張志平 ，王 超 ，劉楊園 ，王 駿

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214121；2.江蘇無錫智能儀器廠，江蘇 無錫214121）

0 引言

離合器和制動器是機(jī)械壓力機(jī)的核心功能部件，在壓力機(jī)傳動系統(tǒng)中承擔(dān)傳遞離合扭矩和停車制動的功能。組合式氣動干式摩擦離合制動器將離合器與制動器組合在一起，實(shí)現(xiàn)離合與制動功能的互鎖，并具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動慣量小、安全可靠等特點(diǎn)[1]。隨著強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《GB27607-2011機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》、產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 12089-2014鍛壓機(jī)械用組合式氣動干式摩擦離合制動器》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推廣實(shí)施，其對壓力機(jī)急停功能的要求[2]，使組合式氣動干式摩擦離合制動器（以下簡稱離合制動器）取代了剛性離合制動器，在公稱壓力6 300 kN及以下的開、閉式機(jī)械壓力機(jī)配套市場中占統(tǒng)治地位；其對產(chǎn)品最大離合、制動扭矩的標(biāo)記要求[3]，促使制造廠商急需研制專用的扭矩檢測裝置，以優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升質(zhì)量，進(jìn)一步拓展市場。本文介紹了采用電動缸加載方式研制的離合制動扭矩專用檢測裝置。

1 離合制動器工作原理

圖1為組合式氣動干式摩擦離合制動器結(jié)構(gòu)原理圖。安裝時，離合制動器通過雙鍵與機(jī)械壓力機(jī)的傳動軸聯(lián)接，兩根制動銷1固定在床身，靜止不動。兩根離合銷9固定在飛輪上，隨飛輪一起轉(zhuǎn)動；工作時，壓縮空氣進(jìn)入氣缸4內(nèi)腔，推動活塞3克服彈簧7阻力將離合芯板8壓緊在主體6上，通過摩擦力將飛輪的轉(zhuǎn)動扭矩傳遞給主體6，主體帶動傳動軸驅(qū)使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作；制動時，壓縮空氣排出，活塞3在彈簧7復(fù)位力的作用下將制動芯板2壓緊在氣缸4上，靜止的制動芯板2通過摩擦力阻止主體6旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)制動[4]。

圖1 組合式氣動摩擦離合制動器結(jié)構(gòu)原理圖

2 檢測裝置的功能要求

2.1 影響扭矩的因素

由工作原理可知，離合制動器依靠固定在芯板上的摩擦片與對偶面產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞和制動，其計(jì)算如下式所示：

其中：M為離合制動器理論扭矩；m為摩擦副數(shù)目；μ為摩擦系數(shù)；q為摩擦材料上承受的壓強(qiáng)；R1、R2分別為摩擦材料工作面的內(nèi)、外徑。見圖2。

圖2 離合制動器扭矩計(jì)算示意圖

由上式可知，離合制動扭矩受摩擦副數(shù)量、壓縮空氣壓強(qiáng)、摩擦材料摩擦系數(shù)、對偶面接觸率等多個因素影響。而制動扭矩還取決于制動彈簧復(fù)位力克服活塞復(fù)位阻尼力與制動芯板壓緊后產(chǎn)生的摩擦制動扭矩的大小。

2.2 檢測要求分析

綜上所述，結(jié)合產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，為客觀、準(zhǔn)確地檢測出某一臺離合制動器的最大離合和制動扭矩，除摩擦副數(shù)量確認(rèn)為常量，摩擦片的摩擦系數(shù)、摩擦對偶面的直徑以及平整度等需要在產(chǎn)品原材料采購或制造階段保證外，檢測裝置還需要滿足下列要求：

（1）壓縮空氣壓強(qiáng)可調(diào)。同一型號的離合制動器可以通過增減制動彈簧數(shù)量的方式在離合扭矩與制動扭矩之間進(jìn)行大小調(diào)節(jié)。按標(biāo)準(zhǔn)要求，一般額定工作氣壓為0.55 MPa，工作氣壓允許范圍為0.45～0.63 MPa，初始驅(qū)動氣壓應(yīng)大于0.2 MPa（否則不工作，出于安全考慮）。因此，檢測裝置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮壓強(qiáng)可調(diào)，以便檢測多種工況下的扭矩?cái)?shù)值。

（2）通用化要求。離合制動器為系列化產(chǎn)品，如表1所列為某企業(yè)LZ系列部分離合制動器產(chǎn)品的扭矩和安裝尺寸。由此可見，為提高檢測裝置通用性，滿足不同型號產(chǎn)品同臺檢測的要求，應(yīng)充分考慮檢測模擬負(fù)載和安裝機(jī)構(gòu)可調(diào)的要求。

表1 某品牌LZ系列離合制動器性能及安裝參數(shù)

（3）集成化。檢測裝置包括機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺及軟件控制系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析比較和顯示記錄等功能集成。

3 檢測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案選擇

檢測離合制動扭矩的實(shí)質(zhì)是檢測離合制動器在結(jié)合（工作）狀態(tài)和制動（停車）狀態(tài)時的靜態(tài)抵抗扭矩。之前的相關(guān)研究中有利用變頻電機(jī)模擬在工況條件對離合制動器綜合性能進(jìn)行測試的試驗(yàn)臺[4]，以液壓元器件模擬靜態(tài)負(fù)載的綜合性能測試臺[5]，以及利用可變慣量飛輪模擬工況的分體式離合器制動器試驗(yàn)臺[6]，均是針對型式檢驗(yàn)，不適用于產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)控制簡便、響應(yīng)迅速、安全可靠等要求，采用電動缸作為模擬負(fù)載是最佳的設(shè)計(jì)方案。

電動缸是以伺服電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等各種類型電動機(jī)為動力源，以不同形式的絲杠（或螺母）為傳動機(jī)構(gòu)，帶動缸筒或負(fù)載做往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)電一體化產(chǎn)品。利用伺服電機(jī)等良好的控制特性，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)輸出推力、速度和位置的精確控制。相對于能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動的其它元件，如液壓缸、氣缸等，電動缸傳動介質(zhì)不受溫度、壓縮比等影響，更加安全可靠，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。模塊化的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使之成為自動化非標(biāo)設(shè)備領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、控制精度高、響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 檢測原理

如圖3所示，檢測裝置由底座1、安裝軸14和電動缸2和傳動盤9等零部件組成。其中，檢測對象由對象軸向安裝在安裝軸14上，軸向用端面蓋板5密封固定，并通過氣接頭3提供壓縮空氣，由雙聯(lián)閥4調(diào)節(jié)氣壓，制動芯板組件7和離合芯板組件6呈十字交叉形，通過各自定位銷固定在傳動盤9上的T形安裝槽中。傳動盤9通過滾動軸承11空套安裝軸14上，安裝軸14通過鍵聯(lián)接安裝在底座1上，軸向用固定板13鎖緊定位。

圖3 檢測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

檢測離合扭矩時，壓縮空氣經(jīng)雙聯(lián)閥4按雙聯(lián)閥4設(shè)定的氣壓由氣接頭3進(jìn)入離合制動器氣缸內(nèi)腔，克服彈簧阻力壓緊離合芯板組件6。此刻控制系統(tǒng)發(fā)出指令驅(qū)動電動缸組2按設(shè)定的推力推動傳動盤9運(yùn)動，在一組電動缸形成的扭矩大于離合制動器最大離合扭矩時，傳動盤9帶動離合芯板組件6與離合制動器上的摩擦副產(chǎn)生滑移，光柵尺15檢測到電動缸2產(chǎn)生位移，即離合失效，向上位機(jī)發(fā)送指令，結(jié)束檢測，數(shù)據(jù)采集電路發(fā)送的信號經(jīng)處理后在組態(tài)屏上以曲線形式顯示；檢測制動扭矩時，雙聯(lián)閥4排氣，彈簧復(fù)位壓緊制動芯板組件7，一組電動缸按設(shè)定推力推動傳動盤9帶動制動芯板組件7運(yùn)動，同上所述，產(chǎn)生滑移時記錄下最大峰值。由于離合和制動聯(lián)鎖，因此在測試離合、制動扭矩時，芯板組之間不會相互干涉，使得檢測裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡捷。

3.2.2 電動缸選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用國內(nèi)某品牌系列大推力活塞桿式電動缸，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 電動缸選型參數(shù)

表2中所示的一組電動缸在工作時形成的扭矩，加上傳動盤的杠桿效應(yīng)，使裝置的檢測范圍涵蓋了表1中的系列產(chǎn)品；加上T形槽固定安裝銷和離合制動器孔徑可變套等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系列產(chǎn)品同臺檢測的設(shè)計(jì)要求。

4 檢測裝置測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

根據(jù)檢測要求，離合制動扭矩可以通過伺服電動缸的輸出推力進(jìn)行轉(zhuǎn)化獲得，有效數(shù)值采集范圍可以通過光柵尺檢測離合、制動芯板部件是否產(chǎn)生滑移確定，數(shù)據(jù)采集及處理相對簡便，采用PLC和觸摸屏組態(tài)控制即可實(shí)現(xiàn)。檢測裝置的測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理分析系統(tǒng)如圖4所示，具體由壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器信號采集電路，PLC和組態(tài)屏，電源電路等模塊組成。

圖4 信號采集與測控系統(tǒng)

工作時，根據(jù)檢測對象預(yù)先設(shè)置的工作氣壓，由壓力傳感器采集電動缸輸出推力、光柵尺采集位移信號，經(jīng)I/O輸入接口電路發(fā)送到PLC，再由上位機(jī)的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和顯示、打印等。

4.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件使用靈活的組態(tài)方式，通過與PLC等其它相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、分析處理和控制設(shè)備。檢測裝置的測控系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)開發(fā)的MCGS組態(tài)軟件為開發(fā)平臺[8-9]。

利用MCGS組態(tài)軟件制作的人機(jī)對話界面，通過與下位機(jī)PLC聯(lián)機(jī)通訊，由PLC對氣壓、伺服電機(jī)進(jìn)行控制，采集壓力、位移等信號，并在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)化、處理和顯示等功能。其工作界面如圖5所示。

圖5 軟件界面圖

5 檢測結(jié)果分析

以國內(nèi)某品牌LZ500型離合制動器為檢測對象，對其最大離合扭矩、制動扭矩進(jìn)行檢測。系統(tǒng)初始化后，先以初始驅(qū)動氣壓0.2 MPa檢測有無離合扭矩產(chǎn)生，再以額定氣壓0.55 MPa檢測最大離合扭矩，其結(jié)果如圖6所示。檢測制動扭矩時，在確保壓縮空氣排出、彈簧復(fù)位后進(jìn)行測試，檢測結(jié)果如圖7所示。

圖6 離合扭矩曲線圖

圖7 制動扭矩曲線圖

對照表1中LZ500的離合制動扭矩參數(shù)，檢測結(jié)果顯示的離合扭矩略大，制動扭矩略小，其原因是標(biāo)注是工況下數(shù)據(jù)，檢測的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，因靜摩擦力相對于動摩擦力要大，上述現(xiàn)象屬于正常情況，可以在軟件中修正。此外，系統(tǒng)可以根據(jù)需要，在允許的工作氣壓范圍內(nèi)，設(shè)定不同的氣壓，進(jìn)行多項(xiàng)檢測，檢測結(jié)果既可以曲線形式多項(xiàng)共同顯示，也可選擇單項(xiàng)顯示。

6 結(jié)束語

基于電動缸的組合式氣動干式摩擦離合制動器檢測裝置是針對離合制動器最重要的性能指標(biāo)扭矩進(jìn)行研制，用于產(chǎn)品的出廠檢測，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)、集成度高、操作便捷、制造成本低、靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)。裝置的研制為離合制動器生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的樣機(jī)驗(yàn)證及產(chǎn)品出廠檢測等環(huán)節(jié)提供了檢測方案和設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。