離合器摩擦片鉚接成形伺服油壓機的研制

喬禮惠

（江蘇揚力液壓裝備有限公司,江蘇 揚州 225127）

近年來，在大功率中速柴油機機組及重載車輛中，離合器得到廣泛應(yīng)用。摩擦離合器的作用除傳遞動力外，還要在適當?shù)臅r候使主動軸與從動軸接合或脫開，利于主機空載啟動。摩擦離合器一般位于發(fā)動機和齒輪箱之間，是發(fā)動機與軸系之間連接的主要部件。摩擦件是摩擦離合器的主要組成元件，其工作表面材料的物理性質(zhì)和機械性能直接影響離合器的工作性能，通常摩擦片安裝在從動盤上，而摩擦離合器所能傳出的最大轉(zhuǎn)矩取決于摩擦片面間的最大靜摩擦力矩。相比于螺釘螺栓連接方式，鉚接連接方式具有更高的夾緊力、工藝比較簡單、連接比較穩(wěn)定、質(zhì)量方便檢查、故障容易排除等特點，到目前為止，還沒有一種連接方式可以完全取代它，因此將摩擦片安裝到從動盤上采用壓制鉚接成形，通過一次性壓制可滿足一片從動盤的整體成形。對油壓機的要求主要體現(xiàn)在壓制過程中需保證上滑塊與下滑塊的平行度，同時上滑塊運行過程中與工作臺的垂直度需保持穩(wěn)定，還有壓制時壓力控制的穩(wěn)定性要一致。根據(jù)以上要求及德國客戶提出的自動化控制方案，我們研制了此批摩擦片鉚接成形伺服油壓機，用于其中國太倉工廠離合器的生產(chǎn)。

1 油壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 油壓機結(jié)構(gòu)

油壓機外形如圖1 所示，采用整體門式框架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分吸取國內(nèi)外各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品優(yōu)點和先進技術(shù)精華，整機經(jīng)過計算機有限元仿真優(yōu)化設(shè)計，形成了注重油壓機整體性能與實用、耐用、高剛度和高可靠性的獨特設(shè)計風格。左右立柱的四個角上設(shè)置有方型全鋼導(dǎo)軌，為四角八面形式，用來對滑塊進行導(dǎo)向，配合滑塊上的導(dǎo)軌條可分別對滑塊進行前后和左右方向的獨立調(diào)節(jié)，能確保機床精度調(diào)整后不易發(fā)生精度跑偏現(xiàn)象，具有極高的導(dǎo)向精度和較強的抗偏載能力。下滑塊由頂出缸驅(qū)動并以機床工作臺內(nèi)四面上的固定導(dǎo)軌進行導(dǎo)向，導(dǎo)軌與銅導(dǎo)板間的間隙由數(shù)控加工中心保證，頂出到最終位置后與上滑塊之間的平行度由頂出缸的缸口導(dǎo)套端面平面度保證。

圖1 油壓機外觀實物照片

1.2 機床主要參數(shù)

經(jīng)過對鉚接工藝的研究及機床精度要求分析，最終確定機床主要參數(shù)：公稱力2500kN；頂出力3150kN；滑塊行程350mm；頂缸行程150mm；工作臺有效尺寸900mm×900mm；側(cè)窗口尺寸600mm×600mm；工作臺平面度≤0.025mm；滑塊下平面對工作臺上平面的平行度≤0.07mm；滑塊上下運行300mm 行程對工作臺面的垂直度≤0.05mm；壓力控制精度在量程20%～100%范圍內(nèi)偏差±2%。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)由能量轉(zhuǎn)換裝置、液壓控制裝置、輔助裝置、液壓附件及執(zhí)行機構(gòu)等部件組成，其中液壓控制裝置采用先進的插裝閥集成系統(tǒng)，由多個單獨的閥塊通過搭積木方式進行組合從而滿足機床動作所需壓力、方向及速度等控制，具有反應(yīng)速度快、使用壽命長、液壓沖擊小、傳動效率高等特點。油壓機的液壓控制系統(tǒng)中，最主要的沖擊與振動發(fā)生在主缸卸壓瞬間，為使主缸卸壓平穩(wěn)，減少沖擊振動，應(yīng)使主缸卸荷時實現(xiàn)小開口卸壓大開口卸荷，所以本機設(shè)有壓力預(yù)泄裝置，消除液壓沖擊。同時在主要關(guān)鍵部位設(shè)有快插式壓力檢測點，通過連接的壓力表能夠快速診斷出壓機故障，同時方便檢測壓機的壓力狀態(tài)。

2.1 頂缸液壓原理

頂出缸由單獨的伺服泵源和液壓插裝閥系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)與主缸滑塊的同步動作控制，液壓原理如圖2 所示。頂缸快速頂出時，三位四通電磁換向閥YV8 以及電磁球閥YV10/YV13 得電工作，油液經(jīng)插裝閥C3、C5、C8 后進入子母復(fù)合缸的子缸中，此時復(fù)合頂缸的桿腔油液經(jīng)插裝閥C2 回油箱，因子缸容積較小在泵源大排量的驅(qū)動下可實現(xiàn)快速運行，主缸塞腔此時因出現(xiàn)負壓將通過兩只DG50 充液閥從上置油箱進行補油；待快速上升到轉(zhuǎn)換點位置后，電磁換向閥YV8 以及電磁球閥YV10/YV13 繼續(xù)得電，此時電磁球閥YV12 將得電參與工作，油源將同時進入到子缸和主缸中實現(xiàn)慢速頂出控制，待頂缸頂出到極限位置并壓力發(fā)訊后，所有電磁閥失電，壓力油封閉在油缸內(nèi)；等到主缸帶動滑塊壓制鉚接結(jié)束時，頂缸同時進入卸壓狀態(tài)，電磁球閥YV11 得電，油缸中的壓力油經(jīng)插裝閥C6 回油箱；卸壓完成后頂缸將進行退回動作，電磁換向閥YV9 得電，油液經(jīng)插裝閥C1 進入復(fù)合頂缸桿腔，同時充液閥DZ1 的液控口被壓力油打開，頂缸塞腔中的油液一部分經(jīng)充液閥回油箱，同時電磁球閥YV10/YV11 得電工作，使得頂缸塞腔中的另一部分油液經(jīng)由此處插裝閥回油箱，實現(xiàn)快速退回運行。

圖2 頂缸液壓原理圖

2.2 卸荷防沖擊裝置

通常油壓機主缸上腔的卸壓動作是依靠打開充液閥來實現(xiàn)的，雖然充液閥自身帶有預(yù)泄功能可減少卸壓時的沖擊，但對于這種帶有彈簧的模具來說，采用充液閥直接卸壓方式是無法做到平穩(wěn)卸壓的，在主缸上腔卸壓時會因彈簧力的釋放產(chǎn)生反彈，進而造成沖擊響聲，針對存在的問題我們經(jīng)調(diào)研并通過專業(yè)的液壓系統(tǒng)仿真軟件進行仿真分析，最終決定在主缸上腔設(shè)置可調(diào)節(jié)開口大小的插裝閥裝置，其原理如圖3 所示。在主缸上腔建立高壓時由于單向閥和電磁球閥的作用可實現(xiàn)零泄漏，確保主缸上腔可建立高壓并能保持住以滿足加工工藝的要求，當保壓延時時間到后，使得充液閥繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)，同時讓電磁球閥YV61 得電工作，此時主缸上腔的高壓油將經(jīng)插裝閥C9 回油箱實現(xiàn)上腔壓力的卸荷，而此時在模具彈簧反彈力的作用下推動滑塊及主缸活塞桿上行動作，反彈過程中的液壓沖擊可通過插裝閥上的調(diào)節(jié)桿進行調(diào)整，通常沖擊聲較大時將調(diào)節(jié)桿往里旋轉(zhuǎn)以減小插裝閥閥芯的開口，而沖擊聲比較小時為提高生產(chǎn)效率可將調(diào)節(jié)桿往外旋轉(zhuǎn)以增大閥芯開口，通過調(diào)整可實現(xiàn)平穩(wěn)卸壓。等到彈簧反彈力全部釋放后再通過充液閥控制管路的壓力油將充液閥打開，使得主缸上腔完全卸荷，滿足滑塊的快速回程動作。

圖3 主缸上腔防沖擊原理圖

2.3 低壓精確壓力控制措施

作為壓制鉚接工藝，壓制力的穩(wěn)定一致性是非常重要的。本臺機床采用伺服泵壓力直接控制方式，通過伺服驅(qū)動器內(nèi)部所配置的壓力流量雙閉環(huán)算法，自動調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)壓制噸位的高精度控制，即在實際壓制噸位接近于觸摸屏中設(shè)置的壓力目標值時，伺服電機會自動降低轉(zhuǎn)速，從而確保壓力不會出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，可將噸位精度控制在±2%范圍內(nèi)。但在實際使用中出現(xiàn)了問題，因客戶對油液的清潔度要求較高，在伺服泵與液壓插裝閥系統(tǒng)間增加有高壓過濾器，而客戶要求機床的壓制力能在20%～100%之間可調(diào)，因存在高壓過濾器使得調(diào)整范圍在25%～100%之間能保證精準壓制力，低于25%便會出現(xiàn)壓力瞬間過沖現(xiàn)象。經(jīng)研究分析，在不能去除高壓過濾器的情況下通過在主缸管路增加蓄能器，增加蓄能器及控制閥塊后的原理圖如圖3所示，譬如壓制需要20%的壓制力也就500kN 力時，當主缸上腔的壓力傳感器檢測到480kN 的壓制力，電磁換向閥YV60 得電工作，蓄能器中存儲的500kN 壓力油便經(jīng)插裝閥C10 匯入到主缸上腔中，使得主缸上腔的力達到平穩(wěn)不會產(chǎn)生過沖，此時伺服泵將繼續(xù)往上腔供油達到觸摸屏設(shè)置的保壓壓力值時停止，在保壓延時時間到后先讓電磁換向閥YV60 失電，阻斷蓄能器與主缸上腔的連接，然后再進行主缸上腔的平穩(wěn)卸荷控制，這樣可保證在500kN 壓制力時蓄能器中都存儲有500kN 的壓力。

3 電氣控制系統(tǒng)

本機電氣控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1200 系列安全CPU 1215FC、西門子TP1200 精智觸摸屏、南京埃斯頓SVP 伺服泵組、意大利GEFRAN 磁致伸縮尺及壓力傳感器、德國PILZ 安全保護開關(guān)這五個部分組成，核心可編程控制器主要由故障安全型CPU 控制單元、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、安全輸入輸出模塊等組成，其設(shè)備視圖如圖4 所示。機床左右側(cè)為便于自動化傳輸線的運轉(zhuǎn)留有側(cè)開口，為保護人員安全及設(shè)備安全增設(shè)可上下運動的氣動門，同時配有安全磁性門開關(guān)進行檢測，機床前后側(cè)設(shè)置有安全門，程序中設(shè)置有安全門開門請求操作，當按下開門請求按鈕時，只有待相對應(yīng)的機床壓制動作完成并回到原點以及自動化線停止運轉(zhuǎn)后才能打開安全門，完成修?；蚓S護工作后必須先關(guān)上安全門，再按下復(fù)位按鈕，方可重新啟動機床及自動化線。

圖4 可編程控制器設(shè)備視圖

3.1 S7-1200 故障安全型CPU

西門子S7-1200 系列是一款可組合模塊化的可編程邏輯控制器，可以應(yīng)用于多種控制場合，其具有功能強大的指令集、硬件擴展靈活、通信功能強大等特點。而S7-1200 故障安全型CPU 可同時執(zhí)行安全程序和應(yīng)用程序，并通過自帶的安全協(xié)議驗證CPU本體與故障安全信號模塊之間的通信，其中故障安全信號模塊通過冗余設(shè)計實現(xiàn)功能安全，采用兩個處理器控制故障安全操作，兩個處理器互相監(jiān)視，并確認它們是否正在同時執(zhí)行相同代碼，具有自動測試I/O 電路，并在發(fā)生故障時將故障安全信號模塊設(shè)置為安全狀態(tài)，斷開輸出通道。

3.2 壓力控制

通過伺服泵直接壓力控制方式結(jié)合增加蓄能器在低噸位工況下穩(wěn)定壓力波動等措施，有效提高了機床壓制噸位的精準度，將實際壓制力控制通過壓力補償精準控制在一定的范圍內(nèi)，應(yīng)客戶需求要對壓制力重復(fù)穩(wěn)定一致性進行檢測、報警，增加有報警范圍設(shè)置，通過在觸摸屏畫面中增設(shè)實際反饋壓力的上下偏差范圍數(shù)值，將每次壓制所產(chǎn)生的實際噸位與設(shè)定的噸位進行比較，觸摸屏設(shè)置畫面如圖5 所示，因是壓制鉚接工藝所以對每次壓制過程中產(chǎn)生的最大壓力值更要進行采集并形成點陣報表格式用于分析，也便于后期批次性的質(zhì)量追溯。通過數(shù)值比較判斷此次壓制是否合格，超出范圍則判斷為不合格品并發(fā)出報警信號，此時自動化線上的自動檢測裝置將根據(jù)報警信號將此片不合格摩擦片取出。

圖5 觸摸屏壓力設(shè)置畫面

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，企業(yè)對機床設(shè)備的無故障運行要求也在不斷提高，甚至要求上位機能連接機床設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，實時獲取機床生產(chǎn)、停止、故障等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化。在與客戶的接觸中，因是德資企業(yè)其對設(shè)備的維護要求比較高，希望能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對機床設(shè)備進行遠程監(jiān)測和維護，在最短時間內(nèi)調(diào)動故障診斷和維護資源，實現(xiàn)對復(fù)雜問題快速、及時、正確診斷和維護。針對客戶提出的要求，我們經(jīng)研究決定增加工業(yè)網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)寶，通過交換機與PLC、上位機等設(shè)備連接，硬件配置如圖6 所示，系統(tǒng)采用4G 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)公司技術(shù)服務(wù)中心與機床設(shè)備無線組網(wǎng)，通過4G 網(wǎng)關(guān)提供的穩(wěn)定傳輸通道，實時將機床運行、停止、故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，通過對這些數(shù)據(jù)的分析可做到對機床的實時感知，給予誤操作進行報警或定期保養(yǎng)提醒，做到超前服務(wù)，減少問題故障的出現(xiàn)，另外通過利用這批機床的數(shù)據(jù)分析其運行參數(shù)，為接下來的同等要求的機床制造提供必要的數(shù)據(jù)支持。

圖6 遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

5 結(jié)論

（1）整體門式框架結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限元分析優(yōu)化，焊接后先通過充分的消除應(yīng)力處理再采用世界一流的數(shù)控加工設(shè)備進行生產(chǎn)制造以保證工作臺平面度≤0.025mm，結(jié)合先進的四角八面導(dǎo)軌導(dǎo)向，有力地保證了機床滑塊下平面對工作臺上平面平行度≤0.07mm，垂直度≤0.05mm；

（2）獨特的消除液壓沖擊的液壓插裝閥系統(tǒng)結(jié)合安全可靠的電氣控制系統(tǒng)滿足了滑塊重復(fù)壓制噸位穩(wěn)定一致性的要求，將壓制力偏差范圍控制在±2%以內(nèi)，特別是為解決小噸位壓制情況下存在的壓力過沖問題而增設(shè)的蓄能器穩(wěn)壓裝置使得整套電液控制系統(tǒng)更加完美；

（3）工業(yè)網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)寶的應(yīng)用增強設(shè)備互聯(lián)、遠程調(diào)控，實現(xiàn)了以預(yù)防為主維修為輔的目標，對問題故障早發(fā)現(xiàn)早解決，減少設(shè)備的日常運維成本。同時對機床運行狀態(tài)的各項數(shù)據(jù)進行收集并加以分析，并為今后設(shè)計同類要求的機床提供必要的數(shù)據(jù)支持。