一種直線導軌氣動制動裝置

姚 鶴，詹 勁

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省大型快鍛液壓設備工程技術研究中心,甘肅 蘭州730314）

在機械設備中，直線導軌用來引導和支撐運動部件，可在高負載工況下實現(xiàn)高精度直線運動。在直線導軌上行走的設備，不但要在一定的條件下工作，還要及時停止行走，并防止設備在軌道上滑動，保證安全。這就需要一種機構來滿足設備的制動要求，并克服外力沿軌道方向的分力。目前，常用的直線導軌制動裝置有液壓式、齒條式等。但對于質(zhì)量小、直線運動速度慢的設備而言，這些裝置的結構較為復雜，安裝、維護不易，成本也較高。

本文介紹了一種直線導軌氣動制動裝置，其結構簡單、成本低廉、環(huán)保節(jié)能，特別適用于在直線導軌上行走的質(zhì)量小、直線運動速度慢的設備。

1 結構設計

該氣動制動裝置主要包括膜片式夾緊氣缸、左右制動臂、制動片、彈簧、支架、底板、壓蓋等。其具體結構如圖1所示。

兩個膜片式夾緊氣缸2用螺栓和銷子分別固定在左、右制動臂上部；左制動臂1和右制動臂3通過定位銷軸6安裝在支架5上，支架5通過螺栓和銷子與底板4連接成整體；彈簧7兩端分別安裝于左、右制動臂內(nèi)側，位于銷軸6下部；兩個制動片8通過螺釘和銷子分別安裝在左、右制動臂下部，同時，與直線導軌11兩側梯形槽配合；壓蓋9用螺釘固定在支架5上；整個制動裝置裝配完成、調(diào)整好位置后，焊接在設備安裝基板上。

圖1 氣動制動裝置結構示意圖（a）正視圖 （b）A-A 剖視圖

2 工作原理

該制動裝置主要是通過兩個膜片式氣缸夾緊帶動左、右制動臂夾緊，從而帶動兩個制動片夾緊直線導軌來實現(xiàn)制動。制動片與直線導軌的安裝關系如圖2所示。

如圖1所示，在初始位置，兩個膜片式氣缸之間有間隙Δt,兩個制動片和直線導軌之間有間隙Δh。

圖2 X局部放大圖

工作時，通過氣動控制系統(tǒng)向膜片式氣缸加壓，推動兩膜片靠攏直至夾緊。即兩膜片之間的間隙Δt逐漸減小，直至為零。兩膜片夾緊，產(chǎn)生相互作用力F，推動左、右制動臂繞銷軸反向旋轉(zhuǎn)，帶動制動片與導軌靠攏，直至壓緊。即制動片和直線導軌之間的間隙Δh逐漸減小，直至為零。此時，彈簧被壓縮，制動片對直線導軌施加夾緊力F1。夾緊力F1沿摩擦面及其垂直方向分解，沿摩擦面方向的分力即為制動片與導軌之間的摩擦力，通過這個摩擦力實現(xiàn)制動。使用時，將這個氣動制動裝置安裝在直線導軌上行走的設備底部，即可實現(xiàn)對該設備的制動。

設備需運動時，通過氣動控制系統(tǒng)使膜片式氣缸泄壓，兩膜片還原到初始位置。彈簧開始復原，在其作用下，制動片向遠離直線導軌方向運動，直至返回到初始位置。制動片與直線導軌脫開，制動解除。

3 選型計算

3.1 夾緊力F1

式中：F——氣缸最大夾緊力，N；

L1——氣缸夾緊力臂長度，mm；

L2——制動片力臂長度，mm。

3.2 制動片對導軌的壓緊力F′

3.3 單個制動片摩擦面與導軌之間的摩擦力f1

其中：μ——制動片和直線導軌間摩擦系數(shù)。

3.4 總摩擦力f

由3.4中的計算式可知，制動片和直線導軌之間的摩擦系數(shù)μ、氣缸的夾緊力F、氣缸到回轉(zhuǎn)銷軸的力臂長度L1、制動片到回轉(zhuǎn)銷軸6力臂長度L2均可影響該制動裝置的制動力。其中，摩擦系數(shù)μ與制動片的材料有關，夾緊力F與氣缸的規(guī)格型號有關，氣缸力臂長度L1和制動片力臂長度L2與制動臂的結構和尺寸有關。因此，通過改變制動片材料、氣缸型號和制動臂的結構和尺寸可實現(xiàn)較大調(diào)節(jié)范圍的制動力。

4 優(yōu)缺點及應用

4.1 優(yōu)點

（1）制動力范圍較大，能夠適應不同工況條件下的制動要求，因此，應用范圍也較廣；

（2）結構簡單、體積小、安裝和維護極其方便；

（3）采用氣動控制形式，以空氣作為工作介質(zhì)，環(huán)保節(jié)能、安全可靠、成本低。

4.2 缺點

膜片式氣缸夾緊力不太大，因此，該裝置不適用于質(zhì)量大、直線運動速度快的設備。

4.3 應用

適合用于在直線導軌上運動質(zhì)量較小、速度較慢的設備的制動，可用于較多行業(yè)中。目前，該制動裝置已應用于作者研發(fā)設計的20MN智能矯直機中，用于左右托輥的制動。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[2] 機床設計手冊.機床設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[3] 吳 筠.氣動工程手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[4] 姚 鶴，馬 建，付 蓉.直線導軌氣動制動裝置以[P].中國：CN 206429578 U，2017-08-22.