一種負(fù)載敏感式剎車結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

楊 濤，鐘星能，周珍明，唐 超，陳 強

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

電動絞車作為重力負(fù)載特性設(shè)備，其核心是具有可控的剎車能力。電動絞車和液壓絞車的巨大區(qū)別是液壓絞車具有隨時停車自鎖能力，對于電動絞車而言剎車是其核心部件，絞車系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其基本功能如下：

a.正常啟動工作時，可靠提升，將負(fù)載提升至要求高度，系統(tǒng)具有足夠的強度；

b.正常或者應(yīng)急工作時，操縱提升控制，通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)吊掛載荷的上升、下降及空載狀態(tài)下鋼纜的上升和下降；

c.在上升和下降過程中，主機斷電，提升機構(gòu)能夠在當(dāng)前位置實現(xiàn)懸停；

d.斷電狀態(tài)下機構(gòu)具有足夠的制動能力，同時可以通過手動接口實現(xiàn)正常操作。

目前，電動絞車行業(yè)內(nèi)均采用帶有自鎖功能的傳動機構(gòu)實現(xiàn)，如蝸輪蝸桿傳動、四象限運行電機控制模式等方案。蝸輪蝸桿傳動效率很低，使得系統(tǒng)復(fù)雜且笨重，功耗大；隨著大功率電子器件的發(fā)展，四象限運行的電機控制模式是一個在技術(shù)上比較先進的方式，但是應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境，可靠性不高。

結(jié)合復(fù)雜的機載環(huán)境特性，設(shè)計一種負(fù)載敏感式剎車結(jié)構(gòu)，利用負(fù)載重力作用產(chǎn)生剎車轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)重力特性負(fù)載的制動懸停和可控下放。其具有較高的傳動效率，提升過程達(dá)到齒輪傳動的效率。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可有效降低機載無效載重。

1 主要技術(shù)指標(biāo)確定

負(fù)載敏感式剎車作為電動絞車的核心部件，其安裝在電動絞車的傳動鏈中。負(fù)載敏感式剎車的各項指標(biāo)由分解電動絞車的技術(shù)指標(biāo)過程中而來。電動絞車的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a.提升重量：≥750 kg；

b.過載狀態(tài)下，機構(gòu)應(yīng)自行可靠停車制動，不得損壞結(jié)構(gòu)；

c.接收到停車信號時，必須確保卷筒及時可靠制動，不得因吊掛載荷作用出現(xiàn)溜車。

表1為系統(tǒng)分解的負(fù)載敏感式剎車主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 負(fù)載敏感式剎車主要技術(shù)指標(biāo)

2 技術(shù)方案分析

2.1 技術(shù)方案

絞車的特殊性需要，無論是從可靠性和安全性上對剎車是有嚴(yán)格要求的，本項目剎車設(shè)計的主要工作內(nèi)容是解決重力特性負(fù)載下的下放問題。重力特性負(fù)載是矢量負(fù)載，其方向不變，因此剎車設(shè)計采用超越離合器作為單向運動部件，保證提升過程電機輸出轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩提升負(fù)載。而怎樣利用負(fù)載特性產(chǎn)生剎車轉(zhuǎn)矩從而制動，是剎車設(shè)計的重要方向。將重力負(fù)載轉(zhuǎn)化為剎車的剎車力矩，需要采用摩擦離合器結(jié)構(gòu)，而怎樣獲取剎車初始行為，是負(fù)載敏感式剎車的核心內(nèi)容。

采用摩擦離合器和超越離合器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式，利用球形鋼珠在螺旋圓弧槽內(nèi)的運行特性獲得負(fù)載產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩的初始行為。

2.2 方案原理

負(fù)載敏感式可控剎車，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

當(dāng)整機處于提升工作狀態(tài)時，自動剎車組件根據(jù)負(fù)載的大小，決定剎車力矩的大小，從而使輸入轉(zhuǎn)矩驅(qū)動主動盤驅(qū)動從動盤(小齒輪)輸出力矩，提升負(fù)載。

當(dāng)剎車組件處于帶載下降時，必須提供與提升負(fù)載時方向相反的輸入轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動主動盤反向旋轉(zhuǎn)，才能驅(qū)動自動剎車組件轉(zhuǎn)動。

圖1 剎車組件的工作原理

超越離合器組件通過棘輪結(jié)構(gòu)[1]實現(xiàn)單向旋轉(zhuǎn)，反向逆止功能。當(dāng)電機斷電負(fù)載的下降勢能產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過摩擦盤傳遞到超越離合器上，并將該反向力矩傳遞到絞車結(jié)構(gòu)件上，反之電機產(chǎn)生反電勢，而燒毀電機。剎車組件能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)剎車的關(guān)鍵在于摩擦盤、帶收尾的圓弧槽的主動盤、帶鋼球的三角盤和帶收尾的圓弧槽的從動盤，這種結(jié)構(gòu)使剎車組件的剎車能力與負(fù)載相互關(guān)聯(lián)，隨著負(fù)載增加，鋼球在槽內(nèi)的位置產(chǎn)生擠壓摩擦盤的趨勢，摩擦盤上的正壓力隨之增大，傳遞的力矩隨之增加，保證了在絞車工作過程中，隨時都能可靠剎車。

超越離合器組件使用了單向軸承，使得超越離合器可以單方向自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生反方向的力矩時單向軸承的逆止功能將該力矩傳遞到主體結(jié)構(gòu)上從而保護電機，且負(fù)載停在相應(yīng)的高度位置。其設(shè)計結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。

圖2 剎車結(jié)構(gòu)形狀

剎車工作的工況為電機斷電或中途懸停，當(dāng)出現(xiàn)這些工況時，由于起重負(fù)載的反作用力將使得重物勢能轉(zhuǎn)換為傳動組件的動能并反向傳遞，整機轉(zhuǎn)速比較大，使得剎車端部的主動小齒輪高速運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)剎車需要較多的摩擦片結(jié)構(gòu)來吸收瞬間的動能。

3 動力學(xué)分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析

負(fù)載敏感式剎車爆炸圖如圖3所示。由殼體、離合器殼體、超越離合器、擋圈、卡券、軸承和摩擦組件構(gòu)成。

圖3 剎車組件爆炸圖

摩擦組件裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]圖見圖4。主動、從動齒輪上設(shè)計有螺旋圓弧槽結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示。

圖4 摩擦組件結(jié)構(gòu)圖

圖5 從動齒輪結(jié)構(gòu)圖 圖6 主動齒輪結(jié)構(gòu)圖

3.2 力學(xué)分析

沿著滾珠鎖在位置的截面展開，滾珠在主、從動齒輪上螺旋圓弧槽內(nèi)的特征近似，如圖9所示。

螺旋圓弧槽參數(shù)：節(jié)距d：35 mm；螺距L：35 mm；掃略直徑：5.4 mm。

螺旋圓弧槽螺旋升角計算如下式：

(1)

對于負(fù)載敏感式剎車而言，其剎車轉(zhuǎn)矩的大小取決于末端負(fù)載的大小，顧名思義，負(fù)載越大，剎車獲取的剎車力矩也越大，其運行過程中的動力學(xué)分析[3]需要針對不同的負(fù)載狀態(tài)和上升、下放過程進行分別討論。

一般來說負(fù)載敏感式剎車不承受與提升過程相反的負(fù)載能力，相反的負(fù)載能力產(chǎn)生的從動齒輪位移會直接導(dǎo)致剎車卡死，因此，此類負(fù)載在絞車工作過程中也盡可能避免產(chǎn)生，一般來說對其有影響的是空載過程中的阻力。此處我們將空載和小于機構(gòu)固有摩擦力的重力負(fù)載稱之為輕載，而可以克服機構(gòu)摩擦力產(chǎn)生下放趨勢的負(fù)載為重載[2]。

為了簡化分析結(jié)構(gòu)，螺旋圓弧槽與圓球的接觸方式近似為圓柱與斜面接觸，斜面傾斜角度為ψ，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的力為F，近似計算式：

F=T/r

(2)

式中：T為阻力轉(zhuǎn)矩；r為螺旋圓弧槽半徑。

討論一：輕載狀態(tài)下，電機驅(qū)動傳動機構(gòu)需克服機構(gòu)摩擦阻力實現(xiàn)上升和下放方向的運行。

上升狀態(tài)：由于機構(gòu)阻力與絞車運行方向相反，當(dāng)剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時，超越離合器方向為順轉(zhuǎn)運行狀態(tài)，因此，摩擦片是否能夠獲取摩擦力鎖死可以不考慮，也就是說此過程即使有更大的阻力，絞車也能夠?qū)恿ο蚰┒藗鬟f。

下放狀態(tài)：輕載狀態(tài)下，機構(gòu)阻力與絞車運行方向相反，此時剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時，超越離合器方向為逆止?fàn)顟B(tài)，若想驅(qū)動絞車順利向下放方向運行，則運行過程中從動齒輪不允許出現(xiàn)位移，保持摩擦片和墊片為松弛狀態(tài)，從動輪將動力傳遞給后級主動齒輪，從而驅(qū)動系統(tǒng)運行。

復(fù)位彈簧彈力與背壓彈簧的彈力差值以及綜合軸向阻力Fz與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力Ft存在如下關(guān)系：

Ft=Fcosψ

(3)

驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切向力Fτ與阻力轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力Fzτ存在如下關(guān)系：

Fτ=Fsinψ

(4)

當(dāng)螺旋升角已定，則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力和切向力的比例已定，需盡量降低剎車后端傳動鏈在全溫度域內(nèi)的阻力，以獲得較寬的法向力和切向力的比例范圍，降低系統(tǒng)設(shè)計難度。可以通過調(diào)整復(fù)位彈簧和背壓彈簧的彈力值來調(diào)節(jié)螺旋升角值，但是彈簧會帶來觸法行為難以獲取的困難。

討論二：重載狀態(tài)下，電機驅(qū)動傳動機構(gòu)需克服機構(gòu)重力負(fù)載實現(xiàn)上升和下放方向的運行。

上升狀態(tài)：由于重力負(fù)載方向與絞車運行方向相反，當(dāng)剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時，超越離合器方向為順轉(zhuǎn)運行狀態(tài)，因此，摩擦片受到反向作用力鎖死，摩擦組件為剛體結(jié)構(gòu)，電機拖動重物上升；上升狀態(tài)停止，超越離合器鎖定，由于摩擦組件鎖定，為剛體狀態(tài)，保持懸停狀態(tài)。

下放狀態(tài)：重載狀態(tài)下，重力負(fù)載與絞車運行方向相同，此時剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時，超越離合器方向為逆止?fàn)顟B(tài)，若想驅(qū)動絞車順利向下放方向運行，則運行過程中電機需驅(qū)動從動齒輪松開鎖緊的摩擦片，保持摩擦片和墊片為松弛狀態(tài)，從動輪將動力傳遞給后級主動齒輪從而驅(qū)動系統(tǒng)運行，該過程是一個快速變化的動態(tài)過程。

該過程中電機速度與重物加速度匹配有重要的關(guān)系，當(dāng)下放過程中重物下放加速度大于電機下放轉(zhuǎn)速時，由于剎車前后級出現(xiàn)速度差，剎車很快鎖定減速，而當(dāng)速度一旦低于電機轉(zhuǎn)速，則由電機克服剎車力解開剎車鎖定，松開剎車片，繼續(xù)下放，直至剎車兩端速度匹配，剎車勻速下放。

因此，在設(shè)計過程中需要充分考慮剎車前后級速度匹配，該運行過程存在臨界轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速，則會導(dǎo)致剎車功能喪失，出現(xiàn)溜車失速。

負(fù)載敏感式剎車是利用滾珠在螺旋圓弧槽內(nèi)的運行敏感度獲得剎車觸發(fā)初始行為的，因此對復(fù)位彈簧和背壓彈簧的壓力選取也有著嚴(yán)格的要求。在絞車設(shè)計時必須考慮剎車觸發(fā)初始行為的獲取，目前常采用多傳動鏈結(jié)構(gòu)，將其他傳動鏈放置在傳動鏈的前端，即剎車之前的傳動鏈內(nèi)，利用傳動鏈的阻力提高剎車觸發(fā)初始行為獲取的敏感度。

4 整機驗證情況

該負(fù)載敏感式剎車研制完成后與系統(tǒng)進行了多方面的性能試驗測試。主要進行了空載性能試驗、負(fù)載性能及極限負(fù)載性能試驗。

4.1 空載和負(fù)載性能測試

按照圖7進行接線。負(fù)載在吊裝桁架上進行，如圖8、圖9所示。

圖7 空載和負(fù)載性能試驗接線圖

圖8 吊裝懸架工位示意圖

圖9 吊裝懸架工位加載示意圖

在線纜連接完畢后使用上位機進行測試，通過CANTest軟件進行指令操作。

通過電流表對提升機構(gòu)1和提升機構(gòu)2的空載電流和負(fù)載電流進行觀測，通過上位機對機構(gòu)1、機構(gòu)2的響應(yīng)穩(wěn)定時間、反饋轉(zhuǎn)速進行測量，試驗結(jié)果見表2。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品的性能指標(biāo)滿足任務(wù)書提出的要求。

表2 系統(tǒng)額定負(fù)載性能測試數(shù)據(jù)

4.2 極限負(fù)載性能試驗

按照圖10進行接線。

圖10 極限負(fù)載測試連接圖

極限負(fù)載單提升機構(gòu)提升質(zhì)量達(dá)到750 kg，詳見表3。

5 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過前兩輪的研制及驗證，在總結(jié)研制試驗問題的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)、功能進行了優(yōu)化，本輪一年時間的研制和試驗，取得了良好的效果。系統(tǒng)功耗是機載預(yù)計功耗的1/3，大大減小了機載電源容量壓力，同時速度及穩(wěn)定時間均能夠滿足系統(tǒng)的需求。各項功能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，對后續(xù)類似產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)具有一定的借鑒和參考價值。

表3 系統(tǒng)極限負(fù)載性能測試數(shù)據(jù)