CN111898209A - 一种对制动夹钳的静强度特性分析方法 - Google Patents

一种对制动夹钳的静强度特性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，采用通过有限元软件对制动夹钳的静强度及模态进行仿真计算分析，通过更加简单的计算方式，快速得到制动夹钳各构件的最大应力，且采用这样的计算方式能够提高制动夹钳的静强度的计算精度，从而提高列车的制动效率。

Description

一种对制动夹钳的静强度特性分析方法
技术领域
本发明属于磁浮列车技术领域，具体为一种对制动夹钳的静强度特性分析方法。
背景技术
制动夹钳是磁浮列车制动系统的执行部件，电子制动控制单元(EBCU)根据列车指令控制液压制动控制单元(HBCU)为制动夹钳提供压力油，制动夹钳上的活塞杆在压力油作用下推动闸片夹紧F轨，对列车实施制动。
目前对于制动夹钳的静强度计算一般采用在制动夹钳的液压部分上设置压力传感器，通过压力传感器测量制动夹钳对F轨在最大工况下的最大紧急制动力，然后再通过较复杂的计算计算出制动夹钳的静强度；采用这样的计算方式比较复杂，且精度不高，容易出现由于精准度不高而导致制动夹钳的制动性能不高，从而影响列车的制动效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，采用通过有限元软件对制动夹钳的静强度及模态进行仿真计算分析，通过更加简单的计算方式，快速得到制动夹钳各构件的最大应力，且采用这样的计算方式能够提高制动夹钳的静强度的计算精度，从而提高列车的制动效率。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，所述制动夹钳的实体结构包括主动夹块和从动夹块，从动夹块与主动夹块之间设置安装板，安装板处设置有减震垫组件，从动夹块与主动夹块通过上吊杆和下吊杆螺栓连接，从动夹块上部设置闸片组件，闸片组件与制动连杆螺栓连接，主动夹块包括油缸，所述制动夹钳的实体结构还包括活塞杆，所述油缸与活塞杆配合，所述活塞杆的侧壁上设置闸片组件；包括以下步骤：
S1：有限元模型建立，根据制动夹钳的实体结构各个部件的受力情况不同，将制动夹钳的实体结构划分为主要受力部件和次要部件；主要受力部件包括主动夹块、从动夹块、上吊杆、下吊杆和制动连杆；次要部件包括闸片组件、活塞杆和螺栓；
基于划分后的制动夹钳的实体结构、在有限元软件中建立简化的制动夹钳结构的有限元模型；对有限元模型配置对应的计算参数、材料参数；
S2：边界条件处理，所述有限元模型以制动夹钳的安装板为基点坐标，建立坐标系，其中，x轴正向为制动方向，y轴为竖直向上，z轴在水平面上，可用x轴、y轴右手定则确定z轴方向；
主动夹块的边界条件为：油缸内施加压力，约束上吊杆与安装板处有减震垫组件接触处x和z方向位移，下吊杆约束与安装板接触位置x、y和z方向位移；
从动夹块的边界条件为：约束上吊杆在安装板减震垫组件处的x和z方向位移，约束下吊杆在安装板接触位置x、y和z方向位移，在闸片上施加作用方向向从动夹块的均布力模拟夹紧力，从动夹块与闸片间为摩擦接触；
上吊杆的边界条件为：约束上吊杆在安装板减震垫组件处的x和z方向位移，上吊杆与主动夹块和从动夹块之间均为摩擦接触；
下吊杆的边界条件为：约束下吊杆在安装板接触处的x、y和z方向位移，下吊杆端盖与主动夹块和从动夹块之间均为固定接触；
制动连杆的边界条件为：选择与活塞杆相连一侧的制动连杆作为计算目标，闸片上施加x方向制动力，制动连杆的一端与闸片组件用螺栓连接，另一端施加固定约束，闸片组件之间、闸片组件与制动连杆之间、螺栓连接处接触皆为摩擦接触，在活塞杆套座顶端环面施加固定约束；
S3：计算主要受力部件静强度，根据步骤1)的各个部件的参数与步骤2)所设定的边界条件，计算主要受力部件的应变及应力，再将主要受力部件的位移、应变绘制分布云图；
S4：判定主要受力部件最大应力是否超过主要受力部件的许用应力，根据步骤3)计算得到的主要受力部件所产生的最大应力与主要受力部件材料参数所对应的许用应力对比，若没有超过，即设计符合要求，不对该制动夹钳结构做任何标记；若超过，即不符合设计要求，标记该制动夹钳结构。
现有技术中对于制动夹钳的静强度计算一般采用在制动夹钳的液压部分上设置压力传感器，通过压力传感器测量制动夹钳对F轨在最大工况下的最大紧急制动力，然后再通过较复杂的计算计算出制动夹钳的静强度；采用这样的计算方式比较复杂，且精度不高，容易出现由于精准度不高而导致制动夹钳的制动性能不高，从而影响列车的制动效率。
本方案采用通过有限元软件对制动夹钳的静强度进行仿真计算分析，通过更加简单的计算方式，快速得到制动夹钳各构件的最大应力，且采用这样的计算方式能够提高制动夹钳的静强度的计算精度，从而提高列车的制动效率。
进一步地，在步骤1)中，所述制动夹钳结构模型划分，采用实体单元solid185模拟。
进一步地，所述闸片组件和活塞杆材料采用ZL205A，螺栓材料采用06Cr19Ni10。
进一步地，所述主动夹块和从动夹块材料采用ZL205A，上吊杆和下吊杆材料采用1Cr17Ni2，制动连杆材料采用06Cr19Ni10。
进一步地，所述制动油缸缸径为32mm，油缸活塞作用面积为804mm2，制动缸压力为5.2MPa，机械效率为0.9，动态摩擦系数为0.3，回位弹簧力为300N，单个夹钳夹紧力为7255.4N，制动力为4353.3N。
进一步地，在步骤2)中，主动夹块的边界条件油缸内施加的压力为5.2MPa。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果
1、本方案采用通过有限元软件对制动夹钳的静强度进行仿真计算分析，通过更加简单的计算方式，快速得到制动夹钳各构件的最大应力，且采用这样的计算方式能够提高制动夹钳的静强度的计算精度，从而提高列车的制动效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的结构实体图。
图3为本发明有限元模型图。
图4为本发明主动夹块总位移云图及总应力云图。
图5为本发明从动夹块总位移云图及总应力云图。
图6为本发明上吊杆总位移云图及总应力云图。
图7为本发明下吊杆总位移云图及总应力云图。
图8为本发明制动连杆总位移云图及总应力云图。
附图标记及对应的零部件名称：
1-F轨；2-从动夹块；3-闸片；4-活塞杆；5-上吊杆；6-主动夹块；7-下吊杆；8-安装板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
【实施例1】
如图1所示，为了进一步的说明本实施例的分析方法，本实施例以列车紧急制动时减速度为1.3m/s2，材料ZL205A的许用应力为430MPa，材料1Cr17Ni2的许用应力为770MPa，材料06Cr19Ni10的许用应力为205MPa，进行说明；
一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，制动夹钳的实体结构包括主动夹块6和从动夹块2，从动夹块2与主动夹块6之间设置安装板8，安装板8处设置有减震垫组件，从动夹块2与主动夹块6通过上吊杆5和下吊杆7螺栓连接，从动夹块2上部设置闸片组件3，闸片组件3与制动连杆螺栓连接，主动夹块6包括油缸，制动夹钳的实体结构还包括活塞杆4，油缸与活塞杆4配合，活塞杆的侧壁上设置闸片组件3；包括以下步骤：
S1：有限元模型建立，根据制动夹钳的实体结构各个部件的受力情况不同，将制动夹钳的实体结构划分为主要受力部件和次要部件；主要受力部件包括主动夹块、从动夹块、上吊杆、下吊杆和制动连杆；次要部件包括闸片组件、活塞杆和螺栓；
基于划分后的制动夹钳的实体结构、在有限元软件中建立简化的制动夹钳结构的有限元模型；对有限元模型配置对应的计算参数、材料参数；
S2：边界条件处理，所述有限元模型以制动夹钳的安装板为基点坐标，建立坐标系，其中，x轴正向为制动方向，y轴为竖直向上，z轴在水平面上，可用x轴、y轴右手定则确定z轴方向；
主动夹块的边界条件为：油缸内施加压力，约束上吊杆与安装板处有减震垫组件接触处x和z方向位移，下吊杆约束与安装板接触位置x、y和z方向位移；
从动夹块的边界条件为：约束上吊杆在安装板减震垫组件处的x和z方向位移，约束下吊杆在安装板接触位置x、y和z方向位移，在闸片上施加作用方向向从动夹块的均布力模拟夹紧力，从动夹块与闸片间为摩擦接触；
上吊杆的边界条件为：约束上吊杆在安装板减震垫组件处的x和z方向位移，上吊杆与主动夹块和从动夹块之间均为摩擦接触；
下吊杆的边界条件为：约束下吊杆在安装板接触处的x、y和z方向位移，下吊杆端盖与主动夹块和从动夹块之间均为固定接触；
制动连杆的边界条件为：选择与活塞杆相连一侧的制动连杆作为计算目标，闸片上施加x方向制动力，制动连杆的一端与闸片组件用螺栓连接，另一端施加固定约束，闸片组件之间、闸片组件与制动连杆之间、螺栓连接处接触皆为摩擦接触，在活塞杆套座顶端环面施加固定约束；
S3：计算主要受力部件静强度，根据步骤1)的各个部件的参数与步骤2)所设定的边界条件，计算主要受力部件的应变及应力，再将主要受力部件的位移、应变绘制分布云图；
S4：判定主要受力部件最大应力是否超过主要受力部件的许用应力，根据步骤3)计算得到的主要受力部件所产生的最大应力与主要受力部件材料参数所对应的许用应力对比，若没有超过，即设计符合要求，不对该制动夹钳结构做任何标记；若超过，即不符合设计要求，标记该制动夹钳结构。
现有技术中对于制动夹钳的静强度计算一般采用在制动夹钳的液压部分上设置压力传感器，通过压力传感器测量制动夹钳对F轨在最大工况下的最大紧急制动力，然后再通过较复杂的计算计算出制动夹钳的静强度；采用这样的计算方式比较复杂，且精度不高，容易出现由于精准度不高而导致制动夹钳的制动性能不高，从而影响列车的制动效率。
本方案采用通过有限元软件对制动夹钳的静强度进行仿真计算分析，通过更加简单的计算方式，快速得到制动夹钳各构件的最大应力，且采用这样的计算方式能够提高制动夹钳的静强度的计算精度，从而提高列车的制动效率。
进一步地，在步骤1)中，所述制动夹钳结构模型划分，采用实体单元solid185模拟。
进一步地，所述闸片组件和活塞杆材料采用ZL205A，螺栓材料采用06Cr19Ni10。
进一步地，所述主动夹块和从动夹块材料采用ZL205A，上吊杆和下吊杆材料采用1Cr17Ni2，制动连杆材料采用06Cr19Ni10。
进一步地，所述制动油缸缸径为32mm，油缸活塞作用面积为804mm2，制动缸压力为5.2MPa，机械效率为0.9，动态摩擦系数为0.3，回位弹簧力为300N，单个夹钳夹紧力为7255.4N，制动力为4353.3N。
进一步地，在步骤2)中，主动夹块的边界条件油缸内施加的压力为5.2MPa。
主动夹块：最大位移为0.472mm，位于油缸后端；其最大应力为55.21MPa，小于材料ZL205A的许用应力，最大应力位于主动夹块与上吊杆连接处。
从动夹块：最大位移为0.256mm，位于从动夹块上部，其最大应力为34.12MPa，小于材料ZL205A的许用应力，最大应力位于从动夹块与下吊杆连接处底部。
上吊杆：最大位移为0.114mm，位于减震垫组件处，其最大应力为128.7MPa，位于上吊杆端帽与主动夹块接触位置，小于材料1Cr17Ni2的许用应力。
下吊杆：最大位移为0.081mm，其最大应力为114.986MPa，最大应力位于端帽底部，小于材料1Cr17Ni2的许用应力。
制动连杆：其最大位移为0.038mm，位于闸片组件连接端；其最大应力为5.76MPa，位于螺栓连接孔，小于06Cr19Ni10的许用应力。
通过上述对制动夹钳的主要受力构件分析，均没有超过制动夹钳的材料的许用应力，均设计符合要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，所述制动夹钳的实体结构包括主动夹块(6)和从动夹块(2)，从动夹块(2)与主动夹块(6)之间设置安装板(8)，安装板(8)处设置有减震垫组件，从动夹块(2)与主动夹块(6)通过上吊杆(5)和下吊杆(7)螺栓连接，从动夹块(2)上部设置闸片组件(3)，闸片组件(3)与制动连杆螺栓连接，主动夹块(6)包括油缸，所述制动夹钳的实体结构还包括活塞杆(4)，所述油缸与活塞杆(4)配合，所述活塞杆的侧壁上设置闸片组件(3)；其特征在于：包括以下步骤：
S1：有限元模型建立，根据制动夹钳的实体结构各个部件的受力情况不同，将制动夹钳的实体结构划分为主要受力部件和次要部件；主要受力部件包括主动夹块、从动夹块、上吊杆、下吊杆和制动连杆；次要部件包括闸片组件、活塞杆和螺栓；
基于划分后的制动夹钳的实体结构、在有限元软件中建立简化的制动夹钳结构的有限元模型；对有限元模型配置对应的计算参数、材料参数；
S2：边界条件处理，所述有限元模型以制动夹钳的安装板为基点坐标，建立坐标系，其中，x轴正向为制动方向，y轴为竖直向上，z轴在水平面上，可用x轴、y轴右手定则确定z轴方向；
主动夹块的边界条件为：油缸内施加压力，约束上吊杆与安装板处有减震垫组件接触处x和z方向位移，下吊杆约束与安装板接触位置x、y和z方向位移；
从动夹块的边界条件为：约束上吊杆在安装板减震垫组件处的x和z方向位移，约束下吊杆在安装板接触位置x、y和z方向位移，在闸片上施加作用方向向从动夹块的均布力模拟夹紧力，从动夹块与闸片间为摩擦接触；
上吊杆的边界条件为：约束上吊杆在安装板减震垫组件处的x和z方向位移，上吊杆与主动夹块和从动夹块之间均为摩擦接触；
下吊杆的边界条件为：约束下吊杆在安装板接触处的x、y和z方向位移，下吊杆端盖与主动夹块和从动夹块之间均为固定接触；
制动连杆的边界条件为：选择与活塞杆相连一侧的制动连杆作为计算目标，闸片上施加x方向制动力，制动连杆的一端与闸片组件用螺栓连接，另一端施加固定约束，闸片组件之间、闸片组件与制动连杆之间、螺栓连接处接触皆为摩擦接触，在活塞杆套座顶端环面施加固定约束；
S3：计算主要受力部件静强度，根据步骤1)的各个部件的参数与步骤2)所设定的边界条件，计算主要受力部件的应变及应力，再将主要受力部件的位移、应变绘制分布云图；
S4：判定主要受力部件最大应力是否超过主要受力部件的许用应力，根据步骤3)计算得到的主要受力部件所产生的最大应力与主要受力部件材料参数所对应的许用应力对比，若没有超过，即设计符合要求，不对该制动夹钳结构做任何标记；若超过，即不符合设计要求，标记该制动夹钳结构。
2.根据权利要求1所述的一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，其特征在于：在步骤1)中，所述制动夹钳结构模型划分，采用实体单元solid185模拟。
3.根据权利要求1所述的一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，其特征在于：所述闸片组件和活塞杆材料采用ZL205A，螺栓材料采用06Cr19Ni10。
4.根据权利要求1所述的一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，其特征在于：所述主动夹块和从动夹块材料采用ZL205A，上吊杆和下吊杆材料采用1Cr17Ni2，制动连杆材料采用06Cr19Ni10。
5.根据权利要求1所述的一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，其特征在于：所述制动油缸缸径为32mm，油缸活塞作用面积为804mm2，制动缸压力为5.2MPa，机械效率为0.9，动态摩擦系数为0.3，回位弹簧力为300N，单个夹钳夹紧力为7255.4N，制动力为4353.3N。
6.权利要求1所述的一种对制动夹钳的静强度特性分析方法，其特征在于：在步骤2)中，主动夹块的边界条件油缸内施加的压力为5.2MPa。
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