飞机自动防滑刹车系统的控制原理、组成部件和故障排除研究——以B737-700机型为例

王斐然

(中国东方航空昆明维修基地航线部航线三车间,云南 昆明 650200)

飞机自动防滑刹车系统的控制原理、组成部件和故障排除研究
——以B737-700机型为例

王斐然

(中国东方航空昆明维修基地航线部航线三车间,云南 昆明 650200)

飞机；B737-700；自动防滑刹车系统；滑移率；故障

对B737-700机型自动防滑刹车系统的控制原理、组成部件以及常见的故障和排除方法进行论述。总体看,B737一700飞机自动防滑刹车系统可靠性比较高,但传感部分的部件故障偏多,4个机轮刹车组件使用中可能发生的故障主要有过热、卡滞、漏油、振动等。在飞机再次使用前,必须对其机轮刹车组件进行定期检查,且在排除常见的自动防滑刹车系统故障时,应当对波音的手册综合运用并进行交叉验证,同时运用自己的判断力,使故障得到快速、准确的排除。

一、B737自动防滑刹车系统的控制原理

飞机的自动防滑刹车系统(ABS)是对飞机起飞、安全着陆有重要影响的功能系统,其主要作用是在飞机起飞、着陆、滑行、转弯过程中进行有效的制动和控制,吸收飞机的滑跑动能,使飞机速度快速降低,达到缩短滑跑距离的目的。ABS系统有两种工作模式：着陆模式和起飞模式。飞机在着陆前若驾驶员选择了自动刹车,则在飞机落地后ABS系统会自动根据飞机的状况在适当的时机自动施加刹车压力,按照规定的档位对飞机进行制动过程中的减速率控制,如遇机轮有打滑倾向时,还会自动进行防滑控制,整个过程不需要驾驶员的刹车操作,均由刹车系统自主控制完成；飞机在起飞前若驾驶员选择了自动刹车,则在起飞高速滑行过程中,如遇紧急情况不能起飞时,只要驾驶员紧急收油门,让发动机处于慢车状态,则ABS系统会自动施加刹车压力,在最短的时间内施加刹车压力以最大减速率对飞机进行制动,如遇机轮有打滑倾向时,也会自动进行防滑控制,整个中止起飞过程也不需要驾驶员的刹车操作,均由ABS系统自主控制完成。相对于人工刹车,ABS系统能够以最快的速度和连贯一致的刹车压力,提供最大和连贯一致的刹车压力,避免驾驶员操纵刹车滞后、刹车压力不足或刹车前后不一致可能导致的不安全后果,并使飞机以恒减速率减速,显著提高乘员和乘客在着陆过程中的舒适感。

B737自动防滑刹车系统制动主要依靠的是轮胎和地面间产生的结合力,即反向摩擦力使飞机减速。结合力越大,飞机刹车减速就越快,刹车距离就越短。当飞机刹车压力产生的刹车力矩大于地面结合力矩(地面结合力矩是指地面对飞机机轮产生的摩擦力矩),机轮便会打滑,刹车机轮的速度降低,ABS系统在刹车压力控制单元和刹车力矩调节装置作用下刹车力矩随着降低,机轮打滑解除；机轮打滑解除后,ABS系统又会使刹车压力按一定规律上升,重新寻找与地面结合力矩相适应的刹车力矩。飞机着陆刹车过程中,ABS系统就是这样周而复始不断重复工作,直到飞机速度为零。

从理论上讲,B737自动防滑刹车控制问题的关键是滑移率问题。即在飞机的ABS系统中,防滑刹车控制方式的核心思想是以机轮滑移率为控制目标。所谓滑移率是指飞机在刹车时,机轮接地点的速度低于飞机的速度而产生滑移的现象。定义滑移率σ=(V1-V2)/V1·100％,V1为飞机的平均移动速度, V2为刹车时机轮的线速度。飞机的ABS系统制动主要依靠轮胎和地面间产生的结合力,在飞机重量一定的情况下,影响结合力大小的因素称为结合系数μ,它反应了轮胎与跑道之间摩擦系数的总体水平。影响μ的因素很多,其中最主要的是滑移率σ,滑移率σ与结合系数μ呈非线性关系,附图是一个典型的结合系数随滑移率变化的曲线图。

附图 结合系数μ与滑移率σ的变化曲线

由附图可看出,结合系数μ最大点处的σF就是最佳滑移率。因此,要达到最佳的刹车效率,就必须保证飞机在整个刹车过程中,轮胎和地面间结合力最大,即滑移率维持在最佳值σF,这就是最佳滑移率控制方式的主要思想。其控制的物理过程是：

1.当σ＜σF时,结合系数未充分利用,增大刹车压力,结合力矩增大,刹车效率提高。

2.当σ＞σF时,刹车压力过大,刹车力矩大于结合力矩,轮胎打滑严重,刹车效率较低。因此应减小刹车压力,提高结合系数利用率和刹车效率。在飞机滑跑刹车过程中,将不断重复上述过程,使滑移率保持在σF左右,从而获得最佳刹车效率。控制滑移率,是自动刹车的重要功能,也是B737飞机自动防滑刹车系统的核心技术。

二、B737自动防滑刹车系统的组成部件及功能

波音737系列飞机是美国波音公司生产的一种中短程双发喷气式客机。波音737飞机自投产以来50余年销路长久不衰,成为民航历史上最成功的窄体客机,至今已发展出九个型号。而B737-700是现有的九个型号中较新和最具代表性的机型,具有系统先进、易于维护、故障率低等特点。B737-700的自动防滑刹车控制系统由操作、控制、传感、执行、指示等部分组成,是一个涉及部件众多的复杂系统,主要包含以下部件及功能：

1.防滞/自动刹车控制组件(AACU)：自动刹车系统的核心部件,它接受自动刹车指令,并将其传递到自动刹车压力控制组件。

2.自动刹车压力控制组件：自动刹车系统的执行部件,接受AACU的指令并将AACU的指令传递到4个机轮刹车组件。

3.控制面板：是人机交流界面,它选择自动刹车档位,自动刹车不预位(AUTO BRAKE DISARM)灯指示自动刹车因各种原因引起的不预位状况。

4.自动油门电门组件：负责提供油门位置信号,将油门杆信号送到AACU。

5.临近电门控制组件(PSEU)：提供飞机的空地信号,供AACU使用。

6.自动刹车往复活门压力电门(S762和S763)：将自动刹车和正常刹车隔离,当正常刹车的刹车压力达到一定压力时,自动刹车即自行解除。

当驾驶员设置驾驶舱内自动刹车面板上自动刹车选择活门到不同的档位,选择的档位信号即被送到AACU。当同时满足以下条件时,自动刹车预位成功：飞机在空中；大气数据惯性基准组件(ADIRU)信号有效；自动刹车系统无故障；正常防滞系统无故障；正常刹车计量压力低于750psi。如其中的某一个条件不满足,则选择面板上的AUTO BRAKE DISARM灯亮。

三、B737自动防滑刹车系统的常见故障及排除方法

飞机防滑刹车系统是一个复杂的具有不确定性的非线性系统,飞机起落架、机轮、刹车装置以及结合系数与滑移率的非线性,轮胎、跑道和刹车盘温度变化的不确定性,都是影响飞机刹车系统性能的因素。从近几年的维护经验来看,总体来说B737-700飞机自动防滑刹车系统可靠性比较高,但传感部分的部件故障偏多。概括起来可能引起自动防滑刹车故障的原因包括：AACU本身的故障、自动刹车压力控制组件v122故障、油门杆不再慢车位、PSEU(空地信号)不在地面位、速度刹车手柄不在收回位、ADIRU(惯导数据)、脚蹬压力电门输出信号(正常刹车计量压力高于750psi)、停留刹车关断活门不在开位、防滞系统故障等。其中,自动刹车落地解除预位故障是该机型最为常见的故障,所有自动刹车预位条件出现故障均可以造成该故障,而逐个检查电门、线圈的电阻值及其通断,是排查该故障原因的有效手段。据统计,自动油门电门组件和正常刹车计量压力电门也是两个最常见的故障部位。波音公司的调查也表明,自动油门电门组件的可靠性是比较差的,该部件的低可靠性还会影响到发动机反推等其他系统的正常工作。正常刹车计量压力电门由于处在一个压力波动、震动较大的环境,所以其可靠性也不太理想。

另外,B737-700飞机的4个机轮刹车组件使用中可能发生的故障主要有过热、卡滞、漏油、振动等。在飞机再次使用前,必须对飞机机轮刹车组件进行定期检查,包括机上检查和离机检修。机上检查是对机轮刹车组件进行飞行前例行的检查,主要检查以下项目：

1.检查刹车盘磨损情况：随着刹车使用次数的增多,刹车盘摩擦材料的磨损会逐渐增大。为了便于直观检查,盘式刹车装置都设有刹车片磨损指示杆。刹车状态下,当指示杆的伸出长度达到指定位置,即指示杆端头与汽缸座凸台平齐时,说明刹车盘磨损到极限。

2.检查刹车装置内是否有空气：刹车装置或系统内若存有空气,将导致刹车疲软,刹车效率低下,此时必须排除空气。

3.检查系统密封性：向刹车装置施加规定的刹车压力,在此压力下保持规定的时间,检查刹车装置和系统是否存在泄漏。

4.检查螺栓力矩：在飞机着陆过程中,起落架受到地画剧烈的冲击负荷的作用,刹车装置上的紧固件可能松动,从而会加速刹车组件系统的磨损或损坏。此时必须用校验好的力矩扳手检查力矩值。

离机检修是对刹车装置进行的一次全面检查和修理,目的是最大限度恢复产品性能,延长其使用寿命,提高经济效益。每当飞机刹车系统发生故障或每两次更换飞机刹车组件时都应进行这种检修。对B737-700飞机的4个机轮刹车组件进行离机检修包括分解、清洗、检查、修理、装配和试验等多个环节。离机检修的目的是保证机轮刹车组件的性能必须满足适航的标准,任何一项达不到适航标准都认定为不合格,必须进行维修或更换。

四、结 论

1.在B737-700飞机的整个刹车过程中,机轮与跑道间的结合系数存在着一个最大值,它对应的滑移率为最佳滑移率.自动防滑刹车系统设计的目的是要在整个刹车过程中使实际滑移率跟踪最佳滑移率,从而一方面防止打滑,另一方面产生最大结合系数,获得最佳刹车效果。

2.B737-700的自动防滑刹车控制系统由操作、控制、传感、执行、指示等部分组成,是一个涉及部件众多的复杂系统。在排除常见的自动防滑刹车系统故障时,应当对波音的手册综合运用,在几本手册中交叉验证,同时运用自己的判断力,使故障得到快速、准确的排除。

3.从近几年的维护经验来看,总体来说B737一700飞机自动防滑刹车系统可靠性比较高,但传感部分的部件故障偏多,可靠性还有待提高。另外,B737-700飞机的4个机轮刹车组件使用中可能发生的故障主要有过热、卡滞、漏油、振动等。在飞机再次使用前,必须对其机轮刹车组件进行定期检查,包括机上检查和离机检修。离机检修包括分解、清洗、检查、修理、装配和试验等多个环节。

4.波音系列飞机自动刹车系统的工作原理和部件功能基本相同或相似,如果掌握了B737-700机型的自动防滑刹车系统就可以很方便地维护其他机型。

［1］B737-600/700/800＜＜AIR CRAFT MAINTENANCE M ANUAL＞＞,Jun 15/2011.

［2］B737-600/700/800＜＜FAULT ISOLATI0N MANUAL＞＞,Jun l5/2011.

［3］B737-600/700/800＜＜SYSTEM SCHEMATIC MANUAL＞＞,Jun 04/2010.

［4］黄伟明.神经网络一模糊控制飞机防滑刹车系统［D］.北京：北京航空航天大学机械工程及自动化学院,2000.

［5］薛灏.B737-700飞机自动刹车故障分析［J］.科技创新导报,2011(33)：54.

［6］孙川.B737一NG飞机自动刹车原理及故障分析［J］.自动化应用,2012(3)：34-38.

［7］宋静波.飞机构造基础［M］.北京：航空工业出版社,2011.

［8］田广来.飞机防滑刹车系统的最佳滑移率式控制方法研究［J］.航空学报,2005,26(4)：461-464.

The Control Principle,Components and Troubleshooting of the Anti-Skid Braking System of AircraftB737-700

WANG Feiran
(Workshop3,Airliners Section,Kunming MaintenanceBase,China Eastern Airlines,Kunming,Yunnan 650200)

planes；B737-700；Automatic anti-skid braking system；slip rate；fault

The paper discusses the control principle,constituent elements of the automatic anti-skid braking system of Aircraft B737-700 and its common faults and elimination method.On the whole,the system is reliable with most failures occurring on its sensing part.The common faults of the braking components of the four airplane wheels are overheating, binding,oil leakage and vibration.Therefore,the braking component must be checked regularly before the plane is used.In eliminating the common faults of the automatic anti-skid braking system,the integrated use of Boeing's manual and cross validation should be conducted to make a fast and accurate judgment.

王斐然,硕士,研究方向：飞机检修与维护。

V227.5

A

1009-9506(2015)12-0061-04

2015年10月9日