李嘉燁 邵澤偉 李寧 張明潔 張繼祥 孫強(qiáng)倫

臺(tái)州學(xué)院 航空工程學(xué)院 浙江省臺(tái)州市 318000

1 前言

礦用工程車(chē)上的液壓制動(dòng)裝置是保證工作人員生命財(cái)產(chǎn)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(huán)境中保證良好的制動(dòng)性，而且能夠提升礦車(chē)的工作效率。但是現(xiàn)有礦用工程車(chē)濕式制動(dòng)器受到液壓力時(shí)摩擦片工作制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)失效時(shí)傳動(dòng)不失效，不能保證礦用工程車(chē)的安全性。

本文在現(xiàn)有礦用工程車(chē)濕式制動(dòng)器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種通過(guò)受壓安裝的彈簧結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器不受液壓力時(shí)，摩擦片處于工作狀態(tài)制動(dòng)，制動(dòng)器受液壓力時(shí)，摩擦片分離不制動(dòng)的濕式制動(dòng)裝置。然后根據(jù)5t 工程車(chē)輛具體參數(shù)，給出了摩擦副的具體尺寸和結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)長(zhǎng)時(shí)間受壓工作狀態(tài)的活塞和缸體進(jìn)行了有限元分析。

2 總體設(shè)計(jì)方案

該制動(dòng)器通過(guò)受壓安裝的彈簧結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)，靜止時(shí)通過(guò)活塞擠壓摩擦片與制動(dòng)片實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，運(yùn)行時(shí)液壓油注入抵消彈簧壓力使車(chē)輛運(yùn)行。制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。當(dāng)車(chē)輛處于靜止駐動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，受壓安裝彈簧14 提供彈力及制動(dòng)壓力，壓緊制動(dòng)片17和摩擦片16 產(chǎn)生制動(dòng)需要的摩擦力。當(dāng)車(chē)輛需要運(yùn)行時(shí)，液壓油液由缸體21 上的油塞3所在的入口進(jìn)入缸體21 內(nèi)，液壓油產(chǎn)生壓力與彈簧14 產(chǎn)生的彈力相抵消，摩擦片16 和制動(dòng)片17 分離不產(chǎn)生摩擦力，車(chē)輛能夠平穩(wěn)運(yùn)行。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)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(dòng)產(chǎn)生壓力，壓緊摩擦片16 和制動(dòng)片17 產(chǎn)生制動(dòng)所需的摩擦力，車(chē)輛能自動(dòng)制動(dòng)。

圖1 制動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

該制動(dòng)器有如下優(yōu)勢(shì)：①當(dāng)車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)，彈簧自動(dòng)產(chǎn)生壓力，壓緊摩擦片和制動(dòng)片，車(chē)輛自動(dòng)制動(dòng)；②采用封閉的制動(dòng)結(jié)構(gòu)解決了礦場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境中的干擾，同時(shí)多片式的設(shè)計(jì)能夠提供良好的散熱；③利用液壓油及制動(dòng)彈簧的配合，在不工作時(shí)彈簧提供常駐的制動(dòng)壓力，解決了舊式干式制動(dòng)器在礦業(yè)等惡劣環(huán)境下造成的過(guò)熱失效問(wèn)題，可以很好的滿(mǎn)足礦用工程車(chē)的需要。

3 摩擦副設(shè)計(jì)

摩擦副設(shè)計(jì)是制動(dòng)器設(shè)計(jì)的重要部分，高性能有效的齒輪結(jié)構(gòu)能夠保證制動(dòng)器制動(dòng)效果的穩(wěn)定。

3.1 制動(dòng)片設(shè)計(jì)

根據(jù)5t 工程車(chē)輛傳動(dòng)軸尺寸，制動(dòng)片參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

表1 制動(dòng)片齒輪參數(shù)表

圖2 制動(dòng)片

3.2 摩擦片設(shè)計(jì)

摩擦片是決定制動(dòng)器制動(dòng)效果的重要部件，摩擦片的制動(dòng)效果取決于它所產(chǎn)生的摩擦力。摩擦力的大小則取決于摩擦片的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

摩擦片的材料選用為紙基材質(zhì)，紙基摩擦片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，高溫摩擦系數(shù)衰退非常小，耐燒蝕，耐摩擦性能好，熱恢復(fù)性能好。

摩擦片的結(jié)構(gòu)為摩擦片開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)，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(kāi)槽結(jié)構(gòu)

不同的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)器的散熱效率造成不同的影響。在同種初始情況下測(cè)試，起始油液測(cè)試溫度都為27℃。在若干次實(shí)驗(yàn)后取得平均數(shù)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(jié)構(gòu)對(duì)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(shuō)明對(duì)于制動(dòng)器的冷卻效果較好，但也反映出其制動(dòng)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(shuō)明方格槽產(chǎn)生的熱量較多，熱交換效率較高，能夠產(chǎn)生更高效的制動(dòng)效果。連通槽雖然產(chǎn)生較高的摩擦熱量，但是最高的出入口溫度容易造成制動(dòng)器的過(guò)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(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的摩擦片結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，與5t 工程車(chē)輛傳動(dòng)軸尺寸匹配的摩擦片齒輪參數(shù)如表3 所示。

表3 摩擦片齒輪參數(shù)

圖4 摩擦片

3.3 缸體部分設(shè)計(jì)

滿(mǎn)足輪轂制動(dòng)片尺寸的缸體齒輪參數(shù)如表4 所示，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

表4 缸體齒輪參數(shù)表

圖5 缸體

3.4 輪轂部分設(shè)計(jì)

輪轂部分齒輪參數(shù)根據(jù)摩擦片的尺寸設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表5 所示，結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

表5 輪轂齒輪參數(shù)表

圖6 輪轂

4 有限元驗(yàn)證

在制動(dòng)器的運(yùn)行過(guò)程之中，部分零件處于長(zhǎng)時(shí)間受壓工作狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行有限元的分析來(lái)保障其運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性。下面對(duì)活塞進(jìn)行有限元分析。

4.1 三維實(shí)體模型和材料

活塞采用QT-300 鑄鐵， 內(nèi)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(guò)SolidWorks軟件3D 建模，對(duì)活塞零件進(jìn)行有限元分析。具體參數(shù)如表6 所示。三維實(shí)體與網(wǎng)格模型如圖7 所示。

表6 活塞具體仿真參數(shù)

圖7 活塞三維實(shí)體與網(wǎng)格模型

4.2 分析結(jié)果云圖

根據(jù)荷載質(zhì)量約為5t 的工程車(chē)輛，在活塞受彈簧壓力部分施加120000N 的壓力。分析后應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。

圖8 活塞應(yīng)力圖

4.3 應(yīng)力結(jié)果

如圖可知，在零件上區(qū)域?yàn)榕c彈簧接觸平面的孔洞產(chǎn)生最大應(yīng)力，約為7.44521×1 106/。這是由于此處為中空結(jié)構(gòu)，容易造成集中應(yīng)力。最大應(yīng)力小于45 號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度，最小應(yīng)力約為 184.439/，活塞強(qiáng)度足夠，滿(mǎn)足使用需要。

5 總結(jié)

（1）本文設(shè)計(jì)了一種靜止時(shí)通過(guò)活塞擠壓摩擦片與制動(dòng)片實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，運(yùn)行時(shí)液壓油注入抵消彈簧壓力使車(chē)輛運(yùn)行的礦用工程車(chē)輛濕式液壓制動(dòng)裝置。

（2）針對(duì)5t 工程車(chē)輛，匹配了摩擦副的具體參數(shù)，并對(duì)處于長(zhǎng)時(shí)間受壓工作狀態(tài)的活塞進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)驗(yàn)證，其強(qiáng)度滿(mǎn)足需要。