多轮系防滑验证试验测控系统的设计与实现

陆 峰， 邓伟林， 张博强， 黄 星， 马晓军

(航空工业西安航空制动科技有限公司,陕西 西安 710072)

航空机轮及刹车系统作为飞机机载设备的重要组成部分，其作用不仅是支撑飞机、滑跑和承受冲击载荷，更重要的是充分利用地面提供的结合力，安全、可靠、快速地实现着陆制动以及在跑道积水、积雪、冻冰的特殊情况下实现良好控制，其性能好坏直接影响到飞机起降安全、速度和持续战斗能力，进而影响飞机的整机性能[1]。

随着航空业的发展，飞机起飞与着陆的速度及起飞的质量逐渐增加，起飞与着陆过程中的安全问题日益突出，对刹车系统的性能与可靠性的要求也越来越高。因此，刹车系统的功能越来越完善，构成也越来越复杂,它关系到飞机的安全返航、持续作战能力和适应机场的能力。无论从国内还是国外的飞机事故报道及统计数据来看，大多数事故都发生在起飞和着陆时，因为防滑刹车系统未能正常工作而导致的事故占很大比例，因此如何有效地提高飞机起飞与着陆的安全性和刹车效率，缩短滑跑距离，提高飞机对各种载荷状况、跑道状况、气候条件的适应能力，成为飞机刹车系统的主要研究问题[2-3]。

在地面惯性试验台上进行刹车模拟试验，是目前国内外常用的机轮刹车系统功能与性能试验方法，试验台的匹配性、协调性、安全性和可靠性高效的改善能更好地保证装机后的安全性和可靠性，降低飞机试飞风险和成本[4-5]。

现行有效的试验方式是将刹车系统单一机轮及刹车装置在试验台进行刹车试验验证，再进行单个机轮刹车装置与其刹车控制系统组合成的机轮刹车系统进行联合试验验证[6-7]。这种试验方法中的前者准确反映了航空机轮的刹车装置良好的刹车性能，后者反映了机轮刹车系统的刹车性能。但也只是反映了单个机轮的刹车装置和刹车控制系统之间的匹配性及性能。此类试验的机轮刹车系统装在飞机上进行系统地面滑行试验已经出现了走步和振动等问题，造成后续装机风险大、设计反复等问题。

飞机上不是只有单一的航空机轮刹车装置和刹车控制系统，目前的飞机上基本都有多机轮刹车装置、多刹车控制系统和多个起落架，它们组成了飞机的起降制动系统。一架飞机上刹车机轮数量较多时，刹车通道间的相互干扰和制约、协同性等问题更加突出。刹车力矩作为航向力施加到起落架上，必然对起落架产生一些影响。起落架缓冲支柱在不同的载荷影响下有不同的特性，这些特性又进一步影响机轮与地面的载荷，进而影响刹车过程中地面结合力矩与刹车力矩的平衡。因此，目前的试验方法不能充分验证起降制动系统实际工作状况。

1 现行技术问题分析

目前，国内拥有多套电惯性模拟试验台，可以根据不同的需求完成所有的刹车性能试验，包括动力矩试验、静力矩试验、结构力矩试验和中止起飞试验等。此外，还具有完成机轮径向—侧向联合载荷试验、机轮疲劳滚转试验、机轮爆破压力试验和按国军标、TSO、CTSO标准进行航空轮胎试验的能力[8]。但这些机轮试验台大都是只针对单个机轮进行测试，不适用于多机轮、多起落架配置的大型飞机，必须要在实际使用过程中进行飞机整机的起降制动系统性能验证。采用飞机整机进行验证，试验风险大、资金投入大、验证时间长。如果出现反复，所带来的风险资金和拖延的时间都是难以接受的。

随着技术的进步和发展，飞机朝着大吨位、高速度发展的趋势日益明显，这类大型飞机常常需要采用多起落架、多机轮配置，同时对安全性验证提出了更高的要求。在这样的发展趋势下，只针对单个机轮进行测试已经无法满足飞机发展和安全性的要求，想更好地满足装备研制需要，并为拓展民机市场打下基础，我国就得必须具备多轮系飞机机轮及刹车系统试验能力。“十二五”期间，为了更好地满足装备研制需求，多轮系试验平台正式在航空工业制动开工建设，最终于2016年9月全部建成并投入使用，多轮系台能够综合测试起落架系统在滑行、起飞和着陆刹车的不同阶段的组合特性，更加真实地模拟多起落架、多机轮、多液压通道和多控制通道综合使用时的功能和性能，通过一定试验数据的积累，在大数据的研究分析和验证应用下，我国的起落架系统集成验证能力得到大幅度提升，弥补了这方面的缺陷[1,9]。

现有的多轮系台功能相对比较单一，可独立进行系统防滑刹车试验，但没有配备相对应的多种传感器、数据处理等软件功能和演示显示器，不能完成系统的信息采集以及显示存储功能。以上缺陷使得试验台的试验结论的权威性大打折扣，更不能适应飞机更新换代[10]。因此为了适应新一代飞机机轮防滑刹车系统的技术性能要求，作为地面机轮防滑刹车系统仿真试验设备，必然要具备很高的试验可靠性，信息采集精确、数据分析精准、试验过程及结果直观易懂的特性，和便于维修、移动、安装的工作能力。

2 系统设计

为改善多轮系机轮刹车系统综合动力试验系统，笔者提出了一套多轮系刹车系统防滑验证试验的解决方法，用于多轮系机轮刹车系统综合动力试验台验证及系统防滑试验。验证试验台安装于多轮系台，结合多轮系台进行多轮系防滑刹车系统试验，系统试验台可以实时施加刹车指令，显示刹车系统状态、机轮温度、轮胎胎压状态等，并能动态显示状态信息，直观显示试验过程以及结果。

2.1 系统架构

验证试验台由测试系统和液压系统两大部分组成。

系统的总体架构框图如图1所示。验证试验台安装于多轮系台,由多轮系台提供电源，通过安装在系统试验台内的6个通道的某型刹车控制分系统的附件产品,实现某大型飞机单个主起落架中6个机轮的刹车及防滑性能试验。验证试验台能够按照大纲试验条件和方法要求实时施加刹车指令，实时显示整个刹车系统的工作状态。

图1 多轮系防滑验证试验台系统框图

测试系统原理框图如图2所示，主要由主控单元、显示单元、总线接口单元和数据采集单元等组成。

图2 测试系统原理框图

① 主控单元。主控单元由高性能计算机组成，主控单元安装有Windows操作系统和测试应用软件，完成仿真单元、采集单元、总线接口单元等资源调用执行工作，将试验数据解析后，以图表方式直观显示。

② 控制显示器。该单元主要由一体化键盘鼠标显示器套件组成，主要完成操作人员与试验台的信息交互，包括测试命令操作、测试结果显示等功能。

③ 电压采集单元。该单元由主要由电压采集模块组成，配合信号调理模块完成多轮系试验台相关参数采集。

④ 总线接口单元。该单元主要由1553B总线模块和CAN总线模块组成。通过1553B总线接收刹车控制单元参数信号；通过CAN总线模块接收胎压监测单元相关参数。

⑤ 负载仿真单元。该单元主要完成刹车指令传感器、机轮速度传感器、切断阀、刹车控制阀和压力传感器等附件仿真。

⑥ 直流供电电源。该单元为被测件和其他模块供电。被测件供电电源由AC/DC直流开关电源模块提供，该模块能够提供28 V/15 A驱动能力。测试台通过调理转接箱给某型正常刹车控制单元和某型备用刹车控制单元供直流电。再通过调理转接箱将经过某型正常刹车控制单元和某型备用刹车控制单元变换的相应幅值的直流电提供给刹车指令传感器、机轮速度传感器和刹车压力传感器。

⑦ 调理转接箱。调理转接箱用于连接被测件及测试设备，并通过内部设计的继电器板卡完成各信号的通断控制及路由。

⑧ 液压系统。作为系统的液压源，为液压附件提供稳定的油源压力，以及油温污染度的控制，确保系统试验稳定进行。

2.2 系统硬件设计

本系统改良了原有的多轮系台，配备全面的信息采集、数据解析和试验结果显示存储等功能。试验台功能实现过程中的关键部分是读取刹车控制单元的总线数据包以及胎压监控单元的总线数据包，并按照各自的ICD文件对相关参数进行解析，对试验过程中的数据以及结果曲线进行精准显示。因此，设备在数据采集、解析和分析结果等功能方面的要求非常严格。

在系统硬件选型时，皆选用国内外知名品牌，在设计中最大限度地采用成熟的标准模块，扩大标准件、通用件的适用范围，减少和压缩结构件、材料及元器件的品种和规格，提高了产品技术先进性和机械、电气、电子和计算机软件接口互换性、产品功能互换性和结构互换性，以保证控制测试软件具有一个高可靠性的运行平台，防止因软件死机而造成的错误，同时保证设备的可靠性。

主控单元选择4U的上架式计算机机箱结合工业系统主板组成，安装有Windows操作系统及测试应用软件，拥有功能强大的电脑运行系统，以及大容量的内存，完全可以适用于系统各模块的资源调用执行工作以及试验数据解析平台。

操作显示器选用32 in显示器，多源同屏，旋转升降底座配备HDMI/DP接口。演示显示器采用75 in，分辨率3840像素×2160像素(4 K高清屏)，亮度500 cd/m2，对比度(静态类型值)5000：1的液晶显示器，拥有图像缩放、视频暂停/快进/快倒/慢放、高清显示功能，能达到极佳直观视觉效果。

1553B总线仿真模块使用TU-5032(C)仿真1553B总线节点，TU-5032(X/C)是依据MIL-STD-1553B航电总线通信协议研发的一款基于PXI/PCI总线的通信卡。该通信卡是完成PXI/PCI测试系统与1553B通信总线连接的重要部件。该模块可以同时在BC、RT或MT方式下工作，由此可以搭建一整套1553B总线仿真测试环境，也可以作为1553B总线上的一个通信节点实现与1553B总线上其他设备的通信和控制。该模块具有可靠性高、容错能力强和成本低等特点，广泛应用于军用和民用航空航天电子测试系统中。

CAN总线模块采用PCI-9820， PCI-9820是一款基于PCI的CAN总线通信卡，最多可提供2通道相互隔离的CAN总线，通信速率软件可设，最大支持1 Mbit/s，终端电阻可通过软件控制是否接入。兼容各种CAN电平，用户可以不用管任何电气上的工作，而只专注于编写应用软件，极大地缩短了用户的开发周期。

电源控制模块由数字I/O板卡控制外部继电器板实现，通过数字I/O驱动大功率的继电器，完成对被测件的供电控制，保证了系统试验的稳定性。

系统的电气原理如图3所示，试验模型使用某大型运输机防滑刹车系统模型。此机型共有12个主轮，起落架采用小车式结构设计，单侧主起落架有6个机轮，多轮系台共有6个鼓轮，刚好可供半架份防滑刹车系统进行验证试验，另半架份通过仿真计算机模型进行实时仿真，来达到验证防滑刹车系统防滑刹车性能的目的。

图3 系统电气原理图

2.3 系统结构设计

系统采用分散集中的布局方式，方便试验台的安装与维护。测试系统位于操作间，液压系统位于多轮系台台架的2层，设备的整体布局如图4所示。

图4 设备整体布局图

测试系统的操作台用于主控单元及人机交互单元，对与被测件连接的信号端口和所有的信号外测孔进行设置，便于工作人员就近操作，保证了计算机操作中的人机交互，同时也为被测件的连接及信号引出预留了专门的安装及连接平台。对测试机柜在受力、电磁屏蔽、等电位、恒温控制、电气走线和仪器上架安装等方面针对测试测量系统进行了专门的设计，操作台内提供标准的安装附件可以进行各类标准和非标仪器设备的上架安装。

工控机和测试仪器设备均放置在操作台中，信号转接箱及信号接口(航插)均布置在操作台内，同时信号转接箱将所有的测试信号引至操作台上。试验台用于测试的信号资源通过航空插座引出至机柜背面板，通过电缆与刹车控制分系统和附件连接。

2.4 控制软件设计

软件系统采用统一标准，操作系统为Win7，上位机控制软件采用NI LabVIEW 2018编写。该控制软件最大的优势在于监控系统的开发不仅提供了几乎所有景点的信号处理函数和大量现代化的高级信号分析工具，而且LabVIEW程序还非常容易与各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通信，并与大多数通用标准的实时数据库连接。

系统测控软件的主要功能是完成整个试验过程中相关数据的解析显示。除此之外，系统软件还应具有使用方便、操作灵活的人机界面，丰富的画面显示，便于技术人员操作使用。系统基于计算机强大的运算能力，采用LabVIEW高级语言混合编程。系统测控软件力求功能完善、可维护性和扩展性好，保证合理、安全、可靠地解析显示试验中的相关信号数据。

软件结构框图如图5所示。

设备软件流程如图6所示，按照需求进行软件操作。

图7为系统试验的数据采集和分析界面，界面主要包括“开始采集”按钮、“停止采集”按钮、指令设置、发送指令和停止指令等。单击主界面上方“数据采集”按钮，则进入数据采集界面。采集界面可对各模块进行信息采集、总线数据包解析和试验结果显示。

图5 软件结构框图

图6 软件流程图

图7 数据采集和分析

本数据采集和分析系统，针对多轮系多支柱大型飞机对刹车系统的高可靠性要求,基于对大型飞机刹车系统架构设计方法、自适应刹车控制律、抑制刹车振动方法及可靠性分析和验证方法等关键技术进行了相应的算法和界面设计。

3 总结与分析

对试验台需求进行分析可知，试验台主要包括以下功能。

① 多支柱加载系统多鼓轮驱动系统组合台架结构的试验台,具有一套综合性的多支柱协调加载、多鼓轮速度同步和能量协调分布整体结构,为飞机系统综合试验验证而设计的，并且可以进行飞机高集成起降制动系统的试验验证。该集成系统能够模拟整个飞机地面滑行的飞行状态，并可以代替飞机进行起降制动系统的地面滑行试验。

② 通道组合切换功能。该功能通过调理箱内部继电器将刹车控制单元信号切换至刹车系统附件或者刹车系统附件仿真设备。

③ 刹车控制器参数采集显示。该功能通过试验台的1553B总线仿真卡读取刹车控制器1553B总线信息，并按照相应的ICD文件对数据进行解析，按照要求对相关参数进行显示。

④ 胎压监控单元参数采集显示。该功能通过试验台的CAN总线仿真卡读取胎压监控单元CAN总线信息，并按照相应的ICD文件对数据进行解析，按照要求对相关参数进行显示。

⑤ 系统具有系统监测控制、信息采集、数据解析和实时显示存储等功能。改良了原来的多轮系防滑刹车试验系统，完善并提供必要的试验条件，缩短了机轮试验研制周期，极大地提高了飞机机轮刹车系统研发和试验的综合水平。

国内外没有与多轮系台同类的试验系统，也没有与多轮系台配备的多轮系防滑验证系统设备。在国外，此类试验采用飞机来完成，试验测试会受到许多限制，也很难重复，还需准备专门进行试验的机场和飞机，试验成本非常高，更无法实时分析试验数据，不能直接观测试验过程和结果。

4 结束语

设计开发了多轮系刹车系统防滑验证试验台和数据采集分析系统，用于多轮系机轮刹车系统综合动力试验台验证和系统防滑试验。基于飞机及刹车系统安全性模型,可支撑分析多轮系正常刹车、停机/应急刹车架构设计方法,研究刹车系统机电液动态特性设计方法。滑移率和机轮减速率全压力自适应防滑刹车系统控制策略可辅助验证跑道结合力估计算法,采用速度插值滤波模块和卡尔曼滤波模块得出飞机滑移率,建立飞机刹车防滑系统动力学模型,通过仿真分析及惯性试验台验证2种控制律对干、湿跑道的识别能力和刹车性能。

系统可研究多支柱多轮系飞机制动过程中的振动问题,验证由刹车材料摩擦特性、刹车压力、刹车壳体结构和装配间隙等多个方面引起的刹车振动，可辅助建立刹车振动数学模型,对刹车振动特性进行仿真分析,从而辅助完成有效的抑制刹车振动的设计方法。分析系统从理论和工程上研究了大型飞机多轮系多支柱机轮刹车系统可靠性分析方法与综合验证技术，得到了成功应用,为提高刹车系统可靠性设计奠定了坚实的理论和工程基础，该数据对设计多轮系飞机刹车系统架构具有重要的工程指导意义,减少了经费，保障了飞机刹车系统各项功能和性能试验的研制，使多轮系台机轮防滑刹车试验更具权威性、可靠性，并具有重要的应用价值。

多轮系防滑验证试验台将试验数据实时分析显示，能直接观测试验过程以及结果，进而全面验证大型飞机起降系统的综合性能，实现起落架、机轮、刹车系统集成的匹配性、协调性、安全性和可靠性测试，极大地降低了飞机试飞风险和成本，具有重要的示范意义和广阔的使用范围。