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碳刹车 VS 钢刹车

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  尽管碳刹车具有耐久性好、重量轻等特点,但同时也面临着易腐蚀等问题,因此碳刹车制造商也在努力开发抗氧化保护系统以解决相关难题。

碳刹车凭借其更好的耐久性和更轻的重量等优势,逐渐在全球民航机队中取代钢刹车。但霍尼韦尔、美捷特公司(Meggitt)和联合技术航空系统(UTAS)公司认为并不一定必需使用碳刹车技术改装现役民航飞机,因为飞机跑道常用的除冰液会损坏碳刹车。

据UTAS统计,60%的在役民航飞机(包括支线飞机)都在使用碳刹车。座位数超过100座的飞机中,使用碳刹车的为14000架,是2006年(6500架)的2倍多。而随着传统飞机的退役,装配钢刹车的飞机减少了5000多架,但在未来15~20年内仍会有一些装配钢刹车的飞机在运营。

制造商开发了一种防止跑道除冰液腐蚀碳刹车盘的抗氧化系统。

目前,所有新设计的飞机均使用了碳刹车,但波音737NG例外,该型飞机仍可以出厂配备钢刹车。据霍尼韦尔称,新生产的波音737NG中30%配备了钢刹车。因为有些老牌航空公司希望通过同一生产线产品简化物流和维修保障,所以订购飞机时指定要配备钢刹车。

UTAS可以为波音737NG提供两种类型的刹车。当不考虑超载荷运行时,在短航程运输中钢刹车飞机仍然有存在的价值。自2003年起,波音737NG就成为了100座级以上机型中唯一在出厂时可配装钢刹车的民用飞机,而现在波音737MAX只提供配备碳刹车的机型。

为使飞机达到减速静止,刹车采用多级静子与转子,并通过液压和电压系统将它们集成在一起。刹车时动能瞬间转化为热能,能量巨大,甚至有人认为如果将一架宽体飞机的刹车能量利用好,可以满足一架中型航母一周的电力需求。

碳比钢具有更好的散热性。在正常情况下,碳刹车和钢刹车的散热性都能达到飞机的制动散热要求,但是飞机在飞行包线极端条件下运行时,碳刹车的耐热性和散热性更佳。此外,碳材料重量更轻。在波音737NG飞机上使用UTAS生产的碳刹车可减轻700磅的重量。

采用碳刹车的飞机机轮也需要良好的散热性设计。

碳刹车的另一大优势是具有更好的耐用性。因为多年来碳的所有摩擦性能都已经提高了2~3倍,包括摩擦系数、摩擦强度和使用寿命。碳刹车的翻新周期也由最初的500~1000次起降增加为3000次。UTAS生产的碳刹车平均着陆次数是3000次,而同等机型采用的钢刹车的平均翻新周期仅为750~1000次起降。

在刹车的维修方面,赛峰集团认为钢刹车的维修耗时更多,但一般的航空公司或能力较强的维修企业都可具备钢刹车散热器的维修能力,因为其维修中所需的方法和设备较易掌握和购买到,所需的部件也可由制造商提供。但碳散热器的修理与其完全不同,它需要专业的大修技术、材料及设备,并且需由刹车制造商完成,一般航空公司和维修企业在碳刹车的维修中只具备换新件的能力。当然,碳刹车凭借其更佳的耐损伤性能和更轻的重量优势带来的节油效益,足以抵消其昂贵的翻新维修成本。因此赛峰集团强烈建议进行刹车更新。UTAS对此也表示认同,声称其已成功完成多项碳刹车翻新项目。如果运营波音737NG的航空公司订购了波音737MAX就能获得将钢刹车翻新为碳刹车的机会。

霍尼韦尔提示,对于机龄较老的飞机而言,必须在使用碳刹车和钢刹车之间权衡利弊。再者,航空公司与刹车供应商之间的大多数包修协议是基于飞机起降次数付费的,因此航空公司并不是非常关心刹车的寿命长短。

碳刹车的平均寿命是3000次起降,其耐用性大约是钢刹车的3倍。

美捷特公司对于碳刹车更新钢刹车事宜持消极态度,首先是其翻新成本较高,为了做好碳散热片的热管理,碳材料对刹车和机轮的热设计都提出了较高的要求;其次,碳刹车的不同摩擦特性可能会影响其刹车的控制和防滑性能,进而引起整个制动系统的调试甚至是硬件更换,这都可能会最终导致翻新成本增加。

此外,碳刹车还面临着一个始料不及的问题——跑道除冰液的腐蚀难题,因为除冰液更具腐蚀性,碳刹车更易被除冰液催化氧化。当飞机降落在有残留除冰液的跑道上时,机轮就会将除冰液卷起并射入刹车,并在刹车盘表面沉积,氧化腐蚀碳刹车盘材料,尤其对于碳纤维基材料而言,会使其强度降低,最终导致刹车片在使用过程中失效。

在过去十年中,在美国和欧洲环境能源法规的推动下引入了新型环保跑道除冰液,但却进一步加剧了碳刹车的腐蚀。事实上,环境能源法规禁止使用的旧型除冰剂主要成分是尿素,对碳刹车的损伤反而较小。

针对除冰液腐蚀碳刹车的问题,刹车制造商开发了一个抗氧化保护系统。该系统可以降低碳发生氧化的可能性及强度,但是碳刹车的暴露时间和范围等使用条件使其很难完全不被氧化。所以,这就像军备竞赛一样,每当跑道除冰液发生更新,刹车制造商就不得不相应地改变其抗氧化产品。UTAS开发了一种氧化保护系统称为HTx,该系统已经通过验证,能够有效防止碳刹车被化学物或催化剂氧化。截至目前,该产品已经使用了6年。

碳刹车制造商不断加大在新型摩擦性材料上的投资,希望增加其产品的耐用性和寿命,并使产品更易制造和生产。因为目前碳刹车的生产时间均以月计,因此一些高校正在研究比碳刹车更好的产品。

与此同时,霍尼韦尔也正在挖掘碳刹车的大数据服务以更好地预测维修需求。例如,采用BTV滑跑偏离刹车(brake to vacate)系统监测航空公司的运营情况,提前预测未来十次起降中或下一次大修前是否需要维修刹车。但实施这一服务的前提是航空公司必须与刹车制造商共享大量的运营信息。
(李璇,编译自AW&ST Inside MRO,2016-9-9)                                             

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