液壓緩沖無桿牽引車剎車工況下的仿真研究

張 威，房體會，王 偉

（1.中國民航大學航空工程學院，天津300300；2.中國民航航空地面特種設備研究基地，天津300300）

1 引言

在現代機場中，飛機牽引車是不可或缺的地面特種保障設備，能夠用來牽引或頂推飛機[1]。民航飛機大都采用噴氣式發動機，噴氣式發動機在低速條件下，能量利用率非常低，不符合節能減排的要求[2]。因此，現代民航飛機在地面頂推或牽引作業時需要依靠飛機牽引車完成。飛機牽引車也是維護牽引和救援牽引的動力來源。

在飛機地面牽引作業過程中，如遭遇突發事件等情況，會因牽引車急剎車或急加速、飛機急剎車或受沖擊等在牽引系統產生過大的牽引載荷。牽引載荷如果超出了牽引系統中構件的承受極限，可能會產生嚴重的后果[3]。為了應對牽引載荷過大的問題，有桿式飛機牽引車的做法是：在常規的牽引桿上加上剪切銷，利用剪切銷的斷裂來保護其它部件[4]；南京航空航天大學的李福海等在加了剪切銷的基礎上提出了一種具有液壓緩沖保護特性的牽引桿方案[4]。常規無桿式飛機牽引車的做法是：加強人員培訓及對牽引過程進行嚴格的規定[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。當出現緊急情況（如緊急剎車或牽引車飛機碰撞時）時，并不能對牽引系統進行有效的保護[6]。

因此，在Douglas TBL200 的基礎上，提出了具有緩沖功能的液壓緩沖無桿式飛機牽引車方案。緩沖器設置一定的觸發閾值，在沒有觸發時，緩沖器有足夠的剛度能夠保證正常的牽引作業。如果超出所設定的閾值，緩沖器觸發，完成對牽引系統特別是對飛機的保護。在Adams 里創建了“無桿牽引車（車架－緩沖器－夾持舉升機構）－飛機”的牽引系統模型，對牽引車單獨急剎的工況仿真，并對常規無桿式飛機牽引車和液壓緩沖無桿式飛機牽引車在最大剎車力及相同剎車距離下的牽引載荷進行對比。

2 液壓緩沖牽引車結構

以能夠牽引A320-200 的Douglas TBL200 無桿式飛機牽引車為基礎進行改造，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、滑塊和擴大了Z向范圍的導向平面（與導向架所接觸的部分）。其結構，如圖1 所示。

圖1 液壓緩沖無桿式牽引車結構示意圖Fig.1 Structure Diagram of Towbarless Vehicle with Hydraulic Buffer

對于Douglas TBL200 無桿式飛機牽引車，對舉升平臺的約束是通過舉升連桿、舉升液壓缸和導向支架的組合來完成的。液壓緩沖無桿式飛機牽引車是在Douglas TBL 200 的基礎上，不改變舉升平臺原有的約束關系，把舉升連桿和舉升液壓缸改變為與滑塊相連；同時，把與舉升平臺導向架所接觸的導向平面在Z向進行擴大。其中，滑塊利用導軌與車架相連，使得滑塊能夠沿Z軸方向移動；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。

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

3 牽引作業限制載荷分析

在本研究中，需要知道緩沖器觸發時的載荷閾值，參考牽引A320-200 飛機的牽引桿剪切銷的設計值。在牽引桿設計中，為了更好地保護飛機及其他裝置，一般把牽引桿設計成整個牽引系統的薄弱環節。其中的設計，已經給出了整個牽引系統牽引載荷的限制范圍，以某牽引A320 牽引桿為例，計算A320-200 飛機在牽引作業限制載荷，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的牽引載荷數值。這時能夠更好地對牽引系統進行保護。其中液壓緩沖器沒有觸發時，雙出桿型液壓彈簧的剛度用下式計算[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 飛機地面牽引系統模型

以Douglas TBL200 和A320-200 飛機為原型，建立牽引系統動力學模型，對該牽引系統作如下假設：（1）牽引車和飛機都為剛體，且質量分別集中于牽引車及飛機的重心處；（2）考慮夾持機構對飛機前起輪胎的夾持性能；（3）考慮飛機前起緩沖支柱對牽引載荷的影響。

4.1 建模流程

對無桿牽引車車架、緩沖器、夾持舉升機構，飛機的前起落架、主起落架的零部件進行簡化，通過Solidworks 進行建模并裝配，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，將上一步所保存的文件導入，然后對模型里各個實體的質量和轉動慣量等參數施加到各個實體上。最后把輪胎模型和道路模型根據實際情況加入到牽引系統中，并根據實際情況添加模型的約束，完成牽引系統建立。

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

表1 牽引系統主要參數Tab.1 Main Parameters of Towing System

4.2 牽引系統各子模型設置

4.2.1 輪胎模型和道路模型

在進行車輛動力學仿真時，輪胎模型的選取正確與否對仿真結果的真實可靠關系巨大[9]。Adams 自帶4 種能夠用于車輛動力學仿真的輪胎模型，各輪胎模型的應用場景各不相同，選擇適合多體動力學仿真的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仿真的3D 樣條道路里的平滑路面進行動力學仿真。

4.2.2 夾持模型設置

夾持機構是把飛機前起輪胎與無桿式牽引車連接的裝置，夾持的可靠性對牽引的安全和效率及牽引系統中人員的舒適性有重大的影響。夾持模型，如圖3 所示。

圖3 無桿式飛機牽引車夾持模型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前起輪胎約束在舉升平臺兩個傾斜的托舉平面上，產生了夾持力。其中壓緊支架、夾緊支架對飛機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。為了獲得更加真實的仿真結果，在仿真過程中不能忽略柔性體和液壓剛度對牽引載荷的影響，所以在夾持機構和飛機前起輪胎之間建立了接觸模型。對于接觸力的建立運用Adams 自帶的Impact 函數計算接觸力。接觸力的設置相關的部件有：飛機的2 個前輪，夾持機構的2 個壓緊支架，夾持機構的2個夾緊支架和舉升機構的2 個托舉面。一共設置8 處接觸力，因其相互接觸的兩個物體都是相同的：輪胎和金屬板。所以其參數都采用相同的設置，如表2 所示。對于夾持舉升機構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線性彈簧阻尼器。其中線性彈簧阻尼器的設置，如表3 所示。

表2 接觸模型參數設置Tab.2 Parameter Setting of Contact Model

表3 線性彈簧阻尼器參數設置Tab.3 Parameter Setting of Linear Spring Damper

4.2.3 緩沖器模型設置

緩沖器能夠有效地減小慣性沖擊和剛性碰撞，對機械設備的保護作用明顯。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點[11]。

液壓緩沖器吸收能量的方法有：緩沖器內部的彈簧壓縮吸收能量；另一個是液壓油被迫通過調速閥的節流孔，把物體的沖擊能轉換成熱能[11]。再者，由于緩沖器內部的彈簧只是用于在牽引車行駛或停車狀態時使液壓桿克服摩擦力恢復到液壓缸的中間位置，所以彈簧的剛度要求不高，吸收的能量同時也很有限，即絕大部分的能量都讓節流孔耗散掉。所以在對緩沖器的建模中不考慮液壓缸的內部彈簧。在牽引系統中，液壓緩沖器采用理想緩沖器模型。在Adams 里用一個兩點力SFORCE 代替液壓緩沖器，使得飛機等減速運動。

5 剎車時不同緩沖器的仿真分析

根據建立的牽引系統，通過對比最大剎車力時和相同剎車距離時的常規無桿式牽引車和不同緩沖行程的無桿式牽引車的牽引載荷，考察液壓緩沖無桿式牽引車的保護功效。

5.1 最大剎車力時的仿真分析

根據東航所發布的“A320 飛機勤務手冊”，飛機地面正常牽引速度要小于5km/h[4]。因此，在仿真過程中先令牽引系統以1389mm/s 前進，然后在牽引車單獨制動的情況下，使牽引系統中的牽引車與飛機的速度都變為0km/h。另外，最大的剎車力的取值參考民航局所頒布的“牽引車牽引作業標準”，其中說明牽引車剎車時剎車力為牽引車質量的60%[12]，而此仿真工況為無桿牽引車單獨急剎，剎車制動力已然超過無桿牽引車馱負質量的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，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 最大剎車力時不同緩沖器下牽引載荷變化曲線Fig.5 Towing Loads of Different Buffers at Maximum Braking Force

通過以上的仿真結果可得：由圖4 和圖5 可以得出，在最大剎車力下，常規無桿牽引車的剎車時間為2.75s，剎車距離為1.91m；當緩沖器加入后，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 對牽引載荷進行控制。

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

5.2 相同剎車距離時的仿真分析

在這個仿真過程中，不同的緩沖器下牽引車的剎車距離和常規無桿牽引車的剎車距離相同，來考查牽引載荷的變化情況，同時，不同緩沖器的緩沖距離不做任何改變，如表4 所示。在這個過程中，牽引車的速度變化同圖4 中的常規無桿牽引車曲線。牽引載荷變化曲線，如圖6 所示。

圖6 剎車距離相同時不同緩沖器下牽引載荷變化曲線Fig.6 Towing Loads of Different Buffers at Same Braking Distance

由圖6 可以看出，液壓緩沖無桿式飛機牽引車與常規無桿牽引車的擁有相同的剎車距離時，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對牽引載荷進行控制。牽引載荷已由常規無桿牽引車的38600N降低到32000N，降低了17.10%。此時緩沖距離為0.49m。

綜上兩種情況對比與分析：在牽引系統中，牽引車單獨剎車時：在最大剎車力時，為達到牽引載荷控制的目的，緩沖器的緩沖距離達到了1.25m，這個方式的優點是剎車距離降低了51.31%，缺點是緩沖距離過長；在相同剎車距離的情況下，為達到牽引載荷控制的目的，緩沖器的緩沖距離為0.49m，比最大剎車力時達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牽引載荷進行有效的控制，其中都有優缺點，具體應用哪種方式，就要考慮工程中的具體需求。

6 結束語

針對常規無桿式飛機在地面作業過程中，牽引載荷過大造成人員的傷害和飛機或其它相關設備的損害的問題，基于Douglas TBL200 提出了液壓緩沖無桿式飛機牽引車方案，介紹了該牽引車的結構及工作原理；基于Solidworks 和Adams 建立了“無桿牽引車（車架－緩沖器－夾持舉升機構）－飛機”的地面牽引系統模型，模型中考慮了夾持機構對飛機前起輪胎的夾持。針對牽引車單獨剎車工況，通過仿真對常規無桿式飛機牽引車和液壓緩沖無桿式飛機牽引在最大剎車力和相同剎車距離時牽引載荷的變化進行了對比分析。

在牽引系統中，牽引車單獨剎車時，增加了液壓緩沖裝置在牽引車對剎車力的兩種控制方式都能夠達到控制牽引載荷的目的，但是各有優缺點：在最大剎車力的情況下，降低牽引系統的剎車距離均得到大幅度降低，但是緩沖器的所需行程過長。在剎車距離與常規無桿牽引車的剎車距離相同時，牽引系統的剎車時間、剎車距離沒有發生改變，但是緩沖器所需的行程降低了60.8%，更有利于工程實現。