拖纜機帶式剎車銷孔拉板設計

徐錫鋒，張勇勇，許有良

拖纜機帶式剎車銷孔拉板設計

徐錫鋒，張勇勇，許有良

針對拖纜機銷孔拉板設計方法效率低、誤差大的問題，分析2種計算銷孔拉板危險截面應力的方法及其局限性，分析銷孔拉板的載荷和約束，建立與實際精確吻合的仿真模型；分析銷孔拉板板寬、內孔直徑及偏心距之間的合理尺寸配置關系，實現銷孔拉板的快速合理設計。

銷孔拉板；彈性曲梁；應力集中系數；厚壁筒

拖纜機機架與帶式剎車之間通過銷軸傳感器將剎車緊邊拉板采用基孔制的小間隙配合，其承受載荷大且應力分布復雜。銷軸連接結構簡單、拆卸方便、承載能力大，廣泛應用于各種金屬結構中。銷孔拉板常用的研究方法包括光彈性法[1]、貼應變片、彈性理論計算及有限元法等。以往的研究側重于銷孔拉板應力的計算方法、應力分布、破壞機理。德國DIN18800中只給出拉板最大厚度和最大孔徑的計算公式，缺乏相應支撐說明。本文以銷孔拉板尺寸之間的配置關系為研究點，以期為銷孔拉板結構的快速合理設計找到思路。

1 銷孔拉板的結構形式

帶式剎車的拉板屬于銷孔拉板，依據銷孔拉板內孔和外圓是否同心分為兩種結構型式，見圖1。在豎向拉力Q作用下，銷孔拉板的水平A-A截面和豎直B-B截面被認為是危險截面。

2 銷孔拉板兩種計算方法的分析

現行關于銷孔拉板危險截面應力的計算方法主要有兩種。

方法一是利用彈性曲梁計算公式對銷孔拉板危險截面應力作精確計算，圖2所示為無偏心距的銷孔拉板計算簡圖。

圖2中，A-A截面的最大應力計算如下。

圖2中，B-B截面的最大應力計算如下。

由圖2及危險截面計算公式可知，該計算公式僅用于銷孔無偏心距的拉板結構，且銷孔拉板水平A-A截面內側孔邊應力最大，銷孔拉板豎直B-B截面外側孔邊應力最大。

方法二是采用近似模型簡化對危險截面應力的計算[2-3]，圖3所示為有偏心距的銷孔拉板計算簡圖。

圖3中，A-A截面孔邊內側最大應力計算如下。

式中：αj為應力集中系數。

圖3中，B-B截面孔邊內側最大應力計算如下。

圖3中，A-A截面的計算采用帶中心圓孔的有限寬板的拉伸模型，考慮了受拉板孔邊的應力集中系數，計算公式簡單明了。帶中心圓孔的有限寬板模型適用于板兩端均勻受拉且載荷遠離中心孔的結構，而銷孔拉板內孔的豎向拉力Q直接作用于中心孔，會導致A-A截面局部的載荷分布情況與簡化模型存在差別。

圖3中，B-B截面的計算采用厚壁筒模型,給出了銷孔有偏心距的拉板結構在豎直B-B截面銷孔拉板內孔內側最大拉應力的計算公式。厚壁筒模型適用于內孔均勻受壓的結構，而銷孔拉板內孔在豎向拉力Q作用下的內孔受壓并非均勻分布，會導致B-B截面局部的載荷分布情況與簡化模型存在差別。

上述兩種計算方法均有局限性，第一種計算方法的適用范圍受限；第二種計算方法的計算結果的準確性不足。

3 銷孔拉板合理尺寸配置關系的研究

隨著計算機仿真分析技術的快速進步，使得對銷孔拉板這一類結構的快速準確模擬變得非常容易。本文利用仿真軟件Workbench盡量真實地去模擬銷孔拉板的實際載荷和約束狀況。以某板厚為δ=30 mm，板寬B=240 mm，受到軸向拉伸載荷為200 kN的拉板為研究對象，研究孔徑d及偏心距e與拉板板寬B的關系，總結板寬B、孔徑d及偏心距e合理的尺寸配比，實現簡單、快速、合理地設計出拉板結構。圖4為拉板的載荷和約束簡圖。

約束。建立銷軸模型，銷軸與拉板孔采用無摩擦接觸，拉板底板固定約束。

載荷。在銷軸中心設置一圓柱小孔，以軸承載荷型式施加于銷軸圓柱孔。

圖5為名義應力集中系數與B/d的關系曲線。

由圖5可知，B/e的不同取值，對應的曲線具有相同的變化規律。B/d在2～3之間的名義應力集中系數均較小，B/d<2或B/d>3時的名義應力集中系數迅速增加，B/d=2.4為所有曲線極值點的橫坐標。因此，算例中銷孔拉板合理的板寬/內徑為：2≤B/d≤3，最優值B/d=2.4。

當確定了B/d在2～3之間后，隨著偏心距的增大，名義應力集中系數呈減小趨勢。圖6為名義應力集中系數與e/B的關系曲線。

由圖6可見，隨著e/B的增大，曲線斜率快速減小并趨于零。考慮到斜率變化趨勢并結合工程設計經驗，建議銷孔拉板的偏心距/板寬滿足0.1≤e/B≤0.2。

4 結論

本文利用有限元軟件模擬銷孔拉板受力的有限元模型，計算不同銷孔直徑d、不同銷孔偏心距e下的銷孔拉板應力。為直觀地顯示銷孔拉板各尺寸間的內在關系，文中引入名義應力集中系數，繪制出相應曲線。結果表明，板寬/內徑、偏心

距/板寬在一定范圍時，銷孔拉板結構比較合理。

本文以仿真軟件為手段進行了研究，計算結果缺乏試驗數據的支撐。但本文所采用的研究方法和研究思路能為銷孔拉板結構設計提供參考。

研究出銷孔拉板各尺寸間合理的配置關系，將極大地方便工程技術人員直接選取合適的銷孔拉板，縮短設計時間，減輕設計計算工作量，具有重要工程意義。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2] 張質文,王金諾.起重機設計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[4] 穆玉航.起重機銷孔與拉板連接的非線性力學行為研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2013.

(武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢 430084)

Design of the Pin Hole Plate of Belt Type Brake for Towing Machine

XU Xi-feng, ZHANG Yong-yong, XU You-liang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

For problems of the design efficiency of towing pin-hole plate is low with great error, two kinds of stress calculation methods for the pin-hole plate and their limitations were analyzed. The loadings and constraint of the pin-hole plate were investigated. A simulation model of the pin-hole plate was established according to the actual situation. By analyzing the reasonable configuration relationship between width, diameter of bore and eccentricity of the pin-hole plate, the rapid and reasonable structure design was realized.

pin-hole plate; elastic curved beam; stress concentration factor; thick walled tube

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.016

2016-08-23

工業和信息化部項目(工信部聯裝[2014]508號)

徐錫鋒(1987—)，男，碩士，助理工程師研究方向:機械結構、設計

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0066-03

修回日期：2016-08-30