液壓緩沖無(wú)桿牽引車剎車工況下的仿真研究

張 威，房體會(huì)，王 偉

（1.中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(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）

1 引言

在現(xiàn)代機(jī)場(chǎng)中，飛機(jī)牽引車是不可或缺的地面特種保障設(shè)備，能夠用來(lái)牽引或頂推飛機(jī)[1]。民航飛機(jī)大都采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在低速條件下，能量利用率非常低，不符合節(jié)能減排的要求[2]。因此，現(xiàn)代民航飛機(jī)在地面頂推或牽引作業(yè)時(shí)需要依靠飛機(jī)牽引車完成。飛機(jī)牽引車也是維護(hù)牽引和救援牽引的動(dòng)力來(lái)源。

在飛機(jī)地面牽引作業(yè)過(guò)程中，如遭遇突發(fā)事件等情況，會(huì)因牽引車急剎車或急加速、飛機(jī)急剎車或受沖擊等在牽引系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的牽引載荷。牽引載荷如果超出了牽引系統(tǒng)中構(gòu)件的承受極限，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[3]。為了應(yīng)對(duì)牽引載荷過(guò)大的問(wèn)題，有桿式飛機(jī)牽引車的做法是：在常規(guī)的牽引桿上加上剪切銷，利用剪切銷的斷裂來(lái)保護(hù)其它部件[4]；南京航空航天大學(xué)的李福海等在加了剪切銷的基礎(chǔ)上提出了一種具有液壓緩沖保護(hù)特性的牽引桿方案[4]。常規(guī)無(wú)桿式飛機(jī)牽引車的做法是：加強(qiáng)人員培訓(xùn)及對(duì)牽引過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定[5]。這些做法一定程度上能夠保證安全，但是必然降低了牽引效率。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況（如緊急剎車或牽引車飛機(jī)碰撞時(shí)）時(shí)，并不能對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行有效的保護(hù)[6]。

因此，在Douglas TBL200 的基礎(chǔ)上，提出了具有緩沖功能的液壓緩沖無(wú)桿式飛機(jī)牽引車方案。緩沖器設(shè)置一定的觸發(fā)閾值，在沒(méi)有觸發(fā)時(shí)，緩沖器有足夠的剛度能夠保證正常的牽引作業(yè)。如果超出所設(shè)定的閾值，緩沖器觸發(fā)，完成對(duì)牽引系統(tǒng)特別是對(duì)飛機(jī)的保護(hù)。在Adams 里創(chuàng)建了“無(wú)桿牽引車（車架－緩沖器－夾持舉升機(jī)構(gòu)）－飛機(jī)”的牽引系統(tǒng)模型，對(duì)牽引車單獨(dú)急剎的工況仿真，并對(duì)常規(guī)無(wú)桿式飛機(jī)牽引車和液壓緩沖無(wú)桿式飛機(jī)牽引車在最大剎車力及相同剎車距離下的牽引載荷進(jìn)行對(duì)比。

2 液壓緩沖牽引車結(jié)構(gòu)

以能夠牽引A320-200 的Douglas TBL200 無(wú)桿式飛機(jī)牽引車為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，在其上增加液壓緩沖裝置。其中，增加的液壓緩沖裝置包括液壓緩沖器、滑塊和擴(kuò)大了Z向范圍的導(dǎo)向平面（與導(dǎo)向架所接觸的部分）。其結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 液壓緩沖無(wú)桿式牽引車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure Diagram of Towbarless Vehicle with Hydraulic Buffer

對(duì)于Douglas TBL200 無(wú)桿式飛機(jī)牽引車，對(duì)舉升平臺(tái)的約束是通過(guò)舉升連桿、舉升液壓缸和導(dǎo)向支架的組合來(lái)完成的。液壓緩沖無(wú)桿式飛機(jī)牽引車是在Douglas TBL 200 的基礎(chǔ)上，不改變舉升平臺(tái)原有的約束關(guān)系，把舉升連桿和舉升液壓缸改變?yōu)榕c滑塊相連；同時(shí)，把與舉升平臺(tái)導(dǎo)向架所接觸的導(dǎo)向平面在Z向進(jìn)行擴(kuò)大。其中，滑塊利用導(dǎo)軌與車架相連，使得滑塊能夠沿Z軸方向移動(dòng)；液壓緩沖器的液壓缸的右端利用法蘭與車架相連，液壓桿的右端利用螺栓與滑塊相連。

由于飛機(jī)地面牽引作業(yè)包括牽引、頂推兩種作業(yè)形式[2]，所以，為了保證牽引車在不同的作業(yè)形式下都有緩沖功能，把緩沖器的液壓缸設(shè)計(jì)成雙出桿型。其中，在沒(méi)有進(jìn)行緩沖工作時(shí)，液壓桿活塞位于液壓缸行程的中間。

3 牽引作業(yè)限制載荷分析

在本研究中，需要知道緩沖器觸發(fā)時(shí)的載荷閾值，參考牽引A320-200 飛機(jī)的牽引桿剪切銷的設(shè)計(jì)值。在牽引桿設(shè)計(jì)中，為了更好地保護(hù)飛機(jī)及其他裝置，一般把牽引桿設(shè)計(jì)成整個(gè)牽引系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。其中的設(shè)計(jì)，已經(jīng)給出了整個(gè)牽引系統(tǒng)牽引載荷的限制范圍，以某牽引A320 牽引桿為例，計(jì)算A320-200 飛機(jī)在牽引作業(yè)限制載荷，該牽引桿剪切銷的抗剪力范圍為32000N～41000N[7]。

為了是利用液壓緩沖裝置控制牽引載荷的大小。取剪切銷抗剪力的下限32000N 為液壓緩沖裝置觸發(fā)的牽引載荷數(shù)值。這時(shí)能夠更好地對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。其中液壓緩沖器沒(méi)有觸發(fā)時(shí)，雙出桿型液壓彈簧的剛度用下式計(jì)算[8]：

式中：Kh—液壓彈簧的剛度；βe—液壓油體積彈性模量；A—活塞的工作面積；L—液壓缸行程；VL—液壓缸左腔死容積（含管道容積）；VR—液壓缸右腔死容積（含管道容積）。

4 飛機(jī)地面牽引系統(tǒng)模型

以Douglas TBL200 和A320-200 飛機(jī)為原型，建立牽引系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)該牽引系統(tǒng)作如下假設(shè)：（1）牽引車和飛機(jī)都為剛體，且質(zhì)量分別集中于牽引車及飛機(jī)的重心處；（2）考慮夾持機(jī)構(gòu)對(duì)飛機(jī)前起輪胎的夾持性能；（3）考慮飛機(jī)前起緩沖支柱對(duì)牽引載荷的影響。

4.1 建模流程

對(duì)無(wú)桿牽引車車架、緩沖器、夾持舉升機(jī)構(gòu)，飛機(jī)的前起落架、主起落架的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)Solidworks 進(jìn)行建模并裝配，然后把上面所建立好的Solidworks 裝配體另存的保存格式是parasolid（*.x_t）。

以Adams/View 為平臺(tái)，將上一步所保存的文件導(dǎo)入，然后對(duì)模型里各個(gè)實(shí)體的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)施加到各個(gè)實(shí)體上。最后把輪胎模型和道路模型根據(jù)實(shí)際情況加入到牽引系統(tǒng)中，并根據(jù)實(shí)際情況添加模型的約束，完成牽引系統(tǒng)建立。

圖2 牽引系統(tǒng)Adams 模型Fig.2 Adams Model of Towing System

表1 牽引系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Towing System

4.2 牽引系統(tǒng)各子模型設(shè)置

4.2.1 輪胎模型和道路模型

在進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，輪胎模型的選取正確與否對(duì)仿真結(jié)果的真實(shí)可靠關(guān)系巨大[9]。Adams 自帶4 種能夠用于車輛動(dòng)力學(xué)仿真的輪胎模型，各輪胎模型的應(yīng)用場(chǎng)景各不相同，選擇適合多體動(dòng)力學(xué)仿真的Fialia 模型。Adams 里三維路面模型主要有：3D 樣條道路（3D Spline Road），等效容積路面（3D Equivalent－Volume）。由于各道路模型適用的情況不同[10]。因此選擇適合于這個(gè)仿真的3D 樣條道路里的平滑路面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

4.2.2 夾持模型設(shè)置

夾持機(jī)構(gòu)是把飛機(jī)前起輪胎與無(wú)桿式牽引車連接的裝置，夾持的可靠性對(duì)牽引的安全和效率及牽引系統(tǒng)中人員的舒適性有重大的影響。夾持模型，如圖3 所示。

圖3 無(wú)桿式飛機(jī)牽引車夾持模型Fig.3 Clamping Model of Towbarless Vehicle

在夾持模型中，壓緊支架和夾緊支架把飛機(jī)前起輪胎約束在舉升平臺(tái)兩個(gè)傾斜的托舉平面上，產(chǎn)生了夾持力。其中壓緊支架、夾緊支架對(duì)飛機(jī)前輪施加的夾持力分別由壓緊液壓缸、夾緊液壓缸所施加的。為了獲得更加真實(shí)的仿真結(jié)果，在仿真過(guò)程中不能忽略柔性體和液壓剛度對(duì)牽引載荷的影響，所以在夾持機(jī)構(gòu)和飛機(jī)前起輪胎之間建立了接觸模型。對(duì)于接觸力的建立運(yùn)用Adams 自帶的Impact 函數(shù)計(jì)算接觸力。接觸力的設(shè)置相關(guān)的部件有：飛機(jī)的2 個(gè)前輪，夾持機(jī)構(gòu)的2 個(gè)壓緊支架，夾持機(jī)構(gòu)的2個(gè)夾緊支架和舉升機(jī)構(gòu)的2 個(gè)托舉面。一共設(shè)置8 處接觸力，因其相互接觸的兩個(gè)物體都是相同的：輪胎和金屬板。所以其參數(shù)都采用相同的設(shè)置，如表2 所示。對(duì)于夾持舉升機(jī)構(gòu)的壓緊支架和夾緊支架，在TBL－200 里，其所施加的夾持力是由液壓缸所施加的。將壓緊液壓缸和夾緊液壓缸的液壓力等效為一個(gè)線性彈簧阻尼器。其中線性彈簧阻尼器的設(shè)置，如表3 所示。

表2 接觸模型參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter Setting of Contact Model

表3 線性彈簧阻尼器參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter Setting of Linear Spring Damper

4.2.3 緩沖器模型設(shè)置

緩沖器能夠有效地減小慣性沖擊和剛性碰撞，對(duì)機(jī)械設(shè)備的保護(hù)作用明顯。其中，由于理想緩沖器相較于其它緩沖器具有緩沖力最大且緩沖效率高的優(yōu)點(diǎn)[11]。

液壓緩沖器吸收能量的方法有：緩沖器內(nèi)部的彈簧壓縮吸收能量；另一個(gè)是液壓油被迫通過(guò)調(diào)速閥的節(jié)流孔，把物體的沖擊能轉(zhuǎn)換成熱能[11]。再者，由于緩沖器內(nèi)部的彈簧只是用于在牽引車行駛或停車狀態(tài)時(shí)使液壓桿克服摩擦力恢復(fù)到液壓缸的中間位置，所以彈簧的剛度要求不高，吸收的能量同時(shí)也很有限，即絕大部分的能量都讓節(jié)流孔耗散掉。所以在對(duì)緩沖器的建模中不考慮液壓缸的內(nèi)部彈簧。在牽引系統(tǒng)中，液壓緩沖器采用理想緩沖器模型。在Adams 里用一個(gè)兩點(diǎn)力SFORCE 代替液壓緩沖器，使得飛機(jī)等減速運(yùn)動(dòng)。

5 剎車時(shí)不同緩沖器的仿真分析

根據(jù)建立的牽引系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比最大剎車力時(shí)和相同剎車距離時(shí)的常規(guī)無(wú)桿式牽引車和不同緩沖行程的無(wú)桿式牽引車的牽引載荷，考察液壓緩沖無(wú)桿式牽引車的保護(hù)功效。

5.1 最大剎車力時(shí)的仿真分析

根據(jù)東航所發(fā)布的“A320 飛機(jī)勤務(wù)手冊(cè)”，飛機(jī)地面正常牽引速度要小于5km/h[4]。因此，在仿真過(guò)程中先令牽引系統(tǒng)以1389mm/s 前進(jìn)，然后在牽引車單獨(dú)制動(dòng)的情況下，使?fàn)恳到y(tǒng)中的牽引車與飛機(jī)的速度都變?yōu)?km/h。另外，最大的剎車力的取值參考民航局所頒布的“牽引車牽引作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，其中說(shuō)明牽引車剎車時(shí)剎車力為牽引車質(zhì)量的60%[12]，而此仿真工況為無(wú)桿牽引車單獨(dú)急剎，剎車制動(dòng)力已然超過(guò)無(wú)桿牽引車馱負(fù)質(zhì)量的60%。其中不同緩沖器的緩沖距離，如表4 所示。

表4 最大剎車力時(shí)不同的緩沖器的緩沖距離表Tab.4 Buffer Distance Table for Different Buffers at Maximum Braking Force

最大剎車力時(shí)，牽引車速度在不同的緩沖器下的變化曲線，如圖4 所示。

圖4 最大剎車力時(shí)不同緩沖器牽引車速度變化曲線Fig.4 Towbarless Vehicle Speed of Different Buffers at Maximum Braking Force

圖5 最大剎車力時(shí)不同緩沖器下?tīng)恳d荷變化曲線Fig.5 Towing Loads of Different Buffers at Maximum Braking Force

通過(guò)以上的仿真結(jié)果可得：由圖4 和圖5 可以得出，在最大剎車力下，常規(guī)無(wú)桿牽引車的剎車時(shí)間為2.75s，剎車距離為1.91m；當(dāng)緩沖器加入后，隨著緩沖距離的不斷增加，牽引車的速度降低的更加劇烈，牽引載荷也在不斷的降低。其中，在圖5 中可以看出，緩沖器5 和緩沖器6 都滿足對(duì)牽引載荷控制的要求，但是考慮到盡量降低緩沖距離的要求，選擇緩沖器5 對(duì)牽引載荷進(jìn)行控制。

在裝備有緩沖器5 的液壓緩沖無(wú)桿牽引車，牽引載荷已由常規(guī)無(wú)桿牽引車的38600N 降低到32000N，降低了17.10%；剎車距離已由常規(guī)無(wú)桿牽引車的1.91m 降低到0.93m，降低了51.31%。此時(shí)緩沖距離為1.25m。

5.2 相同剎車距離時(shí)的仿真分析

在這個(gè)仿真過(guò)程中，不同的緩沖器下?tīng)恳嚨膭x車距離和常規(guī)無(wú)桿牽引車的剎車距離相同，來(lái)考查牽引載荷的變化情況，同時(shí)，不同緩沖器的緩沖距離不做任何改變，如表4 所示。在這個(gè)過(guò)程中，牽引車的速度變化同圖4 中的常規(guī)無(wú)桿牽引車曲線。牽引載荷變化曲線，如圖6 所示。

圖6 剎車距離相同時(shí)不同緩沖器下?tīng)恳d荷變化曲線Fig.6 Towing Loads of Different Buffers at Same Braking Distance

由圖6 可以看出，液壓緩沖無(wú)桿式飛機(jī)牽引車與常規(guī)無(wú)桿牽引車的擁有相同的剎車距離時(shí)，牽引載荷隨著緩沖距離的不斷增加在不斷的降低。其中，緩沖器2 至緩沖器6 都滿足牽引載荷控制要求，但是考慮到盡量降低緩沖距離的要求，選擇緩沖器2對(duì)牽引載荷進(jìn)行控制。牽引載荷已由常規(guī)無(wú)桿牽引車的38600N降低到32000N，降低了17.10%。此時(shí)緩沖距離為0.49m。

綜上兩種情況對(duì)比與分析：在牽引系統(tǒng)中，牽引車單獨(dú)剎車時(shí)：在最大剎車力時(shí)，為達(dá)到牽引載荷控制的目的，緩沖器的緩沖距離達(dá)到了1.25m，這個(gè)方式的優(yōu)點(diǎn)是剎車距離降低了51.31%，缺點(diǎn)是緩沖距離過(guò)長(zhǎng)；在相同剎車距離的情況下，為達(dá)到牽引載荷控制的目的，緩沖器的緩沖距離為0.49m，比最大剎車力時(shí)達(dá)到牽引載荷控制目的的緩沖距離降低了60.8%。綜上分析，不論是最大剎車力還是相同剎車距離的情況，增加液壓緩沖裝置都能對(duì)牽引載荷進(jìn)行有效的控制，其中都有優(yōu)缺點(diǎn)，具體應(yīng)用哪種方式，就要考慮工程中的具體需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)無(wú)桿式飛機(jī)在地面作業(yè)過(guò)程中，牽引載荷過(guò)大造成人員的傷害和飛機(jī)或其它相關(guān)設(shè)備的損害的問(wèn)題，基于Douglas TBL200 提出了液壓緩沖無(wú)桿式飛機(jī)牽引車方案，介紹了該牽引車的結(jié)構(gòu)及工作原理；基于Solidworks 和Adams 建立了“無(wú)桿牽引車（車架－緩沖器－夾持舉升機(jī)構(gòu)）－飛機(jī)”的地面牽引系統(tǒng)模型，模型中考慮了夾持機(jī)構(gòu)對(duì)飛機(jī)前起輪胎的夾持。針對(duì)牽引車單獨(dú)剎車工況，通過(guò)仿真對(duì)常規(guī)無(wú)桿式飛機(jī)牽引車和液壓緩沖無(wú)桿式飛機(jī)牽引在最大剎車力和相同剎車距離時(shí)牽引載荷的變化進(jìn)行了對(duì)比分析。

在牽引系統(tǒng)中，牽引車單獨(dú)剎車時(shí)，增加了液壓緩沖裝置在牽引車對(duì)剎車力的兩種控制方式都能夠達(dá)到控制牽引載荷的目的，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)：在最大剎車力的情況下，降低牽引系統(tǒng)的剎車距離均得到大幅度降低，但是緩沖器的所需行程過(guò)長(zhǎng)。在剎車距離與常規(guī)無(wú)桿牽引車的剎車距離相同時(shí)，牽引系統(tǒng)的剎車時(shí)間、剎車距離沒(méi)有發(fā)生改變，但是緩沖器所需的行程降低了60.8%，更有利于工程實(shí)現(xiàn)。