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93 飞机防滑刹车系统刹车压力自动控制分析飞机防滑刹车系统刹车压力自动控制分析 张宏图1，刘忠平2，兰 林1，韩亚国2（1.贵州新安航空机械有限责任公司，贵州安顺 561000；2.西安航空制动科技有限公司，西安 710075）摘摘 要：要：基于飞机防滑刹车系统组成和工作原理，对飞机刹车系统最大刹车压力与刹车机轮径向载荷、轮胎与地面间结合系数间的关系进行研究。提出一种利用刹车控制器测飞机前起落架缓冲器行程，确定机轮径向载荷和刹车盘摩擦面之间的瞬时动摩擦因数，确定刹车过程中机轮瞬时最大刹车压力；调整刹车系统控制参数和防滑控制率，实现刹车系统的刹车压力闭环控制，提高飞机刹车效率，缩短刹车距离，减少轮胎磨损量，提高飞机着陆的安全性、可靠性。关键词：关键词：防滑刹车系统；刹车压力；载荷 中图分类号：中图分类号：V227 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.019 Analysis of Automatic Control of Braking Pressure in Aircraft Anti-Skid Braking System ZHANG Hongtu1,LIU Zhongping2,LAN Lin1,HAN Yaguo2(1.Guizhou Xinan Aviation Machinery Co.,Ltd.,Anshun 561000,Guizhou,China;2.AVIC Xian Aviation Brake Technology Co.,Ltd.,Xian 710075,China)Abstract:Based on the composition and working principle of aircraft anti-skid braking system,the relationship between the maximum braking pressure of aircraft braking system and the radial load of brake wheel,the combination coefficient between tire and ground is studied.A new method is proposed to determine the instantaneous dynamic friction coefficient between the friction surface of the brake disc and the radial load of the wheel,and to determine the instantaneous maximum brake pressure of the wheel in the process of braking by the brake controller to measure the buffer stroke of the front landing gear of an aircraft.The control parameters of the braking system and the anti-skid control rate are adjusted to realize the closed-loop control of the braking pressure of the braking system,so as to improve the braking efficiency of the aircraft,shorten the braking distance and reduce the amount of tire wear,and improve the safety and reliability of aircraft landing.Key words:anti-skid brake system;brake pressure;load 0 引言引言 本文通过研究飞机防滑刹车系统刹车压力与飞机刹车性能之间的关系，提出通过检测前起落架载荷变化确定刹车机轮承受径向载荷，实时确定刹车机轮刹车材料动态摩擦因数和刹车过程中 机轮刹车力矩，将飞机的刹车系统刹车压力与刹车机轮刹车力矩相结合，实现飞机防滑刹车系统刹车压力智能控制，从而达到在飞机着陆时缩短飞机着陆滑跑距离、安全刹停飞机的目的1。作者简介：张宏图（1980），男，高级工程师。研究方向：飞机机轮刹车系统技术。94 cademic Research 技术交流 A 1 飞机防滑刹车系统组成及功能飞机防滑刹车系统组成及功能 1.1 飞机刹车系统组成和功能飞机刹车系统组成和功能 正常刹车系统组成如图1所示，由刹车踏板、刹车指令传感器、刹车组合阀和刹车控制器等附件组成。刹车组合阀包括电磁阀和正增益电液压力伺服阀（简称“伺服阀”）2部分。当踩刹车脚蹬时，刹车指令传感器输出刹车指令信号给刹车控制器，刹车控制器输出电磁阀开关信号和伺服阀压力控制信号控制刹车组合阀，伺服阀输出刹车压力与刹车脚蹬行程成正比，刹车过程中刹车压力处于开环控制状态。液压锁液压源液压源2 2 20 MPa23 MPa回油回油01 MPa液压锁伺服阀伺服阀左主机轮左主机轮刹刹车车装装置置右主机轮右主机轮刹车控制器电源电源28 28 VDCVDC刹车组合阀刹车组合阀机轮速度传感器机轮速度传感器机轮速度传感器机轮速度传感器刹刹车车电电源源开开关关左刹车踏板左刹车踏板右刹车踏板右刹车踏板刹刹车车装装置置刹车指令刹车指令传感器传感器刹车指令刹车指令传感器传感器刹车组合阀刹车组合阀试验开关 图 1 飞机正常防滑刹车系统结构原理图 图1中电磁阀为两位三通电磁阀。电磁阀通电后，进油与刹车接通，并与回油腔断开，系统伺服阀提供液压进油；电磁阀断电后，进油与刹车断开，并与回油接通，断开伺服阀液压进油。伺服阀接收刹车控制器输出电流信号，根据式（1）调整刹车系统压力。1BS02H0BSBS0F1BS2HBS0BSBS11BS12H1BSBS1K VK VVVVK VK VVVVK VK VVV（1）式中：VF为阀门电压；K1为刹车电压变换系数；K2为防滑电压变换系数；VBS为刹车电压；VBS0为刹车死区电压；VBS1为刹车电压最大值；VH为防滑电压；VH0为防滑电压静态值；VH1为防滑电压最大值。图1中电磁阀工作电压为28 V DC，线圈电阻为30，最大工作压力21 MPa，刹车控制器输出电磁阀开关信号控制电磁阀通断；伺服阀力矩马达工作电流为4 mA40 mA，线圈电阻为250，最大工作压力15 MPa。1.2 飞机防滑系统组成和功能飞机防滑系统组成和功能 飞机防滑系统组成如图1所示，由机轮速度传感器、刹车控制器、刹车组合阀等附件组成。机轮速度传感器实时检测刹车机轮速度信号给刹车控制器，刹车控制器根据机轮速度信号解算出飞机速度（基准速度VR），作为刹车压力控制的基准，利用专用“速度差+偏压控制”PID防滑刹车控制率进行刹车、防滑运算，输出与机轮打滑深度成反比的阀门电压VF信号，控制伺服阀调整刹 95 车压力P，控制刹车力矩Ms，解除机轮深打滑或抱死，控制刹车力矩Ms达到高效刹车的目的。图1所示的飞机正常防滑刹车系统，刹车控制器将刹车信号与防滑信号进行综合，输出伺服阀阀门电压信号控制伺服阀输出刹车压力，刹车控制器输出阀门电压信号符合式（1）。刹车控制器输出阀门电压信号给伺服阀，伺服阀按照式（2）控制刹车压力实现飞机刹车。FF03F00maxF0FF1FF1VVK VVVVRVVPPPP （2）式中：P为刹车压力；P0为静态刹车压力；Pmax为最大刹车压力；K3为压力电流转换系数；R为线圈电阻；VF0为阀门电压静态值（K1VBS0K2VH0）；VF1为阀门电压最大值（K1VBS1K2VH0）。2 飞机防滑刹车系统工作原理飞机防滑刹车系统工作原理 飞机刹车过程中，刹车机轮受轮胎与跑道结合力矩（简称“结合力矩Mc”）和机轮刹车力矩（简称“刹车力矩Ms”）的共同作用，平均刹车力矩和平均结合力矩之比（Msa/Mca）表示刹车效率，研究图2平均结合力矩、刹车力矩时间历程曲线，得出刹车系统工作过程中刹车机轮有以下3种工作模式：1）模式1。刹车过程中McMs，机轮滚动时出现滑动，飞机防滑刹车系统通过调节刹车压力，保证机轮刹车力矩（刹车力矩Ms）不大于地面结合力矩（结合力矩Mc），从而保障飞机起降安全。2）模式2。刹车过程中Mc=Ms，机轮滚动时产生一定滑动，这种情况下，若外界条件变化使Mc减小、Ms增大，则会引起机轮运动特性急剧变化。可以把这种状态看作一种不稳定的平衡状态，这种情况下，飞机的刹车效率最高。飞机在刹车过程中不断调节刹车压力，通过改变刹车力矩使刹车力矩趋近地面最大结合力矩2。3）模式3。刹车过程中McMs，机轮被刹住（不滚动）或运动被卡滞了，机轮由滚动摩擦变为滑动摩擦，地面结合系数快速减小，机轮刹车力矩远大于地面结合力矩，机轮被刹住（不滚动）或运动被卡滞，使得机轮发生抱死，甚至发生爆胎。飞机刹车过程中，刹车机轮能稳定工作在模式1状态；若进入模式3，刹车系统必须泄放刹车压力，以便刹车系统快速进入模式3状态。防滑刹车系统工作的过程实际是3种工作模式间切换的过程。图 2 平均结合力矩、刹车力矩时间历程曲线 图2中，Mca为平均结合力矩，Msa为平均刹车力矩，Ms为机轮刹车力矩。2.1 结合力矩结合力矩 Mc 在飞机滑跑过程中，作用在主机轮上的径向载荷NZ与飞机的着陆构型和飞机空气动力等多个因素有关；轮胎与地面的结合系数j与多种因素相关且不断变化；飞机刹车滑跑过程中机轮滚动半径Rgd相对稳定，按常量处理。HB 56481981 航空机轮和刹车装置设计规范规定了结合力矩，见式（3）。Mc=NzRgdj（3）式中：Mc为结合力矩；j为轮胎与地面间的结合系数；NZ为主机轮径向载荷；Rgd为机轮滚动半径。2.1.1 机轮径向载荷与起落架行程关系 飞机着陆刹车过程中主起落架缓冲器支柱承受载荷与主机轮径向载荷互为反作用力。前起落架缓冲器支柱承受载荷与主机轮径向载荷间由关系式（4）确定3-5。NZ=K3NQ（4）式中：K3为载荷转换系数；NQ为前起落架缓冲器支柱承受载荷。前起落架缓冲器承受载荷与缓冲器行程间典型曲线见图3。前起落架处于水平姿态，下沉速度为3 m/s，效率为87%。利用式（4）实时确定主机轮径向载荷数据。96 cademic Research 技术交流 A 图 3 某飞机前起落架缓冲器载荷-缓冲器行程曲线 表 1 某飞机前起落架缓冲器载荷-缓冲器行程对应表 测试位置 1 2 3 4 4 5 缓冲器行程/mm 0 20 28 30 45 51 主机轮径向载荷/kN 0 2.2 3.5 4.0 4.5 5.6 2.1.2 机轮滑动率与地面结合系数 j关系 机轮刹车过程中既滚动又滑动，式（5）是机轮滑移率的约束条件：000000100%100%100%nnnVVV （5）式中：n0、0、V0为不刹车机轮转速、角速度、速度（飞机速度）；n、V为刹车机轮速度、角速度、速度。相关研究1表明：1）地面结合系数j,max出现在为10%30%时。2）地面结合系数j,max范围为0.20.8。目前条件下，地面结合系数j与关系曲线和数据有限；刹车过程中，地面结合系数j实时变化数据复杂。HB 56481981 航空机轮和刹车装置设计规范根据工程经验和刹车系统使用数据，规定飞机轮胎与地面结合系数之间关系见表2。表 2 不同飞机类型的飞机轮胎与地面结合系数关系 飞机类型 歼击机、轰炸机、强击机 客机、运输机、教练机 直升机、水机 地面结合系数 j 0.350.50 0.300.50 0.200.30 2.2 刹车机轮刹车力矩刹车机轮刹车力矩 Ms HB/Z 1261988航空机轮设计指南规定刹车过程中机轮刹车力矩Ms见式（6）。Ms=dSn(PP)nTRm（6）式中：d刹车盘摩擦面间动摩擦因数；Sn为刹车机轮活塞面积；P为刹车压力；P为机轮刹车压力损失；nT为刹车机轮摩擦面个数；Rm为刹车盘摩擦面半径。值得注意的是，刹车机轮结构确定后，刹车机轮摩擦面个数、刹车盘摩擦面半径、机轮活塞面积和机轮刹车压力损失等参数按常量处理。刹车力矩只与机轮刹车压力和刹车盘摩擦面间动摩擦因数有关。刹车盘摩擦面间摩擦因数d与刹车材料种类相关，变化规律非常复杂6-8。3 确定刹车系统最佳刹车压力确定刹车系统最佳刹车压力 飞机刹车过程中，理论上Ms=Mc,max（地面最大结合系数）时刹车系统处于最佳刹车状态。式（7）确定刹车系统瞬时最佳刹车压力，计算获得的刹车压力即为最佳刹车压力。zgd,maxdTmzgddTmS()jnjnN RN RPP n RPn RPS （7）令T5gdmnRS n RK，得：5zdjPKNP。3.1 确定机轮径向载荷确定机轮径向载荷 NZ 主机轮径向载荷与前起落架缓冲器载荷间关系见表1。飞机前起落架上加装拉线式位移传感器，实时检测前起落架缓冲器行程，上传刹车控制器，根据图3、表1和式（4）确定作用在刹车机轮上的径向载荷值与前起落架行程的对应数据，将该表格数据置于刹车控制器径向载荷值数据区。刹车过程中，刹车控制器根据基准速度（飞机速度）数值确定对应前起落架缓冲器行程，并根据前起落架行程实时确定刹车机轮上的径向载荷NZ(VR)，具体NZ(VR)为飞机速度对应的机轮载荷数值。3.2 确定地面结合系数确定地面结合系数 j 飞机轮胎与地面结合系数复杂性，目前无法准确测得j数据，更不可能获得地面结合系数的最大值j,max。设计中根据表2确定地面结合系数，需缓冲器行程/25.4 mm 前起落架缓冲器支柱载荷/kN 97 结合工程实践确定地面结合系数具体值。3.3 刹车刹车盘摩擦面间动盘摩擦面间动摩擦因数摩擦因数 d确定确定 刹车控制器控制软件内置刹车盘摩擦面间动摩擦因数d与飞机速度之间对应关系表。刹车过程中刹车控制器根据基准速度数值（飞机速度）确定刹车盘摩擦面间瞬时动摩擦因数d(VR)。4 飞机防滑刹车系统刹车压力智能控制飞机防滑刹车系统刹车压力智能控制实现实现 在飞机正常防滑刹车系统前起落架增加位移传感器，准确检测飞机前起落架缓冲器行程，将该信号传给刹车控制器，刹车控制器利用式（7）实时确定系统刹车压力，从而实现正常刹车系统的刹车压力智能控制。飞机刹车压力智能控制的正常防滑刹车系统原理见图4。图 4 飞机刹车压力智能控制的正常防滑刹车系统 刹车机轮结构确定后，可确定式（7）中的结构系数K5。刹车过程中式（7）压力损失P是系统回油压力1.0 MPa；根据表2和工程经验确定地面结合系数为0.4；刹车控制器解算出基准速度VR（飞机速度），刹车控制器根据基准速度VR（飞机速度）查表确定机轮径向载荷NZ(VR)和刹车盘摩擦面间瞬时动摩擦因数d(VR)，所有变量成为基准速度（飞机速度）VR的函数。刹车过程中，瞬时最大刹车压力由式（8）确定，输出刹车压力是基准速度（飞机速度）VR的函数。zRRRdR5jNVVVVPKP（8）式中：P(VR)为刹车系统瞬时最大刹车压力；NZ(VR)为机轮瞬时径向载荷；d(VR)为刹车盘摩擦面间瞬时动摩擦因数；j(VR)为瞬时结合系数。4.1 刹车系统刹车压力智能控制刹车系统刹车压力智能控制 在刹车过程中，最大刹车压力是确定的唯一定值时，刹车系统刹车压力只受刹车脚蹬控制，从刹车系统的刹车功能出发，刹车压力属于开环控制；飞机防滑刹车系统采用刹车压力智能控制技术，利用式（8）实时确定刹车系统瞬时最大刹车压力.在飞机刹车过程中，最大刹车压力根据飞机刹车实际需求确定，并非唯一定值时，从刹车系统刹车功能出发，刹车压力通过式（8）实现闭环控制，并使得飞机刹车系统刹车压力受飞机着陆状态和刹车脚蹬同时控制。98 cademic Research 技术交流 A 飞机刹车压力智能控制通过式（1）与式（8）进行比较，得出式（9），实现压力控制。刹车控制器按式（9）控制阀门电压信号VF，该信号传达给伺服阀，伺服阀按式（2）控制刹车压力实现飞机刹车，根据工程实践将刹车系统瞬时最大刹车压力范围确定在80%PePm。1BS02H0BSBS0RF1BSBS0BSBS1e1BS12H1BSBS1K VK VVVP VVKVVVVPK VK VVV（9）式中：VF为阀门电压；K1刹车电压变换系数；K2为防滑电压变换系数；VBS为刹车电压；VBS0为刹车死区电压；VBS1为刹车电压最大值；VH为防滑电压；VH0为防滑电压静态值；VH1为防滑电压最大值9-10。图5所示飞机刹车压力智能控制的正常防滑刹车系统中，额定刹车压力为10 MPa，最大刹车压力为15 MPa，系统压力损失为1 MPa。刹车控制器利用式（8）实时计算刹车压力，令P=1 MPa，j=0.4，P=K5(t)PK(t)+1。将P的计算结果代入式（9）得出刹车控制器输出阀门电压信号VF，将阀门电压VF代入式（2），确定出刹车系统刹车压力。4.2 飞机防滑刹车系统刹车压力智能控制飞机防滑刹车系统刹车压力智能控制 采用飞机防滑刹车系统刹车压力智能控制技术（见图4）后，刹车系统瞬时最大刹车压力通过刹车控制器实时确定，保证飞机刹车中施加的刹车压力为最佳刹车压力值11。由于地面结合系数简化，刹车过程中可能会出现刹车力矩Ms略大于机轮与地面结合力矩Mc的情况，此时防滑系统工作，刹车力矩减小，解除机轮卡滞或爆胎，从而满足飞机对刹车的要求。当跑道处于极端条件（积水、橡胶、油液污染等）时，轮胎与地面间的结合系数小，刹车过程中，飞行员将刹车踏板踩至底部时，仅用刹车控制器调整刹车压力无法满足地面结合系数需求，此时防滑系统开始工作，刹车力矩减小，刹车系统工作在模式1或模式2情况下，飞机刹车系统满足飞机对刹车系统的要求，人机功效良好。5 结论结论 本文通过飞机刹车系统最大刹车压力与刹车机轮径向载荷、轮胎与地面间的结合系数、刹车盘摩擦面间动摩擦因数间关系研究，提出一种实时确定机轮径向载荷NZ和刹车盘摩擦面间瞬时动摩擦因数d方法，确定刹车过程中的机轮瞬时最大刹车压力，最终调整刹车系统控制参数和防滑控制率，实现刹车系统的刹车压力闭环控制，使飞机刹车平稳，打滑次数少，提高刹车效率，缩短刹车距离，轮胎磨损均匀、磨损量小，刹车系统安全性、可靠性更高。参考文献：参考文献：1 智维列夫 科柯宁.航空机轮和刹车系统设计M.北京:国防工业出版社,1980.2 何永乐.飞机刹车系统设计M.西安:西北工业大学出版社,2006.3 李铁柏.飞机起落架设计M.北京:航空学报杂志社,1990.4 苏君明,肖志超,周绍建,等.C/C 复合材料飞机刹车盘的结构与性能剖析C/第七届全国新型碳材料学术研讨会议论文集.2005.5 刘忠平,陈志军,乔建军,等.电子防滑刹车系统对炭刹车机轮的适应性研究C/2007 年中国(西安)国际高性能纤维及复合材料发展论坛.2007.6 刘忠平,韩亚国,李文革,等.飞机刹车系统防滑功能研究J.航空精密制造技术,2014,50(6):41-45.7 中华人民共和国第三机械工业部.航空机轮和刹车装置设计规范:HB 56481981S.1981.8 中华人民共和国航空工业部.航空机轮设计指南:HB/Z 1261988S.1988.9 总装备部军标出版发行部.飞机机轮防滑刹车控制系统通用规范:GJB 2789A2008S.2008.10 中国航空工业总公司.飞机机轮刹车系统设计要求:HB 67611993S.1994.11 中国人民解放军总装备部.飞机机轮防滑刹车控制系统通用规范:GJB 2879A2008S.2008.