飞机电刹车系统研究.docx

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飞机电刹车系统研究

飞机电制动刹车系统研究

申请工程师主送论文

机务部修理分部工艺科

华维立

摘要：

阐明电制动刹车系统的优点，分析了电刹车系统结构和关键部件的构型及其差异，结合民用航空公司的需求情况对两种电制动刹车系统在技术上提出了选型的建议。

关键词：

电制动刹车；电制动作动器；Boeing787飞机

ResearchforElectricalDriveBreakSystemofAircraft

Abstract：

Accountforthevirtuesoftheelectricaldrivebrakesystem,analyzetheconfigurationofthissystemandthedifferencebetween2typeofthekeyparts,thengivetheairlinessomeadvicehowtochoosetheEDBSfortheBoeing787airplane.

Keywords：

electrialdrivebrake；electricalbrakeactuator；Boeing787airplane

随着大功率电子设备和分布结构的发展，当前民用飞机正向“多电化”方向发展，越来越多的电控部件取代了液压控制部件，从而更有效的利用了发动机的输出功率，降低了耗油量。

在此发展过程中，飞行控制系统和刹车系统是最先开始实现全电化的部件系统。

飞机刹车系统是飞机重要的机载设备，它是飞机上功能相对独立的一个子系统，其作用是承受飞机的静态重量、动态冲击载荷以及在飞机着陆阶段、滑跑阶段吸收飞机的滑跑动能，使飞机快速降低速度，达到缩短滑跑距离的目的，以及确保飞机在起飞、着陆、滑行、转弯过程中有效的制动和控制，对飞机的起飞、安全着陆起着重要的作用。

所有飞机刹车系统的工作机理都大致一样：

飞机在地面滑跑的过程中，充分利用飞机轮胎与地面之间产生的结合力，借助于动、静刹车组件之间的相互作用产生摩擦，将飞机的动能转化为其他形势的能量（主要是热能），尽快并安全的把飞机的速度降为零。

刹车装置组要分成控制组件和热包组件两个部分。

当前重量轻、热性能好的碳-碳复合材料刹车热包组件已经得到广泛使用，我公司的757和767机队使用的都是这种热包。

在热包组件上各厂家的产品性能相差不多，因而决定刹车性能质量的关键就在于刹车的控制组件。

自20世纪20年代飞机首次采用机轮刹车技术开始，刹车控制组件经过了机械制动、液压制动，目前正在向电制动过渡。

所谓“电制动刹车系统”（EDBS）就是利用电子制动装置来驱动刹车执行机构，使用电子传输线路代替原有的机械连杆或液压输油管路，实现刹车控制功能的一个新系统。

该系统由许多不同功能的附件组成，涉及到机械、电子、控制、自动化、计算机应用、材料等多个领域。

随着电子技术的不断发展，用电子装置取代现有有的液压装置的电制动刹车已成为当今刹车系统的一个发展趋势。

一、电制动刹车的优越性

当代飞机的刹车装置一般都是以高压液压油为动力，采用活塞式作动、多刹车盘的结构。

从运动关系看，刹车装置（不包括传感器）主要分成两部分：

一部分包括活塞衬套、活塞壳体、活塞（包括其中的自动调节机构）、刹车静盘，它们固定在起落架上，在飞机起落过程中不转动；另一部分由与轮毂传动键相配合的动盘组成，它们随着机轮的转动而一起转动。

动盘和静盘交错布局，活塞和衬套通过数个封圈将回复弹簧等回复机构以及液压油密封包纳在一起。

刹车工作时，在液压油的作用下，驱动活塞压紧刹车盘产生制动力矩起到刹停的作用，刹车松开时，在回复弹簧的作用下收回活塞，动、静盘间不存在力矩，从而使机轮正常转动。

（见图1所示活塞运动图）

图1液压制动刹车工作和松开时的活塞运动

因为液压刹车系统的固有特性，以液压油为传动介质的液压刹车系统存在着下列难以克服的缺点：

体积重量较大；结构复杂笨重；易损、维修量大，维修成本高；高温高压下液压油容易泄漏导致燃烧；出现故障不容易判断原因；维护和修理时间长费用高等；据我公司2004～2006年的数据统计，平均每年要发生4起刹车漏油故障，虽然每次排除漏油故障只需要1个工作日和200元左右的航材成本，但因漏油导致碳材料热组件腐蚀而报废却会给航空公司带来将近7万元的损失。

有时漏油不明显，未能及时发现，液压油在高温高压下结成块状，致使刹车无法工作，容易造成热组件卡死从而报废整个热组件。

另外由于目前对液压刹车状态的监控和反馈不直观，飞机滑行或着陆时，在使用刹车和发动机反推的时机及程度上完全依靠飞行员的经验，这样不仅效率不高造成刹车热包或燃油的浪费，还易引发人为差错。

许多航空公司都发生过时防滞刹车未及时松开，热组件散热不良发生粘结，影响了后续航班的人为差错。

由于液压驱动刹车存在以上的缺点，长期以来又无法有效改进，因此有必要研制一种新的控制方法来取代传统的液压驱动控制。

目前国内外正积极研制新一代的刹车系统——电制动刹车系统（EDBS），它用机电作动机构（见图2）取代现有刹车系统的液压作动机构，不再需要管道、泵和阀等液压组件，完全避免了漏油故障；各种信号都通过电缆传输，对刹车系统的监控更为简单和直观，控制程序可以根据飞机状态（飞机载重、发动机推力、襟副翼状态和轮胎磨损等情况）和地面状况（地面干湿、跑道滑行道长度等）实现对刹车系统的动态控制，使飞机能在理想状态下滑行和降落，从而实现节油、节约成本和避免人为差错。

图2电驱动刹车驱动机构示意图

对于航空公司来说，采用电制动刹车系统（EDBS）除了降低整个刹车系统的重量和体积外，还能带来以下好处：

●提高刹车系统的故障诊断能力。

●大大减少刹车系统的维护费用和时间。

●提高刹车系统的防滑性能、安全性。

●控制精度更高，有利于实现飞机的自动控制系统，提高经济性。

其中最明显的优势的就是缩短了维护周期，以往液压制动刹车小修一次需要3～4个工作日，采用电制动刹车（EDB）后仅需要1.5个工作日就可以完成一次小修，航空公司就可以降低刹车备件数量，节约大量流动资金。

二、EDBS的研制情况

目前世界几大飞机刹车制造商都已经开展EDBS的研制工作。

最早在1979年，美国就开始试制电驱动刹车，到了九十年代中期，美国古德里奇（Goodrich）公司在美国军方的大力支持下，成功研制了出了具有实用价值的电制动刹车，该刹车是由对称布置在刹车热组件上的4个电刹车作动器（EBA）作为作动组件，每套执行机构由无刷直流电机、齿轮组和滚珠丝杠副横向排列而成，可独立或成对执行刹车/防滑动作。

通过实验表明此电制动刹车的性能可以满足设计需要，即使只使用两个作动器也能起到正常的刹车/防滑功能，证明了电刹车比液压刹车有更好的冗余性。

另外，该系统所利用的力矩反馈系统和机轮速度光纤传感器也被证明能有效提高刹车系统的性能。

这种由四套作动机构组成，每套作动机构的电机和驱动副横列的布局方式成为现在各公司研发大型飞机电制动刹车的基本构型。

（见图3）

图3电刹车作动器

当前比较成熟的电制动刹车大致分为刹车机架、电刹车作动器、转矩托架和相关的传感设备四个部分。

在每个机电作动机构的执行端（丝杠螺母）连有一个位移传感器，以对作动机构进行精确的位置伺服（相当于压力伺服）。

通过安装在转矩托架上的传感器系统对刹车力矩进行反馈，提高了整个EDBS的控制品质。

由于另外三个部分都有成熟的液压刹车设计经验可供借鉴，因此各厂家的研制竞争主要集中在电刹车作动器这个新增部件上。

三、EDBS的构型

图4EDBS信号传输示意图

图4是典型的EDBS的信号图，首先由刹车系统控制组件向EBAC发出要求刹车工作的信号，EBAC接受EBPSU（电驱动刹车供电组件）提供的电力并将其输出给它所控制的8个EBA组件，进行相应的刹车工作。

由图4可看出，每个EBA（电刹车作动器）组件都有相互独立的三根电缆线来传送和接受电力或电信号。

正常情况下，EBAC可以根据机轮速度信号和EBA力矩信号来判定机轮刹车的状态，然后调整输出给各EBA的控制信号，使各EBA根据实际情况输出不同的力矩，让刹车磨损均匀，避免侧磨等不正常现象的发生，提高刹车的使用率，实现刹车的动态控制；即使其中一或两个EBA出故障，EBAC也可以立刻调整输出给其它EBA的信号，增强它们的输出力矩，保证刹车正常工作。

EBAC还能很容易的将各种信号直观的传输到工作面板上，方便飞行员对飞机进行检查及机务对刹车进行磨损监控和排故。

EBA在EDBS中起作动作用，它接受电信号，产生输出力矩，驱动刹车工作，是EDBS中的作动部件。

直接借鉴液压驱动刹车的经验，刹车机架和热组件的研制已经比较成熟，各厂家之间的差距不大。

在研制EDBS过程中最重要的就是开发EBA的设计生产，EBA的好坏直接关系到整个刹车系统的质量。

EBA是一种机电结合的部件，它的电机和机械机构排列有两种构型，一种是电机和驱动组件直列式布局，这种EBA结构简单、重量轻，力矩直接由电机传递给丝杠组件，减少了能量损失，但工作是震动较大，承受外来震动的能力也较差；另一种是电机和驱动组件并列式布局，这种EBA占用体积小，通过一套齿轮传动组件将电机的输出力矩传递给丝杠组件作动，并列布局降低了工作时产生的震动，紧凑的结构有利于抵抗外界震动的干扰。

（图5），因为在抗震方面出色的优越性，目前大型飞机上EDBS中的EBA均采取了并列式的布局构型。

图5EBA的机电排列构型

EBA的驱动部件是丝杠作动器，由啮合在丝杠上的活塞来完成驱动工作，早期的设计是采用滚柱丝杠结构，这样输出的力矩平稳可靠，但由于接触面较大，工作时要克服摩擦的力矩也较大，也较容易发生卡死故障造成制动失效。

后来改进成滚珠丝杠结构，接触面小了，克服了上述的缺点，但为了保证工作平稳有效，对滚珠的精度提出了很高的要求。

高品质的EBA，不仅要求尺寸小重量轻，更重要的是要求电机对电流变化的相应快捷准确，驱动部件运行平稳，受外界因素（主要是震动和污染）的干扰小。

为了保证长时间无故障使用，还需要具备自润滑能力和很高的生产精度，这对刹车厂商的生产能力提出了考验。

四、Boeing787-8飞机的两种EDBS比较

Boeing787系列飞机的刹车系统已经确定采用电驱动，成为了最早采用EDBS的大型民用飞机。

787-8飞机设计全机共有8套刹车，分别与8个主轮相对应。

有4个电制动控制器EBAC和32个电制动作动器EBA，每套刹车组件上包括4个EBA，整个系统结构为左右各一个刹车系统控制单元（BSCU）分别控制左右各两个EBAC，每个EBAC控制两个电刹车组件即8个EBA。

（见图6）波音公司选定了两家OEM厂商：

美国的Goodrich和法国的Messier－Bugatti，我公司已经确定在2008年引进787-8型飞机的计划，在这两个厂商之间进行选型成为飞机引进前期的重要工作。

图6787-8电刹车控制图

Goodrich和Messier－Bugatti这两家公司都有为民航大型飞机提供液压制动刹车的丰富经验，但在电制动刹车上，Goodrich曾在F-16战斗机、波音777客机和A320客机上试用过，在“全球鹰”军用无人侦察机上正式投入使用；而Messier仅在A320客机上试用过，从设计生产经验来说，Goodrich是领先的。

在刹车热包组件上两家都采用了以往液压刹车上成熟的经验，Goodrich是五动盘十个摩擦面构型，Messier是四动盘八个摩擦面构型，从效果来说五动盘构型比四动盘构型要好，但Messier在防腐涂层上使用的技术较Goodrich先进，对防冰液、清洗液等腐蚀的抵抗能力较强，考虑到当前国内机场和航空公司在做防冰处理和清洗飞机的情况，预计Messier热组件实际使用性能可能会高出Goodrich热组件。

在刹车回路设计上，Goodrich用测压元件为主控制回路，电机电流和丝杠位置为备用控制回路；Messier仅