礦用汽車鉗盤式制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)

礦用汽車鉗盤式制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1稱重壓板滑動(dòng)結(jié)構(gòu)sda3723渦旋鉗臂板的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2制動(dòng)盤制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能平衡在進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),以下列條件為依據(jù):(1)制動(dòng)盤是實(shí)心的;(2)鉗或盤是浮動(dòng)的,以消除盤上的彎曲應(yīng)力;(3)摩擦片是圓形的,其尺寸不必等于油缸的直徑;(4)所吸收的熱量均勻分布在整個(gè)制動(dòng)器上。如圖2所示,將摩擦片的圓形摩擦面劃分成無窮多個(gè)與盤心同心的圓弧形小區(qū)域——單元,則在該單元處摩擦表面的磨損是與該處的壓力p及滑轉(zhuǎn)速度v的乘積成正比的。雖然摩擦片上的壓力在開始時(shí)是均勻的,但由于隨著單元所在半徑r的加大其滑轉(zhuǎn)速度亦將加大而導(dǎo)致該單元磨損的加重,經(jīng)過這樣一個(gè)不均勻磨損的過程以后,會(huì)使離盤心愈遠(yuǎn)的單元的壓力p愈小,而使pv值在整個(gè)摩擦表面上都趨于相等,因此可假設(shè)pv=const,由此得:pr=C=const(1)而整個(gè)摩擦片對(duì)盤的作用力為:F=∫R+d/2R-d/2pdA=∫R+d/2R-d/2CrdA=∫R+d/2R-d/2Crldr(2)F=∫R+d/2R?d/2pdA=∫R+d/2R?d/2CrdA=∫R+d/2R?d/2Crldr(2)式中常數(shù)C為:C=FΙ1(3)C=FI1(3)Ι1=∫R+d/2R-d/2lrdr(4)由式(1)和式(3)可得:p=FΙ1r(5)制動(dòng)時(shí)的摩擦力矩為:Τf=2μF∫R+d/2R-d/2lΙ1dr=2μFΙ2(6)式中:μ——制動(dòng)盤與摩擦片間的摩擦系數(shù)。Ι2=∫R+d/2R-d/2lΙ1dr以上各式中的l及I1均為r的函數(shù)。制動(dòng)時(shí),制動(dòng)盤每轉(zhuǎn)一圈時(shí)摩擦力矩Tf所消耗的功為:H=Tf·2π=4πμFI2(7)若n0為開始制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤或車輪的轉(zhuǎn)速,t為從開始制動(dòng)到完全停車所需要的時(shí)間,則制動(dòng)過程中制動(dòng)盤或車輪的轉(zhuǎn)速變化見圖3。由圖3可求出制動(dòng)過程中制動(dòng)盤或車輪轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)為ns=n0t/2。因此,制動(dòng)過程中摩擦片與制動(dòng)盤之間的摩擦力矩所消耗的總功為:E=nsgH=2πFμn0tI2(Nm)(8)而摩擦力所消耗的是汽車的動(dòng)能,故又有:E=1nWa?V22g(Nm)代入前一式則可求得制動(dòng)時(shí)間為:t=Wa?V24πFμn0Ι2ng(min)(9)式中:Wa——汽車總重,N;V——汽車制動(dòng)時(shí)的初速度,m/s;n——汽車車輪或制動(dòng)器數(shù);g——重力加速度,m/s2;F——高壓油缸活塞推力,F=πD21?p04;D1——活塞直徑,mm;p0——油缸內(nèi)的油壓,MPa。根據(jù)熱功當(dāng)量J求制動(dòng)后制動(dòng)盤的溫度為:tf=4EJπcρD2a+ti(10)式中:tf——制動(dòng)后制動(dòng)盤的溫度,℃;ti——制動(dòng)盤的初始溫度或氣溫,℃;c——制動(dòng)盤的比熱,kcal/(kg℃),對(duì)于鋼和鑄鐵,c=0.113kcal/(kg℃);ρ——制動(dòng)盤的密度,kg/mm3;J——熱功當(dāng)量,J=4180N·m/kcal;D——制動(dòng)盤的直徑,mm;a——制動(dòng)盤的厚度,mm。3制動(dòng)盤厚度最小提高制動(dòng)器的工作效率,縮短制動(dòng)時(shí)間,對(duì)保證汽車安全行駛非常重要,因此,在制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,應(yīng)以制動(dòng)時(shí)間最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。另外,制動(dòng)器安裝在輪轂處,其尺寸不能太大,因此制動(dòng)盤的厚度最小可作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)目標(biāo)?？紤]到上述兩項(xiàng)指標(biāo)在重要程度方面的差異,可引進(jìn)加權(quán)因子,將它們組合到總的目標(biāo)函數(shù)中:f(X)=ω1·t+ω2·a(11)式中:ω1——制動(dòng)時(shí)間t的加權(quán)因子,取ω1=1;ω2——制動(dòng)盤厚度a的加權(quán)因子,取ω2=0.01,則目標(biāo)函數(shù)為:f(X)=t+0.01?a=Wa?V24πFμn0Ι2ng+0.01a其中的設(shè)計(jì)變量可取為:[R,d,D1,a,p0,D]T=[x1,x2,x3,x4,x5,x6,]T式中各參數(shù)見圖1和圖2。4合同規(guī)定根據(jù)以下關(guān)系建立約束條件。(1)摩擦片與輪轂不應(yīng)與輪轂dhg1(X)=Du-D≥0(12)摩擦片的尺寸不應(yīng)超出制動(dòng)盤的范圍之外,即:g2(X)=D2-R-d2≥0(13)摩擦片不應(yīng)與輪轂(直徑為Dh)發(fā)生干涉,即:g3(X)=R-d2-Dh2≥0(14)油缸不應(yīng)與輪轂發(fā)生干涉,即:g4(X)=R-D12-tc-Dh2≥0(15)式中tc為油缸壁厚。(2)油壓限制。燃油箱的壓不應(yīng)超過規(guī)定的范圍g5(X)=pm-p0≥0(16)(3)摩擦片的壓力是有限的。摩擦片的壓力不應(yīng)超過規(guī)定的范圍g6(X)=pu-πD21p04Ι1(R-d2)≥0(17)(4)設(shè)置溫度。每次剎車后，制盤的溫度不得超過t的最大值g7(X)=Τ-4EJπcρD2a-ti≥0(18)(5)車輪滑動(dòng)模型制動(dòng)力矩Tf[式(6)]不應(yīng)大于車輪與地面的附著力矩,以免制動(dòng)時(shí)車輪打滑,即:g8(X)=Wφr1-2μFI2≥0(19)式中:W——汽車滿載時(shí)一個(gè)車輪的稱重,N;φ——車輪與地面的附著系數(shù);r1——車輪半徑,mm。5汽車鉗盤盤優(yōu)化方法本文借用數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB的優(yōu)化工具箱尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù),針對(duì)鉗盤式制動(dòng)器的非線性優(yōu)化問題,MATLAB采用Guess-Newton算法,借用MATLAB計(jì)算軟件進(jìn)行優(yōu)化,只需根據(jù)MATLAB語(yǔ)法規(guī)則將優(yōu)化模型編譯成M批處理文件,MATLAB將自動(dòng)執(zhí)行M文件中的命令,這樣無需自編優(yōu)化算法的原程序,提高了設(shè)計(jì)和計(jì)算效率。將上述優(yōu)化方法應(yīng)用到SGA3723礦用汽車鉗盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)中,W=180kN,r1=927mm,φ=0.65,pm=16MPa,T=500℃,Dh=360mm,Du==750mm,μ=1,V=30km/h,pu=27MPa。MATLAB的優(yōu)化結(jié)果:R=280mm,d=70mm,D1=75mm,a=26mm,p0=10MPa,D=650mm。6數(shù)學(xué)模型的建立優(yōu)化設(shè)計(jì)是在常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展的新型現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)中取得良