單元制動器停放缸體強度分析及優化康健

劉德學

摘要：采用有限元法對單元制動器7吋停放缸體和8吋停放缸體進行了強度分析及對比，并對8吋停放缸體實施了優化處理。結果表明，優化后8吋停放缸體應力水平顯著降低，且低于成熟運用的7吋停放缸體。

關鍵詞：軌道交通;制動器;停放缸體;有限元

0? ? 引言

單元制動器廣泛應用于機車、地鐵車輛、軌道工程車等軌道交通車輛，是空氣制動系統的最終執行部件。通常情況下，車輛在坡道上長時間停車時為了防止溜逸，實施停放制動是必要的[1]。圖1是某型單元制動器的停放缸內部結構示意圖，當施加停放制動指令發出后，停放缸內的壓力空氣排出，同時蓄能彈簧驅動內部機構產生停放制動力。目前該型單元制動停放缸已成熟應用的缸徑為7吋，為了滿足大軸重調車機車對停放制動性能的要求，在保持停放缸總體結構不變的前提下，通過增大蓄能彈簧驅動力并將停放缸直徑增大至8吋，達到停放單元制動器數量不增加以及停放制動緩解風壓不超過500 kPa[2]的綜合要求。然而，停放缸直徑增加將直接導致相同風壓下停放缸體的受力增大，尤其是當停放缸內風壓很高時。若停放缸體因應力過大而破裂，極易發生傷人事故。因此，必須對8吋停放缸體的強度進行校核。

1? ? 停放缸體受力分析

如圖1所示，停放缸體下端通過螺栓安裝在中間體上，停放缸體上端內側與彈簧座接觸，蓄能彈簧上端壓在彈簧座上，下端壓在蓄能活塞上。

當停放缸內風壓超過停放制動最小緩解風壓時，蓄能活塞被壓縮空氣推至充風緩解位，如圖2所示。此時壓縮空氣施加給蓄能活塞的推力經蓄能彈簧和彈簧座最終作用在停放缸體上，停放缸體受力大小正比于停放缸內風壓。

根據文獻[2]，機車單元制動器停放制動缸最高工作壓力為1 000 kPa，緩解風壓不超過500 kPa。經計算，在以上兩種壓力下停放缸體所受力的大小如表1所示。

2? ? 停放缸體強度校核

鑒于7吋停放缸已成熟批量應用且多年來未出現停放缸體破損失效的故障，證明7吋停放缸體是足夠安全的。因此，在對8吋停放缸體進行強度校核時，可將7吋停放缸體的應力水平作為參照。

本文采用有限元法進行應力計算，應力計算結果分別如圖3和圖4所示。

從圖中可看出，兩種停放缸體的最大應力均位于內側頂部與圓柱面的拐角處，同等壓力下8吋停放缸體的應力水平均遠高于7吋停放缸體。

停放缸體由Q235B鋼板壓制而成，該材料的強度極限為375～460 MPa[3]。7吋停放缸體在1 000 kPa風壓下的最大等效應力為320 MPa，低于材料的強度極限。8吋停放缸體在1 000 kPa風壓下的最大等效應力為586 MPa，已超過材料的強度極限上限值，可見8吋停放缸體采用與7吋停放缸體相同結構已經無法滿足靜強度要求。

3? ? 停放缸體優化

由上一小節可知，停放缸體頂部拐角是應力集中區域，經過比較分析后，確定最終優化方案：將拐角由斜角與圓角的組合結構改為單圓弧結構，同時為了保持拐角的整體大小與之前一致，圓弧半徑最終設定為8 mm，壁厚由4 mm增大至5 mm，如圖5所示。

優化后8吋停放缸體在兩種風壓下的應力如圖6所示。根據單元制動器的運用情況，停放缸內充入1 000 kPa的壓縮空氣考驗的是停放缸體的靜強度，正常運用中反復充入500 kPa壓縮空氣進行停放制動緩解考驗的則是停放缸體的疲勞強度。由表2可知，優化后的8吋停放缸體的應力水平明顯降低，且均小于同等風壓下的7吋停放缸體。因此，優化后的8吋停放缸體在靜強度和疲勞強度兩方面均能滿足要求。

4? ? 結語

分析結果表明，壁厚和拐角結構保持不變時，8吋停放缸體應力過大，不能滿足靜強度要求。經過調整，將8吋停放缸體頂部拐角由斜角與圓角的組合結構優化為單圓弧結構，加工難度降低，且相同風壓下的應力水平均低于已成熟運用的7吋停放缸體，在加工經濟性和可靠性方面均有明顯優勢。當然，后續還需要經過試驗驗證，以促進該型單元制動器獲得更好的應用前景。

[參考文獻]

[1] 謝啟明，王俊勇.BFCF型踏面制動單元原理分析[J].機車電傳動，2010（3）：30-32.

[2] 機車單元制動器：TB/T 3145—2007[S].

[3] 《機械工程材料性能數據手冊》編委會.機械工程材料性能數據手冊[M].北京：機械工業出版社，1995.

收稿日期：2020-03-10

作者簡介：康健（1989—），男，四川德陽人，工學碩士，助理工程師，從事制動系統研制工作。