電力液壓塊式制動器力能設計方法研究*

曾祥躍，王全先

(安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

制動器是使運動部件減速、停止或保持停止狀態功能的裝置。電力液壓塊式制動器廣泛應用礦業、港口碼頭、建筑工地施工設備的機械上[1]，在實際應用中由于其零件強度和剛度不足等原因會導致制動器破壞、制動失效等，給現場工作帶來危險性。

針對電力液壓塊式制動器結構特點和工作原理，首先，確定制動器基本參數，根據推導對塊式制動器零部件進行計算[2]，依據初參數對制動器主要零部件進行計算和分析；其次，對不匹配項進行修改，對塊式制動器結構進行設計；接著，利用有限元對塊式制動器制動臂、制動塊、主彈簧等零部件進行強度和剛度分析[3]；最后，根據仿真結果對制動器模型進行驗證，驗證是否滿足設計要求。

1 電力液壓塊式制動器主要結構和工作原理

電力液壓塊式制動器由制動臂、底板、制動塊、主彈簧、電力液壓推動器等組成，如圖1所示，其工作原理是，當電力液壓推動器通電運行時，推桿上推，使制動推桿克服主彈簧張力將兩個制動臂推開，主彈簧進一步壓縮，制動塊與制動輪分離，制動器打開；當電力液壓推動器失電時，在主彈簧的作用下，制動臂將制動塊施壓于制動輪，此時旋轉機構減速制動保持靜止。

圖1 電力液壓塊式制動器結構示意圖1.底座 2.制動塊 3.制動臂 4.推桿 5.主彈簧 6.電力液壓推動器 7.制動輪 8.支架

2 電力液壓塊式制動器力能計算方法

以YWZB電力液壓塊式制動器為研究對象[4]，參考已有同類型塊式制動器并進行制動器機構初步設計，再進行制動力矩驗算以達到設計要求。接著，根據制動轉矩確定主彈簧規格，進一步校核塊式制動器主要零部件和整個制動器；最后，通過ANSYS靜力學分析[5]，建立制動器整體結構靜力學有限元分析模型，并對關鍵部件進行強度和剛度的計算和分析。

2.1 電力塊式制動器額定正壓力計算

電力塊式制動器的受力模型見圖2所示。

圖2 模型受力示意圖

制動塊正壓力和額定工作力分別為：

(1)

(2)

式中:M為額定轉矩；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效率、摩擦系數；D為制動輪直徑(mm)。

2.2 制動器主彈簧計算

主彈簧采用伸縮彈簧，根據工作條件選定材料并確定許用剪切應力，計算各參數。

已知額定工作力F，得最大工作負荷:

F1=F+2εi2k

(3)

彈簧直徑d滿足：

(4)

彈簧中徑:

D=Cd

(5)

有效圈數:

(6)

電力液壓推動器通電時，推桿上推，使制動拉桿克服主彈簧張力將制動臂推開，此時需要更大彈簧力才能把制動塊和制動輪之間產生間隙而開閘，此時彈簧的變形量為x2，開閘彈簧力：

F2=kx2

(7)

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

2.3 制動器主要零部件校核

2.3.1 制動臂的計算與校核

計算和校核制動臂時，選用(直臂)制動臂進行校核,其中制動臂結構如圖3所示。

圖3 制動臂結構簡圖

制動臂許用應力校核：

(8)

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

2.3.2 制動塊的計算與校核

制動塊軸銷孔比壓:

(9)

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

2.3.3 主彈簧的校核

彈簧的切應力:

(10)

靜強度:

(11)

3 電力液壓塊式制動器算例

以YWZB-1000型電力液壓塊式制動器為例，本型號制動器額定轉矩為1 000 N·m[7]，利用上述力能計算方法進行設計校核，進而設計出匹配制動器的主要零部件。YWZB-1000型電力液壓塊式制動器初參數如表1所列。

表1 制動器初參數表 /mm

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

電力液壓塊式制動器制動臂數據如下：l1=270 mm，l2=280 mm，l3=360 mm，其它相關參數如表2所示。

表2 制動臂相關參數 /mm

將參數代入式(8)得σ=18.56 MPa,制動臂許用彎曲應力[σ]為88 MPa。

根據參考文獻[8]，主彈簧材料剪切模量G=206 GP和材料屈服強度ss=1 170 MPaσs≥1176，代入式(3)～(7)，得到如表3計算參數表。

表3 彈簧計算參數表

將表3計算出來的參數代入式(10)、(11)得到彈簧切應力τ為760 MPa，靜強度n為1.49 ；彈簧的切應力[τ]=785；[n]為許用安全系數,當彈簧計算和材料數據精確性高，取1.3～1.7；當精度性低時取1.8～2.2；計算結果滿足設計要求。

4 有限元分析

4.1 有限元模型

使用Pro/E建立制動器三維模型，并使用ANSYS進行有限元分析，通過分析制動器零部件受力情況、優化設計、瞬態和穩定方面分析等，驗證制動器合理性。在使用有限元軟件時，需要進行前處理操作對制動器進行網格劃分。將網格相關度定義50，劃分質量定義為Medium，劃分方法為自動網格劃分形式，其結果如圖4所示，且零部件參數設置如表4，對機構進行約束和載荷處理，加載轉矩為1 000 N·m，載荷約束如圖5所示。

表4 主零件參數設置

圖4 制動器網格劃分 圖5 載荷約束圖

4.2 制動器有限元分析

圖6為制動器整體分析圖，結構最大應力161.58 MPa，小于材料的屈服強度345 MPa，其安全系數達到2.1，表明在承受上述載荷工況下，結構能夠正常運行，不發生破壞。

圖6 電力液壓塊式制動器總應力圖

4.3 主要零件有限元分析

(1) 制動臂 由圖7可知，制動臂最大屈服力為112.42 MPa,小于材料屈服強度345 MPa,其安全系數達到3.06，由制動臂分析結果可知，不會出現結構破壞問題，制動臂設計較為合理。

圖7 制動臂應力圖 圖8 制動塊應變圖

(2) 制動塊 通過圖8可知，制動塊最大屈服力為38.86 MPa,材料的屈服強度為235 MPa，由制動塊分析結果知，不會出現結構破壞問題，制動塊設計較為合理。

(3) 主彈簧 當電力液壓推動器通電運行時，單獨作用彈簧力，在計算模型中施加該強迫位移，計算彈簧在靜力作用下的應力分布圖如圖9所示，主彈簧受力為550 MPa,遠小于材料屈服強度，其安全系數達到2.2，制動器主彈簧主要承受制動臂反作用力及制動塊推力，此時開閘制動臂應力圖如圖10所示，在要求之內，主彈簧設計符合要求。

圖9 彈簧應力圖 圖10 開閘時制動臂應力

5 結 論

以YWZB電力液壓塊式制動器為研究對象，對塊式制動器制動過程進行力學分析，根據設計目標和要求，提出制動器力能參數設計計算方法，包括電力液壓塊式制動器額定正壓力和制動器主彈簧計算及制動器主要零部件校核等，通過電力液壓塊式制動器算例計算校核，驗證力能設計方法的可行性。采用Pro/E軟件建立制動器三維模型，并利用有限元軟件對制動器零部件如制動臂、制動塊主彈簧等進行分析，有限元的仿真結果表明，此次設計的電力液壓塊式制動器能夠滿足強度要求。