基于QFD和TRIZ的飞机牵引车夹持-提升装置优化设计

高清振，黄 安，时培成

(1.安徽工程大学机械工程学院，安徽 芜湖 241000)(2.汽车新技术安徽省工程技术研究中心，安徽 芜湖 241000)

根据牵引方式的不同，飞机牵引车可分为有杆式牵引车和无杆式牵引车。目前，无杆式牵引因具有方便快捷、自动化程度高等特点而成为飞机牵引的主要方式。无杆式牵引的关键结构是夹持-提升装置，该装置设计的优劣直接影响飞机牵引的可靠性和安全性，因而被格外关注。

目前，对于夹持-提升装置的研究主要是通过动力学[1]、运动学[2]及试验方法[3]对结构性能进行校核或依据三维软件进行结构优化[4]，上述研究主要是对成型结构进行分析或局部改进。本文对某夹持-提升装置设计缺陷进行了分析和针对性改进：一是将提升板与机轮固定机构协同设计，约束了机轮的跳动；二是增加了提升板自动调节机构，使装置适用于不同型号的机轮；三是设计了挡板液压组件，增加了对机轮的紧固。优化后的装置结构目前鲜有报道。上述改进提升了装置的适用性、可靠性和鲁棒性，对飞机牵引车夹持-提升装置设计具有借鉴意义。

1 设计缺陷分析

如图1所示，某夹持-提升装置由框架、固定架、旋转轴、液压杆固定铰链、液压缸组件、提升板、挡板机构组成。装置工作原理：液压泵带动液压杆件伸出将提升板放低，框架随牵引车运动迫使飞机前轮进入提升板，液压泵再带动液压杆件收缩使提升板将机轮抬起，随后人工操作挡板机构将机轮夹持固定。

1—框架；2—固定架；3—旋转轴；4—液压杆固定铰链；5—液压缸组件；6—提升板；7—挡板机构

经测试，该装置使用效果不理想，主要问题有：

1)飞机前轮被托起后由于缺少固定而处于欠约束状态，机轮在牵引中会发生上下颤振，易发生安全问题。

2)挡板机构为人工手动操作，不仅耗时费力，不好定位连接，而且在连接后无法对机轮持续施力，导致夹持结构对机轮的转弯力矩不足，不利于机轮转弯。

3)提升机构主要靠牵引车的运动进行机轮定位，由于缺少微动调节装置，使机轮与提升板的对接比较粗放，易损伤机轮。

4)利用ANSYS有限元方法分析装置结构强度，结果如图2所示。由图可见，提升板液压杆铰链位置设计不合理，使固定架处于悬臂梁状态，承载时产生较大的变形和剪切应力，不仅限制了提升板的托举质量，也使结构存在失效风险，影响牵引车的使用寿命。

图2 固定架及提升板有限元分析

2 装置结构优化

2.1 参数指标关联分析

针对该装置结构的缺陷，基于夹持-提升装置的技术要求和表1所示的QFD(quality function deployment)关系表[5]，分析其技术特征，将设计要求转化为技术指标和功能项。表中：√代表有益相关；×代表有害相关；△代表需改进完善。通过对表1的分析，可以确定装置设计参数的权重排序，得到各参数指标的冲突情况，从而获得对装置设计方案进行调整和优化的依据。

表1 装置设计质量屋

2.2 设计方案优化

根据表1的分析结果，通过TRIZ理论归纳整理出的39个通用工程参数[5]，判定装置结构优化设计中涉及的工程参数有：参数4—框架的长度、参数8—机轮体积、参数9—装置运动速度、参数10—装置与机轮的相互作用力、参数12—提升板形状、参数13—机轮牵引中的稳定性、参数14—液压组件强度、参数27—系统可靠性、参数29—部件配合制造精度、参数30—对外界干扰的敏感性、参数32—制造性的难易程度、参数33—操作的便捷程度、参数34—维修性的难易程度、参数35—对环境的适应性、参数37—检测的难易程度、参数38—自动化水平。

利用TRIZ理论矛盾矩阵和40个发明方法[5]寻找分析问题和解决问题的方法，设计中矛盾问题的解决方案如下：

由方法7(嵌套法)和方法35(性能转换法)得到设计启示：1)装置宜采用液压组件进行控制，以保证系统运转顺畅；2)在框架内开设空腔设置挡板机构液压组件，优化空间利用。

由方法5(组合法)和方法6(多用法)得到设计启示：1)将机轮固定机构与提升板进行组合设计，简化系统结构；2)使固定机构在机轮退出提升板时具有辅助推动作用，有利于机轮的顺利退出，提升装置运行的顺畅性。

由方法14(曲面法)和方法27(物尽其用法)得到设计启示：增加提升板底面的曲率，使其与机轮曲率大致吻合，既可以提升机轮，又对机轮具有定位作用。

由方法1(分离法)和方法2(提取法)得到设计启示：装置液压组件设计为两点分开形式。工作时，分开的结构同时触发，保证装置运动的平衡性和对机轮施力的均匀性，有利于机轮运动姿态的控制。

由方法11(预先防范法)和方法30(柔化法)得到的设计启示：机轮固定机构表面和挡板表面设置软性材料，在压紧固定机轮时保护机轮，提高可靠性和稳定性。

综上，通过TRIZ理论得到优化设计方案如下：

1)保留原设计中框架、提升板和挡板的基本结构；保留液压组件控制方式。

2)加大提升板的弧度，利于机轮固定；加装可平移的伸缩机构，利于不同尺寸机轮的牵引；设置提升板液压组件承力方向与机轮重力方向基本一致，优化系统受力结构。

3)改进挡板工作方式由人工操作为液压自动操作，在框架内开槽加装液压组件。

4)在提升板上增设机轮固定机构，并配有液压组件进行控制，以增加机轮牵引中的稳定性、转向的操控性和机轮退出时的平顺性。

5)所有结构为孔轴连接，利于装置在液压组件控制下的协调运动。

6)挡板、机轮固定机构、提升板移动机构以及它们的液压组件均为双系统冗余结构，以增强系统的可靠性和安全性。

7)提升板、挡板和机轮压紧机构表面设有橡胶防护层，避免机轮表面损伤。

根据上述方案，得到改进后的夹持-提升装置结构，改进后装置由支撑架、提升板调节机构、机轮固定机构液压组件、机轮固定机构、提升板液压组件、提升板、夹持挡板、夹持挡板液压组件组成，如图3所示。

1—支撑架；2—提升板调节机构；3—机轮固定机构液压组件；4—机轮固定机构；5—提升板液压组件；6—提升板；7—夹持挡板；8—夹持挡板液压组件

运用ANSYS对改进后的装置结构进行有限元分析，结果如图4所示。计算结果表明，改进后的结构受力分布更加合理，同等载荷下优化后的结构最大应力下降13%，最大应变只有原来的1/3。

图4 改进后装置有限元分析

3 结论

1) 改进后的牵引车夹持-提升装置增加了带液压组件的机轮固定机构，与加大弧度的提升板和液压控制的夹持挡板配合工作，可极大增强对机轮的约束固定，防止机轮上下跳动，并实现机轮与牵引车的同步转弯；提升板调节机构可增加装置对不同型号机轮的适应性；以提升板液压组件作为主承力机构，极大改善了装置受力分布，有利于结构的稳定性。

2) QFD方法与TRIZ理论相结合，通过QFD质量屋研究指标要求与设计参数之间的耦合关系，基于TRIZ理论矛盾解决矩阵得到优化设计方案的方法具有可行性。