动车组制动夹钳结构设计及优化*

杨亦铮

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081;2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

随着列车提速及高速动车组的大量运用，保障列车安全的制动系统至关重要。制动夹钳作为制动夹钳单元的关键受力部件，用于将制动夹钳单元牢固可靠的吊装到转向架上，并将制动缸的活塞推力，放大一定的倍数，转为闸片正压力，从而确保动车组在安全距离内停车。

制动夹钳各部件在运用过程中，承受较大的外力作用。本文利用有限元软件ANSYS，对制动夹钳各主要受力部件进行强度分析，明确各主要受力部件的受力特点，并通过对制动夹钳进行结构优化，有效改善制动夹钳主要受力部件的受力工况。

1 制动夹钳的结构介绍

在动车组上，大量采用3点吊挂制动夹钳单元，制动夹钳单元的结构示意图见图1～图3所示。

图1 制动夹钳单元结构示意

图2 制动缸结构示意图

图3 制动夹钳结构示意图

制动夹钳单元由制动夹钳和制动缸组成。制动夹钳通过吊销和吊杆螺栓连接到转向架上。制动夹钳主要受力部件包括制动杠杆、吊架及制动杠杆螺栓等部件。

制动杠杆螺栓为制动夹钳的转动关节，制动缸的活塞推力，通过制动杠杆放大一定的倍数后，转化为闸片正压力，产生制动作用。

吊架是制动夹钳与转向架的连接部件，其自身的强度，对制动夹钳单元的安全性尤为关键。制动杠杆螺栓作为制动杠杆的转动关节，在运用中承受较大的应力。

2 制动夹钳的受力分析

以动车组制动夹钳单元运用为例，考虑制动夹钳单元最大使用压力为600 kPa，制动杠杆的倍率为1.6，制动缸活塞面积为323.7 cm2，闸片与制动盘摩擦系数0.35，制动缸固定螺栓处的活塞推力为：

F活=(600 kPa×323.7/10-1 500)×0.98=

17 563 (N)

式中：1 500 N为制动缸的复原力；0.98为制动缸各零部件的传动效率。

3 约束方式对制动夹钳强度影响

3.1 原结构制动杠杆螺栓受力分析

制动夹钳是动车组制动时主要受力部件。在制动过程中，制动杠杆以制动杠杆螺栓为转动支点，将制动缸的活塞推力放大一定的倍率，转化为闸片正压力，产生制动作用。

由图3可知，制动杠杆螺栓为转动关节，在制动时，制动夹钳通过吊架和吊杆固定到动车组转向架上，制动杠杆绕制动杠杆螺栓转动，产生制动作用。因此简化制动杠杆螺栓的受力模型见图4所示。

图4 制动杠杆螺栓受力模型简化

由弯矩平衡可知：FAy=FBy=F1；

由静力平衡方程计算可得图4所示的剪力图和弯矩图见图5所示。

图5 弯矩图和剪力图

3.2 结构优化及受力分析

更改约束点的位置，将约束点A、B的位置往中间移，将力F1作用到约束点的外侧，受力模型见图6所示。

由弯矩平衡可知：FAy=FBy=F1；

由静力平衡方程计算可得图6所示的剪力图和弯矩图见图7所示。

图6 受力模型

图7 剪力图和弯矩图

结合制动夹钳模型(图3)、剪力图(图5和图7)可以看出，在相同的制动缸活塞推力下，制动夹钳的最大弯矩位置，由图4作用力F1处移动到了图5所示支点A处，约束点的变化对制动夹钳受力的影响有以下两点：

(1)通过优化模型，可以使弯矩最大位置处，由制动杠杆处变为吊架上，优化整个结构的受力工况。

(2)改善制动夹钳整个结构的刚度，减小整个结构的变形。

4 制动夹钳强度分析

4.1 原制动夹钳结构强度分析

(1) 模型建立

依据制动夹钳的结构尺寸，建立制动夹钳主要受力部件的三维模型及有限元模型，见图8和图9所示。

图8 制动夹钳主要受力部件三维模型

图9 制动夹钳主要受力部件有限元模型

(2)制动夹钳主要受力部件材料

表1 材料的机械性能

(3) 载荷及约束施加

①在吊架与转向架安装孔内施加全约束；

②制动杠杆与制动缸连接孔内施加活塞杆推力17 563 N；

③在制动杠杆与闸片托的配合孔内施加水平约束。

载荷及约束施加示意图见图10。

图10 载荷及约束示意图

(4) 结果分析

通过计算分析，制动杠杆、吊架、制动杠杆螺栓的最大应力见表2。

表2 吊杆约束A处的支反力以及吊杆的最大应力

制动杠杆螺栓的最大变形量为0.42 mm。

制动杠杆、吊架、制动杠杆螺栓的应力云图见图11～图14所示。

图11 制动杠杆应力云图

图12 吊架应力云图

图13 制动杠杆螺栓应力云图

图14 制动杠杆螺栓位移图

4.2 制动夹钳结构优化及强度分析

根据文中第3节受力分析结果，对制动夹钳结构进行优化，制动杠杆螺栓结构不变，制动杠杆和吊架的厚度不变，改变吊架与制动杠杆螺栓的配合位置(即改变支点的位置)。优化后制动夹钳三维模型和有限元模型见图15、图16所示。

图15 制动夹钳结构优化三维模型

图16 制动夹钳结构又换有限元模型

(1) 主要受力部件材料

制动夹钳主要受力部件的材料见表1。

(2) 载荷及约束施加

载荷及约束施加按第4.1(3)节执行。载荷及约束施加示意图见图17。

图17 制动夹钳结构优化后载荷及约束施加示意图

(3) 结果分析

通过计算分析，制动杠杆、吊架、制动杠杆螺栓的最大应力见表3。

表2 吊杆约束A处的支反力以及吊杆的最大应力

制动杠杆螺栓的最大变形量为0.34 mm。

制动杠杆、吊架、制动杠杆螺栓的应力云图见图18～图21所示。

图18 制动杠杆应力云图

图19 吊架应力云图

图20 制动杠杆螺栓应力云图

图21 制动杠杆螺栓位移图

5 结 论

由计算结果可以看出，通过优化制动夹钳结构，能够有效的改善制动夹钳的受力，改进结果如下：

(1)通过优化制动夹钳结构，在相同的工况下，可以使吊架的最大应力由96.4 MPa降低到72.4 MPa，降低21.6%；相同工况下制动杠杆螺栓的最大应力由110.7 MPa降低到89.2 MPa，降低19.4%。

(2)改善制动夹钳整个结构的刚度，相同工况下制动杠杆螺栓的最大位移由0.42 mm降低到0.34 mm，最大位移降低19%，并且能够有效的降低制动杠杆螺栓主要受力部位的变形。