機(jī)場行李傳送車舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析

高建樹，馬臨凱，孟祥森，馮小寧

（1.中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津 300300；2.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)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(jī)動傳送設(shè)備[1]，主要用于由地面到飛機(jī)貨艙的裝卸貨物工作，為航班提供地面保障服務(wù)。目前廣泛應(yīng)用的行李傳送車的舉升機(jī)構(gòu)主要由前舉升液壓缸提供舉升力，當(dāng)傳送架舉升至最高位置時，前舉升缸幾乎處于豎直狀態(tài)，傳送架的穩(wěn)定性極易受到干擾的影響。因此，對舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，提高舉升機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，前舉升機(jī)構(gòu)采用剪式腿結(jié)構(gòu)，由平放液壓缸來進(jìn)行驅(qū)動，后舉升機(jī)構(gòu)采用兩個同步伸縮的液壓缸，由兩個液壓缸共同實現(xiàn)驅(qū)動。

改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點，能夠保證航班的安全、高效運(yùn)行，有利于提高機(jī)場的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)行李傳送車的工作要求和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算，運(yùn)用Creo建立舉升機(jī)構(gòu)的三維模型，并將其導(dǎo)入ADAMS軟件，對舉升過程進(jìn)行仿真分析，從而對其工作穩(wěn)定性進(jìn)行驗證，并運(yùn)用ANSYS軟件對舉升機(jī)構(gòu)的靜態(tài)剛強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行分析，驗證其是否滿足設(shè)計要求。

2 舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 舉升機(jī)構(gòu)工作要求

舉升機(jī)構(gòu)是行李傳送車的重要組成部分，主要用于將傳送機(jī)構(gòu)舉升至合適的傳送角度。

由于行李傳送車屬于近機(jī)作業(yè)，在工作過程中，需要和飛機(jī)進(jìn)行對接，故需要保證舉升機(jī)構(gòu)具有極好的穩(wěn)定性。

為了滿足各種型號飛機(jī)的服務(wù)需求，行李傳送車傳送架兩端的高度應(yīng)能夠分別調(diào)節(jié)。舉升機(jī)構(gòu)與飛機(jī)對接的一端，可在（1200～4000）mm范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，在作業(yè)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

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

根據(jù)行李傳送車的工作需求和舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，運(yùn)用CAD軟件繪制出舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，如圖1所示。舉升機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)采用剪式腿結(jié)構(gòu)，前舉升架和前支撐架形成三角支撐，其具有穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)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(jìn)行調(diào)整，使傳送架調(diào)整至最佳傳送狀態(tài)。舉升機(jī)構(gòu)的動力主要由平放液壓缸提供，用于實現(xiàn)舉升機(jī)構(gòu)的舉升動作。

圖1 舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Fig.1 The Skeleton of the Lifting Mechanism

2.3 舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jìn)行設(shè)計計算，得到舉升機(jī)構(gòu)各部件的參數(shù)，如表1所示。

表1 舉升機(jī)構(gòu)各部件參數(shù)表Tab.1 The Parameter Table of the Lifting Mechanism Parts

2.4 基于Creo建立舉升機(jī)構(gòu)模型

對于改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)，根據(jù)以上得到的舉升機(jī)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)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(gòu)件的建模，然后將組件進(jìn)行裝配，可得到裝配后的模型。為了對比改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)的性能好壞，運(yùn)用Creo軟件建立傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)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(gòu)件的建模，然后將組件進(jìn)行裝配，可得到裝配后的模型。

3 基于ADAMS的舉升機(jī)構(gòu)仿真分析

3.1 舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的建立

將以上建立的Creo模型經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)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(yùn)動副重新進(jìn)行定義，舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副包括固定副、旋轉(zhuǎn)副和滑移副。兩種舉升機(jī)構(gòu)的動力均由驅(qū)動液壓缸提供，故需分別對兩種舉升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動液壓缸添加驅(qū)動，以實現(xiàn)對舉升過程的仿真分析。得到的舉升機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，如圖2所示。

圖2 舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)Fig.2 The Virtual Prototype of the Lifting Mechanism

3.2 舉升平穩(wěn)性分析

對于改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)，舉升機(jī)構(gòu)的舉升操作主要由平放液壓缸驅(qū)動，為了保證舉升過程的平穩(wěn)性，選擇用Step函數(shù)來定義平放液壓缸的驅(qū)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(yùn)行，最后緩慢減速至停下，根據(jù)此規(guī)律對平放液壓缸的驅(qū)動進(jìn)行如下定義。

3.2.1 平放液壓缸的驅(qū)動函數(shù)

根據(jù)對平放液壓缸活塞桿速度的定義，可得到其Step驅(qū)動函數(shù)如下：

根據(jù)式（1），平放液壓缸的驅(qū)動函數(shù)曲線可在ADAMS 中繪制得到，如圖3所示。

圖3 平放液壓缸驅(qū)動函數(shù)曲線Fig.3 The Drive Function Curve of the Horizontal Hydraulic Cylinder

基于以上建立的Step驅(qū)動函數(shù)，在ADAMS中對舉升過程進(jìn)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(shù)能夠滿足舉升過程的設(shè)計要求。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

（1）傳送架質(zhì)心高度變化分析

舉升機(jī)構(gòu)在舉升過程中，傳送架由最低位置舉升到最高位置，其質(zhì)心高度隨時間的變化規(guī)律能夠反映出舉升過程平穩(wěn)性能的好壞，傳送架質(zhì)心高度變化曲線，如圖4所示。

圖4 傳送架質(zhì)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(dāng)傳送架處于最低位置時，其質(zhì)心高度約為600mm，當(dāng)傳送架處于最高位置時，其質(zhì)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(wěn)性方面滿足設(shè)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(wěn)定，此時推力最小，約為2kN。

3.3 舉升機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析

為了對比改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，分別對其提供驅(qū)動力的液壓缸施加以正弦規(guī)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(jìn)行運(yùn)動仿真，得到兩種舉升機(jī)構(gòu)的傳送架最前端沿靠近飛機(jī)方向的位移變化曲線，S2曲線表示改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的位移變化曲線，S3曲線表示傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)的位移變化曲線。由圖6可知，兩種舉升機(jī)構(gòu)傳送架最前端沿靠近飛機(jī)方向的位移均以正弦規(guī)律變化，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的位移振幅約為4mm，頻率為0.5Hz，傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)的位移振幅約為50mm，頻率為0.5Hz。改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的位移振幅減小了92%，故改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的抗干擾能力得到了很大的提高。

圖6 舉升機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)仿真分析

為了保證行李傳送車的安全運(yùn)行，需對其結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度進(jìn)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(chǎn)生的振動形成共振，對其進(jìn)行模態(tài)分析，求解其固有頻率。

4.1 有限元模型的建立

將Creo模型經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入ANSYS，并對各部件進(jìn)行材料屬性的設(shè)定，然后劃分網(wǎng)格，再對舉升機(jī)構(gòu)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(shù)表Tab.2 The Parameter Table of the Vehicle Load

為了方便計算，需要對舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕海?）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(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕騽h除，但前提是不能影響仿真結(jié)果；（3）由于舉升機(jī)構(gòu)的各部件比較規(guī)則，可以將其當(dāng)作剛體進(jìn)行處理。

舉升機(jī)構(gòu)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(shù)取n=1.34。

4.2 剛強(qiáng)度分析

通過以上對舉升過程的仿真分析可知，驅(qū)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(jī)構(gòu)分別進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，得到的分析結(jié)果，如圖7所示。對于改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)，最大變形為3.19mm，發(fā)生在平放液壓缸活塞桿和前舉升架上，最大應(yīng)力為152MPa，其值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限345MPa，安全系數(shù)為2.27。對于傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)，最大變形為4.16mm，發(fā)生在傳送架最前端，最大應(yīng)力為179MPa，其值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限345MPa，安全系數(shù)為1.93。通過對比發(fā)現(xiàn)，在最危險工況下，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的最大變形和最大位移均小于傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)，故改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好。

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

4.3 模態(tài)分析

行李傳送車在機(jī)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(chǎn)生的振動發(fā)生共振。通過對行李傳送車進(jìn)行模態(tài)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(jié)構(gòu)的動態(tài)有較大的影響[5]，因此，分別針對兩種舉升機(jī)構(gòu)選取前6節(jié)模態(tài)進(jìn)行分析，得到改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)前6節(jié)模態(tài)的固有頻率值以及對應(yīng)的最大位移值，如表3所示。

表3 舉升機(jī)構(gòu)有限元模態(tài)分析值Tab.3 The Lifting Mechanism FEM Analysis Value

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，前6節(jié)模態(tài)分析中，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的固有頻率的最小值為9.217Hz，最大值為19.541Hz。傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)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(jù)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(jī)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(jī)場飛行區(qū)內(nèi)車輛限速為25km/h，故取最高車速為v=25km/h，機(jī)場內(nèi)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(jié)果可看出，兩種舉升機(jī)構(gòu)的固有頻率均不在由路面造成的激勵頻率范圍內(nèi)，因此，行李傳送車在行駛過程中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，從而避免了對車輛自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損壞。通過對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的固有頻率更大，且產(chǎn)生的變形位移更小，性能更好。

5 結(jié)論

（1）對傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，根據(jù)機(jī)場行李傳送車的工作需求，確定舉升機(jī)構(gòu)各部件的參數(shù)，并基于Creo建立兩種舉升機(jī)構(gòu)的三維模型。（2）運(yùn)用ADAMS對舉升機(jī)構(gòu)的舉升過程和抗干擾能力進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的舉升過程平緩，具有良好的舉升性能，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)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(yùn)用ANSYS分別對兩種舉升機(jī)構(gòu)的剛強(qiáng)度進(jìn)行了校核，改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)。（4）基于ANSYS分別對兩種舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，車輛在行駛過程中不會產(chǎn)生共振，避免了對車輛自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞，且改進(jìn)后的舉升機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的舉升機(jī)構(gòu)。