Широкое распространение новых видов применения тормозов с отключенным приводом требует новых подходов к проектированию, использующих накопленный опыт ведущих производителей тормозных систем. Ключом к оптимизации срока службы, стоимости и производительности тормозных систем является скорейшее сотрудничество с производителем тормозов.
Около Брайан Мейтер • Промышленная корпорация «Огура».
Конструкторы машин, работающие в сфере управления движением, различают тормоза с отключенным приводом по следующим признакам: удерживающие тормоза с пружинным приводом, безотказные тормоза, стояночные тормоза с отрицательным приводом и тормоза на постоянных магнитах.
Как бы ни называли их инженеры, эти тормоза служат для одних и тех же целей. Чаще всего они выполняют функцию устройств безопасности, управляя движением, а именно с помощью функций остановки, удержания или аварийной электронной остановки. Они также обеспечивают точность или позиционирование.
В то время как пружинные тормоза приводятся в действие гидравлически, пневматически, электрически или вручную, здесь мы сосредоточимся на электромагнитных тормозах с электрическим приводом. Это наиболее распространенные пружинные тормоза в мире, и рынок их применения быстро растет.
Наиболее распространенными областями применения пружинных тормозов с электрическим приводом являются серводвигатели, робототехника, мобильные роботы, автоматизация складов, приводы на колеса, подъемники, лифты, двери и шлагбаумы, промышленная автоматизация, хирургические инструменты, захваты, конвейеры, приводы для автомобильной автоматики, лифты и эскалаторы.
Теперь мы опишем основные конструктивные параметры и подходы к преодолению этих проблем.
При выборе тормоза с выключенным приводом в первую очередь необходимо ответить на вопрос: какой крутящий момент требуется для оси? Для тормозов используются два номинальных значения крутящего момента: статический и динамический. В таких приложениях, как тормоза с приводом на колеса, обычно требуется только удержание — функция, связанная со статическим крутящим моментом. В этом случае двигатель останавливает автомобиль, а затем включается тормоз. Таким образом, основной проблемой здесь является статический крутящий момент.
В случае электромобиля или аналогичных систем инженерам следует также учитывать максимальный вес транспортного средства, включая полезную нагрузку (а также уклон, на котором транспортное средство может припарковаться). Крутящий момент, необходимый для удержания на склоне, будет намного больше, чем на ровной местности. Иногда также существуют нормативные акты или отраслевые стандарты, предписывающие требуемые характеристики данного стопорного тормоза.
С другой стороны, для остановки некоторых видов оборудования необходимы тормоза или система e-stop. Возьмем, к примеру, нежелательный сценарий отключения электропитания во время движения электромобиля на большой скорости вниз с холма. В данном случае для остановки транспортного средства на определенное время или расстояние требуется соответствующий крутящий момент тормоза.
Имейте в виду, что для конкретного тормоза возможность динамической остановки (как правило, для экстренной остановки) намного ниже, чем может предполагать номинальный статический крутящий момент. Эта способность к динамической остановке в значительной степени зависит от скорости срабатывания, способности отводить тепло и материалов, из которых изготовлены рабочие поверхности тормоза. При увеличении скорости максимальная рассеиваемая энергия снижается. В случае применения, связанного со случайными динамическими остановками, проконсультируйтесь с производителем тормозов для обсуждения:
Один из лучших способов снизить требования к крутящему моменту при торможении — установить тормоз на высокоскоростной стороне узла трансмиссии axis. Обычно тормоз устанавливается на задней панели двигателя. (Некоторые конструкции допускают установку на передней панели, но более распространен монтаж на задней панели.) Установка тормоза на низкоскоростной стороне “ниже по потоку”, то есть после включения коробки передач или другого снижения скорости в трансмиссии, пропорционально увеличит требуемый крутящий момент, что потребует более крупного и дорогого тормоза. Напротив, включение тормоза “перед коробкой передач” означает, что нагрузка и инерция трансмиссии, отражаемые на этот тормоз, уменьшаются.
Какое напряжение можно получить от системы электропитания конструкции? Исторически наиболее распространенным напряжением для большинства промышленных применений было 24 В постоянного тока. Для многих применений, приводимых в действие двигателем, для питания тормозов может использоваться 12-вольтовая аккумуляторная батарея, а также двигатель. В аэрокосмической промышленности часто используется источник питания напряжением 28 В. Для мобильного оборудования с питанием от сети можно использовать напряжение 48 В. Для тормозов большего размера часто используется напряжение 72 В или 90 В, поскольку P = V·I, а более высокая требуемая мощность, подаваемая при более высоком напряжении, позволяет снизить ток.
При выборе тормоза для нового применения обратите внимание на источник питания конструкции и проконсультируйтесь с поставщиком тормозов, чтобы приобрести тормозную катушку для данного напряжения.
Скорость аналогична крутящему моменту. Это зависит от того, будет ли это скорость при включении или скорость без нагрузки. Конструкция стопорных тормозов рассчитана на включение при 0 оборотах в минуту, поэтому следует учитывать только скорость без нагрузки. В этом отношении скорость торможения должна соответствовать максимально допустимой скорости. Из-за небольших зазоров и неточной балансировки деталей возможно непреднамеренное зацепление при скоростях, превышающих опубликованные значения. Вибрация оборудования и другие внешние параметры также могут играть определенную роль. Поэтому важно проконсультироваться с поставщиком тормозов, и при необходимости изменить внутреннюю конструкцию для обеспечения более высоких скоростей.
При динамическом включении скорость становится чрезвычайно важной для срока службы тормоза. При динамическом включении тормоз поглощает определенный уровень энергии. Эта энергия приводит к нагреву и износу. Энергия — это произведение скорости в квадрате и умноженное на отраженную инерцию вращающегося объекта. При быстром вращении и высокой инерции повышается энергопотребление и износ.
Стопорные тормоза обычно выдерживают аварийные остановки (e-stop). В зависимости от конструкции производителя, в e-stop может быть заложена максимально допустимая энергия срабатывания для предотвращения перегрева или вредного износа. Циклы электронного торможения должны быть ограничены конструкцией и учитываться в процессе выбора, чтобы гарантировать, что тормоз прослужит желаемый срок службы.
Существует широкий диапазон размеров тормозов с отключением питания. Самые маленькие из них имеют диаметр не более 10 мм и используются в основном на микродвигателях. Самые большие электромагнитные пружинные тормоза на подъемниках довольно массивны. Последней тенденцией являются сверхтонкие тормоза. Самые тонкие тормоза имеют толщину от ½ дюйма до 12 мм. Во многом это результат бума робототехники и роста рынка электроприводов. Для робототехники тонкие тормоза на роботизированных шарнирах обеспечивают меньшую сборку, меньшую инерцию и большую производительность системы. Для колесных приводов два двигателя часто устанавливаются рядно, а осевое пространство крайне ограничено. Часто сверхтонкие тормоза устанавливаются на приводные двигатели типа «блинчик». Специальные тормозные элементы могут даже служить в качестве торцевого раструба двигателя для еще большей экономии места.
Соотношение между размерами и крутящим моментом определяется законами физики. Однако с годами регуляторы мощности стали более совершенными и практичными в коммерческом отношении. Более того, можно добиться большего крутящего момента при меньших габаритах по сравнению с моделями, разработанными много лет назад. Выбранные тормоза теперь используют перегрузку, чтобы преодолеть усилие пружины и отключить тормоз. После быстрого отключения индуктивность (магнитная сила) тормоза увеличивается, а требуемая мощность уменьшается, при этом тормоз остается в отключенном состоянии. Это также помогает снизить потребление тепла и электроэнергии.
Износ тормозов является результатом динамического взаимодействия. Существует прямая зависимость между энергией динамического взаимодействия и износом поверхностей трения. Расчетный срок службы зависит от степени износа в сочетании с требуемым количеством циклов.
Удерживающие тормоза изготовлены из материалов, предназначенных только для статического зацепления. Они обладают высоким коэффициентом трения, поэтому при меньших габаритах обеспечивают более высокий крутящий момент, но недостатком является то, что они не выдерживают многократных динамических зацеплений.
Фрикционный материал в тормозах, предназначенных для динамической остановки, достаточно прочен, и важно проводить различие между режимом остановки и режимом только удержания, чтобы правильно выбрать тормоз с требуемым сроком службы.
Нагрев — злейший враг сцепления или тормоза. При динамическом включении возникает нагрев. Ток, протекающий через тормозную катушку, генерирует тепло. При повышении температуры сопротивление катушки увеличивается, и ток падает при постоянном напряжении. V=I ×R. Таким образом, когда износ внутренних воздушных зазоров увеличивается, а температура увеличивает сопротивление катушки, тормозу становится труднее отключиться, поскольку ток сравнительно ниже. При низких температурах сопротивление тормозной катушки уменьшается, и тормоз включается легче, предотвращая образование льда или другие проблемы с термическим сжатием. При выборе тормоза важно учитывать экстремальные температуры в сочетании с окружающей средой и рабочим циклом.
Важен рабочий цикл. Во-первых, при динамических включениях срок службы будет зависеть от количества циклов. См. Предыдущие комментарии по износу. Во-вторых, высокий рабочий цикл приводит к повышенному нагреву. Нагрев происходит за счет тока, протекающего через тормозную катушку. Он возникает при динамическом зацеплении, когда две поверхности соприкасаются, и вызывает кратковременное проскальзывание, когда нагрузка замедляется или останавливается. Важно согласовать рабочий цикл с вашим поставщиком тормозов, чтобы не допускать превышения предельных значений максимальной температуры, а также чтобы можно было сконструировать тормозные компоненты таким образом, чтобы они прослужили желаемый срок службы изделия.
Одним из способов снижения энергопотребления и тепловыделения при использовании пружинного тормоза является широтно-импульсная модуляция или ШИМ. Когда тормоз включен (в выключенном состоянии), между корпусом катушки и прижимной пластиной образуется воздушный зазор. При подаче тока на тормозную катушку создается электромагнитный поток, проходящий через воздушное пространство, который затем прижимает прижимную пластину к корпусу катушки. Это сжимает пружины, которые обеспечивают нормальное усилие для создания тормозного момента. После этого тормоз может свободно вращаться.
Сначала тормоз включается на полную мощность. Как только тормоз отключается, воздушный зазор между нажимной пластиной и корпусом катушки исчезает. Это означает, что индуктивность изменяется. Магнитная сила остается высокой. По этой причине теперь требуется гораздо меньше энергии для удержания тормоза в выключенном состоянии.
ШИМ позволяет существенно снизить среднюю мощность (напряжение) при отключенном тормозе — как правило, на 50%. (Конечно, каждая машина отличается от других). Это обеспечивает охлаждение тормозов и снижает энергопотребление, что особенно полезно для оборудования, работающего на батарейках.
Другой подход с сопоставимыми результатами заключается в использовании перевозбуждения для отключения тормоза. Для тормозов, предназначенных для этого, пружинные тормоза меньшего размера могут обеспечить больший крутящий момент. Например, напряжение 24 В питает тормозную катушку напряжением 12 В на короткое время, пока тормоз не отключится. После завершения отключения напряжение снова падает до 12 В. Это позволяет не только экономить электроэнергию и снизить нагрев, но и уменьшить вес и инерционность конструкции.
В робототехнике и медицине время отклика часто важно для определения местоположения и точности. Это касается как времени включения, так и времени расцепления тормозов. В тех случаях, когда быстрое включение тормозов имеет решающее значение, Стабилитрон помогает ускорить включение тормоза. При отключении питания от тормозной катушки, естественно, требуется некоторое время для ослабления магнитного потока. Использование схемы на стабилитроне позволяет быстрее ослабить электромагнитное поле, что способствует включению пружин в тормоз. Перевозбуждение, упомянутое ранее, является методом контроля, позволяющим увеличить время срабатывания тормоза.
В прошлом большинство промышленных установок внутри помещений были подвержены воздействию агрессивных сред. Сегодня больше, чем когда-либо, областей применения подвергаются воздействию экстремальных температур, загрязняющих веществ и высокой относительной влажности. Отчасти это связано с более высоким уровнем автоматизации, а отчасти — с ростом рынка оборудования, работающего на батарейках. В электрических приводах колес гольф-каров и даже в тормозах пассажирских лифтов в течение многих лет использовались резиновые кольца для защиты фрикционного материала пружинных тормозов. Это оказалось эффективным методом. Другие методы включают полное закрытие тормоза, что может значительно увеличить стоимость. Другим способом защиты зоны трения тормоза является удлинение корпуса катушки для сопряжения с торцевым раструбом двигателя. В этом случае канавка и уплотнительное кольцо еще больше улучшают герметичность. Простой способ защитить тормоз от воздействия окружающей среды — установить на весь тормоз защитное покрытие. Он крепится болтами к двигателю или к переходной пластине.
На ранних этапах проектирования следует учитывать экстремальные температуры. Если относительная влажность высока и оборудование работает в условиях низких температур, важно не допускать попадания влаги в зону трения тормоза. Влажные поверхности могут снизить крутящий момент из-за более низкого коэффициента трения. Кроме того, покрытые росой поверхности могут замерзнуть и вызвать проблемы.
Очень жаркие условия также являются проблемой. Нагрев вызывает беспокойство, поскольку более высокие температуры увеличение сопротивление катушки и затрудняет прохождение электромагнитного потока через воздушный зазор тормоза. Что еще хуже, воздушные зазоры увеличиваются после износа тормозов. Более высокие температуры также со временем ухудшают изоляцию проводов и сокращают срок службы тормозов. По этой причине при выборе тормозов для нового применения важно учитывать максимальную рабочую температуру, рабочий цикл и срок службы изделия.
Люфт (как начальный, так и в конце срока службы) — это конструктивный фактор, который особенно важно учитывать при создании высокоточных приложений, таких как робототехника, или прецизионных приложений, таких как медицинское оборудование или производство полупроводников. Часто качество проектирования зависит от уровня люфта тормозов.
Существуют специальные конструктивные элементы, обеспечивающие ограниченный или близкий к нулевому люфт. Существуют также внутренние особенности тормоза (связанные с материалами, контактными площадками, допусками и т.д.), которые способствуют сохранению ограниченного люфта или нежелательному износу или усилению люфта.
Если низкий люфт является важным элементом конструкции, машиностроителям лучше всего сотрудничать со специалистами по тормозам в разработке конструкции, соответствующей требованиям конкретного применения.
Иногда во время интервалов технического обслуживания, остановок или перебоев в подаче электроэнергии возникает необходимость в ручном торможении. В случае пружинного тормоза это происходит электрически, но может происходить и механически. Ручное торможение небольших размеров может и не требоваться, поскольку физически легко отключить тормоз. Однако в коробках передач с высоким передаточным числом это может усложнить задачу. Для более крупных тормозов с более высоким крутящим моментом проще всего использовать отверстия для ручного разблокирования с резьбой. Болты для разблокировки вручную прижимают прижимную пластину к корпусу катушки, которая разблокирует тормоз.
При желании можно воспользоваться рычагами ручного торможения, и на рынке представлено бесчисленное множество моделей. Эти рычаги могут крепиться к тросу, так что оператор может отпустить тормоз, не приближаясь к нему физически. Расстояние срабатывания нажимной пластины довольно мало и зависит от внутреннего воздушного зазора тормоза. В конечном счете, ручное разблокирование часто является непреднамеренным явлением, и самый простой метод часто оказывается лучшим.
В этой статье мы сосредоточили внимание на электромагнитных тормозах с пружинным приводом. Однако существуют также электромагнитные тормоза с постоянным магнитом. Пружинные тормоза, безусловно, пользуются большей популярностью во всем мире, поэтому они выпускаются большим количеством производителей в больших объемах и по более низкой цене. Тормоза с постоянными магнитами, напротив, сравнительно дороже, но при этом имеют преимущества в определенных областях применения. Они отличаются высокой плотностью крутящего момента, поэтому иногда обеспечивают больший крутящий момент при заданном размере детали. Тормоза с постоянными магнитами также превосходны в тех случаях, когда требуется контролируемая или плавная остановка. Это происходит потому, что потребляемая мощность управляет тормозным моментом.
С другой стороны, пружинные тормоза либо включены, либо выключены, и время срабатывания происходит очень быстро.
При выборе тормозов для нового применения целесообразно обратиться к производителю за помощью в выборе тормозов, которые наилучшим образом сочетают стоимость, производительность и срок службы. Еще одно преимущество привлечения производителя на ранней стадии проектирования — это возможность ознакомиться с конструкциями тормозов, отличными от моделей, представленных в опубликованном каталоге. Инженеры, которые выбирают тормоза только по каталогам, могут упустить возможность предложить гораздо лучшие альтернативы.
Промышленная корпорация Огура. | ogura-clutch.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии