謝彥，蘇靜，王紅玲，常凱，許鑫

(1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院 機(jī)電所，西安 710089) (2.航空工業(yè)西安航空制動科技有限公司 設(shè)計所，西安 713106)

0 引 言

多電飛機(jī)(More Electric Aircraft，簡稱MEA)是現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展過程中由液壓控制到電控制的重大突破，已成為現(xiàn)代飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢，并有可能帶來未來飛機(jī)設(shè)計技術(shù)的變革。但是多電飛機(jī)最終能否實現(xiàn)，取決于能否研制出以電力作為動力的飛機(jī)功能子系統(tǒng)來取代現(xiàn)有的液壓驅(qū)動系統(tǒng)[1-3]。全電剎車系統(tǒng)就是其中一個重要的功能子系統(tǒng)。

研究表明，全電剎車系統(tǒng)相比于液壓剎車系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構(gòu)、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及維修性上具有明顯優(yōu)勢[4-6]。正是由于具備這么多突出優(yōu)點，全電剎車系統(tǒng)被視為取代液壓剎車系統(tǒng)的下一代飛機(jī)剎車系統(tǒng)。發(fā)展研制全電剎車系統(tǒng)，順應(yīng)了多電/全電飛機(jī)的發(fā)展趨勢，有利于提高我國機(jī)輪剎車系統(tǒng)的水平，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義和重大的歷史意義，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

本文首先從全電剎車的系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，與傳統(tǒng)的液壓伺服剎車系統(tǒng)進(jìn)行對比，涉及到系統(tǒng)架構(gòu)、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維修性等方面；然后對全電剎車系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行闡述；最后對全電剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，涉及剎車裝置剛度設(shè)計、剎車防“卡死”設(shè)計、大功率驅(qū)動控制器設(shè)計、高可靠耐惡劣環(huán)境傳感器技術(shù)等方面。

1 全電剎車系統(tǒng)架構(gòu)

飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)，之所以稱其為“全電”，其根本原因在于采用機(jī)電作動器EMA(Electro-Mechanical Actuator，簡稱EMA)取代了傳統(tǒng)液壓剎車中的剎車活塞。典型的飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)由剎車輸入信號、全電剎車控制器、剎車驅(qū)動控制器、機(jī)電作動器及機(jī)輪五部分組成。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 全電剎車系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system architecture of electric braking system

2 全電剎車與液壓剎車對比

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)更簡單

圖2 全電剎車系統(tǒng)與液壓剎車系統(tǒng)架構(gòu)對比Fig.2 Comparison of system architecture of electric braking system and hydraulic-servo braking system

2.2 可靠性更高

使用電剎車作動器控制器(Electric Brake Actuator Controller，簡稱EBAC)取代了液壓剎車系統(tǒng)的切斷閥、伺服閥、轉(zhuǎn)換閥、停機(jī)/應(yīng)急剎車閥和剎車壓力傳感器等液壓附件和電氣附件，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的基本可靠性。據(jù)美國古德里奇公司估計，大型客機(jī)使用全電剎車系統(tǒng)后，可將飛機(jī)的飛行延遲率從0.5‰下降到0.1‰，明顯提高了飛機(jī)的任務(wù)可靠性。

2.3 安全性更高

全電剎車系統(tǒng)不存在液壓油污染誘發(fā)的故障及泄漏可能導(dǎo)致的火災(zāi)危險。全電剎車系統(tǒng)可實現(xiàn)從指令部件、控制部件、驅(qū)動部件、作動部件及傳感器等部件全方位的故障檢測能力，可根據(jù)具體的故障類型，劃分出系統(tǒng)的故障等級，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)級余度重構(gòu)，不降低系統(tǒng)的剎車能力，可最大限度地保證飛機(jī)著陸安全。

2.4 經(jīng)濟(jì)性更好

據(jù)國內(nèi)航空公司統(tǒng)計，平均每年要發(fā)生4起剎車漏油故障，雖然每次排除漏油故障只需要1個工作日和200元左右的航材成本，但因漏油導(dǎo)致碳材料熱組件腐蝕而報廢會給使用方帶來將近7萬元的損失。有時漏油不明顯，未能及時發(fā)現(xiàn)，液壓油在高溫高壓下結(jié)成塊狀，致使剎車無法工作，容易造成熱組件卡死從而報廢整個熱組件。而全電剎車系統(tǒng)完全無液壓油，因此使用全電剎車具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

2.5 維護(hù)性更好

全電剎車不需要人工定時監(jiān)測剎車盤的磨損情況，剎車系統(tǒng)通過作動器的自檢可對剎車盤磨損狀況進(jìn)行自動監(jiān)測。同時，由于系統(tǒng)監(jiān)控能力的提高，便于實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡和剎車作動器模塊化設(shè)計，全電剎車系統(tǒng)所需要的維護(hù)時間和維護(hù)成本明顯小于液壓剎車系統(tǒng)。

3 全電剎車系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

國外從20世紀(jì)70年代末開始研究飛機(jī)全電剎車技術(shù)，最早是為解決軍機(jī)使用中因剎車液壓油泄露所引起的火災(zāi)問題，在美國空軍的推動下，提出一種替代液壓剎車技術(shù)的解決方案。由于全電剎車順應(yīng)了飛機(jī)多電化發(fā)展趨勢，且全電剎車相比傳統(tǒng)的液壓剎車具有許多優(yōu)勢，所以世界各大航空剎車系統(tǒng)供應(yīng)商都非常重視這一新技術(shù)的開發(fā)。

女，出生于1978年。中國少數(shù)民族藝術(shù)博士，云南大學(xué)文化發(fā)展研究院教師。長期致力于地方文化、民族文化、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承保護(hù)研究。著有《佛在云南——從西雙版納到香格里拉的佛教之旅》《指尖上的故事——云南民族民間工藝大師訪談錄》等專著，在《中華遺產(chǎn)》《人與自然》等雜志發(fā)表文論多篇。

ABSC公司以A-10攻擊機(jī)為目標(biāo)機(jī)，開發(fā)了三代全電剎車系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代，該系統(tǒng)的性能在剎車慣性臺得到初步驗證。此后，ABSC公司被NASA和波音公司選中，為X-37軌道技術(shù)驗證機(jī)配備全電剎車系統(tǒng)。龐巴迪公司選擇ABSC公司為其“戰(zhàn)略技術(shù)飛機(jī)”開發(fā)全電剎車系統(tǒng)，2008年10月，該項目驗證機(jī)成功地進(jìn)行了飛行試驗。

古德里奇公司從20世紀(jì)90年代初開始研制全電剎車系統(tǒng)，受美國空軍資助，與麥道公司合作，以F-16為目標(biāo)機(jī)的全電作動剎車技術(shù)項目，在1995年成功地進(jìn)行了慣性臺試驗驗證。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的全電剎車系統(tǒng)在1998成功地進(jìn)行了飛行試驗[7]。2005年夏季古德里奇公司在“全球鷹”上開展全電剎車系統(tǒng)飛行試驗，全面地驗證了全電剎車系統(tǒng)的各項功能，包括自動剎車控制、微分剎車控制、防滑保護(hù)和自檢測等[4]，隨后推出了商業(yè)化的全電剎車系統(tǒng)。目前，諾·格公司的RQ-4B型全球鷹無人機(jī)已經(jīng)裝備了其完整的全電剎車系統(tǒng)[8]，并且為B-787飛機(jī)生產(chǎn)的全電剎車系統(tǒng)也已開始交付。古德里奇公司生產(chǎn)的電剎車裝置產(chǎn)品[9]如圖3所示。

圖3 古德里奇B-787飛機(jī)全電剎車裝置Fig.3 Electric brake device of B-787 of Goodrich

MBD公司從20世紀(jì)90年末開始研制全電剎車系統(tǒng)，在2006年也被波音公司選中，為B-787飛機(jī)供應(yīng)全電剎車系統(tǒng)和剎車裝置。在2012年珠海航展上，MBD公司展示了其為B-787配套的全電剎車裝置，產(chǎn)品的外形圖如圖4所示。

圖4 MBD B-787飛機(jī)全電剎車裝置Fig.4 Electric brake device of B-787 made by MBD

總部位于英國的MEGGITT公司，是世界主要的機(jī)輪、剎車裝置和剎車控制系統(tǒng)供應(yīng)商之一，2008年MEGGITT公司在龐巴迪驗證機(jī)上開展了全電剎車系統(tǒng)的飛行試驗。試驗結(jié)果表明，電剎車相比液壓剎車更高效，剎車系統(tǒng)的控制性能得到了改進(jìn)[10]。該公司的全電剎車系統(tǒng)在空客A220飛機(jī)上已成功應(yīng)用。

3.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

從ABSC公司研制出第一代全電剎車系統(tǒng)開始，國內(nèi)就開始關(guān)注全電剎車技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代末，國內(nèi)航空機(jī)輪和剎車系統(tǒng)的主要生產(chǎn)單位就正式進(jìn)行全電剎車技術(shù)的研究，并與高校合作對全電剎車技術(shù)進(jìn)行了前期探索[11-12]。

2001年航空工業(yè)西安航空制動科技有限公司與西北工業(yè)大學(xué)合作開展了“航空機(jī)輪全電剎車系統(tǒng)技術(shù)”項目，完成系統(tǒng)仿真、機(jī)電作動機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)設(shè)計制造及新型剎車盤樣件的研制。2005年該課題完成了全部研究目標(biāo)，成功地驗證全電剎車的技術(shù)可行性。西北工業(yè)大學(xué)林輝教授、馬瑞卿教授團(tuán)隊對全電剎車系統(tǒng)開展了大量的研究工作，包括全電剎車作動器和驅(qū)動器設(shè)計、性能仿真，系統(tǒng)控制算法以及故障檢測與重構(gòu)等[13-19]。分析結(jié)果表明：全電剎車系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓剎車系統(tǒng)相比，控制精度高，響應(yīng)頻率快，重量更輕，效率更高。目前全電剎車技術(shù)在無人機(jī)上開始有少量應(yīng)用，但在有人機(jī)領(lǐng)域，全電剎車系統(tǒng)仍處于工程化深入研究階段[20]。

另外，上海飛機(jī)設(shè)計研究院、中南大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)和高校均已經(jīng)開展全電剎車系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司在珠海航展上展示其研制的大型客機(jī)電剎車系統(tǒng)動態(tài)演示臺和電剎車裝置原理樣件，如圖5和圖6所示。包爾丹[22]對電剎車作動器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，并根據(jù)大型民航客機(jī)的需求，重點研究了整體式結(jié)構(gòu)。楊尊社等[23]提出了一種無位置傳感器、無速度傳感器、無壓力傳感器的高壓驅(qū)動裝置的設(shè)計方案，并對該方案進(jìn)行仿真分析與計算，并研究了閉環(huán)控制策略。北摩高科摩擦材料股份有限公司已開展了全電剎車系統(tǒng)的慣性臺試驗，并在航展上展示了其全電剎車裝置的外形圖(如圖7所示)。

圖5 大型客機(jī)電剎車系統(tǒng)動態(tài)演示臺Fig.5 Dynamic demonstration platform of large civil aircraft electric brake system

圖6 全電剎車裝置Fig.6 Electric brake of COMAC

圖7 北摩高科電剎車裝置Fig.7 Electric brakes of Bei Mo Gao Ke

綜上所述，國外全電剎車技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，成熟度高，已在無人機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用，并結(jié)合前期在軍、民用固定翼有人機(jī)上開展的大量驗證試驗，最終在波音公司的B-787飛機(jī)上得到應(yīng)用。國內(nèi)全電剎車研究起步早，但工程化進(jìn)展緩慢，從收集到的信息來看，目前國內(nèi)全電剎車系統(tǒng)在無人機(jī)上已有少量應(yīng)用[3]，在固定翼有人機(jī)上的應(yīng)用，尚處于工程化深入研究階段，仍有諸多關(guān)鍵技術(shù)待突破。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)控制與剎車裝置剛度匹配性設(shè)計

傳統(tǒng)研究認(rèn)為剎車裝置(包括機(jī)架、剎車殼體和機(jī)電作動機(jī)構(gòu))的剛性越好，作動機(jī)構(gòu)的頻率響應(yīng)越好[16]。但是在全電剎車樣件試驗過程中發(fā)現(xiàn)剎車裝置變形量非常小，剎車裝置剛度大，同時發(fā)現(xiàn)剎車力—時間曲線存在周期性尖峰，并伴有刺耳異響。

樣件全電剎車裝置外形圖如圖8所示，單個剎車裝置上設(shè)置有4個EBA，試驗曲線如圖9所示，可以看出：試驗過程中剎車力的控制目標(biāo)值為40 000 N，在剎車保持過程中，剎車力在大范圍地調(diào)整。

圖8 剎車裝置樣件外形圖Fig.8 Electric brake of test pieces

圖9 剎車力-時間試驗曲線Fig.9 Experimental curve of brake force and time

EBA2輸出剎車力-時間曲線圖如圖10所示。

圖10 EMA2剎車力-時間曲線Fig.10 Typical curve of brake force and time of EMA2

從圖10可以看出：實際剎車力峰值達(dá)到68 680 N，整個剎車力調(diào)整的超調(diào)量達(dá)71.2%。初步分析認(rèn)為剎車裝置變形量小，即剎車裝置剛度大，剎車力增大或減小過程中，電剎車作動器內(nèi)部電機(jī)較小的旋轉(zhuǎn)角度，就能導(dǎo)致輸出剎車力大范圍變化，由于電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器測量分辨率有限，系統(tǒng)采用剎車力閉環(huán)控制，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不斷地增加剎車力或者減小剎車力，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振動和異響。

因此，考慮位移傳感器的測試分辨率和精度，系統(tǒng)控制的響應(yīng)周期，剎車裝置變形量小，難以實現(xiàn)剎車力控制上的精度要求和平穩(wěn)性要求。剎車裝置變化量設(shè)計，也就是剎車裝置的剛度設(shè)計，是系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)控制的精度和穩(wěn)定性直接關(guān)聯(lián)。理解和掌握剎車裝置變形量設(shè)計和評估方法，是實現(xiàn)各種功能和開展工程化的最基本條件。

4.2 電剎車作動器設(shè)計

電剎車作動器包括一個轉(zhuǎn)動電機(jī)和一些將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動的機(jī)械裝置，典型情況下，電機(jī)通過一個減速箱與一種滾珠絲杠耦合[20]。電剎車作動器主要由電機(jī)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)(含減速齒輪)、滾珠絲杠、支撐軸承、殼體和活塞等幾部分組成(如圖11所示)。

(a) 電機(jī) (b) 減速齒輪

(c) 滾珠絲杠圖11 電剎車作動器的組成Fig.11 Composition of EBA

高速重載的飛機(jī)在著陸剎車過程中剎車裝置要吸收巨大的能量，剎車摩擦副在剎車制動瞬間所產(chǎn)生的能量可使剎車盤表面溫度達(dá)到1 300 ℃以上。溫度過高時會對飛機(jī)的機(jī)輪和剎車裝置產(chǎn)生不利的影響，例如輪胎爆胎、剎車盤嚴(yán)重氧化以及滾珠絲杠損壞等。樣件試驗中所用的電剎車作動器外形圖如圖12所示。

圖12 剎車裝置樣件外形圖Fig.12 EBA of test pieces

對于電剎車系統(tǒng)來講，如此惡劣的環(huán)境無疑對驅(qū)動電機(jī)的可靠性設(shè)計提出了更高的要求。在試驗和調(diào)試過程中，出現(xiàn)多次卡死無法松剎車的故障，且一旦出現(xiàn)了卡死的故障，由于剎車力的存在，作動器無法松剎車，當(dāng)前的設(shè)計需要拆下機(jī)輪，卸掉剎車力后才能實現(xiàn)松剎車。原理試驗過程中也出現(xiàn)了因軸承選用不當(dāng)，未考慮到剎車力峰值(如圖10所示)，多次工作后導(dǎo)致承力軸承碎裂(如圖13所示)，進(jìn)而導(dǎo)致作動器卡死的故障。在原理試驗過程中，也多次出現(xiàn)因控制系統(tǒng)中作動器控制器故障，導(dǎo)致作動器卡死無法松剎車的故障模式。該種故障模式下，需要更換作動器控制器故障件后，系統(tǒng)重新上電調(diào)隙，才能松開剎車。而在系統(tǒng)安全性分析中，“卡死無法松剎車”的故障模式，是一種不可接受的故障模式。

圖13 滾針軸承碎裂Fig.13 Crack of the ball bearing

電剎車作動器的作動機(jī)構(gòu)設(shè)計時需要進(jìn)行防卡死的設(shè)計，確保各個部件有足夠的強(qiáng)度和剛度，軸承等標(biāo)準(zhǔn)件選取留有足夠的設(shè)計余量，各運(yùn)動部件都能夠很好的潤滑?？刂葡到y(tǒng)導(dǎo)致卡死的故障模式多，設(shè)計難度更大。因此控制系統(tǒng)應(yīng)確保元器件的質(zhì)量等級，進(jìn)行合理的熱設(shè)計和降額設(shè)計，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量。后續(xù)設(shè)計時，可以考慮對松剎車設(shè)置單獨的控制措施，在控制系統(tǒng)故障處理時，可以人工直接控制電作動器松剎車。松剎車后將飛機(jī)牽引回機(jī)庫后，再進(jìn)一步進(jìn)行故障分析與處理，避免飛機(jī)因無法松剎車滯留在跑道上，而影響其他飛機(jī)正常起降。

4.3 高可靠耐惡劣環(huán)境傳感器技術(shù)

EBA中集成了系統(tǒng)控制最為核心的力傳感器和位移傳感器，特別是力傳感器。力傳感器是作動器的力元件，其品質(zhì)在很大程度上決定了作動器的控制精度。電剎車作動器對力傳感器的要求是小體積、大量程、高精度并適應(yīng)剎車高低溫、振動環(huán)境。力傳感器外形圖如圖14所示。

圖14 力傳感器Fig.14 Force sensor

在全電剎車系統(tǒng)中，存在著多種電磁干擾信號。電剎車作動器中存在28 V與270 V兩種電源，其中270 V電源由功率驅(qū)動電路進(jìn)行逆變成交流電供給電機(jī)使用，該逆變過程會產(chǎn)生高du/dt與di/dt輻射干擾，從而對控制部分的弱電信號引入很強(qiáng)的噪聲。力傳感器是飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由于力傳感器工作電壓低，傳輸距離長，勢必會造成力傳感器信號上疊加干擾信號[24-25]。

力傳感器所處的惡劣環(huán)境(如高溫、大載荷、復(fù)雜電磁環(huán)境等)，以及大測量范圍內(nèi)的測試精度、靈敏度，直接決定了系統(tǒng)的控制精度，而且對其健康狀態(tài)的識別也是系統(tǒng)設(shè)計必須優(yōu)先考慮的，否則一旦出現(xiàn)剎車力值異常，將難以判別是系統(tǒng)控制問題，還是傳感器自身的問題。

5 結(jié)束語

與國外全電剎車系統(tǒng)發(fā)展相比，國內(nèi)在技術(shù)上的差距明顯，主要有以下兩個原因。首先，與國外相比，國內(nèi)起落架系統(tǒng)供應(yīng)商專業(yè)劃分細(xì)，資源分散，缺少一個類似于賽峰、古德里奇或利勃海爾這樣的系統(tǒng)級集成供應(yīng)商，來整合各方資源，開展大系統(tǒng)集成驗證，提高全電剎車技術(shù)成熟度，引領(lǐng)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步。其次，目前型號牽引、主機(jī)牽頭、廠家配套的研發(fā)體系，使得配套廠家“坐、等、靠”思想嚴(yán)重，等到型號立項，才進(jìn)一步開展相關(guān)技術(shù)研究，技術(shù)成熟度和進(jìn)度均難以滿足型號研制要求，則全電剎車方案必然被舍棄，被舍棄后該技術(shù)研究又被擱置，如此往復(fù)，致使相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展始終滯后于型號研制。

工程技術(shù)研究不存在“彎道超車”，國內(nèi)全電剎車系統(tǒng)研制須充分借鑒和學(xué)習(xí)國外前期探索過程中總結(jié)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，從原理試驗、系統(tǒng)聯(lián)試、滑行試驗，再到裝機(jī)應(yīng)用，穩(wěn)扎穩(wěn)打，只有把相關(guān)技術(shù)“摸透、吃透”，才能用好新技術(shù)這把雙刃劍。

項目組開展的全電剎車整系統(tǒng)級試驗，耦合影響因素多，系統(tǒng)復(fù)雜，同時還存在系統(tǒng)各組成部件可靠性低，前期認(rèn)識不足導(dǎo)致故障率高和設(shè)計改進(jìn)進(jìn)展緩慢等不足。本文在此基礎(chǔ)上，僅立足于已完成的試驗結(jié)果，梳理了當(dāng)前試驗過程中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵問題，研究成果對后續(xù)全電剎車系統(tǒng)的工程化攻關(guān)具有一定的指導(dǎo)意義，但由于水平有限，且試驗系統(tǒng)仍在優(yōu)化迭代，文章的內(nèi)容可能存在一定的主觀性和片面性。