CN113895416B - 一种基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法 - Google Patents

一种基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法,针对利用惯性试验台确定碳陶刹车机轮力矩特性曲线以及采用常规恒压力刹车方法时存在的问题以及防滑门限;在根据碳陶刹车机轮力矩特性曲线特点进行匹配设计,在不引起机轮打滑的前提下力矩过高时降低刹车压力,力矩降低时提高刹车压力,以达到恒压力刹车的目的。本发明避免了碳陶机轮刹车力矩冲锋引起的深打滑及安全隐患,解决了频繁打滑引起的刹车效率降低问题,当机轮载荷降低时,防滑刹车系统防滑功能能够正常工作,释放刹车压力解除机轮打滑,保证机轮安全。

Description

一种基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法
技术领域
本发明涉及飞机刹车控制技术领域,具体是一种与碳陶刹车机轮匹配的飞机刹车控制方法。
背景技术
飞机在着陆过程中,防滑刹车系统对飞机安全至关重要。当飞机采用碳陶刹车机轮时,由于碳陶刹车盘的刹车力矩特性,刹车时存在刹车力矩阶跃冲锋且刹车力矩峰值高的特点。若防滑刹车系统采用常规的恒压力刹车方法,碳陶刹车盘的刹车力矩特性会降低刹车效率、危害飞机安全。例如,当飞机在高速滑行中进行刹车时,飞行员快速踩刹车到底,刹车力矩突然上升产生力矩冲锋,较大的力矩峰值会对起落架结构产生损害,同时会引起刹车机轮深打滑甚至抱死,防滑刹车系统能够在深打滑出现时松刹车进行防滑,但必然造成刹车效率降低。而由于碳陶刹车盘的刹车力矩较大,在相同压力下会产生较频繁的打滑,也会引起频繁防滑,减低刹车效率。
造成这一现象的原因是传统刹车系统普遍采用了常规恒压力刹车方法。常规恒压力刹车方法中刹车压力与刹车指令为简单的正比例关系,刹车压力仅与飞行员施加的刹车指令相关,而与机轮速度、机轮刹车力矩特性等变量无关。该方法对于普通的钢盘刹车机轮和碳碳复合材料刹车机轮来说,由于刹车力矩较低或较平稳,能够满足要求,但对于碳陶刹车机轮,当飞行员深踩刹车时,机轮打滑抱死风险较大,操控性不优,已经不适宜采用。故需要采用一种基于碳陶刹车机轮力矩特性的新型飞机刹车控制方法,与碳陶刹车机轮匹配。新的刹车控制方法能够根据碳陶刹车机轮的刹车力矩特性,主动调整刹车压力,避免机轮产生较大的力矩冲锋和频繁打滑。
通过检索国内外的专利文献和论文数据库,未发现与本发明相同的技术。
现有技术中,用于某型机的指令变增益刹车技术根据刹车指令传感器的行程来分段调节输出刹车压力,该技术不足之处在于未考虑被控刹车机轮的力矩特性,不能解决深踩刹车时机轮的频繁打滑抱死问题,刹车效率低且影响安全性的不足。
发明内容
为克服现有刹车技术中存在的与碳陶刹车机轮不匹配,导致的刹车效率低且影响安全性的不足。本发明提出了一种基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法。
本发明的具体过程是:
步骤1,获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线:
通过获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线得到以下各参数:开始刹车时刹车力矩峰值、刹车中速段刹车力矩上升的起始速度、刹车低速段刹车力矩的上升速率、平均刹车力矩。
所述获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线时的加载载荷为碳陶刹车机轮施加允许范围内最大的径向载荷;通过惯性试验台对碳陶刹车机轮加速,达到允许正常刹车的速度上限时,恒定施加满刹刹车压力进行恒压力刹车,使机轮减速直至停止。
步骤2,试验碳陶刹车机轮在常规恒压力刹车方法的刹车性能:
模拟飞机刹车系统的实际工作状态和工作条件,在惯性试验台上让机轮在正常刹车速度下按规定的机轮载荷和正常刹车压力9MPa恒定实施刹车,确认采用恒压力刹车时碳陶刹车盘的刹车力矩特性对刹车效率的影响,得到开始刹车时出现深打滑时的刹车压力。
步骤3,按照碳陶刹车机轮力矩特性进行刹车控制率设计:
根据碳陶机轮刹车力矩特性曲线随机轮速度下降出现的两头翘、中间凹的马鞍形形状特点,对刹车全过程的刹车压力按机轮速度进行分段处理。
在进行分段处理时,通过降低刹车压力的方式修正该碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线前端力矩高于所述平均刹车力矩与后端力矩高于所述平均刹车力矩。
在修正所述前端力矩时,通过刹车控制盒控制刹车压力转为按固定速率上升,以避免出现快速刹车造成的力矩冲锋。
所述修正前端力矩的具体过程是:机轮速度在30km/h以上时,踩刹车使刹车控制盒通过伺服阀控制信号控制刹车电流,使刹车压力从0到4.5MPa无延时上升;当刹车压力大于等于4.5MPa时,转为按0.6MPa/s的速率加压,实现对所述碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线前端力矩的修正,以降低开始刹车时刹车力矩峰值,避免产生力矩冲锋。
在修正所述后端力矩时,
当飞机机轮速度为中低速段时:施加刹车指令后,将伺服阀控制信号乘以动态变化的伺服阀控制系数K,以主动降低伺服阀控制信号。根据步骤1取得的刹车低速段刹车力矩的上升速率进行反比例计算即为伺服阀控制系数K随机轮速度降低的速率。伺服阀控制系数K=0.604+0.0033V。
其中V:飞机机轮速度,单位为km/h
当机轮速度120km/h时,所对应的伺服阀控制系数为1;
该伺服阀控制系数随机轮速度降低线性等比例减小,至机轮速度30km/h时伺服阀控制系数降至0.7;
当飞机机轮速度小于防滑失效速度30km/h时,伺服阀控制系数恢复为1,仍按刹车指令正常加压。
通过所述调整伺服阀控制系数的过程,修正碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线后端力矩,提前降低刹车压力。
刹车中速段刹车力矩开始上升的起始速度为120km/h,所述飞机机轮速度在小于等于120km/h、大于等于30km/h时为中低速段速度。
至此,完成基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制。
采用本发明提出碳陶刹车机轮匹配的刹车控制方法,一次完整的机轮刹车全过程如下:
1、开始刹车时,刹车脚蹬直接踩到底并保持,在引起碳陶机轮打滑的压力门限以下,刹车控制率控制刹车系统快速施加刹车压力;
2、接近或达到压力打滑门限时,刹车压力转为按固定速率上升,以避免出现快速刹车造成的力矩冲锋;
3、刹车压力上升达到刹车系统规定的正常刹车压力后保持,以对力矩特性中间凹陷部分进行补偿;
4、当机轮速度降至中低速时,根据力矩特性曲线,力矩开始上升翘起,系统控制刹车压力根据机轮速度主动降低;
5、在机轮速度降至防滑失效速度门限以下后,刹车压力恢复与刹车指令的对应关系,按常规方法进行正常刹车,直至刹车结束。
至此,完成了飞机防滑刹车系统与碳陶刹车机轮匹配的刹车控制。
本发明中,刹车控制方法依据碳陶刹车机轮力矩特性进行针对性设计。首先利用惯性试验台确定碳陶刹车机轮力矩特性曲线以及采用常规恒压力刹车方法时存在的问题以及防滑门限;在根据碳陶刹车机轮力矩特性曲线特点进行匹配设计,在不引起机轮打滑的前提下力矩过高时降低刹车压力,力矩降低时提高刹车压力,以达到恒压力刹车的目的。本发明避免了碳陶机轮刹车力矩冲锋引起的深打滑及安全隐患,又解决了频繁打滑引起的刹车效率降低问题。
本发明的刹车控制方法不影响防滑刹车系统防滑功能的实施。在规定的停机载荷下刹车全过程系统尽量避免出现机轮打滑,保证刹车效率不降低。在机轮载荷降低(对应湿跑道或冰跑道)时,若机轮出现打滑,防滑刹车系统防滑功能可以正常工作,释放刹车压力解除机轮打滑,保证机轮安全。机轮打滑解除后,仍按照本发明的刹车控制方法继续进行刹车。
本发明的刹车控制方法通过防滑刹车系统控制软件实现,不需要人为干预。飞机着陆后飞行员只需正常踩脚蹬进行刹车即可,防滑刹车系统自动实现与碳陶刹车机轮匹配的刹车控制,不需要飞行员多余的动作。
本发明的基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法与常规刹车控制方法对比见
表1。
附图说明
图1是本发明中匹配碳陶刹车机轮时的刹车压力/刹车力矩期望曲线图。
图2是碳陶刹车机轮刹车力矩特性典型曲线图。
图3是采用与碳陶刹车机轮匹配的飞机刹车控制方法的实施例中刹车压力曲线。
图4是采用与碳陶刹车机轮匹配的飞机刹车控制方法的实施例中刹车力矩曲线。
图5是本发明的流程图。
附图标记说明:1.匹配碳陶刹车机轮时的刹车压力期望曲线;2.匹配碳陶刹车机轮时的刹车力矩期望曲线;3.马鞍状碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线;4.实施例中刹车压力上升速率0.6MPa/s部分;5.实施例中刹车压力中低速段乘以K系数部分;6.实施例中刹车压力30km/h以下部分,K系数恢复为1;7.实施例中刹车力矩曲线,在30km/h以上接近恒力矩控制。
具体实施方式
本实施例是一种基于碳陶刹车机轮力矩特性、与碳陶刹车机轮匹配的飞机防滑刹车系统刹车控制方法,所适用的防滑刹车系统为常规的电传防滑刹车系统或全电防滑刹车系统。本实施例中所述的防滑刹车系统为常规的电传防滑刹车系统。
本实施例的具体过程是:
步骤1,获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线:
按常规方法,通过惯性台试验确定碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线。
试验前设置所述惯性试验台的加载载荷。所述加载载荷为碳陶刹车机轮施加允许范围内最大的径向载荷,以避免试验过程中机轮打滑影响刹车力矩特性曲线的完整性和准确性。
试验时,通过惯性试验台对碳陶刹车机轮加速,达到允许正常刹车的速度上限时,恒定施加满刹刹车压力进行恒压力刹车,使机轮减速直至停止。
惯性试验台同步记录碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线,该曲线表示碳陶刹车机轮从规定刹车速度开始以恒定压力刹车至停止时刹车力矩的变化特性。
所记录的技术参数包括:开始刹车时刹车力矩峰值、刹车中速段刹车力矩上升的起始速度、刹车低速段刹车力矩的上升速率、平均刹车力矩。
步骤2,试验碳陶刹车机轮在常规恒压力刹车方法的刹车性能:
模拟飞机刹车系统的实际工作状态和工作条件,在惯性试验台上让机轮在正常刹车速度下按规定的机轮载荷和正常刹车压力9MPa恒定实施刹车,确认采用常规恒压力刹车时碳陶刹车盘的刹车力矩特性对刹车效率的影响,得到开始刹车时出现深打滑时的刹车压力。
所述对刹车效率的影响有两方面:一方面是开始刹车时,力矩冲锋引起的深打滑。由于刹车力矩上升过快,刹车压力还未达到正常刹车压力就会引起机轮深打滑。另一方面是中低速段由于碳陶刹车盘力矩较大引起的频繁打滑。本发明的刹车控制方法就是从这两方面进行改进,以提高刹车效率。
通过常规恒压力刹车方法得到在规定的工作条件下碳陶机轮打滑的刹车力矩曲线,结合步骤1得到的碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线,得到影响刹车效率的相关参数。
步骤3,按照碳陶刹车机轮力矩特性进行刹车控制率设计。
根据碳陶机轮刹车力矩特性曲线随机轮速度下降出现的“两头翘、中间凹”马鞍形形状特点,对刹车全过程的刹车压力按机轮速度进行分段处理。
在进行分段处理时,对该步骤1得到的碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线进行修正,将该碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线前端力矩高于所述平均刹车力矩部分与后端力矩高于所述平均刹车力矩部分通过降低刹车压力的方式,修正其刹车力矩。
从步骤1中得到的碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线可知,前端力矩高于平均刹车力矩部分处于机轮速度小于220km/h、大于等于180km/h范围,后端力矩高于平均刹车力矩部分处于机轮速度小于等于120km/h范围。
在修正所述前端力矩时,通过刹车控制盒控制刹车压力转为按固定速率上升,以避免出现快速刹车造成的力矩冲锋。具体是:
机轮速度在30km/h以上时,踩刹车使刹车控制盒通过伺服阀控制信号控制刹车电流,使刹车压力从0到4.5MPa无延时上升;当刹车压力大于等于4.5MPa时,转为按0.6MPa/s的速率加压,实现对所述碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线前端力矩的修正,明显降低开始刹车时刹车力矩峰值,避免产生力矩冲锋,如图4所示。
通过步骤1记录到刹车中速段刹车力矩开始上升的起始速度为120km/h。当飞机机轮速度在小于等于120km/h、大于等于30km/h时为中低速段输出控制。
该中低速段输出控制:在中低速段施加刹车指令后,再将伺服阀控制信号乘以动态变化的伺服阀控制系数K,以主动降低伺服阀控制信号。根据步骤1取得的刹车低速段刹车力矩的上升速率进行反比例计算即为伺服阀控制系数K随机轮速度降低的速率。伺服阀控制系数K=0.604+0.0033V。
其中V:飞机机轮速度,单位为km/h
具体为在机轮速度120km/h时,所对应的伺服阀控制系数为1;
该伺服阀控制系数随机轮速度降低线性等比例减小,至机轮速度30km/h时伺服阀控制系数降至0.7;
当飞机机轮速度小于防滑失效速度30km/h时,伺服阀控制系数恢复为1,仍按刹车指令正常加压。
通过所述调整伺服阀控制系数的过程,修正碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线后端力矩,提前降低刹车压力。
本实施例中,根据碳陶刹车机轮刹车力矩特性设计了针对性的刹车控制率,通过低位加压避开了机轮力矩冲锋,补偿了中速段力矩下降;通过中低速段动态控制伺服阀控制信号避免了刹车力矩上翘引起的频繁打滑,实现了恒力矩刹车,提高了防滑刹车刹车效率,又保证了刹车系统和飞机机轮的安全性。
本实施例中,通过防滑刹车系统与碳陶刹车机轮匹配的刹车控制方法,解决了常规控制方法存在的问题,通过了惯性试验台试验验证。

Claims (4)

1.一种基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法,其特征在于,具体过程是:
步骤1,获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线:
通过获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线得到以下各参数:开始刹车时刹车力矩峰值、刹车中速段刹车力矩上升的起始速度、刹车低速段刹车力矩的上升速率、平均刹车力矩;
步骤2,试验碳陶刹车机轮在常规恒压力刹车方法的刹车性能:
模拟飞机刹车系统的实际工作状态和工作条件,在惯性试验台上让机轮在正常刹车速度下按规定的机轮载荷和正常刹车压力9MPa恒定实施刹车,确认采用恒压力刹车时碳陶刹车盘的刹车力矩特性对刹车效率的影响,得到开始刹车时出现深打滑时的刹车压力;
步骤3,按照碳陶刹车机轮力矩特性进行刹车控制率设计:
根据碳陶机轮刹车力矩特性曲线随机轮速度下降出现的两头翘、中间凹的马鞍形特点,对刹车全过程的刹车压力按机轮速度进行分段处理;
在进行分段处理时,通过降低刹车压力的方式修正该碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线前端力矩高于所述平均刹车力矩与后端力矩高于所述平均刹车力矩;
在修正所述前端力矩时,通过刹车控制盒控制刹车压力转为按固定速率上升,以避免出现快速刹车造成的力矩冲锋;
在修正所述后端力矩时,
当飞机机轮速度为中低速段时:施加刹车指令后,将伺服阀控制信号乘以动态变化的伺服阀控制系数K,以主动降低伺服阀控制信号;根据步骤1取得的刹车低速段刹车力矩的上升速率进行反比例计算即为伺服阀控制系数K随机轮速度降低的速率;伺服阀控制系数K=0.604+0.0033V;
其中V:飞机机轮速度,单位为km/h
当机轮速度120km/h时,所对应的伺服阀控制系数为1;
该伺服阀控制系数随机轮速度降低线性等比例减小,至机轮速度30km/h时伺服阀控制系数降至0.7;
当飞机机轮速度小于防滑失效速度30km/h时,伺服阀控制系数恢复为1,仍按刹车指令正常加压;
通过所述调整伺服阀控制系数的过程,修正碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线后端力矩,提前降低刹车压力;
至此,完成基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制。
2.如权利要求1所述基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法,其特征在于,所述获取碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线时的加载载荷为碳陶刹车机轮施加允许范围内最大的径向载荷;通过惯性试验台对碳陶刹车机轮加速,达到允许正常刹车的速度上限时,恒定施加满刹刹车压力进行恒压力刹车,使机轮减速直至停止。
3.如权利要求1所述基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法,其特征在于,所述修正前端力矩的具体过程是:
机轮速度在30km/h以上时,踩刹车使刹车控制盒通过伺服阀控制信号控制刹车电流,使刹车压力从0到4.5MPa无延时上升;当刹车压力大于等于4.5MPa时,转为按0.6MPa/s的速率加压,实现对所述碳陶刹车机轮刹车力矩特性曲线前端力矩的修正,以降低开始刹车时刹车力矩峰值,避免产生力矩冲锋。
4.如权利要求1所述基于碳陶刹车机轮特性的飞机刹车控制方法,其特征在于,刹车中速段刹车力矩开始上升的起始速度为120km/h,所述飞机机轮速度在小于等于120km/h、大于等于30km/h时为中低速段速度。
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