基于ADAMS的電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器仿真研究

姜朝俊，田樹(shù)濤，孔祥虎

(1.山東省天安礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東科大機(jī)電科技股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

基于ADAMS的電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器仿真研究

姜朝俊1，田樹(shù)濤2，孔祥虎2

(1.山東省天安礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東科大機(jī)電科技股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

以電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器為研究對(duì)象，利用ADAMS軟件進(jìn)行建模仿真，優(yōu)化分析獲得制動(dòng)器所需要的制動(dòng)力矩和間隙。仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：ADAMS軟件的分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，為制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了可靠的方法和依據(jù)，節(jié)省了研發(fā)費(fèi)用并縮短了開(kāi)發(fā)周期。

ADAMS； 電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器； 動(dòng)力學(xué)分析； 仿真

0 引言

電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器是煤礦、冶金、港口碼頭等行業(yè)常用的一種常閉結(jié)構(gòu)制動(dòng)裝置，其主要由電力液壓推動(dòng)器、制動(dòng)彈簧、制動(dòng)閘瓦、一套或者多套連桿機(jī)構(gòu)等組成。杠桿比是電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它是施加在制動(dòng)盤(pán)上的正壓力與電力液壓制動(dòng)器推力的比值，一般都是手動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)杠桿比，然后做樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，該方法計(jì)算復(fù)雜，制樣周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用高。本文提出了一種應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)制動(dòng)器杠桿比進(jìn)行分析的方法，并對(duì)制動(dòng)器杠桿比進(jìn)行優(yōu)化，比較理論分析和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)用以檢驗(yàn)理論分析的正確性。

1 電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器分析模型

1.1 制動(dòng)器參數(shù)

KDUB500-2060電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器參數(shù)見(jiàn)表1，制動(dòng)器外形及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，并以鉸點(diǎn)1與鉸點(diǎn)2的連線(xiàn)為X軸，鉸點(diǎn)1與鉸點(diǎn)2的中點(diǎn)為Y軸建立坐標(biāo)系。

表1 KDUB500-2060電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器參數(shù)

1.2 構(gòu)建虛擬樣機(jī)模型

在建模分析過(guò)程當(dāng)中，不需要將所有的動(dòng)作以及零部件都考慮進(jìn)去，而應(yīng)根據(jù)具體的仿真目的和需要合理地忽略刪減不必要的部分，以達(dá)到仿真目的的同時(shí)盡可能地簡(jiǎn)化模型。本模型的基本假設(shè)如下：①忽略所有鉸接點(diǎn)的摩擦力；②忽略所有零部件的重力作用(系統(tǒng)重量輕，對(duì)系統(tǒng)分析基本沒(méi)有影響)；③各零部件為剛體，即不會(huì)產(chǎn)生任何變形。本文采用ADAMS本身自帶的構(gòu)建模型功能構(gòu)建制動(dòng)器模型，對(duì)模型的各零部件進(jìn)行物理信息的定義，包括構(gòu)件名稱(chēng)的修改、材料屬性的修改等。整個(gè)模型中共有7個(gè)剛體、一個(gè)彈簧、9個(gè)旋轉(zhuǎn)副、2個(gè)平行副和1個(gè)施加力(彈簧工作載荷)。

圖1 制動(dòng)器外形及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 分析工況

制動(dòng)器分為開(kāi)閘和閉閘工況，開(kāi)閘是由推動(dòng)器、制動(dòng)彈簧和平面鉸點(diǎn)組組成杠桿系，簡(jiǎn)單分析推動(dòng)器和制動(dòng)彈簧的杠桿比，即可求得推動(dòng)器克服的最大彈簧力。閉閘工況是系統(tǒng)在制動(dòng)彈簧力的作用下，將彈簧力增比后傳遞到制動(dòng)閘瓦上，通過(guò)和制動(dòng)盤(pán)的配合產(chǎn)生制動(dòng)力，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，根據(jù)彈簧最小工作載荷和最大工作載荷以及工作行程即可設(shè)計(jì)制動(dòng)彈簧，這也是制動(dòng)器的核心技術(shù)。與閉閘工況相比，開(kāi)閘工況較簡(jiǎn)單，所以本文主要分析閉閘工況。

1.4 計(jì)算制動(dòng)力矩

根據(jù)ADAMS軟件特性，分析出制動(dòng)器閘瓦的正壓力，再根據(jù)公式M=NFRμ(其中，M為制動(dòng)力矩，N為摩擦副數(shù)量，F(xiàn)為正壓力，R為制動(dòng)理論半徑，μ為摩擦因數(shù))計(jì)算得出制動(dòng)力矩。

2 制動(dòng)器杠桿比優(yōu)化和仿真

在制動(dòng)器分析中，最重要的就是分析制動(dòng)器系統(tǒng)的杠桿比，杠桿比越大，產(chǎn)生的正壓力也越大，相應(yīng)地制動(dòng)力矩也越大，但開(kāi)閘間隙會(huì)變小，所以要在開(kāi)閘間隙和制動(dòng)力矩之間尋求最優(yōu)組合。開(kāi)閘間隙一般為1 mm～2 mm，優(yōu)化制動(dòng)器杠桿比，實(shí)現(xiàn)最大制動(dòng)力矩。2.1 制動(dòng)器制動(dòng)力矩分析

在彈簧處施加彈簧最小工作載荷850 N，在閘瓦處設(shè)置正壓力測(cè)力彈簧，仿真設(shè)置如下：結(jié)束時(shí)間為4 s,步驟為200。將數(shù)值代入M=NFRμ計(jì)算得M=2 060 N·m。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

由于制動(dòng)器鉸點(diǎn)較多，一般我們會(huì)通過(guò)ADAMS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量功能將每個(gè)鉸點(diǎn)X、Y(坐標(biāo)參考圖1)方向的數(shù)值參數(shù)化，找出對(duì)系統(tǒng)正壓力敏感的幾個(gè)鉸點(diǎn)坐標(biāo)，單獨(dú)計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)正壓力的敏感度。計(jì)算得到的制動(dòng)器鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)變量對(duì)正壓力的敏感度如表2所示。

由表2可以看出：設(shè)計(jì)變量DV＿6、DV＿11、DV＿16的敏感度最高，也就是說(shuō)鉸點(diǎn)3＿Y、鉸點(diǎn)6＿X、鉸點(diǎn)8＿Y的位置變化對(duì)制動(dòng)器系統(tǒng)的正壓力影響最大。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)杠桿比

由表2分析得知:鉸點(diǎn)3＿Y方向坐標(biāo)、鉸點(diǎn)6＿X方向坐標(biāo)、鉸點(diǎn)8＿Y方向坐標(biāo)對(duì)制動(dòng)力矩影響最大，設(shè)它們的數(shù)值分別用a、c、b表示。在ADAMS中，將鉸點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)值浮動(dòng)范圍控制在±10%，分析每個(gè)鉸

點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)值與制動(dòng)力矩和開(kāi)閘間隙之間的關(guān)系。分析結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

表2 設(shè)計(jì)變量對(duì)正壓力的敏感度

在滿(mǎn)足開(kāi)閘間隙1 mm～2 mm的條件下，通過(guò)模擬優(yōu)化，得到最大正壓力時(shí)a、b、c的數(shù)值，如表3所示。

圖2a與制動(dòng)力矩和開(kāi)閘間隙的關(guān)系 圖3b與制動(dòng)力矩和開(kāi)閘間隙的關(guān)系 圖4c與制動(dòng)力矩的關(guān)系(c與開(kāi)閘間隙無(wú)關(guān))

3 制動(dòng)器仿真結(jié)果與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)仿真模型設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一臺(tái)物理樣機(jī)，型號(hào)為KDUB500-2060，開(kāi)閘間隙為1.5 mm。物理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表3 優(yōu)化數(shù)值表

由表4可知，兩者偏差較小，在10%之內(nèi)，存在偏差的原因主要是：未考慮彈簧的富余系數(shù)，摩擦因數(shù)浮動(dòng)空間在0.35～0.45之間，且在試驗(yàn)當(dāng)中需考慮系統(tǒng)的摩擦阻力，總體來(lái)說(shuō)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，ADAMS軟件能夠很好地仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)電力液壓盤(pán)式制動(dòng)器，與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，能夠滿(mǎn)足工程精度和使用要求。

表4 物理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果對(duì)比

[1] 高廣娣.典型機(jī)械機(jī)構(gòu)ADAMS仿真應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 范建成，熊光明.虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 孫恒，陳作模.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 梅經(jīng)武.起重機(jī)用盤(pán)式制動(dòng)器[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1992(11):25-26.

[5] 王新偉，郭冬梅.盤(pán)式制動(dòng)器在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2005(11):62-63.

Simulation of Electro-hydraulic Disc Brake Based on ADAMS

JIANG Chao-jun1, TIAN Shu-tao2, KONG Xiang-hu2

(1.Shandong Tian’an Mining Co.,Ltd., Jining 272000,China; 2.Shandong Keda M&E Technology Co., Ltd., Jining 272000,China)

Taking an electro-hydraulic disc brake as research object, this paper carried out the simulation analysis on electro-hydraulic disc brake, getting braking moment and clearance. Experimental data show the analytical results of ADAMS agree with that of experimental data. It provides a reliable method and basis for the design of brakes.

ADAMS; electro-hydraulic disc brakes; dynamic analysis; simulation

1672- 6413(2015)06- 0080- 02

2015- 09- 14；

2015- 11- 02

姜朝俊(1968-)，男，山東陽(yáng)谷人，工程師，本科，現(xiàn)從事煤礦機(jī)電設(shè)計(jì)工作。

TP391.7

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