新型飛機(jī)輪胎分解機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

解本銘，曹靜麗

（中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

0 引言

我國民航事業(yè)快速發(fā)展，業(yè)務(wù)規(guī)模急劇擴(kuò)大，航班數(shù)量以及飛機(jī)種類急劇增加；在飛機(jī)降落過程中，輪胎與地面之間存在著巨大的速度差，因而產(chǎn)生劇烈的摩擦致使飛機(jī)輪胎磨損較快；再者飛機(jī)輪胎體積較大，質(zhì)量較大，單獨(dú)依靠維護(hù)人員手工或者采用簡單的工裝設(shè)備拆卸輪胎十分困難。尤其是當(dāng)輪胎已經(jīng)與輪圈粘合到一起時(shí)，工人很難將其拆卸，但采用輪胎分解機(jī)就很容易完成輪胎的拆裝與維修。鑒于這種現(xiàn)狀，國內(nèi)民航事業(yè)迫切需求專用的通用性飛機(jī)輪胎分解設(shè)備。

現(xiàn)有的飛機(jī)輪胎分解機(jī)主要有兩大類：一類是全自動(dòng)通用輪胎分解機(jī)；另一類是半自動(dòng)輪胎分解機(jī)。它們大多數(shù)是以液壓缸提供動(dòng)力，而其控制較為復(fù)雜。本文論述了一種新型飛機(jī)輪胎分解機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,并對(duì)它進(jìn)行有限元分析。

1 飛機(jī)輪胎分解機(jī)工作原理

飛機(jī)輪胎分解機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要組成部分為電機(jī)、諧波齒輪減速器、聯(lián)軸器、機(jī)架、擠壓臂、夾緊臂、導(dǎo)軌等。輪胎分解機(jī)對(duì)輪胎進(jìn)行壓胎分解是在輪胎無氣狀態(tài)下進(jìn)行的，放氣后的輪胎的彈性變形較大，人工很難使外胎與輪轂分離。一般使用加壓的方法，使輪胎與輪轂分離。其工作原理是首先電機(jī)8驅(qū)動(dòng)夾緊臂6 夾緊輪胎，然后在電機(jī)10 的驅(qū)動(dòng)下橫向快速進(jìn)給；當(dāng)傳感器檢測(cè)到輪胎達(dá)到指定位置時(shí)，電機(jī)7 驅(qū)使輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)10 繼續(xù)驅(qū)動(dòng)夾緊臂橫向微進(jìn)給，電機(jī)1 提供動(dòng)力源，由內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)使擠壓臂5 不斷擠壓輪胎，最終使輪胎輪轂分離。

該設(shè)備配有起重裝置—主要由立柱支撐架、橫向?qū)к壟c電動(dòng)葫蘆組成，用來舉升與降落輪胎。其中橫向?qū)к壙梢岳@立柱大角度旋轉(zhuǎn)；同時(shí)電動(dòng)葫蘆可以在橫向?qū)к壣弦苿?dòng)，因此該其中裝置可以把輪胎運(yùn)動(dòng)到指定位置。

圖1 飛機(jī)輪胎分解機(jī)結(jié)構(gòu)模型

2 飛機(jī)輪胎分解機(jī)有限元分析

2.1 關(guān)鍵部件的受力分析

擠壓裝置所承受的載荷主要有：①零部件自身的重量；②擠壓頭部所受的集中作用力，該作用力主要是工作過程中輪胎與擠壓頭之間的相互作用力。

以波音737 H40X14.5-19 為例，在Adams 中建立剛?cè)狁詈夏Ｐ停ㄟ^Union 與Merge 命令合并兩個(gè)相交或不相交的實(shí)體，在不影響仿真結(jié)果的前提下，使其零部件數(shù)目盡可能少，結(jié)構(gòu)盡可能簡化，從而減少約束建模的工作量。比如某些密封圈、墊圈等對(duì)仿真結(jié)果影響微乎其微的零部件，合并到與其相關(guān)的部件上或直接從模型刪除，以達(dá)到簡化模型的目的。通過施加約束將相互獨(dú)立的部件聯(lián)系起來，使其成為具有特定運(yùn)動(dòng)形式的整體。

為了在Adams 中得到確切的仿真結(jié)果，根據(jù)所施加力的變化情況，選用Step 函數(shù)。該結(jié)構(gòu)中施加的作用力和驅(qū)動(dòng)力均采用Step 的嵌套格式，具體形式如下：

step（time,t0,s0,t1,step(time,t1,s1,t2, step(time,t2,s2,t3,s3)…))

其中：ti—自變量值；si：ti時(shí)刻的函數(shù)值（i=0,1,2,3…）。

而后在Adams 中完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，找出擠壓頭與輪胎相互作用過程中，最大力為15736.9N。

2.2 飛機(jī)輪胎分解機(jī)關(guān)鍵部件的有限元模型

在SolidWorks 中完成輪胎分解機(jī)三維整機(jī)模型，裝配體中有很多安裝孔、螺釘孔等，這些特征對(duì)有限元分析結(jié)果無關(guān)緊要；然而從SolidWorks 三維模型導(dǎo)入ANSYS 過程中，這些特征可能發(fā)生失真，導(dǎo)致有限元分析時(shí)網(wǎng)格劃分困難。所以根據(jù)實(shí)際情況簡化模型，比如去除倒角與圓角、去除用來裝配的小孔與螺釘孔、忽略軸承、簡化機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系等等。通過SolidWorks 與ANSYS的無縫連接口，導(dǎo)入簡化后的CAD 模型。該結(jié)構(gòu)各零部件均為實(shí)體，因此用三維實(shí)體描述其結(jié)構(gòu)，更能反應(yīng)其真實(shí)情況；并采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分的方法對(duì)關(guān)鍵部件的各個(gè)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不僅能獲得形狀較為規(guī)則的網(wǎng)格，而且可以提高計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 關(guān)鍵部件的靜力分析

擠壓結(jié)構(gòu)在設(shè)備運(yùn)行過程中承受著絕大部分的載荷，因此需要對(duì)這個(gè)部件的各個(gè)零部件進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度和剛度條件。該關(guān)鍵部件的特性指標(biāo)對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的開發(fā)、優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要意義。

根據(jù)關(guān)鍵部件在整機(jī)結(jié)構(gòu)中的裝配情況確定其邊界條件：兩個(gè)導(dǎo)軌的兩端固定在機(jī)架上，兩個(gè)擠壓臂各有一個(gè)橫向移動(dòng)自由度。在擠壓頭的Z 軸方向添加作用力15736.9N，給整個(gè)模型添加重力加速度。

施加約束后，在ANSYS 中求解得到關(guān)鍵部件的變形云圖與應(yīng)力云圖如圖2 所示。

圖2 關(guān)鍵部件的變形和應(yīng)力云圖

圖3 擠壓臂的變形和應(yīng)力云圖

由圖2 示的分析結(jié)果可知：該關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力發(fā)生在擠壓臂與導(dǎo)軌連接處。由圖3 的分析結(jié)果知擠壓臂的最大應(yīng)力發(fā)生在擠壓臂與導(dǎo)軌連接處的橫截面上，最大應(yīng)力值為150.76MPa，最大變形為1.96mm，且發(fā)生在懸臂端。該擠壓臂相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，在懸臂端施加一個(gè)集中力，由結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知結(jié)構(gòu)的最大變形應(yīng)發(fā)生在懸臂梁的懸臂端；在懸臂梁的固定端擠壓臂承受著較大彎矩，因?yàn)樵跀D壓臂連接處應(yīng)力取得最大值?？梢夾NSYS 計(jì)算結(jié)果與理論完全吻合，因此，靜力分析學(xué)結(jié)果足以表明各個(gè)零部件的最大應(yīng)力都在允許范圍內(nèi)，而且變形量也在允許范圍內(nèi)。

2.4 關(guān)鍵部件的模態(tài)分析

飛機(jī)輪胎的特殊性要求輪胎在分解過程中不受任何破壞。尤其是當(dāng)擠壓頭接近輪轂時(shí)，兩者絕對(duì)不能接觸碰撞，因此，分解機(jī)必須有精確的進(jìn)給精度。

擠壓結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生位置和進(jìn)給誤差，為了避免因系統(tǒng)振動(dòng)而破壞輪胎的結(jié)構(gòu)，就有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。假定該結(jié)構(gòu)為自由振動(dòng)并且忽略阻尼，其振動(dòng)方程為：

其中：[M]—質(zhì)量矩陣；[K]—?jiǎng)偠认禂?shù)矩陣；{u}—位移矩陣。借助ANSYS 求解上述方程，獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型，進(jìn)而在輪胎分解機(jī)設(shè)計(jì)之前避免可能引起的共振。

結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置為：導(dǎo)軌自由度度為零，擠壓臂有一個(gè)橫向的自由度，其余自由度為零。經(jīng)ANSYS 分析計(jì)算得到模型的前6 階固有頻率與固有振型分別如圖4、圖5 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)前6 階固有頻率

圖5 結(jié)構(gòu)前6 階固有振型

經(jīng)ANSYS 模態(tài)分析知：第一階振型——整體結(jié)構(gòu)左右移動(dòng)；第二、三階振型均為兩擠壓臂上下擺動(dòng)，二階振型中左擠壓臂上下擺幅教大，第三階振型中右擠壓臂上下擺幅教大；第四階振型為兩擠壓臂左右擺動(dòng)（相向擺動(dòng)）且兩擠壓臂擺幅相同；第五階振型——整個(gè)擠壓結(jié)構(gòu)左右擺動(dòng)；第六階振型——兩臂繞各自中心線扭轉(zhuǎn)。

觀察模態(tài)分析結(jié)果，可以看出在前6 階模態(tài)中，擠壓臂幾乎都有明顯的振動(dòng)，這是因?yàn)閿D壓臂的橫縱向尺寸比較大、剛度相對(duì)較??；又由于擠壓臂相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此，擠壓結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算結(jié)果中有大量的局部模態(tài)，而結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)又可以引起擠壓臂及整個(gè)結(jié)構(gòu)的彎或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。工程上大多只考慮系統(tǒng)的前3 階振型，當(dāng)系統(tǒng)頻率不接近94Hz 時(shí)，結(jié)構(gòu)在工作過程中不易引起共振，因此，可以證明該結(jié)構(gòu)具有較好的動(dòng)力學(xué)性能。

3 結(jié)論

國內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有飛機(jī)輪胎分解機(jī)多為德國KUNZ 制造，鮮有中國獨(dú)有設(shè)計(jì)的。借鑒現(xiàn)有輪胎分解機(jī)結(jié)構(gòu)，自主研發(fā)了一種新型分解機(jī)。本文借助Adams、ANSYS軟件，研究關(guān)鍵部件在最大負(fù)荷作用下的特性對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的開發(fā)、優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要意義。

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