基于ANSYS的岸橋盤式制動器可靠性研究

摘" 要：為研究海港岸橋主起升環節的液壓盤式制動器在工作過程中受到制動力的應力應變狀況以及力學性能，首先建立盤式制動器的三維模型，然后根據有限元原理，運用有限元分析軟件ANSYS Workbench對其進行靜應力分析，得到制動器主要零部件應力、變形情況和應力、變形云圖以及其主要部件的應力大小，并對出現應力集中的地方進行優化改進。同時提出增大制動臂底處連軸半徑的方法，將原來的連軸半徑由30 mm增大到35 mm并對其進行同條件下分析驗證，為此盤式制動器的優化設計及動力學分析提供理論基礎。通過模態分析，得出其前6階固有頻率和振型，通過計算分析得到結果驗證該制動器在制動過程中不會發生共振，結構安全可靠，能滿足實際工作要求。

關鍵詞：岸橋；液壓盤式制動器；有限元分析；模態分析；靜應力分析

中圖分類號：U463.512" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0001-05

Abstract： In order to study the stress， strain and mechanical properties of the hydraulic disc brake of the main hoisting link of the quayside crane， the three-dimensional model of the disc brake is established first; then， according to the finite element principle， the static stress of the disc brake is analyzed using the finite element analysis software ANSYS Workbench， and the stress， deformation cloud diagram and the stress of the main parts of the brake are obtained; this paper also optimizes and improves the place where the stress concentration occurs. At the same time， the method of increasing the connecting shaft radius at the bottom of the brake arm is proposed， and the original connecting shaft radius is increased to 30 mm to 35 mm; it is analyzed and verified in the same conditions， which provides a theoretical basis for the optimal design and dynamic analysis of the disc brake. Through modal analysis， the first six natural frequencies and vibration modes are obtained. The results show that the brake will not resonate in the braking process， and the structure is safe and reliable， thereby can meet the requirements of practical work.

Keywords： quayside crane; hydraulic disc brake; finite element analysis; modal analysis; static stress analysis

本文以連云港港61t-55m特定型號岸橋中的液壓盤式制動器為對象進行仿真分析，用Soildworks軟件進行建模，ANSYS軟件對模型進行靜力學分析和模態分析，其在靜力學分析中得到制動器和關鍵零部件的應力、位移分布情況，并對應力集中的地方進行了改進；在模態分析中求解出前6階模態情況、固有模態振型。結果表明制動器強度安全裕量較為充足，個別地方形變較大，同時對于改進的效果位移量與應力值都有所減小，為盤式制動器的進一步研究提供了重要的參考[1]。

1" 制動器的結構

岸橋有四大驅動機構：主起升機構、前大梁俯仰機構、大車行走機構、小車牽引環節，本文選取了主起升環節的液壓盤式制動器。

盤式制動器是通過制動將機械能轉換成熱能的一種裝置，其制動工作原理如下：制動液壓缸輸出力經傳動臂和連桿作用到制動臂上，一對制動臂相對緩慢運動，靠近中間的制動盤，制動瓦與制動盤接觸摩擦，實施停車制動。放松制動液壓缸，泵內的回位彈簧將柱塞推回原位，油路中的壓力迅速降低，液壓缸帶動摩擦片恢復到原位，從而停止制動[2]。由于制動力矩較大，制動器零部件較為復雜，可能會出現大的形變和應力，為確保制動器作業安全有必要對其進行有限元分析[3]。

選取的制動器型號：YP-4500-900×30、制動盤直徑900 mm、最大制動力矩15 000～33 600 nm、整機重量410 kg、每側瓦塊退距在0.7～1.3 mm；推動器型號Ed4500-80、功率1 100 W、額定電流2.8 A、重量45 kg。在Soildworks中建立三維縮尺模型，然后進行模型簡化如圖1所示，目的是使后續的有限元仿真中能夠精確地劃分模型網格[4]。

2" 制動器有限元模型的建立

2.1" 制動器的有限元網格劃分

制動器的金屬結構材料為Q345B鋼，其材料性能如下：密度ρ=7 800 kg/m3；泊松比P=0.3；彈性模量E=2.1×105 MPa；摩擦襯塊的金屬結構材料為復合材料，其材料性能如下：密度ρ=2 206 kg/m3；泊松比P=0.29；彈性模量：E=1.5×105 MPa[5]。通過密度調整的方法將其他結構的重量平均到各個單元中，其密度調節公式為

ρ模型=ρ×（M實際-m）/（M模式-m） ， （1）

式中：ρ模型為模型的設置密度，M實際為制動器金屬結構總質量，m為單元總質量，M模式為有限元模型總質量[6]。

基于ANSYS有限元仿真軟件，采用六面體網格劃分單元如圖2所示，其中對不同的構件進行網格調整。從圖可以觀察到，關節的構件部位往往網格劃分得更為密集。

2.2" 邊界條件的設置

根據制動器在實際工作環境中的運動情況及受力特點，其中制動器的制動力矩可用下列公式表達[7]

式中：Fi為制動瓦作用于制動盤上的制動力，單位N；μi為制動盤與制動瓦之間的摩擦系數；rm為制動盤摩擦半徑，單位m；n為制動瓦的個數。

式中對象參數為：Fi=141 975 N，μi=0.36，rm=0.45 m，n=1，代入得M=23 000 N·m。

制動時通過液壓油推動活塞，再推動摩擦塊壓向制動盤，因此約束住活塞的3個旋轉自由度和X、Z方向的平動自由度；制動塊的3個旋轉自由度和Y、Z方向的平動自由度。約束底座的X、Y、Z的3個平動自由度和X、Y、Z的旋轉自由度，使底座完全固定[8]。

3" 靜力學分析

3.1" 仿真結果與分析

通過對液壓盤式制動器施加約束、對網格進行劃分、對底座進行全約束固定，在荷載作用下，對制動進行有限元分析，研究制動器整體和部分構件的位移和應力云圖，如圖3-6所示，其中圖3、圖4分別是整個制動器的位移和應力云圖。

由圖3可知，制動器連桿與傳動臂連接處變形最大，最大值為3.13 mm，越靠近底座變形越??；從圖4可以看出，制動器的最大應力值為455 MPa，主要出現在制動器構件的連接處，后續對其進行優化時，需要對此加以處理；圖5中看出，制動臂的形變量在0～3.13 mm范圍內，制動臂的變形和應力最大值均出現在構件連接處。

3.2" 制動器的優化設計

通過仿真發現制動臂底處連軸處出現應力集中，基于此本文采用增大連軸半徑來進行優化設計。

并在相同條件下，將原來的連軸半徑由30 mm增大到35 mm，得到的位移應力結果如圖7、圖8所示。

4" 模態分析

4.1" 理論基礎

模態分析是結構設計及設備故障診斷的重要方法，展現的是機械裝置的固有頻率和振型狀態。一般的，如果液壓裝置的工作振動頻率與分析中的裝置的頻率近似或者相等，則會引起共振，對整個機械裝置產生較大的破壞。本文中涉及的裝置進行模態分析，其中選取低階模態作為研究的參考，原因是低階模態的階數較多，占比重較大[9]。

其中質量和剛度矩陣之一是非對角陣列，運動方程會收斂并且可以通過坐標變換使方程解耦，由于此系統的結構的阻尼比較小，一般低于0.1，所以不對阻尼進行考慮，而且振動模態是彈性結構固有的，整體的特性[10]。

其固有振型為?1，?2，…，?n，將{x}表示為固有振型的疊加

{x}=?1X1+?2X2+…+?nXn=ΦX 。 （4）

代入式（3）得

由于向量Φ各分量之間相互正交，根據正交特性

方程式轉化為

不失一般性，取 。

則方程式有如下形式的解：Xn=Ynejwt，代入方程式（3）有

由公式（8），即轉換為

式中：Yn即為質量為Mn，剛度為Kn的N自由度系統在載荷Ps作用下的響應[11]。

4.2" 仿真結果與分析

求解岸橋金屬結構前N階約束模態，將第1、2、3、4、5、6階模態列，見表1。

根據表1及圖9—14可以看出，制動器制動機構的最低階固有頻率為118.84 Hz，顯然超過了額定工作頻率，有效地避免作業過程中產生共振的危險，保證設備正常運行。前6階中最大變形量出現在第5階模態為8.08 mm。另外在不同的頻率范圍內，岸橋制動器結構產生振動的情況，可以為岸橋的安全使用以及穩定性提供指導[7]。其振型如圖9—14所示。

綜合以上分析，1、4階振型制動器在水平面內產生了變形，但結構基本保持原狀，表明兩制動臂有效地承受振動變形；第3階振型左制動臂在X反方向產生向外變形，模態頻率與結構的剛度成正比，與質量成反比，表明左制動臂的剛度較好；第5階振型金屬制動臂結構向內發生聚攏，需要對作業時的制動器采取必要的措施。所以在實際作業工況中要減少長期、頻繁地使用制動裝置，來減少此類事件的發生[12]，對于制動器的優化可以從尺寸、機構的布局、剛度、質量進行研究，來避免發生共振。前6階的最大形變量見表2。

5" 結論

本文使用Soildworks三維畫圖軟件進行液壓盤式制動器進行建模，進一步基于ANSYS對其進行靜力學分析和模態分析，得出以下結論。

在靜力學分析中，得到了制動器的應力形變情況，制動器連桿與傳動臂連接處變形最大，最大值為3.13 mm，越靠近底座變形越小。提出通過增大連軸半徑來減小部分地方應力值較大的方法，形變量減少0.74 mm左右，應力值減少88.69 MPa左右。

在模態分析中，得出了裝置的前6階振型，未出現共振情況。制動臂處振型位移最大，后續的優化中應增加此部分的剛度，使其更好地滿足工作要求。另外制動器在滿足使用要求的同時，應使其固有頻率避開表1中的頻率范圍以免發生共振。

綜上，海港岸橋主起升環節的液壓盤式制動器在優化設計前具有一定的可靠性，在優化設計后，整體可靠性進一步提高，后續為此盤式制動器的優化設計及動力學分析提供了理論基礎。

參考文獻：

[1] 王曉穎，范子杰，邊疆，等.鼓式制動器疲勞壽命預測[J].清華大學學報（自然科學版），2021，61（1）：21-27.

[2] 吳剛，張東東.基于ANSYS Workbench的盤式制動器熱-機耦合分析[J].潤滑與密封，2022，47（10）：126-133.

[3] 鄭曉雯，孫宇飛，李金濤，等.基于SolidWorks和ANSYS聯合二次開發的盤式制動器設計研究[J].煤礦機械，2020，41（7）：166-169.

[4] 陳亞林，王東方，潘尚君，等.基于HyperMesh和ANSYS的盤式制動器結構分析與優化[J].制造業自動化，2014，36（20）：35-38.

[5] 鄭剛，謝方偉，王和偉，等.盤式制動器關鍵零部件模態分析[J].機械設計與制造，2013，264（2）：172-176.

[6] FENG Y H. The performance research of automobile disc brake based on finite element technology[J].Advanced Materials Research，2011：381-382.

[7] TAUVIQIRRAHMAN M， MUCHAMMAD M， SETIAZI T， et al. Analysis of the effect of ventilation hole angle and material variation on thermal behavior for car disc brakes using the finite element method[J].Results in Engineering，2023（17）：87-89.

[8] 李志剛，何春，鄭彬.汽車盤式制動器有限元分析與結構優化[J].機械設計，2021，38（S1）：79-82.

[9] KARIGANAUR A K， KADAM S， KUMAR H， et al. Effect of reduced geometric dimensions on torque generation in two plate rotor magnetorheological brake with in-house magnetorheological fluid[J].Smart Materials and Structures，2023，32（3）：24-27.

[10] 王志偉，張楊.基于ABAQUS汽車盤式制動器粘滑非線性動力學行為研究[J].現代制造工程，2020，481（10）：62-69.

[11] 劉宗權.基于ANSYS的起重機用盤式制動器熱-機耦合分析[D].太原：太原科技大學，2021.

[12] 胡洪洋.基于ANSYS的起重機用盤式制動器制動性能研究[D].太原：太原科技大學，2017.