基于ABAQUS軟件的楔形制動機構分析與優化

朱亞 李英明 韓文翔 陸興華 蘇含玉

摘 要：介紹了礦用防跑車制動機構，選取了楔形制動機構進行研究，闡述了其工作原理，推導了其自鎖條件，利用ABAQUS軟件對關鍵零件進行靜力學分析并給出了一種優化設計方案，最終分析結果表明優化后的制動機構更加可靠。

關鍵詞：楔形制動機構；自鎖；ABAQUS；靜力學分析

中圖分類號：TV53 文獻標志碼：A 文章編號：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

防跑車制動機構作為防跑車的關鍵部件之一，其可靠性對整個裝置的制動性能有著重要的影響，制動機構的不穩定會導致礦車制動不及時，甚至發生脫軌，因此對于防跑車制動機構的研究至關重要。目前防跑車制動機構主要有兩種：擋車欄式和抱爪式。其中擋車欄式制動機構設置在礦道內，礦車通過與擋車欄的撞擊實現制動，這種制動方式可靠性太低[1]；抱爪式制動機構安裝在礦車上，通過雙面夾軌[2]等方式實現制動，這種制動方式會出現制動力不足、制動失效等問題。

為了解決上述機構存在的問題，本文選取了楔形制動機構進行研究并通ABAQUS軟件進行靜力學分析，驗證其可靠性，最終給出一種優化設計方案。

1 楔形制動機構工作原理

楔形制動機構的安裝位置如圖1所示，兩套楔形制動機構對應設置在兩條鐵軌上方，每套制動機構包含四個楔形塊，均兩兩對稱設置在鐵軌兩側。如圖2所示，當發生跑車事故時，楔形制動機構中動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，動楔塊繼續向前移動并對鐵軌越壓越緊，最后實現礦車的制動。

2 楔形制動機構自鎖條件推導

楔形制動機構安全制動的前提是楔形塊能壓緊鐵軌并實現自鎖，因此此節對其自鎖條件進行推導[3]。如圖2所示，其中？琢為楔塊楔角，N23、F23分別為定楔塊2對動楔塊3的正壓力和摩擦力，F13、N13為鐵軌1對動楔塊3的摩擦力和支持力，？滋1為1、3之間摩擦系數，？滋2為2、3之間的摩擦系數，忽略楔塊自重。

楔形制動塊若能自鎖，其必須滿足條件：

（1）

（2）

將式（2）帶入式（1）中，整理后得：

（3）

考慮井下環境，此處取？滋2=0.15，？琢=8°即可滿足上述條件。

圖1 楔形制動機構安裝位置簡圖

1-鐵軌；2-定楔塊；3-動楔塊

圖2 楔塊自鎖受力分析簡圖

3 楔形制動機構設計分析

3.1 設計計算

通過設計計算得出楔形塊主要受力面所受應力，便于后續分析。假定斜井傾角？茁=20°、一次牽引4節1.5t的礦車（1.5t礦車自重0.97t、最大載重2.7t）和1節1.5t的防跑車；楔形制動機構設置方式同1節所述，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 制動力計算

通過分析，礦車所需制動力大小等于礦車重力在斜井方向分力Gx的大小：

3.1.2 楔塊主要受力面應力計算

由2節分析可得，每個動楔塊所受摩擦力：

F13=■=13557.225N

鐵軌對動楔塊的壓應力：

定楔塊對動楔塊的壓應力：

3.2 楔形塊靜力學分析

楔形塊材料采用35CrMo[4]，該材料具有高強度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，適用于制造此類承受高沖擊和高載荷的零件。在有限元分析前需要對模型進行必要的簡化，忽略其它結構，簡化后楔形塊的實體模型如圖3所示。

3.2.1 模型的網格劃分

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

3.2.2 定義邊界條件與施加載荷

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

3.2.3 靜力學分析結果

經ABAQUS的靜力分析，楔形機構的應力云圖如圖4所示，楔形塊承受的最大應力為22.57MPa。

4 優化分析

4.1 “v”型與半圓型楔形塊的分析

改變傳統楔形塊的截面形狀，采用“v”型和半圓形兩種截面形狀，目的是通過ABAQUS軟件進行靜力分析比較兩種楔形塊工作時應力分布變化情況，并與原楔形塊進行對比分析，從而得出使用性能最優的楔形制動機構方案。雖然截面形狀發生改變，但是楔塊的摩擦系數和楔角均未發生變化，因此4節之前的計算分析依舊成立。

4.2 分析結果

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

5 結束語

（1）通過對楔形機構的有限元分析，分析結果表明傳統楔形塊承受的最大應力遠小于材料自身的許用應力，楔形塊的強度在安全范圍內，該結構安全可靠。

（2）通過對截面形狀改變后的楔形塊進行分析，分析結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，其最大應力相對較小，因此截面形狀為半圓形的楔塊機構更加安全可靠。

（3）通過對傳統楔形機構和截面形狀為半圓形的楔塊機構進行對比，對比結果表明兩種方案中楔形塊所受最大應力都在材料自身許用范圍之內。但優化后的楔形機構相當于在兩楔塊配合表面設置了半圓形的導向槽和導向鍵，能夠準確控制動楔塊在豎直方向上的位移，使得動楔塊和定楔塊配合移動更加準確，因此截面形狀為半圓形的楔形制動機構性能更加優異，為三種方案中的最優方案。

參考文獻：

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[4]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

[5]謝軍偉，劉維國，詹國寧.復合材料開孔層合板有限元網格劃分方法研究[J].機械設計制造，2013（04）：228-231.

[6]陳海燕.技能應用速成系列ABAQUS有限元分析從入門到精通[M].北京：電子工業出版社，2015.