貨車鼓式制動器組件接觸特性研究*

侯　艷，張　武

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系，陜西 西安 710014；2.西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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貨車鼓式制動器組件接觸特性研究*

侯艷1，張武2

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系，陜西 西安 710014；2.西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

為研究貨車鼓式制動器的動作特點，建立了貨車鼓式制動器的三維模型，進行了鼓式制動器組件應(yīng)力和位移分析。結(jié)果表明，制動鼓最大應(yīng)力值為33.3MPa，制動鼓的最大位移為0.13mm，發(fā)生在制動鼓下部區(qū)域，位移量主要產(chǎn)生于下部，并且呈對稱分布；摩擦片的最大應(yīng)力為71.0MPa，表現(xiàn)為左右摩擦片應(yīng)力分布對稱，上下不對稱，最大位移量為0.27mm；2個制動蹄的最大應(yīng)力為865kPa，應(yīng)力和位移分布規(guī)律與摩擦片類似。為貨車鼓式制動器優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

制動器；接觸；應(yīng)力；位移

鼓式制動器也叫塊式制動器，其主要依靠制動塊壓緊制動鼓來完成制動。憑借制動力大小使車輪減速，或在最短的距離內(nèi)停車，以確保車輛的行駛安全。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鼓式制動器的研究有很多，王宏臣[1]基于熱力耦合原理，運用有限元軟件ABAQUS，建立了鼓式制動器制動熱模型，分析了無表面織構(gòu)和3種不同表面織構(gòu)的制動鼓的制動溫度場及應(yīng)力場分布。崔功軍[2]建立了帶式輸送機鼓式制動器三維模型，進行了溫度場與應(yīng)力場的耦合分析，研究了在不同制動速度和制動壓力下模型的應(yīng)力應(yīng)變與溫度分布變化。王吉忠[3]建立了該制動蹄的彈塑性有限元分析模型，并對制動氣壓提高前、后制動蹄的結(jié)構(gòu)強度進行了計算和比較。史津竹[4]建立了鼓式制動器力學(xué)模型，并對制動器工作過程中凸輪軸等組件的力學(xué)特征做了描述。韓蕓芳[5]通過對鼓式制動器制動過程激振力頻率進行計算，對制動器結(jié)構(gòu)進行改進，并將改進的結(jié)構(gòu)分別進行有限元及試驗驗證，從而得到了一種抑制鼓式制動器振動噪聲的結(jié)構(gòu)改進方法。

本文對某貨車鼓式制動器組件間接觸應(yīng)力和位移進行了分析，可為鼓式制動器設(shè)計提供參考。

1　制動器模型建立

1.1制動器幾何模型建立

根據(jù)某貨車參數(shù)確定鼓式制動器幾何和力學(xué)參數(shù)，以SolidWorks軟件為平臺，建立鼓式制動器組件三維模型(見圖1和圖2)。

圖1　制動蹄和摩擦片　　圖2　鼓式制動器總裝配圖

1.2制動器接觸特性分析前處理

在ANSYS軟件環(huán)境下進行制動器接觸特性分析。制動鼓、制動蹄和摩擦片各零件材料屬性見表1。

表1　制動器各零件材料的物理參數(shù)

分別創(chuàng)建制動蹄銷孔的局部坐標(biāo)系，并對銷孔內(nèi)表面施加軸向位移約束，另外2個方向設(shè)置轉(zhuǎn)動方向約束；對制動鼓內(nèi)表面也同樣施加軸向位移和另外2個方向的轉(zhuǎn)動約束；同時，對制動蹄蹄面施加壓力50MPa，設(shè)置制動鼓內(nèi)表面為周向小位移；最后，完成制動器組件的自由網(wǎng)格劃分。

2　制動器組件彈性特性分析

2.1制動鼓應(yīng)力與位移分析

制動鼓應(yīng)力與位移云圖如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，制動鼓的最大應(yīng)力值為33.3MPa，產(chǎn)生部位是內(nèi)表面中間范圍，制動鼓應(yīng)力區(qū)分布基本上是沿直徑分布的，且趨勢是對稱的；制動鼓的最大位移為0.13mm，發(fā)生在制動鼓的下部區(qū)域與制動蹄接觸的位置，這種分布表明了鼓式制動器制動鼓的底盤較易變形，位移量主要產(chǎn)生于下部，并且呈對稱分布，但是凸輪附近的位移量顯示更大一些，為了避免造成局部的大變形，影響到整個鼓式制動器的制動效果和使用壽命，在進行鼓式制動器制動鼓設(shè)計和改進時應(yīng)予以考慮。

圖3　制動鼓應(yīng)力分布云圖

圖4　制動鼓位移分布云圖

2.2摩擦片應(yīng)力與位移分析

摩擦片應(yīng)力與位移云圖如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，摩擦片的最大應(yīng)力為71.0MPa，發(fā)生在下摩擦片的內(nèi)側(cè)外邊，4個摩擦片為對稱結(jié)構(gòu)，而應(yīng)力分布左右呈對稱，上下不對稱，主要表現(xiàn)為上摩擦片應(yīng)力較小，下摩擦片應(yīng)力較為集中的狀況；最大位移量為0.27mm，發(fā)生在下摩擦片的最底端，摩擦片位移量的分布趨勢依然是左右呈對稱形式，自下而上為遞減趨勢。

圖5　摩擦片應(yīng)力分布云圖

圖6　摩擦片位移分布云圖

2.3制動蹄應(yīng)力與位移分析

制動蹄應(yīng)力與位移云圖如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，2個制動蹄的最大應(yīng)力為865kPa，發(fā)生在2個制動蹄的背部下側(cè)及底端部分，制動蹄內(nèi)側(cè)及銷孔附近應(yīng)力值較??；制動蹄的最大位移量發(fā)生在2個制動蹄的最下端，位移量分布趨勢為對稱分布，并且呈現(xiàn)出了自下而上的遞減趨勢，即越靠近銷孔位移量越小。

圖7　制動蹄應(yīng)力分布云圖

圖8　制動蹄位移分布云圖

3　結(jié)語

本文建立了某貨車鼓式制動器的三維模型，并通過ANSYS軟件完成了鼓式制動器組件制動鼓、摩擦片和制動蹄的應(yīng)力和位移分析。結(jié)果表明，制動鼓的最大應(yīng)力值為33.3MPa，制動鼓的最大位移為0.13mm，發(fā)生在制動鼓的下部區(qū)域，這種分布表明了鼓式制動器制動鼓的底盤較易變形，位移量主要產(chǎn)生于下部并且呈對稱分布；摩擦片的最大應(yīng)力為71.0MPa，表現(xiàn)為左右摩擦片應(yīng)力分布對稱，上下不對稱，最大位移量為0.27mm，與最大應(yīng)力分布情況類似，發(fā)生在下摩擦片的最底端；2個制動蹄的最大應(yīng)力為865kPa，應(yīng)力和位移分布規(guī)律與摩擦片類似。

[1] 王宏臣，黃銀花.表面織構(gòu)對制動鼓制動熱的影響[J].機械設(shè)計與制造，2015(12)：142-146 .

[2] 崔功軍，盧磊，吳娟.鼓式制動器摩擦副熱力耦合分析[J].礦山機械，2015，43(4)：51-55.

[3] 王吉忠，王增文，楊志誠，等.鼓式制動器制動蹄的有限元分析[J].制造業(yè)自動化，2015，37(5)：106-108.

[4] 史津竹，張洪信，郝英杰，等.基于全接觸的鼓式制動器受力研究[J].青島大學(xué)學(xué)報：工程技術(shù)版，2014，29(4)：79-82.

[5] 韓蕓芳.基于改進結(jié)構(gòu)理論下鼓式制動器振動噪聲抑制方法研究[J].機械傳動，2014， 38(12)：137-140.

*國家自然科學(xué)基金資助項目(51505373)

陜西省教育廳科研計劃項目(15JK1490)

責(zé)任編輯馬彤

ResearchonContactCharacteristicofTruckDrumBrakeAssembly

HOUYan1，ZHANGWu2

(1.DepartmentofRailwayPowerTraction,Xi’anRailwayVocationalandTechnicalCollege,Xi’an710014,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Tostudythemovementcharacteristicoftruckdrumbrake,athree-dimensionalmodelofthetruckdrumbrakeisestablished,thestressanddisplacementanalysisisassembled.Analysisresultsshowthatthebrakedrummaximumstressvalueis33.3MPa.Themaximumdisplacementofthebrakedrumis0.13mmoccuringinthelowerpartofthebrakedrum,thedisplacementismainlyproducedinthelowerandsymmetricaldistribution.Frictionplateofthemaximumstressfor71.0MPaandperformancefortheleftandrightfrictionstressdistributionissymmetrical,andthemaximumdisplacementis0.27mm.Twobrakeshoesshouldbe865kPa,andthestressdistributionanddisplacementwithfrictionissimilar.Thestudyoftruckdrumbrakeprovidesabasisfortheoptimizationdesign.

brake，contact，stress，displacement

U463.51

A

侯艷(1988 -)，女，碩士，助教，主要從事機電技術(shù)等方面的研究。

2016-01-24