多功能機(jī)場(chǎng)除雪車(chē)的多模態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

田秋艷

(陜西汽車(chē)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

機(jī)場(chǎng)積雪嚴(yán)重危及飛機(jī)起降安全，還會(huì)對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性造成干擾，需及時(shí)清除，而使用除雪車(chē)效率最高。機(jī)場(chǎng)除雪車(chē)主要用于清除飛機(jī)跑道和滑行道上的冰雪，是機(jī)場(chǎng)必需的地面保障設(shè)備，大體分為噴氣式除雪車(chē)、融雪劑除雪車(chē)、多功能除雪車(chē)。噴氣式除雪車(chē)除雪效率很高，但是使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)油耗高、噪音大，噴射出的高溫氣體對(duì)道面灌封損害較大；融雪劑除雪車(chē)撒布的融雪劑往往對(duì)地面、環(huán)境等產(chǎn)生污染，如今很少被使用；多功能除雪車(chē)通常以融、推、掃、吹等功能為一體的機(jī)械聯(lián)合除雪為主，適應(yīng)機(jī)場(chǎng)作業(yè)工況，滿足機(jī)場(chǎng)除雪要求，既簡(jiǎn)單又高效，產(chǎn)品附加值高，市場(chǎng)潛力巨大，是目前普遍采用的方式。

國(guó)外除雪設(shè)備主要廠商有瑞士波雄(Boschung)、德國(guó)施密特(Schmidt)、意大利法蘭西亞(Fresia)、美國(guó)MB公司等，底盤(pán)都是4×4。瑞士波雄捷特朗姆(Jetbroom)9000A型有3種轉(zhuǎn)向模式：全輪轉(zhuǎn)向、前輪轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向；施密特CJS緊湊型4×4機(jī)場(chǎng)掃雪車(chē)采用MAN或Mercedes-Benz底盤(pán)，全輪轉(zhuǎn)向；意大利法蘭西亞F2000型4×4跑道除雪車(chē)采用無(wú)級(jí)變速液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向；美國(guó)MB公司MB3機(jī)場(chǎng)除雪車(chē)采用大轉(zhuǎn)向角，為35°前橋轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑。國(guó)內(nèi)主要廠商威海廣泰的主打產(chǎn)品WGCX800J型多功能除雪車(chē)采用前輪轉(zhuǎn)向；山東匯強(qiáng)和武漢九通的多功能除雪車(chē)基本采用中國(guó)重汽專用車(chē)底盤(pán)，單前輪轉(zhuǎn)向；黃海DD5251TXZZE型4×4多功能除雪車(chē)、中聯(lián)重科ZLJ5250TCXZE3型6×6、青專QDZ5250TCXZH型6×6多功能除雪車(chē)均采用單前橋轉(zhuǎn)向[1]。

機(jī)場(chǎng)跑道除雪需要在短時(shí)間內(nèi)高效完成，故對(duì)除雪車(chē)車(chē)速要求較高(最高車(chē)速一般可達(dá)85 km·h-1，最高除雪工作車(chē)速通常超過(guò)50 km·h-1[2]，這超出了全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)的適用范圍)。多功能除雪車(chē)搭載的除雪裝置多，質(zhì)量大，對(duì)單胎承載能力的要求高，只能選擇直徑較大的工程雪地胎。中置滾刷直徑較大，導(dǎo)致整車(chē)軸距大(通常為5 m以上)，車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑大，在狹小空間轉(zhuǎn)場(chǎng)和移庫(kù)都比較困難。另外，為了將雪拋推至道路外側(cè)，推雪鏟有初始傾斜角度，在機(jī)場(chǎng)跑道彎道處需要多次調(diào)整車(chē)輛位置，才能清除彎道積雪。

針對(duì)國(guó)內(nèi)多功能除雪車(chē)轉(zhuǎn)向模式單一、不適應(yīng)機(jī)場(chǎng)多種工況的現(xiàn)狀，本文介紹一種多模態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(前輪轉(zhuǎn)向、全輪向心轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向)在機(jī)場(chǎng)除雪車(chē)上的應(yīng)用，同時(shí)在單前橋轉(zhuǎn)向模式下增加了后橋強(qiáng)制對(duì)中油缸，能夠有效避免電液比例換向閥中位泄漏，后輪受外載荷使車(chē)輛直線行駛跑偏，同時(shí)減少輪胎早期磨損。為保障機(jī)場(chǎng)地勤設(shè)備的高可靠性，本文涉及的多功能除雪車(chē)還增加了應(yīng)急轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 多模態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)概述

本文提供一種多功能除雪車(chē)的多模態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可滿足不同工況下車(chē)輛對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。高速工作工況及空車(chē)運(yùn)輸工況采用單橋轉(zhuǎn)向模式，高效可靠；在狹小空間轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，采用全輪向心轉(zhuǎn)向模式，有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活性[3]。移庫(kù)時(shí)采用蟹形轉(zhuǎn)向模式，輕松挪車(chē)。在跑道的彎道部分，除雪工作亦可采用蟹形轉(zhuǎn)向模式，配合推雪鏟的角度變化，可增加單次推雪寬度，且無(wú)需多次調(diào)整車(chē)輛位置，提高除雪效率，提升底盤(pán)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.1.1 前橋轉(zhuǎn)向方案

由于多功能除雪車(chē)的最高車(chē)速可達(dá)到85 km·h-1，單前橋轉(zhuǎn)向模式采用傳統(tǒng)的機(jī)械操縱液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由轉(zhuǎn)向油泵、循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)、外助力油缸和機(jī)械連接機(jī)構(gòu)(轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向拉桿)組成，通過(guò)方向盤(pán)控制循環(huán)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)輸出搖臂帶動(dòng)另一端連接在轉(zhuǎn)向拉桿上的轉(zhuǎn)向節(jié)，使轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)前橋獨(dú)立靈活轉(zhuǎn)向。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的輕便性，在前橋右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂增加外助力油缸，其油液來(lái)源于轉(zhuǎn)向機(jī)外助力缸油口，除了能解決重載轉(zhuǎn)向機(jī)單獨(dú)輸出扭矩不足的問(wèn)題外，還能保證高度的轉(zhuǎn)向同步性。這種轉(zhuǎn)向技術(shù)方案在重卡、時(shí)速超過(guò)50 km·h-1的特種車(chē)或?qū)Ｓ密?chē)上應(yīng)用廣泛。

1.1.2 后橋轉(zhuǎn)向方案

后橋采用電液比例轉(zhuǎn)向，通過(guò)ECU控制器配合前橋轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)四輪向心轉(zhuǎn)向模式和蟹形轉(zhuǎn)向模式。3種轉(zhuǎn)向模式切換由駕駛室儀表板上的3個(gè)自復(fù)位按鈕實(shí)現(xiàn)，并帶指示燈，在控制程序中實(shí)現(xiàn)邏輯互鎖。轉(zhuǎn)向模式和開(kāi)關(guān)鍵、指示燈激活狀態(tài)一致。上電后或停車(chē)斷電后默認(rèn)單前橋轉(zhuǎn)向，從任何一種全輪轉(zhuǎn)向模式切換到單前橋轉(zhuǎn)向模式時(shí)，控制器內(nèi)部都會(huì)自啟后橋一鍵對(duì)中功能，即后橋轉(zhuǎn)向油缸處于中位，對(duì)中油缸兩側(cè)快速進(jìn)油，中間回油，對(duì)中油缸強(qiáng)制對(duì)中，對(duì)中油缸的對(duì)中位置為后橋直線行駛時(shí)的中位[4]。一鍵強(qiáng)制對(duì)中可避免在單前橋轉(zhuǎn)向模式下由于后橋比例換向電磁閥中位泄漏引起的后橋不能機(jī)械對(duì)中問(wèn)題，以免造成車(chē)輪直線行駛跑偏或者輪胎過(guò)度磨損。后橋的電液比例控制信號(hào)來(lái)自前、后轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋同側(cè)轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)上的高精度角度傳感器的角度信號(hào)，便于測(cè)量、控制反饋信號(hào)。

其實(shí)質(zhì)是對(duì)前輪及后輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)角度差值調(diào)整后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角，實(shí)現(xiàn)同向跟隨(即蟹形轉(zhuǎn)向)或反向跟隨(即向心轉(zhuǎn)向)[5]。前橋轉(zhuǎn)角由駕駛員操作方向盤(pán)輸入，前橋轉(zhuǎn)角傳感器將信號(hào)發(fā)到控制器，控制器將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，控制比例閥的開(kāi)度，從而控制后橋跟隨轉(zhuǎn)向，后橋轉(zhuǎn)角傳感器將反饋信號(hào)和前橋傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，調(diào)整后橋轉(zhuǎn)角。為提高車(chē)輛的安全性，控制器在切換轉(zhuǎn)向模式時(shí)加入車(chē)速判斷邏輯，根據(jù)車(chē)速對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)和調(diào)整。電液比例控制轉(zhuǎn)向在專用車(chē)上比較常用，而且在特殊場(chǎng)區(qū)車(chē)輛上更易于實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向。

1.2 系統(tǒng)工作原理

3種轉(zhuǎn)向模式的液壓工作原理如圖1所示。

圖1 多模態(tài)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理

1.2.1 前輪轉(zhuǎn)向模式

在初始前輪轉(zhuǎn)向模態(tài)下，DT1～DT6根據(jù)ECU控制器控制程序均不得電，前輪轉(zhuǎn)向液壓回路經(jīng)雙聯(lián)轉(zhuǎn)向泵、應(yīng)急閥、循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)及與轉(zhuǎn)向機(jī)并聯(lián)的前輪轉(zhuǎn)向油缸工作，實(shí)現(xiàn)單前橋轉(zhuǎn)向。后橋液壓回路經(jīng)組合閥中的常閉二位二通換向閥的旁通回路直接回油。

1.2.2 四輪轉(zhuǎn)向(向心、蟹形)模式

在向心轉(zhuǎn)向或蟹形轉(zhuǎn)向模態(tài)下，組合閥中的DT6、DT1、DT2根據(jù)ECU控制器控制程序得電后，其余電磁閥不得電，組合閥中的比例換向電磁閥閥芯根據(jù)ECU控制器提供的轉(zhuǎn)向模式及角度傳感器反饋的電信號(hào)動(dòng)作，推動(dòng)后橋轉(zhuǎn)向助力缸工作，使后輪轉(zhuǎn)向角度自適應(yīng)于前輪轉(zhuǎn)向角度，后輪轉(zhuǎn)角和前輪轉(zhuǎn)角大小相等，同向時(shí)為蟹形轉(zhuǎn)向，反向時(shí)為向心轉(zhuǎn)向[6]。此時(shí)后橋?qū)χ杏透滋幱谂浜虾髽蜣D(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的浮動(dòng)隨動(dòng)狀態(tài)。工作過(guò)程中，組合閥中的雙向補(bǔ)油閥起作用，使比例換向電磁閥通過(guò)的流量與負(fù)載無(wú)關(guān)，只與比例換向電磁閥的開(kāi)度成比例，保證前后輪轉(zhuǎn)向的同步性。組合閥中的蓄能器使其在系統(tǒng)壓力較低時(shí)為后輪轉(zhuǎn)向助力缸提供動(dòng)能，提高后輪轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，并且消除換向過(guò)程中的液壓沖擊。

1.2.3 一鍵對(duì)中

在后橋一鍵對(duì)中狀態(tài)下，組合閥中的DT3～DT6根據(jù)ECU控制器控制程序得電后，其余電磁閥不得電，組合閥中的比例換向閥處于中位，后橋?qū)χ杏透状笮∏辉趬毫τ妥饔孟绿幱跈C(jī)械強(qiáng)制對(duì)中位置，前輪轉(zhuǎn)向通過(guò)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)，根據(jù)方向盤(pán)操縱任意旋轉(zhuǎn)。

2 應(yīng)急轉(zhuǎn)向

為了滿足機(jī)場(chǎng)地勤設(shè)備的安全性和可靠性要求，在單前橋轉(zhuǎn)向模式中增加了應(yīng)急轉(zhuǎn)向模塊。現(xiàn)在常用的應(yīng)急轉(zhuǎn)向技術(shù)方案有3種。

(1)主泵并聯(lián)外置的電液泵，當(dāng)主泵故障時(shí)，通過(guò)操作駕駛室按鈕閥開(kāi)啟外置液壓動(dòng)力源(電液泵)。這種應(yīng)急轉(zhuǎn)向可根據(jù)電液泵廠家技術(shù)分為連續(xù)式工作和間歇式工作(工作30 s，休息270 s)。這種應(yīng)急轉(zhuǎn)向成本較低，但是受車(chē)載24 V電源的影響，電機(jī)功率扭矩不大，應(yīng)用受限。

(2)給主泵并聯(lián)蓄能器，在主泵故障時(shí)，蓄能器作為備用液壓動(dòng)力源。此方案在液壓系統(tǒng)中容易實(shí)現(xiàn)，但是需要的蓄能器較大，成本較高，受外力撞擊具有爆炸的危險(xiǎn)，有安全隱患。

(3)柱塞應(yīng)急泵加應(yīng)急閥的方式。這種技術(shù)方案在大噸位車(chē)輛上廣泛使用，除了在主泵或者發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)提供應(yīng)急轉(zhuǎn)向，還可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)主泵轉(zhuǎn)向油路供油量不足時(shí)做流量補(bǔ)充，避免由于流量不足導(dǎo)致主轉(zhuǎn)向沉重。缺點(diǎn)是需要發(fā)動(dòng)機(jī)或者分動(dòng)箱上有取力器口。

本文采用第3種應(yīng)急轉(zhuǎn)向技術(shù)方案，系統(tǒng)由應(yīng)急泵、應(yīng)急閥、管路等組成。應(yīng)急泵是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的備用液壓泵,選用可雙向運(yùn)轉(zhuǎn)且工作轉(zhuǎn)速高的柱塞泵，安裝在分動(dòng)器取力口，主要負(fù)責(zé)在應(yīng)急狀態(tài)下給循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)供油；應(yīng)急閥是主轉(zhuǎn)向供油系統(tǒng)的監(jiān)控元件，也是應(yīng)急系統(tǒng)執(zhí)行轉(zhuǎn)向功能的自動(dòng)切換元件，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控主轉(zhuǎn)向油路供油狀態(tài)是否正常，若出現(xiàn)供油異常，則自動(dòng)將應(yīng)急泵中的液壓油引入轉(zhuǎn)向器中，執(zhí)行應(yīng)急轉(zhuǎn)向功能[7]。選用柱塞泵作為備用泵，原因有二：一是可雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，正常情況下隨分動(dòng)箱取力器口輸出旋向正轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，車(chē)輛靠運(yùn)動(dòng)慣性，由輪胎經(jīng)驅(qū)動(dòng)轎、分動(dòng)器將動(dòng)力傳遞給應(yīng)急泵反轉(zhuǎn)；二是工作轉(zhuǎn)速范圍大，本文中所涉及車(chē)輛選用的應(yīng)急泵工作轉(zhuǎn)速為100～3 500 r·min-1。

應(yīng)急閥由液控二位四通換向閥、單向閥、液控二位二通換向閥、檢測(cè)開(kāi)關(guān)、溢流閥(或稱限壓閥)、阻尼器集成，其流量的可選擇范圍廣，匹配方便，適應(yīng)性強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

上述多模態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可滿足不同工況下車(chē)輛對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，給整車(chē)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，為類(lèi)似專用車(chē)的多模態(tài)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)提供參考。當(dāng)然，它還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

(1)蟹形轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪轉(zhuǎn)角稍稍大于前輪，蟹形平行性差，車(chē)輛前行一段距離后跑偏。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)試、檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)后橋?qū)χ杏透孜恢脴?biāo)定偏差，前橋?qū)χ形恢醚b調(diào)有誤，經(jīng)過(guò)重新調(diào)試控制程序，并對(duì)程序偏差修正系數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，上述問(wèn)題得到解決，滿足蟹形轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪平行和直線行駛的穩(wěn)定性要求。

(2)蟹形右轉(zhuǎn)時(shí)，后輪轉(zhuǎn)角小于前輪極限轉(zhuǎn)角，需要人為回正一點(diǎn)兒方向盤(pán)，達(dá)到前、后橋轉(zhuǎn)角平行(和左轉(zhuǎn)向比較，極限轉(zhuǎn)角小)。這和理論分析的對(duì)中油缸壓縮行程不足一致，后期需重新開(kāi)發(fā)對(duì)中油缸。

(3)實(shí)際車(chē)輛怠速情況下原地蟹形轉(zhuǎn)向，后輪比前輪稍有滯后，這和理論計(jì)算的怠速情況下后輪轉(zhuǎn)角滯后0.27 s相吻合，理論計(jì)算時(shí)，為減少泵溢流發(fā)熱及能耗，按照常用工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降額選配泵排量。同時(shí)，滯后也和原件的相應(yīng)速度、原件精度相關(guān)。要想緩解及消除此問(wèn)題，除了選用精度高的傳感器、比例閥及控制器，后期設(shè)計(jì)必須使后輪轉(zhuǎn)速覆蓋前輪轉(zhuǎn)速范圍，控制程序再做反復(fù)調(diào)試修正，以達(dá)到理想狀態(tài)。

(4)實(shí)際車(chē)輛實(shí)測(cè)直線行駛50 m，折合偏離角度0.429 7°，這是目前該車(chē)所采用的比例閥無(wú)法控制的精度。同時(shí)，由于比例閥中位死區(qū)和非線性特性的存在，電控標(biāo)定調(diào)試也是一個(gè)難點(diǎn)，而且控制精度過(guò)高，也會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪擺振，這個(gè)問(wèn)題有待后期進(jìn)一步研究。