孫 杰，孔繁霽，劉本剛,2

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

隨著軍用航空裝備功能和性能的跨越發(fā)展，對(duì)地面保障設(shè)備提出了更高、更多的要求。然而，由于目前軍用飛機(jī)地面保障設(shè)備相對(duì)于航空裝備發(fā)展滯后，產(chǎn)品研制缺乏創(chuàng)新，導(dǎo)致地面保障設(shè)備通用性差、品種越來(lái)越多[1]，無(wú)法適應(yīng)新一代軍用航空裝備快速更新和改型的發(fā)展需要。針對(duì)上述問(wèn)題，軍用飛機(jī)地面保障設(shè)備通用化、系列化發(fā)展將是解決該問(wèn)題的有效途徑[2]。

本文以某型飛機(jī)1.5 m工作梯研制為例，根據(jù)軍方綜合保障設(shè)備通用化、小型化、系列化工作的要求[3]，在基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了工作梯主體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度校核分析。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了可靠性試驗(yàn)和外場(chǎng)綜合評(píng)定，結(jié)果表明該工作梯功能和結(jié)構(gòu)耐沖擊等性能均滿(mǎn)足軍方要求。

1 軍用飛機(jī)工作梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本文研制的1.5 m工作梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，采用人字梯架結(jié)構(gòu)，主體材料為鋁合金，由梯架、梯蹬支撐臂、連桿、外伸觸點(diǎn)和輪子組成。梯架實(shí)現(xiàn)上下工作梯的功能，踏板式梯蹬采用鋁合金鈑金結(jié)構(gòu)，帶有凸邊孔起防滑作用，安裝有平梯腳，使工作梯與地面接觸良好，穩(wěn)定可靠。支撐臂使工作梯展開(kāi)后具有足夠的穩(wěn)定性和抗傾翻能力，也安裝有平梯腳，使工作梯與地面接觸良好，穩(wěn)定可靠。連桿用于梯架和支撐臂間的連接，形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，固定工作角可避免工作梯擺動(dòng)。工作平臺(tái)一側(cè)安裝有帶彈簧和橡膠墊的外伸觸點(diǎn)，當(dāng)工作梯意外與飛機(jī)接觸時(shí)，能夠避免造成機(jī)體表面的劃傷和隱身材料的損壞。輪子能夠方便工作梯在折疊狀態(tài)或工作狀態(tài)的短程移動(dòng)。

1-梯蹬1；2-梯蹬2；3-梯蹬3；4-梯蹬4；5-工作平臺(tái)；6-外伸觸點(diǎn)；7-支撐臂；8-連桿；9-梯架

1.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合同類(lèi)產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)初步計(jì)算、校核，本文研制的1.5 m工作梯的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

工作狀態(tài)外廓尺寸(mm)：1 398×1 115×1 690；

折疊狀態(tài)外廓尺寸(mm)： 1 880×1 115×400；

工作平臺(tái)高度(mm)： 1 500；

工作平臺(tái)尺寸(mm)： 600×300；

梯蹬尺寸(mm)： 140×600；

負(fù)載能力(kg)： 200；

自重(kg)： 14.3。

1.3 穩(wěn)定措施

為保障1.5 m工作梯工作(展開(kāi))時(shí)的穩(wěn)定性，主體結(jié)構(gòu)采用梯架、支撐臂和連桿構(gòu)成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)形式，并固定工作角，避免工作梯擺動(dòng)，確保工作梯穩(wěn)定可靠，并具有足夠的抗傾翻能力。同時(shí)，為保障工作梯與地面接觸良好，不發(fā)生打滑現(xiàn)象，梯架和支撐臂下部安裝有平梯腳(航空標(biāo)準(zhǔn)件，17HB1856—2000)。

1.4 外伸觸點(diǎn)

為避免工作梯意外與飛機(jī)接觸時(shí)造成機(jī)體表面的劃傷，1.5 m工作梯在工作平臺(tái)前端安裝有帶彈簧和橡膠墊的外伸觸點(diǎn)?，F(xiàn)有產(chǎn)品外場(chǎng)使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)外伸觸點(diǎn)的安裝接口處長(zhǎng)圓孔易進(jìn)沙塵，而使得外伸觸點(diǎn)工作時(shí)發(fā)生卡滯，磨損嚴(yán)重?，F(xiàn)經(jīng)改進(jìn)，將長(zhǎng)圓孔設(shè)計(jì)在外伸觸點(diǎn)上，外場(chǎng)試驗(yàn)表明可以起到防沙塵作用。

1.5 折疊設(shè)計(jì)

1.5 m工作梯具有整體折疊的功能，通過(guò)連桿上設(shè)計(jì)的折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。折疊機(jī)構(gòu)由一組雙孔耳片組成，下孔連接螺栓形成鉸接，上孔連接止動(dòng)銷(xiāo)用于固定，折疊時(shí)打開(kāi)連桿的止動(dòng)連接，向上收起連桿，支撐臂自然向梯架靠攏，完全收起后，用止動(dòng)銷(xiāo)將連桿固定在鎖緊耳片上，達(dá)到折疊狀態(tài)。反之，可以將工作梯展開(kāi)至工作狀態(tài)。折疊過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需使用工具。

1.5.1 工作梯的展開(kāi)

1.5 m工作梯處于折疊狀態(tài)時(shí)，通過(guò)如下方法將工作梯展開(kāi)：①取出工作梯，拆掉防護(hù)包裝和系縛繩帶；②將鎖緊耳片處的快速止動(dòng)銷(xiāo)拔下，按圖2(a)所示沿箭頭方向打開(kāi)工作梯至圖2(b)所示狀態(tài)，將快速止動(dòng)銷(xiāo)插好即可。

圖2 1.5 m工作梯展開(kāi)示意圖

1.5.2 工作梯的折疊

長(zhǎng)時(shí)間不使用工作梯或遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，為節(jié)約貯存和運(yùn)輸空間將工作梯按如下方法折疊：①將連桿處的快速止動(dòng)銷(xiāo)拔下，按圖3(a)所示沿箭頭方向折疊工作梯至圖3(b)所示狀態(tài)，將快速止動(dòng)銷(xiāo)插到鎖緊耳片處即可；②如果運(yùn)輸或貯存有特別要求，可為工作梯做防護(hù)包裝。

圖3 1.5 m工作梯折疊示意圖

1.6 工作梯的使用和移動(dòng)

使用工作梯進(jìn)行維護(hù)工作時(shí)，按以下步驟進(jìn)行：

(1)工作梯處于工作狀態(tài)下移動(dòng)時(shí)，抬起工作梯梯架一側(cè)(如圖4(a)所示)，移動(dòng)工作梯至適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

(2)折疊狀態(tài)下工作梯也可實(shí)現(xiàn)短距離移動(dòng)，抬起工作梯梯架一側(cè)(如圖4(b)所示)，移動(dòng)工作梯至適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

圖4 1.5 m工作梯移動(dòng)示意圖

(3)到達(dá)所需位置時(shí)將梯架一側(cè)放下，使梯腳與地面良好接觸，檢查工作梯處于穩(wěn)定狀態(tài)，止動(dòng)銷(xiāo)連接良好，可以上下工作梯進(jìn)行維護(hù)工作。

2 有限元分析

在1.5 m工作梯設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用有限元分析方法對(duì)其零部件及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)設(shè)計(jì)的薄弱部位改進(jìn)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性。

2.1 整體結(jié)構(gòu)分析

采用MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)工作梯主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行有限元建模分析。

要求1.5 m工作梯在工作狀態(tài)下承受1個(gè)人以及操作工具(共200 kg)載荷，將安全系數(shù)設(shè)定為3。工作梯所使用材料為鋁合金LF6,其抗拉強(qiáng)度σb為314 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2為147 MPa。1.5 m工作梯有6種加載工況：工況1為在梯蹬1加載200 kg；工況2為在梯蹬2加載200 kg；工況3為在梯蹬3加載200 kg；工況4為在梯蹬4加載200 kg；工況5為在工作平臺(tái)前部加載200 kg；工況6為在工作平臺(tái)后部加載200 kg。

1.5 m工作梯結(jié)構(gòu)在有限元中簡(jiǎn)化為板桿結(jié)構(gòu)，部分連接部位設(shè)置為鉸接，建模過(guò)程省略了最上層的扶手結(jié)構(gòu)。在MSC.Patran中建立的有限元模型如圖5所示。

圖5 1.5 m工作梯有限元模型

提交MSC.Nastran進(jìn)行計(jì)算，讀入結(jié)果到MSC.Patran中進(jìn)行后處理。其中載荷為6 000 N，6種工況下的最大應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 6種工況加載條件下的最大應(yīng)力 MPa

2.2 壓桿穩(wěn)定性校核

支撐臂在各種工況下均受壓，連桿在部分工況下受壓，但連桿承受壓力極小，不存在壓桿失穩(wěn)情況，因此只考慮支撐臂即可。參考飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9冊(cè)進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核[3]，6種工況下支撐臂桿件受到的壓力如表2所示。

表2 6種工況下支撐臂桿件受到的壓力 N

工作梯支撐臂桿件有效長(zhǎng)度L=942 mm、桿件端部支持系數(shù)C=1、桿件外半徑R1=14 mm，桿件內(nèi)半徑R2=12.5 mm，材料的彈性模量E=70 000 MPa，壓桿截面慣性矩I=10 997.096 m4，計(jì)算得臨界載荷Fcr=8 561.976 N。

支撐臂桿件的最大載荷為2 126 N，小于臨界載荷Fcr=8 561.976 N，故滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

2.3 連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

工作梯的主要連接形式為耳片連接，耳片受壓的情況下僅考慮開(kāi)孔的擠壓強(qiáng)度即可，耳片受拉情況下按飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9冊(cè)方法校核其抗拉強(qiáng)度。

支撐臂桿件受力較大，校核支撐臂與梯架主體處的連接耳片。連桿在各種工況下受力都比較小，若支撐臂與梯架主體處的連接耳片強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，則連桿兩端的接頭耳片強(qiáng)度滿(mǎn)足。

接頭處受到的最大壓力為2 126 N，結(jié)合耳片尺寸計(jì)算得到最大擠壓強(qiáng)度為32.41 MPa，耳片孔的擠壓強(qiáng)度小于使用材料的擠壓強(qiáng)度極限，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.4 分析結(jié)果

通過(guò)強(qiáng)度分析，所有結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，表明工作梯結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)外場(chǎng)綜合評(píng)定表明，本文設(shè)計(jì)的1.5 m工作梯性能優(yōu)良，性?xún)r(jià)比高，完全符合軍方招標(biāo)技術(shù)要求，而且有效地改進(jìn)并提升了空軍地面保障設(shè)備的功能與性能水平。