費 伊，李法林，陳立雄，周海亮

0 引言

機(jī)載通用型飛機(jī)擔(dān)架支架裝置在不改變飛機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，能快速、方便地加裝在多種型號的飛機(jī)上，用于批量運送臥位擔(dān)架傷病員，并可利用其配裝的醫(yī)療救護(hù)設(shè)備在空運中對傷病員實施監(jiān)護(hù)、醫(yī)療護(hù)理及緊急救治，為臥位擔(dān)架傷病員提供規(guī)范的、高質(zhì)量的生命支持，滿足傷病員后送途中連續(xù)監(jiān)護(hù)及持續(xù)性急救的要求，是遂行傷病員空運后送必需的骨干裝備。

1 設(shè)計思路

飛行器的飛行過載和防止意外迫降時產(chǎn)生的極限過載要求機(jī)載的所有裝置都能夠符合嚴(yán)格的適航規(guī)范。CCAR-25《運輸機(jī)類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中第25.561條“關(guān)于載人裝置強(qiáng)度的適航性要求”，要求承受向前過載 9.0 g、向下過載 4.5 g、向上過載 2.0 g、側(cè)向過載 1.5 g[1]。GJB 67.3A—2008《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范第3部 其他載荷的相關(guān)強(qiáng)度要求》中規(guī)定，機(jī)載設(shè)備需承受2.0 g的加速度巡航過載[2]。在這些過載作用下不允許發(fā)生導(dǎo)致人員二次損傷的結(jié)構(gòu)破壞，所以，載人裝置必須要與飛機(jī)的固定部位可靠地剛性固定連接。

民航客機(jī)受艙壁內(nèi)飾的影響，僅留地板、地軌用于固定座椅；運輸機(jī)則在地板、側(cè)艙壁、艙頂（視機(jī)型不同位置、數(shù)量有差異）都可能有不同類型的固定系留點位；直升機(jī)系留點位主要在地板和機(jī)艙頂部，因此，通用型機(jī)載擔(dān)架支架的設(shè)計只能利用機(jī)艙地板的系留結(jié)構(gòu)實施面固定。為充分利用極有限的機(jī)艙內(nèi)部空間提高傷病員運力，往往在擔(dān)架支架上放置2～3層疊式擔(dān)架[3]，該結(jié)構(gòu)形式大大增加了前沖過載產(chǎn)生的力矩。要滿足適航性規(guī)范的嚴(yán)格要求，與地板的可靠固定連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計是本裝置的技術(shù)關(guān)鍵。

同時，要考慮方便雙人抬擔(dān)架傷病員的安放和拆卸，擔(dān)架與支架間的緊固，空中負(fù)過載擔(dān)架限位[4]，擔(dān)架傷病員的病情變化快速移動擔(dān)架處置，擔(dān)架安放層間高度，傷病員體位及固定，配套的醫(yī)療設(shè)備掛放以及增強(qiáng)擔(dān)架耐受向下過載（受力點跨度）能力等因素，均需在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中體現(xiàn)。

2 裝備的組成與結(jié)構(gòu)

通用型飛機(jī)擔(dān)架支架主要由擔(dān)架支架（包括擔(dān)架支撐立柱、擔(dān)架支撐懸臂、地軌連接附屬裝置、支架加固桿、擔(dān)架固定鎖緊機(jī)構(gòu)）、加掛的醫(yī)療設(shè)備（包括微量泵、輸液泵、簡易便攜型呼吸機(jī)等）、移動供氧器（包括減壓閥、壓力及流量調(diào)節(jié)裝置、氧氣濕化裝置以及快速接口等）以及附屬設(shè)備（治療柱、醫(yī)療設(shè)備固定支架、醫(yī)療設(shè)備系固減振裝置[5]、視頻監(jiān)控器、應(yīng)急照明燈、軍用通用擔(dān)架、單人水上救生設(shè)備浮囊和傷病員安全帶）等組成，能夠滿足重癥以下?lián)軅T的安放、固定和安全后送要求[6]，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 通用型飛機(jī)擔(dān)架支架的主視工程圖

圖2 通用型飛機(jī)擔(dān)架支架的三維圖

本裝置的主材選用航空鋁合金型材，能在保證足夠強(qiáng)度的前提下減少機(jī)載的質(zhì)量，同時便于附屬各種氣、電數(shù)據(jù)管線的內(nèi)藏式布設(shè)。

支架的底部用可更換的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以適應(yīng)不同機(jī)型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接件與地軌的剛性連接，并用斜拉桿加強(qiáng)；在底層支臂遠(yuǎn)端有站立在地板上的地腳，以增加裝置的穩(wěn)定性和抗壓性。

支臂末端的負(fù)過載鎖能可靠地鎖緊擔(dān)架并有一定的寬度調(diào)節(jié)量，以滿足不同種類擔(dān)架的需要。

每個支架可安放1～3層擔(dān)架（視情自選），也可將底層的擔(dān)架抬高用作座位。最上層的擔(dān)架不能過高，以免造成裝卸和觀察困難，所以，每層擔(dān)架的間距有限。為減少擔(dān)架支臂使下一層傷員產(chǎn)生的壓迫感，各層擔(dān)架的安放采用了前后錯位的設(shè)計。

傷病員安全帶是擔(dān)架自有安全帶的增強(qiáng)。采用雙肩十字單點交叉及腰部調(diào)節(jié)快卸鎖結(jié)構(gòu)，用來可靠地固定擔(dān)架傷病員，防止迫降前沖大過載導(dǎo)致的傷病員掉落損傷。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算

在設(shè)計過程中，針對機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的開裂、破壞以及功能失效，分別進(jìn)行了腐蝕應(yīng)力+靜載荷和腐蝕應(yīng)力+疲勞載荷譜環(huán)境強(qiáng)度分析，對關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算簡述如下：

擔(dān)架支架裝置的主要結(jié)構(gòu)立柱為鋁合金7075-T73材料，其主要力學(xué)性能為：強(qiáng)度極限[σb]≥200 MPa=2 040 kgf/cm2（1 kgf/cm2=9.8×104Pa），許用剪應(yīng)力[τ]=0.6[σb]=1 224 kgf/cm2。其余均為鋁合金 2024 材料，強(qiáng)度極限[σb]≥4 000 kgf/cm2，許用剪應(yīng)力[τ]=0.6[σb]=2 400 kgf/cm2。

3.1 向下過載

當(dāng)擔(dān)架支架受到向下過載4.5 g作用時，支臂根最大 M下=n下（PAl+PBl）=4.5×（24×59.6＋24×7.84）=7 284 kgf·cm（1 kgf·cm=9.8×10-2N·m）；支臂 C 處剖面尺寸 H=112 mm，B=62 mm，δ1=6 mm（1 kgf·cm=9.8×10-2N·m），y=H/2=56 mm；抗彎截面模量 WX=2δ1H2/6=2 × 0.6 × 11.22/6=25 cm3；σ =M下/WX=7 284/25=291 kgf/cm2。支臂根部的剪應(yīng)力 τ=n下Q/F=4.5×（2×24）/（2×11.2×0.6）=16 kgf/cm2，用強(qiáng)度能量理論推算該支臂的應(yīng)力為：

支臂與立柱的連接為4個M10螺栓對稱布置，上下距離90 mm，左右距離40 mm。左上支臂連接螺栓所受的剪力最大，除支臂的質(zhì)量外，再加上醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量G醫(yī)（包括醫(yī)療柱橫梁914 mm，質(zhì)量約為2.6 kg、呼吸機(jī)質(zhì)量為10 kg、麻醉輸液管理系統(tǒng)質(zhì)量為10 kg、流量調(diào)節(jié)器與濕化器、監(jiān)護(hù)儀等，取G醫(yī)=30 kg）的一半，因此，作用在每一個螺栓上的剪力Q1=n下（PA+PB+G醫(yī)/2）/4=4.5×（24+24+15）/4=71 kgf（1 kgf=9.8 N）；

彎矩引起的一個螺栓上的剪力Q2=（M下/9）/2=405 kgf；

剪力最大的一個螺栓所受的剪力Qmax=Q1+Q2=71+405=476 kgf。

3.2 向前過載

當(dāng)擔(dān)架支架受到向前過載9 g作用時，僅前面一個支臂受力。在1 g過載作用下，作用在前支臂上的載荷為：

3.3 支臂受力計算

支臂C處向前的彎曲應(yīng)力如圖3所示。

圖3 支臂承受的向前過載力作用及引起的彎矩

3.4 拉桿及其接頭和接頭座的受力計算

當(dāng)受到向前過載9 g作用時，僅前面一個支臂受力（最嚴(yán)重的情況），此時，前立柱由3層支臂和醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量引起的向前總彎矩為：

式中，設(shè)醫(yī)療設(shè)備組件的質(zhì)心距離地面120 cm。設(shè)該彎矩僅由前斜拉桿的拉力平衡，斜拉桿與前立柱地面連接的中心點距離為h=58.15 cm，則斜拉桿的拉力P拉max=M柱/h=223 398/58.15=3 842 kgf。拉桿為 30×4 的鋁管，兩端螺紋 M24×1.5 mm，有效面積為 F=2.545 cm2，拉應(yīng)力 σb=P拉max/F=3 842/2.545=1 510 kgf/cm2＜[σb]。

3.5 立柱承受扭矩計算

如前述，立柱材料為 7075-T73，強(qiáng)度極限[σb]≥200 MPa=2 040 kgf/cm2，許 用 剪 應(yīng) 力 [τ]=0.6[σb]=1 224 kgf/cm2。

當(dāng)向前過載n前作用時，不考慮醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量引起的平衡，1個支臂造成的最大扭應(yīng)力為前立柱的扭應(yīng)力（僅考慮由其單獨承受），即：

前立柱根部承受的最大扭矩M根n=3M前=3×9 104=27 312 kgf·cm；

立柱根部的連接螺栓承受拉力P根螺栓=27 312/（2×4.0）=3 414 kgf；

前立柱與地軌連接螺釘所受的剪力為：

式中，a=14.46 cm，為前立柱與地軌上的2個連接螺釘間的距離。

實際上，對于有雙地軌支撐的支架，下層支臂前端有腳撐與地軌連接，使下層支臂作用在立柱上的扭力大為減小。對于雙地軌支撐的支架，有拉桿將下層的前后支臂連接在一起，使后支臂也能分擔(dān)向前的過載，從而減輕前支臂和前立柱的受力。

3.6 受力變形及模態(tài)分析

在擔(dān)架支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過Proe建立擔(dān)架支架裝置的機(jī)械部分的虛擬樣機(jī)，然后利用Ansys分析軟件對其各關(guān)鍵部件進(jìn)行整體力學(xué)仿真，得到其最大變形和應(yīng)力分布情況，從而對設(shè)計結(jié)果不斷迭代優(yōu)化，最終得到滿意的方案。擔(dān)架支架裝置的網(wǎng)格劃分、變形、應(yīng)力分布以及前三階振型的情況如圖4～圖9所示。

圖4 擔(dān)架支架裝置的網(wǎng)格劃分圖

圖5 擔(dān)架支架裝置的變形分析圖

圖6 擔(dān)架支架裝置的應(yīng)力分析圖

圖7 擔(dān)架支架裝置的一階振型圖

擔(dān)架支架系統(tǒng)在最惡劣的受力情況下，內(nèi)部應(yīng)力低于材料許用應(yīng)力，滿足巡航過載和極限過載的強(qiáng)度要求。

圖8 擔(dān)架支架裝置的二階振型圖

圖9 設(shè)備卡固裝置的三階振型圖

4 試驗及應(yīng)用

本裝置已應(yīng)用于正在研制的兩型衛(wèi)生飛機(jī)設(shè)計中，與機(jī)上的其他專用設(shè)備共同構(gòu)成專業(yè)化的衛(wèi)生飛機(jī)設(shè)備模塊。裝備的初樣經(jīng)過在模擬機(jī)艙內(nèi)安裝及操作試用和與其他系統(tǒng)交連配套試驗等均符合設(shè)計要求。本研究還對承受最大向前和向下過載的部位進(jìn)行了強(qiáng)度試驗摸底：在與飛機(jī)地軌相同的試驗安裝架上，由液壓作動筒同時對樣件的支架前支腿（前沖過載受力最嚴(yán)酷的部位）和水平支臂（向下過載受力最嚴(yán)酷的部位）以各自的最大要求過載值協(xié)調(diào)加載，在相應(yīng)部位貼應(yīng)力貼片以10 Hz采樣率跟蹤測量的應(yīng)變情況。結(jié)果顯示，在加載至100%試驗載荷下試驗件結(jié)構(gòu)完好。

5 結(jié)語

本次設(shè)計的通用型飛機(jī)擔(dān)架支架裝置可適用于在多種民航客機(jī)、運輸機(jī)和直升機(jī)上安裝，對不同機(jī)型只需調(diào)整與不同地軌連接的轉(zhuǎn)接件；符合適航性規(guī)范要求和傷病員空運后送的醫(yī)監(jiān)醫(yī)護(hù)需求；易于安裝拆卸；能適應(yīng)不同擔(dān)架的安放；可根據(jù)各型飛機(jī)的機(jī)艙空間和傷員量選擇加裝不同數(shù)量的裝置單元，遂行不同規(guī)模的空運后送任務(wù)。

[1]CCAR－25AA－R2—1995 運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GJB 67.3A—2008 軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范其他載荷[S].

[3]Clyde Deschamp.Introduction to air medicine[M].Michigan：Pearson/Prentice Hall，2005.

[4]Joshua M，Via D K，Carter C T.Tactical evacuation extending critical care on rotary wing platforms to forward surgical facilities[J].Military Medicine January，2011，176（1）：4-6.

[5]孫景工，高萬玉，張彥軍，等.新型擔(dān)架支架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值仿真[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（9）：27-30.

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