邓文亮，吴敬涛，唐扬刚

（中国飞机强度研究所，西安 710000）

引言

据1970～2004年航空事故调查，冰雪污染引发故障占比5.5 %，潮湿和积水跑道引发故障占比47.8 %[1,2]。在积水、冰雪等污染跑道上飞机起降时，湿态下水分存在刹车材料表面中, 在摩擦热的作用下, 水分向摩擦表面扩散并形成气膜,起到润滑剂的作用,摩擦系数衰减明显，制动系统刹车效率下降明显，飞机姿态控制难，并且可能出现滑水现象，影响飞机运营。为保障飞机的安全运营，欧美针对污染跑道进行了大量研究，并根据相关研究成果修订了相关适航条款，编制了符合性验证方法等。与之相比，由于缺乏必要的研究经验和工程数据，国内目前尚未建立起完善的适航审定体系，对飞机污染跑道性能分析与验证缺乏系统性研究。

本文开展了湿热环境飞机制动摩擦片摩擦系数测试与性能研究，进行了湿热环境飞机制动摩擦片摩擦系数测试试验，通过典型工况的湿热环境稳态响应实验，研究了刹车材料湿热环境下的摩擦系数的拟合方法，获取了湿热环境下飞机刹车片摩擦系数特性。

1 理论分析

通过基于BP神经网络的摩擦系数模型，利用反向传播来调整网络的权值和阀值，使网络误差的平方和最小。BP神经网络具有强大的非线性映射能力和泛化功能，任一连续函数或映射均可采用3层网络加以实现。网络结构如图1所示。

图1 BP神经网络结构示意图

在飞机刹车过程中，刹车力矩和刹车盘摩擦系统是相互耦合，互相影响，刹车温度、飞机速度处于变化状态，刹车盘摩擦系数、刹车力矩也是变化的。由于刹车盘摩擦系数的影响因素主要包括刹车盘温度、刹车力矩和刹车机轮速度，因此建立以刹车盘温度（℃）、刹车力矩（Nm）、机轮速度（m/s）为输入，以摩擦系数为输出的神经网络结构，以确定任意条件下的摩擦系数。

采用三层BP网络结构[3]，各层输入与输出关系为：

式中：

N—隐含层个数xi（i=1,2,…,N）为输入信号；

θm—阈值；

ωim—从神经元m到神经元i的连接权值。

输入参量：

式中：

T —刹车盘温度；

P—刹车力矩；

v—机轮速度。

2 实验设计与装置

2.1 试验装置

为了研究湿热环境对刹车盘刹车材料摩擦系数的影响，参考GB-10006，设计了刹车盘刹车材料湿热环境摩擦系数测试实验，在湿热试验中，将刹车材料置于湿热环境中保持一段时间，使试样与湿热环境的温度和湿度达到稳态，然后使用摩擦系数测试仪测量刹车材料在当前所处环境下的摩擦系数。进行湿热试验使用ZJ-MC02型摩擦系数测试仪，测试精度为0.05 %FS，如图2所示，该摩擦系数测试仪主要由水平试验平台、滑块、驱动机构及测力系统构成，其中水平试验台由平整的非磁性材料制成，平台上嵌有用于调整水平状态的水平泡，滑块用于装载试样，驱动机构可以带动滑块匀速运动，速度可以在0～500 mm/min之间无级调节，测力系统可以测出拉动滑块的力，用于计算摩擦系数。

图2 ZJ-MC02型摩擦系数测试仪

2.2 摩擦材料试样

实验材料为用于飞机刹车盘制造的碳复合材料，为了便于实验过程中摩擦系数的测量，参考GB-10006对试样材料进行了加工处理，其中用于摩擦的下试样加工尺寸（长×宽×高）为133 mm×63 mm×7mm，上试样的加工尺寸（长×宽×高）为63×63×7mm，试验材料及试样如图3所示。

图3 试验材料及加工好的试样

2.3 实验过程

湿热环境下刹车盘刹车材料摩擦系数测试试验，如图4所示，试验温度范围29.3～39.3 ℃，在正式试验前进行了预实验，为可能出现的问题制定预案。试验开始前先将试验平台调至水平状态，调整设备使其处于正常工作状况下。因环境温度和湿度处于波动状态中，故每次测试中记录三次温度和湿度数据。

图4 试验过程实况

3 实验结果与数据

在湿热试验中，进行了温度29.3～39.3 ℃范围内共32组有效试验，包含动摩擦系统测试和静摩擦系统测试，湿热试验中，进行了50～90 %湿度范围内的试验，每种湿度工况下测量了31～39 ℃五种温度下的摩擦系数。材料动摩擦系数湿热试验及对比如图5所示，材料静摩擦系数试验数据如图6所示。由试验数据以及绘制的散点图和散点曲面，分析可得摩擦系数同时受到温度和湿度的影响，在湿度一定的情况下，随着温度的升高，摩擦系数会降低；保持温度不变，湿度越大，则摩擦系数也越大。

图5 湿热试验动摩擦系数数据

图6 湿热试验静摩擦系数数据

4 湿热实验数据处理与分析

在湿热试验中，温度和湿度随着环境的变化而变化，为了便于数据的拟合，采取控制变量的办法先对数据进行选择。以动摩擦系数为例，将湿度控制在70 %左右，温度作为自变量，截取出湿热试验的部分数据，以此数据研究温度对动摩擦系数的影响；然后将温度控制在35 ℃左右，以湿度为自变量，研究湿度对动摩擦系数的影响。

4.1 湿热试验数据拟合方法一

以温度为自变量的湿热试验动摩擦系数试验数据如表1所示。

表1 材料动摩擦系数部分数据

为了研究湿热环境对刹车片摩擦系数的影响，选择合适的拟合曲线进行拟合，以拟合优度作为评价指标，在尝试过多种拟合模型之后，选择指数拟合、Gaussian拟合、线性拟合、一次多项式拟合模型对内外场数据进行拟合，拟合情况及拟合优度见图7。

图7 材料动摩擦系数湿热试验数据拟合

综合分析各拟合模型的拟合优度，见表2，以上四种拟合模型对于湿热试验数据的拟合优度尚可，在0.7以上，其中指数拟合的拟合优度最好。根据数据分析情况可见，湿度保持不变情况下，温度越高，其动摩擦系数越小。

表2 各拟合模型的拟合优度

4.2 试验数据拟合方法二

以湿度作为自变量的动摩擦系数湿热试验数据如表3所示。

表3 材料动摩擦系数湿热试验部分数据

以拟合优度作为评价指标，综合考虑数据的分散性，选择多种拟合模型进行数据拟合，在尝试过多种拟合模型之后，选择指数拟合、一次多项式拟合以及幂函数拟合模型对湿热试验数据进行拟合，拟合情况及拟合优度见图8。

图8 材料动摩擦系数湿热试验数据拟合

综合分析各拟合模型的拟合优度，见表4。根据各拟合模型的拟合曲线，对于湿热试验数据的拟合，各拟合模型的拟合优度相对较低，其中以幂函数拟合的拟合效果最好。根据试验数据分析可见，动摩擦系数与湿度呈明显的正相关关系，即随着湿度的升高，动摩擦系数逐渐增大。

表4 各拟合模型的拟合优度

5 小结

本文对刹车材料摩擦系数的湿热试验进行了相似性研究，根据试验结果可以得到以下结论：

1）刹车材料的摩擦系数与温度和湿度相关，保持湿度不变，温度越高，摩擦系数越小，较高的温度可能会使刹车材料表面的性状发生变化而导致摩擦系数下降，同时，温度升高，水珠蒸发，摩擦系数又会随温度升高而降低；

2）在相同的温度下，湿度越大，摩擦系数越大。在高湿度环境下，刹车材料表面会有一些微小的水珠存在，水的表面张力会使刹车材料的摩擦系数变大一些，另一方面，湿度较高的环境也会润湿材料表面，改善两块材料之间的接触情况，使摩擦系数增大；再者，材料之间相互摩擦，由于基体和纤维的磨损，会产生微小的碎屑，这些碎屑填充在摩擦面内，高湿度会润湿这些碎屑，产生一种类似于粘结剂的作用，使摩擦系数升高。