多功能飛機除冰車的結(jié)構(gòu)設計*

徐赫男，徐 峰，趙 宇，李秀良

(沈陽市萬事達汽車改裝廠，遼寧 沈陽 110043)

1 引言

伴隨航天事業(yè)的發(fā)展，飛機除冰設備已有百年歷史。早期的飛機除冰沒有專業(yè)化的除冰設備，由人站在梯子或支架上用熱水管對飛機機體結(jié)冰部位進行清除，但隨著機體越來越大，這種除冰方式已不能滿足需求，于是就設計了專業(yè)化的除冰車。專業(yè)除冰車最早起源于高緯度的北歐國家，如丹麥、瑞典等，這些國家冬季長，飛機結(jié)冰現(xiàn)象突出，迫切需要專業(yè)化的除冰車［1］。

飛機除冰車是寒冷地區(qū)機場或航空公司必備的飛機安全保障設備。停放在跑道或起飛線上的飛機一旦遇到低氣溫、空氣濕度大、降雨、降雪等天氣時，會在其表面形成一層霜、雪或冰，凝結(jié)在飛機機翼表面，使機翼表面變得粗糙，造成臨界迎角減小、升力降低，飛機空氣動力性能變壞，影響飛機飛行安全。據(jù)統(tǒng)計，由于飛機表面結(jié)冰、積雪、結(jié)霜未及時清除而引發(fā)的事故占各種氣候條件引起的事故的9%［2］。

近年來，我國民用機場配備了飛機除冰車，所使用的除冰車主要依賴于進口，功能形式也比較單一。筆者研制的多功能飛機除冰車是一種集除冰、防冰及飛機高空位置檢測和維修于一體的多功能即熱式除冰車［3］，即以一定壓力噴灑加熱到一定溫度的除冰液來對飛機局部結(jié)冰位置或飛機全身進行除冰的機場地面專用設備［4］。適用于波音737型、空客A320型、伊爾-76型及運-20型等大型飛機，也可兼顧其他小型飛機。

2 結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

(1)一般技術(shù)性能參數(shù) 整車外形尺寸(長×寬×高):11 000 mm×2 500 mm×3 700 mm;操作人員:2～3人。

(2)行駛性能參數(shù) 轉(zhuǎn)場最高車速≤80 km/h;行走作業(yè)車速為1～5 km/h。

(3)使用性能參數(shù) 最大作業(yè)高度15.7 m;操作斗額定載荷205 kg;除冰系統(tǒng)包括:除冰液噴射最大流量為225 L/min;除冰液加熱時間為5 min;防冰系統(tǒng)包括:防冰液噴射器最大流量為105 L/min;液罐總?cè)萘?6 000 L。

(4)工作環(huán)境參數(shù) 工作溫度:-35～+46℃;濕度≤90%(40℃時);抗風能力為12.5 m/s。

3 工作原理

該車采用復合傳動系統(tǒng)，具有低速液壓行走和高速機械行走功能，以及動力輸出口，為上裝設備提供動力。正常行駛時，采用機械傳動系統(tǒng);作業(yè)時，采用液壓傳動系統(tǒng)。除冰作業(yè)時，離心泵將除冰液罐內(nèi)的除冰液泵入鍋爐內(nèi)，鍋爐檢測到流量信號后，啟動液壓馬達驅(qū)動的燃燒器對流經(jīng)鍋爐的除冰液加熱，待加熱溫度達到要求后，啟動操作斗上的除冰液噴射器對飛機進行除冰作業(yè)。防冰作業(yè)時，隔膜泵將防冰液罐內(nèi)的防冰液泵入管路，啟動操作斗上防冰液噴射器對飛機進行防冰作業(yè)。對飛機進行清洗作業(yè)時，由離心泵提供動力，通過清洗卷盤將清洗液噴射到飛機表面。進行高空維護作業(yè)時，將前后液壓支腿展開到位，高空作業(yè)系統(tǒng)可進行升降、回轉(zhuǎn)等作業(yè)。

4 主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復合傳動系統(tǒng)安裝固定在底盤車架的縱梁上并與斷開式傳動軸連接;廂體通過縱梁和橫梁組成的骨架固定在底盤上;廂體兩側(cè)與后部都有開門設備，便于系統(tǒng)設備的維護;廂體內(nèi)部安裝除/防冰液罐、即熱式除冰鍋爐、高空作業(yè)系統(tǒng)、隔膜泵、離心泵、清洗卷盤、動力油箱、散熱器、控制箱、控制閥塊、儀表及液壓管路等設備部件;在駕駛室和高空作業(yè)系統(tǒng)操作斗內(nèi)，分別設置控制面板對除冰車各系統(tǒng)進行控制與監(jiān)視，如圖1所示。

圖1 主要總成布局

4.1 低速行走系統(tǒng)

以汽車底盤的發(fā)動機作為動力源，通過發(fā)動機輸出的動力驅(qū)動低速行走系統(tǒng)。低速行走系統(tǒng)由行走液壓泵、液壓馬達、復合傳動箱、調(diào)速系統(tǒng)等組成。在機械傳動方式下，傳動箱的輸入傳動軸與輸出傳動軸直接連接，車輛為機械行駛狀態(tài);在液壓傳動方式下，傳動箱的輸入傳動軸通過配置于箱體上的兩個雙作用汽缸配合操作，實現(xiàn)與輸出傳動軸脫離，輸入傳動軸驅(qū)動箱體一側(cè)的液壓泵，液壓泵通過控制與液壓馬達之間形成的閉式液壓回路驅(qū)動箱體另一側(cè)的液壓馬達，再通過復合傳動箱內(nèi)的傳動機構(gòu)驅(qū)動輸出傳動軸，即以液壓傳動方式平穩(wěn)控制車輛的行走速度如圖2所示。液壓行駛方式和機械行駛方式可通過安裝在駕駛室內(nèi)的控制手柄及轉(zhuǎn)換開關實現(xiàn)平穩(wěn)切換。液壓行駛時，行駛速度由手柄控制;機械行駛時，行駛速度由汽車的油門腳踏板控制。

圖2 低速行走系統(tǒng)工作形式

4.2 除冰液加熱系統(tǒng)

選擇即熱式鍋爐及配套的燃燒系統(tǒng)，主要由不銹鋼爐體、燃燒器、液壓馬達以及管路系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)具有超溫、超壓、液箱液位低、干燒等安全保護措施。管路上設置過濾器，防止雜物進入盤管。加熱系統(tǒng)控制方式為電液控制，控制電壓為DC24V。主要技術(shù)參數(shù)如下:額定熱功率:1 000 kW;加熱時間:≤5 min(從5℃加熱至85℃的時間)。

4.3 高空作業(yè)系統(tǒng)

高空作業(yè)系統(tǒng)主體機械構(gòu)件采用高強度鋼板焊接而成，非連續(xù)360°旋轉(zhuǎn)，配備電動限位開關防止軟管及線路受損。內(nèi)、外臂總成由外臂、伸縮式內(nèi)臂、延伸液壓缸、軟管承載系統(tǒng)等組成。操作斗為玻璃鋼半封閉式結(jié)構(gòu)，其作業(yè)面積能容納2人站立工作。設有上部和下部兩套控制系統(tǒng)，上部控制裝置設在操作斗上，便于操作者控制;下部控制裝置具有上部控制的功能，并具有超越上部控制裝置的作用如圖3、4所示。安全措施完善，設有緊急動力源和臂限制系統(tǒng):緊急動力源是DC24V電動液壓泵;臂限制系統(tǒng)是一種監(jiān)控系統(tǒng)，限制臂到最大水平延伸時不讓臂超載，確保作業(yè)人員的安全。

圖3 上部控制裝置

圖4 下部控制裝置

4.4 液壓系統(tǒng)

受車輛底盤空間的限制，液壓總泵采用結(jié)構(gòu)緊湊的三聯(lián)齒輪泵作為動力源，安裝在復合分動箱上，根據(jù)各機構(gòu)的實際流量合理分配動力，使車輛行駛、供液噴射和高空系統(tǒng)作業(yè)能同時進行互不干擾。

廂體前后各安裝2支液壓支腿，支腿撐地后承受整車的重量和所有外加載荷。主要用于長時間對飛機固定位置維修作業(yè)時使用，提高車輛穩(wěn)定性，確保操作人員的安全。

設置2個獨立的液壓油箱，分別供給低速行走系統(tǒng)和高空作業(yè)系統(tǒng)等其他系統(tǒng)。

各系統(tǒng)的液壓馬達均采用比例閥控制，以電控方式實現(xiàn)對液壓馬達轉(zhuǎn)速的精確控制。自動化程度更高，系統(tǒng)調(diào)試更省時。

4.5 控制系統(tǒng)

用車載專用TTC控制器進行信號采集處理和動作控制，控制信號和操縱曲線可實現(xiàn)數(shù)字化設定和調(diào)整，適應各種不同要求，具有極限位置自動減速及停止功能，避免執(zhí)行機構(gòu)的運動沖擊，提高操縱性能，專用控制器可直接驅(qū)動電液比例閥或換向閥，無需放大器和繼電器，可以節(jié)省大量節(jié)點，使故障率降低，能對工作平臺前方及左右的障礙物距離進行檢測和工作平臺負載檢測并具有限制功能，避免了人視野盲區(qū)造成危險情況的發(fā)生，具有極好的可靠性和安全性。

系統(tǒng)采用嵌入式HMI實現(xiàn)虛擬儀表集中顯示，動畫漢字圖形文本混合顯示，更直觀的理解當前車輛的工況，動畫顯示車體和臂架的姿態(tài)，具有端子狀態(tài)監(jiān)視，報警信息查詢以及傳感器，手柄和比例閥等參數(shù)的顯示和修改標定功能，具有良好的人機對話特性如圖5所示。

圖5 控制面板

4.6 供液噴射系統(tǒng)

供液噴射系統(tǒng)主要由除冰/防冰液罐、離心泵、隔膜泵、噴射器、清洗卷盤等組成。

(1)除冰、防冰液罐 根據(jù)國內(nèi)民航飛機除冰雪保障經(jīng)驗，5000 L除冰液能滿足在中雪條件下為2架大型飛機除冰雪的需要，大雪條件下為1架大型飛機除冰雪的需要;1000 L防冰液能滿足為1架大型飛機防冰雪的需要。據(jù)此確定除冰液罐和防冰液罐的容量分別為5000 L和1000 L。

(2)離心泵 除冰液的供液動力由多級立式離心式水泵提供，可供輸送除冰液或清洗液之用。

(3)隔膜泵 由于防冰液在攪動的狀態(tài)下將會分解，所以防冰液的供液動力由隔膜泵提供，利用泵內(nèi)膜片的往復運動，將防冰液擠壓出去進行噴射。

(4)清洗卷盤 清洗卷盤安裝在車廂后部下方，滿足飛機低矮部位清洗的需要。卷盤膠管可隨意定位和自動回卷，在前端配有噴射器。

(5)噴灑控制 在操作斗上設置有供液噴灑控制面板，操作斗內(nèi)的操作人員可根據(jù)工作情況進行噴灑的起動、停止控制，上車、下車可協(xié)同操作(見圖6)。

圖6 供液噴灑控制面板

4.7 安全防護設備

(1)急停裝置 系統(tǒng)安裝一個緊急停止裝置，在誤操作情況下，該裝置可有效切斷所有動力源，并使汽車發(fā)動機自動熄火。同時，在作業(yè)車主動力失效時具有輔助下落裝置或措施。液壓系統(tǒng)裝備液壓鎖，即使在出現(xiàn)液壓軟管爆裂或失去液壓動力的情況下，高空作業(yè)臂會被鎖止，不會出現(xiàn)任何危險。

(2)自動調(diào)平裝置 該機構(gòu)液壓部分由溢流閥、電磁換向閥、調(diào)平油缸和液壓鎖組成。在高空作業(yè)過程中，當操作斗處于非水平位置時，實時控制電磁換向閥動作，并打開液壓鎖，調(diào)平油缸即產(chǎn)生伸縮動作，使操作斗恢復到水平狀態(tài)。

(3)超重報警裝置 操作斗限重控制系統(tǒng)是將4只測力傳感器安裝在操作斗臺面下部，檢測操作斗臺面上的重力，將傳感器輸出的毫伏級信號，經(jīng)過信號放大電路，由經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)運算處理，得到實際操作斗臺面上的重量，分別輸出安全控制信號，臨界控制信號，及危險控制信號。通過該信號控制高空作業(yè)車的正常操作、慢速操作或停止操作。

(4)操作斗防碰撞裝置 高空作業(yè)系統(tǒng)操作斗的下方設有超聲波傳感器，當操作斗與飛機表面距離小于1 m時，系統(tǒng)發(fā)出報警如圖7所示。

5 結(jié)語

多功能飛機除冰車設計簡潔、配制合理，可實現(xiàn)多機種、多功能保障。該裝備的研制對于減少保障裝備型號、種類，提高飛機飛行安全和綜合保障能力等方面具有重要意義。與國外同類型產(chǎn)品相比較，功能完備、性能優(yōu)良，不僅可以廣泛應用于民航，還能應用于航空兵場站對軍用飛機提供保障，其發(fā)展前景廣闊。

［1］ 夏建滿.飛機除冰技術(shù)現(xiàn)狀［J］.專用汽車，2010，2(1):38-39.

［2］ 郭 龍，沈宏良，施永毅.飛機容冰技術(shù)的研究進展［J］.飛機力學，2005，23(1):75-78.

［3］ 孫毅剛，朱志猛，孫承琦，等.即熱式飛機除冰車加熱Fuzzy-Smith算法研究［J］.中國民航學院學報，2005，23(4):33-36.

［4］ GB/T23417-2009，自行式飛機除冰車功能要求［S］.