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摘要：为了考核某飞机刹车组件是否满足《运输类飞机炭刹车盘替换件合格审定符合性方法》（AC-25-AA-2008-02）的要求，使用三向传感器等设备对不同磨损状态炭刹车盘的振动特性进行测试，从而验证某型号国产炭刹车组件是否符合适航要求。本文为飞机刹车振动特性测试提供了一种方法。

关键词：飞机刹车盘；振动测试

引言

飞机的刹车系统对飞行安全起到至关重要的作用。飞机制动的过程中，刹车动盘和刹车静盘间存在相对运动，进而产生旋转及摩擦运动。刹车盘具有某种特性或者刹车盘和刹车机轮组件结构参数匹配不佳时，制动过程中就会产生振动，并伴随着噪声。振动量级与刹车机轮的特性、刹车机轮结构固有频率、刹车装置安装刚性等因素相关。如果产生高频制动噪声，往往十分刺耳，甚至可以高达110dB，成为重要噪声污染源；如果产生低频振动，则会恶化制动系统的制动平稳性，引起刹车或相关零部件磨损、松动甚至发生断裂。不仅恶化了飞机乘坐环境，影响乘坐舒适性，还会引发刹车装置的自激振动。如果刹车机轮与安装支架之间结构参数匹配不佳，当振动频率接近起落架的自振频率时，会导致起落架共振甚至折断。不但影响起落架的强度和寿命，还将影响刹车系统的刹车性能使其不能正常工作，导致刹车失效，直接引发飞行故障或安全事故。以空客A320为例，其着陆后刹车时对地速度可达230km/h，机轮负荷可达165kN，受天气海拔等因素影响，飞机刹车系统经常在高低温，高湿度等恶劣化境中工作。而刹车盘作为飞机刹车系统中的核心部件，其可靠性及性能对航空安全起到关键作用。因此对飞机刹车盘进行振动测试是必不可少的，选用的测试方法，测试条件均需要严谨的考量。此外，目前大多数航司仍选用进口炭刹车盘，成本高昂。而对国内军机来说，对国产炭刹车盘的需求更为迫切。而要想将国产炭刹车盘投入使用，对刹车盘振动测试的需求也逐渐增多。国外在飞机机轮振动方面研究较早，飞机制造公司为了保证飞机着陆的安全性，很早就对刹车机轮及起落架进行模态参数的分析及振动噪声的测试，并规定了一套严格的程序，内容详实，项目繁多。美国在20世纪60年代就对飞机机轮振动进行了调查，并对后期机轮的研究和发展提供了建议；欧洲在20世纪末制定了航空机轮的制造规范，并对航空机轮振动的危害进行了阐述。国外民用航空企业在进行刹车机轮振动测试时，对刹车机轮刹车过程中的振动量级进行幅值谱分析，并规定了振动位移幅值谱（见图1）。

我国在这方面的研究相对较晚。到了20世纪60年代，我国航空机轮工业才准备起草自己的HB标准，历时20多年初步形成了自己的HB5651标准。机轮的设计从力学强度校核发展到有限元计算。20世纪90年代，随着与国外先进航空技术的广泛交流和多领域合作，我国的技术标准和设计软件得到了进一步提升，并以MIL 美军标为基础编制了我国机轮刹车装置首部标准 GJB1184。国内外的标准及规范都是基于大量的试验数据和理论分析总结出来的技术指标，这都需要大量的刹车振动测试数据来对刹车机轮的工作状态进行分析，以积累理论和实践的经验。本文为飞机炭刹车盘振动测试确定一种测试方法，通过对不同磨损状态国产和进口刹车盘的振动特性的测试，从而验证一些机型国产炭刹车组件适航符合性/并为飞行试验提供技术支持，满足航空领域对振动测量的需求。

1 刹车振动测试原理方案

刹车气缸一般为锻铝件，内部装有由液压（ 或气压） 驱动的活塞，产生轴向力压向动、静刹车盘使其产生摩擦。刹车壳体常为钢锻件，承受拉伸和扭转载荷，并且在刹车时承受高温的作用。静盘和动盘结构形式较多，是刹车装置中的摩擦偶，产生刹车力矩并吸收能量转换来的刹车热。气缸座组件与刹车壳体通过螺栓连接，通过扭力销止动。静盘、动盘交叉叠放安装在刹车壳体上，静盘通过键槽与刹车壳体连接，动盘由轮毂带动随刹车机轮一起转动，静盘通过刹车壳体与轮轴相连，不随机轮转动。飞机着陆刹车时，液压油进入气缸座组件内腔，活塞在液压油作用下推出，对刹车盘施加压力。动、静刹车盘在活塞压力作用下压紧，由于动盘的转动，动静盘之间相对运动而形成摩擦力，产生刹车力矩。刹车盘有多组动盘与静盘相互交错装配以增大摩擦面积（见图2）。飞机制动过程中随着制动力的增大，动盘和静盘相互挤压，摩擦力矩增大，使机轮制动，同时动能转化为热能并耗散于空气中。

2刹车振动准备：

2.1使用器具

电荷放大器；适配器；三向传器；

采集卡；电脑；镊子；双面胶；棉花

若干；酒精；手套；传感器线；胶带。

2.2布线

将传感器线依次展开，沿场地边缘拉伸，避免工作中踩到，注意要在线两端及收线盘上注明对应通道。将三支传感器依次命名为1号，2号，3号，每个传感器对应三条传感器线。每支传感器有X，Y，Z三个方向，对应X，Y，Z三支线，即1号传感器对应X1， Y1，Z1三条传感器线，2号，3号传感器依次类推。因刹车测试具有一定风险，测试场地和观测室是分开的，需将传感器线通过墙体开设的洞口伸入观察室。

2.3布传感器

为测量刹车装置诱发在液压缸上的振动特性，在垂直和平行于液压缸轴向的两个平面上各安装一个三自由度加速度传感器；在机轮轴的断面上安装一个三自由度加速度传感器并测量其振动特性。即需要在活塞，活塞房，轴端分别布置三向加速度传感器。用镊子夹住泡过酒精的棉花擦拭粘贴表面。使用双面胶将传感器固定在被测平台上如下图3-图5所示。固定完成后，连接传感器线并旋紧。

3刹车振动测试

3.1采集数据

当轮胎与主动轮接触时，开始采集数据。当开始刹车时，观察电荷放大器，检查是否有超量程的通道。 若有问题，需更改增益并重新测试。当轮胎与主动轮脱离时，停止采集并记录刹车时间。

3.2振动噪声信号采集及分析算法

本文使用振动噪声测试系统实时采集刹车机轮制动过程中的振动、噪声及转速信号。通过预处理消除噪声，再结合激励、结构、响应的主要特性及时域、频域、幅值域等相关边界条件，关联研制单位的相关模型参数进行处理方法的研究，提取振动特征信息为优化设计提供准确、实用、方便的数据。测量系统的结构原理图如图6：

刹车制动过程的运行环境非常复杂，存在着气体、液体、机架、机械传动系统等多种机械以及电磁干扰源。要想获得准确的信号分析结果，首先需要排除这些机械噪声和电磁干扰噪声，采用有效分析算法降低或滤除噪声。降噪之后的振动信号与我们常见的随机振动过程生成的信号有区别，包含了大量的瞬变和高频的信号成分。对随机振动信号的处理一般可以给出均值、方差、自相关函数与功率谱密度。而制动过程中的振动信号包含了大量的瞬变和高频的信号成分，是一种非平稳随机的过程，这类信号的均值、方差、自相关函数与功率谱密度等统计特征是随时间变化的，是时间的函数。与平稳随机信号的统计描述相似，传统上使用概率与数字特征来描述，然而在对非平稳信号的处理中，信号在任一时刻附近的频域特征都很重要。为了进一步描述信号频率特征随时间的变化关系，工程上多用相关函数与时变功率谱来描述，近年来还发展了用时变参数信号模拟描述的方法。在后续的研究中，研究者们提出了小波变换和Hilbert-Huang变换等时频分析方法，均为非平稳信号处理提供了新的解决途径。基于时频域联合分析的方法能够同时得到信号在时间域和频率域的变化信息，更容易观察和发现信号中瞬态变化的成分，通过时频域信号的联合分析，确定采集的信号中的有效信息和干扰信息，进行信号分析。本文将选择合适的时频分析方法对振动噪声信号进行处理，综合考虑分析处理结果。

3.3振动测试结果

3.3.1进口新盘刹车试验

3.3.2时域、频域分析

（a）从测试的位置点进行分析，则轴端的振动分量最复杂，活塞房次之，活塞上测得的振动分量相对较小；

（b） 从同一测点不同方向上的分析结果看出，轴端的水平和垂直两个方向上的振动频率分布比较明显，轴向频率较少；活塞房的轴向和径向上的振动频率分布也要较切向上的明显；在活塞的位置上只有轴向的方向上有明显的相对低频的分量分布，在径向和切向的分析中没有明显的频率成分存在，但是小波分析的结果和HHT分析的结果可以进一步细化对应的频率分量，出现的主要分量与其他位置上的频谱分析结果类似；

（c） 频率的成分分析中，主要以炭刹车盘的一阶振形频率为主，还包括轮毂的一阶振形频率。此外，上述频率成分的倍频成分在刹车的过程中同样存在，因此可以认为刹车盘在刹车的过程中可能存在一定程度的不平衡和不对中。

（d） 除了与模态分析对应的频率外，在多个测量通路上还出现了130Hz附近和470Hz及4500Hz附近的频率分布，虽然根据目前的模态分析结果无法确定其对应的物理量，但是这些频率分量在刹车信号多个通路的分解信号中重复的出现（包括小波分解的结果和HHT的分解结果），说明这些频率分量应该是与刹车结构相关的频率成分，在今后的研究中应继续探寻这些频率成分对应的物理量情况。

（e） 刹车信号的分析方法的研究中，由于刹车的特点造成了刹车信号明显的非平稳和强噪声的特性，因此这类信号的频率分布非常广，分析前必须采用有效的方法降低信号的噪声。在分析方法上，传统的频谱分析算法可以检出信号中存在的明显的频率成分，但是并不能给出不同分量下信号的特性，而基于小波分析和HHT的分析方法可以将信号分解到不同的频率区间上观察在其各自频率范围内信号的分布情况和幅值特性，因此对于配合模态等结构分析比较有效，可以看出各个主要的频率成分的信号变化情况，因此更适合对刹车这类非平稳信号的分析。此外，基于时频域联合的分析方法可以将FFT分析中不能明确给出的频率成分进行细化，便于找出影响振动的主要频率分量。

4 结论

本项目可以对制动过程中刹车机轮的振动量级进行测试，为研究和解决起落架因刹车机轮共振频率等问题引发的振动破坏现象提供数据支持，避开危及安全的因素，保证起落架的安全使用。可以通过大量的刹车试验数据，利用数理统计的分析方法，参照国内民机及国外相关标准中关于振动和噪声测试的程序、标准及振动量级的要求，为飞机研发项目中刹车机轮的研制及标准制定提供借鉴和参考。

基金项目和编号：国家重点研发计划资助（2022YFB3207000）