鑄鐵-硬質(zhì)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(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410200)

0 引言

航空剎車機(jī)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(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)剎車盤摩擦生熱，消耗機(jī)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。由于剎車裝置在短時(shí)間內(nèi)要吸收大量的飛機(jī)動(dòng)能，剎車裝置內(nèi)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(duì)偶的200～250℃發(fā)展到粉末冶金-鋼對(duì)偶的300～400℃，進(jìn)而發(fā)展到碳-碳對(duì)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(yīng)慎重選擇摩擦偶材料，并調(diào)整影響剎車性能的相關(guān)材料參數(shù)，使機(jī)輪剎車裝置能滿足設(shè)計(jì)的性能要求。

1 材料選型

針對(duì)本公司的某型具備剎車功能的無(wú)人機(jī)的機(jī)輪設(shè)計(jì)，從飛機(jī)著陸到剎車減速至規(guī)定速度，利用仿真軟件ABAQUS模擬剎車傳熱過程，在制動(dòng)時(shí)間為19.64 s的工況下，得到動(dòng)/靜剎車盤接觸摩擦面瞬時(shí)最高溫度約為470℃。無(wú)人機(jī)的用途為靶機(jī)，屬短周期易消耗產(chǎn)品，如果選用粉末冶金-鋼、碳-碳對(duì)偶材料不僅剎車裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜而且生產(chǎn)維護(hù)成本高，不適用此種飛機(jī)。

考慮剎車盤的耐磨性和高溫?zé)崦浝淇s的影響，應(yīng)盡可能選擇硬度高、熱膨脹系數(shù)和彈性模量低的材料?；诣T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(yōu)點(diǎn)。綜合對(duì)比考量目前成熟機(jī)型的剎車材料和靶機(jī)的經(jīng)濟(jì)適用性后，優(yōu)選硬質(zhì)高鉻合金鋼作動(dòng)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(rùn)滑”性，吸附性強(qiáng)等有利于耐磨；珠光體由軟質(zhì)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(dòng)剎車盤備選材料有30CrSiMoVA（退火）、30CrMnSiA（退火)和30CrMnSiA（熱處理）。為了防止動(dòng)剎車盤磨粒磨損，動(dòng)剎車盤的材料硬度應(yīng)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(guān)，摩擦表面的粗糙度越好，摩擦材料的使用壽命越長(zhǎng)。綜上所述，剎車盤材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。動(dòng)/靜剎車盤生產(chǎn)時(shí)均進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)，避免材料內(nèi)部缺陷影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 剎車盤材料參數(shù)

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

為了驗(yàn)證不同的摩擦偶材料的剎車力矩性能，逐級(jí)調(diào)整液壓源處減壓閥的壓力到目標(biāo)剎車液壓壓力，而后飛機(jī)剎車動(dòng)作通過剎車指令控制單元發(fā)出，電磁減壓閥通電，剎車裝置的動(dòng)/靜剎車盤在液壓作動(dòng)缸的作用下貼合，然后用力矩扳手通過轉(zhuǎn)接套筒緩慢地施加剎車力矩，直至機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，以機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大力矩值作為剎車力矩的測(cè)量值，剎車力矩試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理功能框圖

2.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)原理結(jié)合剎車機(jī)輪產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝置組成如圖2所示。該試驗(yàn)裝置具有操作空間大、拆卸換裝方便、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 試驗(yàn)裝置組成圖

2.3 剎車力矩試驗(yàn)

圖3 剎車力矩試驗(yàn)圖

圖4 靜剎車盤典型摩擦面圖

圖5 動(dòng)剎車盤典型摩擦面圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在3種動(dòng)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(yàn)液壓壓力與力矩關(guān)系如圖6所示，試驗(yàn)液壓壓力與平均動(dòng)摩擦因數(shù)如圖7所示。

圖6 液壓壓力與力矩關(guān)系圖

圖7 液壓壓力與平均動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系圖

從圖6可以總結(jié)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(dòng)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(dòng)剎車盤材料偏小。2）由于30CrMnSiA熱處理的材料硬度比退火狀態(tài)硬度大，耐磨性較好，從圖7可知其平均動(dòng)摩擦因數(shù)較低，導(dǎo)致熱處理狀態(tài)比退火狀態(tài)的剎車力矩偏小。3）材料30CrMnSiA退火和熱處理狀態(tài)的剎車力矩值趨勢(shì)呈線性，其中30CrMnSiA（退火）的線性擬合優(yōu)度R2=0.998優(yōu)于30CrMnSiA（熱處理）的線性擬合優(yōu)度R2=0.995。4）30CrSiMoVA（退火）材料剎車力矩值趨勢(shì)符合三次多項(xiàng)式曲線。

從圖7可以總結(jié)出：1）30CrSiMoVA退火狀態(tài)和30CrMnSiA退火狀態(tài)的平均動(dòng)摩擦因數(shù)隨著液壓壓力的增大而總體趨勢(shì)為由大變小，其中30CrMnSiA退火狀態(tài)的平均動(dòng)摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)平緩呈線性，30CrSiMoVA退火狀態(tài)的平均動(dòng)摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)比較陡峭。2）30CrMnSiA熱處理狀態(tài)的平均動(dòng)摩擦因數(shù)總體趨勢(shì)為先增大后減小而后隨著壓力的增大有增大的趨勢(shì)，平均動(dòng)摩擦因數(shù)無(wú)線性規(guī)律。對(duì)比分析可知HT250（退火）與30CrMnSiA（退火）組成的摩擦偶的平均動(dòng)摩擦因數(shù)較其他兩種材料比較有規(guī)律，其線性擬合優(yōu)度R2=0.933，便于準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)輪的剎車性能。

綜上所述，在材料能滿足耐接觸摩擦面瞬時(shí)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(dòng)摩擦因數(shù)線性擬合優(yōu)度好、剎車力矩值在液壓壓力較低條件下比較大、材料無(wú)特殊處理且成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于降低飛機(jī)液壓系統(tǒng)的額定壓力和液壓系統(tǒng)復(fù)雜程度，有利于精確控制機(jī)輪剎車距離和時(shí)間，有利于準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)輪的剎車性能。該組摩擦偶材料試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到了剎車機(jī)輪的設(shè)計(jì)使用性能要求，因此推薦選擇HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)作為此款飛機(jī)的機(jī)輪剎車盤摩擦偶材料。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某型無(wú)人機(jī)盤式剎車機(jī)輪進(jìn)行鑄鐵-硬質(zhì)合金鋼材料的剎車力矩試驗(yàn)，在3種動(dòng)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(dòng)摩擦因數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在材料能滿足耐接觸摩擦面瞬時(shí)最高溫度約470℃和無(wú)人機(jī)的經(jīng)濟(jì)適用性條件下，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dòng)摩擦因數(shù)線性擬合優(yōu)度好、剎車力矩值在液壓壓力較低條件下比較大的優(yōu)點(diǎn)，滿足某型無(wú)人機(jī)剎車機(jī)輪的設(shè)計(jì)使用性能指標(biāo)，因此推薦該組作為某型剎車機(jī)輪摩擦偶材料。目前該組摩擦偶材料已在某靶機(jī)得到應(yīng)用，剎車機(jī)輪地面試車和起飛著陸滑跑效果良好。