地鐵車輛制動模塊風(fēng)缸卡帶組成的力學(xué)分析

摘要：根據(jù)地鐵車輛制動模塊風(fēng)缸卡帶組成的具體特點(diǎn)、使用環(huán)境、工藝過程等，著重探討了風(fēng)缸卡帶組成的力學(xué)性能，分析了風(fēng)缸卡帶組成在設(shè)計(jì)使用過程中的受力特點(diǎn)及材料強(qiáng)度。通過分析驗(yàn)證了風(fēng)缸卡帶組成生產(chǎn)的可行性與使用的可靠性，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛、制動模塊、風(fēng)缸卡帶組成、力學(xué)分析

中圖分類號：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

1前言：

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，我國地鐵交通線網(wǎng)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，投入運(yùn)營的地鐵交通車輛數(shù)也逐年增加，近幾年地鐵和輕軌的運(yùn)營車輛數(shù)更是有了長足的發(fā)展，因此對車輛的速度、穩(wěn)定性等性能的要求也在不斷提高。車輛制動情形的好壞將決定地鐵車輛能否安全運(yùn)行，因此對地鐵車輛制動模塊有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。制動模塊在設(shè)計(jì)組裝過程中，通常要對各種部件進(jìn)行不同的性能驗(yàn)證分析，包括理論分析和試驗(yàn)分析，其目的是驗(yàn)證制動模塊正常工作的可靠性。而理論分析是整個(gè)分析過程的前提和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，只有把理論分析做好了，才能使后續(xù)的工作順利進(jìn)行，因此對提高勞動效率和降低成本起著至關(guān)重要的作用。

2風(fēng)缸卡帶組成的特征及作用

1——螺母M16 2——彈墊 3——平墊 4——薄螺母M16

5——T型螺栓 6——擋塊 7——鉚釘 8——鋼帶

9——橡膠帶 10——底架 11——尼龍墊塊 12——制動風(fēng)缸

風(fēng)缸卡帶組成的主要作用是用來固定和懸掛制動風(fēng)缸的，使制動風(fēng)缸在車輛的任何狀態(tài)下都能牢牢地固定在安裝架下，以減少車輛運(yùn)行過程中的側(cè)滾運(yùn)動等，確保制動模塊的正常工作，提高車輛運(yùn)行安全性能。

3風(fēng)缸卡帶組成的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1風(fēng)缸卡帶能夠確保裝于車體上的設(shè)備的耐沖擊振動性能均符合TB/1335-1996標(biāo)準(zhǔn)要求或IEC61373標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)能承受車輛在聯(lián)掛和正常運(yùn)行時(shí)沖擊和振動，能承受縱向方向的最大沖擊加速度3g，垂直方向?yàn)?g，橫向方向?yàn)?g的慣性力的作用。

3.2風(fēng)缸位于車輛的底部，風(fēng)缸的軸線與車輛的縱向平行，每個(gè)風(fēng)缸都是用兩條外層包有橡膠帶的不銹鋼卡帶懸掛并緊壓在墊有尼龍墊塊的安裝架下。通過卡帶與尼龍墊塊對風(fēng)缸的拉力、壓力及摩擦力將風(fēng)缸牢牢地固定住。

3.3每個(gè)風(fēng)缸的質(zhì)量為55千克，每個(gè)卡帶緊固螺栓的擰緊力矩為90牛頓·米。

4風(fēng)缸卡帶組成的力學(xué)性能分析

在車輛實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)缸卡帶組成受力極其復(fù)雜，不是簡單的只存在某一種應(yīng)力狀態(tài)，但是在進(jìn)行強(qiáng)度校核的理論研究時(shí)，通常只能以某一種或某幾種主要的應(yīng)力狀態(tài)為研究對象。因此對風(fēng)缸卡帶組成中的T型螺栓、鉚釘、不銹鋼帶、橡膠帶分別各自選取了幾種主要應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

4.1整體分析

T形螺栓（M16×110）所選用的的材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，等級為8.8級，安裝時(shí)的擰緊力矩為90牛頓·米。

預(yù)緊力的大小為：

Fv ===28125

Fv——螺栓的預(yù)緊力（牛頓）

T——螺栓擰緊力矩（牛頓·米）

d——螺栓公稱直徑（米）

每個(gè)風(fēng)缸由2條卡帶固定，而每個(gè)卡帶的兩端各有1個(gè)T形螺栓，因此每個(gè)風(fēng)缸受到卡帶施加的總壓力為：

F0 =4 Fv=4×28125=112500

F0——卡帶對風(fēng)缸的總壓力（牛頓）

Fv——螺栓的預(yù)緊力（牛頓）

為了驗(yàn)證風(fēng)缸卡帶組成是否能夠滿足要求，通常需要假設(shè)一些特殊的極限條件，當(dāng)這些條件滿足時(shí)，其余條件都可以滿足。

在車輛運(yùn)行的過程中，當(dāng)風(fēng)缸受到垂直向下2g的最大沖擊力時(shí)，其沖擊力的大小為風(fēng)缸所受重力的2倍，即2m風(fēng)缸g=2×55×10=1100（單位：牛頓；g取10米/秒2）。而卡帶對風(fēng)缸的垂直向上的總壓力為112500牛頓，大于2m風(fēng)缸g。

由此得出結(jié)論：在風(fēng)缸受到設(shè)計(jì)允許的沖擊力時(shí)，每個(gè)風(fēng)缸受到卡帶施加的總壓力始終保持在112500牛頓。

在車輛運(yùn)行的過程中，當(dāng)風(fēng)缸受到垂直向下2g的最大沖擊力時(shí)，此時(shí)風(fēng)缸受到卡帶和尼龍墊塊的壓力值為最小，即：

Fmin=2F0-2m風(fēng)缸g=2×112500-2×55×10=223900

Fmin——風(fēng)缸受到卡帶和尼龍墊塊的最小壓力（牛頓）

F0——卡帶對風(fēng)缸的總壓力（牛頓）

m風(fēng)缸——風(fēng)缸的質(zhì)量（千克）

g——重力加速度（10米/秒2）

此時(shí)卡帶和尼龍墊塊對風(fēng)缸所能提供的沿風(fēng)缸軸向的最大靜摩擦力為：

f=μFmin=0.15×223900=33585

f——風(fēng)缸受到卡帶和尼龍墊塊的壓力為最小時(shí)，對風(fēng)缸能夠提供的最大靜摩擦力（牛頓）

μ——摩擦系數(shù)

Fmin——風(fēng)缸受到卡帶和尼龍墊塊的最小壓力（牛頓）

在上述條件下，如果風(fēng)缸在縱向方向上受到最大沖擊加速度3g，則其沖擊力大小為3 m風(fēng)缸g，即1650牛頓。而這一沖擊力小于卡帶和尼龍墊塊對風(fēng)缸能夠提供的最大靜摩擦力33585牛頓。

由此得出結(jié)論：風(fēng)缸卡帶組成在整體上能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 T形螺栓的力學(xué)分析

在工作狀態(tài)下，T形螺栓主要受到沿螺栓軸向的拉應(yīng)力的作用，雖然在整個(gè)制動模塊受到不同方向的沖擊力時(shí)，T形螺栓也會受到剪應(yīng)力的作用，但相比拉應(yīng)力，剪應(yīng)力可以忽略不計(jì)。本次設(shè)計(jì)所選用的T形螺栓（M16×110，8.8級）所允許的最大擰緊力矩為210牛頓·米，而實(shí)際使用時(shí)所施加的擰緊力矩為90牛頓·米，并且在規(guī)定的工作狀態(tài)下，T形螺栓所受到的沿螺栓軸向的拉應(yīng)力基本保持不變，因此所選用的T形螺栓完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3鉚釘?shù)牧W(xué)分析

本次設(shè)計(jì)所選用鉚釘?shù)囊?guī)格型號為Φ5×12，材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti，許用應(yīng)力為2×108帕斯卡。

4.3.1剪應(yīng)力

因每條卡帶的兩端各鉚4個(gè)鉚釘，因此每個(gè)鉚釘受到的剪切力為螺栓預(yù)緊力的八分之一，即3516牛頓。鉚釘受到的剪應(yīng)力為：

σ剪切===1.79×108<2×108

σ剪切——鉚釘受到的剪應(yīng)力（帕斯卡）

F——鉚釘受到的剪切力（牛頓）

S——鉚釘?shù)臋M截面積（平方米）

由此得出結(jié)論：鉚釘能夠滿足剪切強(qiáng)度要求。

4.3.2擠壓應(yīng)力

在本次計(jì)算中，采用簡化假定方法，即擠壓應(yīng)力在“有效擠壓面上”上均勻分布，所謂有效擠壓面是指擠壓面積在垂直于總擠壓力方向上的投影，于是擠壓應(yīng)力為：

σ擠壓===1.76×108<2×108

σ擠壓——鉚釘受到的擠壓應(yīng)力（帕斯卡）

F——鉚釘受到的擠壓力（牛頓）

S——鉚釘?shù)挠行D壓面積（平方米）

由此得出結(jié)論：鉚釘能夠滿足擠壓強(qiáng)度要求。

4.4鋼帶的力學(xué)分析

在車輛運(yùn)行的過程中，鋼帶主要受拉力和摩擦力的作用，鋼帶的失效主要是由拉應(yīng)力引起的。本次設(shè)計(jì)所選用鋼帶為高強(qiáng)度不銹鋼，許用應(yīng)力為2.5×108帕斯卡。

σ拉===2.43×108<2.5×108

σ拉——鋼帶受到的拉應(yīng)力（帕斯卡）

F——鋼帶受到的拉力（牛頓）

A——鋼帶最小處的橫截面積（平方米）

由此得出結(jié)論：鋼帶能夠滿足強(qiáng)度要求。

4.5橡膠帶的力學(xué)分析

橡膠帶主要受壓力和摩擦力的作用，橡膠帶的失效主要是由擠壓應(yīng)力引起的。本次設(shè)計(jì)所選用橡膠帶材質(zhì)為橡膠EPDM，許用應(yīng)力為2×107帕斯卡。

在本次計(jì)算中，同樣采用簡化假定方法，即擠壓應(yīng)力在“有效擠壓面上”上均勻分布。

σ擠壓===3.52×106<2×107

σ擠壓——橡膠帶受到的擠壓應(yīng)力（帕斯卡）

F——橡膠帶受到的擠壓力（牛頓）

S——橡膠帶的有效擠壓面積（平方米）

由此得出結(jié)論：橡膠帶能夠滿足強(qiáng)度要求。

5結(jié)束語

通過上述的分析，從另外一個(gè)角度驗(yàn)證了風(fēng)缸卡帶組成設(shè)計(jì)方案的可行性。為風(fēng)缸卡帶組成在后續(xù)的制造、試驗(yàn)和應(yīng)用提供參考。如果對風(fēng)缸卡帶組成的所有力學(xué)特征進(jìn)行逐一詳細(xì)的分析，所需要的計(jì)算模型規(guī)模很大，采用時(shí)程分析在現(xiàn)有條件下也沒有必要，因此在文中對分析過程進(jìn)行了一些合理的簡化。不考慮風(fēng)缸卡帶組成所受到的交變應(yīng)力作用和一些影響很小的因素。同時(shí)采用了極限值法，將所有因素的在極端情況下的數(shù)值代入公式進(jìn)行計(jì)算，這樣簡化的結(jié)果將使得分析數(shù)值比實(shí)際情況大，即結(jié)果更加保守，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)

1.范欽珊.工程力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

2.聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010