基于A(yíng)BAQUS軟件的楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化

朱亞 李英明 韓文翔 陸興華 蘇含玉

摘 要：介紹了礦用防跑車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)，選取了楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，闡述了其工作原理，推導(dǎo)了其自鎖條件，利用ABAQUS軟件對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行靜力學(xué)分析并給出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終分析結(jié)果表明優(yōu)化后的制動(dòng)機(jī)構(gòu)更加可靠。

關(guān)鍵詞：楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)；自鎖；ABAQUS；靜力學(xué)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TV53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）10-0152-03

Abstract： This paper introduces the brake mechanism of mining anti-sports car， selects wedge-shaped brake mechanism for research， expounds its working principle， deduces its self-locking condition， makes statics analysis of key parts by using ABAQUS software， and gives an optimized design scheme. The final analysis results show that the optimized braking mechanism is more reliable.

Keywords： wedge brake mechanism； self-locking； ABAQUS； statics analysis

引言

防跑車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)作為防跑車(chē)的關(guān)鍵部件之一，其可靠性對(duì)整個(gè)裝置的制動(dòng)性能有著重要的影響，制動(dòng)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致礦車(chē)制動(dòng)不及時(shí)，甚至發(fā)生脫軌，因此對(duì)于防跑車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究至關(guān)重要。目前防跑車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有兩種：擋車(chē)欄式和抱爪式。其中擋車(chē)欄式制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在礦道內(nèi)，礦車(chē)通過(guò)與擋車(chē)欄的撞擊實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，這種制動(dòng)方式可靠性太低[1]；抱爪式制動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在礦車(chē)上，通過(guò)雙面夾軌[2]等方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，這種制動(dòng)方式會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)力不足、制動(dòng)失效等問(wèn)題。

為了解決上述機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，本文選取了楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究并通ABAQUS軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其可靠性，最終給出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝位置如圖1所示，兩套楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)設(shè)置在兩條鐵軌上方，每套制動(dòng)機(jī)構(gòu)包含四個(gè)楔形塊，均兩兩對(duì)稱(chēng)設(shè)置在鐵軌兩側(cè)。如圖2所示，當(dāng)發(fā)生跑車(chē)事故時(shí)，楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)中動(dòng)楔塊的直角邊接觸鐵軌，在鐵軌的摩擦力以及定楔塊的壓力作用下，動(dòng)楔塊繼續(xù)向前移動(dòng)并對(duì)鐵軌越壓越緊，最后實(shí)現(xiàn)礦車(chē)的制動(dòng)。

2 楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖條件推導(dǎo)

楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)安全制動(dòng)的前提是楔形塊能壓緊鐵軌并實(shí)現(xiàn)自鎖，因此此節(jié)對(duì)其自鎖條件進(jìn)行推導(dǎo)[3]。如圖2所示，其中？琢為楔塊楔角，N23、F23分別為定楔塊2對(duì)動(dòng)楔塊3的正壓力和摩擦力，F(xiàn)13、N13為鐵軌1對(duì)動(dòng)楔塊3的摩擦力和支持力，？滋1為1、3之間摩擦系數(shù)，？滋2為2、3之間的摩擦系數(shù)，忽略楔塊自重。

楔形制動(dòng)塊若能自鎖，其必須滿(mǎn)足條件：

（1）

（2）

將式（2）帶入式（1）中，整理后得：

（3）

考慮井下環(huán)境，此處取？滋2=0.15，？琢=8°即可滿(mǎn)足上述條件。

圖1 楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝位置簡(jiǎn)圖

1-鐵軌；2-定楔塊；3-動(dòng)楔塊

圖2 楔塊自鎖受力分析簡(jiǎn)圖

3 楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得出楔形塊主要受力面所受應(yīng)力，便于后續(xù)分析。假定斜井傾角？茁=20°、一次牽引4節(jié)1.5t的礦車(chē)（1.5t礦車(chē)自重0.97t、最大載重2.7t）和1節(jié)1.5t的防跑車(chē)；楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置方式同1節(jié)所述，楔形塊上底尺寸為30mm、下底尺寸為39.56mm、高為68mm、厚度為32mm，楔角為8°，其三維模型如圖3所示。

3.1.1 制動(dòng)力計(jì)算

通過(guò)分析，礦車(chē)所需制動(dòng)力大小等于礦車(chē)重力在斜井方向分力Gx的大?。?/p>

3.1.2 楔塊主要受力面應(yīng)力計(jì)算

由2節(jié)分析可得，每個(gè)動(dòng)楔塊所受摩擦力：

F13=■=13557.225N

鐵軌對(duì)動(dòng)楔塊的壓應(yīng)力：

定楔塊對(duì)動(dòng)楔塊的壓應(yīng)力：

3.2 楔形塊靜力學(xué)分析

楔形塊材料采用35CrMo[4]，該材料具有高強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，適用于制造此類(lèi)承受高沖擊和高載荷的零件。在有限元分析前需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略其它結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后楔形塊的實(shí)體模型如圖3所示。

3.2.1 模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是決定分析精度的重要環(huán)節(jié)[5]。為了增加分析的精確性，本文采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]。網(wǎng)格的大小影響著分析的精度，為了提高分析的精度，本文對(duì)其種子大小采用2。

3.2.2 定義邊界條件與施加載荷

楔形塊是主要的制動(dòng)件，其工作時(shí)下底面通過(guò)連桿固定，在編輯邊界條件時(shí)，本文采用ENCASTRE，約束了其所有的自由度。制動(dòng)時(shí)，楔形塊的楔面部分主要承受擠壓力，與導(dǎo)軌接觸面主要承受導(dǎo)軌的支持力，由上述受力分析可知楔面部分承受載荷約為14.14MPa，與導(dǎo)軌接觸面承受載荷為13.845MPa。

3.2.3 靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)ABAQUS的靜力分析，楔形機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示，楔形塊承受的最大應(yīng)力為22.57MPa。

4 優(yōu)化分析

4.1 “v”型與半圓型楔形塊的分析

改變傳統(tǒng)楔形塊的截面形狀，采用“v”型和半圓形兩種截面形狀，目的是通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行靜力分析比較兩種楔形塊工作時(shí)應(yīng)力分布變化情況，并與原楔形塊進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出使用性能最優(yōu)的楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。雖然截面形狀發(fā)生改變，但是楔塊的摩擦系數(shù)和楔角均未發(fā)生變化，因此4節(jié)之前的計(jì)算分析依舊成立。

4.2 分析結(jié)果

同上述分析步驟得到兩者的應(yīng)力云圖如圖5所示，截面為“v”型的楔形塊應(yīng)力最大值為121.10MPa，截面為半圓型的楔形塊應(yīng)力最大值為91.55MPa。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)楔形機(jī)構(gòu)的有限元分析，分析結(jié)果表明傳統(tǒng)楔形塊承受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料自身的許用應(yīng)力，楔形塊的強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）通過(guò)對(duì)截面形狀改變后的楔形塊進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明截面形狀為半圓形的楔形塊相比于截面形狀為“v”型的楔形塊，其最大應(yīng)力相對(duì)較小，因此截面形狀為半圓形的楔塊機(jī)構(gòu)更加安全可靠。

（3）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)楔形機(jī)構(gòu)和截面形狀為半圓形的楔塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明兩種方案中楔形塊所受最大應(yīng)力都在材料自身許用范圍之內(nèi)。但優(yōu)化后的楔形機(jī)構(gòu)相當(dāng)于在兩楔塊配合表面設(shè)置了半圓形的導(dǎo)向槽和導(dǎo)向鍵，能夠準(zhǔn)確控制動(dòng)楔塊在豎直方向上的位移，使得動(dòng)楔塊和定楔塊配合移動(dòng)更加準(zhǔn)確，因此截面形狀為半圓形的楔形制動(dòng)機(jī)構(gòu)性能更加優(yōu)異，為三種方案中的最優(yōu)方案。

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