飛機(jī)EMA過載保護(hù)裝置摩擦片的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

徐 偉，程國贊，段富海，劉曉玉，呼斯樂圖

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著多電/全電飛機(jī)（More Electric Aircraft/All Electric Aircraft，MEA/AEA）的發(fā)展，飛機(jī)大功率作動(dòng)器由以前的液壓驅(qū)動(dòng)逐漸向電力驅(qū)動(dòng)過渡。飛機(jī)大功率機(jī)電作動(dòng)器（Electro-Mechanical Actuator，EMA），由高功率密度高壓（270 V）直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過行星齒輪減速器將轉(zhuǎn)矩傳遞到輸出軸，帶動(dòng)飛機(jī)翼面動(dòng)作，完成飛機(jī)的作動(dòng)控制。

EMA摩擦過載保護(hù)裝置通過主、從動(dòng)組件之間的摩擦力來傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩。但有時(shí)EMA傳動(dòng)會(huì)出現(xiàn)機(jī)械卡滯等故障模式，給飛機(jī)帶來安全隱患。為在卡滯故障出現(xiàn)時(shí)能夠確保機(jī)械傳動(dòng)桿不被折斷，設(shè)計(jì)了一種新型的過載摩擦保護(hù)裝置。由于在較大壓力作用下保護(hù)裝置的摩擦片打滑會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而現(xiàn)存的一般摩擦片難以同時(shí)滿足高強(qiáng)度、高耐熱性和高穩(wěn)定性的要求，因此急需一種新型摩擦材料來解決這一問題。由于粉末冶金摩擦材料具有摩擦因數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)良的性能[1]，它通過材料間的摩擦和磨損，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并將熱量吸收和散發(fā)，從而達(dá)到制動(dòng)的目的，所以在飛機(jī)、汽車、工程機(jī)械的離合器和制動(dòng)器中廣泛使用[2]，故目前國內(nèi)EMA的摩擦片一般采用粉末冶金材料。目前隨著EMA動(dòng)力、速度及負(fù)荷的迅速增大，對(duì)摩擦材料的要求不斷提高，特別是重載荷大扭矩EMA的出現(xiàn)，如飛機(jī)著陸時(shí)的制動(dòng)器、飛機(jī)襟翼和縫翼的驅(qū)動(dòng)器等，摩擦材料性能穩(wěn)定性保證出現(xiàn)了困難。

國內(nèi)外圍繞著摩擦材料成分及燒結(jié)工藝對(duì)摩擦材料性能的影響等，對(duì)粉末冶金材料開展了較多的研究工作，如文獻(xiàn)[3]做了銅基粉末冶金摩擦材料的沖擊壓縮試驗(yàn)，得到了沖擊動(dòng)態(tài)參數(shù)；文獻(xiàn)[4]研究了不同摩擦組元、不同孔隙率鐵基粉末冶金摩擦材料的磨損性能；文獻(xiàn)[5]研究了摩擦過程中摩擦面溫度對(duì)鐵基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響機(jī)理；文獻(xiàn)[6]研究了濕式摩擦離合器摩擦片表面溫升和油槽結(jié)構(gòu)的關(guān)系。但國內(nèi)外對(duì)重載荷大扭矩摩擦片的應(yīng)用研究報(bào)道不多。

為解決重載荷大扭矩EMA中使用摩擦片性能穩(wěn)定性問題，本文根據(jù)加權(quán)因子法選取鐵銅作為基本組元，通過調(diào)整鐵銅基的鐵銅比例以及改變其他合金與非金屬成分[7-8]，改善其在抗粘結(jié)性、耐溫性和抗氧化能力；采用激光表面改進(jìn)技術(shù)優(yōu)化其表面摩擦特性[9]；再通過電控摩擦實(shí)驗(yàn)改變摩擦因數(shù)[10]；最后采用有限元法進(jìn)行了摩擦片靜力學(xué)分析[11-12]。

1 過載摩擦保護(hù)裝置工作原理

某型飛機(jī)EMA摩擦保護(hù)裝置包括相互連接的主動(dòng)機(jī)構(gòu)和從動(dòng)機(jī)構(gòu)。主動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸、與傳動(dòng)軸連接的齒輪系以及與齒輪系輸出端連接的花鍵軸；從動(dòng)機(jī)構(gòu)包括齒輪定位圓盤、摩擦盤以及壓緊操縱機(jī)構(gòu)?；竟ぷ髟硎牵?dāng)扭矩大于所設(shè)計(jì)的臨界扭矩時(shí)出現(xiàn)打滑，從動(dòng)機(jī)構(gòu)停止傳動(dòng)，轉(zhuǎn)矩恢復(fù)正常時(shí)重新開始傳動(dòng)。因此，當(dāng)EMA作動(dòng)器出現(xiàn)故障或者卡死情況后，摩擦保護(hù)裝置的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分的摩擦片出現(xiàn)打滑，較大的力和力矩不會(huì)給傳動(dòng)桿帶來很大的扭矩，造成傳動(dòng)桿扭斷，保證整個(gè)裝置不被破壞，因而起到了過載保護(hù)作用。裝置基本要求是運(yùn)動(dòng)中接合和分離方便，離合徹底，恢復(fù)平緩。由于在飛機(jī)摩擦保護(hù)裝置工作環(huán)境中存在較大的載荷和溫度沖擊，相應(yīng)的摩擦材料發(fā)生彈塑性變形要盡量小。

2 摩擦片研究

過載保護(hù)裝置摩擦盤內(nèi)安裝的摩擦片是整個(gè)裝置的關(guān)鍵部件。

2.1 粉末冶金摩擦材料

摩擦片多孔材料采用粉末冶金復(fù)合材料，它以金屬及其合金（一般是銅或鐵）為基體組元，添加摩擦組元和潤滑組元，采用粉末冶金技術(shù)，經(jīng)過對(duì)粉末原材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)、粉料混合、模壓成形、加壓燒結(jié)和后續(xù)機(jī)械加工等過程加工而成。其組分和制作工藝不同，特性也有很大差異。在金屬基粉末冶金摩擦材料中，金屬具有良好的塑性和導(dǎo)熱性，非金屬具有高熔點(diǎn)、堅(jiān)硬、耐磨等特點(diǎn)，合理匹配基體組元、摩擦組元和潤滑組元，才能充分發(fā)揮和兼顧二者的特性，獲得性能優(yōu)良的摩擦材料，使材料具有高機(jī)械強(qiáng)度、高使用溫度、優(yōu)良導(dǎo)熱和抗磨損性能。摩擦組元一般使用二氧化硅或者石棉。粉末冶金摩擦材料具有特殊性能的各種質(zhì)點(diǎn)均勻地分布在金屬基中，金屬基體具有比較好的導(dǎo)熱性和散熱性并可承受應(yīng)力和力矩，使材料具有良好的耐磨性。與傳統(tǒng)的金屬摩擦材料相比，粉末冶金摩擦材料具有摩擦因數(shù)高，在溫度、壓力以及速度變化時(shí)摩擦因數(shù)的變化較小，耐高溫和抗咬合性好，磨損小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因其特性良好而被廣泛使用。

粉末冶金摩擦材料按基體成分可分為銅基和鐵基兩大類。鐵基比銅基有稍高的硬度、強(qiáng)度、摩擦因數(shù)，允許承受的工作比壓和表面瞬時(shí)溫度也較高；而銅基比鐵基有較好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和小的磨損。銅基摩擦材料大多用于離合器中，尤其在濕式離合器中更顯示其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。鐵基摩擦材料多用于制動(dòng)器中。為增加粉末冶金摩擦材料的強(qiáng)度，通常將其粘結(jié)成為鐵銅基雙金屬結(jié)構(gòu)。

2.2 粉末冶金材料特性研究

為選用合適的材料，下面通過加權(quán)因子法[13]得出材料的性質(zhì)系數(shù)。選用摩擦冶金材料時(shí)主要考慮的5個(gè)特性及其加權(quán)因子如表1所示[14]。

表1 加權(quán)因子表Tab.1 Weightingfactor table

通過實(shí)驗(yàn)得出如表2所示不同材料的性質(zhì)系數(shù)[15-16]。

表2 不同材料摩擦性質(zhì)表Tab.2 Friction property tableof each material

表2中，P為正判定數(shù)；β為相對(duì)重要數(shù)；γ為材料的性質(zhì)系數(shù)。γ值越大代表材料總體性能越好，所以摩擦保護(hù)裝置中摩擦片最終選擇的材料為Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料。材料的主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3[17-18]。

表3 Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.3 Chief component of Fe-Cu base powder metallurgy friction material %

2.3 粉末冶金材料激光改進(jìn)技術(shù)

激光表面改性技術(shù)是一種新型的材料表面改性方法，具有激光功率密度高、材料表面加熱和冷卻速度快、表面改性后零件變形小等特點(diǎn)。將其應(yīng)用于Fe-Cu基粉末冶金摩擦片成品件的表面改性處理，摩擦片表面的Fe-Cu粉末冶金摩擦材料層在高能量密度激光束的作用下，溫度迅速升高，隨著激光束的快速移動(dòng)，靠自身的冷卻，溫度又迅速降低，在這種較大的過冷條件下，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)必然會(huì)細(xì)化。同時(shí)，瞬時(shí)的高溫會(huì)使粉末冶金材料體擴(kuò)散系數(shù)迅速增大，從而增強(qiáng)了孔洞的收縮動(dòng)力，這將有助于提高材料的致密性。因此，激光表面改性處理后的Fe-Cu基摩擦片在微觀組織結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能等方面會(huì)有明顯的改善，并且對(duì)摩擦片成品件做表面改性處理不改變材料成分及原始燒結(jié)工藝，也不增加后續(xù)處理工藝。

采用激光束對(duì)粉末冶金材料的表面進(jìn)行處理來增強(qiáng)其表面質(zhì)量，通過使用紅外設(shè)備分析改性過程中材料表面的溫度變化，借助微觀試驗(yàn)儀，結(jié)合X射線衍射分析，掃描電子顯微鏡(SEM)分析等手段，對(duì)Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料的微觀組織形貌、硬度、密度及干滑動(dòng)摩擦磨損特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.4 摩擦壓緊盤

摩擦片與摩擦壓緊盤分別如圖1和圖2所示。

圖1 摩擦片F(xiàn)ig.1 Friction plate

圖2 摩擦壓緊盤Fig.2 Friction pressureplate

3 電控摩擦實(shí)驗(yàn)

外加電場(chǎng)可以改變金屬材料的表面摩擦因數(shù)[9]?；诖死碚摚疚淖隽穗妶?chǎng)對(duì)摩擦離合器影響的電控摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程：將摩擦片與電源的正極相連，石墨導(dǎo)體連接電源的負(fù)極；調(diào)節(jié)電源電壓來改變外加電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大??；摩擦片放在離子導(dǎo)體溶液中，溶液具有很好的導(dǎo)電性和電控摩擦效應(yīng)。摩擦離合器的驅(qū)動(dòng)裝置使用步進(jìn)電機(jī)，離合器中的摩擦副有上、下兩片摩擦片；電機(jī)經(jīng)過齒輪減速裝置減速后將動(dòng)力傳遞到摩擦離合器中，摩擦離合器將轉(zhuǎn)矩通過輸出軸來輸出。在裝置中裝有數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，可以將數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理。從動(dòng)件和主動(dòng)件接觸并逐漸達(dá)到裝置主動(dòng)件的轉(zhuǎn)速，在這段時(shí)間中摩擦片的摩擦因數(shù)會(huì)有所改變，主動(dòng)件與從動(dòng)件的摩擦力也會(huì)相應(yīng)增加，裝置的承載能力有所提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 摩擦力矩隨外加電壓變化曲線圖Fig.3 Thefriction torque curveswith theapplied voltage

圖4 摩擦力矩增量隨外加電壓變化曲線圖Fig.4 Changecurveof friction torquewith applied voltage

4 摩擦片靜力學(xué)特性分析

4.1 分析目的與意義

為提高摩擦保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)件整體力學(xué)性能，對(duì)其關(guān)鍵部件——摩擦片進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。摩擦片除承受摩擦片之間的擠壓作用外，還受相互之間摩擦力的影響。下文對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、接觸狀態(tài)分析。

4.2 分析流程

考慮計(jì)算效率與計(jì)算準(zhǔn)確度，選取兩個(gè)摩擦片構(gòu)成摩擦副，進(jìn)行裝配和分析，分析流程為：建立摩擦片CAD模型、進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析、分析結(jié)果評(píng)價(jià)。

4.2.1 建立CAD模型

根據(jù)摩擦片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，在Inventor中建立三維CAD模型，通過與ANSYS軟件的接口導(dǎo)入ANSYS中。三維模型如圖5所示。

圖5 摩擦片CAD模型Fig.5 CADmodel of friction piece

4.2.2 材料屬性

在ANSYS平臺(tái)中設(shè)置摩擦片材料屬性如表4所示。

表4 摩擦片材料屬性Tab.4 Propertiesof friction slices materials

4.2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵步驟，計(jì)算的合理性在很大程度上由網(wǎng)格劃分好壞決定。劃分后的模型如圖6所示。

圖6 摩擦片有限元模型Fig.6 Finiteelement model of friction plate

4.2.4 施加載荷約束

根據(jù)受力分析與摩擦片工作原理，對(duì)兩個(gè)摩擦片一端固定，一端施加壓力和扭矩載荷，同時(shí)孔內(nèi)圓柱面處施加圓柱支撐約束，使摩擦片轉(zhuǎn)動(dòng)而不徑向和切向運(yùn)動(dòng)[12]。施加載荷和約束后的狀態(tài)如圖7所示。

圖7 施加約束載荷Fig.7 Imposes theconstraint load

4.2.5 計(jì)算及結(jié)果分析

計(jì)算得到摩擦片的應(yīng)力、應(yīng)變和變形分布云圖，分別如圖8和圖9所示。摩擦片的接觸情況分析如圖10所示。

圖8 應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution cloud diagram

由圖7-10分析可見，摩擦片X、Y、Z向和整體變形量均不大，摩擦片邊緣處變形量最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸孔邊緣處，最大應(yīng)力值391.07 MPa，根據(jù)摩擦片材料屈服強(qiáng)度值（480 MPa）和離合器設(shè)計(jì)要求，摩擦片滿足剛度、強(qiáng)度要求，且接觸狀態(tài)較好。

圖9 應(yīng)變和變形分布云圖Fig.9 Deformation distribution cloud map

圖10 接觸狀態(tài)與應(yīng)力Fig.10 Contact stateand stress

5 結(jié)束語

飛機(jī)重載荷大扭矩EMA中粉末冶金摩擦材料的穩(wěn)定性是EMA實(shí)用的關(guān)鍵。通過冶金摩擦材料的表面激光改性，通過電控實(shí)驗(yàn)提高摩擦材料的摩擦因數(shù)，并用ANSYS進(jìn)行了摩擦片的有限元分析，為過載保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究等提供參考依據(jù)和有益借鑒。

粉末冶金摩擦片具有高耐溫性、高耐磨性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以承受裝置出現(xiàn)故障或者卡死時(shí)摩擦離合器打滑產(chǎn)生的大量熱量，提高了飛機(jī)的安全性。摩擦片的高耐磨性，使日常磨損消耗較小，更換頻率減小，可以減小飛機(jī)維護(hù)費(fèi)用。