某型掛裝車設(shè)計與關(guān)鍵部件仿真分析

齊向陽 李志偉 陳文科 劉清林 羅 俊

1中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院 北京 100083 2中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 北京 100085

0 引言

武器掛裝是戰(zhàn)機起飛前機務(wù)準備工作中的重要一環(huán)，對戰(zhàn)機作戰(zhàn)效率有重要影響[1]。飛機上掛接的物體質(zhì)量在200 kg以下的可以通過人力操作（見圖1），200 kg～3 000 kg的物體依靠人力掛接費力且不安全，需要借助絞盤式掛裝車（見圖2）、臂式掛裝車（見圖3）等小型掛裝設(shè)備。3 000 kg以上需借助整車升降完成掛裝任務(wù)。用于大型物體提升、平移、翻轉(zhuǎn)并準確掛入掛裝位置的需求催生了整車升降掛裝車（見圖4）的研發(fā)[2-5]。

圖1 人力掛裝

圖2 絞盤式掛裝車

圖3 臂式掛裝車

圖4 整車升降掛裝車

某型掛裝車用于運輸、掛裝體積與質(zhì)量大的物體，車輛可實現(xiàn)橫移、縱移、升降、滾轉(zhuǎn)、俯仰、旋轉(zhuǎn)6個動作。通過穩(wěn)定控制液壓元件的流量實現(xiàn)運動平穩(wěn)。機械結(jié)構(gòu)強度也是影響掛裝車使用的重要因素，對掛裝車關(guān)鍵部件的靜應(yīng)力進行分析，為解決設(shè)計過程中的強度不足提供準確的設(shè)計參考[6]。

1 基本理論

線性靜力結(jié)構(gòu)分析用于分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下響應(yīng)。由經(jīng)典力學(xué)理論可知物體動力學(xué)通用方程為[7]

式中，[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣；{x}為位移矢量；{F（t）}是力矢量。

在進行線性靜力結(jié)構(gòu)分析時，與時間相關(guān)的量都將被忽略，于是從上式得到以下方程：

式中：{F}為靜力載荷，不考慮隨時間變化的載荷，也不考慮慣性影響。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)組成

如圖5、圖6所示，掛裝車主要由車架、行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、掛裝托升機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。總體布局為駕駛室前置、發(fā)動機位于駕駛室的右側(cè)，縱向放置，掛裝托升機構(gòu)位于前、后兩軸之間。

圖5 掛裝車外形圖

圖6 掛裝車三維模型

2.2 行走系統(tǒng)

如圖7所示，行走系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋、減震鋼板彈簧、前后輪胎、前后液壓驅(qū)動馬達等。行走驅(qū)動系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，由變量液壓泵、變量液壓馬達、沖洗閥、自由輪閥等構(gòu)成。液壓泵上集成有補油泵、補油閥、安全閥等元件和變量控制裝置。液壓馬達包括前輪馬達和后輪馬達，通過前輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動的切換實現(xiàn)高、低檔位的轉(zhuǎn)換：低檔采用四輪驅(qū)動，為負載及作業(yè)行駛模式，行駛平穩(wěn)、牽引力大；高檔采用兩輪驅(qū)動，為空載行駛模式，行駛速度快。通過改變泵的排量實現(xiàn)空載、負載兩種行駛模式下速度的無級調(diào)節(jié)。

圖7 行走系統(tǒng)傳動路線圖

掛裝車行走分為高、低兩檔，低檔時四輪驅(qū)動，高檔時前輪驅(qū)動，通過檔位開關(guān)切換。空載時采用高檔，負載及作業(yè)時采用低檔。

2.3 掛裝托升機構(gòu)

如圖8所示，掛裝托升機構(gòu)由上托架、回轉(zhuǎn)支承和橫移小車3部分組成。具有6個自由度（橫移、縱移、升降、滾轉(zhuǎn)、俯仰、旋轉(zhuǎn)）調(diào)節(jié)功能，靠10個液壓缸（4個整車升降液壓缸、3個樣機舉升液壓缸、1個航向角液壓缸、1個縱移液壓缸和1個橫移液壓缸）完成。

圖8 掛裝托升機構(gòu)

上托架主要部件由上架體、前后托架、前后縱移小車、縱移液壓缸和定位機構(gòu)等組成。前托架安裝在前縱移小車上，后托架安裝在后縱移小車上，前后托架用2根連桿連接起來，通過滾輪在上架體的滑道中的滾動，用縱移液壓缸實現(xiàn)舉托物體縱向位移。

圖9 上托架

掛裝微調(diào)系統(tǒng)由液壓泵、電液比例流量敏感多路閥、電磁換向閥、雙作用液壓鎖以及3個舉升液壓缸、1個縱移液壓缸和1個橫移液壓缸等組成。液壓泵與整車升降系統(tǒng)共用。電液比例流量敏感多路閥可采用手動控制或電比例遠程線控，能夠控制液壓執(zhí)行元件的運動方向和運動速度，控制柔和、平穩(wěn)。電磁換向閥用來選擇工作通路，控制各個液壓缸的運動方向。舉升液壓缸用于升降、滾轉(zhuǎn)和俯仰動作，雙作用液壓鎖可確保舉升液壓缸停留在任意位置。縱移液壓缸用于前后滑動小車的縱向移動，橫移液壓缸用于整個掛裝托升裝置的橫向移動。通過以上6個自由度的調(diào)節(jié)，可順利完成掛裝作業(yè)。

2.4 整車升降系統(tǒng)

整車升降系統(tǒng)由液壓泵、電液比例流量敏感多路閥、雙作用液壓鎖及整車升降液壓缸組成。升降液壓缸選用多級液壓缸以減小液壓缸尺寸及車身高度。電液比例流量敏感多路閥采用手動控制或電比例遠程線控，能夠控制液壓執(zhí)行元件的運動方向和運動速度，控制柔和，平穩(wěn)。同時，電液比例流量敏感多路閥可以穩(wěn)定控制通過液壓缸兩個方向的流量，保證掛裝車升降過程同步運動。雙作用液壓鎖可確保整車升降過程中能夠停留在任意位置。

2.5 車架

如圖10所示，車架主體采用矩形鋼管焊接而成。車架前部安裝發(fā)動機、液壓系統(tǒng)部件、電氣系統(tǒng)部件與動力系統(tǒng)附件等；車架中間部分安裝掛裝托升機構(gòu)；轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋帶有減震鋼板彈簧，支撐在前拱梁上；2個后輪驅(qū)動液壓馬達與后拱梁剛性連接。前后拱梁的后端設(shè)有4個液壓缸支座，為25 mm厚的鋼板結(jié)構(gòu)。車架左右縱梁與拱梁焊接而成。

圖10 車架模型

車架整體較長，承受8 000 kg的載荷，需對其進行強度校核。其受力狀態(tài)有2種工況，一種是前后輪承載工況，另一種是4個車身升降液壓缸舉升使前后輪離地時的工況，需對這2種工況分別進行強度校核。

車架選用Q355鋼，彈性模量為E＝206 GPa，密度ρ＝7 850 kg/m3，泊松比ε＝0.3，許用應(yīng)力為177.5 GPa。將SolidWorks設(shè)計的車架模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中，采用四面體單元的劃分方式，對整體采取分區(qū)劃分網(wǎng)格的方式。為了生成高質(zhì)量網(wǎng)格，對構(gòu)件中的車架集中受力部分進行細化處理，控制單元網(wǎng)格最大尺寸為10 mm。前后輪承載時架整體網(wǎng)格劃分共得到1 237 533個單元、732 370個節(jié)點；液壓缸支撐時車架整體網(wǎng)格劃分共得到2 093 712個單元、1 257 693個節(jié)點。網(wǎng)格單元質(zhì)量較好，能較精確地進行計算。

2.2.1 靜力學(xué)結(jié)果分析

設(shè)計額定載重為8 t，均分在車架中部橫梁上。在對車架進行力學(xué)分析時，車架橫梁上施加80 000 N載荷，求解可得車架靜力學(xué)等效應(yīng)力分布圖、位移分布圖。

圖11、圖12分別為輪胎支撐和液壓缸支撐時的等效應(yīng)力分布圖。由圖可知，排除各連接梁因連接或尺寸造成的應(yīng)力集中情況，輪胎支撐時最大應(yīng)力值位于前梁與橫梁的交接處，最大值為90.952 MPa，小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求；液壓缸支撐時最大應(yīng)力值位于車架中間承重處，最大值為112.52 MPa，小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。

圖11 輪胎支撐時應(yīng)力云圖

圖12 液壓缸支撐時應(yīng)力云圖

如圖13、圖14所示，在車架承載時變形量均為中間較大、向四周依次遞減，此部位需后期進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖13 輪胎支撐時等效變形圖

圖14 液壓缸支撐時等效變形圖

將等效應(yīng)力圖與等效變形圖進行對比分析，得到以下2點結(jié)果：1）對照等效應(yīng)力分析結(jié)果整個車架的最大應(yīng)力值位于液壓缸安裝與梁交接處及車架中間承重處，除考慮有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生外，還說明此處的結(jié)構(gòu)強度比較薄弱，在后期對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，需對此處進行重點考慮。2）對照分析結(jié)果最大變形值位于整個車架的中心處，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化時需要增加連接梁以減少其變形量。

3 結(jié)論

本文以某型號的掛裝車為研究對象，介紹了整車升降掛裝車關(guān)鍵系統(tǒng)；運用Solidworks建立三維模型，應(yīng)用CAE有限元分析軟件Ansys Workbench對車架模型的兩種工況進行靜力學(xué)分析，模擬整體架構(gòu)在承受載荷時的受力狀況，能準確直觀地得到車架上應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律。結(jié)果顯示，所選用材料均滿足設(shè)計要求，并對車架提出了改進優(yōu)化方案。車身整體可升降掛裝車樣機完成試制后，對其進行了全面的試驗和檢測。測試結(jié)果表明，各項技術(shù)指標均符合設(shè)計要求。該車制動性能良好、轉(zhuǎn)向靈活輕便、調(diào)速方便、微動性能優(yōu)異；其人員操作簡單、對接飛機方便、作業(yè)安全可靠。事實證明車身整體可升降掛裝車設(shè)計是合理、適用的。