解本銘，曹靜麗

（中國民航大學(xué) 航空自動化學(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)模急劇擴大，航班數(shù)量以及飛機種類急劇增加；在飛機降落過程中，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輪胎磨損較快；再者飛機輪胎體積較大，質(zhì)量較大，單獨依靠維護(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，工人很難將其拆卸，但采用輪胎分解機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輪胎分解設(shè)備。

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

1 飛機輪胎分解機工作原理

飛機輪胎分解機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要組成部分為電機、諧波齒輪減速器、聯(lián)軸器、機架、擠壓臂、夾緊臂、導(dǎo)軌等。輪胎分解機對輪胎進(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8驅(qū)動夾緊臂6 夾緊輪胎，然后在電機10 的驅(qū)動下橫向快速進(jìn)給；當(dāng)傳感器檢測到輪胎達(dá)到指定位置時，電機7 驅(qū)使輪胎轉(zhuǎn)動，同時電機10 繼續(xù)驅(qū)動夾緊臂橫向微進(jìn)給，電機1 提供動力源，由內(nèi)部機械傳動機構(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)；同時電動葫蘆可以在橫向?qū)к壣弦苿?，因此該其中裝置可以把輪胎運動到指定位置。

圖1 飛機輪胎分解機結(jié)構(gòu)模型

2 飛機輪胎分解機有限元分析

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 命令合并兩個相交或不相交的實體，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立的部件聯(lián)系起來，使其成為具有特定運動形式的整體。

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時刻的函數(shù)值（i=0,1,2,3…）。

而后在Adams 中完成運動學(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 飛機輪胎分解機關(guān)鍵部件的有限元模型

在SolidWorks 中完成輪胎分解機三維整機模型，裝配體中有很多安裝孔、螺釘孔等，這些特征對有限元分析結(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)致有限元分析時網(wǎng)格劃分困難。所以根據(jù)實際情況簡化模型，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、簡化機械傳動關(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)各零部件均為實體，因此用三維實體描述其結(jié)構(gòu)，更能反應(yīng)其真實情況；并采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分的方法對關(guān)鍵部件的各個零件進(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)備運行過程中承受著絕大部分的載荷，因此需要對這個部件的各個零部件進(jìn)行靜力分析，驗證其結(jié)構(gòu)是否滿足強度和剛度條件。該關(guān)鍵部件的特性指標(biāo)對于整個結(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)鍵部件在整機結(jié)構(gòu)中的裝配情況確定其邊界條件：兩個導(dǎo)軌的兩端固定在機架上，兩個擠壓臂各有一個橫向移動自由度。在擠壓頭的Z 軸方向添加作用力15736.9N，給整個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)于一個懸臂梁，在懸臂端施加一個集中力，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，因為在擠壓臂連接處應(yīng)力取得最大值?？梢夾NSYS 計算結(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，兩者絕對不能接觸碰撞，因此，分解機必須有精確的進(jìn)給精度。

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

其中：[M]—質(zhì)量矩陣；[K]—剛度系數(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)而在輪胎分解機設(shè)計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，擠壓臂有一個橫向的自由度，其余自由度為零。經(jīng)ANSYS 分析計算得到模型的前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；第二、三階振型均為兩擠壓臂上下擺動，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（相向擺動）且兩擠壓臂擺幅相同；第五階振型——整個擠壓結(jié)構(gòu)左右擺動；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，這是因為擠壓臂的橫縱向尺寸比較大、剛度相對較小；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結(jié)構(gòu)的彎或扭轉(zhuǎn)振動。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，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)具有較好的動力學(xué)性能。

3 結(jié)論

國內(nèi)市場現(xiàn)有飛機輪胎分解機多為德國KUNZ 制造，鮮有中國獨有設(shè)計的。借鑒現(xiàn)有輪胎分解機結(jié)構(gòu)，自主研發(fā)了一種新型分解機。本文借助Adams、ANSYS軟件，研究關(guān)鍵部件在最大負(fù)荷作用下的特性對于整個結(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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