侯　艷，張　武

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

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貨車(chē)鼓式制動(dòng)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(dòng)力系，陜西 西安 710014；2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

為研究貨車(chē)鼓式制動(dòng)器的動(dòng)作特點(diǎn)，建立了貨車(chē)鼓式制動(dòng)器的三維模型，進(jìn)行了鼓式制動(dòng)器組件應(yīng)力和位移分析。結(jié)果表明，制動(dòng)鼓最大應(yīng)力值為33.3MPa，制動(dòng)鼓的最大位移為0.13mm，發(fā)生在制動(dòng)鼓下部區(qū)域，位移量主要產(chǎn)生于下部，并且呈對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)，上下不對(duì)稱(chēng)，最大位移量為0.27mm；2個(gè)制動(dòng)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(lèi)似。為貨車(chē)鼓式制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

制動(dòng)器；接觸；應(yīng)力；位移

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

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鼓式制動(dòng)器的研究有很多，王宏臣[1]基于熱力耦合原理，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，建立了鼓式制動(dòng)器制動(dòng)熱模型，分析了無(wú)表面織構(gòu)和3種不同表面織構(gòu)的制動(dòng)鼓的制動(dòng)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布。崔功軍[2]建立了帶式輸送機(jī)鼓式制動(dòng)器三維模型，進(jìn)行了溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析，研究了在不同制動(dòng)速度和制動(dòng)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(dòng)蹄的彈塑性有限元分析模型，并對(duì)制動(dòng)氣壓提高前、后制動(dòng)蹄的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算和比較。史津竹[4]建立了鼓式制動(dòng)器力學(xué)模型，并對(duì)制動(dòng)器工作過(guò)程中凸輪軸等組件的力學(xué)特征做了描述。韓蕓芳[5]通過(guò)對(duì)鼓式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程激振力頻率進(jìn)行計(jì)算，對(duì)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并將改進(jìn)的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元及試驗(yàn)驗(yàn)證，從而得到了一種抑制鼓式制動(dòng)器振動(dòng)噪聲的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。

本文對(duì)某貨車(chē)鼓式制動(dòng)器組件間接觸應(yīng)力和位移進(jìn)行了分析，可為鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)提供參考。

1　制動(dòng)器模型建立

1.1制動(dòng)器幾何模型建立

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

圖1　制動(dòng)蹄和摩擦片　　圖2　鼓式制動(dòng)器總裝配圖

1.2制動(dòng)器接觸特性分析前處理

在ANSYS軟件環(huán)境下進(jìn)行制動(dòng)器接觸特性分析。制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦片各零件材料屬性見(jiàn)表1。

表1　制動(dòng)器各零件材料的物理參數(shù)

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

2　制動(dòng)器組件彈性特性分析

2.1制動(dòng)鼓應(yīng)力與位移分析

制動(dòng)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(dòng)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(dòng)鼓應(yīng)力區(qū)分布基本上是沿直徑分布的，且趨勢(shì)是對(duì)稱(chēng)的；制動(dòng)鼓的最大位移為0.13mm，發(fā)生在制動(dòng)鼓的下部區(qū)域與制動(dòng)蹄接觸的位置，這種分布表明了鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓的底盤(pán)較易變形，位移量主要產(chǎn)生于下部，并且呈對(duì)稱(chēng)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(gè)鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)效果和使用壽命，在進(jìn)行鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖3　制動(dòng)鼓應(yīng)力分布云圖

圖4　制動(dòng)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(gè)摩擦片為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，而應(yīng)力分布左右呈對(duì)稱(chēng)，上下不對(duì)稱(chēng)，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(shì)依然是左右呈對(duì)稱(chēng)形式，自下而上為遞減趨勢(shì)。

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(dòng)蹄應(yīng)力與位移分析

制動(dòng)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(gè)制動(dòng)蹄的最大應(yīng)力為865kPa，發(fā)生在2個(gè)制動(dòng)蹄的背部下側(cè)及底端部分，制動(dòng)蹄內(nèi)側(cè)及銷(xiāo)孔附近應(yīng)力值較??；制動(dòng)蹄的最大位移量發(fā)生在2個(gè)制動(dòng)蹄的最下端，位移量分布趨勢(shì)為對(duì)稱(chēng)分布，并且呈現(xiàn)出了自下而上的遞減趨勢(shì)，即越靠近銷(xiāo)孔位移量越小。

圖7　制動(dòng)蹄應(yīng)力分布云圖

圖8　制動(dòng)蹄位移分布云圖

3　結(jié)語(yǔ)

本文建立了某貨車(chē)鼓式制動(dòng)器的三維模型，并通過(guò)ANSYS軟件完成了鼓式制動(dòng)器組件制動(dòng)鼓、摩擦片和制動(dòng)蹄的應(yīng)力和位移分析。結(jié)果表明，制動(dòng)鼓的最大應(yīng)力值為33.3MPa，制動(dòng)鼓的最大位移為0.13mm，發(fā)生在制動(dòng)鼓的下部區(qū)域，這種分布表明了鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓的底盤(pán)較易變形，位移量主要產(chǎn)生于下部并且呈對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)，上下不對(duì)稱(chēng)，最大位移量為0.27mm，與最大應(yīng)力分布情況類(lèi)似，發(fā)生在下摩擦片的最底端；2個(gè)制動(dòng)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(lèi)似。

[1] 王宏臣，黃銀花.表面織構(gòu)對(duì)制動(dòng)鼓制動(dòng)熱的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(12)：142-146 .

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

[3] 王吉忠，王增文，楊志誠(chéng)，等.鼓式制動(dòng)器制動(dòng)蹄的有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)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(dòng)器受力研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2014，29(4)：79-82.

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

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505373)

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)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(jī)電技術(shù)等方面的研究。

2016-01-24