移动剪组合式离合器、制动器控制系统开发

熊 雯 张 华 黄 勇 傅连东

(1.武汉科技大学 机械自动化学院 湖北 武汉：430081；2.武钢研究院 湖北 武汉：430080；3.武汉钢铁有限公司 投资管理部 湖北 武汉：430081；4.武钢热轧厂 湖北 武汉：430080)

移动剪组合式离合器、制动器控制系统开发

熊 雯1,2张 华3黄 勇4傅连东1

(1.武汉科技大学 机械自动化学院 湖北 武汉：430081；2.武钢研究院 湖北 武汉：430080；3.武汉钢铁有限公司 投资管理部 湖北 武汉：430081；4.武钢热轧厂 湖北 武汉：430080)

以热轧移动剪组合式液压离合器、制动器控制系统为主要研究对象，在详细分析组合式离合器、制动器剪切控制原理的基础上，设计了移动剪控制系统，给出了该系统结构框图，并对本系统核心部件曲柄位置计算器、零位分析器做了进一步说明。实际使用表明，相对于原系统，新控制系统结构简单、维护使用方便，降低故障率，应用效果良好。

移动剪；液压离合器；制动器；位置计算器；零位分析器

液压离合器是利用液压油操纵结合的离合器，结合元件有嵌合式与摩擦式之分。结构上有柱塞式与活塞式之分[1]。组合式液压离合器、制动器将离合和制动组合成一体，传递转矩大，占用空间小[2]。摩擦盘浸没在循环的冷却油中，可以有效地散热[3]。可自行补偿摩擦元件磨损的间隙。啮合、松脱速度快，接合平稳，无冲击[4]。

移动剪，是将运动轧件定尺剪切成用户所需长度钢板主要设备[6]。主要由剪切机构和同步机构组成。上下刀架经齿轮、齿条传动，由直流电机带动做往复运动。下部摇床，通过连杆被曲柄带动做前后运动，同时受基础斜面的作用，做上下运动，迫使下刀架做上下运动而形成剪切[7]，如图1所示。剪切机构由曲柄、离合器、制动器等组成。曲柄旋转一周，带动完成一次剪切。

某热轧厂精整横切线移动剪系统改造后除了精度不高外，还出现了故障频繁的现象。系统状况严重影响到生产任务的顺利完成。移动剪采用了组合式离合器、制动器配合动作实现剪切功能。摩擦盘有效工作行程为7～9mm，最大行程为12mm。系统改造后，离合器及制动器在线使用寿命平均为12.5～14吨，远低于每套摩擦片可生产10～15万吨的设计水平[5]。笔者认为主要问题在于现有离合器、制动器控制系统元器件多，构成复杂，可靠性差，不便于生产与维护。

本文采用西门子公司的数字式直流传动装置6RA70、可编程序控制器S7-400系列、人机界面HMI、工艺控制CPU板T400、Profibus DP总线、工业以太网等先进的设备，开发出了一种全新的移动剪组合式离合器、制动器控制系统，提高系统精度、提高产品质量，降低设备故障率

1 组合式离合器、制动器的结构和工作原理

如图2所示，组合式液压离合器、制动器主要由离合器摩擦盘、制动器摩擦盘，柱塞、弹簧、箱体组成。

图2 组合式液压离合器、制动器

(1)离合器接合与分离：由A处进油，推动十二个柱塞3向左侧压紧离合器摩擦盘2，离合器接合；当柱塞3卸压时，弹簧1复位，离合器分离。多个柱塞工作，可以使加压均匀，接合平稳，减小冲击。

(2)制动器制动：由B处进油推动另外六个柱塞4，向右侧压紧制动摩擦盘5，使其靠在止动板上，产生摩擦接触，直到轴7制动。

2 组合式离合器、制动器剪切控制原理分析

组合式离合器、制动器控制系统分为三个过程。第一个过程是离合器接合；第二个过程是离合器分离过程；第三个过程是制动过程。控制曲柄旋转一周转过360度。以0度作为旋转的起点，设在剪切过程中曲柄旋转角速度为W、旋转角度为Φ；以接收到开始剪切命令即曲柄开始旋转为计时起点，曲柄旋转时间为t，如下图3所示。

图3 组合式离合器、制动器控制原理图

2.1 离合器接合

当压力达到系统压力时，油液进入离合器的柱塞腔，系统压力全部加在离合器上，推动柱塞克服离合器的弹簧力，使得制动器摩擦盘与止动板脱开，离合器摩擦盘和外盘啮合，进入离合器接合状态[8]。

(1)曲柄从0开始加速至W0。设在加速过程中曲柄转过的角度为Φ1，曲柄速度W从0开始加速至W0的时间很短为t1,因为带动曲柄的飞轮由一台不变速的交流异步电动机驱动，稳定运行时转速是固定的，曲柄及离合器的质量也是固定的，所以t1为固定值，并且转过的角度Φ1也是固定值。

Φ1=W0×t1/2

(1)

W=(W0/t1)×t, 0≤t

(2)

Φ=Φ0+W×t/2, 0≤t

(3)

Φ0为曲柄停止时的初始相位角。

(2)曲柄以W0的角速度匀速运行，到剪刃接触到带钢表面开始剪切而结束。设在整个空载运转过程中曲柄运行时间为t2、转过的角度为Φ2。α为曲柄将带钢剪断时的位置角，Φ31为曲柄剪刃从接触钢板到剪断钢板所转过的角度。

t2=(α-Φ31-Φ1-Φ0)/W0

(4)

Φ2=(α-Φ31-Φ1-Φ0)

(5)

W=W0,t1≤t

(6)

Φ=Φ0-Φ1+W×(t-t1),t1≤t

(7)

(3)下剪刃抬起将带钢剪断，此时曲柄位置角为α、角速度降低至W1，其中α是固定不变的；曲柄旋转的角度为Φ31、对应的剪切钢板厚度为D、花费的时间为t31。K31为曲柄转动1度对应的剪刃移动的毫米数，为一常数。

Φ31=D/K31

(8)

那么，刚进入剪切过程时的曲柄位置角为(α-Φ31)，也就是空载运行过程结束时的曲柄位置角。将此位置角代入式(7)，可以得出开始剪切时刻t3为，

t3=t1+(α-Φ31-Φ1-Φ0)/W0

(9)

根据实际剪切数据统计，当剪切生产工艺规定的最厚的带钢时，W1为0.90倍W0。J为曲柄及飞轮系统的转动惯量，F为将带钢剪断所需的力，F对于一定钢种的带钢是恒定的，D为剪切钢板的厚度，Dmax为生产工艺规定的最厚带钢的厚度，根据能量守恒定律，可以得出，

F×D=J(W20-W21)/2

根据上式及当剪切厚度为Dmax的带钢时W1为0.90倍W0，可以推出，

Dmax/D=0.19×W20(W20-W21)

将上式整理得：

W21=W20(1-0.19×D/Dmax)

(10)

t31=2×Φ31/(W0-W1)

(11)

W=W1+(W0-W1)×(t-t3)/t31,

t3

(15)

Φ=(α-Φ31)+(W+W0)×(t-t3)/2,

t3

(16)

2.2 离合器分离

当制动阀通电，进油阀断电后。离合制动器内液压油被吸回，柱塞卸压，弹簧复位，离合器分离。这时曲柄以W1的角速度转至制动位置β，在整个第二步中，曲柄转过的位移为Φ32，所花费的时间为t32。

Φ32=β-α

(12)

t32=(β-α)/W1

(13)

t4=t3+2×Φ31/(W0-W1)+(β-α)/W1

(14)

W=W1,t3+t31

(17)

Φ=α+W1×(t-t31-t3),t3+t31

(18)

2.3 制动过程

当离合制动器柱塞腔内的液压油被迅速排空后，制动器的摩擦盘依靠弹簧力迅速与止动板啮合，开始制动。这时，曲柄转到β角位置时，合上抱闸，将曲柄制动到零位。

曲柄零位对应40度的角度范围，即从340度至+20度。曲柄制动到340度的位置时零位信号开始为逻辑“1”；曲柄制动到0速，停在零位区间，零位信号为逻辑“1”；曲柄再次启动转离20度的位置时，零位信号为逻辑“0”。设曲柄从角速度为W1的β角位置制动到340度位置所用时间为t41,到达340度位置时刻为t5、角速度为W2、，曲柄从340度位置制动到静止状态所转过的角度为Φ42，在整个制动过程中转过的角度为Φ4，曲柄停在零位时的位置角为Φ0。t5为现场零位行程开关从逻辑“0”变为逻辑“1”的时刻，是已知的，那么，

t41=t5-t4

(19)

因为制动器的制动转矩是恒定的，所以，曲柄在制动过程中是作恒减速运动，可以写出以下等式：

t41×(W1+W2)/2=340-β

Φ4/(340-β)=W21/(W21-W22)

W2=2(340-β)/t41-W1

(20)

Φ4=W21×(340-β)/(W21-W22)

(21)

Φ0=β+Φ4-340

(22)

在制动过程开始时刻，W为W1，Φ为β，t为t4；制动过程结束时刻t为t6，W为0。在制动过程中，W、Φ可表示为，

W=W1-(W1-W2)×(t-t4)/t41,

t4

(23)

将W为0代入上式得，

t6=t4+W1×t41/(W1-W2)

(24)

Φ=β+(W1+W)×(t-t4)/2,

t4

(25)

3 组合式离合器、制动器控制系统开发

3.1 控制系统集成

按照上述原理构成的组合式离合器、制动器控制系统包括制动器控制单元、离合器控制单元、现场行程开关、位置计算单元、零位分析器、连锁及控制逻辑单元、显示报警单元构成，如图4所示。

图4 组合式离合器、制动器控制系统构成框图

连锁及控制逻辑单元完成逻辑连锁及控制任务。曲柄轴停止时，检查系统各单元的状态，如曲柄在零位、位置计算器正常、零位分析器正常，则通过显示单元显示就绪及零位信号；如曲柄不在零位，则通过显示单元显示故障信号；将此时的状态，如就绪或故障、零位初始值等，传给上一级自动化系统。接到上一级自动化系统发出的剪切命令后，控制制动器松开，合上离合器，生成剪切启动信号，让位置计算器、零位分析器开始工作，控制显示单元显示剪切运行信号；从位置计算器获取剪切完成信号，并传给上一级自动化系统；获取现场行程开关的制动位置信号，控制离合器分离、制动器合上，将曲柄轴制动到零位[10]。

3.2 位置计算器设计

曲柄位置计算器的任务是计算曲柄在剪切过程中的实时位置角度Φ；正确发出剪切完成信号。

图5 位置计算器构成框图

3.3 零位分析器设计

曲柄在剪切完成后，在β角度位置开始制动回到零位。实践表明，曲柄不能回到固定的角度位置，如0度。正常情况下，有时回到0至+20度的区间范围内的角度位置，有时回到0至-20度区间范围内的角度位置，且每次剪切完成后所回到零位的具体角度位置都不相同；也会出现极少数的非正常情况，曲柄未能回到零位(如位于-23度的位置)、曲柄超出了零位(如位于+26度的位置)，这是一种故障情况。在这种故障情况下，系统禁止剪切，发出零位故障信号。停机后，操作人员对机械设备进行检查、调整，做一次或几次空载剪切后，让曲柄回零，继续生产。

曲柄零位分析器的任务就是式(22)计算出曲柄停在零位的具体位置θ0。当曲柄未能回到零位、曲柄超出了零位时，禁止下一次剪切，发出零位故障信号。

图6 曲柄零位分析器构成框图

4 应用效果

移动剪组合式液压离合器、制动器控制系统在现场运行后，提高了移动剪系统的剪切精度及提高系统可控性，剪切精度满足生产要求，保持在±10mm范围之内。同时移动剪系统事故大大减少，设备平均无故障时间超过2000h，系统保证正常生产运行，效率达到95%以上。

改造后的机组不仅生产工艺先进，而且设备配置也满足新生产工艺、产品方案及产品质量的要求，产生以下几个方面将产生经济效益：

①提升成材率带来的经济效益

成材率可由改造前的93.72%提高到95%，提高了成材率1.28%，年产31.6万吨板材，可多出正品663.6吨，吨钢价格3000元，可盈利199万元。

②降低设备故障时间带来的效益

降低设备故障时间2小时/月，按平均停机1小时造成直接经济损失5万元计算，全年共创效:2×5×12=120(万元)；

③降低设备维护及备品备件更换所产生的效益

主轧线关键设备的维护、检修及备件费用由原来的平均40万元/月均减少至34万元/月，全年共创效(40-34)×12=72(万元)

总直接经济效益=①+②+③=199+120+72=391(万元)

5 结论

(1)组合式液压离合器、制动器控制系统结构简单。该控制系统设计了位置计算器、零位分析器，仅采用两个行程开关。这两个行程开关是曲柄零位、曲柄制动位置行程开关。减少了器件个数，就减少了产生故障的机率，从而提高了系统可靠性。

(2)组合式液压离合器、制动器控制系统具有良好的应用价值。提高了移动剪系统的剪切精度及其可控性，将成材率由改造前的93.72%提高到95%，将改造前年故障时间25小时降低至改造后的2小时，大大减少了设备故障时间。

(3)现场维护方便。该系统结构简单，可有效降控制系统的开发成本，提高系统可靠性、安全性。而且设计有具有简明的故障报警显示界面，非常有利于现场维护及故障判断和处理，减少了维护工作量。

[1] 成大先,王德夫.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1997．

[2] 陈景松,孙光禄,蔡军.湿式离合器-制动器及其在机械压力机中的应用[J].锻压设备与工业炉，2003,(2):12-15.

[3] 李德民.液压湿式离合器制动器原理和故障分析[J].设备管理与维修，2006,(11):14-16.

[4] 周伟丽.压力机湿式离合器制动器的控制原理及维护[J].装备制造技术,2010,(1):120-122.

[5] 段维维,等.组合式湿式离合器、制动器在重型机械压力机上的应用[J].液压装备与制造技术,2007,(2):29-31.

[6] 马鞍山钢铁设计院.中小型轧钢机械设计与技算[M].北京：冶金工业出版社,1979.

[7] 王瑶,等.宝钢热轧2050精整薄板线技术改造[D].上海：华东理工大学硕士学位论文,2014.

[8] 韩瑞敏,等.2050热轧厚规格横切线的技术改造[J].冶金设备,2011,(2):50-54.

DevelopmentofControlSystemforCombinedClutchandBrake

Xiong Wen1,2Zhang Hua3Huang Yong4Fu Liandong1

(1.Wuhan University of Science and Technology, Wuhan430081，Hubei;2.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;3.Division of Investment Management of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;4.Hot Rolling Mill of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

This paper takes hot mobile shear combined hydraulic clutch and brake control system as the main research objects. Having studying the basic principles of operating combined clutch and moving shear, the researchers design moving shear controlling system, draw system structure diagram and further explain core position calculator and zero analyzer. The new control system has the advantages of simple structure, convenient maintenance, low failure rate and good application effect.

moving shear; hydraulic clutch; brake; position calculator; zero analyzer

TG335.21；TP332

A

1671-3524(2017)02-0020-04

(责任编辑：李文英)

2017-04-14

2017-05-04

熊 雯(1985～)，女，硕士，工程师.E-mail：15007108431@163.com