飞机牵引车车架的改进设计与有限元分析
安喜平 王 志 齐向阳 温 琦 刘艳阳
中国农业机械化科学研究院 北京 100083
摘 要：以飞机牵引车车架为研究对象，对其进行改进设计，对车架承受的外力及载荷进行分析计算，并利用三维建模技术建立了飞机牵引车车架三维模型，对其进行有限元静态强度分析，得出车架的应力分布和最小安全系数，分析计算结果表明，改进设计满足设计要求。
关键词：飞机牵引车；车架；有限元；分析
中图分类号：V351.34 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）09-0120-04
0 引言
飞机牵引车是一种在地面以牵引飞机为主的机场地面保障设备。按牵引作业方式，飞机牵引车可分为有杆式飞机牵引车和无杆式飞机牵引车。其中，无杆牵引方式是目前发展较迅速技术先进的牵引方式。无杆式飞机牵引车利用其自身特有的一套夹持- 举升装置，在牵引时将飞机的前起落架驮载到牵引车上，利用飞机重力增加牵引车驱动轮的附着重力，从而完成飞机的移动作业。无杆牵引车由于使飞机和牵引车形成为一个整体，操纵性能更加安全可靠，牵引速度和作业效率大大提高，相对于传统的有杆飞机牵引车具有明显的优势。
我公司某型飞机牵引车采用无杆牵引方式，露天驾驶，为低剖面、长方形车身，车身前部稍高，从前至后呈阶梯降低。为解决进一步增大与飞机的安全距离等问题须进行改进设计，将牵引车中部车身降低210 mm，举升液压缸安装支座局部高度不变。改进后的牵引车中、后部车身低，操作更加灵活方便，非常适用于机腹较低的飞机保障作业，满足多种型号飞机的作业要求，扩大了产品的操作使用范围，实现了一机多用。
1 车架的改进设计
在无杆牵引车中，车架是重要的组成部分，在整车设计中占据重要位置。它不仅承受整车各零部件的重力，更要承受来自于飞机前轮的负载，并在整车车身相对较低的情况下保证足够的强度和刚度，满足承载能力的需求。
1.1 车架改进前的结构
图1 为改进前的车架三维模型。车架前部安装有发动机、液压泵、水箱散热器、空滤、消音器等动力系统附件; 车架中间部分安装有液压油箱、柴油箱、各种液压阀块等; 车架后部左右两个液压马达与车轮直联，两个马达中间为工作机构- 夹持举升装置。因此，车架前部采用钢板和矩形管焊接而成，中间凸起的部分是左右两侧纵梁，其为厚6 mm 的钢板焊接而成的封闭箱体结构，左右纵梁后端与立梁焊合在一起。立梁是由钢板焊接成的封闭箱体，内部分布有四个加强筋板。立梁中间偏下是摆动座，上部左右两侧设有举升液压缸支座，其为 25 mm 厚的钢板结构。夹持- 举升装置依靠摆动座和举升液压缸支座与车架安装在一起，从而实现牵引顶推功能, 立梁后端则和与左右后轮支架焊接在一起。
1. 左右纵梁 2. 立梁 3. 摆动座 4. 举升液压缸支座5. 左右后轮支架
图1 改进前的车架
1.2 车架改进后的结构
车架中后部整体降低210 mm, 与左右后轮支架上表面齐平。中间凸起的左右两侧纵梁取消，改为用8 mm和16 mm 厚的钢板搭接成T 形结构焊接而成，以增强车架的抗弯能力，16 mm 厚的钢板上表面与左右后轮支架上表面齐平。为保持车架的横向稳定性，两个纵梁之间焊接10 mm 厚的L 形立板。立梁上表面降低210 mm后，相对于原封闭矩形管结构有所改进，上面板为一整块16 mm 厚的钢板，分别向前后方向延伸了一段距离。焊接时分别与前面的纵梁和后面的后轮支架采用角焊缝，相较于原三部分对接焊结构，无论结合面还是焊缝都有所增加。同时为防止应力集中，上面板延伸至举升液压缸支座处并呈钝角过渡。由于举升液压缸安装支座中心高度位置固定，与改进前相比，受力状况不理想，因此, 将举升液压缸支座加厚15 mm，并分别加长上下两侧的筋板。左右后轮支架底板与立梁焊接处也采用大圆弧过渡，使应力集中得到扩散，从而极大消除了应力集中带来的不良影响。见图２。
图2 改进后的车架
2 车架的受力分析与计算
飞机牵引车车架在整车满载状态下，除承受整车各零部件、覆盖件的重力外，还要承受来自于飞机前轮的负载。对其进行静强度分析的首要条件是找出车架所受外力的边界条件，即找出与车架相连且对车架受力及变形有较大影响的各总成作用在车架上的力的大小和方向。车架所承受的发动机、液压泵等部件的重力与负载相比较小，可忽略不计。车架后部是主要的承力结构，尤其是立梁，其结构的合理性直接影响整车的安全性和可靠性，对车架进行静强度分析的关键是针对立梁部分进行分析，而立梁受力的边界条件是夹持- 举升液压缸。根据力的作用力与反作用力原理，须对夹持- 举升装置进行受力分析, 以得到立梁的受力状况。
在举升过程中举升力是变化的，而液压缸受力在举升过程中的其他位置与水平位置时相差不大，因此, 选取托盘处于水平位置即将飞机前轮从地面托起时的状态来计算举升力，夹持- 举升装置受力见图3。
图3 夹持- 举升装置受力分析图
图3 中, G1 为牵引车最大举升质量，由于牵引车能满足多种型号飞机的作业要求，此处选取最大的飞机前轮负载,G1 ＝ 55 kN；G2 为夹持- 举升装置自身的质量，G2 ＝ 10 kN；F 为左右两个夹持- 举升液压缸产生的举升力；L1 为飞机前轮作用点到导轨支点A 点的距离，L1 ＝ 942 mm ；L2 为夹持- 举升装置重心到A 点的距离，L2 ＝ 797mm；L 为夹持- 举升液压缸的举升力到A 点的距离, L ＝ 275 mm。
由图3 可以看出，液压缸要将机构抬起，夹持- 举升液压缸相对于A 点产生的力矩应大于飞机前轮负载和夹持- 举升装置自重到A 点产生的力矩之和, 即应满足
由于举升力与水平方向的夹角为1.35°，接近于水平，因此, 可将举升力分解到水平方向为217 kN、垂直方向为0。
由平衡方程ΣX = 0和ΣY = 0可知，B 点处举升液压缸支座铰接孔施加给举升液压缸端部铰接销轴的力为F ，方向水平向右。C 点处摆动座施加给夹持- 举升装置端部固定轴的力为G1+ G2 ＝ 65 kN, 方向垂直向上。
3 改进后车架的有限元分析
3.1 有限元模型的建立
在进行车架有限元分析时，为尽可能反应实际情况，确保有限元分析结果的合理性，根据车架除前桥受力，其余受力主要集中在中后部的特点，利用现有的SolidWorks 车架三维模型，并把前桥前端部分去掉，进行简化，建立了三维有限元分析模型。
3.2 材料的属性
车架材料选用低合金高强度结构钢Q345B，该材料的弹性模量E ＝ 206 MPa，泊松比0.3，屈服极限345MPa，抗拉强度470 ～ 630 MPa。
3.3 生成算例
建立模型、定义材料属性后，即可生成算例。考虑所分析问题是关于飞机牵引车在多种型号飞机作业中最大负载工况下车架的变形与应力，因此宜采用有限元静力学分析方法。
3.4 网格的划分
对车架模型采用实体单元网格类型进行网格划分。
3.5 设定约束和载荷条件
载荷和约束的施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。在CosmosWorks 中对飞机牵引车的车架部分进行有限元分析时，首先施加约束，定义后轮马达安装处和前桥处的约束。左右后轮马达安装孔处的约束设为轴承支撑，前桥左右两处约束设为滚柱/ 滑杆。在最大负载工况下，根据图2 中夹持- 举升装置受力分析的结果，利用作用力与反作用力原理，得到夹持- 举升装置对车架施加的载荷。B 点处举升液压缸支座铰接孔承受的作用力为F ，方向水平向右。为更贴近实际情况，将铰接孔运用分割线特征进行分割，分成左右两部分，将F 施加在右侧面上，以提高分析结果的准确性。又由ΣX = 0，夹持- 举升装置端部固定轴施加给摆动座端面的作用力为F, 方向水平向左。C 处摆动座孔承受的作用力为G1+ G2 ＝ 65 kN, 方向垂直向下。同样地将摆动座孔分割成上下两部分，将65 kN 施加在下半面上。所添加约束与载荷如图4 所示。
图4 添加约束与载荷
3.6 有限元分析结果
车架有限元分析结果见图5，由图5a 可以看出，整体最大应力发生在举升液压缸支座铰接孔下侧，最大应力为105.8 MPa，其余处应力在60 ～ 70 MPa 之间，安全系数为3.26，完全满足结构强度要求。由图5b 可以看出，最大位移0.9 mm, 完全满足刚度要求。
（a）车架应力云图 （b）车架位移云图
图5 有限元分析结果
4 结论
新的车架要求其高度降低，若在原车架的基础上只降低其高低，则会使其强度、刚度降低，同时安全可靠性大大降低。为了能使新的车架在满足高度要求的同时，使强度得到进一步提高，在原车架的基础上进行改进，并对其进行受力分析和计算，利用Cosmos 进行有限元分析，改进后的新车架的结构设计完全满足要求，是较理想的改进方案。其为样车的试制加工提供了理论依据，可缩短制造周期，并可降低制造成本。
参考文献
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