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盤式制動器組合碟形彈簧的仿真實驗研究發(fā)布者：廈門力常彈簧有限公司 發(fā)布時間：2019-07-05 00:31
為研究盤式制動器的制動性能，提高其制動控制精度和可靠性，利用 AnsysWorkbench有限元分析軟件對制動器核心元件組合碟簧的形變特性進行仿真分析，得到了該組合碟簧的載荷―形變特性曲線，并通過對制動器模擬實驗檢驗組合碟簧的形變特性，實驗結(jié)果與仿真結(jié)論接近。從該特性曲線可以看出，組合碟簧的剛度是隨著載荷的增大而減小的，也表明組合碟簧是物理非線性和載荷―形變非線性彈簧，對更好的設(shè)計制動器參數(shù)，提高制動器的制動力矩控制精度有一定的理論幫助。
引言
盤式制動器廣泛應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備或要求多級或無級制動的大型設(shè)備(提升機)，也可作為帶式輸送機的可控安全制動。就目前使用的情況來看，提升機發(fā)生的事故(過卷、墩罐、滑動等)和帶式輸送機發(fā)生的事故(溜車、飛車等)大多與制動器的制動效果有關(guān)，其主要原因是在緊急制動或正常制動時制動器不能及時有效的制動。組合碟簧是盤式制動器的核心部件，制動系統(tǒng)的制動力是由組合碟簧預(yù)壓縮的彈簧力產(chǎn)生的，若組合碟簧失效(疲勞、屈服、斷裂等造成碟簧剛度下降)，則施加在制動盤上的制動力就將減小，從而使制動器制動失效，嚴(yán)重時引起安全事故。因此有必要對組合碟形彈簧的載荷―形變特性進行仿真分析，以便確定其相關(guān)參數(shù)，提高制動器的可靠性。
1 盤式制動器結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 盤式制動器結(jié)構(gòu)
油缸后置式盤式制動器如圖1所示。該盤式制動器主要由油缸、組合碟簧、連接螺栓、制動器體組等組成。
1.2 工作原理
油缸后置式盤式制動器的工作原理為：當(dāng)壓力油進入活塞有桿腔內(nèi)，組合碟簧被壓縮并儲存彈簧力，同時制動閘瓦逐漸離開制動盤，此時制動器處于松閘狀態(tài);當(dāng)壓力逐漸降低，組合 碟簧儲存的彈簧力釋放，制動閘瓦緩慢貼近制動盤，最終抱死制動盤，此時為制動器制動狀態(tài)。從制動器工作原理可以看出，組合碟簧的形變大小與制動力的變化有直接關(guān)系。
2 組合碟簧形變理論分析
單片蝶簧是由鋼板沖壓成的薄板碟簧，在幾何上為錐形軸對稱回轉(zhuǎn)體，如圖2所示，主要應(yīng)用于軸向空間小且承受較大載荷的工況。單片碟簧輸出的彈性力、 剛度等特性均是其形變的非線性函數(shù)，針對不同工況采用不同的組合方式可以得到不同的載荷―形變特性。盤式制動器采用的就是對合組合碟簧組，由9片碟簧組成的碟簧組如圖3所示。
組合碟簧由n片規(guī)格相同的碟簧組成，片數(shù)n由所要求的最大承載載荷和總變形量決定。在忽略組合碟簧各片間摩擦力影響、認為碟簧材料為線彈性體且各項同性時，單片碟簧載荷p與形變δ 的關(guān)系。
3 組合蝶簧有限元仿真分析
本文采用 Ans y s Workbench 有限元仿真分析軟件，對盤式制動器組合碟簧的載荷―形變特性進行分析。組合碟簧的參數(shù)及材料屬性見表1。
3.1 設(shè)置接觸、 網(wǎng)格劃分以及加載
添加組合碟簧模型下表面Y 方向為約束位移邊界條件，即Uy=0; 碟簧間采用 R ou g h接觸，用AugmentedLa-grangian對偶分解方法來定義接觸求解類型，接觸如圖4所示; 組合碟簧網(wǎng)格劃分圖如圖5; 在組合碟簧上表面外圈加載均勻圓周載荷p，施加0～9 2.4kN 逐漸增大的載荷，載荷數(shù)據(jù)如表2。
3.2 組合碟簧載荷―形變分析結(jié)果
分別以載荷p=16.8kN、 33.6kN、 50.4kN 在組合碟簧上面外圈均勻加載， 可以得到其形變圖如圖6～圖8所示。
對表2中所有載荷依次加載仿真，可得組合碟簧型變量如表2中所示，轉(zhuǎn)換成曲線如圖9所示。
由圖9 可以看出，載荷在0～6 0kN 之間，碟簧形變接近于線性增加，然而隨著載荷繼續(xù)增大，形變會出現(xiàn)非線性特性。另外，從該曲線可以看出組合碟簧隨著載荷的逐漸增大，其剛度逐漸減小，從而表明碟簧是物理非線性彈簧。
4 盤式制動系統(tǒng)模擬實驗
4.1 實驗?zāi)康?/span>
本試驗的目的主要是通過模擬盤式制動器工作工況來測試組合碟簧的載荷― 形變特性，并與AnsysWorkbench軟件仿真的結(jié)果進行比較，對制動器組合碟簧的設(shè)計提供依據(jù)，同時檢驗制動器的動態(tài)制動性能及其制動可靠性。
4.2 實驗系統(tǒng)
實驗系統(tǒng)主要由電機、扭矩傳感器、減速器、速度傳感器、帶位移傳感器的制動器、閘盤、液壓站、電控柜、變頻器等組成。試驗系統(tǒng)布置如圖10。
4.3 實驗方式
本次模擬實驗采用變頻器的調(diào)速特性，模擬控制電機達到各種工況需求的狀態(tài)，用速度傳感器檢測電機的速度，用扭矩傳感器3 來在線監(jiān)測制動力矩的變化，通過制動器6 上安裝的位移傳感器精確測試制動閘瓦位移。然后把測試數(shù)據(jù)反饋回電控箱中的控制器PLC，處理信號后控制制動器進行制動并且輸出在線各種數(shù)據(jù)曲線。
4.4 實驗結(jié)果
組合碟簧實驗、仿真結(jié)果對比曲線見圖11。通過圖11對比結(jié)果可以看出，實驗曲線與仿真曲線基本一致，實驗形變整體比仿真形變稍小，原因是實驗系統(tǒng)有各種阻尼和能量損耗導(dǎo)致。曲線表明組合碟簧的載荷―形變的非線性特性，對設(shè)計制動器參數(shù)，提高制動器的性能，以及精確控制制動力矩有一定的幫助。
5 小結(jié)
組合碟簧是盤式制動器制動核心元件，其彈性變形儲存的彈性力是制動力的來源。由于碟簧的形變非線性，其制動力設(shè)計計算非常困難。本文采用有限元軟件對其形變特性進行仿真分析，得到了其載荷―形變特性曲線。另外通過模擬盤式制動器制動試驗系統(tǒng)，對制動器組合碟簧的載荷―形變特性進行了試驗分析。此組合碟簧的特性曲線對盤式制動器的參數(shù)設(shè)計以及提高制動器制動力矩的控制精度都有很好的借鑒作用。
以上就是廈門力常彈簧有限公司給大家整理“盤式制動器組合碟形彈簧的仿真實驗研究”的相關(guān)內(nèi)容，如果大家還有更多關(guān)于碟形彈簧,碟形彈簧,高溫碟形彈簧,碟形彈簧廠家,不銹鋼碟形彈簧,DIN6796碟墊等信息，可以關(guān)注廈門力常彈簧有限公司。電話：0592-5731967
引言
盤式制動器廣泛應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備或要求多級或無級制動的大型設(shè)備(提升機)，也可作為帶式輸送機的可控安全制動。就目前使用的情況來看，提升機發(fā)生的事故(過卷、墩罐、滑動等)和帶式輸送機發(fā)生的事故(溜車、飛車等)大多與制動器的制動效果有關(guān)，其主要原因是在緊急制動或正常制動時制動器不能及時有效的制動。組合碟簧是盤式制動器的核心部件，制動系統(tǒng)的制動力是由組合碟簧預(yù)壓縮的彈簧力產(chǎn)生的，若組合碟簧失效(疲勞、屈服、斷裂等造成碟簧剛度下降)，則施加在制動盤上的制動力就將減小，從而使制動器制動失效，嚴(yán)重時引起安全事故。因此有必要對組合碟形彈簧的載荷―形變特性進行仿真分析，以便確定其相關(guān)參數(shù)，提高制動器的可靠性。
1 盤式制動器結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 盤式制動器結(jié)構(gòu)
油缸后置式盤式制動器如圖1所示。該盤式制動器主要由油缸、組合碟簧、連接螺栓、制動器體組等組成。
1.2 工作原理
油缸后置式盤式制動器的工作原理為：當(dāng)壓力油進入活塞有桿腔內(nèi)，組合碟簧被壓縮并儲存彈簧力，同時制動閘瓦逐漸離開制動盤，此時制動器處于松閘狀態(tài);當(dāng)壓力逐漸降低，組合 碟簧儲存的彈簧力釋放，制動閘瓦緩慢貼近制動盤，最終抱死制動盤，此時為制動器制動狀態(tài)。從制動器工作原理可以看出，組合碟簧的形變大小與制動力的變化有直接關(guān)系。
2 組合碟簧形變理論分析
單片蝶簧是由鋼板沖壓成的薄板碟簧，在幾何上為錐形軸對稱回轉(zhuǎn)體，如圖2所示，主要應(yīng)用于軸向空間小且承受較大載荷的工況。單片碟簧輸出的彈性力、 剛度等特性均是其形變的非線性函數(shù)，針對不同工況采用不同的組合方式可以得到不同的載荷―形變特性。盤式制動器采用的就是對合組合碟簧組，由9片碟簧組成的碟簧組如圖3所示。
組合碟簧由n片規(guī)格相同的碟簧組成，片數(shù)n由所要求的最大承載載荷和總變形量決定。在忽略組合碟簧各片間摩擦力影響、認為碟簧材料為線彈性體且各項同性時，單片碟簧載荷p與形變δ 的關(guān)系。
3 組合蝶簧有限元仿真分析
本文采用 Ans y s Workbench 有限元仿真分析軟件，對盤式制動器組合碟簧的載荷―形變特性進行分析。組合碟簧的參數(shù)及材料屬性見表1。
3.1 設(shè)置接觸、 網(wǎng)格劃分以及加載
添加組合碟簧模型下表面Y 方向為約束位移邊界條件，即Uy=0; 碟簧間采用 R ou g h接觸，用AugmentedLa-grangian對偶分解方法來定義接觸求解類型，接觸如圖4所示; 組合碟簧網(wǎng)格劃分圖如圖5; 在組合碟簧上表面外圈加載均勻圓周載荷p，施加0～9 2.4kN 逐漸增大的載荷，載荷數(shù)據(jù)如表2。
3.2 組合碟簧載荷―形變分析結(jié)果
分別以載荷p=16.8kN、 33.6kN、 50.4kN 在組合碟簧上面外圈均勻加載， 可以得到其形變圖如圖6～圖8所示。
對表2中所有載荷依次加載仿真，可得組合碟簧型變量如表2中所示，轉(zhuǎn)換成曲線如圖9所示。
由圖9 可以看出，載荷在0～6 0kN 之間，碟簧形變接近于線性增加，然而隨著載荷繼續(xù)增大，形變會出現(xiàn)非線性特性。另外，從該曲線可以看出組合碟簧隨著載荷的逐漸增大，其剛度逐漸減小，從而表明碟簧是物理非線性彈簧。
4 盤式制動系統(tǒng)模擬實驗
4.1 實驗?zāi)康?/span>
本試驗的目的主要是通過模擬盤式制動器工作工況來測試組合碟簧的載荷― 形變特性，并與AnsysWorkbench軟件仿真的結(jié)果進行比較，對制動器組合碟簧的設(shè)計提供依據(jù)，同時檢驗制動器的動態(tài)制動性能及其制動可靠性。
4.2 實驗系統(tǒng)
實驗系統(tǒng)主要由電機、扭矩傳感器、減速器、速度傳感器、帶位移傳感器的制動器、閘盤、液壓站、電控柜、變頻器等組成。試驗系統(tǒng)布置如圖10。
4.3 實驗方式
本次模擬實驗采用變頻器的調(diào)速特性，模擬控制電機達到各種工況需求的狀態(tài)，用速度傳感器檢測電機的速度，用扭矩傳感器3 來在線監(jiān)測制動力矩的變化，通過制動器6 上安裝的位移傳感器精確測試制動閘瓦位移。然后把測試數(shù)據(jù)反饋回電控箱中的控制器PLC，處理信號后控制制動器進行制動并且輸出在線各種數(shù)據(jù)曲線。
4.4 實驗結(jié)果
組合碟簧實驗、仿真結(jié)果對比曲線見圖11。通過圖11對比結(jié)果可以看出，實驗曲線與仿真曲線基本一致，實驗形變整體比仿真形變稍小，原因是實驗系統(tǒng)有各種阻尼和能量損耗導(dǎo)致。曲線表明組合碟簧的載荷―形變的非線性特性，對設(shè)計制動器參數(shù)，提高制動器的性能，以及精確控制制動力矩有一定的幫助。
5 小結(jié)
組合碟簧是盤式制動器制動核心元件，其彈性變形儲存的彈性力是制動力的來源。由于碟簧的形變非線性，其制動力設(shè)計計算非常困難。本文采用有限元軟件對其形變特性進行仿真分析，得到了其載荷―形變特性曲線。另外通過模擬盤式制動器制動試驗系統(tǒng)，對制動器組合碟簧的載荷―形變特性進行了試驗分析。此組合碟簧的特性曲線對盤式制動器的參數(shù)設(shè)計以及提高制動器制動力矩的控制精度都有很好的借鑒作用。
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