分體式制動輪可靠性分析*

岳海豹，馬寶明

(1.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024；2.太原重工 起重機分公司，山西 太原 030024)

0 引言

制動輪是起重機械最重要的部件之一，其主要功能是使行駛的機構減速或者停止、使上升下降的機構保持速度穩(wěn)定或者懸停不動。制動輪直徑較小時多采用45鋼材料鍛件，較大時多選用鑄件。隨著工業(yè)水平的發(fā)展，其結構正逐步由一體式制動輪向分體式制動輪轉變。與一體式制動輪相比，分體式制動輪材料利用率更高且便于拆裝，方便現(xiàn)場更換[1]。本文以起重機制動輪為依托，通過有限元分析、模擬工況疲勞分析，對螺栓連接形式制動輪的可靠性進行驗證。

1 螺栓連接制動輪結構設計

螺栓連接形式制動輪是將原整體式制動輪進行拆分，分為制動輪外輪緣及內軸套兩部分，通過螺栓連接、保證加工精度等手段，從而滿足制動輪的使用要求。分體式螺栓連接形式制動輪與原制動輪相比具有可批量生產、后期維修拆裝方便、生產效率高和成本低等優(yōu)點。本文對直徑Φ500的分體螺栓連接形式制動輪(以下簡稱分體式制動輪)進行力學計算及有限元分析，計算校核結構的強度、剛度。其輸入參數(shù)及載荷工況等均來源于實際實驗數(shù)據(jù)乘以一定的安全系數(shù)。

分體式螺栓連接形式制動輪如圖1所示。

2 有限元模型的建立

根據(jù)圖1建立分體式制動輪三維裝配模型，如圖2所示。根據(jù)其結構特性，選用NX Nastran 中CHEXA(8)六面體單元建立分體式制動輪的有限元分析模型，如圖3所示。計算模型中節(jié)點總數(shù)為228 428，單元總數(shù)為188 861。

圖1 分體式螺栓連接形式制動輪

圖2 分體式制動輪三維裝配圖 圖3 分體式制動輪有限元模型

3 材料力學特性

分體式制動輪外輪緣與內軸套選用材料為45鋼。彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。連接螺栓性能等級為8.8。材料的屈服強度σs及抗拉強度σb如表1所示。

表1 材料的力學特性

4 載荷工況及邊界條件

本文分析的分體式制動輪主要承受載荷為：結構自重112 kg；制動器最大制動力矩10 000 Nm。

依據(jù)其結構特性，外輪緣與內軸套、螺栓與鉸制孔和螺母墊圈等實際相互接觸部位均采用接觸算法進行仿真。外輪緣承受制動力矩，內軸套與減速機高速軸連接部位約束相應的位移自由度。詳細的載荷邊界條件施加情況如圖4所示。

圖4 分體式制動輪載荷邊界條件 圖5 徑向位移云圖 圖6 切向位移云圖

5 有限元分析結果

分體式制動輪在最大制動力矩作用下的強度和剛度分析結果如圖5～圖12所示。其中，Von-Mises等效應力是按第四強度理論確定的：

其中：σ1、σ2、σ3為主應力，且有σ1>σ2>σ3。

分體式制動輪在計算工況下的位移云圖如圖5～圖8所示。由圖5～圖8可知，制動輪最大徑向位移為0.027 mm，最大切向位移為0.067 mm，即旋轉了0.001 17°，最大軸向位移為0.072 mm，最大綜合位移為0.073 mm。

分體式制動輪在計算工況下的應力云圖如圖9～圖12所示。由圖9～圖12可知，制動輪整體最大Von-Mises等效應力為187.49 MPa，發(fā)生在圖9所示的內軸套與外輪緣接觸面螺栓孔位置處。注：本次計算模型為理想化模型，未考慮焊縫等因素影響。

外輪緣最大Von-Mises等效應力為185.52 MPa，發(fā)生在圖10所示的與內軸套外接觸面螺栓孔位置處。

圖10 外輪緣等效應力云圖 圖11 內軸套等效應力云圖 圖12 連接螺栓組等效應力云圖

連接螺栓最大Von-Mises等效應力為125.60 MPa，發(fā)生在圖12所示的連接外輪緣與內軸套接觸面位置處。

圖7 軸向位移云圖 圖8 綜合位移云圖 圖9 制動輪整體等效應力云圖

6 模擬工況疲勞分析

通過應用ANSYS/nCode-DesignLife軟件中的載荷時間序列和Palmgrem-Miner線性累積損傷理論方法，對分體式制動輪進行疲勞壽命分析。

分體式制動輪工況為：承受交變載荷的制動器間隔3 min的制動力矩為10 000 Nm。3 s內制動，保持制動一段時間后釋放。

分體式制動輪外輪緣及內軸套材料采用45鋼，鉸制孔螺栓為8.8級，根據(jù)材料抗拉強度、屈服強度及表面粗糙度等參數(shù)合成得到修正后的材料S-N曲線如圖13及圖14所示。

圖13 外輪緣及內軸套材料S-N曲線 圖14 螺栓(8.8級)材料S-N曲線 圖15 制動輪整體疲勞壽命云圖

采用上述方法，運用ANSYS/nCode-DesignLife軟件，對分體式制動輪進行疲勞計算。通過計算得到分體式制動輪整體的疲勞壽命為3.93×106次工作循環(huán)(連接螺栓受剪面處壽命最短)，如圖15所示。

7 結論

本文運用有限元分析及模擬工況疲勞分析理論，結合起重機運行實際工況，對分體式制動輪進行了理論研究，得出了以下結論：

(1)通過有限元分析可知，分體式制動輪整體最大等效應力為187.49 MPa，發(fā)生在圖9所示的內軸套與外輪緣接觸面螺栓孔位置處，該處等效應力遠小于材料的屈服極限。

(2)通過模擬工況疲勞分析可知，分體式制動輪整體的疲勞壽命為3.93×106次工作循環(huán)，遠大于制動輪的使用壽命。