组合式气动干式摩擦离合制动器试验台研制

2015-05-03蒋兆军韦国上

实验技术与管理 2015年11期

王骏，吴迅，蒋兆军，韦国上

（1.无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡 214121；2.江苏无锡智能仪器厂，江苏无锡 214121）

离合制动器是锻压机床的核心功能部件，起传递工作扭矩和传动机构制动的作用，其运行可靠性直接影响到机床的可靠性水平［1］。组合式气动干式摩擦离合制动器因结构紧凑、安全可靠等特点，被广泛使用在6 300kN以下吨位的机械压力机上。随着《GB27607—2011机械压力机安全技术要求》推广实施，其对压力机急停功能的规定将促使刚性离合制动器逐步改型升级成摩擦离合制动器［2］。市场的拓展使得生产厂家急需一个产品优化设计、质量检测的测试平台，同时也为产品行业标准《JB/T 12089—2014锻压机械用组合式气动干式摩擦离合制动器》制订过程中涉及的相关性能指标提供一个试验依据。

1 组合式气动干式摩擦离合制动器原理及其检测要求

1.1 组合式气动干式摩擦离合制动器原理

图1 组合式气动摩擦离合制动器结构

如图1所示，组合式气动干式摩擦离合制动器（以下简称离合制动器）工作时，压缩空气进入气缸内部，推动活塞克服弹簧力将离合芯板压紧在主体上，离合销联接飞轮和离合芯板，将飞轮的转动扭矩传递给主体，带动曲柄滑块机构工作；制动时，压缩空气经进排气孔排出，活塞在弹簧复位力的作用下将制动芯板压紧在气缸上，制动芯板通过制动销固定在压力机床身上，静止的制动芯板带动主体停止旋转，曲柄滑块机构制动［3］。组合式离合制动器具有离合－制动互锁功能，且安全可靠。

1.2 离合制动器性能指标检测要求

根据上述工作原理可知，离合制动器的离合－制动扭矩、进排气灵敏度、温升和平衡等为主要性能指标，决定了离合制动器的性能质量［4］。

（1）离合扭矩。离合扭矩直接影响机械压力机的公称压力，检测离合制动器的离合扭矩ML是为验证其在相应气压和制动弹簧数量下能够传递的最大工作扭矩，即 ML－t曲线（t为时间）。

（2）制动扭矩。制动扭矩MZ直接影响机械压力机的制动角等参数，对操作人员及设备安全至关重要［5］。检测制动扭矩是为验证其在相应气压和制动弹簧数量下离合制动器能够提供的最大制动扭矩，即MZ－t曲线。

（3）进排气灵敏度。进排气灵敏度对机械压力机在单次连续作业状态下能否达到额定工作压力起着决定性作用。检测进排气灵敏度是通过检测气缸内部压力P能否在规定时间达到额定压力值，即P－t曲线。

（4）温升。温升对机械压力机的正常工作十分重要，是衡量离合制动器使用性能的一项重要指标［6］。检测温升，必须待离合制动器正常工作一段时间后，在温度稳定的情况下，其摩擦副上的实时温升T，即T－t曲线。

（5）■平衡。由离合制动器动、静不平衡产生的挠曲变形会给离合制动器传递扭矩和制动带来冲击，降低摩擦副接合的平稳性；同时引起飞轮支撑轴承受载变化，造成轴承变形、发热而引发机械故障。对干式离合制动器而言，检测结果对于修正平衡状况意义不大，主要是评估离合制动器主要回转零件的毛坯铸造、加工安装精度。检测离合制动器的不平衡主要通过测量其高速旋转时的最大振幅来实现，即A－t曲线（A 为振幅）。

2 试验台机械结构设计

2.1 总体设计要求

试验台的检测对象具有规格多、系列化的特点，单个检测对象又需要检测多个性能指标，因此，试验台机械结构设计必须满足下列要求：

（1）模块化。根据检测要求制定模块化检测系统，结构设计配合5个检测模块，在一台试验台上完成上述各个性能的检测。

（2）通用化。检测对象系列、型号各异，如离合扭矩范围从1 100～17 000N·m、安装联接尺寸各不相同，利用可调换的机构设计，满足不同型号的检测对象同台检测，提高效益；

（3）集成化。以机械结构平台为载体，操作系统、控制系统和工况模拟系统相互配合，在同一平台上完成5个检测模块的数据采集、分析处理后显示结果等功能。

一是，养殖草鸡需要较大的放养场地，慈王村拥有丰富的土地资源，村民荒地较多，鸡舍环境干净优越。得天独厚的自然条件极其适宜草鸡养殖。二是，草鸡优良的保健价值日益得到市场的青睐。三是，慈王村领导干部对草鸡散养技术、环境调控与疾病防疫有一定的研究。四是，慈王村地理位置优越，茶园、农家乐数量居多，当地清真食品“爆炒草鸡”远近闻名，草鸡市场供不应求，销售优势明显。

2.2 机械结构设计

如图2所示，由于JH系列高性能机械压力机采用二级传动的结构较为普遍，试验台也以减速器和皮带传动调节离合制动器的转速，采用电机拖动模拟负载。

（1）采用力矩三相异步电机，其具备独特的软机械特性，即负载增加时，转速会自行降低，负载减少时，转速自行升高，并且调幅较宽。电机额定转矩为200 N·m，堵转时间为120s，配以二级传动放大传递扭矩，覆盖检测对象的扭矩范围；

（2）离合、制动扭矩是离合制动器最主要的两项性能指标，为了如实获取检测数据，采用大功率扭矩传感器直接读出检测数据，该传感器的扭矩范围为0～20 000N·m，精度＜±0.5%F.S，避免了换算或转换带来的数据失真［7］；

（3）离合制动器安装部件均可更换，根据检测对象选择不同的安装轴等安装部件，满足不同联接尺寸、不同吨位的离合制动器的安装。试验台实物见图3。

2.3 检测模块设计

根据检测要求，设计模块化检测方案，选取相应功能的传感器，合理布局安放位置，配合机械平台完成数据采集。

（1）离合扭矩检测。如图2所示，离合电机通过减速器、带轮将转矩传递给飞轮，飞轮通过承重轴承空套在扭矩轴Ⅰ上，带动离合制动器离合芯板部件空转，扭矩轴Ⅰ通过扭矩传感器与扭矩轴Ⅱ联接，离合制动器通气接合后，飞轮转矩经离合制动器传递给扭矩轴Ⅰ，此时，制动电机启动，在扭矩传感器两侧形成一个旋向相反的力偶，由扭矩传感器输出离合扭矩数值［8］。

（2）制动扭矩检测。离合制动器处于制动状态，扭矩轴Ⅰ固定不动，制动电机启动带动扭矩轴Ⅱ旋转，在扭矩传感器两侧形成一个旋向相反的力偶，由扭矩传感器输出制动扭矩数值。

图2 试验台机械结构图

图3 试验台外观实物图

（3）灵敏度检测。检测气压的压力传感器安装在旋转气接头的进气口，通过检测达到额定的气压所需的时间和排出气体至正常气压所需时间来评价离合制动器的灵敏度。

（4）温升。待离合制动器工作一段时间温度稳定后，采用在线式非接触式温度传感器测量离合制动器制动摩擦副接合部位的温度［9］，测温精度为测量值的1%或±1℃；

（5）平衡。振动传感器安装于离合制动器的主体零件上，离合电动启动，离合部件接合，带动离合制动器整体旋转，通过检测回转运动过程中的振幅的大小评估离合制动器的平衡状况［10］。

3 试验台测控系统设计

3.1 测控系统硬件设计

根据试验台功能要求，设计的数据采集与控制系统如图4所示，主要由温度、旋转编码器、扭矩、振幅、压力传感器信号采集电路、PLC测控系统、电源电路等模块组成［11］。

测控系统在工作过程中，由编码器采集角度信号、扭矩传感器采集扭矩信号、温度传感器采集摩擦副表面温度、由固定在离合器主体上的振动传感器采集振幅信号，所有采集到的信号再经过I/O输入接口电路送到PLC，通过上位机的组态软件实现数据的处理、传输、显示等。

图4 试验台数据采集与控制系统

3.2 测控系统软件设计

由于组态软件具有灵活的组态方式，可以快速构建工业自动控制系统监控功能的软件系统［12－13］。本试验台数据测控系统软件采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发MCGS组态软件作为组态软件开发平台。

试验台控制软件主要由人机界面、扭矩检测、温度检测等模块组成，如图5所示。由组态软件通过PLC对变频器实现对电机的控制，获得不同转速、气压下所需的测试环境，在不同的条件下，通过PLC对试验台的温度、扭矩、灵敏度等信息进行采集，在上位机上实现所需测量信息的转换、分析、处理、存储和显示等功能［14］。

图5 试验台控制软件系统

4 检测结果分析

试验台检测系统运行时，可以事先根据被测对象设置相应的检测数值范围，提高检测精度，也可以根据需要，选择单项或多项检测。点击检测项目按钮，试验台将根据程序设定好的流程进行机器预热、机构动作、传感器采集数据、分析处理、显示等动作，自动完成项目检测。图6为软件应用界面，检测结果既可以曲线形式多项共同显示，也可单项显示。

根据国内某品牌离合制动器厂家要求，为其2个规格的离合制动器产品做性能检测。首先根据其产品联接尺寸，选择相应的连接固定件，安装完毕后打开软件系统；然后根据被测对象要求对相应的检测范围进行参数设定，逐个启动检测按钮，试验台按程序设定流程对离合、制动扭矩、灵敏度、温升和平衡进行检测。检测结果如图6所示。