16. Электромагнитные тормозные устройства

Для торможения подвижных звеньев используют управляемые электромагнитные тормозные устройства, в которых источником создания тормозящего момента или усилия является электромаг­нитное поле, воздействующее прямо на движущиеся элементы (электромагнитные, индукционные и гистерезисные тормоза) или косвенно через порошкообразный сухой или жидкий наполнитель (электромагнитные порошковые тормоза и тормоза с ферромагнит­ными жидкостями).

По принципу действия и устройству электромагнитные тор­мозные устройства индукционного и гистерезисного типов анало­гичны электрическим двигателям, в которых ротор или статор не­подвижен. Взаимодействие между подвижной и неподвижной час­тями тормоза осуществляется через электромагнитное поле, созда­ваемое катушкой управления (возбуждения).

По принципу действия электромагнитные тормозные устройст­ва с порошковым и жидким наполнителями, аналогичны, соответст­венно, фрикционным тормозам и гидравлическим тормозным уст­ройствам дроссельного регулирования. Действие электромагнитно­го порошкового тормоза фрикционного типа основано на свойстве сухого или взвешенного в масле ферромагнитного порошка увели­чивать в магнитном поле свою вязкость и прочно прилипать к по­верхности магнитной системы.[9]

Рис.16.1. Дисковый элек­тромагнитный тормо­з.

При относительном сдвиге рабочих поверхностей тормоза воз­никает сопротивление сдвигу от трения намагниченных частиц по­рошка между собой. Наибольший сдвиг испытывают частицы, на­ходящиеся в середине слоя. Сдвиг частиц относительно поверхно­стей, к которым они прилипают, отсутствует и, следовательно, ра­бочие поверхности не изнашиваются. При отсутствии магнитного поля сопротивление сдвига порошка и взвеси падает и практически элементы тормоза не связанны друг с другом.

Взвесь ферромагнитного порошка в кремнийорганическом или минеральном масле меняет свою вязкость в магнитном поле, бла­годаря чему при ее дросселировании достигается эффект перемен­ного гидравлического сопротивления. Регулированием сопротивле­ния дросселя при помощи электромаг­нитного поля обеспе­чивают требуемый закон изменения си­лы торможения.

В (рис. 16.1) диски 1 соединены с помо­щью шлицевого со­единения с полумуф­той 2, а тормозные диски 3-е полу­муфтой 4. Зазор меж­ду дисками 1 и 3 рекомендуют принимать 5=0,3...0,5 мм. Диски имеют осевую подвижность. Под действием пружины 5 они смещаются и приходят в соприкосновение друг с другом, образуя фрикционные пары.

Число фрикционных пар, необходимое для затормаживания подвижного звена, нагруженного вращающим моментом Г, находят из условия износостойкости:

по формуле:

,

где q - давление на трущихся поверхностях; К=1,25...1,5 - коэф­фициент, учитывающий эксплуатационные условия; D_cp — средний диаметр кольца контакта дисков:

;

— наружный диаметр кольца контакта дисков: ,

d — диаметр вала подвижного звена; D_В - внутренний диаметр кольца контакта дисков:

,

 — коэффициент рабочей ширины дисков:

Принимают =0,33...0,11, что соответствует D_B/D_H=(0,5...0,8). Чаще всего =0,25; b — рабочая ширина дисков:

,

[q] — допускаемое давление на трущихся поверхностях (табл. 16.1); f— коэффициент трения скольжения материалов дисков (табл. 16.1).

Таблица 16.1

Допускаемые давление и коэффициент трения

Материалы фрикционных пар	Конусный тормоз		Дисковый тормоз
	[q], МПа	f(f1)	[q], МПа	f(f1)
Закален чая сталь	—	—	2...4	0,1
Сталь-чугун	3...4	0,15	2...3	0,15
Сталь-бронза	5...6	0,05	4...S	0,05
Сталь-ферродо	1...2	0,3	2...2,5	0,3
Сталь-текстолит	4...5	0,2	5...6	0,2

Полученное число Z округляют до целого числа. Число дисков в ведомой части тормоза:

,

в ведущей части:

Необходимая сила пружины при числе Z пар тормозных по­верхностей равна:

где с - жесткость пружины; х - деформация пружины.

Растормаживание осуществляют с помощью электромагнитов, суммарное усилие которых должно быть больше силы пружины:

nF_э>F_np,

Рис.16.2. Электромаг­нитный порошковый тормоз

где F_э ~ усилие одного электромагнита; п - число электромагни­тов.

Рассмотрим устройство и принцип действия электромаг­нитного порошкового тормоза (рис. 16.2). Он состоит из корпуса 1, сердечника 2 и крышки 4, вы­полненных из стали. Тонкостен­ный малоинерционный стальной цилиндрический ротор 9 укреп­лен на выходном валу, установ­ленном в подшипниках 6.

На сердечнике намотана об­мотка возбуждения 3. Полость, образованная корпусом и сердеч­ником, в которой расположен ротор, заполнена ферромагнит­ным порошком. Уплотнение подшипников от проникновения

порошка состоит из пропитанного кремнийорганическим маслом фетрового кольца 7 и постоянного кольцевого магнита 8. Связь тормоза с подвижными элементами мехатронного модуля движения осуществляют при помощи шестерни 5.

Под действием электромагнитного поля, создаваемого катуш­кой управления, расположенный в зазорах порошок группируется и уплотняется. При сдвиге поверхностей ротора относительно стенок корпуса возникает сопротивление, обусловленное трением намаг­ниченных частиц порошка. Удельное усилие сдвига, определяющее тормозной момент, зависит от магнитной индукции в рабочем за­зоре, состава порошка и ряда конструктивных параметров тормоза. Развиваемый тормозной момент практически прямо пропорционален току управления и почти не зависит от скорости скольжения. Тормоз с наружным диаметром 100 мм способен развить тормозной момент до 20 Нм при предельных окружных скоростях порядка 10...15 м/с. Остаточный момент при отсутствии тока управления составляет не более 0,5% от номинального момента.

Тормозной момент электромагнитного порошкового тормоза определяют по формуле, Нм :

где К_р — коэффициент режима работы, равный 1,0 при жесткой фиксации подвижных элементов и 0,7...0,9 - при их проскальзыва­нии; D — средний диаметр тормоза по рабочим зазорам, мм; - коэффициент относительной ширины рабочего зазора; т — число рабочих зазоров (число слоев порошка); Р — удельная сила сцепления в рабочем зазоре, МПа:

Р = К_М  К_v К_ЗК_П  В₃^П ,

К_М — коэффициент, зависящий от материала наполнителя. Для карбонильного железа и масла, если железо в смеси по объему со­ставляет 0,3...0,45 К_М =1 для карбонильного чистого железа с со­держанием его в смеси по объему 0,65 — К_М =1,4; для карбонильно­го железа и окиси цинка при содержании железа в смеси по объему 0,5...0,65 — К_М = 1,1; для карбонильного железа и двуокиси кремния с тем же содержанием железа - К_М ==1; К_v - коэффициент, учиты­вающий линейную скорость движения частиц в зазоре и зависящий также от величины зазора (рис. 16.3,а); К_З — коэффициент, учиты­вающий влияние числа рабочих зазоров на плотность наполнителя; при числе зазоров 1, 2, 4, 6, 8 коэффициент К₃ соответственно ра­вен 1; 0,95; 0,9; 0,8; 0,7; К_П и П — величины, зависящие от плотно­сти наполнителя и размера зазора (рис. 16.3,б); 6 - рабочий зазор рав­ный 0,5...3,0 мм.

Намагничивающую силу Jw (ампер-витки), необходимую для создания индукции В₃, определяют по формуле:

где з - магнитная проницаемость зазора (рис. 16.3,в). Штриховая кривая соответствует сухому наполнителю;  - коэффициент, зави­сящий от индукции В₃ и величины коэффициента К_В (рис. 16.3,г).

В проектировочных расчетах можно принимать Р=0,03…0,17 МПа (большие значения Р соответствуют меньшим значениям )

Рис. 16.3. Параметры наполнителя и характеристика зазора

На рис. 16. 4. изображены схемы четырех типов порошковых электромагнитных тормозов, а в табл. 16.3 основные их размеры:

Таблица 16.3

'Основные размеры порошковых электромагнитных тормозов

Обозначение размера	Схема
	а, б	в	г
B	(0,12…0,3) D	(0,12…0,3) D	0,4D
DB	0,75D	D	1,25D
Dср	0,85D	1,15D	1,40D
DH

Рис. 16.4. Типы порошковых электромагнитных тормозов

Рис. 16.5. Электромагнитное тормозное устройство

Электромагнитное тормозное устройство с ферромагнитной жидкостью дроссельного типа (рис. 16.5) состоит из гидроцилиндра 2, поршня 7 с катушкой возбуждения 6 и штока 1, возвратной пру­жины 9, плавающего поршня 4, поджатого пружиной 3. Рабочая 8 и компенсационная 5 полости заполнены ферромагнитной жидко­стью. Цилиндр, поршень и шток выполнены из магнитного мате­риала. Обмотки возбуждения проложены в пазах на поршне и со­единены последовательно.

При движении поршня жидкость перетекает из одной полости в другую через узкий кольцевой канал между внут­ренней цилиндрической по­верхностью гильзы цилиндра и поршнем. При отсутствии тока управления гидравлическое сопротивление канала, зави­сящее от его геометрических размеров и от вязкости намагничен­ной жидкости, определяет величину тормозного усилия и скорость поршня. Управление тормозным устройством сводится к измене­нию вязкости, а следовательно и гидравлического сопротивления, путем создания в кольцевом канале радиального магнитного поля заданной напряженности. Последнее возникает под действием тока управления через обмотку возбуждения и концентрируется в зазоре магнитопровода, т.е. между поршнем и цилиндром.

Рассмотренное устройство может быть использовано и в каче­стве двустороннего, для чего следует снабдить поршень вторым штоком и убрать возвратную пружину.