夏向陽(yáng)

(江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇 常州 213166)

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數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)用環(huán)抱式剎車(chē)裝置的研究

夏向陽(yáng)

(江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇 常州 213166)

介紹了一種數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)用環(huán)抱式剎車(chē)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵零件工藝要點(diǎn)，介紹了環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺(tái)剎車(chē)裝置有效剎車(chē)所需液壓壓力和流量的計(jì)算過(guò)程，其中有效剎車(chē)所需液壓壓力先通過(guò)理論經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算范圍，然后再利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)環(huán)抱式剎車(chē)裝置進(jìn)行仿真分析，最終得出有效剎車(chē)需要的油壓壓力。

環(huán)抱式剎車(chē)裝置；液壓壓力和流量；經(jīng)驗(yàn)公式；ANSYS；仿真分析

筆者公司新開(kāi)發(fā)了一款GM50A-5X五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心，準(zhǔn)備于2016年4月份參加在上海舉辦的國(guó)家機(jī)床展覽會(huì)。該機(jī)床的核心功能部件A-C軸五軸搖籃式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)為筆者公司自行研發(fā)生產(chǎn)(如圖1)。A軸、C軸均采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零間隙傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)剛性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能高。A-C軸五軸搖籃式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)不僅需要A軸、C軸能夠連續(xù)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)多角度加工，也需要能夠在特定角度和方向準(zhǔn)確停止，并保持在該位置，以便在該位置進(jìn)行銑削或鉆削，這就要求轉(zhuǎn)臺(tái)的A軸、C軸具有可靠的剎車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前轉(zhuǎn)臺(tái)的典型剎車(chē)機(jī)構(gòu)有端面接觸式剎車(chē)機(jī)構(gòu)和環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)兩種。端面接觸式剎車(chē)機(jī)構(gòu)，這就是俗稱(chēng)碟剎機(jī)構(gòu)，通過(guò)接觸端面之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩達(dá)到有效防松的目的，缺點(diǎn)是剎車(chē)扭矩小、剎車(chē)可靠性差，適用于高轉(zhuǎn)速、小扭矩的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺(tái)剎車(chē)機(jī)構(gòu)，俗稱(chēng)環(huán)剎，通過(guò)接觸的圓環(huán)面之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩達(dá)到有效防松的目的，與碟剎相比，剎車(chē)扭矩大、剎車(chē)效果可靠，適合用在低轉(zhuǎn)速、大扭矩?cái)?shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上。筆者公司本次開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)臺(tái)為低速、大扭矩轉(zhuǎn)臺(tái)，顯然采用環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺(tái)剎車(chē)機(jī)構(gòu)是合適的。筆者對(duì)環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺(tái)剎車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、有效剎車(chē)所需液壓壓力和流量的計(jì)算方法做了深入研究，這里把研究的成果介紹給大家，希望可以為讀者提供有益參考和幫助。

1　轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵零件的工藝要點(diǎn)

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

該轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1的三維外形圖見(jiàn)圖3，環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4的三維外形圖見(jiàn)圖4，剎車(chē)底座2的三維外形圖見(jiàn)圖5。

1.2工作原理

環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4通過(guò)上端12只剎車(chē)環(huán)固定螺釘7與剎車(chē)底座2連接到一起，通過(guò)其下端12只剎車(chē)環(huán)固定螺釘8與剎車(chē)環(huán)固定座5連接到一起，剎車(chē)環(huán)固定座5通過(guò)12只連接螺釘13與剎車(chē)底座2連接到一起，從而使環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4、剎車(chē)底座2、剎車(chē)環(huán)固定座5三者連接成剛性整體。環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4在上下兩端開(kāi)有兩道密封圈槽，在中段開(kāi)有凹槽作為壓力油腔，O型密封圈9和10分別安裝在兩道密封圈槽中，使液壓油能夠被有效密封在壓力油腔內(nèi)。剎車(chē)環(huán)固定座5開(kāi)有2個(gè)密封圈槽，槽內(nèi)安裝2只O型密封圈6形成密閉的液壓油通道，需要?jiǎng)x車(chē)時(shí)液壓壓力油通過(guò)2只液壓管接頭3和液壓油通道進(jìn)入壓力油腔內(nèi)從而建立起壓力。在轉(zhuǎn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1的外圓與環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4的內(nèi)壁保持0.1 mm間隙，從而保證轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1的正常圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要?jiǎng)x車(chē)時(shí)壓力油進(jìn)入環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4的壓力油腔內(nèi)向內(nèi)壓迫環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4的薄壁部分使其產(chǎn)生向內(nèi)0.15 mm左右的變形從而使其內(nèi)壁與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1的外圓緊密接觸產(chǎn)生足夠大的剎車(chē)扭矩使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1穩(wěn)定地保持在正確位置，從而完成剎車(chē)；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1需要再次進(jìn)行圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力油腔內(nèi)壓力油卸荷，環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4通過(guò)自身的彈性恢復(fù)原有狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1的外圓與環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4的內(nèi)壁的0.1 mm間隙再次出現(xiàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1能夠正常進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而完成一個(gè)完整的剎車(chē)、運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。剎車(chē)底座2的圓周上設(shè)計(jì)有首次裝配用排氣孔，在首次裝配時(shí)，將排氣孔中油堵11、組合密封墊12拿掉，使油缸內(nèi)原有空氣有效排空，從而保證剎車(chē)的穩(wěn)定性和可靠性，氣體被排空后將油堵11、組合密封墊12重新安裝好以防漏油。與環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4抱緊的轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1上設(shè)計(jì)有8只冷卻孔，剎車(chē)時(shí)能夠有效散熱，從而提高剎車(chē)機(jī)構(gòu)的使用壽命，提高剎車(chē)機(jī)構(gòu)的可靠性。與環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4抱緊的轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸1的外圓面上設(shè)計(jì)有螺旋槽，這些螺旋槽有兩個(gè)作用：(1)剎車(chē)時(shí)能夠有效散熱，從而提高剎車(chē)機(jī)構(gòu)的使用壽命，提高剎車(chē)機(jī)構(gòu)的可靠性；(2)剎車(chē)時(shí)增加摩擦接觸面摩擦阻力，從而提高剎車(chē)扭矩和剎車(chē)效果。

1.3關(guān)鍵零件的工藝要點(diǎn)

由于環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4是一個(gè)薄壁零件，為了防止變形并保證加工精度，加工時(shí)先把環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4外圓及長(zhǎng)度方向尺寸加工到位，內(nèi)孔保留足夠大的加工余量，然后把環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4用螺釘與剎車(chē)底座2和剎車(chē)環(huán)固定座5可靠連接到一起，再把組合體整體固定到機(jī)床上，將環(huán)抱式剎車(chē)環(huán)4的內(nèi)孔加工至最終尺寸。

2　有效剎車(chē)所需液壓壓力和流量的計(jì)算

這里以轉(zhuǎn)臺(tái)的C軸旋轉(zhuǎn)軸的剎車(chē)機(jī)構(gòu)為例來(lái)說(shuō)明環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺(tái)剎車(chē)機(jī)構(gòu)的有效剎車(chē)所需液壓壓力和流量的計(jì)算過(guò)程。油壓壓力計(jì)算分兩步進(jìn)行，首先根據(jù)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)油壓計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算油壓壓力范圍，再利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，最終得出有效剎車(chē)所需液壓壓力。夾緊油缸的流量可以根據(jù)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)油體積和剎車(chē)反應(yīng)時(shí)間求出。下面來(lái)詳細(xì)介紹計(jì)算過(guò)程。

已知條件：C軸抱閘筒壁內(nèi)徑d=191.2 mm；C軸實(shí)際液體壓力作用長(zhǎng)度L=90.5 mm；C軸抱閘摩擦系數(shù)μ=0.15；C軸夾緊環(huán)采用QSn4-3(Y) 錫青銅；C軸抱閘夾緊缸的儲(chǔ)油部分外半徑R=102.8 mm；C軸抱閘夾緊缸的儲(chǔ)油部分內(nèi)徑r=98.615 mm；C軸抱閘夾緊缸的儲(chǔ)油部分體積V=πR2L-πr2L=3.14×0.905×(1.0282-0.986152)=0.2395L；C軸抱閘夾緊缸的儲(chǔ)油部分充滿(mǎn)反應(yīng)時(shí)間t=0.5 s=0.5/60=0.0083 min；C軸實(shí)際需要的夾緊扭矩T=400 N·m。

上面已知條件中的C軸抱閘筒壁內(nèi)徑、C軸實(shí)際液體壓力作用長(zhǎng)度、C軸抱閘夾緊缸的儲(chǔ)油部分外半徑、C軸抱閘夾緊缸的儲(chǔ)油部分內(nèi)半徑是根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得出的(見(jiàn)圖2)。經(jīng)過(guò)查閱手冊(cè)對(duì)比，由于QSn4-3(Y)錫青銅彈性模量小，相對(duì)容易產(chǎn)生彈性變形，熱膨脹系數(shù)小，耐磨性好，故選取QSn4-3(Y)錫青銅作為剎車(chē)環(huán)的材料[1]。按照上述條件可以根據(jù)以下公式來(lái)估算C軸夾緊油缸所需液壓壓力P的范圍。

式中：P為液體壓力，MPa；T為實(shí)際需要的夾緊扭矩，T=400N·m；d為抱閘筒壁內(nèi)徑，d=0.191 2m；L為實(shí)際液體壓力作用長(zhǎng)度，L=0.090 5m；μ為抱閘摩擦系數(shù)，μ=0.15。

可知：P=0.513MPa

C軸夾緊油缸所需液壓流量Q可以根據(jù)以下公式求出：

Q=V/t=28.85L/min

C軸環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺(tái)剎車(chē)機(jī)構(gòu)有效剎車(chē)所需的液壓壓力一定要大于0.513MPa；所需液壓流量要大于28.85L/min。

上面根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算出了C軸環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)有效剎車(chē)所需的液壓壓力P的范圍，而具體的壓力數(shù)值還要用有限元仿真軟件進(jìn)行分析后給出。下面利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析從而得出C軸有效剎車(chē)所需的液壓壓力P。

C軸剎車(chē)環(huán)采用的材料QSn4-3(Y) 錫青銅的參數(shù)如表1。

表1

密度/(g/cm3)彈性模量/GPa泊松比/v熱膨脹系數(shù)/(10-6/℃)屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa8.893.20.318420550

根據(jù)表1參數(shù)在A(yíng)NSYS的材料參數(shù)中分別定義密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等數(shù)值。為了分析給定油壓后C軸剎車(chē)環(huán)的變形量，先建立C軸剎車(chē)環(huán)(不帶假軸)有限元模型，模型采用20節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元SOLID186，如圖6所示。

根據(jù)估算出來(lái)的壓力范圍結(jié)合市場(chǎng)上同規(guī)格轉(zhuǎn)臺(tái)液壓壓力參數(shù)，先按照3 MPa壓力來(lái)對(duì)C軸剎車(chē)的變形量進(jìn)行有限元分析 。

圖7為C軸剎車(chē)環(huán)(不帶假軸)在3 MPa壓力作用下徑向位移云圖。由圖可知，在3 MPa壓力作用下，C軸剎車(chē)環(huán)的徑向位移為0.100 916 mm。由于剎車(chē)環(huán)和傳動(dòng)軸之間設(shè)計(jì)時(shí)留有0.1 mm間隙，根據(jù)變形數(shù)據(jù)可知3 MPa壓力不足以使剎車(chē)環(huán)對(duì)軸產(chǎn)生有效的夾緊扭矩；需要修正液壓壓力為5 MPa再進(jìn)行分析。

圖8為C軸剎車(chē)環(huán)(不帶假軸)在5 MPa壓力作用下徑向位移云圖。由圖可知，在5 MPa壓力作用下，C軸剎車(chē)環(huán)的徑向位移為0.168 mm，理論上去掉間隙值0.1 mm，5 MPa壓力有可能是可以的。下面用有限元方法來(lái)分析夾緊力和夾緊扭矩。分析時(shí)為了模擬C軸剎車(chē)環(huán)工作時(shí)的實(shí)際工況，在C軸剎車(chē)環(huán)內(nèi)建模時(shí)建立一根假軸。C軸剎車(chē)環(huán)(帶假軸)的有限元模型剖視圖見(jiàn)圖9，假軸與剎車(chē)環(huán)間留有0.1 mm的間隙，模型采用20節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元SOLID186。

剎車(chē)環(huán)與假軸實(shí)體兩頭端面均采用固定約束(見(jiàn)圖10)，剎車(chē)環(huán)與軸之間采用Friction Contact,摩擦系數(shù)為0.15。在C軸剎車(chē)環(huán)的外表面施加均布載荷5 MPa(見(jiàn)圖11)。

圖12 為C軸剎車(chē)環(huán)(帶假軸)在5 MPa壓力下徑向位移云圖，圖13為在5 MPa壓力下C軸剎車(chē)環(huán)對(duì)假軸表面節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生徑向壓力統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，當(dāng)剎車(chē)環(huán)油壓為5 MPa壓力時(shí)，剎車(chē)環(huán)在均布載荷作用下向內(nèi)對(duì)假軸產(chǎn)生壓力，C軸剎車(chē)環(huán)的徑向壓力F為84 742 N(見(jiàn)圖13)，取摩擦系數(shù)0.15，C軸剎車(chē)環(huán)內(nèi)徑為191.2 mm，由此計(jì)算出C軸剎車(chē)環(huán)產(chǎn)生的夾緊扭矩M=μFd/2=0.15×84 742×0.1912/2=1 215 N·m，C軸設(shè)計(jì)剎車(chē)扭矩為400 N·m，1 215 N·m>400 N·m，顯然滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由此可知C軸剎車(chē)環(huán)需要的液壓壓力只要大于5 MPa就可以了。

通過(guò)ANSYS有限元進(jìn)行仿真分析得出結(jié)論：C軸夾緊油缸所需的液壓壓力要大于5 MPa。

3　結(jié)語(yǔ)

(1)在進(jìn)行環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮剎車(chē)環(huán)的有效散熱，從而提高剎車(chē)機(jī)構(gòu)的使用壽命，提高剎車(chē)機(jī)構(gòu)的可靠性。

(2)在進(jìn)行環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮剎車(chē)環(huán)首次裝配時(shí)剎車(chē)環(huán)壓力油腔內(nèi)空氣的排空，否則直接影響剎車(chē)效果。

(3)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)的剎車(chē)環(huán)為薄壁零件，為了防止變形并保證加工精度，內(nèi)孔必須先留余量，組合到其他零件上后再加工。

(4)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算有效剎車(chē)所需要的液壓壓力，估算此壓力主要是為后面的有限元仿真分析提供一個(gè)范圍和方向。

(5)根據(jù)估算出來(lái)的壓力利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析從而計(jì)算出有效剎車(chē)所需要的液壓壓力。

(6)剎車(chē)機(jī)構(gòu)夾緊油缸的流量可以根據(jù)環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)油體積和剎車(chē)反應(yīng)時(shí)間求出。

(7)目前該A-C軸搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)已經(jīng)試制成功，轉(zhuǎn)臺(tái)C軸采用該剎車(chē)機(jī)構(gòu)是可以可靠地把C軸有效夾緊在任意位置的，轉(zhuǎn)臺(tái)液壓系統(tǒng)采用的液壓壓力為5 MPa，采用的液壓流量為30 L/ min，轉(zhuǎn)臺(tái)能夠在通油瞬間(大約0.5 s)被有效剎緊，這充分證明了采用經(jīng)驗(yàn)公式和ANSYS有限元仿真分析軟件相結(jié)合的方式來(lái)計(jì)算環(huán)抱式剎車(chē)機(jī)構(gòu)所需的液壓壓力是完全可行且非常有效的。

[1]陳慧 ，劉海岷，楊群.直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)保式制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014(4):80-81.

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The study of the device of the wrap-around brake used in a type of NC rotary table

XIA Xiangyang

(Jiangsu Shinri Heavy Industry Science and Technology Co.,Ltd., Changzhou 213166,CHN)

In this article, the author introduces the mechanical structure, working principle and the central technology of the pivotal part of the wrap-around brake used in a type of NC rotary table, and the calculation of the hydraulic pressure and flow required for the brake to work effectively. To conclude the pressure, the author first uses empirical formulas to estimate the range of the required pressure. Then the analysis software ANSYS is used to run the simulation analysis and finally the required hydraulic pressure is concluded.

the wrap-around brake； the hydraulic pressure and flow； empirical formulas； ANSYS； the simulation analysis

TH122

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.014

夏向陽(yáng)，男，1975年生，高級(jí)工程師，從事大中型數(shù)控機(jī)床及機(jī)床用功能部件的研究開(kāi)發(fā)工作，已發(fā)表論文20余篇，獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)20項(xiàng)。發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)2項(xiàng)、受理并公開(kāi)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。

(編輯譚弘穎)

2016-02-18)

161018