某型挂装车设计与关键部件仿真分析

齐向阳 李志伟 陈文科 刘清林 罗 俊

1中国农业机械化科学研究院 北京 100083 2中国农业大学 北京 100085

0 引言

武器挂装是战机起飞前机务准备工作中的重要一环，对战机作战效率有重要影响[1]。飞机上挂接的物体质量在200 kg以下的可以通过人力操作（见图1），200 kg～3 000 kg的物体依靠人力挂接费力且不安全，需要借助绞盘式挂装车（见图2）、臂式挂装车（见图3）等小型挂装设备。3 000 kg以上需借助整车升降完成挂装任务。用于大型物体提升、平移、翻转并准确挂入挂装位置的需求催生了整车升降挂装车（见图4）的研发[2-5]。

图1 人力挂装

图2 绞盘式挂装车

图3 臂式挂装车

图4 整车升降挂装车

某型挂装车用于运输、挂装体积与质量大的物体，车辆可实现横移、纵移、升降、滚转、俯仰、旋转6个动作。通过稳定控制液压元件的流量实现运动平稳。机械结构强度也是影响挂装车使用的重要因素，对挂装车关键部件的静应力进行分析，为解决设计过程中的强度不足提供准确的设计参考[6]。

1 基本理论

线性静力结构分析用于分析结构在给定静力载荷作用下响应。由经典力学理论可知物体动力学通用方程为[7]

式中，[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度系数矩阵；{x}为位移矢量；{F（t）}是力矢量。

在进行线性静力结构分析时，与时间相关的量都将被忽略，于是从上式得到以下方程：

式中：{F}为静力载荷，不考虑随时间变化的载荷，也不考虑惯性影响。

2 总体方案

2.1 系统组成

如图5、图6所示，挂装车主要由车架、行走系统、动力系统、挂装托升机构、液压系统和电气系统等组成。总体布局为驾驶室前置、发动机位于驾驶室的右侧，纵向放置，挂装托升机构位于前、后两轴之间。

图5 挂装车外形图

图6 挂装车三维模型

2.2 行走系统

如图7所示，行走系统包括转向驱动桥、减震钢板弹簧、前后轮胎、前后液压驱动马达等。行走驱动系统为闭式系统，由变量液压泵、变量液压马达、冲洗阀、自由轮阀等构成。液压泵上集成有补油泵、补油阀、安全阀等元件和变量控制装置。液压马达包括前轮马达和后轮马达，通过前轮驱动和四轮驱动的切换实现高、低档位的转换：低档采用四轮驱动，为负载及作业行驶模式，行驶平稳、牵引力大；高档采用两轮驱动，为空载行驶模式，行驶速度快。通过改变泵的排量实现空载、负载两种行驶模式下速度的无级调节。

图7 行走系统传动路线图

挂装车行走分为高、低两档，低档时四轮驱动，高档时前轮驱动，通过档位开关切换。空载时采用高档，负载及作业时采用低档。

2.3 挂装托升机构

如图8所示，挂装托升机构由上托架、回转支承和横移小车3部分组成。具有6个自由度（横移、纵移、升降、滚转、俯仰、旋转）调节功能，靠10个液压缸（4个整车升降液压缸、3个样机举升液压缸、1个航向角液压缸、1个纵移液压缸和1个横移液压缸）完成。

图8 挂装托升机构

上托架主要部件由上架体、前后托架、前后纵移小车、纵移液压缸和定位机构等组成。前托架安装在前纵移小车上，后托架安装在后纵移小车上，前后托架用2根连杆连接起来，通过滚轮在上架体的滑道中的滚动，用纵移液压缸实现举托物体纵向位移。

图9 上托架

挂装微调系统由液压泵、电液比例流量敏感多路阀、电磁换向阀、双作用液压锁以及3个举升液压缸、1个纵移液压缸和1个横移液压缸等组成。液压泵与整车升降系统共用。电液比例流量敏感多路阀可采用手动控制或电比例远程线控，能够控制液压执行元件的运动方向和运动速度，控制柔和、平稳。电磁换向阀用来选择工作通路，控制各个液压缸的运动方向。举升液压缸用于升降、滚转和俯仰动作，双作用液压锁可确保举升液压缸停留在任意位置。纵移液压缸用于前后滑动小车的纵向移动，横移液压缸用于整个挂装托升装置的横向移动。通过以上6个自由度的调节，可顺利完成挂装作业。

2.4 整车升降系统

整车升降系统由液压泵、电液比例流量敏感多路阀、双作用液压锁及整车升降液压缸组成。升降液压缸选用多级液压缸以减小液压缸尺寸及车身高度。电液比例流量敏感多路阀采用手动控制或电比例远程线控，能够控制液压执行元件的运动方向和运动速度，控制柔和，平稳。同时，电液比例流量敏感多路阀可以稳定控制通过液压缸两个方向的流量，保证挂装车升降过程同步运动。双作用液压锁可确保整车升降过程中能够停留在任意位置。

2.5 车架

如图10所示，车架主体采用矩形钢管焊接而成。车架前部安装发动机、液压系统部件、电气系统部件与动力系统附件等；车架中间部分安装挂装托升机构；转向驱动桥带有减震钢板弹簧，支撑在前拱梁上；2个后轮驱动液压马达与后拱梁刚性连接。前后拱梁的后端设有4个液压缸支座，为25 mm厚的钢板结构。车架左右纵梁与拱梁焊接而成。

图10 车架模型

车架整体较长，承受8 000 kg的载荷，需对其进行强度校核。其受力状态有2种工况，一种是前后轮承载工况，另一种是4个车身升降液压缸举升使前后轮离地时的工况，需对这2种工况分别进行强度校核。

车架选用Q355钢，弹性模量为E＝206 GPa，密度ρ＝7 850 kg/m3，泊松比ε＝0.3，许用应力为177.5 GPa。将SolidWorks设计的车架模型导入到Ansys Workbench中，采用四面体单元的划分方式，对整体采取分区划分网格的方式。为了生成高质量网格，对构件中的车架集中受力部分进行细化处理，控制单元网格最大尺寸为10 mm。前后轮承载时架整体网格划分共得到1 237 533个单元、732 370个节点；液压缸支撑时车架整体网格划分共得到2 093 712个单元、1 257 693个节点。网格单元质量较好，能较精确地进行计算。

2.2.1 静力学结果分析

设计额定载重为8 t，均分在车架中部横梁上。在对车架进行力学分析时，车架横梁上施加80 000 N载荷，求解可得车架静力学等效应力分布图、位移分布图。

图11、图12分别为轮胎支撑和液压缸支撑时的等效应力分布图。由图可知，排除各连接梁因连接或尺寸造成的应力集中情况，轮胎支撑时最大应力值位于前梁与横梁的交接处，最大值为90.952 MPa，小于许用应力，满足设计要求；液压缸支撑时最大应力值位于车架中间承重处，最大值为112.52 MPa，小于许用应力，满足设计要求。

图11 轮胎支撑时应力云图

图12 液压缸支撑时应力云图

如图13、图14所示，在车架承载时变形量均为中间较大、向四周依次递减，此部位需后期进行结构优化。

图13 轮胎支撑时等效变形图

图14 液压缸支撑时等效变形图

将等效应力图与等效变形图进行对比分析，得到以下2点结果：1）对照等效应力分析结果整个车架的最大应力值位于液压缸安装与梁交接处及车架中间承重处，除考虑有应力集中现象发生外，还说明此处的结构强度比较薄弱，在后期对结构进行优化时，需对此处进行重点考虑。2）对照分析结果最大变形值位于整个车架的中心处，对结构优化时需要增加连接梁以减少其变形量。

3 结论

本文以某型号的挂装车为研究对象，介绍了整车升降挂装车关键系统；运用Solidworks建立三维模型，应用CAE有限元分析软件Ansys Workbench对车架模型的两种工况进行静力学分析，模拟整体架构在承受载荷时的受力状况，能准确直观地得到车架上应力、应变的分布规律。结果显示，所选用材料均满足设计要求，并对车架提出了改进优化方案。车身整体可升降挂装车样机完成试制后，对其进行了全面的试验和检测。测试结果表明，各项技术指标均符合设计要求。该车制动性能良好、转向灵活轻便、调速方便、微动性能优异；其人员操作简单、对接飞机方便、作业安全可靠。事实证明车身整体可升降挂装车设计是合理、适用的。