铸铁-硬质合金钢的刹车力矩性能

李忠钰 黄立新 娄锐 巫火根 郭明玄

(中航飞机起落架有限责任公司，长沙 410200)

0 引言

航空刹车机轮目前普遍采用盘式刹车形式，盘式刹车以静刹车盘夹抱随着机轮转动的动刹车盘摩擦生热，消耗机轮的转动动能。由于刹车装置在短时间内要吸收大量的飞机动能，刹车装置内部温度很高，因此刹车装置的材料耐热温度由原来的石棉塑料-铸铁对偶的200～250℃发展到粉末冶金-钢对偶的300～400℃，进而发展到碳-碳对偶的700℃左右。刹车装置的刹车性能在通常情况下完全取决于刹车摩擦材料的摩擦性能。因此，应慎重选择摩擦偶材料，并调整影响刹车性能的相关材料参数，使机轮刹车装置能满足设计的性能要求。

1 材料选型

针对本公司的某型具备刹车功能的无人机的机轮设计，从飞机着陆到刹车减速至规定速度，利用仿真软件ABAQUS模拟刹车传热过程，在制动时间为19.64 s的工况下，得到动/静刹车盘接触摩擦面瞬时最高温度约为470℃。无人机的用途为靶机，属短周期易消耗产品，如果选用粉末冶金-钢、碳-碳对偶材料不仅刹车装置结构设计复杂而且生产维护成本高，不适用此种飞机。

考虑刹车盘的耐磨性和高温热胀冷缩的影响，应尽可能选择硬度高、热膨胀系数和弹性模量低的材料。灰铸铁具有耐磨性、耐热性较好、受热变形量较小和较好的抗接触疲劳性等优点。综合对比考量目前成熟机型的刹车材料和靶机的经济适用性后，优选硬质高铬合金钢作动刹车盘，灰铸铁作静刹车盘。

灰铸铁HT250具有良好的耐磨性能，因其金相组织为片状石墨和珠光体。片状石墨由于自身的“自润滑”性，吸附性强等有利于耐磨；珠光体由软质的铁素体和硬脆的渗碳体组成，是有利于材料减少摩擦的组织，珠光体的形状以片状为佳；因此静刹车盘材料选用HT250（退火）。动刹车盘备选材料有30CrSiMoVA（退火）、30CrMnSiA（退火)和30CrMnSiA（热处理）。为了防止动刹车盘磨粒磨损，动刹车盘的材料硬度应大于1.3倍静刹车盘材料硬度，并且较高的硬度有利于摩擦面抗接触疲劳磨损。摩擦材料的表面粗糙度与疲劳寿命密切相关，摩擦表面的粗糙度越好，摩擦材料的使用寿命越长。综上所述，刹车盘材料的相关参数如表1所示。动/静刹车盘生产时均进行磁粉探伤检验，避免材料内部缺陷影响实验结果。

表1 刹车盘材料参数

2 试验

2.1 试验原理

为了验证不同的摩擦偶材料的刹车力矩性能，逐级调整液压源处减压阀的压力到目标刹车液压压力，而后飞机刹车动作通过刹车指令控制单元发出，电磁减压阀通电，刹车装置的动/静刹车盘在液压作动缸的作用下贴合，然后用力矩扳手通过转接套筒缓慢地施加刹车力矩，直至机轮转动，以机轮转动时的最大力矩值作为刹车力矩的测量值，刹车力矩试验系统原理如图1所示。

图1 试验原理功能框图

2.2 试验装置设计

根据试验原理结合刹车机轮产品结构特点，进行试验装置的结构设计，装置组成如图2所示。该试验装置具有操作空间大、拆卸换装方便、成本低、结构简单等优点。

图2 试验装置组成图

2.3 刹车力矩试验

图3 刹车力矩试验图

图4 静刹车盘典型摩擦面图

图5 动刹车盘典型摩擦面图

3 试验结果与分析

在3种动刹车盘表面粗糙度和摩擦面平面度相差不大的条件下，试验液压压力与力矩关系如图6所示，试验液压压力与平均动摩擦因数如图7所示。

图6 液压压力与力矩关系图

图7 液压压力与平均动摩擦因数关系图

从图6可以总结出：1）在较小的液压压力条件下，30CrSiMoVA（退火）的刹车力矩值比其他两种动刹车盘材料偏大；在较大液压压力条件下，刹车力矩值比其他两种动刹车盘材料偏小。2）由于30CrMnSiA热处理的材料硬度比退火状态硬度大，耐磨性较好，从图7可知其平均动摩擦因数较低，导致热处理状态比退火状态的刹车力矩偏小。3）材料30CrMnSiA退火和热处理状态的刹车力矩值趋势呈线性，其中30CrMnSiA（退火）的线性拟合优度R2=0.998优于30CrMnSiA（热处理）的线性拟合优度R2=0.995。4）30CrSiMoVA（退火）材料刹车力矩值趋势符合三次多项式曲线。

从图7可以总结出：1）30CrSiMoVA退火状态和30CrMnSiA退火状态的平均动摩擦因数随着液压压力的增大而总体趋势为由大变小，其中30CrMnSiA退火状态的平均动摩擦因数变化趋势平缓呈线性，30CrSiMoVA退火状态的平均动摩擦因数变化趋势比较陡峭。2）30CrMnSiA热处理状态的平均动摩擦因数总体趋势为先增大后减小而后随着压力的增大有增大的趋势，平均动摩擦因数无线性规律。对比分析可知HT250（退火）与30CrMnSiA（退火）组成的摩擦偶的平均动摩擦因数较其他两种材料比较有规律，其线性拟合优度R2=0.933，便于准确评估机轮的刹车性能。

综上所述，在材料能满足耐接触摩擦面瞬时最高温度约为470℃条件下，HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)材料组成的摩擦偶具有刹车力矩和平均动摩擦因数线性拟合优度好、刹车力矩值在液压压力较低条件下比较大、材料无特殊处理且成本低廉的优点，有利于降低飞机液压系统的额定压力和液压系统复杂程度，有利于精确控制机轮刹车距离和时间，有利于准确评估机轮的刹车性能。该组摩擦偶材料试验参数达到了刹车机轮的设计使用性能要求，因此推荐选择HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)作为此款飞机的机轮刹车盘摩擦偶材料。

4 结语

本文对某型无人机盘式刹车机轮进行铸铁-硬质合金钢材料的刹车力矩试验，在3种动刹车盘表面粗糙度和摩擦面平面度差异不大的情况下，获得3组摩擦偶的力矩和平均动摩擦因数试验数据。在材料能满足耐接触摩擦面瞬时最高温度约470℃和无人机的经济适用性条件下，通过试验数据分析得到HT250（退火）-30CrMnSiA（退火)摩擦偶材料刹车性能良好，其具有刹车力矩和平均动摩擦因数线性拟合优度好、刹车力矩值在液压压力较低条件下比较大的优点，满足某型无人机刹车机轮的设计使用性能指标，因此推荐该组作为某型刹车机轮摩擦偶材料。目前该组摩擦偶材料已在某靶机得到应用，刹车机轮地面试车和起飞着陆滑跑效果良好。