貨車鼓式制動器組件接觸特性研究*

侯　艷，張　武

(1.西安鐵路職業技術學院 牽引動力系，陜西 西安 710014；2.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

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貨車鼓式制動器組件接觸特性研究*

侯艷1，張武2

(1.西安鐵路職業技術學院 牽引動力系，陜西 西安 710014；2.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

為研究貨車鼓式制動器的動作特點，建立了貨車鼓式制動器的三維模型，進行了鼓式制動器組件應力和位移分析。結果表明，制動鼓最大應力值為33.3MPa，制動鼓的最大位移為0.13mm，發生在制動鼓下部區域，位移量主要產生于下部，并且呈對稱分布；摩擦片的最大應力為71.0MPa，表現為左右摩擦片應力分布對稱，上下不對稱，最大位移量為0.27mm；2個制動蹄的最大應力為865kPa，應力和位移分布規律與摩擦片類似。為貨車鼓式制動器優化設計提供了基礎。

制動器；接觸；應力；位移

鼓式制動器也叫塊式制動器，其主要依靠制動塊壓緊制動鼓來完成制動。憑借制動力大小使車輪減速，或在最短的距離內停車，以確保車輛的行駛安全。

目前，國內外學者對鼓式制動器的研究有很多，王宏臣[1]基于熱力耦合原理，運用有限元軟件ABAQUS，建立了鼓式制動器制動熱模型，分析了無表面織構和3種不同表面織構的制動鼓的制動溫度場及應力場分布。崔功軍[2]建立了帶式輸送機鼓式制動器三維模型，進行了溫度場與應力場的耦合分析，研究了在不同制動速度和制動壓力下模型的應力應變與溫度分布變化。王吉忠[3]建立了該制動蹄的彈塑性有限元分析模型，并對制動氣壓提高前、后制動蹄的結構強度進行了計算和比較。史津竹[4]建立了鼓式制動器力學模型，并對制動器工作過程中凸輪軸等組件的力學特征做了描述。韓蕓芳[5]通過對鼓式制動器制動過程激振力頻率進行計算，對制動器結構進行改進，并將改進的結構分別進行有限元及試驗驗證，從而得到了一種抑制鼓式制動器振動噪聲的結構改進方法。

本文對某貨車鼓式制動器組件間接觸應力和位移進行了分析，可為鼓式制動器設計提供參考。

1　制動器模型建立

1.1制動器幾何模型建立

根據某貨車參數確定鼓式制動器幾何和力學參數，以SolidWorks軟件為平臺，建立鼓式制動器組件三維模型(見圖1和圖2)。

圖1　制動蹄和摩擦片　　圖2　鼓式制動器總裝配圖

1.2制動器接觸特性分析前處理

在ANSYS軟件環境下進行制動器接觸特性分析。制動鼓、制動蹄和摩擦片各零件材料屬性見表1。

表1　制動器各零件材料的物理參數

分別創建制動蹄銷孔的局部坐標系，并對銷孔內表面施加軸向位移約束，另外2個方向設置轉動方向約束；對制動鼓內表面也同樣施加軸向位移和另外2個方向的轉動約束；同時，對制動蹄蹄面施加壓力50MPa，設置制動鼓內表面為周向小位移；最后，完成制動器組件的自由網格劃分。

2　制動器組件彈性特性分析

2.1制動鼓應力與位移分析

制動鼓應力與位移云圖如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，制動鼓的最大應力值為33.3MPa，產生部位是內表面中間范圍，制動鼓應力區分布基本上是沿直徑分布的，且趨勢是對稱的；制動鼓的最大位移為0.13mm，發生在制動鼓的下部區域與制動蹄接觸的位置，這種分布表明了鼓式制動器制動鼓的底盤較易變形，位移量主要產生于下部，并且呈對稱分布，但是凸輪附近的位移量顯示更大一些，為了避免造成局部的大變形，影響到整個鼓式制動器的制動效果和使用壽命，在進行鼓式制動器制動鼓設計和改進時應予以考慮。

圖3　制動鼓應力分布云圖

圖4　制動鼓位移分布云圖

2.2摩擦片應力與位移分析

摩擦片應力與位移云圖如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，摩擦片的最大應力為71.0MPa，發生在下摩擦片的內側外邊，4個摩擦片為對稱結構，而應力分布左右呈對稱，上下不對稱，主要表現為上摩擦片應力較小，下摩擦片應力較為集中的狀況；最大位移量為0.27mm，發生在下摩擦片的最底端，摩擦片位移量的分布趨勢依然是左右呈對稱形式，自下而上為遞減趨勢。

圖5　摩擦片應力分布云圖

圖6　摩擦片位移分布云圖

2.3制動蹄應力與位移分析

制動蹄應力與位移云圖如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，2個制動蹄的最大應力為865kPa，發生在2個制動蹄的背部下側及底端部分，制動蹄內側及銷孔附近應力值較小；制動蹄的最大位移量發生在2個制動蹄的最下端，位移量分布趨勢為對稱分布，并且呈現出了自下而上的遞減趨勢，即越靠近銷孔位移量越小。

圖7　制動蹄應力分布云圖

圖8　制動蹄位移分布云圖

3　結語

本文建立了某貨車鼓式制動器的三維模型，并通過ANSYS軟件完成了鼓式制動器組件制動鼓、摩擦片和制動蹄的應力和位移分析。結果表明，制動鼓的最大應力值為33.3MPa，制動鼓的最大位移為0.13mm，發生在制動鼓的下部區域，這種分布表明了鼓式制動器制動鼓的底盤較易變形，位移量主要產生于下部并且呈對稱分布；摩擦片的最大應力為71.0MPa，表現為左右摩擦片應力分布對稱，上下不對稱，最大位移量為0.27mm，與最大應力分布情況類似，發生在下摩擦片的最底端；2個制動蹄的最大應力為865kPa，應力和位移分布規律與摩擦片類似。

[1] 王宏臣，黃銀花.表面織構對制動鼓制動熱的影響[J].機械設計與制造，2015(12)：142-146 .

[2] 崔功軍，盧磊，吳娟.鼓式制動器摩擦副熱力耦合分析[J].礦山機械，2015，43(4)：51-55.

[3] 王吉忠，王增文，楊志誠，等.鼓式制動器制動蹄的有限元分析[J].制造業自動化，2015，37(5)：106-108.

[4] 史津竹，張洪信，郝英杰，等.基于全接觸的鼓式制動器受力研究[J].青島大學學報：工程技術版，2014，29(4)：79-82.

[5] 韓蕓芳.基于改進結構理論下鼓式制動器振動噪聲抑制方法研究[J].機械傳動，2014， 38(12)：137-140.

*國家自然科學基金資助項目(51505373)

陜西省教育廳科研計劃項目(15JK1490)

責任編輯馬彤

ResearchonContactCharacteristicofTruckDrumBrakeAssembly

HOUYan1，ZHANGWu2

(1.DepartmentofRailwayPowerTraction,Xi’anRailwayVocationalandTechnicalCollege,Xi’an710014,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Tostudythemovementcharacteristicoftruckdrumbrake,athree-dimensionalmodelofthetruckdrumbrakeisestablished,thestressanddisplacementanalysisisassembled.Analysisresultsshowthatthebrakedrummaximumstressvalueis33.3MPa.Themaximumdisplacementofthebrakedrumis0.13mmoccuringinthelowerpartofthebrakedrum,thedisplacementismainlyproducedinthelowerandsymmetricaldistribution.Frictionplateofthemaximumstressfor71.0MPaandperformancefortheleftandrightfrictionstressdistributionissymmetrical,andthemaximumdisplacementis0.27mm.Twobrakeshoesshouldbe865kPa,andthestressdistributionanddisplacementwithfrictionissimilar.Thestudyoftruckdrumbrakeprovidesabasisfortheoptimizationdesign.

brake，contact，stress，displacement

U463.51

A

侯艷(1988 -)，女，碩士，助教，主要從事機電技術等方面的研究。

2016-01-24