組合式液壓離合器 /制動(dòng)器的工作原理及在冷剪機(jī)中的應(yīng)用

鄧婷婷，傅 波，李 明，衛(wèi) 平，鄭 毅，沈 剛

(1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065;2.江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429;3.成都萊克冶金機(jī)械設(shè)備制造有限公司，四川 成都 610041)

1 前言

組合式液壓離合器/制動(dòng)器將離合和制動(dòng)組合成一體，占用空間小、慣量低、嚙合 /松脫速度快。摩擦盤(pán)浸在循環(huán)的冷卻油中，可以有效地散熱。摩擦副由于有潤(rùn)滑油，正常工作時(shí)無(wú)磨損。本體采用多盤(pán)結(jié)構(gòu)，即使在很高的熱負(fù)載下，也能傳遞高扭矩[1]。組合式液壓離合器/制動(dòng)器與氣動(dòng)離合器/制動(dòng)器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前在壓力機(jī)、剪切設(shè)備和其它鍛壓設(shè)備上已得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。我們?cè)谠O(shè)計(jì) 15000 kN冷剪機(jī)時(shí)，采用了德國(guó) Ortlinghaus公司生產(chǎn)的組合式液壓離合器/制動(dòng)器。

2 組合式液壓離合器/制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示，組合式液壓離合器/制動(dòng)器主要由離合器和制動(dòng)器摩擦盤(pán)，活塞，彈簧，止動(dòng)盤(pán)和旋轉(zhuǎn)接頭組成。

1)制動(dòng)：在斷開(kāi)狀態(tài)中，位于離合器和制動(dòng)器摩擦盤(pán)(4、5)之間的活塞(2)在彈簧(1)的作用下推動(dòng)制動(dòng)器摩擦盤(pán)，使其靠在止動(dòng)板上。這樣就會(huì)產(chǎn)生摩擦連接，制動(dòng)器制動(dòng)。

2)離合器的嚙合：通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭(3)(通常通過(guò)軸和離合器輪轂)的油壓使活塞受壓，活塞脫開(kāi)制動(dòng)器摩擦盤(pán) (4)直到與離合器摩擦盤(pán)接觸，離合器嚙合[2]。

2.2 工作原理

組合式液壓離合器/制動(dòng)器在工作過(guò)程中，可分為4個(gè)階段，分別為：軟離合，硬離合，軟制動(dòng)，硬制動(dòng)。組合式離合制動(dòng)器的液壓控制系統(tǒng)圖如圖 2所示。

1)軟離合

軟離合階段的主要工作部件為安全閥 Y1、Y2，進(jìn)油閥 Y3，軟離合閥 Y5和蓄能器 Y 6。從表 1可見(jiàn)，初始階段安全閥 Y1、Y2，軟離合閥 Y 5通電。Y1、Y2通電，使得系統(tǒng)壓力油的 P口和離合器 A口接通，為全部離合做準(zhǔn)備。而軟離合閥 Y5通電，使得壓力調(diào)節(jié)閥 9彈簧腔里的油克服彈簧壓力回油箱，此時(shí)，系統(tǒng)壓力為調(diào)節(jié)閥 9出口彈簧設(shè)定的壓力，形成初始?jí)毫?。該壓力是柔和的，沒(méi)有沖擊，起到一個(gè)緩沖作用。

2)硬離合

軟離合閥 Y5斷電時(shí)，硬離合階段開(kāi)始。因?yàn)?Y5斷電，工作壓力油直接通到壓力調(diào)節(jié)閥 9的彈簧腔，致使從 P口到 A口的通道完全打開(kāi)，這樣安全閥 PSV，即 Y1、Y2的 P口的壓力達(dá)到系統(tǒng)壓力。同時(shí)，安全閥PSV通電換向后，油液進(jìn)入離合器的活塞腔，系統(tǒng)壓力全部加在離合器上，推動(dòng)活塞克服離合器的彈簧力，使得制動(dòng)器摩擦盤(pán)與止動(dòng)板脫開(kāi)，離合器摩擦盤(pán)和外盤(pán)嚙合，進(jìn)入硬離合狀態(tài)。

3)軟制動(dòng)

軟制動(dòng)階段軟制動(dòng)閥 Y4通電，而進(jìn)油閥 Y3斷電。當(dāng)閥 Y3斷電時(shí)，離合制動(dòng)器內(nèi)液壓油被吸回，閥Y5通電，減小了安全閥 PSV處的壓力，只有一部分油進(jìn)入 A口，當(dāng)軟制動(dòng)閥 Y4通電，溢流閥 11打開(kāi)，同時(shí)A口的設(shè)定壓力被限制。A口的壓力下降后，組合液壓離合制動(dòng)器的活塞迅速返回，由于僅有一部分油回油箱，所以壓力不會(huì)立刻降至零，從而達(dá)到了緩沖的作用。

4)硬制動(dòng)

緊急狀態(tài)下，所有電磁閥斷電，離合器的摩擦盤(pán)與外盤(pán)快速脫離。同時(shí)安全閥 Y1、Y2斷電，這樣進(jìn)油口與回油口相連，離合制動(dòng)器活塞腔內(nèi)的液壓油被迅速排空。制動(dòng)器的摩擦盤(pán)依靠彈簧力迅速與止動(dòng)板嚙合，進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)[3]。

3 組合式液壓離合器/制動(dòng)器的工作特點(diǎn)

液壓組合離合器/制動(dòng)器的摩擦盤(pán)是在“濕式”冷卻狀態(tài)下工作，其主動(dòng)軸和從動(dòng)軸間的扭矩傳遞是通過(guò)摩擦盤(pán)油膜間的抗剪力實(shí)現(xiàn)的，因而摩擦盤(pán)幾乎無(wú)磨損，基本無(wú)需維修。由于摩擦盤(pán)間循環(huán)冷卻油的強(qiáng)制散熱作用，離合器/制動(dòng)器工作時(shí)的溫升大大降低，使離合器/制動(dòng)器能在適合的溫度環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于液壓組合離合器制動(dòng)器解決了磨損和發(fā)熱問(wèn)題，因而摩擦功可大幅提高，從而有效降低了離合器/制動(dòng)器的徑向尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而改善接合、制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，可以獲得頻繁的嚙合。這種油壓為 6 MPa、多盤(pán)、冷卻摩擦副為鋼/高性能燒結(jié)材料的組合式液壓離合器/制動(dòng)結(jié)構(gòu)可以在很小的慣量下產(chǎn)生很高的扭矩。離合器/制動(dòng)器室采用封閉結(jié)構(gòu)，不會(huì)污染環(huán)境。此外，其工作噪音也很低[4]。

表1 液壓模塊控制表

4 組合式液壓離合器/制動(dòng)器的應(yīng)用

近年來(lái)，大型剪切設(shè)備普遍采用了摩擦離合器，摩擦離合器靠摩擦力來(lái)傳遞扭矩，可以傳遞較大的扭矩，在接合過(guò)程中工作平穩(wěn)，可以在任意位置離合，不再需要頻繁地啟動(dòng)和停止電動(dòng)機(jī)。在剪切機(jī)的設(shè)計(jì)上，氣動(dòng)摩擦離合器/制動(dòng)器的應(yīng)用最廣。但是巨大的工作負(fù)荷和長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使摩擦離合器/制動(dòng)器的摩擦材料迅速磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，并產(chǎn)生粉塵和噪聲。環(huán)境污染嚴(yán)重，并且造成電器元件故障，加重了維修工作，嚴(yán)重降低了工作效率[2]。所以在本次 15000 kN冷剪機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用了組合式液壓離合器/制動(dòng)器來(lái)操縱冷剪機(jī)本體內(nèi)部的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)剪切，有效地彌補(bǔ)了氣動(dòng)摩擦離合器/制動(dòng)器的缺點(diǎn)。

4.1 組合式離合器/制動(dòng)器的安裝位置

如圖 3所示，組合式離合器制動(dòng)器安放在飛輪與減速機(jī)之間，離合器外殼與飛輪連接，制動(dòng)體與冷剪機(jī)本體橫梁通過(guò)螺栓牢固連接。制動(dòng)內(nèi)盤(pán)、離合內(nèi)盤(pán)固定在離合器軸上。制動(dòng)時(shí)制動(dòng)外盤(pán)與制動(dòng)內(nèi)盤(pán)相連，制動(dòng)外盤(pán)與制動(dòng)體相連實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。離合時(shí)制動(dòng)外盤(pán)與制動(dòng)內(nèi)盤(pán)脫離，同時(shí)離合器外盤(pán)與離合器內(nèi)盤(pán)連接，產(chǎn)生離合運(yùn)動(dòng)，飛輪帶動(dòng)減速機(jī)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)冷剪機(jī)本體內(nèi)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剪切。

圖3 組合式液壓離合器制動(dòng)器的安裝位置

4.2 總扭矩 Mj的計(jì)算

為了選擇組合式液壓離合器/制動(dòng)器的型號(hào)，需要計(jì)算冷剪機(jī)曲軸上的最大靜力矩。曲軸上的靜力矩由剪切力矩與摩擦力矩兩部分組成。由于剪斷機(jī)上負(fù)荷較大，同時(shí)曲軸軸頸直徑也較大，摩擦力矩在靜力矩中所占比例較大，故必須計(jì)算出其數(shù)值大小。參照?qǐng)D 4不考慮零件自重引起的摩擦消耗力矩，曲軸上的靜力矩為：

式中：P為曲軸的最大剪切力;R為曲軸偏心距;a為曲軸的轉(zhuǎn)角;b為 sinb≈sina/K，K為連桿比;u軸承的摩擦系數(shù);RA，RB為鉸鏈A及 O處軸頸的半徑;f滑塊(上刀架)與滑板之間的摩擦系數(shù)[5]。

圖4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

4.3 所需離合器的扭矩 M

式中 i為齒輪傳動(dòng)比，i=30.2。[6]

4.4 離合器的選擇

根據(jù)以上計(jì)算，M=28645 Nm，查表 2，可選擇離合器的型號(hào)為 0021-3.3。

表2 奧特林豪斯組合液壓離合器/制動(dòng)器型號(hào)表

5 總結(jié)

冷剪機(jī)作為棒材生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，它的正常運(yùn)行直接關(guān)系到軋鋼生產(chǎn)的質(zhì)量。此次 15000 kN冷剪機(jī)的設(shè)計(jì)，我們采用了德國(guó) Ortlinghaus公司生產(chǎn)的的組合式液壓離合器/制動(dòng)器，冷剪機(jī)的性能得到了提高。棒材剪切過(guò)程平穩(wěn)，速度快，剪切質(zhì)量高，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

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