呂國(guó)成 郭曉慶 /

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司， 沈陽(yáng) 110013)

0 引言

民用飛機(jī)艙門作為飛機(jī)的重要組成部件，對(duì)飛機(jī)安全有著直接影響，尤其是客艙門直接影響旅客安全和應(yīng)急逃生[1]，因此艙門成為適航的重點(diǎn)。

在未完全關(guān)閉、鎖閂和鎖定的情況下，必須有措施防止任何承壓的艙門將飛機(jī)增壓到不安全的水平[2]。增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)是艙門實(shí)現(xiàn)增壓預(yù)防措施的一個(gè)重要的手段，為此在民用飛機(jī)增壓艙門上布置一套增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)是必需的。

傳統(tǒng)的增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)主要用于防止艙門在未完全關(guān)閉、鎖閂和鎖定的情況下把飛機(jī)增壓到一個(gè)不安全水平，能夠檢測(cè)艙門的關(guān)閉、鎖閂和鎖定狀態(tài)，以及在飛機(jī)降落后卸除密封艙內(nèi)的殘留壓差。設(shè)計(jì)一套具備監(jiān)測(cè)艙門閂鎖機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防、快速泄壓的功能，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)破損安全、2 psi鎖定、破冰等多項(xiàng)功能的增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)，能夠節(jié)省機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)空間、減低機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度、提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效率，還能夠減輕機(jī)構(gòu)的重量，提高飛機(jī)安全性能。

1 增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所給出的增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)采用單連桿疊加彈簧的形式以及分時(shí)凸輪帶動(dòng)連桿的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的分時(shí)控制。分時(shí)凸輪與內(nèi)手柄機(jī)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)，凸輪機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)通過(guò)連桿串聯(lián)，四桿機(jī)構(gòu)通過(guò)彈簧與增壓預(yù)防門相連。在艙門打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，手柄機(jī)構(gòu)帶動(dòng)分時(shí)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)搖臂在分時(shí)凸輪槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，搖臂通過(guò)連桿帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)增壓預(yù)防門的開(kāi)啟與關(guān)閉。

1.1 增壓預(yù)防門尺寸設(shè)計(jì)

增壓預(yù)防門作為增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其開(kāi)啟面積和打開(kāi)角度直接影響增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的功能，因此，在設(shè)計(jì)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)之前，需先確定增壓預(yù)防門的尺寸。

飛機(jī)增壓艙作為具有一定容積的空間，其壓力控制主要通過(guò)調(diào)整增壓艙內(nèi)空氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。以某飛機(jī)為例，飛機(jī)設(shè)計(jì)要求開(kāi)啟艙門的壓差為0.125 psi，座艙泄漏量為150 lb/min，座艙的熱力學(xué)溫度為15 ℃及飛機(jī)周圍大氣壓力為101 325 Pa，根據(jù)在規(guī)定的座艙壓力、溫度和飛行高度的條件下，不可壓縮氣體流量方程，即：

(1)

可知，飛機(jī)座艙殘余壓差全部泄量時(shí)所需的等效面積，

式中，pc-pa即飛機(jī)設(shè)計(jì)要求開(kāi)啟艙門的壓差， 考慮氣體的粘性，取流量系數(shù)為C=0.7。則增壓預(yù)防門的面積為，

(3)

1.2 艙門閂鎖機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)、增壓預(yù)防與快速泄壓設(shè)計(jì)

增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)必須能夠檢測(cè)艙門的關(guān)閉、鎖閂和鎖定狀態(tài)。對(duì)于飛機(jī)增壓艙門，由于艙門手柄旋轉(zhuǎn)角度不同，艙門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)效也不同，但艙門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)順序卻基本相同。開(kāi)啟增壓艙門的順序?yàn)椋洪_(kāi)啟增壓預(yù)防門-解鎖-解閂-提升-打開(kāi)，關(guān)閉艙門的順序與開(kāi)啟艙門的順序相反。

關(guān)閉艙門時(shí)，由于增壓預(yù)防門處于最后順位，如若艙門閂鎖機(jī)構(gòu)沒(méi)有到位，則增壓預(yù)防門不能完全關(guān)閉，此時(shí)可以對(duì)艙門上閂和鎖定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，由于增壓預(yù)防門沒(méi)有完全關(guān)閉，導(dǎo)致增壓預(yù)防門會(huì)有一定的打開(kāi)角度，此時(shí)艙內(nèi)無(wú)法增壓到不安全水平，起到了增壓預(yù)防的作用，也進(jìn)一步保證飛機(jī)安全。

在地面，當(dāng)艙門被提升并打開(kāi)時(shí)，如果飛機(jī)艙內(nèi)存在一定的殘余壓差，很容易造成艙門在艙內(nèi)壓力的作用下快速打開(kāi)，極易對(duì)艙門及機(jī)身造成破壞，也極易傷到操作者，所以在開(kāi)啟艙門之前需對(duì)艙內(nèi)殘余壓力進(jìn)行釋放。增壓預(yù)防門處于艙門開(kāi)啟的第一順位，一旦操縱手柄開(kāi)啟艙門，增壓預(yù)防門首先開(kāi)啟，完成對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)殘余壓力的釋放，起到了快速泄壓的目的，并保證了艙門、機(jī)身結(jié)構(gòu)及操縱人員的安全。

1.3 2 psi鎖定設(shè)計(jì)

當(dāng)飛機(jī)艙內(nèi)壓差小于2 psi時(shí)，增壓預(yù)防門會(huì)被彈簧力驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟一定角度。在彈簧力的作用下，此時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)相對(duì)向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿相對(duì)向上運(yùn)動(dòng)，使得搖臂上的滾輪緊貼分時(shí)凸輪外表面，由分時(shí)凸輪外表面控制增壓預(yù)防門的打開(kāi)角度。

當(dāng)飛機(jī)艙內(nèi)壓差大于2 psi時(shí)，此時(shí)內(nèi)外壓差作用于增壓預(yù)防門上的壓力矩大于彈簧力矩，增壓預(yù)防門完全關(guān)閉。在2 psi壓力的作用下，此時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)相對(duì)向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿相對(duì)向下運(yùn)動(dòng)，使得搖臂上的滾輪被打在分時(shí)凸輪內(nèi)表面上。設(shè)計(jì)分時(shí)凸輪內(nèi)表面的輪廓線，使分時(shí)凸輪與搖臂滾輪接觸時(shí)，凸輪連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角趨近于0°，機(jī)構(gòu)卡死[3]。此時(shí)無(wú)論手柄上作用多大的外力，分時(shí)凸輪都不能驅(qū)動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，即不可能驅(qū)動(dòng)增壓預(yù)防門開(kāi)啟。通過(guò)這套機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了艙門的壓力鎖定。

通風(fēng)口凸輪的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 凸輪設(shè)計(jì)

1.4 破損安全設(shè)計(jì)

增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)上的彈簧使增壓預(yù)防門始終保持開(kāi)啟的趨勢(shì)，當(dāng)聯(lián)動(dòng)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的任一機(jī)構(gòu)件單一失效，增壓預(yù)防門會(huì)在彈簧力的作用下使增壓預(yù)防門處于開(kāi)啟狀態(tài)，以避免非安全增壓。增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)上的彈簧起到了破損安全的作用[4-5]。

1.5 破冰設(shè)計(jì)

當(dāng)增壓預(yù)防門門周結(jié)冰時(shí)，如果不能很好地進(jìn)行破冰設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致開(kāi)啟艙門的手柄力加大，甚至無(wú)法正常開(kāi)啟艙門，為此需要對(duì)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)增加破冰功能設(shè)計(jì)。增壓預(yù)防門密封條接觸的加強(qiáng)部分連接在蒙皮上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)增壓預(yù)防門繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開(kāi)之前，由于增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)件與旋轉(zhuǎn)軸支座相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸有153°角，為此增壓預(yù)防門首先會(huì)相對(duì)于蒙皮呈向上平移運(yùn)動(dòng)，剪切分量有利于破冰，使得破冰手柄力大大減少，實(shí)現(xiàn)了破冰的功能。當(dāng)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)件與旋轉(zhuǎn)軸支座相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸呈180°夾角時(shí)，增壓預(yù)防門將繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開(kāi)，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角度變化如圖2所示。

a)增壓預(yù)防門關(guān)閉位 b)增壓預(yù)防門旋轉(zhuǎn)位 c)增壓預(yù)防門打開(kāi)位圖2 增壓預(yù)防門機(jī)構(gòu)破冰原理圖

1.6 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)通過(guò)單連桿疊加彈簧形式的實(shí)現(xiàn)，能夠在連桿失效的情況下，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)上的彈簧會(huì)使增壓預(yù)防門有打開(kāi)的趨勢(shì)，當(dāng)座艙壓力小于彈簧力時(shí)，增壓預(yù)防門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)一定的角度。消除了雙連桿形式不利于裝配調(diào)整，且一個(gè)桿失效情況下，另一個(gè)桿件仍能完成增壓預(yù)防門的開(kāi)啟，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)連桿失效，存在一定的安全隱患。

增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)采用分時(shí)凸輪的驅(qū)動(dòng)形式，充分運(yùn)用了分時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、運(yùn)動(dòng)控制精度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。如果消除了四連桿機(jī)構(gòu)，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)必須經(jīng)過(guò)中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞，傳動(dòng)路線較長(zhǎng)，易產(chǎn)生較大的誤差積累，同時(shí)降低機(jī)械效率。

新型增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1.分時(shí)凸輪；2.搖臂；3.連桿；4.驅(qū)動(dòng)件；5.彈簧；6.增壓預(yù)防門圖3 新型增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)

該套創(chuàng)新的新型增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)具有占用空間小、重量輕、傳動(dòng)效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)無(wú)法比擬的。

2 增壓預(yù)防門機(jī)構(gòu)分析

2.1 增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

通過(guò)Adams軟件[6]對(duì)艙門增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，建立增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型，模型中各組件包括分時(shí)凸輪、搖臂、連桿、彈簧、增壓預(yù)防門等。模型中除連桿及彈簧外其余零件均取自Catia數(shù)模中的三維實(shí)體單元，模型中材料屬性通過(guò)添加零件質(zhì)量和慣性矩獲得，模型中共添加7個(gè)固定副、8個(gè)旋轉(zhuǎn)副、2個(gè)球鉸以及4個(gè)接觸約束，一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)添加到分時(shí)凸輪與門周結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)副上，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的定義如下，實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的打開(kāi)驅(qū)動(dòng)。

Step ( time, 0, 0d, 5, 119d )

(4)

增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)仿真前后的對(duì)比圖如圖4所示。

a)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)關(guān)閉狀態(tài) b)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)開(kāi)啟狀態(tài)1.Joint 3；2.Joint 4；3.Joint 6；4.Joint 7；5.Joint 8；6.Joint 9；7.Joint 10；8.Joint 13圖4 增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型可知，所給出的增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平緩、接觸載荷合理。

2.2 增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的主要載荷工況為兩倍增壓載荷及卡滯載荷[7-8]。兩倍增壓載荷用于計(jì)算增壓預(yù)防門的強(qiáng)度，卡滯載荷用于計(jì)算增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)上分時(shí)凸輪、搖臂、連桿、彈簧等零件的強(qiáng)度。

2.2.1 兩倍增壓載荷

7475鋁合金因具有高強(qiáng)度、高斷裂韌性等特點(diǎn)而被廣泛用于航空、航天等各領(lǐng)域，增壓預(yù)防門選用7475鋁合金，材料屬性如表1所示[9]。

表1 7475鋁合金參數(shù)

增壓預(yù)防門細(xì)節(jié)有限元網(wǎng)格劃分采用Tet4單元類型，可以減少網(wǎng)格數(shù)量，還可以提高求解精度。選取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸定義為5 mm。網(wǎng)格劃分的單元數(shù)為128 335個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為328 980個(gè)。

彈簧力帶動(dòng)增壓預(yù)防門轉(zhuǎn)動(dòng)，增壓預(yù)防門上部?jī)蓚€(gè)擋塊限制增壓預(yù)防門向外運(yùn)動(dòng)，在增壓預(yù)防門與門體結(jié)構(gòu)連接處定義旋轉(zhuǎn)副，在擋塊限制處定義平移副。增壓預(yù)防門所承受的增壓載荷通過(guò)Pressure施加到其內(nèi)表面上。飛機(jī)座艙釋壓活門最大調(diào)定值為9.0 psi，考慮1.5倍安全系數(shù)，則增壓艙氣密工況極限載荷，即兩倍增壓載荷為，

1.5×1.33×9.0 psi=18.0 psi=0.124 MPa

(5)

增壓預(yù)防門材料7475鋁合金的抗拉強(qiáng)度為482 MPa，由圖5所示的增壓預(yù)防門范米塞斯應(yīng)力云圖可知，增壓預(yù)防門范米塞斯應(yīng)力為82.9 MPa。經(jīng)計(jì)算，增壓預(yù)防門在兩倍增壓載荷下其安全裕度大于0，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 增壓預(yù)防門范米塞斯應(yīng)力云圖(MPa)

2.2.2 卡滯載荷

通過(guò)Adams軟件模擬，得到增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)在增壓預(yù)防門卡滯、艙門手柄上作用300 lb極限載荷時(shí)，全局坐標(biāo)下的機(jī)構(gòu)內(nèi)力，如表2所示。

表2 增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)內(nèi)力

通過(guò)對(duì)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的分時(shí)凸輪、搖臂、連桿、彈簧等零件分析發(fā)現(xiàn)，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

根據(jù)民用艙門大小、閂機(jī)構(gòu)和鎖機(jī)構(gòu)分布及艙門結(jié)構(gòu)布局的不同，導(dǎo)致增壓預(yù)防門所處的位置也有所不同，但實(shí)現(xiàn)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的原理是相同的。一套新型的增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)艙門閂鎖機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防、快速泄壓、破損安全、2 psi鎖定、破冰等多項(xiàng)功能，一套機(jī)構(gòu)多樣用途，既減輕了機(jī)構(gòu)的重量，又提高了機(jī)構(gòu)的安全性。對(duì)于民用飛機(jī)艙門增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

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