鄧文亮，吳敬濤，唐揚(yáng)剛

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710000）

引言

據(jù)1970～2004年航空事故調(diào)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(jī)起降時(shí)，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(kuò)散并形成氣膜,起到潤(rùn)滑劑的作用,摩擦系數(shù)衰減明顯，制動(dòng)系統(tǒng)剎車效率下降明顯，飛機(jī)姿態(tài)控制難，并且可能出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，影響飛機(jī)運(yùn)營(yíng)。為保障飛機(jī)的安全運(yùn)營(yíng)，歐美針對(duì)污染跑道進(jìn)行了大量研究，并根據(jù)相關(guān)研究成果修訂了相關(guān)適航條款，編制了符合性驗(yàn)證方法等。與之相比，由于缺乏必要的研究經(jīng)驗(yàn)和工程數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)目前尚未建立起完善的適航審定體系，對(duì)飛機(jī)污染跑道性能分析與驗(yàn)證缺乏系統(tǒng)性研究。

本文開展了濕熱環(huán)境飛機(jī)制動(dòng)摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試與性能研究，進(jìn)行了濕熱環(huán)境飛機(jī)制動(dòng)摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，通過典型工況的濕熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，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(jī)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(luò)的摩擦系數(shù)模型，利用反向傳播來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值，使網(wǎng)絡(luò)誤差的平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)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(luò)加以實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

在飛機(jī)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(jī)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(jī)輪速度，因此建立以剎車盤溫度（℃）、剎車力矩（Nm）、機(jī)輪速度（m/s）為輸入，以摩擦系數(shù)為輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以確定任意條件下的摩擦系數(shù)。

采用三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，各層輸入與輸出關(guān)系為：

式中：

N—隱含層個(gè)數(shù)xi（i=1,2,…,N）為輸入信號(hào)；

θm—閾值；

ωim—從神經(jīng)元m到神經(jīng)元i的連接權(quán)值。

輸入?yún)⒘浚?/p>

式中：

T —?jiǎng)x車盤溫度；

P—?jiǎng)x車力矩；

v—機(jī)輪速度。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

2.1 試驗(yàn)裝置

為了研究濕熱環(huán)境對(duì)剎車盤剎車材料摩擦系數(shù)的影響，參考GB-10006，設(shè)計(jì)了剎車盤剎車材料濕熱環(huán)境摩擦系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在濕熱試驗(yàn)中，將剎車材料置于濕熱環(huán)境中保持一段時(shí)間，使試樣與濕熱環(huán)境的溫度和濕度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，然后使用摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量剎車材料在當(dāng)前所處環(huán)境下的摩擦系數(shù)。進(jìn)行濕熱試驗(yàn)使用ZJ-MC02型摩擦系數(shù)測(cè)試儀，測(cè)試精度為0.05 %FS，如圖2所示，該摩擦系數(shù)測(cè)試儀主要由水平試驗(yàn)平臺(tái)、滑塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及測(cè)力系統(tǒng)構(gòu)成，其中水平試驗(yàn)臺(tái)由平整的非磁性材料制成，平臺(tái)上嵌有用于調(diào)整水平狀態(tài)的水平泡，滑塊用于裝載試樣，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以帶動(dòng)滑塊勻速運(yùn)動(dòng)，速度可以在0～500 mm/min之間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，測(cè)力系統(tǒng)可以測(cè)出拉動(dòng)滑塊的力，用于計(jì)算摩擦系數(shù)。

圖2 ZJ-MC02型摩擦系數(shù)測(cè)試儀

2.2 摩擦材料試樣

實(shí)驗(yàn)材料為用于飛機(jī)剎車盤制造的碳復(fù)合材料，為了便于實(shí)驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)的測(cè)量，參考GB-10006對(duì)試樣材料進(jìn)行了加工處理，其中用于摩擦的下試樣加工尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為133 mm×63 mm×7mm，上試樣的加工尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為63×63×7mm，試驗(yàn)材料及試樣如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)材料及加工好的試樣

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

濕熱環(huán)境下剎車盤剎車材料摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，如圖4所示，試驗(yàn)溫度范圍29.3～39.3 ℃，在正式試驗(yàn)前進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，為可能出現(xiàn)的問題制定預(yù)案。試驗(yàn)開始前先將試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)至水平狀態(tài)，調(diào)整設(shè)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(dòng)狀態(tài)中，故每次測(cè)試中記錄三次溫度和濕度數(shù)據(jù)。

圖4 試驗(yàn)過程實(shí)況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

在濕熱試驗(yàn)中，進(jìn)行了溫度29.3～39.3 ℃范圍內(nèi)共32組有效試驗(yàn)，包含動(dòng)摩擦系統(tǒng)測(cè)試和靜摩擦系統(tǒng)測(cè)試，濕熱試驗(yàn)中，進(jìn)行了50～90 %濕度范圍內(nèi)的試驗(yàn)，每種濕度工況下測(cè)量了31～39 ℃五種溫度下的摩擦系數(shù)。材料動(dòng)摩擦系數(shù)濕熱試驗(yàn)及對(duì)比如圖5所示，材料靜摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及繪制的散點(diǎn)圖和散點(diǎn)曲面，分析可得摩擦系數(shù)同時(shí)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(huì)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(yàn)動(dòng)摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)

圖6 濕熱試驗(yàn)靜摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)

4 濕熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

在濕熱試驗(yàn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。以動(dòng)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(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)研究溫度對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)摩擦系數(shù)的影響。

4.1 濕熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方法一

以溫度為自變量的濕熱試驗(yàn)動(dòng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 材料動(dòng)摩擦系數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)

為了研究濕熱環(huán)境對(duì)剎車片摩擦系數(shù)的影響，選擇合適的擬合曲線進(jìn)行擬合，以擬合優(yōu)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(xiàng)式擬合模型對(duì)內(nèi)外場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合情況及擬合優(yōu)度見圖7。

圖7 材料動(dòng)摩擦系數(shù)濕熱試驗(yàn)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(duì)于濕熱試驗(yàn)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(dòng)摩擦系數(shù)越小。

表2 各擬合模型的擬合優(yōu)度

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方法二

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

表3 材料動(dòng)摩擦系數(shù)濕熱試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

以擬合優(yōu)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合考慮數(shù)據(jù)的分散性，選擇多種擬合模型進(jìn)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(xiàng)式擬合以及冪函數(shù)擬合模型對(duì)濕熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合情況及擬合優(yōu)度見圖8。

圖8 材料動(dòng)摩擦系數(shù)濕熱試驗(yàn)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(duì)于濕熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，各擬合模型的擬合優(yōu)度相對(duì)較低，其中以冪函數(shù)擬合的擬合效果最好。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可見，動(dòng)摩擦系數(shù)與濕度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著濕度的升高，動(dòng)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(jié)

本文對(duì)剎車材料摩擦系數(shù)的濕熱試驗(yàn)進(jìn)行了相似性研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）剎車材料的摩擦系數(shù)與溫度和濕度相關(guān)，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(huì)使剎車材料表面的性狀發(fā)生變化而導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降，同時(shí)，溫度升高，水珠蒸發(fā)，摩擦系數(shù)又會(huì)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(huì)有一些微小的水珠存在，水的表面張力會(huì)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(huì)潤(rùn)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(huì)產(chǎn)生微小的碎屑，這些碎屑填充在摩擦面內(nèi)，高濕度會(huì)潤(rùn)濕這些碎屑，產(chǎn)生一種類似于粘結(jié)劑的作用，使摩擦系數(shù)升高。