航空发动机运输车设计思路概述

2017-08-10

中国设备工程 2017年15期

（上海中航商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）

航空发动机运输车设计思路概述

常诚，李旭

（上海中航商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）

本文以航空发动机的运输车作为设备设计的需求牵引，在常规运输车设计过程中需要注重的几何结构形状，强度、刚度、稳定性设计基础上，额外注意运输车支撑架的功能调节，底盘车轮、轴、接口、转向、减振以及工作中意外情况的预先考虑，力求在满足结构、力学分析的基础上，使用操作方便安全。

承载支架；运输车；设计

航空发动机运输车是发动机的地面承载和运输保障装置，具备较高的机动性和实用性。由于航空发动机的结构精密复杂且外形尺寸大，属于高技术含量的高精密装备，对运输车和运输的环境提出了非常高的要求，因此在运输车的设计过程中应以结构简单、工艺性和实用性为设计原则，从使用条件、使用场景、故障类型等多个方面去考量设计的安全性、合理性和先进性。

1 运输车基本情况介绍

美国GE公司和法国SNECMA公司共同开发的CFM56系列发动机，在国际航空发动机市场占有重要地位，该发动机几款典型型号具体发动机尺寸如表1。

表1

为满足承载上述发动机的需求，取长度2650mm、直径1800、重量2450作为目标需求。本文以该型号发动机作为设计样例，说明运输车的设计过程。

2 运输车设计总体描述

发动机运输车主要用于发动机在车间各个工位之间的运输，其自身的结构强度、稳定性以及其通用性和安全性对于运输车来说至关重要。

运输车的初始设计是一个几何尺寸设计的过程，可以按照运输车使用目的、支架的常规设计经验和已有的相似结构进行，完成初步设计。然后通过材料选择、力学分析，综合评估后完成最终设计。

本文将运输车的基本设计目标设定为无动力的四轮行走式航空发动机运输车，用于航空发动机在车间各个工位之间的运转工作，其自身结构由两大部分组成，一是承载支架，二是运输底盘。

2.1 承载支架

承载支架是一个发动机的支撑托架，根据发动机具体形式不同，进行个性化设计。取发动机的样机长度2650mm，直径1500mm。

根据三点确定一个平面的原则，在发动机和支撑架之间确定3个承力点，即可保证发动机的稳定支撑。而常规情况下，在发动机的支撑架中部设计第四个点，用来调节和加固作用。

（1）结构设计。为简化发动机计算，将发动机设定为圆柱形模型。以发动机圆柱模型的中轴线为对称轴，在其两侧对称布置4个支撑支撑，保证发动机的稳定状态。

支架一般包括前、后各两个支撑柱、撑架的底部与运输车底盘的接口以及支撑架的调节机构组成。承载支架应具备调节功能，考虑到航空发动机自身特点，基本为轴对称，1前面左右支撑柱需要具备对称升降功能，并且可以在预计范围内的任意位置锁紧固定。2两个前承力支柱的左右打开能力，对称打开，任意位置锁紧。后面的支撑点进行跟随调节即可。为满足安全，方便维护，调节系统采用机械齿轮滑轨结构进行。

（2）力学分析。一般对于支撑架在形状设计上根据发动机的形状和重心取靠近发动机重心的两个支撑作为主支撑，以发动机中轴线对称置于发动机两侧的方便位置，在远离发动机重心的两侧设置另外的3、4支点，在3、4支点中，其中的一个支点起到承力作用，另一个支点主要用来调节发动机在运输车上运输过程中的姿态调整。

在对于支撑架的力学计算中一般考虑如下几个方面。

①强度、刚度。为了防止运输车的支撑架钢梁在承受载荷后发生断裂或超过容许限度发生塑性变形，需要确认支撑钢梁的强度、刚度是否满足承载的需要，并且留有一定的裕度，作为后续工作可扩展性的基础。

②稳定性。上述两种要求按照常规的设计方法很容易满足，而相对重要的是对于支撑架支柱的稳定性设计和评估，即结构设计中的压杆稳定性。

临界压力的概念，压杆两端的压力逐渐上升，使压杆从稳定的平衡状态向不平衡的质变的临界点，称为临界应力，以Fcr表示，临界应力是压杆保持直线平衡构型的最大压力，或者说是使压杆失稳的（不能保持压杆平衡构型的）最小压力。临界压力可用欧拉方程表示：

式中：E——材料屈服强度；

I——结构惯性矩；

μ——约束系数，一端自由，一端固定时μ=2.0；一端铰链支，一端固定时μ=0.7；两端固定时μ=0.5；两端链支时μ=1.0；

通常提高压杆稳定性的方法。

（1）合理选择压杆的材料；如使用高强度的钢材。

（2）合理选择压杆的结构形式，截面积和高；例如增加惯性矩（截面积，工字钢或圆环等），减少杆的长度。

（3）合理选择压杆两端的约束形式。加固支座，增加支座，增加肋板加强筋等。

2.2 运输底盘

2.2.1 常规稳定性设计

运输车的稳定性是指运输车在满载静止和运行过程中的不发生侧滑和倾翻的特性，一般包括静稳定性和动态稳定性。

首先，根据工程经验选取运输车的长、宽、高尺寸，中路、重心、轴距、轮距等基本参数，保证车辆的静态横向、纵向的稳定性，确保运输车在空载和满载的情况下，不发生侧滑和倾翻等非预期工作情况，完成初步设计。

然后进入详细设计阶段。通过已经选择的运输车参数，根据结构设计进行不同工况下的力学分析。数据计算，确保运输车工作的安全可靠。

2.2.2 异常情况设计

（1）问题产生原因。运输车的动稳定性是指运输车在行进过程中突然异常停车，导致满载运输车速度急剧变化到0的过程中，运输车抵抗这一过程而不发生意外损害的特性。

原因分析：行进过程中运输车突然制动导致可能的翻车；行进过程中前轮调入坑洞中，使运输车发生侧移或倾翻；运输车前路上凸台没上去，导致运输车急停；运输车行进过程中突然遇到障碍而急停。

（2）过程机理分析。在这一过程中运输车经历两个运行的阶段：运输车在异常制动的情况下，速度突然降为零，此时理论上受力无穷大，也是在这一过程中运输车的角速度从零提高到最大的过程，即运输车沿着制动点为旋转中心，质心提高的过程；运输车在自身惯性力矩的作用下，继续沿着旋转弧线转动到最高点，在这一过程中，运输车翻转前动能=反转开始后由于结构摩擦吸能+运输车残余动能+势能，残余动能迅速减少，通常在运输车翻转到最高点处为零，此时小车的平衡方程变为：翻转前动能=翻转开始后由于结构摩擦吸能+势能。

（3）设计时速选取。在实际工作过程中，为避免装在运输车上的发动机受到颠簸和损伤，在运输过程中设置安全工作角度，在设计过程中设置该角度最大为5°，即可计算出该运输车在异常情况发生时，运输车倾斜角度不超过5°的最大运行工作车速范围。通常在选择足够的安全系数条件下，给出运输车的稳定车速范围，一般数值在5～15km/h之间。

确保运输车在发生意外工作情况下，仍能保证发动机的运输安全。

3 额外的补充设计

3.1 车轮的设计

车轮设计扁平化、轻量化，采用抗疲劳、长寿命、高强度钢材作为主体材料，中心设置免维护轴承，外圈采用耐磨耐油橡胶涂敷，确保足够的地面附着力，应在车轮附近设置锁止装置，便于运输车在工作过程中的停止和固定。

3.2 轴的设计

运输车和发动机的总重量经过传递后，载荷最终落实在四个车轮的轴上，因此轴的载荷分布对运输车的使用寿命至关重要。一般没有支撑架损坏，大部分问题出现在车轮轴上，因此在保证转向灵活的前提下，即四轮转向，载荷均布原则。在初始设计和后续发动机型号变化时，满载状态下重心投影在底盘上的位置基本不变。

3.3 转向设计

运输车为无动力设计，在车间厂房内工作时，需要外加动力才能行进，在行进过程中，由于在车间内部周转运输，转弯频繁，并且空间受限，所以在运输车的前后各设计一个方向调整把手，可以让工作人员在运输车满载过程中，配合四个车轮的情况下，轻松调节运输车的行进方向。

3.4 减振设计

一般运输车不设置减振或者采用弹簧减振。由于采用机械结构容易造成车轮载荷达，阻尼小，固有频率高，减振效果差，尤其在运输车行进过程中突然异常停止时，车辆在水平方向上对发动机的减振效果差。为此这里采用液压或固体橡胶减振，为减少使用过程中的维护设计采用四轮独立悬挂，底盘与支撑架之间采用减振橡胶方案进行，使得运输车在行进过程中车轮与地面有良好的接触附着力，运行平顺抗冲击。

满载情况下的运输车结构之间的振动传递关系为：由路面引起的振动源经车轮底盘、支撑架传递到运输车上的发动机。通常情况下，运输车行走路面假定为不可控条件，如果想要减少发动机接收到的振动影响，就需要在传递介质上下功夫，即要在车轮、底盘，支撑架上采取相应的措施，具体可实施的方法如下：

减少车轮上的振动，这一点可以通过运输车轮的设计和减振来保证：比如采用减振橡胶制造的车轮；

减少底盘的振动，采用独立悬挂，采用液压或气动悬浮或避振弹簧来减振；

支撑架和底盘之间设置减振弹簧，或减振橡胶减振。

防止共振，即在运输车设计过程中避开振动源产生的振动频率，通过改变自身的固有频率可以实现；

采用振动隔离措施，即在传递介质上采取技术措施，如使用防振减振设施，增加结构阻尼，安装隔振器等来实现。

3.5 运输接口的设计

运输车为无动力设计，在室外进行较长距离的运输时，需要外接牵引车进行，这需要在运输车的前后，各设计一个运输车对接接口，便于外接动力运输。

3.6 搬运接口的设计

运输车自身也会遇到需要搬运运输的情况，因此在运输车底盘上的方便位置，设计标准叉车孔，车身左右贯通，设置强度加强筋，该处可承载满载状态的运输车。

3.7 重心的设计

为保证运输车在工作过程中的通过性，一般运输车为四轮四角设计，在进行重心设计时，需要考虑以下两个方面：一、底盘投影重心位置，需要设计并调节重心位置处于运输车的几何结构的对称中心，并且运输车空载和满载时的重心在底盘的投影面上重合。二、重心的高度，设计底盘、车轮和轴的相对应关系，适当选材，保证在车辆通过性的前提下，重心高度尽可能的低。

4 总体设计优化

近年来，结构设计优化的理论和方法在国内外取得了很大的进展。结构设计的优化就是解决机械设计中零件断裂、变形、失稳问题，在实践工作中通常与三维数模有限元分析结合，完成系统优化的过程，就是一个在给定判别准则的前提下，多边界条件，进行多元求解，获得最优解的过程。通常的运输车判定准则为：最稳定、最安全、材料最少，抗振性和通过性最好等.