地铁车辆制动模块风缸卡带组成的力学分析

摘要：根据地铁车辆制动模块风缸卡带组成的具体特点、使用环境、工艺过程等，着重探讨了风缸卡带组成的力学性能，分析了风缸卡带组成在设计使用过程中的受力特点及材料强度。通过分析验证了风缸卡带组成生产的可行性与使用的可靠性，保证了产品的质量。

关键词：地铁车辆、制动模块、风缸卡带组成、力学分析

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

1前言：

随着轨道交通行业的发展，我国地铁交通线网规模正在不断扩大，投入运营的地铁交通车辆数也逐年增加，近几年地铁和轻轨的运营车辆数更是有了长足的发展，因此对车辆的速度、稳定性等性能的要求也在不断提高。车辆制动情形的好坏将决定地铁车辆能否安全运行，因此对地铁车辆制动模块有严格的标准。制动模块在设计组装过程中，通常要对各种部件进行不同的性能验证分析，包括理论分析和试验分析，其目的是验证制动模块正常工作的可靠性。而理论分析是整个分析过程的前提和基础环节，只有把理论分析做好了，才能使后续的工作顺利进行，因此对提高劳动效率和降低成本起着至关重要的作用。

2风缸卡带组成的特征及作用

1——螺母M16 2——弹垫 3——平垫 4——薄螺母M16

5——T型螺栓 6——挡块 7——铆钉 8——钢带

9——橡胶带 10——底架 11——尼龙垫块 12——制动风缸

风缸卡带组成的主要作用是用来固定和悬挂制动风缸的，使制动风缸在车辆的任何状态下都能牢牢地固定在安装架下，以减少车辆运行过程中的侧滚运动等，确保制动模块的正常工作，提高车辆运行安全性能。

3风缸卡带组成的设计要点

3.1风缸卡带能够确保装于车体上的设备的耐冲击振动性能均符合TB/1335-1996标准要求或IEC61373标准，应能承受车辆在联挂和正常运行时冲击和振动，能承受纵向方向的最大冲击加速度3g，垂直方向为2g，横向方向为1g的惯性力的作用。

3.2风缸位于车辆的底部，风缸的轴线与车辆的纵向平行，每个风缸都是用两条外层包有橡胶带的不锈钢卡带悬挂并紧压在垫有尼龙垫块的安装架下。通过卡带与尼龙垫块对风缸的拉力、压力及摩擦力将风缸牢牢地固定住。

3.3每个风缸的质量为55千克，每个卡带紧固螺栓的拧紧力矩为90牛顿·米。

缸卡带组成的力学性能分析

在车辆实际运行中，风缸卡带组成受力极其复杂，不是简单的只存在某一种应力状态，但是在进行强度校核的理论研究时，通常只能以某一种或某几种主要的应力状态为研究对象。因此对风缸卡带组成中的T型螺栓、铆钉、不锈钢带、橡胶带分别各自选取了几种主要应力状态进行分析。

4.1整体分析

T形螺栓（M16×110）所选用的的材质为1Cr18Ni9Ti，等级为8.8级，安装时的拧紧力矩为90牛顿·米。

预紧力的大小为：

Fv ===28125

Fv——螺栓的预紧力（牛顿）

T——螺栓拧紧力矩（牛顿·米）

d——螺栓公称直径（米）

每个风缸由2条卡带固定，而每个卡带的两端各有1个T形螺栓，因此每个风缸受到卡带施加的总压力为：

F0 =4 Fv=4×28125=112500

F0——卡带对风缸的总压力（牛顿）

Fv——螺栓的预紧力（牛顿）

为了验证风缸卡带组成是否能够满足要求，通常需要假设一些特殊的极限条件，当这些条件满足时，其余条件都可以满足。

在车辆运行的过程中，当风缸受到垂直向下2g的最大冲击力时，其冲击力的大小为风缸所受重力的2倍，即2m风缸g=2×55×10=1100（单位：牛顿；g取10米/秒2）。而卡带对风缸的垂直向上的总压力为112500牛顿，大于2m风缸g。

由此得出结论：在风缸受到设计允许的冲击力时，每个风缸受到卡带施加的总压力始终保持在112500牛顿。

在车辆运行的过程中，当风缸受到垂直向下2g的最大冲击力时，此时风缸受到卡带和尼龙垫块的压力值为最小，即：

Fmin=2F0-2m风缸g=2×112500-2×55×10=223900

Fmin——风缸受到卡带和尼龙垫块的最小压力（牛顿）

F0——卡带对风缸的总压力（牛顿）

m风缸——风缸的质量（千克）

g——重力加速度（10米/秒2）

此时卡带和尼龙垫块对风缸所能提供的沿风缸轴向的最大静摩擦力为：

f=μFmin=0.15×223900=33585

f——风缸受到卡带和尼龙垫块的压力为最小时，对风缸能够提供的最大静摩擦力（牛顿）

μ——摩擦系数

Fmin——风缸受到卡带和尼龙垫块的最小压力（牛顿）

在上述条件下，如果风缸在纵向方向上受到最大冲击加速度3g，则其冲击力大小为3 m风缸g，即1650牛顿。而这一冲击力小于卡带和尼龙垫块对风缸能够提供的最大静摩擦力33585牛顿。

由此得出结论：风缸卡带组成在整体上能够满足设计要求。

4.2 T形螺栓的力学分析

在工作状态下，T形螺栓主要受到沿螺栓轴向的拉应力的作用，虽然在整个制动模块受到不同方向的冲击力时，T形螺栓也会受到剪应力的作用，但相比拉应力，剪应力可以忽略不计。本次设计所选用的T形螺栓（M16×110，8.8级）所允许的最大拧紧力矩为210牛顿·米，而实际使用时所施加的拧紧力矩为90牛顿·米，并且在规定的工作状态下，T形螺栓所受到的沿螺栓轴向的拉应力基本保持不变，因此所选用的T形螺栓完全能满足设计要求。

4.3铆钉的力学分析

本次设计所选用铆钉的规格型号为Φ5×12，材质为0Cr18Ni9Ti，许用应力为2×108帕斯卡。

4.3.1剪应力

因每条卡带的两端各铆4个铆钉，因此每个铆钉受到的剪切力为螺栓预紧力的八分之一，即3516牛顿。铆钉受到的剪应力为：

σ剪切===1.79×108

σ剪切——铆钉受到的剪应力（帕斯卡）

F——铆钉受到的剪切力（牛顿）

S——铆钉的横截面积（平方米）

由此得出结论：铆钉能够满足剪切强度要求。

4.3.2挤压应力

在本次计算中，采用简化假定方法，即挤压应力在“有效挤压面上”上均匀分布，所谓有效挤压面是指挤压面积在垂直于总挤压力方向上的投影，于是挤压应力为：

σ挤压===1.76×108

σ挤压——铆钉受到的挤压应力（帕斯卡）

F——铆钉受到的挤压力（牛顿）

S——铆钉的有效挤压面积（平方米）

由此得出结论：铆钉能够满足挤压强度要求。

4.4钢带的力学分析

在车辆运行的过程中，钢带主要受拉力和摩擦力的作用，钢带的失效主要是由拉应力引起的。本次设计所选用钢带为高强度不锈钢，许用应力为2.5×108帕斯卡。

σ拉===2.43×108

σ拉——钢带受到的拉应力（帕斯卡）

F——钢带受到的拉力（牛顿）

A——钢带最小处的横截面积（平方米）

由此得出结论：钢带能够满足强度要求。

4.5橡胶带的力学分析

橡胶带主要受压力和摩擦力的作用，橡胶带的失效主要是由挤压应力引起的。本次设计所选用橡胶带材质为橡胶EPDM，许用应力为2×107帕斯卡。

在本次计算中，同样采用简化假定方法，即挤压应力在“有效挤压面上”上均匀分布。

σ挤压===3.52×106

σ挤压——橡胶带受到的挤压应力（帕斯卡）

F——橡胶带受到的挤压力（牛顿）

S——橡胶带的有效挤压面积（平方米）

由此得出结论：橡胶带能够满足强度要求。

5结束语

通过上述的分析，从另外一个角度验证了风缸卡带组成设计方案的可行性。为风缸卡带组成在后续的制造、试验和应用提供参考。如果对风缸卡带组成的所有力学特征进行逐一详细的分析，所需要的计算模型规模很大，采用时程分析在现有条件下也没有必要，因此在文中对分析过程进行了一些合理的简化。不考虑风缸卡带组成所受到的交变应力作用和一些影响很小的因素。同时采用了极限值法，将所有因素的在极端情况下的数值代入公式进行计算，这样简化的结果将使得分析数值比实际情况大，即结果更加保守，从而增强了产品的可靠性。

参考文献

1.范钦珊.工程力学[M].北京：清华大学出版社，2005

2.闻邦椿.机械设计手册. 北京：机械工业出版社，2010