王 駿

（1.江蘇省無(wú)錫振華機(jī)器廠，江蘇 無(wú)錫 214073；2.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121）

氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器是機(jī)械壓力機(jī)的核心功能部件，擔(dān)負(fù)著傳遞離合扭矩和停車(chē)制動(dòng)的功能。組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器是將離合器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)成一體，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、離合制動(dòng)聯(lián)鎖、安全可靠等特點(diǎn)，在8000kN及以下的機(jī)械壓力機(jī)中得到了廣泛的使用（以下簡(jiǎn)稱(chēng)離合制動(dòng)器）。

制動(dòng)能力是機(jī)械壓力機(jī)主要工作性能之一，通常以機(jī)械壓力機(jī)的曲柄制動(dòng)角表示，是衡量壓力機(jī)操作安全性和靈敏性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是壓力機(jī)一項(xiàng)重要的檢測(cè)指標(biāo)，它是指從操作者按下制動(dòng)按鈕開(kāi)始到行程滑塊停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)間內(nèi)，壓力機(jī)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度。由于機(jī)械壓力機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此曲柄制動(dòng)角由三部分組成，分別是：氣滯后制動(dòng)角、電滯后制動(dòng)角和離合制動(dòng)器制動(dòng)角［1］。

離合制動(dòng)器的制動(dòng)角度是曲柄制動(dòng)角的重要組成部分，提高離合制動(dòng)器的制動(dòng)能力，減小制動(dòng)角對(duì)提高機(jī)械壓力機(jī)的制動(dòng)性能極為重要。

1 離合制動(dòng)器的工作原理

離合制動(dòng)器的工作原理如圖1所示，飛輪1通過(guò)滾動(dòng)軸承2固定在離合器軸3上。不工作時(shí)，離合制動(dòng)器7處于制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)三角皮帶帶動(dòng)飛輪1空轉(zhuǎn)；需要傳遞扭矩時(shí)，壓縮空氣通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣接頭6經(jīng)離合器軸3進(jìn)入由氣缸與活塞形成的封閉空間，驅(qū)動(dòng)活塞克服彈簧阻力將離合芯板部件8壓緊，旋轉(zhuǎn)的離合芯板部件8通過(guò)與主體、活塞摩擦面之間產(chǎn)生的摩擦扭矩帶動(dòng)離合制動(dòng)器本體7旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再通過(guò)雙鍵聯(lián)接傳遞給離合器軸3，帶動(dòng)機(jī)床曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作；需要制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣排出，活塞在彈簧復(fù)位力的作用下，將靜止的制動(dòng)芯板部件5壓緊，阻止離合制動(dòng)器本體7旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

圖1 離合制動(dòng)器工作原理圖

2 影響制動(dòng)能力的因素分析

離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其制動(dòng)能力取決于彈簧力克服活塞復(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。制動(dòng)扭矩計(jì)算如下式［2］：

其中：MZ為離合器理論扭矩；m為摩擦副數(shù)目；μ為摩擦系數(shù)，與選用的摩擦材料有關(guān)，干式摩擦離合制動(dòng)器一般選0.38～0.42。q為摩擦材料上承受的壓強(qiáng)，其值應(yīng)小于摩擦材料的許用壓強(qiáng)；R1、R2分別為摩擦材料工作面的內(nèi)、外徑。

圖2 制動(dòng)器扭矩計(jì)算圖

由式（1）可知，影響離合制動(dòng)器的制動(dòng)能力的因素有以下幾個(gè)方面：

2.1 制動(dòng)彈簧

根據(jù)GB27607—2011機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)中離合制動(dòng)器的基本設(shè)計(jì)要求，不允許使用液壓或氣動(dòng)等裝置來(lái)操縱制動(dòng)器制動(dòng)，制動(dòng)器的制動(dòng)力應(yīng)來(lái)源于多組彈簧［3］。彈簧的剛度、預(yù)壓縮量等選擇直接影響著彈簧力的大小，進(jìn)而決定了摩擦副上加載的壓強(qiáng)和摩擦扭矩的大小。

2.2 摩擦材料

摩擦材料的主要性能指標(biāo)有摩擦系數(shù)、許用壓強(qiáng)、磨損率以及熱穩(wěn)定性等。現(xiàn)在干式摩擦離合制動(dòng)器上廣泛使用的摩擦材料多為半金屬摩擦材料。

（1）摩擦系數(shù)的影響。摩擦材料的摩擦系數(shù)，主要指動(dòng)摩擦系數(shù)，在工作過(guò)程中受溫度影響較大，一般隨著溫度的升高而發(fā)生衰減。熱穩(wěn)定性也是摩擦材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

（2）摩擦材料的許用壓強(qiáng)選擇。摩擦材料的許用壓強(qiáng)是離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，決定摩擦副面積的重要因素之一。許用壓強(qiáng)高，可以減小摩擦副的平面尺寸，縮小離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，相關(guān)的飛輪以及床身尺寸也可以隨之縮小。不僅提高了離合制動(dòng)器的制動(dòng)能力，而且降低了壓力機(jī)制造成本。

（3）摩擦材料磨損率的影響。摩擦材料工作時(shí)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象在所難免，磨損過(guò)快，會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致工作間隙過(guò)大，活塞復(fù)位行程變長(zhǎng)，氣缸容積變大，進(jìn)排氣時(shí)間延長(zhǎng)，這些因素都會(huì)降低離合制動(dòng)器的制動(dòng)能力，增大制動(dòng)角。

2.3 排氣速度

實(shí)踐證明，離合制動(dòng)器的活塞復(fù)位運(yùn)動(dòng)受氣缸內(nèi)壓縮空氣阻尼力和摩擦阻力的影響，其運(yùn)動(dòng)軌跡并非呈線性。

（1）通氣孔徑的影響。通氣孔徑的大小直接影響到排氣速度的快慢，進(jìn)而影響制動(dòng)能力。通氣孔徑的大小受限于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸，而且孔徑過(guò)大，容易加劇振動(dòng)和噪音。

（2）工作氣壓。工作氣壓增大，將影響氣缸內(nèi)壓縮空氣排出的速度，延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間；同時(shí)加劇了摩擦材料的磨損，對(duì)彈簧的剛度要求更高。

2.4 離合制動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)因素

離合制動(dòng)器所需承擔(dān)的制動(dòng)扭矩為：

式中：KZ為力矩增大系數(shù)，根據(jù)制動(dòng)角和滑塊行程次數(shù)，一般取1.17～1.7；J3、J2、J1為離合器軸、中間軸和曲軸上從動(dòng)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i1－2、i1－3為離合器軸至中間軸和離合器軸至曲軸的速比；φq為曲軸上的制動(dòng)角，對(duì)于通用壓力機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)一般取5°～15°；ω為離合器軸角速度。

與分體式離合制動(dòng)器不同，組合式離合制動(dòng)器除離合芯板部件跟隨飛輪一起旋轉(zhuǎn)，屬主動(dòng)件外，其他各部件均屬于從動(dòng)件。由式（2）可知，減小離合制動(dòng)器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也就降低了所需的制動(dòng)扭矩，提高了制動(dòng)能力。

2.5 摩擦副接觸面積

摩擦副的平面尺寸一旦設(shè)計(jì)定型，其理論接觸面積是固定不變的。在離合制動(dòng)器實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，制造和裝配誤差是不可避免，提高摩擦副實(shí)際接觸面積，有利于提高制動(dòng)能力。

理論研究與實(shí)踐證明，針對(duì)上述影響因素，在離合制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算和生產(chǎn)制造中，通過(guò)改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)要素，提高加工工藝水平，對(duì)提高離合制動(dòng)器的實(shí)際制動(dòng)能力效果明顯。

3 提高制動(dòng)能力的措施

3.1 合理選擇制動(dòng)彈簧

由離合制動(dòng)器工作原理可知，離合扭矩與制動(dòng)扭矩是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，設(shè)計(jì)人員一般取離合、制動(dòng)扭矩之比為6.5∶3.5。制動(dòng)彈簧是制動(dòng)力的唯一動(dòng)力源，因此在選擇時(shí)，要充分考慮以下幾點(diǎn)：

（1）制動(dòng)彈簧應(yīng)具備良好的抗疲勞強(qiáng)度。離合制動(dòng)器工作時(shí)，接合頻率高，特別是在單次工作的狀況下。這一工作特征要求制動(dòng)彈簧必須具備良好的抗疲勞強(qiáng)度，防止彈簧斷裂。為避免彈簧突然斷裂引起的生產(chǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)，常常采用多組彈簧的設(shè)計(jì)形式。

（2）加強(qiáng)型制動(dòng)彈簧的合理選用。摩擦材料磨損會(huì)導(dǎo)致彈簧工作行程的變化，為了保證彈簧不因摩擦材料磨損而引起壓緊力大幅波動(dòng)，宜將彈簧剛度選取得較小一些，但這將導(dǎo)致彈簧結(jié)構(gòu)尺寸變大。實(shí)踐中，制動(dòng)彈簧的設(shè)計(jì)往往受離合制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間的限制，尺寸不能太大。合理選取剛度較大的矩形彈簧或雙層彈簧可以較好地解決這一問(wèn)題。雙層彈簧是在正常的彈簧內(nèi)圈加上一個(gè)直徑較小的彈簧與之相配，兩個(gè)彈簧旋向相反，避免發(fā)生相互傾軋。

3.2 改進(jìn)摩擦材料

摩擦扭矩是通過(guò)摩擦副之間的相對(duì)滑移產(chǎn)生的，同時(shí)也產(chǎn)生了摩擦熱等副作用。摩擦熱會(huì)加劇摩擦材料的磨損和摩擦系數(shù)的波動(dòng)，因此，選擇摩擦材料應(yīng)符合以下要求：

（1）較大的摩擦系數(shù)，并在一定的溫升范圍內(nèi)能夠很好地保持穩(wěn)定；為了便于散熱，離合制動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)考慮增加散熱肋，以降低摩擦副的表面溫度。

（2）磨損率低，并且不傷害到摩擦對(duì)偶面的基體。摩擦材料使用壽命增加，不僅降低了使用成本和停機(jī)更換維護(hù)時(shí)間，而且減少了制動(dòng)力衰減。

（3）足夠的強(qiáng)度和抗膠合能力。摩擦材料強(qiáng)度增加，可以提高單位面積上的承受力，減小離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸，來(lái)降低從動(dòng)慣量，提高制動(dòng)能力。

良好的抗膠合能力可以避免摩擦顆粒脫落時(shí)，不會(huì)膠合到對(duì)偶面上，發(fā)生犁削現(xiàn)象而引起摩擦面不平整，減少有效接觸面積，降低制動(dòng)能力。

3.3 優(yōu)化進(jìn)排氣路設(shè)計(jì)

離合制動(dòng)器氣路設(shè)計(jì)應(yīng)保證進(jìn)出氣順暢，氣路盡可能短，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 端面進(jìn)氣結(jié)構(gòu)圖

（1）較大的通氣孔徑。增大通氣孔徑能夠加快進(jìn)出氣的速度，從而提高離合制動(dòng)器的接合靈敏度，降低制動(dòng)時(shí)間，提高制動(dòng)能力。實(shí)踐證明，氣路通道中，每減少一彎道可以降低制動(dòng)角2°～3°［4］。通氣孔徑的大小往往受到結(jié)構(gòu)和噪音的限制，尺寸選取不能太大。為了改善進(jìn)排氣速度，可以將常用的軸孔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)改成圖4所示的端面進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，壓縮空氣通過(guò)氣接頭直接進(jìn)入氣缸1和活塞6的內(nèi)腔，縮短進(jìn)排氣通道，提高制動(dòng)能力。

（2）快排閥的選用。除了選擇響應(yīng)靈敏度高的雙聯(lián)閥外，必要時(shí)可以加裝快排閥，加快離合制動(dòng)器的排氣速度。實(shí)踐證明，這一裝置能夠有效地降低制動(dòng)角8°～10°。

（3）工作氣壓的選擇。離合制動(dòng)器的額定工作氣壓范圍在0.45～0.63MPa，氣壓太小，接合靈敏度降低；氣壓過(guò)大，發(fā)熱量增加，加劇摩擦材料磨損及延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間。

3.4 合理設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)

離合制動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要滿(mǎn)足所需傳遞的離合、制動(dòng)扭矩的要求，此外，還要充分考慮以下因素：

（1）在保證離合制動(dòng)器機(jī)械強(qiáng)度的前提下，盡可能地減輕自身的重量，這等于降低了離合制動(dòng)器的從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高了制動(dòng)能力。

（2）離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常要考慮磨損間隙的調(diào)整。間隙調(diào)整不僅能夠保證活塞行程不致過(guò)長(zhǎng)而延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間，而且也降低了摩擦材料更換的成本。

（3）離合制動(dòng)器的毛坯鑄造及機(jī)械加工應(yīng)使各表面均勻，避免高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由材質(zhì)不均勻產(chǎn)生過(guò)大的不平衡力。

3.5 保證摩擦副接觸面積

（1）摩擦副接觸面積大小直接影響摩擦扭矩的大小，在離合制動(dòng)器制造和裝配過(guò)程中應(yīng)努力提高機(jī)械加工精度。在一些要求比較高的場(chǎng)合，可以采取摩擦材料和安裝基本裝配后再加一道磨削工藝，保證接觸面積。

（2）多片式結(jié)構(gòu)是將制動(dòng)芯板部件由一片增加至兩片甚至更多，可以有效地增加摩擦接觸面積，幾乎使摩擦扭矩成倍增加。采用多片式結(jié)構(gòu)后，離合制動(dòng)器的軸向尺寸以及重量隨之有一定的增加量，但相對(duì)于扭矩的增加量而言，其負(fù)面影響要小得多。

4 小結(jié)

綜上所述，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝保證能夠較好地提升離合制動(dòng)器的制動(dòng)能力。隨著離合制動(dòng)器工作周期的增加，制動(dòng)彈簧、摩擦材料等關(guān)鍵零件的性能也在發(fā)生變化。為了使離合制動(dòng)器具備良好的工作狀況，在維護(hù)保養(yǎng)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）摩擦材料隨著工作周期增加而磨損加劇，應(yīng)及時(shí)更換，保持合理的工作間隙，避免活塞行程過(guò)大。

（2）定期檢查離合、制動(dòng)芯板部件上的安裝套與導(dǎo)向銷(xiāo)之間的移動(dòng)是否靈活，為防止套銷(xiāo)卡死，通常選用可以自調(diào)整的關(guān)節(jié)套。

（3）更換制動(dòng)彈簧、摩擦材料時(shí)，應(yīng)成組、成套更換，保證一致性。

［1］郝濱海，張勇，夏思淝.曲柄壓力機(jī)制動(dòng)過(guò)程的研究［J］.鍛壓機(jī)械，2001（3）：34－35.

［2］何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版，1981.

［3］馬立強(qiáng)，賀慶，李紅，等.GB27607－2011機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求 ［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：2－16.

［4］李江娥，張冠武，李國(guó)振.開(kāi)式壓力機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)［J］.鍛壓機(jī)械，2004（4）：50－51.