飛機EMA過載保護裝置摩擦片的優化設計研究*

2018-10-11 01:30:20程國贊段富海劉曉玉呼斯樂圖

機電工程技術 2018年8期

徐偉，程國贊，段富海，劉曉玉，呼斯樂圖

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著多電/全電飛機（More Electric Aircraft/All Electric Aircraft，MEA/AEA）的發展，飛機大功率作動器由以前的液壓驅動逐漸向電力驅動過渡。飛機大功率機電作動器（Electro-Mechanical Actuator，EMA），由高功率密度高壓（270 V）直流無刷電機驅動，通過行星齒輪減速器將轉矩傳遞到輸出軸，帶動飛機翼面動作，完成飛機的作動控制。

EMA摩擦過載保護裝置通過主、從動組件之間的摩擦力來傳遞旋轉運動的動力和轉矩。但有時EMA傳動會出現機械卡滯等故障模式，給飛機帶來安全隱患。為在卡滯故障出現時能夠確保機械傳動桿不被折斷，設計了一種新型的過載摩擦保護裝置。由于在較大壓力作用下保護裝置的摩擦片打滑會產生大量的熱量，而現存的一般摩擦片難以同時滿足高強度、高耐熱性和高穩定性的要求，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穩定等優良的性能[1]，它通過材料間的摩擦和磨損，將動能轉化為熱能并將熱量吸收和散發，從而達到制動的目的，所以在飛機、汽車、工程機械的離合器和制動器中廣泛使用[2]，故目前國內EMA的摩擦片一般采用粉末冶金材料。目前隨著EMA動力、速度及負荷的迅速增大，對摩擦材料的要求不斷提高，特別是重載荷大扭矩EMA的出現，如飛機著陸時的制動器、飛機襟翼和縫翼的驅動器等，摩擦材料性能穩定性保證出現了困難。

國內外圍繞著摩擦材料成分及燒結工藝對摩擦材料性能的影響等，對粉末冶金材料開展了較多的研究工作，如文獻[3]做了銅基粉末冶金摩擦材料的沖擊壓縮試驗，得到了沖擊動態參數；文獻[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[5]研究了摩擦過程中摩擦面溫度對鐵基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響機理；文獻[6]研究了濕式摩擦離合器摩擦片表面溫升和油槽結構的關系。但國內外對重載荷大扭矩摩擦片的應用研究報道不多。

為解決重載荷大扭矩EMA中使用摩擦片性能穩定性問題，本文根據加權因子法選取鐵銅作為基本組元，通過調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]，改善其在抗粘結性、耐溫性和抗氧化能力；采用激光表面改進技術優化其表面摩擦特性[9]；再通過電控摩擦實驗改變摩擦因數[10]；最后采用有限元法進行了摩擦片靜力學分析[11-12]。

1 過載摩擦保護裝置工作原理

某型飛機EMA摩擦保護裝置包括相互連接的主動機構和從動機構。主動機構包括傳動軸、與傳動軸連接的齒輪系以及與齒輪系輸出端連接的花鍵軸；從動機構包括齒輪定位圓盤、摩擦盤以及壓緊操縱機構?；竟ぷ髟硎?，當扭矩大于所設計的臨界扭矩時出現打滑，從動機構停止傳動，轉矩恢復正常時重新開始傳動。因此，當EMA作動器出現故障或者卡死情況后，摩擦保護裝置的主動部分和從動部分的摩擦片出現打滑，較大的力和力矩不會給傳動桿帶來很大的扭矩，造成傳動桿扭斷，保證整個裝置不被破壞，因而起到了過載保護作用。裝置基本要求是運動中接合和分離方便，離合徹底，恢復平緩。由于在飛機摩擦保護裝置工作環境中存在較大的載荷和溫度沖擊，相應的摩擦材料發生彈塑性變形要盡量小。

2 摩擦片研究

過載保護裝置摩擦盤內安裝的摩擦片是整個裝置的關鍵部件。

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，經過對粉末原材料進行配比設計、粉料混合、模壓成形、加壓燒結和后續機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熱性，非金屬具有高熔點、堅硬、耐磨等特點，合理匹配基體組元、摩擦組元和潤滑組元，才能充分發揮和兼顧二者的特性，獲得性能優良的摩擦材料，使材料具有高機械強度、高使用溫度、優良導熱和抗磨損性能。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點均勻地分布在金屬基中，金屬基體具有比較好的導熱性和散熱性并可承受應力和力矩，使材料具有良好的耐磨性。與傳統的金屬摩擦材料相比，粉末冶金摩擦材料具有摩擦因數高，在溫度、壓力以及速度變化時摩擦因數的變化較小，耐高溫和抗咬合性好，磨損小，壽命長等優點，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、強度、摩擦因數，允許承受的工作比壓和表面瞬時溫度也較高；而銅基比鐵基有較好的導熱性、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特的優點。鐵基摩擦材料多用于制動器中。為增加粉末冶金摩擦材料的強度，通常將其粘結成為鐵銅基雙金屬結構。

2.2 粉末冶金材料特性研究

為選用合適的材料，下面通過加權因子法[13]得出材料的性質系數。選用摩擦冶金材料時主要考慮的5個特性及其加權因子如表1所示[14]。

表1 加權因子表Tab.1 Weightingfactor table

通過實驗得出如表2所示不同材料的性質系數[15-16]。

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

表2中，P為正判定數；β為相對重要數；γ為材料的性質系數。γ值越大代表材料總體性能越好，所以摩擦保護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。材料的主要質量分數見表3[17-18]。

表3 Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料主要質量分數Tab.3 Chief component of Fe-Cu base powder metallurgy friction material %

2.3 粉末冶金材料激光改進技術

激光表面改性技術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。將其應用于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，靠自身的冷卻，溫度又迅速降低，在這種較大的過冷條件下，材料的微觀組織結構必然會細化。同時，瞬時的高溫會使粉末冶金材料體擴散系數迅速增大，從而增強了孔洞的收縮動力，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構和動態性能等方面會有明顯的改善，并且對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工藝，也不增加后續處理工藝。

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

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Fig.1 Friction plate

圖2 摩擦壓緊盤Fig.2 Friction pressureplate

3 電控摩擦實驗

外加電場可以改變金屬材料的表面摩擦因數[9]。基于此理論，本文做了電場對摩擦離合器影響的電控摩擦實驗。實驗過程：將摩擦片與電源的正極相連，石墨導體連接電源的負極；調節電源電壓來改變外加電場場強大?。荒Σ疗旁陔x子導體溶液中，溶液具有很好的導電性和電控摩擦效應。摩擦離合器的驅動裝置使用步進電機，離合器中的摩擦副有上、下兩片摩擦片；電機經過齒輪減速裝置減速后將動力傳遞到摩擦離合器中，摩擦離合器將轉矩通過輸出軸來輸出。在裝置中裝有數據傳感器和數據采集卡，可以將數據及時傳遞到計算機中進行后續處理。從動件和主動件接觸并逐漸達到裝置主動件的轉速，在這段時間中摩擦片的摩擦因數會有所改變，主動件與從動件的摩擦力也會相應增加，裝置的承載能力有所提升。實驗結果如圖3和圖4所示。