邵偉平，徐 軍，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心, 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

無(wú)游梁式抽油機(jī)EMB執(zhí)行器的Adams仿真及性能試驗(yàn)

邵偉平，徐 軍，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心, 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

在研究電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)機(jī)構(gòu)組成及工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)EMB執(zhí)行器各零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，在SolidWorks軟件中建立CAD模型，并且在Adams軟件中建立EMB執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)模型.通過(guò)理論計(jì)算和虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證EMB執(zhí)行器制動(dòng)力和制動(dòng)力矩傳遞的有效性.對(duì)樣機(jī)的制動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，得到了EBM執(zhí)行器的相關(guān)特性曲線(xiàn)和性能參數(shù).結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)制動(dòng)機(jī)構(gòu)合理，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期制動(dòng)目標(biāo).

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)；SolidWorks建模；Adams仿真；性能試驗(yàn)

目前的線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)主要有電液壓制動(dòng)系統(tǒng)(Electro-Hydraulic Braking system,EHB)和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(Electro-Mechanical Braking system,EMB)兩種[1].將電子技術(shù)應(yīng)用于液壓制動(dòng)系統(tǒng)的EHB由液壓執(zhí)行器實(shí)施制動(dòng).相比于傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器，EHB的控制方式更加高效迅速，而且其制動(dòng)效能更好.與EHB相比，EMB不再需要液壓系統(tǒng)，而由電機(jī)直接提供動(dòng)力，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為制動(dòng)盤(pán)的平動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng).EMB也可分為兩種類(lèi)型；第一種類(lèi)型是電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將制動(dòng)力作用到制動(dòng)盤(pán)上，這種類(lèi)型的制動(dòng)器稱(chēng)為無(wú)自增力式制動(dòng)器；第二種是電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力通過(guò)一個(gè)自增力機(jī)構(gòu)和連接機(jī)構(gòu)作用到制動(dòng)盤(pán)上，可以很大程度上降低系統(tǒng)所消耗的能量，這種類(lèi)型的制動(dòng)器被稱(chēng)為自增力式制動(dòng)器[2].EMB具有良好的應(yīng)用前景，國(guó)外企業(yè)逐漸將其應(yīng)用于航空和汽車(chē)領(lǐng)域.國(guó)內(nèi)對(duì)EMB的研究起步較晚，一些高校和企業(yè)對(duì)EMB系統(tǒng)的研究仍然以原理樣機(jī)為主[3].本文以抽油機(jī)EMB執(zhí)行器為研究對(duì)象，首先建立其CAD模型，并通過(guò)多組仿真數(shù)據(jù)來(lái)研究其制動(dòng)性能，然后在所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)其制動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，得出其相關(guān)特性曲線(xiàn)和性能參數(shù)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，最終將其應(yīng)用到抽油機(jī)上，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和換向功能.

1 EMB執(zhí)行器三維建模

動(dòng)力學(xué)仿真首先需要建立與物理模型相對(duì)應(yīng)的樣機(jī)模型.本文利用三維軟件SolidWorks對(duì)抽油機(jī)的制動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行三維建模.圖1為抽油機(jī)制動(dòng)執(zhí)行器的總裝配圖，描述了抽油機(jī)制動(dòng)執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu).

圖1 抽油機(jī)制動(dòng)執(zhí)行器模型總裝配圖

2 EMB執(zhí)行器工作原理

EMB執(zhí)行器的構(gòu)成如圖2所示.無(wú)刷直流電機(jī)1的輸出軸通過(guò)彈性聯(lián)軸器與滾珠絲杠2連接.接通電機(jī)電源后，電機(jī)輸出軸在編碼器控制下實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn).在絲杠上安裝一對(duì)角接觸球軸承，使絲杠只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不能橫向移動(dòng)，從而使螺母實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)[4].螺母和楔形塊3之間用傳動(dòng)桿鉸接.傳動(dòng)桿可推動(dòng)楔形塊和楔形塊上的摩擦片靠近制動(dòng)盤(pán)5.當(dāng)制動(dòng)盤(pán)上下兩側(cè)的摩擦片對(duì)制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)力不等時(shí)，制動(dòng)鉗4整體會(huì)沿著制動(dòng)力較小到制動(dòng)力較大的方向滑動(dòng)，直至兩側(cè)制動(dòng)力相等.此時(shí)制動(dòng)力矩最大，實(shí)現(xiàn)完全制動(dòng)，雙向夾緊的同時(shí)電機(jī)堵轉(zhuǎn)[5].退出制動(dòng)時(shí)，無(wú)刷直流電機(jī)1反轉(zhuǎn)，兩個(gè)摩擦片之間距離增大.在復(fù)位彈簧的作用下，制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)的摩擦片均遠(yuǎn)離制動(dòng)盤(pán)，當(dāng)?shù)竭_(dá)初始間隙時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在復(fù)位彈簧作用下，制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的距離相等或相近.

圖2 EMB執(zhí)行器構(gòu)成

在整個(gè)制動(dòng)和復(fù)位過(guò)程中，制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有如下4種狀態(tài)：①間隙消除階段，電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)的貼合，消除摩擦片和制動(dòng)盤(pán)間的初始間隙；②完全制動(dòng)遠(yuǎn)離階段，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時(shí)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)完全接觸，制動(dòng)盤(pán)減速直至停止；③復(fù)位階段，電機(jī)反轉(zhuǎn)，制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)摩擦片開(kāi)始遠(yuǎn)離制動(dòng)盤(pán)，制動(dòng)力矩不斷減小直至0，制動(dòng)鉗體滑動(dòng)，直至兩側(cè)摩擦片回復(fù)到初始位置；④工作階段，與制動(dòng)盤(pán)連接的差速器半軸處于轉(zhuǎn)動(dòng)階段，無(wú)刷直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，直至下一次制動(dòng)開(kāi)始.

根據(jù)牛頓第一定律，當(dāng)制動(dòng)盤(pán)完全制動(dòng)時(shí)有如下平衡方程：

(1)

式中：FM——電機(jī)驅(qū)動(dòng)力,N；

Fμ——摩擦片和制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦力,N；

FR——外楔形塊提供的反作用力,N；

FN——摩擦片正壓力,N；

μ——摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦系數(shù)；

α——楔形塊的楔形角，(°)；

β——驅(qū)動(dòng)力和水平面的夾角，(°)；

可求得電機(jī)驅(qū)動(dòng)力：

(2)

當(dāng)α一定，β=α?xí)r，制動(dòng)器的制動(dòng)效能因數(shù)最大，即相同情況下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)所需提供的驅(qū)動(dòng)力FM最小[6].本文按β=α=25°進(jìn)行制動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì).根據(jù)式(1)和式(2)，有：

(3)

Fμ=μFN=750(N)

(4)

無(wú)游梁式抽油機(jī)樣機(jī)換向制動(dòng)時(shí)所需的制動(dòng)力矩T=120 N·m ，而摩擦片的有效半徑Rc=0.08 m，摩擦系數(shù)μ=0.4.因此，摩擦片的正壓力為：

(5)

由式(2)-(4)算得電機(jī)驅(qū)動(dòng)力FM=112.5 N.

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：

(6)

式中：Mn——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總力矩，N·m；

n——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min.

通過(guò)計(jì)算，選用總力矩Mn為0.15 N·m，額定功率為1.5 W的無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī).

3 EMB執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)仿真

本文采用Adams軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，在SolidWorks軟件中建立EMB執(zhí)行器的三維模型并以Parasolid格式導(dǎo)入View模塊中.導(dǎo)入模型以后，分別對(duì)各個(gè)零部件設(shè)置相應(yīng)的材料屬性，系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心等參數(shù).設(shè)定導(dǎo)入的虛擬樣機(jī)相關(guān)物理參數(shù)后，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，需要對(duì)各個(gè)零部件施加運(yùn)動(dòng)副約束.本文虛擬樣機(jī)中使用的運(yùn)動(dòng)副包括Fixed、Revolute、Screw、Translational、Inplane等[7].構(gòu)件之間的接觸力可以使用Impact函數(shù)計(jì)算.根據(jù)Impart函數(shù)中各參數(shù)的含義，對(duì)接觸力設(shè)定合適的數(shù)值才能夠保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，模擬兩物體間的接觸狀況.對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)施加運(yùn)動(dòng)副和載荷后，為了驗(yàn)證所加運(yùn)動(dòng)副的正確性，通過(guò)觀察整個(gè)虛擬樣機(jī)的自由度個(gè)數(shù)，可確定該樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡[8].EMB執(zhí)行器的虛擬樣機(jī)模型如圖3所示.

圖3 EMB執(zhí)行器虛擬樣機(jī)模型

在Adams軟件中，設(shè)定施加在滾珠絲杠上的制動(dòng)力矩為0.15 N·m；制動(dòng)盤(pán)的初始角速度為300°/s；制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)力矩為120 N·m.將制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的間隙調(diào)整為0.2 mm.從電機(jī)被施加驅(qū)動(dòng)力到摩擦片與制動(dòng)盤(pán)開(kāi)始產(chǎn)生接觸力的時(shí)間就是消除制動(dòng)間隙所需的時(shí)間[9].設(shè)定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩函數(shù)為：(step(time，0，50，1.2，50)+0.8×WX(dianjizhuanzi.cm))/4×1.5e2.設(shè)定仿真時(shí)間為1.2 s，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真.其結(jié)果如圖4所示.

圖4 Adams動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

從圖4可以看出，當(dāng)賦予制動(dòng)盤(pán)300°/s的初始角速度時(shí)，制動(dòng)過(guò)程中間隙消除階段為0～0.24 s.在驅(qū)動(dòng)力的作用下，此時(shí)間段之內(nèi)，后鉗體及其固接部件實(shí)現(xiàn)整體滑動(dòng)，使摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間的間隙變?yōu)?，摩擦片和制動(dòng)盤(pán)間無(wú)摩擦力產(chǎn)生，制動(dòng)盤(pán)做勻速轉(zhuǎn)動(dòng).制動(dòng)開(kāi)始階段到制動(dòng)完成階段為圖4中的0.24～0.44 s階段，制動(dòng)時(shí)間約為0.2 s，與上文理論計(jì)算接近.在此期間，摩擦片和制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦力對(duì)制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的摩擦力矩大于制動(dòng)盤(pán)的驅(qū)動(dòng)力矩，制動(dòng)盤(pán)開(kāi)始減速直至停轉(zhuǎn).在0.44 s以后，制動(dòng)盤(pán)一直處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，而此時(shí)抽油機(jī)樣機(jī)通過(guò)差速器完成換向動(dòng)作.理論計(jì)算和樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)符合制動(dòng)要求.從圖4可以看出，內(nèi)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的最大夾緊力大約穩(wěn)定在1 850 N，與式(5)的理論計(jì)算結(jié)果接近，在電機(jī)連續(xù)堵轉(zhuǎn)時(shí)能夠提供的最大夾緊力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，EMB執(zhí)行器能夠穩(wěn)定工作.在實(shí)際工作中，可以通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，縮短夾緊力達(dá)到最大的響應(yīng)時(shí)間[10].

4 EMB執(zhí)行器性能測(cè)試

4.1測(cè)試環(huán)境準(zhǔn)備

為了了解所設(shè)計(jì)EMB執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行性能測(cè)試.在EMB執(zhí)行器進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程中，電機(jī)是動(dòng)力源，而所選電機(jī)的可控變量為電機(jī)的轉(zhuǎn)速.根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和輸出扭矩間的關(guān)系，電機(jī)的輸出扭矩會(huì)隨首額定轉(zhuǎn)速的改變而發(fā)生變化.測(cè)試中以電機(jī)轉(zhuǎn)速為單一變量，摩擦片和制動(dòng)盤(pán)間的夾緊力作為采集量，電阻應(yīng)變片作為測(cè)量夾緊力的傳感器.電阻應(yīng)變片的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，其電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[11].所選應(yīng)變片的電阻值與摩擦片金屬部分的應(yīng)變成映射關(guān)系，在摩擦片約束一定的情況下，對(duì)應(yīng)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)間的夾緊力一定.圖5所示為摩擦片的組橋方式.

圖5 摩擦片的組橋方式

傳感器的信息需要采集，所用儀表為V4896數(shù)顯儀.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)需要安裝在抽油機(jī)樣機(jī)上.

4.2信息采集與分析

通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間夾緊力在制動(dòng)過(guò)程中的變化情況.利用PssT-VB型數(shù)據(jù)智能采集軟件采集電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間夾緊力的數(shù)值，并繪制成曲線(xiàn)(圖6～圖8).

圖6 電機(jī)60 r/min轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集曲線(xiàn)

圖7 電機(jī)90 r/min轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集曲線(xiàn)

圖8 電機(jī)120 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的數(shù)據(jù)采集曲線(xiàn)

從圖6可知，0 ms到50 ms為間隙消除階段，50 ms到150 ms為完全制動(dòng)階段.摩擦片與制動(dòng)盤(pán)完全接觸后，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，摩擦片對(duì)制動(dòng)盤(pán)的夾緊力不斷增大，直至電機(jī)轉(zhuǎn)速在60 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)額定扭矩提供1 950 N的最大夾緊力為止.此后，所能提供的最大夾緊力值趨于穩(wěn)定.通過(guò)觀察抽油機(jī)換向機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，制動(dòng)盤(pán)在150 ms附近減速直至完全制動(dòng).這和摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間夾緊力的仿真曲線(xiàn)相吻合，摩擦片和制動(dòng)盤(pán)的接觸狀態(tài)較為穩(wěn)定，摩擦片對(duì)制動(dòng)盤(pán)的夾緊力也趨于穩(wěn)定.

從圖7和圖8可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速為90 r/min和120 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間最大夾緊力分別為1 340 N和1 020 N.觀察發(fā)現(xiàn)，在圖7和圖8兩種情況下，制動(dòng)盤(pán)并未處于停止轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài).分析認(rèn)為，電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)速增大后與其對(duì)應(yīng)的額定輸出扭矩會(huì)下降，導(dǎo)致摩擦片和制動(dòng)盤(pán)之間產(chǎn)生的摩擦力矩小于制動(dòng)盤(pán)的驅(qū)動(dòng)力矩,制動(dòng)盤(pán)未能處于停止轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài).

在制動(dòng)復(fù)位階段，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)夾緊力不能完全降為零，仍有部分殘留(圖9).這可能與制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部摩擦較大以及制動(dòng)機(jī)構(gòu)自身質(zhì)量和慣性較大有關(guān).

圖9 解除夾緊力曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

為了設(shè)計(jì)新型抽油機(jī)換向制動(dòng)系統(tǒng)，首先確定其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，確定其特性參數(shù)；最后進(jìn)行試驗(yàn)分析.測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的比較說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期制動(dòng)目的，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是比較合理的.

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AdamsSimulationandPerformanceTestofEMBActuatorWithoutBeamPumpingUnit

SHAO Wei-ping,XU Jun,HAO Yong-ping

(Research & Development Center of CAD/CAM Technology, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159, China)

The mechanism and working principle of the electronic mechanical brake system (EMB) are studied. According to the electronic mechanical brake components of the design parameters, CAD models in SolidWorks software is established and dynamics model of the brakes is built in Adams software. Through the theoretical calculation and the simulation results of the virtual prototype, it is correct to verify the energy transfer between the braking force and the braking torque of the EMB system actuator, and the design of the mechanical mechanism is reasonable. Secondly, the braking performance of the prototype is tested and the relevant characteristic curve and performance parameters of the brake are obtained. It is reasonable to design the pumping structure of the pumping unit and can realize the braking.

electro-mechanical brake system; SolidWorks modeling; simulation; performance test

2017-07-22

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014AA041603-03)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975183)；遼寧省優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012LJQ019)

邵偉平(1968-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，博士，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論、先進(jìn)制造技術(shù).

1006-3269(2017)03-0001-05

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.001