基于ABAQUS软件的楔形制动机构分析与优化

朱亚 李英明 韩文翔 陆兴华 苏含玉

摘 要：介绍了矿用防跑车制动机构，选取了楔形制動机构进行研究，阐述了其工作原理，推导了其自锁条件，利用ABAQUS软件对关键零件进行静力学分析并给出了一种优化设计方案，最终分析结果表明优化后的制动机构更加可靠。

关键词：楔形制动机构；自锁；ABAQUS；静力学分析

中图分类号：TV53 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0152-03

Abstract： This paper introduces the brake mechanism of mining anti-sports car， selects wedge-shaped brake mechanism for research， expounds its working principle， deduces its self-locking condition， makes statics analysis of key parts by using ABAQUS software， and gives an optimized design scheme. The final analysis results show that the optimized braking mechanism is more reliable.

Keywords： wedge brake mechanism； self-locking； ABAQUS； statics analysis

引言

防跑车制动机构作为防跑车的关键部件之一，其可靠性对整个装置的制动性能有着重要的影响，制动机构的不稳定会导致矿车制动不及时，甚至发生脱轨，因此对于防跑车制动机构的研究至关重要。目前防跑车制动机构主要有两种：挡车栏式和抱爪式。其中挡车栏式制动机构设置在矿道内，矿车通过与挡车栏的撞击实现制动，这种制动方式可靠性太低[1]；抱爪式制动机构安装在矿车上，通过双面夹轨[2]等方式实现制动，这种制动方式会出现制动力不足、制动失效等问题。

为了解决上述机构存在的问题，本文选取了楔形制动机构进行研究并通ABAQUS软件进行静力学分析，验证其可靠性，最终给出一种优化设计方案。

1 楔形制动机构工作原理

楔形制动机构的安装位置如图1所示，两套楔形制动机构对应设置在两条铁轨上方，每套制动机构包含四个楔形块，均两两对称设置在铁轨两侧。如图2所示，当发生跑车事故时，楔形制动机构中动楔块的直角边接触铁轨，在铁轨的摩擦力以及定楔块的压力作用下，动楔块继续向前移动并对铁轨越压越紧，最后实现矿车的制动。

2 楔形制动机构自锁条件推导

楔形制动机构安全制动的前提是楔形块能压紧铁轨并实现自锁，因此此节对其自锁条件进行推导[3]。如图2所示，其中？琢为楔块楔角，N23、F23分别为定楔块2对动楔块3的正压力和摩擦力，F13、N13为铁轨1对动楔块3的摩擦力和支持力，？滋1为1、3之间摩擦系数，？滋2为2、3之间的摩擦系数，忽略楔块自重。

楔形制动块若能自锁，其必须满足条件：

（1）

（2）

将式（2）带入式（1）中，整理后得：

（3）

考虑井下环境，此处取？滋2=0.15，？琢=8°即可满足上述条件。

图1 楔形制动机构安装位置简图

1-铁轨；2-定楔块；3-动楔块

图2 楔块自锁受力分析简图

3 楔形制动机构设计分析

3.1 设计计算

通过设计计算得出楔形块主要受力面所受应力，便于后续分析。假定斜井倾角？茁=20°、一次牵引4节1.5t的矿车（1.5t矿车自重0.97t、最大载重2.7t）和1节1.5t的防跑车；楔形制动机构设置方式同1节所述，楔形块上底尺寸为30mm、下底尺寸为39.56mm、高为68mm、厚度为32mm，楔角为8°，其三维模型如图3所示。

3.1.1 制动力计算

通过分析，矿车所需制动力大小等于矿车重力在斜井方向分力Gx的大小：

3.1.2 楔块主要受力面应力计算

由2节分析可得，每个动楔块所受摩擦力：

F13=■=13557.225N

铁轨对动楔块的压应力：

定楔块对动楔块的压应力：

3.2 楔形块静力学分析

楔形块材料采用35CrMo[4]，该材料具有高强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，适用于制造此类承受高冲击和高载荷的零件。在有限元分析前需要对模型进行必要的简化，忽略其它结构，简化后楔形块的实体模型如图3所示。

3.2.1 模型的网格划分

网格划分是决定分析精度的重要环节[5]。为了增加分析的精确性，本文采用六面体单元进行网格划分[6]。网格的大小影响着分析的精度，为了提高分析的精度，本文对其种子大小采用2。

3.2.2 定义边界条件与施加载荷

楔形块是主要的制动件，其工作时下底面通过连杆固定，在编辑边界条件时，本文采用ENCASTRE，约束了其所有的自由度。制动时，楔形块的楔面部分主要承受挤压力，与导轨接触面主要承受导轨的支持力，由上述受力分析可知楔面部分承受载荷约为14.14MPa，与导轨接触面承受载荷为13.845MPa。

3.2.3 静力学分析结果

经ABAQUS的静力分析，楔形机构的应力云图如图4所示，楔形块承受的最大应力为22.57MPa。

4 优化分析

4.1 “v”型与半圆型楔形块的分析

改变传统楔形块的截面形状，采用“v”型和半圆形两种截面形状，目的是通过ABAQUS软件进行静力分析比较两种楔形块工作时应力分布变化情况，并与原楔形块进行对比分析，从而得出使用性能最优的楔形制动机构方案。虽然截面形状发生改变，但是楔块的摩擦系数和楔角均未发生变化，因此4节之前的计算分析依旧成立。

4.2 分析结果

同上述分析步骤得到两者的应力云图如图5所示，截面为“v”型的楔形块应力最大值为121.10MPa，截面为半圆型的楔形块应力最大值为91.55MPa。

5 结束语

（1）通过对楔形机构的有限元分析，分析结果表明传统楔形块承受的最大应力远小于材料自身的许用应力，楔形块的强度在安全范围内，该结构安全可靠。

（2）通过对截面形状改变后的楔形块进行分析，分析结果表明截面形状为半圆形的楔形块相比于截面形状为“v”型的楔形块，其最大应力相对较小，因此截面形状为半圆形的楔块机构更加安全可靠。

（3）通过对传统楔形机构和截面形状为半圆形的楔块机构进行对比，对比结果表明两种方案中楔形块所受最大应力都在材料自身许用范围之内。但优化后的楔形机构相当于在两楔块配合表面设置了半圆形的导向槽和导向键，能够准确控制动楔块在竖直方向上的位移，使得动楔块和定楔块配合移动更加准确，因此截面形状为半圆形的楔形制动机构性能更加优异，为三种方案中的最优方案。

参考文献：

[1]唐进元，等.斜井防跑车装置的技术现状与发展探讨[J].矿山机械，2008，36（3）：33-36.

[2]高建荣.轨道车用制动器[P].中国：200820159779.1.

[3]谭廷帅.斜井人车使用过程中的自锁现象分析[J].煤矿机械，2011，32（10）：234-236.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[5]谢军伟，刘维国，詹国宁.复合材料开孔层合板有限元网格划分方法研究[J].机械设计制造，2013（04）：228-231.

[6]陈海燕.技能应用速成系列ABAQUS有限元分析从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2015.