李 雪，趙升噸，崔敏超，景 飛，陳 超

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

熱模鍛壓力機(jī)上應(yīng)用的摩擦離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式很多，按其工作介質(zhì)可分為干式和濕式兩種，干式離合制動(dòng)器是以壓縮空氣作為工作介質(zhì)，濕式離合制動(dòng)器以液壓油作為工作介質(zhì)[1]；按離合器與制動(dòng)器的布置形式可以分為分體式離合制動(dòng)器和組合式離合制動(dòng)器。離合制動(dòng)器性能的好壞直接影響壓力機(jī)的工作效率及工作能力[2]。熱模鍛壓力機(jī)工作時(shí)，離合制動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)率很高并且承擔(dān)高頻的工作負(fù)荷，如果采用干式離合制動(dòng)器則其摩擦片上的摩擦材料會(huì)迅速磨損并發(fā)熱，從而產(chǎn)生足以造成工作環(huán)境嚴(yán)重污染的粉塵和噪聲。

1 濕式離合制動(dòng)器簡(jiǎn)介

液壓濕式離合制動(dòng)器近年來廣泛應(yīng)用于機(jī)械壓力機(jī)領(lǐng)域。多盤式液壓濕式離合制動(dòng)器具有推力大、動(dòng)作靈敏、離合制動(dòng)慣性小速度快、摩擦盤磨損小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可迅速可靠地完成離合和制動(dòng)功能。利用液壓裝置可以使離合器結(jié)合、制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)平穩(wěn)且無沖擊。在濕式離合制動(dòng)器的主動(dòng)盤和被動(dòng)盤之間存在一層油膜，正是由于油分子層的存在使得主動(dòng)軸和被動(dòng)軸間的扭矩傳遞不依賴摩擦片間直接的干摩擦，而是通過油膜間的抗剪力實(shí)現(xiàn)（要求油分子層和摩擦盤摩擦面之間的附著力應(yīng)大于滑動(dòng)產(chǎn)生的油膜間剪切力）[3]。正是基于以上原因，濕式離合制動(dòng)器的摩擦副工作過程中磨損很小甚至達(dá)到無磨損。

2 熱模鍛壓力機(jī)用濕式離合制動(dòng)器的基本分類

根據(jù)濕式離合制動(dòng)器中離合器與制動(dòng)器的布置方式，可以分為濕式組合離合制動(dòng)器與濕式分體離合制動(dòng)器。雖然當(dāng)前在熱模鍛壓力機(jī)上濕式離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本結(jié)構(gòu)原理類似，均由離合器外殼、離合摩擦盤、制動(dòng)器外殼、制動(dòng)摩擦盤、活塞、彈簧、旋轉(zhuǎn)接頭等組成[4]。在離合制動(dòng)器的布置方面，為了降低在壓力機(jī)離合、制動(dòng)過程中的能量損耗與發(fā)熱量，避免制動(dòng)角超差，普遍將離合制動(dòng)器安裝在壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出低速飛輪與壓力機(jī)滑塊輸入軸之間。在結(jié)構(gòu)允許且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)附加慣量不大的情況下，允許使用高速離合制動(dòng)器安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)高速軸上。

2.1 濕式組合離合制動(dòng)器

2.1.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1 濕式離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

圖2 濕式離合制動(dòng)器實(shí)物圖

圖3 濕式離合制動(dòng)器與壓力機(jī)安裝圖

如圖1、2、3所示為濕式離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與實(shí)物以及濕式離合制動(dòng)器與壓力機(jī)的安裝方式示意圖與制動(dòng)/離合狀態(tài)示意圖。

2.1.2 工作原理

濕式離合制動(dòng)器主要由離合制動(dòng)器本體、液壓控制板、具有軟制動(dòng)軟結(jié)合功能的模塊化控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭、雙閥和液壓油箱等組成。液壓系統(tǒng)提供的壓力油經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入油缸，壓力油推動(dòng)活塞，頂開彈簧，離合器的主動(dòng)、從動(dòng)摩擦片壓緊，制動(dòng)摩擦片松開，實(shí)現(xiàn)離合器摩擦片的“接合”，制動(dòng)器摩擦片的“脫開”。工作狀態(tài)時(shí)，離合制動(dòng)器的整個(gè)離合器、摩擦器內(nèi)充滿了液壓油。當(dāng)活塞的液壓油壓力消失時(shí)，離合器摩擦片脫開，制動(dòng)器摩擦片在制動(dòng)彈簧的作用下接合實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[5]。由此可知，濕式組合離合制動(dòng)器工作時(shí)存在三個(gè)過程：離合側(cè)壓緊、空轉(zhuǎn)、制動(dòng)側(cè)壓緊[6]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，離合器與制動(dòng)器的接合與脫開之間不可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象[3]。濕式組合離合制動(dòng)器制動(dòng)精度高，能夠滿足更高的工作頻率，占用空間小、慣量低、嚙合/松脫速度快，在很大程度上無需維修[7]。

2.2 濕式分體離合制動(dòng)器

2.2.1 結(jié)構(gòu)分析

如圖4、5所示為濕式離合器與濕式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，通常濕式離合器安裝在飛輪上，濕式制動(dòng)器安裝在機(jī)身上。

圖4 濕式離合器結(jié)構(gòu)圖及安裝圖[8]

圖5 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖及安裝圖[8]

2.2.2 工作原理

離合器的工作原理：彈簧1作用在缸體內(nèi)活塞2上，松脫離合器摩擦盤。壓力油3使活塞壓靠到彈簧上，離合器結(jié)合。

制動(dòng)器工作原理：彈簧1作用在缸體內(nèi)的活塞2上，制動(dòng)器摩擦盤4在活塞的作用下壓靠在一起，制動(dòng)器制動(dòng)。在液壓油的作用下（一定的油壓），彈簧壓靠在活塞上，制動(dòng)器停止制動(dòng)[9]。

如圖6所示為采用附加驅(qū)動(dòng)裝置的制動(dòng)器以及與壓力機(jī)身安裝示意圖，對(duì)于這種制動(dòng)器，制動(dòng)器活塞借助壓力油的作用，可以增加動(dòng)作壓力。活塞5借助從供油管路1（活塞腔）出來的油壓可以增加制動(dòng)扭矩。

圖6 配有附加驅(qū)動(dòng)裝置的濕式制動(dòng)器及安裝圖[8]

3 濕式離合制動(dòng)器摩擦片分析

所謂濕式離合制動(dòng)器是指其離合器、制動(dòng)器的摩擦片在結(jié)合、制動(dòng)過程中，摩擦接觸表面不表現(xiàn)為直接的干摩擦而是液體和半液體界面的摩擦狀態(tài)。濕式離合制動(dòng)器的性能好壞取決于主、從動(dòng)摩擦片是否能夠形成液體和半液體界面摩擦，而摩擦片材料、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)是形成界面摩擦的重要因素[10]。因此若要保證濕式摩擦離合制動(dòng)器在運(yùn)行過程中可靠工作，則必須研究摩擦片主要的失效形式以及摩擦片材料、結(jié)構(gòu)形式對(duì)于性能的影響。

摩擦片表面開有一定深度的油槽是多盤濕式摩擦離合器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。這些油槽有散熱、增加摩擦因數(shù)（油槽能迅速切斷油膜，從而提高摩擦因數(shù)），有助于主、從動(dòng)摩擦片結(jié)合與分離以及沖刷磨屑的作用[11]。對(duì)于濕式離合制動(dòng)器，摩擦面上的溝槽對(duì)油的合理流動(dòng)是十分關(guān)鍵的，對(duì)于燒結(jié)摩擦片尤其重要。目前在濕式離合制動(dòng)器的應(yīng)用中，鋼/鋼摩擦片組合正在被鋼/燒結(jié)材料摩擦組合所替代。在濕式摩擦片中，最引人關(guān)注的是鋼/紙摩擦組合，具有良好的摩擦性能和無磨損性能，因此這種結(jié)構(gòu)組合越來越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械工程和車輛工業(yè)。如圖7所示為摩擦片（外耳式）與鋼片（內(nèi)花鍵式）的摩擦組合。

3.1 濕式離合制動(dòng)器用摩擦片主要失效形式

圖7 摩擦片與鋼片[12]

濕式摩擦離合制動(dòng)器的主要失效形式為過熱燒毀和翹曲變形，其主要失效原因均為局部過熱。濕式摩擦離合器主、從動(dòng)摩擦片在結(jié)合時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過程，即初始的主從摩擦片間的滑動(dòng)及最終在摩擦力矩作用下主從摩擦片的共同旋轉(zhuǎn)。主動(dòng)片和從動(dòng)片之間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的滑摩功轉(zhuǎn)化為熱量，致使摩擦片溫度升高[13]，冷卻油不能夠達(dá)到冷卻效果，因此需要一定流量的冷卻液通過離合器滑動(dòng)摩擦副表面吸收所產(chǎn)生的熱量，降低表面溫度和徑向溫差[14]。

在摩擦表面的溫升沒有得到有效控制的情況下，摩擦片表面會(huì)產(chǎn)生溫差，從而引起摩擦片表面產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)摩擦表面熱應(yīng)力超過摩擦材料屈服極限時(shí)摩擦片會(huì)發(fā)生變形，從而造成摩擦接觸面積大大減少而產(chǎn)生失效。因此摩擦片表面溫升和表面冷卻潤(rùn)滑油槽形式是判斷濕式摩擦離合制動(dòng)器摩擦片的重要指標(biāo)。

3.2 摩擦片表面狀態(tài)對(duì)摩擦性能的影響

摩擦片的結(jié)構(gòu)形式特別是表面狀態(tài)（如溝槽的形狀和分布）既影響著摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和耐磨性、摩擦片的散熱效果好壞，同時(shí)也影響著摩擦過程中磨屑的形成和排出[15]。對(duì)于濕式離合制動(dòng)器還要考慮帶排轉(zhuǎn)矩的影響。所謂濕式多片離合器的帶排轉(zhuǎn)矩，就是指當(dāng)濕式離合器處于分離狀態(tài)而空轉(zhuǎn)時(shí)，由于濕式離合器的摩擦副間隙中存在冷卻潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油在各摩擦副間隙中形成潤(rùn)滑油膜，摩擦副的摩擦片與對(duì)偶鋼片的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，必然要對(duì)摩擦副間隙中的潤(rùn)滑油膜形成剪切作用，這種由于剪切潤(rùn)滑油膜而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱之為帶排轉(zhuǎn)矩[16]。因此在濕式離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用時(shí)都應(yīng)盡可能地考慮減小帶排轉(zhuǎn)矩的技術(shù)手段[17]。由于摩擦片的結(jié)構(gòu)形式對(duì)濕式離合制動(dòng)器的性能有很大影響，因此它必然是在探討摩擦片性能時(shí)不可忽視的考慮因素。

高曉敏等[15]對(duì)圖8所示7種摩擦片表面溝槽形狀的性能進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)片摩擦材料采用銅基粉末冶金，規(guī)格選用GB10428-89《濕式燒結(jié)金屬摩擦材料摩擦性能試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)方法》中的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)片，摩擦層外徑230mm，內(nèi)徑190mm，片厚 3mm，得到以下結(jié)論：

（1）摩擦片表面溝槽不但具有刮油、冷卻和有效排出磨屑的作用，而且對(duì)摩擦副的摩擦特性有較大的影響，合理的溝槽形狀可以大大改善離合器的摩擦性能，提高承載能力；

（2）在離合器設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)離合器接合時(shí)間、接合轉(zhuǎn)矩與時(shí)間或轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)關(guān)系要求，可根據(jù)不同形狀溝槽的結(jié)合特性，選擇適當(dāng)?shù)臏喜蹃頋M足。如要求離合迅速，可選擇摩擦系數(shù)較大且轉(zhuǎn)矩建立較快的螺旋槽；

圖8 摩擦片表面溝槽形狀[15]

圖9 EUMUCO MP型壓力機(jī)

（3）無溝槽的光摩擦片易形成油膜，摩擦轉(zhuǎn)矩建立慢，摩擦系數(shù)小且不穩(wěn)定，在離合器脫開狀態(tài)帶排較嚴(yán)重；

（4）有利于排油的溝槽形狀如螺旋槽、復(fù)合槽、弧形菱狀槽等的平均動(dòng)摩擦系數(shù)較大；由于這些溝槽刮油能力較強(qiáng)，在接合前期有利于減小摩擦副之間的油膜厚度和壓力，從而使接合前期動(dòng)摩擦系數(shù)較高，有利于縮短接合時(shí)間；

（5）徑向槽、方形槽等形式對(duì)摩擦表面供油良好，能夠保證足夠的冷卻油通過，冷卻效果較好，但多形成液體潤(rùn)滑，使摩擦系數(shù)低于螺旋槽等形狀；

（6）復(fù)合槽（螺旋槽加徑向槽）綜合了螺旋槽動(dòng)摩擦系數(shù)較高，徑向槽冷卻效果好的特點(diǎn)，具有較好的綜合性能，即摩擦系數(shù)大、冷卻散熱快；

（7）對(duì)于同種形狀的油槽，其深度、寬度和密度對(duì)摩擦性能也有影響，一般來說，寬、深、密的溝槽比窄、淺、疏的有利于刮油，摩擦系數(shù)較大，冷卻油流量也較大，從而冷卻效果好，但面積系數(shù)較低，可能導(dǎo)致磨損加??；

（8）與油流方向夾角越小的溝槽，冷卻能力越差，如螺旋槽的冷卻效果較差。

賈云海、張文明[14]也認(rèn)為，雙圓弧油槽綜合性能較好，摩擦副摩擦因數(shù)適中，且易于制造，最適合于濕式摩擦離合器從動(dòng)摩擦片使用。

4 濕式離合制動(dòng)器產(chǎn)品介紹

4.1 EUMUCO MP型壓力機(jī)用濕式離合制動(dòng)器[18]

如圖9所示濕式離合制動(dòng)器，安裝在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速輸出軸上，與飛輪連接，該失效安全型離合制動(dòng)器有響應(yīng)時(shí)間短、噪聲小、幾乎無磨損等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 Ortlinghaus 0123/0127/0128系列濕式離合制動(dòng)器[19]

如圖10所示為Ortlinghaus 0123系列濕式組合離合制動(dòng)器，圖11為Ortlinghaus濕式分體離合制動(dòng)器（0127系列濕式離合器與0128系列濕式制動(dòng)器）。

圖10 Ortlinghaus 0123系列濕式組合離合制動(dòng)器

0123系列濕式離合制動(dòng)器技術(shù)參數(shù)：轉(zhuǎn)矩范圍3000Nm～600000Nm，轉(zhuǎn)速范圍350～1700r/min，外緣直徑范圍199mm～1180mm，內(nèi)孔直徑范圍 58mm～375mm，長(zhǎng)度范圍135mm～650 mm。

圖11 Ortlinghaus濕式分體離合制動(dòng)器（0127系列與0128系列）

4.3 英國(guó)Wichita濕式離合制動(dòng)器[20]

如圖12所示為英國(guó)Wichita CBA系列濕式離合制動(dòng)器及其結(jié)構(gòu)圖，可以安裝在熱模鍛壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較高速軸或低速飛輪上。如圖13所示為安裝有Wichita CBAT-32580濕式離合制動(dòng)器PTC 600噸壓力機(jī)。

圖12 Wichita CBA系列濕式離合制動(dòng)器

圖13 CBAT-32580離合制動(dòng)器安裝在PTC600噸壓力機(jī)上

4.4 EATON濕式離合器[21]

如圖14、15所示為Eaton Airflex AS/AR系列離合器及其結(jié)構(gòu)圖，采用碟簧嵌入多盤摩擦片作為離合器的失壓分離裝置，摩擦內(nèi)片（主動(dòng)摩擦片）為鋼片，加工有內(nèi)花鍵，摩擦外片（從動(dòng)摩擦片）表面為燒結(jié)金屬材料，加工有油槽。AS、AR系列都是濕式摩擦離合器，采用燒結(jié)青銅材料作為其摩擦材料。AR系列提供最大允許扭矩 2530Nm，AS系列提供最大允許扭矩2550Nm。伊頓公司也曾推出金屬加工業(yè)用離合制動(dòng)器Airflex AMCB AccuStopTM離合制動(dòng)器，扭矩穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)便[22]。

圖14 EATON Airflex AS/AR系列濕式離合制動(dòng)器

圖15 EATON Airflex AS/AR系列濕式離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論及展望

離合制動(dòng)器的濕式結(jié)構(gòu)可以在很小的慣量下產(chǎn)生很大的扭矩，特別是在氣動(dòng)干式離合制動(dòng)器的使用效果不好時(shí)，濕式離合制動(dòng)器更能凸顯其優(yōu)勢(shì)。干式離合器和制動(dòng)器的摩擦面暴露在空氣中[23]，濕式結(jié)構(gòu)是一種封閉的結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生粉塵影響環(huán)境，工作過程中的噪聲很低[1]。濕式離合制動(dòng)器的特點(diǎn)是體積小、慣量低以及單次行程次數(shù)高，并且這種結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器基本上無維修。此外，由于可以采用多盤結(jié)構(gòu)，所以扭矩傳遞大，而熱負(fù)載小。由于運(yùn)行噪聲低，約85dB，所以制動(dòng)器無需增加噪聲防護(hù)措施，可在一定程度上節(jié)省成本。正是因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)，濕式離合制動(dòng)器在大型機(jī)械壓力機(jī)和其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

盡管熱模鍛壓力機(jī)采用濕式離合制動(dòng)器的初期投資會(huì)比干式離合制動(dòng)器略高，但如果考慮諸多優(yōu)勢(shì)因素的話，濕式離合制動(dòng)器的成本可以很快得以回收。由于其具有摩擦材料無須更換、維護(hù)維修成本（使用成本）較低、性能好、壽命長(zhǎng)（濕式離合制動(dòng)器是干式離合制動(dòng)器壽命的10～20倍）、響應(yīng)速度快、重復(fù)定位高等諸多優(yōu)點(diǎn)[19]，所以應(yīng)用越來越廣泛。如果使用得當(dāng)，濕式離合器/制動(dòng)器在連續(xù)使用的情況下可以永久使用；在開單次的情況下，濕式離合制動(dòng)器可以每周7天每天工作24小時(shí)，連續(xù)工作一年而無磨損和發(fā)熱的情況。由于采用了油冷方式，可以保證散熱性能非常好，所以這種濕式離合制動(dòng)器開單次的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于干式離合制動(dòng)器的單次次數(shù)。此外，濕式離合制動(dòng)器沒有粉塵和污染，對(duì)設(shè)備沖擊小，慣量低。

基于以上分析，可以得出熱模鍛壓力機(jī)用濕式離合制動(dòng)器的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）離合制動(dòng)器的摩擦片磨損量更少，接近零磨損狀態(tài)，發(fā)熱量更少且散熱性能好，正常工作允許轉(zhuǎn)速、扭矩范圍更大。

（2）離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，減輕了質(zhì)量，減少了壓力機(jī)系統(tǒng)的附加慣量。

（3）離合制動(dòng)器的離合與制動(dòng)功能響應(yīng)迅速可靠，可以利用離合制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)滑塊的任意位置停止，且可以實(shí)現(xiàn)滑塊的寸動(dòng)行程[24]。

（4）離合制動(dòng)器工作過程中故障率低，維修量小，可靠性高。

（5）離合制動(dòng)器可根據(jù)工況需要實(shí)現(xiàn)軟離合—離合—軟制動(dòng)—制動(dòng)的緩沖過程，這種可控制的軟接合、軟制動(dòng)有效改善了頻繁接合、制動(dòng)的沖擊、噪聲和磨損[25]。

（6）為保證離合制動(dòng)器在安全狀態(tài)下運(yùn)行，離合制動(dòng)器可配備打滑卸荷安全系統(tǒng)[26]，防止離合制動(dòng)器打滑、過熱而產(chǎn)生磨損，當(dāng)打滑超過許可值，制動(dòng)器立即制動(dòng)，設(shè)備停機(jī)以保證設(shè)備及離合制動(dòng)器的安全運(yùn)行。

（7）可以采用模塊化控制系統(tǒng)[5]，對(duì)離合制動(dòng)器及其動(dòng)作過程分別進(jìn)行模塊化控制，以實(shí)現(xiàn)離合制動(dòng)器的結(jié)合與制動(dòng)的控制及動(dòng)作優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)離合制動(dòng)器動(dòng)作平穩(wěn)、安全可靠和低噪聲的特點(diǎn)。

由以上分析可知，濕式離合制動(dòng)器無論是從制動(dòng)、離合性能還是從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械壓力機(jī)領(lǐng)域尤其是大型機(jī)械壓力機(jī)領(lǐng)域會(huì)逐漸取代干式離合制動(dòng)器而成為主流。

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