溫度變化下無(wú)源剎車系統(tǒng)壓力失效故障分析

史金輝，何 泳，任 杰，王 山，張曉娟

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092)

引言

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外掀起了研制無(wú)人機(jī)的高潮，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都有無(wú)可替代的作用。無(wú)人機(jī)相對(duì)于有人機(jī)具有巨大優(yōu)勢(shì)：無(wú)人駕駛，零傷亡，低成本，滯空時(shí)間長(zhǎng)，可執(zhí)行高危任務(wù)，適應(yīng)性強(qiáng)。

絕大多數(shù)中小型無(wú)人機(jī)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)附件機(jī)匣，不能驅(qū)動(dòng)液壓泵。機(jī)上液壓系統(tǒng)泵源配置電動(dòng)泵，提取的功率有限；或機(jī)上無(wú)液壓系統(tǒng)，不能提供液壓功能，為適應(yīng)中小型無(wú)人機(jī)需求，出現(xiàn)了無(wú)源剎車系統(tǒng)[1]。無(wú)源剎車系統(tǒng)基于電靜液作動(dòng)原理，與機(jī)上液壓系統(tǒng)完全獨(dú)立，采用功率電傳技術(shù)，具有自主防滑能力，自帶油源，成附件少，重量輕，抗污染能力強(qiáng)，集成度高，解決了無(wú)液壓源或液壓源能力不足的飛機(jī)剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，在中小型無(wú)人機(jī)上應(yīng)用廣泛。

本研究針對(duì)某型機(jī)在試飛過(guò)程中無(wú)源剎車系統(tǒng)出現(xiàn)停機(jī)剎車掉壓的故障現(xiàn)象進(jìn)行研究，對(duì)無(wú)源剎車原理進(jìn)行介紹，對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行分析[2-12]，通過(guò)故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證了故障原因，并提出了合理有效的解決措施。

1 故障現(xiàn)象

某型無(wú)人機(jī)剎車系統(tǒng)為無(wú)源剎車系統(tǒng)，在執(zhí)行高速滑行試驗(yàn)后，機(jī)務(wù)人員將飛機(jī)牽引至停機(jī)坪進(jìn)行再次出動(dòng)準(zhǔn)備，剎車系統(tǒng)執(zhí)行停機(jī)剎車即最大剎車壓力6 MPa，保持20 min后突然失效，剎車壓力出現(xiàn)波動(dòng)下降。觀察一會(huì)后，壓力下降至4.8 MPa，執(zhí)行松剎車和50%剎車，剎車壓力響應(yīng)正常；再次松剎車后和停機(jī)剎車，剎車壓力異常，壓力上升至4.8 MPa便開(kāi)始波動(dòng)下降，無(wú)法達(dá)到6 MPa；后解除剎車，再次停機(jī)剎車，壓力響應(yīng)正常升至6 MPa，壓力曲線變化情況見(jiàn)圖1。此后保持停機(jī)剎車壓力觀察60 min，未再出現(xiàn)波動(dòng)下降現(xiàn)象。

圖1 剎車壓力曲線

2 系統(tǒng)原理

2.1 無(wú)源剎車系統(tǒng)原理

無(wú)源剎車系統(tǒng)由左、右電控剎車閥和管路以及左右機(jī)輪組成，左、右管路完全獨(dú)立，電控剎車閥與飛控計(jì)算機(jī)、配電裝置通過(guò)電纜連接，與機(jī)輪剎車裝置通過(guò)管路連接。飛控計(jì)算機(jī)輸出PWM信號(hào)給電控剎車閥，配電裝置給電控剎車閥供28 V DC電壓，電控剎車閥輸入液壓壓力通過(guò)管路至機(jī)輪剎車裝置。為提高剎車系統(tǒng)響應(yīng)，電控剎車閥需安裝在主起落架附近以減少管路長(zhǎng)度，且軟管長(zhǎng)度需盡量短。

在起飛前和著陸前，無(wú)源剎車系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行自檢，無(wú)源剎車系統(tǒng)自檢功能需由飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送指令完成。若起飛前自檢故障，則中止任務(wù)；若著陸前自檢故障，著陸后飛控自主啟用應(yīng)急剎車，飛行員亦可人工決策是否啟用應(yīng)急剎車。無(wú)源剎車系統(tǒng)中電控剎車閥接收飛控計(jì)算機(jī)指令，起飛線發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車前，飛控計(jì)算機(jī)輸出100%占空比的PWM信號(hào)給電控剎車閥，電控剎車閥輸出最大剎車壓力至機(jī)輪剎車裝置，實(shí)現(xiàn)靜剎車。在飛機(jī)起飛滑跑和著陸滑行初始時(shí)刻，將剎車系統(tǒng)預(yù)置剎車壓力，在此壓力下，機(jī)輪的剎車力矩大于并接近0。設(shè)置預(yù)置剎車壓力，消除了機(jī)輪剎車裝置的間隙，使系統(tǒng)的響應(yīng)得到快速提高。需剎車系統(tǒng)參與地面滑行方向控制時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送左、右不同的剎車壓力，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)剎車對(duì)飛機(jī)進(jìn)行糾偏。起落架收上機(jī)輪剎車時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送一定占空比的PWM信號(hào)給電控剎車閥，實(shí)現(xiàn)收上剎車。中止滑行或著陸滑行時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)防滑控制律輸出相應(yīng)占空比至電控剎車閥，對(duì)主機(jī)輪進(jìn)行剎車制動(dòng)。解除剎車時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)輸出0%占空比指令，電控剎車閥輸出零壓力，主機(jī)輪剎車裝置壓力為0，剎車系統(tǒng)卸壓。

無(wú)源剎車系統(tǒng)具有防滑功能、自檢功能、差動(dòng)糾偏功能、停機(jī)剎車功能、起落架收上機(jī)輪剎車功能、動(dòng)剎車功能。

圖2 無(wú)源剎車系統(tǒng)原理圖

2.2 電控剎車閥原理

無(wú)源剎車系統(tǒng)關(guān)鍵部件是電控剎車閥。電控剎車閥采用集成一體化設(shè)計(jì)，集成了電機(jī)、減速器、控制器、剎車閥、儲(chǔ)油杯、壓力傳感器、位置傳感器等，電控剎車閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 電控剎車閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

控制器接收飛控計(jì)算機(jī)輸出的剎車壓力指令，指令為PWM信號(hào)，100%占空比即最大剎車壓力，0%占空比即零剎車壓力?？刂破鞑杉⑻幚韷毫鞲衅鞯姆答佇盘?hào)，根據(jù)接收指令和反饋信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部控制律解算，輸出電機(jī)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)速度和正反轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)，給剎車閥提供操縱力，剎車閥輸出壓力增大；電機(jī)反轉(zhuǎn)，給剎車閥施加的操縱力減小，輸出壓力減小。控制器將輸出壓力發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)剎車壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。位置傳感器用于檢測(cè)電機(jī)前進(jìn)和后退行程的終點(diǎn)位置，保護(hù)電機(jī)不至產(chǎn)生過(guò)載損壞。儲(chǔ)油杯用于給系統(tǒng)補(bǔ)油。電控剎車閥對(duì)油液不敏感，抗污染能力達(dá)11級(jí)。

3 問(wèn)題定位

針對(duì)以下幾個(gè)可能造成該故障現(xiàn)象的主要因素進(jìn)行了排查。

3.1 機(jī)上控制系統(tǒng)故障

飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出剎車壓力信號(hào)(占空比)輸出至電控剎車閥，電控剎車閥將輸入的PWM控制信號(hào)進(jìn)行線性地轉(zhuǎn)換后輸出對(duì)應(yīng)的液壓剎車壓力。

回放查看飛控計(jì)算機(jī)信號(hào)和配電功率裝置供電均正常，可以排除該因素。

3.2 電控剎車閥控制系統(tǒng)故障

電控剎車閥接收控制信號(hào)后，微處理器將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞產(chǎn)生相應(yīng)的剎車壓力。

壓力波動(dòng)期間，電控剎車閥能正常執(zhí)行松剎車與50%剎車指令，而執(zhí)行剎車清零后停機(jī)剎車壓力也響應(yīng)正常，且后續(xù)壓力保持正常，可以排除電控剎車閥控制系統(tǒng)故障。

3.3 無(wú)源剎車系統(tǒng)外漏

停機(jī)剎車時(shí)，電控剎車閥將工作油液封閉并建立壓力。當(dāng)后端封閉腔力的工作油液外漏時(shí)，體積縮小，剎車壓力會(huì)下降，盡管電控剎車閥微處理器會(huì)進(jìn)行閉環(huán)控制讓電機(jī)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，但電機(jī)有最大行程保護(hù)，當(dāng)無(wú)法進(jìn)行壓力補(bǔ)償時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)壓力下降。

在剎車壓力波動(dòng)下降時(shí)，檢查了機(jī)上無(wú)源剎車系統(tǒng)的各個(gè)部件連接處及部件作動(dòng)處，同時(shí)檢查了剎車裝置活塞與缸體，均未發(fā)現(xiàn)液壓油外漏痕跡，可以排除該因素。

3.4 電控剎車閥內(nèi)漏

由圖3可知，由密封皮碗封閉泄壓孔并隔離工作油液和儲(chǔ)油杯，工作油液才能在密封皮碗和活塞壓縮作用下產(chǎn)生壓力。如果密封皮碗破損或異物卡滯，將無(wú)法封閉工作油液，工作油液會(huì)內(nèi)漏到儲(chǔ)油杯，當(dāng)超出電機(jī)最大壓力補(bǔ)償行程時(shí)，剎車壓力將無(wú)法保持，出現(xiàn)下降。

將電控剎車閥分解檢查，未發(fā)現(xiàn)密封皮碗破損，也未發(fā)現(xiàn)異物卡滯等異常，可以排除該因素。

3.5 高溫影響工作油液

完成高速滑行任務(wù)后機(jī)輪剎車裝置會(huì)急劇升溫，無(wú)源剎車系統(tǒng)工作油液也會(huì)變?yōu)楦邷兀C(jī)剎車時(shí)，電控剎車閥將高溫油液封閉并建立壓力。停機(jī)剎車一定時(shí)間后，油液溫度降低，體積會(huì)縮小，當(dāng)超出電機(jī)最大壓力補(bǔ)償行程時(shí)，會(huì)造成剎車壓力下降。

停機(jī)剎車壓力波動(dòng)下降現(xiàn)象出現(xiàn)在壓力保持20 min后，此時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)主機(jī)輪剎車裝置及其連接軟管溫度都很高，而其他各處溫度未發(fā)現(xiàn)異常。且當(dāng)剎車裝置溫度恢復(fù)常溫，此后保持停機(jī)剎車壓力觀察60 min，也未再出現(xiàn)壓力波動(dòng)下降現(xiàn)象。可以認(rèn)定高溫是引起滑行后停機(jī)剎車壓力波動(dòng)下降的主要因素。

4 機(jī)理分析

從無(wú)源剎車系統(tǒng)原理可以看出，電控剎車閥輸出的工作油液體積V0與建立剎車壓力所需的工作油液體積V1之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系影響無(wú)源剎車系統(tǒng)的剎車壓力。

本研究詳細(xì)計(jì)算分析工作油液體積對(duì)剎車壓力的影響，以及油液溫度對(duì)工作油液體積和剎車壓力的影響。

4.1 電控剎車閥輸出工作油液體積

電控剎車閥集成了霍爾傳感器，用于在產(chǎn)品進(jìn)行壓力輸出時(shí)對(duì)滾珠螺母初始位置和最大行程進(jìn)行控制，以保證直流電機(jī)不至于產(chǎn)生過(guò)載損壞，因此電機(jī)最大行程時(shí)電控剎車閥輸出工作油液體積最大。

最大輸出工作油液體積：

式中，V0—— 電控剎車閥建壓后最大排油量，mL

d1—— 電控剎車閥活塞直徑，mm

x1—— 電控剎車閥活塞最大移動(dòng)行程，mm

4.2 建立剎車壓力所需工作油液體積

1)剎車盤(pán)間隙

機(jī)輪剎車裝置剎車盤(pán)之間有間隙，需要工作油液填充活塞腔推動(dòng)壓緊盤(pán)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)盤(pán)貼合，消除剎車間隙，剎車裝置活塞腔運(yùn)動(dòng)容積增大。

消除剎車盤(pán)間隙所需工作油液體積：

式中，ΔV1—— 消除機(jī)輪剎車裝置剎車間隙容積，mL

2)剎車裝置變形

機(jī)輪剎車裝置受壓變形，剎車裝置活塞腔運(yùn)動(dòng)容積增大。

消除剎車裝置變形所需工作油液體積：

式中，ΔV2—— 消除機(jī)輪剎車裝置變形間隙容積，mL

3)軟管膨脹

軟管充壓膨脹，軟管容積增大，根據(jù)GJB 2837—1997《聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范》高壓軟管容積膨脹的最大值α=0.026 mL/cm。高壓軟管最大工作壓力為21.0 MPa，而電控剎車閥的輸出壓力為6.0 MPa。所需工作油液體積：

式中, ΔV3—— 軟管充壓膨脹容積增大值，mL

α—— 低壓軟管容積膨脹比例，mL/cm

L2—— 軟管長(zhǎng)度，mm

4)工作油液壓縮

工作油液受壓壓縮，油液體積減小按照《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中壓縮系數(shù)取7.4×10-10Pa-1。所需工作油液體積：

ΔV4=βΔpV=0.244 mL

式中，ΔV4—— 工作油液受壓壓縮體積減小值，mL

Δp—— 工作油液壓力變化量，MPa

5)建立剎車壓力所需工作油液體積

ΔV=ΔV1+ΔV2+ΔV3+ΔV4=3.396 mL

4.3 建立剎車壓力后剩余可輸出工作油液體積

電控剎車閥正常建立剎車壓力完成時(shí)，電機(jī)未走到行程終點(diǎn)，根據(jù)上述計(jì)算可知剩余可輸出工作油液體積：

ΔV0=V0-ΔV=0.902 mL

4.4 高溫對(duì)工作油液體積變化影響

1)油液密度與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第12冊(cè)12號(hào)航空液壓油主要性能，溫度20 ℃時(shí)密度為844.1 kg/m3。體積膨脹系數(shù)和液壓油密度見(jiàn)表1。

表1 工作油液密度與溫度關(guān)系

2)工作油液體積變化與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

當(dāng)飛機(jī)滑行完成后，無(wú)源剎車系統(tǒng)僅主起機(jī)輪處的剎車裝置及其連接軟管溫度很高，其他各處的溫度并沒(méi)有很大變化，因此對(duì)剎車裝置及下端軟管內(nèi)工作油液從滑行后高溫下降至常溫20 ℃時(shí)的體積變化量進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 工作油液體積變化與溫度關(guān)系

4.5 工作油液體積變化與剩余可輸出油液體積

工作油液體積隨溫度變化量與電控剎車閥剩余可輸出油液體積對(duì)比情況見(jiàn)圖4，當(dāng)飛機(jī)剎停后無(wú)源剎車系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)剎車時(shí)工作油液溫度若超過(guò)80 ℃，工作油液體積隨著溫度下降而縮小的體積大于電控剎車閥剩余可輸出油液體積，將會(huì)出現(xiàn)掉壓故障。

圖4 溫度變化對(duì)工作油液體積變化影響

5 故障復(fù)現(xiàn)

為驗(yàn)證故障原因定位的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了無(wú)源剎車系統(tǒng)慣性臺(tái)試驗(yàn)。按機(jī)上系統(tǒng)狀態(tài)(包括電控剎車閥、液壓導(dǎo)管、軟管、主機(jī)輪)開(kāi)展試驗(yàn)，進(jìn)行大動(dòng)能(模擬高速滑行工況)剎車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后不進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，直接停機(jī)剎車并保持，剎車壓力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)剎車壓力變化

由圖5可知，大動(dòng)能剎車后停機(jī)剎車，壓力保持600 s后開(kāi)始波動(dòng)下降，下降趨勢(shì)與機(jī)上故障現(xiàn)象相同。試驗(yàn)對(duì)機(jī)上故障進(jìn)行了完全復(fù)現(xiàn)，大動(dòng)能剎車后，機(jī)輪溫度較高，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，自然散熱下，溫度逐漸降低，油液收縮，壓力下降。

6 解決措施

停機(jī)剎車壓力波動(dòng)下降的原因是溫度下降時(shí)工作油液體積收縮，而電控剎車閥輸出油液體積有限，當(dāng)工作油液體積變化量超出電控剎車閥的最大輸出油液體積，會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng)下降。為了保證系統(tǒng)壓力正常，只需保證溫度下降時(shí)工作油液收縮體積小于電控剎車閥輸出工作油液。

6.1 滑行后剎車系統(tǒng)降溫處理

高速滑行結(jié)束后，為避免溫度影響導(dǎo)致無(wú)法建壓，在每次滑行結(jié)束后，對(duì)機(jī)輪進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，待溫度降低至80 ℃以下，再進(jìn)行停機(jī)剎車操作。再次出動(dòng)前，檢查機(jī)輪溫度，確保溫度低于80 ℃。

該措施經(jīng)機(jī)上驗(yàn)證，高速滑行后對(duì)剎車裝置進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，停機(jī)剎車壓力能夠正常保壓，措施有效。

6.2 增大電控剎車閥油液體積

將電控剎車閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加最大輸出工作油液體積，保證電控剎車閥輸出油液體積大于溫度下降時(shí)工作油液收縮體積。

該措施經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證，電控剎車閥最大輸出油液體積可增大至5.2 mL，停機(jī)剎車完成后剩余可輸出體積為1.804 mL，最大可以滿足工作油液溫度從135 ℃下降至20 ℃時(shí)的油液體積收縮變化需求。

7 結(jié)論

本研究對(duì)中小型無(wú)源剎車系統(tǒng)停機(jī)剎車壓力無(wú)法保持的故障進(jìn)行了詳細(xì)分析。從系統(tǒng)工作原理著手，對(duì)故障原因進(jìn)行了深入剖析，通過(guò)詳細(xì)計(jì)算進(jìn)行初步驗(yàn)證，最后通過(guò)慣性臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行了故障原因驗(yàn)證。并提出了解決措施，并經(jīng)機(jī)上驗(yàn)證，措施合理有效。