飞机用粉末冶金刹车盘骨架钛材改钢材的研究.pdf

第 1 3卷第 3期 V o I - 1 3NO ． 3 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l ur gy 2 0 0 8 年 6月 J u n ． 2 0 0 8 飞机用粉末冶金刹车盘骨架钛材改钢材的研究 张振国 。 一 ，蔡小锋 。 一，姚萍屏 。 ，白燕麟 。 ，汪琳 。 ，何俊 1 ．中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 ；2 ．空军驻长沙地区军事代表室，长沙 4 1 0 0 8 3 3 ．湖南博云新材料股份有限公司，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要为了减少稀有战略资源钛合金在粉末冶金飞机刹车盘中的应用，降低刹车盘的制造成本，避免受国际进 口渠道变化的影响，提出采用 3 0 C r Mn S i A 钢材料替代钛合金设计加工某进口飞机刹车盘骨架，对采用钢材料后 的刹车盘骨架进行结构再设计和方案分析，并采用地面惯性台对钢骨架进行模拟和结构扭矩试验。通过设计、分 析和试验验证认为，新的刹车盘结构设计，妥善解决了钛材改钢材后的增重问题，使新、老刹车盘总质量、总厚 度 以及使用和维修条件保持不变 ，且力学性能和耐热性能完全满足 甚至超过原结构设计要求，也说明该飞机刹车 盘骨架钛材料改为钢材料是安全可靠的，完全可行的。 关键词骨架；粉末冶金刹车盘；钢 ；钛 合金；飞机 中图分类号T F 1 2 5 ． 9 文献标识码A 文章编号l 6 7 3 0 2 2 4 2 0 0 8 3 1 8 1 ． 0 6 Re s e a r c h o n s u b s t i t u t i ng t i t a ni u m a l l o y b y 3 0 Cr M nS i A i n po wd e r me t a l l u r g y br a k e d i s c o f a i r p l a n e ZHANG Zh e n ． g u o 一， C AI Xi a o ． f e n g 一， YAO P i n g ． p i n g ， BAI Ya n ． 1 i n g ， WANG L i n ， HE J u n 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Po wd e r Me t a l l u r g y , Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， Ch i n a 2 、 M i l i t a ry Re p r e s e n tat i v e Offi c e o f Ai r F o r c e i n Ch a n g s h a ， C h a n g s h a 41 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 ． H u n a n B o y u n No v e l Ma t e r i a l s L T D ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o r e d uc e t he r a r e s tra t e g i c r e s o u r c e ， t i tan i u m a l l o y ,i n po wde r me t a l l ur g y b r a ke d i s c f o r a i r pl a ne a nd r e d u c e t h e p r o d u c t i o n c o s t o f b r a k e d i s c ， 3 0 Cr M n S i A s t e e l wa s u s e d t o s u b s t i t u t e fo r t i t a n i u m a l l o y i n a i rpl a n e b r a k e d i s c ． De s i g n a n a l y s i s a n d t h e t e s t s b y Gr o u n d I n e r t i a T e s t F a c i l i ty s h o w t h a t s t e e l s u b s t i tut e s t i t a n i u m a l l o y i n p o wd e r me t a l l u r gy b r a k e d i s c for a i rpl a n e i s s a f e ， r e l i a b l e ， c o mp l e t e l y f e a s i b l e ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r g y b r a k e d i s c ； s t e e l ； t i t a n i u m a l l o y ； a i rpl a n e 从俄罗斯引进的某 飞机采用 多盘式刹车结构，刹 车盘 由钛合金骨架铆接粉末冶金刹车片而成 。钛在 我 国属于稀有战 略资源 ，深受 国际市场影响 『 l 】 。2 0 0 4 年 以来 ，钛合金板材价格迅速 上涨 ，国内 T i 8 1 1 和 进 口B T 1 4钛板材价格 由原来的 2 8 万元／ t 上涨到 4 8万／ t ， 上 涨幅度接近 1 倍， 大幅度增加 了产 品成本 。 此外， 由于价格的不断上涨和钛材的国防需求，钛材生产厂 家无法及时保质 保量供货 ，对刹车盘订货的供应和保 障存在着极大隐患。 根据 G J B1 1 8 4 9 1 航空机轮和 刹 基金项目科技型中小企业技术创新基金资助项 目 0 4 c 2 6 1 1 4 3 0 1 3 1 0 收稿 日期2 0 0 7 ． 0 6 ． 1 5 ；修订 日期2 0 0 8 ． 0 4 ． 0 8 通讯作者姚萍屏 ，电话0 7 3 1 - 8 8 7 6 6 1 4 ； E - m a i l p p y a o C S U e d u ． c n 车装置通用规 范对“ 3 ． 2 ． 1 ． 1 ．4钢 ’ ’ 和 H B ／ z1 2 6 ． 8 8 对“ F ． 1 机 轮 用 主 要 材 料 ” 的 要 求 『 5 咱 J ， 3 0 C r S i Mo V A 、 3 0 C r Mn S i A为推荐 的粉末冶金航 空刹车盘骨架材料 。 该钢板材 生产周期短 ，供应有保障。如果把飞机刹车 盘骨架 钛材 改为钢材 ，既可为国家 节约大量 的稀缺材 料和战略资源 、降低制造成本，又可 为我 国刹车盘供 应 与采购提供稳定的渠道和保证。 本 文借鉴 3 0 C r Mn S i A 在 国内飞机刹车盘骨架上 的成功应用经验 ，根据引进飞机的要求 ，通过结构设 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 2 粉末冶金材料科学与工程 2 0 0 8年 6月 计和对设计方案可行性的分析， 采用 3 0 C r Mn S i A替代 T i 8 1 1 ／ B T 1 4作为刹车盘骨架材料，研制飞机用粉末冶 金刹车副，并采用地面惯性台对结构力矩、热态静力 矩和极限条件制动等方面进行符合性验证试验，以研 究飞机用粉末冶金刹车盘钛材改钢材的可行性。 设计方案和可行性分析 T i 8 1 1 ／ B T 1 4钛合金材料的密度约为 4 ． 5 g ／ c m3 ， 3 0 C r Mn S i A钢材料密度约为 7 ． 8 c m3 ， 若采用原结构 设计，用钢替代钛合金，必然增大刹车盘骨架质量， 超出飞机对刹车盘的总体质量要求，故需要重新进行 结构和减重设计一方面，在不改变摩擦副摩擦特性 的前提下， 需对飞机刹车盘骨架的结构进行重新设计。 另一方面，需对钛材改钢材后的力学性能和结构强度 等进行可行性分析 。 1 ． 1 结构再设计方案 采用钢材料后的结构再设计关键是解决减重的问 题 。根据分析和计算， 骨架钛材改钢材后的刹车盘总 体设计方案如下 1 由于钢骨架与刹车片的热膨胀系数基本一致 ， 故取消原结构中由于钛材和铁基粉末冶金刹车片热膨 胀不匹配所采用的垫环、垫块 和长圆垫块， 以减 小刹 车盘质量 ； 2 粉末冶金刹车片密度低于钢骨架， 为了保持刹 车盘的总体安装要求，将刹车盘中的动盘和静盘骨架 厚度减薄 ，刹车片厚度相应增加 刹车片 中的静片钢 背厚度减薄 ，摩擦材料层增厚 ，沉孔扩大 ；刹车片 中 的动片钢碗厚度减薄，摩擦材料层增厚；由于钢材膨 胀 率大于钛材 ，原设计 的膨胀槽增 宽并适 当延 长，内 外膨胀槽倒圆；调整垫环孔、椭圆孔为铆钉孔，适当 增加减重孔。 3 通过强度计算， 将刹车盘中的压紧盘和承压盘 骨架厚度减薄，保持其上的刹车片厚度，压紧片和承 压片在钢背面车一环形 槽减重 增大盘 内径；调整垫 环孔、长圆孔为铆钉孔，适 当增加减重孔 。 4 通过再设计，刹车盘的摩擦材料厚度有所增 加，从而使可耗性摩擦层厚度增加，但刹车盘总厚度 1 7 0 ～1 7 2 i n to 保持不变 。 5 经计算和刹车副制造验证， 钛材改钢材重新设 计后，刹车盘总质量为 6 5 4 - 0 ． 5 k g ，符合原刹车盘套 件 总质量 6 4 6 6 k g的技 术要求 。 1 ． 2 可行性分析 1 ．2 ． 1 结构设计可行性分析 1 采用钢骨架时因骨架和钢碗同为钢材， 其线膨 胀 系数接近 ，由膨胀不一致引起的变形和不协调性 明 显优于原钛合金骨架和钢碗结合的结构； 2 采用小轴衬套连接既能保持原有间隙， 又可减 小因膨胀系数差异引起变形而产生的损坏。小轴衬套 中的套筒采用 2 C r 1 3马氏体不锈钢冷加工棒料制成， 具有 良好的耐蚀性和消震性，并在 7 0 0℃以下空气介 质中具有稳定的抗氧化性能，避免原设计中铆钉和套 筒采用碳钢或低合金结构钢因耐蚀和抗氧化能力相对 较差而引起过早损伤，进一步提高了安全可靠性。因 此，在钛材改钢材时取消原设计中的垫环、垫块和长 圆垫块是可行 的。 3 骨架改用钢材后， 由于合金钢线膨胀系数大于 钛合金 约大 4 3 ％ ，其有关的结构尺寸要适当修改。 例如，膨胀槽加深、加宽；动盘骨架上的传动键凹槽 与轮毂上的凸键间隙加大；动盘骨架的最小内径与刹 车扭力筒 的间隙要放大；静盘 含承压盘和压紧盘 骨 架与刹车扭力筒外径间隙及导轨槽处间隙也应加大； 适 当加大各传动 部分的间隙 ，加大变形槽部分 的深度 和 宽度 ；维持骨 架原有 孔并适度增加 孔数；原有刹车 盘 的骨架厚度减 薄，总厚度不大于 4 mm 保 持原有装 配 关系 。 4 骨架改钢材后 ， 由于室 温下钢材的 比热容与钛 材相当，但在高温时略高于钛合金，因而有利于降低 刹车盘温度 。 5 骨架改钢材后 ，其热导率约为原来 的 3 倍 ，有 利于降低刹车盘摩擦表面温度，也有利于散热。 1 ． 2 ． 2 力 学性 能的可行性分析 钛合金 T i 8 1 1 、B T 1 4和钢材 3 0 C r Mn S i A 的部分 力学性能如表 1 所列， 表 2所列为采用 3 0 C r Mn S i A钢 骨架 的 G K T 1 5 3 A、 G K T 1 4 1 E 2、 Z F S 2 ． 1 4 7 4 、 Z F S ． 2 6 1 2 和 B Y 2 ． 1 5 8 7等国产刹车副在地面惯性台模拟中止起 飞 R T O 试验 的情 况。从表 1和表 2可 以看 出，钢材 料 的室温 和高温 力学性能均高于钛材料 。因此 ，从材 料力学性能方面考虑， 采用 3 0 C r Mn S i A替代 T i 8 1 1 和 B T 1 4是完全可行 的。 1 ． 2 - 3 结构强度可行性分析 采用钛材料骨架时，压紧盘与承压盘采用小片与 骨架紧固式铆连接；动盘和静盘的小片与骨架采用垫 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 几种采用 3 0 C r Mn S i A钢骨架的刹车副骨架地面试验 的耐温和变形情况 T a b l e 2 T e mp e r a t u r e r e s i s t a n t a n d d e f o r ma t i o n s i t u a t i o n o f fiv e k i n d s o f b r a k e d i s c s k e l e t o n ma d e b y 3 0 Cr M n S i A s t e e l a f t e rR T O t e s t 环 、垫块式铆连接 ，小片与骨架问形成一定的微小间 隙 。根据设计 ，采用钢骨架 时，取消垫环和垫块 ，骨 架与小片采用小轴衬套联接式结构 HB ／ Z 1 2 6 ． 8 8 ， 航空 机 轮 设 计 指 南 】 。T y ． 1 5 4 M 飞机 主 机 轮 刹 车 装 置 G K T 1 4 1 E 2 刹车盘 骨架钛 材改钢材后亦采用此 结构， 该型刹车盘 已在国 内、国外使用近 2 O年时间， 安全可 靠 。由此可说 明，改进后的结构从设计上是可行的。 根据分析 ，采用新结构 后，虽然骨架厚度 略有减 小， 但通过 计算 ，钛材 改钢材后骨架强度增加 。此外， 动盘和静盘 含压 紧盘和 承压盘 骨架为 同一材料 ，动 盘 、静盘 含压紧盘 和承压盘 的骨架厚度和所采用 的 铆钉直径一致 ，动盘 上的铆钉受力状况比静盘 上的铆 钉受力状况更为严重，因此通过计算动盘上铆钉的挤 压强度 来判 断新结构 的可靠性 。 根据相关数据， 按 H B ／ Z 1 2 6 ． 8 8 16 1 公式 1 4 2 计算。 钛骨架 七 小4 。 ㈣ 钢骨架 野 一1⋯1 88 1 2 ．4 8 0 2 ． 5 4 式中 。 为采用钛材时铆钉强度剩余系数， 为采用 钛材时铆钉挤压骨架孔的挤压应力， 为钛材挤压应 力 ； 为采用钢材时铆钉强度 剩余系数 ， 为采用钢 材时铆钉挤压骨架孔的挤压应力， 为钢材的挤压应 力 。 计算结果表 明新结构和原结构动盘骨架的强度 剩余系数均 大于 0 ，说 明新结构在强度方面可满足 飞 机设计要求【 6 J 。 综上，飞机刹车盘骨架钛材改钢材的再设计，其 结构、材料力学性能及结构强度在技术上是可行的。 2 地面惯性台试验分析与验证 对符合 结构设计 的刹车副， 根据飞机的使用要求 ， 在地 面惯性 台上 进行 结构性 能和 制动性 能 的综合考 核。 由于仅 改变骨架材料 ，对刹车副的摩擦 磨损性能 无影响，因此 ，将制动性能作为刹车副综合性能的辅 助性验证性 能进行考核 。试验大纲经 有关部 门认可和 批 准 ，所用试验设备 包括采集记录数据 的仪器仪表 为经有关部 门批准 的地 面惯性 台。按照 G J Bl 1 8 4 ． 9 1 航 空机轮和刹车装置通用规范和 国产 X型刹车 盘使 用钢骨架符合性地面惯性台验证试验大纲的要 求，对钢骨架刹车盘进行地面惯性 台模拟试验和结构 扭矩试验。地面惯性台试验分为磨合试验、正常着陆 刹 车试验 、热态 静力矩试验 、中止起 飞 R T O 试 验和 结构扭矩试验 。 2 ． 1 磨合试验 在正常着陆能量刹车试验前用 5 O ％～1 0 0 ％正常 刹 车速度及选择 的刹车压力进行 1 O 次以上的磨合刹 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 4 粉末冶金材料科学与工程 2 0 0 8 年 6月 车，以保证各刹车盘的摩擦工作面贴合 良好。 2 ． 2 热态静力矩试验 在正常着陆能量刹车试验后立即进行热态静力矩 试验，试验结果列于表 3 ，试验曲线如图 1所示。从 表 3和图 1 可以看出，在设定的刹车压力和负荷条件 下，最大热态静力矩为 1 4 ． 6 4 k N m。经检查 ，刹车盘 骨架和刹车片无损坏，表明刹车盘骨架钛材改钢材后 热态静力矩符合 飞机 的设计要 求。 表 3 热态静力矩试验条件和结果 T a b l e 3 Co n d i ti o n s a n d r e s u l t s o f t h e r mo s t a t i c t o r q u e t e s t Co n d i t i o n s a n d r e s u l t s U e Br a k i n g p r e s s u r e ／ M Pa Lo a d ／ k N Ma x t o r q u e ／ k N‘ m、 I n i t i a l t e mp e r a t u r e ／ C T 锄 p e mmr c o f s t a t o r ／ C l 1 ． O 1 51 ． 55 1 4 ． 6 4 5 45 5 41 芎 章 I 2 图 1 热态静力矩试验曲线 Fi g ． 1 T h e r mo s t a t i c t o r q u e c u r v e o f t e s t 2 ． 3 R T O刹车试验 根据试验大纲要求，对完成正常设计着陆能量刹 车试验和热态静力矩试验后的刹车盘进行 R T O 刹车 试验，要求刹车速度3 2 5 k m ／ h ，载荷1 5 8 ． 4 1 k N， 减速率 ≥1 ． 3 4 2 m／ s ，动能 ≥6 7 ． 0 5 MJ 。 试验结果列于表 4 。从表 4可以看出，刹车盘吸 收动能为 6 7 ． 5 3 9 MJ ，大于大纲要求的 6 7 ． 0 5 MJ ，说 明飞机刹车盘骨架钛材改钢材后可满足飞机 R T O 刹 车技术要求。 表 4 R T O试验结果 “I r a b l e 4 Re s u l t s o fR TO 2 ． 4 结构 扭矩试验 为考核骨架钛材改钢材在结构力矩方面的符合 性，对钢骨架刹车盘进行结构扭矩试验。试验结果列 于表 5 ，试验曲线如图2所示。 表 5 结构扭矩试验结果 Ta b l e 5 Re s u l t s o f s t r u c t u r a l t o r q u e t e s t P a r a me t e r an d r e s u l t s Br a k e t i me ／ s Max t o r q u e ／ k N‘ IT I Mi ntor q u e ／ k N‘ IT I l 7 ． 3 1 2 0 ． 4 9 7 7．3 7 言 至 号 图 2 结构扭矩试验力矩曲线 Fi g ． 2 T o r q u e c u r v e o f s t r u c t u r a l t o r q u e t e s t 从表 5和图2可以看出，结构扭矩试验在满足试 验力矩要求大于 7 7 ． 3 7 k N． mf 在开始后 7 S 内，扭矩都 是在表 5所列 R T O刹车试验结果 7 7 ． 3 7 k N 1T I 以下 条 件下， 最大试验力矩达到了 1 2 0 ． 4 9 k N m； 总持续时间 为 1 7 ． 3 s 远大于 3 S 的大纲要求 。从图2中还可以看 到，试验力矩约有 1 2 s 时间稳 定在 1 1 0 k N m 以上， 力矩曲线平稳，钢骨架完全满足飞机对结构力矩的技 术要求 。 ＼ 0 ．I ； ∞ ∞ H 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 3卷第 3期 张振国，等飞机用粉末冶金刹车盘骨架钛材改钢材的研究 l 8 5 2 ． 5 刹车盘 分解检查结果 对完成地面惯性台试验 的钢骨架刹车盘进行详 细 的分解检查 。 l 1外观检查 刹车副的动盘和静盘外观均无异常，骨 架、铆钉 均未见永久变形，摩擦表面完整 ，摩擦磨损 正常 。图 3 a ～3 d 所 示为分解后 的刹车盘 。 从图 3 c 和 3 d 发现， 在承受 了超过设计要求近 l 倍的结构力矩试验后 ， 骨架上齿或齿槽部分都无变形 ， 铆钉完好无异 常。 2 1骨架检查 为进一步验证钢骨架的符合性，在完成地面惯性 台试验 后，钻掉刹车盘上的摩擦片，观察试验后 的钢 骨架 并检测相关数据 。图 4 a 和 图 4 b 分 别是试验后 的动、静盘骨架形貌 ，表 6为试验 后钢骨架尺寸 的相 关检测数据 。 从 图 4及表 6可 以看 到， 钢骨架总体完好 ， 齿部、 图 3 分解后 的刹车盘 Fi g 3 Br a ke p l a t e a f t e r t e s t s a 一R o t o r ； b --S t a t o r ； c -- S e g me n t o f r o t o r ； d --S e g me n t o f s t a t o r 图 4 试验后的动静盘骨架形貌 F i g ．4 Mo r p h o l o g i e s o f r o t o r a ／ s t a t o r b a f t e r t e s t s 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 6 粉末冶金材料科学与工程 2 0 0 8 年 6月 表 6 刹车盘钢骨架动力矩试验前后 的尺寸检测结果及 比较 T a I e 鱼 m p s o n b e t w e e n d i m e n s i o n a l r e s u l t s m e a s u r e d b e f o r e a n d a f t e r d y n a mi c mo m e n t a l t e s t s f o r b r a k i n g d i s c p l a t e r n l n 铆钉孔、减重孔、膨胀槽均无变形。证明刹车盘钢骨 架完全能承受技术要求的结构力矩。 3 结论 1 飞机刹车盘骨架采用钢材料替代钛材料， 通过 结构改进和减重设计使刹车盘的总厚度和总质量与原 设计一致 ，保证 了装配接 口要求 ，钛材改钢材后不改 变使用和维护条件。 2 通过材 料力 学性 能分析及 结构设 计强度 计算 表明，刹车盘骨架钛材改钢材后完全可以满足某进 口 飞机对刹车盘的技术要求，所用钢材料的力学性能和 耐热性能完全满足且优于原结构设计要求。 3 地面惯性试验 台进行 的正 常刹车试验和 R T O 刹车试验结果表明，钛材改钢材后的刹车盘能满足该 型飞机的技术要求。 对钢骨架进行结构扭矩试验证实， 其结构力矩 达到 1 2 0 ． 4 9 k N1 T I ，持续时间 1 7 ． 3 S ，远大 于飞机 要求的 7 7 ． 2 k N 1 T I 、持续时 间 3 S 的要求。结构 强度大幅度提高，试验后刹车盘结构和表面均完好无 损、安全可靠，说明刹车盘骨架钛材改钢材是完全可 行 的。 [ 2 】 REFERENCES 郝 斌，王 向东，逯 福生，等 ．近期 国际海 绵钛 市场 综述 [ J 】 ． 钛工业进展， 2 0 0 5 ， 2 2 1 l 4 -1 6 ． HAO b i n g， WANG Xi a ng - 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