(最新)液压干式多片制动器的设计.(DOC).pdf
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1、1 题目:多片液压干式制动器的设计专业:机械设计制造及其自动化总体方案及关键问题1.1本论文要解决的关键问题经过上文的诸多方便的比较和了解,不难得出以下结论:多片湿式液压制动器优于2 多片干式液压制动器,多片干式液压制动器优于盘式制动器和蹄式制动器。考虑到具体的应用工况,即矿用电机的安全制动,具有以下特点。(1)可靠性高。矿用电机的安全制动装置是在电机断电或电机过载损坏的紧急情况下的安全保障,要求具有极高的制动可靠性和安全性。(2)制动不频繁。安全制动装置只是在意外情况下的安全保障,不需要频繁制动及解除制动。(3)体积要求较高。由于安装的空间有限,要求制动器的体积要比较小。(4)成本控制。为了
2、实现经济性,必须在保障可靠安全性的基础上,实现较高的性价比。通过分析课题要求,本制动器设计需要满足的设计要求为:制动类型:安全制动;制动油压:1.62.0MPa;静制动力矩:700NM;动制动力矩:490NM;制动器尺寸范围:不大于220mm*220mm*150mm。为满足以上设计要求和工矿要求,这里选择摩擦方式为干式的多片干式液压制动器。本文需要解决的关键问题是完成多片干式液压制动器结构及受力设计计算。本文将主要解决多片干式液压制动器的如下的关键问题:多片干式液压制动器结构及受力设计计算;需要解决的问题:(1)制动器轴向压紧力,(2)摩擦片制动可靠性,(3)摩擦片开启可靠性及摩擦片比压的计算
3、,(4)制动器主要零件的设计。(5)密封与紧固标准件的选择。1.2多片干式液压制动器总体方案通过查阅相关文献及应用,本设计基于已知的基本设计参数提出如下总体方案,设计参数的提出是为详细设计提供方向和参考,在后面的设计中可对参数做适当的修正,得到较匹配的具体参数。干式多片式液压制动器的整体结构如图。3 图 1 整体结构4 多片干式液压制动器结构设计1.3摩擦片材料选择1.3.1摩擦片材料分析及选择一般来说,对摩擦元件的材料要求有如下几个方面:(1)具有高而稳定的摩擦系数,对温度、压力、滑动速度变化不敏感,动静摩擦系数差值小。对于干式摩擦片一般要求摩擦系数值的波动量不超过正常平均值的15%。对于湿
4、式摩擦片摩擦系数数值的波动值不应超过20%;(2)具有足够的强度和良好的耐磨性;(3)导热性好,热容量大,能经受较高的温度二无明显的变形或碳化、腐蚀等引起材质的改变;(4)抗胶合性能好,不擦伤对偶的摩擦表面;易跑合,耐油无腐蚀;(5)工艺性好,摩擦时无噪声、无振动、无异味、无污染物,成本低。在本设计中,设计的是多片干式液压制动器,故要求摩擦片具有摩擦系数大,导热和耐热性好等特性,因此,在查阅相关资料后,选择铜基粉末冶金材料作为摩擦片的材料。铜基粉末冶金材料具有相当高的摩擦系数,并具有良好的导热性和耐热性(许用工作温度可达 560C),工作可靠。此外还具有相当高的强度和良好的耐磨性,其许用压强高
5、于其他摩擦材料,可用作摩擦片衬片或摩擦块,在湿式或干式条件下与钢或铸铁配对,用于重载或高速工况。1.3.2粉末冶金材料概述粉末冶金材料是用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料(包括制品)。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能,如材料的孔隙度可控,材料组织均匀、无宏观偏析(合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象),可一次成型等。通常按用途分为7 类。粉末冶金减摩材料。又称烧结减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。材料表面间的摩擦系数小,在有限润滑油条件下,使5 用寿命长、可靠性高;在干
6、摩擦条件下,依靠自身或表层含有的润滑剂,即具有自润滑效果。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成型、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、互相贯通,一般有30%60%的体积孔隙度,孔径 1100 微米。透过性能和导热、导电性能好,耐高温、低温,抗热震,抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷,并能在摩擦磨损条件下工作。由于材料内部有残余孔隙存在,其延展性和冲击值比化学成分相同的铸锻件低,从而使其应用范围受限。粉末冶金摩擦材料。又称烧结摩擦材
7、料。由基体金属(铜、铁或其他合金)、润滑组元(铅、石墨、二硫化钼等)、摩擦组元(二氧化硅、石棉等)3 部分组成。其摩擦系数高,能很快吸收动能,制动、传动速度快、磨损小;强度高,耐高温,导热性好;抗咬合性好,耐腐蚀,受油脂、潮湿影响小。主要用于制造离合器和制动器。粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀,晶粒细小,没有偏析,比熔铸高速钢韧性和耐磨性好,热处理变形小,使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。电工材料中,用作电能头材料的有金、银、铂等贵金属的粉末冶金材料和以银、铜为基体添加钨、镍、铁、碳化钨、石墨等制成的粉末
8、冶金材料;用作电极的有钨铜、钨镍铜等粉末冶金材料;用作电刷的有金属-石墨粉末冶金材料;用作电热合金和热电偶的有钼、钽、钨等粉末冶金材料。磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料有磁性粉末、磁粉芯、软磁铁氧体、矩磁铁氧体、压磁铁氧体、微波铁氧体、正铁氧体和粉末硅钢等;硬磁材料有硬磁铁氧体、稀土钴硬磁、磁记录材料、微粉硬磁、磁性塑料等。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。1.3.3摩擦材料的磨损理论及磨损类型6 摩擦材料的组成成分复杂,
9、含有金属、非金属(聚合物、矿物质、碳素等)成分,对它们对偶副的摩擦过程不能用金属摩擦副理论来解释,但可以借鉴这些理论来分析特定的摩擦副。常用的有粘着摩擦理论、分子一机械理谢。1 粘着摩擦理论认为:摩擦表面处于塑性接触状态。由于实际接触面积A只占表观接触面积的很小部分,在载荷作用下峰点接触处的应力达到受压的屈服极限魂而产生塑性变形。此后接触点的应力不再改变,只能依靠扩大接触面积来支承继续增加的载荷。所以有sAN式中:A一实际接触面积,s一屈服极限,N一法向载荷滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程。由于接触点的金属处于塑性流动状态,在摩擦中接触点还可能产生瞬时高温,因而使两金属产生粘着,粘着点具
10、有很强的粘着力。相对滑动时,粘着点被剪切而产生滑动。这样滑动摩擦就是粘着点的形成和剪切交替发生的过程。摩擦力是克服粘着作用和犁沟作用所产生的阻力的总和。2 分子一机械理论认为,在相当高的压力下,摩擦表面间实际接触部分的微凸体相互嵌合,而且较硬表面的微凸体压入较软表面内,与此同时还存在着分子的引力。因此,摩擦的过程就是克服表面微凸体的机械嵌合、犁沟以及表面分子间引力的过程,而摩擦力就是各接触点上由于机械嵌合、犁沟和分子引力所引起的切向阻力之和。推出摩擦系数描述公式如下:NA式中 A实际接触面积,N法向载荷,,和表面的物理、机械性能有关的系数。到目前为止对摩擦材料磨损的机理还没彻底搞清楚,还未得出
11、为世人公认的磨损定量分析及计算方法。本世纪三十年代德国Fiich sel认为磨损过程是先表面变形,继而变形金属从基体脱离。Fink 及 Siebel 等发现金属在磨损过程中可能氧化,且工作条件不同,磨损型式又有很大差别。五十年代Kerriadge 指出金属在摩擦表面间的转移和金属的磨耗两者的区别,认为前者金属基体的直接转移形成剧烈磨损(相当于咬合、胶合),后者可能发生在金属表层氧化之后,表现为缓慢的磨损。阿查德(J EArchard)和汉斯7(WHirs0 曾得出缓慢磨损经验公式:磨损量与载荷及滑动距离成正比而与较软材料的硬度成反比。1957年鲍威尔(Burwell)把磨损按机理不同分为四类:
12、粘着、磨粒、腐蚀及表面疲劳磨损。实际工程中出现的磨损,常不局限于上述单一的型式。从摩擦学角度上讲,把机械磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损四种类型。(1)磨粒磨损,它是指外界的硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象。摩擦材料中含有纤维和硬颗粒,硬颗粒在其中起承载作用,并在表面形成一系列比其偶件硬的小突起,在摩擦过程中,这些小突起象刀具一样,对其偶件表面进行切削,在反复多次作用力的情况下,这些小突起因疲劳而断裂形成磨屑,或者因摩擦表面温度升高,树脂软化,结合力下降,硬质点脱离材料机体形成磨屑。形成的磨屑将会导致摩擦材料和对偶的磨损增大,使摩擦系数增大。(2)
13、粘着磨损,是当摩擦副表面相对滑动时,由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂,被剪切的材料或脱落成磨屑或由一个表面迁移到另一个表面的现象。摩擦材料与其偶件在压力作用下,表面上微凸体受到应力较大,发生塑性变形,当摩擦材料在偶件表面上滑动时或压在其表面上然后拉开时,表面上一些小颗粒将会从一个表面粘附到另一个表面上,有时被粘附的表面材料又会回到原来表面上,发生反粘附。这些被转移的表面材料经过反复地粘附与反粘附及挤压等过程,会发生加工硬化、疲劳、氧化等过程,从而形成磨屑脱落下来。为获得较高的摩擦系数,摩擦材料与摩擦盘之间可有一定的粘着,但过大会加剧粘着磨损,严重的粘着磨损,最终将摩擦材料成片撕裂。摩擦
14、过程中,真实接触面上的众多接触点将首先产生局部温升,形成局部“热点”,(Hot Spotting),研究表明,由冷焊产生的粘着一撅裂磨损能使表面瞬间温度达到760。C。一旦对偶件表面的小块面积开始承受不适当的载荷且其温度比周表面高时,它将膨胀并伸出“平均水平面”,形成“热点”,而使表面压应力的变化,进而使得热点周围的区域发生塑性变形,也可能发生冶金变化。当热流输入下降很快或是制动很快结束时,这一区域的材料很快地被冷却,可能发生由珠光体到马氏体的相变。在一定的条件下,可生成摩擦奥氏体、摩擦马氏体,由于马氏体占用的体积比母材金属大,使得这一相变区域更为突出,因此在这一区域及其周围有可能形成初始裂纹
15、。另外,在热点处所形成马氏体其硬度大,可能导致表面刮削现象的加剧。8(3)疲劳磨损,是两个相互滑动的摩擦表面,在循环变化的接触应力作用下,由于材料疲劳剥落而形成凹坑的现象。在制动过程中,摩擦材料与其对偶进行相对滑动,在两者接触区将造成很大的应力和塑性变形。在长期反复的交变应力作用下,摩擦材料及其偶件表露某些薄弱环节处将会引发疲劳裂纹,并逐步扩展,最后将可能以微细薄片形式断裂剥落下来。在每次制动时,都伴随着材料表层温度的升高,导致材料的热疲劳,在长期反复热应力作用下,会加速材料表面裂纹的产生与扩展,加速材料的疲劳磨损热疲劳是指材料在经受温度变化时,因其自由膨胀和收缩受到了约束,从而产生了循环应力
16、和循环应变,最终导致龟裂而破坏的现象。在制动过程中主要是热疲劳磨损,它是在制动过程中由于表面接触的分散性,每经过一个接触斑点就有一变形波。表面接触处承受循环应力的作用,反复制动时将产生较大的温度梯度,受循环热应力的作用,表面或在表层、多相的晶接口或接口处将产生裂纹,裂纹扩展至小块磨粒而剥落。对于粉末冶金摩擦衬片,材质的多孔性就形成许多应力源,在反复热应力作用下,易出现疲劳磨损;对于有机摩擦衬片,在填料粘合剂或填料填料接口间总存在一些粘合强度的薄弱点而成为裂纹的根源。分析表明,摩擦制动器磨损的主要原因是它们的摩擦材料在工作中产生裂纹并且随着这些裂纹的扩展而造成的。摩擦材料上出现的裂纹是属于疲劳磨
17、损。摩擦制动器中摩擦材料的裂纹分为三类:垂直于滑动方向的裂纹,这是由于摩擦力引起材料表面层内的拉应力作用的结果;平行与滑动方向的裂纹,这是由于摩擦材料本身的热弹性和热塑性不稳定的结果;距表面一定距离处的裂纹,这是由于摩擦表面受粗大磨粒作用而造成应力增大的结果。摩擦磨损过程是在对偶件表面微凸体的接触面积上进行的,所以材料的磨损受到接触区的应力状态和温度以及零件相对移动速度和名义接触面的形貌的影响。对于有机基衬片一金属摩擦副而言,摩擦表面温度场分布的不均匀以及接触温度的过高会引起材料表面一系列力学、物理化学变化(如热弹性不稳定性、材料的热降解、热变形等)。摩擦热引起衬片中的有机物组分间发生热降解等
18、一系列化学反应和物理作用,其反应速率随温度呈指数增加。在接触界面形成转移膜,出现“制动热衰退”现象和“氢脆”现象,促进磨粒的形成,加剧材料的磨损。分析盘式制动器的结构特点,制动时制动盘与摩擦片处于周期性摩擦接触,这种移动热源所产生的热冲击会导致制动盘9 发生热疲劳裂纹。也是接触界面摩擦学特性发生变化(转化膜的形成和稳定性、热衰退)的重要原因。摩擦热还会导致制动压力不均匀分布和表面温度梯度的变化。(4)腐蚀磨损是在摩擦过程中,金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表面损伤。综上所述,在摩擦过程中,材料的磨损可能不止一种磨损机理在起作用,而是几种可能同时作用,并且在不同摩擦阶段,可能会有不同的
19、磨损机理起主导作用,有时可相互转化,同时材料的磨损并不仅限于以上几种,这些都给认识和研究摩擦材料的磨损机理带来一定的难度。1.4多片制动器的组成多片干式液压制动器是专为动力电机配套使用而设计的。它具有良好的制动性能,也可以在其他机械系统中使用。多盘干式液压制动器的基本结构如2 所示,多盘摩擦式液压制动器由摩擦片、制动盘、进油口、弹簧、前后盖、活塞、缸体等零件组成,这种制动器是一种常闭干式液压盘式摩擦制动器,在通常情况西安,依靠一组圆柱压缩弹簧产生的压力作用在活塞上压紧摩擦片与摩擦盘而产生制动力矩,当制动机械需要转动时,将压力油通过液压油路输送到缸体内,此时,液压力将活塞推开,摩擦片与摩擦盘分离
20、。机器开始转动工作。多盘摩擦式液压制动器的特点是:结构简单、操作灵活、摩损均匀,制动力矩大、制动性能稳定,当需要较大制动扭矩时,在不需要增大制动器的径向尺寸的前提下,通过增加摩擦片的数量,来调节制动力矩,通过摩擦片的标准化就可以实现制动器的系列化,对生产与维护都产生很大的方便。由于这种制动器的诸多优点,因此,在许多的制动系统中液压盘形制动器的应用也越来越多多。1 0图 2 多片干式液压制动器基本结构1.5制动器工作原理它主要是由摩擦片、制动盘、弹簧、前后盖、活塞、缸体等零件组成。这种盘式液压制动器,安装在电机的轴端上。它的工作过程是:在一般情况下,活塞 8 在弹簧 4 的压力作用下,压紧制动盘
21、2 和摩擦片 1,产生摩擦力矩,使制动器抱闸,实现电机制动,当电机需要转动时,液压油在控制油路的作用下通过进油口3 进入缸体,使制动器松闸,这时摩擦盘2 和摩擦片 1 分离,电机运转。制动器通过前盖法兰上的螺钉固定在采煤机上,制动油液的控制是通过液压油路上的一个电磁控制阀,在通常情况下,电磁控制阀不工作,当电机需要转动的时候,电磁控制阀发出信号,控制液压油路输送压力油从进油口3 进入缸体 10实现松闸。当制动器出现故障或者更换摩擦片的时候,可以对制动器进行机械方式释放,释放方式为,把螺钉 5 卸下,用两个长螺钉旋入活塞8的螺孔中,完全旋紧,将活塞8 提起,这是制动器被释放。为了避免过早更换摩擦
22、片造成材料浪费或者过迟更换摩擦片引起安全隐患,可以在后盖上开一测量孔,通过测量后盖与活塞之间的距离来确定摩擦片的磨损程度,所以这种结构比较好。1.6摩擦片计算根据已知条件,转换到制动轴上的最大传递扭矩为T=700NM,根据传递的力矩,由机械零件强度计算,根据轴的抗扭强度条件1 130.2TTTTTWd式中,T-轴的扭转切应力;T-轴所受扭矩;T-轴的许用扭转切应力,这里认为轴的材料选用45 号钢,取 30MPa;d-轴的危险截面直径;当轴上有键时,d应增大约 7%,求得的轴径应按标准直径圆整。带入数据,计算d=58.8mm,增大 7%圆整得d=52.2,圆整取d=68mm。(1)摩擦片的平均直
23、径确定摩擦片工作面平均直径既要保证有足够的制动力矩,又要尽可能减小体积和质量。通常由式(2.5 4)pDd 确定平均直径pD,取mmdDp1705.2。(2)摩擦片工作的内外直径12DD、12(0.5 0.6)DD;mmDDp1901.12;2D 圆整取 190mm,mmD681;(3)摩擦面对数 i 22218()pTKiDDD f k式中,K工作情况系数,取3;f 摩擦系数,铜基粉末冶金材料取0.3;k 许用单位面积压力,k=12MPa,取 2MPa;2.92i(对),通常 i 取偶数,4i对。则摩擦片总数415zi片。(4)摩擦片厚度摩擦片的厚度与其材料有关,对于两面镶铜基粉末摩擦材料摩
24、擦片,干式厚度一般1 2为 B=46mm,取 B=4mm。(5)摩擦片脱开的平均间隙摩擦片脱开时间隙应使摩擦片在脱开状态下不带片,又要使间隙尽可能小以提高制动的灵敏度。对于镶摩擦材料层的摩擦片,其间隙通常为=1.01.5mm,取=1.2mm。(6)扭矩验算由已知条件可知,制动器的摩擦面上的摩擦转矩,可取为设计静制动力矩,如图3摩擦盘上的摩擦转矩3 所示的摩擦盘为TRRdRRupzTRRu)(3223132221式中Tu设计时所确定的制动力矩;u摩擦片的材料选用粉末冶金材料,取其u=0.3;p摩擦面上的压强,其值应小于机械设计手册上所列相应材料的许用压强(MPa),这里 p=2MPa;z摩擦面数
25、,共4 对 8 面;R1摩擦片的有效内径半径,R1=68mm;R2摩擦片的有效外径半径,R2=190mm;带入数据验算得35.595 10uTNmT,满足设计要求。1.7制动器轴向压紧力的计算按照确定的制动扭矩,计算所需轴向压紧力(弹簧总压紧力)为:NifDTBQp101822式中T设计时所确定的制动力矩,这里取静制动力矩,T=700Nm;安全系数,一般=1.2;f 摩擦片的材料选用粉末冶金材料,取其f=0.3;i 摩擦面对数,i=4;pD 摩擦片平均直径,170mm;1 3图 3 摩擦盘上的摩擦转矩本设计选用 12 个相同的弹簧,则每个弹簧的压紧力为/12849pQN由于该制动器为常闭型,通
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