拖缆机带式刹车销孔拉板设计

徐锡锋，张勇勇，许有良

拖缆机带式刹车销孔拉板设计

徐锡锋，张勇勇，许有良

针对拖缆机销孔拉板设计方法效率低、误差大的问题，分析2种计算销孔拉板危险截面应力的方法及其局限性，分析销孔拉板的载荷和约束，建立与实际精确吻合的仿真模型；分析销孔拉板板宽、内孔直径及偏心距之间的合理尺寸配置关系，实现销孔拉板的快速合理设计。

销孔拉板；弹性曲梁；应力集中系数；厚壁筒

拖缆机机架与带式刹车之间通过销轴传感器将刹车紧边拉板采用基孔制的小间隙配合，其承受载荷大且应力分布复杂。销轴连接结构简单、拆卸方便、承载能力大，广泛应用于各种金属结构中。销孔拉板常用的研究方法包括光弹性法[1]、贴应变片、弹性理论计算及有限元法等。以往的研究侧重于销孔拉板应力的计算方法、应力分布、破坏机理。德国DIN18800中只给出拉板最大厚度和最大孔径的计算公式，缺乏相应支撑说明。本文以销孔拉板尺寸之间的配置关系为研究点，以期为销孔拉板结构的快速合理设计找到思路。

1 销孔拉板的结构形式

带式刹车的拉板属于销孔拉板，依据销孔拉板内孔和外圆是否同心分为两种结构型式，见图1。在竖向拉力Q作用下，销孔拉板的水平A-A截面和竖直B-B截面被认为是危险截面。

2 销孔拉板两种计算方法的分析

现行关于销孔拉板危险截面应力的计算方法主要有两种。

方法一是利用弹性曲梁计算公式对销孔拉板危险截面应力作精确计算，图2所示为无偏心距的销孔拉板计算简图。

图2中，A-A截面的最大应力计算如下。

图2中，B-B截面的最大应力计算如下。

由图2及危险截面计算公式可知，该计算公式仅用于销孔无偏心距的拉板结构，且销孔拉板水平A-A截面内侧孔边应力最大，销孔拉板竖直B-B截面外侧孔边应力最大。

方法二是采用近似模型简化对危险截面应力的计算[2-3]，图3所示为有偏心距的销孔拉板计算简图。

图3中，A-A截面孔边内侧最大应力计算如下。

式中：αj为应力集中系数。

图3中，B-B截面孔边内侧最大应力计算如下。

图3中，A-A截面的计算采用带中心圆孔的有限宽板的拉伸模型，考虑了受拉板孔边的应力集中系数，计算公式简单明了。带中心圆孔的有限宽板模型适用于板两端均匀受拉且载荷远离中心孔的结构，而销孔拉板内孔的竖向拉力Q直接作用于中心孔，会导致A-A截面局部的载荷分布情况与简化模型存在差别。

图3中，B-B截面的计算采用厚壁筒模型,给出了销孔有偏心距的拉板结构在竖直B-B截面销孔拉板内孔内侧最大拉应力的计算公式。厚壁筒模型适用于内孔均匀受压的结构，而销孔拉板内孔在竖向拉力Q作用下的内孔受压并非均匀分布，会导致B-B截面局部的载荷分布情况与简化模型存在差别。

上述两种计算方法均有局限性，第一种计算方法的适用范围受限；第二种计算方法的计算结果的准确性不足。

3 销孔拉板合理尺寸配置关系的研究

随着计算机仿真分析技术的快速进步，使得对销孔拉板这一类结构的快速准确模拟变得非常容易。本文利用仿真软件Workbench尽量真实地去模拟销孔拉板的实际载荷和约束状况。以某板厚为δ=30 mm，板宽B=240 mm，受到轴向拉伸载荷为200 kN的拉板为研究对象，研究孔径d及偏心距e与拉板板宽B的关系，总结板宽B、孔径d及偏心距e合理的尺寸配比，实现简单、快速、合理地设计出拉板结构。图4为拉板的载荷和约束简图。

约束。建立销轴模型，销轴与拉板孔采用无摩擦接触，拉板底板固定约束。

载荷。在销轴中心设置一圆柱小孔，以轴承载荷型式施加于销轴圆柱孔。

图5为名义应力集中系数与B/d的关系曲线。

由图5可知，B/e的不同取值，对应的曲线具有相同的变化规律。B/d在2～3之间的名义应力集中系数均较小，B/d<2或B/d>3时的名义应力集中系数迅速增加，B/d=2.4为所有曲线极值点的横坐标。因此，算例中销孔拉板合理的板宽/内径为：2≤B/d≤3，最优值B/d=2.4。

当确定了B/d在2～3之间后，随着偏心距的增大，名义应力集中系数呈减小趋势。图6为名义应力集中系数与e/B的关系曲线。

由图6可见，随着e/B的增大，曲线斜率快速减小并趋于零。考虑到斜率变化趋势并结合工程设计经验，建议销孔拉板的偏心距/板宽满足0.1≤e/B≤0.2。

4 结论

本文利用有限元软件模拟销孔拉板受力的有限元模型，计算不同销孔直径d、不同销孔偏心距e下的销孔拉板应力。为直观地显示销孔拉板各尺寸间的内在关系，文中引入名义应力集中系数，绘制出相应曲线。结果表明，板宽/内径、偏心

距/板宽在一定范围时，销孔拉板结构比较合理。

本文以仿真软件为手段进行了研究，计算结果缺乏试验数据的支撑。但本文所采用的研究方法和研究思路能为销孔拉板结构设计提供参考。

研究出销孔拉板各尺寸间合理的配置关系，将极大地方便工程技术人员直接选取合适的销孔拉板，缩短设计时间，减轻设计计算工作量，具有重要工程意义。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.

[2] 张质文,王金诺.起重机设计手册[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[4] 穆玉航.起重机销孔与拉板连接的非线性力学行为研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

(武汉船用机械有限责任公司，湖北 武汉 430084)

Design of the Pin Hole Plate of Belt Type Brake for Towing Machine

XU Xi-feng, ZHANG Yong-yong, XU You-liang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

For problems of the design efficiency of towing pin-hole plate is low with great error, two kinds of stress calculation methods for the pin-hole plate and their limitations were analyzed. The loadings and constraint of the pin-hole plate were investigated. A simulation model of the pin-hole plate was established according to the actual situation. By analyzing the reasonable configuration relationship between width, diameter of bore and eccentricity of the pin-hole plate, the rapid and reasonable structure design was realized.

pin-hole plate; elastic curved beam; stress concentration factor; thick walled tube

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.016

2016-08-23

工业和信息化部项目(工信部联装[2014]508号)

徐锡锋(1987—)，男，硕士，助理工程师研究方向:机械结构、设计

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0066-03

修回日期：2016-08-30