劉德學(xué)

摘要：采用有限元法對單元制動(dòng)器7吋停放缸體和8吋停放缸體進(jìn)行了強(qiáng)度分析及對比，并對8吋停放缸體實(shí)施了優(yōu)化處理。結(jié)果表明，優(yōu)化后8吋停放缸體應(yīng)力水平顯著降低，且低于成熟運(yùn)用的7吋停放缸體。

關(guān)鍵詞：軌道交通;制動(dòng)器;停放缸體;有限元

0? ? 引言

單元制動(dòng)器廣泛應(yīng)用于機(jī)車、地鐵車輛、軌道工程車等軌道交通車輛，是空氣制動(dòng)系統(tǒng)的最終執(zhí)行部件。通常情況下，車輛在坡道上長時(shí)間停車時(shí)為了防止溜逸，實(shí)施停放制動(dòng)是必要的[1]。圖1是某型單元制動(dòng)器的停放缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)施加停放制動(dòng)指令發(fā)出后，停放缸內(nèi)的壓力空氣排出，同時(shí)蓄能彈簧驅(qū)動(dòng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)產(chǎn)生停放制動(dòng)力。目前該型單元制動(dòng)停放缸已成熟應(yīng)用的缸徑為7吋，為了滿足大軸重調(diào)車機(jī)車對停放制動(dòng)性能的要求，在保持停放缸總體結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過增大蓄能彈簧驅(qū)動(dòng)力并將停放缸直徑增大至8吋，達(dá)到停放單元制動(dòng)器數(shù)量不增加以及停放制動(dòng)緩解風(fēng)壓不超過500 kPa[2]的綜合要求。然而，停放缸直徑增加將直接導(dǎo)致相同風(fēng)壓下停放缸體的受力增大，尤其是當(dāng)停放缸內(nèi)風(fēng)壓很高時(shí)。若停放缸體因應(yīng)力過大而破裂，極易發(fā)生傷人事故。因此，必須對8吋停放缸體的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1? ? 停放缸體受力分析

如圖1所示，停放缸體下端通過螺栓安裝在中間體上，停放缸體上端內(nèi)側(cè)與彈簧座接觸，蓄能彈簧上端壓在彈簧座上，下端壓在蓄能活塞上。

當(dāng)停放缸內(nèi)風(fēng)壓超過停放制動(dòng)最小緩解風(fēng)壓時(shí)，蓄能活塞被壓縮空氣推至充風(fēng)緩解位，如圖2所示。此時(shí)壓縮空氣施加給蓄能活塞的推力經(jīng)蓄能彈簧和彈簧座最終作用在停放缸體上，停放缸體受力大小正比于停放缸內(nèi)風(fēng)壓。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，機(jī)車單元制動(dòng)器停放制動(dòng)缸最高工作壓力為1 000 kPa，緩解風(fēng)壓不超過500 kPa。經(jīng)計(jì)算，在以上兩種壓力下停放缸體所受力的大小如表1所示。

2? ? 停放缸體強(qiáng)度校核

鑒于7吋停放缸已成熟批量應(yīng)用且多年來未出現(xiàn)停放缸體破損失效的故障，證明7吋停放缸體是足夠安全的。因此，在對8吋停放缸體進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，可將7吋停放缸體的應(yīng)力水平作為參照。

本文采用有限元法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

從圖中可看出，兩種停放缸體的最大應(yīng)力均位于內(nèi)側(cè)頂部與圓柱面的拐角處，同等壓力下8吋停放缸體的應(yīng)力水平均遠(yuǎn)高于7吋停放缸體。

停放缸體由Q235B鋼板壓制而成，該材料的強(qiáng)度極限為375～460 MPa[3]。7吋停放缸體在1 000 kPa風(fēng)壓下的最大等效應(yīng)力為320 MPa，低于材料的強(qiáng)度極限。8吋停放缸體在1 000 kPa風(fēng)壓下的最大等效應(yīng)力為586 MPa，已超過材料的強(qiáng)度極限上限值，可見8吋停放缸體采用與7吋停放缸體相同結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足靜強(qiáng)度要求。

3? ? 停放缸體優(yōu)化

由上一小節(jié)可知，停放缸體頂部拐角是應(yīng)力集中區(qū)域，經(jīng)過比較分析后，確定最終優(yōu)化方案：將拐角由斜角與圓角的組合結(jié)構(gòu)改為單圓弧結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了保持拐角的整體大小與之前一致，圓弧半徑最終設(shè)定為8 mm，壁厚由4 mm增大至5 mm，如圖5所示。

優(yōu)化后8吋停放缸體在兩種風(fēng)壓下的應(yīng)力如圖6所示。根據(jù)單元制動(dòng)器的運(yùn)用情況，停放缸內(nèi)充入1 000 kPa的壓縮空氣考驗(yàn)的是停放缸體的靜強(qiáng)度，正常運(yùn)用中反復(fù)充入500 kPa壓縮空氣進(jìn)行停放制動(dòng)緩解考驗(yàn)的則是停放缸體的疲勞強(qiáng)度。由表2可知，優(yōu)化后的8吋停放缸體的應(yīng)力水平明顯降低，且均小于同等風(fēng)壓下的7吋停放缸體。因此，優(yōu)化后的8吋停放缸體在靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度兩方面均能滿足要求。

4? ? 結(jié)語

分析結(jié)果表明，壁厚和拐角結(jié)構(gòu)保持不變時(shí)，8吋停放缸體應(yīng)力過大，不能滿足靜強(qiáng)度要求。經(jīng)過調(diào)整，將8吋停放缸體頂部拐角由斜角與圓角的組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化為單圓弧結(jié)構(gòu)，加工難度降低，且相同風(fēng)壓下的應(yīng)力水平均低于已成熟運(yùn)用的7吋停放缸體，在加工經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面均有明顯優(yōu)勢。當(dāng)然，后續(xù)還需要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，以促進(jìn)該型單元制動(dòng)器獲得更好的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 謝啟明，王俊勇.BFCF型踏面制動(dòng)單元原理分析[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2010（3）：30-32.

[2] 機(jī)車單元制動(dòng)器：TB/T 3145—2007[S].

[3] 《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會(huì).機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

收稿日期：2020-03-10

作者簡介：康?。?989—），男，四川德陽人，工學(xué)碩士，助理工程師，從事制動(dòng)系統(tǒng)研制工作。