壓力機離合制動系統磨損及溫升監控系統設計研究

吳旭澤，王路遠，仲 君

（1．南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2．揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225002）

隨著國民經濟的快速發展，高速壓力機憑借其加工效率高、產品精度高等優勢，在電器插件、汽車行業、能源等領域得到了廣泛的應用。同時，沖壓產品的標準化和批量生產也對壓力機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提綱挈領地提出了“加快發展智能網絡化裝備，實施智能制造重大專項、‘數控一代’裝備創新等工程，推動智能設備及關鍵部件核心技術升級和產業化”的發展方向，為實現鍛壓行業的技術升級指明了方向[2]。壓力機離合器制動器系統作為控制壓力機工作機構運動和停止的主要部件[3，4]，對其進行在線的狀態監控和故障預警，對于保證機床正常運轉和提高生產效率具有重要意義。

在此背景下，針對結構緊湊的組合式離合制動器，運用傳感器技術與數據模型測量摩擦片的實時磨損量和實時溫升，研發了一套應用于復雜工況下的壓力機在線監測系統，有效實現了離合制動器物理信息的實時獲取與監控。并針對飛輪軸承部件易發熱、運行工況復雜的現狀，設計了軸承無線測溫系統以實現該部分的溫升在線監控。實際應用表明，本文所提出的系統有效實現了離合制動器和飛輪軸承的運行監控和故障預警，具有良好的操作性和交互性，對保證機床安全生產和高效運行、實現機床的信息化具有重要意義。

1 離合制動器監測系統整體設計

根據系統要求，監控系統需要實現摩擦片磨損量監測、摩擦盤溫度監控和飛輪軸承溫度測量，并完成數據存儲、分析、顯示和故障預警。監控系統的原理見圖1。

2 摩擦片磨損與溫升監控方案

（1）摩擦片磨損量測量。傳統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測方案通過監測離合制動器壓盤的軸向位移量，間接獲取制動器和離合器摩擦片的總磨損量，具有響應速度快、測量便捷等優點。

離合器工作時壓盤處于旋轉工況下，摩擦片磨損過程中存在磨屑飛濺的現象，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 監控系統原理圖

（2）摩擦片溫升測量。機床運行過程中，離合制動器存在較大振動，采用傳統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，并實時輸出至機床控制器。測量方案的原理示意圖如圖2a所示。

圖2 系統原理示意圖

（3）飛輪軸承溫升測量。飛輪運行過程中處于高速旋轉工況，采用有線式測溫系統將導致信號采集困難和信號不穩定。本文運用抗強磁強電干擾的無線測溫系統獲取軸承處的溫度信息，通過現場總線將溫度數據傳輸至機床控制器。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傳感器的示數，之后通過比較極限位置的位移和實時位移獲取磨損量。通過PLC對離合器的控制信號，判斷傳感器當前示數為壓盤處于制動部或離合部。摩擦片磨損量檢測的技術原理見圖3。

依據邏輯原理編寫PLC數據處理程序，并在模塊化封裝后于機床PLC主程序中調用，最終實現位移傳感器的端口數據向離合制動器摩擦片磨損量的轉化。

4 離合制動器監控交互界面設計

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

圖3 摩擦片磨損量檢測原理

設計相應的HMI人機交互界面，界面所顯示的項目與可執行操作包括：①顯示離合制動器處于離合器或制動器的工作狀態，顯示主軸轉速；②顯示位移傳感器和紅外測溫傳感器的實時測量值，并記錄位移傳感器的變化趨勢；③通過“極限設定”可以設定離合器或制動器摩擦片的磨損極限閾值，用于磨損狀態的判定和磨損預警；④通過“初始化”按鈕設定傳感器的初始位置xz和xc，用以計算摩擦片的實時磨損量。該項為摩擦片安裝后的初始化操作，需要設定相應權限。

圖4 離合制動器監控界面

5 總結

為實現壓力機離合制動器和飛輪軸承的運行狀態在線監控，本文以組合式離合制動系統為研究對象，運用傳感器技術與數據模型測量其摩擦片的磨損量和實時溫升。同時，針對飛輪軸承部件易發熱、運行工況復雜的現狀，設計了一套有效的無線測溫系統實現溫升的實時監控。系統采用交互式HMI界面實現離合制動系統狀態的運行監控和故障預警。

實際應用表明，本文所提出的系統有效實現了離合制動器和飛輪軸承的運行監控和故障預警，在高速壓力機上取得了良好的效益，對保證機床安全生產和高效運行、實現機床的信息化具有一定借鑒意義。