鑄鐵-硬質合金鋼的剎車力矩性能

李忠鈺 黃立新 婁銳 巫火根 郭明玄

(中航飛機起落架有限責任公司，長沙 410200)

0 引言

航空剎車機輪目前普遍采用盤式剎車形式，盤式剎車以靜剎車盤夾抱隨著機輪轉動的動剎車盤摩擦生熱，消耗機輪的轉動動能。由于剎車裝置在短時間內要吸收大量的飛機動能，剎車裝置內部溫度很高，因此剎車裝置的材料耐熱溫度由原來的石棉塑料-鑄鐵對偶的200～250℃發展到粉末冶金-鋼對偶的300～400℃，進而發展到碳-碳對偶的700℃左右。剎車裝置的剎車性能在通常情況下完全取決于剎車摩擦材料的摩擦性能。因此，應慎重選擇摩擦偶材料，并調整影響剎車性能的相關材料參數，使機輪剎車裝置能滿足設計的性能要求。

1 材料選型

針對本公司的某型具備剎車功能的無人機的機輪設計，從飛機著陸到剎車減速至規定速度，利用仿真軟件ABAQUS模擬剎車傳熱過程，在制動時間為19.64 s的工況下，得到動/靜剎車盤接觸摩擦面瞬時最高溫度約為470℃。無人機的用途為靶機，屬短周期易消耗產品，如果選用粉末冶金-鋼、碳-碳對偶材料不僅剎車裝置結構設計復雜而且生產維護成本高，不適用此種飛機。

考慮剎車盤的耐磨性和高溫熱脹冷縮的影響，應盡可能選擇硬度高、熱膨脹系數和彈性模量低的材料。灰鑄鐵具有耐磨性、耐熱性較好、受熱變形量較小和較好的抗接觸疲勞性等優點。綜合對比考量目前成熟機型的剎車材料和靶機的經濟適用性后，優選硬質高鉻合金鋼作動剎車盤，灰鑄鐵作靜剎車盤。

灰鑄鐵HT250具有良好的耐磨性能，因其金相組織為片狀石墨和珠光體。片狀石墨由于自身的“自潤滑”性，吸附性強等有利于耐磨；珠光體由軟質的鐵素體和硬脆的滲碳體組成，是有利于材料減少摩擦的組織，珠光體的形狀以片狀為佳；因此靜剎車盤材料選用HT250（退火）。動剎車盤備選材料有30CrSiMoVA（退火）、30CrMnSiA（退火)和30CrMnSiA（熱處理）。為了防止動剎車盤磨粒磨損，動剎車盤的材料硬度應大于1.3倍靜剎車盤材料硬度，并且較高的硬度有利于摩擦面抗接觸疲勞磨損。摩擦材料的表面粗糙度與疲勞壽命密切相關，摩擦表面的粗糙度越好，摩擦材料的使用壽命越長。綜上所述，剎車盤材料的相關參數如表1所示。動/靜剎車盤生產時均進行磁粉探傷檢驗，避免材料內部缺陷影響實驗結果。

表1 剎車盤材料參數

2 試驗

2.1 試驗原理

為了驗證不同的摩擦偶材料的剎車力矩性能，逐級調整液壓源處減壓閥的壓力到目標剎車液壓壓力，而后飛機剎車動作通過剎車指令控制單元發出，電磁減壓閥通電，剎車裝置的動/靜剎車盤在液壓作動缸的作用下貼合，然后用力矩扳手通過轉接套筒緩慢地施加剎車力矩，直至機輪轉動，以機輪轉動時的最大力矩值作為剎車力矩的測量值，剎車力矩試驗系統原理如圖1所示。

圖1 試驗原理功能框圖

2.2 試驗裝置設計

根據試驗原理結合剎車機輪產品結構特點，進行試驗裝置的結構設計，裝置組成如圖2所示。該試驗裝置具有操作空間大、拆卸換裝方便、成本低、結構簡單等優點。

圖2 試驗裝置組成圖

2.3 剎車力矩試驗

圖3 剎車力矩試驗圖

圖4 靜剎車盤典型摩擦面圖

圖5 動剎車盤典型摩擦面圖

3 試驗結果與分析

在3種動剎車盤表面粗糙度和摩擦面平面度相差不大的條件下，試驗液壓壓力與力矩關系如圖6所示，試驗液壓壓力與平均動摩擦因數如圖7所示。

圖6 液壓壓力與力矩關系圖

圖7 液壓壓力與平均動摩擦因數關系圖

從圖6可以總結出：1）在較小的液壓壓力條件下，30CrSiMoVA（退火）的剎車力矩值比其他兩種動剎車盤材料偏大；在較大液壓壓力條件下，剎車力矩值比其他兩種動剎車盤材料偏小。2）由于30CrMnSiA熱處理的材料硬度比退火狀態硬度大，耐磨性較好，從圖7可知其平均動摩擦因數較低，導致熱處理狀態比退火狀態的剎車力矩偏小。3）材料30CrMnSiA退火和熱處理狀態的剎車力矩值趨勢呈線性，其中30CrMnSiA（退火）的線性擬合優度R2=0.998優于30CrMnSiA（熱處理）的線性擬合優度R2=0.995。4）30CrSiMoVA（退火）材料剎車力矩值趨勢符合三次多項式曲線。

從圖7可以總結出：1）30CrSiMoVA退火狀態和30CrMnSiA退火狀態的平均動摩擦因數隨著液壓壓力的增大而總體趨勢為由大變小，其中30CrMnSiA退火狀態的平均動摩擦因數變化趨勢平緩呈線性，30CrSiMoVA退火狀態的平均動摩擦因數變化趨勢比較陡峭。2）30CrMnSiA熱處理狀態的平均動摩擦因數總體趨勢為先增大后減小而后隨著壓力的增大有增大的趨勢，平均動摩擦因數無線性規律。對比分析可知HT250（退火）與30CrMnSiA（退火）組成的摩擦偶的平均動摩擦因數較其他兩種材料比較有規律，其線性擬合優度R2=0.933，便于準確評估機輪的剎車性能。

綜上所述，在材料能滿足耐接觸摩擦面瞬時最高溫度約為470℃條件下，HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)材料組成的摩擦偶具有剎車力矩和平均動摩擦因數線性擬合優度好、剎車力矩值在液壓壓力較低條件下比較大、材料無特殊處理且成本低廉的優點，有利于降低飛機液壓系統的額定壓力和液壓系統復雜程度，有利于精確控制機輪剎車距離和時間，有利于準確評估機輪的剎車性能。該組摩擦偶材料試驗參數達到了剎車機輪的設計使用性能要求，因此推薦選擇HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)作為此款飛機的機輪剎車盤摩擦偶材料。

4 結語

本文對某型無人機盤式剎車機輪進行鑄鐵-硬質合金鋼材料的剎車力矩試驗，在3種動剎車盤表面粗糙度和摩擦面平面度差異不大的情況下，獲得3組摩擦偶的力矩和平均動摩擦因數試驗數據。在材料能滿足耐接觸摩擦面瞬時最高溫度約470℃和無人機的經濟適用性條件下，通過試驗數據分析得到HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)摩擦偶材料剎車性能良好，其具有剎車力矩和平均動摩擦因數線性擬合優度好、剎車力矩值在液壓壓力較低條件下比較大的優點，滿足某型無人機剎車機輪的設計使用性能指標，因此推薦該組作為某型剎車機輪摩擦偶材料。目前該組摩擦偶材料已在某靶機得到應用，剎車機輪地面試車和起飛著陸滑跑效果良好。