壓力機(jī)離合制動(dòng)系統(tǒng)磨損及溫升監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

吳旭澤，王路遠(yuǎn)，仲 君

（1．南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2．揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速壓力機(jī)憑借其加工效率高、產(chǎn)品精度高等優(yōu)勢，在電器插件、汽車行業(yè)、能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，沖壓產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和批量生產(chǎn)也對壓力機(jī)的加工精度和加工能力提出了更高的要求[1]。

此外，中國制造2025提綱挈領(lǐng)地提出了“加快發(fā)展智能網(wǎng)絡(luò)化裝備，實(shí)施智能制造重大專項(xiàng)、‘?dāng)?shù)控一代’裝備創(chuàng)新等工程，推動(dòng)智能設(shè)備及關(guān)鍵部件核心技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)化”的發(fā)展方向，為實(shí)現(xiàn)鍛壓行業(yè)的技術(shù)升級指明了方向[2]。壓力機(jī)離合器制動(dòng)器系統(tǒng)作為控制壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和停止的主要部件[3，4]，對其進(jìn)行在線的狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)警，對于保證機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)和提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

在此背景下，針對結(jié)構(gòu)緊湊的組合式離合制動(dòng)器，運(yùn)用傳感器技術(shù)與數(shù)據(jù)模型測量摩擦片的實(shí)時(shí)磨損量和實(shí)時(shí)溫升，研發(fā)了一套應(yīng)用于復(fù)雜工況下的壓力機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了離合制動(dòng)器物理信息的實(shí)時(shí)獲取與監(jiān)控。并針對飛輪軸承部件易發(fā)熱、運(yùn)行工況復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了軸承無線測溫系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)該部分的溫升在線監(jiān)控。實(shí)際應(yīng)用表明，本文所提出的系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了離合制動(dòng)器和飛輪軸承的運(yùn)行監(jiān)控和故障預(yù)警，具有良好的操作性和交互性，對保證機(jī)床安全生產(chǎn)和高效運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)機(jī)床的信息化具有重要意義。

1 離合制動(dòng)器監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)摩擦片磨損量監(jiān)測、摩擦盤溫度監(jiān)控和飛輪軸承溫度測量，并完成數(shù)據(jù)存儲、分析、顯示和故障預(yù)警。監(jiān)控系統(tǒng)的原理見圖1。

2 摩擦片磨損與溫升監(jiān)控方案

（1）摩擦片磨損量測量。傳統(tǒng)的摩擦片磨損檢測方案為離線檢測其厚度變化以測量磨損量。本文提出的在線式磨損監(jiān)測方案通過監(jiān)測離合制動(dòng)器壓盤的軸向位移量，間接獲取制動(dòng)器和離合器摩擦片的總磨損量，具有響應(yīng)速度快、測量便捷等優(yōu)點(diǎn)。

離合器工作時(shí)壓盤處于旋轉(zhuǎn)工況下，摩擦片磨損過程中存在磨屑飛濺的現(xiàn)象，因此不宜采用接觸式測量或激光測距等方法。在此，選用電渦流位移傳感器測量與壓盤固連的工裝的軸向位移，間接獲取摩擦片的磨損信息。測量方案的原理示意圖如圖2a所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

（2）摩擦片溫升測量。機(jī)床運(yùn)行過程中，離合制動(dòng)器存在較大振動(dòng)，采用傳統(tǒng)的接觸式測溫方案不利于測溫元件與被測表面的接觸和溫度的穩(wěn)定獲取。本文采用非接觸式紅外測溫傳感器測量摩擦片的溫度，并實(shí)時(shí)輸出至機(jī)床控制器。測量方案的原理示意圖如圖2a所示。

圖2 系統(tǒng)原理示意圖

（3）飛輪軸承溫升測量。飛輪運(yùn)行過程中處于高速旋轉(zhuǎn)工況，采用有線式測溫系統(tǒng)將導(dǎo)致信號采集困難和信號不穩(wěn)定。本文運(yùn)用抗強(qiáng)磁強(qiáng)電干擾的無線測溫系統(tǒng)獲取軸承處的溫度信息，通過現(xiàn)場總線將溫度數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)床控制器。測溫方案的部分硬件安裝示意如圖2b所示。

3 摩擦片磨損量在線檢測方法

測量離合器壓盤位移以獲取磨損量為間接測量方法，需要首先獲取壓盤位于極限位置時(shí)傳感器的示數(shù)，之后通過比較極限位置的位移和實(shí)時(shí)位移獲取磨損量。通過PLC對離合器的控制信號，判斷傳感器當(dāng)前示數(shù)為壓盤處于制動(dòng)部或離合部。摩擦片磨損量檢測的技術(shù)原理見圖3。

依據(jù)邏輯原理編寫PLC數(shù)據(jù)處理程序，并在模塊化封裝后于機(jī)床PLC主程序中調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)位移傳感器的端口數(shù)據(jù)向離合制動(dòng)器摩擦片磨損量的轉(zhuǎn)化。

4 離合制動(dòng)器監(jiān)控交互界面設(shè)計(jì)

磨損量和摩擦片溫度是離合制動(dòng)器工作過程中的重要物理參數(shù)，需要在監(jiān)控界面中同時(shí)顯示磨損量、主軸轉(zhuǎn)速和摩擦片溫升，以便技術(shù)人員對離合制動(dòng)器的整體工作狀態(tài)做出判斷。

圖3 摩擦片磨損量檢測原理

設(shè)計(jì)相應(yīng)的HMI人機(jī)交互界面，界面所顯示的項(xiàng)目與可執(zhí)行操作包括：①顯示離合制動(dòng)器處于離合器或制動(dòng)器的工作狀態(tài)，顯示主軸轉(zhuǎn)速；②顯示位移傳感器和紅外測溫傳感器的實(shí)時(shí)測量值，并記錄位移傳感器的變化趨勢；③通過“極限設(shè)定”可以設(shè)定離合器或制動(dòng)器摩擦片的磨損極限閾值，用于磨損狀態(tài)的判定和磨損預(yù)警；④通過“初始化”按鈕設(shè)定傳感器的初始位置xz和xc，用以計(jì)算摩擦片的實(shí)時(shí)磨損量。該項(xiàng)為摩擦片安裝后的初始化操作，需要設(shè)定相應(yīng)權(quán)限。

圖4 離合制動(dòng)器監(jiān)控界面

5 總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)離合制動(dòng)器和飛輪軸承的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控，本文以組合式離合制動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，運(yùn)用傳感器技術(shù)與數(shù)據(jù)模型測量其摩擦片的磨損量和實(shí)時(shí)溫升。同時(shí)，針對飛輪軸承部件易發(fā)熱、運(yùn)行工況復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套有效的無線測溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫升的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)采用交互式HMI界面實(shí)現(xiàn)離合制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)行監(jiān)控和故障預(yù)警。

實(shí)際應(yīng)用表明，本文所提出的系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了離合制動(dòng)器和飛輪軸承的運(yùn)行監(jiān)控和故障預(yù)警，在高速壓力機(jī)上取得了良好的效益，對保證機(jī)床安全生產(chǎn)和高效運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)機(jī)床的信息化具有一定借鑒意義。