濕熱環境對飛機剎車摩擦性能研究

鄧文亮，吳敬濤，唐揚剛

（中國飛機強度研究所，西安 710000）

引言

據1970～2004年航空事故調查，冰雪污染引發故障占比5.5 %，潮濕和積水跑道引發故障占比47.8 %[1,2]。在積水、冰雪等污染跑道上飛機起降時，濕態下水分存在剎車材料表面中, 在摩擦熱的作用下, 水分向摩擦表面擴散并形成氣膜,起到潤滑劑的作用,摩擦系數衰減明顯，制動系統剎車效率下降明顯，飛機姿態控制難，并且可能出現滑水現象，影響飛機運營。為保障飛機的安全運營，歐美針對污染跑道進行了大量研究，并根據相關研究成果修訂了相關適航條款，編制了符合性驗證方法等。與之相比，由于缺乏必要的研究經驗和工程數據，國內目前尚未建立起完善的適航審定體系，對飛機污染跑道性能分析與驗證缺乏系統性研究。

本文開展了濕熱環境飛機制動摩擦片摩擦系數測試與性能研究，進行了濕熱環境飛機制動摩擦片摩擦系數測試試驗，通過典型工況的濕熱環境穩態響應實驗，研究了剎車材料濕熱環境下的摩擦系數的擬合方法，獲取了濕熱環境下飛機剎車片摩擦系數特性。

1 理論分析

通過基于BP神經網絡的摩擦系數模型，利用反向傳播來調整網絡的權值和閥值，使網絡誤差的平方和最小。BP神經網絡具有強大的非線性映射能力和泛化功能，任一連續函數或映射均可采用3層網絡加以實現。網絡結構如圖1所示。

圖1 BP神經網絡結構示意圖

在飛機剎車過程中，剎車力矩和剎車盤摩擦系統是相互耦合，互相影響，剎車溫度、飛機速度處于變化狀態，剎車盤摩擦系數、剎車力矩也是變化的。由于剎車盤摩擦系數的影響因素主要包括剎車盤溫度、剎車力矩和剎車機輪速度，因此建立以剎車盤溫度（℃）、剎車力矩（Nm）、機輪速度（m/s）為輸入，以摩擦系數為輸出的神經網絡結構，以確定任意條件下的摩擦系數。

采用三層BP網絡結構[3]，各層輸入與輸出關系為：

式中：

N—隱含層個數xi（i=1,2,…,N）為輸入信號；

θm—閾值；

ωim—從神經元m到神經元i的連接權值。

輸入參量：

式中：

T —剎車盤溫度；

P—剎車力矩；

v—機輪速度。

2 實驗設計與裝置

2.1 試驗裝置

為了研究濕熱環境對剎車盤剎車材料摩擦系數的影響，參考GB-10006，設計了剎車盤剎車材料濕熱環境摩擦系數測試實驗，在濕熱試驗中，將剎車材料置于濕熱環境中保持一段時間，使試樣與濕熱環境的溫度和濕度達到穩態，然后使用摩擦系數測試儀測量剎車材料在當前所處環境下的摩擦系數。進行濕熱試驗使用ZJ-MC02型摩擦系數測試儀，測試精度為0.05 %FS，如圖2所示，該摩擦系數測試儀主要由水平試驗平臺、滑塊、驅動機構及測力系統構成，其中水平試驗臺由平整的非磁性材料制成，平臺上嵌有用于調整水平狀態的水平泡，滑塊用于裝載試樣，驅動機構可以帶動滑塊勻速運動，速度可以在0～500 mm/min之間無級調節，測力系統可以測出拉動滑塊的力，用于計算摩擦系數。

圖2 ZJ-MC02型摩擦系數測試儀

2.2 摩擦材料試樣

實驗材料為用于飛機剎車盤制造的碳復合材料，為了便于實驗過程中摩擦系數的測量，參考GB-10006對試樣材料進行了加工處理，其中用于摩擦的下試樣加工尺寸（長×寬×高）為133 mm×63 mm×7mm，上試樣的加工尺寸（長×寬×高）為63×63×7mm，試驗材料及試樣如圖3所示。

圖3 試驗材料及加工好的試樣

2.3 實驗過程

濕熱環境下剎車盤剎車材料摩擦系數測試試驗，如圖4所示，試驗溫度范圍29.3～39.3 ℃，在正式試驗前進行了預實驗，為可能出現的問題制定預案。試驗開始前先將試驗平臺調至水平狀態，調整設備使其處于正常工作狀況下。因環境溫度和濕度處于波動狀態中，故每次測試中記錄三次溫度和濕度數據。

圖4 試驗過程實況

3 實驗結果與數據

在濕熱試驗中，進行了溫度29.3～39.3 ℃范圍內共32組有效試驗，包含動摩擦系統測試和靜摩擦系統測試，濕熱試驗中，進行了50～90 %濕度范圍內的試驗，每種濕度工況下測量了31～39 ℃五種溫度下的摩擦系數。材料動摩擦系數濕熱試驗及對比如圖5所示，材料靜摩擦系數試驗數據如圖6所示。由試驗數據以及繪制的散點圖和散點曲面，分析可得摩擦系數同時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，摩擦系數會降低；保持溫度不變，濕度越大，則摩擦系數也越大。

圖5 濕熱試驗動摩擦系數數據

圖6 濕熱試驗靜摩擦系數數據

4 濕熱實驗數據處理與分析

在濕熱試驗中，溫度和濕度隨著環境的變化而變化，為了便于數據的擬合，采取控制變量的辦法先對數據進行選擇。以動摩擦系數為例，將濕度控制在70 %左右，溫度作為自變量，截取出濕熱試驗的部分數據，以此數據研究溫度對動摩擦系數的影響；然后將溫度控制在35 ℃左右，以濕度為自變量，研究濕度對動摩擦系數的影響。

4.1 濕熱試驗數據擬合方法一

以溫度為自變量的濕熱試驗動摩擦系數試驗數據如表1所示。

表1 材料動摩擦系數部分數據

為了研究濕熱環境對剎車片摩擦系數的影響，選擇合適的擬合曲線進行擬合，以擬合優度作為評價指標，在嘗試過多種擬合模型之后，選擇指數擬合、Gaussian擬合、線性擬合、一次多項式擬合模型對內外場數據進行擬合，擬合情況及擬合優度見圖7。

圖7 材料動摩擦系數濕熱試驗數據擬合

綜合分析各擬合模型的擬合優度，見表2，以上四種擬合模型對于濕熱試驗數據的擬合優度尚可，在0.7以上，其中指數擬合的擬合優度最好。根據數據分析情況可見，濕度保持不變情況下，溫度越高，其動摩擦系數越小。

表2 各擬合模型的擬合優度

4.2 試驗數據擬合方法二

以濕度作為自變量的動摩擦系數濕熱試驗數據如表3所示。

表3 材料動摩擦系數濕熱試驗部分數據

以擬合優度作為評價指標，綜合考慮數據的分散性，選擇多種擬合模型進行數據擬合，在嘗試過多種擬合模型之后，選擇指數擬合、一次多項式擬合以及冪函數擬合模型對濕熱試驗數據進行擬合，擬合情況及擬合優度見圖8。

圖8 材料動摩擦系數濕熱試驗數據擬合

綜合分析各擬合模型的擬合優度，見表4。根據各擬合模型的擬合曲線，對于濕熱試驗數據的擬合，各擬合模型的擬合優度相對較低，其中以冪函數擬合的擬合效果最好。根據試驗數據分析可見，動摩擦系數與濕度呈明顯的正相關關系，即隨著濕度的升高，動摩擦系數逐漸增大。

表4 各擬合模型的擬合優度

5 小結

本文對剎車材料摩擦系數的濕熱試驗進行了相似性研究，根據試驗結果可以得到以下結論：

1）剎車材料的摩擦系數與溫度和濕度相關，保持濕度不變，溫度越高，摩擦系數越小，較高的溫度可能會使剎車材料表面的性狀發生變化而導致摩擦系數下降，同時，溫度升高，水珠蒸發，摩擦系數又會隨溫度升高而降低；

2）在相同的溫度下，濕度越大，摩擦系數越大。在高濕度環境下，剎車材料表面會有一些微小的水珠存在，水的表面張力會使剎車材料的摩擦系數變大一些，另一方面，濕度較高的環境也會潤濕材料表面，改善兩塊材料之間的接觸情況，使摩擦系數增大；再者，材料之間相互摩擦，由于基體和纖維的磨損，會產生微小的碎屑，這些碎屑填充在摩擦面內，高濕度會潤濕這些碎屑，產生一種類似于粘結劑的作用，使摩擦系數升高。