CN113312816B - 一种闸片可靠性的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闸片可靠性的分析方法，涉及有限元分析技术领域，包括以下步骤：第一步，对闸片和制动盘分别建模；第二步，将建立的模型导入分析软件中；第三步，通过所述分析软件研究温度、坡度和外部作用力对所述闸片的影响；第四步，根据所述分析软件的数据得到曲线，分析不同条件下所述闸片的可靠性。本发明通过分析软件研究闸片的可靠性，并通过研究闸片的可靠性性对闸片的失效时间进行把控，为铁路客车提供更换闸片的时间提供参考，也为铁路客车出行提供有效的安全信息，同时为闸片的改进提供参考。

Description

一种闸片可靠性的分析方法

技术领域

本发明涉及有限元分析技术领域，特别是涉及一种闸片可靠性的分析方法。

背景技术

随着高速列车的发展，铁路客车的速度越来越快，那么铁路客车的制动也随之越来越重要。铁路客车在制动时，要研究温度、坡度和外部作用力会对闸片的可靠性产生影响。传统的研究方法需要进行大量试验，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种闸片可靠性的分析方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用分析软件研究闸片的可靠性，降低了成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种闸片可靠性的分析方法，包括以下步骤：

第一步，对闸片和制动盘分别建模；

第二步，将建立的模型导入分析软件中；

第三步，通过所述分析软件研究温度、坡度和外部作用力对所述闸片的影响；

第四步，根据所述分析软件的数据得到曲线，分析不同条件下所述闸片的可靠性。

优选地，所述第一步中，采用Solidworks对所述闸片和所述制动盘分别建模。

优选地，所述第二步中，所述分析软件采用ANSYS有限元软件。

优选地，所述第三步中，在所述分析软件中使用瞬态结构进行分析，包括以下步骤：

A1：对所述闸片和所述制动盘进行网格化处理；

A2：设置摩擦接触，输入摩擦系数μ；

A3：定义接触单元的类型，所述接触单元包括温度自由度和结构自由度；

A4：进行分析，在分析时设置边界条件；

A5：根据仿真模拟得到的云图，绘制所述闸片在不同条件下的温度随时间变化的曲线。

优选地，所述A2中，计算所述摩擦系数时，考虑水平行驶情况和坡道行驶情况：

当水平行驶时，F_制动＝μF_N-mgsinθ＝ma，v_末＝v_初-ax，进行多组试验，得出水平行驶时的摩擦系数的平均值记为μ_正；

当坡道行驶时，F_制动＝μF_N-mgsinθ＝ma，v_末＝v_初-ax，进行多组试验，得出坡道行驶时的摩擦系数的平均值记为μ_坡；

其中，m为所述闸片和所述制动盘所受到的质量，a为加速度，v_初为初速度，v_末为末速度，x为时间，F_N为所述闸片的双侧压力，θ为坡道角度。

优选地，所述A4中，在分析时设置的边界条件包括两个所述闸片的压力F_N、所述闸片的摩擦半径、初速度、所述制动盘的轮径和初始温度。

优选地，所述第四步中，分析所述闸片在不同条件下的可靠性，包括以下步骤：

B1：根据所述分析软件的数据得到曲线，用最小二乘法进行曲线拟合，得到拟合函数S*(x)；

B2：将所述拟合函数代入可靠性方程，得到可靠性曲线，根据可靠性曲线分析所述闸片的可靠性。

优选地，所述B1中，求拟合函数S*(x)的方法包括以下步骤：

通过所得曲线得到一组(x_i，y_i)(i＝0,1···，l)的数据，l为任意大于0的正整数，x为时间，y为温度，求(x_i，y_i)在函数空间

中的所述拟合函数S^*(x)，n为任意大于0的正整数；

误差平方和为：

把最小二乘法中

都考虑为加权平方和，则

ω(x_i)取1，即求y＝S^*(x)就是求多元函数

的极小点(a₀,a₁,···，a_n)问题；

即：

记

则

改写为

为法方程；

即Ga＝d；

其中，a＝(a₀,a₁,···，a_n)^T，d＝(d₀,d₁,···，d_n)^T，

由于

线性无关，故|G|≠0，

(k＝0,1···,n)存在唯一解为

从而得到函数f(x)的最小二乘解为：

优选地，所述B2中，所述可靠性方程为：

其中，C为失效度，C为常数，C＝0.9，x为时间。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过分析软件研究闸片的可靠性，并通过研究闸片的可靠性性对闸片的失效时间进行把控，为铁路客车提供更换闸片的时间提供参考，也为铁路客车出行提供有效的安全信息，同时为闸片的改进提供参考。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种闸片可靠性的分析方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用分析软件研究闸片的可靠性，降低了成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例的闸片可靠性的分析方法应用在铁路客车的研究上。

本实施例提供了一种闸片可靠性的分析方法，包括以下步骤：

第一步，采用Solidworks、Catia、Proe或其他三维软件对铁路客车的闸片和制动盘分别建模，闸片为粉末冶金闸片，制动盘采用铸钢材质；

第二步，将第一步中建立的闸片模型和制动盘模型分别导入分析软件 ANSYS有限元软件中；

第三步，通过分析软件ANSYS研究温度、坡度和外部作用力对闸片的影响；对粉末冶金闸片的影响主要为摩擦而产生的热，因此在分析软件 ANSYS中使用瞬态结构进行分析，包括以下步骤：

A1：对闸片和制动盘进行网格化处理，设置材料使用网格solid226,11，网格尺寸为2mm，网格类型为六面为主，并且设置为映射网格；

A2：设置摩擦接触，输入摩擦系数μ；

A2中，计算摩擦系数时，考虑水平行驶情况和坡道行驶情况：

当水平行驶时，F_制动＝μF_N-mgsinθ＝ma，v_末＝v_初-ax，进行多组试验，得出水平行驶时的摩擦系数的平均值记为μ_正；

当坡道行驶时，F_制动＝μF_N-mgsinθ＝ma，v_末＝v_初-ax，进行多组试验，得出坡道行驶时的摩擦系数的平均值记为μ_坡；

其中，m为闸片和制动盘所受到的质量，m＝8500kg，a为加速度，v_初为初速度，v_末为末速度，x为时间，F_N为闸片的双侧压力，θ为坡道角度；

具体数据如下：

根据1:1制动试验数据知x₁＝49.55s，x₂＝43.51s，可求得μ₁、μ₂，μ_正＝(μ₁+μ₂)/2；由于摩擦系数变化不是很大，所以忽略持续制动对摩擦系数的影响，坡道持续制动为μF_N＝mgsinθ，可求μ₃、μ₄，μ_坡＝(μ₃+μ₄)/2，μ_正和μ_坡分别为作为水平情况和坡道情况下摩擦系数μ的输入值。

A3：定义接触单元的类型，接触单元包括温度自由度和结构自由度；

A4：进行分析，在分析时设置边界条件；A4中，在分析时设置的边界条件包括两个闸片的压力F_N、闸片的摩擦半径、初速度、制动盘的轮径和初始温度，F_N的数值按照上表设置，闸片的摩擦半径为305mm，铁路客车初速度为160km/h，制动盘为轮装铸钢制动盘，制动盘的轮径为920mm，可换算角速度约为96.6rad/s，初始温度为25℃；

A5：根据仿真模拟得到的云图，绘制闸片在不同条件下的温度随时间变化的曲线，不同条件为改变坡道的角度θ的数值和闸片双侧压力F_N的数值；

第四步，根据分析软件的数据得到曲线，分析闸片在不同条件下的可靠性，包括以下步骤：

B1：根据分析软件的数据得到曲线，用最小二乘法进行曲线拟合，得到拟合函数S*(x)；

B1中，求拟合函数S*(x)的方法包括以下步骤：

通过所得曲线得到一组(x_i，y_i)(i＝0,1···，l)的数据，l为任意大于0的正整数，x为时间，y为温度，求(x_i，y_i)在函数空间

中的拟合函数S^*(x)，n为任意大于0的正整数；

误差平方和为：

把最小二乘法中

都考虑为加权平方和，则

ω(x_i)取1，即求y＝S^*(x)就是求多元函数

的极小点(a₀,a₁,···，a_n)问题；

即：

记

则

改写为

为法方程；

即Ga＝d；

其中，a＝(a₀,a₁,···，a_n)^T，d＝(d₀,d₁,···，d_n)^T，

由于

线性无关，故|G|≠0，

(k＝0,1···,n)存在唯一解为

从而得到函数f(x)的最小二乘解为：

B2：将拟合函数代入可靠性方程，可靠性方程为：

其中，C为失效度，C为常数，C＝0.9，x为时间；

得到可靠性曲线，根据可靠性曲线分析闸片的可靠性。

本实施例通过分析软件研究闸片的可靠性，并通过研究闸片的可靠性性对闸片的失效时间进行把控，为铁路客车提供更换闸片的时间提供参考，也为铁路客车出行提供有效的安全信息，同时为闸片的改进提供参考。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种闸片可靠性的分析方法，其特征在于:包括以下步骤：

第一步，对闸片和制动盘分别建模；

第二步，将建立的模型导入分析软件中；

第三步，通过所述分析软件研究温度、坡度和外部作用力对所述闸片的影响，在所述分析软件中包括A2：设置摩擦接触，输入摩擦系数μ和A4：进行分析，在分析时设置边界条件；计算所述摩擦系数时，考虑水平行驶情况和坡道行驶情况：

当水平行驶时，F_制动 = μF_N - mgsinθ = ma，v_末= v_初- ax，进行多组试验，得出水平行驶时的摩擦系数的平均值记为μ_正；

当坡道行驶时，F_制动 = μF_N - mgsinθ = ma，v_末= v_初- ax，进行多组试验，得出坡道行驶时的摩擦系数的平均值记为μ_坡；

其中，m为所述闸片和所述制动盘所受到的质量，a为加速度，v_初为初速度，v_末为末速度，x为时间，F_N为所述闸片的双侧压力，θ为坡道角度；

所述A4 中，在分析时设置的边界条件包括两个所述闸片的压力FN；

第四步，根据所述分析软件的数据得到曲线，分析不同条件下所述闸片

的可靠性。

2.根据权利要求1所述的闸片可靠性的分析方法，其特征在于：所述第一步中，采用Solidworks对所述闸片和所述制动盘分别建模。

3.根据权利要求1所述的闸片可靠性的分析方法，其特征在于：所述第二步中，所述分析软件采用ANSYS有限元软件。

4.根据权利要求1所述的闸片可靠性的分析方法，其特征在于：所述第三步中，在所述分析软件中使用瞬态结构进行分析，还包括以下步骤：

Al：对所述闸片和所述制动盘进行网格化处理；

A3：定义接触单元的类型，所述接触单元包括温度自由度和结构自由度；

A5：根据仿真模拟得到的云图，绘制所述闸片在不同条件下的温度随时

间变化的曲线。

5.根据权利要求4所述的闸片可靠性的分析方法，其特征在于：所述A4 中，在分析时设置的边界条件包括所述闸片的摩擦半径、初速度、所述制动盘的轮径和初始温度。

6.根据权利要求 1所述的闸片 可靠性的分析方法，其特征在于：所述第四步中，分析所述闸片在不同条件下的可靠性，包括以下步骤：

B1：根据所述分析软件的数据得到曲线，用最小二乘法进行曲线拟合,得到拟合函数S*(x)；

B2：将所述拟合函数代入可靠性方程，得到可靠性曲线，根据可靠性曲线分析所述闸片的可靠性。

7.根据权利要求6所述的闸片可靠性的分析方法，其特征在于：所述B2

中，所述可靠性方程为：

其中，C为失效度，C为常数，C=0.9，x为时间。