邢曉斌,韓亞國(guó),郭 琪
(1. 航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)有限公司,陜西漢中 723000;2. 航空工業(yè)西安航空制動(dòng)科技有限公司,西安 710075)
飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)是飛機(jī)起落架系統(tǒng)的組成部分,主要供飛機(jī)起飛、著陸、地面運(yùn)動(dòng)、控制方向和停機(jī)使用,是現(xiàn)代飛機(jī)安全運(yùn)行不可缺少重要設(shè)備[1]。飛機(jī)剎車系統(tǒng)一般分為正常剎車、應(yīng)急剎車、停機(jī)剎車以及起落架收起機(jī)輪止轉(zhuǎn)剎車系統(tǒng)。現(xiàn)代飛機(jī)正常剎車系統(tǒng)都包含防滑功能,應(yīng)急剎車一般無(wú)防滑功能[2-4]。本文從飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)停機(jī)剎車功能要求入手,確定飛機(jī)電傳防滑剎車系統(tǒng)停機(jī)剎車發(fā)展方向。為飛機(jī)電傳防滑剎車系統(tǒng)停機(jī)剎車設(shè)計(jì)提供參考。
停機(jī)剎車主要用于飛機(jī)在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)情況下,地面停放期間,防止大風(fēng)、跑道坡度等干擾導(dǎo)致飛機(jī)運(yùn)動(dòng)。GJB 2879—1997《飛機(jī)機(jī)輪防滑剎車控制系統(tǒng)通用規(guī)范》中明確要求:“應(yīng)具有必要的剎車壓力以保證飛機(jī)停放時(shí)靜止不動(dòng)”;HB 6761—1993《飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求》中明確要求:“根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求,飛機(jī)的剎車系統(tǒng)可以裝有停放剎車操縱裝置。停機(jī)剎車機(jī)構(gòu)應(yīng)在剎車系統(tǒng)中提供足夠的壓力以產(chǎn)生剎車力矩,在最大設(shè)計(jì)總重下使飛機(jī)剎停在18°斜坡上以及使直升機(jī)剎停在10°斜坡上”。停放機(jī)車應(yīng)考慮到防滑控制閥的內(nèi)泄漏,停機(jī)剎車鎖緊系統(tǒng)應(yīng)有補(bǔ)償預(yù)定泄露和溫度變化的裝置,以便在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車以及溫度下降20 ℃情況下至少保持停放剎車力矩的75%,并維持1 h以上;溫度比開始停放剎車時(shí)剎車上升20 ℃,不應(yīng)引起剎車系統(tǒng)超壓[5]。
典型的飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)(見圖1),由正常防滑剎車子系統(tǒng)和應(yīng)急剎車子系統(tǒng)組成。正常防滑剎車子系統(tǒng)由減壓活門、電液壓力伺服閥、機(jī)輪速度傳感器、防滑控制盒組成;應(yīng)急剎車子系統(tǒng)由應(yīng)急剎車減壓活門、轉(zhuǎn)換活門組成[6]。
圖1 某飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)原理圖
飛機(jī)停機(jī)剎車是正常剎車的一種方式,壓力取決正常剎車減壓活門的輸出壓力,由剎車蓄壓瓶供壓,通過(guò)正常剎車系統(tǒng)減壓活門、電液壓力伺服閥和轉(zhuǎn)換活門實(shí)現(xiàn)[7]。停機(jī)剎車時(shí),飛行員踩下剎車腳蹬板提起停機(jī)手柄,鎖死停機(jī)手柄輸出行程,最后必須切斷關(guān)掉停機(jī)剎車開關(guān),關(guān)掉電磁斷油活門,才能保證12 h的停機(jī)剎車使用要求;若沒有關(guān)掉電磁斷油活門,伺服閥內(nèi)漏會(huì)導(dǎo)致剎車蓄壓瓶的壓力很快下降,則不能保證12 h的停機(jī)剎車使用要求。轉(zhuǎn)換活門一般不存在漏油情況,系統(tǒng)最終保壓壓力大小和保壓時(shí)間只與減壓活門、電液壓力伺服閥漏油量相關(guān)[8-9]。
停機(jī)剎車機(jī)構(gòu)見圖2。飛行員用腳尖向前腳蹬板蹬到止動(dòng)點(diǎn),這時(shí)剎車搖臂上的滾輪壓縮剎車活門的行程達(dá)到最大,使剎車系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生最大的工作壓力,此時(shí),向后拉出剎車手柄,帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng),搖臂卡在限動(dòng)卡板的凹槽內(nèi),剎車搖臂上的滾輪將活門壓縮在停機(jī)剎車的位置上,使起落架的機(jī)輪保持在剎車狀態(tài)。要解除停機(jī)剎車須用腳尖偏轉(zhuǎn)腳蹬板并松開手柄。
圖2 停機(jī)剎車機(jī)構(gòu)
由于機(jī)構(gòu)有間隙和回彈量,停機(jī)剎車壓力不能達(dá)到正常剎車壓力的最大值,一般按正常剎車的80%來(lái)設(shè)計(jì),停機(jī)剎車壓力下機(jī)輪提供的靜力矩不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)最大油門靜止剎車使用要求[10]。
2.2.1 減壓活門工作原理
減壓活門工作原理如圖3所示,基本工作原理如下:
圖3 減壓活門工作原理圖
1)剎車狀態(tài)。在套筒端加操縱力,在操縱力的作用下,套筒向右移動(dòng),并傳力于彈簧,使閥芯向右移動(dòng),接通進(jìn)油腔和剎車腔,輸出剎車壓力。與此同時(shí),閥芯感壓腔受到液壓作用,使閥芯產(chǎn)生與操縱力成比例的反力[8]。
2)保持剎車狀態(tài)。在剎車壓力上升的同時(shí),感壓腔壓力也隨著上升,當(dāng)感壓腔壓力上升到與套筒端的操縱力平衡時(shí),閥芯移動(dòng)切斷進(jìn)油腔和剎車腔,但剎車腔和回油腔尚未接通,此時(shí)處于保壓狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)保持剎車的功能。當(dāng)輸出液壓剎車壓力過(guò)高, 減壓活門的閥芯、閥套再平衡,恒定輸出剎車壓力。
3)松剎車狀態(tài)。消除作用在套筒端的操縱力,由于感壓腔的反力和復(fù)位彈簧的彈簧力,推動(dòng)閥芯向左移動(dòng),使剎車腔和回油腔接通,消除剎車壓力,達(dá)到松剎車狀態(tài)。
2.2.2 減壓活門保壓功能實(shí)現(xiàn)
按減壓活門技術(shù)要求,輸入油源壓力,減壓活門輸出最大剎車壓力并保持24 h,檢查減壓活門回油管嘴的漏油量數(shù)值應(yīng)滿足停機(jī)剎車要求。
2.3.1 電液壓力伺服閥保壓工作原理
電液壓力伺服閥工作原理圖見圖4(a)。供油流入伺服閥,經(jīng)伺服閥進(jìn)口油濾過(guò)濾后,分成兩路,分別流入伺服閥的左、右2個(gè)部分。以右側(cè)部分為例,流入右側(cè)的液壓油一部分經(jīng)右力矩馬達(dá)油濾過(guò)濾后,分別沿2條油路流入2個(gè)節(jié)流孔,降壓后,一路流到閥芯兩側(cè)的環(huán)形面;另一路流入噴嘴,經(jīng)噴嘴與力矩馬達(dá)擋板的縫隙節(jié)流后,流經(jīng)電磁活門,沿回油路流回油箱。流入右閥的另一部分工作油液,進(jìn)入滑閥副的供油腔。閥芯內(nèi)部的油路孔使供油腔始終與閥芯下腔連通[9]。
停機(jī)剎車工作時(shí),伺服閥電磁活門斷電關(guān)閉,伺服閥回油路關(guān)閉,伺服閥回油端口漏油量趨近于零。伺服閥供油由減壓活門提供,伺服閥閥芯在彈簧力和液壓力的作用下,處于圖4(b)中的上端位置(見圖4(b)右閥),停機(jī)剎車壓力與供油壓力相同。電液壓力伺服閥保壓工作時(shí), 電液壓力伺服閥輸出供油壓力,剎車壓力過(guò)高,電液壓力伺服閥內(nèi)部安全活門打開,泄放少許油液,降低輸出剎車壓力,保證系統(tǒng)產(chǎn)品和管路安全。
圖4 伺服閥工作原理圖
2.3.2 電液壓力伺服閥保壓功能實(shí)現(xiàn)
按電液壓力伺服閥技術(shù)規(guī)范要求,輸入規(guī)定液壓壓力,系統(tǒng)保壓時(shí),電液壓力伺服閥電磁斷油活門關(guān)閉,電液壓力伺服閥輸入壓力等于系統(tǒng)保壓壓力,電液壓力伺服閥保壓剎車24 h,檢查減壓活門回油管嘴的漏油量數(shù)值應(yīng)滿足停機(jī)剎車要求。
現(xiàn)役飛機(jī)大多采用電傳剎車系統(tǒng),采用剎車指令傳感器替代了典型飛機(jī)的剎車減壓活門。飛機(jī)電傳防滑剎車系統(tǒng)(見圖5)由正常防滑剎車子系統(tǒng)和應(yīng)急剎車子系統(tǒng)組成。正常剎車系統(tǒng)剎車指令傳感器、電液壓力伺服閥(帶液壓鎖)、轉(zhuǎn)換活門、機(jī)輪速度傳感器、防滑控制盒組成;應(yīng)急剎車系統(tǒng)由減壓活門和轉(zhuǎn)換活門組成[11]。
圖5 現(xiàn)役飛機(jī)電傳剎車系統(tǒng)原理圖
現(xiàn)役飛機(jī)電傳剎車系統(tǒng)的正常防滑剎車子系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)停機(jī)剎車。飛機(jī)電傳防滑剎車系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)急剎車子系統(tǒng)減壓活門實(shí)現(xiàn)停機(jī)剎車。停機(jī)剎車時(shí),飛行員操縱停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu)),鎖死手柄輸出行程,鎖死應(yīng)急剎車子系統(tǒng)減壓活門工作行程。關(guān)閉飛機(jī)能源系統(tǒng),依靠正常剎車系統(tǒng)蓄壓器儲(chǔ)備的液壓壓力保持飛機(jī)停機(jī)剎車壓力不低于5.4 MPa~6.4 MPa,并保持12 h以上。停機(jī)剎車最終保壓壓力大小和保壓時(shí)間長(zhǎng)短只與減壓活門漏油量相關(guān)。
液壓系統(tǒng)因存在高壓,液壓油有中毒和著火的風(fēng)險(xiǎn),現(xiàn)代飛機(jī)為滿足適航要求,保護(hù)人員安全,液壓附件不能布置在有人艙內(nèi),因此現(xiàn)代飛機(jī)的剎車系統(tǒng)均采用采用電傳操縱、數(shù)字防滑控制、液壓伺服作動(dòng)技術(shù)[12]。其停機(jī)剎車功能無(wú)法再整合在正常剎車系統(tǒng)內(nèi),只能由應(yīng)急剎車子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),即設(shè)計(jì)為停機(jī)/應(yīng)急剎車一體化?,F(xiàn)代飛機(jī)停機(jī)剎車實(shí)現(xiàn)有以下4種方式。
機(jī)械機(jī)構(gòu)控制的應(yīng)急剎車系統(tǒng)是一種連桿操縱機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)控制減壓活門輸出與手柄行程成正比的剎車壓力。機(jī)械機(jī)構(gòu)控制的應(yīng)急剎車系統(tǒng)(見圖6)是1套機(jī)械機(jī)構(gòu)。由停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu))、頂桿、導(dǎo)向筒組件(內(nèi)置回力機(jī)構(gòu))、支架和減壓活門等組成。該機(jī)構(gòu)安裝在駕駛艙,剎車系統(tǒng)進(jìn)油管路、剎車管路、回油管路必須進(jìn)入駕駛艙。該機(jī)構(gòu)在飛機(jī)應(yīng)急剎車子系統(tǒng)廣泛使用。
圖6 機(jī)械連桿應(yīng)急剎車機(jī)構(gòu)
在停機(jī)剎車時(shí),飛行員按住停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu))上的鎖定機(jī)構(gòu),并將手柄拉到底后松開,手柄自動(dòng)鎖定機(jī)械機(jī)構(gòu)輸出行程,鎖死減壓活門工作行程,使減壓活門輸出恒定剎車壓力;關(guān)閉能源,蓄壓器提供液壓壓力實(shí)現(xiàn)停機(jī)剎車。
按下停機(jī)/應(yīng)急手柄端頭的按鈕“解鎖”停機(jī)剎車,手柄沿拉起方向的反方向回到初始位置,停機(jī)剎車壓力解除。
手柄鋼索控制的應(yīng)急剎車系統(tǒng)是一種鋼索操縱機(jī)構(gòu)(見圖7),該機(jī)構(gòu)控制減壓活門輸出與手柄行程成正比的剎車壓力。由停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu))、鋼索機(jī)構(gòu)和減壓活門等組成。停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄安裝在駕駛艙內(nèi),鋼索機(jī)構(gòu)部分和減壓活門安裝在駕駛艙外,減壓活門進(jìn)油管路、剎車管路、回油管路不進(jìn)入駕駛艙,通過(guò)鋼索實(shí)現(xiàn)減壓活門遠(yuǎn)距操縱。
圖7 手柄鋼索應(yīng)急剎車機(jī)構(gòu)
停機(jī)剎車時(shí),飛行員按住停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu))上的鎖定機(jī)構(gòu),并將手柄拉到底后松開,手柄自動(dòng)鎖定鋼索機(jī)構(gòu)輸出行程,鎖死減壓活門工作行程,使減壓活門輸出恒定剎車壓力;關(guān)閉能源,蓄壓器提供液壓壓力實(shí)現(xiàn)停機(jī)剎車。
按下停機(jī)/應(yīng)急手柄端頭的按鈕“解鎖”停機(jī)剎車,手柄沿拉起方向的反方向回到初始位置,停機(jī)剎車壓力解除。
液傳控制的應(yīng)急剎車系統(tǒng)是一種通過(guò)流體傳力的方式,該機(jī)構(gòu)控制剎車傳感器擠出油液控制減壓活門,減壓活門輸出剎車壓力與手柄行程成正比。由停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu))、剎車傳感器和減壓活門等組成,如圖5所示的減壓活門換剎車傳感器即可。圖5機(jī)械機(jī)構(gòu)安裝在駕駛艙,減壓活門安裝在駕駛艙外,減壓活門的進(jìn)油管路、剎車管路、回油管路不進(jìn)入駕駛艙,剎車傳感器通過(guò)一根油管實(shí)現(xiàn)減壓活門遠(yuǎn)距離操縱。
在停機(jī)剎車時(shí),飛行員按住停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄(帶鎖緊機(jī)構(gòu))上的鎖定機(jī)構(gòu),并將手柄拉到底后松開,手柄自動(dòng)鎖定機(jī)械機(jī)構(gòu)輸出行程驅(qū)動(dòng)剎車傳感器輸出對(duì)應(yīng)的油液容積,控制具有液控功能的減壓活門輸出恒定剎車壓力。關(guān)閉能源,蓄壓器提供液壓壓力實(shí)現(xiàn)停機(jī)剎車。
按下停機(jī)/應(yīng)急手柄端頭的按鈕“解鎖”停機(jī)剎車,手柄沿拉起方向的反方向回到初始位置,停機(jī)剎車壓力解除。
電控作動(dòng)器操縱的應(yīng)急剎車系統(tǒng)由剎車指令傳感器、線性電控伺服作動(dòng)器和減壓活門組成。剎車指令傳感器代替圖5中的減壓活門,安裝在駕駛艙內(nèi);線性電控伺服作動(dòng)器和減壓活門安裝在駕駛艙外,減壓活門的進(jìn)油管路、剎車管路、回油管路不進(jìn)入駕駛艙,剎車指令傳感器和線性電控伺服作動(dòng)器通過(guò)導(dǎo)線連接, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距操縱。
在停機(jī)剎車時(shí),飛行員按住手柄上的鎖定機(jī)構(gòu),操縱停機(jī)/應(yīng)急手柄,并將手柄拉到底后松開,手柄自動(dòng)鎖定。使剎車指令傳感器輸出與手柄行程成正比的電流信號(hào),手柄機(jī)構(gòu)給停機(jī)剎車開關(guān)斷電。線性電控伺服作動(dòng)器根據(jù)電流信號(hào)大小輸出對(duì)應(yīng)的行程,驅(qū)動(dòng)減壓活門輸出恒定剎車壓力;同時(shí)手柄機(jī)構(gòu)斷開停機(jī)剎車開關(guān)信號(hào),鎖死線性電控伺服作動(dòng)器位置。關(guān)閉能源,蓄壓器提供液壓壓力實(shí)現(xiàn)停機(jī)剎車。
剎車系統(tǒng)通電,按下停機(jī)/應(yīng)急手柄端頭的按鈕“解鎖”停機(jī)剎車,手柄沿拉起方向的反方向回到初始位置,停機(jī)剎車壓力解除, 目前該系統(tǒng)正在研究中。
電液壓力伺服閥控制的應(yīng)急剎車系統(tǒng)是用新型正增益電液壓力伺服閥(帶保壓功能)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距剎車。圖4某飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)原理圖中應(yīng)急剎車子系統(tǒng)的減壓活門被圖3新型正增益電液壓力伺服閥(帶保壓功能)替代,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)停機(jī)剎車。
4.5.1 新型正增益電液壓力伺服閥工作原理
1)電磁液壓鎖通電開鎖之后,壓力伺服閥就處于正常供壓狀態(tài)。當(dāng)壓力伺服閥力矩馬達(dá)線圈輸入正極性的控制電流信號(hào)時(shí),在磁路上產(chǎn)生一個(gè)控制磁通,該磁通與永久磁鋼產(chǎn)生的極化磁通相互作用,在銜鐵上產(chǎn)生一個(gè)控制力矩,使銜鐵組件偏轉(zhuǎn),擋板偏移,在閥芯兩端產(chǎn)生控制壓差,使閥芯移動(dòng),回油控制窗口趨向關(guān)閉,進(jìn)油控制窗口趨向開啟,剎車腔壓力逐漸增加,直至作用在閥芯上反饋力與控制力平衡,伺服閥輸出剎車壓力與輸入電流成比例[13]。輸入的電流越大,輸出的剎車壓力越高,實(shí)現(xiàn)了正增益的剎車壓力控制。當(dāng)伺服閥力矩馬達(dá)線圈的控制電流逐漸減小時(shí),閥芯的移動(dòng)工作過(guò)程與上述過(guò)程相反,壓力伺服閥剎車口的壓力會(huì)逐漸減小。新型正增益電液壓力伺服閥(帶保壓功能)工作原理見圖8。
圖8 正增益電液壓力伺服閥
2)系統(tǒng)停機(jī)剎車開關(guān)斷電,電磁液壓鎖內(nèi)的鋼球在進(jìn)油口油壓作用下緊靠在外鋼球座的密封尖邊處,進(jìn)油通過(guò)內(nèi)鋼球座以及閥體內(nèi)部的油路通到活塞左端面和閥芯右端面,此時(shí),閥芯右端面壓力和活塞左端面壓力均與供油壓力相同。由于活塞左端面的作用面積大,在軸向合力的作用下,使閥芯止靠于圖示右端位置。液壓系統(tǒng)進(jìn)油與壓力伺服閥進(jìn)油口(即圖示J1、J2口)之間,以及液壓系統(tǒng)進(jìn)油與電磁液壓鎖的連通口之間都處于切斷狀態(tài)。電磁液壓鎖的鋼球與內(nèi)鋼球座內(nèi)孔為尖邊密封結(jié)構(gòu);閥芯與閥套、活塞與閥套為極微小間隙密封,這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證在供油壓力21 MPa時(shí),從電磁液壓鎖回油管嘴流出的內(nèi)部泄漏量不大于2 mL/min。
4.5.2 應(yīng)急剎車系統(tǒng)組成
電液壓力伺服閥控制的應(yīng)急剎車系統(tǒng)由停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄、剎車指令傳感器、新型正增益電液壓力伺服閥(帶保壓控制功能)等組成。停機(jī)/應(yīng)急剎車手柄、剎車指令傳感器代替圖5減壓活門,安裝在駕駛艙內(nèi);新型正增益電液壓力伺服閥(帶保壓控制功能)安裝在駕駛艙外,剎車指令傳感器和電液壓力伺服閥通過(guò)導(dǎo)線連接, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距操縱。
4.5.3 應(yīng)急剎車系統(tǒng)停機(jī)剎車工作原理
停機(jī)剎車時(shí),飛行員按住手柄上的鎖定機(jī)構(gòu),操縱停機(jī)/應(yīng)急手柄,并將手柄拉到底后松開,手柄自動(dòng)鎖定,使停機(jī)剎車開關(guān)斷電、力矩馬達(dá)斷電。新型正增益電液壓力伺服閥(帶保壓控制功能)進(jìn)入保壓工作狀態(tài),輸出與油源壓力相同的剎車壓力。關(guān)閉能源,蓄壓器提供液壓壓力實(shí)現(xiàn)停機(jī)剎車。
剎車系統(tǒng)通電,按下停機(jī)/應(yīng)急手柄端頭的按鈕“解鎖”停機(jī)剎車,手柄沿拉起方向的反方向回到初始位置,停機(jī)剎車壓力解除。
飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)是飛機(jī)起落架系統(tǒng)的組成部分,是現(xiàn)代飛機(jī)安全運(yùn)行不可缺少的重要設(shè)備。本文從飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)停機(jī)剎車功能要求入手,確定停機(jī)剎車操縱方式逐漸由機(jī)械連桿操縱向遠(yuǎn)距電控操縱轉(zhuǎn)變的發(fā)展方向。最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)停機(jī)剎車的合理配置,從而提高了停機(jī)剎車的控制距離,減輕了停機(jī)剎車系統(tǒng)的重量,使其人機(jī)功效更好,系統(tǒng)安全性、可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性更佳。為飛機(jī)停機(jī)剎車設(shè)計(jì)提供參考。最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、可靠、環(huán)境適應(yīng)性更佳配置合理的飛機(jī)停機(jī)剎車。