机场道面凹陷对飞机与牵引车   抱轮系统动力学性能的影响研究

张威1、2，宁志华3，王伟1，王立文2

(1.中国民航大学航空工程学院，天津300300)

(2.中国民航航空地面特种设备研究基地，天津300300)

(3.中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300)

作者简介：张威（1979—），男，教授，博士，主要研究方向为机器人学与机构学，weizha_2001@126.com.

摘要：为研究无杆式飞机牵引车在牵引飞机过程中机场道面产生的激励对抱轮系统的影响规律，牵引车采用10,20和30km/h 3个不同牵引速度牵引飞机，并针对每个牵引速度施加不同波幅的凹陷道面激励对系统进行仿真，得出系统在不同牵引速度下的振动加速度曲线和不同道面合适的牵引速度，从而为抱轮机构的结构强度设计提供依据。

关键词：抱轮机构；前起落架；道面激励；MATLAB仿真分析

中图分类号：V226.3; TH132.4文献标识码：A文章编号：2095-509X(2019)07-0015-05

牵引车是机场特种车辆，目前机场使用的牵引车分有杆式和无杆式两种。有杆式飞机牵引车由于作业效率低、车身笨重等正在被无杆式飞机牵引车替代。与有杆式飞机牵引车相比，无杆式飞机牵引车移动灵活，通过牵引车抱轮机构与飞机前起落架连接，抱起和放下的过程操作简单，只需要少量地勤人员参与即可［1］。但是，由于无杆式飞机牵引车的重力小于前起落架施加于其抱轮机构上的重力载荷，当其以一定的速度牵引飞机经过机场〖HJ〗道面较为常见的长波凹坑时，将使前起落架缓冲支柱产生振动，这将会使整个抱轮系统及牵引车出现更大的振动。因此研究机场道面产生的激励对抱轮系统的影响是至关重要的。

张积洪等［2］首先利用ADMAS动力学软件创建轮胎和地面谱密度的数学模型，然后再设置动摩擦和静摩擦因数来仿真分析牵引时的平顺性，得知在低速牵引时平顺性较好；程国勇等［3］分别利用3种不同的速度在最不利波长条件下得出最大允许波幅，为分析道面的平整度提供了依据；张明等［4］将前起落架缓冲支柱的非线性弹簧力用泰勒级数展开，并用中心差分法分析了飞机道面滑行的随机振动。以上研究只是在建立单个模型后做整体性分析，对前起落架缓冲支柱和抱轮机构两者组成的抱轮系统没有进行深入分析，而抱轮系统的整体动力学响应在整个分析中却起着重要作用。本文将对这两个牵引过程中主要的振源进行分析。

1抱轮系统模型分析

在牵引飞机时，无杆式飞机牵引车抱轮机构与前起落架组成的系统如图1所示，可将前起落架机轮和抱轮机构看成一个三自由度系统。

牵引车在牵引飞机时垂直方向的随机振动对系统的影响最大，而在垂直方向上的主要激励源为机场路面的不平度［3］。对系统做出合理假设（假设见下文），可得到系统的模型

图中：Fa和F1分别为前起落架缓冲支柱部分的空气弹簧力和油液阻尼力（由于路面引起的随机振动幅值较小，可以忽略缓冲支柱内外光滑圆柱面之间的摩擦力）；前起落架的机身承载简化为上部的弹性支撑部分，质量为m1，振动幅值为y1；轮胎、缓冲支柱内筒及链接件简化为下部的弹性支撑部分，质量为m2，振动幅值为y2；飞机牵引车及抱轮机构简化为作用在地面与起落架轮胎间的弹簧阻尼，质量为m3，振动幅值为y3；q(t)为地面对系统的激励。

对模型做如下基本假设：

1)牵引时前起落架机轮可以随抱轮机构的平台绕前起落架中轴自由转动。

2)将牵引车部分简化为只考虑轮胎刚度作用的平台（由于牵引车为机场特殊设备车辆，车身较低，路面状况较好，没有悬架减震等结构）。

3)忽略机轮轴相对于缓冲支柱中心线的偏距。

4)抱起时抱轮平台的倾角与前起落架向前的倾角相等（一般为7°）。

5)前起落架纵向的左右对称面与抱轮机构的左右对称面为同一个平面（本文主要研究抱轮系统在机场道面长波凹陷区的响应，且整体机构左右对称，因此简化分析在一个平面内对整体受力研究的影响可以忽略）。

2仿真系统的数学模型

仿真无杆式飞机牵引车在牵引飞机时的随机振动，需要将上文简化后的机场道面激励和抱轮系统用数学模型描述，并将道面激励的时域数学表达式代入抱轮系统，通过修改时域表达式得到不同速度下系统的激励。