某飛機輪速長時間未恢復故障分析及改進

張 垚，張曉娟，王 山，任 杰

（成都飛機工業（集團）有限責任公司技術中心，四川 成都610092）

1 前言

飛機剎車系統用于實現地面轉彎、滑行糾偏和減速制動，對于保障飛機平穩滑行和安全起降至關重要，是飛機最為關鍵的子系統之一[1]。為提高飛機剎車效率，縮短飛機制動距離，減少輪胎磨損，同時避免出現因剎車壓力過大等導致的機輪抱死、輪胎爆胎等嚴重危及飛機安全的狀況發生，現代高性能飛機的剎車系統通常設計有防抱死功能[2]。

某飛機采用液壓剎車系統，該剎車系統亦根據飛機使用需求設計有防抱死功能，其防抱死設計以滑移速度（即飛機地速與機輪輪速之差）為控制核心[3]。該型飛機在某次滑行的剎車制動過程中，出現了防抱死啟動后，輪速長時間未恢復的重大故障。該故障的發生，極大增加了飛機剎車制動距離，嚴重影響飛機滑行姿態，危及飛機安全。針對此次重大故障，基于防抱死使用策略和故障現象，搭建了故障樹，通過分析定位了故障原因，有針對性地提出了改進措施，并進行試驗驗證。

2 防抱死使用策略及故障現象

該飛機起落架為前三點式布局，并在左右主起落架處設置有剎車裝置[4]。飛機剎車系統工作原理如圖1 所示。當飛機剎車時，輪速傳感器實時檢測機輪輪速，并反饋給飛機計算機以解算滑移速度。當兩側滑移速度均小于某預定值時，飛機計算機根據地速，向剎車閥發送既定大小剎車壓力指令。剎車閥根據壓力指令，向剎車卡鉗輸送液壓壓力，剎車卡鉗在液壓壓力推動下，卡緊機輪上的剎車盤，實現機輪制動[5]。剎車閥在工作時，可實時向飛機計算機回報其實際輸出液壓壓力值。若某側滑移速度大于預定值，則飛機計算機啟動防抱死，將該側剎車壓力指令從當前的較大值下調至較小的某預定值，直至飛機計算機檢測到該側滑移速度再次小于預定值，之后飛機計算機重新向該側發送較大的剎車壓力指令。

故障發生時，飛機正處于剎車過程中，當地速降至約162 km/h 時，右輪速瞬時降至0 km/s，右機輪滑移速度大于預定值，飛機計算機啟動右機輪防抱死保護。右機輪防抱死保護啟動后約1.4 s，右輪速方恢復正常，右機輪防抱死解除。根據該型飛機既有滑行科目的統計數據，通常情況下，防抱死啟動0.3 s 內，輪速即可恢復正常并退出防抱死。此次滑行中，防抱死啟動1.4 s 后，輪速才恢復，屬于故障現象。此次故障，致使右機輪長時間處于小剎車壓力狀態，增加了剎車距離，并嚴重影響飛機安全，需進行重點分析。

圖1 剎車系統工作原理簡圖

3 故障分析及定位

3.1 故障樹的建立

以該飛機防抱死啟動后，輪速長時間未恢復為頂事件，根據防抱死使用策略，結合故障現象繪制出故障樹，如圖2所示。根據故障樹，導致故障發生的兩大類可能原因分別為機輪持續拖胎和輪速信號異常。

3.2 機輪持續拖胎

剎車壓力過大、機輪卡滯、輪胎胎面有油脂以及跑道表面光滑均可能引起機輪持續拖胎。

圖2 輪速長時間未恢復故障樹

3．2．1 剎車壓力過大

右機輪防抱死啟動前，右剎車閥此時回報壓力為0.6 MPa。為確定右剎車閥壓力回報的準確性，將右剎車閥從機上拆下，搭建地面試驗臺進行試驗，試驗結果如表1 所示。試驗結果顯示，右剎車閥回報壓力與壓力指令以及外接壓力表讀數保持高度一致，最大誤差僅為0.1 MPa，在產品正常誤差允許范圍內。右剎車閥回報壓力準確，可認為故障滑行時，右剎車閥工作正常。

表1 右剎車閥壓力試驗結果

防抱死啟動前，右剎車閥回報剎車壓力為0.6 MPa，防抱死啟動后，右剎車閥回報剎車壓力為0.2 MPa，取兩者中較大值，即取0.6 MPa 進行分析。查閱機輪與剎車卡鉗慣性臺試驗數據，0.6 MPa 時剎車力矩約為10 N·m。

故障滑行時的地面結合力矩M 計算如下：

式（1）中：Fz為單側主起落架支反力；μ為結合系數，可根據跑道性質和地速大小取經驗值；R 為輪胎轉動半徑。

據此，計算出結合力矩為26.5 N·m。

故障滑行時，剎車力矩小于地面結合力矩，右機輪應不會因剎車壓力過大而抱死，排除此條故障原因。

3．2．2 機輪卡滯

滑行結束后，現場檢查主機輪能正常轉動，無卡滯現象。為進一步確認機輪是否異常，將左右機輪拆下檢查。左右機輪外觀如圖3 所示。剎車卡鉗外觀如圖4 所示。軸承外觀如圖5 所示。檢查發現外觀均無異常，排除此條故障原因。

圖3 左右機輪外觀圖

圖5 軸承外觀圖

3．2．3 輪胎胎面有油脂

滑行結束后檢查輪胎胎面，無油脂，排除此故障原因。

3．2．4 跑道表面光滑

滑行結束后，檢查跑道，未見異常，排除此故障原因。根據以上分析結果，判定防抱死啟動后，輪速長時間未恢復非持續拖胎導致。

3.3 輪速信號異常

導致輪速信號異常的原因主要有兩方面：①輪速傳感器故障；②輪速傳感器與齒輪盤工作距離過大。

3．3．1 輪速傳感器故障

導致輪速傳感器故障的原因有外部金屬部件銹蝕、插針損壞和霍爾效應開關損壞。經檢查，輪速傳感器外部無銹蝕產生，插針完好。此外，若霍爾效應開關損壞，傳感器將一直無信號輸出，但滑行過程中傳感器信號恢復，表明霍爾效應開關未損壞。綜上，輪速傳感器無故障。

3．3．2 輪速傳感器與齒輪盤工作距離過大

輪速傳感器的安裝如圖6 所示，輪速傳感器安裝在主支柱上，機輪在與輪速傳感器相對的，具有一定工作距離的部位布置一個具有均布赤的齒輪盤。輪速傳感器通過感應單位時間內經過的齒數，來折算飛機輪速。輪速傳感器輸出信號與工作距離相關，當工作距離過大時將無法正常工作。

圖6 輪速傳感器的安裝圖

3.3.2.1 試驗臺測試正常工作最大工作距離

輪速傳感器試驗臺如圖7 所示，搭建一個輪速傳感器試驗臺，試驗臺一端布置由電機驅動的齒輪盤，另一端布置有輪速傳感器，兩者間工作距離可調。輪速傳感器輸出表征輪速的脈沖波，并由計算機解算。試驗時，先將齒輪盤和輪速傳感器間工作距離調整至各預定值，使用電機驅動齒輪盤至飛機輪速為162 km/h 時對應的轉速，結果如表2 所示。試驗結果顯示，當工作距離大于1.60 mm 時，輪速傳感器反饋值異常，甚至無輸出，傳感器無法正常工作。

圖7 輪速傳感器試驗臺

表2 輪速傳感器試驗結果

3.3.2.2 機上輪速傳感器與齒輪盤靜態工作距離

對右機輪輪速傳感器與齒輪盤靜態工作距離進行測量：飛機分別在頂起和放下狀態時，間隔90°共選取齒輪盤上4個齒頂進行測量，結果顯示各測量點工作距離均在1.25～30 mm 之間。靜態下，工作距離滿足要求，輪速傳感器工作正常。

3.3.2.3 機上輪速傳感器與齒輪盤動態工作距離

主機輪安裝如圖8 所示。

圖8 主機輪安裝圖

安裝機輪時，需將備緊螺母擰緊后再回退，以保證機輪能夠正常轉動。螺母回退使機輪可沿軸向發生竄動。螺母回退量因操作人員差異，機輪沿軸向竄動范圍在0.25～0.50 mm 之間。輪速傳感器靜態工作距離為1.25～1.30 mm，動態時工作距離為1.25～1.80 mm。滑行時受側向力影響，輪速傳感器工作距離大于1.60 mm，超出試驗得出的最大有效工作距離，無法正常工作，導致輪速信號異常。

3.4 故障定位

通過試驗驗證和理論分析，確認防抱死啟動后，輪速長時間未恢復故障原因為：動態情況下，輪速傳感器與齒輪盤工作距離增大，超過輪速傳感器可正常工作的最大距離，引起輪速信號異常。

4 改進措施及驗證

4.1 改進措施

針對輪速長時間未恢復的故障原因，提出了兩項改進措施，即改進輪速傳感器設計和優化安裝。

4．1．1 改進輪速傳感器設計

將輪速傳感器內主要元器件更換為性能更高的型號，同時對元器件安裝布局進行一定優化。傳感器改進后，經測試，最大有效工作距離由改進前的不足1.60 mm 增至2.40 mm，有效工作距離大幅增加。

4．1．2 優化安裝

安裝主機輪時，嚴格控制備緊螺母回退量，使軸向竄動量在0.25～0.50 mm 之間。安裝輪速傳感器時，調整調隙墊片，使靜態工作距離為1.00～1.20 mm。考慮滑行時最大間隙增量0.50 mm，輪速傳感器最大動態工作距離為1.70 mm，在輪速傳感器最大有效工作距離2.40 mm 之內，輪速傳感器可正常工作。

4.2 改進后驗證情況

改進措施執行到位后，為驗證措施的有效性，開展了多架次不同狀態的滑行任務。各架次滑行時，飛機重量、中止滑行速度均不相同。某次滑行的飛行參數記錄儀記錄的滑行曲線如圖9 所示。

圖9 改進后滑行曲線

結果顯示，輪速與地速差別極小，跟隨性良好。輪速變化均勻，剎車壓力穩定，無異常波動，且全程未啟動防抱死，剎車過程平穩。其余架次滑行結果也與該架次結果類似，故障消失，改進措施有效。

5 結論

通過實驗和分析等，得出主要結論如下：某飛機防抱死啟動后，輪速長時間未恢復的主要原因為動態情況下，輪速傳感器與齒輪盤工作距離增大，超過輪速傳感器可正常工作的最大距離，引起輪速信號異常；改進輪速傳感器設計和優化安裝兩項改進措施對于消除故障是有效的；防抱死啟動后，輪速長時間未恢復的故障研究結果將為其他飛機的剎車系統設計，尤其是防抱死設計提供警示和參考。