某飞机轮速长时间未恢复故障分析及改进

张 垚，张晓娟，王 山，任 杰

（成都飞机工业（集团）有限责任公司技术中心，四川 成都610092）

1 前言

飞机刹车系统用于实现地面转弯、滑行纠偏和减速制动，对于保障飞机平稳滑行和安全起降至关重要，是飞机最为关键的子系统之一[1]。为提高飞机刹车效率，缩短飞机制动距离，减少轮胎磨损，同时避免出现因刹车压力过大等导致的机轮抱死、轮胎爆胎等严重危及飞机安全的状况发生，现代高性能飞机的刹车系统通常设计有防抱死功能[2]。

某飞机采用液压刹车系统，该刹车系统亦根据飞机使用需求设计有防抱死功能，其防抱死设计以滑移速度（即飞机地速与机轮轮速之差）为控制核心[3]。该型飞机在某次滑行的刹车制动过程中，出现了防抱死启动后，轮速长时间未恢复的重大故障。该故障的发生，极大增加了飞机刹车制动距离，严重影响飞机滑行姿态，危及飞机安全。针对此次重大故障，基于防抱死使用策略和故障现象，搭建了故障树，通过分析定位了故障原因，有针对性地提出了改进措施，并进行试验验证。

2 防抱死使用策略及故障现象

该飞机起落架为前三点式布局，并在左右主起落架处设置有刹车装置[4]。飞机刹车系统工作原理如图1 所示。当飞机刹车时，轮速传感器实时检测机轮轮速，并反馈给飞机计算机以解算滑移速度。当两侧滑移速度均小于某预定值时，飞机计算机根据地速，向刹车阀发送既定大小刹车压力指令。刹车阀根据压力指令，向刹车卡钳输送液压压力，刹车卡钳在液压压力推动下，卡紧机轮上的刹车盘，实现机轮制动[5]。刹车阀在工作时，可实时向飞机计算机回报其实际输出液压压力值。若某侧滑移速度大于预定值，则飞机计算机启动防抱死，将该侧刹车压力指令从当前的较大值下调至较小的某预定值，直至飞机计算机检测到该侧滑移速度再次小于预定值，之后飞机计算机重新向该侧发送较大的刹车压力指令。

故障发生时，飞机正处于刹车过程中，当地速降至约162 km/h 时，右轮速瞬时降至0 km/s，右机轮滑移速度大于预定值，飞机计算机启动右机轮防抱死保护。右机轮防抱死保护启动后约1.4 s，右轮速方恢复正常，右机轮防抱死解除。根据该型飞机既有滑行科目的统计数据，通常情况下，防抱死启动0.3 s 内，轮速即可恢复正常并退出防抱死。此次滑行中，防抱死启动1.4 s 后，轮速才恢复，属于故障现象。此次故障，致使右机轮长时间处于小刹车压力状态，增加了刹车距离，并严重影响飞机安全，需进行重点分析。

图1 刹车系统工作原理简图

3 故障分析及定位

3.1 故障树的建立

以该飞机防抱死启动后，轮速长时间未恢复为顶事件，根据防抱死使用策略，结合故障现象绘制出故障树，如图2所示。根据故障树，导致故障发生的两大类可能原因分别为机轮持续拖胎和轮速信号异常。

3.2 机轮持续拖胎

刹车压力过大、机轮卡滞、轮胎胎面有油脂以及跑道表面光滑均可能引起机轮持续拖胎。

图2 轮速长时间未恢复故障树

3．2．1 刹车压力过大

右机轮防抱死启动前，右刹车阀此时回报压力为0.6 MPa。为确定右刹车阀压力回报的准确性，将右刹车阀从机上拆下，搭建地面试验台进行试验，试验结果如表1 所示。试验结果显示，右刹车阀回报压力与压力指令以及外接压力表读数保持高度一致，最大误差仅为0.1 MPa，在产品正常误差允许范围内。右刹车阀回报压力准确，可认为故障滑行时，右刹车阀工作正常。

表1 右刹车阀压力试验结果

防抱死启动前，右刹车阀回报刹车压力为0.6 MPa，防抱死启动后，右刹车阀回报刹车压力为0.2 MPa，取两者中较大值，即取0.6 MPa 进行分析。查阅机轮与刹车卡钳惯性台试验数据，0.6 MPa 时刹车力矩约为10 N·m。

故障滑行时的地面结合力矩M 计算如下：

式（1）中：Fz为单侧主起落架支反力；μ为结合系数，可根据跑道性质和地速大小取经验值；R 为轮胎转动半径。

据此，计算出结合力矩为26.5 N·m。

故障滑行时，刹车力矩小于地面结合力矩，右机轮应不会因刹车压力过大而抱死，排除此条故障原因。

3．2．2 机轮卡滞

滑行结束后，现场检查主机轮能正常转动，无卡滞现象。为进一步确认机轮是否异常，将左右机轮拆下检查。左右机轮外观如图3 所示。刹车卡钳外观如图4 所示。轴承外观如图5 所示。检查发现外观均无异常，排除此条故障原因。

图3 左右机轮外观图

图5 轴承外观图

3．2．3 轮胎胎面有油脂

滑行结束后检查轮胎胎面，无油脂，排除此故障原因。

3．2．4 跑道表面光滑

滑行结束后，检查跑道，未见异常，排除此故障原因。根据以上分析结果，判定防抱死启动后，轮速长时间未恢复非持续拖胎导致。

3.3 轮速信号异常

导致轮速信号异常的原因主要有两方面：①轮速传感器故障；②轮速传感器与齿轮盘工作距离过大。

3．3．1 轮速传感器故障

导致轮速传感器故障的原因有外部金属部件锈蚀、插针损坏和霍尔效应开关损坏。经检查，轮速传感器外部无锈蚀产生，插针完好。此外，若霍尔效应开关损坏，传感器将一直无信号输出，但滑行过程中传感器信号恢复，表明霍尔效应开关未损坏。综上，轮速传感器无故障。

3．3．2 轮速传感器与齿轮盘工作距离过大

轮速传感器的安装如图6 所示，轮速传感器安装在主支柱上，机轮在与轮速传感器相对的，具有一定工作距离的部位布置一个具有均布赤的齿轮盘。轮速传感器通过感应单位时间内经过的齿数，来折算飞机轮速。轮速传感器输出信号与工作距离相关，当工作距离过大时将无法正常工作。

图6 轮速传感器的安装图

3.3.2.1 试验台测试正常工作最大工作距离

轮速传感器试验台如图7 所示，搭建一个轮速传感器试验台，试验台一端布置由电机驱动的齿轮盘，另一端布置有轮速传感器，两者间工作距离可调。轮速传感器输出表征轮速的脉冲波，并由计算机解算。试验时，先将齿轮盘和轮速传感器间工作距离调整至各预定值，使用电机驱动齿轮盘至飞机轮速为162 km/h 时对应的转速，结果如表2 所示。试验结果显示，当工作距离大于1.60 mm 时，轮速传感器反馈值异常，甚至无输出，传感器无法正常工作。

图7 轮速传感器试验台

表2 轮速传感器试验结果

3.3.2.2 机上轮速传感器与齿轮盘静态工作距离

对右机轮轮速传感器与齿轮盘静态工作距离进行测量：飞机分别在顶起和放下状态时，间隔90°共选取齿轮盘上4个齿顶进行测量，结果显示各测量点工作距离均在1.25～30 mm 之间。静态下，工作距离满足要求，轮速传感器工作正常。

3.3.2.3 机上轮速传感器与齿轮盘动态工作距离

主机轮安装如图8 所示。

图8 主机轮安装图

安装机轮时，需将备紧螺母拧紧后再回退，以保证机轮能够正常转动。螺母回退使机轮可沿轴向发生窜动。螺母回退量因操作人员差异，机轮沿轴向窜动范围在0.25～0.50 mm 之间。轮速传感器静态工作距离为1.25～1.30 mm，动态时工作距离为1.25～1.80 mm。滑行时受侧向力影响，轮速传感器工作距离大于1.60 mm，超出试验得出的最大有效工作距离，无法正常工作，导致轮速信号异常。

3.4 故障定位

通过试验验证和理论分析，确认防抱死启动后，轮速长时间未恢复故障原因为：动态情况下，轮速传感器与齿轮盘工作距离增大，超过轮速传感器可正常工作的最大距离，引起轮速信号异常。

4 改进措施及验证

4.1 改进措施

针对轮速长时间未恢复的故障原因，提出了两项改进措施，即改进轮速传感器设计和优化安装。

4．1．1 改进轮速传感器设计

将轮速传感器内主要元器件更换为性能更高的型号，同时对元器件安装布局进行一定优化。传感器改进后，经测试，最大有效工作距离由改进前的不足1.60 mm 增至2.40 mm，有效工作距离大幅增加。

4．1．2 优化安装

安装主机轮时，严格控制备紧螺母回退量，使轴向窜动量在0.25～0.50 mm 之间。安装轮速传感器时，调整调隙垫片，使静态工作距离为1.00～1.20 mm。考虑滑行时最大间隙增量0.50 mm，轮速传感器最大动态工作距离为1.70 mm，在轮速传感器最大有效工作距离2.40 mm 之内，轮速传感器可正常工作。

4.2 改进后验证情况

改进措施执行到位后，为验证措施的有效性，开展了多架次不同状态的滑行任务。各架次滑行时，飞机重量、中止滑行速度均不相同。某次滑行的飞行参数记录仪记录的滑行曲线如图9 所示。

图9 改进后滑行曲线

结果显示，轮速与地速差别极小，跟随性良好。轮速变化均匀，刹车压力稳定，无异常波动，且全程未启动防抱死，刹车过程平稳。其余架次滑行结果也与该架次结果类似，故障消失，改进措施有效。

5 结论

通过实验和分析等，得出主要结论如下：某飞机防抱死启动后，轮速长时间未恢复的主要原因为动态情况下，轮速传感器与齿轮盘工作距离增大，超过轮速传感器可正常工作的最大距离，引起轮速信号异常；改进轮速传感器设计和优化安装两项改进措施对于消除故障是有效的；防抱死启动后，轮速长时间未恢复的故障研究结果将为其他飞机的刹车系统设计，尤其是防抱死设计提供警示和参考。