剎車機(jī)輪靜剎車力矩研究

魏亮亮　范建博　代龍

摘要：通過對(duì)剎車機(jī)輪的組成、現(xiàn)有靜剎車力矩計(jì)算方法及試驗(yàn)驗(yàn)證方法的研究分析，得出目前反映出的部分飛機(jī)靜剎車力矩不足的根本原因。從飛機(jī)剎車系統(tǒng)實(shí)際工況出發(fā)，改進(jìn)了靜剎車力矩的計(jì)算方法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法。以某型靜剎車力矩不足的飛機(jī)為例，按照改進(jìn)后的靜剎車力矩計(jì)算方法，重新計(jì)算靜剎車力矩，改進(jìn)設(shè)計(jì)剎車裝置提升靜剎車力矩，按照改進(jìn)后的驗(yàn)證試驗(yàn)方法，完成試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)和裝機(jī)飛行試驗(yàn)。通過分析試驗(yàn)結(jié)果，得出本項(xiàng)目改進(jìn)后的靜剎車力矩計(jì)算方法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法，比現(xiàn)有方法和標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，可以支持全新研制和現(xiàn)有飛機(jī)靜剎車力矩的提升。

關(guān)鍵詞：剎車機(jī)輪 ?靜剎車力矩 ?計(jì)算 ?試驗(yàn)

Study on Static Braking Torque of Brake Wheel

WEI Liangliang? FAN Jianbo? DAI long

（AVIC Xi'an Aircraft Industry Group Co.， Ltd.， Xi'an， Shanxi Province， 710089 China）

Abstract： Through the research and analysis of the composition of brake wheels， the existing static braking torque calculation methods and test verification methods， the root causes of insufficient static braking torque of some aircraft are obtained. Based on the actual working conditions of aircraft braking system， the calculation method and test verification method of static braking torque are improved. Taking an aircraft with insufficient static braking torque as an example， according to the improved static braking torque calculation method， recalculate the static braking torque， improve the design of braking device to improve the static braking torque， and complete the laboratory verification test and installed flight test according to the improved verification test method. By analyzing the test results， it is concluded that the improved static braking torque calculation method and test verification method of the project are more stringent than the existing methods and standards， and can support the new development and improvement of static braking torque of existing aircraft.

Key Words： Brake wheel; Static braking torque; Calculation; Test

對(duì)于軍用飛機(jī)，為提高飛機(jī)機(jī)動(dòng)性能，通常要求在發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力狀態(tài)下應(yīng)能剎住飛機(jī)，即具備起飛線停機(jī)剎車（也稱靜剎車）功能。

靜剎車是在起飛線時(shí)，由剎車系統(tǒng)輸出剎車壓力至剎車裝置，使剎車盤產(chǎn)生制動(dòng)力矩，進(jìn)而使輪胎與地面間產(chǎn)生摩擦力，實(shí)現(xiàn)起飛線剎停飛機(jī)。在飛機(jī)研制過程中，由于剎車材料的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)不一致，為實(shí)現(xiàn)靜剎車功能，通常需要單獨(dú)規(guī)定靜剎車力矩。靜剎車力矩由主機(jī)單位根據(jù)飛機(jī)幾何尺寸、重量重心數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、輪胎半徑等一系列參數(shù)計(jì)算得出，通過技術(shù)協(xié)議等形式傳遞給剎車機(jī)輪承制廠家，廠家根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求完成設(shè)計(jì)及驗(yàn)證試驗(yàn)。

在飛機(jī)研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，按現(xiàn)有方法、流程完成剎車機(jī)輪研制后，靜剎車力矩經(jīng)常不能滿足實(shí)際使用需求，表現(xiàn)為飛機(jī)起飛線剎不住，嚴(yán)重影響飛機(jī)機(jī)動(dòng)性能和出動(dòng)準(zhǔn)備。針對(duì)此問題，開展相關(guān)研究。

1? 現(xiàn)狀介紹

1.1? 剎車機(jī)輪結(jié)構(gòu)組成

航空機(jī)輪分為剎車機(jī)輪和無剎車機(jī)輪，剎車機(jī)輪由輪轂、剎車裝置組成。輪轂用來承受來自地面的各種動(dòng)、靜載荷，剎車裝置提供剎車力矩用來制動(dòng)機(jī)輪，使輪胎與地面產(chǎn)生很大的摩擦力，減速或剎停飛機(jī)。

1.2? 靜剎車力矩計(jì)算

靜剎車力矩，即剎車裝置動(dòng)盤和靜盤無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下所能提供的最大剎車力矩。按照《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》（第14分冊）的要求，以飛機(jī)在起飛線上發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力下剎停飛機(jī)作為靜剎車力矩的計(jì)算條件，按圖1所示的飛機(jī)參數(shù)，計(jì)算靜剎車力矩方法如下。

在圖1中：為飛機(jī)重心到主機(jī)輪的水平距離;為飛機(jī)重心到前機(jī)輪的距離;為飛機(jī)最大起飛重量;為發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力;為飛機(jī)重心距地面的垂直距離;為發(fā)動(dòng)機(jī)推力點(diǎn)距飛機(jī)重心的垂直距離;為單個(gè)主機(jī)輪承受的地面反力;為單個(gè)前機(jī)輪承受的地面反力。

前、主輪同時(shí)剎車時(shí)：

主機(jī)輪靜剎車力矩：

式（1）、式（2）、式（3）中：為主機(jī)輪數(shù)量;為前機(jī)輪數(shù)量;為機(jī)輪地面滾動(dòng)摩擦系數(shù);為機(jī)輪地面靜摩擦系數(shù)。

1.3? 靜剎車力矩試驗(yàn)方法

軍用飛機(jī)靜剎車力矩研制過程中的驗(yàn)證試驗(yàn)按照現(xiàn)行有效的GJB 1184和GJB 1184A進(jìn)行，具體要求如下。

對(duì)應(yīng)于機(jī)輪最大載荷，在規(guī)定的剎車壓力下，在輪胎滾動(dòng)半徑上施加切向力，測定靜力矩。在同一狀態(tài)下，靜力矩值在不多于3次的連續(xù)試驗(yàn)中，應(yīng)有1次不小于規(guī)定的靜力矩值，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足要求。

當(dāng)采用碳熱庫時(shí)，可在濕態(tài)的動(dòng)力矩試驗(yàn)前再進(jìn)行二次濕態(tài)靜力矩試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和要求由相關(guān)詳細(xì)規(guī)范規(guī)定。

2? 理論分析

對(duì)剎車機(jī)輪結(jié)構(gòu)、靜剎車力矩計(jì)算方法和靜剎車力矩驗(yàn)證試驗(yàn)方法進(jìn)行研究分析，確定靜剎車力矩不足的原因。

2.1? 靜剎車力矩計(jì)算方法分析

按照《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》（第14分冊）的計(jì)算方法，從可能影響靜剎車力矩的飛機(jī)起飛重量、發(fā)動(dòng)機(jī)推力角和飛機(jī)重心位置等3個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1.1? 飛機(jī)起飛重量的影響

飛機(jī)不同的任務(wù)構(gòu)型，對(duì)應(yīng)的起飛重量也不同。

在前、主機(jī)輪同時(shí)剎車的情況下，飛機(jī)起飛重量越大，所需要的靜剎車力矩越大，式（1）、式（2）中，計(jì)算靜剎車力矩采用最大起飛重量，可正確計(jì)算靜剎車力矩值;在僅主機(jī)輪剎車的情況下，飛機(jī)起飛重量越大，所需要的靜剎車力矩越小，式（3）中，計(jì)算靜剎車力矩采用最大起飛重量，計(jì)算的靜剎車力矩值偏小。

2.1.2? 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力角的影響

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通常與飛機(jī)航向存在一定的安裝角度，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)航向的推力小于發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力，另外發(fā)動(dòng)機(jī)垂直方向的分力對(duì)機(jī)輪承受的地面反力也有一定的影響。

在前、主機(jī)輪同時(shí)剎車的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，主機(jī)輪所需要的靜剎車力矩越小，前機(jī)輪所需要的靜剎車力矩越大，式（1）、式（2）中，計(jì)算靜剎車力矩采用發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力角的影響，計(jì)算的主機(jī)輪靜剎車力矩值偏小，前機(jī)輪靜剎車力矩值偏大;在僅主機(jī)輪剎車的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，主機(jī)輪所需要的靜剎車力矩越大，式（3）中，計(jì)算靜剎車力矩采用發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力角的影響，計(jì)算的主機(jī)輪靜剎車力矩值偏大。

2.1.3? 飛機(jī)重心位置的影響

飛機(jī)不同的任務(wù)構(gòu)型，對(duì)應(yīng)的重心位置也不同。

在前、主機(jī)輪同時(shí)剎車的情況下，飛機(jī)重心位置對(duì)靜剎車力矩?zé)o影響;在僅主機(jī)輪剎車的情況下，飛機(jī)重心位置越靠后，所需要的靜剎車力矩越大，式（3）中，計(jì)算靜剎車力矩時(shí)，應(yīng)采用重心后限，否則計(jì)算的主機(jī)輪靜剎車力矩偏小。

2.2? 靜剎車驗(yàn)證試驗(yàn)方法分析

按照GJB 1184或GJB 1184A《航空機(jī)輪和剎車裝置通用規(guī)范》研制過程中機(jī)輪靜剎車力矩的驗(yàn)證試驗(yàn)方法，從靜剎車力矩加載方式以及被試機(jī)輪干濕狀態(tài)等2個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.2.1靜剎車力矩加載方式的影響

GJB 1184或GJB 1184A對(duì)靜剎車力矩試驗(yàn)的要求在規(guī)定的剎車壓力下，在輪胎滾動(dòng)半徑上施加切向力，測定靜力矩。目前，行業(yè)內(nèi)各機(jī)輪承制廠家在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀后，統(tǒng)一的做法是施加持續(xù)增大的作用在機(jī)輪上的力矩，直到機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)記錄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的數(shù)值作為靜剎車力矩值。該方式與實(shí)際上飛機(jī)起飛線剎停的工況不一致，也與設(shè)計(jì)單位計(jì)算靜剎車力矩的條件不一致，起飛線時(shí)，需要將飛機(jī)剎停并保持一段時(shí)間，該試驗(yàn)方法測定的試驗(yàn)數(shù)值存在一定的沖峰過程，導(dǎo)致試驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)值大于實(shí)際靜剎車力矩值，試驗(yàn)室合格的產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)靜剎車力矩不足的問題。

2.2.2? 被試機(jī)輪干濕狀態(tài)的影響

C/C復(fù)合剎車材料具有密度低、摩擦性能穩(wěn)定、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗熱振等突出特點(diǎn)，是現(xiàn)代飛機(jī)的剎車首選材料。采用碳/碳復(fù)合剎車材料制備的碳剎車盤，屬于多孔結(jié)構(gòu)，會(huì)因其吸潮（水）導(dǎo)致剎車力矩出現(xiàn)較大的衰退，出現(xiàn)所謂的“早晨病”。另外，鋼剎車材料剎車力矩也存在一定的濕態(tài)衰退。有些飛機(jī)在設(shè)計(jì)之初要求的靜剎車力矩設(shè)計(jì)值并未考慮碳剎車盤的濕態(tài)衰退，而標(biāo)準(zhǔn)中也未強(qiáng)制要求機(jī)輪承制廠家對(duì)碳剎車盤的濕態(tài)性能進(jìn)行考核，廠家僅將濕態(tài)試驗(yàn)結(jié)果作為參考甚至不做濕態(tài)試驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)際使用過程中濕態(tài)環(huán)境下碳剎車機(jī)輪靜剎車力矩不足。

3? 設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1? 靜剎車力矩計(jì)算方法改進(jìn)

在《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》（第14分冊）的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，引入起飛重量和發(fā)動(dòng)機(jī)推力角，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)推力在垂直方 向的分量對(duì)前、主機(jī)輪正壓力的影響，按式（1）、式（2）、式（3）計(jì)算靜剎車力矩，在前、主機(jī)輪同時(shí)剎車時(shí)，飛機(jī)起飛重量選擇最大起飛重量，僅主機(jī)輪剎車時(shí)，飛機(jī)起飛重量選擇最小起飛重量，所有狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)推力應(yīng)為航向上的分量。

3.2? 靜剎車力矩試驗(yàn)方法改進(jìn)

根據(jù)第2.2條的分析，制定符合使用工況的試驗(yàn)方法。

對(duì)應(yīng)于機(jī)輪最大載荷，在規(guī)定的剎車壓力下，在輪胎滾動(dòng)半徑上施加切向力，該切向力緩慢勻速增加，達(dá)到設(shè)計(jì)輸入值后應(yīng)保持一段時(shí)間，測定該保持狀態(tài)下的靜剎車力矩值。在同一狀態(tài)下，靜力矩值在不多于3次的連續(xù)試驗(yàn)中，應(yīng)有1次不小于規(guī)定的靜力矩值，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足要求。

應(yīng)分別在機(jī)輪冷態(tài)、熱態(tài)、干態(tài)和濕態(tài)下按上述方法進(jìn)行靜剎車力矩驗(yàn)證試驗(yàn)。

4 結(jié)語

在《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》（第14分冊）靜剎車力矩計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，考慮了飛機(jī)起飛重量、發(fā)動(dòng)機(jī)推力角和飛機(jī)重心前后限的影響，計(jì)算的靜剎車力矩更加準(zhǔn)確、合理，可以滿足飛機(jī)靜剎車設(shè)計(jì)要求。

GJB 1184A中規(guī)定的靜剎車力矩試驗(yàn)方法未對(duì)力矩加載的均勻性和穩(wěn)定保持的時(shí)間作出要求，為了使試驗(yàn)驗(yàn)證條件更加貼近使用工況，制定新的靜剎車力矩試驗(yàn)方法，結(jié)合飛機(jī)特性提出力矩加載速度和穩(wěn)定保持的時(shí)間要求，同時(shí)全面考慮被試機(jī)輪各狀態(tài)下的靜剎車力矩試驗(yàn)，試驗(yàn)方法對(duì)靜剎車的考核更加全面、準(zhǔn)確，能夠保證試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)工況基本一致，可以滿足對(duì)靜剎車力矩設(shè)計(jì)值的驗(yàn)證。

本項(xiàng)目提供的靜剎車力矩計(jì)算方法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法，是基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)手冊和國軍標(biāo)改進(jìn)而來，比現(xiàn)有方法和標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，且經(jīng)過理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)踐應(yīng)用，可以支持全新研制和現(xiàn)有飛機(jī)靜剎車力矩提升。

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