即热式飞机除冰车关键技术研究

1、精品文档第二章即热式飞机除冰车系统总体设计2.1 飞机除冰车设计标准、规范、现场条件1. 机除冰清洗车的设计、制造、试验等，应采用适合该项目的最新且己实 施的标准和规范，以满足使用条件，其引用标准如下 :(1) 国家标准、中国行业标准等高空作业部分应符合 GB9465.1 -3 的规定 ;车辆运行安全技术条件应符合 GB7258的规定；车辆的侧面及下部防护装置应符合 GB11567的规定；车辆的外廓尺寸应符合 GB1589的规定；车辆的水路系统应符合GB7956的规定。(2) 国际权威组织标准ICAO 国际民用航空组织的相关标准 ；lEC 国际电工委员会的相关标准 .2. 对于车辆的各种零、

2、部件的设计及选用应充分考虑其标准化和通用化， 以 便于更换与维修。3. 使用现场条件大气压力 :99.8Kpa-103Kpa；环境温度:-40 C -+50 C ;相对湿度 :20% -100%(平均 8O%)；抗风能力 :45m /s；抗地震能力 : 水平加速度 0.3g, 垂直加速度 0.15g:安全系数 : 结构件安全系数大于 2,稳定性安全系数大于 2；适用机型:B727,B737, B757, B767 ,B747, A30D, A310, A319, A320,A321,A340, MD80, MD82, MD90。2.2 飞机除冰车设计的技术指标参照国外先进的飞机除冰清洗车， 购

3、置和改装相应的车底盘， 对各分系统进 行设计、制造与调试， 组装后进行整车调试试验， 使其主要技术指标基本上达到 国外先进水平，产品生产制造实现国产化。 飞机除冰车设计的技术指标包括如下 :(1) 最大举升作业高度 ( 工作篮底平而距地面 ) 为 13m；(2) 举升臂最大水平幅度为 8m；(3) 大喷射流量达到 230L/min；(4) 工作时喷枪出口温度为84 C;(5) 温度升至84度的时间w 3min,(实际升温时间w 90s);(6) 喷枪出口压力为 1.3Mpa；(7) 喷枪出水射程15m( 8)除冰液箱容积为 6800L;(9) 工作篮载荷 204kg;(20) 工作篮联接臂折叠

4、至驾驶室前端,载人从地面直接进入工作篮。2.3 即热式飞机除冰车分系统设计根据要求设计的即热式飞机除冰车结构如下。 包括汽车底盘、 载人高空作业 装置、除冰液箱、液压系统、除冰液喷射 ( 水路 ) 系统、加热系统、电气及控制系 统和安全装置等。 载人高空作业装置的主体结构为折曲式, 在主臂端部设置有一 节小臂,与小臂联接处有工作篮装置。 主臂下端为旋转支架, 其与回转支承联接。 工作篮的承载重量为204kg，其作业面积应能容纳2人站立工作。篮内设置有一 套控制装置,用以控制主臂的展开和俯仰,小臂的起伏、上车部分的旋转等,该 控制装置为摇杆手柄式控制。 臂架结构采用高强度钢板， 经折弯压型焊接加

5、工后 而成，臂架部分对底盘应相对进行旋转，向左、右旋转的角度不小于 175度，连 续旋转角度不小于 350 度. 在臂架与旋转支架的下方，设有回转支承用以实现支 承上车和旋转上车的功能。 在汽车主梁上部设置有汽车付梁， 用以联接汽车底盘 与上车臂架部分。 整体嘴架的控制采用液压控制方式。 除冰液箱用不锈钢材料制 作，箱体容积 8000升，箱体内部设有防荡隔板，用以克服汽车行驶时液体冲击 对汽车的行驶稳定性造成的影响 . 喷射系统最大喷射流量为 230L/min, 最大喷射 距离大于15m喷枪的流量在设定范围内多级可调，并能实现柱形喷射和扇形喷 射。加热系统需要在3分钟将除冰液从常温下加热到 8

6、4E以上。并且能够控制喷射 的除冰液温度使其稳定在 84 C左右。当除冰液超过警戒温度时能够自动关闭燃 烧器，并在液温低于某个阀值时启动燃烧器， 加热系统设置在封闭的车箱内， 并 对燃烧室有适当的保护外罩， 其保护外革为不锈钢材料制成， 控制面板设登在驾 驶室内。现分别介绍各系统构成。3.3.1 机械系统飞机除冰车机械系统由汽车底盘、 载人高空作业装置等组成， 系统结构图如 图 2-1 所示。飞机除冰车底盘采用长春第一汽车制造厂制造的解放 CA1226P1K2L7T1二 类)型车底盘，车内配置冷暖空调和无线对讲系统，驾驶室内设置必要的控制开 关与仪表，驾驶室上方还设置了观察天窗，发动机采用大连

7、柴油机 CA6DE1-23， 其最大扭矩为890N?m载人高空作业装置包括立柱组件、三个工作臂、三个臂 缸、两个蹄平衡缸，以及相关的一些组件。该飞机除冰车的高空作业装置主体结构为折曲式，在主臂端部设置有一图2-1飞机除冰车外形图节小臂，与小臂联接处有工作篮装里。主臂下端为旋转支架，其与回转支承联接。 与汽车底盘联接部分为付梁结构用以支承整个上车。在付梁上方设置有嘴架及旋 转支承框架。付梁为高强度钢板焊接后加工而成。所有臂架结构采用高强度钢板， 经折弯压型焊接加工后而成，并进行了严格的防锈处理，臂架部分可相对底盘进 行旋转。包括向左、右旋转不小于175度。在旋转支架上设有液压和机械组合式 的旋转

8、驱动机构，以实现臂架的转动。工作篮的承载重量为204kg.其作业面积应能容纳2人站立工作。篮内设置有一套控制装置，用以控制主臂的展开和俯仰、 小臂的起伏、上车部分的旋转等，该控制装置为摇杆手柄式控制。工作篮上还设 有24V工作照明灯，用以夜间照明工作需要，以及方便上、下的梯物和两个喷射 器，其中一个为除冰液喷射器，另一个是防冰液喷射器。工作篮平衡缸采用四连 杆机构，包括机械四连杆和液压四连杆，使得工作臂任何动作都保持工作篮在作 业过程中终处于水平状态。2.3.2水路系统即热式飞机除冰车的液压系统包括储液箱，离心泵、电机、加热器内部盘管、 相关管路、喷枪等。离心泵采用格兰富(GRUNDFO公司生

9、产的立式多级离心泵CRN16-120其额定流量为 267/min,额定压力为17kgf/cm 2。它具有如下特点 转速高，体积小，重量轻，效串高，流量大，结构简单，性能平稳，容易操作和 维修。喷枪采用美国Task Forcery公司生产的BGH-HT15型喷枪，按流量大小 分为六个档位。水路系统的原理图如图2-2所示。图2 一 2除冰车水路系统原理图系统采用专门的发电机为离心泵提供动力。工作时，离心泵在电机的带动下把除冰液从储液箱抽出后，沿管路经三个并联的加热器加热后再从喷枪喷出或通 过电磁阀循环进入储液箱，还有一小部分直接通过溢流管路返回储液箱。使用三 个并联的加热器，使流经每个加热器的液体

10、流量减少到系统总流最的1/3，这样可以提高液体的加热速度，即在90s的热交换器预热时间内使流经加热器的除冰 液温度升至84C。设计通往储液箱的溢流管路是因为在除冰操作过程中，除冰 液的喷射流量会随操作入员切换喷枪喷射档位而大幅度变化，老式飞机除冰车的喷射系统是由定量容积泵和溢流阀等构成的恒功率系统，喷射流量降低时，多余的流量被滋流掉，造成了能量的浪费。而本系统选用的离心泵在小流量情况下扬 程不至过高，系统仍然可以正常工作，所以通过设置带阻尼管的溢流管路，让其 直接通向储液箱，并通过多次试验来调节阻尼管的长度，使得溢流流量保持在一 个小的数值，保证在操作人员关闭喷枪，主流量为零时离心泵仍能正常工

11、作， 此时电机负载下降，功耗降低，节约了能量。1. 离心泵本系统选用“格兰富CRN-120型离心泵，其额定功率为 11KW额定流量 267L/min,额定压力1.7MP&该离心泵的特点是容易操作和维修，转速高，效率 高，结构简单，性能平稳等。由离心泵“流量一扬程”特性曲线可知，在小流量 情况下泵的扬程不至过高，系统可以正常工作23。最小流量是泵能维持正常连续 运转的最低流量界限，在泵出口处设置带阻尼管的溢流管路， 使得泵能够保证在 系统最小流量情况仍然正常工作。 避免对泵体造成破坏。旁溢流采用细管段，此 外还可以充分利用离心泵的负载特性及细管阻尼特性，实现喷射系统的流量、压力自动匹配。溢流管路

12、直接通向储液箱，通过试验调节阻尼管的长度从而控制滋 流流最，使之保持在20%-30%1高效率点流量数值，从而保证在操作人员关闭喷 枪，主流量为零时离心泵仍能下常工作24。此时电机负载下降，功耗降低，克服 了老式飞机除冰车除冰液喷射系统能量损失大的问题。离心泵的供电电源由控制 柜中的电源按钮山手动控制，以确保在超温状况或类似特殊情况下加热器的紧急 降温操作需要。2. 准备与预热管路在环境温度低于5C的情况下。需要对整箱除冰液进行循环预热，直至除冰 液储液箱内除冰液温度升至 5C。这样做的目的是因为工作时系统流量很大，此时如果除 冰液温度低于5C，则系统温升达不到规定的 84C。预热的方法是在加热

13、器出液口后水路交 汇处设有两条管路通向储液箱，由两个电磁阀分别控制。其中用于热交换器预热的管路 内设有阻尼管，关闭喷枪，打开通往水箱的电磁阀，加热器全功率加热，系统以 230L/min 的流量工作，这样除冰液箱中冷的除冰液经过加热器加热后又返回除冰液箱 . 此外，为 了实现除冰液的即时加热，加热器在正式工作前需要有 90s 小流量下除冰液循环的热交 换器预热过程。这个过程的意义在于将热交换器事先升至一定的温度，当喷射工作开始 时，除冰液可立即获得升温所需的能量，实现即时加热。若在此过程中加热器内没有处 于流动状态的除冰液，则大功率的加热极易给设备结构带来损坏，甚至对人员造成危险， 而过大的除冰

14、掖流量将延长热交换器预热过程。3 ，喷枪喷枪选用“ Task Force Tip ”公司的“ BGH-HT-150型专用除冰液喷枪，该喷枪属 于阀控除冰喷枪，分为 6 个档位，含有一个压力调节装置，可使除冰液以恒速喷射，带 有隔热底座的 slide-type 阀门，可进行喷射档位的瞬时切换，喷枪还带有一个缓冲器， 可以很容易的调节喷出的水柱的形状。2.3.3 加热系统除冰清洗车上的加热系统包括自行研制的燃烧器和热交换器，设计要求热交换器出水量Q=230L/min，热交换器入水h温度T=5C，热交换器出水口温度T=84C,升温时t=90s ，水管内压力 p=1.3Mpa。根据设计耍求来选择燃烧器

15、的尺寸，具体步骤如下 :(1) 热交换器每秒出水量为230十60=3.833L/S;(2) 热交换器出入水口温差为 (84-5=79) -101 LxX* -AOQ53wKT* kJt3 +9P0726xIO6 2 -CL00025535x+OuOOOR5（T7& 根据拟合的多项式方程得出 II型喷射系统的阻力特性图，如图3-5所示。图3-5 II型喷射系统管路阻力特性曲线3.1.4系统负载特性研究根据试验求出I型喷射系统管路阻力特性，结合离心泵和喷枪的流量一压力特性可以 求出I型喷射系统喷枪最大档位时系统的负载特性，如图3-6所示.图3-6中，曲线1为管路的阻力特性曲线和喷枪流量压力曲线之和

16、，曲线2为离心泵的流量压力曲线，系统喷枪位于最大档位时系统的工作点为曲线1与曲线2的交点，即离心泵出口压力为1.56Mpa，喷枪压力为IMpa, I型喷射系统管路阻力造成压降为0.56 Mpa,此时系统喷射流量为186.6L/min,而根据设计要求，系统最大喷射流量为 230L/min。所以I型喷射系统不能满足系统需要，其原因是喷射系统管路阻力太大，除冰液流动时消耗了过多的能量。所以，需要对系统管路进行改进，降低管路的阻力特性。改进方法有很多种，包括缩短管道长度、减少管道弯曲和截面的突然变化、增加管道的截面积以及 限制液体流动的速度等30。而根据设计的n型喷射系统管路阻力特性，结合离心泵和喷枪

17、的流量-压力特性可以求出n型喷射系统喷枪最大档位时系统的负载特性，如图3-7所示。40 flO 1X IG0 )0 2C 260 虫片训15欠迎下载精品文档图3-7 n喷射系统负载特性图3-7中曲线1为离心泵的流最压力特性曲线，曲线2为喷枪流量压力特性曲线与系统管路阻力特性曲线之和.根据这两条曲线的交点可知，n型除冰液喷射系统的工作点 流量为249L/min,泵出口压力为1.43Mpa。在该流量下由图 3-4知，喷枪的压力约为 1.18Mpa，此时喷枪的射程通过手册及试验均达到20m=因此，n型除冰液喷射系统流量、射程均达到系统设计参数的要求，所以本文洗定n型哈射系统作为即热式飞机除冰 车的喷

18、射系统。3.2传动特性研究即热式飞机除冰车载人高空作业装置由立柱组件、 作臂、1号臂缸、2号臂缸、3号臂缸、拉杆、 工作篮等组成。载人高空作业装置的结构图如图工作篮3-8、1号工作臂、1号平衡缸、3-9所示。2号工作臂、3号工 工作篮 2号平衡缸、载人高空作业装置的各个举升臂的动作、工作篮的平衡以及立柱的旋转都通过系统 的传动装置来控制，载人高空作业装置的传动包括机械传动和液压传动。3.2.1机械传动图3-8, 3-9中，载人高空作业装置的立柱可相对底盘进行旋转，包括向左、右旋转不小于175度;1号臂的拉杆连接着立柱和1、2号臂连接组件，使得1号臂、拉杆、立柱以及1,2号臂连接组件组成了一个平

19、行四连杆机构；1、2号臂连接组件为 旋转支架结构，2号臂缸和工作篮1号平衡缸都连接着2号臂和1、2号臂连接 组件；3号臂旁有一拉杆，使得2号臂、3号臂、以及3号臂、工作篮连接组件 组成了一个平行四连杆机构；工作篮2号平衡缸连接着工作篮和工作篮连接组件。 载人高空作业装置的机械传动主要通过 1号臂、3号臂上的两个平行四连杆机构 以及工作篮1号平衡缸来完成。首先，1号臂缸伸缩导致1号臂转动。由于1号臂、拉杆、立柱以及I、2 号有连接组件组成了一个平行四连杆机构，平行四连杆机构原理图如图 3-10所 示。图3-10平行四连杆机构原理图由于杆1和杆3尺寸相同，杆2和杆4尺寸相同。当杆1绕着支点转动时，

20、 杆2必保持与杆4乎行。所以当1号臂缸伸缩导致1号臂发生转动时，由于拉杆 作用，使得1、2号臂连接组件保持原先角度不变化，所以若工作篮初始状态为 水平，则不论1号肴如何转动，其始终保持水平位置不变。其次，2号臂缸伸缩导致2号臂转动。由图3-8可知。工作篮1号平衡缸连 接着2号臂和I、2号臂连接组件，所以当2号臂转动时，通过机械连接导致工 作篮1号平衡缸的油杆拉伸或者收缩，此时通过液压传动回路的平衡回路建立压 力，工作篮2号平衡缸相对的收缩或者拉伸，保证工作篮始终保持水平。最后，3号臂缸伸缩导致3号臂转动。与1号臂位动作相同，由于3号臂旁 有一拉杆，与2号臂、3号臂、以及3号臂一工作篮连接组件组

21、成了一个平行四 连杆机构，不论3号臂如何转动，3号臂、工作篮连接组件保持角度不变，从而 使工作篮始终保持水平位置。3.2.2液压传动即热式飞机除冰车液压传动系统用来控制各臂缸、液压马达以及工作篮平衡缸， 其包括油箱、液位计、滤油器、齿轮泵、联轴错、电机、手动泵、单向阀、压力 表、叠加式溢流阀、叠加式制动阀、叠加式单向节流阀、叠加式液控单向阀（液压锁）、电磁向阀、手动换向阀、液压马达、三个臂缸、两个平衡缸、单向平衡 阀和双向平衡阀等。其中三个臂缸和液压马达分别由并联的电磁换向阀和手动换 向阀控制。液压传动系统原理图如图 3-11所示。#。迎下载精品文档图3-11液压传动系统原理图由图3-11可知

22、，系统包括了一套备用的手动泵和手动换向阀，它们分别与 齿轮泵和电磁换向阀并联，目的是保证系统在断电的情况下仍然可以通过手动操 作保持工作。正常工作时系统接通电机电源，同时切换电磁换向阀17到下位，此时齿轮泵开始转动，系统处于卸荷状态。当切换电磁换向阀18来调节立柱位置或各钟位置时换向阀17恢复原位。叠加式溢流阀13的作用是保证系统的最高 压力不超过某一限定值，保证系统工作安全。液压马达回路包括电磁换向阀 18.1、手动换向阀20.1、叠加式制动阀14 和液压马达22,通过调节电磁换向阀或手动换向阀的位置来切换液压马达的转 向，此外，为了在车辆行驶中为保持立柱不会因为惯性而大幅度的摆动，所以在回

23、路中加入了叠加式制动阀，此外，制动阀还可以在系统冲击较大时导通，不锁 死液压马达，从而保证系统的密封圈不会因为冲击而泄漏。在1号臂缸（大臂）的油路上串联了一个双向平街阀，在2号臂缸和3号臂缸 的油路上分别串联了一个单向平衡阀。平衡阀实质上是单向阀与外控内泄式顺序 阀组合而成的组合阀，平衡阀的作用包括锁紧和限速.首先将平衡阀反向串接在液压缸的回油路中，并将其控制油路与液压缸的进油路相连， 就能使回油路在制 动状态下因控制油路无压力油作用而切断， 对液压缸起到应有的锁紧作用。此外； 当机构或载荷下降时，平衡阀内的顺序阀能借助阀芯的平衡作用， 使液压缸的回 油流赞保持稳定状态，从而使液压缸保持匀速运

24、动。为了获得均匀的一降速度， 设计系统时要注意两点：一是不能为了节省成本，就简单地用一般的单向阀与外 控内泄漏式顺序阀并接组合来代替平衡阀。 这是因为平衡阀虽然也是单向阀与外 控内泄漏式顺序阀的组合，但其顺序阀已经增加了双层弹簧、 阻尼小孔等使阀芯 减振的装置：二是平衡阀的控制油路要串联节流阀。以使顺序阀的阀芯动作“迟 滞”，不因外部压力的微小变化而使其速度有所改变。在限速方案中，使用平衡 阀的效果是最理想的，是首选的方法。因为需要对2号臂缸和3号臂缸的臂杆收 缩进行限位和限速，所以安装单向平衡阀，而1号臂缸则需要伸长和收缩两个方 向都进行限位和限速，所以需要安装双向平衡阀。此外，系统在工作篮

25、平衡缸的 油路上安装了双向平衡阀 22.1 、叠加式溢流阀 22.2 、叠加式液控单向阀 16、叠 加式单向节流阀 15 和电磁换向阀 19。在系统工作前需要来回切换电磁换向阀的 接通位置，使得工作篮平衡缸内充满油。工作时，切换电磁换向阀到中位，此时 工作篮平衡回路可以正常工作。 即当系统 2 号臂动作导致工作篮 1 号平衡缸的油 杆拉伸或者收缩时，平衡回路建立压力， 工作篮 2 号平衡缸相对的收缩或者拉伸， 保证工作篮始终保持水平。 由于在工作中平衡回路会有漏油现象， 所以需要通过 电磁换向阀进行补油工作。通过试验对除冰车传动系统进行分析， 结果证明机械传动以及液压传动能够 较好的控制各举升

26、臂的动作， 控制效果良好， 且各臂杆动作时工作篮能够始终保 持水平，符合设计的要求。19欢。迎下载精品文档第四章即热式飞机除冰车温度控制方法研究本系统采用的基于经验公式的控制方法是开环控制方法，通过除冰液流量以及除冰 液入口温度信号进行控制，其控制方法简单，比较容易设计和调整，但其控制精度取决 于组成系统的元、部件自身的精度，系统对外部干扰及内部参数变化的影响缺乏自动修 正的能力，适用于输出量与输入量关系为已知，内外扰动对系统影响不大且控制精度要 求不高的场合，无法对动态性能进行改进。而闭环控制采用了反馈控制方式，被控制量 受控制器的控制作用对被控制量不断地测量、并将其反馈到输入端与给定输入值

27、进行 比较，产生的偏差信号被送到控制器的输入端，进行相应的控制，对系统的控制效果较 好，且通过改变控制方法，可以调节系统响应的动态特性。采用精度不高。成本较低的 元、器件可以达到控制精度较高的控制效果31。根据分析，飞机除冰液加热系统的温度控制属于典型的大惯性、大滞后控制系统， 其温度控制信号和其温度检测反馈信号之间存在很大的滞后时间，一般来讲，这样的系 统难于精确控制，它对温度控制器的要求极高。为此，本文先后采用了Fuzzy-Smith控制算法以及基于自适应 Smith-PID控制算法，均获得了令人满意的温度控制效果。4.1加热控制规律研究在文献价7中我们己经对除冰液快速加热控制规律进行了研究，在综合分析大量试验 数据的基础上，对试验结果进行总结，证明了将占空比信号作为控制器的输入，配合适 当的控制算法可以获得较好的温度控制效果，也证明基于经验公式的温度控制方法满足 除冰车快速加热的指标要求，可以作为实际系统的控制策略。但实际即热式飞机除冰车