一种直线导轨气动制动装置

在机械设备中，直线导轨用来引导和支撑运动部件，可在高负载工况下实现高精度直线运动。在直线导轨上行走的设备，不但要在一定的条件下工作，还要及时停止行走，并防止设备在轨道上滑动，保证安全。这就需要一种机构来满足设备的制动要求，并克服外力沿轨道方向的分力。目前，常用的直线导轨制动装置有液压式、齿条式等。但对于质量小、直线运动速度慢的设备而言，这些装置的结构较为复杂，安装、维护不易，成本也较高。

本文介绍了一种直线导轨气动制动装置，其结构简单、成本低廉、环保节能，特别适用于在直线导轨上行走的质量小、直线运动速度慢的设备。

1 结构设计

该气动制动装置主要包括膜片式夹紧气缸、左右制动臂、制动片、弹簧、支架、底板、压盖等。其具体结构如图1所示。

两个膜片式夹紧气缸2用螺栓和销子分别固定在左、右制动臂上部；左制动臂1和右制动臂3通过定位销轴6安装在支架5上，支架5通过螺栓和销子与底板4连接成整体；弹簧7两端分别安装于左、右制动臂内侧，位于销轴6下部；两个制动片8通过螺钉和销子分别安装在左、右制动臂下部，同时，与直线导轨11两侧梯形槽配合；压盖9用螺钉固定在支架5上；整个制动装置装配完成、调整好位置后，焊接在设备安装基板上。

图1 气动制动装置结构示意图（a）正视图 （b）A-A 剖视图

1.左制动臂 2.膜片式气缸 3.右制动臂 4.底板 5.支架 6.销轴7.弹簧 8.制动片 9.压盖 10.设备安装基板 11.直线导轨

2 工作原理

该制动装置主要是通过两个膜片式气缸夹紧带动左、右制动臂夹紧，从而带动两个制动片夹紧直线导轨来实现制动。制动片与直线导轨的安装关系如图2所示。

如图1所示，在初始位置，两个膜片式气缸之间有间隙Δt,两个制动片和直线导轨之间有间隙Δh。

图2 X局部放大图

工作时，通过气动控制系统向膜片式气缸加压，推动两膜片靠拢直至夹紧。即两膜片之间的间隙Δt逐渐减小，直至为零。两膜片夹紧，产生相互作用力F，推动左、右制动臂绕销轴反向旋转，带动制动片与导轨靠拢，直至压紧。即制动片和直线导轨之间的间隙Δh逐渐减小，直至为零。此时，弹簧被压缩，制动片对直线导轨施加夹紧力F1。夹紧力F1沿摩擦面及其垂直方向分解，沿摩擦面方向的分力即为制动片与导轨之间的摩擦力，通过这个摩擦力实现制动。使用时，将这个气动制动装置安装在直线导轨上行走的设备底部，即可实现对该设备的制动。

设备需运动时，通过气动控制系统使膜片式气缸泄压，两膜片还原到初始位置。弹簧开始复原，在其作用下，制动片向远离直线导轨方向运动，直至返回到初始位置。制动片与直线导轨脱开，制动解除。

3 选型计算

3.1 夹紧力F1

式中：F——气缸最大夹紧力，N；

L1——气缸夹紧力臂长度，mm；

L2——制动片力臂长度，mm。

3.2 制动片对导轨的压紧力F′

3.3 单个制动片摩擦面与导轨之间的摩擦力f1

其中：μ——制动片和直线导轨间摩擦系数。

3.4 总摩擦力f

由3.4中的计算式可知，制动片和直线导轨之间的摩擦系数μ、气缸的夹紧力F、气缸到回转销轴的力臂长度L1、制动片到回转销轴6力臂长度L2均可影响该制动装置的制动力。其中，摩擦系数μ与制动片的材料有关，夹紧力F与气缸的规格型号有关，气缸力臂长度L1和制动片力臂长度L2与制动臂的结构和尺寸有关。因此，通过改变制动片材料、气缸型号和制动臂的结构和尺寸可实现较大调节范围的制动力。

4 优缺点及应用

4.1 优点

（1）制动力范围较大，能够适应不同工况条件下的制动要求，因此，应用范围也较广；

（2）结构简单、体积小、安装和维护极其方便；

（3）采用气动控制形式，以空气作为工作介质，环保节能、安全可靠、成本低。

4.2 缺点

膜片式气缸夹紧力不太大，因此，该装置不适用于质量大、直线运动速度快的设备。

4.3 应用

适合用于在直线导轨上运动质量较小、速度较慢的设备的制动，可用于较多行业中。目前，该制动装置已应用于作者研发设计的20MN智能矫直机中，用于左右托辊的制动。