基于AMESim的除冰車全液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

周虎林等

摘要：由于機(jī)場(chǎng)除冰車使用工況的特殊性，對(duì)其行駛安全性要求較高，因此制動(dòng)系統(tǒng)顯得尤為重要。分別搭建各組件的AMESim模型，仿真研究不同輸入信號(hào)工況下進(jìn)出壓力變化情況及協(xié)調(diào)性，尤其是對(duì)雙路充液閥、雙路液壓制動(dòng)閥工作過程的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究，最后實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞：除冰車；雙路制動(dòng)系；液壓制動(dòng)；AMESim模型；實(shí)車測(cè)試 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH137 文章編號(hào)：1009-2374（2015）30-0017-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.30.009

1 概述

機(jī)場(chǎng)除冰車是一種在低溫、冰雪工況下對(duì)機(jī)場(chǎng)路面及航空設(shè)備進(jìn)行除冰作業(yè)的專用設(shè)備。它除冰可靠、效率高、易操作，大量用于各民航和軍用機(jī)場(chǎng)，會(huì)非常有效地降低飛行和保障難度，增強(qiáng)安全的同時(shí)保證了交通效率。制動(dòng)是車輛非常重要的組成部分之一，本質(zhì)是將車輛的動(dòng)能經(jīng)過摩擦轉(zhuǎn)化成熱能，最后擴(kuò)散至大氣中。除冰車等專用工程車輛制動(dòng)系發(fā)展過程主要是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)步過程，歷經(jīng)單一的機(jī)械摩擦制動(dòng)、真空助力制動(dòng)、氣頂液制動(dòng)以及全動(dòng)力液壓制動(dòng)等階段。國外在全動(dòng)力液壓制動(dòng)系研究方面進(jìn)展也很緩慢，基本都是只做定性說明或簡單介紹，沒有定量設(shè)計(jì)。國內(nèi)對(duì)于此方面的研發(fā)進(jìn)展不大，成果也極其有限。太原科技大學(xué)林慕義教授科研團(tuán)隊(duì)側(cè)重于充液閥和制動(dòng)閥的靜動(dòng)態(tài)理論推導(dǎo)以及理想數(shù)學(xué)建模，為后續(xù)理論分析提供了參考，但對(duì)實(shí)際工程幫助較為有限，準(zhǔn)確程度難以運(yùn)用到實(shí)際中。

本文主要通過AMESim仿真平臺(tái)搭建雙路充液閥、液壓制動(dòng)閥、制動(dòng)器等模塊模型，搭建了除冰車實(shí)車制動(dòng)系整車各部件共同作用情況下的仿真模型。仿真分析各不同給定信號(hào)下出入壓力變化情況和協(xié)調(diào)性；實(shí)車試驗(yàn)仿真模型的準(zhǔn)確性，主要是測(cè)量制動(dòng)過程中制動(dòng)器壓力變化情況；對(duì)比仿真結(jié)果，分析參數(shù)對(duì)制動(dòng)性能的影響。

2 除冰車制動(dòng)系設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)計(jì)算

后橋都選擇MICO公司最大制動(dòng)力矩為50000N·m的制動(dòng)器，本部分后面設(shè)計(jì)將按照此力矩來計(jì)算輪缸和主缸的大小。輪缸直徑d的確定。依據(jù)襯塊對(duì)制動(dòng)盤的作用力與力的作用面積的關(guān)系可知：

盤式制動(dòng)時(shí)最高的管路工作壓力一般限定在12MPa，且壓力越高，機(jī)構(gòu)越緊湊，但對(duì)制動(dòng)軟管接頭安全和密封性等要求就越嚴(yán)格。計(jì)算結(jié)果滿足GB 2865-1997規(guī)定。

前后輪單個(gè)制動(dòng)器一個(gè)側(cè)面制動(dòng)輪缸總工作面積：

結(jié)合實(shí)車實(shí)際情況，建立整車制動(dòng)系A(chǔ)MESim模型。制動(dòng)系主要分為動(dòng)力源機(jī)構(gòu)（液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)組件）、控制機(jī)構(gòu)（充液閥和蓄能器組件）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（制動(dòng)閥和管路組件）以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（制動(dòng)器組件）四大部分，信號(hào)來源由駕駛員施加的踏板位移提供。除冰車制動(dòng)系液壓泵、充液閥、蓄能器可以為制動(dòng)系提供的壓力范圍是12.8～15.9±0.5MPa。制動(dòng)閥工作壓力范圍為0～11.6MPa。

4 制動(dòng)系仿真分析

將針對(duì)駕駛員操作時(shí)的各種輸入分別對(duì)制動(dòng)性進(jìn)行研究，并分析當(dāng)一條回路失效情況下對(duì)整車制動(dòng)性能的影響。駕駛員輸入位移量、制動(dòng)閥閥芯直徑和蓄能器壓力影響，參數(shù)設(shè)置如表2所示：

4.1 比例信號(hào)輸入

制動(dòng)時(shí)最簡單的情況是當(dāng)駕駛員緩慢踩動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)力緩慢增加，制動(dòng)閥輸出也同步增加，此過程可以用比例信號(hào)來描述，如圖2所示：

4.2 一條回路失效

針對(duì)兩條回路中任何一條回路失效情況進(jìn)行仿真分析，輸入信號(hào)采用最切合實(shí)際情況的梯形波信號(hào)。

4.2.1 前橋制動(dòng)回路發(fā)生故障。結(jié)果如圖3所示：

由仿真結(jié)果可知，前橋失效，則輸出壓力為零，后橋制動(dòng)壓力約為12MPa，壓力輸出正常，前橋和后橋所產(chǎn)生的制動(dòng)力相同，因此整個(gè)制動(dòng)系仍可以獲得正常情況下一半的總制動(dòng)力大小。而每次制動(dòng)，蓄能器都會(huì)放出制動(dòng)閥一定體積的油液量，由于前橋失效，因此只有一半油液量供給后橋制動(dòng)器，實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)完畢后，油液又回到油箱。因此，隨著制動(dòng)過程的不斷進(jìn)行，后橋蓄能器內(nèi)油液的體積逐漸減少，壓力也隨著逐漸降低，直到壓力低于制動(dòng)所需壓力時(shí)，蓄能器提供壓力與制動(dòng)壓力相等。

4.2.2 后橋制動(dòng)回路發(fā)生故障。仿真結(jié)果如圖4所示：

后橋失效時(shí)，前幾次制動(dòng)中，前橋制動(dòng)壓力仍能達(dá)到正常值，前橋蓄能器內(nèi)壓力也隨著制動(dòng)次數(shù)的增多而減小，直到壓力小于制動(dòng)壓力后，蓄能器提供的壓力就是實(shí)際制動(dòng)時(shí)的壓力。通過仿真結(jié)果可知，蓄能器壓力能夠提供五次正常制動(dòng)壓力，在第六次制動(dòng)時(shí)壓力會(huì)降到正常制動(dòng)壓力以下，此壓力約為11.4MPa。在制動(dòng)過程中，由于油液的阻尼以及制動(dòng)管路的作用，會(huì)使得壓力產(chǎn)生微小震蕩，但無明顯超調(diào)，屬于正常現(xiàn)象。

4.3 整車制動(dòng)系仿真分析

4.3.1 不考慮充液閥充液。當(dāng)輸入梯形波信號(hào)時(shí)得到前后橋蓄能器和制動(dòng)管路壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

根據(jù)仿真結(jié)果知，前后橋制動(dòng)管路壓力變化與踏板信號(hào)保持一致，后橋制動(dòng)管路壓力比前橋略高，有利于保證整車制動(dòng)穩(wěn)定性。前后橋蓄能器在每次制動(dòng)時(shí)都釋放一定的油液量，蓄能器內(nèi)部壓力降低，在制動(dòng)維持階段和解除制動(dòng)階段，蓄能器不給制動(dòng)系供油，因此壓力保持不變。經(jīng)過五次制動(dòng)后，各蓄能器壓力降低至低于制動(dòng)最高工作壓力值，此時(shí)如果充液閥不開啟為蓄能器充液，則蓄能器壓力就是制動(dòng)管路壓力值，蓄能器壓力變化比較平穩(wěn)，沒有較大的波動(dòng)，制動(dòng)管路壓力由于液體傳遞，有一個(gè)短暫的延時(shí)和平滑穩(wěn)定的過渡。每次踩踏板瞬間和踏板運(yùn)動(dòng)至最大行程位置處時(shí)，會(huì)對(duì)輸出壓力產(chǎn)生微小擾動(dòng)，在踏板緩慢運(yùn)動(dòng)過程中，壓力平穩(wěn)變化。

4.3.2 考慮充液閥充液。考慮充液閥充液過程，制動(dòng)和充液聯(lián)合作用下仿真曲線如圖8所示：

根據(jù)仿真結(jié)果，每完成五次制動(dòng)后，蓄能器內(nèi)的壓力就降低至充液閥的下限壓力值，充液閥開啟（第15s和第39s），為蓄能器充液，充液時(shí)間為9s，在第24s和第48s時(shí)完成充液。

5 制動(dòng)系實(shí)車試驗(yàn)分析

5.1 停車試驗(yàn)

先保持開機(jī)狀態(tài)充液，使得蓄能器內(nèi)達(dá)到要求壓力后停機(jī)。駕駛員勻速踩動(dòng)踏板，輸入梯形波信號(hào)，將耐震壓力表測(cè)得的壓力變化試驗(yàn)結(jié)果視頻用電腦通過分幀軟件提取出來后，逐一描點(diǎn)得到試驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示：

壓力變化與理論分析幾乎吻合。

5.2 開機(jī)試驗(yàn)

實(shí)車加速至規(guī)定最大制動(dòng)初速度V=30km/h后保持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)蓄能器出口和制動(dòng)器入口壓力，結(jié)果如圖10所示：

在完成充液后，蓄能器從最高壓力開始工作，經(jīng)過5次制動(dòng)后蓄能器壓力降低至最低壓力，充液閥開始充液，直至再次恢復(fù)最高壓力。

6 結(jié)語

（1）蓄能器壓力和制動(dòng)管路壓力變化情況符合設(shè)計(jì)要求；（2）整車制動(dòng)性能仿真與實(shí)車試驗(yàn)吻合度較高，建模精度較高；（3）根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合實(shí)車需要，設(shè)計(jì)了實(shí)車試驗(yàn)的方法，對(duì)制動(dòng)管路壓力進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果有力驗(yàn)證了設(shè)計(jì)合理，理論分析和模型正確；（4）通過

試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)仿真參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提出了相應(yīng)措施。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）