一種剖分式制動盤的結構設計與仿真分析

江 波，方曉蕾，溫博倫

(1.皖北煤電集團 朱集西煤礦，安徽 淮南 232082；2.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著各類機械設備向大型化、自動化方向發展以及“以人為本”政策的深入執行，對設備安全可靠性的要求也變得越來越高，所以安全制動器已經成為各類機械設備中不可或缺的裝置。液壓技術的發展促使盤式制動器的應用越來越廣泛，但如今制動盤普遍存在制造成本高、安裝拆卸麻煩等缺陷，為此，設計出一種剖分式制動盤以實現方便配件安裝更換的目的。文獻[1]基于有限元理論，采用ANSYS軟件建立盤式制動器三維模型，并對其進行有限元仿真，得到制動盤應力應變云圖，通過分析結果對制動盤的結構進行了進一步的優化。文獻[2]以轎車定鉗盤式制動器為研究對象，通過Hyper-Mesh和ANSYS軟件對盤式制動器鉗體與制動盤進行了強度和模態分析，從而驗證了制動盤和鉗體滿足設計要求。文獻[3]運用ANSYS有限元分析軟件，對在120 km/h工作條件下的地鐵車輛用制動盤在緊急制動工況下的表面溫度和應力場分布情況進行了仿真分析。本文基于制動盤安全性的問題，設計了一種剖分式制動盤，根據卷筒裝置中制動盤的設計尺寸在SolidWorks軟件中建立模型，利用ANSYS Workbench對其進行有限元仿真分析，得到在特定條件下制動盤所受的最大應力和最大變形量，并與所用材料的特性進行對比校核。

1 卷筒裝置結構組成及剖分式制動盤

1.1 卷筒裝置結構組成

卷筒裝置基本結構示意圖如圖1所示。裝置中制動盤通過螺栓等與滾筒相連，制動盤安裝于軸承座與滾筒之間。安裝時，首先將制動盤與滾筒通過螺栓連接，再把軸承座安裝于底座上。但在拆卸或更換制動盤時過于麻煩，需要按順序將滾筒、軸承座等部件依次拆解，費時費力，影響工作效率。

1.2 剖分式制動盤結構設計

為解決一般制動盤所存在的問題，設計了一種剖分式制動盤。該制動盤將圓盤盤體分為兩個完全一致的半盤，兩個半盤通過定位銷連接，之后再加工定位止口，通過連接螺栓將盤體與滾筒固定連接。剖分式制動盤結構如圖2所示。

1-軸承座；2-盤式制動器；3-滾筒裝置；4-底座；5-電機；6-制動盤頭；7-制動盤；8-軸承座

只要將連接螺栓拆下，通過起盤螺栓孔把盤體外定位止口從滾筒內定位止口中退出，并且在起盤螺栓孔上裝入吊環即可完成拆卸，解決了一般制動裝置存在的制造成本高、拆裝困難的缺陷。

2 剖分式制動盤三維模型的建立

本文所設計剖分式制動盤為解決普通制動盤所存在的拆裝困難、制造費用高等問題，將整個制動盤盤體設計成為兩個部分，并通過定位銷連接，這樣不但可以實現拆裝、更換配件方便，也能滿足制動性能的需求。根據制動盤二維圖紙尺寸要求，在SolidWorks軟件中建立的三維模型如圖3所示。在制動盤盤面上有直徑為20 mm的定位、連接孔，會影響最終仿真結果，因此在仿真過程中對模型孔特征予以保留。

1-半盤A；2-定位銷；3-半盤B；4-連接螺栓；5-起盤螺栓孔；6-定位止口

圖3 制動盤三維模型

3 剖分式制動盤有限元分析的前處理

3.1 三維模型的簡化與導入

為降低計算的工作量，優化仿真進程，首先要對零件模型進行簡化。編輯零件去除模型相關倒角，僅保留重要特征。將簡化后的制動盤三維模型另存為Parasolid(*.x_t)格式文件，導入ANSYS Workbench軟件Static Structural(靜力學分析模塊)中，并設置單位為(mm,kg,N,mV,mA)。

3.2 添加材料屬性

剖分式制動盤所選材料為結構鋼，在靜力學分析模塊中為導入后對象賦予結構鋼材料屬性。結構鋼的材料特性參數見表1。

表1 結構鋼材料特性參數

3.3 網格劃分

在賦予研究對象材料屬性后，對制動盤進行網格劃分，由于制動盤盤體較大，需要考慮制動盤結構、仿真精度等因素，最終所劃分的網格單元共有43 662個、節點80 444個，網格劃分效果如圖4所示。

圖4 制動盤網格劃分 圖5 制動盤等效應力云圖

3.4 添加載荷和約束

由于制動盤轉速較高，所以需要對制動盤添加離心載荷。設制動盤制動時額定轉速為900 r/min。離心載荷計算公式為：

ω=neπ/30.

(1)

其中：ne為制動盤額定轉速；ω為制動盤的角速度。

式(1)中代入制動盤額定轉速后計算得到制動盤角速度為94.2 rad/s，添加至ANSYS載荷項目Inertial→rotational velocity中，完成旋轉慣量的設置。對和摩擦片所接觸的摩擦面分別施加0.8 MPa的載荷，完成制動盤外界載荷的添加。

為制動盤表面添加位移約束：對制動盤兩端面添加Z向約束，對摩擦片所接觸的摩擦面添加X、Y向約束，約束及載荷的添加及靜力學分析方法參照文獻[4，5]。

4 制動盤靜力學分析

約束施加完成后，開始對制動盤模型進行計算求解，得到制動盤等效應力云圖，如圖5所示。

由圖5可知：制動盤在制動過程中所承受的最大應力值為18.228 MPa；應力主要分布在制動盤和摩擦片所作用的摩擦面以及開孔處，沿中心及盤體邊緣方向應力均勻減小。求解出的制動盤最大應力18.228 MPa遠遠小于結構鋼材料屈服極限345 MPa，說明滿足制動盤強度設計要求。

經ANSYS求解器求解得到制動盤應變云圖、徑向位移云圖、周向位移云圖，如圖6～圖8所示。

由圖6可以看出:制動盤在載荷作用下最大應變為8.918 3×10-5，應變最大處仍位于制動盤和摩擦片所作用的摩擦面以及開孔處。由圖7和圖8可知：最大徑向位移為0.012 539 mm，最大周向位移為0.012 332 mm。周向位移要小于徑向位移，符合實際情況，且最大等效應力僅為18.228 MPa，故剖分式制動盤符合強度和剛度要求。

圖6 制動盤等效應變云圖 圖7 制動盤徑向位移云圖圖8 制動盤周向位移云圖

5 結語

針對目前制動盤普遍存在的制造成本高、拆裝困難等缺陷，設計了一種剖分式制動盤，通過改變盤體結構，實現制動裝置中各部件快捷拆裝更換的要求。

利用有限元法對制動盤模型進行有限仿真研究。結果表明：該制動盤制動過程中所承受的最大應力為18.228 MPa，遠小于制動盤材料的屈服極限，且最大變形量也可忽略不計，說明所設計的剖分式制動盤性能完全滿足強度和剛度的要求。