動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

楊亦錚

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

隨著列車提速及高速動(dòng)車組的大量運(yùn)用，保障列車安全的制動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要。制動(dòng)夾鉗作為制動(dòng)夾鉗單元的關(guān)鍵受力部件，用于將制動(dòng)夾鉗單元牢固可靠的吊裝到轉(zhuǎn)向架上，并將制動(dòng)缸的活塞推力，放大一定的倍數(shù)，轉(zhuǎn)為閘片正壓力，從而確保動(dòng)車組在安全距離內(nèi)停車。

制動(dòng)夾鉗各部件在運(yùn)用過程中，承受較大的外力作用。本文利用有限元軟件ANSYS，對(duì)制動(dòng)夾鉗各主要受力部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，明確各主要受力部件的受力特點(diǎn)，并通過對(duì)制動(dòng)夾鉗進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效改善制動(dòng)夾鉗主要受力部件的受力工況。

1 制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)介紹

在動(dòng)車組上，大量采用3點(diǎn)吊掛制動(dòng)夾鉗單元，制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1～圖3所示。

圖1 制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)示意

圖2 制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

制動(dòng)夾鉗單元由制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)缸組成。制動(dòng)夾鉗通過吊銷和吊桿螺栓連接到轉(zhuǎn)向架上。制動(dòng)夾鉗主要受力部件包括制動(dòng)杠桿、吊架及制動(dòng)杠桿螺栓等部件。

制動(dòng)杠桿螺栓為制動(dòng)夾鉗的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，制動(dòng)缸的活塞推力，通過制動(dòng)杠桿放大一定的倍數(shù)后，轉(zhuǎn)化為閘片正壓力，產(chǎn)生制動(dòng)作用。

吊架是制動(dòng)夾鉗與轉(zhuǎn)向架的連接部件，其自身的強(qiáng)度，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的安全性尤為關(guān)鍵。制動(dòng)杠桿螺栓作為制動(dòng)杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在運(yùn)用中承受較大的應(yīng)力。

2 制動(dòng)夾鉗的受力分析

以動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗單元運(yùn)用為例，考慮制動(dòng)夾鉗單元最大使用壓力為600 kPa，制動(dòng)杠桿的倍率為1.6，制動(dòng)缸活塞面積為323.7 cm2，閘片與制動(dòng)盤摩擦系數(shù)0.35，制動(dòng)缸固定螺栓處的活塞推力為：

F活=(600 kPa×323.7/10-1 500)×0.98=

17 563 (N)

式中：1 500 N為制動(dòng)缸的復(fù)原力；0.98為制動(dòng)缸各零部件的傳動(dòng)效率。

3 約束方式對(duì)制動(dòng)夾鉗強(qiáng)度影響

3.1 原結(jié)構(gòu)制動(dòng)杠桿螺栓受力分析

制動(dòng)夾鉗是動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)主要受力部件。在制動(dòng)過程中，制動(dòng)杠桿以制動(dòng)杠桿螺栓為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，將制動(dòng)缸的活塞推力放大一定的倍率，轉(zhuǎn)化為閘片正壓力，產(chǎn)生制動(dòng)作用。

由圖3可知，制動(dòng)杠桿螺栓為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)夾鉗通過吊架和吊桿固定到動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架上，制動(dòng)杠桿繞制動(dòng)杠桿螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)作用。因此簡(jiǎn)化制動(dòng)杠桿螺栓的受力模型見圖4所示。

圖4 制動(dòng)杠桿螺栓受力模型簡(jiǎn)化

由彎矩平衡可知：FAy=FBy=F1；

由靜力平衡方程計(jì)算可得圖4所示的剪力圖和彎矩圖見圖5所示。

圖5 彎矩圖和剪力圖

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及受力分析

更改約束點(diǎn)的位置，將約束點(diǎn)A、B的位置往中間移，將力F1作用到約束點(diǎn)的外側(cè)，受力模型見圖6所示。

由彎矩平衡可知：FAy=FBy=F1；

由靜力平衡方程計(jì)算可得圖6所示的剪力圖和彎矩圖見圖7所示。

圖6 受力模型

圖7 剪力圖和彎矩圖

結(jié)合制動(dòng)夾鉗模型(圖3)、剪力圖(圖5和圖7)可以看出，在相同的制動(dòng)缸活塞推力下，制動(dòng)夾鉗的最大彎矩位置，由圖4作用力F1處移動(dòng)到了圖5所示支點(diǎn)A處，約束點(diǎn)的變化對(duì)制動(dòng)夾鉗受力的影響有以下兩點(diǎn)：

(1)通過優(yōu)化模型，可以使彎矩最大位置處，由制動(dòng)杠桿處變?yōu)榈跫苌?，?yōu)化整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力工況。

(2)改善制動(dòng)夾鉗整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度，減小整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。

4 制動(dòng)夾鉗強(qiáng)度分析

4.1 原制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

(1) 模型建立

依據(jù)制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)尺寸，建立制動(dòng)夾鉗主要受力部件的三維模型及有限元模型，見圖8和圖9所示。

圖8 制動(dòng)夾鉗主要受力部件三維模型

圖9 制動(dòng)夾鉗主要受力部件有限元模型

(2)制動(dòng)夾鉗主要受力部件材料

表1 材料的機(jī)械性能

(3) 載荷及約束施加

①在吊架與轉(zhuǎn)向架安裝孔內(nèi)施加全約束；

②制動(dòng)杠桿與制動(dòng)缸連接孔內(nèi)施加活塞桿推力17 563 N；

③在制動(dòng)杠桿與閘片托的配合孔內(nèi)施加水平約束。

載荷及約束施加示意圖見圖10。

圖10 載荷及約束示意圖

(4) 結(jié)果分析

通過計(jì)算分析，制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的最大應(yīng)力見表2。

表2 吊桿約束A處的支反力以及吊桿的最大應(yīng)力

制動(dòng)杠桿螺栓的最大變形量為0.42 mm。

制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的應(yīng)力云圖見圖11～圖14所示。

圖11 制動(dòng)杠桿應(yīng)力云圖

圖12 吊架應(yīng)力云圖

圖13 制動(dòng)杠桿螺栓應(yīng)力云圖

圖14 制動(dòng)杠桿螺栓位移圖

4.2 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強(qiáng)度分析

根據(jù)文中第3節(jié)受力分析結(jié)果，對(duì)制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，制動(dòng)杠桿螺栓結(jié)構(gòu)不變，制動(dòng)杠桿和吊架的厚度不變，改變吊架與制動(dòng)杠桿螺栓的配合位置(即改變支點(diǎn)的位置)。優(yōu)化后制動(dòng)夾鉗三維模型和有限元模型見圖15、圖16所示。

圖15 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化三維模型

圖16 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)又換有限元模型

(1) 主要受力部件材料

制動(dòng)夾鉗主要受力部件的材料見表1。

(2) 載荷及約束施加

載荷及約束施加按第4.1(3)節(jié)執(zhí)行。載荷及約束施加示意圖見圖17。

圖17 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化后載荷及約束施加示意圖

(3) 結(jié)果分析

通過計(jì)算分析，制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的最大應(yīng)力見表3。

表2 吊桿約束A處的支反力以及吊桿的最大應(yīng)力

制動(dòng)杠桿螺栓的最大變形量為0.34 mm。

制動(dòng)杠桿、吊架、制動(dòng)杠桿螺栓的應(yīng)力云圖見圖18～圖21所示。

圖18 制動(dòng)杠桿應(yīng)力云圖

圖19 吊架應(yīng)力云圖

圖20 制動(dòng)杠桿螺栓應(yīng)力云圖

圖21 制動(dòng)杠桿螺栓位移圖

5 結(jié) 論

由計(jì)算結(jié)果可以看出，通過優(yōu)化制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)，能夠有效的改善制動(dòng)夾鉗的受力，改進(jìn)結(jié)果如下：

(1)通過優(yōu)化制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)，在相同的工況下，可以使吊架的最大應(yīng)力由96.4 MPa降低到72.4 MPa，降低21.6%；相同工況下制動(dòng)杠桿螺栓的最大應(yīng)力由110.7 MPa降低到89.2 MPa，降低19.4%。

(2)改善制動(dòng)夾鉗整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度，相同工況下制動(dòng)杠桿螺栓的最大位移由0.42 mm降低到0.34 mm，最大位移降低19%，并且能夠有效的降低制動(dòng)杠桿螺栓主要受力部位的變形。