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      動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

      2019-09-10 08:38:34楊亦錚
      鐵道機(jī)車車輛 2019年4期
      關(guān)鍵詞:制動(dòng)缸夾鉗吊架

      楊亦錚

      (1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081;2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司, 北京 100094)

      隨著列車提速及高速動(dòng)車組的大量運(yùn)用,保障列車安全的制動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要。制動(dòng)夾鉗作為制動(dòng)夾鉗單元的關(guān)鍵受力部件,用于將制動(dòng)夾鉗單元牢固可靠的吊裝到轉(zhuǎn)向架上,并將制動(dòng)缸的活塞推力,放大一定的倍數(shù),轉(zhuǎn)為閘片正壓力,從而確保動(dòng)車組在安全距離內(nèi)停車。

      制動(dòng)夾鉗各部件在運(yùn)用過程中,承受較大的外力作用。本文利用有限元軟件ANSYS,對(duì)制動(dòng)夾鉗各主要受力部件進(jìn)行強(qiáng)度分析,明確各主要受力部件的受力特點(diǎn),并通過對(duì)制動(dòng)夾鉗進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有效改善制動(dòng)夾鉗主要受力部件的受力工況。

      1 制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)介紹

      在動(dòng)車組上,大量采用3點(diǎn)吊掛制動(dòng)夾鉗單元,制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1~圖3所示。

      圖1 制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)示意

      圖2 制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意圖

      圖3 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

      制動(dòng)夾鉗單元由制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)缸組成。制動(dòng)夾鉗通過吊銷和吊桿螺栓連接到轉(zhuǎn)向架上。制動(dòng)夾鉗主要受力部件包括制動(dòng)杠桿、吊架及制動(dòng)杠桿螺栓等部件。

      制動(dòng)杠桿螺栓為制動(dòng)夾鉗的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),制動(dòng)缸的活塞推力,通過制動(dòng)杠桿放大一定的倍數(shù)后,轉(zhuǎn)化為閘片正壓力,產(chǎn)生制動(dòng)作用。

      吊架是制動(dòng)夾鉗與轉(zhuǎn)向架的連接部件,其自身的強(qiáng)度,對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的安全性尤為關(guān)鍵。制動(dòng)杠桿螺栓作為制動(dòng)杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),在運(yùn)用中承受較大的應(yīng)力。

      2 制動(dòng)夾鉗的受力分析

      以動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗單元運(yùn)用為例,考慮制動(dòng)夾鉗單元最大使用壓力為600 kPa,制動(dòng)杠桿的倍率為1.6,制動(dòng)缸活塞面積為323.7 cm2,閘片與制動(dòng)盤摩擦系數(shù)0.35,制動(dòng)缸固定螺栓處的活塞推力為:

      F活=(600 kPa×323.7/10-1 500)×0.98=

      17 563 (N)

      式中:1 500 N為制動(dòng)缸的復(fù)原力;0.98為制動(dòng)缸各零部件的傳動(dòng)效率。

      3 約束方式對(duì)制動(dòng)夾鉗強(qiáng)度影響

      3.1 原結(jié)構(gòu)制動(dòng)杠桿螺栓受力分析

      制動(dòng)夾鉗是動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)主要受力部件。在制動(dòng)過程中,制動(dòng)杠桿以制動(dòng)杠桿螺栓為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn),將制動(dòng)缸的活塞推力放大一定的倍率,轉(zhuǎn)化為閘片正壓力,產(chǎn)生制動(dòng)作用。

      由圖3可知,制動(dòng)杠桿螺栓為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),在制動(dòng)時(shí),制動(dòng)夾鉗通過吊架和吊桿固定到動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架上,制動(dòng)杠桿繞制動(dòng)杠桿螺栓轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生制動(dòng)作用。因此簡(jiǎn)化制動(dòng)杠桿螺栓的受力模型見圖4所示。

      圖4 制動(dòng)杠桿螺栓受力模型簡(jiǎn)化

      由彎矩平衡可知:FAy=FBy=F1;

      由靜力平衡方程計(jì)算可得圖4所示的剪力圖和彎矩圖見圖5所示。

      圖5 彎矩圖和剪力圖

      3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及受力分析

      更改約束點(diǎn)的位置,將約束點(diǎn)A、B的位置往中間移,將力F1作用到約束點(diǎn)的外側(cè),受力模型見圖6所示。

      由彎矩平衡可知:FAy=FBy=F1;

      由靜力平衡方程計(jì)算可得圖6所示的剪力圖和彎矩圖見圖7所示。

      圖6 受力模型

      圖7 剪力圖和彎矩圖

      結(jié)合制動(dòng)夾鉗模型(圖3)、剪力圖(圖5和圖7)可以看出,在相同的制動(dòng)缸活塞推力下,制動(dòng)夾鉗的最大彎矩位置,由圖4作用力F1處移動(dòng)到了圖5所示支點(diǎn)A處,約束點(diǎn)的變化對(duì)制動(dòng)夾鉗受力的影響有以下兩點(diǎn):

      (1)通過優(yōu)化模型,可以使彎矩最大位置處,由制動(dòng)杠桿處變?yōu)榈跫苌?,?yōu)化整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力工況。

      (2)改善制動(dòng)夾鉗整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度,減小整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。

      4 制動(dòng)夾鉗強(qiáng)度分析

      4.1 原制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

      (1) 模型建立

      依據(jù)制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)尺寸,建立制動(dòng)夾鉗主要受力部件的三維模型及有限元模型,見圖8和圖9所示。

      圖8 制動(dòng)夾鉗主要受力部件三維模型

      圖9 制動(dòng)夾鉗主要受力部件有限元模型

      (2)制動(dòng)夾鉗主要受力部件材料

      表1 材料的機(jī)械性能

      (3) 載荷及約束施加

      ①在吊架與轉(zhuǎn)向架安裝孔內(nèi)施加全約束;

      ②制動(dòng)杠桿與制動(dòng)缸連接孔內(nèi)施加活塞桿推力17 563 N;

      ③在制動(dòng)杠桿與閘片托的配合孔內(nèi)施加水平約束。

      載荷及約束施加示意圖見圖10。

      圖10 載荷及約束示意圖

      (4) 結(jié)果分析

      通過計(jì)算分析,制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的最大應(yīng)力見表2。

      表2 吊桿約束A處的支反力以及吊桿的最大應(yīng)力

      制動(dòng)杠桿螺栓的最大變形量為0.42 mm。

      制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的應(yīng)力云圖見圖11~圖14所示。

      圖11 制動(dòng)杠桿應(yīng)力云圖

      圖12 吊架應(yīng)力云圖

      圖13 制動(dòng)杠桿螺栓應(yīng)力云圖

      圖14 制動(dòng)杠桿螺栓位移圖

      4.2 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強(qiáng)度分析

      根據(jù)文中第3節(jié)受力分析結(jié)果,對(duì)制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,制動(dòng)杠桿螺栓結(jié)構(gòu)不變,制動(dòng)杠桿和吊架的厚度不變,改變吊架與制動(dòng)杠桿螺栓的配合位置(即改變支點(diǎn)的位置)。優(yōu)化后制動(dòng)夾鉗三維模型和有限元模型見圖15、圖16所示。

      圖15 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化三維模型

      圖16 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)又換有限元模型

      (1) 主要受力部件材料

      制動(dòng)夾鉗主要受力部件的材料見表1。

      (2) 載荷及約束施加

      載荷及約束施加按第4.1(3)節(jié)執(zhí)行。載荷及約束施加示意圖見圖17。

      圖17 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化后載荷及約束施加示意圖

      (3) 結(jié)果分析

      通過計(jì)算分析,制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的最大應(yīng)力見表3。

      表2 吊桿約束A處的支反力以及吊桿的最大應(yīng)力

      制動(dòng)杠桿螺栓的最大變形量為0.34 mm。

      制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的應(yīng)力云圖見圖18~圖21所示。

      圖18 制動(dòng)杠桿應(yīng)力云圖

      圖19 吊架應(yīng)力云圖

      圖20 制動(dòng)杠桿螺栓應(yīng)力云圖

      圖21 制動(dòng)杠桿螺栓位移圖

      5 結(jié) 論

      由計(jì)算結(jié)果可以看出,通過優(yōu)化制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu),能夠有效的改善制動(dòng)夾鉗的受力,改進(jìn)結(jié)果如下:

      (1)通過優(yōu)化制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu),在相同的工況下,可以使吊架的最大應(yīng)力由96.4 MPa降低到72.4 MPa,降低21.6%;相同工況下制動(dòng)杠桿螺栓的最大應(yīng)力由110.7 MPa降低到89.2 MPa,降低19.4%。

      (2)改善制動(dòng)夾鉗整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度,相同工況下制動(dòng)杠桿螺栓的最大位移由0.42 mm降低到0.34 mm,最大位移降低19%,并且能夠有效的降低制動(dòng)杠桿螺栓主要受力部位的變形。

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