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        一種負載敏感式剎車結(jié)構(gòu)設計與分析

        2022-07-11 12:57:58鐘星能周珍明
        現(xiàn)代機械 2022年3期
        關鍵詞:傳動鏈絞車圓弧

        楊 濤,鐘星能,周珍明,唐 超,陳 強

        (貴州航天林泉電機有限公司,貴州 貴陽 550081)

        0 引言

        電動絞車作為重力負載特性設備,其核心是具有可控的剎車能力。電動絞車和液壓絞車的巨大區(qū)別是液壓絞車具有隨時停車自鎖能力,對于電動絞車而言剎車是其核心部件,絞車系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng),其基本功能如下:

        a.正常啟動工作時,可靠提升,將負載提升至要求高度,系統(tǒng)具有足夠的強度;

        b.正?;蛘邞惫ぷ鲿r,操縱提升控制,通過電機驅(qū)動,實現(xiàn)吊掛載荷的上升、下降及空載狀態(tài)下鋼纜的上升和下降;

        c.在上升和下降過程中,主機斷電,提升機構(gòu)能夠在當前位置實現(xiàn)懸停;

        d.斷電狀態(tài)下機構(gòu)具有足夠的制動能力,同時可以通過手動接口實現(xiàn)正常操作。

        目前,電動絞車行業(yè)內(nèi)均采用帶有自鎖功能的傳動機構(gòu)實現(xiàn),如蝸輪蝸桿傳動、四象限運行電機控制模式等方案。蝸輪蝸桿傳動效率很低,使得系統(tǒng)復雜且笨重,功耗大;隨著大功率電子器件的發(fā)展,四象限運行的電機控制模式是一個在技術上比較先進的方式,但是應對復雜的環(huán)境,可靠性不高。

        結(jié)合復雜的機載環(huán)境特性,設計一種負載敏感式剎車結(jié)構(gòu),利用負載重力作用產(chǎn)生剎車轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)重力特性負載的制動懸停和可控下放。其具有較高的傳動效率,提升過程達到齒輪傳動的效率。結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,可有效降低機載無效載重。

        1 主要技術指標確定

        負載敏感式剎車作為電動絞車的核心部件,其安裝在電動絞車的傳動鏈中。負載敏感式剎車的各項指標由分解電動絞車的技術指標過程中而來。電動絞車的主要技術指標如下:

        a.提升重量:≥750 kg;

        b.過載狀態(tài)下,機構(gòu)應自行可靠停車制動,不得損壞結(jié)構(gòu);

        c.接收到停車信號時,必須確保卷筒及時可靠制動,不得因吊掛載荷作用出現(xiàn)溜車。

        表1為系統(tǒng)分解的負載敏感式剎車主要技術指標。

        表1 負載敏感式剎車主要技術指標

        2 技術方案分析

        2.1 技術方案

        絞車的特殊性需要,無論是從可靠性和安全性上對剎車是有嚴格要求的,本項目剎車設計的主要工作內(nèi)容是解決重力特性負載下的下放問題。重力特性負載是矢量負載,其方向不變,因此剎車設計采用超越離合器作為單向運動部件,保證提升過程電機輸出轉(zhuǎn)矩克服負載轉(zhuǎn)矩提升負載。而怎樣利用負載特性產(chǎn)生剎車轉(zhuǎn)矩從而制動,是剎車設計的重要方向。將重力負載轉(zhuǎn)化為剎車的剎車力矩,需要采用摩擦離合器結(jié)構(gòu),而怎樣獲取剎車初始行為,是負載敏感式剎車的核心內(nèi)容。

        采用摩擦離合器和超越離合器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式,利用球形鋼珠在螺旋圓弧槽內(nèi)的運行特性獲得負載產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩的初始行為。

        2.2 方案原理

        負載敏感式可控剎車,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

        當整機處于提升工作狀態(tài)時,自動剎車組件根據(jù)負載的大小,決定剎車力矩的大小,從而使輸入轉(zhuǎn)矩驅(qū)動主動盤驅(qū)動從動盤(小齒輪)輸出力矩,提升負載。

        當剎車組件處于帶載下降時,必須提供與提升負載時方向相反的輸入轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動主動盤反向旋轉(zhuǎn),才能驅(qū)動自動剎車組件轉(zhuǎn)動。

        圖1 剎車組件的工作原理

        超越離合器組件通過棘輪結(jié)構(gòu)[1]實現(xiàn)單向旋轉(zhuǎn),反向逆止功能。當電機斷電負載的下降勢能產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩通過摩擦盤傳遞到超越離合器上,并將該反向力矩傳遞到絞車結(jié)構(gòu)件上,反之電機產(chǎn)生反電勢,而燒毀電機。剎車組件能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)剎車的關鍵在于摩擦盤、帶收尾的圓弧槽的主動盤、帶鋼球的三角盤和帶收尾的圓弧槽的從動盤,這種結(jié)構(gòu)使剎車組件的剎車能力與負載相互關聯(lián),隨著負載增加,鋼球在槽內(nèi)的位置產(chǎn)生擠壓摩擦盤的趨勢,摩擦盤上的正壓力隨之增大,傳遞的力矩隨之增加,保證了在絞車工作過程中,隨時都能可靠剎車。

        超越離合器組件使用了單向軸承,使得超越離合器可以單方向自由轉(zhuǎn)動,當負載產(chǎn)生反方向的力矩時單向軸承的逆止功能將該力矩傳遞到主體結(jié)構(gòu)上從而保護電機,且負載停在相應的高度位置。其設計結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。

        圖2 剎車結(jié)構(gòu)形狀

        剎車工作的工況為電機斷電或中途懸停,當出現(xiàn)這些工況時,由于起重負載的反作用力將使得重物勢能轉(zhuǎn)換為傳動組件的動能并反向傳遞,整機轉(zhuǎn)速比較大,使得剎車端部的主動小齒輪高速運轉(zhuǎn),實現(xiàn)剎車需要較多的摩擦片結(jié)構(gòu)來吸收瞬間的動能。

        3 動力學分析

        3.1 結(jié)構(gòu)分析

        負載敏感式剎車爆炸圖如圖3所示。由殼體、離合器殼體、超越離合器、擋圈、卡券、軸承和摩擦組件構(gòu)成。

        圖3 剎車組件爆炸圖

        摩擦組件裝配結(jié)構(gòu)設計[2]圖見圖4。主動、從動齒輪上設計有螺旋圓弧槽結(jié)構(gòu),如圖5、圖6所示。

        圖4 摩擦組件結(jié)構(gòu)圖

        圖5 從動齒輪結(jié)構(gòu)圖 圖6 主動齒輪結(jié)構(gòu)圖

        3.2 力學分析

        沿著滾珠鎖在位置的截面展開,滾珠在主、從動齒輪上螺旋圓弧槽內(nèi)的特征近似,如圖9所示。

        螺旋圓弧槽參數(shù):節(jié)距d:35 mm;螺距L:35 mm;掃略直徑:5.4 mm。

        螺旋圓弧槽螺旋升角計算如下式:

        (1)

        對于負載敏感式剎車而言,其剎車轉(zhuǎn)矩的大小取決于末端負載的大小,顧名思義,負載越大,剎車獲取的剎車力矩也越大,其運行過程中的動力學分析[3]需要針對不同的負載狀態(tài)和上升、下放過程進行分別討論。

        一般來說負載敏感式剎車不承受與提升過程相反的負載能力,相反的負載能力產(chǎn)生的從動齒輪位移會直接導致剎車卡死,因此,此類負載在絞車工作過程中也盡可能避免產(chǎn)生,一般來說對其有影響的是空載過程中的阻力。此處我們將空載和小于機構(gòu)固有摩擦力的重力負載稱之為輕載,而可以克服機構(gòu)摩擦力產(chǎn)生下放趨勢的負載為重載[2]。

        為了簡化分析結(jié)構(gòu),螺旋圓弧槽與圓球的接觸方式近似為圓柱與斜面接觸,斜面傾斜角度為ψ,驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的力為F,近似計算式:

        F=T/r

        (2)

        式中:T為阻力轉(zhuǎn)矩;r為螺旋圓弧槽半徑。

        討論一:輕載狀態(tài)下,電機驅(qū)動傳動機構(gòu)需克服機構(gòu)摩擦阻力實現(xiàn)上升和下放方向的運行。

        上升狀態(tài):由于機構(gòu)阻力與絞車運行方向相反,當剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時,超越離合器方向為順轉(zhuǎn)運行狀態(tài),因此,摩擦片是否能夠獲取摩擦力鎖死可以不考慮,也就是說此過程即使有更大的阻力,絞車也能夠?qū)恿ο蚰┒藗鬟f。

        下放狀態(tài):輕載狀態(tài)下,機構(gòu)阻力與絞車運行方向相反,此時剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時,超越離合器方向為逆止狀態(tài),若想驅(qū)動絞車順利向下放方向運行,則運行過程中從動齒輪不允許出現(xiàn)位移,保持摩擦片和墊片為松弛狀態(tài),從動輪將動力傳遞給后級主動齒輪,從而驅(qū)動系統(tǒng)運行。

        復位彈簧彈力與背壓彈簧的彈力差值以及綜合軸向阻力Fz與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力Ft存在如下關系:

        Ft=Fcosψ

        (3)

        驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切向力Fτ與阻力轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力Fzτ存在如下關系:

        Fτ=Fsinψ

        (4)

        當螺旋升角已定,則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的法向力和切向力的比例已定,需盡量降低剎車后端傳動鏈在全溫度域內(nèi)的阻力,以獲得較寬的法向力和切向力的比例范圍,降低系統(tǒng)設計難度。可以通過調(diào)整復位彈簧和背壓彈簧的彈力值來調(diào)節(jié)螺旋升角值,但是彈簧會帶來觸法行為難以獲取的困難。

        討論二:重載狀態(tài)下,電機驅(qū)動傳動機構(gòu)需克服機構(gòu)重力負載實現(xiàn)上升和下放方向的運行。

        上升狀態(tài):由于重力負載方向與絞車運行方向相反,當剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時,超越離合器方向為順轉(zhuǎn)運行狀態(tài),因此,摩擦片受到反向作用力鎖死,摩擦組件為剛體結(jié)構(gòu),電機拖動重物上升;上升狀態(tài)停止,超越離合器鎖定,由于摩擦組件鎖定,為剛體狀態(tài),保持懸停狀態(tài)。

        下放狀態(tài):重載狀態(tài)下,重力負載與絞車運行方向相同,此時剎車驅(qū)動后續(xù)傳動鏈運行時,超越離合器方向為逆止狀態(tài),若想驅(qū)動絞車順利向下放方向運行,則運行過程中電機需驅(qū)動從動齒輪松開鎖緊的摩擦片,保持摩擦片和墊片為松弛狀態(tài),從動輪將動力傳遞給后級主動齒輪從而驅(qū)動系統(tǒng)運行,該過程是一個快速變化的動態(tài)過程。

        該過程中電機速度與重物加速度匹配有重要的關系,當下放過程中重物下放加速度大于電機下放轉(zhuǎn)速時,由于剎車前后級出現(xiàn)速度差,剎車很快鎖定減速,而當速度一旦低于電機轉(zhuǎn)速,則由電機克服剎車力解開剎車鎖定,松開剎車片,繼續(xù)下放,直至剎車兩端速度匹配,剎車勻速下放。

        因此,在設計過程中需要充分考慮剎車前后級速度匹配,該運行過程存在臨界轉(zhuǎn)速,當轉(zhuǎn)速達到臨界轉(zhuǎn)速,則會導致剎車功能喪失,出現(xiàn)溜車失速。

        負載敏感式剎車是利用滾珠在螺旋圓弧槽內(nèi)的運行敏感度獲得剎車觸發(fā)初始行為的,因此對復位彈簧和背壓彈簧的壓力選取也有著嚴格的要求。在絞車設計時必須考慮剎車觸發(fā)初始行為的獲取,目前常采用多傳動鏈結(jié)構(gòu),將其他傳動鏈放置在傳動鏈的前端,即剎車之前的傳動鏈內(nèi),利用傳動鏈的阻力提高剎車觸發(fā)初始行為獲取的敏感度。

        4 整機驗證情況

        該負載敏感式剎車研制完成后與系統(tǒng)進行了多方面的性能試驗測試。主要進行了空載性能試驗、負載性能及極限負載性能試驗。

        4.1 空載和負載性能測試

        按照圖7進行接線。負載在吊裝桁架上進行,如圖8、圖9所示。

        圖7 空載和負載性能試驗接線圖

        圖8 吊裝懸架工位示意圖

        圖9 吊裝懸架工位加載示意圖

        在線纜連接完畢后使用上位機進行測試,通過CANTest軟件進行指令操作。

        通過電流表對提升機構(gòu)1和提升機構(gòu)2的空載電流和負載電流進行觀測,通過上位機對機構(gòu)1、機構(gòu)2的響應穩(wěn)定時間、反饋轉(zhuǎn)速進行測量,試驗結(jié)果見表2。

        從表2數(shù)據(jù)可以看出,產(chǎn)品的性能指標滿足任務書提出的要求。

        表2 系統(tǒng)額定負載性能測試數(shù)據(jù)

        4.2 極限負載性能試驗

        按照圖10進行接線。

        圖10 極限負載測試連接圖

        極限負載單提升機構(gòu)提升質(zhì)量達到750 kg,詳見表3。

        5 結(jié)論

        綜上所述,經(jīng)過前兩輪的研制及驗證,在總結(jié)研制試驗問題的基礎上,對結(jié)構(gòu)、功能進行了優(yōu)化,本輪一年時間的研制和試驗,取得了良好的效果。系統(tǒng)功耗是機載預計功耗的1/3,大大減小了機載電源容量壓力,同時速度及穩(wěn)定時間均能夠滿足系統(tǒng)的需求。各項功能達到了預期的目標,對后續(xù)類似產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)具有一定的借鑒和參考價值。

        表3 系統(tǒng)極限負載性能測試數(shù)據(jù)

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