轮边制动器制动的有限元分析

许琦

（中国铁路南昌局集团有限公司科学技术研究所，江西 南昌 330002）

随着铁路运输的日益繁忙，各站场货物装卸作业量也不断增加，龙门吊在站场货物运输中起了极为重要的作用，龙门吊的作业安全也成为各站场关注的主要安全问题。日常作业时遇制动不及时，移动作业中，若无法及时制动，停止运动，极易发生重大事故。为防止发生吊机颠覆或脱轨的重大事故，龙门吊的制动问题已成为货场装卸作业中的重大安全隐患。制动器的性能直接关系到行车安全。本文基于轮边制动器建立了3D模型，利用有限元分析软件，用计算机进行受力变形和应力校核。为轮边制动器应用提供依据。

1 主要技术参数

制动开始到完全制动的过程中，制动衬垫与车轮侧壁接触，随着力的加大完全贴合至无相对滑动，假设二者间静摩擦阻力为F1，此摩擦力产生轮边制动器制动力矩Me；随之，车轮与轮轨间的摩擦状态由滚动摩擦变为滑动摩擦，假设二者间的摩擦力为F3，此摩擦力产生车轮打滑力矩Ms；二力矩关系为Me≥Ms，如图1为轮边制动器。

图1 轮边制动器

如图2所示，车轮除受两个摩擦力外，还承受轮压力P以及轨道对其的支反力，假设为F2。

图2 受力分析图

制动时，存在如下关系式：

式中，Ms：车轮打滑力矩，N·m；Me：轮边制动器额定制动力矩，N·m；P：平均轮压或最大轮压，N；ψ：一般取1；μ：车轮与轨道间的摩擦系数，一般取0．12。

单轮承受重力15T，轮直径D=0．8m。刹住车达到平衡状态时，Me=Ms，此时车轮受力最大，计算此时车轮的应力和变形情况。

此时车轮所受摩擦力：

F3=Pμ=15000×9．8×0．12=17640N。

根据Me=Ms，有F3R3=F1R1，R1与R3近似相等，因此，近似地有F1=F3=17640N。

2 车轮有限元分析

以此状态为有限元分析的受力状态，对车轮进行分析。使用ANSYS Workbench分析软件进行分析。

2.1 建立有限元模型

将proe建好的三维模型另存为三维通用格式．stp。在ANSYS Workbench里新建一个Static Structural的分析，将三维模型导入。

制动时，制动衬垫与车轮接触面积为二者贴合时重合的面域，因此，需要对模型进行处理，划分出贴合时的面域，以便在此面域上加载摩擦力。

进入Workbench的DM模块，使用表面印记功能，在车轮上制动衬垫的相应位置建立表面印记，如图3所示。

图3 车轮上制动衬垫表面印记

类似地，在车轮与轨道接触部位，建立一个块区域，以便施加轨道对车轮的支反力。使用Workbench的Projection功能（可在圆弧等非平面表面添加表面印记功能），在车轮相应位置添加映射表面区域。

建好所需的区域后，进行网格划分。进入Model模块，定义网格大小为10mm，进行网格划分，得到有限元模型。

2.2 材料定义

车轮材料为普通钢材，定义其材料属性。进入Engineering Data模块，Workbench默认的材料为Structural steel，察看其材料特性。

由上图，系统默认的材料Structural steel弹性模量为2E11Pa，泊松比为0．3，使用此默认设置作为材料属性。

根据以上分析，在ANSYS里添加边界条件如图4。

图4 边界条件与载荷

其中，D处添加固定约束，A处施加竖直向上的力8820N，B处施加水平向左的力8820N，相同位置C处施加导轨对车轮的反作用力15000N。

2.3 计算结果

以上设置即完成前处理工作，进入后处理运算。

车轮在最大受力情况下的应力和变形情况是我们所关心的问题，设置计算其应力和变形量，设置完后提交运算，得到计算结果。

查看车轮的应力云图，如图5和图6所示。

图5 应力云图 （a）

图6 应力云图（b）

由应力云图知，在此工况下，车轮90%以上区域应力低于15MPa，最大应力出现在车轮与导轨接触处，为150．71MPa；此区域应力在70～90MPa左右分布。

根据此计算结果，结合普通钢材的屈服极限（如Q235屈服极限为235MPa）知，制动时车轮强度满足要求。

下面看车轮的变形情况，察看其变形云图。

图7 车轮变形云图

图7 为其变形云图。由图知，车轮最大变形量为0．0298mm，变形量很小，最大变形位置仍然出现在车轮与导轨接触位置。

由此可见，制动器制动后车轮的应力和变形满足要求，未对车轮造成损伤。

3 制动连杆的有限元分析

3.1 制动连杆工作原理力学分析

制动过程中，制动衬垫的力来自于制动连杆。如图8所示，制动连杆在液压油缸的驱动下，绕着其旋转中心轴转动，对制动臂产生一个作用力，通过制动瓦传递到制动衬垫，对制动衬垫施加了一个挤压力，使制动衬垫与车轮接触产生摩擦力，并随着挤压力的增大，摩擦力增大，最终使车轮停止转动。

图8 制动连杆工作原理示意图

根据以上分析，对制动连杆进行有限元分析，分析其在工作过程中的强度和刚度问题。

3.2 建立有限元模型

类似于车轮，将制动连杆三维模型导入有限元软件。对导入的模型进行网格划分，采用六面体网格，网格大小5mm，得到网格，从而得到有限元模型。

3.3 材料定义

制动连杆同样采用普通钢材，使用系统默认的材料Structural steel设置，即弹性模量为2E11Pa，泊松比为0．3，作为其材料属性。

3.4 边界条件与约束设置

据分析，设置制动连杆的边界条件，如图9所示。其中，A处固定5个自由度，释放其沿孔转动自由度；C处采用固定约束；B处施加大小为25kN的力（最大夹紧力50kN，由两个制动杆共同承担，取其中一个为一半）。

图9 制动连杆边界条件

3.5 分析结果

设置好上述所有前处理所需参数后进入后处理，设置关心的应力和变形结果，提交运算，得到运算结果。如图10所示为其应力云图。由图知，在最大夹紧力的情况下，制动连杆上90%区域应力集中在0～120MPa；极小部分区域应力超过120MPa，位于图示红色区域，但未超过157MPa。根据其材料特性，连杆强度满足要求。

图10 制动连杆应力云图（A）

图11 为其变形云图。由图知其最大变形量为0．426mm，变形量较小，刚度较好，满足使用要求。

图11 制动连杆变形云图（B）

4 结语

本文根据3D建模受力有限元分析的要求，我们认真分析各个软件的性能区别，选用较为适合的软件进行建模和有限元分析。首先我们在pro/E中建立制动器的几何模型，并将模型导入到ANSYS有限元分析软件中，进行网格划分并加约束，对制动关键部件进行接触面受力分析，研究应力分布和受力情况。通过分析在施加制动力后，车轮和制动器主要部件的应力和变形均符合要求。为该制度器的应用提供了有力支持。