2020年8月
Aug. ,2020第36卷第4期Vol. 36, No. 4滨州学院学报Journal  of  Binzhou  University
【航空科学与工程研究】
飞机牵引车举升机构的结构设计与分析
王中长
(滨州学院机电工程学院，山东滨州256603)
摘要：飞机牵引车是一种用来牵引或顶推飞机移动的专用车辆，其与飞机直接相连的举升 机构是完成夹持飞机的机轮并抬离地面的主要工作装置，对飞机牵引车的牵引性能具有很大的 影响。根据机场车辆的需求，设计了一款新型飞机牵引车举升机构，应用SolidWorks 软件进行 三维建模，对举升机构的工作原理、可行性进行分析，设计举升机构的液压系统，用有限元分析软 件ANSYS 对举升机构进行静力学分析与研究，为飞机牵引车举升机构的设计提供理论依据。
关键词：飞机牵引车；举升机构；三维建模；有限元分析
中图分类号：U  463. 33 文献标识码：A  EOI ：10.13486/j. cnki. 1673 - 2618. 2020. 04. 004
随着我国民航工业的发展，机场对专用车辆的需求越来越大，飞机牵引车、摆渡车、食品车、清扫车、客 梯车等专用车辆的设计研发受到越来越多研发人员的关注。飞机牵引车是一种用来牵引或顶推飞机移动 的专用车辆，在地面机务保障方面发挥了重要的作用m 。美国、德国、法国等发达国家对飞机牵引车的研 究较早，技术比较先进，我国在20世纪以后才开始由进口改为自主研发，但很多关键的零部件技术仍需要 从国外进口，随着我国许多新的机场专用车辆企业的兴起，飞机牵引车的创新设计技术水平也有了较大的 提升図。北京金轮坤天、威海广泰、中国重汽集团青岛重工有限公司都对飞机牵引车进行了创新研制，研 发出很多可以适应不同吨位的民航客机或舰载机的飞机牵引车型间。
本文根据民用客机飞机牵引车的要求，提出一种新型飞机牵引车举升机构设计方案，运用三维实体绘 图软件SolidWorks 对举升机构进行三维建模，添加相应的约束限制举升机构的自由度，对举升机构进行 运动学分析，利用ANSYS 有限元软件对机构进行静力学分析，通过仿真分析到设计的不足进行优化改 进，最终满足牵引飞机的要求。
1飞机牵引车举升机构的结构设计
飞机牵引车对举升机构系统的设计要求非常高，比如举升机构必须与前轮胎表面接触、抬升装置必须 在机轮夹持举升后锁定、前轮有备用应急释放系统等⑷o 根据要求对举升机构工作流程进行设计，首先飞 机前轮驶入承载斗，然后前挡板液压缸驱动前挡板闭合，同时后挡板液压缸驱动后挡板贴紧机轮，这样
举 升机构就完成了夹持动作。然后举升液压缸向上抬起整个举升机构，完成飞机前轮的夹持和举升动作。
1.1举升机构承载底座部分结构设计
举升机构由前置回转机构、后置挡板机构、底盘支座、前置回转机构液压缸、后置挡板机构液压缸、左收稿日期：2020 -06 -16
基金项目：滨州学院科研基金项目(BZXYLG19O9)
作者简介：王中长(1985-)，男，山东滨州人，讲师，硕士，主要从事汽车轻量化设计与应用研究。
E-mail ： wangzhongchang2006@ 126・ com
滨州学院学报第36卷
右举升系统液压缸构成。根据夹持举升机构系统要求，承载底座选择45号钢，以满足在夹持举升过程中，承载底座足以承载飞机的部分重量。45号钢为优质碳素结构用钢，易于加工且调制处理后具有优质的综合性能，硬度、塑性、弹性都符合承载底座要求，既不会因为硬度不够导致耐用性不足，也不会因为塑形以及弹性不足对飞机起落架造成伤害。承载斗设计成平滑的弧形，以防止在牵引过程中对飞机前轮及起落架造成严重损伤页0
1.2举升机构夹持举升部分结构设计
飞机牵引车举升机构的夹持部分由承载斗、前挡板、前挡板
液压系统、后挡板、后挡板液压系统组成。当飞机前轮进入承载
斗，前挡板液压系统控制前挡板闭合，将飞机前轮固定在承载斗
内。前挡板闭合完成后，后挡板液压系统控制后挡板贴紧飞机前
轮，达到固定前轮目的。由于夹持举升机构是完全对称结构，并
且运动过程互不影响，对前回转臂的自由度进行计算时可分开分
析⑷。建立一侧机构简图，如图1所示。
基于空间自由度计算的一般公式：
图1前回转臂机构简图
5
F=（6一m）n一£（z一m）触。
i=m+l
（1）
由于平面机构只能在平面内运动，各构件都受3个相同的公共约束。前回转臂构件可以看成平面机构，则式(1)即变为
Fi=3”一(2勿+/>»)。(2) F为机构的自由度数，”为机构的构件数，勿为低副，加为高副。将前回转臂的参数代入式(2)，得
F=3X3—(2X4+0)=l。(3)由图1及式(3)得知前回转臂有一个自由度并且仅有一个驱动，所以前回转臂有确定的运动。前挡板结构示意图如图2所示。夹持部分采用挡板夹持，这样可以有效避免夹持过程中以及牵引行走过程中造成飞机前轮轮毂损伤。前挡板材料选择45号钢，工作过程中由液压杆连接液压杆连接孔，驱动前挡板主体围绕键销旋转，从而使前挡板完成在闭合与张开之间的转换。液压杆连接孔处建立键销凹槽，使键销帽得到隐藏，在工作过程中避免产生不必要的影响。
1.3举升机构整体结构设计
为了满足飞机牵引车完成牵引飞机的工作，需要对举升机构的整体结构进行设计，承载底座需要承载夹持飞机前轮的前回转挡板，以及控制前回转挡板回转锁住飞机前轮的液压缸。飞机前轮进入承载底座并且被前回转挡板锁住以后，还需要在飞机前轮正上方通过后压板对前轮施加束缚，以防止在牵引行走过程中飞机前轮脱出。当飞机前轮被夹持完成后，通过液压系统对整个夹持举升机构拉起升高。根据承载底座的工作需求，举升机构整体结构如图3所示。
滨州汽车
支撑轴承载啟
举升液压缸
-------前挡板主体液压杆连接孔
€•后挡板W前挡板
旋转键销孔
前挡板液压缸后挡板液压缸
图2前挡板
1.4举升机构的工作原理
图3举升机构整体结构图飞机牵引车的举升机构系统主要由底座、压紧和锁紧机构、液压系统、支撑受力轴、举升臂等构件组
第4期王中长飞机牵引车举升机构的结构设计与分析
成。由图3可以看出，工作时前、后挡板液压缸同时收缩，张开前挡板与后挡板机构，使飞机的前轮进入承载斗装置；然后前挡板液压缸伸张驱动前挡板闭合锁紧飞机前轮，后挡板液压缸伸张驱动后挡板闭合压紧飞机前轮，完成飞机前轮的夹持动作。
2举升机构液压缸的设计与分析
2.1液压缸的选择
考虑到飞机牵引车举升机构的工作压力要求，针对液压机、重压机械轧机压下、起重运输机械类工作压力一般在20〜32MPa，设计此举升机构采用双耳式液压缸。
2.2液压缸材料选择
通过对国内外飞机牵引车举升机构的研究与分析，对举升机构的液压缸缸体及缸盖采用45号钢，对活塞采用40Cr，活塞杆采用45号钢。
2.3液压缸连接方式的选择
液压缸常见连接方式有法兰式连接、半环式连接、螺纹式连接、焊接式连接、拉杆式连接等。每一种连接方式都有各自的优缺点，通过对以上几种液压缸连接方式的分析，结合飞机牵引车举升机构的要求，此液压缸采用法兰式连接方式。
2.4液压缸的设计
为了满足各种情形的不同用途，液压缸有多种类型。按供油方向可以分为单作用液压缸和双作用液压缸。单作用液压缸仅往缸的一侧输入高压油。双作用液压缸则分别向缸的两侧输入高压油，活塞的正反方向运动皆靠液压完成。根据举升机构的工作要求设计双作用液压缸，如图4所示。
肛头缸盖希塞杆杆头
缸底缸体活塞
图4液压缸结构
2.5液压缸的受力与仿真分析
2.5.1液压缸的受力分析
(1)建立液压缸缸体横截面简图如图5所示。图中n为液压缸缸体
内壁半径也为液压缸缸体外壁半径，厂为液压缸缸壁任意一处半径且
ri<r<r2…
(2)液压缸所受压力的计算。这里液压缸的压力是指作用在活塞上的
负载力F与活塞的有效面积A的比值：
P=F/A0(4)
一般民用飞机牵引车所牵引客机的质量在40t左右，根据力学公式
计算出飞机受到的重力为392kN。而牵引车在牵引过程中并不承担飞机
总重力，液压缸活塞有效工作面积为0.0314m2，把各项参数代入式(4)得出P=12.48MPa。
(3)液压缸流量的计算。这里液压缸流量是指液压缸体积V与液体充满液压缸体时间/的比值:
滨州学院学报第36卷由于V=◊•A•'，则Q=vA=^••°。对于单活塞杆式液压缸，当活塞杆前进时
q=必峠叽（牛）；
活塞杆后退时
q=必卡（Dr》（牛儿
式中:D为液压缸内径,m；d为活塞杆直径,m；°为活塞杆运动速度,m/s。设计时计算液压缸流量关键是要选择合适尺寸的液压缸内径、活塞杆直径。
2.5.2液压缸的仿真分析
通过前文对液压缸压力的计算，运用SolidWorks软件的simulation模块对液压缸进行仿真分析，根据需求选择45号钢，对液压缸均不施加约束，并且确定受力面为液压缸内
壁，合理划分有限元网格如图6所示。通过有限元仿真计算，得出应力、位
移和应变结果如图7所示。
通过对结果的分析，可知液压缸内壁边缘部分受到的压力比其他部分
受到的压力要大，受到的最大压力为9MPa，证明液压缸内壁边缘处是整个液压
缸的刚度薄弱处。根据图7（b）的位移结果得出最大位移量为2.11X10-3mm,
又根据图7（c）所示的应变结果得出最大应变为3.713X10-5。在实际的工
作过程中，液压缸缸口为活塞和液压杆，并且举升机构并不承担飞机的所有
重力，飞机的部分重力是由几个液压缸共同承担，前挡板液压缸伸张使前挡图6网格划分
板闭合，后挡板液压缸伸张使后挡板贴紧飞机前轮。
（a）应力分析结果（b）位移结果（c）应变结果
图7有限元仿真计算结果
为了使液压缸受力尽可能维持在可承受的范围内，前后挡板均采用左右两端各一个液压缸，根据分析结果确定此方案可行。
3举升机构的静力学分析
3.1构建有限元模型
将在SolidWorks软件中绘制的举升机构模型通过中间文件格式导入到有限元软件ANSYS Work­bench中，在软件环境中根据实际使用要求设置举升机构的材料属性，选择材料为16Mn合金钢，弹性模量2.1X105MPa，密度7.85g/cm3，屈服强度1.86X105MPa，剪切强度&1X10：MPa。划分网格过程中，合理地调整网格的疏密程度，采用四面体单元划分网格，并保证网格划分均匀曲」，结果共划分单元134162个、节点222973个，最终举升机构的网格划分如图8所示。
3.2静力学分析
夹持举升机构有限元模型建立后，可以利用ANSYS Workbench完成静力学分析。一般情况下，无
第4期王中长飞机牵引车举升机构的结构设计与分析杆飞机牵引车在机场路面运行，路面状况较好。针对举升机构夹持举升飞机轮胎的过程缓慢，可以利用静 力等效原则来近似模拟施加静力载荷，在软件中通过设置竖直重力加速度来定义机构自重⑺如，通过集中 力来定义模拟载荷，确保载荷可以通过承载斗传递到整个机构上。然后在承载斗的受力表面添加 30 000 N 的力垂直于受力面向里，施加载荷和约束如图9所示。
500.000.0 lOOO .OO(mm)
500.00
图8整体网格划分图9载荷和约束
3.3仿真计算结果分析
经过计算得到此工况下举升机构的总变形分布云图如图10所示，总应力分布云图如图11所示。根 据举升机构总变形云图和总应力云图可以看出，承载斗下边缘处变形最大，最大值为0.119 85 mm，此处刚 度是机构整体的刚度薄弱处。承载斗下边缘受到的最大应力为4. 3987 MPa，机构其他部分在运行过程中 受到较小的应力或不受应力。在工作过程中，牵引工作要尽量保持平稳、匀速，避免出现因速度骤然改变 导致对飞机前轮及起落架造成不必要的损伤。举升机构工作过程中，由于承载斗下边缘相对其他位置较 薄，在承受力的过程中会产生较大变形，可以尽量让飞机前轮的着力点在承载斗的中心部分，可以使整个 牵引过程更加安全可靠。
500.00
500.00图10总变形云图图11举升机构总应力云图
4结束语
本文通过对飞机牵引车的研究分析，设计了一种新型飞机牵引车举升机构。先利用SolidWorks 软件 进行三维建模，对举升机构关键部位前挡板夹持部分进行了自由度计算，验证其合理性。然后对飞机牵引 车举升机构的液压缸进行了合理的选择以及分析，包括受力分析以及仿真分析，由仿真知液压缸内壁边缘 受到的压力最大，最大值为9 MPa，小于液压缸内壁设计压力P=12. 48 MPa，且举升机构在工作过程中 不承担飞机总重量，并设有多个液压缸，此结构合理。最后通过ANSYS 软件对举升机构进行了静力学分 析，得出了该机构在静力作用下各方向的变形以及机构的应力分布，承载斗下边缘处变形最大，最大值达