单元制动器停放缸体强度分析及优化康健

刘德学

摘要：采用有限元法对单元制动器7吋停放缸体和8吋停放缸体进行了强度分析及对比，并对8吋停放缸体实施了优化处理。结果表明，優化后8吋停放缸体应力水平显著降低，且低于成熟运用的7吋停放缸体。

关键词：轨道交通;制动器;停放缸体;有限元

0    引言

单元制动器广泛应用于机车、地铁车辆、轨道工程车等轨道交通车辆，是空气制动系统的最终执行部件。通常情况下，车辆在坡道上长时间停车时为了防止溜逸，实施停放制动是必要的[1]。图1是某型单元制动器的停放缸内部结构示意图，当施加停放制动指令发出后，停放缸内的压力空气排出，同时蓄能弹簧驱动内部机构产生停放制动力。目前该型单元制动停放缸已成熟应用的缸径为7吋，为了满足大轴重调车机车对停放制动性能的要求，在保持停放缸总体结构不变的前提下，通过增大蓄能弹簧驱动力并将停放缸直径增大至8吋，达到停放单元制动器数量不增加以及停放制动缓解风压不超过500 kPa[2]的综合要求。然而，停放缸直径增加将直接导致相同风压下停放缸体的受力增大，尤其是当停放缸内风压很高时。若停放缸体因应力过大而破裂，极易发生伤人事故。因此，必须对8吋停放缸体的强度进行校核。

1    停放缸体受力分析

如图1所示，停放缸体下端通过螺栓安装在中间体上，停放缸体上端内侧与弹簧座接触，蓄能弹簧上端压在弹簧座上，下端压在蓄能活塞上。

当停放缸内风压超过停放制动最小缓解风压时，蓄能活塞被压缩空气推至充风缓解位，如图2所示。此时压缩空气施加给蓄能活塞的推力经蓄能弹簧和弹簧座最终作用在停放缸体上，停放缸体受力大小正比于停放缸内风压。

根据文献[2]，机车单元制动器停放制动缸最高工作压力为1 000 kPa，缓解风压不超过500 kPa。经计算，在以上两种压力下停放缸体所受力的大小如表1所示。

2    停放缸体强度校核

鉴于7吋停放缸已成熟批量应用且多年来未出现停放缸体破损失效的故障，证明7吋停放缸体是足够安全的。因此，在对8吋停放缸体进行强度校核时，可将7吋停放缸体的应力水平作为参照。

本文采用有限元法进行应力计算，应力计算结果分别如图3和图4所示。

从图中可看出，两种停放缸体的最大应力均位于内侧顶部与圆柱面的拐角处，同等压力下8吋停放缸体的应力水平均远高于7吋停放缸体。

停放缸体由Q235B钢板压制而成，该材料的强度极限为375～460 MPa[3]。7吋停放缸体在1 000 kPa风压下的最大等效应力为320 MPa，低于材料的强度极限。8吋停放缸体在1 000 kPa风压下的最大等效应力为586 MPa，已超过材料的强度极限上限值，可见8吋停放缸体采用与7吋停放缸体相同结构已经无法满足静强度要求。

3    停放缸体优化

由上一小节可知，停放缸体顶部拐角是应力集中区域，经过比较分析后，确定最终优化方案：将拐角由斜角与圆角的组合结构改为单圆弧结构，同时为了保持拐角的整体大小与之前一致，圆弧半径最终设定为8 mm，壁厚由4 mm增大至5 mm，如图5所示。

优化后8吋停放缸体在两种风压下的应力如图6所示。根据单元制动器的运用情况，停放缸内充入1 000 kPa的压缩空气考验的是停放缸体的静强度，正常运用中反复充入500 kPa压缩空气进行停放制动缓解考验的则是停放缸体的疲劳强度。由表2可知，优化后的8吋停放缸体的应力水平明显降低，且均小于同等风压下的7吋停放缸体。因此，优化后的8吋停放缸体在静强度和疲劳强度两方面均能满足要求。

4    结语

分析结果表明，壁厚和拐角结构保持不变时，8吋停放缸体应力过大，不能满足静强度要求。经过调整，将8吋停放缸体顶部拐角由斜角与圆角的组合结构优化为单圆弧结构，加工难度降低，且相同风压下的应力水平均低于已成熟运用的7吋停放缸体，在加工经济性和可靠性方面均有明显优势。当然，后续还需要经过试验验证，以促进该型单元制动器获得更好的应用前景。

[参考文献]

[1] 谢启明，王俊勇.BFCF型踏面制动单元原理分析[J].机车电传动，2010（3）：30-32.

[2] 机车单元制动器：TB/T 3145—2007[S].

[3] 《机械工程材料性能数据手册》编委会.机械工程材料性能数据手册[M].北京：机械工业出版社，1995.

收稿日期：2020-03-10

作者简介：康健（1989—），男，四川德阳人，工学硕士，助理工程师，从事制动系统研制工作。