CN111366364A - 低速重载设备用制动器性能的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速重载设备用制动器性能试验方法，其包括：将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，以获得模拟物体的模拟速度；将模拟物体安置在带有低速重载设备用制动器的试验台上，通过驱动系统驱动模拟物体旋转；在模拟物体达到模拟速度后，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数；通过所获得的相关动态参数，评估低速重载设备用制动器的性能。本发明方法，通过制动功和功率等效的计算的方法，对低速重载设备用制动器性能进行试验，对大惯量制动具有巨大指导意义；此外，本发明还提供用于上述方法的装置。

Description

低速重载设备用制动器性能的试验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钳盘式制动器，特别涉及一种低速重载设备用制动器性能的试验方法及装置。

背景技术

在工程用大型钳盘式制动器的技术研究与产品开发过程中，测试和掌握制动性能是一项关键性的工作，目前，对钳盘式制动器制动性能及其影响因素的研究主要有两个途径，一是采用计算机模拟仿真技术，二是采用试验装置进行试验研究。由于计算机计算各种参数的选择不够深入准确，或者各种边界条件的定义不够清晰、准确，因此计算分析方法往往存在较大偏差，而利用试验研究的方法往往更加真实有效，更具有指导意义。

而试验研究摩擦性能常用的试验方法包括摩擦材料小样定速拖动摩擦试验，摩擦材料实样定速拖动摩擦试验和惯性台架试验。惯性试验台架，其原理是是通过电机驱动，利用飞轮动能等量模拟一定的惯性负载对制动器加载，能较好地模拟制动器的实际工况。

我国现有惯性试验台架，均以车辆用钳盘式制动器为主要需求，试验惯量小且调整范围有限，对数百吨级别大载荷试验需求难以满足，不能按要求实际开展1:1的性能试验，无法满足重载荷工程用钳盘式制动器的定制需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种低速重载设备用制动器性能的试验方法，通过制动功和功率等效的计算的方法，对低速重载设备用制动器性能进行试验，对大惯量制动具有巨大指导意义；此外，本发明还提供用于上述方法的试验装置。

为实现本发明的上述目的，本发明一方面提供一种低速重载设备用制动器性能的试验方法，其包括：

将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，以获得模拟物体的模拟速度；

将模拟物体安置在带有低速重载设备用制动器的试验台上，通过驱动系统驱动模拟物体旋转；

在模拟物体达到模拟速度后，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数；

通过所获得的相关动态参数，评估低速重载设备用制动器的性能。

其中，将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，是根据制动效能等效的原则，采用如下公式进行等效计算：

运行动能：

运行转矩：T＝J₁ω₁＝J₂ω₂ (公式2)

制动功率：

其中，J₁、ω₁分别为高速轻载模拟物体的转动惯量和旋转角速度；J₂、ω₂分别为低速重载设备的转动惯量和旋转角速度。

其中，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

通过液压系统对制动器供油，使制动器制动安装有模拟物体的惯量轴，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数。

其中，通过液压系统对制动器供油，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

在固定液压油压力的条件下，通过液压系统对制动器供以液压油，以对惯量轴进行制动；

利用液压油对惯量轴进行制动的过程中，通过检测系统对制动器进行检测以获得如下参数：制动器制动钳的制动油压、制动时间，制动器制动盘的温度，制动器的转角。

进一步的，通过驱动系统驱动模拟物体旋转之前，还包括如下步骤：

将检测系统的压力检测元件安置于所述制动器的制动钳与制动盘之间；

通过液压系统向制动器供油而使得制动钳制动，通过压力检测元件获取液压油的固定液压油压力值与制动钳的制动压力。

或者，通过液压系统对制动器供油，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

在固定制动距离的条件下，通过液压系统自动调节对制动器提供的液压油的压力，以对惯量轴进行制动；

利用液压油对惯量轴进行制动的过程中，通过检测系统对制动器进行检测以获得如下参数：制动器制动钳的制动油压、制动时间，制动器制动盘的温度，制动器的转角。

其中，在模拟物体达到模拟速度后，通过制动系统对模拟物体制动之前，还包括使模拟物体不再受驱动系统驱动的步骤。

其中，使模拟物体不再受驱动系统驱动，是采用使惯量轴与驱动系统的输出轴动态断开的方法。

优选的，惯量轴与驱动系统的输出轴动态断开，包括将膜片式离合器安装在惯量轴与输出轴之间的步骤。

此外，本发明还提供一种用于上述方法的低速重载设备用制动器性能的试验装置，其包括：用于安装模拟物体的带有低速重载设备用制动器的试验台；安装在试验台上且用于对模拟物体施加模拟速度的驱动系统；安装在试验台上且具有制动器的用于制动模拟物体的制动系统；与制动系统连接的用于为制动器供油的液压系统；与驱动系统、制动系统、液压系统分别连接的控制系统；其中，所述模拟物体为将低速重载设备等效换算而成的高速轻载物体；其中，通过液压系统对制动器供油，获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数，并通过相关动态参数评估低速重载设备制动器的性能。

优选的，所述试验台包括：支座；安装在支座上的用于支撑所述模拟物体的支撑机构，具有与模拟物体的中心连接的惯量轴；其中，所述驱动系统安装在支座上且与惯量轴一端连接，制动系统安装在支座上且与惯量轴另一端连接，制动系统具有所述制动器。

进一步的，所述支撑机构还包括：用于支撑惯量轴且位于模拟物体两侧的一对立板组件；用于将模拟物体可拆卸安装在惯量轴上且位于其两侧的一对液压机构或气压机构。

进一步的，还包括用于检测制动器对模拟物体制动时的相关动态参数的检测系统。

其中，检测系统包括：用于检测飞轮轴和惯量轴转速的转速测量元件，可采用编码器；用于检测钳盘式制动器制动过程中噪音的噪音检测元件，可采用噪音传感器；用于检测制动器试验过程中温度的温度检测元件，可采用温度传感器，优选采用红外测温传感器；用于检测制动器在静态试验中的静态压力的压力检测元件，可采用压力传感器，优选可采用薄膜式压力传感器；用于对制动过程中测量的制动器的制动力矩、温度等各项性能参数显示和存储的存储模块；与噪音传感器、温度传感器、用压力传感器分别连接的信号转换模块。

其中，所述控制系统包括：可编程逻辑控制器PLC和与PLC双向通信的人机交互界面，且PLC控制器与液压系统、驱动系统、检测系统、制动系统相连接。

其中，所述液压系统包括总供油管路和与总供油管路及多个液压油口分别相连通的多个分供油管路，通过多个分供油管路对多个液压油口分别提供液压油。

其中，所述液压系统的分供油管路上设置有与对应的液压油口相连通的用于控制分供油管路通断的电磁换向阀。

进一步的，液压系统还包括与多个分供油管路并联的用于为液压缸供油以驱动其执行相应动件的液压缸供油管路。

其中，所述电磁换向阀与所述PLC的用于输出控制电磁换向阀动作指令的控制输出端连接。

其中，所述液压系统的分供油管路上还设置有与电磁换向阀连接的用于调节分供油管路的供油压力的比例减压阀。

其中，所述比例减压阀与所述PLC的用于输出PID调节指令的控制输出端连接。

其中，所述液压系统的总供油管路上设置有用于调节总供油管路的压力并使调定的压力恒定的电磁溢流阀、与油箱相连通的油泵和用于驱动油泵工作的电机。

其中，所述电磁溢流阀和所述电机分别与所述PLC的用于输出控制电磁溢流阀动作指令的控制输出端和用于输出控制电机动作指令的控制输出端连接。

与现有技术相比，本发明的低速重载设备制动器性能试验方法及装置具有如下优点：

本发明的低速重载设备用制动器性能试验方法及装置，将低速重载设备等效换算为高速轻载设备，从而可利用换算后得到的参数对重载设备用制动器进行性能试验，打破现有技术无法直接对重载设备用制动器进行制动性能试验的现状，实现了带有等效换算后惯量的制动器在不同工况下，摩擦系数与转速、转动惯量、制动油压、摩擦衬片或摩擦材料温升之间的关系，验证了低速重载设备用制动器的摩擦衬片或摩擦材料与制动盘磨合状态对制动力矩的影响，指导意义巨大。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明低速重载设备用制动器性能的试验装置的结构示意图；

图2是本发明支撑机构的结构示意图；

图3是图2的A-A向视图；

图4是图3的B-B向视图；

图5是本发明低速重载设备用制动器性能的试验装置的控制原理图；

图6是本发明液压系统的液压原理图。

具体实施方式

本发明提供一种低速重载设备用制动器性能的试验方法，其包括：

将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，以获得模拟物体的模拟速度；

将模拟物体安置在带有低速重载设备用制动器的试验台上，通过驱动系统驱动模拟物体旋转；

在模拟物体达到模拟速度后，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数；

通过所获得的相关动态参数，评估低速重载设备用制动器的性能。

具体的，低速重载设备重达上百吨，对低速重载设备用制动器进行惯量摩擦试验时，无法一味的增加惯量进行试验，若实现上百吨的制动惯量，试验的系统将无限庞大。而重载工程往往运行速度较低，因此，考虑到其速度较低，本发明采用“制动效能等效试验方法”，按照制动效能等效的原则对低速重载设备进行换算，以将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，从而可以通过分析低速重载设备用制动器对模拟物体的制动效果，获取该制动器对低速重载设备的制动效果。

而通过制动器制动的过程，是摩擦制动的过程，摩擦制动的本质是把旋转的动能通过摩擦转换为热能。进行等效转换需遵循两个原则，功(能量)等效和功率等效。即：在制动工况不同情况下，以等效“功”和“功率”试验摩擦衬片或摩擦材料，由此判断摩擦材料满足项目工程的能力。据此，试验方案技术参数设定时，考虑以下因素：(A)摩擦衬片或摩擦材料单位面积内摩擦功率不小于项目设备(项目设备，即为低速重载设备)中所需的数值。(B)制动时，摩擦衬片或摩擦材料第一个1秒所做的功不小于项目设备中所需的功。确保项目实际使用时，制动性能得到保证。

而根据制动效能等效的原则将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，是采用如下公式进行等效计算：

运行动能：

运行转矩：T＝J₁ω₁＝J₂ω₂ (公式2)

制动功率：

其中，J₁、ω₁分别为高速轻载模拟物体的转动惯量和旋转角速度；J₂、ω₂分别为低速重载设备的转动惯量和旋转角速度，J₁＜J₂，ω₁＞ω₂。

通过上述的(公式1)-(公式3)，可以将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，并由此得到模拟物体的转动惯量和旋转角速度，然后，利用换算出的模拟物体所具有的转动惯量，选择试验台上具有相近惯量的飞轮，该飞轮可由试验台的多个飞轮组合而成。

低速重载设备在运动中处于平移状态，因此，在利用上述制动效能等效的原则进行转动惯量和旋转角速度的换算时，应利用现有的动力学公式，先将低速重载设备的平移质量和加速度换算成相应的转动惯量和旋转角速度。

在利用上述制动效能等效的原则将低速重载设备等效换算成模拟物体之后，将低速重载设备用的制动器和模拟物体分别安装在试验装置的试验台上，以通过试验的方式获取制动器性能的相关参数。

试验装置为惯性试验装置，其对模拟物体及制动器进行试验时，通过驱动系统驱动模拟物体旋转，在模拟物体达到模拟速度(该模拟速度为采用上述制动效能等效原则换算得到的旋转角速度)后，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数。而通过制动系统对模拟物体制动，是通过液压系统对制动器供油，使制动器制动安装有模拟物体的惯量轴实现。

其中，在模拟物体达到模拟速度后、通过制动系统对模拟物体制动之前，还包括使模拟物体不再受驱动系统驱动的步骤。为了使模拟物体不再受驱动系统驱动，本发明采用使惯量轴与驱动系统的输出轴动态断开的方法，即，将膜片式离合器安装在惯量轴与驱动系统的动力输出轴之间，当制动系统需对模拟物体制动之前，先使膜片式离合器分离，以将惯量轴与动力输出轴断开。膜片式离合器传递扭矩大，且可以动态接合，因此适用于本发明方法。

在模拟物体达到模拟速度后、通过制动系统对模拟物体制动，是通过液压系统对制动器供油，以使制动器对模拟物体制动的方法，而对模拟物体制动以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

在固定液压油压力的条件下，通过液压系统对制动器供以液压油，以对惯量轴进行制动；

利用液压油对惯量轴进行制动的过程中，通过检测系统对制动器进行检测以获得如下参数：制动器制动钳的制动油压、制动时间，制动器制动盘的温度，制动器的转角。

进一步的，本发明在通过驱动系统驱动模拟物体旋转之前，还包括如下步骤：

将检测系统的压力检测元件安置于所述制动器的制动钳与制动盘之间；

通过液压系统向制动器供油而使得制动钳制动，通过压力检测元件获取液压油的固定液压油压力值与制动钳的制动压力。而获取的固定液压油压力值与制动钳的制动压力，即作为上述液压系统对制动器供油以制动的依据。

液压系统除了对制动器供以上述固定压力的液压油以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数之外，还通过限定制动器的固定制动距离的方式获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数，其包括：

在固定制动距离的条件下，通过液压系统自动调节对制动器提供的液压油的压力，以对惯量轴进行制动；

利用液压油对惯量轴进行制动的过程中，通过检测系统对制动器进行检测以获得如下参数：制动器制动钳的制动油压、制动时间，制动器制动盘的温度，制动器的转角。

此外，上述两种方法还包括制动器制动时噪声的获取。

其中，本发明的模拟物体为飞轮，因此，在进行制动器的制动试验前，还包括将飞轮安装在试验台上的步骤。

本试验方法在将制动器和等效换算后的飞轮安置在试验台上后，对飞轮进行惯性试验，采用具有大功率直流电机的驱动系统直接驱动飞轮旋转，电机串接有液压推力制动器以起到安全保护停车用途。飞轮旋转过程中产生等效换算后所得的模拟转动惯量，通过具有比例阀的液压系统供油产生制动器所需的制动压力并进行控制。通过检测系统中的压力检测元件(为压力传感器)测得的压力并经计算机计算得到试验所产生的制动力矩，通过检测系统的温度测量元件和转速测量元件分别对试验过程中的温度和转速进行设定和控制，并自动完成试验全部过程。

本发明的试验方法，打破现有技术无法直接对重载设备用制动器进行制动性能试验的现状，实现了带有等效换算后惯量的制动器在不同工况下，摩擦系数与转速、转动惯量、制动油压、摩擦衬片或摩擦材料温升之间的关系，验证了低速重载设备用制动器的摩擦衬片或摩擦材料与制动盘磨合状态对制动力矩的影响，指导意义巨大。

本发明除了提供上述试验方法外，还提供一种用于上述方法的低速重载设备用制动器性能的试验装置，如图1所示，该试验装置包括：用于安装模拟物体的带有低速重载设备用制动器的试验台；安装在试验台上且用于对模拟物体施加模拟速度的驱动系统；安装在试验台上且具有制动器的用于制动模拟物体的制动系统；与制动系统连接的用于为制动器供油的液压系统；与驱动系统、制动系统、液压系统分别连接的控制系统；其中，所述模拟物体为将低速重载设备等效换算而成的高速轻载物体；其中，通过液压系统对制动器供油，获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数，并通过相关动态参数评估低速重载设备制动器的性能。

其中，本发明的试验台为组合飞轮模拟惯量惯性式试验台,即，模拟物体为经上述制动效能等效换算而得的组合飞轮。该试验台包括：支座20，为整个装置提供支撑，保证各装置在同一轴线上,支座20与地面混凝土埋件采用焊接连接，其本身具备足够的强度；安装在支座20上的用于支撑飞轮10的支撑机构，具有与飞轮10的中心转动连接的惯量轴8；其中，驱动系统安装在支座20上且与惯量轴8一端连接，制动系统安装在支座20上且与惯量轴8另一端连接，制动系统具有制动器，该制动器为钳盘式制动器，包括制动钳17、制动盘16、摩擦衬片或摩擦材料等，其结构可参考现有技术的钳盘式制动器的结构，在此不再赘述。

支撑机构除了具有与飞轮10的中心连接的惯量轴8外，还包括：用于支撑惯量轴8且位于飞轮10两侧的一对立板组件9；用于将飞轮10可拆卸安装在惯量轴8上且位于惯量轴8两侧的一对液压机构或气压机构。优选的，本发明采用液压机构，具有用于装配飞轮10的液压缸13。

具体的，用于承载飞轮10的惯量轴8具备足够的强度，可以满足飞轮10装配后旋转的需要。立板组件9可为卷筒立板组件，内部含有高强度大尺寸轴承，支撑在惯量轴8的两端，满足惯量轴8装配飞轮10后旋转的力学需要。飞轮10为实心飞轮，为满足质量并减小体积，可以使用铅材质制作，上有螺栓孔，飞轮10可由多个实心飞轮组合而成，多个飞轮通过飞轮装配板12连接在一起。飞轮装配板12可带动飞轮10水平移动，将飞轮10装配到飞轮轴上，或从飞轮轴上拆下。液压缸13成对使用，分别与飞轮装配板12的两端使用销轴连接，一对液压缸13工作时，一个伸缩一个收回，为将飞轮10装配在惯量轴8上提供动力。

如图2-图4所示，飞轮10两端带有螺栓孔，通过螺栓22与飞轮夹11相互连接。飞轮夹11成对使用，其上端可以通过螺栓22与飞轮10连接，下端设计有滑动槽，可在滑轨24上滑动。滑轨24为固定滑轨，与支架21相连，支架21安装在支座20上。当飞轮没有装配时，飞轮通过螺栓22、飞轮夹11、滑轨24，将自重传递到支架21上，不影响飞轮轴旋转。飞轮轴与飞轮10采用位移型锥型配合，使得飞轮与飞轮轴固定连接在一起，如图4所示，即，飞轮轴呈由中间向两边直径逐渐缩小的类纺缍形，而飞轮的中心开设有与飞轮轴外表面相适配的弧形孔或锥形孔。而飞轮轴套装在惯量轴8外，当惯量轴8旋转时，飞轮轴与飞轮随着旋转。

飞轮装配板26通过螺栓25可以连接飞轮夹23，带动飞轮10水平移动，完成飞轮轴装配和拆卸。在飞轮装配板26上安装有导轮28，且导轮28与飞轮装配板26通过销轴27连接，保证飞轮装配板26的移动相对位置。支座29上设有用于与导轮28配合的轨道，对导轮28和飞轮装配板26的移动进行约束。

在将上述各构件装配完毕后，拆掉螺栓22，飞轮10可随飞轮轴旋转。当飞轮10由多套飞轮组合时，相应的，飞轮夹23也为多套。在各套飞轮装配完毕后，拆掉螺栓25，将其他的飞轮夹23连接，可以同理进行组装。飞轮10、飞轮夹23、飞轮装配板26之间保留适当间隙，单独运动时相互不干涉，装配需要时也可用螺栓连为一体。

其中，本发明的驱动系统设置在惯量轴8的一端，包括：安装在支座20上的伺服电机1、安装在电机1的输出轴(或与该输出轴连接的传动轴)上的制动器2、安装在输出轴(或传动轴)与连接轴6之间的电磁离合器5。

其中，连接轴6通过联轴器7与惯量轴8连接，且连接轴6两端通过带座轴承4支撑。伺服电机1采用大功率直流驱动，用于驱动飞轮10旋转，并通过旋转的飞轮获得等效换算所得的转动惯量，其与变频器连接。制动器2为常闭式制动器，用于整个装置的制动保护。制动器2带有弹性联轴器制动鼓3，弹性联轴器可以避免飞轮10启动时对伺服电机1的冲击。电磁离合器5为常闭式电磁离合器，用于飞轮10达到旋转角速度后，将连接轴6与电机的输出轴进行分离，保证制动模拟惯量的真实性，去除电机惯性的影响。

其中，本发明的制动系统设置在惯量轴8的另一端，包括：与惯量轴8的另一端通过联轴器14连接的制动轴；通过联轴器法兰15与制动轴连接的制动器，其为钳盘式制动器，包括制动盘16、制动钳17及摩擦衬片或摩擦材料。其中，联轴器法兰15的一端与制动盘16通过螺栓连接，可通过加转接法兰，满足不同制动盘16的试验装配需要。此外，还包括支撑制动轴的支架和用于支撑传感器且位于支座的靠近制动器位置处的传感器支架19。

其中，本发明的检测系统包括：用于检测飞轮轴和惯量轴转速的转速测量元件，可采用编码器；用于检测钳盘式制动器制动过程中噪音的噪音检测元件，可采用噪音传感器；用于检测制动器试验过程中温度的温度检测元件，可采用温度传感器，优选采用红外测温传感器；用于检测制动器在静态试验中的静态压力的压力检测元件，可采用压力传感器，优选可采用薄膜式压力传感器；用于对制动过程中测量的制动器的制动力矩、温度等各项性能参数显示和存储的存储模块；与噪音传感器、温度传感器、用压力传感器分别连接的信号转换模块。

其中，编码器18安装在制动轴的伸出端，薄膜式压力传感器放置于制动器的制动钳和制动盘之间，噪音传感器和红外测温传感器均为非接触式传感器，安装在传感器支架19上，红外测温传感器可用于检测制动盘试验过程中的温度变化，包括初始温度，温升过程，散热过程。噪音传感器用于测试制动过程摩擦啸叫分贝。其中，液压系统用于为制动系统的制动器提供液压油，其与制动器制动钳的多个液压油口分别相连通，包括压力继电器、电机、电磁溢流阀、比例减压阀、电磁换向阀等。具体的，如图6所示，本发明的液压系统包括总供油管路和与总供油管路及钳盘式制动器上的多个液压油口分别相连通的多个分供油管路，通过多个分供油管路对多个液压油口分别提供液压油。进一步的，液压系统还包括与多个分供油管路并联的用于为液压缸供油以驱动其执行相应动件的液压缸供油管路。

设计时，钳盘式制动器可以采用多个制动钳，每个制动钳具有一个液压油口，且每个制动钳的液压油口与液压系统的一个分供油管路相连通。由于钳盘式制动器具有多个制动钳，PLC可以通过控制多个制动钳中的一个或多个制动，实现对飞轮的不同制动力矩和分级制动的需求。其中，钳盘式制动器可以采用2个或4个或更多个制动钳，本发明仅以采用4个制动钳为例对液压系统进行说明，但需说明，本领域技术人员可根据对具有不同转动惯量飞轮的制动需求而适当增加或减少制动钳数量，并依据本发明液压系统对具有其它数量制动钳的液压系统进行扩展。

其中，如图6所示，本发明在液压系统的分供油管路上设置有与对应的液压油口相连通的用于控制分供油管路通断的电磁换向阀46，电磁换向阀46与PLC的用于输出控制电磁换向阀46动作指令的控制输出端连接。

进一步的，液压系统的分供油管路上还设置有与电磁换向阀46连接的用于调节分供油管路的供油压力的比例减压阀45，比例减压阀45与PLC的用于输出PID调节指令的控制输出端连接。

液压系统的总供油管路上设置有用于调节总供油管路的压力并使调定的压力恒定的电磁溢流阀43、与油箱相连通的泵37油泵37和用于驱动泵37油泵37工作的电机36。其中，电磁溢流阀43和电机36分别与PLC的用于输出控制电磁溢流阀动作指令的控制输出端和用于输出控制电机动作指令的控制输出端连接。其中，本发明PLC通过集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的软启动器启动电机36，且通过压力继电器为PLC提供信号，以使PLC控制驱动电机36工作。

下面，结合图6对本发明采用的液压系统进行详细描述：储存液压油的油箱通过两条总供油管路向与制动器的四个制动钳上的液压油口连通的四个分供油管路供油，一条总供油管路为在其上设置球阀44的直通管路，一条总供油管路为其上设置多个元件的工作管路。其中，直通管路上的球阀44可以采用手动球阀，也可以采用电动球阀，优选的，该球阀44采用手动球阀，作为系统检修时使用。直通管路作为备用管路，即，直通管路上的球阀44常处于将直通管路断开的状态，而工作管路处于正常使用状态。

其中，在工作管路上、由油箱至用于与向每个制动钳的液压油口输送液压油的液压缸47相连通的四个分供油管路上依次设置有下述元器件：在储存液压油的油箱上分别设置液位指示器31、空气滤清器32、电接点温度计33、吸油过滤器34，泵37通过减震接头35与油箱的出油口连接，泵37在电机36的驱动下旋转，且泵37的出油口与软管38连接，以便泵37吸取油箱内的液压油后通过软管38向制动钳的液压油口泵送。其中，在软管38上设置单向阀39，在软管38的设置单向阀39前、后的两个位置处分别设置一根与软管38分接的微型高压软管41，并在每根微型高压软管41上设置压力表40和压力传感器42，以检测软管38内的液压油在经过单向阀39前、后位置处的油压。另外，在软管38的位于单向阀39前的位置处还设置电磁溢流阀43。

软管38上在单向阀39后还依次设置球阀44、单向阀39，球阀44可以采用手动球阀，也可以采用电动球阀，优选的，该球阀44采用手动球阀。软管38将经单向阀39的液压油通过四条分供油管路分别供向四个液压缸47。

其中，每条分供油管路上依次设置有比例减压阀45、检测经比例减压阀45后的油压的压力传感器42、与比例减压阀45的输油口连通的电磁换向阀46，电磁换向阀46的输油口通过软管38与液压缸47的进油口相连通。此外，在软管38上还设置压力表48。

而液压缸供油管路与分供油管路并联，包括用于为一对液压缸13(即为用于对飞轮装卸用的液压油缸)分别供油的两条液压缸分供油管路，每个液压缸分供油管路上设置有通过软管38与对应液压缸13的液压油口相连通的三位四通换向阀49，此外，软管38上还设置有用于检测供油压力的压力表48。

进一步的，本发明还包括与离合器连接的用于向离合器供气的气动系统，该气动系统可采用现有技术结构。

本发明通过控制系统对各构件进行相应控制，如图5所示，其包括：PLC控制器(即可编程逻辑控制器PLC，以下简称PLC)；与PLC双向通信的人机交互界面。PLC与液压系统、驱动系统、制动系统、液压系统、检测系统、气动系统相连接。

如图5所示，PLC除了与人机交互界面双向通信外，PLC的控制输入端还与制动系统的编码器、与驱动系统的伺服电机连接的变频器、液压系统的压力继电器、检测系统的信号转换模块相连接，PLC的控制输出端与驱动系统的制动器、电磁离合器、上述变频器和液压系统的电磁溢流阀、比例减压阀、电磁换向阀及与电机36连接的软启动器、检测系统的存储模块相连接。

在对符合换算后转动惯量的飞轮进行制动试验之前，需要将低速重载设备换算后得到的符合转动惯量的飞轮安装在惯性轴8上，操作时，PLC控制液压系统工作，使总供油管路仅向液压缸供油管路供油，以便通过一个液压缸分供油管路使一个液压缸13的活塞杆伸出、通过另一个液压缸分供油管路使另一个液压缸的活塞杆回缩，从而通过一对液压缸13的伸缩配合，带动飞轮装配板12移动，进而通过飞轮装配板的作用将已装配好飞轮轴的飞轮装配到惯量轴上。而将飞轮装配到飞轮轴上是采用上述位移型圆锥配合方法。

当飞轮需产生低速重载设备换算后的转动惯量及旋转角速度时，通过PLC控制驱动系统动作以驱动飞轮旋转，从而使飞轮达到要求的模拟试验车速与转动惯量：PLC接收压力继电器的信号，输出控制指令给变频器、常闭制动器、电磁离合器，使常闭制动器通气松开对伺服电机的输出轴(或传动轴)的抱紧状态，使电磁离合器处于吸合状态，通过变频器控制伺服电机1旋转，以通过伺服电机输出轴(或传动轴)的旋转可以带动连接轴同步旋转，带动惯量轴、飞轮轴旋转，从而带动飞轮旋转；飞轮旋转过程中，编码器实时检测飞轮轴位置信号(通过检测制动轴转动角度取得相应行程)传送给PLC，编码器实时检测的速度信号传送给变频器，变频器将飞轮旋转的速度信号反馈给PLC，PLC根据并处理接收到的相关信息；当PLC接收到飞轮旋转的角速度达到所需值时，PLC通过变频器控制伺服电机停转，通过常闭制动器抱紧伺服电机的输出轴(或传动轴)，并使电磁离合器处于离合状态，相应的，惯量轴、飞轮轴将不再受驱动电机的驱动作用，因此，可通过钳盘式制动器对旋转过程中的飞轮轴(即通过对制动轴制动实现)进行制动而获得所需的相关参数信息。

当通过钳盘式制动器对旋转过程中的飞轮轴或惯性轴制动时，PLC根据采集到的飞轮轴旋转的角速度的相关信息对液压系统进行控制：输出控制指令给软启动器，以通过软启动器驱动液压系统的电机动作以供油；输出控制指令给电磁溢流阀，以便通过电磁溢流阀调节总供油管路的供油压力；输出PID调节指令给四个比例减压阀中的一个或多个，以便通过比例减压阀调节各分供油管路的供油压力；输出控制指令给四个电磁换向阀中的一个或多个，以便通过电磁换向阀控制各分供油管路的通断，即，控制向对应液压缸输送的液压油的压力。通过上述控制，使各液压缸的活塞执行相应动作，调节对相应制动钳液压油口的供油压力，使制动器产生相应的制动力，对飞轮减速制动，直至飞轮以指定速度和/或距离停止移动。在此过程中，温度传感器、压力传感器、噪音传感器等将检测到的相关温度、压力、噪音等信息通过信号转换模块传送给PLC，这些信息将在存储模块中存储，并在人机交互界面上显示。

本发明的PLC对编码器采集到的速度信号和位置信号进行检测，根据检测结果对驱动系统的驱动电机1、制动器2、电磁离合器5、液压系统的电机36、电磁溢流阀43、电磁换向阀46和比例减压阀45、进行控制，通过PID调节比例减压阀45，实现管路中输送液压油的实时控制，从而精确控制钳盘式制动器的减速过程，对制动减速度、制动时间(制动器工作的时间是制动时间)、制动距离等能够做到精确控制，即，通过控制制动力矩的大小，决定制动减速度的大小和制动距离。

由于本发明的PLC可以对为每个制动钳的液压油口供油的比例减压阀45分别进行调节，因此可以实现对钳盘式制动器的智能控制，使得四个制动钳可以单独制动或同时制动，实现对制动器的实时调节控制，能够实现大制动力矩或分级制动，使制动的效果更多样，更可控。另外，通过四个比例减压阀分别调节对四个制动钳的供油压力，可以实现对制动器热衰退后的补偿，确保制动器的制动能力。

其中，本发明PLC对电机36、电磁溢流阀43、电磁换向阀46和比例减压阀45等动作进行控制的电路，本领域技术人员可以参考现有技术电路实现。

在采用本发明试验装置进行试验之前，需先编制相应的计算程序，编制的计算程序包括如下内容：

1.输入试验参数的步骤，比如转动惯量，旋转角速度，制动油压等；

2.进行数据判读的步骤：当某一参数大于基础参数范围时软件提示是否进行换算。其中，当某一参数大于基础参数范围时，软件会提示是否进行换算，比如输入转动惯量J和旋转角速度w，若转动惯量j大于试验台能力，系统会提示再次换算，降低转动惯量j、提高旋转角速度w的数值；

3.进行制动效能等效换算的步骤，等效换算可按照上述方法中所提到的(公式1)-(公式3)进行换算；

4.将换算后得到的相关参数输入到PLC的步骤，以便在PLC的控制下，对具有换算后转动惯量和旋转角速度的飞轮开始制动试验。

在进行制动试验的过程中，包括如下步骤：在固定液压P下，测试制动距离、制动温升等制动参数；在固定制动距离的情况下，测试制动油压、制动温升等制动参数，下面对两个步骤分别进行描述。

一、固定液压压力P下，测试制动距离，制动温升等制动参数

在软件人机界面输入相关参数，系统利用上述计算程序进行自动计算，然后计算结果被输送到PLC，并根据计算结果进行试验：

首先，进行静态试验：

此试验用于液压系统压力测试，试验台的惯量轴不旋转。将薄膜传感器放置于制动钳和制动盘之间，PLC驱动液压系统启动，使制动钳进行抱闸制动，多次测试取算数平均值，得到液压系统压力值为P时，制动钳制动压力F。P是液压系统压力，F是制动钳对于制动盘的压力，相当于油缸压力，用于计算制动力矩。

然后，进行动态试验：

PLC驱动伺服电机，带动飞轮旋转，以得到逐步加速的经换算后得到的旋转角速度ω₁；

在经编码器检测飞轮达到试验所需的旋转角速度ω₁后，PLC驱动电磁离合器断开，之后间隔0.02秒(也可为其它时长，用于使电磁离合器动作完毕)，控制液压系统的电磁换向阀工作，将压力为P的压力油供给到用于制动惯量轴的制动器(该制动器即为上述的低速重载设备的制动器)，以通过制动器对惯量轴进行制动，同时驱动伺服电机停机，即，PLC给伺服电机1停止命令，等伺服电机停止后，常闭式制动器2关闭；

制动器制动过程中，各传感器将制动制动钳17的制动油压、制动时间，制动盘、摩擦衬片或摩擦材料的温度，噪声，制动角度进行测量并传入PLC进行采集，采集数据的过程为连续过程，并进行数据存储。试验结束后，可以在软件的人机界面进行查看，数据被绘制成曲线，横轴为时间，纵轴为测量参数，可同时查看多个数据曲线进行对比。如同一次测量的温度变化与压力变化，也可查看几次不同的压力变化；

最后，制动盘完全停止后，PLC控制电磁离合器断电，电磁离合器重新吸合。

二、固定制动距离，测试制动油压、制动温升等制动参数

在软件人机界面输入相关参数，系统利用上述计算程序进行自动计算，然后计算结果被输送到PLC，并根据计算结果进行动态试验：

PLC驱动伺服电机，带动飞轮旋转，以得到逐步加速的经换算后得到的旋转角速度ω₁；

PLC控制电磁离合器断开，待电磁离合器动作完毕之后，控制液压系统的电磁换向阀工作，控制电磁溢流阀形成闭环控制，将变化压力的液压油供到制动钳，以使制动钳进行制动，同时驱动伺服电机停机；

制动过程中，各传感器将制动钳制动油压曲线，制动时间，制动盘、摩擦衬片或摩擦材料温度，噪声，制动实际转角(转角与制动盘相乘可以得到直线制动距离)进行测量并传入PLC进行采集，采集数据的过程为连续过程，并进行数据存储。试验结束后，可以在软件的人机界面进行查看，数据被绘制成曲线，横轴为时间，纵轴为测量参数，可同时查看多个数据曲线进行对比。如同一次测量的温度变化与压力变化，也可查看几次不同的压力变化；

最后，制动盘完全停止后，PLC控制电磁离合器断电，电磁离合器重新吸合。

综上，本发明在制动器的试验中，首先将试验制动器(即低速重载设备用制动器)所针对的运动物体(即低速重载设备)的平移质量换算成转动惯量，根据换算出的转动惯量选择试验台上具有相近惯量的飞轮(可由试验台的多个飞轮组合)。将制动器安装在试验台上，通过对工控机(即工业控制机，简称PLC)输入相应的试验过程参数和保护过程参数，确定控制程序并传送至直流电机控制器和气动控制程序，变频器接受工控机的控制程序并存储，以此程序控制整个试验过程并进行对试验过程和试验数据的监控，同时将试验数据传送至工控机。在变频器的控制下伺服电机驱动飞轮旋转，使飞轮达到要求的模拟试验车速后即可进行各项试验。由液压系统提供制动系统的制动器所需的制动压力，控制制动器以试验要求的制动压力制动飞轮。在制动过程中，通过检测系统的各检测元件测量制动器的制动力矩、温度等各项性能参数并进行显示和存储。在试验过程中，还通过风冷和通风系统自动对试件进行冷却、通风，清除试验所产生的粉尘和污染物。整个试验过程由程序控制自动按顺序完成并进行试验过程的动态监测。

本发明在驱动系统中增加电磁离合器，即，在钳盘式制动器的制动盘前面加入膜片式离合器，其可以动态开合，离合后确保惯量轴不受伺服电机的阻尼效应，使惯量轴的轴线上受到的干扰很小(越小越精确)，从而可以确保钳盘式制动器制动阶段的惯量和速度更为准确。另外，本发明具有制动器及各类传感器，通过伺服电机驱动经制动效能等效换算后的飞轮旋转，通过制动器对飞轮进行制动，可以利用飞轮动能等参量模拟低速重载设备对制动器的加载，能更好地模拟重载设备用制动器的实际工况。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低速重载设备用制动器性能的试验方法，其特征在于，包括：

将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，以获得模拟物体的模拟速度；

将模拟物体安置在带有低速重载设备用制动器的试验台上，通过驱动系统驱动模拟物体旋转；

在模拟物体达到模拟速度后，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数；

通过所获得的相关动态参数，评估低速重载设备用制动器的性能。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，将低速重载设备等效换算为高速轻载的模拟物体，是根据制动效能等效的原则，采用如下公式进行等效计算：

运行动能：

运行转矩：T＝J₁ω₁＝J₂ω₂ (公式2)

制动功率：

其中，J₁、ω₁分别为高速轻载模拟物体的转动惯量和旋转角速度；J₂、ω₁分别为低速重载设备的转动惯量和旋转角速度。

3.根据权利要求1或2所述的试验方法，其特征在于，通过制动系统对模拟物体制动，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

通过液压系统对制动器供油，使制动器制动安装有模拟物体的惯量轴，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数。

4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，通过液压系统对制动器供油，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

在固定液压油压力的条件下，通过液压系统对制动器供以液压油，以对惯量轴进行制动；

利用液压油对惯量轴进行制动的过程中，通过检测系统对制动器进行检测以获得如下参数：制动器制动钳的制动油压、制动时间，制动器制动盘的温度，制动器的转角。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，通过驱动系统驱动模拟物体旋转之前，还包括如下步骤：

将检测系统的压力检测元件安置于所述制动器的制动钳与制动盘之间；

通过液压系统向制动器供油而使得制动钳制动，通过压力检测元件获取液压油的固定液压油压力值与制动钳的制动压力。

6.根据权利要求3-5任一项所述的试验方法，其特征在于，通过液压系统对制动器供油，以获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数包括：

在固定制动距离的条件下，通过液压系统自动调节对制动器提供的液压油的压力，以对惯量轴进行制动；

利用液压油对惯量轴进行制动的过程中，通过检测系统对制动器进行检测以获得如下参数：制动器制动钳的制动油压、制动时间，制动器制动盘的温度，制动器的转角。

7.根据权利要求1所述的试验方法，在模拟物体达到模拟速度后，通过制动系统对模拟物体制动之前，还包括使模拟物体不再受驱动系统驱动的步骤。

8.根据权利要求7所述的试验方法，使模拟物体不再受驱动系统驱动，是采用使惯量轴与驱动系统的输出轴动态断开的方法。

9.一种用于上述方法的低速重载设备用制动器性能的试验装置，其特征在于，包括：

用于安装模拟物体的带有低速重载设备用制动器的试验台；

安装在试验台上且用于对模拟物体施加模拟速度的驱动系统；

安装在试验台上且具有制动器的用于制动模拟物体的制动系统；

与制动系统连接的用于为制动器供油的液压系统；

与驱动系统、制动系统、液压系统分别连接的控制系统；

其中，所述模拟物体为将低速重载设备等效换算而成的高速轻载物体；

其中，通过液压系统对制动器供油，获得制动器对模拟物体制动时的相关动态参数，并通过相关动态参数评估低速重载设备制动器的性能。

10.根据权利要求9所述的试验装置，其特征在于，还包括：用于检测制动器对模拟物体制动时的相关动态参数的检测系统。

Images