唐俊輝

（徐州科源液壓股份有限公司，江蘇徐州221116）

0 引 言

本文主要研究和分析濕式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法, 確定總體方案，建立井下鏟運(yùn)機(jī)濕式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，為濕式制動(dòng)系列橋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供規(guī)范；同時(shí)，在濕式多盤制動(dòng)器中，活塞壓盤是關(guān)鍵零件之一，濕式多盤制動(dòng)器制動(dòng)活塞設(shè)計(jì)形狀直接影響制動(dòng)盤的受力狀況及其溫度分布,以及整體的使用性能。本文在考慮制動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)的前提下，應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)濕式多盤制動(dòng)器制動(dòng)活塞進(jìn)行受力分析，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 常閉濕式多盤制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

本文研究的常閉濕式多盤制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，油泵的高壓油通過(guò)液壓松閘進(jìn)油口進(jìn)入活塞與殼體的密封腔內(nèi)，通過(guò)活塞推動(dòng)制動(dòng)彈簧克服彈簧力，制動(dòng)器松閘，鏟運(yùn)機(jī)才能運(yùn)行。當(dāng)制動(dòng)器內(nèi)的高壓油泄油后，彈簧復(fù)位，彈簧力通過(guò)活塞作用在摩擦片上產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力矩，鏟運(yùn)機(jī)立即被制動(dòng)。本文設(shè)計(jì)有外部冷卻循環(huán)系統(tǒng)，冷卻油泵的出油口與制動(dòng)器冷卻進(jìn)油口通過(guò)液壓管路聯(lián)接，冷卻油泵的進(jìn)油口與制動(dòng)器冷卻出油口通過(guò)管路聯(lián)接，同時(shí)管路中間需接濾油器，使制動(dòng)器內(nèi)的油液不斷循環(huán)，不斷進(jìn)行熱能交換，使制動(dòng)器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量被不斷帶走，最終使制動(dòng)器的溫度維持在制動(dòng)器正常工作的溫度范圍內(nèi)，從而提高制動(dòng)器制動(dòng)性能和使用壽命。

2 制動(dòng)力矩計(jì)算

本文以3立方井下鏟運(yùn)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋制動(dòng)器為實(shí)例，制動(dòng)系統(tǒng)要求如下：1）整備質(zhì)量為17 000 kg；2）額定載荷為6000 kg；3）最大速度為24.9 km/h；4）最大坡度為25%；5）輪胎直徑為1400 mm（工程輪胎）；6）制動(dòng)系統(tǒng)為液壓動(dòng)力剎車系統(tǒng)（SAHR）；7） 制動(dòng)器額定松閘壓力為10.3 MPa；8）工作制動(dòng)多盤外部水冷，全液壓操作；9）駐車制動(dòng)采用彈簧制動(dòng)，液壓釋放，四輪安全制動(dòng)；10）在額定載荷初始速度為20 km/h時(shí)制動(dòng)距離為4.5 m；11）其他需滿足《煤礦安全規(guī)程》和《MTT 989-2006 礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車通用技術(shù)條件》等相關(guān)規(guī)定。

制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算步驟如下。

2.1 根據(jù)符合制動(dòng)距離的需要條件計(jì)算的制動(dòng)力矩

根據(jù)3立方鏟運(yùn)機(jī)制動(dòng)性能要求，額定載荷時(shí)，a1= V02/［2（S0-V0·t1）］=（20×1000/3600）2/［2×（4.5-20×1000÷3600×0.2)］=4.55 m/s2。則MY1=δ·m·a1·rk=1.1×23000×4.55×0.675=77702.6 N·m。

2.2 根據(jù)符合坡度駐車時(shí)需要滿足的條件計(jì)算的制動(dòng)力矩

本課題研發(fā)的制動(dòng)器根據(jù)3立方鏟運(yùn)機(jī)要求需要滿足最大坡度為25%，可以理解為坡的水平長(zhǎng)度100，垂直高度25，因此根據(jù)計(jì)算得出最大坡度的角度為α=arctan(25/100)=14.04°。根據(jù)前述駐車制動(dòng)器要求，鏟運(yùn)機(jī)在承載150%額定載荷情況下，則總質(zhì)量為mZ=m+me/2=23000+6000/2=26000 kg。則需滿足駐車要求制動(dòng)力矩MY2=mz·g·rk·sinα=26000×9.8×0.675×sin14.04°=41707.5 N·m。

2.3 根據(jù)符合驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著力要求計(jì)算制動(dòng)力矩

滿足驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著力要求計(jì)算的制動(dòng)力矩MYμ=m·g·δ·μ·rk=23000×9.8×1.1×0.55×0.675=92047.7 N·m。式中：μ為驅(qū)動(dòng)輪與地面的黏著系數(shù)，在混凝土瀝青地面行駛?cè)?.7，在碎石砂石的路面行駛?cè)?.55，為保險(xiǎn)考慮，取0.55。

2.4 根據(jù)井下鏟運(yùn)機(jī)工作制動(dòng)時(shí)需要符合最大靜態(tài)制動(dòng)力矩條件計(jì)算制動(dòng)力矩

根據(jù)井下鏟運(yùn)機(jī)工作制動(dòng)時(shí)要求，井下鏟運(yùn)機(jī)工作制動(dòng)的最大靜態(tài)制動(dòng)力應(yīng)不小于車輛最大質(zhì)量的50%。則最大靜態(tài)制動(dòng)力矩MYj=50%·m·g·rk=0.5×23000×9.8×0.675=76072.5 N·m。

則單個(gè)制動(dòng)器需要的靜態(tài)制動(dòng)力矩MZj1=MYj/4=76072.5÷4=19018.1 N·m。

3 松閘壓力與制動(dòng)器制動(dòng)能力校核計(jì)算

3.1 松閘壓力的計(jì)算

為了使制動(dòng)器完全開啟，一般要求松閘壓力在90%的額定壓力（pa)時(shí)能完全松閘，由3立方井下鏟運(yùn)機(jī)基本參數(shù)及制動(dòng)系統(tǒng)要求可知，額定壓力pa=10.3 MPa，則需要的松閘壓力p1=90%×pa=9.27 MPa。彈簧選用日本東發(fā)的重負(fù)荷矩形螺旋彈簧（型號(hào)為TH50×70），制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)彈簧力F2=5880 N；制動(dòng)器開啟時(shí)彈簧力F3=6855 N。

每臺(tái)3立方鏟運(yùn)機(jī)裝有4個(gè)制動(dòng)器，則總的行車制動(dòng)力矩Ms=4Ms1=4×20511=82044 N·m。因此設(shè)計(jì)的總的行車制動(dòng)力矩Ms=82044 N·m，大于3立方鏟運(yùn)機(jī)整車要求的制動(dòng)力矩MY=77702.6 N·m，滿足行車制動(dòng)器制動(dòng)力矩要求。

則整車總的制動(dòng)靜態(tài)力矩Msj=4Msj1=4×26105=104420 N·m。因此設(shè)計(jì)的總的行車制動(dòng)力矩Msj=104420 N·m，大于3立方鏟運(yùn)機(jī)整車要求的制動(dòng)力矩MYj=76072.5 N·m，滿足整車最大靜態(tài)制動(dòng)力矩要求。

4 制動(dòng)器零件靜力學(xué)分析

在濕式多盤制動(dòng)器中，活塞是非常重要的零部件之一，當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，液壓油卸壓，在彈簧力的作用下，使活塞移動(dòng)到摩擦片上面，進(jìn)而壓緊摩擦片，使摩擦片產(chǎn)生摩擦力矩制動(dòng)輪轂，最終使車輛產(chǎn)生制動(dòng)。當(dāng)車輛行駛時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)的控制壓力油進(jìn)入制動(dòng)器活塞密封容腔內(nèi)，液壓力克服彈簧力使活塞移動(dòng)到彈簧壓板，直至貼實(shí)為止。此時(shí)，活塞脫離摩擦片，摩擦片間產(chǎn)生間隙，摩擦力矩解除，從而使制動(dòng)器開啟。在制動(dòng)開啟時(shí)，彈簧的壓縮量最大，彈簧力最大，此時(shí)活塞受到彈簧作用的軸向力最大，同時(shí)活塞壓板受到彈簧作用的軸向力也最大，因此，活塞的強(qiáng)度和剛度是否滿足實(shí)際需要，直接影響到制動(dòng)器制動(dòng)性能。本文將利用有限元分析軟件對(duì)活塞進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

1）單元選取及網(wǎng)格劃分?；钊Y(jié)構(gòu)比較立體，有一圈均布的20個(gè)彈簧孔和臺(tái)階，其結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較復(fù)雜，為提高分析效率并保證分析的準(zhǔn)確性，本文通過(guò)四面體單元的自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，活塞的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 整體網(wǎng)格劃分結(jié)果

2）材料屬性設(shè)置。本課題研究的制動(dòng)器活塞材質(zhì)選為40Cr，根據(jù)材料手冊(cè)查得：40Cr材料的屈服強(qiáng)度為785 MPa，彈性模量為212 GPa,泊松比為0.277，密度為7870 kg/m3,根據(jù)材料的性能參數(shù)對(duì)材料庫(kù)的Polyethylene 重新進(jìn)行修改設(shè)置。

3）設(shè)置載荷和約束。a.在活塞計(jì)算模型中，所受的載荷按如下方式處理：制動(dòng)器開啟時(shí)彈簧的變形量最大，此時(shí)彈簧力最大，此時(shí)受到的彈簧力即為活塞受到的軸向力，根據(jù)第3節(jié)的彈簧選型計(jì)算，活塞上的每個(gè)彈簧力大小為6855 N，沿圓周均布20個(gè)彈簧。b.約束的處理。約束活塞的3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和Y、Z方向的自由度，釋放X方向的自由度；分別施加活塞20組彈簧壓緊面的力為6855 N。

4）計(jì)算結(jié)果。

a.活塞最大應(yīng)力（Equivalent (von-Mises) Stress）最大值和最小值及最大、最小值發(fā)生的位置如圖3所示，活塞應(yīng)力整體分析結(jié)果如圖4所示，活塞應(yīng)力最大值所處位置如圖5所示。

由圖3 ～圖5 分析可知，活塞最大應(yīng)力的位置是在活塞彈簧孔的中心位置，且最大應(yīng)力低于3 MPa，遠(yuǎn)小于材料40Cr的屈服強(qiáng)度，因此活塞強(qiáng)度完全能夠滿足使用要求。

圖3 Equivalent (von-Mises) Stress求解結(jié)果

圖4 活塞應(yīng)力整體分析結(jié)果

圖5 活塞應(yīng)力最大值所處位置

b.活塞最大應(yīng)變（Total Deformation）的最大值和最小值及最大、最小值發(fā)生的位置如圖6 所示，活塞應(yīng)變整體分析結(jié)果如圖7所示。

由活塞變形云圖分析可見(jiàn)，活塞整體變形量不大，變形最大位置位于活塞彈簧安裝孔的中心位置，最大變形量為0.0003 mm，完全滿足制動(dòng)器正常工作要求。

圖6 Total Deformation的分析結(jié)果

圖7 活塞Total Deformation整體分析結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)3立方井下鏟運(yùn)機(jī)制動(dòng)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了制動(dòng)器的總體方案，介紹了制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算方法，根據(jù)3立方鏟運(yùn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)計(jì)算出單個(gè)制動(dòng)器行車制動(dòng)力矩和靜態(tài)制動(dòng)力矩；根據(jù)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和制動(dòng)力矩要求對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)能力進(jìn)行了校核計(jì)算；根據(jù)制動(dòng)器的技術(shù)要求對(duì)制動(dòng)器松閘壓力進(jìn)行了核算，建立井下鏟運(yùn)機(jī)濕式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，為濕式制動(dòng)系列橋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供規(guī)范；對(duì)活塞進(jìn)行了靜力分析，通過(guò)分析結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)制動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。