航空發(fā)動機運輸車設(shè)計思路概述

（上海中航商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

航空發(fā)動機運輸車設(shè)計思路概述

常誠，李旭

（上海中航商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

本文以航空發(fā)動機的運輸車作為設(shè)備設(shè)計的需求牽引，在常規(guī)運輸車設(shè)計過程中需要注重的幾何結(jié)構(gòu)形狀，強度、剛度、穩(wěn)定性設(shè)計基礎(chǔ)上，額外注意運輸車支撐架的功能調(diào)節(jié)，底盤車輪、軸、接口、轉(zhuǎn)向、減振以及工作中意外情況的預(yù)先考慮，力求在滿足結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，使用操作方便安全。

承載支架；運輸車；設(shè)計

航空發(fā)動機運輸車是發(fā)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(fā)動機的結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜且外形尺寸大，屬于高技術(shù)含量的高精密裝備，對運輸車和運輸?shù)沫h(huán)境提出了非常高的要求，因此在運輸車的設(shè)計過程中應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡單、工藝性和實用性為設(shè)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(shè)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(fā)的CFM56系列發(fā)動機，在國際航空發(fā)動機市場占有重要地位，該發(fā)動機幾款典型型號具體發(fā)動機尺寸如表1。

表1

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

2 運輸車設(shè)計總體描述

發(fā)動機運輸車主要用于發(fā)動機在車間各個工位之間的運輸，其自身的結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性以及其通用性和安全性對于運輸車來說至關(guān)重要。

運輸車的初始設(shè)計是一個幾何尺寸設(shè)計的過程，可以按照運輸車使用目的、支架的常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗和已有的相似結(jié)構(gòu)進行，完成初步設(shè)計。然后通過材料選擇、力學(xué)分析，綜合評估后完成最終設(shè)計。

本文將運輸車的基本設(shè)計目標(biāo)設(shè)定為無動力的四輪行走式航空發(fā)動機運輸車，用于航空發(fā)動機在車間各個工位之間的運轉(zhuǎn)工作，其自身結(jié)構(gòu)由兩大部分組成，一是承載支架，二是運輸?shù)妆P。

2.1 承載支架

承載支架是一個發(fā)動機的支撐托架，根據(jù)發(fā)動機具體形式不同，進行個性化設(shè)計。取發(fā)動機的樣機長度2650mm，直徑1500mm。

根據(jù)三點確定一個平面的原則，在發(fā)動機和支撐架之間確定3個承力點，即可保證發(fā)動機的穩(wěn)定支撐。而常規(guī)情況下，在發(fā)動機的支撐架中部設(shè)計第四個點，用來調(diào)節(jié)和加固作用。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。為簡化發(fā)動機計算，將發(fā)動機設(shè)定為圓柱形模型。以發(fā)動機圓柱模型的中軸線為對稱軸，在其兩側(cè)對稱布置4個支撐支撐，保證發(fā)動機的穩(wěn)定狀態(tài)。

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(diào)節(jié)機構(gòu)組成。承載支架應(yīng)具備調(diào)節(jié)功能，考慮到航空發(fā)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(yù)計范圍內(nèi)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(diào)節(jié)即可。為滿足安全，方便維護，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用機械齒輪滑軌結(jié)構(gòu)進行。

（2）力學(xué)分析。一般對于支撐架在形狀設(shè)計上根據(jù)發(fā)動機的形狀和重心取靠近發(fā)動機重心的兩個支撐作為主支撐，以發(fā)動機中軸線對稱置于發(fā)動機兩側(cè)的方便位置，在遠(yuǎn)離發(fā)動機重心的兩側(cè)設(shè)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(diào)節(jié)發(fā)動機在運輸車上運輸過程中的姿態(tài)調(diào)整。

在對于支撐架的力學(xué)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(fā)生斷裂或超過容許限度發(fā)生塑性變形，需要確認(rèn)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(xù)工作可擴展性的基礎(chǔ)。

②穩(wěn)定性。上述兩種要求按照常規(guī)的設(shè)計方法很容易滿足，而相對重要的是對于支撐架支柱的穩(wěn)定性設(shè)計和評估，即結(jié)構(gòu)設(shè)計中的壓桿穩(wěn)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(wěn)定的平衡狀態(tài)向不平衡的質(zhì)變的臨界點，稱為臨界應(yīng)力，以Fcr表示，臨界應(yīng)力是壓桿保持直線平衡構(gòu)型的最大壓力，或者說是使壓桿失穩(wěn)的（不能保持壓桿平衡構(gòu)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(jié)構(gòu)慣性矩；

μ——約束系數(shù)，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(wěn)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(jié)構(gòu)形式，截面積和高；例如增加慣性矩（截面積，工字鋼或圓環(huán)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?shù)妆P

2.2.1 常規(guī)穩(wěn)定性設(shè)計

運輸車的穩(wěn)定性是指運輸車在滿載靜止和運行過程中的不發(fā)生側(cè)滑和傾翻的特性，一般包括靜穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。

首先，根據(jù)工程經(jīng)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(shù)，保證車輛的靜態(tài)橫向、縱向的穩(wěn)定性，確保運輸車在空載和滿載的情況下，不發(fā)生側(cè)滑和傾翻等非預(yù)期工作情況，完成初步設(shè)計。

然后進入詳細(xì)設(shè)計階段。通過已經(jīng)選擇的運輸車參數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行不同工況下的力學(xué)分析。數(shù)據(jù)計算，確保運輸車工作的安全可靠。

2.2.2 異常情況設(shè)計

（1）問題產(chǎn)生原因。運輸車的動穩(wěn)定性是指運輸車在行進過程中突然異常停車，導(dǎo)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(fā)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(dǎo)致可能的翻車；行進過程中前輪調(diào)入坑洞中，使運輸車發(fā)生側(cè)移或傾翻；運輸車前路上凸臺沒上去，導(dǎo)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(jīng)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(zhuǎn)中心，質(zhì)心提高的過程；運輸車在自身慣性力矩的作用下，繼續(xù)沿著旋轉(zhuǎn)弧線轉(zhuǎn)動到最高點，在這一過程中，運輸車翻轉(zhuǎn)前動能=反轉(zhuǎn)開始后由于結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)到最高點處為零，此時小車的平衡方程變?yōu)椋悍D(zhuǎn)前動能=翻轉(zhuǎn)開始后由于結(jié)構(gòu)摩擦吸能+勢能。

（3）設(shè)計時速選取。在實際工作過程中，為避免裝在運輸車上的發(fā)動機受到顛簸和損傷，在運輸過程中設(shè)置安全工作角度，在設(shè)計過程中設(shè)置該角度最大為5°，即可計算出該運輸車在異常情況發(fā)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(shù)條件下，給出運輸車的穩(wěn)定車速范圍，一般數(shù)值在5～15km/h之間。

確保運輸車在發(fā)生意外工作情況下，仍能保證發(fā)動機的運輸安全。

3 額外的補充設(shè)計

3.1 車輪的設(shè)計

車輪設(shè)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(shè)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(yīng)在車輪附近設(shè)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(shè)計

運輸車和發(fā)動機的總重量經(jīng)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(guān)重要。一般沒有支撐架損壞，大部分問題出現(xiàn)在車輪軸上，因此在保證轉(zhuǎn)向靈活的前提下，即四輪轉(zhuǎn)向，載荷均布原則。在初始設(shè)計和后續(xù)發(fā)動機型號變化時，滿載狀態(tài)下重心投影在底盤上的位置基本不變。

3.3 轉(zhuǎn)向設(shè)計

運輸車為無動力設(shè)計，在車間廠房內(nèi)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(nèi)部周轉(zhuǎn)運輸，轉(zhuǎn)彎頻繁，并且空間受限，所以在運輸車的前后各設(shè)計一個方向調(diào)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(diào)節(jié)運輸車的行進方向。

3.4 減振設(shè)計

一般運輸車不設(shè)置減振或者采用彈簧減振。由于采用機械結(jié)構(gòu)容易造成車輪載荷達(dá)，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(fā)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(shè)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(jié)構(gòu)之間的振動傳遞關(guān)系為：由路面引起的振動源經(jīng)車輪底盤、支撐架傳遞到運輸車上的發(fā)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(fā)動機接收到的振動影響，就需要在傳遞介質(zhì)上下功夫，即要在車輪、底盤，支撐架上采取相應(yīng)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(shè)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(shè)置減振彈簧，或減振橡膠減振。

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

采用振動隔離措施，即在傳遞介質(zhì)上采取技術(shù)措施，如使用防振減振設(shè)施，增加結(jié)構(gòu)阻尼，安裝隔振器等來實現(xiàn)。

3.5 運輸接口的設(shè)計

運輸車為無動力設(shè)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(shè)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(shè)計

運輸車自身也會遇到需要搬運運輸?shù)那闆r，因此在運輸車底盤上的方便位置，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)叉車孔，車身左右貫通，設(shè)置強度加強筋，該處可承載滿載狀態(tài)的運輸車。

3.7 重心的設(shè)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(shè)計，在進行重心設(shè)計時，需要考慮以下兩個方面：一、底盤投影重心位置，需要設(shè)計并調(diào)節(jié)重心位置處于運輸車的幾何結(jié)構(gòu)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(shè)計底盤、車輪和軸的相對應(yīng)關(guān)系，適當(dāng)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(shè)計優(yōu)化

近年來，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的理論和方法在國內(nèi)外取得了很大的進展。結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化就是解決機械設(shè)計中零件斷裂、變形、失穩(wěn)問題，在實踐工作中通常與三維數(shù)模有限元分析結(jié)合，完成系統(tǒng)優(yōu)化的過程，就是一個在給定判別準(zhǔn)則的前提下，多邊界條件，進行多元求解，獲得最優(yōu)解的過程。通常的運輸車判定準(zhǔn)則為：最穩(wěn)定、最安全、材料最少，抗振性和通過性最好等.

5 結(jié)語

航空發(fā)動機運輸車是處于慢速重載、室內(nèi)平穩(wěn)運行工作環(huán)境的運輸裝置，在工作中應(yīng)用很多。本文以航空發(fā)動機運輸車設(shè)計為例，研究設(shè)計思路方法，作者結(jié)合自身運輸車的設(shè)計實踐，提出設(shè)計思路，希望推動航空發(fā)動機設(shè)備設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

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：1671-0711（2017）08（上）-0186-03