呂向陽

(中國船舶重工集團第七二四研究所，南京 211153)

失電制動器抱閘力矩指標(biāo)的應(yīng)用分析

呂向陽

(中國船舶重工集團第七二四研究所，南京 211153)

介紹了艦載雷達中失電制動器抱閘力矩指標(biāo)的使用期望，通過對失電制動器的靜摩擦力矩和動摩擦力矩測量數(shù)據(jù)的分析得到了其使用的3點結(jié)論，為合理選擇滿足使用要求的失電制動器提供了技術(shù)依據(jù)。

動摩擦力矩；靜摩擦力矩；抱閘；動靜摩擦力矩比

Abstract: The application requirements of the brake torque indexes of the power-off brake are introduced in shipborne radars. Three conclusions are drawn through the analysis of the measured data of the kinetic and static friction torque of the power-off brake, providing a technical base for appropriate selection of the power-off brake that meets the application requirements.

Keywords: kinetic friction torque; static friction torque; brake; kinetic-to-static friction torque ratio

0 引 言

縱搖和橫搖兩軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的艦載雷達天線機電穩(wěn)定平臺，其縱搖、橫搖伺服運動分別用于克服艦船的縱搖擺、橫搖擺，其機械傳動裝置輸入端采用電動機提供原動力。電動機的抱閘形式采用失電制動器，結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，使用方便可靠。在斷電情況下，失電制動器抱住電機軸，使其保持不動，從而使天線穩(wěn)定平臺不搖擺，平臺框架與艦甲板保持水平。失電制動器的抱閘力矩分為靜態(tài)和動態(tài)，指標(biāo)的合理性直接影響其在艦載雷達中的使用效果。

1 失電制動器的工作原理

當(dāng)制動器線圈通電時，線圈產(chǎn)生磁場使銜鐵盤吸向磁軛，銜鐵盤與制動盤脫離。當(dāng)線圈斷電時，磁通消失，銜鐵盤被釋放，彈簧施壓于銜鐵盤，將制動盤壓緊，由摩擦力產(chǎn)生制動力矩達到制動的目的。由于制動力矩由摩擦面產(chǎn)生，因此失電制動器一般只用于保持狀態(tài)工作，而不能用于強制停止機器運動。處于運動狀態(tài)的機器必須先減速，待運動停止后再行抱閘。

2 艦載雷達中失電制動器抱閘力矩指標(biāo)的使用要求

衡量失電制動器制動效能的一個重要指標(biāo)是它的抱閘力矩。在單位抱閘制動片面積上產(chǎn)生的抱閘力矩越大失電制動器技術(shù)水平越高，所以在失電制動器設(shè)計、制造行業(yè)中一般只規(guī)定某型號失電制動器的抱閘力矩下限值，即在一定抱閘摩擦片面積的情況下其最低產(chǎn)生多大的抱閘力矩值。一旦失電制動器的摩擦片尺寸定下來，其抱閘力矩的下限值也就基本確定。但是，上限值受到內(nèi)部彈簧性能的影響，變化范圍較大，一般不作規(guī)定，即無上限要求。通常上限值是下限值的1.5～3倍。失電制動器工作時要求電機軸處于靜止?fàn)顟B(tài)下，即松開抱閘或抱閘都是在電機軸不轉(zhuǎn)動的情況下。如果在電機軸運轉(zhuǎn)下斷電抱閘，會導(dǎo)致摩擦片磨損，抱閘力矩下降，嚴重時摩擦片磨平打滑失去制動效能。

在雷達天線系統(tǒng)中采用失電制動器作抱閘的電動機。正常工作模式下，平臺開關(guān)機時，電機軸在抱閘松開后轉(zhuǎn)動，在電機軸停止運動后抱閘，始終使失電制動器在電機軸靜止?fàn)顟B(tài)下工作。然而，在實際工作中偶爾會出現(xiàn)設(shè)備突然斷電、此時電機軸處在高速轉(zhuǎn)動中失電制動器抱閘的情況。從設(shè)備保護安全使用考慮，希望盡量減小抱閘對機械傳動結(jié)構(gòu)的沖擊，必要時寧可失電制動器摩擦片損壞也不能對機械傳動機構(gòu)形成大的沖擊，避免造成嚴重事故。因此，從雷達天線穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺使用角度考慮，一定規(guī)格下的失電制動器靜態(tài)抱閘力矩盡可能大，動態(tài)抱閘力矩要盡量小，并且在經(jīng)過幾次動態(tài)抱閘沖擊后其靜態(tài)抱閘力矩仍能保持在原先的數(shù)值附近，不要下降太多，繼續(xù)保持抱閘效能。

3 失電制動器靜態(tài)、動態(tài)摩擦力矩測量方法

失電制動器報閘力矩的測量方法通常采用天平法和測功法兩種。天平法只能測量靜態(tài)摩擦力矩，測量精度高。測功法可以測量靜態(tài)摩擦力矩和動態(tài)摩擦力矩，測量范圍廣。

3.1 天平法：靜態(tài)摩擦力矩測量

首先將被測失電制動器安裝到一臺電動機后端軸上，失電制動器不通電。在電機軸頭上安裝輔助工裝支架，支架力臂長L，在稱盤上放標(biāo)準(zhǔn)秤砣。當(dāng)電機軸頭轉(zhuǎn)動時，停止放標(biāo)準(zhǔn)秤砣。此時，將標(biāo)準(zhǔn)秤砣數(shù)值相加后得到∑，則靜態(tài)摩擦力矩=∑(kg)×9.8(N/kg)×L(m)。

3.2 測功法：動(靜)態(tài)摩擦力矩測量

測功法安裝連接圖如圖1所示。

圖1 測功法安裝連接圖

將被測失電制動器安裝到一臺電動機后端軸上，然后將電動機安裝到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀上面。

(1) 被測失電制動器不通電，被測電動機軸被抱閘抱住無法旋轉(zhuǎn)。此時，用計算機通過通訊軟件與電機驅(qū)動器建立通訊，然后輸入電機低速轉(zhuǎn)動命令，觀察測量儀轉(zhuǎn)矩讀數(shù)。當(dāng)電機軸轉(zhuǎn)動瞬間時，轉(zhuǎn)矩讀數(shù)會突然發(fā)生較大的躍變，迅速輸入電機停止命令，電機停止轉(zhuǎn)動，讀取躍變前測量儀轉(zhuǎn)矩讀數(shù)，此即為測功法測量的失電制動器靜態(tài)摩擦力矩。

(2) 去除計算機，被測失電制動器加電，抱閘松開。測量儀帶動電機按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一段時間后切斷被測失電制動器供電，失電制動器抱閘，同時讀取測量儀轉(zhuǎn)矩讀數(shù)，此即為測功法測量的失電制動器動態(tài)摩擦力矩。

4 失電制動器靜、動態(tài)摩擦力矩試驗測量策略

為了保證試驗數(shù)據(jù)的有效性、可比性和代表性，試驗選取兩種抱閘力矩規(guī)格(8 Nm和15 Nm)的典型失電制動器。每種規(guī)格隨機選取兩只作為樣品，并且結(jié)合使用兩種測量方法(天平法和測功法)進行測量，制定如下的測量策略。每只樣品將獲得一組測量數(shù)據(jù)用于分析。

(1) 在被測失電制動器動態(tài)抱閘前，天平法測量靜態(tài)摩擦力矩；

(2) 在被測失電制動器動態(tài)抱閘前，測功法再次測量靜態(tài)摩擦力矩，與天平法測量的靜態(tài)摩擦力矩值進行對比參考；

(3) 在不同轉(zhuǎn)速下，測功法測量被測失電制動器的動態(tài)摩擦力矩；

(4) 在被測失電制動器動態(tài)抱閘后，測功法測量靜態(tài)摩擦力矩；

(5) 在被測失電制動器動態(tài)抱閘后，天平法再次測量靜態(tài)摩擦力矩。

5 測量數(shù)據(jù)及分析

將15 Nm (1#、2#)、8 Nm (3#、4#)4只樣品低速磨合后試驗測量數(shù)據(jù)如表1。樣品動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線圖如圖2、圖3、圖4和圖5。

表1 4只樣品試驗測量數(shù)據(jù)

圖2 15 Nm 1#和2#被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線圖

圖3 8 Nm 3#和4#被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線圖

圖4 1#和3#被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線圖

圖5 2#和4#被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線圖

從表1和圖2～圖5的被測失電制動器動靜態(tài)摩擦力矩變化曲線圖看：

(1) 在新生產(chǎn)失電制動器首次磨合后，摩擦力矩會大幅提高，8 Nm規(guī)格失電制動器的靜摩擦力矩達到20 Nm以上，15 Nm規(guī)格失電制動器的靜摩擦力矩達到30 Nm以上。這說明失電制動器的靜摩擦力矩上限值的范圍較大。

(2) 在200和500 r/min下，每只樣品的動摩擦力矩相差不大，說明動摩擦力矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，取500 r/min下動摩擦力矩作為計算值。通過天平法和測功法兩種方法測量的靜態(tài)摩擦力矩值相差不大，差值<3 Nm。由于天平法測量的精度較高，取天平法測量的靜摩擦力矩作為計算值。計算得動摩擦力矩與靜摩擦力矩的比值在0.6～0.8之間。

(3) 將1#(15 Nm)和3#(8 Nm)失電制動器的數(shù)據(jù)整理后發(fā)現(xiàn)，其動靜摩擦力矩變化曲線符合“浴盆曲線”(如圖6所示)，是滿足雷達使用期望的類型，表明動靜態(tài)摩擦力矩值相差較大，在經(jīng)過少量幾次的動態(tài)抱閘沖擊后仍能維持原先較好的靜摩擦力矩，與動態(tài)前的靜態(tài)摩擦力矩相差不大，仍能維持抱閘效能。

圖6 被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線——浴盆曲線

(4) 將2#(15 Nm)和4#(8 Nm)失電制動器的數(shù)據(jù)整理后發(fā)現(xiàn)，其動靜摩擦力矩變化曲線不符合“浴盆曲線”。為了描述形象，對應(yīng)的稱其為“鏟子曲線”(如圖7所示)，是不符合雷達使用期望的類型，在經(jīng)過少量幾次的動態(tài)抱閘沖擊后已經(jīng)不能維持原先的靜態(tài)摩擦力矩。靜態(tài)摩擦力矩值與動態(tài)摩擦力矩值接近，表示失電制動器的摩擦片磨損嚴重，抱閘效能下降。

圖7 被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線——鏟子曲線

(5) 上述兩種形式的變化曲線并不是對立的兩種形態(tài)，而是少數(shù)失電制動器由于摩擦片在經(jīng)過少量幾次動態(tài)抱閘沖擊后相當(dāng)于再次短暫經(jīng)歷低速磨合過程的一種體現(xiàn)。此過程后摩擦片接觸面積繼續(xù)增大，靜摩擦力矩會比先前的增大。這一點從測量的數(shù)值中也可以觀察到。當(dāng)經(jīng)歷多次動態(tài)抱閘沖擊后，其摩擦片表面磨平，接觸面積下降，靜摩擦力矩下降，其下降的幅度取決于接觸面積下降的幅度。最終，摩擦片徹底失效，失去抱閘效能，失電制動器報廢。因此，失電制動器的動靜摩擦力矩變化曲線趨勢圖如圖8所示，先短暫經(jīng)歷“浴盆曲線”然后反復(fù)經(jīng)歷“鏟子曲線”。

圖8 被測失電制動器的動、靜態(tài)摩擦力矩變化曲線趨勢圖

6 結(jié)束語

通過對測量數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合艦載雷達的使用期望及失電制動器的技術(shù)狀態(tài)，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在考慮失電制動器的動態(tài)/靜態(tài)摩擦力矩比的技術(shù)指標(biāo)時，動靜摩擦力矩比應(yīng)控制在0.6～0.8。

(2) 通過低速磨合后，新生產(chǎn)的失電制動器的靜摩擦力矩值可達到標(biāo)稱值的1.5倍以上，高者可達3倍；同時由于動靜摩擦力矩比不低于0.6，動摩擦力矩值也可能大于標(biāo)稱值。這在選用時需加以考慮。

(3) 新生產(chǎn)的失電制動器低速磨合后，選擇動靜摩擦力矩比在0.6～0.7，符合“浴盆曲線”的失電制動器，滿足雷達使用的最優(yōu)期望。

[1] 科爾摩根電機使用手冊[M].天津科爾摩根有限公司，2008.

[2] 吳義榮.淺談數(shù)控機床的抱閘控制[J].金屬加工(冷加工)，2010(19).

Application analysis of brake torque indexes of power-off brake

LYU Xiang-yang

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN957.8

A

1009-0401(2017)03-0056-04

2017-06-03;

2017-06-15

呂向陽(1975-),男，高級工程師，研究方向：雷達伺服。