多功能飞机除冰车的结构设计*

2013-06-28徐赫男李秀良

机械研究与应用 2013年3期

徐赫男，徐峰，赵宇，李秀良

(沈阳市万事达汽车改装厂，辽宁沈阳 110043)

1 引言

伴随航天事业的发展，飞机除冰设备已有百年历史。早期的飞机除冰没有专业化的除冰设备，由人站在梯子或支架上用热水管对飞机机体结冰部位进行清除，但随着机体越来越大，这种除冰方式已不能满足需求，于是就设计了专业化的除冰车。专业除冰车最早起源于高纬度的北欧国家，如丹麦、瑞典等，这些国家冬季长，飞机结冰现象突出，迫切需要专业化的除冰车［1］。

飞机除冰车是寒冷地区机场或航空公司必备的飞机安全保障设备。停放在跑道或起飞线上的飞机一旦遇到低气温、空气湿度大、降雨、降雪等天气时，会在其表面形成一层霜、雪或冰，凝结在飞机机翼表面，使机翼表面变得粗糙，造成临界迎角减小、升力降低，飞机空气动力性能变坏，影响飞机飞行安全。据统计，由于飞机表面结冰、积雪、结霜未及时清除而引发的事故占各种气候条件引起的事故的9%［2］。

近年来，我国民用机场配备了飞机除冰车，所使用的除冰车主要依赖于进口，功能形式也比较单一。笔者研制的多功能飞机除冰车是一种集除冰、防冰及飞机高空位置检测和维修于一体的多功能即热式除冰车［3］，即以一定压力喷洒加热到一定温度的除冰液来对飞机局部结冰位置或飞机全身进行除冰的机场地面专用设备［4］。适用于波音737型、空客A320型、伊尔-76型及运-20型等大型飞机，也可兼顾其他小型飞机。

2 结构与技术参数

(1)一般技术性能参数整车外形尺寸(长×宽×高):11 000 mm×2 500 mm×3 700 mm;操作人员:2～3人。

(2)行驶性能参数转场最高车速≤80 km/h;行走作业车速为1～5 km/h。

(3)使用性能参数最大作业高度15.7 m;操作斗额定载荷205 kg;除冰系统包括:除冰液喷射最大流量为225 L/min;除冰液加热时间为5 min;防冰系统包括:防冰液喷射器最大流量为105 L/min;液罐总容量:6 000 L。

(4)工作环境参数工作温度:-35～+46℃;湿度≤90%(40℃时);抗风能力为12.5 m/s。

3 工作原理

该车采用复合传动系统，具有低速液压行走和高速机械行走功能，以及动力输出口，为上装设备提供动力。正常行驶时，采用机械传动系统;作业时，采用液压传动系统。除冰作业时，离心泵将除冰液罐内的除冰液泵入锅炉内，锅炉检测到流量信号后，启动液压马达驱动的燃烧器对流经锅炉的除冰液加热，待加热温度达到要求后，启动操作斗上的除冰液喷射器对飞机进行除冰作业。防冰作业时，隔膜泵将防冰液罐内的防冰液泵入管路，启动操作斗上防冰液喷射器对飞机进行防冰作业。对飞机进行清洗作业时，由离心泵提供动力，通过清洗卷盘将清洗液喷射到飞机表面。进行高空维护作业时，将前后液压支腿展开到位，高空作业系统可进行升降、回转等作业。

4 主要系统结构

复合传动系统安装固定在底盘车架的纵梁上并与断开式传动轴连接;厢体通过纵梁和横梁组成的骨架固定在底盘上;厢体两侧与后部都有开门设备，便于系统设备的维护;厢体内部安装除/防冰液罐、即热式除冰锅炉、高空作业系统、隔膜泵、离心泵、清洗卷盘、动力油箱、散热器、控制箱、控制阀块、仪表及液压管路等设备部件;在驾驶室和高空作业系统操作斗内，分别设置控制面板对除冰车各系统进行控制与监视，如图1所示。

图1 主要总成布局

4.1 低速行走系统

以汽车底盘的发动机作为动力源，通过发动机输出的动力驱动低速行走系统。低速行走系统由行走液压泵、液压马达、复合传动箱、调速系统等组成。在机械传动方式下，传动箱的输入传动轴与输出传动轴直接连接，车辆为机械行驶状态;在液压传动方式下，传动箱的输入传动轴通过配置于箱体上的两个双作用汽缸配合操作，实现与输出传动轴脱离，输入传动轴驱动箱体一侧的液压泵，液压泵通过控制与液压马达之间形成的闭式液压回路驱动箱体另一侧的液压马达，再通过复合传动箱内的传动机构驱动输出传动轴，即以液压传动方式平稳控制车辆的行走速度如图2所示。液压行驶方式和机械行驶方式可通过安装在驾驶室内的控制手柄及转换开关实现平稳切换。液压行驶时，行驶速度由手柄控制;机械行驶时，行驶速度由汽车的油门脚踏板控制。

图2 低速行走系统工作形式

4.2 除冰液加热系统

选择即热式锅炉及配套的燃烧系统，主要由不锈钢炉体、燃烧器、液压马达以及管路系统等组成。系统具有超温、超压、液箱液位低、干烧等安全保护措施。管路上设置过滤器，防止杂物进入盘管。加热系统控制方式为电液控制，控制电压为DC24V。主要技术参数如下:额定热功率:1 000 kW;加热时间:≤5 min(从5℃加热至85℃的时间)。

4.3 高空作业系统

高空作业系统主体机械构件采用高强度钢板焊接而成，非连续360°旋转，配备电动限位开关防止软管及线路受损。内、外臂总成由外臂、伸缩式内臂、延伸液压缸、软管承载系统等组成。操作斗为玻璃钢半封闭式结构，其作业面积能容纳2人站立工作。设有上部和下部两套控制系统，上部控制装置设在操作斗上，便于操作者控制;下部控制装置具有上部控制的功能，并具有超越上部控制装置的作用如图3、4所示。安全措施完善，设有紧急动力源和臂限制系统:紧急动力源是DC24V电动液压泵;臂限制系统是一种监控系统，限制臂到最大水平延伸时不让臂超载，确保作业人员的安全。

图3 上部控制装置

图4 下部控制装置

4.4 液压系统

受车辆底盘空间的限制，液压总泵采用结构紧凑的三联齿轮泵作为动力源，安装在复合分动箱上，根据各机构的实际流量合理分配动力，使车辆行驶、供液喷射和高空系统作业能同时进行互不干扰。

厢体前后各安装2支液压支腿，支腿撑地后承受整车的重量和所有外加载荷。主要用于长时间对飞机固定位置维修作业时使用，提高车辆稳定性，确保操作人员的安全。

设置2个独立的液压油箱，分别供给低速行走系统和高空作业系统等其他系统。

各系统的液压马达均采用比例阀控制，以电控方式实现对液压马达转速的精确控制。自动化程度更高，系统调试更省时。

4.5 控制系统

用车载专用TTC控制器进行信号采集处理和动作控制，控制信号和操纵曲线可实现数字化设定和调整，适应各种不同要求，具有极限位置自动减速及停止功能，避免执行机构的运动冲击，提高操纵性能，专用控制器可直接驱动电液比例阀或换向阀，无需放大器和继电器，可以节省大量节点，使故障率降低，能对工作平台前方及左右的障碍物距离进行检测和工作平台负载检测并具有限制功能，避免了人视野盲区造成危险情况的发生，具有极好的可靠性和安全性。

系统采用嵌入式HMI实现虚拟仪表集中显示，动画汉字图形文本混合显示，更直观的理解当前车辆的工况，动画显示车体和臂架的姿态，具有端子状态监视，报警信息查询以及传感器，手柄和比例阀等参数的显示和修改标定功能，具有良好的人机对话特性如图5所示。

图5 控制面板

4.6 供液喷射系统

供液喷射系统主要由除冰/防冰液罐、离心泵、隔膜泵、喷射器、清洗卷盘等组成。

(1)除冰、防冰液罐根据国内民航飞机除冰雪保障经验，5000 L除冰液能满足在中雪条件下为2架大型飞机除冰雪的需要，大雪条件下为1架大型飞机除冰雪的需要;1000 L防冰液能满足为1架大型飞机防冰雪的需要。据此确定除冰液罐和防冰液罐的容量分别为5000 L和1000 L。

(2)离心泵除冰液的供液动力由多级立式离心式水泵提供，可供输送除冰液或清洗液之用。

(3)隔膜泵由于防冰液在搅动的状态下将会分解，所以防冰液的供液动力由隔膜泵提供，利用泵内膜片的往复运动，将防冰液挤压出去进行喷射。

(4)清洗卷盘清洗卷盘安装在车厢后部下方，满足飞机低矮部位清洗的需要。卷盘胶管可随意定位和自动回卷，在前端配有喷射器。

(5)喷洒控制在操作斗上设置有供液喷洒控制面板，操作斗内的操作人员可根据工作情况进行喷洒的起动、停止控制，上车、下车可协同操作(见图6)。

图6 供液喷洒控制面板

4.7 安全防护设备

(1)急停装置系统安装一个紧急停止装置，在误操作情况下，该装置可有效切断所有动力源，并使汽车发动机自动熄火。同时，在作业车主动力失效时具有辅助下落装置或措施。液压系统装备液压锁，即使在出现液压软管爆裂或失去液压动力的情况下，高空作业臂会被锁止，不会出现任何危险。

(2)自动调平装置该机构液压部分由溢流阀、电磁换向阀、调平油缸和液压锁组成。在高空作业过程中，当操作斗处于非水平位置时，实时控制电磁换向阀动作，并打开液压锁，调平油缸即产生伸缩动作，使操作斗恢复到水平状态。

(3)超重报警装置操作斗限重控制系统是将4只测力传感器安装在操作斗台面下部，检测操作斗台面上的重力，将传感器输出的毫伏级信号，经过信号放大电路，由经过单片机数据运算处理，得到实际操作斗台面上的重量，分别输出安全控制信号，临界控制信号，及危险控制信号。通过该信号控制高空作业车的正常操作、慢速操作或停止操作。

(4)操作斗防碰撞装置高空作业系统操作斗的下方设有超声波传感器，当操作斗与飞机表面距离小于1 m时，系统发出报警如图7所示。