飞机荷载模拟加载车设计与应用_张俊.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-02-25 修改日期:2023-05-18 基金项目:国家自然科学基金项目(52308470);国家重点研发计划项目(2022YFC3102902);陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-YB-375)作者简介:张俊(1989)男,河南新蔡,博士,讲师,主要研究方向为机场道面工程,zhangjun_。引文格式:张俊,许巍,全泽群,等.飞机荷载模拟加载车设计与应用J.实验
2、技术与管理,2023,40(8):141-148.Cite this article:ZHANG J,XU W,QUAN Z Q,et al.Design and application of aircraft load simulation loading vehicleJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):141-148.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.021 飞机荷载模拟加载车设计与应用 张 俊1,许 巍1,全泽群2,王
3、江2,李景赟1,左世昊1,陈铁友3,王永林4(1.空军工程大学 航空工程学院,陕西 西安 710038;2.空军后勤部,北京 100009;3.95666 部队,四川 成都 610000;4.95538 部队,四川 成都 611430)摘 要:为真实模拟飞机荷载对机场道面的作用,该文在总结已有相关设施设备特点的基础上,设计了飞机荷载模拟加载车,并结合真实飞机加载的现场试验道面结构层土压力数据对加载车仿真效果进行分析。结果表明:加载车载重系统最大可达 50 t,可模拟现役主起落架为单轮、双轮及四轮构型的飞机加载效果。装载单个机轮时,加载车对主起落架为单轮构型的飞机仿真效果好,但由于多轮对道面的叠
4、加作用效应,对主起落架为六轮构型的飞机只在加载点正下方仿真效果较好。为真实模拟主起落架六轮及以上构型的飞机加载效果,仍需设计尺寸及加载能力更大的加载车。关键词:机场道面;飞机荷载;模拟加载;专用车辆;足尺试验 中图分类号:U273 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)08-0141-08 Design and application of aircraft load simulation loading vehicle ZHANG Jun1,XU Wei1,QUAN Zequn2,WANG Jiang2,LI Jingyun1,ZUO Shihao1,CHEN Tieyou
5、3,WANG Yonglin4(1.College of Aeronautical Engineering,Air Force Engineering University,Xian 710038,China;2.Air Force Logistics Department,Beijing 100009,China;3.PLA Unit 95666,Chengdu 610000,China;4.PLA Unit 95538,Chengdu 611430,China)Abstract:In order to realistically simulate the effect of aircraf
6、t load on the airfield pavement,this paper designs an aircraft load simulation loading vehicle based on the existing facilities and equipment,and analyzes the simulation effect of the loading vehicle test pavement structural layer soil pressure data with real aircraft loading.The results show that t
7、he loaded onboard heavy system can reach a maximum of 50 t,which can simulate the loading effect of all active aircraft with single wheel,double wheels,and four wheels configurations of main landing gears.When loading a single wheel,the loading vehicle has a good simulation effect on the aircraft wi
8、th a single wheel configuration of the main landing gear.However,due to the superposition effect of multiple wheels on the pavement surface,the simulation effect on a six wheels configuration aircraft with a certain main landing gear is only close to that directly below the loading point.In order to
9、 truly simulate the loading effect of aircraft with six or more main landing gear configurations,a loading vehicle with larger size and loading capacity is still needed.Key words:airfield pavement;aircraft load;simulate loading;special vehicle;full scale test 机场道面的主要作用是保障飞机的安全起降,飞机起落架和机轮传导的荷载是道面所承受的
10、最重要的作用力之一,因此精确模拟机轮的加载效果是工程人员重点关注的问题1-2。直接使用真实飞机进行加载的效果是最佳的,然而,综合考虑飞机协调调度、飞机安全保障、造价、操作难度等因素,在机场道面研究中使用真实飞机加载并不是理想的选择。通常,真实飞机加载仅用于开展专项验证或从属试验 2-4。模拟飞机对道面的作用,其难度主要体现在两个方面:一是飞机载重大、胎压高;二是飞机接地速度142 实 验 技 术 与 管 理 大5-7。在道面特性(除抗滑性外)研究中,飞机的载重和胎压是比速度更重要的关注点8-9,这可从飞机在道面上运行过程的分析中得到,飞机的典型运行场景包括:静止停放和低速滑行;离地前加速起飞和
11、接地后减速滑跑;接地。在静止停放和低速滑行时,主要是竖向静载在道面上产生荷载;在离地前加速起飞和接地后减速滑跑时,飞机的速度仍较大,会受到升力作用,所以飞机对道面的竖向作用力会减小,并且会产生水平向作用力;在正常操作下,飞机即将接地前会处于平飘状态,对道面的作用力小于静荷载。在道面设计中一般不考虑粗暴着陆的冲击荷载,以静载为基础,引入动载系数,将动载转换为静载10-12。在机场道面研究中,飞机加载效果的模拟主要集中在对荷载的模拟,实现方法包括固定场地式和移动式。固定场地式是指加载设备只能在一个有限范围内运动,用于加载的场地可做成环形,例如美军水道试验站(Waterways Experiment
12、 Station,WES),现已并入 美 军 工 程 师 研 发 中 心(Engineer Research and Development Center,ERDC),环形加速加载设备的半径为 15.2 m,绕圆心往复加载。此外,该设备还可做成直线形,例如美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)的 国 家 机 场 道 面 测 试 设 施(National Airport Pavement Test Facility,NAPTF),可沿 274 m 的直线往复加载13-14。固定场地式的优点是加载效率高,配重和速度易调节,缺点是场地固定,无法开
13、展现场试验。相比之下,移动式加载设备则具有很大的灵活性。基于重型车辆模拟器(heavy vehicle simulator,HVS)的加速加载设备,例如 FAA 和 ERDC的 HVS-Airfield(HVS-A)和 HVS-Titan15-17。该设备加载效率高且运用灵活,但购置和运行成本高,而且由于宽度尺寸限制,目前最多只能布置两个加载轮,加载能力最高为 54 t,与重型飞机的实际情况仍有较大差距8,14。飞机荷载模拟加载车原理简单,直接采用实际飞机机轮与机轮构型(模拟主起落架荷载),在其上方的车厢装配配重,即可达到实际飞机起落架荷载,例如美军 C-17 和 F-15 飞机荷载模拟加载车
14、18-20。该方法造价低、操作简便,飞机实际荷载仿真的效果较好,是较理想的飞机荷载模拟施加方法21-23。随着我国新型飞机的服役和民航业的高速发展,对飞机荷载的加载需求也越来越多。然而,目前我国仅有几所科研院所自行建设或引进过针对公路的环道设施和 HVS 设备,对于多轮构型重型飞机和高胎压飞机的加载设备研究和探索较少24-27。为此,本文梳理现有的飞机荷载的模拟加载设备,提出面向我国多种典型主起落架荷载的飞机模拟加载车设计方案,并通过两次现场试验的数据分析了该型加载车的仿真效果。1 飞机模拟加载设备综述 1.1 固定场地加载设备 针对飞机荷载的固定场地加载设备主要包括:美国国家航空航天局(NA
15、SA)兰利研究中心的飞机着陆动力学设施(aircraft landing dynamics facility,ALDF);WES 的环形加速加载设备;FAA 的NAPTF。1.1.1 ALDF ALDF 建于 1956 年,并于 1985 年进行了扩建改造,总计花费约 1 940 万美元,完成改造后,测试车的最大加载能力超过 30 t。在设备运行时,储气装置提供气体并在储水罐中形成高压水,高速冲击测试车,驱动测试车沿长度 853 m 的轨道行驶,最大加速度可达 20 g(g=9.8 m/s2),最大运行速度可达 402 km/h。ALDF 对飞机荷载和速度的模拟效果较好,取得了丰硕的成果,如刚
16、性机场道面中常用的刻槽法防滑措施和子午线轮胎的实验验证。在正常运行的情况下,NASA 每次运行费用可控制在 50 美元以内28-32,但建造费用高和试验难度大的特点使其不易推广。由于在该设施开展的研究项目较少,为节约维护成本,该设施已于 2015 年 10 月拆除。1.1.2 环形加速加载设备 环形加速加载设备由 WES 于 1971 年建成,设备圆形轨道的内半径 8.5 m、外半径 15.2 m,试验段宽度 6.7 m,加载设备最大加载质量 22 t,最大负载时加载速度达 48 km/h,加载效率较高。然而,由于其试验段构型和加载能力限制,试验段受力特性与实际机场道面存在较大差异。此外,该设
17、备也无法用于对已完工的机场道面进行加载测试,目前应用较少。1.1.3 NAPTF NAPTF 由 FAA 于 1999 年建成,可加载试验段总长 274 m、宽 18.3 m,最大加载质量 485 t,最多可配置 20 个测试机轮(每侧 10 个),每个车轮配重可单独调节,最大质量达 28 t,对飞机荷载的模拟效果较好。NAPTF 设施自建成以来,已完成 8 期足尺试验,对刚性和柔性道面均进行了大量研究,并取得显著成果。目前,正在进行第 9 期试验,研究主题包括:FAARRFIELD 疲劳模型修订和集料基层厚度敏感性、土工合成材料对道面性能影响、水泥处置透水基层性能和柔性道面超载标准制定13-
18、14。1.2 可移动加载设备 飞机荷载的可移动加载设备主要包括 FAA 和ERDC 的 HVS-A,以及 WES/ERDC 的各型飞机荷载模拟加载车。张 俊,等:飞机荷载模拟加载车设计与应用 143 1.2.1 HVS-A HVS-A 在南非 HVS-Mk-IV 基础上改进而来,也被称为 HVS-Mk-V。设备最大加载能力 44 t,加载轮运行长度最大 12 m、宽度 1.8 m,可配置成双轮加载,加载速度最大可达 20 km/h,加载区域可封闭进行温度和湿度等环境控制8。HVS-Titan 是 ERDC 在与Dynatest 公司合作开发的基础上推出的,最大加载能力达 54 t、最大加载行程
19、达 23 m,每天可加载 18 000 次。该设备可模拟飞机着陆时对道面的垂直冲击荷载33。1.2.2 飞机荷载模拟加载车 1942 年美军开始使用飞机荷载模拟加载车开展现场试验,使用过的模拟加载车包括 Tournapull A-3铲运机、B-52 飞机模拟加载车、F-4 飞机模拟加载车、C-5A 飞机模拟加载车、C-17 飞机模拟加载车和 F-15飞机模拟加载车等。这些模拟加载车通常直接采用模拟机型的真实机轮与机轮构型,载重也按照飞机主起落架实际荷载配置。例如:模拟 B-52 飞机的加载车配重 12.7 t,轮胎压力 2.07 MPa;模拟 F-4 飞机的胎压达 2.76 MPa;模拟 C-
20、5A 飞机的加载车配重超过 90 t;模拟 C-17 飞机的加载车使用实际飞机的单个主起落架构型,配置 6 个机轮,配重达 116 t,以模拟 C-17在最大质量运行时的情况。美军在机场道面研究中重视足尺试验和现场试验,几乎在每个相关研究项目中均使用相应机型的模拟加载车开展往复通行试验1,15-23。各类型飞机荷载模拟加载设备特性如表 1 所示。基于现有各设备特性对比分析,并综合考虑仿真效果、建设成本、运行成本和操作难度等因素,模拟加载车是较为合适的实现方式。因此,本文提出了适用于我国多种典型飞机的荷载模拟加载车设计方案。表 1 飞机荷载模拟加载设备特性 运行 场地 设备类别 典型代表 运行组
21、织 加载能力 试验段尺寸优点 缺点 固定式 环形加速加载设备 WES 环形加速加载设备 WES(现 为 ERDC)最大质量 22 t,最大速度 48 km/h 试验段宽度6.7 m 加载效率高 环形试验段受力特性与实际道面相差大,无法加载已有道面 直线形加载设备 ALDF NASA 最大质量 30 t,最大速度 402 km/h试验段长度853 m 能同时模拟重载与飞机接地速度 建设和运行成本高,试验难度大,无法加载已有道面 NAPTF FAA 最大质量 485 t,最多配置 20 个机轮试验段长度274 m,宽度 18.3 m 尺度大,可按照实际飞机构型完整模拟飞机主起落架荷载 建设和运行成
22、本高,无法加载已有道面 可移 动式 HVS HVS-A 和 HVS-Titan FAA 和 ERDC 最大质量 44 t,最大速度 20 km/h 加载段长度12 m,宽度1.8 m 节约人力,加载区域可封闭进行环境控制 建设、运行成本高,宽度限制最多两个机轮,加载长度也受限 模拟加载车 B-52、C-5A、C-17、F-15 等加载车 ERDC(含WES)按照实际飞机主起落架荷载配置 无限制 仿真效果好、成本低、操作灵活简单 加载效率一般,运行时需要人工操作牵引车 2 飞机荷载模拟加载车设计 考虑到加载能力、造价、转场、简便性和安全性等因素,在加载能力方面模拟加载车应满足以下要求:具备四轮构
23、型运输机单侧主起落架的加载能力,配重装载方便;可兼顾其他双轮或单轮构型飞机的使用要求;加载轮方便更换、尺寸适宜;具备转向和刹车功能,方便公路和铁路转运;运行时可采集加载轮荷载和行进速度。2.1 总体方案 按照上述要求设计的模拟加载车总体方案如图 1所示。加载车空载工况下总质量约 10.4 t,包括载重、车架、升降液压和电子检测系统,以及前后牵引结构等部分。加载车的载重系统上部框架内,可根据不同型号的飞机轮胎进行配重,底部中间安装加载轮,最大可安装机轮直径 1.5 m,并通过更换转接架可适应各种主起落架的飞机轮胎(单轮、双轮和四轮构型)和轮毂。空载工况时载重系统质量约 7 t,共 3 层,可装载
24、 27 块配重块,最大可加载 50 t 的配重块,可满足最大主起落架四轮构型飞机的加载需求。整车空载外形(不包含可拆卸的牵引连接装置)长 5 200 mm、宽 2 500 mm、高 3 036 mm(安装某运输机轮胎时的整车空载外形高度)。在装满配重的情况下,整车高 3 156 mm,全车左右对称,重心基本无偏载。该设计尺寸可满足主起落架为单轮、双轮和四轮构型的机型使用需求,例如:四轮构型(双轴双轮)的运输机,轴距 123 cm,轮距 49 cm;双轮构型的B-737-800 飞机,主轮轮距 86 cm,A-321 的主轮轮距93 cm;六轮构型运输机(三轴双轮),轴距 165 cm,轮距 8
25、4.5 cm。这些机型的所需空间尺寸均小于此加载车设计尺寸。144 实 验 技 术 与 管 理 图 1 模拟加载车设计 2.2 结构系统设计 加载车主要由载重系统和车架系统构成。其中,载重系统包含加载轮、轮胎转接架、轮辐式压力传感器、载重大梁、框架板、导套和配重块等;车架系统主要包含牵引转向前轴、液压泵站安装架、导向柱、车体大梁框架、液压传动系统、牵引转向后轴和整车底盘预留刹车接口。整体采用四轮挂车架支撑承载的结构形式进行布置设计。在满载试验时,通过车架的导向,载重系统的质量载荷全部集中在飞机主轮上,避免车架系统受负载力影响。根据空载运输和满载试验的需要,采用车架导向和载重集中的承载形式,调整
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