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        摘要：熱模鍛壓力機(jī)上廣泛應(yīng)用的濕式離合制動(dòng)器按離合器與制動(dòng)器的布置形式可以分為分體式離合制動(dòng)器和組合式離合制動(dòng)器。濕式離合制動(dòng)器以液壓油作為工作介質(zhì)，整個(gè)離合器、摩擦器腔內(nèi)充滿了液壓油，主動(dòng)軸和被動(dòng)軸間的扭矩傳遞通過油膜間的抗剪力實(shí)現(xiàn)。本文著重介紹當(dāng)前熱模鍛壓力機(jī)上應(yīng)用的濕式離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)類型及相關(guān)產(chǎn)品，并對(duì)其關(guān)鍵零部件摩擦片的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納分析。

  
    
      0 引言
 
 
      熱模鍛壓力機(jī)上應(yīng)用的摩擦離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式很多，按其工作介質(zhì)可分為干式和濕式兩種，干式離合制動(dòng)器是以壓縮空氣作為工作介質(zhì)，濕式離合制動(dòng)器以液壓油作為工作介質(zhì)[1]；按離合器與制動(dòng)器的布置形式可以分為分體式離合制動(dòng)器和組合式離合制動(dòng)器。離合制動(dòng)器性能的好壞直接影響壓力機(jī)的工作效率及工作能力[2]。熱模鍛壓力機(jī)工作時(shí)，離合制動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)率很高并且承擔(dān)高頻的工作負(fù)荷，如果采用干式離合制動(dòng)器則其摩擦片上的摩擦材料會(huì)迅速磨損并發(fā)熱，從而產(chǎn)生足以造成工作環(huán)境嚴(yán)重污染的粉塵和噪聲。

      1 、濕式離合制動(dòng)器簡(jiǎn)介

      液壓濕式離合制動(dòng)器近年來廣泛應(yīng)用于機(jī)械壓力機(jī)領(lǐng)域。多盤式液壓濕式離合制動(dòng)器具有推力大、動(dòng)作靈敏、離合制動(dòng)慣性小速度快、摩擦盤磨損小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可迅速可靠地完成離合和制動(dòng)功能。利用液壓裝置可以使離合器結(jié)合、制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)平穩(wěn)且無沖擊。在濕式離合制動(dòng)器的主動(dòng)盤和被動(dòng)盤之間存在一層油膜，正是由于油分子層的存在使得主動(dòng)軸和被動(dòng)軸間的扭矩傳遞不依賴摩擦片間直接的干摩擦，而是通過油膜間的抗剪力實(shí)現(xiàn)（要求油分子層和摩擦盤摩擦面之間的附著力應(yīng)大于滑動(dòng)產(chǎn)生的油膜間剪切力）[3]。正是基于以上原因，濕式離合制動(dòng)器的摩擦副工作過程中磨損很小甚至達(dá)到無磨損。

     2 、熱模鍛壓力機(jī)用濕式離合制動(dòng)器的基本分類

  
     根據(jù)濕式離合制動(dòng)器中離合器與制動(dòng)器的布置方式，可以分為濕式組合離合制動(dòng)器與濕式分體離合制動(dòng)器。雖然當(dāng)前在熱模鍛壓力機(jī)上濕式離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本結(jié)構(gòu)原理類似，均由離合器外殼、離合摩擦盤、制動(dòng)器外殼、制動(dòng)摩擦盤、活塞、彈簧、旋轉(zhuǎn)接頭等組成[4]。在離合制動(dòng)器的布置方面，為了降低在壓力機(jī)離合、制動(dòng)過程中的能量損耗與發(fā)熱量，避免制動(dòng)角超差，普遍將離合制動(dòng)器安裝在壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出低速飛輪與壓力機(jī)滑塊輸入軸之間。在結(jié)構(gòu)允許且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)附加慣量不大的情況下，允許使用高速離合制動(dòng)器安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)高速軸上。

      2.1 濕式組合離合制動(dòng)器

      2.1.1 結(jié)構(gòu)分析

     圖1 濕式離合制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖        圖2 濕式離合制動(dòng)器實(shí)物圖

     如圖1、2、3 所示為濕式離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與實(shí)物以及濕式離合制動(dòng)器與壓力機(jī)的安裝方式示意圖與制動(dòng)/離合狀態(tài)示意圖。

     
  
                     圖3 濕式離合制動(dòng)器與壓力機(jī)安裝圖

     2.1.2 工作原理

     濕式離合制動(dòng)器主要由離合制動(dòng)器本體、液壓控制板、具有軟制動(dòng)軟結(jié)合功能的模塊化控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭、雙閥和液壓油箱等組成。液壓系統(tǒng)提供的壓力油經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入油缸，壓力油推動(dòng)活塞，頂開彈簧，離合器的主動(dòng)、從動(dòng)摩擦片壓緊，制動(dòng)摩擦片松開，實(shí)現(xiàn)離合器摩擦片的“接合”，制動(dòng)器摩擦片的“脫開”。工作狀態(tài)時(shí)，離合制動(dòng)器的整個(gè)離合器、摩擦器內(nèi)充滿了液壓油。當(dāng)活塞的液壓油壓力消失時(shí)，離合器摩擦片脫開，制動(dòng)器摩擦片在制動(dòng)彈簧的作用下接合實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[5]。由此可知，濕式組合離合制動(dòng)器工作時(shí)存在三個(gè)過程：離合側(cè)壓緊、空轉(zhuǎn)、制動(dòng)側(cè)壓緊[6]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，離合器與制動(dòng)器的接合與脫開之間不可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象[3]。濕式組合離合制動(dòng)器制動(dòng)精度高，能夠滿足更高的工作頻率，占用空間小、慣量低、嚙合/松脫速度快，在很大程度上無需維修[7]。

     圖4 濕式離合器結(jié)構(gòu)圖 及安裝圖            圖5 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖及安裝圖

     2.2 濕式分體離合制動(dòng)器

     2.2.1 結(jié)構(gòu)分析

     如圖4、5 所示為濕式離合器與濕式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，通常濕式離合器安裝在飛輪上，濕式制動(dòng)器安裝在機(jī)身上。

      2.2.2 工作原理

     離合器的工作原理：彈簧1 作用在缸體內(nèi)活塞2 上，松脫離合器摩擦盤。壓力油3 使活塞壓靠到彈簧上，離合器結(jié)合。

     制動(dòng)器工作原理：彈簧1 作用在缸體內(nèi)的活塞2 上，制動(dòng)器摩擦盤4 在活塞的作用下壓靠在一起，制動(dòng)器制動(dòng)。在液壓油的作用下（一定的油壓），彈簧壓靠在活塞上，制動(dòng)器停止制動(dòng)[9]。如圖6 所示為采用附加驅(qū)動(dòng)裝置的制動(dòng)器以及與壓力機(jī)身安裝示意圖，對(duì)于這種制動(dòng)器，制動(dòng)器活塞借助壓力油的作用，可以增加動(dòng)作壓力。活塞5 借助從供油管路1（活塞腔）出來的油壓可以增加制動(dòng)扭矩。

       
  
      圖6 配有附加驅(qū)動(dòng)裝置的濕式制動(dòng)器及安裝圖

 
     3 、濕式離合制動(dòng)器摩擦片分析

     所謂濕式離合制動(dòng)器是指其離合器、制動(dòng)器的摩擦片在結(jié)合、制動(dòng)過程中，摩擦接觸表面不表現(xiàn)為直接的干摩擦而是液體和半液體界面的摩擦狀態(tài)。濕式離合制動(dòng)器的性能好壞取決于主、從動(dòng)摩擦片是否能夠形成液體和半液體界面摩擦，而摩擦片材料、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)是形成界面摩擦的重要因素[10]。因此若要保證濕式摩擦離合制動(dòng)器在運(yùn)行過程中可靠工作，則必須研究摩擦片主要的失效形式以及摩擦片材料、結(jié)構(gòu)形式對(duì)于性能的影響。

     摩擦片表面開有一定深度的油槽是多盤濕式摩擦離合器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。這些油槽有散熱、增加摩擦因數(shù)（油槽能迅速切斷油膜，從而提高摩擦因數(shù)），有助于主、從動(dòng)摩擦片結(jié)合與分離以及沖刷磨屑的作用[11]。對(duì)于濕式離合制動(dòng)器，摩擦面上的溝槽對(duì)油的合理流動(dòng)是十分關(guān)鍵的，對(duì)于燒結(jié)摩擦片尤其重要。目前在濕式離合制動(dòng)器的應(yīng)用中，鋼/鋼摩擦片組合正在被鋼/燒結(jié)材料摩擦組合所替代。在濕式摩擦片中，最引人關(guān)注的是鋼/紙摩擦組合，具有良好的摩擦性能和無磨損性能，因此這種結(jié)構(gòu)組合越來越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械工程和車輛工業(yè)。如圖7 所示為摩擦片（外耳式）與鋼片（內(nèi)花鍵式）的摩擦組合。

     3.1 濕式離合制動(dòng)器用摩擦片主要失效形式

     濕式摩擦離合制動(dòng)器的主要失效形式為過熱燒毀和翹曲變形，其主要失效原因均為局部過熱。濕式摩擦離合器主、從動(dòng)摩擦片在結(jié)合時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過程，即初始的主從摩擦片間的滑動(dòng)及最終在摩擦力矩作用下主從摩擦片的共同旋轉(zhuǎn)。主動(dòng)片和從動(dòng)片之間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的滑摩功轉(zhuǎn)化為熱量，致使摩擦片溫度升高[13]，冷卻油不能夠達(dá)到冷卻效果，因此需要一定流量的冷卻液通過離合器滑動(dòng)摩擦副表面吸收所產(chǎn)生的熱量，降低表面溫度和徑向溫差[14]。

                        圖7 摩擦片與鋼片

     在摩擦表面的溫升沒有得到有效控制的情況下，摩擦片表面會(huì)產(chǎn)生溫差，從而引起摩擦片表面產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)摩擦表面熱應(yīng)力超過摩擦材料屈服極限時(shí)摩擦片會(huì)發(fā)生變形，從而造成摩擦接觸面積大大減少而產(chǎn)生失效。因此摩擦片表面溫升和表面冷卻潤滑油槽形式是判斷濕式摩擦離合制動(dòng)器摩擦片的重要指標(biāo)。

     3.2 摩擦片表面狀態(tài)對(duì)摩擦性能的影響

     摩擦片的結(jié)構(gòu)形式特別是表面狀態(tài)（如溝槽的形狀和分布）既影響著摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和耐磨性、摩擦片的散熱效果好壞，同時(shí)也影響著摩擦過程中磨屑的形成和排出[15]。對(duì)于濕式離合制動(dòng)器還要考慮帶排轉(zhuǎn)矩的影響。所謂濕式多片離合器的帶排轉(zhuǎn)矩，就是指當(dāng)濕式離合器處于分離狀態(tài)而空轉(zhuǎn)時(shí)，由于濕式離合器的摩擦副間隙中存在冷卻潤滑油，潤滑油在各摩擦副間隙中形成潤滑油膜，摩擦副的摩擦片與對(duì)偶鋼片的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，必然要對(duì)摩擦副間隙中的潤滑油膜形成剪切作用，這種由于剪切潤滑油膜而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱之為帶排轉(zhuǎn)矩[16]。因此在濕式離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用時(shí)都應(yīng)盡可能地考慮減小帶排轉(zhuǎn)矩的技術(shù)手段[17]。由于摩擦片的結(jié)構(gòu)形式對(duì)濕式離合制動(dòng)器的性能有很大影響，因此它必然是在探討摩擦片性能時(shí)不可忽視的考慮因素。

      高曉敏等[15]對(duì)圖8 所示7 種摩擦片表面溝槽形狀的性能進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)片摩擦材料采用銅基粉末冶金，規(guī)格選用GB10428-89《濕式燒結(jié)金屬摩擦材料摩擦性能試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)方法》中的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)片，摩擦層外徑230mm，內(nèi)徑190mm，片厚3mm，得到以下結(jié)論：

      （1）摩擦片表面溝槽不但具有刮油、冷卻和有效排出磨屑的作用，而且對(duì)摩擦副的摩擦特性有較大的影響，合理的溝槽形狀可以大大改善離合器的摩擦性能，提高承載能力；

       
  
                圖8 摩擦片表面溝槽形狀
      1.徑向槽2.螺旋槽3.復(fù)合槽.方形槽5.弧線菱狀槽1 6.弧線菱狀槽2 7.無溝槽 

      （2）在離合器設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)離合器接合時(shí)間、接合轉(zhuǎn)矩與時(shí)間或轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)關(guān)系要求，可根據(jù)不同形狀溝槽的結(jié)合特性，選擇適當(dāng)?shù)臏喜蹃頋M足。如要求離合迅速，可選擇摩擦系數(shù)較大且轉(zhuǎn)矩建立較快的螺旋槽；

                      圖9 EUMUCO MP 型壓力機(jī)

      1.機(jī)架2.活塞3.連桿4.活塞導(dǎo)向系統(tǒng)5.濕式離合器6.重量平衡機(jī)構(gòu)7.活塞適應(yīng)系統(tǒng)8.背齒輪9.人字齒輪10.推頂活塞

      （3）無溝槽的光摩擦片易形成油膜，摩擦轉(zhuǎn)矩建立慢，摩擦系數(shù)小且不穩(wěn)定，在離合器脫開狀態(tài)帶排較嚴(yán)重；

      （4）有利于排油的溝槽形狀如螺旋槽、復(fù)合槽、弧形菱狀槽等的平均動(dòng)摩擦系數(shù)較大；由于這些溝槽刮油能力較強(qiáng)，在接合前期有利于減小摩擦副之間的油膜厚度和壓力，從而使接合前期動(dòng)摩擦系數(shù)較高，有利于縮短接合時(shí)間；

      （5）徑向槽、方形槽等形式對(duì)摩擦表面供油良好，能夠保證足夠的冷卻油通過，冷卻效果較好，但多形成液體潤滑，使摩擦系數(shù)低于螺旋槽等形狀；

      （6）復(fù)合槽（螺旋槽加徑向槽）綜合了螺旋槽動(dòng)摩擦系數(shù)較高，徑向槽冷卻效果好的特點(diǎn)，具有較好的綜合性能，即摩擦系數(shù)大、冷卻散熱快；

       （7）對(duì)于同種形狀的油槽，其深度、寬度和密度對(duì)摩擦性能也有影響，一般來說，寬、深、密的溝槽比窄、淺、疏的有利于刮油，摩擦系數(shù)較大，冷卻油流量也較大，從而冷卻效果好，但面積系數(shù)較低，可能導(dǎo)致磨損加劇；

      （8）與油流方向夾角越小的溝槽，冷卻能力越差，如螺旋槽的冷卻效果較差。

  
      賈云海、張文明[14]也認(rèn)為，雙圓弧油槽綜合性能較好，摩擦副摩擦因數(shù)適中，且易于制造，最適合于濕式摩擦離合器從動(dòng)摩擦片使用。

  
        4 、濕式離合制動(dòng)器產(chǎn)品介紹

      4.1 EUMUCO MP 型壓力機(jī)用濕式離合制動(dòng)器[18]

     如圖9 所示濕式離合制動(dòng)器，安裝在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速輸出軸上，與飛輪連接，該失效安全型離合制動(dòng)器有響應(yīng)時(shí)間短、噪聲小、幾乎無磨損等優(yōu)點(diǎn)。4.2 Ortlinghaus 0123/0127/0128 系列濕式離合制動(dòng)器[19]

      如圖10 所示為Ortlinghaus 0123 系列濕式組合離合制動(dòng)器，圖11 為Ortlinghaus 濕式分體離合制動(dòng)器（0127 系列濕式離合器與0128 系列濕式制動(dòng)器）。

       
  
      圖10 Ortlinghaus 0123 系列濕式組合離合制動(dòng)器

      0123 系列濕式離合制動(dòng)器技術(shù)參數(shù)：轉(zhuǎn)矩范圍3000Nm ~600000Nm，轉(zhuǎn)速范圍350~1700r/min，外緣直徑范圍199mm ~1180mm，內(nèi)孔直徑范圍58mm~375mm，長度范圍135mm~650mm。

      圖11 Ortlinghaus 濕式分體離合制動(dòng)器（0127 系列與0128 系列）

      4.3 英國Wichita 濕式離合制動(dòng)器[20]

     如圖12 所示為英國Wichita CBA 系列濕式離合制動(dòng)器及其結(jié)構(gòu)圖，可以安裝在熱模鍛壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較高速軸或低速飛輪上。如圖13 所示為安裝有Wichita CBAT-32580 濕式離合制動(dòng)器PTC 600噸壓力機(jī)。

      4.4 EATON 濕式離合器[21]

      如圖14、15 所示為Eaton Airflex AS/AR 系列離合器及其結(jié)構(gòu)圖，采用碟簧嵌入多盤摩擦片作為離合器的失壓分離裝置，摩擦內(nèi)片（主動(dòng)摩擦片）為鋼片，加工有內(nèi)花鍵，摩擦外片（從動(dòng)摩擦片）表面為燒結(jié)金屬材料，加工有油槽。AS、AR 系列都是濕式摩擦離合器，采用燒結(jié)青銅材料作為其摩擦材料。AR 系列提供最大允許扭矩2530Nm，AS 系列提供最大允許扭矩2550Nm。伊頓公司也曾推出金屬加工業(yè)用離合制動(dòng)器Airflex AMCB AccuStopTM 離合制動(dòng)器，扭矩穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)便[22]。

      圖12 Wichita CBA 系列濕式離合制動(dòng)器

      圖13 CBAT-32580 離合制動(dòng)器安

      圖14 EATON Airflex AS/AR系列濕式離合制動(dòng)器

      圖15 EATON Airflex AS/AR 系列濕式離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

      5 、結(jié)論及展望

     離合制動(dòng)器的濕式結(jié)構(gòu)可以在很小的慣量下產(chǎn)生很大的扭矩，特別是在氣動(dòng)干式離合制動(dòng)器的使用效果不好時(shí)，濕式離合制動(dòng)器更能凸顯其優(yōu)勢(shì)。干式離合器和制動(dòng)器的摩擦面暴露在空氣中[23]，濕式結(jié)構(gòu)是一種封閉的結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生粉塵影響環(huán)境，工作過程中的噪聲很低[1]。濕式離合制動(dòng)器的特點(diǎn)是體積小、慣量低以及單次行程次數(shù)高，并且這種結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器基本上無維修。此外，由于可以采用多盤結(jié)構(gòu)，所以扭矩傳遞大，而熱負(fù)載小。由于運(yùn)行噪聲低，約85dB，所以制動(dòng)器無需增加噪聲防護(hù)措施，可在一定程度上節(jié)省成本。正是因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)，濕式離合制動(dòng)器在大型機(jī)械壓力機(jī)和其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

      盡管熱模鍛壓力機(jī)采用濕式離合制動(dòng)器的初期投資會(huì)比干式離合制動(dòng)器略高，但如果考慮諸多優(yōu)勢(shì)因素的話，濕式離合制動(dòng)器的成本可以很快得以回收。由于其具有摩擦材料無須更換、維護(hù)維修成本（使用成本）較低、性能好、壽命長（濕式離合制動(dòng)器是干式離合制動(dòng)器壽命的10~20 倍）、響應(yīng)速度快、重復(fù)定位高等諸多優(yōu)點(diǎn)[19]，所以應(yīng)用越來越廣泛。如果使用得當(dāng)，濕式離合器/制動(dòng)器在連續(xù)使用的情況下可以永久使用；在開單次的情況下，濕式離合制動(dòng)器可以每周7 天每天工作24 小時(shí)，連續(xù)工作一年而無磨損和發(fā)熱的情況。由于采用了油冷方式，可以保證散熱性能非常好，所以這種濕式離合制動(dòng)器開單次的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于干式離合制動(dòng)器的單次次數(shù)。此外，濕式離合制動(dòng)器沒有粉塵和污染，對(duì)設(shè)備沖擊小，慣量低。

       基于以上分析，可以得出熱模鍛壓力機(jī)用濕式離合制動(dòng)器的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

      （1）離合制動(dòng)器的摩擦片磨損量更少，接近零磨損狀態(tài)，發(fā)熱量更少且散熱性能好，正常工作允許轉(zhuǎn)速、扭矩范圍更大。
      （2）離合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，減輕了質(zhì)量，減少了壓力機(jī)系統(tǒng)的附加慣量。
      （3）離合制動(dòng)器的離合與制動(dòng)功能響應(yīng)迅速可靠，可以利用離合制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)滑塊的任意位置停止，且可以實(shí)現(xiàn)滑塊的寸動(dòng)行程[24]。
      （4）離合制動(dòng)器工作過程中故障率低，維修量小，可靠性高。
      （5）離合制動(dòng)器可根據(jù)工況需要實(shí)現(xiàn)軟離合—離合—軟制動(dòng)—制動(dòng)的緩沖過程，這種可控制的軟接合、軟制動(dòng)有效改善了頻繁接合、制動(dòng)的沖擊、噪聲和磨損[25]。
      （6）為保證離合制動(dòng)器在安全狀態(tài)下運(yùn)行，離合制動(dòng)器可配備打滑卸荷安全系統(tǒng)[26]，防止離合制動(dòng)器打滑、過熱而產(chǎn)生磨損，當(dāng)打滑超過許可值，制動(dòng)器立即制動(dòng)，設(shè)備停機(jī)以保證設(shè)備及離合制動(dòng)器的安全運(yùn)行。
      （7）可以采用模塊化控制系統(tǒng)[5]，對(duì)離合制動(dòng)器及其動(dòng)作過程分別進(jìn)行模塊化控制，以實(shí)現(xiàn)離合制動(dòng)器的結(jié)合與制動(dòng)的控制及動(dòng)作優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)離合制動(dòng)器動(dòng)作平穩(wěn)、安全可靠和低噪聲的特點(diǎn)。

       由以上分析可知，濕式離合制動(dòng)器無論是從制動(dòng)、離合性能還是從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械壓力機(jī)領(lǐng)域尤其是大型機(jī)械壓力機(jī)領(lǐng)域會(huì)逐漸取代干式離合制動(dòng)器而成為主流。