基于电动缸的气动离合制动器扭矩检测装置研制

张志平 ，王 超 ，刘杨园 ，王 骏

（1.无锡职业技术学院机械技术学院，江苏 无锡214121；2.江苏无锡智能仪器厂，江苏 无锡214121）

0 引言

离合器和制动器是机械压力机的核心功能部件，在压力机传动系统中承担传递离合扭矩和停车制动的功能。组合式气动干式摩擦离合制动器将离合器与制动器组合在一起，实现离合与制动功能的互锁，并具有结构紧凑、转动惯量小、安全可靠等特点[1]。随着强制性国家标准《GB27607-2011机械压力机安全技术要求》、产品行业标准《JB/T 12089-2014锻压机械用组合式气动干式摩擦离合制动器》等技术标准的推广实施，其对压力机急停功能的要求[2]，使组合式气动干式摩擦离合制动器（以下简称离合制动器）取代了刚性离合制动器，在公称压力6 300 kN及以下的开、闭式机械压力机配套市场中占统治地位；其对产品最大离合、制动扭矩的标记要求[3]，促使制造厂商急需研制专用的扭矩检测装置，以优化设计，提升质量，进一步拓展市场。本文介绍了采用电动缸加载方式研制的离合制动扭矩专用检测装置。

1 离合制动器工作原理

图1为组合式气动干式摩擦离合制动器结构原理图。安装时，离合制动器通过双键与机械压力机的传动轴联接，两根制动销1固定在床身，静止不动。两根离合销9固定在飞轮上，随飞轮一起转动；工作时，压缩空气进入气缸4内腔，推动活塞3克服弹簧7阻力将离合芯板8压紧在主体6上，通过摩擦力将飞轮的转动扭矩传递给主体6，主体带动传动轴驱使曲柄滑块机构工作；制动时，压缩空气排出，活塞3在弹簧7复位力的作用下将制动芯板2压紧在气缸4上，静止的制动芯板2通过摩擦力阻止主体6旋转，进而实现曲柄滑块机构制动[4]。

图1 组合式气动摩擦离合制动器结构原理图

2 检测装置的功能要求

2.1 影响扭矩的因素

由工作原理可知，离合制动器依靠固定在芯板上的摩擦片与对偶面产生的摩擦力来实现扭矩的传递和制动，其计算如下式所示：

其中：M为离合制动器理论扭矩；m为摩擦副数目；μ为摩擦系数；q为摩擦材料上承受的压强；R1、R2分别为摩擦材料工作面的内、外径。见图2。

图2 离合制动器扭矩计算示意图

由上式可知，离合制动扭矩受摩擦副数量、压缩空气压强、摩擦材料摩擦系数、对偶面接触率等多个因素影响。而制动扭矩还取决于制动弹簧复位力克服活塞复位阻尼力与制动芯板压紧后产生的摩擦制动扭矩的大小。

2.2 检测要求分析

综上所述，结合产品行业标准要求，为客观、准确地检测出某一台离合制动器的最大离合和制动扭矩，除摩擦副数量确认为常量，摩擦片的摩擦系数、摩擦对偶面的直径以及平整度等需要在产品原材料采购或制造阶段保证外，检测装置还需要满足下列要求：

（1）压缩空气压强可调。同一型号的离合制动器可以通过增减制动弹簧数量的方式在离合扭矩与制动扭矩之间进行大小调节。按标准要求，一般额定工作气压为0.55 MPa，工作气压允许范围为0.45～0.63 MPa，初始驱动气压应大于0.2 MPa（否则不工作，出于安全考虑）。因此，检测装置设计应考虑压强可调，以便检测多种工况下的扭矩数值。

（2）通用化要求。离合制动器为系列化产品，如表1所列为某企业LZ系列部分离合制动器产品的扭矩和安装尺寸。由此可见，为提高检测装置通用性，满足不同型号产品同台检测的要求，应充分考虑检测模拟负载和安装机构可调的要求。

表1 某品牌LZ系列离合制动器性能及安装参数

（3）集成化。检测装置包括机械结构平台及软件控制系统，需要实现数据采集、分析比较和显示记录等功能集成。

3 检测装置机械结构设计

3.1 设计方案选择

检测离合制动扭矩的实质是检测离合制动器在结合（工作）状态和制动（停车）状态时的静态抵抗扭矩。之前的相关研究中有利用变频电机模拟在工况条件对离合制动器综合性能进行测试的试验台[4]，以液压元器件模拟静态负载的综合性能测试台[5]，以及利用可变惯量飞轮模拟工况的分体式离合器制动器试验台[6]，均是针对型式检验，不适用于产品出厂检验。为实现控制简便、响应迅速、安全可靠等要求，采用电动缸作为模拟负载是最佳的设计方案。

电动缸是以伺服电动机、步进电动机等各种类型电动机为动力源，以不同形式的丝杠（或螺母）为传动机构，带动缸筒或负载做往复直线运动的机电一体化产品。利用伺服电机等良好的控制特性，能够便捷地实现输出推力、速度和位置的精确控制。相对于能够实现直线传动的其它元件，如液压缸、气缸等，电动缸传动介质不受温度、压缩比等影响，更加安全可靠，在工业自动化领域得到了广泛的应用。模块化的机电一体化结构设计使之成为自动化非标设备领域的标准化产品，具有结构简单、传动效率高、控制精度高、响应速度快、环境适应能力强等优点[7]。

3.2 机械结构设计

3.2.1 检测原理

如图3所示，检测装置由底座1、安装轴14和电动缸2和传动盘9等零部件组成。其中，检测对象由对象轴向安装在安装轴14上，轴向用端面盖板5密封固定，并通过气接头3提供压缩空气，由双联阀4调节气压，制动芯板组件7和离合芯板组件6呈十字交叉形，通过各自定位销固定在传动盘9上的T形安装槽中。传动盘9通过滚动轴承11空套安装轴14上，安装轴14通过键联接安装在底座1上，轴向用固定板13锁紧定位。

图3 检测装置机械结构图

检测离合扭矩时，压缩空气经双联阀4按双联阀4设定的气压由气接头3进入离合制动器气缸内腔，克服弹簧阻力压紧离合芯板组件6。此刻控制系统发出指令驱动电动缸组2按设定的推力推动传动盘9运动，在一组电动缸形成的扭矩大于离合制动器最大离合扭矩时，传动盘9带动离合芯板组件6与离合制动器上的摩擦副产生滑移，光栅尺15检测到电动缸2产生位移，即离合失效，向上位机发送指令，结束检测，数据采集电路发送的信号经处理后在组态屏上以曲线形式显示；检测制动扭矩时，双联阀4排气，弹簧复位压紧制动芯板组件7，一组电动缸按设定推力推动传动盘9带动制动芯板组件7运动，同上所述，产生滑移时记录下最大峰值。由于离合和制动联锁，因此在测试离合、制动扭矩时，芯板组之间不会相互干涉，使得检测装置结构紧凑，操作简捷。

3.2.2 电动缸选型

根据设计要求，选用国内某品牌系列大推力活塞杆式电动缸，其性能参数如表2所示。

表2 电动缸选型参数

表2中所示的一组电动缸在工作时形成的扭矩，加上传动盘的杠杆效应，使装置的检测范围涵盖了表1中的系列产品；加上T形槽固定安装销和离合制动器孔径可变套等设计，实现了系列产品同台检测的设计要求。

4 检测装置测控系统设计

4.1 测控系统硬件架构

根据检测要求，离合制动扭矩可以通过伺服电动缸的输出推力进行转化获得，有效数值采集范围可以通过光栅尺检测离合、制动芯板部件是否产生滑移确定，数据采集及处理相对简便，采用PLC和触摸屏组态控制即可实现。检测装置的测控系统数据采集及处理分析系统如图4所示，具体由压力传感器、旋转编码器信号采集电路，PLC和组态屏，电源电路等模块组成。

图4 信号采集与测控系统

工作时，根据检测对象预先设置的工作气压，由压力传感器采集电动缸输出推力、光栅尺采集位移信号，经I/O输入接口电路发送到PLC，再由上位机的组态软件实现数据分析处理和显示、打印等。

4.2 测控系统软件设计

组态软件使用灵活的组态方式，通过与PLC等其它相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场数据采集、分析处理和控制设备。检测装置的测控系统采用昆仑通态开发的MCGS组态软件为开发平台[8-9]。

利用MCGS组态软件制作的人机对话界面，通过与下位机PLC联机通讯，由PLC对气压、伺服电机进行控制，采集压力、位移等信号，并在组态软件中实现信号的转化、处理和显示等功能。其工作界面如图5所示。

图5 软件界面图

5 检测结果分析

以国内某品牌LZ500型离合制动器为检测对象，对其最大离合扭矩、制动扭矩进行检测。系统初始化后，先以初始驱动气压0.2 MPa检测有无离合扭矩产生，再以额定气压0.55 MPa检测最大离合扭矩，其结果如图6所示。检测制动扭矩时，在确保压缩空气排出、弹簧复位后进行测试，检测结果如图7所示。

图6 离合扭矩曲线图

图7 制动扭矩曲线图

对照表1中LZ500的离合制动扭矩参数，检测结果显示的离合扭矩略大，制动扭矩略小，其原因是标注是工况下数据，检测的是静态数据，因静摩擦力相对于动摩擦力要大，上述现象属于正常情况，可以在软件中修正。此外，系统可以根据需要，在允许的工作气压范围内，设定不同的气压，进行多项检测，检测结果既可以曲线形式多项共同显示，也可选择单项显示。

6 结束语

基于电动缸的组合式气动干式摩擦离合制动器检测装置是针对离合制动器最重要的性能指标扭矩进行研制，用于产品的出厂检测，具有机械结构通用性强、集成度高、操作便捷、制造成本低、灵活可靠等优点。装置的研制为离合制动器生产厂家在产品设计过程中的样机验证及产品出厂检测等环节提供了检测方案和设备，具有良好的应用前景。