Тепловой расчет тормозов самолетов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621:891

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОРМОЗОВ САМОЛЕТОВ

С.Б. АНФИНОГЕНОВ, В.А. БАЛАКИН

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого»,

Республика Беларусь

Введение

Современные самолёты в момент приземления имеют высокую посадочную скорость (до 260 км/ч) и обладают большой кинетической энергией (до 3000 МДж). До 95 % кинетической энергии при посадочном торможении воспринимают фрикционные тормоза. Конструкции тормозов бывают трёх типов: дисковые, дисково-колодочные и камерные. Наибольшее распространение в дальнемагистральных, среднемагистральных и ближнемагистральных самолётах (Боинг-777, Ил-96, МД-11, А-340-300, Ту-334, Боинг-737, Ту-154, Ан-24 и др.) получили многодисковые тормоза. Дисково-колодочными тормозами оборудованы шасси передних стоек ряда

модификаций самолётов. Камерные тормоза применяются в самолётах для местных авиалиний (Ан-3, Ан-38 и др.). Фрикционные тормоза смонтированы в шасси главных ног самолётов, число которых достигает двенадцати (не считая шасси передних стоек). Количество фрикционных дисков в одном тормозе, например, в самолётах Боинг-767, Боинг-737 и Ту-154 равно пяти, эти диски с помощью шлицов установлены на ободе колеса, ещё четыре диска закреплены на неподвижных осях, связанных с корпусом самолёта. Общее количество фрикционных пар равно восьми (рис. 1, 2, 3). Таким образом, в торможении такого самолёта участвует 96 трущихся пар. Это позволяет эффективно поглощать теплоту трения.

а)

б)

Рис. 1. Тормоза самолёта Вое^-767: а - общий вид шасси главной ноги самолёта; б -тормоз колеса

Рис. 2. Левый и правый тормоз главной ноги самолёта Вое^-737 Постановка задачи

Расчёт теплового режима работы тормозов будет проводиться для случаев посадки самолётов:

- Ту-154 (m = 80000 кг, v0 = 200 км/ч, ST = 1000 м);

- Ан-24 (m = 21000 кг, v0 = 180 км/ч, ST = 700 м);

- Ан-3 (m = 5000 кг, v0 = 110 км/ч, ST = 200 м).

Теплофизические свойства фрикционных накладок и металлического диска равны:

\ = 0,64 Вт/мК, с1 = 837 Дж/кг -К, р1 = 2200 кг/м3;

Я2 = 0,30 Вт/мК, с2 = 540 Дж/кг -К, р2 = 7700 кг/м3.

(Данные по фрикционным материалам, взяты для ретинакса 16Л и чугуна СЧ20 соответственно.)

Необходимо рассчитать средние приращения температур.

Рис. 3. Тормозное колесо: 1 - шпонка; 2 - нажимной диск; 3 - крышка регулятора зазора; 4 - внутренний щит; 5 - блок цилиндров; 6 - регулятор зазора; 7 - стопорное кольцо; 8 -колпак; 9 - корпус тормоза; 10 - тормозной фланец; 11 - головка штока амортизационной стойки; 12 - сухарь; 13 - поршень; 14 - инерционный датчик УА27М; 15 - стержень; 16 -гильза; 17 - направляющая; 18 - промежуточный диск; 19 - биметаллический диск; 20 -наружный борт барабана; 21 - наружный щит; 22 - барабан колеса; 23 - кольцо (обтюратор); 24 - гайка; 25 - ось; 26 - распорная втулка; 27 - шестерня привода инерционного датчика; 28 - колпачок; 29 - опорный фланец; 30 - биметаллический сектор

Теоретическая часть

На рис. 4 рассмотрены процессы тепловыделения и теплопереноса в тормозе.

Рис. 4. Тепловая схема многодискового тормоза

Считая торможение равнозамедленным, полное время торможения определяется по формуле:

2ST

(1)

Кинетическая энергия движущегося со скоростью У0 самолёта равна

W = ™о

2

(2)

Если пренебречь сопротивлением воздуха и кинетической энергией вращающихся масс (колес, валов, зубчатых передач и т. п.), то при торможении каждый тормоз поглощает кинетическую энергию, пропорциональную нагрузке на ось колеса.

Для самолётов (Боинг-777, Боинг-737 и Ту-154) в первом приближении (без учета сил инерции) каждый тормоз поглощает кинетическую энергию равную

W

WT = —. т 12

(3)

Эта энергия в виде теплоты выделяется в зонах контакта фрикционная накладка-диск. Так как в каждом тормозе таких самолётов общее количество фрикционных пар равно восьми, то кинетическая энергия, приходящаяся на одну фрикционную пару, равна

№

1 8 192

(4)

V

о

Среднюю интенсивность фрикционного тепловыделения определяем по формуле

W

^ = А^ГТ ■ (5)

где Аа1 - номинальная площадь касания дисков, Аа1 = л(К2 - R12) Тогда начальная интенсивность фрикционного тепловыделения

туп , ч

= ^ = 192^ (6)

Приращение температуры на поверхности трения диска (барабана) определяется зависимостью [1-4]:

где ат =

Fo2 )-Зо =<1 ат)ч.,ЛвА &2 Fo2 02(^2, Foг), (7)

Квзл/ АС1 Р1

Квз ''І/ЇСЇрЇ + V ^2 с

Р 2

эт 1 ш

02 (^2, F02) = F02 -І2 + -2 + 3 + ^ ^ ЄХР(-—"F02 ) С0^— (1 - ЭТ2)]. (8)

2 3 и=1

a-t „чпм 2 / Aa1

Fo2 = -2т, — = т, А'п = (-1)п+1 —2, a2 = -Р Ка = A-1 ^2 —п С 2 Р 2 Аа

ҐЛ’’Ґ Т-Л Fo22 Fo2 Fo2r^- эт24 эт23 эт22 1

02 (эт, Fo-) = —- + —- + —2-^ - Fo-n- + —--------------------------------------

2 3 2 2 24 6 6 45

- 2 АП ехР(-—п2Fo2) cos[—п (1 - )], (9)

п=1

2

а:=(-1)п+1 —.

—п

Функции 0'2(эт2,Fo2), 0"(эт2,Fo2) зависят от безразмерной координаты г]2 = — и

^2

безразмерного времени - числа Фурье (Fo2).

На поверхности трения т]2 = 0.

Средние приращения температур на поверхности трения диска (барабана) определяется как

5(0,Гаг)-5„ = (1 ~ат)?0К.Ьг 02(о,FO")-(1 ~а*^Кв>І2 02(0,-oг). (10)

/Ц t т Л>2 а2

При числах Фурье Fo 2 > 0,5 ряды в формулах (8) и (9) сходятся к нулю, тогда

0,2(0, ^ = ^2 + 3, (11)

Fo2 Fo 1

02 (0, Fo2) = --1. (12)

2 2_

2 3 45

Результаты расчёта и их обсуждение

В таблице приведены исходные параметры самолётов, а также основные расчётные данные.

Таблица

Сравнительные характеристики исходных параметров исследуемых самолетов и основных результатов расчета их тормозов

Параметры Тип самолёта

Ту-154 Ан-24 Ан-3

т, т 80 21 5

v0, км/ч 200 180 110

м г ^ 1000 700 200

^т , с 36 28 13

2 Аах, м 0,190 0,131 0,110

А 2 м ю 0,190 0,131 0,053

h, м 0,004 0,004 0,006

квз 1,0 1,0 0,477

W, МДж 124,0 26,3 2,3

Жт, МДж 10,3 6,6 1,2

МДж 1,29 0,82 0,58

q0, МВт/м2 0,38 0,45 0,81

аТ 0,089 0,089 0,044

[9(0,Fo2 )-5„]т,х 372 344 99

На рис. 5 приведены зависимости приращений температур поверхностей трения в процессе торможения от времени.

В тормозах самолёта Ан-3 максимальные приращения температуры [9(0, Fo2 )-90]тах = 99 К, возникает на 11 секунде торможения, в самолёте Ан-24 - 344 К, на 27 секунде торможения, в самолёте Ту-154 - 372 К, на 35 секунде торможения.

приращение температуры 3 (0, ¥о) -3о, К

+ 00-

392'

7 ■? * _

_■ Iі О “■ лГ Г, _ ___ , '

368 7ЙП -

іои 40 -

->* І _

7 -у і*-" _

_■ _■ О "'ОЙ -

_■ А уГ X

320' "■ 1 '"і - ТУТ 1/Г

1 .й "■ N і _ АН-2 4 У /

296' \ / /

288' ОЙҐІ - у /

А и кд )г

272' / /

264' о с. л - / /

■ы —1 и / /

248' / /

240' ■і - -і _ / А

224' / / \ту-154

А16' Оґїй - / /

/ /

200' / /

192' 1 і _ / /

І'.'Т 1 '7 Л - / /

і і1 и / /

168' 1 й п - / /

10 и 1 ЧО - / /

і /

144' Ті Й - / /

1_'0 1 Ой - / /

/ /

120' 11 о - / /

11А 1 ПА - / /

104- 96'

/ /

88' С' ҐІ - / / \

£■ и / / / \

72' 645648- !// Ч АН-3

40" 32- 24- №

16" 8-

012345678 3101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404]

время торможения t, с

Рис. 5. График зависимостей приращения температур поверхностей трения в процессе торможения от времени

Выводы

Средние расчётные значения температур в тормозах самолётов Ту-154 и Ан-24 при торможении достигают 372 К и 344 К соответственно. Максимальные контактные температуры, учитывающие температуры вспышек, обычно бывают выше на 25-30 %. Таким образом, методика теплового расчёта, разработанная на кафедре «Сельскохозяйственные машины», оказалась применима не только к тормозам автомобилей, тракторов, железнодорожного подвижного состава [1-4], но и к тормозам самолётов.

Обозначения

т - полная масса; їТ - полное время торможения; 3 - температура; 30 - начальная температура; v0 - начальная скорость торможения самолёта; 2 - координаты на нормали к поверхности фрикционного элемента и диска (барабана) соответственно; ST -тормозной путь; qс р - средняя интенсивность тепловыделения;

q0 - начальная интенсивность тепловыделения; q1, q2 - тепловые потоки в фрикционную накладку и диск (барабан); аТ - коэффициент распределения тепловых потоков; Кз -

коэффициент взаимного перекрытия; Fo2- число Фурье; Aa1, Aa2 - номинальные площади контакта тела и контртела; А 2, c1 2, р1 2, a1 2 - теплопроводность, теплоемкость, плотность, температуропроводность фрикционного элемента и диска (барабана) соответственно; h1 2 - полутолщина диска (толщина барабана); р - коэффициент

сцепления; W - кинетическая энергия самолёта; WT - кинетическая энергия, приходящаяся на один тормоз; W1 - кинетическая энергия, поглощаемая одной

фрикционной парой.

Литература

1. Балакин В.А. Тепловые расчеты тормозов и узлов трения /В.А. Балакин, В.П. Сергиенко //ИММС НАН Беларуси. - Гомель, 1999.

2. Балакин В.А., Сергиенко В.П. Тепловые расчеты тормозов легковых автомобилей //Трение и износ. - 1999. - Т. 20, № 3.

3. Сравнительный анализ тормозов грузовых автомобилей /В.А. Балакин, и др. //Трение и износ. - 2001. - Т. 22, № 2.

4. Балакин В.А., Галай Э.И. Тепловой режим железнодорожного фрикционного тормоза большой мощности в переходном периоде нарастания тормозной силы //Трение и износ. - 1999. - Т. 20, № 2.

Получено 21.07.2004 г.