DT型单元制动器离合装置性能研究

DT型单元制动器离合装置性能研究

宋焘,张睿,于春生

中车大连机车车辆有限公司   辽宁省大连市 116013

摘  要  本文通过对单元制动器中离合器及类离合装置的结构分析，采用Solidworks软件进行建模，并通过Solidworks生态圈中的simulation和motion软件对模型进行分析，simulation软件可以对离合器的强度性能进行仿真验算，motion分析可以直观的体现离合器的运动状态从而达到分析机构及优化结构的目的。

关键词 单元制动器离合器Solidworks仿真分析

1  前言

1.1 DT型单元制动器简介

DT型单元制动是由中车大连机车车辆有限公司于2011年至2012年期间通过对德国KNORR-BREMSE公司bbh型单元制动器国产化并进行改良的产品。该型产品及其后研发的衍生型——4400hp机车单元制动器和4400hp干线单元制动器构成了DT类单元制动器（图1）。通过近十年的发展和改良，DT型单元制动器以其坚固耐用，抗偏磨、抗横向移动的优点被广泛应用在大连公司生产的机车和出口调车上，已经颇具规模。

图1 DT类单元制动

1.2  DT型单元制动器离合器机构

DT型单元制动器在双螺母调整机构中采用了牙嵌式离合器的设计。下面将介绍一下双螺母调整机构和牙嵌式离合器的工作原理。

双螺母调整机构是为解决单元制动器在工作时闸瓦磨损消耗而设计的自动补偿闸瓦与轮毂距离的装置。机车制动时是有单元制动器（注：这里指踏面单元制动器）带动闸瓦与机车车轮的轮毂面相结合，通过摩擦力起到对机车减速的作用。在制动时由于摩擦，闸瓦会剧烈磨耗，如果单元制动器没有自动补偿功能，则一段时间后闸瓦就会因为累计消耗而与轮毂产生过大的间隙，轻者会导致制动力的输出不足，严重的会导致机车刹车失效。（图2）

图2 一段时间的磨耗后闸瓦产生过大间隙

与传统的闸缸式制动器需要手动调整不同，DT型单元制动器设计有双螺母闸瓦间隙调整机构，可以自动调整间隙：

图1.2 b到1.2 d是演示了间隙调整机构（9）在DT型单元制动器不同工作状态的示意图。

间隙调整机构缓解状态（图3）

止动环（9.5）位于引导齿座（9.7）上，在复位弹簧（9.6）压力的作用下靠在缸体（21）的限位止档（21.1）上。到缸体后盖（21.2）的距离X等于所需的闸瓦与车轮间隙加上制动力作用导致的弹性变形。

无调整制动时的调整机构（图4）

在施行制动时，调整机构整体移过X mm的一段距离达到工作位置。止动环（9.5）靠上缸体后盖（21.2），复位弹簧（9.6）被压紧。

推筒支撑座（9.1）通过牙嵌式离合器（9.2）传递制动力去推动螺母（9.3）、制动螺杆（9.4）和制动杠杆头（11），再从那里传到闸瓦托。

有调整制动时的调整机构（图5）

如果闸瓦间隙过大了（在更换闸瓦后），或者因为制动造成了闸瓦和车轮的磨损，那么闸瓦在接触车轮前必须移动比X更长的一段距离。然而由于止动环（9.5）被锁住，引导齿座（9.7）不能随着移动。引导齿座的牙嵌式离合器（9.9）被脱开，进给螺母（9.8）在制动杆不自锁螺纹的力的作用下旋转。这种旋转运动使制动螺杆（9.4）旋出磨损量（指闸瓦和车轮由于磨损增加的间隙）V大小的一段。当调整完毕，牙嵌式离合器（9.9）重新啮合。

当闸瓦由于松弛而被调整时，复位弹簧（9.6）的压缩量也增加等于调整器体（9.1）移动距离V的一段。

当制动被缓解，调整机构在复位弹簧（9.6）的作用下复位。引导齿座（9.7）、进给螺母（9.8）、和制动螺杆（9.4）在止动环（9.5）碰到限位止档（21.1）的同时完成它们的复位运动。

之后，调整器体（9.1）必须在达到缓解位之前附加移动等于V的一段距离。与此同时，调整器体内的牙嵌式离合器（9.2）脱开，推螺母（9.3）在调整器体移动的同时沿着不动的制动螺杆上的不自锁螺纹向回旋转。

当到达端位时，牙嵌式离合器（9.2）再次啮合。调整机构为再次制动做好了准备。 

图3 缓解位置

图4 制动时不补偿磨损量

图5 制动时补偿磨损量

9.1 推筒支撑座    9.2 牙嵌式离合器   9.3 推螺母      

9.4 制动螺杆     9.5 止动环       9.6 复位弹簧

9.7 引导齿座         9.8 进给螺母     9.9 牙嵌式离合器    

9.10 牙嵌式离合器    10 复位机构      11 制动杠杆头

21 缸体              21.1限位止挡    21.2 缸体后盖

X 间隙（含弹性形变）

V 磨耗量

2  牙嵌式离合器的性能计算（simulation）

通过分析，我们发现DT型单元制动器牙嵌离合器的主要失效形式是牙的折断和结合面的挤压磨损。因此在设计时以牙根抗弯能力作为强度指标，再经抗挤压校核。根据这一设计原理，作为强度指标的牙嵌离合器牙齿根弯曲应力为（DT型单元制动器的牙嵌式离合器为牙型角为90°的等腰直角三角形端面齿）：

σb=                                   (1)

σb——作用牙嵌式离合器牙齿根的弯曲应力，单位MPa;

——工作情况系数，由于单元制动器的工况并不恶劣，故取1.5；

T——公称扭矩，经计算为

h——离合器牙高，mm；

W——牙根的抗弯截面系数，W==22mm；

D——离合器牙齿所在圆环的平均直径，D==

牙嵌式离合器的抗挤压性能：

P=≤[P]                                (2)

A——离合器每个牙的接触面积:

P——离合器挤压工作应力,单位MPa;

[P]——许用挤压应力,不同结合状态下，取值不同。由于DT型单元制动器一次调整量最大不超过14mm，按14mm计算，0.6s内转动14/28=0.5r，则。最大转速为：1r/s=60r/min，所以应取低速状态下接合：[P]=70MPa。

3  牙嵌式离合器的动力学计算（motion）

通过solidworks motion分析板块进行动力学验算，首先进行简化建模，建立制动螺杆、牙嵌式离合器（调整螺母和中间齿座）和挡板（由推筒支撑座简化），然后利用软件中的弹簧选项建立虚拟弹簧，其参数为A=[k,L,D,d,n]=[12,32,53.5,3.5,3]（见图6）。

利用机械连接中的铰链连接和螺栓连接将牙嵌式离合器与制动螺杆相连接，并设定制动螺杆和挡板为固定端。这里我们按最极限即最恶劣的工作环境进行考虑，当单元制动器上闸瓦完全接触到轮毂并产生闸瓦磨耗。当设定牙嵌式离合器中调整螺母与中间齿座的间隙值为0mm时即代表离合器刚刚工作时的状态，通过motion软件计算我们可以分析出：（见图7~9）

图6

图7 仿真数据分析结果

图8 牙嵌式离合器啮合时间

图9 牙嵌式离合器啮合受力

通过上图可以得出，当调整螺母与中间齿座的间隙值为0mm即离合器刚刚工作时，到其完成啮合的时间为约为0.6s，而在0.6s内其受力为均匀上升的载荷，最大载荷约为210N。

第二种情况，当前调整弹簧被压缩时，同样考虑极限状态下，取其压缩量为1.5mm时建立模型如下（见图10）：

图10

通过motion分析后可得：

图11牙嵌式离合器啮合受力

图12 牙嵌式离合器啮合受力

从上图11~12我们可以发现，当间隙达到1.5mm时，工作过程中会产生较大的瞬时冲击力之后会稳定在191.1N左右，这就要求调整螺母与制动螺杆之间的相互运动要十分顺滑不能有卡滞或适当减小弹簧释放的间隙，尽量做到间隙值为0mm。

参考文献

[1]  梁静.牙嵌离合器的优化设计[J].机械设计与制造,2005,（10）:51-52.

[2]  万会雄，刘成峰，何华陀.新型牙嵌式液压离合器的设计与仿真[J].起重运输机械，2019（14）:81-86.

[3]  成大先.机械设计手册[M].北京：化工工业出版社，2016.