波音787飞机全电刹车系统的设计性和维修性分析_尹松.pdf

29AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/1 高。国内各航司需结合自身的运营特点与飞机状况，多层次、多维度地深度分析，制定适合自己航司的维修方案，而不只是照搬欧美等传统民航大国的现成方案。中国民航维修方案的优化应综合空客与波音维修方案优化的优点，结合中国的实际国情与民航市场特征，保证基于维修方案的飞机运营安全，降低航司的维修成本，又好又快地完成维修 工作。参考文献1 郭晓雷.推进 MRO 数字化转型 打造民航智慧维修J.航空维修与工程，2021，365（11）：19-22.2 龙飞，刘承汉.基于区间数TOPSIS法的飞机维修方案决策J.中小企业管理与科技（中旬刊），2014（7）：210.3 余芬，阮峰，张鑫.基于时间延迟的飞机结构维修优化研究 J.组合机床与自动化加工技术.2018（12）：129-133.4 黄秋翔.737NG 飞机定检维修计划优化与实践 J.科技创新与应用，2018（30）：135-136.5 郑志霖，叶晓东.基于统计分析方法的飞机维修方案优化 J.航空维修与工程，2020，353（11）：29-33.6 许力.基于可靠性数据的飞机系统维修决策研究 D.天津：中国民航大学，2016.1 全电刹车系统与传统的液压系统相比，电子刹车技术在安全性、可靠性、可维修性、降低维修成本等方面显示出明显的优越性。20 世纪末，美国古德里奇公司（Goodrich）将一架 F-16HD 的液压刹车系统全部更换为全电刹车系统，并于 1998 年 12 月成功进行飞行和降落试验，标志着全电刹车系统在现代喷气式飞机上的首次应用。民用方面，美国联0 引言飞机制动/刹车系统在飞机起降过程中起到重要作用。对于传统大型商用飞机而言，液压制动系统因具有高功率密度和鲁棒性以及使用与主飞行控制系统相同的液压动力供应而被广泛应用。但该系统集成了大量的独立部件，使用液压油作为传动介质，污染、渗漏等缺点难以克服，并位于飞机起落架附近的高振动区域，可能造成严重的结构损伤，这些都成为潜在的影响飞机安全的主要风险1，目前在客观层面上已很难改进液压制动系统。随着 21 世纪信息革命的发展，航空器技术不断进步，为了满足日益增长的民用航空商业化需求，适应新的飞机整体设计，飞机制动系统迫切需要进一步提升可维护性、测试性和稳定性，还需满足飞机健康管理（AHM）的监控要求，全电刹车系统应运而生。波音 787 飞机全电刹车系统的设计性和维修性分析Design and Maintainability Analysis for B787 Aircraft Electric Braking System 尹松周文强张智峰杨子昕/海航航空技术有限公司广东维修基地摘要：刹车系统作为飞机起落架系统的重要组件，在飞机运行和安全方面承担着关键角色，随着信息化的发展，飞机的刹车系统逐渐向全电化作动和控制转变。本文总结了目前国内外全电刹车系统故障维修发展现状，从实际运行角度出发，对全电刹车系统的关键部件进行分析，为国内全电刹车的维修研究提供参考。关键词：全电刹车系统；波音 787；机队历史数据分析；关键功能部件；维修性Keywords：multiple electric brake system；B787；fleet historical data analysis；key functional components；maintainabilityDOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.01.02030航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/1 合技术航空系统公司（UTC Aerospace Systems，原 BF Goodrich 公 司）和 法国赛峰着陆系统公司（Safran Landing Systems，原 Messier Bugatti Dowty 公司）共同为新一代客机波音 787 提供全电刹车系统。相对于传统刹车组件中的液压机械控制模式，新的电子技术系统使用 4 个刹车作动筒替代了大量活门和储压器，根据古德里奇公司的预测和判断，电子刹车相比液压制动刹车在使用寿命和维修便利性上都得到了提升。使用液压刹车时，任何一个活塞发生渗漏，整个刹车都需要更换、拆卸甚至彻底大修。另外，电子刹车包含的部件较少，可以减少航材库存，降低航材 成本2。随着近年来波音 787 全电刹车系统投入民营使用，在运行过程中多次出现刹车无法松开、电制动作动器（EBA）无法解除工作的情况，导致刹车系统失效、飞机在跑道上无法移动等，极大影响了航空安全和旅客体验，对机场的正常运行造成很大干扰。全电刹车系统作为一个不断发展的有价值的航空设计类课题，国内外对于其在实际运行中的相关研究还不多。2 波音 787 全电刹车的主要部件2.1 系统控制部件相比传统的液压刹车系统，电刹车的部件组成更加简洁和清晰，并利用传输线路代替原有的液压油路，有效减少了整个系统的重量和体积。波音 787 刹车系统有两个 BSCU（制动系统控制单元）、4 个 EBAC（电制动作动器控制器）及多个计算机进行信号控制和数据收发，并通过两个 EBPSU（电制动电源装置）从飞机电网进行供电转换控制。几乎没有相关活门和管路。系统控制图如图 1 所示。2.2 执行机构刹车组件刹车组件作为刹车系统最重要的执行机构，在波音 787 主起落架上共有 8个，每个刹车组件上集成了 4 个 EBA。碳/碳刹车盘的密度为1.51.9g/cm3，钢的密度为 7.8 g/cm3，金属陶瓷摩擦材料的密度为 4 6g/cm3。与钢刹车（金属陶瓷钢）相比，采用碳/碳刹车可使飞机有明显的减重3，因此目前波音 787 飞机应用的刹车部件分别是梅西埃布加迪公司（Messier-Bugatti）和古德里奇公司生产的碳刹车。古德里奇公司生产的 EBA 是航线可更换件，通过一个测力元件提供力反馈给 EBAC。EBA 在力控制模式下工作，夹紧力通过安装在滚珠丝杠上的称重传感器直接测量。在位置控制模式下，可以通过计算内部马达的转数来确定执行器的位置。梅西埃布加迪公司生产的刹车上 EBA由两个航线可更换件组成，即电机马达和齿轮传动器，便于单独维护，降低成本。制动力控制是通过旋转变压器信号和电机驱动电流来跟踪作动器的位置。考虑到维护的经济性和高效性，目前国内大多数航司采用的是梅西埃布加迪公司的系列刹车。2.3 数据采集部件波音 787 飞机在每个主轮/刹车上都安装了一个远程数据采集器（ARDC），充分利用信息技术将刹车温度传感器、轮速传感器、胎压传感器采集的信息以及防滞刹车指令等数据与飞机机载网络进行实时交互，特别是胎压数据开创性地使用了最先进的无线收发功能。3 波音 787 刹车系统数据分析3.1 机队历史数据分析对国内某航空公司波音 787 机队运行维修数据进行调查有助于对系统进行充分的研究参照。为了提高数据的可靠性和真实性，所选用的航司需具备足够数量的波音 787 运行架次和飞行小时。A 航司截至 2021 年 12 月累计不间断运行 8 年多，平均机龄 4.9 年，机队数量和运行历史满足研究条件。经查询，该机队历史记录中共有 582 条与刹车相关的故障信息。3.2 刹车故障原因刹车故障源按故障现象可以分为 7 类，如表 1 所示。图1刹车制动系统控制原理图工 程 ENGINEERING 31AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/1 从表 1 可以看出，除因操作方式或故障探测系统导致的虚假故障外，EBA和 EBAC 故障在电力刹车系统故障中占很高比例。EBA 和 EBAC 作为刹车系统的主要执行部件，日常工作中需要进行频繁的控制和作动，特别是波音 787飞机具有更完善的防滞刹车和自动刹车系统，并增加了自动锁轮保护和打滑保护功能，这些功能虽然有效提高了飞机刹车系统的安全性和可靠性，延长了刹车部件的工作寿命，但也给 EBA 等作动部件造成了沉重的工作负担。因此，深入分析相关部件的损伤情况进而提高部件寿命的改装设计十分必要。4 故障原因分析和缓解措施分析现有的故障发现，在 EBA 损伤的情况中内部马达故障占很高的比例，同时根据附件维修部门的反馈和参考EBA 附件维修报告，绝大部分刹车/EBA 的故障原因也是马达故障（见表 2）。4.1 EBA 故障1）马达失效马达是 EBA 的主要功能部件，作用是将 115V、360 800Hz 的三相变频交流电能转换成机械能，通过驱动轴执行相应的工作。在长期频繁的指令作动下，马达转子和传感器/解算器组件的负荷较大。日常维护时可以通过计划性周期性更换来应对，以减少在运行中发生故障的概率。2）齿轮箱壳体开裂EBA 处于高振动、高温区域，间断的负载经常引起EBA齿轮箱壳体开裂。齿轮箱开裂在一定程度上可以保留，但需要及时安排更换，因为壳体开裂可能造成潮气入侵，对内部的马达、传感器等部件造成损伤，进一步可导致 EBA失效。齿轮箱工作环境复杂，壳体开裂的原因较多。EBA 活塞外壳凸起边缘经常出现凿伤性损伤（P/N221-3-6，Goodrich CMM32-44-20），根 本 原 因是牵引配件臂支架挤压止动杆，导致止动杆偏转并使连接到牵引配件臂支架的线束夹与 EBA 接触。可采取的措施是用金属胶带进行临时性保护。最终，波音下发改进版Boeing Service Bulletin B787-81205-SB320012-0，对起落架小车两个配件支架距离进行改进，从而消除了该隐患。截 至 2018 年 10 月，超 过 60 个EBA 齿轮（P/NC20603100）外壳已返回赛峰集团检修。检查发现在与 EBA载体的配合面上出现了裂纹，原因是应力腐蚀导致 EBA 外壳开裂，但部件功能不受影响。针对该问题，赛峰在服务通告波音 787-8 的 C20599-32-013 和波音 787-9-10 的 C20648-32-013“部件材料”中降低了 EBA 安装扭矩和非石墨润滑脂的使用，以减少 EBA 齿轮外壳因应力腐蚀开裂事件的发生。3）线束盒开裂经过多年的机队运行，波音 787 刹车线束的常见问题是可靠性差。与刹车毂连接的插头易被潮气入侵，插头根部在使用中易出现疲劳损伤，同时线束盒在长期的振动和高温下容易损伤开裂，这些都可能导致刹车系统故障。为了缓解这类问题，目前可以依照相关的可靠性决议，下发 EO 对波音 787 刹车线束进行预防性包扎。4.2 EBAC 故障EBAC 作为刹车控制系统的主要控制部件在刹车控制中频繁使用，具有重要的数据传输和分级控制功能。EBAC 的电能存储功能为：EBAC内部同时含有多达 32 个以上的电容性电池，形成一个大电容器组，可以存储表2EBA故障的具体表现模式分类导致刹车故障的具体相关原因次数相关原因占比1Wheel X Electric Brake Actuator Y electric motor has an internal fault114马达失效58.76%2Electric Brake Actuator X signal is failed closed or open45线路损伤28.35%3Electric Brake Actuator X current is out of range or unbalanced64Electric Brake Actuator X motor channel circuit or resolver signals have failed45Electric Brake Actuator X has a fault25其他（齿轮）损伤12.89%表1 刹车故障源分类表分类导致刹车故障的具体相关原因次数占比1Electric Brake Actuator 故障19433.33%2Electric Brake Actuation Controller 故障17930.76%3虚假故障8414.43%4RDC 故障 M