电动机械制动器滚珠丝杠设计及可靠性分析

孙 换，张家旖，何卫峰

洛阳百克特科技发展股份有限公司 河南洛阳 471000

目 前，国内外许多大型机械都是利用液压系统实现制动，传统的液压制动系统通过对液压阀的控制来实现制动力大小的控制，如起重机与矿井提升机等大型机械制动[1-2]。长久以来，液压控制一直存在液压油管安装繁琐以及液压油泄漏造成油压不稳的问题，从而影响制动效果，而且，液压油的泄漏也会产生环境污染。为此，国内外众多学者开始研究设计电动机械制动装置，并且取得了一定的进展。电动机械制动装置通过电力驱动电动机，经过一系列的机械运动来达到制动的目的，对比于传统液压制动，有着制动响应快速、无液压泄漏、结构简易的优势[3]。故对电动机械制动装置的研究具有重要的意义。

1 电动机械制动器工作原理及结构

电动机械制动器的运行原理如图1 所示。制动器以 PLC 为控制器，力矩电动机为动力源，制动过程中，通过调整力矩电动机的输入电压，实现对制动力矩的调节，使得电动机械制动器可以根据负载的变化对制动力矩自适应调节，实现安全制动。

图1 电动机械制动器运行原理Fig.1 Operating principle of electric mechanical brake

电动机械制动器基于“动力源—传动机构—执行机构“ 完成作业，电动机械制动器结构如图2 所示。当提升机运行时，此时电动机械机构的电动机反转，经过滚珠丝杠将旋转运动转换为螺母直线运动，拉动螺母压缩滑块，进而压紧碟形弹簧，与螺母连接的闸瓦向左移动，解除制动正压力，完成制动器松闸；当提升机停止时，此时电动机械机构的电动机断电或正转，依靠碟形弹簧的弹力，通过滑块作用到螺母，进而推动闸瓦直线运动挤压制动盘，实现摩擦制动，完成制动器闭闸。与液压制动器相比，电动机械制动器利用力矩电动机提供制动力矩的方法简化了盘式制动器结构，同时也避免了液压泄漏等问题。

图2 电动机械制动器结构Fig.2 Structure of electric mechanical brake

2 滚珠丝杠设计及仿真

2.1 滚珠丝杠设计选型

滚珠丝杠是电动机械制动器的关键承载部件，也是电动机械制动器中最薄弱的部件[4-5]。它会因制动电动机的力矩和弹簧预紧力的作用而变形，从而对制动安全性能产生重要的影响。因此必须保证滚珠丝杠的强度和刚度满足实际需求。

电动机械制动器的设计与开发参照 JKMD-5×4 多绳摩擦式矿井提升机进行，提升机参数如表1 所列。

表1 提升机参数Tab.1 Parameters of hoist

电动机械制动器摩擦闸瓦半径为 65 mm，厚度为10 mm。最大制动比压选用 2.0 MPa，提升机闸瓦面积S提与所设计制动器闸瓦面积S制之比为T。

则制动器的制动正压力F可根据提升机制动力F提计算得出。

依据缩比相似原理，电动机械制动器应产生的制动正压力为 26.042 kN，为留有一定余量，以制动正压力 30 kN 为设计目标。碟簧变化包括 2 个阶段：第 1 阶段为闭闸阶段，需达到 30 kN 的预压缩载荷量；第 2 阶段为开闸阶段，在原有基础上再次压缩 1 mm，使得闸瓦与制动盘分离。故设计制动器开闸阶段需要承受 35 kN 的预紧力，因此这里取滚珠丝杠承受最大预紧力作为当量载荷Fm。

根据制动间隙为 1 mm，制动时间不得低于 0.2 s 的设计要求，确定制动器最大移动速度Vmax≥5 mm/s，且丝杠的最大转速为Nmax＝60 r/min，由此可得丝杠的最小导程

在制动系统运行时，由于丝杠的平均转速是远低于最大转速的，故取最大转速的三分之一作为滚珠丝杠的当量转速，即Nm＝20 r/min。

滚珠丝杠选型设计阶段，首先需要确定最小额定动载荷的大小，以计算出的最小额定动载荷作为标准选用滚珠丝杠。

式中：Ca为最小额定动载荷，kN；Lh为工作寿命，取值为 1 000；fw为载荷系数，取值为 1.3；fa为精度系数，取值为 1；fc为可靠性系数，取值为 1。

为了使设计出的滚珠丝杠满足装配需求，根据式 (3)、(4) 计算出的导程P≥5 mm，额定动载荷Ca≥48.35 kN，最终确定滚珠丝杠型号为 SFU5010、SFU5020。

2.2 滚珠丝杠仿真分析

2.2.1 模型导入和简化

采用 SolidWorks 软件建立滚珠丝杠简化模型，并转化为 x_t 格式文件导入到 ANSYS 软件中，完成静力和疲劳寿命分析[6-7]。滚珠丝杠的结构参数如表2所列，滚珠丝杠仿真模型如图3 所示。

表2 滚珠丝杠的结构参数Tab.2 Structural parameters of ball screw mm

图3 滚珠丝杠仿真模型Fig.3 Simulation model of ball screw

2.2.2 定义材料参数

滚珠丝杠模型参数导入后，需要对材料属性进行设置。根据设计要求，滚珠丝杠中的零件材料参数如表3 所列。

表3 滚珠丝杠材料参数Tab.3 Material parameters of ball screw

2.2.3 网格划分

采用四面体网格划分的方法，滚珠与螺母和丝杠接触面单元尺寸设置为 0.5 mm，其余丝杠部分单元尺寸设置为 3 mm。

2.2.4 定义边界条件

考虑结构运行需要克服摩擦力，故设置滚珠与丝杠和螺母之间为摩擦接触，摩擦因数设置为 0.1。在丝杠表面施加固定约束，滚珠丝杠在运转过程中受到碟形弹簧的预紧力为 35 kN，故设置螺母左端面施加35 kN 的载荷力，方向指向螺母左端面。应力云图和总变形云图是研究滚珠丝杠强度和刚度的重要依据。SFU5010、SFU5020 滚珠丝杠的仿真云图如图4、5所示。

图4 SFU5010 滚珠丝杠仿真云图Fig.4 Simulation contours of SFU5010 ball screw

图5 SFU5020 滚珠丝杠仿真云图Fig.5 Simulation contours of SFU5020 ball screw

由图4、5 可以看出：2 个型号的滚珠丝杠最大变形量分别为 0.044、0.039 mm，变形量几乎相近；2个滚珠丝杠整体受力都比较均匀，最大应力都集中在滚珠与螺母和丝杠接触的区域，分别为 220.23、249.23 MPa，远远小于滚珠丝杠的屈服强度 518.42 MPa，其安全系数为K＝1.5。由于丝杠和螺母受力较小，所以2 个型号的滚珠丝杠强度和刚度都符合要求。

滚珠丝杠的疲劳寿命[8]如图6 所示。由图6 可以看出，2 个滚珠丝杠的疲劳寿命的最小值分别是3.675×109、1.852×108次，所承受的应力循环次数都远高于 1×107。由此可以判定 2 个型号的滚珠丝杠对应的疲劳寿命都满足需求。

图6 滚珠丝杠疲劳寿命Fig.6 Fatigue life of ball screw

2.3 仿真结果比较

初始模型和设计模型的仿真结果如表4 所列。

表4 初始模型和设计模型的仿真结果Tab.4 Simulation result of initial model and design model

由表4 可以看出，与初始模型相比，根据理论设计的滚珠丝杠最小疲劳寿命都远高于初始滚珠丝杠，且最小疲劳寿命都高于 1×107次，满足设计要求；最大变形量相差不大，最大应力约为初始模型最大应力的二分之一。由此可以确定设计的滚珠丝杠刚度和可靠性高于初始模型，且在设计的滚珠丝杠中，SFU5010 滚珠丝杠可靠性高于 SFU5020 滚珠丝杠。综合考虑，最终确定选用 SFU5010 滚珠丝杠作为电动机械制动器的传动部件。

3 电动机械制动器可靠性试验

3.1 试验台搭建

试验台主要由电动机械制动系统和信号采集系统2 部分组成。

3.1.1 电动机械制动系统

电动机械制动系统主要是由动态电动机械制动器和控制箱组成，如图7、8 所示。

图7 动态电动机械制动器Fig.7 Dynamic electric mechanical brake

图8 控制箱Fig.8 Control panel

3.1.2 信息采集系统

信息采集系统是通过传感器采集数据，研究电动机械制动系统的可靠性能和制动性能，主要包括传感器、数据采集卡和计算机。传感器采集的数据通过数据采集卡进行转换，传递到计算机的 LabVIEW 软件中，最后对采集到的数据进行对比、分析研究系统性能。其中采集转速所用的传感器是编码器，采集信号通过 PLC 转换和计算得到转速数据。数据采集卡如图9 所示。

图9 数据采集卡Fig.9 Data acquisition card

在试验中需要采集的电动机械制动系统参数有闸盘转速、闸盘温度和制动力等。这些参数的数据都是使用相关的传感器实现采集。在轴承的末端通过联轴器与 E6B2-CWZ6C 型号编码器连接，并通过支架固定编码器使编码器垂直于闸盘，在电动机械制动系统制动时，可以采集到飞轮转速的变化，采集的信号反馈至 PLC 中，通过 PLC 程序计算得出电动机的转速。

3.2 试验分析

制动器可靠性是满足提升机安全制动的关键环节，因此有必要对优化后的电动机械制动器进行试验测试，研究制动系统可靠性是否符合要求[9-10]。为此笔者采用定量重复的方法，在确保电动机输入电压为5 V，制动盘转速为 180 r/min 的情况下，重复进行100 次制动试验，不断重复制动和敞闸的步骤，采集每次试验的制动时间，来探究制动系统的可靠性。在试验过程中，温度传感器实时显示，制动盘温度一直处于室温，所以忽视制动盘温度对摩擦因数的影响。由于数据过多，故选择第 1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 这 11 次的制动试验数据进行分析，具体的试验数据如表5 所列。

表5 制动参数对制动时间的影响Tab.5 Influence of brake parameter on braking time

观察表2 中制动时间的变化规律可知，随着制动次数的增加，制动时间一直在 2.0～ 2.1s 之间变化，考虑到试验室场合下，仪器精度及设备质量等问题，试验结果出现小范围波动无法避免，可以忽视这种小范围波动。因此可以从表格中看出，随着制动次数的增加，制动时间几乎不变，电动机械制动器在频繁的重复运行过程后，制动效果依旧可靠。为了更加清晰的观察闸盘转速和制动时间之间的关系，从 11 组数据中取 6 组数据，采用 Origin 将试验数据绘制成点线图，如图10 所示。

图10 闸盘转速随制动时间的变化曲线Fig.10 Curve of brake disc speed variation with braking time

由图10 可知，这 6 组试验数据都比较接近，第60 次制动的数据在 0～1 s 存在一定偏差，考虑到在试验过程中，试验设备加工精度导致的偏差无法避免，转速偏差在可接受范围内。通过分析可知，制动次数增加，制动时间不变，且制动盘转速几乎处于恒减速状态。由此可知，优化后的电动机械制动器制动效果稳定，其可靠性符合要求。

4 结论

电动机械制动器依靠滚珠丝杠传动部件将旋转运动转化为平动，从而达到制动的目的。因此滚珠丝杠的强度与刚度对电动机械制动器的设计至关重要。本文对滚珠丝杠进行选型设计得出以下结论。

(1) 通过电动机械制动器运行预紧力的限制，结合设计公式的计算结果，初步选择 SFU5010、SFU5020 的 2 种滚珠丝杠。随后通过 ANSYS 软件和Ncode 软件对其进行静力分析、疲劳寿命分析，进行数据对比后，选用 SFU5010 滚珠丝杠。

(2) 将选型后的滚珠丝杠组装于电动机械制动器上，进而对其进行可靠性试验。在电动机电压为 5 V、闸盘转速为 180 r/min 的情况下，进行 100 次制动试验，结果制动时间均稳定于 2.0～2.1 s。同时对试验中制动时间与制动转速进行绘图，结果表示其呈线性关系，可知该电动机械制动器制动可靠性稳定，符合运行要求。