濕熱環(huán)境對飛機剎車摩擦性能研究

鄧文亮，吳敬濤，唐揚剛

（中國飛機強度研究所，西安 710000）

引言

據(jù)1970～2004年航空事故調查，冰雪污染引發(fā)故障占比5.5 %，潮濕和積水跑道引發(fā)故障占比47.8 %[1,2]。在積水、冰雪等污染跑道上飛機起降時，濕態(tài)下水分存在剎車材料表面中, 在摩擦熱的作用下, 水分向摩擦表面擴散并形成氣膜,起到潤滑劑的作用,摩擦系數(shù)衰減明顯，制動系統(tǒng)剎車效率下降明顯，飛機姿態(tài)控制難，并且可能出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，影響飛機運營。為保障飛機的安全運營，歐美針對污染跑道進行了大量研究，并根據(jù)相關研究成果修訂了相關適航條款，編制了符合性驗證方法等。與之相比，由于缺乏必要的研究經(jīng)驗和工程數(shù)據(jù)，國內目前尚未建立起完善的適航審定體系，對飛機污染跑道性能分析與驗證缺乏系統(tǒng)性研究。

本文開展了濕熱環(huán)境飛機制動摩擦片摩擦系數(shù)測試與性能研究，進行了濕熱環(huán)境飛機制動摩擦片摩擦系數(shù)測試試驗，通過典型工況的濕熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)響應實驗，研究了剎車材料濕熱環(huán)境下的摩擦系數(shù)的擬合方法，獲取了濕熱環(huán)境下飛機剎車片摩擦系數(shù)特性。

1 理論分析

通過基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的摩擦系數(shù)模型，利用反向傳播來調整網(wǎng)絡的權值和閥值，使網(wǎng)絡誤差的平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有強大的非線性映射能力和泛化功能，任一連續(xù)函數(shù)或映射均可采用3層網(wǎng)絡加以實現(xiàn)。網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構示意圖

在飛機剎車過程中，剎車力矩和剎車盤摩擦系統(tǒng)是相互耦合，互相影響，剎車溫度、飛機速度處于變化狀態(tài)，剎車盤摩擦系數(shù)、剎車力矩也是變化的。由于剎車盤摩擦系數(shù)的影響因素主要包括剎車盤溫度、剎車力矩和剎車機輪速度，因此建立以剎車盤溫度（℃）、剎車力矩（Nm）、機輪速度（m/s）為輸入，以摩擦系數(shù)為輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡結構，以確定任意條件下的摩擦系數(shù)。

采用三層BP網(wǎng)絡結構[3]，各層輸入與輸出關系為：

式中：

N—隱含層個數(shù)xi（i=1,2,…,N）為輸入信號；

θm—閾值；

ωim—從神經(jīng)元m到神經(jīng)元i的連接權值。

輸入?yún)⒘浚?/p>

式中：

T —剎車盤溫度；

P—剎車力矩；

v—機輪速度。

2 實驗設計與裝置

2.1 試驗裝置

為了研究濕熱環(huán)境對剎車盤剎車材料摩擦系數(shù)的影響，參考GB-10006，設計了剎車盤剎車材料濕熱環(huán)境摩擦系數(shù)測試實驗，在濕熱試驗中，將剎車材料置于濕熱環(huán)境中保持一段時間，使試樣與濕熱環(huán)境的溫度和濕度達到穩(wěn)態(tài)，然后使用摩擦系數(shù)測試儀測量剎車材料在當前所處環(huán)境下的摩擦系數(shù)。進行濕熱試驗使用ZJ-MC02型摩擦系數(shù)測試儀，測試精度為0.05 %FS，如圖2所示，該摩擦系數(shù)測試儀主要由水平試驗平臺、滑塊、驅動機構及測力系統(tǒng)構成，其中水平試驗臺由平整的非磁性材料制成，平臺上嵌有用于調整水平狀態(tài)的水平泡，滑塊用于裝載試樣，驅動機構可以帶動滑塊勻速運動，速度可以在0～500 mm/min之間無級調節(jié)，測力系統(tǒng)可以測出拉動滑塊的力，用于計算摩擦系數(shù)。

圖2 ZJ-MC02型摩擦系數(shù)測試儀

2.2 摩擦材料試樣

實驗材料為用于飛機剎車盤制造的碳復合材料，為了便于實驗過程中摩擦系數(shù)的測量，參考GB-10006對試樣材料進行了加工處理，其中用于摩擦的下試樣加工尺寸（長×寬×高）為133 mm×63 mm×7mm，上試樣的加工尺寸（長×寬×高）為63×63×7mm，試驗材料及試樣如圖3所示。

圖3 試驗材料及加工好的試樣

2.3 實驗過程

濕熱環(huán)境下剎車盤剎車材料摩擦系數(shù)測試試驗，如圖4所示，試驗溫度范圍29.3～39.3 ℃，在正式試驗前進行了預實驗，為可能出現(xiàn)的問題制定預案。試驗開始前先將試驗平臺調至水平狀態(tài)，調整設備使其處于正常工作狀況下。因環(huán)境溫度和濕度處于波動狀態(tài)中，故每次測試中記錄三次溫度和濕度數(shù)據(jù)。

圖4 試驗過程實況

3 實驗結果與數(shù)據(jù)

在濕熱試驗中，進行了溫度29.3～39.3 ℃范圍內共32組有效試驗，包含動摩擦系統(tǒng)測試和靜摩擦系統(tǒng)測試，濕熱試驗中，進行了50～90 %濕度范圍內的試驗，每種濕度工況下測量了31～39 ℃五種溫度下的摩擦系數(shù)。材料動摩擦系數(shù)濕熱試驗及對比如圖5所示，材料靜摩擦系數(shù)試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。由試驗數(shù)據(jù)以及繪制的散點圖和散點曲面，分析可得摩擦系數(shù)同時受到溫度和濕度的影響，在濕度一定的情況下，隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)會降低；保持溫度不變，濕度越大，則摩擦系數(shù)也越大。

圖5 濕熱試驗動摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)

圖6 濕熱試驗靜摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)

4 濕熱實驗數(shù)據(jù)處理與分析

在濕熱試驗中，溫度和濕度隨著環(huán)境的變化而變化，為了便于數(shù)據(jù)的擬合，采取控制變量的辦法先對數(shù)據(jù)進行選擇。以動摩擦系數(shù)為例，將濕度控制在70 %左右，溫度作為自變量，截取出濕熱試驗的部分數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)研究溫度對動摩擦系數(shù)的影響；然后將溫度控制在35 ℃左右，以濕度為自變量，研究濕度對動摩擦系數(shù)的影響。

4.1 濕熱試驗數(shù)據(jù)擬合方法一

以溫度為自變量的濕熱試驗動摩擦系數(shù)試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 材料動摩擦系數(shù)部分數(shù)據(jù)

為了研究濕熱環(huán)境對剎車片摩擦系數(shù)的影響，選擇合適的擬合曲線進行擬合，以擬合優(yōu)度作為評價指標，在嘗試過多種擬合模型之后，選擇指數(shù)擬合、Gaussian擬合、線性擬合、一次多項式擬合模型對內外場數(shù)據(jù)進行擬合，擬合情況及擬合優(yōu)度見圖7。

圖7 材料動摩擦系數(shù)濕熱試驗數(shù)據(jù)擬合

綜合分析各擬合模型的擬合優(yōu)度，見表2，以上四種擬合模型對于濕熱試驗數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度尚可，在0.7以上，其中指數(shù)擬合的擬合優(yōu)度最好。根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況可見，濕度保持不變情況下，溫度越高，其動摩擦系數(shù)越小。

表2 各擬合模型的擬合優(yōu)度

4.2 試驗數(shù)據(jù)擬合方法二

以濕度作為自變量的動摩擦系數(shù)濕熱試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 材料動摩擦系數(shù)濕熱試驗部分數(shù)據(jù)

以擬合優(yōu)度作為評價指標，綜合考慮數(shù)據(jù)的分散性，選擇多種擬合模型進行數(shù)據(jù)擬合，在嘗試過多種擬合模型之后，選擇指數(shù)擬合、一次多項式擬合以及冪函數(shù)擬合模型對濕熱試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合情況及擬合優(yōu)度見圖8。

圖8 材料動摩擦系數(shù)濕熱試驗數(shù)據(jù)擬合

綜合分析各擬合模型的擬合優(yōu)度，見表4。根據(jù)各擬合模型的擬合曲線，對于濕熱試驗數(shù)據(jù)的擬合，各擬合模型的擬合優(yōu)度相對較低，其中以冪函數(shù)擬合的擬合效果最好。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可見，動摩擦系數(shù)與濕度呈明顯的正相關關系，即隨著濕度的升高，動摩擦系數(shù)逐漸增大。

表4 各擬合模型的擬合優(yōu)度

5 小結

本文對剎車材料摩擦系數(shù)的濕熱試驗進行了相似性研究，根據(jù)試驗結果可以得到以下結論：

1）剎車材料的摩擦系數(shù)與溫度和濕度相關，保持濕度不變，溫度越高，摩擦系數(shù)越小，較高的溫度可能會使剎車材料表面的性狀發(fā)生變化而導致摩擦系數(shù)下降，同時，溫度升高，水珠蒸發(fā)，摩擦系數(shù)又會隨溫度升高而降低；

2）在相同的溫度下，濕度越大，摩擦系數(shù)越大。在高濕度環(huán)境下，剎車材料表面會有一些微小的水珠存在，水的表面張力會使剎車材料的摩擦系數(shù)變大一些，另一方面，濕度較高的環(huán)境也會潤濕材料表面，改善兩塊材料之間的接觸情況，使摩擦系數(shù)增大；再者，材料之間相互摩擦，由于基體和纖維的磨損，會產生微小的碎屑，這些碎屑填充在摩擦面內，高濕度會潤濕這些碎屑，產生一種類似于粘結劑的作用，使摩擦系數(shù)升高。