礦用工程車輛的制動器設計及虛擬驗證

李嘉燁 邵澤偉 李寧 張明潔 張繼祥 孫強倫

臺州學院 航空工程學院 浙江省臺州市 318000

1 前言

礦用工程車上的液壓制動裝置是保證工作人員生命財產安全的重要裝置，良好的裝置不僅需要能夠在礦山中惡劣的環境中保證良好的制動性，而且能夠提升礦車的工作效率。但是現有礦用工程車濕式制動器受到液壓力時摩擦片工作制動，當制動失效時傳動不失效，不能保證礦用工程車的安全性。

本文在現有礦用工程車濕式制動器基礎上，設計一種通過受壓安裝的彈簧結構以實現制動器不受液壓力時，摩擦片處于工作狀態制動，制動器受液壓力時，摩擦片分離不制動的濕式制動裝置。然后根據5t 工程車輛具體參數，給出了摩擦副的具體尺寸和結構圖，并對長時間受壓工作狀態的活塞和缸體進行了有限元分析。

2 總體設計方案

該制動器通過受壓安裝的彈簧結構以實現，靜止時通過活塞擠壓摩擦片與制動片實現制動效果，運行時液壓油注入抵消彈簧壓力使車輛運行。制動器的結構如圖1 所示。當車輛處于靜止駐動狀態下時，受壓安裝彈簧14 提供彈力及制動壓力，壓緊制動片17和摩擦片16 產生制動需要的摩擦力。當車輛需要運行時，液壓油液由缸體21 上的油塞3所在的入口進入缸體21 內，液壓油產生壓力與彈簧14 產生的彈力相抵消，摩擦片16 和制動片17 分離不產生摩擦力，車輛能夠平穩運行。車輛運行時遭遇緊急情況，如油液泄露，則液壓油提供壓力不能和彈簧14 所抵消，彈簧14 自動產生壓力，壓緊摩擦片16 和制動片17 產生制動所需的摩擦力，車輛能自動制動。

圖1 制動結構圖

該制動器有如下優勢：①當車輛緊急制動時，彈簧自動產生壓力，壓緊摩擦片和制動片，車輛自動制動；②采用封閉的制動結構解決了礦場復雜環境中的干擾，同時多片式的設計能夠提供良好的散熱；③利用液壓油及制動彈簧的配合，在不工作時彈簧提供常駐的制動壓力，解決了舊式干式制動器在礦業等惡劣環境下造成的過熱失效問題，可以很好的滿足礦用工程車的需要。

3 摩擦副設計

摩擦副設計是制動器設計的重要部分，高性能有效的齒輪結構能夠保證制動器制動效果的穩定。

3.1 制動片設計

根據5t 工程車輛傳動軸尺寸，制動片參數如表1 所示，結構圖如圖2 所示。

表1 制動片齒輪參數表

圖2 制動片

3.2 摩擦片設計

摩擦片是決定制動器制動效果的重要部件，摩擦片的制動效果取決于它所產生的摩擦力。摩擦力的大小則取決于摩擦片的材料和結構設計。

摩擦片的材料選用為紙基材質，紙基摩擦片的摩擦系數穩定，高溫摩擦系數衰退非常小，耐燒蝕，耐摩擦性能好，熱恢復性能好。

摩擦片的結構為摩擦片開槽的結構，一般有徑向槽、傾斜槽、連通槽、方格槽，如圖3 所示。

圖3 摩擦片開槽結構

不同的開槽結構對制動器的散熱效率造成不同的影響。在同種初始情況下測試，起始油液測試溫度都為27℃。在若干次實驗后取得平均數值如表2 所示。

表2 油槽油液溫度表

由此可以看出不同的油槽結構對于散熱的不同影響。徑向槽和傾斜槽的油槽出口溫度都較低，說明對于制動器的冷卻效果較好，但也反映出其制動效果一般，熱交換律低。方格槽的入口溫度低，出口溫度較高，說明方格槽產生的熱量較多，熱交換效率較高，能夠產生更高效的制動效果。連通槽雖然產生較高的摩擦熱量，但是最高的出入口溫度容易造成制動器的過熱疲勞損耗，不適宜選用。

綜合以上，選用方格槽作為摩擦片的油槽結構。設計的摩擦片結構圖如圖4 所示，與5t 工程車輛傳動軸尺寸匹配的摩擦片齒輪參數如表3 所示。

表3 摩擦片齒輪參數

圖4 摩擦片

3.3 缸體部分設計

滿足輪轂制動片尺寸的缸體齒輪參數如表4 所示，結構如圖5 所示。

表4 缸體齒輪參數表

圖5 缸體

3.4 輪轂部分設計

輪轂部分齒輪參數根據摩擦片的尺寸設計，具體參數如表5 所示，結構圖如圖6所示。

表5 輪轂齒輪參數表

圖6 輪轂

4 有限元驗證

在制動器的運行過程之中，部分零件處于長時間受壓工作狀態，需要對其進行有限元的分析來保障其運行狀態下的穩定性。下面對活塞進行有限元分析。

4.1 三維實體模型和材料

活塞采用QT-300 鑄鐵， 內直徑為0.2m；外直徑前端為0.247m；外直徑末端為0.233m，厚度為0.025m。通過SolidWorks軟件3D 建模，對活塞零件進行有限元分析。具體參數如表6 所示。三維實體與網格模型如圖7 所示。

表6 活塞具體仿真參數

圖7 活塞三維實體與網格模型

4.2 分析結果云圖

根據荷載質量約為5t 的工程車輛，在活塞受彈簧壓力部分施加120000N 的壓力。分析后應力應變云圖如圖8所示。

圖8 活塞應力圖

4.3 應力結果

如圖可知，在零件上區域為與彈簧接觸平面的孔洞產生最大應力，約為7.44521×1 106/。這是由于此處為中空結構，容易造成集中應力。最大應力小于45 號鋼的屈服強度，最小應力約為 184.439/，活塞強度足夠，滿足使用需要。

5 總結

（1）本文設計了一種靜止時通過活塞擠壓摩擦片與制動片實現制動效果，運行時液壓油注入抵消彈簧壓力使車輛運行的礦用工程車輛濕式液壓制動裝置。

（2）針對5t 工程車輛，匹配了摩擦副的具體參數，并對處于長時間受壓工作狀態的活塞進行了有限元分析，通過驗證，其強度滿足需要。