航空發動機運輸車設計思路概述

（上海中航商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

航空發動機運輸車設計思路概述

常誠，李旭

（上海中航商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

本文以航空發動機的運輸車作為設備設計的需求牽引，在常規運輸車設計過程中需要注重的幾何結構形狀，強度、剛度、穩定性設計基礎上，額外注意運輸車支撐架的功能調節，底盤車輪、軸、接口、轉向、減振以及工作中意外情況的預先考慮，力求在滿足結構、力學分析的基礎上，使用操作方便安全。

承載支架；運輸車；設計

航空發動機運輸車是發動機的地面承載和運輸保障裝置，具備較高的機動性和實用性。由于航空發動機的結構精密復雜且外形尺寸大，屬于高技術含量的高精密裝備，對運輸車和運輸的環境提出了非常高的要求，因此在運輸車的設計過程中應以結構簡單、工藝性和實用性為設計原則，從使用條件、使用場景、故障類型等多個方面去考量設計的安全性、合理性和先進性。

1 運輸車基本情況介紹

美國GE公司和法國SNECMA公司共同開發的CFM56系列發動機，在國際航空發動機市場占有重要地位，該發動機幾款典型型號具體發動機尺寸如表1。

表1

為滿足承載上述發動機的需求，取長度2650mm、直徑1800、重量2450作為目標需求。本文以該型號發動機作為設計樣例，說明運輸車的設計過程。

2 運輸車設計總體描述

發動機運輸車主要用于發動機在車間各個工位之間的運輸，其自身的結構強度、穩定性以及其通用性和安全性對于運輸車來說至關重要。

運輸車的初始設計是一個幾何尺寸設計的過程，可以按照運輸車使用目的、支架的常規設計經驗和已有的相似結構進行，完成初步設計。然后通過材料選擇、力學分析，綜合評估后完成最終設計。

本文將運輸車的基本設計目標設定為無動力的四輪行走式航空發動機運輸車，用于航空發動機在車間各個工位之間的運轉工作，其自身結構由兩大部分組成，一是承載支架，二是運輸底盤。

2.1 承載支架

承載支架是一個發動機的支撐托架，根據發動機具體形式不同，進行個性化設計。取發動機的樣機長度2650mm，直徑1500mm。

根據三點確定一個平面的原則，在發動機和支撐架之間確定3個承力點，即可保證發動機的穩定支撐。而常規情況下，在發動機的支撐架中部設計第四個點，用來調節和加固作用。

（1）結構設計。為簡化發動機計算，將發動機設定為圓柱形模型。以發動機圓柱模型的中軸線為對稱軸，在其兩側對稱布置4個支撐支撐，保證發動機的穩定狀態。

支架一般包括前、后各兩個支撐柱、撐架的底部與運輸車底盤的接口以及支撐架的調節機構組成。承載支架應具備調節功能，考慮到航空發動機自身特點，基本為軸對稱，1前面左右支撐柱需要具備對稱升降功能，并且可以在預計范圍內的任意位置鎖緊固定。2兩個前承力支柱的左右打開能力，對稱打開，任意位置鎖緊。后面的支撐點進行跟隨調節即可。為滿足安全，方便維護，調節系統采用機械齒輪滑軌結構進行。

（2）力學分析。一般對于支撐架在形狀設計上根據發動機的形狀和重心取靠近發動機重心的兩個支撐作為主支撐，以發動機中軸線對稱置于發動機兩側的方便位置，在遠離發動機重心的兩側設置另外的3、4支點，在3、4支點中，其中的一個支點起到承力作用，另一個支點主要用來調節發動機在運輸車上運輸過程中的姿態調整。

在對于支撐架的力學計算中一般考慮如下幾個方面。

①強度、剛度。為了防止運輸車的支撐架鋼梁在承受載荷后發生斷裂或超過容許限度發生塑性變形，需要確認支撐鋼梁的強度、剛度是否滿足承載的需要，并且留有一定的裕度，作為后續工作可擴展性的基礎。

②穩定性。上述兩種要求按照常規的設計方法很容易滿足，而相對重要的是對于支撐架支柱的穩定性設計和評估，即結構設計中的壓桿穩定性。

臨界壓力的概念，壓桿兩端的壓力逐漸上升，使壓桿從穩定的平衡狀態向不平衡的質變的臨界點，稱為臨界應力，以Fcr表示，臨界應力是壓桿保持直線平衡構型的最大壓力，或者說是使壓桿失穩的（不能保持壓桿平衡構型的）最小壓力。臨界壓力可用歐拉方程表示：

式中：E——材料屈服強度；

I——結構慣性矩；

μ——約束系數，一端自由，一端固定時μ=2.0；一端鉸鏈支，一端固定時μ=0.7；兩端固定時μ=0.5；兩端鏈支時μ=1.0；

通常提高壓桿穩定性的方法。

（1）合理選擇壓桿的材料；如使用高強度的鋼材。

（2）合理選擇壓桿的結構形式，截面積和高；例如增加慣性矩（截面積，工字鋼或圓環等），減少桿的長度。

（3）合理選擇壓桿兩端的約束形式。加固支座，增加支座，增加肋板加強筋等。

2.2 運輸底盤

2.2.1 常規穩定性設計

運輸車的穩定性是指運輸車在滿載靜止和運行過程中的不發生側滑和傾翻的特性，一般包括靜穩定性和動態穩定性。

首先，根據工程經驗選取運輸車的長、寬、高尺寸，中路、重心、軸距、輪距等基本參數，保證車輛的靜態橫向、縱向的穩定性，確保運輸車在空載和滿載的情況下，不發生側滑和傾翻等非預期工作情況，完成初步設計。

然后進入詳細設計階段。通過已經選擇的運輸車參數，根據結構設計進行不同工況下的力學分析。數據計算，確保運輸車工作的安全可靠。

2.2.2 異常情況設計

（1）問題產生原因。運輸車的動穩定性是指運輸車在行進過程中突然異常停車，導致滿載運輸車速度急劇變化到0的過程中，運輸車抵抗這一過程而不發生意外損害的特性。

原因分析：行進過程中運輸車突然制動導致可能的翻車；行進過程中前輪調入坑洞中，使運輸車發生側移或傾翻；運輸車前路上凸臺沒上去，導致運輸車急停；運輸車行進過程中突然遇到障礙而急停。

（2）過程機理分析。在這一過程中運輸車經歷兩個運行的階段：運輸車在異常制動的情況下，速度突然降為零，此時理論上受力無窮大，也是在這一過程中運輸車的角速度從零提高到最大的過程，即運輸車沿著制動點為旋轉中心，質心提高的過程；運輸車在自身慣性力矩的作用下，繼續沿著旋轉弧線轉動到最高點，在這一過程中，運輸車翻轉前動能=反轉開始后由于結構摩擦吸能+運輸車殘余動能+勢能，殘余動能迅速減少，通常在運輸車翻轉到最高點處為零，此時小車的平衡方程變為：翻轉前動能=翻轉開始后由于結構摩擦吸能+勢能。

（3）設計時速選取。在實際工作過程中，為避免裝在運輸車上的發動機受到顛簸和損傷，在運輸過程中設置安全工作角度，在設計過程中設置該角度最大為5°，即可計算出該運輸車在異常情況發生時，運輸車傾斜角度不超過5°的最大運行工作車速范圍。通常在選擇足夠的安全系數條件下，給出運輸車的穩定車速范圍，一般數值在5～15km/h之間。

確保運輸車在發生意外工作情況下，仍能保證發動機的運輸安全。

3 額外的補充設計

3.1 車輪的設計

車輪設計扁平化、輕量化，采用抗疲勞、長壽命、高強度鋼材作為主體材料，中心設置免維護軸承，外圈采用耐磨耐油橡膠涂敷，確保足夠的地面附著力，應在車輪附近設置鎖止裝置，便于運輸車在工作過程中的停止和固定。

3.2 軸的設計

運輸車和發動機的總重量經過傳遞后，載荷最終落實在四個車輪的軸上，因此軸的載荷分布對運輸車的使用壽命至關重要。一般沒有支撐架損壞，大部分問題出現在車輪軸上，因此在保證轉向靈活的前提下，即四輪轉向，載荷均布原則。在初始設計和后續發動機型號變化時，滿載狀態下重心投影在底盤上的位置基本不變。

3.3 轉向設計

運輸車為無動力設計，在車間廠房內工作時，需要外加動力才能行進，在行進過程中，由于在車間內部周轉運輸，轉彎頻繁，并且空間受限，所以在運輸車的前后各設計一個方向調整把手，可以讓工作人員在運輸車滿載過程中，配合四個車輪的情況下，輕松調節運輸車的行進方向。

3.4 減振設計

一般運輸車不設置減振或者采用彈簧減振。由于采用機械結構容易造成車輪載荷達，阻尼小，固有頻率高，減振效果差，尤其在運輸車行進過程中突然異常停止時，車輛在水平方向上對發動機的減振效果差。為此這里采用液壓或固體橡膠減振，為減少使用過程中的維護設計采用四輪獨立懸掛，底盤與支撐架之間采用減振橡膠方案進行，使得運輸車在行進過程中車輪與地面有良好的接觸附著力，運行平順抗沖擊。

滿載情況下的運輸車結構之間的振動傳遞關系為：由路面引起的振動源經車輪底盤、支撐架傳遞到運輸車上的發動機。通常情況下，運輸車行走路面假定為不可控條件，如果想要減少發動機接收到的振動影響，就需要在傳遞介質上下功夫，即要在車輪、底盤，支撐架上采取相應的措施，具體可實施的方法如下：

減少車輪上的振動，這一點可以通過運輸車輪的設計和減振來保證：比如采用減振橡膠制造的車輪；

減少底盤的振動，采用獨立懸掛，采用液壓或氣動懸浮或避振彈簧來減振；

支撐架和底盤之間設置減振彈簧，或減振橡膠減振。

防止共振，即在運輸車設計過程中避開振動源產生的振動頻率，通過改變自身的固有頻率可以實現；

采用振動隔離措施，即在傳遞介質上采取技術措施，如使用防振減振設施，增加結構阻尼，安裝隔振器等來實現。

3.5 運輸接口的設計

運輸車為無動力設計，在室外進行較長距離的運輸時，需要外接牽引車進行，這需要在運輸車的前后，各設計一個運輸車對接接口，便于外接動力運輸。

3.6 搬運接口的設計

運輸車自身也會遇到需要搬運運輸的情況，因此在運輸車底盤上的方便位置，設計標準叉車孔，車身左右貫通，設置強度加強筋，該處可承載滿載狀態的運輸車。

3.7 重心的設計

為保證運輸車在工作過程中的通過性，一般運輸車為四輪四角設計，在進行重心設計時，需要考慮以下兩個方面：一、底盤投影重心位置，需要設計并調節重心位置處于運輸車的幾何結構的對稱中心，并且運輸車空載和滿載時的重心在底盤的投影面上重合。二、重心的高度，設計底盤、車輪和軸的相對應關系，適當選材，保證在車輛通過性的前提下，重心高度盡可能的低。

4 總體設計優化

近年來，結構設計優化的理論和方法在國內外取得了很大的進展。結構設計的優化就是解決機械設計中零件斷裂、變形、失穩問題，在實踐工作中通常與三維數模有限元分析結合，完成系統優化的過程，就是一個在給定判別準則的前提下，多邊界條件，進行多元求解，獲得最優解的過程。通常的運輸車判定準則為：最穩定、最安全、材料最少，抗振性和通過性最好等.

5 結語

航空發動機運輸車是處于慢速重載、室內平穩運行工作環境的運輸裝置，在工作中應用很多。本文以航空發動機運輸車設計為例，研究設計思路方法，作者結合自身運輸車的設計實踐，提出設計思路，希望推動航空發動機設備設計技術的發展。

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