機場行李傳送車舉升機構設計與分析

高建樹，馬臨凱，孟祥森，馮小寧

（1.中國民航大學機場學院，天津 300300；2.中國民航大學航空工程學院，天津 300300）

1 引言

行李傳送車是裝卸行李、包裹等散件貨物的機動傳送設備[1]，主要用于由地面到飛機貨艙的裝卸貨物工作，為航班提供地面保障服務。目前廣泛應用的行李傳送車的舉升機構主要由前舉升液壓缸提供舉升力，當傳送架舉升至最高位置時，前舉升缸幾乎處于豎直狀態，傳送架的穩定性極易受到干擾的影響。因此，對舉升機構進行改進設計，提高舉升機構的抗干擾能力，有利于改善行李傳送車的安全使用性能。

為了提高行李傳送車的使用性能，對舉升機構進行改進設計，前舉升機構采用剪式腿結構，由平放液壓缸來進行驅動，后舉升機構采用兩個同步伸縮的液壓缸，由兩個液壓缸共同實現驅動。

改進后的舉升機構具有穩定性高、調節范圍廣等優點，能夠保證航班的安全、高效運行，有利于提高機場的工作效率和經濟效益。

根據行李傳送車的工作要求和設計標準，對舉升機構進行設計計算，運用Creo建立舉升機構的三維模型，并將其導入ADAMS軟件，對舉升過程進行仿真分析，從而對其工作穩定性進行驗證，并運用ANSYS軟件對舉升機構的靜態剛強度和模態進行分析，驗證其是否滿足設計要求。

2 舉升機構結構設計

2.1 舉升機構工作要求

舉升機構是行李傳送車的重要組成部分，主要用于將傳送機構舉升至合適的傳送角度。

由于行李傳送車屬于近機作業，在工作過程中，需要和飛機進行對接，故需要保證舉升機構具有極好的穩定性。

為了滿足各種型號飛機的服務需求，行李傳送車傳送架兩端的高度應能夠分別調節。舉升機構與飛機對接的一端，可在（1200～4000）mm范圍內任意調節，在作業過程中，另一端的高度不超過760mm，而且傳送角度不超過24°[5]。

2.2 舉升機構結構組成

舉升機構主要包括前舉升機構、后舉升機構、平放液壓缸和傳送架，其中，前舉升機構包括前舉升架和前支撐架，后舉升機構由兩個同步伸縮的液壓缸組成。

根據行李傳送車的工作需求和舉升機構的運動特性，運用CAD軟件繪制出舉升機構的運動簡圖，如圖1所示。舉升機構由前支撐架1、前舉升架2、傳送架3、后舉升液壓缸4和平放液壓缸5組成，其中，前舉升機構采用剪式腿結構，前舉升架和前支撐架形成三角支撐，其具有穩定性好、可靠性高等優點。后舉升液壓缸成對使用，兩個液壓缸保持同步伸縮，其主要作用是對傳送架的角度進行調整，使傳送架調整至最佳傳送狀態。舉升機構的動力主要由平放液壓缸提供，用于實現舉升機構的舉升動作。

圖1 舉升機構運動簡圖Fig.1 The Skeleton of the Lifting Mechanism

2.3 舉升機構結構參數確定

為了滿足行李傳送車的工作要求，針對傳送架處于最高位置和最低位置兩個工況進行設計計算，得到舉升機構各部件的參數，如表1所示。

表1 舉升機構各部件參數表Tab.1 The Parameter Table of the Lifting Mechanism Parts

2.4 基于Creo建立舉升機構模型

對于改進后的舉升機構，根據以上得到的舉升機構參數，運用Creo軟件建立其三維模型，主要包括前支撐架、前舉升架、傳送架、平放液壓缸和后舉升液壓缸等構件的建模，然后將組件進行裝配，可得到裝配后的模型。為了對比改進后的舉升機構和傳統的舉升機構的性能好壞，運用Creo軟件建立傳統的舉升機構的三維模型，主要包括前舉升架、前舉升液壓缸、傳送架、后舉升架和后舉升液壓缸等構件的建模，然后將組件進行裝配，可得到裝配后的模型。

3 基于ADAMS的舉升機構仿真分析

3.1 舉升機構虛擬樣機的建立

將以上建立的Creo模型經格式轉換后導入ADAMS軟件中，由于ADAMS只能獲取模型的位置信息，故需對模型的運動副重新進行定義，舉升機構的運動副包括固定副、旋轉副和滑移副。兩種舉升機構的動力均由驅動液壓缸提供，故需分別對兩種舉升機構的驅動液壓缸添加驅動，以實現對舉升過程的仿真分析。得到的舉升機構的虛擬樣機，如圖2所示。

圖2 舉升機構虛擬樣機Fig.2 The Virtual Prototype of the Lifting Mechanism

3.2 舉升平穩性分析

對于改進后的舉升機構，舉升機構的舉升操作主要由平放液壓缸驅動，為了保證舉升過程的平穩性，選擇用Step函數來定義平放液壓缸的驅動速度。在舉升的過程中，平放液壓缸要先緩慢加速，然后以勻速運行，最后緩慢減速至停下，根據此規律對平放液壓缸的驅動進行如下定義。

3.2.1 平放液壓缸的驅動函數

根據對平放液壓缸活塞桿速度的定義，可得到其Step驅動函數如下：

根據式（1），平放液壓缸的驅動函數曲線可在ADAMS 中繪制得到，如圖3所示。

圖3 平放液壓缸驅動函數曲線Fig.3 The Drive Function Curve of the Horizontal Hydraulic Cylinder

基于以上建立的Step驅動函數，在ADAMS中對舉升過程進行仿真分析，舉升過程由傳送架處于最低位置開始，直至舉升到最高位置。由圖3中的曲線可看出，舉升過程非常平緩，具有很好的舉升特性，以上Step函數能夠滿足舉升過程的設計要求。

3.2.2 仿真結果分析

（1）傳送架質心高度變化分析

舉升機構在舉升過程中，傳送架由最低位置舉升到最高位置，其質心高度隨時間的變化規律能夠反映出舉升過程平穩性能的好壞，傳送架質心高度變化曲線，如圖4所示。

圖4 傳送架質心高度變化曲線Fig.4 The Variation Curve of Mass Center Height of Conveyor

由圖4中的曲線可以看出，當傳送架處于最低位置時，其質心高度約為600mm，當傳送架處于最高位置時，其質心高度約為1950mm。傳送架的舉升過程十分平緩，舉升效果良好，在舉升平穩性方面滿足設計要求。

（2）平放液壓缸活塞桿推力變化分析

舉升過程中的動力主要由平放液壓缸提供，因此，對平放液壓缸活塞桿的推力分析就顯得極為重要。舉升機構由最低位置舉升到最高位置的過程中，作用在平放液壓缸活塞桿上的推力變化曲線，如圖5所示。

圖5 平放液壓缸活塞桿推力變化曲線Fig.5 The Thrust Curve of Piston Rod of Horizontal Hydraulic Cylinder

由圖5可知，在舉升過程開始時，作用在平放液壓缸活塞桿上的推力最大，約為46kN，此時舉升機構受力最大，變形也最為明顯，處于最危險時刻。舉升過程一旦啟動，作用在活塞桿上的推力急劇下降，直至舉升到最高位置，作用在活塞桿上的推力趨于穩定，此時推力最小，約為2kN。

3.3 舉升機構穩定性分析

為了對比改進后的舉升機構和傳統的舉升機構的穩定性，分別對其提供驅動力的液壓缸施加以正弦規律變化的干擾，振幅為10mm，頻率為0.5Hz，施加在沿液壓缸的軸線方向上，如圖6中的S1曲線表示施加的干擾曲線。在ADAMS中進行運動仿真，得到兩種舉升機構的傳送架最前端沿靠近飛機方向的位移變化曲線，S2曲線表示改進后的舉升機構的位移變化曲線，S3曲線表示傳統的舉升機構的位移變化曲線。由圖6可知，兩種舉升機構傳送架最前端沿靠近飛機方向的位移均以正弦規律變化，改進后的舉升機構的位移振幅約為4mm，頻率為0.5Hz，傳統的舉升機構的位移振幅約為50mm，頻率為0.5Hz。改進后的舉升機構的位移振幅減小了92%，故改進后的舉升機構的抗干擾能力得到了很大的提高。

圖6 舉升機構抗干擾性能分析曲線Fig.6 Anti-Interference Performance Analysis Curve of Lifting Mchanism

4 基于ANSYS的舉升機構仿真分析

為了保證行李傳送車的安全運行，需對其結構剛度和強度進行校核，為了避免在行駛過程中行李傳送車自身振動和因路面顛簸產生的振動形成共振，對其進行模態分析，求解其固有頻率。

4.1 有限元模型的建立

將Creo模型經格式轉換后導入ANSYS，并對各部件進行材料屬性的設定，然后劃分網格，再對舉升機構施加約束和載荷，整車的載荷信息，如表2所示。

表2 整車載荷參數表Tab.2 The Parameter Table of the Vehicle Load

為了方便計算，需要對舉升機構進行適當的簡化：（1）將傳送架的各部件合并為一體，在保持計算精度的同時，能夠明顯減少計算量；（2）對于一些不重要的連接件和孔洞，可以進行適當的簡化或刪除，但前提是不能影響仿真結果；（3）由于舉升機構的各部件比較規則，可以將其當作剛體進行處理。

舉升機構的主要材料采用Q345鋼，材料的彈性模量為（2.1×105）MPa，泊松比為0.3，安全系數取n=1.34。

4.2 剛強度分析

通過以上對舉升過程的仿真分析可知，驅動液壓缸在舉升過程的初始時刻受力最大，此時傳送架處于最低位置，啟動力矩較大，此時為最危險的工況。因此，針對最危險工況，對兩種舉升機構分別進行剛強度分析，得到的分析結果，如圖7所示。對于改進后的舉升機構，最大變形為3.19mm，發生在平放液壓缸活塞桿和前舉升架上，最大應力為152MPa，其值遠小于材料的屈服極限345MPa，安全系數為2.27。對于傳統的舉升機構，最大變形為4.16mm，發生在傳送架最前端，最大應力為179MPa，其值遠小于材料的屈服極限345MPa，安全系數為1.93。通過對比發現，在最危險工況下，改進后的舉升機構的最大變形和最大位移均小于傳統的舉升機構，故改進后的舉升機構的結構強度更好。

圖7 最危險工況下的應變圖、應力圖Fig.7 The Strain and Stress Diagram Under the Most Dangerous Condition

4.3 模態分析

行李傳送車在機場行駛過程中，其振動主要由場道路面凸凹不平所引起[4]，因此，主要考慮行李傳送車的固有頻率是否會和外部激勵產生的振動發生共振。通過對行李傳送車進行模態分析可得到其固有頻率，由于相對于高階振型，低階振型對整車結構的動態有較大的影響[5]，因此，分別針對兩種舉升機構選取前6節模態進行分析，得到改進后的舉升機構和傳統的舉升機構前6節模態的固有頻率值以及對應的最大位移值，如表3所示。

表3 舉升機構有限元模態分析值Tab.3 The Lifting Mechanism FEM Analysis Value

從表3中的數據可以看出，前6節模態分析中，改進后的舉升機構的固有頻率的最小值為9.217Hz，最大值為19.541Hz。傳統的舉升機構的固有頻率的最小值為7.981Hz，最大值為18.926Hz。

由路面顛簸而造成的激勵頻率可根據式（2）計算得到：

式中：f—由路面顛簸而造成的激勵頻率，Hz；v—機場行李傳送車的行駛速度，km/h；L—路面的空間波長，m。

由于機場飛行區內車輛限速為25km/h，故取最高車速為v=25km/h，機場內的道面多為瀝青或水泥路面，相對比較平坦，路面波長L的范圍為（1.0～6.3）m。由式（2）計算可得到，由路面顛簸而造成的激勵頻率的最大值為fmax=6.94Hz，通過計算結果可看出，兩種舉升機構的固有頻率均不在由路面造成的激勵頻率范圍內，因此，行李傳送車在行駛過程中不會出現共振現象，從而避免了對車輛自身結構產生的損壞。通過對比發現，改進后的舉升機構的固有頻率更大，且產生的變形位移更小，性能更好。

5 結論

（1）對傳統的舉升機構進行改進設計，根據機場行李傳送車的工作需求，確定舉升機構各部件的參數，并基于Creo建立兩種舉升機構的三維模型。（2）運用ADAMS對舉升機構的舉升過程和抗干擾能力進行了仿真分析，結果表明，改進后的舉升機構的舉升過程平緩，具有良好的舉升性能，在系統穩定性方面，改進后的舉升機構的位移振幅減小了92%，抗干擾能力得到了很大的提升。（3）針對最危險工況，運用ANSYS分別對兩種舉升機構的剛強度進行了校核，改進后的舉升機構剛強度滿足設計要求，且性能優于傳統的舉升機構。（4）基于ANSYS分別對兩種舉升機構進行了模態分析，結果表明，車輛在行駛過程中不會產生共振，避免了對車輛自身結構產生損壞，且改進后的舉升機構的性能優于傳統的舉升機構。