題 目：__ 機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析____院：______________ _應(yīng)用技術(shù)學(xué)院__________________專業(yè)_ 完成日期：__________ _ 年 6 月 2 日_____________________誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在老師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日1畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書題目： 機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析 姓一、 基本任務(wù)及要求：1.查閱機車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析相關(guān)文獻 15 篇以上，分析機車制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀,并寫出文獻綜述、開題報告。 2.分析制動系統(tǒng)工作特點和方式 3.設(shè)計氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對主要零件進行計算分析 4. 建立制動系統(tǒng)三維模型、裝配模型 5.建立制動系統(tǒng)虛擬樣機 6.進行制動系統(tǒng)主要零件有限元分析，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因 7撰寫畢業(yè)論文，字數(shù) 15000 以上。 二、 進度安排及完成時間：3.4－3.10：熟悉課題、查閱文獻資料 3.11－3.24：撰寫文獻綜述、開題報告 4.1－4.15：分析制動系統(tǒng)工作特點和方式 24.16－4.20：設(shè)計氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對主要零件進行計算分析 4.21－5.11：建立制動系統(tǒng)三維模型，裝配模型 （4 月份完成畢業(yè)實習(xí)） 5.12－5.19：建立制動系統(tǒng)虛擬樣機模型 5.20－5.27：進行制動系統(tǒng)主要零件有限元分析，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因 5.27－6.1：撰寫畢業(yè)論文 6.1－6.3: 上交畢業(yè)論文，并根據(jù)評閱意見進行修改 6.4－6.5：畢業(yè)答辯 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題 目： 機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析 學(xué)院： 2017 年 3 月 10 日畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1．文獻綜述：結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2500 字以上的文獻綜述，文后應(yīng)列出所查閱的文獻資料。文 獻 綜 述1.1 引言電機車是我國主要的礦山運輸機械，其制動裝置有機械制動和電氣制動2種。電氣制動是利用控制器改變電氣線路進行制動，屬于能耗制動；機械制動是利用制動器進行制動。目前礦用電機車一般采用手動閘輪操作的閘瓦制動和電氣動力制動裝置，有的也采用壓氣制動裝置。但由于電氣制動在停車制動時不能使機車完全停止，因此除小型電機車外．每臺機車上都應(yīng)裝有機械制動裝置?！栋踩?guī)程》規(guī)定，列車制動距離最大不得超過30m，這里的制動距離指的是從司機開始制動到列車完全停止運行的距離。目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的ZK一7型和ZK一10型架線式電機車，其運行速度約為16．5 km／h，手動機械制動空行程時間按3 s計，則其制動空行程約為14 m。實際允許制動距離，按規(guī)定的制動距離減去制動空行程距離計算，僅為26 m。如果再考慮牽引溫升，對列車實際運行速度限制更高。實際情況表明．制動技術(shù)已經(jīng)成為限制電機車運輸能力的急待解決的問題 [1]。1.2 設(shè)計背景與意義機車制動系統(tǒng)伴隨著機車工業(yè)迅速的發(fā)展，車輛制動的安全性能越來越高。目前大部分機車的制動系統(tǒng)是采用主動的控制方式，這種制動的方式在機車行駛是處于正常狀態(tài)下是完全可靠的。但是，突然出現(xiàn)危險或判斷失誤時，機車就可能會發(fā)生意想不到的交通事故。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們從正反方面的經(jīng)驗教訓(xùn)中認識到人機系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系的重要性，并使研究工作得以強化限隨著近幾年來國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們不但關(guān)注車的外型和整體性能，同時，也十分關(guān)注車輛行駛的安全性和方便性問題。從我國高速公路上發(fā)生的大量事故的統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于車輛本身的技術(shù)問題導(dǎo)致交通事故發(fā)生的已約達到 30％左右。而其中主要誘因是車輛制動性能不足或制動操作不當(dāng)?shù)榷鴮?dǎo)致的車輛追尾、制動跑偏、甩尾等惡性交通事故。由此可見，改進車輛制動性能、提高車輛制動系統(tǒng)的恒定性以及改進車輛制動系統(tǒng)的人機操作環(huán)境有很強的現(xiàn)實意義，可以切實提高車輛行駛的安全性和方便性，減少由于車輛原因而導(dǎo)致的交通事故的發(fā)生概率。隨著人們對車輛制動性能影響車輛安全性的意識的提高，以及電子技術(shù)的發(fā)展，車輛制動系統(tǒng)也歷經(jīng)了數(shù)次變遷和改進。近年來，機車機械制動系統(tǒng)作為制動系統(tǒng)的發(fā)展方向，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點之一。1.3 機車制動系統(tǒng)的歷史最原始的制動控制只是駕駛員操縱一組簡單的機械裝置向制動器施加作用力，這時的車輛的質(zhì)量比較小，速度比較低，機械制動雖已滿足車輛制動的需要，但隨著機車自質(zhì)量的增加，助力裝置對機械制動器來說已顯得十分必要。這時，開始出現(xiàn)真空助力裝置。1932 年生產(chǎn)的質(zhì)量為 2860kg 的凱迪拉克 V16 車四輪采用直徑 419.1mm 的鼓式制動器，并有制動踏板控制的真空助力裝置。林肯公司也于 1932 年推出 V12 轎車，該車采用通過四根軟索控制真空加力器的鼓式制動器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術(shù)的發(fā)展，車輛制動有了新的突破，液壓制動是繼機械制動后的又一重大革新。Duesenberg Eight車率先使用了轎車液壓制動器。克萊斯勒的四輪液壓制動器于 1924 年問世。通用和福特分別于 1934 年和 1939 年采用了液壓制動技術(shù)。到 20 世紀(jì) 50 年代，液壓助力制動器才成為現(xiàn)實 [2.3]。1.4 機車氣動系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.4.1 機車制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀當(dāng)考慮基本的制動功能量，液壓操縱仍然是最可靠、最經(jīng)濟的方法。即使增加了防抱制動(ABS)功能后，傳統(tǒng)的“油液制動系統(tǒng)”仍然占有優(yōu)勢地位。但是就復(fù)雜性和經(jīng)濟性而言，增加的牽引力控制、車輛穩(wěn)定性控制和一些正在考慮用于“智能汽車”的新技術(shù)使基本的制動器顯得微不足道。傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)只做一樣事情，即均勻分配油液壓力。當(dāng)制動踏板踏下時，主缸就將等量的油液送到通往每個制動器的管路，并通過一個比例閥使前后平衡。而ABS或其他一種制動干預(yù)系統(tǒng)則按照每個制動器的需要時對油液壓力進行調(diào)節(jié)。目前，車輛防抱制動控制系統(tǒng)(ABS)已發(fā)展成為成熟的產(chǎn)品，并在各種車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，但是這些產(chǎn)品基本都是基于車輪加、減速門限及參考滑移率方法設(shè)計的。方法雖然簡單實用，但是其調(diào)試比較困難，不同的車輛需要不同的匹配技術(shù)，在許多不同的道路上加以驗證；從理論上來說，整個控制過程車輪滑移率不是保持在最佳滑移率上，并未達到最佳的制動效果。另外，由于編制邏輯門限ABS有許多局限性，所以近年來在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展了車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)(VDC)。結(jié)合動力學(xué)控制的最佳ABS是以滑移率為控制目標(biāo)的ABS，它是以連續(xù)量控制形式，使制動過程中保持最佳的、穩(wěn)定的滑移率，理論上是一種理想的ABS控制系統(tǒng) [4.5.6]。1.4.2 現(xiàn)代機車氣動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代機車制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢摘要：從機車誕生時起，車輛制動系統(tǒng)在車輛的安全方面就扮演著至關(guān)重要的角色。近年來，隨著車輛技術(shù)的進步和機車行駛速度的提高，這種重要性表現(xiàn)得越來越明顯。眾多的機車工程師在改進機車制動性能的研究中傾注了大量的心血。目前關(guān)于機車制動的研究主要集中在制動控制方面。經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，機車制動系統(tǒng)的形式已經(jīng)基本固定下來。隨著電子，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，機車制動系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。如凱西-海斯(K-H)公司在一輛實驗車上安裝了一種電-液(EH) 制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)徹底改變了制動器的操作機理。通過采用 4 個比例閥和電力電子控制裝置， K-H 公司的 EBM 就能考慮到基本制動、ABS、牽引力控制、巡航控制制動干預(yù)等情況，而不需另外增加任何一種附加裝置。EBM 系統(tǒng)潛在的優(yōu)點是比標(biāo)準(zhǔn)制動器能更加有效地分配基本制動力，從而使制動距離縮短 5%。一種完全無油液、完全的電路制動 BBW （Brake-By-Wire)的開發(fā)使傳統(tǒng)的液壓制動裝置成為歷史 [7] [8][9]。1.5 機車機車制動系統(tǒng)未來研究方向作為全新的制動系統(tǒng)，機車防抱制動系統(tǒng)給機車帶來了巨大變革，推動了機車智能化控制的發(fā)展。為了加快機車機械制動系統(tǒng)發(fā)展和普及，未來機車機械制動系統(tǒng)的研究將主要集中在以下幾個方面：(1)制動系統(tǒng)的失效處理。需要一個備用制動控制系統(tǒng)保證制動安全；(2)系統(tǒng)容錯的控制。車輛運行過程中會有各種各樣的干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響，保證機車機械制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，是需要解決的重要問題：(3)電機的設(shè)計。對電機可靠性要求較高，而且機構(gòu)必須小巧緊湊、易于安裝布置，能在各種惡劣的條件下可靠地工作；(4)機電一體化的集成。對于機車機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的研究已經(jīng)有幾家公司提出了設(shè)計方案，目前的執(zhí)行機構(gòu)中機械零件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如何有效的增大轉(zhuǎn)矩、保證機構(gòu)自動調(diào)節(jié)制動間隙、使結(jié)構(gòu)小巧而且可靠，是設(shè)計中要考慮的問題；(5)驅(qū)動能源。采用全電制動控制系統(tǒng)，需要較多的電能，機車機械制動系統(tǒng)的應(yīng)用有賴于未來的大電壓車載電源；(6)降低系統(tǒng)的使用成本也是要解決的問題 [10][11]。參考文獻[1] 余志生．汽車理論．北京：機械工業(yè)出版社，2000[2] 劉豫香，胡躍文.我國機車制動機的發(fā)展.機車電傳動，2002[3] Leiter R．Design and Control ofan Electric Park Brake．20th Annual Brake Colloquium and Exhibition，October 2002：379-383[4] Greg Gagarin.機車制動系統(tǒng).國外內(nèi)燃機車.2000， （5）[5] Aidemark J，Vinter J，F(xiàn)olkesson P ．Experimental Evaluation of Time—redundantExecution for a Brake-by-wire Application．ProceedingsoftheInternationalConferenceon Dependable Systems and Networks，2002[6] 余志生．機車理論．北京：機械工業(yè)出版社，2000[7] 劉豫湘.我國機車制動機的現(xiàn)狀與發(fā)展.電力機車與城軌車輛，2005[8] 美]L．埃克佛恩．機車制動系統(tǒng)．北京：機械工業(yè)出版社，1997[9] 柯愈治.汽車防抱制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與檢修．北京：人民交通出版社，1998[10] 林沽亭.《中華之星》動車組制動系統(tǒng)的分析和評估.鐵道機車車輛，2003[11] 應(yīng)之丁，姜靖國，吳萌嶺，等.日德高速電動車組制動系統(tǒng)分析.鐵道車輛.1999,37(1)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告開 題 報 告一、課題的目的與意義課題以某機車為參考車型，運用 CAD 建模技術(shù)及有限元分析方法對機車氣動制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)進行了設(shè)計研究。首先對機車機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)各零部件進行設(shè)計計算，然后根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果，在 UG 中建立其 CAD 模型，最后對主要零部件進行有限元分析。同時，也對零件失效的形式和原因進行了分析。二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望作為全新的制動系統(tǒng)，機車防抱制動系統(tǒng)給機車帶來了巨大變革，推動了機車智能化控制的發(fā)展。為了加快機車機械制動系統(tǒng)發(fā)展和普及，未來機車機械制動系統(tǒng)的研究將主要集中在以下幾個方面：(1)制動系統(tǒng)的失效處理。需要一個備用制動控制系統(tǒng)保證制動安全；(2)系統(tǒng)容錯的控制。車輛運行過程中會有各種各樣的干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響，保證機車機械制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，是需要解決的重要問題：(3)電機的設(shè)計。對電機可靠性要求較高，而且機構(gòu)必須小巧緊湊、易于安裝布置，能在各種惡劣的條件下可靠地工作；(4)機電一體化的集成。對于機車機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的研究已經(jīng)有幾家公司提出了設(shè)計方案，目前的執(zhí)行機構(gòu)中機械零件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如何有效的增大轉(zhuǎn)矩、保證機構(gòu)自動調(diào)節(jié)制動間隙、使結(jié)構(gòu)小巧而且可靠，是設(shè)計中要考慮的問題；(5)驅(qū)動能源。采用全電制動控制系統(tǒng)，需要較多的電能，機車機械制動系統(tǒng)的應(yīng)用有賴于未來的大電壓車載電源；三、課題主要內(nèi)容和要求1、課題主要內(nèi)容（1）建立機車氣動結(jié)構(gòu)的三維仿真模型。①機車氣動制動系統(tǒng)三維實體模型的建立，并進行分析；②機車制動主要零件有限元分析。（3）根據(jù)分析結(jié)果，對機車關(guān)鍵零件提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。2、課題主要要求（1）建立機車氣動制動結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零件的三維模型。（2）對機車關(guān)鍵零件進行有限元分析。（3）對關(guān)鍵零件有限元分析結(jié)果進行可視化處理。 （4）撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，完成畢業(yè)論文。四、研究方法、步驟和措施1、查閱資料，翻譯英文資料查找設(shè)計所需的資料，資料的內(nèi)容要有深度，要具有參考意義。2、熟練掌握設(shè)計所需的內(nèi)容復(fù)習(xí)以前所學(xué)設(shè)計有關(guān)的專業(yè)知識，并熟練的運用到設(shè)計中去。還要學(xué)習(xí)一些設(shè)計中所用到的其它方面的知識，如：有限元法。設(shè)計運用 UG 軟件繪制機車氣動制動系統(tǒng)所有零件的三維模型圖，并通過 UG 生成二維圖形，經(jīng)過 AUTOCAD 處理后形成正式二維工程圖，并關(guān)鍵零件的運動學(xué)、動力學(xué)、有限元分析。3、設(shè)計內(nèi)容（1）建立機車氣動制動系統(tǒng)三維模型，并進行干涉分析；（2）機車氣動制動關(guān)鍵零件模態(tài)有限元分析；（3）改進機車制動機關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)，并再次進行分析。4、具體設(shè)計步驟（1）利用 UG 完成機車所有零件的三維建模，進行裝配，并進行干涉分析；（2）利用 UG 分析關(guān)鍵零件；（3）利用 UG 自動劃分網(wǎng)格，并生成有限元模型；（4）對有限元模型按照實際情況施加所需約束；（5）讀取結(jié)果，并對仿真結(jié)果進行可視化處理，根據(jù)仿真結(jié)果提出合理改進意見；（6）整理仿真分析所得數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，為優(yōu)化提供參考。畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1．對“文獻綜述”的評語：2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：指導(dǎo)老師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見：負責(zé)人： 年 月 日目 錄摘要 .1ABSTRACT .3第 1 章 緒 論 11.1 引言 11.2 設(shè)計背景與意義 11.3 機車制動系統(tǒng)的歷史 21.4 機車制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21.4.1 機車制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀 .21.4.2 現(xiàn)代機車制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .31.5 機車氣動制動系統(tǒng)未來研究方向 3第 2 章 機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要零件設(shè)計計算 42.1 機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 42.1.1 設(shè)計前提條件 42.1.2 制動系統(tǒng)原理及要求 .42.1.3 制動性能評價指標(biāo) 42.2 計算主要零件 52.2.1 設(shè)計參數(shù)的選定及應(yīng)滿足的要求 52.2.2 制動過程運動分析 52.2.3 制動系統(tǒng)的靜力分析 52.2.4 機車制動力計算 62.3 主要零部件的計算分析 7II2.3.1 制動桿和氣缸的選材及尺寸 72.3.2 閘瓦的結(jié)構(gòu)選擇 72.3.3 閘瓦的材料選擇及技術(shù)要求 .8第 3 章 建立系統(tǒng)三維模型 .113.1 三維建模軟件 UG 的簡介 113.2 三維建模軟件 UG 的發(fā)展 113.2 氣動制動系統(tǒng)的三維建模 .123.2.1 拉桿的建模 123.2.2 連桿的建模 143.2.3 制動板的建模 153.2.4 氣缸的建模 163.2.5 氣動制動系統(tǒng)裝配模型與虛擬樣機模型 16第 4 章 系統(tǒng)主要零件有限元分析 .204.1 有限元概述 .184.1.1 有限元分析特點 .194.1.2 有限元法發(fā)展概況 194.1.3 有限元分析的步驟 .204.2 有限元分析過程 .214.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因 .214.3.1 失效的概念與形式 .214.3.2 零件失效的原因及分析 .224.3.3 主要零件的有限元分析 .23III參考文獻 34致 謝 .352機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析摘要：課題以某機車為參考車型，運用 CAD 建模技術(shù)及有限元分析方法對機車氣動制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)進行了設(shè)計研究。首先對機車氣動制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)各零部件進行設(shè)計計算，然后根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果，在 UG 中建立其 CAD 模型，最后對主要零部件進行有限元分析。同時，也對零件失效的形式和原因進行了分析。關(guān)鍵詞：機車制動系統(tǒng)；執(zhí)行機構(gòu)；有限元分析3Locomotive Mechanical Brake System Design and Finite Element AnalysisAbstract:This paper refers to one locomotive model and studied Mechanical Braking system on the basis of CAD model technology and Finite element anlysis. First, the locomotive brake system actuator mechanical design of the components calculated, then according to the design calculations, in the UG CAD model to build its last, the finite element analysis of main components. Also in the form of component failure and the reasons were analyzed.Keywords: Mechanical Braking system; Implementing agency; Finite element anlysis41第 1 章 緒 論1.1 引言電機車是我國主要的礦山運輸機械，其制動裝置有機械制動和電氣制動2種。電氣制動是利用控制器改變電氣線路進行制動，屬于能耗制動；機械制動是利用制動器進行制動。目前礦用電機車一般采用手動閘輪操作的閘瓦制動和電氣動力制動裝置，有的也采用壓氣制動裝置。但由于電氣制動在停車制動時不能使機車完全停止，因此除小型電機車外．每臺機車上都應(yīng)裝有機械制動裝置。《安全規(guī)程》規(guī)定，列車制動距離最大不得超過30m，這里的制動距離指的是從司機開始制動到列車完全停止運行的距離。目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的ZK一7型和ZK一10型架線式電機車，其運行速度約為16．5 km／h，手動機械制動空行程時間按3 s計，則其制動空行程約為14 m。實際允許制動距離，按規(guī)定的制動距離減去制動空行程距離計算，僅為26 m。如果再考慮牽引溫升，對列車實際運行速度限制更高。實際情況表明．制動技術(shù)已經(jīng)成為限制電機車運輸能力的急待解決的問題 [1]。1.2 設(shè)計背景與意義機車制動系統(tǒng)伴隨著機車工業(yè)迅速的發(fā)展，車輛制動的安全性能越來越高。目前大部分機車的制動系統(tǒng)是采用主動的控制方式，這種制動的方式在機車行駛是處于正常狀態(tài)下是完全可靠的。但是，突然出現(xiàn)危險或判斷失誤時，機車就可能會發(fā)生意想不到的交通事故。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們從正反方面的經(jīng)驗教訓(xùn)中認識到人機系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系的重要性，并使研究工作得以強化限隨著近幾年來國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們不但關(guān)注車的外型和整體性能，同時，也十分關(guān)注車輛行駛的安全性和方便性問題。從我國高速公路上發(fā)生的大量事故的統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于車輛本身的技術(shù)問題導(dǎo)致交通事故發(fā)生的已約達到 30％左右。而其中主要誘因是車輛制動性能不足或制動操作不當(dāng)?shù)榷鴮?dǎo)致的車輛追尾、制動跑偏、甩尾等惡性交通事故。由此可見，改進車輛制動性能、提高車輛制動系統(tǒng)的恒定性以及改進車輛制動系統(tǒng)的人機操作環(huán)境有很強的現(xiàn)實意義，可以切實提高車輛行駛的安全性和方便性，減少由于車輛原因而導(dǎo)致的交通事故的發(fā)生概率。隨著人們對車輛制動性能影響車輛安全性的意識的提高，以及電子技術(shù)的發(fā)展，車輛制動系統(tǒng)也歷經(jīng)了數(shù)次變遷和改進。近年來，機車機械制動系統(tǒng)作2為制動系統(tǒng)的發(fā)展方向，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點之一。1.3 機車制動系統(tǒng)的歷史最原始的制動控制只是駕駛員操縱一組簡單的機械裝置向制動器施加作用力，這時的車輛的質(zhì)量比較小，速度比較低，機械制動雖已滿足車輛制動的需要，但隨著機車自質(zhì)量的增加，助力裝置對機械制動器來說已顯得十分必要。這時，開始出現(xiàn)真空助力裝置。1932 年生產(chǎn)的質(zhì)量為 2860kg 的凱迪拉克 V16 車四輪采用直徑 419.1mm 的鼓式制動器，并有制動踏板控制的真空助力裝置。林肯公司也于 1932 年推出 V12 轎車，該車采用通過四根軟索控制真空加力器的鼓式制動器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術(shù)的發(fā)展，車輛制動有了新的突破，液壓制動是繼機械制動后的又一重大革新。Duesenberg Eight 車率先使用了轎車液壓制動器?？巳R斯勒的四輪液壓制動器于 1924 年問世。通用和福特分別于 1934 年和 1939 年采用了液壓制動技術(shù)。到 20 世紀(jì) 50 年代，液壓助力制動器才成為現(xiàn)實 [2.3]。1.4 機車制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.4.1 機車制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀當(dāng)考慮基本的制動功能量，液壓操縱仍然是最可靠、最經(jīng)濟的方法。即使增加了防抱制動(ABS)功能后，傳統(tǒng)的“油液制動系統(tǒng)”仍然占有優(yōu)勢地位。但是就復(fù)雜性和經(jīng)濟性而言，增加的牽引力控制、車輛穩(wěn)定性控制和一些正在考慮用于“智能汽車”的新技術(shù)使基本的制動器顯得微不足道。傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)只做一樣事情，即均勻分配油液壓力。當(dāng)制動踏板踏下時，主缸就將等量的油液送到通往每個制動器的管路，并通過一個比例閥使前后平衡。而ABS或其他一種制動干預(yù)系統(tǒng)則按照每個制動器的需要時對油液壓力進行調(diào)節(jié)。目前，車輛防抱制動控制系統(tǒng)(ABS)已發(fā)展成為成熟的產(chǎn)品，并在各種車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，但是這些產(chǎn)品基本都是基于車輪加、減速門限及參考滑移率方法設(shè)計的。方法雖然簡單實用，但是其調(diào)試比較困難，不同的車輛需要不同的匹配技術(shù)，在許多不同的道路上加以驗證；從理論上來說，整個控制過程車輪滑移率不是保持在最3佳滑移率上，并未達到最佳的制動效果。另外，由于編制邏輯門限ABS有許多局限性，所以近年來在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展了車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)(VDC)。結(jié)合動力學(xué)控制的最佳ABS是以滑移率為控制目標(biāo)的ABS，它是以連續(xù)量控制形式，使制動過程中保持最佳的、穩(wěn)定的滑移率，理論上是一種理想的ABS控制系統(tǒng) [4.5.6]。1.4.2 現(xiàn)代機車制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代機車制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢摘要：從機車誕生時起，車輛制動系統(tǒng)在車輛的安全方面就扮演著至關(guān)重要的角色。近年來，隨著車輛技術(shù)的進步和機車行駛速度的提高，這種重要性表現(xiàn)得越來越明顯。眾多的機車工程師在改進機車制動性能的研究中傾注了大量的心血。目前關(guān)于機車制動的研究主要集中在制動控制方面。經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，機車制動系統(tǒng)的形式已經(jīng)基本固定下來。隨著電子，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，機車制動系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。如凱西-海斯(K-H)公司在一輛實驗車上安裝了一種電-液(EH)制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)徹底改變了制動器的操作機理。通過采用 4 個比例閥和電力電子控制裝置， K-H 公司的 EBM 就能考慮到基本制動、ABS、牽引力控制、巡航控制制動干預(yù)等情況，而不需另外增加任何一種附加裝置。EBM 系統(tǒng)潛在的優(yōu)點是比標(biāo)準(zhǔn)制動器能更加有效地分配基本制動力，從而使制動距離縮短 5%。一種完全無油液、完全的電路制動 BBW （Brake-By-Wire)的開發(fā)使傳統(tǒng)的液壓制動裝置成為歷史 [7] 。1.5 機車氣動制動系統(tǒng)未來研究方向作為全新的制動系統(tǒng)，機車防抱制動系統(tǒng)給機車帶來了巨大變革，推動了機車智能化控制的發(fā)展。為了加快機車機械制動系統(tǒng)發(fā)展和普及，未來機車機械制動系統(tǒng)的研究將主要集中在以下幾個方面：(1)制動系統(tǒng)的失效處理。需要一個備用制動控制系統(tǒng)保證制動安全；(2)系統(tǒng)容錯的控制。車輛運行過程中會有各種各樣的干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響，保證機車機械制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，是需要解決的重要問題：(3)電機的設(shè)計。對電機可靠性要求較高，而且機構(gòu)必須小巧緊湊、易于安裝布置，4能在各種惡劣的條件下可靠地工作；(4)機電一體化的集成。對于機車機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的研究已經(jīng)有幾家公司提出了設(shè)計方案，目前的執(zhí)行機構(gòu)中機械零件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如何有效的增大轉(zhuǎn)矩、保證機構(gòu)自動調(diào)節(jié)制動間隙、使結(jié)構(gòu)小巧而且可靠，是設(shè)計中要考慮的問題；(5)驅(qū)動能源。采用全電制動控制系統(tǒng)，需要較多的電能，機車機械制動系統(tǒng)的應(yīng)用有賴于未來的大電壓車載電源；(6)降低系統(tǒng)的使用成本也是要解決的問題 [8]。5第 2 章 機車氣動制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要零件設(shè)計計算2.1 機車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1.1 設(shè)計前提條件（1）機車參數(shù)車箱尺寸(長×寬×高)：4430×1500×1100，軸距為 1200mm，輪胎尺寸為680mm。（2）法規(guī)適應(yīng)性決定制動系統(tǒng)、構(gòu)造和參數(shù)的最低要求是適合指定的法規(guī)。根據(jù)上述兩項最基本的前提條件，再加上市場的需求、使用條件等確定設(shè)計方案。2.1.2 制動系統(tǒng)原理及要求制動系統(tǒng)主要由氣缸、連桿、杠桿，閘瓦等組成。機械氣動是指氣壓制動是通過制動氣缸的活塞桿來推動的，其制動過程與手輪制動相似。當(dāng)壓氣進入制動缸推動活塞桿伸出，帶動制動桿使閘瓦壓向車輪實施制動。當(dāng)制動結(jié)束時，關(guān)閉進入制動氣缸的壓氣通路，釋放缸中的壓氣，氣缸通過彈簧復(fù)位。帶動制動拉桿及制動杠桿動作，使制動閘瓦對車輪產(chǎn)生壓力，從而使車輪與閘瓦之間產(chǎn)生摩擦制動力，從而使電機車減速或停車?；A(chǔ)制動的四塊閘瓦通過制動杠桿之間的聯(lián)接器來平衡閘瓦之間的壓力，使電機車的四塊閘瓦壓力基本一致，同時，聯(lián)接器用于調(diào)節(jié)制動閘瓦與車輪的間隙，從而保證基礎(chǔ)制動的可靠工作。當(dāng)制動緩解時，應(yīng)根據(jù)閘瓦磨損程度經(jīng)常調(diào)整聯(lián)接器，使其保持閘瓦與車輪的間隙為 2 mm～3 mm，以獲得最大制動效果。當(dāng)手輪處于制動位置時，四塊閘瓦均應(yīng)與車輪緊密貼合，并具有足夠的正壓力。當(dāng)閘瓦厚度小于 10 mm時，應(yīng)更換新閘瓦。更換新閘瓦后，相應(yīng)調(diào)整同心和間隙。閘瓦和車輪踏面盡量處于同心位置，若偏移太大，可調(diào)整彈簧。制動裝置應(yīng)經(jīng)常檢查：除去泥污、絲桿、銷子、軸承等處常添加潤滑油，發(fā)現(xiàn)磨損嚴重的部件需及時更換，嚴禁湊合工作 [9]。62.1.3 制動性能評價指標(biāo)(1)制動效能，即制動距離與制動減速度。(2)制動效能的恒定性，即抗熱衰退性能。(3)制動時機車的方向穩(wěn)定性，即制動時機車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能 [10]。2.2 計算主要零件2.2.1 設(shè)計參數(shù)的選定及應(yīng)滿足的要求機車粘重：8t車輪滾動圓直徑：680mm最小牽引速度為： 6.5km/h最大牽引速度為：19.5km/h制動距離：12m2.2.2 制動過程運動分析根據(jù)已知條件： 電機車的制動距離： aVS2?制動速度： atV?式中：a：制動加速度， 2smt: 減速制動時間，s表 2.1 制動距離7根據(jù)國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)對電機車制動系統(tǒng)的規(guī)定。依照上列各式計算，可以得出：電機車制動時，其制動速度為 5.42m/s (制動初速度 v=19.5 km/h)；相應(yīng)的最大制動距離為 12 m,所需要的實際制動時間為 5.9s，空運行時間為 3s.總控制時間為8.9s.2.2.3 制動系統(tǒng)的靜力分析作用在構(gòu)件上的力可分為驅(qū)動力、阻力、運動副反力、重力、慣性力。驅(qū)動力：凡是驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生的力成為驅(qū)動力。驅(qū)動力所作的功為正值，通常稱為輸入功。制動機構(gòu)中給手輪一個力通過絲桿軸傳遞到拉桿，這個力就是驅(qū)動力。它對制動桿有一個向左的推力。阻力：凡是阻止機構(gòu)產(chǎn)生運動的力稱為阻力。阻力所作的功為負值，通常稱為阻抗。阻力可以分為有效阻力和有害阻力兩種。有效阻力稱為工作阻力，是與生產(chǎn)直接相關(guān)的阻力，所作的功稱為有效功或輸出功。有害阻力是阻力中除有效阻力外的無效部分，所作功為損耗功，對運動有害。圖 2.1 制動時受力情況機構(gòu)力分析的目的有以下兩個方面：（1） 確定運動副反力即確定運動副兩元素接觸處彼此的作用力。這些力的大小和性質(zhì)對于計算機構(gòu)各個零件的強度、決定機構(gòu)中的摩擦力和機構(gòu)效率以及計算運動副中的磨損和確定軸承形式等，都是極為重要的資料。（2） 確實為維持機構(gòu)作給定運動而需要的平衡力公稱粘著質(zhì)量 t 2.5 5.0 8.0 12.0 16.0 20.0制動距離≤m 6.0 9.0 12.0 16.0 20.0 22.08根據(jù)作用在機構(gòu)上已知外力，可在維持機構(gòu)給定運動規(guī)律工作的條件下求解與之平衡的未知的外力。此待求的未知外力可以以力或力矩的形式出現(xiàn)，分別稱之為平衡力或平衡力矩。這對確定機械工作時所需的驅(qū)動功率或能承受的最大載荷等都是必需的數(shù)據(jù)。在對機械進行力分析時，對于低速機械，由于慣性力的影響不大，故可以忽略。凡不計慣性力而只考慮靜載荷的條件下對機械進行力分析稱為靜力分析。對于高速及重型機械，由于機構(gòu)的慣性力往往很大，有時甚至大大超過了其他靜載荷，所以必須考慮。凡是同時考慮慣性和慣性力而對機械進行的力學(xué)分析稱為動力分析。2.2.4 機車制動力計算手動抱閘時，電機車能夠產(chǎn)生的最大制動力（8t 電機車） [11]?nPB10max?式中： maxB-機車能夠產(chǎn)生的最大制動 n力，N；-整臺機車制動時的粘著重量，t；?-制動狀態(tài)的粘著系數(shù)，取若閘瓦壓力繼續(xù)增加，以致于使整個電機車的制動力超過 maxB時（即把制動輪抱死時） ，則制動車輪的輪緣沿軌面向前滑動。這時軌面對制動輪緣的切向摩擦力將變?yōu)榧兓瑒幽Σ亮?。即機車此時的制動力變?yōu)椋?fPBn10?式中： -軌面與輪緣間的滑動摩擦系數(shù)。由于 f＜ ?，所以 B＜ max。實踐證明，機車制動車輪完全抱死時的制動力大約為正常粘著條件下的最大制動力的 0.50%。92.3 主要零部件的計算分析2.3.1 制動桿和絲桿軸的選材及尺寸制動桿的材料選擇 45 鋼，其中 MPas35??， Pab598??， %165??（其中5?是指 dl?的標(biāo)準(zhǔn)試樣的伸長率） 。 。拉桿直徑為 25mm，總長度為 670mm；制動桿和連桿的厚度為 22mm。選擇 45 鋼，采用的熱處理技術(shù)為淬火回火，充分發(fā)揮 45 鋼的性質(zhì)。淬火極大幅度地提高了材料的硬度和強度，淬火后及時回火，獲得穩(wěn)定的回火組織。礦用蓄電池電機車氣動制動系統(tǒng)氣缸活塞桿推力的添加氣缸活塞桿推力是單作用力，可通過施加單作用力的工具來定義。力作用在氣缸活塞上，其大小也可以用函數(shù)定義。８ｔ礦用蓄電池電機車原制動氣缸型號為 QGALL125ｘ120,氣缸平均輸出力大約為 1600N。2.3.2 閘瓦的結(jié)構(gòu)選擇閘瓦的類別與圖樣（1） 根據(jù)電機車車輪直徑和閘瓦結(jié)構(gòu)特征，將閘瓦類別標(biāo)準(zhǔn)化五種，其形狀、尺寸及其適用于車輪的直徑。選擇車輪直徑為 680mm。10圖 2.2 閘瓦結(jié)構(gòu)圖（2） 圖中未注明的鑄造圓角半徑均為 R3（3） 閘瓦鑄造尺寸公差按 JB2854，不低于 7 級精度。2.3.3 閘瓦的材料選擇及技術(shù)要求(1) 閘瓦構(gòu)成1）閘瓦由背和摩擦體組成。2）瓦背采用機械性能不低于 Q235—A 的冷軋鋼板制造。瓦背取材的長度方向應(yīng)與鋼板的軋制方向一致鋼板技術(shù)條件應(yīng)符合 GB/T 700 的規(guī)定。3）摩擦體以金屬或其合金為集體，加入摩擦、減摩或起某些特殊作用的其他金屬、11非金屬組分，用粉末冶金技術(shù)制成。(2) 制作要求閘瓦應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)并按規(guī)定程序批準(zhǔn)的產(chǎn)品圖樣制造。(3) 外觀1）閘瓦瓦背不得存在裂紋，應(yīng)進行防銹處理；2）閘瓦瓦背外弧面和檢驗樣板之間的局部間隙不大于 1.5mm;3）閘瓦摩擦體不得存在裂紋、分層、疏松等粉末冶金燒結(jié)缺陷；4）閘瓦厚度大的一側(cè)垂直于摩擦面的方向，涂一道約 10mm 寬的白漆標(biāo)記；5）摩擦體除白漆標(biāo)記外，其余部分不得涂漆。(4) 使用性能1）閘瓦使用限度（包括瓦背和摩擦體在內(nèi)）：任何一處的剩余厚度不小于 14mm;2）閘瓦在使用限度內(nèi)，摩擦體不應(yīng)產(chǎn)生片狀或塊狀脫落，摩擦體脫落面積大于摩擦面積的 20%時禁用；3）閘瓦不得使車輪踏面產(chǎn)生局部過度磨耗、溝狀磨耗和犁痕式磨耗，不得使踏面產(chǎn)生熱損傷（熱斑、熱裂紋、剝 8 離等） ，不得因閘瓦原因造成摩擦體和車輪之間發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。(5) 物理、力學(xué)性能閘瓦摩擦體的物理、力學(xué)性能應(yīng)符合表 2.2 的規(guī)定表 2.2 物理、力學(xué)性能性能 單位 性能指標(biāo)密度 g/cm3 不超過給定值的±5%硬度 HB ≤10012橫向斷裂強度 MPa ≥30抗壓強度 MPa ≥90拉剪強度 MPa ≥30沖擊韌性 KJ/M2 ≥5(6)制動摩擦性能1）瞬時摩擦系數(shù)在緊急制動情況下，一次停車制動，其瞬時摩擦系數(shù)基準(zhǔn)值由公式（1）計算式中 ——瞬時摩擦系數(shù)；V——瞬時摩擦速度，Km/h。2）平均摩擦系數(shù)常溫干燥狀態(tài)，高閘瓦壓力為 43KN,一次停車制動，平均摩擦系數(shù)變化范圍符合表2.4 的規(guī)定。3）坡度勻速連續(xù)制動條件下的摩擦系數(shù)坡度勻速連續(xù)制動條件下的摩擦系數(shù)在規(guī)定的制動時間內(nèi)不低于 0.15。4）靜摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)不低于 0.30。表 2 .3 瞬時摩擦系數(shù)變化范圍瞬時速度 v(Km/h) 0 20 40瞬時摩擦系數(shù) 0.270 0.245 0.231瞬時速度 v(Km/h) 60 80 100瞬時摩擦系數(shù) 0.22 0.216 0.21113瞬時速度 v(Km/h) 120 140 160瞬時摩擦系數(shù) 0.208 0.205 0.203表 2.4 平均摩擦系數(shù)變化范圍制動初速(Km/h) 60 80 100平均摩擦系數(shù) 0.232± 0.226 0.221制動初速(Km/h) 120 140 160平均摩擦系數(shù) 0.218 0.214 0.2125）磨耗量閘瓦磨耗量不超過 1.0cm3/MJ。6）熔結(jié)制動試驗在 1:1 制動動力試驗臺上進行熔結(jié)制動試驗時，閘瓦摩擦體和車輪踏面局部瞬時溫度均不得超過 400℃。14第 3 章 建立系統(tǒng)三維模型3.1 三維建模軟件 UG 的簡介UG NX 是美國 UGS 公司推出的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，是當(dāng)今世界上最先進的計算機輔助設(shè)計、分析和制造軟件之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。UG 軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計功能，在設(shè)計過程中還可以進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學(xué)分析，完成產(chǎn)品概念設(shè)計、模型建立、性能分析和運動分析、加工刀路的生成等整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)真正意義上的無紙化生產(chǎn)。UG 面向過程驅(qū)動的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，在面向過程驅(qū)動技術(shù)的環(huán)境中，用戶的全部產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關(guān)。由于系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實現(xiàn)了 CAD/CAE/CAM 等各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自我切換，完全共享零件和產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)，為協(xié)同工作提供了基礎(chǔ)。UG 功能實現(xiàn)了目前制造行業(yè)中常規(guī)的工程分析、設(shè)計和繪圖功能的自動化。用戶能夠方便地繪出任何復(fù)雜的實體以及造型特征 [13]。3.2 三維建模軟件 UG 的發(fā)展在科技飛速發(fā)展的今天，產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)進入到了一種全新的三維虛擬現(xiàn)實的設(shè)計環(huán)境中，以二維平面設(shè)計模式為代表的設(shè)計方式正在逐漸淡出“歷史舞臺” ，取而代之的是各種數(shù)字化的三維設(shè)計技術(shù)。UG(Unigraphics)軟件是 EDS 公司原（Unigraphics Solutions 公司，后成為其中 UGS 部門）推出的集 CAD/CAE/CAM 為一體的三維參數(shù)化設(shè)計軟件之一，其最新的版本 UGNX 不但繼承了原有 UG 軟件的各種強大功能，而且與該公司的另一產(chǎn)品 I-deas 軟件功能相互結(jié)合，共同構(gòu)建了功能更加全面的輔助設(shè)計環(huán)境。UGNX 是當(dāng)今最流行的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，它內(nèi)容豐富，功能強大，為用戶提供了集成最先進的技術(shù)和一流實踐經(jīng)驗的解決方案，能夠把任何產(chǎn)品構(gòu)想付諸于實際。UGNX 涵蓋了工業(yè)設(shè)計中的制造、裝配、加工、仿真和分析等領(lǐng)域 [14]。工程設(shè)計中的一項重要工作是利用分析工具計算零部件的強度和剛度，分析零部15件在一定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，從而預(yù)知所設(shè)計的零部件是否滿足要求，保證設(shè)計的可靠性。對于大多數(shù)的工程技術(shù)問題，由于物體的幾何形狀比較復(fù)雜或者問題的某些特征是非線性的，則很少有解析解。而借助于計算機獲得滿足工程要求的數(shù)值解成為現(xiàn)代工程學(xué)重要方法之一。常用的分析工具是有限元分析（finite element analysis,簡稱 FEA） 。UG 軟件是個集計算機輔助設(shè)計、制造和工程分析的三維參數(shù)化軟件，其結(jié)構(gòu)(Structures)設(shè)計提供了有限元分析功能。在 UG-Modeling 應(yīng)用中完成零部件三維造型后，可以進入該模塊進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化分析。在 UG 的有限元分析模塊中，用戶可進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析和熱結(jié)構(gòu)分析等工作。3.2.1 拉桿的建模打開 UG 軟件，進入新建模塊界面，然后點擊草圖按鈕 ，畫出草圖如圖 3.1所示。圖 3.1 拉桿草圖 1然后點擊 ，拉伸、切割為實體如圖 3.2 所示。16圖 3.2 拉桿草圖 2然后完成草圖，拉伸為圓柱實體。再在圓柱體另一底面畫拉桿一端，注意草圖平面的設(shè)置，然后鏡像求和得到整個拉桿的模型，如圖 3.3 所示。圖 3.3 拉桿3.2.2 連桿的建模打開 UG 軟件，進入新建模塊界面，然后點擊草圖按鈕 ，畫出草圖如圖 3.5所示。17圖 3.5 連桿草圖然后點擊 ，拉伸為實體如圖 3.6 所示。圖 3.6 連桿3.2.3 制動板的建模打開 UG 軟件，進入新建模塊界面，然后點擊草圖按鈕 ，畫出草圖如圖 3.7所示。18圖 3.7 制動板草圖然后點擊 ，拉伸為實體如圖 3.8 所示。圖 3.8 制動板3.2.4 氣缸的建模打開 UG 軟件，進入新建模塊界面，然后點擊草圖按鈕 ，畫出草圖，然后經(jīng)過拉伸，切割，求和等步驟完成氣缸的建模，如圖 3.9 所示。19圖 3.9 均衡梁3.2.5 機車制動系統(tǒng)裝配模型與虛擬樣機模型在建模情況下點擊 按鈕，打開建模界面，如圖 3.10 所示。圖 3.10 裝配界面將整個模型裝配完以后的裝配模型如圖 3.11 所示。20圖 3.11 裝配模型21第 4 章 系統(tǒng)主要零件有限元分析4.1 有限元概述有限元仿真分析在工程技術(shù)領(lǐng)域中具有重要的作用。有限元的建模需要經(jīng)過確定分析類型、實體建模(或?qū)四Ｐ?、定義單元類型、定義材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束施加和載荷施加等多個環(huán)節(jié)，耗時長、工作量大，而且已有的大量數(shù)據(jù)與信息難以重用。如何提高有限元仿真分析的效率和質(zhì)量，是國內(nèi)外專家學(xué)者所重視的問題 [15]。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件） ，從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。UG 有限元分析有兩個主要模塊：UG/Scenario for Structures 和 UG/Scenario for ANSYS。其中 UG/Scenario for Structures 模塊是集成的有限元分析工具，它使用 MSC 劃分網(wǎng)格，可用 StructuresP.E.NASTRAN 和 ANSYS 格式劃分網(wǎng)格，并用 ANSYS 解算器計算。UG/Scenario for Structures 是一個集成的 CAE 工具。它將幾何模型轉(zhuǎn)換成有限元模型進行分析求解，并以圖形方式顯示分析結(jié)果。該模塊是專門針對設(shè)計工程師和用幾何模型進行分析的專業(yè)人員而開發(fā)的，其功能強大，使用方便。概況起來，UG/Scenario for Structures 具有以下特點：（1）交互操作簡單；（2）前置處理功能強22大；（3）支持多種解算器；（4）主模型與有限元數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性好；（5）集成性強；（6）后置處理功能強。4.1.1 有限元分析特點有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函數(shù)” ，即有限元法是Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)） ，且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。4.1.2 有限元法發(fā)展概況有限元法基本思想的提出，可以追溯到 Courant 在 1943 年的工作，他第一次嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢能原理求解圣維男（st.Venant）扭轉(zhuǎn)問題。但由于當(dāng)時沒有計算機這一工具，沒能用來分析工程實際問題，因而未得到重視和發(fā)展?，F(xiàn)代有限元法第一個成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，這是 Turner、 Clough 等人在分析飛機結(jié)構(gòu)時于 1956 年得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求平面應(yīng)力問題的正確解答，他們的研究打開了計算機求解復(fù)雜問題的新局面。1960 年 Clough 將這種方法命名為有限元法。1963 至 1964 年，Besseling、Melosh、和 Jones 等人證明了有限元法是基于變分原理的里茲(Ritz)法的另一種形式，從而使里茲法分析的所有理論基礎(chǔ)都適用于有限元法，確認了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。利用變分原理建立有限元方程和經(jīng)典里茲法的主要區(qū)別是，有限元法假設(shè)的近似函數(shù)不是在全求解域上規(guī)定的，而是在單元上規(guī)定的，而且事先不要求滿足任何邊界條件，因此它可以用來處理很復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)問題。有限元法在工程中應(yīng)用的巨大成功，引起了數(shù)學(xué)界的關(guān)注。20 世紀(jì) 60 至 70 年代數(shù)學(xué)工作者對有限元的誤差、解的收斂性和穩(wěn)定性等方面進行了卓有成效的研究，從而鞏固了有限元法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。我國數(shù)學(xué)家馮康，在 20 世紀(jì) 60 年代研究變分問題的23差分格式時，也獨立地提出了分片插值的思想，為有限元法的創(chuàng)立做出了貢獻。四十多年來，有限元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定問題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的作用已從分析和校核擴展到優(yōu)化設(shè)計，并和計算機輔助設(shè)計技術(shù)相結(jié)合?？梢灶A(yù)計，隨著現(xiàn)代力學(xué)、計算數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，有限元法作為一個具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具，必將在國民經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身亦將得到進一步的發(fā)展和完善 [16]。4.1.3 有限元分析的步驟對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為：第一步：問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細）則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。第四步：單元推導(dǎo)：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣） 。第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組） ，反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點進行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程24組的求解可用直接法、選代法和隨機法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算 [17]。簡言之，有限元分析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。4.2 有限元分析過程圖 4.1 有限元程序流程圖 [18]4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因4.3.1 失效的概念與形式失效是指零件在使用中，由于形狀或尺寸的改變或內(nèi)部組織及性能的變化而失去原有的設(shè)計效能。一般機械零件在以下三種情況下可以認為已經(jīng)失效：零件完全不能工作；零件雖然能工作，但已經(jīng)不能完成設(shè)計功能；零件已有嚴重損傷，不能再繼續(xù)安全使用 [19]。一般機械零件失效的常見形式有：（1）斷裂失效 零件因承載過大或因疲勞損傷等發(fā)生斷裂。（2）磨損失效 零件因過度摩擦而造成過量磨損、表面龜裂及麻點剝落等表面損傷。（3）變形失效 零件因承載過大而發(fā)生過量的彈性、塑性變形或高溫下發(fā)生蠕變等。（4）腐蝕失效 零件在腐蝕性環(huán)境下工作而造成表層腐蝕脫落或斷裂等。同一個零件可能有幾種不同的失效形式，但一般情況下，總是有一種形式起主導(dǎo)作用，很少以兩種形式同時都使零件失效。同時這些失效形式互相組合成為更復(fù)雜的失效形式，如腐蝕疲勞斷裂、腐蝕磨損等。