液压气动与密封／２Ｏｌ１年第２期 基于ＡＭＥＳｉｍ的飞机牵引车 转向制动系统仿真及优化 温 琦 陈 志 王 志 刘清林 霍 旭 （中国农业机械化科学研究院，北京 １０００８３） 摘要：飞机牵引车是一种重要的机场地勤设备，主要用于在地面移动各种飞机。本文针对一新研飞机牵引车液压制动及转向系统试 验中发现的助力转向瞬间失灵现象。在各种典型工况下对系统压力及转速等参数进行了实际测试，并在实测数据的基础上基于 ＡＭＥＳｉｍ软件平台建立了该飞机牵引车液压制动及转向系统的仿真模型．然后通过相同工况下仿真结果与实测数据的对比，验证了系 统仿真模型在一定简化条件下的准确性。最后通过对系统充液特性、流量分配等动态过程的仿真分析，进一步分析验证了问题的成因 并提出了相应的解决方案。最终取得了预期的实际效果。 关键词：飞机牵引车；液压制动及转向系统；ＡＭＥＳｉｍ；充液特性 中图分类号：ＴＨ６９ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ００８—０８ｌ３（２０１１）０２—０ｏ６６一ｏ４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｒａｋｅ ａｎｄ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｔｏｗ Ｔｒａｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ＾ＭＥＳｉｍ ＷＥＮ Ｑｉ ＣＨＥＮ Ｚｈｉ ＷＡＮＧ Ｚｈｉ ＬＩＵ Ｑｉｎｇ－ｌｉｎ ＨＵＯ Ｘｕ （Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｒｃｒａｆｔ ｔｏｗｉｎｇ ｔｒａｃｔｏｒ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｉｒｐｏｒｔ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＧＳＥ），ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｍｏｖｉｎｇ ｖａｒｉｏｕｓ ａｉｒｃｒａｆｔ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｏｎｅ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｔｏｗｉｎｇ ｔｒａｃｔｏｒ，ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｂｏｏｓｔｅｒ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｅ ａｎｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｇｅａｒ ｐｕｍｐ ｓｐｅｅｄ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｏｒ’Ｓ ｔｙｐｉｃａｌ ｔａｓｋｓ．Ｔｈｅｎ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｅ ａｎｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＭＥＳｉｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｔ ｌａｓｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｅｔｃ．，ｔｈｅ ｌ￣ａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｎｔｉｍｅ，ｓｏｍｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｈａｄ ａ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ａｉｒｃｒａｆｔ ｔｏｗｉｎｇ ｔｒａｃｔｏｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｅ ａｎｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ＡＭＥＳｉｍ；ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｏ 引言 飞机牵引车是一种重要的机场地勤设备，主要用 来移动在地面的在航或不在航的飞机，以尽量减少飞 车的制动及转向系统，它采用后轮驱动前轮转向的驱 动方式．行车和驻车两套制动系统均集成于驱动后轮 的低速大扭矩轮边马达上，转向采用液压助力的方式。 该飞机牵引车在研制测试过程中发现转向助力存在短 机发动机在地面的运转时间。无论在民用航空领域还 是军用航空领域，为了保证精密昂贵的飞机的移动安 全，飞机牵引车要尽量避免在移动飞机过程中的冲击， 所以其动力传动系统必须具备平稳的起动加速、减速 制动以及微动等性能。静液压传动因其具备优良的无 极变速性能、动力制动特性以及过载保护能力，在国内 暂的助力中断现象，针对该问题本文首先在飞机牵引 车的各种典型工况下对液压制动及转向系统的压力及 转速等参数进行了实际测试。并基于ＡＭＥＳｉｍ软件平 台建立了该系统的仿真模型．然后通过实际测试与仿 真分析相结合的方式分析问题的成因并寻求解决的方 法。 外的飞机牵引车动力传动系统中得到了越来越广泛的 应用。本文的研究对象即为一型静液压传动飞机牵引 ＡＭＥＳｉｍ是Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ的简 写，即工程系统仿真的高级建模环境，它是法国Ｉｍａｇｉｎｅ 收稿日期：２０１０—０５—１８ 作者简介：温琦（１９８１一），男，在读博士，现从事特种车辆领域研究。 ６６ 公司推出的基于键合图的液压／机械系统建模、仿真及 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．２．２０１ １ 动力学分析软件，以其强大的仿真和分析能力在车辆、 航空航天及工业机械等很多领域得到了广泛的应用［３１。 上述系统在测试中发现，在蓄能器充液过程中，转 向系统会出现短暂的助力中断现象。初步分析问题的 成因，应该是充液过程中充液流量与转向系统流量分 配出现短暂的失衡引起的。 １飞机牵引车液压制动及转向系统 该飞机牵引车的静液压传动系统主要分为行走、 工作和制动及转向三个部分，其中行走系统采用闭式 回路。由变量泵驱动低速大扭矩轮边马达，而工作系统 ２系统仿真模型的建立与验证 该制动及转向系统仿真模型的建立难点在的充液 和制动及转向系统则分别由两个齿轮泵提供压力油 特性，其关键部件是充液阀，它的主要作用是及时为蓄 液。本文的研究对象是该飞机牵引车的制动及转向系 统。其液压原理图如图ｌ所示。 ｌ一柴油发动机２一吸油滤清器３一齿轮泵４一系统安全阔 ５一稳流阎 ６一蓄能器充液阀７一行车制动阀８一轮边马达９一手动驻车阀 １Ｏ一液压油箱 ｌ１一蓄能器 １２一压力表 ｌ３一手动泵 １４一转向液压缸 ｌ５一双向缓冲阀 ｌ６一转向器 ｌ７一安全阀 １８～回油滤清器 图１ 飞机牵引车液压制动及转向系统 从图１中可以看到，由柴油发动机１驱动齿轮泵３ （排量为８ｍＬ／ｒ，公称压力２３ＭＰａ）为制动及转向系统提 供油压．系统安全阀４的溢流压力设定为１５ＭＰａ。行车 制动及驻车制动系统均集成于驱动后轮的低速大扭矩 轮边马达８上，由蓄能器提供油压，蓄能器的压力则由 充液阀控制在接通和切断压力范围内，即当系统压力 低于接通压力１１ＭＰａ时开始充液，当系统压力高于切 断压力１３ＭＰａ时停止充液。行车制动采用鼓式制动器， 行车制动阀７是由制动脚踏板控制的逐级释放减压 阀，制动液压缸的最高压力为１２ＭＰａ。驻车制动采用摩 擦片式制动．制动腔内无压力时为制动状态，压力范围 在１．２ＭＰａ～３ＭＰａ时制动释放，由手动反比制动阀９控 制。转向方式为液压助力，采用开芯无反应转向器，转 向器组合阀块中集成了双向缓冲阀１５（溢流压力设定 为１６ＭＰａ）和安全阀ｌ７（溢流压力为１０ＭＰａ）。手动泵 ｌ３用于在发动机停机等特殊情况下，为系统提供应急 油源。 能器充液，使蓄能器的压力保持在一定范围内Ｉ４、５１。 ｐ Ｓ Ｔ Ａ 图２充液闽结构不惫图 如图２及图１中所示，充液阀主要由控制充液上 下限的先导阀和充液主阀构成，其Ｐ、Ｓ、Ａ和Ｔ口分别 为液压泵压力油进油口、通向转向系统的油口、通向蓄 能器的油口及回油口Ｉ６１。充液系统主要有充液和放液两 个工作阶段：当蓄能器的压力低于接通压力时，作用在 先导阀上的液压力低于先导阀芯弹簧的作用力，先导 阀Ａ、Ｂ口导通，Ｐ口压力经过两级节流作用于充液主 阀阀芯右端与左端Ｐ口压力平衡，控制油液以一定的 流量从Ｐ口流向Ａ口，多余流量由Ｓ口流向转向系统， 当蓄能器压力达到接通压力后，先导阀芯在液压力的 作用下开始移动，逐渐使先导阀的Ａ、Ｂ、Ｔ口均切断，此 时充液主阀右端的液压力保持在切断前的压力，直至 蓄能器压力达到切断压力后，先导阀Ａ口和Ｔ口导通， 充液主阀右端压力降为０，主阀Ｐ口和Ｓ口完全接通， 单向阀关闭，流量全部流向转向系统；当蓄能器在使用 过程中压力逐渐降低，先导阀又逐渐进入Ａ、Ｂ、Ｔ口均 切断的中间状态，但此时主阀右端压力却为０，所以流 量仍旧全部流向转向系统，直至蓄能器压力再次低于 接通压力，充液阀开始重复充液阶段的工作过程１７１。 除充液系统外．还要建立液压泵系统、行车制动控 制及执行机构、驻车制动控制及执行机构及转向系统 控制及执行机构的仿真模型。根据系统研究的侧重点 不同．在建立上述系统仿真模型时进行了以下几点简 化：①用不随负载变化的理想动力源模型代替了实际 ６７ 液压气动与密封，２０ｌ１年第２期 中随负载变化转速不断波动的发动机：②飞机牵引车 制动及转向系统的负载实际上是不断变化的，而仿真 车液压制动及转向系统进行实测，然后在相同工况下 对仿真模型进行仿真运算，并把仿真结果与实测数据 进行了对比，如图４所示：图４ａ、４ｄ分别为逐渐踩下行 模型中则用典型工况下的稳定负载进行了代替；③用 一个三位四通阀替代了开芯式无反应转向器。最终建 车制动踏板的同时系统开始充液的工况下的实测数据 和仿真结果，曲线ｌ为制动鼓液压缸压力，曲线２为齿 轮泵出口压力，曲线３为齿轮泵转速：图４ｂ、４ｅ中的工 况是驻车制动施加和解除的过程，在驻车制动解除的 同时系统开始充液，图４ｂ、４ｅ分别为实测数据和仿真 立的系统仿真模型如图３所示。 结果，曲线ｌ为驻车制动腔压力，曲线２为齿轮泵出口 压力，曲线３为齿轮泵转速；图４ｃ、４ｆ中的工况是原地 打转向直至转向轮打死然后回轮的过程。在回轮时系 统开始充液，图４ｃ、４ｆ分别为实测数据和仿真结果，曲 线ｌ为齿轮泵出口压力，曲线２为齿轮泵转速。从实测 数据与仿真结果的对比可以看出，仿真模型基本可以 反映实际系统的运行状态，由于在仿真模型中采用了 理想的恒转速动力源，所以齿轮泵转速和系统压力没 图３液压制动及转向系统仿真模型 有连续的微小波动，但并不影响仿真结果对系统的分 析。 础 建立仿真模型后，首先在典型工况下对飞机牵弓 １２ 一 ／３ ——～ 、 －－＿ 皇ｌ２ １０ ｃ ８ １０ ８ ‘窨６ ４ ６ 量２ ： ０ 言４ Ｉ ２ ２ ０ １２ 、 １０ 差 ８ 吾 ｌＯ ｔ／ｓ １５ 筝 一ｍ５Ｏ 仰， 垦】２ ｌＯ ８ 口‘量６ ４ × ０ （ｄ） ’ （ｂ）驻车制动实测 （Ｃ）转向系统实测 （ｄ）行车制动仿真 （ｅ）驻车制动仿真 （ｆ）转阿系统仿真 图４实测数据与仿真运算结果对比 ； ； ３系统仿真分析与优化 ・优先进人充液系统。首先改变仿真模型， 分别在液压 泵转速为１６００ｒ／ｍ和９００ｒ／ｍｉｎ讨进行仿真运算， 结果如 针对液压制动及转向系统测试中发现的问题，假 定仿真运算工况如下：发动机怠速状态下．原地转向过 程中系统开始充液，运行仿真模型并观测系统流量分 配如图５所示，曲线１为转向系统流量，曲线２为充液 流量，曲线３为稳流阀溢流流量，曲线４为齿轮泵转速 （图６同）。从图中可以看到，在充液过程中，转向系统流 图６所示。从图中可见在转速为 １６ｏ 钿 时。充液过程 中转向系统流量没有受到影响‘ 在转速为９０ｍ ｉｆＩ时 充液过程中转向系统流量显著减少 但朱完全中断，此 时为发动机怠速即牵引车的原地转向状态．不会造成 安全隐患。依据仿真结果对牵引车液压系统进行相应 优化改进后，系统充液过程中转向、系统助『力无中。断现 象，实现了预期的效果。 “・ 一 量降为零，所以出现短暂的无助力状态，此时稳流阀仍 有部分流量溢流，造成了一定的流量损失。通过分析后 考虑把稳流阀放在充液阀后，则可以使溢流的部分流量 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．２．２０１ １ 验条件不易实现的工况，及观测一些不易测量的系统 参数。本文通过实物样机与仿真模型、实际测试与仿真 分析相结合的方式，分析了飞机牵引车液压制动及转 向系统在充液过程中的动态流量分配，发现系统存在 一定的流量损失，并在仿真试验的基础上对系统进行 了优化改进，解决了转向系统助力中断问题。 图５系统流量分配图 参 考 文 献 ［１ Ｊ王意．飞机牵引车技术的发展［Ｊ１．国际航空，１９９４（９）． ［２］王意．Ｑｒ３：系列飞机牵引车的液压传动装置［Ｊ】．中国机械工 兮 ｛ ． 高 量 。 ＾ 程，２００１，１２（３）． ｛ 墨 × ： … ［３］余佑官，龚国芳，胡国良．ＡＭＥＳｉｍ仿真技术及其在液压系统 中的应用【Ｊ］．液压气动与密封，２００５，２５（３）． 【４】 Ｋｅｙｓｅｒ Ｄ Ｅ，Ｈｏｇａｎ Ｋ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ 一 一 一 一 ． ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｏｆｆ－ｈｉｇｈｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｒ】： Ｏ ２ ４ ｔｌｓ … ６ ８ ｉ９２—１．４．Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ：Ｆ１ｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ （ｂ）９０Ｏｒｐｍ仿真结果 Ｐａｐｅｒ，１９９２． （ａ）１６００ｒｐｍ仿真结果图６优化后的系统流量分配图 【５】 Ｋｅｙｓｅｒ Ｄ Ｅ，Ｍｉｄｄｅｎｄｏｆｆ Ｒ Ｐ．Ｒｅｖｅｒｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｂｒａｋｅ ｖａ—ｌｖｅｓ，ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｒ】： ４结论 ｝ 、 ９２０９０８．Ｄｅｔｒｏｉｔ：ＳＡＥ，１９９２． 随着计算机技术及建模技术的高速发展，计算机 【６】林慕义，张文明．工程车辆蓄能式液压制动系统充液特性【Ｊ】． 北京科技大学学报．２００７，２９（８）． 【７】 程振东，田晋跃．飞机牵引车全液压制动系统动态性能分析 仿真软件的功能及准确性不断提高，相比静态的理论 计算，仿真软件可以考虑到阀芯质量、节流管路及油液 粘度等的影响，相比实际测试，则可以实现一些实际试 ［Ｊ】．专用汽车，２００５，２４（２）． 一—・●一－＋－＋－—・＋一－—●一一—＋一一—－ －＋－＋・ 长江液压一技改项目通过 市经委竣工验收 －－－２０１０年ｌ２月１日，泸州市经委组织召开了四川长江液压件有限责任公司承担的四川省重点技 术改造项目《负荷传感多路阀及高压大排量齿轮泵新产品规模化生产》竣工验收会。验收组一致认为： 项目研发的负荷传感技术、高压大排量齿轮泵技术、清洁度控制技术及多路阀阀体、泵体铸造技术等 达到国内领先水平，并获得四项实用新型专利，其成果已实现批量化生产，同意通过项目验收。 该项目总投资１８００余万元，通过对负荷传感多路阀、高压大排量齿轮泵新产品及高压液压缸、铸 造生产线 电镀、热处理等工艺能力的技术改造和实施，同时通过公司ＥＲＰ的建设，实现了企业信息 化管理；使企业研发能力和生产制造能力得到飞速的发展。保证了产品的品质和性能在国内市场上实 现与国际强势对手的抗衡，成为国内液压行业名列前茅的有重要影响的领军企业。长液公司以此项目 研制开发的ＤＣ２５／３２系列负荷传感阀和２００５系列负荷传感多路阀、ＱＦ／ＱＧ２８系列全负荷传感多路 阀、ＷｌＪＦｌ４小挖阀、ＧＰＨ高压大排量液压泵、ＣＢＧＦ高压大排量液压泵、ＣＭＨ系列高压齿轮马达等已 形成系列产品，并在三一汽车制造有限公司、河北宣工机械股份公司等主机厂推广应用，成功取代了 进口同类产品。 ６９
