飛機剎車動力試驗臺機電混合慣量模擬技術研究

劉勁松，焦 坤，何學工，張 琦

● （1．西安航空制動科技有限公司，陜西西安 710075；2．空軍駐興平地區(qū)軍代表室，陜西興平 713100）

飛機剎車動力試驗臺機電混合慣量模擬技術研究

劉勁松1，焦 坤1，何學工1，張 琦2

● （1．西安航空制動科技有限公司，陜西西安 710075；2．空軍駐興平地區(qū)軍代表室，陜西興平 713100）

飛機剎車動力試驗臺對于飛機剎車系統(tǒng)的研制具有重要的作用。通過分析當前試驗臺慣量模擬技術的優(yōu)劣，提出了新的機電混合慣量模擬技術。應用該技術建造該類設備或改造已有設備，可提高動力試驗精度，降低設備的造價，同時大幅減少設備的能耗及試驗成本，具有節(jié)能降耗的示范意義。

飛機；剎車系統(tǒng)；動力試驗；機電混合；慣量模擬

1 飛機剎車動力試驗臺的原理及現(xiàn)有技術

飛機剎車動力試驗臺的工作原理是：用大直徑鼓輪模擬飛機跑道，將飛機著陸時機輪相對于對地面的滾動轉化為機輪相對于鼓輪表面的滾動；用機輪的壓緊力來模擬飛機質量對機輪的載荷；并以鼓輪的動能來模擬飛機實際著陸時具有的動能。這樣，飛機著陸后的直線滑行運動，就轉變?yōu)楣妮喯鄬τ跈C輪的旋轉運動。見圖1。

圖1 飛機剎車動力試驗臺的工作原理

飛機的動能用公式Es=(1/2)Jsω2表示，式中：Es為飛機等效能量；Js為飛機等效慣量；ω為飛機著陸速度。而試驗臺所能提供的能量由公式Eg=(1/2)JDω2表示，式中：Eg為鼓輪（飛輪）系的能量。由上兩式聯(lián)立可得，若要滿足Eg=Es，則需保證Jg=Js，此即為慣量模擬。

用鼓輪的圓周速度ω表示飛機在跑道上的直線速度，可通過電機速度控制很精確的達到要求。但受限于鼓輪（飛輪）的制造成本，往往難于做到設備的實際機械慣量Jg等于飛機等效慣量Js，故慣量誤差決定了提供能量誤差。所以，對于飛機剎車動力試驗臺而言，其最關鍵的技術是如何準確用鼓輪的動能來模擬飛機實際著陸時具有的動能，也就是慣量模擬技術。

以慣量模擬技術而分，目前世界上飛機剎車動力試驗臺主要分為兩種類型，一種為機械慣量型，另一種為電慣量型。其中：機械慣量型試驗臺采用了機械慣量模擬技術，根據(jù)各類飛機所適用的慣量范圍，設計成具有一定慣量級差的飛輪慣量組合。試驗臺多片不同機械慣量的飛輪，可提供多種慣量組合，根據(jù)不同的飛機剎車系統(tǒng)試驗要求，選擇不同的慣量配輪方案。電慣量型使用電動機參與慣量模擬以彌補實際機械慣量Jg與飛機等效慣量Js之差。令K=Js/Jg，K＞1或者 K＜1。因為作用在飛機等效慣量 Js上的剎車力矩Tb產(chǎn)生的減速率和作用在實際機械慣量Jg上的總力矩Tt產(chǎn)生的減速率相同，即Js=Tb/˙，Jg=Tt/˙，故K=Tb/ Tt。而Tt=Tb/ Tm，Tm為電動機參與慣量模擬的有效力矩，則有Tm=(1-K)Jg˙=(1-K/K)Tb。當K＞1時，電動機產(chǎn)生驅動力矩，使鼓輪動能增加能量；當K＜1時，電動機產(chǎn)生制動力矩，使鼓輪動能減少能量。因為Tm的控制輸出受到電動機性能等諸多因素的影響，理論上講K因數(shù)愈趨近于1電慣量補償精度越高。電慣量模擬法還可很好補償風阻和軸承摩擦等損耗帶來的能量損失。

2 機電混合慣量模擬技術研究

機械慣量型試驗臺雖具備使用經(jīng)濟、結構簡單的特點，但其慣量模擬采用飛輪組合的方式，慣量模擬有級差、精度差，不能滿足日益發(fā)展的航空新型號、新產(chǎn)品的研制試驗需要。

電慣量模擬型試驗臺雖然慣量模擬精度高，但其構型復雜，電機功率大，造價和使用成本均比較高。具體對比分析見表1。

表1 慣量模擬技術對比分析

近年來，隨著航空技術的快速發(fā)展和進步，剎車系統(tǒng)動力試驗的要求也大幅提高，機械慣量型試驗臺已不能滿足要求。同時由于國家的能源政策變化，對節(jié)能減排要求日益嚴苛，大型的電慣量模擬試驗作為高能耗項目使用成本日益增高，使用和審批受限。

為破解這一難題，提出了機電混合慣量模擬技術，具體來說就是在機械慣量法的基礎上，增加電慣量模擬系統(tǒng)，先盡量通過飛輪慣量組合接近飛機等效慣量，然后采用力矩開環(huán)法將電機速度控制切換為轉矩控制，對慣量的級差部分進行補償。具體結構原理見圖2。

圖2 機電混合慣量模擬試驗臺的結構原理

采用機電混合慣量模擬技術可以：1）實現(xiàn)慣量的無級配比，從而實現(xiàn)提供能量的高精度；2）風阻和軸承摩擦等損耗帶來的能量損失能夠準確補償。

K因數(shù)范圍可控制在0.7～1.3，電慣量補償誤差小，提供的能量精度更高。從而實現(xiàn)了慣量模擬精度從傳統(tǒng)機械慣量模擬型試驗臺的10%提高到1.5%以內(nèi)。

采用機電混合慣量模擬技術還可以：1）最大限度降低試驗臺對直流電動機的功率需求，從而降低裝機容量占容費；2）單次試驗能耗相比電慣量模擬型試驗臺大幅降低約40%以上；3）采用的四象限可控硅直流電機驅動器，在 K＜1（即在實際慣量大于飛機等效慣量）時，可將多余的動能轉化為電能回饋電網(wǎng)。

3 結語

通過在飛機剎車動力試驗臺上應用機電混合慣量模擬技術，提高了慣量模擬精度，滿足了飛機高性能輪胎、機輪剎車裝置研制的需要，對飛機機輪剎車系統(tǒng)的研制起到極其重要的指導性作用，降低了試驗能耗，具有節(jié)能降耗的示范意義和推廣價值。該項技術在軍用和民用方面具有可指導性和推廣價值，可推廣到艦上攔阻裝置試驗臺、汽車及高鐵等剎車制動試驗臺上應用，具有良好的經(jīng)濟效益。

[1]何永樂. 飛機剎車系統(tǒng)設計[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2007.

[2]劉勁松, 劉長偉, 范淑芳. 基于 EMA 的飛機全電剎車系統(tǒng)研究[J]. 航空精密制造技術, 2012, (6): 44-47

[3]陳競強, 黃偉明, 周世民, 等. 大型慣性試驗臺加載方法的探討[J]. 航空精密制造技術, 2004, (4): 34-36.

[4]吳華偉, 陳特放, 黃偉明, 等. 飛機剎車系統(tǒng)動力模擬試驗方法的探討[J]. 航空標準化與質量, 2011, (4):20-22.

我國大型石油裝備水平不斷提高 關鍵產(chǎn)品已躋身世界前列

“30年來，國內(nèi)外對油氣資源的需求持續(xù)升高，極大地促進了油氣裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展。在這30年來，我國不斷地通過多種形式引進和消化吸收國外先進設計、制造技術和自主創(chuàng)新，使我國石油石化裝備制造能力和水平有了很大提高，部分大型設備和關鍵產(chǎn)品已躋身世界前列。

經(jīng)過30年發(fā)展，我國已開發(fā)出具有世界先進水平的12000米特深井鉆機及頂部驅動裝置、鉆頭、螺桿鉆具等產(chǎn)品。鉆機設計、制造水平已躋身世界前沿，實現(xiàn)了標準化和系列化，可基本滿足高壓噴射、定向、叢式和水平等先進鉆井工藝的需要；目前國內(nèi)87%的大中型鉆機、90%的修井機及全部抽油機都已立足國內(nèi)制造。

除常規(guī)機械采油設備外，還開發(fā)了稠油熱采和強采設備及三次采油注聚合物裝置、注氮裝置等，可滿足原油穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的需要。

成功研制了隨鉆測井儀(LWD)、隨鉆自然伽馬測量儀、隨鉆感應電阻率測量儀以及配套應用軟件，形成了地質導向雙參數(shù)隨鉆測井儀器設計制造技術和地質導向鉆井工藝配套技術。

修井機、水泥車、固井車、壓裂車、液氮車等均已實現(xiàn)系列化生產(chǎn)，具有世界先進水平的3000型壓裂機組和4413kW(6000馬力)壓裂橇已研制成功。封隔器、滑套、水力噴射壓裂噴嘴等井下工具以及連續(xù)油管作業(yè)設備已初步實現(xiàn)國產(chǎn)化。

油氣集輸?shù)孛嬖O備和X42～X80大直徑直縫和螺旋焊管、ERW管，CT55～CT110連續(xù)油管等已能立足國內(nèi)生產(chǎn)，并有大量出口。大型長輸管線球閥和20MW電驅、30MW燃驅天然氣壓縮機組實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

Simulation Technology Research on Aircraft Brake Dynamic Test Rig Electromechanical Hybrid Inertia

LIU Jin-song1, JIAO Kun1, HE Xue-gong1, ZHANG Qi2
(1. Xi’an an aviation brake technology Co., Ltd., Xi’an 710075, China; 2. Military Repersesentative of air force in Xingping area,Xingping 713100, China)

The aircraft brake dynamic test plays an important role in the development of aircraft braking system. By the analysis of the advantages and disadvantages of the current equipment inertia simulation technology, a new electromechanical hybrid inertia simulation technology is put forward. The technology is applied to build the equipment or modify existing equipment, which can improve the dynamic test precision, reduce the cost of equipment, at the same time greatly reduce the energy consumption of equipment and test cost, which has the demonstration significance of saving energy and reducing consumption.

aircraft; brake system; dynamic test; electrical and mechanical hybrid; inertia simulation

TP 183

A

0 引言

飛機剎車系統(tǒng)是飛機上功能相對獨立的一個子系統(tǒng)，主要作用是在飛機起飛、著陸、滑行和轉彎過程中進行有效的制動和控制，吸收飛機的滑跑動能，使飛機快速降低速度，達到縮短滑跑距離的目的。飛機剎車系統(tǒng)一般包括機輪、輪胎、剎車裝置和防滑剎車控制系統(tǒng)等[1-2]。

飛機剎車動力試驗臺也稱航空機輪慣性剎車試驗臺，是飛機剎車系統(tǒng)最重要的試驗設備。試驗臺用于模擬飛機在起飛、滑行、著陸和中止起飛等過程實際的載荷、速度、能量等工作條件，用機輪進行剎車，吸收飛機高速著陸時的動能，使飛機減速直到停止的全部工作過程，以此鑒定剎車機輪和防滑剎車系統(tǒng)的性能[3]。為新產(chǎn)品的研制、鑒定和產(chǎn)品交付提供科學依據(jù)，而且通過模擬剎車試驗可確定產(chǎn)品性能參數(shù)和優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高飛機著陸品質[4]。動力試驗對提高飛機安全性能乃至航空工業(yè)的發(fā)展有著重要現(xiàn)實意義。

劉勁松（1975-），男，碩士，主要研究方向：飛機機輪剎車。