基于電動缸的氣動離合制動器扭矩檢測裝置研制

張志平 ，王 超 ，劉楊園 ，王 駿

（1.無錫職業技術學院機械技術學院，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械壓力機的核心功能部件，在壓力機傳動系統中承擔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，實現離合與制動功能的互鎖，并具有結構緊湊、轉動慣量小、安全可靠等特點[1]。隨著強制性國家標準《GB27607-2011機械壓力機安全技術要求》、產品行業標準《JB/T 12089-2014鍛壓機械用組合式氣動干式摩擦離合制動器》等技術標準的推廣實施，其對壓力機急停功能的要求[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、閉式機械壓力機配套市場中占統治地位；其對產品最大離合、制動扭矩的標記要求[3]，促使制造廠商急需研制專用的扭矩檢測裝置，以優化設計，提升質量，進一步拓展市場。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構原理圖。安裝時，離合制動器通過雙鍵與機械壓力機的傳動軸聯接，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，隨飛輪一起轉動；工作時，壓縮空氣進入氣缸4內腔，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動扭矩傳遞給主體6，主體帶動傳動軸驅使曲柄滑塊機構工作；制動時，壓縮空氣排出，活塞3在彈簧7復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，進而實現曲柄滑塊機構制動[4]。

圖1 組合式氣動摩擦離合制動器結構原理圖

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生的摩擦力來實現扭矩的傳遞和制動，其計算如下式所示：

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

圖2 離合制動器扭矩計算示意圖

由上式可知，離合制動扭矩受摩擦副數量、壓縮空氣壓強、摩擦材料摩擦系數、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位力克服活塞復位阻尼力與制動芯板壓緊后產生的摩擦制動扭矩的大小。

2.2 檢測要求分析

綜上所述，結合產品行業標準要求，為客觀、準確地檢測出某一臺離合制動器的最大離合和制動扭矩，除摩擦副數量確認為常量，摩擦片的摩擦系數、摩擦對偶面的直徑以及平整度等需要在產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）壓縮空氣壓強可調。同一型號的離合制動器可以通過增減制動彈簧數量的方式在離合扭矩與制動扭矩之間進行大小調節。按標準要求，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，初始驅動氣壓應大于0.2 MPa（否則不工作，出于安全考慮）。因此，檢測裝置設計應考慮壓強可調，以便檢測多種工況下的扭矩數值。

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

表1 某品牌LZ系列離合制動器性能及安裝參數

（3）集成化。檢測裝置包括機械結構平臺及軟件控制系統，需要實現數據采集、分析比較和顯示記錄等功能集成。

3 檢測裝置機械結構設計

3.1 設計方案選擇

檢測離合制動扭矩的實質是檢測離合制動器在結合（工作）狀態和制動（停車）狀態時的靜態抵抗扭矩。之前的相關研究中有利用變頻電機模擬在工況條件對離合制動器綜合性能進行測試的試驗臺[4]，以液壓元器件模擬靜態負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臺[6]，均是針對型式檢驗，不適用于產品出廠檢驗。為實現控制簡便、響應迅速、安全可靠等要求，采用電動缸作為模擬負載是最佳的設計方案。

電動缸是以伺服電動機、步進電動機等各種類型電動機為動力源，以不同形式的絲杠（或螺母）為傳動機構，帶動缸筒或負載做往復直線運動的機電一體化產品。利用伺服電機等良好的控制特性，能夠便捷地實現輸出推力、速度和位置的精確控制。相對于能夠實現直線傳動的其它元件，如液壓缸、氣缸等，電動缸傳動介質不受溫度、壓縮比等影響，更加安全可靠，在工業自動化領域得到了廣泛的應用。模塊化的機電一體化結構設計使之成為自動化非標設備領域的標準化產品，具有結構簡單、傳動效率高、控制精度高、響應速度快、環境適應能力強等優點[7]。

3.2 機械結構設計

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，由雙聯閥4調節氣壓，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 檢測裝置機械結構圖

檢測離合扭矩時，壓縮空氣經雙聯閥4按雙聯閥4設定的氣壓由氣接頭3進入離合制動器氣缸內腔，克服彈簧阻力壓緊離合芯板組件6。此刻控制系統發出指令驅動電動缸組2按設定的推力推動傳動盤9運動，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生滑移，光柵尺15檢測到電動缸2產生位移，即離合失效，向上位機發送指令，結束檢測，數據采集電路發送的信號經處理后在組態屏上以曲線形式顯示；檢測制動扭矩時，雙聯閥4排氣，彈簧復位壓緊制動芯板組件7，一組電動缸按設定推力推動傳動盤9帶動制動芯板組件7運動，同上所述，產生滑移時記錄下最大峰值。由于離合和制動聯鎖，因此在測試離合、制動扭矩時，芯板組之間不會相互干涉，使得檢測裝置結構緊湊，操作簡捷。

3.2.2 電動缸選型

根據設計要求，選用國內某品牌系列大推力活塞桿式電動缸，其性能參數如表2所示。

表2 電動缸選型參數

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，使裝置的檢測范圍涵蓋了表1中的系列產品；加上T形槽固定安裝銷和離合制動器孔徑可變套等設計，實現了系列產品同臺檢測的設計要求。

4 檢測裝置測控系統設計

4.1 測控系統硬件架構

根據檢測要求，離合制動扭矩可以通過伺服電動缸的輸出推力進行轉化獲得，有效數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生滑移確定，數據采集及處理相對簡便，采用PLC和觸摸屏組態控制即可實現。檢測裝置的測控系統數據采集及處理分析系統如圖4所示，具體由壓力傳感器、旋轉編碼器信號采集電路，PLC和組態屏，電源電路等模塊組成。

圖4 信號采集與測控系統

工作時，根據檢測對象預先設置的工作氣壓，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I/O輸入接口電路發送到PLC，再由上位機的組態軟件實現數據分析處理和顯示、打印等。

4.2 測控系統軟件設計

組態軟件使用靈活的組態方式，通過與PLC等其它相關的硬件設備結合，可以快速、方便地開發各種用于現場數據采集、分析處理和控制設備。檢測裝置的測控系統采用昆侖通態開發的MCGS組態軟件為開發平臺[8-9]。

利用MCGS組態軟件制作的人機對話界面，通過與下位機PLC聯機通訊，由PLC對氣壓、伺服電機進行控制，采集壓力、位移等信號，并在組態軟件中實現信號的轉化、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 檢測結果分析

以國內某品牌LZ500型離合制動器為檢測對象，對其最大離合扭矩、制動扭矩進行檢測。系統初始化后，先以初始驅動氣壓0.2 MPa檢測有無離合扭矩產生，再以額定氣壓0.55 MPa檢測最大離合扭矩，其結果如圖6所示。檢測制動扭矩時，在確保壓縮空氣排出、彈簧復位后進行測試，檢測結果如圖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，檢測結果顯示的離合扭矩略大，制動扭矩略小，其原因是標注是工況下數據，檢測的是靜態數據，因靜摩擦力相對于動摩擦力要大，上述現象屬于正常情況，可以在軟件中修正。此外，系統可以根據需要，在允許的工作氣壓范圍內，設定不同的氣壓，進行多項檢測，檢測結果既可以曲線形式多項共同顯示，也可選擇單項顯示。

6 結束語

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扭矩進行研制，用于產品的出廠檢測，具有機械結構通用性強、集成度高、操作便捷、制造成本低、靈活可靠等優點。裝置的研制為離合制動器生產廠家在產品設計過程中的樣機驗證及產品出廠檢測等環節提供了檢測方案和設備，具有良好的應用前景。