即热式飞机除冰车关键技术研究VIP

第二章即热式飞机除冰车系统总体设计2.1 飞机除冰车设计标准、规范、现场条件1. 机除冰清洗车的设计、制造、试验等，应采用适合该项目的最新且己实施的标准和规范，以满足使用条件，其引用标准如下:(1)国家标准、中国行业标准等高空作业部分应符合 GB9465.1 -3 的规定;车辆运行安全技术条件应符合 GB7258 的规定;车辆的侧面及下部防护装置应符合 GB11567 的规定;车辆的外廓尺寸应符合 GB1589 的规定;车辆的水路系统应符合 GB7956 的规定。(2)国际权威组织标准ICAO 国际民用航空组织的相关标准;lEC 国际电工委员会的相关标准.2.对于车辆的各种零、部件的设计及选用应充分考虑其标准化和通用化，以便于更换与维修。3.使用现场条件大气压力:99.8Kpa-103Kpa;环境温度:-40 -+50 ;相对湿度:20% -100%(平均 8O%);抗风能力:45m /s;抗地震能力:水平加速度 0.3g,垂直加速度 0.15g:安全系数:结构件安全系数大于 2,稳定性安全系数大于 2;适用机型:B727, B737, B757, B767 ,B747, A30D, A310, A319, A320, A321,A340, MD80, MD82, MD90。2.2 飞机除冰车设计的技术指标参照国外先进的飞机除冰清洗车，购置和改装相应的车底盘，对各分系统进行设计、制造与调试，组装后进行整车调试试验，使其主要技术指标基本上达到国外先进水平，产品生产制造实现国产化。飞机除冰车设计的技术指标包括如下:(1)最大举升作业高度 (工作篮底平而距地面)为 13m;(2)举升臂最大水平幅度为 8m;(3)大喷射流量达到 230L/min; (4)工作时喷枪出口温度为 84;（5）温度升至 84 度的时间3min，(实际升温时间90s)；(6)喷枪出口压力为 1.3Mpa；(7)喷枪出水射程15m；（8）除冰液箱容积为 6800L;(9)工作篮载荷 204kg;(20)工作篮联接臂折叠至驾驶室前端，载人从地面直接进入工作篮。2.3 即热式飞机除冰车分系统设计根据要求设计的即热式飞机除冰车结构如下。包括汽车底盘、载人高空作业装置、除冰液箱、液压系统、除冰液喷射(水路)系统、加热系统、电气及控制系统和安全装置等。载人高空作业装置的主体结构为折曲式，在主臂端部设置有一节小臂，与小臂联接处有工作篮装置。主臂下端为旋转支架，其与回转支承联接。工作篮的承载重量为 204kg，其作业面积应能容纳 2 人站立工作。篮内设置有一套控制装置，用以控制主臂的展开和俯仰，小臂的起伏、上车部分的旋转等，该控制装置为摇杆手柄式控制。臂架结构采用高强度钢板，经折弯压型焊接加工后而成，臂架部分对底盘应相对进行旋转，向左、右旋转的角度不小于 175 度，连续旋转角度不小于 350 度. 在臂架与旋转支架的下方，设有回转支承用以实现支承上车和旋转上车的功能。在汽车主梁上部设置有汽车付梁，用以联接汽车底盘与上车臂架部分。整体嘴架的控制采用液压控制方式。除冰液箱用不锈钢材料制作，箱体容积 8000 升，箱体内部设有防荡隔板，用以克服汽车行驶时液体冲击对汽车的行驶稳定性造成的影响.喷射系统最大喷射流量为230L/min,最大喷射距离大于 15m。喷枪的流量在设定范围内多级可调，并能实现柱形喷射和扇形喷射。加热系统需要在 3 分钟将除冰液从常温下加热到 84以上。并且能够控制喷射的除冰液温度使其稳定在 84左右。当除冰液超过警戒温度时能够自动关闭燃烧器，并在液温低于某个阀值时启动燃烧器，加热系统设置在封闭的车箱内，并对燃烧室有适当的保护外罩，其保护外革为不锈钢材料制成，控制面板设登在驾驶室内。现分别介绍各系统构成。3.3.1 机械系统飞机除冰车机械系统由汽车底盘、载人高空作业装置等组成，系统结构图如图 2-1 所示。飞机除冰车底盘采用长春第一汽车制造厂制造的解放 CA1226P1K2L7T1(二类)型车底盘，车内配置冷暖空调和无线对讲系统，驾驶室内设置必要的控制开关与仪表，驾驶室上方还设置了观察天窗，发动机采用大连柴油机 CA6DE1-23，其最大扭矩为 890Nm。载人高空作业装置包括立柱组件、三个工作臂、三个臂缸、两个蹄平衡缸，以及相关的一些组件。该飞机除冰车的高空作业装置主体结构为折曲式，在主臂端部设置有一图 2-1 飞机除冰车外形图节小臂，与小臂联接处有工作篮装里。主臂下端为旋转支架，其与回转支承联接。与汽车底盘联接部分为付梁结构用以支承整个上车。在付梁上方设置有嘴架及旋转支承框架。付梁为高强度钢板焊接后加工而成。所有臂架结构采用高强度钢板，经折弯压型焊接加工后而成，并进行了严格的防锈处理，臂架部分可相对底盘进行旋转。包括向左、右旋转不小于 175 度。在旋转支架上设有液压和机械组合式的旋转驱动机构，以实现臂架的转动。工作篮的承载重量为204kg.其作业面积应能容纳 2 人站立工作。篮内设置有一套控制装置，用以控制主臂的展开和俯仰、小臂的起伏、上车部分的旋转等，该控制装置为摇杆手柄式控制。工作篮上还设有 24V 工作照明灯，用以夜间照明工作需要，以及方便上、下的梯物和两个喷射器，其中一个为除冰液喷射器，另一个是防冰液喷射器。工作篮平衡缸采用四连杆机构，包括机械四连杆和液压四连杆，使得工作臂任何动作都保持工作篮在作业过程中终处于水平状态。2.3.2 水路系统即热式飞机除冰车的液压系统包括储液箱，离心泵、电机、加热器内部盘管、相关管路、喷枪等。离心泵采用格兰富(GRUNDFOS)公司生产的立式多级离心泵 CRN16-120,其额定流量为 267/min,额定压力为 17kgf/cm 。它具有如下特点:转速高，体积小，重量轻，效串高，流量大，结构简单，性能平稳，容易操作和维修。喷枪采用美国 Task Forcery 公司生产的 BGH-HT150 型喷枪，按流量大小分为六个档位。水路系统的原理图如图 2-2 所示。图 2 一 2 除冰车水路系统原理图系统采用专门的发电机为离心泵提供动力。工作时，离心泵在电机的带动下把除冰液从储液箱抽出后，沿管路经三个并联的加热器加热后再从喷枪喷出或通过电磁阀循环进入储液箱，还有一小部分直接通过溢流管路返回储液箱。使用三个并联的加热器，使流经每个加热器的液体流量减少到系统总流最的1/3，这样可以提高液体的加热速度，即在 90s 的热交换器预热时间内使流经加热器的除冰液温度升至 84。设计通往储液箱的溢流管路是因为在除冰操作过程中，除冰液的喷射流量会随操作入员切换喷枪喷射档位而大幅度变化，老式飞机除冰车的喷射系统是由定量容积泵和溢流阀等构成的恒功率系统，喷射流量降低时，多余的流量被滋流掉，造成了能量的浪费。而本系统选用的离心泵在小流量情况下扬程不至过高，系统仍然可以正常工作，所以通过设置带阻尼管的溢流管路，让其直接通向储液箱，并通过多次试验来调节阻尼管的长度，使得溢流流量保持在一个小的数值，保证在操作人员关闭喷枪，主流量为零时离心泵仍能正常工作，此时电机负载下降，功耗降低，节约了能量。1.离心泵本系统选用“格兰富CRN-120 型离心泵，其额定功率为 11KW,额定流量267L/min,额定压力 1.7MPa。该离心泵的特点是容易操作和维修，转速高，效率高，结构简单，性能平稳等。由离心泵“流量一扬程”特性曲线可知，在小流量情况下泵的扬程不至过高，系统可以正常工作 23。最小流量是泵能维持正常连续运转的最低流量界限，在泵出口处设置带阻尼管的溢流管路，使得泵能够保证在系统最小流量情况仍然正常工作。避免对泵体造成破坏。旁溢流采用细管段，此外还可以充分利用离心泵的负载特性及细管阻尼特性，实现喷射系统的流量、压力自动匹配。溢流管路直接通向储液箱，通过试验调节阻尼管的长度从而控制滋流流最，使之保持在 20%-30%最高效率点流量数值，从而保证在操作人员关闭喷枪，主流量为零时离心泵仍能下常工作 24。此时电机负载下降，功耗降低，克服了老式飞机除冰车除冰液喷射系统能量损失大的问题。离心泵的供电电源由控制柜中的电源按钮山手动控制，以确保在超温状况或类似特殊情况下加热器的紧急降温操作需要。2.准备与预热管路在环境温度低于 5的情况下。需要对整箱除冰液进行循环预热，直至除冰液储液箱内除冰液温度升至 5。这样做的目的是因为工作时系统流量很大，此时如果除冰液温度低于 5，则系统温升达不到规定的 84。预热的方法是在加热器出液口后水路交汇处设有两条管路通向储液箱，由两个电磁阀分别控制。其中用于热交换器预热的管路内设有阻尼管，关闭喷枪，打开通往水箱的电磁阀，加热器全功率加热，系统以 230L/min的流量工作，这样除冰液箱中冷的除冰液经过加热器加热后又返回除冰液箱.此外，为了实现除冰液的即时加热，加热器在正式工作前需要有 90s 小流量下除冰液循环的热交换器预热过程。这个过程的意义在于将热交换器事先升至一定的温度，当喷射工作开始时，除冰液可立即获得升温所需的能量，实现即时加热。若在此过程中加热器内没有处于流动状态的除冰液，则大功率的加热极易给设备结构带来损坏，甚至对人员造成危险，而过大的除冰掖流量将延长热交换器预热过程。3，喷枪喷枪选用“Task Force Tip”公司的“BGH-HT-150“型专用除冰液喷枪，该喷枪属于阀控除冰喷枪，分为 6 个档位，含有一个压力调节装置，可使除冰液以恒速喷射，带有隔热底座的slide-type“阀门，可进行喷射档位的瞬时切换，喷枪还带有一个缓冲器，可以很容易的调节喷出的水柱的形状。2.3.3 加热系统除冰清洗车上的加热系统包括自行研制的燃烧器和热交换器，设计要求热交换器出水量 Q=230L/min，热交换器入水 h 温度 To=5，热交换器出水口温度 T=84，升温时t=90s，水管内压力 p=1.3Mpa。根据设计耍求来选择燃烧器的尺寸，具体步骤如下:(1)热交换器每秒出水量为 230 60=3.833L/S;(2)热交换器出入水口温差为(84-5=79) 80 ;(3)每 1L 水温升 1所需热量为 1Kcal(1Kcal/1x 1L);(4)所以设计的热交换器每秒输出有效热量为 13.833 L/s x 80 x 1(1Kcal/1 x1L)=306.64Kcal/s;(5)0 号柴油标准燃值为 10253Kcal/Kg2526;(6)所以交换器的有效燃油率为 306.64 Kcal/s 10253 Kcal/Kg =0.0299Kg/s 或 107.64Kcal/Kg;(7)假定系统热交换器的效率为 80%，则燃烧器的必备燃油率为 107.64Kg/h 0.8=0.037375Kg/s 或 134.55Kg/h;(8)由图 2-2 可知，本系统采用 3 组加热器并联的方式对除冰液进行加热，则每一个燃烧器的最大燃油率需要大于 0.0124584Kg/s 或 44.85 Kg/h。因此，我们选用意大利BALTUR 公司生产的“BALTITR-BT 40 DSG“型燃烧器，它的最大燃油率是 45Kg/h 或0.0125Kg/s,则三台并联燃烧器的总的燃油率为 135Kg/h 或 0.0375Kg/s，大于系统所需要的必备燃油率.满足供热需要。此外，BALTUR 生产的燃烧器安全性能好，具有断油保护、熄火保护、自动复燃、自动点火、燃烧充分、燃油可调等特点。此外该型燃烧器有两个喷嘴，分为高、低两段功率输出，分为 20 Kg/h 和 45 Kg/h 两种. 该型燃烧器以柴油为燃料，配有一台 0.37KW 的电动机，工作时带动风机和油泵转动。燃烧器的燃油供给由三个电磁阀控制，其中一个电磁阀控制总油路，另两个为高-低两段压力的燃油控制电磁润，分别控制燃烧器两个喷嘴的喷油输出。燃烧器在出厂时已经设定了工作流程如下:点火器在高压线圈驱动下，在燃烧器开始工作时短时间工作点火，通过光敏电阻提供火焰是否点燃的信号。燃烧器自带一个控制盒，在其控制之下，燃烧器启动后风机先工作 10s，接着点火器短时间工作点火、总供油电磁阀和低功率控制电磁阀开启，进行小功率输出。点火成功 20s 后另一个供油电磁阀开启，燃烧器进行大功率输出宜至手动关闭。通过电磁阀调节的燃油供油最，分为20 Kg/h 和 45 Kg/h 两种，其功率分别是 236KW 和 531KW。由于燃烧器自带的控制程序已经固定在控制盒里且控制方法过于简单，不能满足特定系统动态情况下除冰液快速加热时温度控制的要求，所以需要对燃烧器进行改造。改造内容包括如下:(1)拆除燃烧器顶部控制箱中原有的控制盒，解除其对于燃烧器的控制;(2)燃烧器供电电源接入控制柜，由三个开关分别控制，电源接通时仅风机开始工作;(3)光敏电阻作为检测燃烧状态的传感器接入单片机输入端;(4)点火高压线圈通过继电器隔离后接入单片机的输出端;(5)每台燃烧器的总供油电磁阀和低功率控制电磁阀并联，与高功率控制电磁阀经过继电器隔离后接入单片机的输出端，由单片机程序控制启停。除了选择合适的燃烧器外还需要设计热交换器，需要考虑以下几个主要方面:炉膛最小容积、传热时间、水管的强度等。设计热交换器大小的步骤如下，(I)燃料充分雾化均匀分散于自然空气中的燃烧速度5m/s 【25】 ；(20.015Kg 的 0 号柴油充分燃烧所需自然空气量是 0.1635m;(3)燃烧时间是 0.1635m5m/s0.0327s 【25 】 ;（4）所以炉膛最大空气容积为 0.1635m时，0.015Kg 的 0 号柴油在一秒之内能充分燃尽:(5)前面已经假设热交换器的效率为 80%所以炉膛最小空气容积为0.163580=0.1308m；(6)水路系统的最大喷射流最为 230L/min，即每个热交换器最大出水量为 1.278L/s;(7)3mm 厚低炭钢完成每秒传热量为 102.213Kca1 的面积是 0.03992m【25 】 ;(8)本系统自行设计的热交换器完成静态传热时间约为 5.8s，动态热传导过程中水的流动使热流提高 5 至 10 倍，黑度使传导时间沿长倍，再计算上钢管的热容量，估计热交换器在秒之内能完成的传导热量，根据图纸设计得出每升的水在热交换器中的时间是 15. 7746s，完全满足系统设计的要求; (9)钢管冷态时的屈服强度为 25Kgf/mm。假定在 300 时取 10%。那么壁厚 3mm外径 20mm 的钢管能承受 pi(10-7) X25X10%=400.6Kgf。而管内水压假定为 2Mpa时产生的张力仅为 31 Kgf。所以设计的水管强度完全满足要求。2.3.4 控制系统飞机除冰车控制系统包括载人高空作业装置的控制、水路系统的控制以及加热系统的控制等。通过位于驾驶室的控制面板以及车用中的控制柜进行控制。1.控制面板控制面板位于除冰车驾驶室内，其目的是方便操作且在紧急情况下可以迅速关闭系统。即热式飞机除冰车控制面板外形图如图 2-3 所示。图 2-3 控制面板外形图控制面板的开关包括发电机启动和急停开关，燃烧器风机、离心泵、除冰液预热开关、除冰车各个举伸臂方向控制开关以及机油压力、电瓶充电指示灯等，控制面板还包括一个带有串行通信功能的位式调节仪，其与控制柜中单片机相连，显示工作时喷射出口温度，可以实时对系统进行控制，确保系统女全可靠。系统工作时的操作流程如下:(1)系统进行喷射作业流程a.确定在使用前完成全部的检查工作。b.将发电机点火开关由 OFF 转至 ON 位置，机油压力、电瓶充电两指示灯亮。c.将发电机点火开关由 ON 扳住至点火位置，发电机转动，当感觉发电机能够高速连续转动时，松开点火开关。d.按下除冰液泵开关到启动位置 (指示灯点亮)。此时离心泵旋转，除冰液通过离心泵、溢流管路返回储液箱。e.按下燃烧器开关到启动位置(指示灯点亮) 。此时燃烧器风机开始转动，向炉膛送入空气。f.扳动举升臂开关到启动位置(指示灯点亮)。g.除冰液预热;当除冰液温度指示低于 5时，应将准备开关置于除冰液预热位置。此时燃烧器大小火电磁阀全部打开，对储液箱中除冰液进行加热，直到温度升至 5以上。h.工作阶段：在喷枪喷射前应将准备开关置于除冰液准备位置。此时除冰液温度迅速上升，当除冰液温度指示达到 71-82时再将准备开关置于停止位置。此时可以进行喷射工作直至除冰作业完成。(2)除冰车撤出除冰作业流程a.按下燃烧器开关到停止位置。此时燃烧器停止工作，关闭风机且同时停止喷油。b.将准备开关置于除冰液准备位置 .当除冰液温度降到 35以下时再将此开关置于停止位置.此时，水略系统继续工作，储液箱中除冰液通过加热器返回储液箱，其目的是降低加热器的温度。c.按下除冰液泵开关到停止位置。此时水路系统停止工作。d.版下举升臂开关到停止位置。e.将发电机点火开关转到 OFF 位置。至此，除冰车完成整个除冰作业.系统工作中，在准备开关置于除冰液准备位置时系统经过以下几个工作阶段。第一阶段，燃烧器大小火电磁阀全部接通，喷枪关闭，水路卜小流最电磁阀接通，系统处于小流量大功率加热状态，除冰液经过加热器加热后通过电磁阀循环回到储液箱，其目的是使加热器的温度升高:第二阶段，当热交换器温度升高到一定数值时，水路上大流量电磁阀接通，系统处于大流量大功率加热状态，此时喷枪仍然关闭着，除冰液经过加热器加热后仍通过电磁阀循环回到储液箱，其目的是加热管路除冰液温度，当加热器出口温度达到某一数值时进入第三阶段，即关闭燃烧器，关闭水路上大小流量电磁阀，此时水泵继续工作，除冰液直接通过溢流管路返回储液箱。第四阶段，开启喷枪，此时燃烧器自动点燃，系统根据流量自动调节占空比进行加热。2.控制柜系统所有的电源线、传感器信号线、控制信号线等均被按入控制柜。控制柜包括 6个带有串行通信功能的位式调节仪，其利用温度传感器传过来的信号监视系统水路加热器进口、出口等位置的温度，并且将采集到的温度信号通过串行口以异步通信的方式输出到单片机中。由此获取实时温度的数字量信息。控制柜还包括两个单片机，其中一片是 20 引脚的 89C2051 单片机，其作为下位机用来进行流量传感器的脉冲采集与流最计算，井通过串行口发送流量数据给上位机，上位机是一片 40 引脚的 89C51 单片机，其通过串行通信的方式接收当前流量与温度数据以及其它传感器的开关量输入，并对输入进行相应的计算、处理并输出控制信一号。采用上位机下位机的好处是因为 89C51 单片机需要工作比较繁忙，需要响应较多中断，系统采用上下位机结构，分配脉冲采集与流量计算任务给下位机，可以节省系统时间。单片机控制板如图 2-4 所示。图 2-4 单片机控制板图3.燃烧器控制三台燃烧器的供电由控制柜上的三个继电器控制，当继电器接通时，对应的燃烧器通电，此时风机开始工作。而燃烧器的点火器和大小火供油电磁阀接入单片机。由单片机实现自动控制。这种控制方式使燃烧器可以先对热交换器炉膛进行鼓风，然后再喷油点火，增加了系统的安全状态并极大的方便了系统的控制，工作时即可以通过单片机程序调整各个供油电磁阀的开关，从而控制系统的加热功率.4.除冰液离心泵控制除冰液离心泵供电由控制柜上的启动和停止按钮控制，泵内配有 11KW 的三相异步电动机。三相异步电动机在起动过程中，会产生很大的起动电流，为了避免电网产生较大的压降，要求起动电流不能太大，同时希望产生足够大的起动转矩。由于本系统起动时离心泵负载很小，且电动机运行时定子绕组接成三角形，因此采用星形一三角形(Y/)降压启动电路，这种起动方式上在起动时把电动机三相定子绕组接成星形，待转速上升到一定程度后再将绕组换接成三角形，从而达到起动时降压的目的。他的特点是起动设备简单、经济、起动电流小。电动机正常工作时，其定子绕组是联接成三角形的，其工作电压为 380V。而起动时，将定子绕组联成星形，定子各相绕组电压为 220V，这样，在起动时就把定子各相绕组电压降到了正常电压的 1/3;设电机每相阻抗为 Z,由三相电路知识可知，当定子绕组联成星形时，线电流:当定子绕组联成三角形时，线电流:故有可见，电动机的星形-三角形（Y- ) 转换起动电流为直接起动电流的 1/3。此外，电机转矩公式:由式 2.4 可知，转矩正比于电压的平方，所以星形接法降压起动时的起动转矩只有气角形接法起动转矩的 1/3，由此可知，这种方法只适合于空载或轻载时起动。2.3.5 监侧系统1.流量监测为了保证系统的安全，必须能够在设备运行过程中及时检测出每台加热器是否有足够流量的除冰液流过。为此，三台加热器入液口处均安装有流动开关。所选用的流动开关采用靶式结构，当液体在管路内没有流动时，弹簧将磁铁向下压，叶片保持垂直，此时磁簧开关无动作，触点在常开位置。当管路内有液体流动，且流量足以将靶片冲高约20 30时，叶片上方的偏心传动片将磁铁往上推，而磁铁的吸力使磁赞开关动作，此时触点接通。通过对各流动开关导通时所需的流量值进行微调，流动开关输出的开关量信号送进单片机控制器参与加热器的控制。此外,除冰液喷射出口处及除冰液喷射泵溢流管路处分别安装有涡轮式流量计，将其采集的数据输入到下位机中，89C2051 作为下位机在系统中采集实时、准确的除冰液流量数据并传给上位机进行处理。祸轮流量计是速度流量计的一种，山传感器和显示仪表组成，传感器主要由磁电感应转换器和涡轮组成。流体流过传感器时，先经过前导流件，再推动铁磁材料制成的涡轮旋转。旋转的涡轮切割固壳体上的磁电感应转换器的磁力线，磁路中的磁阻便发生周期性的变化，从而感应出交流电信号，产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量范围内.该电脉冲信号数与流经涡轮流量传感器处流体的流量成正比 28根据所选用的涡轮流量计的说明可知，1L 流量可使传感器发出 77.21 次脉冲。由此可计算当前除冰液流量:式中Q管路内除冰液流盆(L/min);t为流量传感器每两次脉冲间隔时间(s);由式可见，精确测定流量的关键在于准确地检测出涡轮流量传感器相邻两个脉冲信号间的时间间隔。在此用单片机的外部中断检测脉冲信号，内部定时器来侧量两次脉冲之间的时问问陷，并在外部中断服务程序中计算流量。将涡轮流量传感器发出的脉冲信号接入下位机 AT89C2051 单片机的 P3.2 引脚，P3