機場集裝箱/板升降平臺車橋平臺的設(shè)計與研究

李 霞，張志顯，張三川，劉 劍

(1.鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001;2.鄭州新大方重工科技有限公司，河南鄭州450064)

0 引言

機場集裝箱/板升降平臺車是機場用來裝卸集裝箱或者集裝板的一種專用車型［1］.近年來，隨著我國民航運輸業(yè)的發(fā)展，集裝箱/板升降平臺車的需求量不斷增加，而且伴隨大型飛機出現(xiàn)的加大加重集裝箱對升降平臺車承載能力要求更高.此外，我國現(xiàn)有飛機集裝箱/板升降平臺車大多是90年代中期購買的，目前已進入更新?lián)Q代密集期［2］.新建機場及原有機場的改擴建對升降平臺車的新增需求和機場現(xiàn)有升降平臺車的更新需求為集裝箱升降平臺車的發(fā)展帶來了契機.

橋平臺作為整車中的重要一部分，起著與飛機艙門對接，在飛機艙門和主平臺間水平傳送飛機集裝箱/板的作用［1］，橋平臺的使用避免了主平臺在重載下完成舉升的同時需不斷與飛機艙門實現(xiàn)對接造成平臺車與飛機碰撞等危險發(fā)生.

筆者根據(jù)設(shè)計目標通過分析、計算設(shè)計機場集裝箱/板升降平臺車橋平臺的結(jié)構(gòu)，然后利用ANSYS軟件對兩個重要的承載部件——上臺面、剪叉臂進行靜力學分析，最后分析橋平臺處于最高位置時的振動頻率及振動模態(tài).

1 機場集裝箱/板升降平臺車簡介

機場集裝箱/板升降平臺車主要由橋平臺、主平臺、操作臺、底盤總成、動力總成、液壓總成、電氣總成及爬梯等輔助件組成，如圖1所示.

底盤總成為平臺車提供支撐，主平臺將集裝箱/板提升或下降到裝卸高度，然后通過橋平臺將其送上或從飛機上取下前(后)剪撐借助自帶的液壓缸提升和降下橋(主)平臺.

圖1 雙平臺式升降平臺車Fig.1 Lifting loader with double table

2 橋平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本論文是40 t雙平臺式機場集裝箱升降平臺車研究的一部分，要求橋平臺能夠承載一個3 175 mm×2 438 mm的集裝板，所能承載的航空貨物的重量為主平臺的1/2，即20 t.

根據(jù)設(shè)計目標橋平臺應能夠承載一個3 175 mm×2 438 mm的集裝板，使一個3175 mm寬的集裝板通過.考慮平臺車操縱臺位于橋平臺上.橋平臺長度設(shè)計為4 460 mm，寬度為4 500 mm.

1)剪叉結(jié)構(gòu).

剪叉的結(jié)構(gòu)形式主要有單級剪叉和雙級剪叉［3-5］兩種，如圖2所示.單級剪叉式結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定，但支反力比較大，安裝所占的縱向空間較大.雙級剪叉式結(jié)構(gòu)緊湊，但相對復雜.由于橋平臺縱向結(jié)構(gòu)尺寸較小，且舉升高度大，采用雙級剪叉式結(jié)構(gòu)更加合適.

8根剪叉臂的主體部分選用截面邊長為140 mm、厚度為8 mm的方管，兩端設(shè)計專門的連接頭，用于方管與上下臺面或滾輪連接，方管與連接頭焊接在一起，焊后經(jīng)退火處理去除殘余應力.成副的剪叉臂之間在其中點由銷軸連接，剪叉臂的連接頭通過銷軸分別于橋平臺的上下臺面或滾輪連接.剪叉臂采用Q345B低合金結(jié)構(gòu)鋼.

圖2 橋平臺兩種結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Two structure of the bridge table

2)上臺面及剪叉臂運動導向裝置.上臺面的4根縱梁和兩根橫梁均采用截面邊長為180 mm、厚度為18 mm的方管，材料為Q345B低合金結(jié)構(gòu)鋼.剪叉臂運動的導向裝置選用型號為14a的熱軋槽鋼.導向槽鋼與車架縱梁或上臺面縱梁焊接在一起，然后退火處理去除焊接應力.

3)液壓缸安裝方式.傳統(tǒng)的提升系統(tǒng)利用液壓缸活塞作用在剪叉臂上實現(xiàn)平臺升降(如圖1)，由于液壓缸的輸出力與其體積直接相關(guān)，要想實現(xiàn)單個單級液壓缸推力的提升，液壓缸的體積勢必增大，但剪叉下的空間有限，液壓缸體積受限，其最大提升力也受到限制.為提升剪撐提升系統(tǒng)的最大提升力，筆者采用一組多級液壓缸直接支撐橋平臺上平臺面框架實現(xiàn)橋平臺的升降.多級相對于單級液壓缸可有效提升其最大提升力，且液壓缸活塞桿直接支撐上臺面框架，增大了液壓缸活塞桿的伸縮的有效空間.

利用Solidworks軟件建立橋平臺的三維模型，如圖3所示.

圖3 橋平臺三維模型Fig.3 Three-dimensionalmodel of the bridge table

3 橋平臺關(guān)鍵部件的靜力學分析

3.1 橋平臺上臺面的靜力學分析

橋平臺工作時，需升降并固定在一個較高的位置，承受著集裝箱或者集裝板帶來的壓力，強度必須滿足條件才能正常工作.橋平臺結(jié)構(gòu)復雜，利用力學相關(guān)知識驗證上臺面及剪叉機構(gòu)是否滿足強度要求，工作困難且復雜，使用有限元分析軟件進行分析，則簡單的多［6-7］.

橋平臺上臺面由方管、輥筒、萬向轉(zhuǎn)動裝置、滾輪導向槽、與剪叉臂的連接件等零部件組成，其中輥筒、萬向轉(zhuǎn)動裝置、滾輪導向槽起輔助作用，主要承載力部件是由4根縱向方管和橫向方管組成的上臺面框架.對上臺面進行分析時主要考慮其主體框架的結(jié)構(gòu)強度.主平臺的上臺面屬于組合結(jié)構(gòu)，建立其三維模型并導入ANSYS，建立其有限元模型.Q345B力學特性［8］如表1所示.

表1 平臺車材料屬性及力學特性Tab.1 Material properties and mechanical properties of the Lifting Loader

上臺面單元類型選用實體單元solid185，solid185單元有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度.自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖4所示.

橋平臺上臺面一端與剪叉機構(gòu)鉸接，另一端通過滾輪導向槽與滾輪接觸，靜力分析時對臺上臺面施加以下約束:上臺面與剪叉機構(gòu)鉸接部位，限制除繞銷軸軸線方向轉(zhuǎn)動的自由度以外的所有自由度;上臺面與滾輪連接部位，只限制其豎直方向的自由度.

圖4 上臺面的有限元模型Fig.4 Finitemodel of the up table

上臺面的上表面受到的載荷來自航空貨物的壓力，可近似看作均布力.為便于對上臺面加載，把上臺面上的輥筒、萬向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)簡化成一個薄板，加載時均布力加載到薄板的表面.

對上臺面進行有限元靜力學分析，提取上臺面的應力應變分布云圖，如圖5所示.

由圖5可知:上臺面最大等效應力為33.5 MPa，發(fā)生在上臺面與剪叉臂的鉸接部位.最大的應變?yōu)?.583 mm，在上臺面的中間部位.

圖5 上臺面應力應變云圖Fig.5 Strain and stress cloud chart of the up tab le

上臺面材料Q345B屈服強度為345 MPa，安全系數(shù)n取1.5，計算可得:

根據(jù)式(1)可知，上臺面的最大應力33.5 MPa小于材料的許用應力，因此由截面邊長為180 mm，厚度為18 mm的方管組成的橋平臺上臺面的強度滿足材料要求.

3.2 剪叉機構(gòu)的靜力學分析

橋平臺的剪叉機構(gòu)由方管、連接頭和銷軸組成，建立其三維模型并導入到ANSYS建立有限元模型.解除上臺面及車架的約束，用相應力和約束代替.剪叉機構(gòu)單元類型選用 Solid185，材料Q345，材料參數(shù)如表1所示，其有限元模型如圖6所示.

根據(jù)實際情況對其進行施加約束和載荷.在剪叉結(jié)構(gòu)的右下端限制除繞銷軸軸線方向旋轉(zhuǎn)的自由度外的所有自由度，在剪叉機構(gòu)左下端限制其除z方向的移動自由度外的所有自由度.在對剪叉結(jié)構(gòu)左上和右上端的銷軸孔處分別施加相應的y軸方向的載荷.

對剪叉機構(gòu)進行靜力學分析，提取其等效應力云圖和位移圖，如圖7所示.

圖6 剪叉機構(gòu)的有限元模型Fig.6 Finitemodel of the fork mechanism

由圖7可知:剪叉機構(gòu)的最大等效應力為179 MPa，在右中部位的銷軸上.剪叉臂的中間變形最大，為9.717 mm，在剪叉機構(gòu)的左上端.

剪叉機構(gòu)材料Q345B屈服強度極限為345 MPa，安全系數(shù)n為1.5.根據(jù)式(1)可知，剪叉臂的最大應力179 MPa，在材料許用應力范圍內(nèi)，因此該剪叉機構(gòu)滿足材料強度要求.

4 橋平臺模態(tài)分析

橋平臺工作時通常被固定在較高位置，此位置對橋平臺的穩(wěn)定性要求比較高，計算此位置橋平臺的振型及固有頻率［9］.根據(jù)分析結(jié)果可知橋平臺對激振力的響應，從而對橋平臺的設(shè)計方案進行評價.為提高運算效率，對分析結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進行簡化，如下處理.

圖7 剪叉機構(gòu)的應力應變云圖Fig.7 Strain and Stress cloud chart of the fork mechanism

(1)去除輥筒、萬向傳動部件、螺栓等零部件，用覆蓋在上臺面主體框架上的平板代替.

(2)對銷軸、液壓缸等零部件做適當簡化.

橋平臺模態(tài)分析時單元類型選用Solid185，材料為Q345，材料參數(shù)如表1所示.

采用Block Lanczos法進行模態(tài)分析，提取橋平臺前五階固有頻率及振動模態(tài)，如圖8、圖9所示.

圖8 橋平臺處于最高位置時前5階固有頻率Fig.8 First five natural frequencies of the bridge platform in the highest position

圖9 橋平臺處于最高位置時前五階振動模態(tài)Fig.9 First five vibration mode of the bridge p latform in the highest position

由圖9可知，橋平臺處于最高位置時的前五階固有頻率主要分布在3～17 Hz以內(nèi)，處于較低的頻率段且分布較為密集.其振動模態(tài)主要為平臺上臺面的彎曲變形以及剪叉臂的彎曲及扭轉(zhuǎn)變形.

5 結(jié)論

在機場集裝箱/板升降平臺車介紹的基礎(chǔ)上，針對其橋平臺進行設(shè)計，并應用ANSYS軟件從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面對所設(shè)計橋平臺的上臺面和剪叉臂進行了較為系統(tǒng)的分析.分析結(jié)果表明，橋平臺上臺面和剪叉臂均滿足材料強度要求，橋平臺前五階振動頻率集中在3～17 Hz的低頻階段，各階振型主要表現(xiàn)為上臺面和剪叉臂彎曲及扭轉(zhuǎn)，設(shè)計時應盡量避開這些共振頻率，以上分析結(jié)果對平臺車的優(yōu)化設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)具有重要的指導意義.

［1］ 中國民用航空局機場司.GB/T 23423—2009，寬體飛機主艙集裝箱、集裝板裝載機功能要求［S］.北京:中國國家標準化管理委員會，2009.

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