江 波，方曉蕾，溫博倫

(1.皖北煤電集團(tuán) 朱集西煤礦，安徽 淮南 232082；2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著各類機(jī)械設(shè)備向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展以及“以人為本”政策的深入執(zhí)行，對(duì)設(shè)備安全可靠性的要求也變得越來越高，所以安全制動(dòng)器已經(jīng)成為各類機(jī)械設(shè)備中不可或缺的裝置。液壓技術(shù)的發(fā)展促使盤式制動(dòng)器的應(yīng)用越來越廣泛，但如今制動(dòng)盤普遍存在制造成本高、安裝拆卸麻煩等缺陷，為此，設(shè)計(jì)出一種剖分式制動(dòng)盤以實(shí)現(xiàn)方便配件安裝更換的目的。文獻(xiàn)[1]基于有限元理論，采用ANSYS軟件建立盤式制動(dòng)器三維模型，并對(duì)其進(jìn)行有限元仿真，得到制動(dòng)盤應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，通過分析結(jié)果對(duì)制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。文獻(xiàn)[2]以轎車定鉗盤式制動(dòng)器為研究對(duì)象，通過Hyper-Mesh和ANSYS軟件對(duì)盤式制動(dòng)器鉗體與制動(dòng)盤進(jìn)行了強(qiáng)度和模態(tài)分析，從而驗(yàn)證了制動(dòng)盤和鉗體滿足設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)在120 km/h工作條件下的地鐵車輛用制動(dòng)盤在緊急制動(dòng)工況下的表面溫度和應(yīng)力場分布情況進(jìn)行了仿真分析。本文基于制動(dòng)盤安全性的問題，設(shè)計(jì)了一種剖分式制動(dòng)盤，根據(jù)卷筒裝置中制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)尺寸在SolidWorks軟件中建立模型，利用ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析，得到在特定條件下制動(dòng)盤所受的最大應(yīng)力和最大變形量，并與所用材料的特性進(jìn)行對(duì)比校核。

1 卷筒裝置結(jié)構(gòu)組成及剖分式制動(dòng)盤

1.1 卷筒裝置結(jié)構(gòu)組成

卷筒裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。裝置中制動(dòng)盤通過螺栓等與滾筒相連，制動(dòng)盤安裝于軸承座與滾筒之間。安裝時(shí)，首先將制動(dòng)盤與滾筒通過螺栓連接，再把軸承座安裝于底座上。但在拆卸或更換制動(dòng)盤時(shí)過于麻煩，需要按順序?qū)L筒、軸承座等部件依次拆解，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響工作效率。

1.2 剖分式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決一般制動(dòng)盤所存在的問題，設(shè)計(jì)了一種剖分式制動(dòng)盤。該制動(dòng)盤將圓盤盤體分為兩個(gè)完全一致的半盤，兩個(gè)半盤通過定位銷連接，之后再加工定位止口，通過連接螺栓將盤體與滾筒固定連接。剖分式制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-軸承座；2-盤式制動(dòng)器；3-滾筒裝置；4-底座；5-電機(jī)；6-制動(dòng)盤頭；7-制動(dòng)盤；8-軸承座

只要將連接螺栓拆下，通過起盤螺栓孔把盤體外定位止口從滾筒內(nèi)定位止口中退出，并且在起盤螺栓孔上裝入吊環(huán)即可完成拆卸，解決了一般制動(dòng)裝置存在的制造成本高、拆裝困難的缺陷。

2 剖分式制動(dòng)盤三維模型的建立

本文所設(shè)計(jì)剖分式制動(dòng)盤為解決普通制動(dòng)盤所存在的拆裝困難、制造費(fèi)用高等問題，將整個(gè)制動(dòng)盤盤體設(shè)計(jì)成為兩個(gè)部分，并通過定位銷連接，這樣不但可以實(shí)現(xiàn)拆裝、更換配件方便，也能滿足制動(dòng)性能的需求。根據(jù)制動(dòng)盤二維圖紙尺寸要求，在SolidWorks軟件中建立的三維模型如圖3所示。在制動(dòng)盤盤面上有直徑為20 mm的定位、連接孔，會(huì)影響最終仿真結(jié)果，因此在仿真過程中對(duì)模型孔特征予以保留。

1-半盤A；2-定位銷；3-半盤B；4-連接螺栓；5-起盤螺栓孔；6-定位止口

圖3 制動(dòng)盤三維模型

3 剖分式制動(dòng)盤有限元分析的前處理

3.1 三維模型的簡化與導(dǎo)入

為降低計(jì)算的工作量，優(yōu)化仿真進(jìn)程，首先要對(duì)零件模型進(jìn)行簡化。編輯零件去除模型相關(guān)倒角，僅保留重要特征。將簡化后的制動(dòng)盤三維模型另存為Parasolid(*.x_t)格式文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件Static Structural(靜力學(xué)分析模塊)中，并設(shè)置單位為(mm,kg,N,mV,mA)。

3.2 添加材料屬性

剖分式制動(dòng)盤所選材料為結(jié)構(gòu)鋼，在靜力學(xué)分析模塊中為導(dǎo)入后對(duì)象賦予結(jié)構(gòu)鋼材料屬性。結(jié)構(gòu)鋼的材料特性參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)鋼材料特性參數(shù)

3.3 網(wǎng)格劃分

在賦予研究對(duì)象材料屬性后，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于制動(dòng)盤盤體較大，需要考慮制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)、仿真精度等因素，最終所劃分的網(wǎng)格單元共有43 662個(gè)、節(jié)點(diǎn)80 444個(gè)，網(wǎng)格劃分效果如圖4所示。

圖4 制動(dòng)盤網(wǎng)格劃分 圖5 制動(dòng)盤等效應(yīng)力云圖

3.4 添加載荷和約束

由于制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較高，所以需要對(duì)制動(dòng)盤添加離心載荷。設(shè)制動(dòng)盤制動(dòng)時(shí)額定轉(zhuǎn)速為900 r/min。離心載荷計(jì)算公式為：

ω=neπ/30.

(1)

其中：ne為制動(dòng)盤額定轉(zhuǎn)速；ω為制動(dòng)盤的角速度。

式(1)中代入制動(dòng)盤額定轉(zhuǎn)速后計(jì)算得到制動(dòng)盤角速度為94.2 rad/s，添加至ANSYS載荷項(xiàng)目Inertial→rotational velocity中，完成旋轉(zhuǎn)慣量的設(shè)置。對(duì)和摩擦片所接觸的摩擦面分別施加0.8 MPa的載荷，完成制動(dòng)盤外界載荷的添加。

為制動(dòng)盤表面添加位移約束：對(duì)制動(dòng)盤兩端面添加Z向約束，對(duì)摩擦片所接觸的摩擦面添加X、Y向約束，約束及載荷的添加及靜力學(xué)分析方法參照文獻(xiàn)[4，5]。

4 制動(dòng)盤靜力學(xué)分析

約束施加完成后，開始對(duì)制動(dòng)盤模型進(jìn)行計(jì)算求解，得到制動(dòng)盤等效應(yīng)力云圖，如圖5所示。

由圖5可知：制動(dòng)盤在制動(dòng)過程中所承受的最大應(yīng)力值為18.228 MPa；應(yīng)力主要分布在制動(dòng)盤和摩擦片所作用的摩擦面以及開孔處，沿中心及盤體邊緣方向應(yīng)力均勻減小。求解出的制動(dòng)盤最大應(yīng)力18.228 MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼材料屈服極限345 MPa，說明滿足制動(dòng)盤強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)ANSYS求解器求解得到制動(dòng)盤應(yīng)變?cè)茍D、徑向位移云圖、周向位移云圖，如圖6～圖8所示。

由圖6可以看出:制動(dòng)盤在載荷作用下最大應(yīng)變?yōu)?.918 3×10-5，應(yīng)變最大處仍位于制動(dòng)盤和摩擦片所作用的摩擦面以及開孔處。由圖7和圖8可知：最大徑向位移為0.012 539 mm，最大周向位移為0.012 332 mm。周向位移要小于徑向位移，符合實(shí)際情況，且最大等效應(yīng)力僅為18.228 MPa，故剖分式制動(dòng)盤符合強(qiáng)度和剛度要求。

圖6 制動(dòng)盤等效應(yīng)變?cè)茍D 圖7 制動(dòng)盤徑向位移云圖圖8 制動(dòng)盤周向位移云圖

5 結(jié)語

針對(duì)目前制動(dòng)盤普遍存在的制造成本高、拆裝困難等缺陷，設(shè)計(jì)了一種剖分式制動(dòng)盤，通過改變盤體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)裝置中各部件快捷拆裝更換的要求。

利用有限元法對(duì)制動(dòng)盤模型進(jìn)行有限仿真研究。結(jié)果表明：該制動(dòng)盤制動(dòng)過程中所承受的最大應(yīng)力為18.228 MPa，遠(yuǎn)小于制動(dòng)盤材料的屈服極限，且最大變形量也可忽略不計(jì)，說明所設(shè)計(jì)的剖分式制動(dòng)盤性能完全滿足強(qiáng)度和剛度的要求。