礦用汽車鉗盤式制動器優(yōu)化設計

礦用汽車鉗盤式制動器優(yōu)化設計

1稱重壓板滑動結構sda3723渦旋鉗臂板的驅(qū)動結構如圖1所示。2制動盤制動時的動能平衡在進行最優(yōu)化設計時,以下列條件為依據(jù):(1)制動盤是實心的;(2)鉗或盤是浮動的,以消除盤上的彎曲應力;(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制動器上。如圖2所示,將摩擦片的圓形摩擦面劃分成無窮多個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)速度亦將加大而導致該單元磨損的加重,經(jīng)過這樣一個不均勻磨損的過程以后,會使離盤心愈遠的單元的壓力p愈小,而使pv值在整個摩擦表面上都趨于相等,因此可假設pv=const,由此得:pr=C=const(1)而整個摩擦片對盤的作用力為: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)制動時的摩擦力矩為:Τf=2μF∫R+d/2R-d/2lΙ1dr=2μFΙ2(6)式中:μ——制動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)。制動時,制動盤每轉(zhuǎn)一圈時摩擦力矩Tf所消耗的功為:H=Tf·2π=4πμFI2(7)若n0為開始制動時制動盤或車輪的轉(zhuǎn)速,t為從開始制動到完全停車所需要的時間,則制動過程中制動盤或車輪的轉(zhuǎn)速變化見圖3。由圖3可求出制動過程中制動盤或車輪轉(zhuǎn)的總圈數(shù)為ns=n0t/2。因此,制動過程中摩擦片與制動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能,故又有:E=1nWa?V22g(Nm)代入前一式則可求得制動時間為:t=Wa?V24πFμn0Ι2ng(min)(9)式中:Wa——汽車總重,N;V——汽車制動時的初速度,m/s;n——汽車車輪或制動器數(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)熱功當量J求制動后制動盤的溫度為:tf=4EJπcρD2a+ti(10)式中:tf——制動后制動盤的溫度,℃;ti——制動盤的初始溫度或氣溫,℃;c——制動盤的比熱,kcal/(kg℃),對于鋼和鑄鐵,c=0.113kcal/(kg℃);ρ——制動盤的密度,kg/mm3;J——熱功當量,J=4180N·m/kcal;D——制動盤的直徑,mm;a——制動盤的厚度,mm。3制動盤厚度最小提高制動器的工作效率,縮短制動時間,對保證汽車安全行駛非常重要,因此,在制動器的優(yōu)化設計中,應以制動時間最小作為優(yōu)化設計的目標。另外,制動器安裝在輪轂處,其尺寸不能太大,因此制動盤的厚度最小可作為優(yōu)化設計的另一個目標?？紤]到上述兩項指標在重要程度方面的差異,可引進加權因子,將它們組合到總的目標函數(shù)中:f(X)=ω1·t+ω2·a(11)式中:ω1——制動時間t的加權因子,取ω1=1;ω2——制動盤厚度a的加權因子,取ω2=0.01,則目標函數(shù)為:f(X)=t+0.01?a=Wa?V24πFμn0Ι2ng+0.01a其中的設計變量可取為:[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)以下關系建立約束條件。(1)摩擦片與輪轂不應與輪轂dhg1(X)=Du-D≥0(12)摩擦片的尺寸不應超出制動盤的范圍之外,即:g2(X)=D2-R-d2≥0(13)摩擦片不應與輪轂(直徑為Dh)發(fā)生干涉,即:g3(X)=R-d2-Dh2≥0(14)油缸不應與輪轂發(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。摩擦片的壓力不應超過規(guī)定的范圍g6(X)=pu-πD21p04Ι1(R-d2)≥0(17)(4)設置溫度。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)車輪滑動模型制動力矩Tf[式(6)]不應大于車輪與地面的附著力矩,以免制動時車輪打滑,即:g8(X)=Wφr1-2μFI2≥0(19)式中:W——汽車滿載時一個車輪的稱重,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)值計算軟件MATLAB的優(yōu)化工具箱尋求最優(yōu)設計參數(shù),針對鉗盤式制動器的非線性優(yōu)化問題,MATLAB采用Guess-Newton算法,借用MATLAB計算軟件進行優(yōu)化,只需根據(jù)MATLAB語法規(guī)則將優(yōu)化模型編譯成M批處理文件,MATLAB將自動執(zhí)行M文件中的命令,這樣無需自編優(yōu)化算法的原程序,提高了設計和計算效率。將上述優(yōu)化方法應用到SGA3723礦用汽車鉗盤式制動器設計中,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)化結果:R=280mm,d=70mm,D1=75mm,a=26mm,p0=10MPa,D=650mm。6數(shù)學模型的建立優(yōu)化設計是在常規(guī)機械設計基礎上發(fā)展的新型現(xiàn)代設計方法,已經(jīng)在工程設計中取得良