直流電磁制動器制動延遲故障研究

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(1駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室，黑龍江哈爾濱 150066；2哈爾濱東安機(jī)電制造有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150066)

0 引言

直流電磁制動器中的線圈與直流電機(jī)電樞串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)的功能是：電機(jī)通電時(shí)制動器吸合，電機(jī)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)斷電時(shí)制動器釋放，對電機(jī)軸制動，電機(jī)立即停車。

在配套主機(jī)電動機(jī)制動時(shí)出現(xiàn)制動延遲故障。兩臺外場故障機(jī)返廠檢查，發(fā)現(xiàn)電機(jī)首次通電、斷電，制動器工作正常，釋放電流0.15A。電機(jī)通、斷電10次后，制動延遲，輸出軸不能立即制動，釋放電流為0(斷電釋放)。為此進(jìn)行了故障分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、外場排除故障等工作。

1 制動器工作原理分析

將故障電機(jī)分解，確定制動延遲故障點(diǎn)是：制動盤不釋放，不能與止動盤摩擦而使電機(jī)軸制動，電機(jī)制動延遲具體狀態(tài)見圖1。

圖1 故障樣機(jī)制動盤未釋放狀態(tài)照片

該電動機(jī)輸入電壓27V DC，屬于重復(fù)短時(shí)工作制。串聯(lián)的制動器為直流拍合式電磁制動器，工作原理如圖2所示；結(jié)構(gòu)組成、與電機(jī)位置關(guān)系如圖3。

圖2 制動器工作原理圖

因直流電磁鐵為恒磁動勢，電磁吸力F與吸合氣隙δ的平方成反比，制動器對制動盤產(chǎn)生的電磁吸力計(jì)算公式如下

(1)

式中,I—線圈吸合電流， A；W—線圈匝數(shù)；r—鐵心半徑，cm ；δ—吸合氣隙長度，cm；h—線圈高度，cm；b—鐵心邊緣到磁軛內(nèi)壁的距離，cm；l—鐵心伸入線圈部分的長度，cm。

圖3 制動器結(jié)構(gòu)圖

2 制動器工作狀態(tài)及故障分析

制動器工作狀態(tài)包括通電工作時(shí)的吸合狀態(tài)和斷電時(shí)的釋放狀態(tài)，此次故障出現(xiàn)在斷電釋放狀態(tài)。

通電吸合狀態(tài)：電動機(jī)通電工作時(shí)，制動器線圈產(chǎn)生的電磁吸力克服彈簧力，將制動盤拉向與磁軛端面吸合，制動盤與止動盤脫離接觸，從而止動盤和電樞可以自由轉(zhuǎn)動，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。此時(shí)制動器的主要參數(shù)為：電機(jī)起動電流、制動器吸合電流、吸合氣隙、制動線圈匝數(shù)。

制動器斷電釋放狀態(tài)：制動器線圈斷電瞬間，線圈內(nèi)電流迅速減小，彈簧彈力克服制動盤所受到的電磁吸力，推動制動盤復(fù)位與止動盤重新接合，實(shí)現(xiàn)制動。制動盤所受電磁吸力由兩部分組成：(1)電流在線圈內(nèi)產(chǎn)生的電磁吸力；(2)因磁軛為軟磁材料，其充磁后鐵磁材料內(nèi)保留有剩磁，由此剩磁產(chǎn)生的電磁吸力。如果彈簧力不能克服剩余電磁吸力，制動盤不能與磁軛脫離復(fù)位，即出現(xiàn)制動失效的故障。

從故障樣機(jī)的故障測試可知，故障出現(xiàn)時(shí)，釋放電流為0。此時(shí)，制動盤所受到的吸力應(yīng)為剩磁所產(chǎn)生的吸力。此時(shí)制動器與磁軛之間的吸合氣隙δ成為影響電磁吸力大小的關(guān)鍵因素。如δ因制動盤粗糙度、平面度提高而變小，將使磁軛與制動盤之間主要存在的剩余電磁吸力變大。

此時(shí)制動器的主要參數(shù)為：制動器釋放電流、吸合氣隙、剩磁Br。通過上述分析可知：通過增加δ，可降低剩磁對制動盤產(chǎn)生的電磁吸力。

3 解決措施

故障的解決需充分考慮在制品、可返廠的交付產(chǎn)品、無法返廠的交付產(chǎn)品。對于可返修的在制品及可返廠返修的交付產(chǎn)品，采用增加氣隙的方法排除故障；對于已交付主機(jī)并已裝配于飛機(jī)上，無法拆卸返廠的產(chǎn)品，采取篩選排除法剔除故障機(jī)。詳細(xì)解決措施如下。

(1)在制品及可返廠已交付產(chǎn)品

為使電機(jī)斷電后立即釋放，即電流為0時(shí)保證立即釋放，應(yīng)降低剩磁對制動盤的電磁吸力，當(dāng)剩磁吸力一定時(shí)，制動盤所受到的吸力中，保證線圈產(chǎn)生的電磁吸力逐漸減小至一定值時(shí)，彈簧立即釋放。此時(shí)的電流值即制動器釋放電流，應(yīng)控制在0.2～0.45A。

為保證釋放電流、增加制動盤與磁軛間的吸合氣隙，經(jīng)過幾個(gè)方案的對比、論證，最終選定制動盤吸合表面鍍鉻方案，對制動器進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)計(jì)算，吸合氣隙10～14μm、彈簧彈力37.5±1.8N時(shí)，可保證制動器釋放電流為0.2～0.45A。并同時(shí)保證了制動器制動時(shí)間及制動力矩要求，綜合保證電機(jī)的所有功能及性能參數(shù)。

(2)無法返廠的已交付產(chǎn)品

因工作電流、彈簧彈力等參數(shù)的不同，不是每臺電機(jī)都出現(xiàn)制動盤不釋放的故障。經(jīng)外場排查，如電機(jī)存在彈簧無法復(fù)位、制動盤無法與磁軛脫離進(jìn)行制動的故障，則電機(jī)必須拆下返廠，否則監(jiān)視使用。

電機(jī)制動器線圈與電樞繞組、激磁繞組串聯(lián)，且兩個(gè)激磁繞組分別控制電機(jī)的正、反向旋轉(zhuǎn)，因此電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不同時(shí)，對于制動器線圈來說電流方向相同。當(dāng)電機(jī)在通電、斷電過程中，制動器中電流逐漸升高、降低，當(dāng)磁場按圖4中HS→O→HD→-HS→O→HD′→HS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B則沿閉合曲線SRDS′R′D′S變化，此閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)制動器磁軛、制動盤處于交變磁場中時(shí)，將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。此過程中的磁滯損耗，與磁滯回線所圍面積成正比。

圖4 10#起始磁化曲線和磁帶回線

圖5 10#的一簇磁帶回線

圖6 μ與H關(guān)系曲線

磁軛、制動盤經(jīng)反復(fù)充磁使磁場強(qiáng)度升高到飽合值時(shí)，電機(jī)斷電后，此時(shí)剩磁對制動盤吸力最大。根據(jù)其具體尺寸及試驗(yàn)室測量結(jié)果、故障樣機(jī)故障再現(xiàn)情況，制定了每臺電機(jī)的外場故障排查方案：1min內(nèi)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通、斷電5次；反向旋轉(zhuǎn)，通、斷電5次。如此連續(xù)進(jìn)行1min后檢查電機(jī)制動性能。上述為一個(gè)循環(huán)。性能測試合格后，間隔30min再重復(fù)上述工作，如此共進(jìn)行三個(gè)循環(huán)。

4 改進(jìn)措施驗(yàn)證

將上述改進(jìn)方案貫徹至返修故障樣機(jī)中，故障排除。將排查方案貫徹到返廠故障樣機(jī)(未返修)中，故障再現(xiàn)；對返廠返修的電機(jī)進(jìn)行故障排查，個(gè)別未返修的產(chǎn)品故障再現(xiàn)；對外場電機(jī)進(jìn)行機(jī)上故障排查，共排查出4臺產(chǎn)品。目前一切正常，故障未再現(xiàn)，證明排查方案可行。

5 結(jié)語

(1)制動盤吸合表面鍍鉻，增加制動器斷電釋放狀態(tài)的氣隙，可以有效降低磁軛剩磁對制動盤的影響。采用工程中易于實(shí)現(xiàn)的方法，消除了故障。(2)采用控制制動器釋放電流的方法，綜合考慮了制動器中，彈簧、線圈匝數(shù)、電流、吸合面氣隙等參數(shù)的互相制約關(guān)系，檢查了制動器的整體性能。(3)制動延遲故障分析準(zhǔn)確，改進(jìn)措施合理、有效，應(yīng)用至批產(chǎn)、返修產(chǎn)品后可解決制動延遲故障，所有技術(shù)參數(shù)符合技術(shù)要求，無任何遺留問題。(4)外場排查方案合理可行，起到了降低故障率，保證飛行安全的目的。

[1] 湯蘊(yùn)璆，史乃 .電動機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5.

[2] R.波爾.軟磁材料.冶金工業(yè)出版社，1985.

[3] 王士和.自動電磁裝置.機(jī)械工業(yè)出版社，1985.