飛機(jī)牽引車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王福泰 湯皓泉 田 甜 齊向陽(yáng) 陳文科

1北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司 北京 101113 2中國(guó)船舶設(shè)計(jì)研究中心 武漢 430060

0 引言

飛機(jī)牽引車是調(diào)度飛機(jī)過程中必不可少的專用地勤設(shè)備，在狹小的范圍內(nèi)可以通過飛機(jī)牽引車牽引或頂推實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的移動(dòng)，飛機(jī)牽引車不僅需要具備較高的工作效能和效率，更重要的是保證運(yùn)行過程中安全可靠[1]。因此，牽引車安全性能的優(yōu)劣是評(píng)價(jià)車輛品質(zhì)的重要指標(biāo)，而制動(dòng)系統(tǒng)又是飛機(jī)牽引車安全性能的重要組成部分[2,3]。

本文在分析原理和適用性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新的液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更好地發(fā)揮了液壓蓄能器做為輔助動(dòng)力源功率密度大的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)工作效率，對(duì)大負(fù)荷的牽引車的駐車和高速下的制動(dòng)性能進(jìn)行研究，對(duì)于液壓動(dòng)力系統(tǒng)的推廣和深入研究具有一定意義[4]。

1 飛機(jī)牽引車總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，飛機(jī)牽引車由制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛位、蓄電池、夾持舉升裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等組成。整車系統(tǒng)布置緊湊，外形尺寸較小，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和通過性。飛機(jī)牽引車需要牽引大載荷飛機(jī)，使用液壓系統(tǒng)可提供足夠的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛行走。

圖1 飛機(jī)牽引車結(jié)構(gòu)布置圖

為了對(duì)飛機(jī)進(jìn)行頂推和牽引雙向操作，座椅、制動(dòng)踏板、油門踏板可進(jìn)行前后駕駛調(diào)節(jié)，電控踏板具有響應(yīng)速度快、控制精確的優(yōu)點(diǎn)[5]，制動(dòng)和油門踏板采用電控的形式，飛機(jī)牽引車采用電控制動(dòng)系統(tǒng)[6]。

大型特種車輛的制動(dòng)方式主要有全液壓制動(dòng)和油氣制動(dòng)2種[7]，其響應(yīng)情況如圖2所示。在相同制動(dòng)扭矩條件下，全液壓制動(dòng)相比油氣制定方式制動(dòng)響應(yīng)更快，在相同響應(yīng)時(shí)間下，全液壓制動(dòng)的制動(dòng)效果更好，同時(shí)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊，便于維護(hù)，工作時(shí)不需要?dú)庠?，在全封閉環(huán)境下無油氣排入大氣，相比較油氣制動(dòng)污染更小，故本牽引車選用全液壓制動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

圖2 全液壓制動(dòng)與油氣制動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

2 制動(dòng)系統(tǒng)組成及工作原理

飛機(jī)牽引車制動(dòng)系統(tǒng)為單回路制動(dòng)系統(tǒng)，液壓動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖3所示，動(dòng)力系統(tǒng)由液壓泵、蓄能器、制動(dòng)閥、充液閥、制動(dòng)液壓缸、行車制動(dòng)器、低壓報(bào)警器等組成。液壓泵輸出的液壓油通過充液閥向蓄能器供油。在開始制動(dòng)時(shí)，蓄能器在電比例閥的作用下開始給制動(dòng)液壓缸供油，制動(dòng)器響應(yīng)實(shí)施制動(dòng)。在制動(dòng)過程中，充液閥通過持續(xù)供油保持蓄能器壓力維持穩(wěn)定在安全范圍之內(nèi)。安全閥和低壓報(bào)警開關(guān)為液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的壓力保護(hù)裝置。

圖3 飛機(jī)牽引車液壓動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

牽引車行車制動(dòng)系統(tǒng)的基本原理為：電子踏板將踏板角轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入到電控單元；電控單元將控制電流及信號(hào)輸入到閥驅(qū)動(dòng)器；隨后根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生控制電流輸入到電比例制動(dòng)閥；電比例制動(dòng)閥根據(jù)特性曲線輸入電流調(diào)整輸出到制動(dòng)器的壓力。

在采用電比例制動(dòng)閥時(shí)還需要對(duì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)降速曲線進(jìn)行匹配，電比例制動(dòng)閥的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為250 ms。當(dāng)電動(dòng)機(jī)降速下降時(shí)間小于制動(dòng)閥制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受到制動(dòng)系統(tǒng)的影響，會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，從而使車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生顫振和沖擊現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制時(shí)必須將降速響應(yīng)時(shí)間控制在250 ms以上或使用慣性自由停車模式，防止在制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)。

當(dāng)制動(dòng)閥的制動(dòng)響應(yīng)高于發(fā)動(dòng)機(jī)降速響應(yīng)時(shí)，會(huì)使車輛降速時(shí)產(chǎn)生顫振和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火問題。發(fā)動(dòng)機(jī)油門響應(yīng)難以進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉式液壓泵斜盤進(jìn)行控制。當(dāng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，首先調(diào)節(jié)液壓泵的斜盤控制壓力，使斜盤壓力歸零，將液壓泵排量降低為零，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了脫離，然后再啟動(dòng)電比例制動(dòng)閥進(jìn)行制動(dòng)，可有效緩沖制動(dòng)帶來的顫振和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火問題。

3 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)選用了BBC04系列閉式行走馬達(dá)，行車制動(dòng)時(shí)，最大行車制動(dòng)力矩為10 700 N·m，最大制動(dòng)壓力為60 bar。當(dāng)駐車制動(dòng)時(shí)，最大駐車制動(dòng)力矩為10 900 N·m，釋放壓力為16 bar，最大釋放壓力為30 bar，釋放位移為150 ccm。

制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由制動(dòng)剎車片、液壓彈簧、靜態(tài)制動(dòng)活塞、動(dòng)態(tài)制動(dòng)活塞、油門轉(zhuǎn)軸等組成，結(jié)構(gòu)如4圖所示。

圖4 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用多片式的一體化制動(dòng)結(jié)構(gòu)，其制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行車、駐車共用一套摩擦片。駐車制動(dòng)時(shí)，液壓彈簧的彈力作用于靜態(tài)制動(dòng)活塞和動(dòng)態(tài)制動(dòng)活塞，推動(dòng)制動(dòng)剎車片抱死轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)，當(dāng)解除制動(dòng)時(shí)，油門閥打開，液壓彈簧壓縮，制動(dòng)剎車片壓力釋放。其中制動(dòng)扭矩與釋放壓力成比例減小。行車制動(dòng)時(shí)，受比例制動(dòng)閥影響，壓力隨制動(dòng)踏板力的增大而成比例增加，液壓油在做出制動(dòng)命令后通過進(jìn)油直接產(chǎn)生壓力并作用在動(dòng)態(tài)制動(dòng)活塞上，隨后再壓緊制動(dòng)剎車片，使車輪轉(zhuǎn)軸抱死。其中制動(dòng)扭矩與釋放壓力成正比例相關(guān)。

根據(jù)整車質(zhì)量結(jié)構(gòu)參數(shù)，其最大制動(dòng)距離為

式中：T為最大制動(dòng)扭矩，m為整車質(zhì)量，r為車輪半徑，vmax為最高車速。

3.2 液壓泵

利用工作轉(zhuǎn)向的齒輪液壓泵同時(shí)作為制動(dòng)充液系統(tǒng)的油源，按照蓄能器最長(zhǎng)充液時(shí)間10 s可知制動(dòng)系統(tǒng)所需油量相比轉(zhuǎn)向油量很小，在滿足轉(zhuǎn)向和工作系統(tǒng)供油時(shí)即可滿足制動(dòng)系統(tǒng)用油。

3.3 蓄能器

蓄能器是液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置，其工作原理如圖5所示，在系統(tǒng)中的能量蓄能器轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，蓄能器將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮耗芰總鬟f給工作機(jī)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，蓄能器可以將能量吸收，使整個(gè)系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定。

本制動(dòng)系統(tǒng)選用囊式蓄能器。囊氏蓄能器具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、功率密度高、慣性小，不易泄漏，易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)[8]。

在本牽引車制動(dòng)系統(tǒng)中蓄能器選擇的主要依據(jù)是工作壓力和容積，其中蓄能器容積V0由充氣壓力P0、有效工作容積ΔV、系統(tǒng)最低工作壓力P1和最高工作壓力P2決定。

有效排量ΔV計(jì)算公式為

式中：Si為液壓缸有效作用面積，Ti為液壓缸工作行程，m為液壓缸所需要的行程次數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)在緊急情況下的快速有效制動(dòng),蓄能器作為能量存儲(chǔ)裝置需要排放大量油液來提供足夠的制動(dòng)力，總?cè)莘e為

由此，蓄能器的選用根據(jù)充液閥壓力切換點(diǎn)（即最高壓力p1和最低壓力p2）和制動(dòng)器的用油量確定。

3.4 充液閥

充液閥是壓力控制閥，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，具有給制動(dòng)系統(tǒng)供液和維持蓄能器壓力穩(wěn)定的作用。充液閥根據(jù)回路類型的不同分單回路和雙回路2種形式，本牽引車采用使用的是單回路充液閥，主要由控制充液壓力上下限的先導(dǎo)閥和充液主閥組成。

充液閥選用單回路充液閥，中位開口，考慮下游需要驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷器馬達(dá)，選用帶溢流閥和二次回路的充液閥，行車制動(dòng)壓力為60 bar，為保證蓄能器提供足夠的制動(dòng)力，選用充液壓力為80～120 bar標(biāo)準(zhǔn)型；為防止系統(tǒng)超壓，選用溢流壓力140 bar的溢流閥。

3.5 比例制動(dòng)閥

比例制動(dòng)閥在制動(dòng)系統(tǒng)中具有控制系統(tǒng)油液流量和速度的功能，同時(shí)也具有壓力補(bǔ)償?shù)哪芰?，使輸出壓力和流量不受載荷的變化，工作原理如圖6所示。

圖6 比例制動(dòng)閥工作原理圖

當(dāng)制動(dòng)踏板發(fā)出制動(dòng)信號(hào)時(shí)，比例制動(dòng)閥中的比例放大器將制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，并相應(yīng)給比例閥的電比例磁鐵輸出電流，隨后閥芯根據(jù)磁性變化移動(dòng)位置，改變制動(dòng)液的流量和方向，完成對(duì)牽引車制動(dòng)的響應(yīng)。

如圖7所示，根據(jù)液壓馬達(dá)制動(dòng)參數(shù)表和比例閥特性曲線對(duì)比分析,液壓馬達(dá)的行走最大制動(dòng)壓力為60 bar，駐車最大釋放壓力為30 bar，適宜選用范圍壓力值為90 bar的電比例制動(dòng)閥比例閥來保證足夠的制動(dòng)壓力，通過控制器將其最大電流限制在1.65 A，使馬達(dá)制動(dòng)在正常使用的過程中有更高的安全性。

圖7 電比例制動(dòng)閥特性曲線

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)GJB 1848A—2002《飛機(jī)牽引車通用規(guī)范》中3.4.5制動(dòng)性能要求中規(guī)定：

1）牽引車在額定質(zhì)量狀態(tài)下行駛進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)的平均減速度應(yīng)大于2.5 m/s2。

2）當(dāng)牽引車制動(dòng)系統(tǒng)管路僅有一路有效，其余管路失效時(shí)，平均減速度應(yīng)大于1.5 m/s2。

3）牽引車應(yīng)能在3.5%的坡道上滿載駐車和起步。

4）平均減速度的計(jì)算式為

式中：a為平均速度，V為制動(dòng)減速度，m為制動(dòng)距離。

在試驗(yàn)中，牽引車質(zhì)量P為6 000 kg，牽引車前后輪軸荷比為6:4，牽引車驅(qū)動(dòng)輪半徑R為250 mm，最大輪荷m為6 000 kg，飛機(jī)質(zhì)量Q為15 000 kg，地面附著系數(shù)μ為0.8，坡度阻力系數(shù)λ為0.035，最大駐車制動(dòng)力矩M1為10 900 N·m，最大行車制動(dòng)力矩M2為10 700 N·m。

牽引車的夾持舉升裝置將飛機(jī)前起落架抱起時(shí)，前起落架作用在牽引車的質(zhì)量為5 000 kg，牽引車前輪載荷與后輪載荷之比為1:4。

前輪滿載支反力：P1＝ 3 600×9.8+1 000×9.8＝45.08 kN；后輪滿載支反力：P2＝2 400×9.8+4 000×9.8＝62.72 kN；平均后輪承載力為31.36 kN；坡道下滑分力F1＝P1λ＝45.08×0.035＝1.603 kN；駐車輪邊制動(dòng)力F駐＝M1/R＝10 900/0.25＝43.6 kN，F(xiàn)駐＞F1，滿足標(biāo)準(zhǔn)3.5%坡度駐車制動(dòng)要求；輪邊制動(dòng)力F2＝M2/R＝10 700/0.25＝42.8 kN；制動(dòng)減速度a＝F2/m＝42 800/6 000＝7.13 m/s2，根據(jù)參數(shù)計(jì)算滿足制動(dòng)時(shí)減速度要求。

牽引車為單管路制動(dòng)系統(tǒng)，在牽引車制動(dòng)過程中，液壓系統(tǒng)需要為制動(dòng)系統(tǒng)提供理想可靠的高壓油，對(duì)牽引車的發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓制動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試在平直水平水泥硬路面上進(jìn)行，在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，制動(dòng)系統(tǒng)主泵系統(tǒng)壓力來評(píng)價(jià)牽引車的制動(dòng)性能和各個(gè)參數(shù)是否存在異常。

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

牽引車行車制動(dòng)用于行駛中的減速和剎車，采用單回路制動(dòng)系統(tǒng)，后輪行車制動(dòng)器采用液壓制動(dòng)型制動(dòng)器。

為測(cè)量液壓系統(tǒng)的充液能力，觀察壓力變化的穩(wěn)定性，以及制動(dòng)響應(yīng)結(jié)束后，制動(dòng)系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速的卸壓。

4.2 試驗(yàn)過程

1）將牽引車制動(dòng)油路分別安裝測(cè)壓接頭，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)接口安裝發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器；

2）安裝完成后對(duì)各壓力傳感器進(jìn)行壓力零點(diǎn)校準(zhǔn)；

3）啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)觀察各參數(shù)是否存在異常（壓力顯示偏差可能是不同量程傳感器接錯(cuò)）；

4）最大速度踩下發(fā)動(dòng)機(jī)油門，在速度至工作值且基本穩(wěn)定后，快速完全松開油門，踩下制動(dòng)踏板，直至完全停車后按照上述步驟再次啟動(dòng)，測(cè)量工作循環(huán)過程中制動(dòng)器的壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過液壓測(cè)試儀監(jiān)測(cè)壓力和轉(zhuǎn)速傳感器，為了驗(yàn)證液壓系統(tǒng)充液保壓的穩(wěn)定性，對(duì)制動(dòng)主泵壓力進(jìn)行測(cè)試，其壓力變化曲線如圖8所示，15 s開始進(jìn)行駐車制動(dòng)，期間10 s，最高壓力為47.372 bar，平均壓力為34.865 bar，解除制動(dòng)后，制動(dòng)器壓力快速釋放為初始狀態(tài)。行車制動(dòng)主泵壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化如圖9所示。

圖8 駐車制動(dòng)壓力變化

在行車制動(dòng)過程中，如圖9實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，啟動(dòng)牽引車發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 200～1 300 r/min，平均轉(zhuǎn)速為1 284 r/min，踩油門踏板，行駛至最高車速30 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后維持在2 600～2 800 r/min，平均轉(zhuǎn)速為2 731 r/min，隨后松開油門踏板，踩下制動(dòng)踏板牽引車開始制動(dòng)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為0.2 s，制動(dòng)期間主泵最高壓力為65.867 bar，平均壓力為62.542 bar，小于比例閥額定壓力，充液工作穩(wěn)定，直至停車，制動(dòng)和解除制動(dòng)時(shí)液壓油壓力響應(yīng)迅速，制動(dòng)距離為4.5 m,平均減速度為7.65 m/s2，車輛在制動(dòng)過程中具有良好的穩(wěn)定性，液壓制動(dòng)系統(tǒng)安全可靠，制動(dòng)效果明顯，符合飛機(jī)牽引車制動(dòng)要求。

圖9 行車制動(dòng)主泵壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖

5 結(jié)論

制動(dòng)性能是車輛性能的主要性能之一，本文通過研究無桿飛機(jī)牽引車性能及指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)并分析了以液壓泵為動(dòng)力源，蓄能器為輔助動(dòng)力源的液壓制動(dòng)系統(tǒng)和多片式的一體化制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過實(shí)車試驗(yàn)表明，該液壓裝置可以提供足夠的制動(dòng)力，滿足牽引大型飛機(jī)時(shí)的制動(dòng)要求，制動(dòng)時(shí)能提供穩(wěn)定的制動(dòng)力，具備匹配動(dòng)力和制動(dòng)系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)各種裝置的選用合理可行。同時(shí)，壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)卸荷，避免在高壓下長(zhǎng)時(shí)間工作，提高了牽引車系統(tǒng)的安全性和使用壽命。