飞机起落架刹车装置设计中的热学研究

飞机起落架刹车装置中的热学研究 南京航空航天大学 硕士学位 飞机起落架刹车装置设计中的热学研究 姓名:戴雁琴 申请学位级别:硕士 专业:飞行器设计 指导教师:聂宏 20050301 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 弱车装置是利用刹车副的摩擦产生制动，将飞机的动能转化为热 能的一种装置。刹车材料对刹车装置的重量、性能和寿命起着决定性 的作用。 本文讨论了刹车装置设计的发展，选择盘式刹车作为研究对象， 通过对摩擦材料的研究，掌握了刹车装置的容腔估算、热载计算和摩 擦偶设计方面的算法原理和理论依据。 文中主要研究了对盘式刹车集的瞬时温度场分布。建立了起落架 刹车盘的瞬态温度分析模型，运用编程软件VC++编制了数值分析平台。 以某一机型机轮为例，模拟了碳刹车盘的瞬时温度场，并对其进行变 参数性能优化讨论。分析结果表明，文中建立的碳,碳复合材料刹车装 置的瞬态温度分析模型，是可行的，和实际情况比较吻合。在温度分 布上，刹车集内部温度高于外围温度，径向温度最高点出现在距离外 径比较近的部位。温度随时间的发展趋势是，先快速上升，然后持续 保持，最后下降。对比碳刹和钢刹的瞬时温度场，以及模型变参数性 能优化结果表明，对于刹车装置来说，提高刹车的热力学性能有很多 方式。主要有加强换热，进行隔热处理，选取热容量大的摩擦材料等。 在热分析结果的基础上，又进行了热设计改进，简要提出了若干 实用的改进设计。 关键词:起落架， 刹车， 碳,碳复合材料，瞬时温度， 数值分析 热设计 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 AB STRACT The brakeisthe whichtransformskinetic landinggear equipment toheat withthefriction thebrakediscs(The energy energy producedby forthe materialofbrakeisthedeterminantfactor and lifespan( ofthe brake The oflandinggear isdiscussed( developmentdesign Herethe isdisc brake theresearchofthe object style system(With theoreticarithmetic friction ofthe of material，the design system bra。ke containcanbe wellasthe andthe educed，as thermalload friction couple( The researchworkisabouttransient ofa major temperatureanalysis disc an brake system(After model， a multiple buildingapproximate id with numerical platform VisualC++(Withthis analytical programmed ofabrake issimulated(Theconclusion platform，thetemperaturesystem ofthesimulationthatthe modelisfeasible(The shows approximate inner discsis ofbrake much thanthe temperature higher boundary(The imum isfoundtooccurbetweenthemidandouter temperature radiusesof trendof discs(The temperaturetotimeisincrease， according and thevalueof keepingdecrease(Through parameters， the changing thermal methodsare as theheat optimization found，such increasing transfer heat insulation and new coefficient，installing equipments using frictionmaterialwith heat large capacity( Based the brake is analysis，the upon landinggear system improved of thermal several amendments byway design，andpractical areraised( Key gear，brake，carbon,carbon words:landing temperature，numericaldesign analysis，thermal II 承诺书 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的学位论文在解密后适用本承诺书 作者签名:越盈塾 日期:埘。2(坫 南京航空航天大学硕士学位论文 注 释 表 摩擦系数 单位重量能载 单位面积能载 单位刹车功 摩擦面积改变系数 刹车盘的旋转面积 动盘的外圆半径 静盘的外圆半径 动盘的内圆半径 静盘的内圆半径 动盘摩擦面的接触面积 静盘摩擦面的接触面积 动盘上槽，孔的面积 静盘上槽，孔的面积 面积重叠系数 旋转过程中最大的摩擦面积 旋转过程中最小的摩擦面积 最大比压 最小比压 平均比压 系统正常工作压力 回力弹簧等引起的压力损失 一个活塞的面积 活塞个数 刹车块摩擦总面积 刹车块数 ‖,,件而如吩。‘、日‘峨峨伊k?k??只舭R?民,鼠 刹车块宽度 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 刹车块四个缺口边长 摩擦面直径 刹车钢圈直径 刹车块间的最大间隙 平均摩擦系数 刹车力矩名义值 摩擦面数 刹车动能 平均刹车力矩 “,?吩坂?4?q 机轮重量 不带刹车装置和轮胎 刹车容腔体积 刹车盘外径 刹车盘内径 o取以B 最大刹车容腔宽度 轮胎结合径 轮毂型面凹陷量 毂缘壁厚度 导轨凸台高度 刹车盘与轮毂间隙 B，“。越o 毅部壁厚 、 刹车壳体壁厚 毂部与刹车毂体间隙 刹车盘与刹车壳体间隙 机轮刹车装置总宽度 辐板厚度 汽缸座厚度 辐板与刹车壳体间隙 k赴趣邑。o越B 轮胎宽度 刹车装置重量 刹车装置体容温度 环境温度 经验系数 q屯。世? 南京航空航天大学硕士学位论文 不同刹车状态的刹车能量 组成热库的不同材料的重量 与组成热库的不同材料相应的材料比热 ， 热容量 导热系数 换热系数 每个刹车片的厚度 内半径 外半径 角速度 压力 外界环境温度 旋转雷诺数 努塞尔数 空气的导热系数 4,C声^^万马心?P疋如帆九D 特征尺寸 t 特征尺寸 v 线速度 u 运动粘度 q 格拉晓夫数 重力加速度 流体体积膨胀系数 1 壁面与流体的湿度差 特征尺寸 IS 轮胎压力指示系统 b0‖凹，"川MS 刹车温度测量系统 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1(1机轮刹车装置简介 起落架主要用于飞机的起飞、着陆、地面滑跑和地面停放。整个起 落架系统，由支柱、缓冲器 有时为支柱与缓冲器合一的缓冲支柱 、机 轮 若落在水上则为浮筒，若落在冰雪上则为滑撬 、轮胎及支承或收放 机构等组成。长期以来，随着航空航天事业的发展，飞行器起落架越来越 受到国防人员的重视。中国的起落架研究也在近五十年中得到了飞速发 展。改善飞机起落架的结构性能设计，研究的主要装置有缓冲器、机轮刹 车、防滑系统、前轮操纵、阻力伞和拦阻钩等。本文侧重研究起落架的机 轮刹车装置。 在人类开始发明的飞机时，机上只装备机轮而不装备刹车装置，因 为当时飞机着陆速度很低，飞机向前运动的阻力足以使飞机在合适的距离 内停止运动。随着对飞机制动要求的提高，机轮刹车装置的尺寸在增加， 结构形式在改进。最近几年飞机的发展更是突飞猛进，这就对刹车装置有 着更多更高的要求，需要探索研究的问题也越来越多。 飞机的刹车装置其实是航空机轮的一大组成部分，对于刹车装置的 研究，当然离不开对整个机轮的了解。 航空机轮的主要功用是支承、刹停飞机和减轻飞机着陆冲击。它一 般由轮毂、刹车装置和轮胎三个主要部件组成。它装在飞机起落架的轮轴 上，与起落架共同组成飞机的缓冲系统。支承飞机靠的是轮胎和轮毂，它 们承受来自地面的各种静、动载荷。刹停飞机靠的是刹车装置，它提供很 大的刹车力矩来制动机轮，使轮胎与地面间产生很大的摩擦力，达到停住 飞机的目的。而轮胎园内部冲有一定压力的气体，在着陆冲击下产生很大 的压缩变形吸收了一部分垂直下沉功量，但大部分功量由起落架上的缓冲 器吸收，达到减振效果。 航空机轮按有无刹车装置分为两大类:刹车机轮和无刹车机轮。刹 车机轮按刹车结构形式又分三种:弯块式、软管式和盘式，参见图5(1。 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 图1(1航空机轮分类 通常，无刹车机轮多用在飞机的前起落架上。刹车机轮主要用于飞机 的主起落架上。弯块式刹车机轮见于20世纪50年代的早期飞机上;软管 式刹车机轮则用在20世纪60年代的飞机上;20世纪60年代初出现了盘 式刹车机轮。由于盘式刹车具有相当好的刹车力矩，而且更便于液压控制， 因此目前使用最多的是盘式刹车机轮，盘式已经大部分取代了弯块式和软 管式。至今无论大型飞枫0波音747 还是小型直升机 超黄蜂 都采用 了盘式刹车机轮。 盘式刹车装置主要由刹车汽缸、刹车系统、静盘、动盘和自动调隙回 力机构等组成。图1(2就是典型的盘式刹车装置。 刹车汽缸一般为锻铝件，内部装有液压 或气压 驱动的活塞，产生 轴向力而压向动静刹车盘发生摩擦。刹车壳体常为钢锻件，承受拉伸和扭 转载荷，并且在刹车时承受高温的作用。它主要用来支承动、静刹车盘， 并将刹车力矩传送到起落架轮轴法兰盘上。静盘和动盘结构形式较多，是 刹车装置中的摩擦偶，产生刹车力矩并吸收能量转换来的刹车热，刹车装 置的刹车性能就取决于摩擦偶的性能。自动调隙回力机构主要是当刹车盘 磨损间隙增大时能调整拉杆伸出量，保证刹车间隙为一常值，并且当松刹 2 南京航空航天大学硕士学位论文 车时，能在回力弹簧作用下很快地解除动、静盘的接触，能提高刹车系统 的快速性和效率。 图I(2典型盘式刹车装置 1(2国内外研究发展现状 对于刹车装置的研究，主要包括: 性能计算、结构设计、摩擦偶设计、 强度和刚度的计算及验算，疲劳设计、 寿命估算和寿命评估，轴承选择及 实验验证等内容。 目前对于这些方面都有研究，其中摩擦偶的设计，也就是对刹车主体 的研究是主体，因为它决定这整个刹车装置的结构和性能。而对刹车主体 的研究，刹车材料又是重点，因为刹车材料对刹车装置的重量、性能和寿 命起着决定性的作用。 刚开始研制飞机时，刹车盘大多是由粉末冶金、单金属及铸铁材料制 成的飞机机轮刹车盘 简称为钢刹车盘 。随着材料技术的研究发展，出 现了由碳纤维增强碳基体复合材料 简称为碳,碳复合材料 制成的飞机 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 机轮刹车盘 简称为碳刹车盘 。碳刹车材料以其重量轻、耐磨损、耐高 温、耐腐蚀、摩擦系数稳定等优点成为目前飞机刹车材料的首选，也成为 衡量飞机机轮刹车系统是否先进的重要标志之一。 国外早在20世纪初就开始研制碳刹车材料。我国于20世纪70年代首 次 将碳刹车材料应用于飞机刹车盘。在国外，碳刹车的应用已非常普遍，近 十多年来新研制的飞机大多采用碳刹车技术，国内近几年碳刹车技术也获 得较快发展。 但是国内碳刹车材料还处于初步应用阶段，尚未经过长期而大量的实 际使用的考核，在一些性能指标上与国外相比还存在一定差距。表1(1列 出了国内与国外存在差距的碳刹车主要技术指标，由于国内外从事碳刹车 材料研制的厂家有很多，各家生产碳刹车材料的工艺不尽相同，表中列出 的是有代表性的指标值。 表1(I主要技术指标对比 技术指标 国内 国外 导热系数 上 w,m(k 18,25 23,30 热膨胀系数 一O(28,1(3 0(4,1(1 X10-6,oC 层间剪切强度MPa 8,13 15,23 刹车寿命 起落 100001500 2000,3000 前峰力矩,平均力矩 1(5,1(8 1(O,1(2 湿态刹车 影响后续1,2次刹车 当次6,10秒恢复正常 力矩脱尾 有，后3秒 没有或很少 目前世界上已有60余种飞机采用了碳,碳刹车装置。欧美公司生产的 民航飞机的刹车系统已逐渐用碳,碳刹车盘取代钢刹车盘。如空中客车公 司的所有飞机都采用了碳,碳刹车装置，波音公司卖给用户的757和767可 在两种刹车盘之间任选一种，而747―400以及777则只提供碳,碳刹车盘。 现代军用飞机也都发展为碳,碳刹车装置。美国从事航空机轮和碳刹车装 及碳化硅公司、联合碳化物公司等。Hitco和Bendix是世界上最大的两家 生产碳,碳复合材料及碳,碳刹车盘的公司，ABS公司的碳,碳刹车盘已 用于 4 南京航空航天大学硕士学位论文 碳,碳刹车装置。 法国研制碳,碳刹车装置的有欧洲动力装置公司、米西尔一西班牙一毕 加第公司、洛林碳业公司、国营宇航公司。欧洲动力装置公司是世界上第 幻影F1等机型。米西尔公司主要为空中客车系列飞机提供碳，‘碳刹车装置。 邓禄普公司是英国主要研制和生产碳,碳刹车装置的公司之一，该公司 的产品已用于B767―300、BAel46、“协和”式、“鹞”式等机种上。 日本从事碳,碳刹车材料研制工作的有萱场工业公司，东邦贝斯纶公司 和东京工业材料研究所等。 我国从70年代初开始研制碳,碳刹车装置，先后参与此项工作的有兰州 碳素厂、514厂、上海碳素厂、烟台冶金新材料研究所、西北【业大学等 单位，采用的工艺主要为CVD法。在致密化工艺、增强体准备、性能 控制等方面，取得了一些成绩，研制出了某型飞机碳,碳盘样件、BAel46碳, 碳盘样件、碳,碳盘的缩比件。并进行了性能及结构方面的研究，尤其在摩 擦磨损机理、石墨化度的影响及提高石墨化度的方法等方面进行了较深入 的探讨，提出了高摩擦性能碳,碳材料的模型。 从总体情况来讲，目前国内的技术水平与国外先进水平相比尽管仍有 差距，但已有能力生产合格的碳,碳盘。遗憾的是我国的碳,碳盘还没有普 及，主要在于以下几个方面。: 1 设备方面比较落后，生产周期长(批量小、 成本居高不下，有些核算成本比进口碳,碳盘还高，在市场竞争中处于劣 势: 2 在民机上应用有一个技术许可问题，没有得到波音、麦道、空中客 车等国外飞机生产厂家的许可是不能装备其飞机的，而要取得许可证则需 要一定的财力支持，同时由于国际上碳,碳盘市场竞争局面已经形成，进入 这一市场有一定困难，必须有民航等各方面的配合支持: 3 资金投入不足 在新型致密化工艺、摩擦性能等关键性技术方面的研究进展较小，落后于 国外先进水平，落后则打不入市场，进不了市场，则没有财力提高水平， 实 际是没有进入良性循环状态。 1，3课题研究背景和意义 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 对比国内外的发展现状，国内的碳刹车材料还处于初步应用阶段，尚 未经过长期而大量的实际使用的考核，在一些性能指标上与国外相比还存 在一定差距。通过对国内外碳刹车盘进行大量对比试验以及对实际应用情 况进行分析，发现国内碳刹车存在材料力学性能、热物理性能、刹车性能、 使用寿命、系统响应、热设计及热防护等方面的一些问题。 i 碳刹的热物理、力学性能问题 碳刹车材料热物理性能包括比热容、导热及热膨胀系数，其中对刹车 性能影响较大的是垂直方向的热传导和热膨胀系数。 垂直方向的热传导系数大，则碳盘刹车能量沿垂直方向扩散快，表面 热聚集少、相对温度低，对周边零部件热辐射小，同时也有利于减小碳盘 的磨损以及保持刹车性能稳定。根据测量结果，国内生产的碳刹车盘的垂 直方向的热传导系数比国外平均低1,5左右。 从热膨胀系数来看，如果单从刹车盘方面考虑，似乎越小越好，但综 合考虑并非如此，这是因为在碳刹车盘的非摩擦面涂敷了一层防氧化涂 层，通常使用的防氧化涂层在受热后往往产生少量膨胀，这就要求材料基 体在刹车时也能产生相应的少量膨胀，才能达到最佳匹配，才不至于在使 用过程中因热膨胀系数差异过大造成涂层开裂、脱落现象，从表1(1可以 看出，目前国内生产的碳盘热膨胀系数随温度变化范围较大，甚至在400, 500。C以下还有负膨胀现象。 碳材料的力学性能包括拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和剪切强度等， 国内生产的碳材料刹车盘的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度与国外相当， 但剪切强度要低于国外的，英国DUN-LOP公司和法国SEP公司的碳盘，该指 标在15,23MPa，而国内则在8,13MPa范围，因此，国内生产的碳刹车盘 的寿命往往要低于国外产品。碳刹车盘层问剪切强度太低是造成碳盘剥离 的一个重要原因。 碳刹车材料热物理和力学性能的问题，可以通过选用不同碳材料基体 结构、改进生产工艺加以改进。 2 碳刹的刹车性能问题 刹车性能的一个最直观的衡量指标是刹车力矩，根据目前掌握的资 料，国内碳刹车材料的刹车力矩有以下几个问题:前峰力矩太高、静力矩 低 拖尾 、湿态性能差等问题。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 前峰力矩太高对刹车过程不利，可能导致刹车系统频繁工作、轮胎磨 损加剧，从而降低刹车效率，可以通过提高碳刹车材料的石墨化度、降低 刹车比压、减小加压速度来控制。 刹车力矩拖尾现象一般发生在刹车后期的3秒以内，此时刹车速度在 40km,h左右，拖尾现象造成刹车距离拉长、刹车效率降低，同时也间接反 映该材料的静刹车力矩太低，难以满足起飞线刹车要求，解决这一问题又 要求降低材料的石墨化度。 湿态性能差表现在:当碳刹车盘在全湿或吸潮状态下刹车时刹车力矩 值低且不稳定，同时后续1,2次刹车也受到影响，这是由于刹车时形成的 水蒸气膜起到了一层润滑剂的作用，降低了对偶面间的摩擦系数所致。根 据国外资料报道，湿态刹车时，应在6,10秒后恢复到干刹车状态的性能， 因此，国内碳刹车材料生产厂家在这方面还要进行大量的研究工作。 3 频率响应与分级响应问题 应将刹车系统、管路、刹车机轮、轮胎以及起落架作为全系统来综合 考虑频率响应与分级响应特性。 对频率响应而言，应要求刹车力矩对刹车压力响应的相位差小，一般 应小于20。。限于条件，目前的做法是将国内外刹车材料进行相似性对比 试验，待刹车力矩稳定后，对刹车装置施加不同频率的正弦波刹车压力， 测定刹车力矩的响应情况，根据测量结果，国内刹车材料在某几个频率下 不能达到要求。 对分级响应而言，一般应要求刹车力矩对刹车压力的响应时j刨短， 刹 车压力对刹车信号的响应时间短，一般应大于690MPa,s。具体做法是，刹 车时施加突跃刹车电流信号，产生突跃刹车压力和刹车力矩，测量刹车压 力和刹车力矩响应情况。根据测量结果，目前国内刹车材料也不能达到上 述要求。 4 热设计方面的问题 国内在热应力分析和热防护研究方面与国外相比还存在较大的差距。 在热应力分析方面，国外已经将刹车装置与机轮作为一个整体用专用的有 限元分析软件进行分析，计算出各刹车盘以及机轮各部位的温度场来指导 具体的结构设计和热设计。 在热防护方面，国外在结构设计上进行了很多研究，如带波纹状夹层 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 的隔热屏、刹车扭力筒上安装隔热罩保护起落架轴、安装温度传感器监测 刹车温度、在轴上安装风扇降温等。这些措施可以极大减小碳刹车产生的 高温对机轮、轮胎、轮轴以及刹车介质的损害，保证使用安全，今后国内 还应加强这方面的研究和应用。 以上四个主要问题成为碳刹车材料应用的瓶颈，也是当前研究的热点 问题。目前国内对于这四个方面问题的研究，主要集中在起落架防滑控制 方法和刹车性能等方面的研究，对起落架刹车的热场分析、冷却，热设计 方面研究比较少。 面对这样的背景，本文对于刹车盘集的热学温度场的研究，就有着非 常重要的意义。通过对瞬时温度场的研究，找出影响刹车装置热学性能的 主要因素，进而可以为整个刹车盘集的热设计提供铺垫和支持。 1(4论文的主要工作简介 目前对于刹车装置的设计，主要是采用实验的方式得出设计参数，然 后采用经验公式进行估算。这就为刹车装置的系统设计带来了诸多问题， 实验需要很多人力物力和时间，估算又有很多误差。 国外已经将刹车装置与机轮作为一个整体来进行设计了。他们采用专 用的分析软件进行分析，计算出各刹车盘以及机轮各部位的温度场来指导 具体的结构设计和热设计。国内热设计研究方面与国外相比存在较大的差 距。 本文的直接背景是，由于碳刹的性能优越，我国某些飞机起落架上的 钢刹车材料要改换成碳刹车材料。由于两种材料的畜热能力不同，刹车集 的热场分部不同，可能会影响整个机轮轮毂。为了方便瞬时温度场的分析， 也为实现刹车集的热设计，有必要开发一个系统分析平台。本论文主要完 成了以下四个方面的工作: 1 在讨论刹车装置设计发展的基础上，选择盘式刹车作为研究对象， 通过对摩擦材料的研究，掌握刹车装置的容腔估算、热载计算和摩擦偶设 计方面的和依据。 2 对盘式刹车集的温度进行瞬态分析。建立了起落架刹车盘的瞬态温 8 南京航空航天大学硕士学位论文 度分析模型，运用编程软件VC++编制了数值分析平台。以某机型机轮为例， 模拟了碳刹车盘的瞬态温度场，并对其进行变参数性能优化讨论。随后又 给出了钢刹车盘的瞬态温度场，对比讨论了钢刹和碳刹在实际运用过程的 性能差异。 3 对比分析影响刹车集温度场的各种因素，从而找出影响刹车热学性 能的主要因素，为整个刹车热设计和性能改进提供一定的参考。 4 在热分析结果的基础上，进行热设计改进。简要提出了若干实用的 改进设计方案。 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 第二章 刹车装置的估算设计 2(1摩擦偶的设计 2(1(1摩擦材料 刹车装置的估算，首先要确定摩擦偶，选择摩擦材料时要符合一定的 要求: 1 一定的机械强度 常温，高温 ，要求能承受一定的冲击力和冷热疲 劳，有较强的抵抗热应力和热变形的能力。 2 良好的摩擦性能，即适当的摩擦系数 ? O(18,O(3 ，较低的力矩 峰比 K?2 ，高能载，高速度，高比压下力矩的稳定性。 3 较高的静摩擦系数。 4 耐磨性，单面每次平均线性磨损量一般不大于0(005,0(01ram。 5 比热大。 6 良好的导热性。 7 良好的工艺性。 、 现有的摩擦偶材料很多，主要有两大类:粉末冶金、单金属及铸铁材 料 简称钢刹车材料 和碳纤维增强碳基体复合材料 简称为碳,碳复合材 料 。由碳纤维增强碳基体复合材料 简称为碳,碳复合材料 制成的飞机 机轮刹车盘 简称为碳刹车盘 ，是20世纪60年代末、70年代初世界主要 刹车机轮公司开始启用的新型刹车材料，至今已广泛使用于F―14、F一15、 金刹车盘 以下简称为钢刹车盘 相比，这种新型刹车材料的突出特点是 重量轻、使用寿命长、维修方便、刹车平稳、高温条件下盘不粘结等。为 减轻飞机重量，提高着陆装置的使用可靠性和维修性发挥了很好的作用。 我国在1972年立项研究碳,碳复合刹车材料，比美。英、法等国晚3― 6 10 南京航空航天大学硕士学位论文 年，是世界上第4个研究碳刹车技术的国家，至今己在部分飞机上使用碳, 碳复合材料的机轮刹车盘，也为引进的图一154客机换装了碳刹车盘。 与钢刹车盘相比，碳刹车盘的突出优点是: 1 减轻了刹车装置的重量 碳,碳复合刹车材料的密度为1(75,1(809,cm3，而钢材料则为7(8 g,cm3。，碳,碳复合材料的密度仅为粉末冶金材料密度的23,。采用碳热库 的刹车装置与钢刹车装置相比，其重量可减轻40,左右。部分民航飞机采 用碳,碳复合刹车材料后的减重效果见表2(1。 表2(1民航飞机使用碳,碳复合刹车材料后减重效果 机 型 每架飞机刹车机轮数 减轻重量 kg A300一600 8 590 A一3lO 8 499 A一330 8 998 A――340 8 998 B一747 16 635 B一757 8 270 B一767 8 408 2 提高了刹车盘的使用寿命 在正常使用条件下，碳,碳复合刹车材料的摩擦系数稳定，抗磨损性 能 和重复工作性能好，在同等使用条件下的磨损量约为钢刹车材料的1,3― 1,7。这就大幅度延长了刹车盘的使用寿命，降低了机轮维修工作量。国 产 碳刹车盘和钢刹车盘的使用寿命比较如表2(2。 碳刹车盘使用磨损后是可以修复的，而钢刹车盘使用到规定的磨损厚 度时必须作报废处理。表2(2所列出的碳刹车盘的使用寿命，是未经修复 刹 车盘的使用寿命。 表2(2碳刹车盘与锅刹车盘使用寿命比较 l 机型 钢刹车盘寿命 起落 碳刹车盘寿命 起落 l A型 250 1000 l B型 300 1000 3 承载水平高，过载能力强 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 碳,碳复合刹车材料在2000?的高温下也不会熔化，不会发生粘结现 象 钢刹车盘会发生粘结现象 ，也没有明显的翘曲变形。当使用温度上升 到775?时，碳,碳复合材料的比强度仍保持不变，钢材料则有显著降低， 钢刹车盘的最高使用温度不超过900?。碳,碳复合材料的这些优良性能， 改善了飞机在复杂条件下起降时刹车装置的使用可靠性。在飞机中断起飞 的极其恶劣的使用条件下，由于碳刹车盘的过载能力大，可以保证刹车装 置不损坏，而且能保持刹车过程平稳，刹车响应灵敏。以B型飞机使用的 LSll4A,B型机轮为例，两种刹车盘的承载能力对比见表2(3。 LSl 表2(3 14机轮钢，碳刹车盘承载能力对比 I 刹车盘材料 正常刹车载荷 MJ,kg 过载能力 MJ,kg f 钢刹车盘 O(26 0(44 l 碳刹车盘 0(7,1(0 2(O,2(5 4 经济效益和军事效益好 以A型飞机为例，其主机轮钢刹车装置每套采购价格为18000元，按250 个起落寿命计算，每个起落折合刹车装置耗损费为144元:而碳刹车装置 每套的采购价格为58800元 随生产批量增加，采购价格会下降 ，按1000 个起落寿命折算，每个起落折合耗损费为117，6元;使用碳,碳复合材料刹 车盘时，飞机减重32kg，因减重平均每个起落可少耗航空煤油14?，约合 28元。因此，使用碳刹车盘平均每个起落可节省直接费用54(4元。每架飞 机碳刹车盘在1000个起落使用寿命内可节省5440元。维修工作量的减少， 使用可靠性的提高，在恶劣使用条件下过载能力的增大，使之具有良好的 军事效益。 以上是与粉末冶金材料相比，碳,碳复合材料刹车盘的突出优点，但是， 碳,碳复合材料的摩擦系数较低，其正常刹车时的摩擦系数? O(24,O(26， 且其静态刹车时的摩擦系数更低，为掣 O(15,0(20，为此需要给刹车系统 配置较高的刹车压力，以保持其刹车力矩不变;尽管碳,碳复合材料的比热 容比钢刹车材料大，但其密度只有钢刹车材料的1,4，因此，作为刹车热库 元件，其整体体积要比钢刹车装置体积大10,。在某歼击机各型飞机上换 装碳刹车盘时，因机轮内的热库容腔不能扩大，考虑到热库周围的结构-有 可能更大的热冲击。需要采取更好的散热措施和增加隔热防护。 将碳,碳复合材料用于飞机刹车系统中，是一项高新技术应用，得到了 12 南京航空航天大学硕士学位论文 极快的发展。目前世界上碳,碳复合材料产量的80,用于碳刹车盘的制造。 美、英、法3个国家的5家生产碳刹车盘的厂商占有世界民用飞机刹车盘市 场产量的8,。据报道，俄罗斯的尼古拉菲特公司在70年代已具有了碳, 碳复合刹车材料的生产能力，但90年代以来，俄罗斯的苏一27飞机使用的 仍是钢刹车盘 寿命为500―800起落 ，伊尔一76飞机使用的也是钢刹车 盘。我国已有多家公司在生产碳刹车装置。航空工业第一集团公司的下属 华兴航空机轮公司，于1972年立项研究碳刹车材料，至今除已生产B型等 飞机的碳刹车盘外，还为A300、A310飞机翻修了70余套碳刹车盘:第一 集团下属的航空附件研究所与兰州碳素工业公司联合，研制了A型飞机碳 刹车机轮:航天工业科技集团公司下属的航天材料研究所为图一154飞机 研制了碳刹车装置。进人90年代以来，由于国内碳刹车盘的研制技术已经 取得长足进步，我国军用飞机换装碳刹车盘的时机业已成熟，有望于本世 纪陆续为我国军机的主要机种换装碳刹车盘。 2(1(2摩擦偶设计估算 摩擦偶设计要则 1 摩擦材料要考虑到体容温度的限制，过高的使用温度会导致摩 擦性能恶化，剥落掉块严重。由于单位重量能载决定了热库体窖温度t，因 此设计时，单位重量能载u。不能取得过大。 一般:粉末冶金材料适用于500?以下，碳,碳复合材料适用于500"C 以 上，应急情况可在1400?下工作。 2 单位面积能载与材料的导热系数决定了摩擦面的表面温度，因 此单位面积能载U，也不宜过大，必要时应增加刹车盘的对数来降低u。值。 一般有机摩擦材料表面温度限制为600?，粉末冶金与钢对偶可达 900,1200?。 3 选用的摩擦材料极限应有较小的磨损。刹车片的厚度应根据摩 擦材料的单面每次平均磨损量来计算，刹车片的寿命应能满足使用寿命的 要求。在寿命终了，刹车片上还要有一定厚度的摩擦材料层，至少单面不 得不小于0(5mm。并要核算最小热库重量及最高体容温度，防止刹车盘在 使用后期的急剧损坏。 4 刹车盘的面积重叠系数妒不宜过小，摩擦面积改变系数Y，不宣 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 太大，如果y，超过5,，刹车力矩的振幅就可能增大。 5 刹车盘骨架和对偶材料的选择要考虑到有较小的收缩变形。刹 车盘与刹车壳体之间应留有足够的间隙，必须保证在寿命期内，不致因刹 车盘的收缩变形而卡住壳体。此外，键连接要有足够的接触长度，不致因 收缩变形而脱落导轨。通常在刹车盘设计时采用变形槽或小块连接结构， 以减少和免除收缩变形的影响。 摩擦偶主要参数的估算如下: 1 刹车盘的旋转面积 实质刹车盘的一个摩擦面绕其中心旋转时所扫过的面积 而 万 冠2一r2 2(1 为此计算旋转面积时:R应取R，，，应取r。。 为了考虑刹车盘的收缩变形，设计时一般使心 R，，，。 ，，， 也一动盘的外圆半径 R(一静盘的外圆半径 r。一动盘的内圆半径 r(一静盘的内圆半径 2 摩擦面的接触面积 B 石怛;一疗J一?乃 Fo一?日 2(2 ‘ 石怛j一疗J一?‘ Fo一?‘ 2(3 式中:峨一动盘上槽，孔的面积， aF一静盘上槽，孔的面积， FF 3 面积重叠系数伊 孚，一般重叠系数在0(6,o(8范围内。 ，O 4 摩擦面积的改变系数 机轮旋转时，摩擦面积将改变，考虑到几何摩擦面积改变的系数 „„„5„。 2(4 件 iF(―“_-iFm―i(×100,，并满足,?5, ”F嘣+? 式中:k一旋转过程中最大的摩擦面积 南京航空航天大学硕士学位论文 Fm。一旋转过程中最小的摩擦面积 是指摩擦面单位面积上所承受的压力。 对盘式刹车: 最大比压只。 石P瓦s-刁AFP 丽Fhsnhs 2(5 最小比压己m j端 2(6 平均比压P卅‖:鱼[!芋如也 2(7 ‘芷 式中:只一系统正常工作压力 AP一回力弹簧等引起的压力损失 E，一一个活塞的面积 H。一活塞个数 R 柏„B- 4ab+???Bs n;一刹车块摩擦总面积 n，一刹车块数 日。一刹车块宽度 a与b一刹车块四个缺口边长 D。一摩擦面直径 刹车钢圈直径 ?一刹车块间的最大间隙 6 平均摩擦系数 对盘式刹车: hh2石巧鑫?瓦司2石i瓦万五硐 七s，“’驯 式中:M，一刹车力矩名义值 n。。一摩擦面数 7 单位面积能载 单位刹车功 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 u， 去 石M，pj瓦GL 2(9 式中:一，一刹车动能 M。一平均刹车力矩 G。一机轮重量 不带刹车装置和轮胎 2(2刹车装置容腔估算 刹车容腔体积 巧 三 谚,霹净， 2(10 式中:D。一刹车盘外径 d。一刹车盘内径 B。一最大刹车容腔宽度 D， D，一2 ，+f6+h+A1 2(11 式中:D(一轮胎结合径 卜一轮毂型面凹陷量 ^一毂缘壁厚度 h一导轨凸台高度 ?，一刹车盘与轮毂间隙 D。可以按照下列公式估算: 下式根据粉末冶金盘式刹车盘总结出来的， 对碳刹车机轮要另行考虑 D(?370 D。 D(一56lllm D( 370,508 D。 D(一76mm d， Dz+2“+fr+A2+A3 2(12 式中:D，一轴承外环直径 。一毂部壁厚 f，--,杀tJ车壳体壁厚 ?，一毂部与刹车毂体间隙 ?，一刹车盘与刹车壳体间隙 16 南京航空航天大学硕士学位论文 d。可按下列公式估算: 轮轴直径 中35,45 d。 D，+64mm ?50,80 d，2D:+80mm 中90,110 d;。D:+96mm 2 2(13 By BL―tF―r口一?4一A 式中:B，一机轮刹车装置总宽度 r。一辐板厚度 f。一汽缸座厚度 ?。一辐板与刹车壳体间隙 ?一松刹车间隙 B(，可按下列公式估算: B mm Bv2L一81 mm 或B。 B一91 B一轮胎宽度 刹车装置重量?可按下式估出: e:争 。g 2(14 U。值可以参考相关机轮刹车设计手册，英国Conway，H(G(建议Ug取 为250kJ,kg。在选用该值时，应考虑到参考样机的使用条件 如使用温度， 可否允许刹车装置外落等 和国内外的差别。 对于钢刹车装置外的其他材料的刹车装置，上述估算方法不适用，但是可 以参照表2(4有关数据进行修正。 表2(4刹车材料数据 以百分数表示相对值 刹车结构形式 散热片容量 刹车组件重量 动盘 静盘 拼合钢片 钢+衬片 1(OO 1(OO 拼合碳片 钢+衬片 1(60 O(86 碳结构 碳结构 1(80 O(65 铍结构 铍结构 1(40 O(65 拼合铍片 拼合铍片 1(50 0(69 飞机起落架刹车装置设计的热学研究 2(3刹车装置温度估算 刹车装置的平均工作温度也称为体容温度，它对刹车性能和刹车机轮 有影响，因此也是刹车装置设计中必须考虑的一个问题。 刹车装置体容温度可按下式估算 f(:f+旦 t 2(1z?? 5 乙。f。+‘―一 ?mJc， i l 式中:“一刹车装置体容温度，? f(一环境温度，常取+70? 世一经验系数，一般取为0(9 A一不同刹车状态的刹车能量，J m，一组成热库的不同材料的重量，kg c，一与组成热库的不同材料相应的材料比热，J, kg??? 表2(5为各种刹车摩擦材料的比热值 均为国内刹车摩擦材料数据 表2(5 比热值 J, kg-? 温度 ? 铁基片 碳 盘 钢骨架 200 602(9 1017 544(3 300 636(4 110l 552(7 400 678(3 1185 594(6 500 707(6 1269 640(6 600 736(9 1348 745(3 700 762(0 1432 937(9 2(4刹车热及其冷却 刹车装置在很短的刹车时间 一般飞机15,20s 内要吸收大量飞机 动能而发热，这就是刹车热。从而使刹车装置形成很高的高温区，这已经 成为刹车设计越来越难解决的问题。 这一方面表现在刹车装置的体容温度越来越高，由原来石棉塑料,铸 铁 18 南京航空航天大学硕士学位论文 对偶的200,250?，发展到粉末冶金,钢对偶的300,400?，进而发展到碳 ,碳对偶的700?左右，对摩擦材料的性能要求也就高了;另一方面则由于 刹车热引发的高温，对刹车装置本身的结构，如刹车壳体采用的耐热钢、 刹车骨架用的合金结构钢等都有热损害问题，常常出现严重的结构变形、 卡死、翘曲以及骨架断裂事故;对刹车性能也存在