緊力作為當(dāng)量載荷Fm。

根據(jù)制動(dòng)間隙為 1 mm，制動(dòng)時(shí)間不得低于 0.2 s 的設(shè)計(jì)要求，確定制動(dòng)器最大移動(dòng)速度Vmax≥5 mm/s，且絲杠的最大轉(zhuǎn)速為Nmax＝60 r/min，由此可得絲杠的最小導(dǎo)程

在制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于絲杠的平均轉(zhuǎn)速是遠(yuǎn)低于最大轉(zhuǎn)速的，故取最大轉(zhuǎn)速的三分之一作為滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，即Nm＝20 r/min。

滾珠絲杠選型設(shè)計(jì)階段，首先需要確定最小額定動(dòng)載荷的大小，以計(jì)算出的最小額定動(dòng)載荷作為標(biāo)準(zhǔn)選用滾珠絲杠。

式中：Ca為最小額定動(dòng)載荷，kN；Lh為工作壽命，取值為 1 000；fw為載荷系數(shù)，取值為 1.3；fa為精度系數(shù)，取值為 1；fc為可靠性系數(shù)，取值為 1。

為了使設(shè)計(jì)出的滾珠絲杠滿(mǎn)足裝配需求，根據(jù)式 (3)、(4) 計(jì)算出的導(dǎo)程P≥5 mm，額定動(dòng)載荷Ca≥48.35 kN，最終確定滾珠絲杠型號(hào)為 SFU5010、SFU5020。

2.2 滾珠絲杠仿真分析

2.2.1 模型導(dǎo)入和簡(jiǎn)化

采用 SolidWorks 軟件建立滾珠絲杠簡(jiǎn)化模型，并轉(zhuǎn)化為 x_t 格式文件導(dǎo)入到 ANSYS 軟件中，完成靜力和疲勞壽命分析[6-7]。滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所列，滾珠絲杠仿真模型如圖3 所示。

表2 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of ball screw mm

圖3 滾珠絲杠仿真模型Fig.3 Simulation model of ball screw

2.2.2 定義材料參數(shù)

滾珠絲杠模型參數(shù)導(dǎo)入后，需要對(duì)材料屬性進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，滾珠絲杠中的零件材料參數(shù)如表3 所列。

表3 滾珠絲杠材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of ball screw

2.2.3 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格劃分的方法，滾珠與螺母和絲杠接觸面單元尺寸設(shè)置為 0.5 mm，其余絲杠部分單元尺寸設(shè)置為 3 mm。

2.2.4 定義邊界條件

考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)行需要克服摩擦力，故設(shè)置滾珠與絲杠和螺母之間為摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.1。在絲杠表面施加固定約束，滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到碟形彈簧的預(yù)緊力為 35 kN，故設(shè)置螺母左端面施加35 kN 的載荷力，方向指向螺母左端面。應(yīng)力云圖和總變形云圖是研究滾珠絲杠強(qiáng)度和剛度的重要依據(jù)。SFU5010、SFU5020 滾珠絲杠的仿真云圖如圖4、5所示。

圖4 SFU5010 滾珠絲杠仿真云圖Fig.4 Simulation contours of SFU5010 ball screw

圖5 SFU5020 滾珠絲杠仿真云圖Fig.5 Simulation contours of SFU5020 ball screw

由圖4、5 可以看出：2 個(gè)型號(hào)的滾珠絲杠最大變形量分別為 0.044、0.039 mm，變形量幾乎相近；2個(gè)滾珠絲杠整體受力都比較均勻，最大應(yīng)力都集中在滾珠與螺母和絲杠接觸的區(qū)域，分別為 220.23、249.23 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滾珠絲杠的屈服強(qiáng)度 518.42 MPa，其安全系數(shù)為K＝1.5。由于絲杠和螺母受力較小，所以2 個(gè)型號(hào)的滾珠絲杠強(qiáng)度和剛度都符合要求。

滾珠絲杠的疲勞壽命[8]如圖6 所示。由圖6 可以看出，2 個(gè)滾珠絲杠的疲勞壽命的最小值分別是3.675×109、1.852×108次，所承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)都遠(yuǎn)高于 1×107。由此可以判定 2 個(gè)型號(hào)的滾珠絲杠對(duì)應(yīng)的疲勞壽命都滿(mǎn)足需求。

圖6 滾珠絲杠疲勞壽命Fig.6 Fatigue life of ball screw

2.3 仿真結(jié)果比較

初始模型和設(shè)計(jì)模型的仿真結(jié)果如表4 所列。

表4 初始模型和設(shè)計(jì)模型的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation result of initial model and design model

由表4 可以看出，與初始模型相比，根據(jù)理論設(shè)計(jì)的滾珠絲杠最小疲勞壽命都遠(yuǎn)高于初始滾珠絲杠，且最小疲勞壽命都高于 1×107次，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；最大變形量相差不大，最大應(yīng)力約為初始模型最大應(yīng)力的二分之一。由此可以確定設(shè)計(jì)的滾珠絲杠剛度和可靠性高于初始模型，且在設(shè)計(jì)的滾珠絲杠中，SFU5010 滾珠絲杠可靠性高于 SFU5020 滾珠絲杠。綜合考慮，最終確定選用 SFU5010 滾珠絲杠作為電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的傳動(dòng)部件。

3 電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

試驗(yàn)臺(tái)主要由電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)2 部分組成。

3.1.1 電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要是由動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器和控制箱組成，如圖7、8 所示。

圖7 動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器Fig.7 Dynamic electric mechanical brake

圖8 控制箱Fig.8 Control panel

3.1.2 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)是通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，研究電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性能和制動(dòng)性能，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳遞到計(jì)算機(jī)的 LabVIEW 軟件中，最后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析研究系統(tǒng)性能。其中采集轉(zhuǎn)速所用的傳感器是編碼器，采集信號(hào)通過(guò) PLC 轉(zhuǎn)換和計(jì)算得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集卡Fig.9 Data acquisition card

在試驗(yàn)中需要采集的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)有閘盤(pán)轉(zhuǎn)速、閘盤(pán)溫度和制動(dòng)力等。這些參數(shù)的數(shù)據(jù)都是使用相關(guān)的傳感器實(shí)現(xiàn)采集。在軸承的末端通過(guò)聯(lián)軸器與 E6B2-CWZ6C 型號(hào)編碼器連接，并通過(guò)支架固定編碼器使編碼器垂直于閘盤(pán)，在電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，可以采集到飛輪轉(zhuǎn)速的變化，采集的信號(hào)反饋至 PLC 中，通過(guò) PLC 程序計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2 試驗(yàn)分析

制動(dòng)器可靠性是滿(mǎn)足提升機(jī)安全制動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此有必要對(duì)優(yōu)化后的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，研究制動(dòng)系統(tǒng)可靠性是否符合要求[9-10]。為此筆者采用定量重復(fù)的方法，在確保電動(dòng)機(jī)輸入電壓為5 V，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速為 180 r/min 的情況下，重復(fù)進(jìn)行100 次制動(dòng)試驗(yàn)，不斷重復(fù)制動(dòng)和敞閘的步驟，采集每次試驗(yàn)的制動(dòng)時(shí)間，來(lái)探究制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。在試驗(yàn)過(guò)程中，溫度傳感器實(shí)時(shí)顯示，制動(dòng)盤(pán)溫度一直處于室溫，所以忽視制動(dòng)盤(pán)溫度對(duì)摩擦因數(shù)的影響。由于數(shù)據(jù)過(guò)多，故選擇第 1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 這 11 次的制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所列。

表5 制動(dòng)參數(shù)對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響Tab.5 Influence of brake parameter on braking time

觀察表2 中制動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律可知，隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，制動(dòng)時(shí)間一直在 2.0～ 2.1s 之間變化，考慮到試驗(yàn)室場(chǎng)合下，儀器精度及設(shè)備質(zhì)量等問(wèn)題，試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)小范圍波動(dòng)無(wú)法避免，可以忽視這種小范圍波動(dòng)。因此可以從表格中看出，隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，制動(dòng)時(shí)間幾乎不變，電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器在頻繁的重復(fù)運(yùn)行過(guò)程后，制動(dòng)效果依舊可靠。為了更加清晰的觀察閘盤(pán)轉(zhuǎn)速和制動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系，從 11 組數(shù)據(jù)中取 6 組數(shù)據(jù)，采用 Origin 將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成點(diǎn)線(xiàn)圖，如圖10 所示。

圖10 閘盤(pán)轉(zhuǎn)速隨制動(dòng)時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.10 Curve of brake disc speed variation with braking time

由圖10 可知，這 6 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)都比較接近，第60 次制動(dòng)的數(shù)據(jù)在 0～1 s 存在一定偏差，考慮到在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)設(shè)備加工精度導(dǎo)致的偏差無(wú)法避免，轉(zhuǎn)速偏差在可接受范圍內(nèi)。通過(guò)分析可知，制動(dòng)次數(shù)增加，制動(dòng)時(shí)間不變，且制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速幾乎處于恒減速狀態(tài)。由此可知，優(yōu)化后的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)效果穩(wěn)定，其可靠性符合要求。

4 結(jié)論

電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器依靠滾珠絲杠傳動(dòng)部件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。因此滾珠絲杠的強(qiáng)度與剛度對(duì)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行選型設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器運(yùn)行預(yù)緊力的限制，結(jié)合設(shè)計(jì)公式的計(jì)算結(jié)果，初步選擇 SFU5010、SFU5020 的 2 種滾珠絲杠。隨后通過(guò) ANSYS 軟件和Ncode 軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析、疲勞壽命分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比后，選用 SFU5010 滾珠絲杠。

(2) 將選型后的滾珠絲杠組裝于電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器上，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。在電動(dòng)機(jī)電壓為 5 V、閘盤(pán)轉(zhuǎn)速為 180 r/min 的情況下，進(jìn)行 100 次制動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果制動(dòng)時(shí)間均穩(wěn)定于 2.0～2.1 s。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)中制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)轉(zhuǎn)速進(jìn)行繪圖，結(jié)果表示其呈線(xiàn)性關(guān)系，可知該電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)可靠性穩(wěn)定，符合運(yùn)行要求。