（仪器科学与技术专业论文）机场道面摩擦因数测量车检测技术研究.pdf

河北工业大学硕士论文 i 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 摘摘 要要 随着经济全球化的不断深入，以及我国经济的快速发展，航空运输业正处于快速发展 时期。但相关资料显示，飞机起降时冲出跑道的事故时有发生，其主要原因是机场道面摩 擦因数值不合格所导致的。因此，机场道面摩擦因数的测量显得尤为关键，它即可保证飞 机运行的效率，还关系到人们的生命财产安全。 机场道面摩擦因数测量车是机场用来测量飞机跑道摩擦因数的专用测量设备， 它所测 得的数据是用来判断机场道面情况是否适合飞机的安全起降以及是否需要进行道面维护 的重要依据。目前我国还无法自行生产该种测量车，只能依赖于从国外进口，但进口设备 不仅价格昂贵，而且在结构设计、故障率及售后服务等方面都存在着诸多问题。 本论文对机场道面摩擦因数测量车的工作原理及其电器控制系统进行研究。 结合目前 国内机场摩擦因数测量车的使用情况，提出了总体设计方案，完成了软硬件的各功能模块 的整体设计。 本系统采用工业控制计算机作为上位机， 主要实现接收操作人员的操作指令 、 向下位机发送控制命令、进行数据处理、显示及打印等功能。采用 plc 做下位机，实现 对液压系统和机械统的控制，并将测量传感器的输出值进行预处理后返回给上位机。采用 labview 作为系统的软件开发工具，采用模块化设计思想实现系统的功能控制，运用软 件和硬件手段保证数据处理和数据传输的准确性， 提高系统的抗干扰能力。通过测试实践 结果表明，该系统性能稳定可靠，具有较高的实用价值。 关键词关键词：摩擦因数，机场道面摩擦因数测量车，labview，plc 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 ii researchresearchresearchresearch onononon detectiondetectiondetectiondetection technologytechnologytechnologytechnology ofofofof frictionfrictionfrictionfriction coefficientcoefficientcoefficientcoefficient testtesttesttest vehiclevehiclevehiclevehicle forforforfor airportairportairportairport runwayrunwayrunwayrunway abstractabstractabstractabstract with the continuous deepening of economic globalization, as well as chinas rapid economic development, air transport industry is in rapid development period. however, accidents about aircrafts overshot the runway when taking off and landing often occur, most of them are due to the low friction coefficient of the airport runway. in view of that, measuring the friction coefficient of runway has being become more and more important. it can guarantee the efficiency of aircraft operations and the safety of peoples lives and property. the friction coefficient test vehicle for airport runway is special measuring equipment for measuring the airport runway friction coefficient. from its measure data, we can know whether the runway is suitable for safe takeoff and landing of aircraft, and whether the runway needs to maintain. up to now, china is unable to produce the kind of measuring equipment, so the equipment has to be imported from abroad. but the imported equipments are not only expensive, but also have many problems in structural design, failure rates and after-sales service, etc. with researching on the working principle, the electric control systems and the applying information of the runway friction coefficient test vehicle, a design plan was proposed, and then was completed with completion of the various hardware and software function modules of the overall design. this system uses industrial control computer as a host computer, which is used to receive the operation instructions of operator, send control commands to slave computer, display and print data, etc. plc, the slave computer, is used to control the hydraulic system and the mechanical system, and return the sensor output value pretreated to the host computer. labview is the software development tool in this system. modular design is introduced into the software design. many software and hardware means are used to ensure the accuracy for data processing and data transmitting, improving the capacity of resisting disturbance. experiment result for this runway friction coefficient test vehicle shows that its performance is stable and reliable, and it has a high practical value. 河北工业大学硕士论文 iii key words: friction coefficient， friction coefficient test vehicle for airport runway， labview，plc 河北工业大学硕士学位论文 iii 符号说明符号说明 sfc横向力因数。 dftdynamic friction tester，动态摩擦因数测试仪。 saabsftsaab 摩擦因数测量车。 垂直正压力，牛顿。 icaointernational civil aeronautics organization，国际民航组织。 vivirtualinstrument，即虚拟仪器。 plcprogrammable logic controller,可变程序控制器。 labviewlaboratory virtual instrument engineering workbench,实验室虚拟仪器工程平台。 r链轮 z2 节圆半径，米。 f1、f2链子张紧力，牛顿。 f链轮 z3 所受压力，牛顿。 r2测量轮半径，米。 链子张紧夹角，度。 z1链轮 1 的齿数。 z2链轮 2 的齿数。 z3链轮 3 的齿数。 1链轮 z1 的角速度，度/ 弧度/秒。 2链轮 z2 的角速度，度/ 弧度/秒。 v1车后轮的线速度，米秒。 r1车后轮的行驶半径，米 v2测量轮的线速度，米秒。 s标准差。 n样本空间。 摩擦因数观测值。x 摩擦因数平均值。x k摩擦因数。 ff摩擦力，牛顿。 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：日期： 导师签名：日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-11-11-11-1 引言引言 机场道面摩擦因数测试仪器在保障飞机起降安全性方面具有十分重要的意义。 随着全球科技水平的 不断发展，以及经济全球化的不断深入，使得国家间的交流日趋频繁，民航机场在现代化运输中发挥着 越来越重要的作用。因此，对机场跑道各项技术指标具有越来越高的要求，道面摩擦因数就是其中一项 重要指标。 通过国内外相关资料显示， 大部分飞机起降时冲出跑道的事件都是由于摩擦因数过低导致的 。 机场道面摩擦因数的降低取决于多种因素。雨天或雪天等恶劣天气情况下造成机场道面雨、雪沉积，或 者某些机场道面上飞机起降架次数比较频繁等,都容易造成机场道面摩擦因数的降低。因此世界各国都 十分重视机场道面表面特性的检测，例如： 国际民用航空公约附件十四(第四版)中条款 10.2.3 就规定“必 须定期用装有自湿装置的连续测试摩擦力的仪器来测定道面表面的摩阻特性”。同时，依据我国民用机 场运行安全管理规定（民航总局令第 191 号）中的第八十二条规定“道面日航空器着陆 15 架次以上的机 场，应当配备道面摩擦因数测试设备进行测试。” 关于路面抗滑性能的测定最初是根据物理摩擦力学的概念进行研究的， 涉及到路面材料与轮胎之间 的摩擦力学作用以及其它影响因素的分析。 发达国家早在 20 世纪 20 年代末就开始公路路面摩擦因数测 量研究。经过几十年的发展，世界各国已存在多种路面摩擦因数测试仪器，其中包括摩擦因数测量车 ， 由于摩擦因数测量车性能稳定、测量数据可靠并且操作控制比较灵活，所以目前世界各地的机场主要摩 擦因数测量车对其道面摩擦因数进行测量。 1-21-21-21-2 道面摩擦因数测试研究现状道面摩擦因数测试研究现状 1-2-11-2-11-2-11-2-1 摩擦因数提法的由来以及它的意义摩擦因数提法的由来以及它的意义 抗滑性能是指道面抵抗正在其上行驶的运输工具(例如汽车或飞机)产生滑行现象的能。其物理意 义为道面与运输工具之间摩擦的大小1，具体表现为道面与轮胎表面之间的摩擦力。摩擦越大则说 明抗滑性越强。如果用测得的摩擦力(设为f)去除以轮胎所承受的垂直载荷(设为n)，那么所得到的数据 就是摩擦因数值(设为k)，因此摩擦因数值的大小代表了抗滑能力的强弱,即f=kn。根据gb3101 -93有 关量、单位和符号的一般原则的附录a物理量名称中所用术语的规则中做出了如下规定：在量a 正比于量b的关系式a=kb中：若a和b 具有不相同的量纲,则量k 称为系数;若a和b 具有相同的量纲, 则量k称为因数或因子。 根据上诉公式f=kn，又因为摩擦力与载荷的单位相同，具有相同的量纲，所以 k应该被称为摩擦 因数。 1-2-21-2-21-2-21-2-2 影响道面抗滑能力的因素影响道面抗滑能力的因素 影响道面抗性的因素，可分为三种：道面材因素、运输工具因素、环境因素2。 （1） 道面材因素 道面表面纹理是影响道面抗滑能主要因素。路面表面纹理被分为三种类型：宏观纹理、纹理深度 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 2 及微观纹理。 宏观纹理是指表面的宏观状况，即表面的平整程度。好的道面平整度有利于车辆的操作运行，尤其 是在刹车和转弯的时候。另外，好的道面平整度还可以减少积水对行驶的负面影响。 纹理深度是指某路面上的沟槽凹陷和路面凸起之间的平均深度。 在具有一定的纹理深度的路面上行 驶时，可以迅速将路面积水排走，并且能在潮湿的情况下保持最佳的抗滑性能。因此，纹理深度是道路 表面的一个重要指标，该指标直接影响着高速运行情况下的刹车距离。 微观纹理是指的是路面上独立的骨料的表面纹理或粗糙程度。 通常在低速情况下的抗滑能由微观 纹理提供，而通常宏观纹理则影响着高速情况下的抗滑能3。 （2）运输工具因素 运输工具因素对于道面抗滑性能的影响主要是指道面使用频次、速、胎纹、轮胎所受载荷及胎压 等几个方面。 道面使用频次的增加会使道面纹理逐渐磨损，从而造成其抗滑能的逐渐下降。另外飞机每次降落 时都会有胎屑附着在跑道的表面纹理之间，造成跑道道面的纹理深度不足，随着道面使用频次的增多， 会使道面上的胎屑沉积增多，进而导致道面抗滑能力的降低。 道面抗滑能随着运输工具速度的增加而降低。对于干燥路面，道面摩擦因数值与行车速度之间的 关联性并不明显，但是湿滑的路面，这种关联性就非常明显，在潮湿路面上，运输工具的速度增加将会 减少轮胎和路面之间的排水时间，而使其抗滑能力明显下降。 在给轮胎施加相同载荷的情况下，胎压越小则摩擦因数越大。胎纹的不同也会影响到抗滑能力，轮 胎上的沟槽决定了轮胎与到面之间的排水能力。 （3）环境因素 冬夏两季的温差以及冰冻雨雪天气都会对抗滑性能产生影响4。经过实验发现，当道面水膜厚为 0.5 时的抗滑能力会比道面干燥时减少20%至30%5，因此目前道面摩擦因数测试设备都配有洒水装 置。 1-2-31-2-31-2-31-2-3道面摩擦因数测试仪器道面摩擦因数测试仪器 国外在20世纪20年代末就开始公路路面防滑的研究， 世界上很多国家都在使用摩擦因数值来测定路 面抗滑性能。目前已经开发研制出多种摩擦因数测试仪器6 。比如：摆式摩擦因数测定仪、制动力因数 测试仪、横向力因数测试仪以及测试车。 （1）摆式摩擦因数测定仪7,8 该仪器利用能量守恒的定理，将摆臂势能损失转化为路面摩擦力所作的功，计算出摩擦因数值，最 后通过摆式仪的摆值读出（见图1.1）。该仪器最初是由英国trrl研制发明的并注册一种测定路面抗滑 性能的小型试验仪器。由于它操作简便、价格低，因此应用比较广泛。我国80年代成功研制出第一代国 产摆式仪，并被我国订入相关的行业技术规范、规程中，并已经应用于我国公路路面抗滑值的检测。但 采用摆式仪测定抗滑性能要靠人工选点，随机性大，故而其检测精度较低，代表性差且不适用于粗糙路 面的测定。随着路面等级的不断提高，这种检测方法已无法满足高等级公路对于路面抗滑性能在检测精 度和检测频率方面的需要。 河北工业大学硕士学位论文 3 图 1.1 摆式摩擦因数测定仪 fig. 1.1 the friction tester of pendulum type （2）制动力因数测试仪9 制动力因数主要表示车辆在路面上沿行车方向制动时的路面抗力，与制动距离关系较为密切。制动 力因数测试仪就是该类测试设备,它通过测定测试轮的制动力来计算相应的摩擦因数。美国日本采用这 类设备对其路面的抗滑能力进行测试状况。 这类设备可在各种速度条件下根据车轮制动力的大小来测定 制动力因数，从而反映出路面对车辆制动距离长短的影响10,11。该仪器可在较宽速度范围内测试部分路 段的平均摩擦因数，测试结果比较符合飞机实际刹车时的情况，缺点是所能携带的喷洒用水较少，一般 只适合于短距离或特殊路段的使用。 （3）横向力因数测试仪 横向力因数在表示车辆路面上制动抗力的同时，还表征车辆发生侧滑的抗力, 横向力因数测试仪 就是该类测试设备, 又被称为 scrim 系统,最初是由英国 trrl 于上世纪六十年代研制, 目前英国、德 国、法国等欧洲国家以及中国均采用该设备测定路面的抗滑性能。scrim 系统能以任意速度对路面进 行长距离连续测试，每次携带的喷洒水量较大，可进行较长距离的路面测试 ，并且测试不影响其它车 辆的正常行驶。测试结果准确，符合车辆实际制动12或滑溜时的情况。 （4）动态摩擦因数测试仪(dynamic friction tester，简称 dft)13,14 动态摩擦因数测试仪是由日本制造，其测试装置包括三部分：测试仪、x-y记录仪和操纵仪（见图 1.2）。图中测试仪底部共有上下两个圆盘，上面的圆盘由电动机带动旋转，下面的圆盘安装有3个橡胶 滑溜块并可绕轴自由旋转。测量时，橡胶滑溜块旋转，且其线速度达到每小时100公里后将圆盘从悬空 位置释放到被测道面上，圆盘在摩擦力的作用下开始减速直到静止，在该过程中x-y记录仪连续记录橡 胶滑块与被测道面间的摩擦力f以及圆盘上橡胶滑溜块的线速度。若在橡胶滑溜块上施加正压力w，则 动态摩擦因数=f/w。动态摩擦因数测试仪操作简单、便于携带，但缺点是不便于对路面进行大范围测 试也不适用于粗糙构造路面的测试。 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 4 图 1.2df 测试仪 fig. 1.2 dynamic friction tester （5）测试车 随着经济社会的不断发展，公路建设也在不断完善， 因此道面摩擦因数测试设备必须满足高等级公 路对于路面抗滑性能在检测精度和检测频率方面的需要。从60年代开始， 许多发达国家都进行了车载 式摩擦因数测定仪器的研究。比如，瑞典交通研究所和瑞典航空研究所合作共同开发的saab摩擦因数 测量车saab surface friction tester（简称sft）应用较为广泛，还有英国findlay irvine公司生产的grip tester摩擦因数测量车等等。摩擦因数测量车分为拖挂式和车载式两种15，拖挂式摩擦因数测量（见图 1.3）车需要有机车提供动力牵引，车载式摩擦因数测量车则是将测试装置设计安装在汽车车体内（见 图1.4）。 测量车具有如下优点：操作简单、灵活、可进行连续测定、性能稳定并且检测结果能重复和再现。 因此测量车被广泛应用于机场道面摩擦因数的测量15。 图1.3 拖挂式摩擦因数测试车 fig.1.3 pull-type friction coefficient test vehicle 图1.4 车载式摩擦因数测试车 fig.1.4 integrated friction coefficient test vehicle 河北工业大学硕士学位论文 5 1-31-31-31-3 课题的研究背景课题的研究背景 伴随着我国经济的高速发展，我国民航机场的数量和使用频率也在不断增加16，这就给机场道面 摩擦因数测试设备提供了更为广阔的市场，在数量和综合性能方面的要求当也在不断的加强。然而， 目前我国机场使用的机场跑道摩擦因数测量车几乎全部从国外进口，测量车价格昂贵，并且从使用情 况看，也存在着两方面的问题：一是进口测量车故障率较高。我国机场正在使用的大多数测量车都已 不同程度出现了故障，有的故障反复出现。在对进口测量车研究中发现，其机构设计、控制技术、标 定等方面也存在着问题，有较大的改进空间。二是进口测量车的备件及维修费用昂贵，也很难及时供 给和及时修复，不利于机场的正常使用。另外，进口产品全部采用英文菜单显示，不便于国内绝大部 分机场使用者操作使用。 为改变我国机场高科技航空地面设备长期依赖进口的不利局面，我国民航总局在“机场发展规划” 中把包括道路摩擦因数测量车在内的航空地面设备国产化定为发展项目之一，按我国民航总局机场规 划要求，高科技航空地面设备应尽快实现国产化。因此，开发研制道面摩擦因数测量车已经是我国机 场道面摩擦因数测量工作的重要任务课题，具有十分重要的意义。 1-41-41-41-4 本论文的研究内容和结构本论文的研究内容和结构 本课题主要介绍了机场道面摩擦因数测量车的工作原理，总体设计方案以及具体的硬、软件设计， 并对性能参数进行了论述。本研究的摩擦因数测量车，通过上位机下位机的联合控制，实现了道面摩 擦因数的快速连续测量，强大的控制单元可以实时处理测量数据，并进行存储、显示和打印等功能。 本论文的主要研究内容及章节安排如下： 第一章 绪论。本章主要介绍了道面摩擦因数测量的国内外研究概况，本课题的研究背景、研究意 义以及主要研究内容。 第二章 摩擦因数测量车概述及总体设计方案。 本章首先介绍了道面摩擦因数测量车的系统构成和 工作原理。然后提出本课题的包括机械系统、液压系统及电气测量系统在内的总体研究设计方案。 第三章 机场道面摩擦因数测量车电气测量系统设计方案。 本章主要介绍了机场道面摩擦因数测量 车电气测量系统设计思路，详细阐述了控制系统的工作方式、控制模块之间的通讯方式以及软件开发 工具和控制单元的选择等内容。 第四章 电气测量系统的硬件设计。本章主要是介绍道面摩擦因数测量车电气测量系统的硬件设 计，紧密结合本课题详细阐述各个硬件模块的具体原理、功能及对本测量系统的使用意义。 第五章 机场道面摩擦因数测量车的软件设计及实验分析。本章主要阐述本课题的软件设计思路、 软件设计流程、软件设计特点等，并结合程序流程图及 labview 的程序框图和程序前面板图对有代 表性的程序功能模块进行详细阐述，结合本课题说明其意义，并给出相应的参数说明。最后，对本研 究的机场道面摩擦因数测量车的测量结果行了分析。 第六章 结论。对本文的工作进行归纳总结，提出本课题成果的意义及展望。 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 6 第二章第二章 摩擦因数测量车概述及总体设计方案摩擦因数测量车概述及总体设计方案 2-12-12-12-1 机场道面摩擦因数测量车的系统构成机场道面摩擦因数测量车的系统构成 能够用科学的方法快速、准确地掌握路面的实际情况是保障飞机起降安全的重要前提条件，其中机 场道面摩擦因数值的大小是极为重要的一项评定参数。因此，随着经济社会以及科技的不断发展，世界 各地对于道面摩擦因数的测试方法与仪器设备的研究应用也在不断地发展着，世界各地先后出现了多种 摩擦因数检测设备，开始出现的是摆锤式测量设备，后又发展到拖挂式、并最终发展到一体化自动测试 设备，其测量轮胎的正压力加载方式也由原来的重力式加载发展到目前的液压式加载17。从目前世界 各地的使用情况来看， 机场道面摩擦因数测量车已经成为各地机场广泛采用的一种机场道面摩擦因数测 试设备18。 目前普遍使用的车载式机场道面摩擦因数测量车系统主要由牵引车、 机械系统、液压系统及电气测 量系统四部分组成。 1 牵引车： 牵引车主要作为机械系统、液压系统及电气测量系统的载体，所选择的车型的应该具备良好的整 车性能、具有定速巡航功能、采用无极变速、后桥车体空间合理等等条件和要求，并在此基础上对车 体后桥进行改装，将机械系统、液压系统及电气测量系统装置安装在被改装的后桥中，将操作界面以 及打印机安装在车前方便于操作的地方。比如 safegate 摩擦因数测量车就采用瑞典生产的 saab 9000cs 车作为牵引车19。 2 机械系统 机械系统主要位于牵引车体后桥内，一般由速度传动装置、测量臂装置及洒水装置三部分组成。 （1）测量臂装置包括传动链机构和测量臂，该装置可实现对测量轮（即第五轮）抬起和落下动作， 以便对道面摩擦因数进行测量。 （2）速度传动装置由多排链及齿轮组成，为满足道面测试要求，则主齿轮与从动齿轮的齿数不同， 从而可以产生测试轮所需要的滑溜比20。此外，一般在第二条传动链上安装有张紧轮，并在张紧轮上 又安装了高精度的力传感器，这样可以实时准确的获得摩擦力的大，保证了测量精度。 摩擦因数测量车的传动原理如图 2.1 所示。测量车工作时，车后轮 1 转动带动单向差速器 2，单 向差速器 2 通过第一被动链轮 5 第二主动链轮 6 与测试轮 12 之间通过传动链 9 进行传动连接， 张紧轮 7 被安装在传动链 9 的一侧， 张紧轮上安装有水平力传感器 8， 当测量轮与地面产生摩擦力的时候就会 通过传动链 9 将摩擦力施加于张紧轮 7 上，从而水平力传感器测得摩擦力的大小。当测量完成后，测 量轮 12 被液压油 10 抬起，抬起一定高度后在收轮继电器 11 的作用下使测量轮 12 保持在离地面的预 设高度。 河北工业大学硕士学位论文 7 图 2.1 机场道面摩擦因数测量车传动原理图 fig.2.1 transmission schematic diagram of friction coefficient test vehicle 其中，1：基础车体后轮；2：单向差速器；3：第一主动链轮；4：第一传动链；5：第一被动链轮；6： 第二主动链轮；7：张紧轮；8：水平力传感器；9：第二传动链；10：液压油缸；11：收轮继电器；12： 测量轮；13：第二被动链轮；14：道面；15：后车轮桥壳；16：垂直力传感器； （3）洒水装置 据国际民航组织的相关要求，在测量时测量轮和地面接触处，必须形成 0.5-1 毫米厚的水膜。因此 摩擦因数测量车需要采用洒水装置来模拟雨天湿滑路面情况下对道面摩擦因数的测试21。 洒水装置中的喷水嘴安装在机场道面摩擦因数测量车测量轮的正前方，在进行模拟雨天湿滑路面 摩擦因数测量时，洒水装置通过喷水嘴进行地面洒水，但单位时间内的洒水量随着机场道面摩擦因数 测两车的行驶速度不同而变化，速度越快单位时间内的洒水量越大，通过水压传感器对洒水回路的水 压进行实时检测，并配合相应的水压调节机构就可改变单位时间内的洒水量。 3液压系统 液压系统是给测量轮提供液压加载方式的一套系统。首先介绍测试轮的垂直正压力加载方式，该 方式主要分为重力加载方式和液压加载方式两种22。 （1） 重力加载方式 重力加载方式（原理见图2.2）是利用杠杆原理，并配有配重块和弹簧，配重快给弹簧施加正压力， 并经由弹簧将此力传递到测量轮上，在此过程中弹簧起到减振的作用，测量轮上获得的正压力由下面的 公式计算出来： (2.1) n ab g b + = 中用代表在测量轮施加的正压力，用g 代表加载的配重块重量，图中杠杆有三个受力点分成两n 个杠杆区域，公式中分别用 a 和 b 来表示。弹簧可以吸收测量中的振动。 力传感器被安装在链条上 端，通过测量时链条的拉力作用，可以测得动态摩擦力 f 。f =f ，其中为常数，该值由传动链条包 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 8 角决定，则摩擦因数 k 为 (2.2) gba b k f + = 重力加载方式的特点是：使用过程中需要人工完成测量轮的收放，不能得到真实施加于测量轮上 的动态正压力，测试效率低，因此难以满足现代机场摩擦因数的测量要求。 图 2.2 重力加载方式原理图 fig. 2.2 schematic diagram of gravity loading regime （2） 液压加载方式 液压加载方式克服了重力弹簧加载方式的缺点， 测试轮的收放由液压系统自动完成， 并且结构简单 ， 是目前一体化测试摩擦因数车常用的方法。 液压加载方式基本原理见图2.3。首先通过液压油缸向测量轮施加正压力n，在此过程中由力传感器 测得动态压力值f，以及传动链拉力f 的数值大小，最后通过相映公式计算就可得到摩擦力f 以及摩擦 因数值k的大小。 图 2.3 液压加载方式原理图 fig. 2.3 schematic diagram of hydraulic pressure loading regime （3）液压系统的特点23 道面摩擦因数测量车的液压系统是测量臂的动力单元，它控制测量轮的起降，并且在测量过程中 河北工业大学硕士学位论文 9 对于垂直力起到保压和吸震功能，主要是由液压泵、蓄能器、液压缸、液压阀块等组成。 为满足摩擦因数测试要求，由液压系统提供的测量轮正压力一般有如下特点： 所提供的正压力值基本保持不变，即油缸压力基本保持不变； 在道面不平的路段进行测试时，具有快速调整系统压力以及吸收振动功能； 在进行动态测试时，压力油泵应停止工作，以免产生外部压力干扰； 具有测量轮的收、放功能，且有抬轮自锁功能； 液压系统结构紧凑，功率较小，便于在轿车上安装。 图 2.4 液压系统原理图 fig. 2.4 schematic diagram of hydraulic loading system 其中，1 液压泵站；2 溢流阀；3 单向阀；4 电磁换向阀；5 液压锁；6 单向阀；7 压力表；8 压力 表开关；9 电磁换向阀；10 压力继电器；11压力继电器；12 电磁换向阀；13 液压蓄能器；14 液压 缸；15 限位开关 液压系统原理图见图2.4，该系统液压缸14下降并带动测量轮下降到与地面接触，给测量轮施加正 压力，当压力达到设定值时，油泵断电，系统压力由蓄能器13保持，并且较短的时间内保持不变。通过 油缸活塞及蓄能器吸收路面高低不平引起的冲击压力。采用液压锁5用来减少液压系统泄露。液压锁5 和单向阀6起保压作用，保证测量轮停止在被提起的高度。测试完毕后，阀4换向，换向阀12单项截止， 蓄能器保持测试压力不变，油缸返回24,25。此时测试轮已提起离开道面，阀9处于单向截止状态。可防 止活塞下滑并可长时间保持，有利于行驶。 4电气测量系统 电气测量系统一般包括：电源、测量单元、控制单元、中央处理单元、打印机、操作键盘、测量传 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 10 感器及显示单元等部分组成。 测量传感器用来测量水平力和垂直力大小，测量单元接收测量传感器的信号输出， 并提供信号的滤 波放大功能。输出信号经过放大滤波处理后传送至中央处理单元进行计算、处理和储存。通过操作键盘 来发出总的控制命令，显示单元用于实现操作过程、运行状态、摩擦因数值及其它功能信息的显示。测 试结果也可由打印机打印输出。控制单元用于控制机械动作，比如测量轮的抬轮和落轮动作等。 2-22-22-22-2 摩擦因数测量车工作原理摩擦因数测量车工作原理 根据国际民航组织(international civil aeronautics organization，icao)的相关规定，进行跑道摩擦因 数测量的基本条件是：作用于测量轮上的正压力为1372 n 左右、测量轮滑溜比为11%14%、整车行驶 车速为96 km/h 左右26,27。 2-2-12-2-12-2-12-2-1 测量原理测量原理 根据国际民航组织的要求，作用于测量轮上的正压力为 1372 n 左右，由 1 牛顿=1/9.8公斤力， 则 1372 n=140kgf。图2.5 为摩擦因数测量原理图。摩擦因数车进行测量时，在液压油缸的作用下使测 量轮对地面产生140kgf（包含液压油缸的自重）的压力。并通过液压系统中的蓄能器使得施加于测量 轮上的压力保持稳定，此压力由垂直传感器进行测量。在滑溜的条件下产生的摩擦力经水平力传感器 测得， 此摩擦力除以正压力， 即为摩擦因数。 测量轮与被测道面之间产生的摩擦力 ff 与道面特性有关 。 摩擦力 ff 的大小反映传动链张紧力 f2、f1 (f1与 f2 大小相等，方向相反)的大小。张紧力 f2 可由水 平传感器测得，而 f2 与摩擦力 ff 成正比关系。设水平传感器受力为 f，则由力矩平衡原理知 f2=(2.3) 而f2=f1= f1(2.4) 所以，由余弦定理得水平传感器受力为 f=(2.5)2222cos()ff 21 cos2f+ 2 21 cos fr r f + 即ff= f(2.6) 其中为常数： =(2.7) 该公试中，r：链轮 z2 节圆半径；f1、f2：链子张紧力；f：链轮 z3 所受压力，即水平传感器所 受压力；r2：测量轮半径；：链子张紧夹角； 加在测量轮上的正压力由油缸及测量臂自重（包括测量轮自重）提供，测量臂自重为定值，所以 垂直传感器仅需测量油缸压力，在计算过程中测量轮压力 n 等于油缸垂直压力加上测量臂自重。则 摩擦因数k=(2.8) ff n = 摩擦力 垂直力 r rff2 2 cos12 1 r r + 河北工业大学硕士学位论文 11 图 2.5 测量原理 fig. 2.5 measuring principle 水平力与垂直力传感器均由外部标定设备进行标定。测量时采用能吸收波动的液压蓄能器来稳定 系统压力。测量时采集水平力与垂直力的时实输出，所测得的结果为实时连续的摩擦因数值，并用连 续曲线表示。 2-2-22-2-22-2-22-2-2 道面摩擦因数量试车滑溜比的确定道面摩擦因数量试车滑溜比的确定 根据摩擦因数实验显示，测量轮滑溜比在11%14%之间时可以获得最大的摩擦力28 。 滑溜比s（slip ratio）定义为： s=1(2.9) 其中：0为测量轮的角速度；为测量驱动轮的角速度；r0为测量轮的半径；r 为测量驱动轮的半径。 通常选择链传动，保证测试设备在不同速度下滑溜比不变。 以图2.5为例，假设z1差速器的链轮27齿， z2链轮19齿，汽车后轮直径0.63米，则： (2.10) 12 21 z z = 184(2.11) 2119.3(2.12) v2=r22=119.33.6103=km/h(2.13) smax=14.1%(2.14) r rr 00 r r0 0 = 2/63.0 106.3/1096 33 1 1 r v = 704.0 84 704.0 1 2.0 192.0 9.85 4.82 = 96 4.8296 96 96 min2 v 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 12 smin=10.5%(2.15) 因此可知，滑溜比在 14.1 %10.5 %之间。 其中，z1：链轮 1 的齿数；z2：链轮 2 的齿数；z3：链轮 3 的齿数；1：链轮 z1 的角速度； 2：链轮 z2 的角速度；v1：车后轮（测量驱动轮）的线速度；r1：车后轮的行驶半径；v2：测量 轮的线速度； 2-2-32-2-32-2-32-2-3 道面摩擦因数测试车测试速度的确定道面摩擦因数测试车测试速度的确定 国际民航组织（icao)通过科学实验得出结论：当行驶速度为 96km/h，测得摩擦因数值最接近飞 机降落时机轮与道面之间的摩擦因数值。 经实验证实在同一路面下，摩擦因数值的大小与运行速度成反比，但当速度达到一定数值时摩擦 因数值基本维持恒定。 速度为 96 km/h 时的摩擦因数值的大小与 300 km/h 速度下的摩擦因数值相接近 。 因此，摩擦因数测量车的测试速度定为 96km/h。图 2.6 用来说明在干态路面（a）和湿滑路面（b）两 种情况下速度大小与摩擦因数变化情况的关系。 （a）混凝土道面，非刹车条件下，压强 p=150lb/sq，载重 150000lb = 96 9.8596 96 96 max2 v 河北工业大学硕士学位论文 13 （b）湿滑道面（水膜厚度约为 2mm） ，压强p=320lb/sq，载重 16000lb 图 2.6速度与摩擦因数的关系示意图 fig. 2.6 the relationship between velocity and friction coefficient 2-32-32-32-3 总体设计方案总体设计方案 2-3-12-3-12-3-12-3-1 概述概述 目前我国使用的摩擦因数测量车主要是从国外进口，根据国内机场用户对各机场摩擦因数测量车 使用情况的反馈意见了解到，目前所使用的摩擦因数测量车存在的问题如下： （1）机械结构不合理 现有机场车载式摩擦因数测量车的后桥悬挂、 制动系统是通过链传动与桥连接， 后桥系统结构复杂 、 制造难度高，而且重量较沉，对于轿车的加速性和安全性影响较大，因此整车的安全性能得不到有效保 证。 （2）测量标定装置精度低 现有机场车载式道面摩擦因数测量车的标定装置（设备）都全部采用指针式弹簧秤示值读出方式， 人为的读数误差会造成系统测量精度的降低，而且弹簧秤回零不准，重复性差大，标定装置的精度等级 比传感器本身还低。且整个标定过程操作繁杂。 （3）液压系统存在的问题 液压系统作为测量臂的动力单元，在测量过程中对垂直力起到保压和吸震功能。现有的机场车载式 摩擦因数测量车保压系统采用单向保压方式，随着路面高低不平的变化，其保压数值不能稳定在恒定的 数值上，容易造成测量误差。同时，液压工作站设计复杂，制造成本高。 （4）单向差速传动系统使车行驶受限 为了提供一定的滑溜比，系统采用了单向差速传动系统。该系统使测量行驶受到限制，车辆在非测 量状态下行驶时单向差速传动系统会被带动工作，影响整个系统的使用寿命。当测量轮与地面接触时， 若进行车辆转弯或倒车，会造成单向差速传动系统的损坏。 （5）计算机控制系统落后 现有机场道面摩擦因数测量车多采用90年代的单片机控制系统， 相对车辆高速运行状态下的动态测 量，其测量响应速度、控制能力和数据处理能力都显得不足。同时，也不利于今后新一带产品的升级换 代。 （6）打印速度慢 现有测量车的摩擦因数曲线打印速度较慢。在飞机起降频繁的大型机场， 需要尽可能缩短摩擦因数 机场道面摩擦因数测量车检测技术研究 14 测量时间，尤其在特殊气候条件下，若不能及时提供数据，将影响飞机的起降安全。所以希望摩擦因数 测量车能够实现实时快速打印。 针对国内机场普遍使用的摩擦因数测量车存在的问题，课题组进行了机场道面摩擦因数测量车的 开发研究。通过各项创新设计，测量车在机械系统、液压系统及电气测量系统方面都有较好的表现， 系统的工作稳定性、测量精度等指标完全符合测量要求。 该摩擦因数测量车主要由三大部分组成：机械系统、液压系统、电气测量系统。其中，电气测量 系统主要由电源、计算机 、plc、传感器、打印机等组成。该系统总体设计方框图见图 2.7。 图 2.7总体设计方框图 fig. 2.7 design block diagram 2-3-22-3-22-3-22-3-2 机械系统的设计机械系统的设计 机械系统速度传动系统由速度传动装置、测量臂装置及洒水装置三部分组成。 （1） 速度传动装置包括：后轮取速部件、速度传动部件、驻车制动部件。 （2） 测量臂装置包括：水平力传感器、传动链机构、测量臂、垂直力传感器。 （3） 洒水装置包括：电磁离合器、橡胶叶片水泵、调压机构、喷嘴机构。 在机械系统的设计中，课题组做了一系列创新设计，比如为了使测量车后桥系统结构简单、便于 制造和安装，而采用了独立的悬挂测量系统；对单向差速传动装置采用离合器以提高摩擦因数车的安 全性，并延长了使用寿命；将洒水装置水嘴设计成圆弧形并固定在测量臂上，在保证测试洒水的同时， 避免了因地面高低不平导致的水嘴损坏。 2-3-32-3-32-3-32-3-3 液压系统的设计液压系统的设计 道面摩擦因数测量车液压系统作为测量臂的动力单元，在测量过程中对于垂直力起到保压和吸震 功能，主要由液压泵、蓄能器、液压缸、液压阀块等组成。 本开发系统完成了对液压系统的设计，设计特点如下： （1）该摩擦因数测量车将液压系统布置在轿车后备箱的有限空间中，结构紧凑。液压系统占整个空 间的四分之一左右。 （2）液压系统产生的压强能提供使测量轮对地面的垂直压力为 140 公斤力，并且在测量过程中液压 缸产生的垂直压力基本保持不变。 （3）液压系统具有良好的吸振能力和保压功能，避免测量车在行使测试过程中测量轮的上下振动导 致不稳定的现象。 河北工业大学硕士学位论文 15 （4）根据液体连通原理和压强传递特性，在测量过程中对测量液压缸双向连通，使液压缸双侧获得 相等的压强，利用液压杆两测受力面积的差异使液压杆对地面的作用力稳定在恒定的数值上，克服了 由于路面高低不平变化造成的测量误差。 液压缸双向连通，使液压缸双侧获得相等的压强，利用液压杆两测受力面积的差异使液压杆对地 面的作用力稳定在恒定的数值上，即当活塞杆伸出时，液压缸活塞两侧的压力p1=p2=p=60bar，其中 p1为无杆腔压力，p2为有杆腔压力，见液压缸原理图 2.8。 图 2.8液压缸原理图 fig. 2.8 cylinder schematic 2-3-42-3-42-3-42-3-4 电气测量系统的设计电气测量系统的设计 为适应车辆在高速运行状态下的动态测量，使其具备良好的测量响应速度、控制能力和数据处理 能力，本课题将重点放在了电气测量系统的研发。本课题采用上位机下位机的联合控制模式，并采用 串口通讯方式进行数据传输，采用工业控制计算机作为上位机，采用 plc 做下位机。采用 ni 公司的 labview 开发工具进行控制系统的软件设计。 为提高数据处理、 传输的准确性以及系统功能的稳定性 ， 进行了有针对性的软硬件设计。本课题的电气测量系统响应速度快、数据的控制处理能力强，完全适 用于机场道面摩擦因数的高速动态测量，且便于今后新一带产品的升级换代，触摸屏的采用使得操作 简单方便；打印机能够以较快速度实现摩擦因数曲线的输出打印。