干式盘型液压制动器的设计毕业设计论文1.doc

i 题目：干式盘型液压制动器的设计题目：干式盘型液压制动器的设计 专业：机械设计制造及其自动化专业：机械设计制造及其自动化 学生：王坤学生：王坤 （签名）（签名） 指导教师：周新建指导教师：周新建 （签名）（签名） 摘要摘要 干式盘型液压制动器是保证采煤机可靠运行非常重要部分，它的可靠性直接关系着 煤矿安全生产。本次设计，以煤矿机械安全生产为背景，首先对现在所使用的制动器进 行了比较，对各个种类的制动器进行了分析。接着确定了液压制动器的整体构造，简略 制定了液压制动器的设计方案。然后对摩擦片材料进行了分析与选取，确定了摩擦片所 使用的材料，最后对制动器摩擦盘、缸体、活塞等尺寸进行了计算与校核，设计出整个 制动器。绘制出了整个制动器的装配图和各个零件图。 关键词关键词：干式盘型：干式盘型; 液压制动器液压制动器; 设计设计 ii subject: the design of multiple hydraulic dry brake abstract multiple hydraulic dry brake is the guarantee of an important part of safety of coal mining machine operation, its reliability is directly related to the coal mine safety production. this design, in order to coal mine machinery safety as the background, compares the brake first now in use, brake on each category are analyzed. then determine the overall structure of the disc brakes, brake design scheme determined. then has carried on the analysis and selection of friction materials, friction materials used to determine, at the end of the brake friction disk, cylinder, piston size was calculated and validated, the brake design. drawing assembly drawing and parts diagram the brake. keywords: dry-type multidisc brake; design iii 目目 录录 1 引言引言1 1.1 选题背景.1 1.2 矿用机械安全形势 .1 1.3 制动器发展史 .2 1.4 制动器的基本概况 .3 1.4.1 制动器的作用.3 1.4.2 制动器的性能要求.3 1.4.3 制动器的种类.3 1.4.4 制动器的组成.4 1.5 制动器比较及应用概述4 1.6 盘形制动器存在的问题6 2 总体方案及关键问题总体方案及关键问题 .7 2.1 本论文要解决的关键问题7 2.2 干式液压制动器总体方案7 3 干式盘型液压制动器结构设计干式盘型液压制动器结构设计 9 3.1 摩擦片材料选择 .9 3.1.1 摩擦片材料分析及选择.9 3.1.2 粉末冶金材料概述.9 3.1.3 摩擦材料的磨损理论及磨损类型.10 3.2 液压制动器的组成 .14 3.3 制动器工作原理 .15 3.4 摩擦片计算 .15 3.5 制动器轴向压紧力的计算17 3.6 摩擦片的制动性能计算 .18 3.7 摩擦片开启的可靠性 .19 iv 3.8 摩擦片比压的设计 .19 3.9 制动器主要零件的设计 .19 3.9.1 缸体参数设计 19 3.9.2 活塞参数设计 20 3.9.3 内键圈设计 22 3.9.4 弹簧计算 23 3.9.5 紧固连接螺栓计算.24 3.9.6 前缸盖后缸盖的设计.25 3.10 方案的其他标准件选取26 3.11 设计中公差与配合的选取原则27 3.12 本章小结.29 4 制动器液压系统制动器液压系统.30 4.1 液压系统组成 .30 4.2 液压系统形式 .30 结论结论33 致谢致谢34 参考文献参考文献35 1 1 引言 1.1选题背景选题背景 盘型液压制动器是采煤机中的一个非常重要部件，它的主要作用是当机器需要停止 工作或者在出现设备故障的时候让机器在要求的时间内停止运动，也就是说需要在规定 的时间内把机器的动能尽快转化为别的能量，使机器的动能消耗。工作原理是工件表面 想回摩擦，从而达到机器停止制动的目的。盘式液压制动器相对于鼓式制动器具有制动 性能稳定，传递力矩大、只有轴向受力、结构紧凑、散热性好等突出的优点，所以在实 际中被广泛应用。 本次设计的题目是干式盘型液压制动器的设计，通过本次设计，能对煤矿安全 生产有一个明晰的认识，并且对大学四年的知识有一个系统的运用和理解，使自己的专 业能给力有一个明显的提高。同时让自己的绘图能力，学习认知的能力能够有一个比较 大的进步。 1.2矿用机械安全形势矿用机械安全形势 在复杂地质条件与恶劣环境下，矿山机械在重载和交变载荷状态下工作，很容易产 生安全隐患，如果没有及时发现的话，设备继续在这种环境下工作，就有可能导致恶性 事故的发生。根据 19942003 年全国煤矿事故的统计, 机电事故在各种非自然事故中 居第 4 位,20%30%的事故在运输设备上发生。而且，机电事故还会引发瓦斯爆炸等重 大安全事故，煤矿井下的瓦斯爆炸事故中，有 40%45%是由于机电设备所产生的电火花 引起。煤矿安全所产生的死亡人数中，有 2.14%是由于机电事故。因此，采取对煤矿机 电事故采取有效的遏制措施、尤其是运输事故，对改变煤矿生产面貌、保障生产能力具 有极大的意义。 矿山机械设备是矿山生产中的重要设备，占有重要的地位。例如矿井提升装置是井 下与地面最主要的联系工具。矿山提升设备的用途是将井下采掘的纤石，由运输设备经 井下巷道运到井底车场，然后再由提升设备运到地面，矿山提升设备在工作中如果一旦 发生机械和电气故障，就会造成停产，甚至人身伤亡，为了保证生产以及人员的安全， 所以对矿山提升设备要求稳定运行，可靠安全，务必装备性能优良的控制设备和保护装 2 置及制动设备。 电机是矿井提升系统的动力源，因此，对于电机的制动保护也是矿山安全研究的重 要内容。当动力电机意外断电或过载时，如果没有有效的安全制动保护，其结果将非常 严重，会对矿山的生产及生命财产安全造成不可估量的损失。 1.3制动器发展史制动器发展史 伴随科学进步和相关技术的发展，制动器经历了以下几个发展阶段。 (1)机械制动器；(2)盘式制动器，1898 年，克里夫兰的埃安斯佩里设计的电动汽车 就采用了前轮盘式制动器。斯佩里用各个车轮的轮毂和圆盘分别连成一体，另有一个镶 有摩擦片的小圆盘。电磁铁的作用下制动时，使它紧贴转动盘，就能阻止车轮的转动， 当电磁铁断电时，车轮又自行转动。1902 年。英国颁布了 fw 蓝彻思特的非电磁盘式 制动器专利，其原理与现在的盘式制动器相似。蓝彻思特盘式制动器的最大问题是制动 时的冲击噪声大。1907 年，英国人赫弗罗特提出了用石棉衬板的想法，解决了制动器 存在的制动噪声问题。盘式制动器的应用使美国汽车在制动性能方面有了很大提高。 1965 年生产的福特、雷鸟、林肯、大路等车均采用了 kelseyhay 前轮盘式制动器，雪 佛莱、克尔维特等车采用了四轮盘式制动器：(3)液压制动器，1918 年，马洛夫希德 发明了液压制动器，他利用液压缸和油管将液压油传递到制动蹄，使它压紧制动鼓。第 一辆全部轮子上都装有液压制动器的汽车是杜森贝格型车，但是汽车制造行业并未立即 采用液压制动，直到 1931 年，克莱斯勒、道奇、德斯多、普利茅斯、弗兰克林、列奥 和格雷厄姆等车型采用了液压制动，而其他厂家则仍然使用操作钢索的机械制动器。通 用和福特于 1934 年和 1939 年使用了液压制动技术。(4)电子制动控制装置，电子制动控 制装置包括防拖死系统(abs)和牵弓控制系统(tcs)。abs 系统在制动过程中可自我调 节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果。abs 系统有如下优点：可缩短制动 距离，制动时不影响转向性能；能增进驾驶员制动操作的稳定性；可避免轮胎在制动时 的偏磨。电牵引控制系统，可以对一个或多个车轮，在光滑路面上没有牵引时，给每个 车轮均匀改变动力。这些都是通过改变动力来控制制动器，并投有对摩擦片的工状况进 行监测。随着重型机械高速、重载方向的发展，对制动器也提出了更高的要求。制动器 不仅要满足一般要求，同时还要具有高而稳定的制动力，尽可能小的工作振动，较低的 磨损率，特别是对其制动摩擦系数，必须在任何条件下保持基本的稳定。为保证高性能 3 的安全可靠性，这就需要对制动器的实时工作状况有清楚的了解，这是制动器的一个发 展方向，对关键部位的工作状况有可分析的实测数据，这样才能很好地采取措施去控制 影响因素。 1.4制动器的基本概况制动器的基本概况 1.4.1制动器的作用制动器的作用 制动器是具有使运动部件（或运动机械）停止、减速或保持静止状态等功能的装置。 是使机械中的运动件停止和减速的机械零件。通称刹车、闸。 同样的，电机制动器是用于使工作中为防止意外事故发生而使电机停车或减速的机 构。制动器直接影响着电机运行的停车和安全性的可靠性。随着矿山生产的迅速发展和 生产力的的提高，为了保证在意外状况下电机安全可靠停车地制动器的工作可靠性显得 愈来愈重要。只有制动性能优良、制动器工作稳定的电机动力系统才保证生产的安全性。 1.4.2制动器的性能要求制动器的性能要求 制动器的制动过程，从形式上说，就是通过能量的转化，从而使需要制动的机器停 止工作或者减速。机器的安全可靠性取决于制动器的制动安全性。近年来，随着人们对 煤矿安全生产要求的不断提高，制动器的安全可靠性也越来越受到人们的关注，所以对 制动器的性能要求也越来越高，一般制动器必须要满足下面几点要求： 1 (1)为了满足和保证安全制动的基本要求，必须要有足够的制动力矩。 (2)在受到(速度、温度、湿度、驱动力等)外界条件的变化的条件下，制动力矩的 变化也要尽量小。这样摩擦副才能产生稳定的制动力矩。 (3)具有良好的散热性能，以避免摩擦表面温度过高。 (4)噪音要小、对环境的污染小。 (5)耐磨性能良好，安全使用寿命要比较长。 (6)维修和操作要简单，方便，以满足不同层次需求。 1.4.3制动器的种类制动器的种类 制动器使用在不同的工况制动器的形式有所不同，根据不同的分类标准可以有以下 几种类型： 2 4 (1)根据摩擦副的结构型式，制动器可以分为鼓式制动器和盘式制动器。而鼓式制 动器又分为带式和蹄式制动器。按其制动蹄的布置型式蹄式制动器又分为双向增力式、 双领蹄式和领蹄一从蹄式。盘式制动器分为全盘式、钳盘式和锥盘式制动器等。盘式制 动器的散热性比较好，构造形式简单，各部分调整方便。适用于重载场合，其有稳定的 制动效果，以及较好的耐高温性，所以盘式制动器比鼓式制动器更容易在比较短的时间 内实现制动。 (2)根据摩擦副的工作环境，制动器分为于式制动器和湿式制动器，湿式制动器的 摩擦副在油介质中工作，是在边界摩擦工作状态下产生制动力矩的，干式摩擦制动器使 用的是空气自然冷却。 (3)根据驱动系统分类，制动器分为机械式、电磁式、液压式、电液式、气压式、 气液式、惯性式等。由于液压式制动器寿命长工作平稳而迅速、制动效率高、工作平稳 而迅速等优点，在车辆和重型设备上应用比较广泛。 （4)根据制动器的工作状态，制动器可分为常开式制动器和常闭式制动器。常闭式 制动器在弹簧和重力作用下常常处于闸块抱紧状态，在外力作用下才打开，在外力去除 之后自动制动。而常开式与之相反，制动器经常处于打开状态，只有在外力作用下才抱 紧制动。 1.4.4制动器的组成制动器的组成 （1）执行机构（通称为闸） ，它是默认作用在制动盘上，产生力矩的结构。 （2）传动机构，它是控制并调节制动力矩的部分，按运动力源分为弹簧传动、压 气、以及油压系统。 1.5制动器比较及应用概述制动器比较及应用概述 液压制动器一般分为干式和湿式。干式制动器又有多片干式液压制动器，蹄式制动 器和盘式制动器等。 近几年的实际应用及经多种工况作业条件使用证明，盘式制动器具有质量轻、动作 灵敏、结构紧凑、安全性好，便于矿井生产的自动化等优点，所以在矿井制动系统中， 通常使用盘形制动器。 干式盘式制动器由制动器外壳、制动活塞、制动环、制动片、圆盘轮毂及端板等组 5 成。若干固定的和转动的制动摩擦片相互交替排列,固定摩擦片通过花键和制动器外壳 连接,轴与活动摩擦片连接同时旋转。当来自制动阀的液压油进入到制动器时,制动活塞 就把交替安装的制动摩擦片压紧,使旋转的磨擦圆盘受到磨擦力减速直到停止转动,达到 制动的目的。 下面是湿式与干式盘型制动器和一般干式（盘式和蹄式）制动器的比较及应用。 3 （1）散热条件。干式制动器与湿式制动器的制动远离都是将机器的动能转化为热 能释放，产生热量的地方主要是摩擦片与摩擦盘之间。湿式多片制动器和干式制动器的 根本区别是湿式制动器都采用封闭的结构，摩擦片在冷却油中使用，制动时产生的热量 只有较少一部分由制动器的元件吸收，而大部分热量则通过冷却液带走。湿式制动器可 以根据所制动的要求以及制动器发热情况选择合适的冷却方式，可以使冷却效果很好。 而干式制动器通常是利用通风冷却，冷却效果比较差。由于干式制动器的冷却条件没有 湿式制动器好，所以摩擦衬片受热后的热稳定性会受影响，所以对摩擦片的要求很高。 （2）制动容量。湿式和干式盘型制动器均属于全盘型制动器，制动盘摩擦面积比 较大，制动转矩容量明显高于干式钳盘式、蹄式制动器。另外，可以很方便的通过增加 摩擦片的数量来提高制动转矩。 （3）制动稳定性。在制动稳定性方面，湿式制动器比干式制动器好。由于湿式制 动器的摩擦片在冷却液中工作，散热比较好，所以很耐高温，也可以有效的减少摩损。 盘式摩擦面是两个平行的平面，在一般情况下，两摩擦面不会发生变形，所以稳定性比 较好。 （4）可靠性。湿式制动器一般为全密封结构，所以不会因为泄漏而对工作环境产生 污染。干式和湿式多片式制动器的摩擦片磨损都比较均匀，可以产生很大的制动力矩， 制动效率很高，多片组合的方式使得只需要比较小的轴向压紧力就可以推动活塞，实现 制动要求，所以这对其他元件所需要承受的压力也会减小，使得可靠性有显著的提高。 （5）结构尺寸。由于干式和湿式制动器均采用全盘式结构，摩擦面积很大，这使制 动器的外形尺寸可以设计的比较小，可以在复杂的机械结构中安装与使用。 （6）使用寿命。湿式液压制动器工作时，制动摩擦片浸泡在封闭的冷却油内，制动 时摩擦材料不会直接接触，这种制动方式磨损率很小，而且制动也比较平稳，制动性能 6 稳定，相对与干式制动器，其使用寿命大大提高。 1.6盘型制动器存在的问题盘型制动器存在的问题 (1)在制动器工作过程中，由于制动时间很短，动能大部分准换为热能，而产生的热 量绝大部分被制动器吸收，这导致摩擦盘和摩擦片的温度升高，摩擦副的摩擦因数就会 发生改变，所以，磨损率会增加很多。 （2）摩擦副表面温度过高导致摩擦片表面材料的性质发生变化，导致摩擦片性能降 低，可靠性降低。 （3）在使用现场凭借工人的经验或者定期更换摩擦片，这种方式劳动强度大，而且 由于没有准确的标准，很容易出现滞后更换而出现安全隐患或者前更换造成材料的浪费。 （4）由于设计机构的不合理性，使得制动器的机械释放可靠性差。 针对这些问题，在设计制动器的时候需要注意到这些问题，解决这些问题就是设计 所需要解决的难题。本次设计针对摩擦材料的选取以及结构设计进行选取与设计。 7 2 总体方案及关键问题 2.1本论文要解决的关键问题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：湿式液压制动器优于干式 液压制动器，干式盘型液压制动器优于蹄式制动器。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； 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 决干式盘型液压制动器的如下的关键问题： 干式盘型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， （4）制动器主要零件的设计。 （5）密封与紧固标准件 的选择。 2.2干式盘型液压制动器总体方案干式盘型液压制动器总体方案 8 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。 干式多盘型液压制动器的整体结构如图 。 图 1 整体结构 9 3 干式盘型液压制动器结构设计 3.1摩擦片材料选择摩擦片材料选择 3.1.1摩擦片材料分析及选择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。对于干式摩擦片我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，摩擦时没噪声、没振荡、没杂味、没污染物，成本低。 在本设计中，设计的是干式液压制动器，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。 3.1.2粉末冶金材料概述粉末冶金材料概述 粉末冶金材料用的是粉末冶金工艺制得的半致密材料、多孔材料和全致密材料（包 括制品） 。粉末冶金工艺具有传统熔铸工艺所无法得到的独特的化学组成和物理性能， 如材料的材料组织均匀，无宏观偏析（合金凝结后其的截面上不同的位置没有因为液态 合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象） 、孔隙度可控，可以一次性加工成型等。 平常按照用途可分为七类。 粉末冶金减摩材料。又称烧结减摩材料。经过在材料孔洞中浸泡润滑油或者在材 料的成分中添加固体润滑剂或减摩润滑剂制得。材料接触面之间的摩擦系数小，在有限 10 润滑油条件下，可靠性高、使用寿命很长；并在干摩擦条件下，依靠自身或表层含有的 润滑剂，就是具备有自行润滑效果。非常庞大的用作支承衬套、制造轴承或者作端面密 封等。 粉末冶金多孔材料。还叫做多孔烧结材料。材料是由球形状或形状不很规则的金 属或者合金粉末来经成型、烧结制成。材料内部孔道互相贯通、相互交错，通常有 30%60%的体积孔隙度，孔径大小有 1100 微米之间。透过性能和导电、导热性能非 常的好，非常耐低温、高温，也抗介质腐蚀，而且抗热振。通常用来制造过滤器、多孔 电极、防冻装置、灭火装置等。 粉末冶金结构材料。还叫做烧结结构材料。能承受扭曲、拉伸和压缩力，而且能 够在摩擦磨损条件下工作。因为材料里面有残余孔隙，其冲击值和延展性比化学成分相 同的铸造锻件低很多，因此其应用范围受到了很多的限制。 粉末冶金摩擦材料。还叫做烧结摩擦材料。由润滑组元（包括铅、石墨、二硫化 钼等） 、基体金属（包括铜、铁或其他合金） 、摩擦组元（二氧化硅、石棉等）三部分组 成。它的摩擦系数很高，而且能非常快转化动能，传动、制动速度也快快、磨损小；耐 高温，强度高，导热性好；抗咬合性好，受油脂，耐腐蚀、潮湿影响小。制造制动器和 离合器非常的合适。 粉末冶金工具模材料。包括粉末冶金高速钢 、硬质合金等。它的晶粒渺小，组 织匀称，没有偏析，比熔铸高速钢耐磨性和韧性好，热处理变形非常小，使用寿命很长。 可用于零件、模具和制造切削刀具的毛坯件。 粉末冶金电磁材料。包括磁性材料和电工材料。电工材料中，用作电能头材料的 有铂、银、金等贵重金属的粉末冶金材料以铜、银为基体添加铁、镍、钨、碳化钨、石 墨等做成的粉末冶金材料；用作电极的有钨镍铜、钨铜等粉末冶金材料；用作电刷的有 金属-石墨粉末冶金材料；用作电热偶和热电合金的有钨、钽、钼等粉末冶金材料。磁 性材料分为硬磁材料和软磁材料。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、正铁铁氧体、微波氧体和粉末硅钢等；硬磁材料有磁记录材料、稀 土钴硬磁、 硬磁铁氧体 、微粉硬磁、磁性塑料等。用于制造各种传递、转换、储存信 息和能量的磁性器件。 粉末冶金高温材料。囊括粉末冶金高温合金、金属陶瓷和合金、 难溶金属 、纤 11 维强化和弥散强化材料等。用于制造高温下使用的喷头、涡轮、叶片及其他耐高温零部 件。 3.1.3摩擦材料的磨损理论及磨损类型摩擦材料的磨损理论及磨损类型 摩擦材料的组成成分复杂，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，可以借鉴这些论点来辨析制定 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：摩擦表面处于塑性的接触的状态。由于实际接触面积 的 a 只占表观的接触的面积的非常小部分，在载荷的作用下峰点的接触处的应力达到受 压的屈服的极限从而产生的塑性的变形。此后的接触点的应力是不再改变的，只能够靠 着扩大的接触的面积来支承继续增加的载荷。所以有 s an 式中：a 实际接触面积， s 屈服极限，n 法向载荷 滑动摩擦表示的是滑动和粘着 相互交替发生着的跳动过程。由于接触点的金属正处于塑性流动状态，摩擦中接触点还 有可能会有瞬时高温，因而使两种金属产生粘着，粘着点具有非常强强的粘着力。相对 的移滑动时，粘着的点被剪切后然后产生移滑动。这样移滑动摩擦就是粘着的点变成和 剪切相互替换发生的过程。摩擦力是顶着粘着的作用和犁沟的作用所变成的阻力的全 部。 2分子一机械的理论认识，在适当高的压力下，摩擦的表面间实际的接触部分 的微凸体相互契合，而且较硬接触面的微凸体嵌入较软表面内，在此时还有着分子之间 的吸引力。因此，摩擦本身的过程是克服表面微凸体的犁沟、机械嵌合还有表面分子间 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，还未得出为世人公认的磨损 12 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 指出金属在摩擦接触面之间的转 移和金属的消耗两者的区别，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(jearchard) 和汉斯(whirs0 曾得出缓慢磨损经验公式：滑动长短与载荷及消耗量成正比而与较软 材料的硬度成反比。1957 年鲍威尔(burwell)把磨损按机理不同划分为：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对磨表面上的硬突出物在摩擦过程中引起表面 材料掉落的现象。摩擦材料中含有纤维和硬颗粒，硬颗粒在其中起承载作用，并在接触 面面形成很多比其偶件硬的小凸出，在摩擦过程中，这些小凸起像刀子一样，对其偶件 表面进行切削，在多次作用力的状况下，这些小凸起物因为劳累而断开形成碎末，或者 原因摩擦表面温度升高，树脂变软，结合力降低，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)粘着磨损，是当摩擦副表面相对滑动时，因为粘着效应所形成的粘着结点发生 的切断断裂，被剪切的材料或脱落成碎末或由一个表面移动到另一个表面的现象。摩擦 材料与其偶件在压力作用下，表面上微凸起受到应力较大，发生塑性变形，当摩擦材料 在偶件表面上移滑动时或着压在表面上随后拉开时，表面上一些小颗粒将会从一个表面 粘附到另一个表面上，有时被粘附的材料因为原因又会回到表面上，因而发生反粘附。 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)，研究发现，由冷焊产生的粘着一撅裂磨损能使接触面瞬间温度升高到 760。c。一旦对偶件接触面的小块面积开始承受多出的载荷并且比周边温度高时，它将 13 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，由于马氏体占用的空间比原材金属大，使得这一相变 区域更为突出，因此在这一区域及其周边取悦有可能有初始裂纹形成。还有，在热点处 所马氏体非常硬，可能引发表面刮削现象的加强。 (3)疲劳磨损，是两个互相滑动接触的摩擦表面，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，材料表层温度都会随制动升高，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 14 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 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。 3.2干式盘型液压制动器的组成干式盘型液压制动器的组成 干式盘型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。 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。 15 图 2 多片干式液压制动器基本结构 3.3制动器工作原理制动器工作原理 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 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。 3.4摩擦片计算摩擦片计算 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 16 3 0.2 tt t tt wd 式中，-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； t -轴的危险截面直径；d 当轴上有键时，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=52.2，圆整取=68mm。ddd (1)摩擦片的平均直径 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。通常由式确定平均直径, (2.5 4) p dd p d 取。mmddp1705 . 2 （2）摩擦片工作的内外直径 12 dd 、 ； 12 (0.5 0.6)dd ；mmdd p 1901 . 1 2 圆整取 190mm,； 2 dmmd68 1 （3）摩擦面对数 i 22 21 8 () p tk i ddd 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； (对)，通常 i 取偶数，对。则摩擦片总数片。2.92i 4i 4 15 z i （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擦片，干式厚度一般 17 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 trrdrrupzt r r u )( 3 2 2 3 1 3 2 2 2 1 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，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，满足设计要求。 3 5.595 10 u tnmt 3.5制动器轴向压紧力的计算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： nifdtbq p 101822 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； 摩擦片平均直径，170mm； p d 18 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，通常情况下利用弹簧压力进行制动，利用液压力进行卸荷， 所需要的制动器为安全制动，所以要求制动可靠，开启乌摩擦，摩擦片上的比压不能超 限，所以需要对制动器的弹簧制动力、摩擦片的开合的可靠性、及摩擦片工作时的实际 比压进行计算。 3.6摩擦片的制动可靠性计算摩擦片的制动可靠性计算 有轴向压紧力计算可知，每个弹簧的压紧力为 849n，为了安全起见，在计算可靠性 时每个弹簧压紧力按 1000n 计算，共 l2 只弹簧，则弹簧的总压紧力为： 12 100012000 t pn 系统背压，0pmpa 作用在摩擦片上的轴向力应满足下式： 22 12 () tf pprrqq 式中qf摩擦阻力，一般在轴向压紧力的 3%左右，qf=0.03*12000=360n； d2摩擦片的有效外径，d2=190mm； d1摩擦片的有效内径，d1=68mm； 则： 22 12 () tf pprrq 19 =12000-0-360 =11640n 大于 10182n，满足上式的要求，故弹簧力满足要求，当作用在摩擦片上时可以使摩 擦片接触进行制动。 3.7摩擦片开启的可靠性摩擦片开启的可靠性 当制动器需要解除制动时，液压油通过油孔进入制动器，弹簧压缩，摩擦片松开。 在此时应满足下式： 22 12 () tfk pqpdd pk为制动器的开启压力，代入数据，计算可得：pk0.557mpa，即，当压力达到 0.557mpa 时，摩擦片可充分松开，使马达运转，此压力即为制动器的开启压力。 3.8摩擦片比压的设计摩擦片比压的设计 当电机停转，制动器制动时，摩擦片所受的实际比压为： 22 21 ()0.689 bt ppx rrmpa 小于许用比压 2mpa，因此，本设计是合理的，可行的。 3.9制动器主要零件的设计制动器主要零件的设计 本节将对制动器的几个主要零部件进行结构设计计算，除特殊说明，设计零件的材 料均为 45 号钢，其其抗拉极限强度为 640mpa，屈服极限强度为 355mpa。 3.9.1缸体参数设计缸体参数设计 制动器缸体体是制动器中极为重要的支承和固定装置。制动器的缸体刚度如果不足， 当制动器制动工作时，可能会使壳体产生较大变形，这样就会降低制动器的制动效率， 严重时还可能造成壳体塑性变形，影响活塞运动或摩擦片的运动，造成制动失效或卡死。 所以设计中要加强壳体的刚度设计。 （1）缸体内径：根据载荷的大小和选定的系统压力计算液压缸内径 d 为： mm p f d 1 . 90 2 10182 1013 . 1 1013 . 1 33 其中：f 为轴向压紧力，f=10182n 20 p 为系统油压，p=1.6-2.0mp，这里取 p=1.6mp 根据实际尺寸需求，取缸体内径系列值为 d=190mm 如 4 是缸体的结构图。 图 4 缸体结构图 3.9.2活塞参数设计活塞参数设计 活塞是制动器的重要执行零件，它既支撑压紧弹簧，又是直接专递弹簧的压紧力给 摩擦片和摩擦盘，同时更是液压系统的最终执行元件，作用在活塞上面的液压压力最终 转化抵消弹簧压紧力，实现电机工作时制动器解除制动，电机失电或液压系统异常压力 降低时使制动器制动，最终实现安全制动的效果。有已知的制动油压要求，制动油压为 p=1.62.0mpa，选定制动油压 p=1.6mpa 计算活塞杆直径 d 查机械设计手册知/1 dd 其中为速度比 根据机械设计手册，在设计中，根据工作压力的大小选用速度比时，可参考下图表 21 工作压力/mp10 12.5-2020 1.331.46-2 2 因为 p=1.6mp，故去速度比=1.33 故mmd9533 . 1 /133 . 1 190 根据实际需求及尺寸取系列值 d=136mm 液压缸有效面积 a 2222 1 2 2 2 . 1382641361904mmdda 则 nfnmmmppafc10182 6 . 22121 2 . 138266 . 1 2 故设计符合载荷要求。 计算壁厚 对于液压系统或当时，液压缸缸筒厚度一般按照薄壁筒计算，此时16 p 2dpy 为壁厚 为实验压力(mp） ，当工作压力时， =1.5p。当工作压力时， y p mpp16 y p mpp16 =1.2p y p 本次设计中 =1.5p=1.51.6=2.4mp y p :缸体材料许用应力（mp） 对于：锻钢=100-120mp 铸钢=100-110mp 钢管=100-110mp 铸铁=60mp 所以mm25 . 2 100219 . 0 4 . 2 取=4mm 22 液压制动器分离时，各摩擦表面间隙并不均匀，但可以用平均间隙 来衡量。 由摩擦片计算章节确定的 =1mm。 故活塞有效行程行程 f1=z=1.25=6mm。 由缸体密封长度要求 lm=15mm，考虑安装时摩擦盘与缸体距离取为 1mm,可得活塞小 端总长度 lh= f1+lm+1=6+15+1=22mm。 另外，弹簧需要安装支承在活塞上，由弹簧的设计计算，弹簧的外径为 23.5mm,留 一安装余量 1.5mm,则活塞上安装弹簧的盲孔直径 dm=25mm，盲孔深度应比弹簧最短工作 高度小一些，取 hm=60mm，为保证强度，盲孔底部距离活塞小端端面厚度应至少保持 5mm,由于小端长度 22mm 已确定，故取大端长度 ld=60+5-22=43mm。活塞中心为安装轴及 散热要求，暂设置直径 dz=68mm 的中心孔。12 只弹簧均布于活塞圆周方向，其均布圆周 直径 dh=(dz+ dc2)/2=105mm， 活塞大端直径为 dc1=190mm，选择中径为 190mm 的 o 型圈,o 型圈密封槽结构设计参 照 o 型圈手册或 o 型圈国家标准。 如下是活塞的结构图。 图 1 活塞结构图 3.9.3内键圈设计内键圈设计 23 由摩擦面数 z=8 可知，需要的摩擦片和摩擦盘数量总共为,则总摩擦片厚度5 z i lm=izb=36mm。 又有平均间隙 =1.2mm，内键圈总长度 lnj=50+1.28=45.6mm。 内键圈外径与缸体外径相同，dnj=220mm。 由摩擦片参数 d2=190mm, d1=86mm 及安装间隙要求以及散热要求综合考虑，参考重 型工业机械设计常用标准 gbt1144-87 矩形花键尺寸系列，选择摩擦片外花键大径为 dwj=197.5mm，外花键小径 dwj=190mm，键槽宽 bwj=48mm，对应内键圈内花键大径为 dnj=197.5mm，外花键小径 dnj=190mm，键宽 bnj=48