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关于一种高效柔性制动装置的设计与研究

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  【摘 要】关于制动装置,国内外研究方向是主要针对制动器的材料以及制动的方法进行研究。现阶段制动器主要分为内张鼓式制动器、盘式制动器、空气制动器、电制动器,其中内张鼓式制动器、盘式制动器是现阶段主流制动方式,具有结构简单,易于维修的优点。这几类制动器一般具有磨损较快,定期需更换摩擦片等接触件,并且严重降低制动器使用寿命,使得制动器成本不断升高。另外,对于需要长期制动的场合,比如重载汽车下坡制动,长期制动会导致制动器温度升高,导致制动器失灵问题,这是致命的问题和缺陷。同时,有些制动器在制动时会导致冲击和震动产生,这对整体机车等产生不利影响。为解决传统制动器具有的制动接触件磨损较快,定期需更换摩擦片等接触件的缺陷、长期制动导致制动器失灵、降低制动器成本等系列问题,本文设计了一种高效柔性制动装置,该装置采用共轴反转传动技术,利用两个叶轮的相反方向的转动搅动叶轮腔体中的液压油介质来实现产生相互阻尼扭矩,达到降速和制动的目的。
  【关键词】柔性制动;液力制动;液力缓速器;叶轮
  1 研究的目的和意义
  由于制动器的制动对象为发电机、发动机、高速转动部件等旋转部件。传统的制动器一般具有制动接触件磨损严重,定期需更换摩擦片等接触件的缺陷,并且严重降低制动器使用寿命,使得制动器成本不断升高。另外,对于需要长期制动的场合,比如重载汽车下坡制动,长期制动会引起制动器温度升高,导致产生制动器失灵问题,这是致命的问题和缺陷。同时,有些制动器在制动时会导致冲击和震动产生,这对整体机车等产生不利影响。
  为了解决这个问题,本课题针对市面上现有的各种制动器进行研究,设计了一种具有创新结构的高效柔性制动装置。设计该柔性制动装置的目的就是能够实现平缓而高效的制动过程。该柔性制动装置可以用在例如汽车、离心机、城市轨道列车、风力发电、自动扶梯、传送装置等需要一个高效而平缓的制动过程和需要减小在制动过程中对设备的损害的场所。
  该柔性制动装置将通过液力作为制动的动力源,将用在发电机、发动机、高速转动部件等旋转部件上,能够有效的避免接触件摩擦,提高寿使用命,去除震动,具有缓冲和过载保护作用;同时应用广泛,市场潜力巨大,对汽车、工程机械、冶金、能源与动力等与机械相关的行业具有重要的作用,本课题具有极其重要的研究价值和广阔的市场前景。
  2 制动装置国内外的研究动态及应用现状
  关于制动装置,国内外研究方向是主要针对制动器的材料以及制动的方法进行研究。现阶段制动器主要分为内张鼓式制动器、闸阀式制动器、盘式制动器、空气制动器、电制动器,其中内张鼓式制动器、闸阀式制动器、盘式制动器是现阶段主流制动方式,,具有结构简单,易于维修的优点。这几类制动器一般具有磨损较快,定期需更换摩擦片等接触件的问题,并且严重降低制动器使用寿命,使得制动器成本不断升高。
  目前国内和国外有关柔性制动装置的研发很少,品种单一,目前几乎属于市场空白。福伊特在1961年首创商用车液力缓速器。福伊特液力缓速器是目前市面上唯一一款成熟使用的柔性制动器。它利用下坡巡航功能,通过设定下坡时速,可大大减少刹车和换挡操作(甚至完全不用),杜绝了制动器、轮胎过热所产生的事故隐患;通过承担车辆85%左右刹车制动任务,提高驾驶的安全系数。
  柔性制动装置因其制动的原理没有接触件的摩擦,因此使用寿命长,非刚性制动,没有震动,具有缓冲和过载保护作用,发展前景极其广阔。
  3 柔性制动装置结构设计
  本文所设计的一种高效液力制动装置的结构如图1所示,其组成结构包括:液压油泵、液压系统控制器、油箱、换热器、散热器、共轴反转轴系。液压系统控制器与液压油泵连接,液压系统控制器控制液压油泵,液压油泵与油箱连接,油箱与换热器连接,换热器分别与散热器和箱体连接,第一轴与液压油泵连接,反向叶轮和正向叶轮安装在箱体中,正向叶轮套装在第一轴上,反向叶轮空套在第一轴上,第一轴上设有主动傳动齿轮,主动传动齿轮与第二轴上的第一转向齿轮啮合,第一转向齿轮与第三轴上的第二转向齿轮啮合,第二转向齿轮通过第三轴与从动传动齿轮同轴转动,从动传动齿轮与设置在第四轴上的反向转动齿轮啮合。反向转动齿轮带动反向叶轮反向旋转。
  反向叶轮和正向叶轮为圆形结构,内部设置有若干叶片。其结构如图2所示。
  4 柔性制动装置工作原理
  该高效柔性制动装置的运行方法,该方法包括:
  (1)动力输入方法:该高效液力制动装置的主动传动齿轮1与需要制动的汽车等设备的转动部件上的旋转齿轮进行啮合,带动第一轴6和正向叶轮11旋转,实现动力输入。同时,与主动传动齿轮1啮合的第一转向齿轮2转动,带动与第一转向齿轮2啮合的第二转向齿轮3转动,第二转向齿轮3转动方向与主动传动齿轮1同向,与第二转向齿轮3同轴的从动传动齿轮4转动,与从动传动齿轮4啮合的反向转动齿轮5形成与主动传动齿轮1的反向转动,进而带动反向叶轮10反向转动。即,通过齿轮系的齿轮啮合传动,反向叶轮10的反向旋转运动。(2)制动方法:当需要对设备进行制动时,液压系统控制器13控制开启液压油泵12,关闭卸荷阀25回油通路,设置压力调节阀24的液压值大小,液压油泵12工作,液压油介质充满正向叶轮11和反向叶轮10围成的腔体,带动正向叶轮11转动,正向叶轮11和反向叶轮10的叶轮都搅动液压油介质对彼此产生相互的阻尼扭矩,导致正向叶轮11和反向叶轮10都降速,正向叶轮11带动第一轴6降速,第一轴6通过键带动主动传动齿轮1降速,主动传动齿轮1通过齿轮啮合带动需要制动的汽车等设备的转动部件上的旋转齿轮降速,制动。制动扭矩的大小根据压力调节阀24的液压值大小和卸荷阀设置压力值大小而改变,当卸荷阀完全关闭回油通路时,制动扭矩的大小由压力调节阀24设置的液压值大小决定。当卸荷阀没有完全关闭回油通路时,制动扭矩的大小由压力调节阀24设置的液压值大小和卸荷阀设置的液压值大小共同决定,此两个液压阀所设置压力值的最小者决定制动扭矩的大小。由于正向叶轮11和反向叶轮10所围腔体中的液压油在离心力的作用下一部分从两个叶轮结合的缝隙中流出,通过液压管路流动到换热器14中进行降温冷却,降温冷却后的液压油通过换热器14出口流回到油箱中23。同时,散热器15对换热器14中的油液进行散热。
  当不需制动时,液压系统控制器13控制关闭液压油泵12,打开卸荷阀25,正向叶轮11和反向叶轮10所围叶轮腔体中的液压油进行泄油,液压油通过卸荷油管利用重力作用流回油箱23,正向叶轮11和反向叶轮10的叶轮处于空转状态,不产生相互阻尼扭矩。
  5 总结
  本文所设计的柔性制动器能够实现高效、平缓制动过程,保护了设备运行的稳定性和安全性。可用在发电机、发动机、高速转动部件等旋转部件上,能够有效的避免接触件摩擦,提高寿使用命,去除震动,具有缓冲和过载保护作用。同时应用广泛,市场潜力巨大,对汽车、工程机械、冶金、能源与动力等与机械相关的行业具有重要的作用,本课题具有极其重要的研究价值和广阔的市场前景。
  参考文献:
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  [2]魏巍,杨印阳,孔令兴等.液力缓速器放液支路先导比例电磁阀瞬态特性优化[J].北京理工大学学报,2019,39(1):14-21.
  [3]陈茜.柔性制动器管路总成[J].汽车工艺与材料,1998(01):14.
  [4]刘继光.柔性制动在城市轨道列车上的应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2014(12):177-178.
  (作者单位:沈阳工业大学)

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