安喜平 王 志 齊向陽 溫 琦 劉豔陽中國農業機械化科學研究院 北京 100083
摘 要：以飛機牽引車車架為研究對象，對其進行改進設計，對車架承受的外力及載荷進行分析計算，並利用三維建模技術建立了飛機牽引車車架三維模型，對其進行有限元靜態強度分析，得出車架的應力分布和最小安全係數，分析計算結果表明，改進設計滿足設計要求。
關鍵詞：飛機牽引車；車架；有限元；分析
中圖分類號：V351.34 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）09-0120-04
0 引言飛機牽引車是一種在地面以牽引飛機為主的機場地面保障設備。按牽引作業方式，飛機牽引車可分為有杆式飛機牽引車和無杆式飛機牽引車。其中，無杆牽引方式是目前發展較迅速技術先進的牽引方式。無杆式飛機牽引車利用其自身特有的一套夾持- 舉升裝置，在牽引時將飛機的前起落架馱載到牽引車上，利用飛機重力增加牽引車驅動輪的附著重力，從而完成飛機的移動作業。無杆牽引車由於使飛機和牽引車形成為一個整體，操縱性能更加安全可靠，牽引速度和作業效率大大提高，相對於傳統的有杆飛機牽引車具有明顯的優勢。
我公司某型飛機牽引車採用無杆牽引方式，露天駕駛，為低剖面、長方形車身，車身前部稍高，從前至後呈階梯降低。為解決進一步增大與飛機的安全距離等問題須進行改進設計，將牽引車中部車身降低210 mm，舉升液壓缸安裝支座局部高度不變。改進後的牽引車中、後部車身低，操作更加靈活方便，非常適用於機腹較低的飛機保障作業，滿足多種型號飛機的作業要求，擴大了產品的操作使用範圍，實現了一機多用。
1 車架的改進設計在無杆牽引車中，車架是重要的組成部分，在整車設計中佔據重要位置。它不僅承受整車各零部件的重力，更要承受來自於飛機前輪的負載，並在整車車身相對較低的情況下保證足夠的強度和剛度，滿足承載能力的需求。
1.1 車架改進前的結構圖1 為改進前的車架三維模型。車架前部安裝有發動機、液壓泵、水箱散熱器、空濾、消音器等動力系統附件; 車架中間部分安裝有液壓油箱、柴油箱、各種液壓閥塊等; 車架後部左右兩個液壓馬達與車輪直聯，兩個馬達中間為工作機構- 夾持舉升裝置。因此，車架前部採用鋼板和矩形管焊接而成，中間凸起的部分是左右兩側縱梁，其為厚6 mm 的鋼板焊接而成的封閉箱體結構，左右縱梁後端與立梁焊合在一起。立梁是由鋼板焊接成的封閉箱體，內部分布有四個加強筋板。立梁中間偏下是擺動座，上部左右兩側設有舉升液壓缸支座，其為 25 mm 厚的鋼板結構。夾持- 舉升裝置依靠擺動座和舉升液壓缸支座與車架安裝在一起，從而實現牽引頂推功能, 立梁後端則和與左右後輪支架焊接在一起。
1. 左右縱梁 2. 立梁 3. 擺動座 4. 舉升液壓缸支座5. 左右後輪支架
圖1 改進前的車架
1.2 車架改進後的結構車架中後部整體降低210 mm, 與左右後輪支架上表面齊平。中間凸起的左右兩側縱梁取消，改為用8 mm和16 mm 厚的鋼板搭接成T 形結構焊接而成，以增強車架的抗彎能力，16 mm 厚的鋼板上表面與左右後輪支架上表面齊平。為保持車架的橫向穩定性，兩個縱梁之間焊接10 mm 厚的L 形立板。立梁上表面降低210 mm後，相對於原封閉矩形管結構有所改進，上面板為一整塊16 mm 厚的鋼板，分別向前後方向延伸了一段距離。焊接時分別與前面的縱梁和後面的後輪支架採用角焊縫，相較於原三部分對接焊結構，無論結合面還是焊縫都有所增加。同時為防止應力集中，上面板延伸至舉升液壓缸支座處並呈鈍角過渡。由於舉升液壓缸安裝支座中心高度位置固定，與改進前相比，受力狀況不理想，因此, 將舉升液壓缸支座加厚15 mm，並分別加長上下兩側的筋板。左右後輪支架底板與立梁焊接處也採用大圓弧過渡，使應力集中得到擴散，從而極大消除了應力集中帶來的不良影響。見圖２。
圖2 改進後的車架
2 車架的受力分析與計算飛機牽引車車架在整車滿載狀態下，除承受整車各零部件、覆蓋件的重力外，還要承受來自於飛機前輪的負載。對其進行靜強度分析的首要條件是找出車架所受外力的邊界條件，即找出與車架相連且對車架受力及變形有較大影響的各總成作用在車架上的力的大小和方向。車架所承受的發動機、液壓泵等部件的重力與負載相比較小，可忽略不計。車架後部是主要的承力結構，尤其是立梁，其結構的合理性直接影響整車的安全性和可靠性，對車架進行靜強度分析的關鍵是針對立梁部分進行分析，而立梁受力的邊界條件是夾持- 舉升液壓缸。根據力的作用力與反作用力原理，須對夾持- 舉升裝置進行受力分析, 以得到立梁的受力狀況。
在舉升過程中舉升力是變化的，而液壓缸受力在舉升過程中的其他位置與水平位置時相差不大，因此, 選取託盤處於水平位置即將飛機前輪從地面託起時的狀態來計算舉升力，夾持- 舉升裝置受力見圖3。
圖3 夾持- 舉升裝置受力分析圖
圖3 中, G1 為牽引車最大舉升質量，由於牽引車能滿足多種型號飛機的作業要求，此處選取最大的飛機前輪負載,G1 ＝ 55 kN；G2 為夾持- 舉升裝置自身的質量，G2 ＝ 10 kN；F 為左右兩個夾持- 舉升液壓缸產生的舉升力；L1 為飛機前輪作用點到導軌支點A 點的距離，L1 ＝ 942 mm ；L2 為夾持- 舉升裝置重心到A 點的距離，L2 ＝ 797mm；L 為夾持- 舉升液壓缸的舉升力到A 點的距離, L ＝ 275 mm。
由圖3 可以看出，液壓缸要將機構抬起，夾持- 舉升液壓缸相對於A 點產生的力矩應大於飛機前輪負載和夾持- 舉升裝置自重到A 點產生的力矩之和, 即應滿足
由於舉升力與水平方向的夾角為1.35°，接近於水平，因此, 可將舉升力分解到水平方向為217 kN、垂直方向為0。
由平衡方程ΣX = 0和ΣY = 0可知，B 點處舉升液壓缸支座鉸接孔施加給舉升液壓缸端部鉸接銷軸的力為F ，方向水平向右。C 點處擺動座施加給夾持- 舉升裝置端部固定軸的力為G1+ G2 ＝ 65 kN, 方向垂直向上。
3 改進後車架的有限元分析3.1 有限元模型的建立
在進行車架有限元分析時，為儘可能反應實際情況，確保有限元分析結果的合理性，根據車架除前橋受力，其餘受力主要集中在中後部的特點，利用現有的SolidWorks 車架三維模型，並把前橋前端部分去掉，進行簡化，建立了三維有限元分析模型。
3.2 材料的屬性車架材料選用低合金高強度結構鋼Q345B，該材料的彈性模量E ＝ 206 MPa，泊松比0.3，屈服極限345MPa，抗拉強度470 ～ 630 MPa。
3.3 生成算例建立模型、定義材料屬性後，即可生成算例。考慮所分析問題是關於飛機牽引車在多種型號飛機作業中最大負載工況下車架的變形與應力，因此宜採用有限元靜力學分析方法。
3.4 網格的劃分對車架模型採用實體單元網格類型進行網格劃分。
3.5 設定約束和載荷條件載荷和約束的施加與工程實際是否吻合直接影響到分析結果的正確性、合理性。在CosmosWorks 中對飛機牽引車的車架部分進行有限元分析時，首先施加約束，定義後輪馬達安裝處和前橋處的約束。左右後輪馬達安裝孔處的約束設為軸承支撐，前橋左右兩處約束設為滾柱/ 滑杆。在最大負載工況下，根據圖2 中夾持- 舉升裝置受力分析的結果，利用作用力與反作用力原理，得到夾持- 舉升裝置對車架施加的載荷。B 點處舉升液壓缸支座鉸接孔承受的作用力為F ，方向水平向右。為更貼近實際情況，將鉸接孔運用分割線特徵進行分割，分成左右兩部分，將F 施加在右側面上，以提高分析結果的準確性。又由ΣX = 0，夾持- 舉升裝置端部固定軸施加給擺動座端面的作用力為F, 方向水平向左。C 處擺動座孔承受的作用力為G1+ G2 ＝ 65 kN, 方向垂直向下。同樣地將擺動座孔分割成上下兩部分，將65 kN 施加在下半面上。所添加約束與載荷如圖4 所示。
圖4 添加約束與載荷
3.6 有限元分析結果車架有限元分析結果見圖5，由圖5a 可以看出，整體最大應力發生在舉升液壓缸支座鉸接孔下側，最大應力為105.8 MPa，其餘處應力在60 ～ 70 MPa 之間，安全係數為3.26，完全滿足結構強度要求。由圖5b 可以看出，最大位移0.9 mm, 完全滿足剛度要求。
（a）車架應力雲圖 （b）車架位移雲圖圖5 有限元分析結果
4 結論新的車架要求其高度降低，若在原車架的基礎上只降低其高低，則會使其強度、剛度降低，同時安全可靠性大大降低。為了能使新的車架在滿足高度要求的同時，使強度得到進一步提高，在原車架的基礎上進行改進，並對其進行受力分析和計算，利用Cosmos 進行有限元分析，改進後的新車架的結構設計完全滿足要求，是較理想的改進方案。其為樣車的試製加工提供了理論依據，可縮短製造周期，並可降低製造成本。
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