電力液壓塊式制動(dòng)器力能設(shè)計(jì)方法研究*

曾祥躍，王全先

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

制動(dòng)器是使運(yùn)動(dòng)部件減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)功能的裝置。電力液壓塊式制動(dòng)器廣泛應(yīng)用礦業(yè)、港口碼頭、建筑工地施工設(shè)備的機(jī)械上[1]，在實(shí)際應(yīng)用中由于其零件強(qiáng)度和剛度不足等原因會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器破壞、制動(dòng)失效等，給現(xiàn)場(chǎng)工作帶來(lái)危險(xiǎn)性。

針對(duì)電力液壓塊式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，首先，確定制動(dòng)器基本參數(shù)，根據(jù)推導(dǎo)對(duì)塊式制動(dòng)器零部件進(jìn)行計(jì)算[2]，依據(jù)初參數(shù)對(duì)制動(dòng)器主要零部件進(jìn)行計(jì)算和分析；其次，對(duì)不匹配項(xiàng)進(jìn)行修改，對(duì)塊式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；接著，利用有限元對(duì)塊式制動(dòng)器制動(dòng)臂、制動(dòng)塊、主彈簧等零部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析[3]；最后，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)制動(dòng)器模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 電力液壓塊式制動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)和工作原理

電力液壓塊式制動(dòng)器由制動(dòng)臂、底板、制動(dòng)塊、主彈簧、電力液壓推動(dòng)器等組成，如圖1所示，其工作原理是，當(dāng)電力液壓推動(dòng)器通電運(yùn)行時(shí)，推桿上推，使制動(dòng)推桿克服主彈簧張力將兩個(gè)制動(dòng)臂推開(kāi)，主彈簧進(jìn)一步壓縮，制動(dòng)塊與制動(dòng)輪分離，制動(dòng)器打開(kāi)；當(dāng)電力液壓推動(dòng)器失電時(shí)，在主彈簧的作用下，制動(dòng)臂將制動(dòng)塊施壓于制動(dòng)輪，此時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速制動(dòng)保持靜止。

圖1 電力液壓塊式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖1.底座 2.制動(dòng)塊 3.制動(dòng)臂 4.推桿 5.主彈簧 6.電力液壓推動(dòng)器 7.制動(dòng)輪 8.支架

2 電力液壓塊式制動(dòng)器力能計(jì)算方法

以YWZB電力液壓塊式制動(dòng)器為研究對(duì)象[4]，參考已有同類(lèi)型塊式制動(dòng)器并進(jìn)行制動(dòng)器機(jī)構(gòu)初步設(shè)計(jì)，再進(jìn)行制動(dòng)力矩驗(yàn)算以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。接著，根據(jù)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩確定主彈簧規(guī)格，進(jìn)一步校核塊式制動(dòng)器主要零部件和整個(gè)制動(dòng)器；最后，通過(guò)ANSYS靜力學(xué)分析[5]，建立制動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析模型，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)算和分析。

2.1 電力塊式制動(dòng)器額定正壓力計(jì)算

電力塊式制動(dòng)器的受力模型見(jiàn)圖2所示。

圖2 模型受力示意圖

制動(dòng)塊正壓力和額定工作力分別為：

(1)

(2)

式中:M為額定轉(zhuǎn)矩；F為額定正壓力；i2、η′、u彈簧分別為彈簧到閘瓦的杠桿比、彈簧到閘瓦間的傳動(dòng)效率、摩擦系數(shù)；D為制動(dòng)輪直徑(mm)。

2.2 制動(dòng)器主彈簧計(jì)算

主彈簧采用伸縮彈簧，根據(jù)工作條件選定材料并確定許用剪切應(yīng)力，計(jì)算各參數(shù)。

已知額定工作力F，得最大工作負(fù)荷:

F1=F+2εi2k

(3)

彈簧直徑d滿(mǎn)足：

(4)

彈簧中徑:

D=Cd

(5)

有效圈數(shù):

(6)

電力液壓推動(dòng)器通電時(shí)，推桿上推，使制動(dòng)拉桿克服主彈簧張力將制動(dòng)臂推開(kāi)，此時(shí)需要更大彈簧力才能把制動(dòng)塊和制動(dòng)輪之間產(chǎn)生間隙而開(kāi)閘，此時(shí)彈簧的變形量為x2，開(kāi)閘彈簧力：

F2=kx2

(7)

式中：G為切變模量，與彈簧材料有關(guān);[τ]為許用切應(yīng)力，和彈簧材料相關(guān);K為彈簧曲度系數(shù);根據(jù)文獻(xiàn)[6]，為1.40;C為彈簧指數(shù)，取4；ε為制動(dòng)瓦退距，取0.8;λ為松閘時(shí)彈簧拉伸量(mm);k為主彈簧剛度系數(shù)。

2.3 制動(dòng)器主要零部件校核

2.3.1 制動(dòng)臂的計(jì)算與校核

計(jì)算和校核制動(dòng)臂時(shí)，選用(直臂)制動(dòng)臂進(jìn)行校核,其中制動(dòng)臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 制動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

制動(dòng)臂許用應(yīng)力校核：

(8)

式中：K′、B、d0、δ分別為截面系數(shù)、動(dòng)載系數(shù)、制動(dòng)臂寬度、制動(dòng)臂銷(xiāo)軸孔徑、制動(dòng)臂厚度(mm)；[σ]為許用彎曲應(yīng)力，其中[σ]=0.6σs。

2.3.2 制動(dòng)塊的計(jì)算與校核

制動(dòng)塊軸銷(xiāo)孔比壓:

(9)

式中：δ1、d1、B1，分別為制動(dòng)塊軸銷(xiāo)孔長(zhǎng)、制動(dòng)塊軸銷(xiāo)孔徑、制動(dòng)塊寬度(mm)，P1為制動(dòng)臂軸銷(xiāo)比壓，由參考文獻(xiàn)[3]，其范圍分別在12～18 MPa。

2.3.3 主彈簧的校核

彈簧的切應(yīng)力:

(10)

靜強(qiáng)度:

(11)

3 電力液壓塊式制動(dòng)器算例

以YWZB-1000型電力液壓塊式制動(dòng)器為例，本型號(hào)制動(dòng)器額定轉(zhuǎn)矩為1 000 N·m[7]，利用上述力能計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，進(jìn)而設(shè)計(jì)出匹配制動(dòng)器的主要零部件。YWZB-1000型電力液壓塊式制動(dòng)器初參數(shù)如表1所列。

表1 制動(dòng)器初參數(shù)表 /mm

將表1初參數(shù)代入式(1)、(2)，制動(dòng)塊正壓力為FN=12 500 N;額定工作力F=6 450 N;將參數(shù)代入(9)得制動(dòng)塊軸銷(xiāo)孔比壓P4=9.14 MPa；知P4≤P1則滿(mǎn)足要求。

電力液壓塊式制動(dòng)器制動(dòng)臂數(shù)據(jù)如下：l1=270 mm，l2=280 mm，l3=360 mm，其它相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 制動(dòng)臂相關(guān)參數(shù) /mm

將參數(shù)代入式(8)得σ=18.56 MPa,制動(dòng)臂許用彎曲應(yīng)力[σ]為88 MPa。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，主彈簧材料剪切模量G=206 GP和材料屈服強(qiáng)度ss=1 170 MPaσs≥1176，代入式(3)～(7)，得到如表3計(jì)算參數(shù)表。

表3 彈簧計(jì)算參數(shù)表

將表3計(jì)算出來(lái)的參數(shù)代入式(10)、(11)得到彈簧切應(yīng)力τ為760 MPa，靜強(qiáng)度n為1.49 ；彈簧的切應(yīng)力[τ]=785；[n]為許用安全系數(shù),當(dāng)彈簧計(jì)算和材料數(shù)據(jù)精確性高，取1.3～1.7；當(dāng)精度性低時(shí)取1.8～2.2；計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 有限元分析

4.1 有限元模型

使用Pro/E建立制動(dòng)器三維模型，并使用ANSYS進(jìn)行有限元分析，通過(guò)分析制動(dòng)器零部件受力情況、優(yōu)化設(shè)計(jì)、瞬態(tài)和穩(wěn)定方面分析等，驗(yàn)證制動(dòng)器合理性。在使用有限元軟件時(shí)，需要進(jìn)行前處理操作對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格相關(guān)度定義50，劃分質(zhì)量定義為Medium，劃分方法為自動(dòng)網(wǎng)格劃分形式，其結(jié)果如圖4所示，且零部件參數(shù)設(shè)置如表4，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行約束和載荷處理，加載轉(zhuǎn)矩為1 000 N·m，載荷約束如圖5所示。

表4 主零件參數(shù)設(shè)置

圖4 制動(dòng)器網(wǎng)格劃分 圖5 載荷約束圖

4.2 制動(dòng)器有限元分析

圖6為制動(dòng)器整體分析圖，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力161.58 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，其安全系數(shù)達(dá)到2.1，表明在承受上述載荷工況下，結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)行，不發(fā)生破壞。

圖6 電力液壓塊式制動(dòng)器總應(yīng)力圖

4.3 主要零件有限元分析

(1) 制動(dòng)臂 由圖7可知，制動(dòng)臂最大屈服力為112.42 MPa,小于材料屈服強(qiáng)度345 MPa,其安全系數(shù)達(dá)到3.06，由制動(dòng)臂分析結(jié)果可知，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題，制動(dòng)臂設(shè)計(jì)較為合理。

圖7 制動(dòng)臂應(yīng)力圖 圖8 制動(dòng)塊應(yīng)變圖

(2) 制動(dòng)塊 通過(guò)圖8可知，制動(dòng)塊最大屈服力為38.86 MPa,材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，由制動(dòng)塊分析結(jié)果知，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題，制動(dòng)塊設(shè)計(jì)較為合理。

(3) 主彈簧 當(dāng)電力液壓推動(dòng)器通電運(yùn)行時(shí)，單獨(dú)作用彈簧力，在計(jì)算模型中施加該強(qiáng)迫位移，計(jì)算彈簧在靜力作用下的應(yīng)力分布圖如圖9所示，主彈簧受力為550 MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，其安全系數(shù)達(dá)到2.2，制動(dòng)器主彈簧主要承受制動(dòng)臂反作用力及制動(dòng)塊推力，此時(shí)開(kāi)閘制動(dòng)臂應(yīng)力圖如圖10所示，在要求之內(nèi)，主彈簧設(shè)計(jì)符合要求。

圖9 彈簧應(yīng)力圖 圖10 開(kāi)閘時(shí)制動(dòng)臂應(yīng)力

5 結(jié) 論

以YWZB電力液壓塊式制動(dòng)器為研究對(duì)象，對(duì)塊式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，提出制動(dòng)器力能參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，包括電力液壓塊式制動(dòng)器額定正壓力和制動(dòng)器主彈簧計(jì)算及制動(dòng)器主要零部件校核等，通過(guò)電力液壓塊式制動(dòng)器算例計(jì)算校核，驗(yàn)證力能設(shè)計(jì)方法的可行性。采用Pro/E軟件建立制動(dòng)器三維模型，并利用有限元軟件對(duì)制動(dòng)器零部件如制動(dòng)臂、制動(dòng)塊主彈簧等進(jìn)行分析，有限元的仿真結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的電力液壓塊式制動(dòng)器能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。