【摘要】为研究盘式制动器的制动性能，提高其制动控制精度和可靠性，利用 AnsysWorkbench有限元分析软件对制动器核心元件组合碟簧的形变特性进行仿真分析，得到了该组合碟簧的载荷―形变特性曲线，并通过对制动器模拟实验检验组合碟簧的形变特性，实验结果与仿真结论接近。从该特性曲线可以看出，组合碟簧的刚度是随着载荷的增大而减小的，也表明组合碟簧是物理非线性和载荷―形变非线性弹簧，对更好的设计制动器参数，提高制动器的制动力矩控制精度有一定的理论帮助。

　　【关键词】盘式制动器; 组合碟簧; 有限元仿真; 实验研究

　　0 引言

　　盘式制动器广泛应用于各种旋转机械设备或要求多级或无级制动的大型设备(提升机)，也可作为带式输送机的可控安全制动。就目前使用的情况来看，提升机发生的事故(过卷、墩罐、滑动等)和带式输送机发生的事故(溜车、飞车等)大多与制动器的制动效果有关，其主要原因是在紧急制动或正常制动时制动器不能及时有效的制动。组合碟簧是盘式制动器的核心部件，制动系统的制动力是由组合碟簧预压缩的弹簧力产生的，若组合碟簧失效(疲劳、屈服、断裂等造成碟簧刚度下降)，则施加在制动盘上的制动力就将减小，从而使制动器制动失效，严重时引起安全事故。因此有必要对组合碟簧的载荷―形变特性进行仿真分析，以便确定其相关参数，提高制动器的可靠性。

　　1 盘式制动器结构及工作原理

　　1.1 盘式制动器结构

　　油缸后置式盘式制动器如图1所示。该盘式制动器主要由油缸、组合碟簧、连接螺栓、制动器体组等组成。

　　1.2 工作原理

　　油缸后置式盘式制动器的工作原理为：当压力油进入活塞有杆腔内，组合碟簧被压缩并储存弹簧力，同时制动闸瓦逐渐离开制动盘，此时制动器处于松闸状态;当压力逐渐降低，组合碟簧储存的弹簧力释放，制动闸瓦缓慢贴近制动盘，最终抱死制动盘，此时为制动器制动状态。从制动器工作原理可以看出，组合碟簧的形变大小与制动力的变化有直接关系。

　　2 组合碟簧形变理论分析

　　单片蝶簧是由钢板冲压成的薄板碟簧，在几何上为锥形轴对称回转体，如图2所示，主要应用于轴向空间小且承受较大载荷的工况。单片碟簧输出的弹性力、 刚度等特性均是其形变的非线性函数，针对不同工况采用不同的组合方式可以得到不同的载荷―形变特性。盘式制动器采用的就是对合组合碟簧组，由9片碟簧组成的碟簧组如图3所示。

　　组合碟簧由n片规格相同的碟簧组成，片数n由所要求的最大承载载荷和总变形量决定。在忽略组合碟簧各片间摩擦力影响、认为碟簧材料为线弹性体且各项同性时，单片碟簧载荷p与形变δ 的关系。

　　3 组合蝶簧有限元仿真分析

　　本文采用 Ans y s Workbench 有限元仿真分析软件，对盘式制动器组合碟簧的载荷―形变特性进行分析。组合碟簧的参数及材料属性见表1。

　　3.1 设置接触、 网格划分以及加载

　　添加组合碟簧模型下表面Y 方向为约束位移边界条件，即Uy=0; 碟簧间采用 R ou g h接触，用AugmentedLa-grangian对偶分解方法来定义接触求解类型，接触如图4所示; 组合碟簧网格划分图如图5; 在组合碟簧上表面外圈加载均匀圆周载荷p，施加0～9 2.4kN 逐渐增大的载荷，载荷数据如表2。

　　3.2 组合碟簧载荷―形变分析结果

　　分别以载荷p=16.8kN、 33.6kN、 50.4kN 在组合碟簧上面外圈均匀加载， 可以得到其形变图如图6～图8所示。

　　对表2中所有载荷依次加载仿真，可得组合碟簧型变量如表2中所示，转换成曲线如图9所示。

　　由图9 可以看出，载荷在0～6 0kN 之间，碟簧形变接近于线性增加，然而随着载荷继续增大，形变会出现非线性特性。另外，从该曲线可以看出组合碟簧随着载荷的逐渐增大，其刚度逐渐减小，从而表明碟簧是物理非线性弹簧。

　　4 盘式制动系统模拟实验

　　4.1 实验目的

　　本试验的目的主要是通过模拟盘式制动器工作工况来测试组合碟簧的载荷― 形变特性，并与AnsysWorkbench软件仿真的结果进行比较，对制动器组合碟簧的设计提供依据，同时检验制动器的动态制动性能及其制动可靠性。

　　4.2 实验系统

　　实验系统主要由电机、扭矩传感器、减速器、速度传感器、带位移传感器的制动器、闸盘、液压站、电控柜、变频器等组成。试验系统布置如图10。

　　4.3 实验方式

　　本次模拟实验采用变频器的调速特性，模拟控制电机达到各种工况需求的状态，用速度传感器检测电机的速度，用扭矩传感器3 来在线监测制动力矩的变化，通过制动器6 上安装的位移传感器精确测试制动闸瓦位移。然后把测试数据反馈回电控箱中的控制器PLC，处理信号后控制制动器进行制动并且输出在线各种数据曲线。

　　4.4 实验结果

　　组合碟簧实验、仿真结果对比曲线见图11。通过图11对比结果可以看出，实验曲线与仿真曲线基本一致，实验形变整体比仿真形变稍小，原因是实验系统有各种阻尼和能量损耗导致。曲线表明组合碟簧的载荷―形变的非线性特性，对设计制动器参数，提高制动器的性能，以及精确控制制动力矩有一定的帮助。

　　5 小结

　　组合碟簧是盘式制动器制动核心元件，其弹性变形储存的弹性力是制动力的来源。由于碟簧的形变非线性，其制动力设计计算非常困难。本文采用有限元软件对其形变特性进行仿真分析，得到了其载荷―形变特性曲线。另外通过模拟盘式制动器制动试验系统，对制动器组合碟簧的载荷―形变特性进行了试验分析。此组合碟簧的特性曲线对盘式制动器的参数设计以及提高制动器制动力矩的控制精度都有很好的借鉴作用。

　　【参考文献】

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　　[ 2]张智欲，周北岳.碟形弹簧特性随机有限元分析[J].机械研究与应用，2 011，(2)：7～9

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　　[ 4]鹿丙伟，沈建.影响盘式制动器可靠性因素分析[J] .矿山机械，2006( 11) ： 76～77，5

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