某飛機輪速長時間未恢復故障分析及改進

張 垚，張曉娟，王 山，任 杰

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司技術(shù)中心，四川 成都610092）

1 前言

飛機剎車系統(tǒng)用于實現(xiàn)地面轉(zhuǎn)彎、滑行糾偏和減速制動，對于保障飛機平穩(wěn)滑行和安全起降至關(guān)重要，是飛機最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一[1]。為提高飛機剎車效率，縮短飛機制動距離，減少輪胎磨損，同時避免出現(xiàn)因剎車壓力過大等導致的機輪抱死、輪胎爆胎等嚴重危及飛機安全的狀況發(fā)生，現(xiàn)代高性能飛機的剎車系統(tǒng)通常設(shè)計有防抱死功能[2]。

某飛機采用液壓剎車系統(tǒng)，該剎車系統(tǒng)亦根據(jù)飛機使用需求設(shè)計有防抱死功能，其防抱死設(shè)計以滑移速度（即飛機地速與機輪輪速之差）為控制核心[3]。該型飛機在某次滑行的剎車制動過程中，出現(xiàn)了防抱死啟動后，輪速長時間未恢復的重大故障。該故障的發(fā)生，極大增加了飛機剎車制動距離，嚴重影響飛機滑行姿態(tài)，危及飛機安全。針對此次重大故障，基于防抱死使用策略和故障現(xiàn)象，搭建了故障樹，通過分析定位了故障原因，有針對性地提出了改進措施，并進行試驗驗證。

2 防抱死使用策略及故障現(xiàn)象

該飛機起落架為前三點式布局，并在左右主起落架處設(shè)置有剎車裝置[4]。飛機剎車系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。當飛機剎車時，輪速傳感器實時檢測機輪輪速，并反饋給飛機計算機以解算滑移速度。當兩側(cè)滑移速度均小于某預定值時，飛機計算機根據(jù)地速，向剎車閥發(fā)送既定大小剎車壓力指令。剎車閥根據(jù)壓力指令，向剎車卡鉗輸送液壓壓力，剎車卡鉗在液壓壓力推動下，卡緊機輪上的剎車盤，實現(xiàn)機輪制動[5]。剎車閥在工作時，可實時向飛機計算機回報其實際輸出液壓壓力值。若某側(cè)滑移速度大于預定值，則飛機計算機啟動防抱死，將該側(cè)剎車壓力指令從當前的較大值下調(diào)至較小的某預定值，直至飛機計算機檢測到該側(cè)滑移速度再次小于預定值，之后飛機計算機重新向該側(cè)發(fā)送較大的剎車壓力指令。

故障發(fā)生時，飛機正處于剎車過程中，當?shù)厮俳抵良s162 km/h 時，右輪速瞬時降至0 km/s，右機輪滑移速度大于預定值，飛機計算機啟動右機輪防抱死保護。右機輪防抱死保護啟動后約1.4 s，右輪速方恢復正常，右機輪防抱死解除。根據(jù)該型飛機既有滑行科目的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通常情況下，防抱死啟動0.3 s 內(nèi)，輪速即可恢復正常并退出防抱死。此次滑行中，防抱死啟動1.4 s 后，輪速才恢復，屬于故障現(xiàn)象。此次故障，致使右機輪長時間處于小剎車壓力狀態(tài)，增加了剎車距離，并嚴重影響飛機安全，需進行重點分析。

圖1 剎車系統(tǒng)工作原理簡圖

3 故障分析及定位

3.1 故障樹的建立

以該飛機防抱死啟動后，輪速長時間未恢復為頂事件，根據(jù)防抱死使用策略，結(jié)合故障現(xiàn)象繪制出故障樹，如圖2所示。根據(jù)故障樹，導致故障發(fā)生的兩大類可能原因分別為機輪持續(xù)拖胎和輪速信號異常。

3.2 機輪持續(xù)拖胎

剎車壓力過大、機輪卡滯、輪胎胎面有油脂以及跑道表面光滑均可能引起機輪持續(xù)拖胎。

圖2 輪速長時間未恢復故障樹

3．2．1 剎車壓力過大

右機輪防抱死啟動前，右剎車閥此時回報壓力為0.6 MPa。為確定右剎車閥壓力回報的準確性，將右剎車閥從機上拆下，搭建地面試驗臺進行試驗，試驗結(jié)果如表1 所示。試驗結(jié)果顯示，右剎車閥回報壓力與壓力指令以及外接壓力表讀數(shù)保持高度一致，最大誤差僅為0.1 MPa，在產(chǎn)品正常誤差允許范圍內(nèi)。右剎車閥回報壓力準確，可認為故障滑行時，右剎車閥工作正常。

表1 右剎車閥壓力試驗結(jié)果

防抱死啟動前，右剎車閥回報剎車壓力為0.6 MPa，防抱死啟動后，右剎車閥回報剎車壓力為0.2 MPa，取兩者中較大值，即取0.6 MPa 進行分析。查閱機輪與剎車卡鉗慣性臺試驗數(shù)據(jù)，0.6 MPa 時剎車力矩約為10 N·m。

故障滑行時的地面結(jié)合力矩M 計算如下：

式（1）中：Fz為單側(cè)主起落架支反力；μ為結(jié)合系數(shù)，可根據(jù)跑道性質(zhì)和地速大小取經(jīng)驗值；R 為輪胎轉(zhuǎn)動半徑。

據(jù)此，計算出結(jié)合力矩為26.5 N·m。

故障滑行時，剎車力矩小于地面結(jié)合力矩，右機輪應不會因剎車壓力過大而抱死，排除此條故障原因。

3．2．2 機輪卡滯

滑行結(jié)束后，現(xiàn)場檢查主機輪能正常轉(zhuǎn)動，無卡滯現(xiàn)象。為進一步確認機輪是否異常，將左右機輪拆下檢查。左右機輪外觀如圖3 所示。剎車卡鉗外觀如圖4 所示。軸承外觀如圖5 所示。檢查發(fā)現(xiàn)外觀均無異常，排除此條故障原因。

圖3 左右機輪外觀圖

圖5 軸承外觀圖

3．2．3 輪胎胎面有油脂

滑行結(jié)束后檢查輪胎胎面，無油脂，排除此故障原因。

3．2．4 跑道表面光滑

滑行結(jié)束后，檢查跑道，未見異常，排除此故障原因。根據(jù)以上分析結(jié)果，判定防抱死啟動后，輪速長時間未恢復非持續(xù)拖胎導致。

3.3 輪速信號異常

導致輪速信號異常的原因主要有兩方面：①輪速傳感器故障；②輪速傳感器與齒輪盤工作距離過大。

3．3．1 輪速傳感器故障

導致輪速傳感器故障的原因有外部金屬部件銹蝕、插針損壞和霍爾效應開關(guān)損壞。經(jīng)檢查，輪速傳感器外部無銹蝕產(chǎn)生，插針完好。此外，若霍爾效應開關(guān)損壞，傳感器將一直無信號輸出，但滑行過程中傳感器信號恢復，表明霍爾效應開關(guān)未損壞。綜上，輪速傳感器無故障。

3．3．2 輪速傳感器與齒輪盤工作距離過大

輪速傳感器的安裝如圖6 所示，輪速傳感器安裝在主支柱上，機輪在與輪速傳感器相對的，具有一定工作距離的部位布置一個具有均布赤的齒輪盤。輪速傳感器通過感應單位時間內(nèi)經(jīng)過的齒數(shù)，來折算飛機輪速。輪速傳感器輸出信號與工作距離相關(guān)，當工作距離過大時將無法正常工作。

圖6 輪速傳感器的安裝圖

3.3.2.1 試驗臺測試正常工作最大工作距離

輪速傳感器試驗臺如圖7 所示，搭建一個輪速傳感器試驗臺，試驗臺一端布置由電機驅(qū)動的齒輪盤，另一端布置有輪速傳感器，兩者間工作距離可調(diào)。輪速傳感器輸出表征輪速的脈沖波，并由計算機解算。試驗時，先將齒輪盤和輪速傳感器間工作距離調(diào)整至各預定值，使用電機驅(qū)動齒輪盤至飛機輪速為162 km/h 時對應的轉(zhuǎn)速，結(jié)果如表2 所示。試驗結(jié)果顯示，當工作距離大于1.60 mm 時，輪速傳感器反饋值異常，甚至無輸出，傳感器無法正常工作。

圖7 輪速傳感器試驗臺

表2 輪速傳感器試驗結(jié)果

3.3.2.2 機上輪速傳感器與齒輪盤靜態(tài)工作距離

對右機輪輪速傳感器與齒輪盤靜態(tài)工作距離進行測量：飛機分別在頂起和放下狀態(tài)時，間隔90°共選取齒輪盤上4個齒頂進行測量，結(jié)果顯示各測量點工作距離均在1.25～30 mm 之間。靜態(tài)下，工作距離滿足要求，輪速傳感器工作正常。

3.3.2.3 機上輪速傳感器與齒輪盤動態(tài)工作距離

主機輪安裝如圖8 所示。

圖8 主機輪安裝圖

安裝機輪時，需將備緊螺母擰緊后再回退，以保證機輪能夠正常轉(zhuǎn)動。螺母回退使機輪可沿軸向發(fā)生竄動。螺母回退量因操作人員差異，機輪沿軸向竄動范圍在0.25～0.50 mm 之間。輪速傳感器靜態(tài)工作距離為1.25～1.30 mm，動態(tài)時工作距離為1.25～1.80 mm?；袝r受側(cè)向力影響，輪速傳感器工作距離大于1.60 mm，超出試驗得出的最大有效工作距離，無法正常工作，導致輪速信號異常。

3.4 故障定位

通過試驗驗證和理論分析，確認防抱死啟動后，輪速長時間未恢復故障原因為：動態(tài)情況下，輪速傳感器與齒輪盤工作距離增大，超過輪速傳感器可正常工作的最大距離，引起輪速信號異常。

4 改進措施及驗證

4.1 改進措施

針對輪速長時間未恢復的故障原因，提出了兩項改進措施，即改進輪速傳感器設(shè)計和優(yōu)化安裝。

4．1．1 改進輪速傳感器設(shè)計

將輪速傳感器內(nèi)主要元器件更換為性能更高的型號，同時對元器件安裝布局進行一定優(yōu)化。傳感器改進后，經(jīng)測試，最大有效工作距離由改進前的不足1.60 mm 增至2.40 mm，有效工作距離大幅增加。

4．1．2 優(yōu)化安裝

安裝主機輪時，嚴格控制備緊螺母回退量，使軸向竄動量在0.25～0.50 mm 之間。安裝輪速傳感器時，調(diào)整調(diào)隙墊片，使靜態(tài)工作距離為1.00～1.20 mm。考慮滑行時最大間隙增量0.50 mm，輪速傳感器最大動態(tài)工作距離為1.70 mm，在輪速傳感器最大有效工作距離2.40 mm 之內(nèi)，輪速傳感器可正常工作。

4.2 改進后驗證情況

改進措施執(zhí)行到位后，為驗證措施的有效性，開展了多架次不同狀態(tài)的滑行任務。各架次滑行時，飛機重量、中止滑行速度均不相同。某次滑行的飛行參數(shù)記錄儀記錄的滑行曲線如圖9 所示。

圖9 改進后滑行曲線

結(jié)果顯示，輪速與地速差別極小，跟隨性良好。輪速變化均勻，剎車壓力穩(wěn)定，無異常波動，且全程未啟動防抱死，剎車過程平穩(wěn)。其余架次滑行結(jié)果也與該架次結(jié)果類似，故障消失，改進措施有效。

5 結(jié)論

通過實驗和分析等，得出主要結(jié)論如下：某飛機防抱死啟動后，輪速長時間未恢復的主要原因為動態(tài)情況下，輪速傳感器與齒輪盤工作距離增大，超過輪速傳感器可正常工作的最大距離，引起輪速信號異常；改進輪速傳感器設(shè)計和優(yōu)化安裝兩項改進措施對于消除故障是有效的；防抱死啟動后，輪速長時間未恢復的故障研究結(jié)果將為其他飛機的剎車系統(tǒng)設(shè)計，尤其是防抱死設(shè)計提供警示和參考。