基于HyperWorks的液压制动夹钳支持销优化设计

靳光磊
同济大学  上海  201804

摘要：本文根据液压制动夹钳支持销的工作原理与载荷条件，以CRH2高速动车组的制动参数为依据，利用HyperWorks软件强大的前处理功能，建立系统的有限元模型；利用RADIOSS求解器，对支持销进行了有限元分析，并据此对材料的选择及工艺的选择进行研究，以满足产品使用要求。
关键词：支持销，有限元分析，液压制动夹钳，材料

0 概述

高速动车组在高速运行实施紧急制动时，基础制动装置采用全力抱紧制动，产生巨大的制动冲击荷载，这对系统的机械接口稳定性提出了很高的要求。CRH2型动车组的基础制动系统采用浮动式液压制动卡钳装置，建立如图1所示的支持架与支持销的三维实体模型。

图1 支持架与支持销的三维实体模型

CRH2动车组在高速运行当中产生的冲击振动通过支持架传导至整个基础制动装置，而支持销作为重要的接口部件，直接承受着来自制动夹钳的振动冲击。如果支持销的强度、刚度设计有缺陷，制动过程可能导致断裂，这样夹钳本体与支持架分离，这将直接影响列车的行车安全，甚至酿成重大事故。

本文有限元分析操作流程可以分为四步。

第一步，在Creo/Proe5.0中建立基础制动装置各部件（夹钳本体，支持架和安装座）的三维模型后，分别将其保存为x_t格式的模型，并将其输出类型设为“实体”。

第二步，将x_t模型输入到Altair HyperMesh10.0软件中，利用其强大的前处理功能，对各部件模型进行划分网格，交施加约束与载荷。

第三步，将前处理过的有限元模型导入到Altair OptiStruct里，进行仿真计算。

第四步，在Altair HyperView里查看结果，并输出。

1 有限元模型的创建

建立的有限元模型包括基础制动系统的各制动部件（支持销和支持架）。为便于更好的进行有限元模型的分析，有必要对模型进行设置与结构上的简化，比如去掉了支持架顶端的倒角，圆角，以及支持销上的横向弹簧等，这些结构上的简化对结果的收敛是非常有利的。

简化后各部件模型的材料属性定义为：弹性模量为 ，泊松比取0.3，密度为： 。网格统一采用solid45四面体单元，单元特征角度均为45度，最小单元尺寸均采用为2mm。为了节省计算时间，在满足仿真精度要求的前提下，各子结构分别采用了不同的单元尺寸，支持架为8mm，而横向支持销为承载的关键部件，故采用较为稠密的网格，尺寸为4mm。各部件子结构的三维有限元模型如图2所示。

图2 各部件的三维有限元模型

2 支持销的有限元分析

根据相关文献的介绍，在紧急制动时，假设仅有一根支持销全部承担所有的摩擦制动力，此时，支持销上存在两个接触应力集中区域，且支持销中部接触支撑区域的右侧为最大应力的部位，其值为：274MPa。同时，支持销截面的应力梯度明显，呈现表面应力值大，而心部较低。
按照支持销无限使用寿命计算，通过选用合适的优质碳素钢，及相应的热处理工艺，可以显著改善其接口接触应力的状况。

首先，表面镀层。根据支持销的使用工况，考虑到支持销表面的高耐磨损及高耐磨性的要求，因此需要对支持销表面进行整体化学镀镍处理。由于化学镀镍层的成分不同，其物理特性也有很大不同，具体对照见表1所示。

表1 镀层成分与物理性能对应表

综合考虑镀层的厚度与化学成分，确定采用镀镍层含磷量为7%～9%，镀层厚度为： 。
其次，镀层热处理。根据试验数据表明，镀后热处理温度越高，热处理所需时间就越短，镀层硬度就增加明显。镀后抛光。

根据以上分析，利用CRH2型动车组基础制动装置在水平与垂向上的正弦稳态力，在HyperMesh软件中进行约束与载荷的建立，利用OptiStruct进行仿真分析，然后由HyperView读出结果。图3所示的是接口部位的Von Mises应力分布云图，在支持架上的接口部位的应力最大为93MPa。

图3 接口部位的Von Mises应力分布云图

图4所示的是支持销的Von Mises应力分布云图，如图所示的，支持销上的最大应力处仍为中部靠右侧部位，最大应力值为：138.7MPa。远远小于材料的许用应力强度。

图4 支持销的Von Mises应力分布云图

3 结语

本文通过CRH2液压制动夹钳支持销的有限元分析，可以得出以下两点结论：

第一，采用化学镀镍处理，以及镀后的热处理工艺，可以显著提高支持销的耐磨性和强度，满足液压制动夹钳的使用要求。

第二，HyperWorks 是一款优秀的有限元分析软件，通过高性能的有限元建模和后处理可以大大缩短工程分析的周期。

4 参考文献

[1] 雷新宇，董臻.CAD技术与应用.沈阳：辽宁科学技术出版社，1997
[2] 赵维涛，白孝珍.有限元法基础.北京：科学出版社，2009
[3] 成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2004
[4] 付俊庆，荣见华.机械连接接口动力学模态研究现状.长沙：长沙交通学院学报，2004，
Vol20（30）58～63
[5] Altair中国官方网：www.altair.com.cn

Optimization of Hydraulic Brake Clamp Pin Based on HyperWorks
Jin Guanglei 

Abstract: According to the working principle and load conditions of the hydraulic brake caliper support pin, the finite element model is built with the braking parameters of CRH2 using powerful pre-processing function of HyperWorks. Support pin is analyzed by RADIOSS. Based on the result, choosing of material and process are studied to meet the product requirements.
Key words: support pin  finite element analysis  hydraulic brake caliper  material