一款新型闸片更换工装的设计

吴克明

(上海铁路局动车段 上海 201812)



一款新型闸片更换工装的设计

吴克明

(上海铁路局动车段 上海 201812)

CRH2A型动车组早期运用的闸片更换费力耗时，如遇生锈卡壳则更换作业难度大，效率低。为优化闸片更换工装以及提高闸片生锈卡壳时的更换效率，设计了新型闸片更换工装，并对其结构强度进行了分析计算。关键词：闸片；工装；强度；有限元计算

国内运用较早的一批CRH2A型动车组的盘形制动装置闸片使用燕尾槽和闸片托锁紧的结构方式，该型闸片更换作业较繁琐，各检修单位更换方法和工装不一，且遇到闸片生锈卡壳时，检修人员更换难度明显加大，耗费大量人力和时间。为提高该型闸片日常更换效率及解决生锈卡壳时的更换难题，依据闸片及其安装特点设计出了高效实用且更易操作的闸片更换工装。

确定该工装的总体设计方案后，建立三维实体模型，运用有限元仿真软件ANSYS对工装主件在实际使用中的应力和载荷分布进行仿真计算分析，结合应力分布云图和有效载荷下的最大变形量等参数结果对工装进行结构优化。依据机械师对样件的多次实际测试结果修改设计方案，并最终定型，完成工装制作后交付现场使用。

1 闸片卡工装的总体设计

当前的闸片更换工装效率低的最主要原因是更换闸片时工装和闸片之间的受力作用不合理，只使用1根撬棍穿插进闸片下端的吊装小孔，然后敲打撬棍进行更换作业，使得闸片受力方向和铅垂方向间有一定倾斜，从而对闸片质心产生逆时针力矩，闸片侧边和燕尾槽间压力增大，挤压更紧，摩擦力增大，难以更换。如此作业的缺点是受力点不合理且操作繁琐，闸片突然下坠落地易砸伤人员。

为解决以上问题，优化设计的更换工装必须增加受力面积并且使得作用于闸片上的下拉力方向为铅垂方向，合力对质心不产生力矩。基于这样的思路并结合闸片自身的结构特点，设计了新的工装设备(见图1)。闸片卡的头部设计成帽形结构以便卡住并贴合闸片的上端面处，有效增大了闸片卡和闸片间的受力面积。闸片卡的中部结构是1根横断面为梯形结构的四棱柱，上端面水平，下端面有一定斜度，该棱柱在闸片卡和闸片贴合时插入闸片的中间宽槽中，起到定位卡紧和传递载荷的作用。闸片卡的尾部由两部分组成：闸片定位槽和载荷作用面(见图2)。定位槽可卡住闸片下端部，对闸片卡施加横向约束，使工装不易跳动脱落并可防止闸片突然下坠砸伤人员。载荷作用面是闸片卡的垂向作用力承载部位，当闸片稍松时，作业者可用人力向下压或拉动闸片卡带动闸片滑出；当闸片卡紧或生锈时，可用锤子锤击该水平承载面，甚至可在此面上使用小型千斤顶(结合套筒连杆)将闸片换下。为增加结构强度，在定位槽和载荷作用面的下端面分别加了加强筋。

2 工装结构强度的有限元计算分析

2.1 闸片卡的材料和实体模型

闸片卡有限元分析模型采用空间笛卡尔坐标系，Y轴指向车辆运行前方，X轴与线路方向相垂直，Z轴垂直于轨道平面，其正方向为竖直向上。闸片卡工装材料为调质45#钢，安全系数n=1.5，屈服极限[σs] =400 MPa，许用应力[σ]=267 MPa 。闸片卡的三维模型总体结构如图3所示。

图1 闸片卡总体结构及局部主视图

图2 闸片卡的尾部结构

图3 闸片卡三维实体模型

2.2 边界条件和计算工况

为了准确模拟闸片卡在实际使用中的受力情况，在有限元分析模型中对闸片卡的帽形头部和闸片端面贴合面上节点施加UX、UZ、VELY、VELZ约束、对中部定位筋下端面节点施加UZ、VELZ约束、对尾部定位槽的内侧纵向面上节点施加UY约束。在尾部载荷承载面上分别依据不同的工况施加一定的面载荷压强。

承载台有效载荷面积S=2 748 mm2，依据使用情况的不同，仿真了3种工况。工况1：加载载荷为10 kg时，则承载面上的压强为0.036 MPa；工况2：加载载荷为50 kg时，则承载面上的压强为0.18 MPa；工况3：加载载荷为80 kg时，则承载面上的压强为 0.29 MPa。

2.3 强度计算结果

在3种工况下，闸片卡结构最大应力出现位置均在承载台与闸片卡方孔交接处，最大应力依次为24.08 MPa、121.66 MPa、192.80 MPa。闸片卡在工况2下的应力云图如图4所示。

图4 闸片卡工况2下的应力云图

3 结论

依据以上分析数据和仿真结果，新设计的闸片更换工装设备能够满足3种工况的静强度要求，且3种工况的仿真载荷数值能够满足实际使用的要求，所以该闸片卡能够满足一定强度的可靠性要求。闸片卡的实物照片和现场使用情况如图5所示。

(a)闸片卡实物图 (b)现场使用图5 闸片卡实物及现场使用

该工装经现场使用考核情况很好，能够稳定承受更换作业时施加的载荷，提高了CRH2A型部分动车组闸片更换作业的效率。□

(编辑：缪 媚)

2095-5251(2016)06-0045-02

2016-02-24

吴克明(1989-)，男，硕士研究生学历，助理工程师，从事动车组运用维修及故障预测与健康管理(PHM)方面研究。

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