飛機(jī)剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)研究

張紅 張?jiān)?/p>

摘 要：飛機(jī)剎車系統(tǒng)是飛機(jī)上具有相對(duì)獨(dú)立功能的子系統(tǒng)，作用是承受飛機(jī)的靜態(tài)重量、動(dòng)態(tài)沖擊載荷以及吸收飛機(jī)著陸時(shí)的動(dòng)能、實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的起飛、著陸、滑行、轉(zhuǎn)彎的制動(dòng)和控制。飛行器剎車裝置主要有液壓剎車裝置和全電剎車裝置。目前液壓剎車裝置在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多，下一代飛機(jī)的高性能剎車系統(tǒng)是電剎車系統(tǒng)，利用剎車裝置中的電機(jī)作動(dòng)器，提供動(dòng)力去實(shí)現(xiàn)剎車。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)剎車系統(tǒng);液壓剎車系統(tǒng);全電剎車系統(tǒng);剎車系統(tǒng)工作原理

1 飛機(jī)剎車系統(tǒng)概述

飛機(jī)剎車系統(tǒng)用來(lái)控制機(jī)輪剎車裝置的工作，結(jié)構(gòu)通常采用盤式結(jié)構(gòu)，剎車裝置部分由動(dòng)盤、靜盤、壓緊盤、承壓盤、剎車殼體、氣缸座、扭力筒等組成，機(jī)輪部分有輪轂、輪緣、半卡環(huán)，導(dǎo)軌、連接耳片等零件組成。飛機(jī)的剎車系統(tǒng)有液壓剎車系統(tǒng)和全電剎車系統(tǒng)，在液壓剎車系統(tǒng)中，飛機(jī)著陸時(shí)，機(jī)輪帶動(dòng)剎車殼體、動(dòng)盤繞輪軸旋轉(zhuǎn)，需要?jiǎng)x車時(shí)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力推動(dòng)活塞組件的活塞水平運(yùn)動(dòng)，將靜盤與動(dòng)盤壓緊，靜盤與動(dòng)盤接觸摩擦，產(chǎn)生剎車力矩從而使飛行器剎停。在全電剎車系統(tǒng)中，需要?jiǎng)x車時(shí)旋轉(zhuǎn)的機(jī)電作動(dòng)器帶動(dòng)滾珠絲杠向前運(yùn)動(dòng)，將靜盤與動(dòng)盤壓緊，靜盤與動(dòng)盤接觸摩擦，產(chǎn)生剎車力矩從而使飛行器剎停。目前國(guó)內(nèi)外液壓剎車系統(tǒng)在各類飛機(jī)型號(hào)中應(yīng)用最廣，但下一代的飛機(jī)剎車系統(tǒng)是全電剎車系統(tǒng)。

1.1液壓剎車系統(tǒng)

液壓剎車系統(tǒng)在現(xiàn)有各類飛機(jī)類型中是應(yīng)用最多的，由機(jī)輪剎車裝置、機(jī)輪速度傳感器、防滑控制盒、防滑伺服閥在內(nèi)的液壓作動(dòng)器等部件組成。機(jī)輪轉(zhuǎn)速經(jīng)速度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸送給控制盒，控制盒根據(jù)速度的大小輸出相應(yīng)的防滑電流到防滑伺服閥，控制伺服閥輸出剎車壓力到達(dá)剎車裝置后，通過(guò)液壓活塞作用于壓力盤調(diào)節(jié)剎車裝置剎車裝置之間的壓緊力，從而改變剎車力矩，力矩于輪胎和跑道之間的結(jié)合力矩共同控制機(jī)輪的轉(zhuǎn)速，形成一個(gè)以機(jī)輪速度為負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量體積大，液壓油易泄露，容易引發(fā)火災(zāi)，經(jīng)常出現(xiàn)故障后難以找到原因和維修費(fèi)用高。

1.2全電剎車系統(tǒng)

下一代飛機(jī)的高性能剎車系統(tǒng)是電剎車系統(tǒng)，由電作動(dòng)剎車機(jī)架、力矩傳感器及其托架、機(jī)輪速度傳感器、EMA控制器和剎車防滑控制器、電源及備用電池、起落架開(kāi)關(guān)和防滑控制開(kāi)關(guān)、起落架觸地開(kāi)關(guān)等部件組成。基本原理和液壓剎車系統(tǒng)相似，其特點(diǎn)為：機(jī)輪速度信號(hào)和剎車力矩信號(hào)經(jīng)速度傳感器和力矩傳感器送入剎車控制盒，再由機(jī)電作動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)控制電作動(dòng)機(jī)構(gòu)，輸出剎車壓力到剎車盤，產(chǎn)生相應(yīng)的剎車力矩，所以全電剎車系統(tǒng)形成了以機(jī)輪速度和剎車力矩雙層負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，反應(yīng)迅速，剎車過(guò)程平穩(wěn)，剎車效率高，耐熱性好，在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)提高剎車系統(tǒng)故障診斷能力、防滑性能，安全性和冗余度，減少剎車系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。

雖然整個(gè)機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積和重量比液壓剎車系統(tǒng)減少了許多，但機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積比液壓活塞作動(dòng)機(jī)構(gòu)要大，在滿足功能、強(qiáng)度和剛度的要求上需要充分的利用空間。由于全電剎車機(jī)電作動(dòng)所占的空間比較大，因此很可能要對(duì)整個(gè)剎車裝置（包括起落架和剎車殼體及機(jī)構(gòu)速度傳感器）的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般來(lái)講，中、大型飛機(jī)的機(jī)輪直徑比較大，容納剎車裝置的空間也比較大，機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要容易一些。而小型飛機(jī)對(duì)剎車系統(tǒng)體積和重量有苛刻的要求，機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。在使用時(shí)電機(jī)具有響應(yīng)慢、有慣性、位移大的特點(diǎn)。

2 飛機(jī)剎車系統(tǒng)的剎車原理

飛機(jī)剎車系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車減速或停放，控制地面轉(zhuǎn)彎等功能，是飛機(jī)必不可少的子系統(tǒng)。機(jī)載人員的安全、飛機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性都和剎車系統(tǒng)性能好壞有關(guān)。飛機(jī)剎車過(guò)程中，剎車壓力根據(jù)跑道條件的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，剎車裝置將飛機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。液壓剎車系統(tǒng)中，剎車著陸時(shí)，機(jī)輪帶動(dòng)剎車裝置繞輪軸旋轉(zhuǎn)，由液壓或氣壓系統(tǒng)提供動(dòng)力推動(dòng)活塞水平運(yùn)動(dòng)，直至壓上壓緊盤，后活塞繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，將交替靜盤、動(dòng)盤壓緊，使動(dòng)靜盤接觸摩擦，產(chǎn)生剎車力矩剎停飛行器;全電剎車系統(tǒng)中，區(qū)別于液壓剎車系統(tǒng)的是剎車時(shí)機(jī)電作動(dòng)器中的電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠向前運(yùn)動(dòng)，直至壓緊壓緊盤，其他與液壓剎車過(guò)程基本是一致的。

2.1液壓剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

液壓剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括防滑控制系統(tǒng)、電液伺服閥、機(jī)輪剎車調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機(jī)輪速度傳感器等部分。該剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常主要采用多碳盤的盤式結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)機(jī)架。剎車裝置部分主要由多個(gè)動(dòng)盤和靜盤、壓緊盤、承壓盤、剎車殼體、氣缸座、扭力筒、背部板等組成，機(jī)輪部分主要由輪轂、輪緣、半卡環(huán)，導(dǎo)軌、連接耳片等零件組成。全部靜盤與扭力筒采用軸向鍵槽配合且與剎車殼體內(nèi)側(cè)不接觸;剎車殼體側(cè)面開(kāi)槽，動(dòng)盤與該開(kāi)槽以凸鍵配合，動(dòng)盤與扭力管不接觸，與殼體一起轉(zhuǎn)動(dòng);機(jī)架組合起多個(gè)液壓活塞機(jī)構(gòu)。液體流動(dòng)時(shí)，液壓活塞受壓力，輪流迫使壓緊盤壓緊動(dòng)靜盤，產(chǎn)生摩擦力剎停飛機(jī)。

液壓剎車系統(tǒng)出現(xiàn)的較早，在各類飛機(jī)中應(yīng)用也最廣。包含機(jī)輪剎車裝置、機(jī)輪速度傳感器、防滑剎車控制盒、電液伺服閥、活塞作動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)輪組件、等部件。機(jī)輪剎車裝置為盤式結(jié)構(gòu)，動(dòng)靜盤采用碳-碳耐高溫剎車材料。每個(gè)機(jī)輪都裝有速度傳感器，需要?jiǎng)x車時(shí)機(jī)輪速度傳感器采集和監(jiān)控機(jī)輪速度信號(hào)，輸出與機(jī)輪速度大小成正比的頻率信號(hào)傳遞給防滑控制系統(tǒng)。電液伺服閥控制每個(gè)機(jī)輪剎車裝置中的剎車壓力。

液壓剎車系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展，目前技術(shù)應(yīng)用上比較成熟，但是一直以來(lái)都存在著以下幾點(diǎn)不足：首先其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量體積大，系統(tǒng)工作時(shí)液壓油泄露問(wèn)題頻發(fā)，易引發(fā)火災(zāi)，其次系統(tǒng)燃料消耗占所需燃料比例大，以及因結(jié)構(gòu)復(fù)雜經(jīng)常出現(xiàn)故障后難以找到原因，后期維修費(fèi)用高、液壓油可壓縮性導(dǎo)致控制系統(tǒng)控制精度降低等問(wèn)題。這些不足也是全電剎車系統(tǒng)迅速發(fā)展的重要原因。

2.2全電剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

電子技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著多電飛機(jī)開(kāi)年的出現(xiàn)，利用高性能電子設(shè)備控制電機(jī)作動(dòng)壓緊剎車盤產(chǎn)生摩擦實(shí)現(xiàn)飛機(jī)滑跑剎車的全電剎車系統(tǒng)成為下一代飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，它使用電子傳輸代替了原有液壓剎車系統(tǒng)的液壓輸油管路。整個(gè)系統(tǒng)主要包括剎車組件、控制單元和機(jī)輪組件三個(gè)部分。與液壓剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的：機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)取代液壓活塞作動(dòng)機(jī)構(gòu)，完全解決了一致以來(lái)液壓剎車系統(tǒng)都存在的液壓油泄露、燃燒的問(wèn)題，提高飛機(jī)安全性的同時(shí)也減輕了其重量，因其先進(jìn)性成為剎車系統(tǒng)一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，該高性能剎車系統(tǒng)將來(lái)肯定會(huì)應(yīng)用在越來(lái)越多的飛機(jī)上。

全電剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)輪速度傳感器、無(wú)刷直流電機(jī)、力矩傳感器、溫度傳感器、滾珠絲杠、減速齒輪組、防滑剎車控制盒等部件。機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)布局包含四臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)（剎車時(shí)兩個(gè)工作，兩個(gè)是余度設(shè)計(jì)）。無(wú)刷直流電機(jī)接收電流信號(hào)后可驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠正反旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺母前后直線運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)剎車盤循環(huán)壓緊產(chǎn)生摩擦力剎停飛機(jī)。單個(gè)機(jī)輪用旋轉(zhuǎn)速度、電信號(hào)雙閉環(huán)調(diào)速方法。

與液壓剎車系統(tǒng)相比，飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)不同之處是：機(jī)輪速度和剎車力矩雙層負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得整體剎車效果更好，動(dòng)態(tài)性能更穩(wěn)定，也是全電剎車系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)之一。

除了上文敘述的系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢(shì)外，在實(shí)際使用中也有很多優(yōu)點(diǎn)：取消液壓管路和設(shè)備使得飛機(jī)重量大大減輕，同時(shí)成本降低，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單;使用電子系統(tǒng)解決了無(wú)液壓油泄露問(wèn)題和潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn);兩套備用的無(wú)刷直流電機(jī)增加大大增加了剎車系統(tǒng)的冗余度，使得系統(tǒng)可靠性提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]《飛機(jī)低壓全電剎車驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與研究》 ?西北工業(yè)大學(xué) ?林輝，謝世杰，李兵強(qiáng)

[2]《飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)機(jī)電作動(dòng)器的研究與設(shè)計(jì)》 ?西北工業(yè)大學(xué) ?陜西華興航空機(jī)輪剎車系統(tǒng)公司 ?常順宏 田廣來(lái)等

（航空工業(yè)西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 西安 710075）