盘式制动器在电机车上的应用
第17卷 第2期机械研究与应用V ol 17 N o 2
2004年6月MECH ANIC A L RESE ARCH &APP LIC ATI ON 2004206
盘式制动器在电机车上的应用
解翠英
(大连昕迈机电控制工程公司, 辽宁大连 116000)
Ξ
摘 要:阐述了盘式制动器在电机车上的应用及它的结构特点和连接形式。关键词:电机车; 盘式制动器; 制动盘; 制动力
中图分类号:U463151 文献标识码:A 文章编号:1007-4414(2004) 02-0035-02
随着车辆速度的提高和载重的增大, 对制动的要求也越来越高。传统的单纯闸瓦制动方式, 大部分的热能由车轮来承担,1个车轮最多能安装1对闸瓦, 而车轮的材质和结构不能自由选择, 这就限制了它的使用。, 磨擦副的制动盘的结构, 选择。。20世纪30BSI 公司的盘式制动器, h ) 也装用了这种制动器。不久美国、, 现在美国、法国、日本、英国、和俄罗斯等国也普遍采用。
盘式制动器具有以下几种特点:
①散热性能比较好, 摩擦系数稳定, 能得到较恒定的制动力。它的热容量允许它采用较高的制动率, 可以获得较高的减速度, 从而也就缩短了制动距离。
②由于它可以自由地选择制动盘和合成闸片, 使这一对磨擦副具有最佳的制动参数。而且每个制动盘可以安装几个制动器, 容易获得较高的摩擦系数, 并且比较稳定, 受速度的影响小。
③它还可以根据需要, 在每根车轴上安装2个制动盘、3个制动盘甚至4个制动盘, 使制动功率达到粘着条件所允许的最大值, 这对高速车辆来说尤其重要。
④盘形制动运用经济。由于制动盘摩擦面积大, 承受的单位面积压力小, 它磨耗率也小, 寿命较长。
简而言之, 它具有体积小、重量轻、结构紧凑、摩擦面积大、散热性能比较好、制动力恒定、制动率高等特点。它的最大优点是可以根据制动力的大小自由地选择制动盘和制动器的数量, 可以满足制动力要求比较大的情况下制动的需求, 从而使制动功率达到粘着条件所允许的最大值。
在制动过程中, 制动盘是受热载荷的主要部件, 所以对制动盘的材质选择也就十分重要。由于铸钢不耐磨, 且在温度达到300～350℃时机械强度, 特别是屈服点急剧下降。它的热传导系数、比热、热容量都不如铸铁盘, 但铸铁盘的强度比较差, 所以制动盘的材料选择是十分重要的。现在多采用合金耐磨铸铁, 这样可以发挥铸铁的优点, 又避免了它强度差的弱点。
除了选用优质的制动盘的材质外, 它的结构设计也十分重要。在高速和轴重大的情况下, 所产生的大量热负荷, 使我
。
(如图1) 和轮
2)
图1 轴盘式安装形式
图2 轮盘式安装形式
当车辆行走时, 制动盘都有通风冷却作用。对于轴盘式, 在盘的两个面之间铸有许多径向的孔, 形成离心的通道, 而对于轮盘式, 其内侧也铸有许多通风筋, 也具有径向通风作用, 以达到冷却的目的。
对于轮盘式, 这是装在轮上的制动盘上采用的一种方式。它的的连接方式大体上可分为下列3种:
(1) 双金属式 制动盘是铸铁的, 而往车轮上压装的支
座制成具有良好的结构。在制造过程中将制动盘与支座铸造在一起, 成为双金属结构(如图3) 。这种轮盘式结构对制动盘与轴是否同心的要求并不是很严格, 只要其对轮的相对位置恒定即可, 因为制动的位置是轮, 制动盘的两面的接触面积比
Ξ收稿日期:2003-09-21
作者简介:解翠英(1971-) , 女, 辽宁大连人, 工程师, 现从事机械设计科研工作。
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较大, 制动效果比较明显
。
图6
图3 双金属结构
(2) 多点式结构 盘, 这种结构将2用数个套有尼龙套(或有弹性的套筒) , (
图7 对盘式
整盘式由于它的结构特点使它无法装在2轮之间的轴部, 只能装在轴端, 这也是为了安装和维修方便。一般来说用8个或16个特制的螺钉把制动盘与压装在车轴上的轴套连接在一起。这8个螺钉都套有1个具有2个切口的弹性套筒。这是因为制动时, 制动盘会变热, 其热膨胀主要是径向方向, 会产生很大的径向附加应力, 这样使制动盘在膨胀时, 产生的径向附加应力由弹性套筒的变形来缓冲, 避免对螺钉产生过大
图4 多点式结构
(3) 浮动式 制动盘与安装座不用螺栓连接在一起, 而
的附加应力。采用特制的螺钉目的是使螺钉与盘之间的联接部位是光轴而不是螺纹联接, 避免了螺纹应力集中, 螺钉被拉断。同时为了不使螺钉在运行中松动, 在螺钉的下部, 用开口销将螺钉锁死, 而这个开口销的孔在螺钉装好后, 再钻, 这样使装配更准确、容易(
如图8) 。
用径向弹性圆套筒销来保持(如图5) 。这样可以缓和制动时
受力升温引起的热应力变形。
图8 整盘式的装配
考虑到安装拆卸和维修的方便, 我们还可以采用对半式, 它就可以装在轴上的任意位置, 特别适合安装在2轮之间。这种结构使用起来比整盘式方便。它除了可以采用上述的螺钉结构外, 在2个盘之间的联接处, 事先铣出平面, 让螺钉联
图5 浮动式
这三种轮盘式结构对制动盘与轴的同心要求并不是很高, 只要它们对轴的同心相对位置恒定即可满足制动要求。
对于轴盘式, 这是装在轴上的制动盘采用的一种方式。它又分为整盘式(如图6) 和对半式(如图7
) 。
接更方便。可以自由拆装, 比较方便。但它对联接螺钉的要求比较高, 因为制动盘的整个制动力都集中在螺钉上, 要充分考虑到螺纹的应力集中系数、通过验算确定螺钉的强度够用, 而且还要考虑到盘的厚度、制动力矩要求等等问题。不论何种连接方式, 只要根据实际情况, 力求结构简单实用方便, 满足制动要求为更佳。
(下转第38页)
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为缩短改造周期, 只对原控制软件作局部改动:①由于采用细分后, 脉冲当量减少为原来的一半, 因此, 修改原脉冲当量的值, 使其减少一半。②修改软件环分表的数据, 由于在驱动单元更换后, 步进电机的控制信号由三相脉冲序列控制字变为由脉冲信号和方向信号组成的固定控制字, 因此把正转、反转的脉冲环分表的数据修改为固定控制字。
至此, 对原控制软件稍作改动, 便可跨平台移植。优点是缩短改造周期, 缺点是控制软件的维护性和可扩充性没有得到提高。
3. 2 采用面对对象方法对控制软件重新开发3. 2. 1 对铣刀点位、连续路径运动的类构成描述
数控钻铣床的运动分为两类:连续路径控制和点位控制, 其中连续路径运动分为直线运动和圆弧运动, 点位控制可由图中所示两种运动形式之一实现, 图中的类描述有3个层次, 自顶向下为一般到特殊的演绎思维过程。对运动的分类过程支持特殊到一般的归纳思维过程。
3. 2. 2 用DDA 法产生参考脉冲序列
对于步进电机的控制, 需要解决参考脉冲的发生与多相脉冲分配两个问题, 基于上述对铣刀运动的分类描述, 用C +
+Builder 软件开发工具, 根据数字微分分析(DDA ) 法, 编写了
, 获得成功。程序主, 连, 直线Line-DAA ()完成, 圆弧插Circle-DAA ()完成。
与传统的结构化开发方法相比, 采用面对对象方法开发控制软件的优点如下:
①对问题按类描述和对问题按功能描述相比, 了软件的稳定性。②之间的耦合性。③显著的提高。④了。
:
4本院的步进电动机驱动的数控钻铣床为学习和研究步进电动机伺服系统提供了实验对象和工具, 也为类似数控系统的设计和控制提供了实例。希望本例改造方案能给从事此类工作的工程技术人员提供参考, 更希望我国的数控化改造早日步入产业化。
参考文献:
[1] 高钟毓1机电一体化系统设计[M]1北京:机械工业出版社,
19971
[2] 高钟毓1机电控制工程[M]1北京:清华大学出版社,20021[3] 张建刚, 胡大泽1数控技术[M]1武汉:华中科技大学出版社,
20001
[4] 张海藩1软件工程[M]1北京:清华大学出版社,19981
图3 定位、连续路径运动的类构成描述
(上接第36页)
现在举个例子通过简要计算来说明一下。
先计算电机车粘着系数Ψmax Ψmax =0. 25+8/(100+2V ) 已知车速V max =170km/h
Ψmax =0. 25+8/(100+2×170) =0. 268
其次求机车所需制动力的大小F K F K ≤1000P φmax 己知车重P Φ=40t
F max =1000×40×0. 268=10720×9. 8N =1. 05×10N
5
F 盘=F K ×R 轮/R 盘=5. 25×10×0. 40/0. 35=6×10N
44
盘周力矩M =F ・R 盘=6×104×0. 35=2. 1×104N. m 这样根据制动力的大小可以选择需要的制动器和所需制动盘的数量。
所选制动器的制动力F =5250N 用2台盘式制动器来制动, 总的制动力
F 总=2F =2×5250=10500N F 总>F 盘, 满足制动要求。
通常取制动比为0. 5
F k =0. 5×F max =0. 5×1. 05×10=5. 25×10N
5
4
对盘式制动器来说, 应根据不同的实际情况, 采用不同的结构。不仅要考虑了维修方便的特点, 而且要考虑经济适用, 重要的是要保持良好的制动效果。总之, 对高速电机车来说, 盘式制动器制动性能好, 制动力曲线比较平直, 噪音小, 寿命长, 成本低, 是一种比较理想的制动器。
最后再求制动盘所需制动F 盘和所需力矩M 已知轮径R 轮=400mm , 盘径R 盘=350mm 。