輪邊制動器制動的有限元分析

許琦

（中國鐵路南昌局集團有限公司科學技術研究所，江西 南昌 330002）

隨著鐵路運輸的日益繁忙，各站場貨物裝卸作業量也不斷增加，龍門吊在站場貨物運輸中起了極為重要的作用，龍門吊的作業安全也成為各站場關注的主要安全問題。日常作業時遇制動不及時，移動作業中，若無法及時制動，停止運動，極易發生重大事故。為防止發生吊機顛覆或脫軌的重大事故，龍門吊的制動問題已成為貨場裝卸作業中的重大安全隱患。制動器的性能直接關系到行車安全。本文基于輪邊制動器建立了3D模型，利用有限元分析軟件，用計算機進行受力變形和應力校核。為輪邊制動器應用提供依據。

1 主要技術參數

制動開始到完全制動的過程中，制動襯墊與車輪側壁接觸，隨著力的加大完全貼合至無相對滑動，假設二者間靜摩擦阻力為F1，此摩擦力產生輪邊制動器制動力矩Me；隨之，車輪與輪軌間的摩擦狀態由滾動摩擦變為滑動摩擦，假設二者間的摩擦力為F3，此摩擦力產生車輪打滑力矩Ms；二力矩關系為Me≥Ms，如圖1為輪邊制動器。

圖1 輪邊制動器

如圖2所示，車輪除受兩個摩擦力外，還承受輪壓力P以及軌道對其的支反力，假設為F2。

圖2 受力分析圖

制動時，存在如下關系式：

式中，Ms：車輪打滑力矩，N·m；Me：輪邊制動器額定制動力矩，N·m；P：平均輪壓或最大輪壓，N；ψ：一般取1；μ：車輪與軌道間的摩擦系數，一般取0．12。

單輪承受重力15T，輪直徑D=0．8m。剎住車達到平衡狀態時，Me=Ms，此時車輪受力最大，計算此時車輪的應力和變形情況。

此時車輪所受摩擦力：

F3=Pμ=15000×9．8×0．12=17640N。

根據Me=Ms，有F3R3=F1R1，R1與R3近似相等，因此，近似地有F1=F3=17640N。

2 車輪有限元分析

以此狀態為有限元分析的受力狀態，對車輪進行分析。使用ANSYS Workbench分析軟件進行分析。

2.1 建立有限元模型

將proe建好的三維模型另存為三維通用格式．stp。在ANSYS Workbench里新建一個Static Structural的分析，將三維模型導入。

制動時，制動襯墊與車輪接觸面積為二者貼合時重合的面域，因此，需要對模型進行處理，劃分出貼合時的面域，以便在此面域上加載摩擦力。

進入Workbench的DM模塊，使用表面印記功能，在車輪上制動襯墊的相應位置建立表面印記，如圖3所示。

圖3 車輪上制動襯墊表面印記

類似地，在車輪與軌道接觸部位，建立一個塊區域，以便施加軌道對車輪的支反力。使用Workbench的Projection功能（可在圓弧等非平面表面添加表面印記功能），在車輪相應位置添加映射表面區域。

建好所需的區域后，進行網格劃分。進入Model模塊，定義網格大小為10mm，進行網格劃分，得到有限元模型。

2.2 材料定義

車輪材料為普通鋼材，定義其材料屬性。進入Engineering Data模塊，Workbench默認的材料為Structural steel，察看其材料特性。

由上圖，系統默認的材料Structural steel彈性模量為2E11Pa，泊松比為0．3，使用此默認設置作為材料屬性。

根據以上分析，在ANSYS里添加邊界條件如圖4。

圖4 邊界條件與載荷

其中，D處添加固定約束，A處施加豎直向上的力8820N，B處施加水平向左的力8820N，相同位置C處施加導軌對車輪的反作用力15000N。

2.3 計算結果

以上設置即完成前處理工作，進入后處理運算。

車輪在最大受力情況下的應力和變形情況是我們所關心的問題，設置計算其應力和變形量，設置完后提交運算，得到計算結果。

查看車輪的應力云圖，如圖5和圖6所示。

圖5 應力云圖 （a）

圖6 應力云圖（b）

由應力云圖知，在此工況下，車輪90%以上區域應力低于15MPa，最大應力出現在車輪與導軌接觸處，為150．71MPa；此區域應力在70～90MPa左右分布。

根據此計算結果，結合普通鋼材的屈服極限（如Q235屈服極限為235MPa）知，制動時車輪強度滿足要求。

下面看車輪的變形情況，察看其變形云圖。

圖7 車輪變形云圖

圖7 為其變形云圖。由圖知，車輪最大變形量為0．0298mm，變形量很小，最大變形位置仍然出現在車輪與導軌接觸位置。

由此可見，制動器制動后車輪的應力和變形滿足要求，未對車輪造成損傷。

3 制動連桿的有限元分析

3.1 制動連桿工作原理力學分析

制動過程中，制動襯墊的力來自于制動連桿。如圖8所示，制動連桿在液壓油缸的驅動下，繞著其旋轉中心軸轉動，對制動臂產生一個作用力，通過制動瓦傳遞到制動襯墊，對制動襯墊施加了一個擠壓力，使制動襯墊與車輪接觸產生摩擦力，并隨著擠壓力的增大，摩擦力增大，最終使車輪停止轉動。

圖8 制動連桿工作原理示意圖

根據以上分析，對制動連桿進行有限元分析，分析其在工作過程中的強度和剛度問題。

3.2 建立有限元模型

類似于車輪，將制動連桿三維模型導入有限元軟件。對導入的模型進行網格劃分，采用六面體網格，網格大小5mm，得到網格，從而得到有限元模型。

3.3 材料定義

制動連桿同樣采用普通鋼材，使用系統默認的材料Structural steel設置，即彈性模量為2E11Pa，泊松比為0．3，作為其材料屬性。

3.4 邊界條件與約束設置

據分析，設置制動連桿的邊界條件，如圖9所示。其中，A處固定5個自由度，釋放其沿孔轉動自由度；C處采用固定約束；B處施加大小為25kN的力（最大夾緊力50kN，由兩個制動桿共同承擔，取其中一個為一半）。

圖9 制動連桿邊界條件

3.5 分析結果

設置好上述所有前處理所需參數后進入后處理，設置關心的應力和變形結果，提交運算，得到運算結果。如圖10所示為其應力云圖。由圖知，在最大夾緊力的情況下，制動連桿上90%區域應力集中在0～120MPa；極小部分區域應力超過120MPa，位于圖示紅色區域，但未超過157MPa。根據其材料特性，連桿強度滿足要求。

圖10 制動連桿應力云圖（A）

圖11 為其變形云圖。由圖知其最大變形量為0．426mm，變形量較小，剛度較好，滿足使用要求。

圖11 制動連桿變形云圖（B）

4 結語

本文根據3D建模受力有限元分析的要求，我們認真分析各個軟件的性能區別，選用較為適合的軟件進行建模和有限元分析。首先我們在pro/E中建立制動器的幾何模型，并將模型導入到ANSYS有限元分析軟件中，進行網格劃分并加約束，對制動關鍵部件進行接觸面受力分析，研究應力分布和受力情況。通過分析在施加制動力后，車輪和制動器主要部件的應力和變形均符合要求。為該制度器的應用提供了有力支持。