剎車機輪靜剎車力矩研究

魏亮亮　范建博　代龍

摘要：通過對剎車機輪的組成、現有靜剎車力矩計算方法及試驗驗證方法的研究分析，得出目前反映出的部分飛機靜剎車力矩不足的根本原因。從飛機剎車系統實際工況出發，改進了靜剎車力矩的計算方法和試驗驗證方法。以某型靜剎車力矩不足的飛機為例，按照改進后的靜剎車力矩計算方法，重新計算靜剎車力矩，改進設計剎車裝置提升靜剎車力矩，按照改進后的驗證試驗方法，完成試驗室驗證試驗和裝機飛行試驗。通過分析試驗結果，得出本項目改進后的靜剎車力矩計算方法和試驗驗證方法，比現有方法和標準更加嚴格，可以支持全新研制和現有飛機靜剎車力矩的提升。

關鍵詞：剎車機輪 ?靜剎車力矩 ?計算 ?試驗

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

對于軍用飛機，為提高飛機機動性能，通常要求在發動機最大推力狀態下應能剎住飛機，即具備起飛線停機剎車（也稱靜剎車）功能。

靜剎車是在起飛線時，由剎車系統輸出剎車壓力至剎車裝置，使剎車盤產生制動力矩，進而使輪胎與地面間產生摩擦力，實現起飛線剎停飛機。在飛機研制過程中，由于剎車材料的靜摩擦系數和動摩擦系數不一致，為實現靜剎車功能，通常需要單獨規定靜剎車力矩。靜剎車力矩由主機單位根據飛機幾何尺寸、重量重心數據、發動機推力、輪胎半徑等一系列參數計算得出，通過技術協議等形式傳遞給剎車機輪承制廠家，廠家根據相關標準要求完成設計及驗證試驗。

在飛機研發過程中發現，按現有方法、流程完成剎車機輪研制后，靜剎車力矩經常不能滿足實際使用需求，表現為飛機起飛線剎不住，嚴重影響飛機機動性能和出動準備。針對此問題，開展相關研究。

1? 現狀介紹

1.1? 剎車機輪結構組成

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

1.2? 靜剎車力矩計算

靜剎車力矩，即剎車裝置動盤和靜盤無相對轉動的情況下所能提供的最大剎車力矩。按照《飛機設計手冊》（第14分冊）的要求，以飛機在起飛線上發動機最大推力下剎停飛機作為靜剎車力矩的計算條件，按圖1所示的飛機參數，計算靜剎車力矩方法如下。

在圖1中：為飛機重心到主機輪的水平距離;為飛機重心到前機輪的距離;為飛機最大起飛重量;為發動機最大推力;為飛機重心距地面的垂直距離;為發動機推力點距飛機重心的垂直距離;為單個主機輪承受的地面反力;為單個前機輪承受的地面反力。

前、主輪同時剎車時：

主機輪靜剎車力矩：

式（1）、式（2）、式（3）中：為主機輪數量;為前機輪數量;為機輪地面滾動摩擦系數;為機輪地面靜摩擦系數。

1.3? 靜剎車力矩試驗方法

軍用飛機靜剎車力矩研制過程中的驗證試驗按照現行有效的GJB 1184和GJB 1184A進行，具體要求如下。

對應于機輪最大載荷，在規定的剎車壓力下，在輪胎滾動半徑上施加切向力，測定靜力矩。在同一狀態下，靜力矩值在不多于3次的連續試驗中，應有1次不小于規定的靜力矩值，試驗結果應滿足要求。

當采用碳熱庫時，可在濕態的動力矩試驗前再進行二次濕態靜力矩試驗，試驗條件和要求由相關詳細規范規定。

2? 理論分析

對剎車機輪結構、靜剎車力矩計算方法和靜剎車力矩驗證試驗方法進行研究分析，確定靜剎車力矩不足的原因。

2.1? 靜剎車力矩計算方法分析

按照《飛機設計手冊》（第14分冊）的計算方法，從可能影響靜剎車力矩的飛機起飛重量、發動機推力角和飛機重心位置等3個方面進行分析。

2.1.1? 飛機起飛重量的影響

飛機不同的任務構型，對應的起飛重量也不同。

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

2.1.2? 飛機發動機推力角的影響

飛機發動機通常與飛機航向存在一定的安裝角度，導致發動機航向的推力小于發動機最大推力，另外發動機垂直方向的分力對機輪承受的地面反力也有一定的影響。

在前、主機輪同時剎車的情況下，發動機推力越大，主機輪所需要的靜剎車力矩越小，前機輪所需要的靜剎車力矩越大，式（1）、式（2）中，計算靜剎車力矩采用發動機最大推力，未考慮發動機推力角的影響，計算的主機輪靜剎車力矩值偏小，前機輪靜剎車力矩值偏大;在僅主機輪剎車的情況下，發動機推力越大，主機輪所需要的靜剎車力矩越大，式（3）中，計算靜剎車力矩采用發動機最大推力，未考慮發動機推力角的影響，計算的主機輪靜剎車力矩值偏大。

2.1.3? 飛機重心位置的影響

飛機不同的任務構型，對應的重心位置也不同。

在前、主機輪同時剎車的情況下，飛機重心位置對靜剎車力矩無影響;在僅主機輪剎車的情況下，飛機重心位置越靠后，所需要的靜剎車力矩越大，式（3）中，計算靜剎車力矩時，應采用重心后限，否則計算的主機輪靜剎車力矩偏小。

2.2? 靜剎車驗證試驗方法分析

按照GJB 1184或GJB 1184A《航空機輪和剎車裝置通用規范》研制過程中機輪靜剎車力矩的驗證試驗方法，從靜剎車力矩加載方式以及被試機輪干濕狀態等2個方面進行分析。

2.2.1靜剎車力矩加載方式的影響

GJB 1184或GJB 1184A對靜剎車力矩試驗的要求在規定的剎車壓力下，在輪胎滾動半徑上施加切向力，測定靜力矩。目前，行業內各機輪承制廠家在對標準進行解讀后，統一的做法是施加持續增大的作用在機輪上的力矩，直到機輪轉動記錄轉動時的數值作為靜剎車力矩值。該方式與實際上飛機起飛線剎停的工況不一致，也與設計單位計算靜剎車力矩的條件不一致，起飛線時，需要將飛機剎停并保持一段時間，該試驗方法測定的試驗數值存在一定的沖峰過程，導致試驗室的試驗數值大于實際靜剎車力矩值，試驗室合格的產品在實際使用過程中可能會出現靜剎車力矩不足的問題。

2.2.2? 被試機輪干濕狀態的影響

C/C復合剎車材料具有密度低、摩擦性能穩定、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗熱振等突出特點，是現代飛機的剎車首選材料。采用碳/碳復合剎車材料制備的碳剎車盤，屬于多孔結構，會因其吸潮（水）導致剎車力矩出現較大的衰退，出現所謂的“早晨病”。另外，鋼剎車材料剎車力矩也存在一定的濕態衰退。有些飛機在設計之初要求的靜剎車力矩設計值并未考慮碳剎車盤的濕態衰退，而標準中也未強制要求機輪承制廠家對碳剎車盤的濕態性能進行考核，廠家僅將濕態試驗結果作為參考甚至不做濕態試驗，導致實際使用過程中濕態環境下碳剎車機輪靜剎車力矩不足。

3? 設計改進

3.1? 靜剎車力矩計算方法改進

在《飛機設計手冊》（第14分冊）的計算方法的基礎上，引入起飛重量和發動機推力角，忽略發動機推力在垂直方 向的分量對前、主機輪正壓力的影響，按式（1）、式（2）、式（3）計算靜剎車力矩，在前、主機輪同時剎車時，飛機起飛重量選擇最大起飛重量，僅主機輪剎車時，飛機起飛重量選擇最小起飛重量，所有狀態發動機推力應為航向上的分量。

3.2? 靜剎車力矩試驗方法改進

根據第2.2條的分析，制定符合使用工況的試驗方法。

對應于機輪最大載荷，在規定的剎車壓力下，在輪胎滾動半徑上施加切向力，該切向力緩慢勻速增加，達到設計輸入值后應保持一段時間，測定該保持狀態下的靜剎車力矩值。在同一狀態下，靜力矩值在不多于3次的連續試驗中，應有1次不小于規定的靜力矩值，試驗結果應滿足要求。

應分別在機輪冷態、熱態、干態和濕態下按上述方法進行靜剎車力矩驗證試驗。

4 結語

在《飛機設計手冊》（第14分冊）靜剎車力矩計算方法的基礎上，考慮了飛機起飛重量、發動機推力角和飛機重心前后限的影響，計算的靜剎車力矩更加準確、合理，可以滿足飛機靜剎車設計要求。

GJB 1184A中規定的靜剎車力矩試驗方法未對力矩加載的均勻性和穩定保持的時間作出要求，為了使試驗驗證條件更加貼近使用工況，制定新的靜剎車力矩試驗方法，結合飛機特性提出力矩加載速度和穩定保持的時間要求，同時全面考慮被試機輪各狀態下的靜剎車力矩試驗，試驗方法對靜剎車的考核更加全面、準確，能夠保證試驗條件與設計工況基本一致，可以滿足對靜剎車力矩設計值的驗證。

本項目提供的靜剎車力矩計算方法和試驗驗證方法，是基于現有設計手冊和國軍標改進而來，比現有方法和標準更加嚴格，且經過理論分析、試驗驗證和實踐應用，可以支持全新研制和現有飛機靜剎車力矩提升。

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