基于AMESim的除冰車全液壓制動系統(tǒng)仿真設計

周虎林等

摘要：由于機場除冰車使用工況的特殊性，對其行駛安全性要求較高，因此制動系統(tǒng)顯得尤為重要。分別搭建各組件的AMESim模型，仿真研究不同輸入信號工況下進出壓力變化情況及協(xié)調(diào)性，尤其是對雙路充液閥、雙路液壓制動閥工作過程的靜動態(tài)性能進行研究，最后實車試驗驗證設計結(jié)果，實驗結(jié)果對比表明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。

關鍵詞：除冰車；雙路制動系；液壓制動；AMESim模型；實車測試 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH137 文章編號：1009-2374（2015）30-0017-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.30.009

1 概述

機場除冰車是一種在低溫、冰雪工況下對機場路面及航空設備進行除冰作業(yè)的專用設備。它除冰可靠、效率高、易操作，大量用于各民航和軍用機場，會非常有效地降低飛行和保障難度，增強安全的同時保證了交通效率。制動是車輛非常重要的組成部分之一，本質(zhì)是將車輛的動能經(jīng)過摩擦轉(zhuǎn)化成熱能，最后擴散至大氣中。除冰車等專用工程車輛制動系發(fā)展過程主要是驅(qū)動機構(gòu)的進步過程，歷經(jīng)單一的機械摩擦制動、真空助力制動、氣頂液制動以及全動力液壓制動等階段。國外在全動力液壓制動系研究方面進展也很緩慢，基本都是只做定性說明或簡單介紹，沒有定量設計。國內(nèi)對于此方面的研發(fā)進展不大，成果也極其有限。太原科技大學林慕義教授科研團隊側(cè)重于充液閥和制動閥的靜動態(tài)理論推導以及理想數(shù)學建模，為后續(xù)理論分析提供了參考，但對實際工程幫助較為有限，準確程度難以運用到實際中。

本文主要通過AMESim仿真平臺搭建雙路充液閥、液壓制動閥、制動器等模塊模型，搭建了除冰車實車制動系整車各部件共同作用情況下的仿真模型。仿真分析各不同給定信號下出入壓力變化情況和協(xié)調(diào)性；實車試驗仿真模型的準確性，主要是測量制動過程中制動器壓力變化情況；對比仿真結(jié)果，分析參數(shù)對制動性能的影響。

2 除冰車制動系設計計算

2.1 設計目標

2.2 驅(qū)動機構(gòu)主要參數(shù)計算

后橋都選擇MICO公司最大制動力矩為50000N·m的制動器，本部分后面設計將按照此力矩來計算輪缸和主缸的大小。輪缸直徑d的確定。依據(jù)襯塊對制動盤的作用力與力的作用面積的關系可知：

盤式制動時最高的管路工作壓力一般限定在12MPa，且壓力越高，機構(gòu)越緊湊，但對制動軟管接頭安全和密封性等要求就越嚴格。計算結(jié)果滿足GB 2865-1997規(guī)定。

前后輪單個制動器一個側(cè)面制動輪缸總工作面積：

結(jié)合實車實際情況，建立整車制動系AMESim模型。制動系主要分為動力源機構(gòu)（液壓泵和發(fā)動機組件）、控制機構(gòu)（充液閥和蓄能器組件）、驅(qū)動機構(gòu)（制動閥和管路組件）以及執(zhí)行機構(gòu)（制動器組件）四大部分，信號來源由駕駛員施加的踏板位移提供。除冰車制動系液壓泵、充液閥、蓄能器可以為制動系提供的壓力范圍是12.8～15.9±0.5MPa。制動閥工作壓力范圍為0～11.6MPa。

4 制動系仿真分析

將針對駕駛員操作時的各種輸入分別對制動性進行研究，并分析當一條回路失效情況下對整車制動性能的影響。駕駛員輸入位移量、制動閥閥芯直徑和蓄能器壓力影響，參數(shù)設置如表2所示：

4.1 比例信號輸入

制動時最簡單的情況是當駕駛員緩慢踩動踏板時，制動力緩慢增加，制動閥輸出也同步增加，此過程可以用比例信號來描述，如圖2所示：

4.2 一條回路失效

針對兩條回路中任何一條回路失效情況進行仿真分析，輸入信號采用最切合實際情況的梯形波信號。

4.2.1 前橋制動回路發(fā)生故障。結(jié)果如圖3所示：

由仿真結(jié)果可知，前橋失效，則輸出壓力為零，后橋制動壓力約為12MPa，壓力輸出正常，前橋和后橋所產(chǎn)生的制動力相同，因此整個制動系仍可以獲得正常情況下一半的總制動力大小。而每次制動，蓄能器都會放出制動閥一定體積的油液量，由于前橋失效，因此只有一半油液量供給后橋制動器，實施制動，制動完畢后，油液又回到油箱。因此，隨著制動過程的不斷進行，后橋蓄能器內(nèi)油液的體積逐漸減少，壓力也隨著逐漸降低，直到壓力低于制動所需壓力時，蓄能器提供壓力與制動壓力相等。

4.2.2 后橋制動回路發(fā)生故障。仿真結(jié)果如圖4所示：

后橋失效時，前幾次制動中，前橋制動壓力仍能達到正常值，前橋蓄能器內(nèi)壓力也隨著制動次數(shù)的增多而減小，直到壓力小于制動壓力后，蓄能器提供的壓力就是實際制動時的壓力。通過仿真結(jié)果可知，蓄能器壓力能夠提供五次正常制動壓力，在第六次制動時壓力會降到正常制動壓力以下，此壓力約為11.4MPa。在制動過程中，由于油液的阻尼以及制動管路的作用，會使得壓力產(chǎn)生微小震蕩，但無明顯超調(diào)，屬于正?，F(xiàn)象。

4.3 整車制動系仿真分析

4.3.1 不考慮充液閥充液。當輸入梯形波信號時得到前后橋蓄能器和制動管路壓力隨時間的變化規(guī)律。

根據(jù)仿真結(jié)果知，前后橋制動管路壓力變化與踏板信號保持一致，后橋制動管路壓力比前橋略高，有利于保證整車制動穩(wěn)定性。前后橋蓄能器在每次制動時都釋放一定的油液量，蓄能器內(nèi)部壓力降低，在制動維持階段和解除制動階段，蓄能器不給制動系供油，因此壓力保持不變。經(jīng)過五次制動后，各蓄能器壓力降低至低于制動最高工作壓力值，此時如果充液閥不開啟為蓄能器充液，則蓄能器壓力就是制動管路壓力值，蓄能器壓力變化比較平穩(wěn)，沒有較大的波動，制動管路壓力由于液體傳遞，有一個短暫的延時和平滑穩(wěn)定的過渡。每次踩踏板瞬間和踏板運動至最大行程位置處時，會對輸出壓力產(chǎn)生微小擾動，在踏板緩慢運動過程中，壓力平穩(wěn)變化。

4.3.2 考慮充液閥充液?？紤]充液閥充液過程，制動和充液聯(lián)合作用下仿真曲線如圖8所示：

根據(jù)仿真結(jié)果，每完成五次制動后，蓄能器內(nèi)的壓力就降低至充液閥的下限壓力值，充液閥開啟（第15s和第39s），為蓄能器充液，充液時間為9s，在第24s和第48s時完成充液。

5 制動系實車試驗分析

5.1 停車試驗

先保持開機狀態(tài)充液，使得蓄能器內(nèi)達到要求壓力后停機。駕駛員勻速踩動踏板，輸入梯形波信號，將耐震壓力表測得的壓力變化試驗結(jié)果視頻用電腦通過分幀軟件提取出來后，逐一描點得到試驗結(jié)果，如圖9所示：

壓力變化與理論分析幾乎吻合。

5.2 開機試驗

實車加速至規(guī)定最大制動初速度V=30km/h后保持發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)，試驗蓄能器出口和制動器入口壓力，結(jié)果如圖10所示：

在完成充液后，蓄能器從最高壓力開始工作，經(jīng)過5次制動后蓄能器壓力降低至最低壓力，充液閥開始充液，直至再次恢復最高壓力。

6 結(jié)語

（1）蓄能器壓力和制動管路壓力變化情況符合設計要求；（2）整車制動性能仿真與實車試驗吻合度較高，建模精度較高；（3）根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合實車需要，設計了實車試驗的方法，對制動管路壓力進行了測試，試驗結(jié)果有力驗證了設計合理，理論分析和模型正確；（4）通過

試驗結(jié)果，對仿真參數(shù)的進一步優(yōu)化提出了相應措施。

參考文獻

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（責任編輯：周 瓊）