組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)研制

王 駿，吳 迅，蔣兆軍，韋國(guó)上

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

離合制動(dòng)器是鍛壓機(jī)床的核心功能部件，起傳遞工作扭矩和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制動(dòng)的作用，其運(yùn)行可靠性直接影響到機(jī)床的可靠性水平［1］。組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器因結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等特點(diǎn)，被廣泛使用在6 300kN以下噸位的機(jī)械壓力機(jī)上。隨著《GB27607—2011機(jī)械壓力機(jī) 安全技術(shù)要求》推廣實(shí)施，其對(duì)壓力機(jī)急停功能的規(guī)定將促使剛性離合制動(dòng)器逐步改型升級(jí)成摩擦離合制動(dòng)器［2］。市場(chǎng)的拓展使得生產(chǎn)廠家急需一個(gè)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢測(cè)的測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)也為產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 12089—2014鍛壓機(jī)械用組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器》制訂過程中涉及的相關(guān)性能指標(biāo)提供一個(gè)試驗(yàn)依據(jù)。

1 組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器原理及其檢測(cè)要求

1.1 組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器原理

圖1 組合式氣動(dòng)摩擦離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器（以下簡(jiǎn)稱離合制動(dòng)器）工作時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸內(nèi)部，推動(dòng)活塞克服彈簧力將離合芯板壓緊在主體上，離合銷聯(lián)接飛輪和離合芯板，將飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩傳遞給主體，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作；制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣經(jīng)進(jìn)排氣孔排出，活塞在彈簧復(fù)位力的作用下將制動(dòng)芯板壓緊在氣缸上，制動(dòng)芯板通過制動(dòng)銷固定在壓力機(jī)床身上，靜止的制動(dòng)芯板帶動(dòng)主體停止旋轉(zhuǎn)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)制動(dòng)［3］。組合式離合制動(dòng)器具有離合－制動(dòng)互鎖功能，且安全可靠。

1.2 離合制動(dòng)器性能指標(biāo)檢測(cè)要求

根據(jù)上述工作原理可知，離合制動(dòng)器的離合－制動(dòng)扭矩、進(jìn)排氣靈敏度、溫升和平衡等為主要性能指標(biāo)，決定了離合制動(dòng)器的性能質(zhì)量［4］。

（1）離合扭矩。離合扭矩直接影響機(jī)械壓力機(jī)的公稱壓力，檢測(cè)離合制動(dòng)器的離合扭矩ML是為驗(yàn)證其在相應(yīng)氣壓和制動(dòng)彈簧數(shù)量下能夠傳遞的最大工作扭矩，即 ML－t曲線（t為時(shí)間）。

（2）制動(dòng)扭矩。制動(dòng)扭矩MZ直接影響機(jī)械壓力機(jī)的制動(dòng)角等參數(shù)，對(duì)操作人員及設(shè)備安全至關(guān)重要［5］。檢測(cè)制動(dòng)扭矩是為驗(yàn)證其在相應(yīng)氣壓和制動(dòng)彈簧數(shù)量下離合制動(dòng)器能夠提供的最大制動(dòng)扭矩，即MZ－t曲線。

（3）進(jìn)排氣靈敏度。進(jìn)排氣靈敏度對(duì)機(jī)械壓力機(jī)在單次連續(xù)作業(yè)狀態(tài)下能否達(dá)到額定工作壓力起著決定性作用。檢測(cè)進(jìn)排氣靈敏度是通過檢測(cè)氣缸內(nèi)部壓力P能否在規(guī)定時(shí)間達(dá)到額定壓力值，即P－t曲線。

（4）溫升。溫升對(duì)機(jī)械壓力機(jī)的正常工作十分重要，是衡量離合制動(dòng)器使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)［6］。檢測(cè)溫升，必須待離合制動(dòng)器正常工作一段時(shí)間后，在溫度穩(wěn)定的情況下，其摩擦副上的實(shí)時(shí)溫升T，即T－t曲線。

（5）■平衡。由離合制動(dòng)器動(dòng)、靜不平衡產(chǎn)生的撓曲變形會(huì)給離合制動(dòng)器傳遞扭矩和制動(dòng)帶來(lái)沖擊，降低摩擦副接合的平穩(wěn)性；同時(shí)引起飛輪支撐軸承受載變化，造成軸承變形、發(fā)熱而引發(fā)機(jī)械故障。對(duì)干式離合制動(dòng)器而言，檢測(cè)結(jié)果對(duì)于修正平衡狀況意義不大，主要是評(píng)估離合制動(dòng)器主要回轉(zhuǎn)零件的毛坯鑄造、加工安裝精度。檢測(cè)離合制動(dòng)器的不平衡主要通過測(cè)量其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)，即A－t曲線（A 為振幅）。

2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)對(duì)象具有規(guī)格多、系列化的特點(diǎn)，單個(gè)檢測(cè)對(duì)象又需要檢測(cè)多個(gè)性能指標(biāo)，因此，試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足下列要求：

（1）模塊化。根據(jù)檢測(cè)要求制定模塊化檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合5個(gè)檢測(cè)模塊，在一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)上完成上述各個(gè)性能的檢測(cè)。

（2）通用化。檢測(cè)對(duì)象系列、型號(hào)各異，如離合扭矩范圍從1 100～17 000N·m、安裝聯(lián)接尺寸各不相同，利用可調(diào)換的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足不同型號(hào)的檢測(cè)對(duì)象同臺(tái)檢測(cè)，提高效益；

（3）集成化。以機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)為載體，操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工況模擬系統(tǒng)相互配合，在同一平臺(tái)上完成5個(gè)檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)采集、分析處理后顯示結(jié)果等功能。

一是，養(yǎng)殖草雞需要較大的放養(yǎng)場(chǎng)地，慈王村擁有豐富的土地資源，村民荒地較多，雞舍環(huán)境干凈優(yōu)越。得天獨(dú)厚的自然條件極其適宜草雞養(yǎng)殖。二是，草雞優(yōu)良的保健價(jià)值日益得到市場(chǎng)的青睞。三是，慈王村領(lǐng)導(dǎo)干部對(duì)草雞散養(yǎng)技術(shù)、環(huán)境調(diào)控與疾病防疫有一定的研究。四是，慈王村地理位置優(yōu)越，茶園、農(nóng)家樂數(shù)量居多，當(dāng)?shù)厍逭媸称贰氨床蓦u”遠(yuǎn)近聞名，草雞市場(chǎng)供不應(yīng)求，銷售優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，由于JH系列高性能機(jī)械壓力機(jī)采用二級(jí)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)較為普遍，試驗(yàn)臺(tái)也以減速器和皮帶傳動(dòng)調(diào)節(jié)離合制動(dòng)器的轉(zhuǎn)速，采用電機(jī)拖動(dòng)模擬負(fù)載。

（1）采用力矩三相異步電機(jī)，其具備獨(dú)特的軟機(jī)械特性，即負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)自行降低，負(fù)載減少時(shí)，轉(zhuǎn)速自行升高，并且調(diào)幅較寬。電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為200 N·m，堵轉(zhuǎn)時(shí)間為120s，配以二級(jí)傳動(dòng)放大傳遞扭矩，覆蓋檢測(cè)對(duì)象的扭矩范圍；

（2）離合、制動(dòng)扭矩是離合制動(dòng)器最主要的兩項(xiàng)性能指標(biāo)，為了如實(shí)獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用大功率扭矩傳感器直接讀出檢測(cè)數(shù)據(jù)，該傳感器的扭矩范圍為0～20 000N·m，精度＜±0.5%F.S，避免了換算或轉(zhuǎn)換帶來(lái)的數(shù)據(jù)失真［7］；

（3）離合制動(dòng)器安裝部件均可更換，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象選擇不同的安裝軸等安裝部件，滿足不同聯(lián)接尺寸、不同噸位的離合制動(dòng)器的安裝。試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物見圖3。

2.3 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)模塊化檢測(cè)方案，選取相應(yīng)功能的傳感器，合理布局安放位置，配合機(jī)械平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集。

（1）離合扭矩檢測(cè)。如圖2所示，離合電機(jī)通過減速器、帶輪將轉(zhuǎn)矩傳遞給飛輪，飛輪通過承重軸承空套在扭矩軸Ⅰ上，帶動(dòng)離合制動(dòng)器離合芯板部件空轉(zhuǎn)，扭矩軸Ⅰ通過扭矩傳感器與扭矩軸Ⅱ聯(lián)接，離合制動(dòng)器通氣接合后，飛輪轉(zhuǎn)矩經(jīng)離合制動(dòng)器傳遞給扭矩軸Ⅰ，此時(shí)，制動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，在扭矩傳感器兩側(cè)形成一個(gè)旋向相反的力偶，由扭矩傳感器輸出離合扭矩?cái)?shù)值［8］。

（2）制動(dòng)扭矩檢測(cè)。離合制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)，扭矩軸Ⅰ固定不動(dòng)，制動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)扭矩軸Ⅱ旋轉(zhuǎn)，在扭矩傳感器兩側(cè)形成一個(gè)旋向相反的力偶，由扭矩傳感器輸出制動(dòng)扭矩?cái)?shù)值。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖3 試驗(yàn)臺(tái)外觀實(shí)物圖

（3）靈敏度檢測(cè)。檢測(cè)氣壓的壓力傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)氣接頭的進(jìn)氣口，通過檢測(cè)達(dá)到額定的氣壓所需的時(shí)間和排出氣體至正常氣壓所需時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)離合制動(dòng)器的靈敏度。

（4）溫升。待離合制動(dòng)器工作一段時(shí)間溫度穩(wěn)定后，采用在線式非接觸式溫度傳感器測(cè)量離合制動(dòng)器制動(dòng)摩擦副接合部位的溫度［9］，測(cè)溫精度為測(cè)量值的1%或±1℃；

（5）平衡。振動(dòng)傳感器安裝于離合制動(dòng)器的主體零件上，離合電動(dòng)啟動(dòng)，離合部件接合，帶動(dòng)離合制動(dòng)器整體旋轉(zhuǎn)，通過檢測(cè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的振幅的大小評(píng)估離合制動(dòng)器的平衡狀況［10］。

3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)功能要求，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖4所示，主要由溫度、旋轉(zhuǎn)編碼器、扭矩、振幅、壓力傳感器信號(hào)采集電路、PLC測(cè)控系統(tǒng)、電源電路等模塊組成［11］。

測(cè)控系統(tǒng)在工作過程中，由編碼器采集角度信號(hào)、扭矩傳感器采集扭矩信號(hào)、溫度傳感器采集摩擦副表面溫度、由固定在離合器主體上的振動(dòng)傳感器采集振幅信號(hào)，所有采集到的信號(hào)再經(jīng)過I/O輸入接口電路送到PLC，通過上位機(jī)的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、傳輸、顯示等。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于組態(tài)軟件具有靈活的組態(tài)方式，可以快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的軟件系統(tǒng)［12－13］。本試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)軟件采用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開發(fā)MCGS組態(tài)軟件作為組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)。

試驗(yàn)臺(tái)控制軟件主要由人機(jī)界面、扭矩檢測(cè)、溫度檢測(cè)等模塊組成，如圖5所示。由組態(tài)軟件通過PLC對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，獲得不同轉(zhuǎn)速、氣壓下所需的測(cè)試環(huán)境，在不同的條件下，通過PLC對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的溫度、扭矩、靈敏度等信息進(jìn)行采集，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)所需測(cè)量信息的轉(zhuǎn)換、分析、處理、存儲(chǔ)和顯示等功能［14］。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)控制軟件系統(tǒng)

4 檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以事先根據(jù)被測(cè)對(duì)象設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)值范圍，提高檢測(cè)精度，也可以根據(jù)需要，選擇單項(xiàng)或多項(xiàng)檢測(cè)。點(diǎn)擊檢測(cè)項(xiàng)目按鈕，試驗(yàn)臺(tái)將根據(jù)程序設(shè)定好的流程進(jìn)行機(jī)器預(yù)熱、機(jī)構(gòu)動(dòng)作、傳感器采集數(shù)據(jù)、分析處理、顯示等動(dòng)作，自動(dòng)完成項(xiàng)目檢測(cè)。圖6為軟件應(yīng)用界面，檢測(cè)結(jié)果既可以曲線形式多項(xiàng)共同顯示，也可單項(xiàng)顯示。

根據(jù)國(guó)內(nèi)某品牌離合制動(dòng)器廠家要求，為其2個(gè)規(guī)格的離合制動(dòng)器產(chǎn)品做性能檢測(cè)。首先根據(jù)其產(chǎn)品聯(lián)接尺寸，選擇相應(yīng)的連接固定件，安裝完畢后打開軟件系統(tǒng)；然后根據(jù)被測(cè)對(duì)象要求對(duì)相應(yīng)的檢測(cè)范圍進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，逐個(gè)啟動(dòng)檢測(cè)按鈕，試驗(yàn)臺(tái)按程序設(shè)定流程對(duì)離合、制動(dòng)扭矩、靈敏度、溫升和平衡進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)控制軟件界面

（1）離合扭矩。圖7為新出廠的某個(gè)規(guī)格離合制動(dòng)器在不同的供氣壓力（P＝0.55/0.60MPa）下的離合扭矩的測(cè)試數(shù)據(jù)，由于離合扭矩與摩擦副對(duì)偶面接合度關(guān)聯(lián)較大，雖然被測(cè)離合制動(dòng)器摩擦對(duì)偶面尚需磨合，但檢測(cè)結(jié)果與離合制動(dòng)器的理論設(shè)計(jì)值在趨勢(shì)和數(shù)值上相符［15］；

圖7 離合扭矩曲線

（2）靈敏度。由檢測(cè)方案可知，測(cè)量獲得的時(shí)間包括氣體充盈時(shí)間和電磁閥、氣動(dòng)元件的滯后時(shí)間，圖示實(shí)測(cè)時(shí)間t＝0.18s，剔除元件器額定響應(yīng)滯后時(shí)間后的tc按式（1）計(jì)算，t＜tc。

（3）溫升。在檢測(cè)對(duì)象工作一段時(shí)間后，開啟溫升檢測(cè)模塊?？辙D(zhuǎn)時(shí)溫度趨于穩(wěn)定，離合制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，由于摩擦副瞬間接合產(chǎn)生大量的摩擦熱，溫度有瞬間升高的情況。

（4）平衡。平衡的檢測(cè)通過振幅大小來(lái)衡量，軟件過濾了離合制動(dòng)器接合時(shí)的瞬間峰值，以平均值顯。示，圖示比較平穩(wěn)，可以作為相對(duì)參考值。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)離合制動(dòng)器主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)開發(fā)綜合試驗(yàn)臺(tái)，保證了檢測(cè)方案實(shí)現(xiàn)，該試驗(yàn)臺(tái)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)、集成度高，控制系統(tǒng)靈活可靠、軟件人機(jī)界面友好、易于操作的特點(diǎn)。為離合制動(dòng)器生產(chǎn)廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究提供了檢測(cè)方案和設(shè)備平臺(tái)，具有良好的應(yīng)用前景。

（

）

［1］張根保，張會(huì)杰，鞠萍華，等.某高速?zèng)_床離合制動(dòng)器維修決策模型的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2013，38（4）：68－73.

［2］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.

［3］王駿.組合式氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器的制動(dòng)能力分析［J］.無(wú)錫職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（4）：40－43.

［4］蔡瑞春.機(jī)械壓力機(jī)產(chǎn)品安全質(zhì)量檢驗(yàn)方法淺析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004（6）：15－18.

［5］趙升噸，尹研萍，史維祥.氣動(dòng)摩擦離合器與制動(dòng)器的可靠性設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，1997（12）：23－27.

［6］趙婷婷，賈明全.壓力機(jī)摩擦離合器制動(dòng)器問題分析與改進(jìn)措施［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2010（10）：78－80.

［7］陳慶，黃克亞.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012：4－53.

［8］閆勝利，陳志忠，郁錄平.多功能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺(tái)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2001，20（4）：79－80.

［9］Abdallah，Salah，Abu－Mallouh，et al.Heating systems with PLC and frequency control［J］.Energy Conversion and Management，2008（49）：3356－3361.

［10］黃克.小型回轉(zhuǎn)件平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2002，19（6）：48－50.

［11］查宏民，丁昕，李強(qiáng)，等.汽車座椅部件動(dòng)態(tài)組合試驗(yàn)臺(tái)的研究［J］.測(cè)控技術(shù)，2009（5）：52－55.

［12］曹輝，馬棟萍，王暄，等.組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［13］師玉寶，王正斌，聶冬冬，等.基于MCGS組態(tài)軟件的干燥實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（2）：61－63.

［14］王鵬，周志立，徐立友.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015（3）：95－98.

［15］劉芳，李黎明，夏偉，等.壓力機(jī)中組合式離合制動(dòng)器的正確選用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008（3）：48－49.