飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)臂動(dòng)力學(xué)特性研究

龔 淼，王立文，呂 永

（1.中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)民航航空地面特種設(shè)備研究基地，天津 300300；3.上海飛機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 200436）

飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)臂動(dòng)力學(xué)特性研究

龔 淼1，2，王立文1，2，呂 永3

（1.中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)民航航空地面特種設(shè)備研究基地，天津 300300；3.上海飛機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 200436）

以國(guó)產(chǎn)QYZ5200TCB型飛機(jī)除冰車(chē)為研究對(duì)象，在分析除冰車(chē)作業(yè)臂的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pro/E創(chuàng)建除冰車(chē)作業(yè)臂虛擬樣機(jī)，根據(jù)樣機(jī)模型，通過(guò)Pro/E與ADAMS兩個(gè)軟件之間的專(zhuān)用接口程序Mechanism/Pro,將除冰車(chē)作業(yè)臂模型導(dǎo)入到ADAMS中，添加復(fù)雜約束和載荷，運(yùn)用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)基于Pro/E和ADAMS的對(duì)除冰車(chē)作業(yè)臂的聯(lián)合仿真分析，并通過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)基于仿真模型的實(shí)體作業(yè)臂進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，除冰車(chē)作業(yè)臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠、連續(xù)性好且無(wú)干涉，仿真分析具有可靠性。為民航相關(guān)裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析提供參考方法。

飛機(jī)除冰車(chē)；作業(yè)臂；Pro/E建模；動(dòng)力學(xué)仿真；ADAMS

飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)臂是飛機(jī)除冰車(chē)能否滿(mǎn)足不同機(jī)型除冰作業(yè)要求的關(guān)鍵部件。根據(jù)飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]對(duì)除冰車(chē)作業(yè)臂及調(diào)平機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及安全要求，作業(yè)臂和工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足安全性和穩(wěn)定性要求，以及操作和控制的平穩(wěn)性。飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)臂承受載荷較大且工況復(fù)雜，由于國(guó)產(chǎn)除冰車(chē)起步較晚，技術(shù)積累較少，因此對(duì)作業(yè)臂及調(diào)平機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可為國(guó)產(chǎn)除冰車(chē)作業(yè)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、損傷預(yù)測(cè)及維修提供重要依據(jù)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)[2]以進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析為核心，集成了多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論成果、參數(shù)化的建模工具、功能強(qiáng)大的后處理模塊及可視化界面，極大地提高了仿真分析的效率[3-4]。本文根據(jù)Pro/E軟件建立裝配模型，將三維裝配模型導(dǎo)入ADAMS中，利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中的View模塊[5]對(duì)零件模型以及裝配模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)基于模型參數(shù)的實(shí)體作業(yè)臂進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證聯(lián)合仿真方法的可靠性。本文介紹的基于Pro/E和ADAMS的對(duì)飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)臂的聯(lián)合仿真分析方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為民航相關(guān)裝備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ADAMS用剛體i的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角（或廣義歐拉角）作為廣義坐標(biāo)，即qi=采用拉格朗日算子法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程

完整約束方程為

非完整約束方程為

其中：T為系統(tǒng)動(dòng)能；Q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)陣列；ρ為對(duì)應(yīng)完整約束的拉氏乘子陣列；M為對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子陣列；q˙為系統(tǒng)廣義速度陣列。

在整個(gè)分析過(guò)程中需要的數(shù)學(xué)模型由設(shè)置好的物理模型生成，剛體的形狀和位置均相對(duì)于公共的參考坐標(biāo)系來(lái)描述，其位置形狀坐標(biāo)統(tǒng)一為剛體坐標(biāo)系原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系的姿態(tài)角和坐標(biāo)，虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中采用歐拉角來(lái)描述剛體的位姿。

在三維建模軟件Pro/E環(huán)境下建好模型及裝配體，利用Mechanism/Pro接口平臺(tái)與虛擬樣機(jī)軟件ADAMS進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的導(dǎo)入[6]。具體操作步驟應(yīng)按照以下流程：

1）創(chuàng)建模型

采用Pro/E創(chuàng)建單個(gè)的零件實(shí)體模型；然后在Pro/E裝配模塊[7]的環(huán)境下進(jìn)行組件之間的裝配；最后將裝配體模型通過(guò) Mechanism/Pro接口模塊導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。將Pro/E軟件中的裝配體模型另保存為parasolid（*.X-T）格式的副本。該副本文件結(jié)構(gòu)為平整模式；輸出的幾何結(jié)構(gòu)為殼和實(shí)體；坐標(biāo)系選擇Pro/E環(huán)境下裝配時(shí)的主坐標(biāo)系，此處為缺省狀態(tài)。將Pro/E軟件保存的parasolid（*.X-T）格式的裝配體副本文件導(dǎo)入新建的ADAMS/View模塊軟件中，新建工程名稱(chēng)為donglixuefenxi。

2）定義剛體

把在整個(gè)模擬仿真過(guò)程中不運(yùn)動(dòng)的剛體作為初始條件，定義為動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)的大地。這樣其他零部件運(yùn)動(dòng)仿真就以此作為參照標(biāo)準(zhǔn)。如果裝配體中的其他零部件沒(méi)有相對(duì)于大地的運(yùn)動(dòng)，則也可以定義為一個(gè)剛體，其連接方式也采用剛體連接。

3）創(chuàng)建約束運(yùn)動(dòng)副

各零件之間的運(yùn)動(dòng)約束副在Mechanism/Pro模塊中創(chuàng)建時(shí)，可以根據(jù)Pro/E軟件中創(chuàng)建的零件幾何特征來(lái)設(shè)置[8-9]。本文所研究的除冰車(chē)作業(yè)臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中共有17個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件；23個(gè)鉸接副；2個(gè)圓柱副；1個(gè)固定副；2個(gè)驅(qū)動(dòng)副。

4）創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)與載荷

由除冰車(chē)作業(yè)臂的工作原理與工作方式可以看出，該機(jī)械結(jié)構(gòu)中有2個(gè)液壓缸，可以實(shí)現(xiàn)除冰車(chē)作業(yè)臂的舉升和收縮運(yùn)動(dòng)。因此，采用2個(gè)Translational Joint連接副并且施加2個(gè)Motions動(dòng)力來(lái)源作為驅(qū)動(dòng)。根據(jù)B級(jí)除冰車(chē)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工作平臺(tái)額定承載為204 kg。

將三維建模軟件Pro/E創(chuàng)建好模型及裝配體導(dǎo)入虛擬樣機(jī)ADAMS軟件中。如圖1所示，已經(jīng)在裝配好的三維模型上施加了載荷并且創(chuàng)建了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副和約束副。

圖1 ADAMS/View中導(dǎo)入Pro/E的裝配體模型Fig.1 Pro/E model imported into ADAMS/View

2 動(dòng)力學(xué)仿真

整個(gè)物理模型的建模過(guò)程中，動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)里模型的初始位置和實(shí)際需求的約束副條件對(duì)實(shí)體幾何模型進(jìn)行裝配連接[10]，為整個(gè)除冰車(chē)作業(yè)臂動(dòng)力學(xué)的模擬仿真做好準(zhǔn)備。在ADAMS軟件中，對(duì)名為donglixuefenxi的模型各個(gè)零件進(jìn)行材料屬性設(shè)置，并且定義其材料密度；在ADAMS軟件環(huán)境下賦予各個(gè)零件不同的顏色以便于明顯地觀察各個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；設(shè)置重力加速度g= -9 806.65 mm/s2。添加除冰車(chē)作業(yè)臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中各個(gè)零件之間的連接運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型。如添加下臂與底座之間、下臂與連接件之間、上臂與連接件之間、上臂與工作平臺(tái)之間以及調(diào)平機(jī)構(gòu)各桿件之間采用鉸接，可以約束3個(gè)移動(dòng)自由度和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，也就是可以轉(zhuǎn)動(dòng)但不能移動(dòng)；2個(gè)液壓缸采用圓柱副連接，可以約束3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和2個(gè)移動(dòng)自由度；底座與大地之間采用限制6個(gè)自由度的固定副連接，作為基座。其中共計(jì)：固定副1個(gè)；圓柱副2個(gè)；旋轉(zhuǎn)副23個(gè)；運(yùn)動(dòng)構(gòu)件17個(gè)；驅(qū)動(dòng)2個(gè)。

在除冰車(chē)作業(yè)臂機(jī)械結(jié)構(gòu)的上臂和下臂的連接處分別裝了動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓缸。這2個(gè)液壓缸是用來(lái)實(shí)現(xiàn)除冰車(chē)作業(yè)臂的舉升和收縮運(yùn)動(dòng)。虛擬樣機(jī)軟件ADAMS將動(dòng)力來(lái)源Motion施加在液壓缸組件的圓柱副上，數(shù)量為2個(gè)。分別設(shè)置Motion的運(yùn)動(dòng)速度函數(shù)為

在動(dòng)力來(lái)源Motion的驅(qū)動(dòng)下，除冰車(chē)作業(yè)臂可以實(shí)現(xiàn)舉升和收縮運(yùn)動(dòng)，作業(yè)臂機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵考察點(diǎn)如圖2所示。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分別對(duì)圖2中的A、B、C點(diǎn)的速度、位移、角速度、加速度、角加速度進(jìn)行仿真分析研究。根據(jù)軟件計(jì)算，A、B、C點(diǎn)分別為各個(gè)相應(yīng)零部件的質(zhì)心。

圖2 模擬仿真中作業(yè)臂機(jī)構(gòu)關(guān)鍵考察點(diǎn)Fig.2 Key investigating points of working arm in simulation and modeling

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)在ADAMS/PostProcessor模塊中分別對(duì)工作平臺(tái)質(zhì)心A點(diǎn)、作業(yè)臂上臂B點(diǎn)和上下臂之間的連接件C點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的位移、速度和加速度的Measure定義，然后模擬仿真得到下述測(cè)量曲線和需要的結(jié)果。并對(duì)A、B、C點(diǎn)的最大舉升高度、最大速度以及加速度的變化進(jìn)行了詳細(xì)分析。

其中待測(cè)點(diǎn)A點(diǎn)為工作平臺(tái)在加載之后的質(zhì)心位置，這個(gè)質(zhì)心點(diǎn)可由ADAMS軟件自動(dòng)獲取。重力方向定義為向下，模擬仿真后，A點(diǎn)在縱坐標(biāo)Y軸的位移、速度和加速度曲線如圖3所示。

圖3 A點(diǎn)仿真曲線Fig.3 Simulation curves of Point A

由工作平臺(tái)質(zhì)心A點(diǎn)的位移曲線圖可以看出，除冰車(chē)作業(yè)臂的工作平臺(tái)最大舉升高度為10 160.752 9 mm（除冰車(chē)作業(yè)臂自身作業(yè)高度去掉除冰車(chē)的高度），而初始預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)為10 000 mm。由此可見(jiàn)，除冰車(chē)作業(yè)臂在最大作業(yè)高度上滿(mǎn)足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。在接近運(yùn)動(dòng)時(shí)間為70 s的時(shí)候，作業(yè)臂的作業(yè)高度幾乎沒(méi)有很大的變化，而作業(yè)幅度卻在發(fā)生變化。由速度曲線圖可以看出在時(shí)間為36.48 s時(shí)，工作平臺(tái)最大速度為233.436 7 mm/s，此時(shí)的最大加速度為0?？梢钥闯?6.48 s是個(gè)分界點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前速度越來(lái)越大，加速度也是正的加速度，而這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后正好相反。由加速度曲線也可以看出，當(dāng)作業(yè)臂還沒(méi)有舉升到最大高度時(shí)，加速度為正加速度，也就是加快作業(yè)臂運(yùn)動(dòng)；當(dāng)作業(yè)臂達(dá)到最大速度時(shí)，加速度逐漸減緩至負(fù)的加速度，起到一定的速度減緩作用，防止出現(xiàn)速度沖擊現(xiàn)象。仿真曲線顯示該除冰車(chē)作業(yè)臂的工作平臺(tái)在最大作業(yè)高度上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；速度平緩，滿(mǎn)足除冰車(chē)連續(xù)作業(yè)的要求。所以能夠滿(mǎn)足初始設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其的運(yùn)動(dòng)預(yù)估。

B點(diǎn)為作業(yè)臂上臂質(zhì)心所在的位置（通過(guò)軟件ADAMS設(shè)置自動(dòng)捕捉），經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，其位移、速度和加速度仿真曲線如圖4所示。

圖4 B點(diǎn)模擬仿真曲線Fig.4 Simulation curves of Point B

由除冰車(chē)作業(yè)臂上臂質(zhì)心B點(diǎn)仿真分析曲線可得到位移曲線、速度曲線和加速度曲線。除冰車(chē)作業(yè)臂上臂的運(yùn)動(dòng)軌跡與工作平臺(tái)的軌跡走勢(shì)一致。由位移曲線圖可以看出：上臂最大舉升高度為7 623.123 8 mm，當(dāng)t=70s時(shí)，上臂在高度上沒(méi)有明顯的變化。當(dāng)t= 34.16 s時(shí)，上臂的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了最大值151.074 9 mm/s，此時(shí)的最大加速度為0，同理加速度的原理和作業(yè)平臺(tái)的原理一致。由速度曲線可以看出速度的變化比較平緩，沒(méi)有出現(xiàn)速度巨變的現(xiàn)象，可以有效保證高空作業(yè)人員的安全。仿真曲線顯示該運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足除冰車(chē)作業(yè)臂機(jī)械結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其的運(yùn)動(dòng)預(yù)估。

C點(diǎn)為除冰車(chē)作業(yè)臂連接件（連接除冰車(chē)作業(yè)臂的上臂和下臂）質(zhì)心所在的位置，其位移、速度、加速度仿真曲線如圖5所示。

圖5 C點(diǎn)仿真曲線Fig.5 Simulation curves of Point C

由圖5連接件質(zhì)心C點(diǎn)的位移曲線、速度曲線和加速度曲線可以看出，除冰車(chē)作業(yè)臂連接件的運(yùn)動(dòng)軌跡比較平穩(wěn)，中間不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)，整個(gè)過(guò)程平穩(wěn)連續(xù)，滿(mǎn)足除冰車(chē)實(shí)際作業(yè)工況下的要求。當(dāng)t=70 s時(shí)，連接件的最大舉升高度為4 215.235 1 mm，當(dāng)t= 29.52 s時(shí)，作業(yè)臂的上臂和下臂的連接件的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了最大值89.881 8 mm/s，此時(shí)的最大加速度為0，但連接件并非處于最大高度。當(dāng)連接件逐漸趨于最大高度時(shí)，速度開(kāi)始逐漸減小，加速度也為負(fù)加速度，以防止連接件發(fā)生沖擊過(guò)程。由仿真曲線可看出，該運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足除冰車(chē)作業(yè)臂機(jī)械結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其的運(yùn)動(dòng)預(yù)估計(jì)。

4 試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)和仿真數(shù)據(jù)，對(duì)QYZ5200TCB型飛機(jī)除冰車(chē)作業(yè)臂進(jìn)行了制造安裝，并委托國(guó)家工程機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)，如圖6所示。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)量結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖6 機(jī)械臂作業(yè)穩(wěn)定性試驗(yàn)Fig.6 Stability test of working arm

表1 額定載荷（204 kg）高空作業(yè)試驗(yàn)Tab.1 Rated load(204 kg)experiment of high altitude work

試驗(yàn)條件為：平臺(tái)載荷204 kg，以穩(wěn)定的低速和高速起升、下降至最大作業(yè)幅度，在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)左右回轉(zhuǎn)，起升到最大作業(yè)高度，左右回轉(zhuǎn)再下降到行駛狀態(tài)；并在起升、下降、回轉(zhuǎn)過(guò)程中各進(jìn)行5次正常停止、起動(dòng)，低速、高速各進(jìn)行5次。結(jié)果顯示，機(jī)械臂舉升到最大高度的時(shí)間與仿真結(jié)果基本一致，運(yùn)動(dòng)中，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠，制動(dòng)平穩(wěn)；液壓系統(tǒng)無(wú)滲漏、無(wú)異響，試驗(yàn)中未出現(xiàn)機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)有損壞，連接處未出現(xiàn)松動(dòng)。除冰車(chē)作業(yè)臂在作業(yè)過(guò)程中滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本文以QYZ5200TCB型飛機(jī)除冰車(chē)為研究對(duì)象，運(yùn)用Pro/E創(chuàng)建除冰車(chē)作業(yè)臂虛擬樣機(jī)模型，采用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)基于Pro/E和ADAMS的對(duì)除冰車(chē)作業(yè)臂的聯(lián)合仿真分析。由仿真曲線圖可以看出，在除冰車(chē)作業(yè)臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)聯(lián)合仿真方法，可以全面直觀地反映模型的作業(yè)參數(shù)和性能，從而縮短除冰車(chē)的研發(fā)周期、降低成本。

2）仿真分析和試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，基于仿真參數(shù)設(shè)計(jì)制造的除冰車(chē)作業(yè)臂，在作業(yè)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的仿真曲線和數(shù)據(jù)采集分析，為確定建模仿真方法的正確性和可行性提供了有利的理論依據(jù)，也為相關(guān)民航設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維護(hù)維修提供了參考方法。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Dynamic characteristics research of deicing vehicle working arm

GONG Miao1，2，WANG Li-wen1，2，Lü Yong3
（1.College of Aeronautical Automation，CAUC，Tianjin 300300，China；2.Aviation Special Ground Equipment Research Base，CAAC，Tianjin 300300，China；3.Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

Taking QYZ5200TCB aircraft deicing vehicle as research object,a virtual model of deicing vehicle working arm is created with Pro/E by analyzing the structure and working principle of which.Then the virtual model is imported into ADAMS by Mechanism/Pro.The dynamics analysis and calculation are conducted with ADAMS by adding complex constraint and load,realizing Pro/E and ADAMS co-simulation and analysis of deicing vehicle working arm.A stability experiment is carried out to test the real working arm which is manufactured according to the simulation model.Results show that the motion of deicing vehicle working arm is stable and reliable with good continuity and no interference，proving that the simulation and analysis are reliable and offering reference to structure design and analysis of related civil aviation equipments.

deicing vehicle；working arm；Pro/E modeling；dynamics simulation；ADAMS

V351.392；TH6

：A

：1674-5590（2014）05-0022-05

2014-06-01；

：2014-06-24

：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG04B02）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（3122014D020）

龔 淼（1982—），男，遼寧建昌人，助理研究員，博士研究生，研究方向?yàn)槊窈教胤N裝備與系統(tǒng).