高建玉 王利鵬 趙國文

摘要：為滿足現(xiàn)代城市消防滅火的需求，開展城市消防研制工作，在直升機外部增加消防滅火設(shè)備。闡述了直升機增加外掛消防用水炮系統(tǒng)機體結(jié)構(gòu)改裝方案，經(jīng)強度校核及裝機試飛驗證，改裝方案能夠滿足強度設(shè)計要求，具有良好的工藝性，同時能夠滿足系統(tǒng)的安裝和維護(hù)要求。

關(guān)鍵詞：水炮系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)改裝；接頭

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672]3198.2018.27.089

1概述

為了滿足現(xiàn)代城市消防的需求，在某型直升機上加裝外掛水炮系統(tǒng)，主要用于城市高層建筑及復(fù)雜地形環(huán)境下的滅火。由于加裝水炮系統(tǒng)是在已有的某型直升機上進(jìn)行改裝，通過在機身外部增加接頭連接件和機身內(nèi)部加強件來滿足外掛設(shè)備的強度設(shè)計要求，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。本文主要闡述了水炮系統(tǒng)安裝位置的選擇及載荷傳力路線分析，對水炮安裝接口進(jìn)行了尺寸定義，基于有限元的非線性接觸分析，對接頭進(jìn)行了合理的優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)驗證，能夠滿足系統(tǒng)安裝要求和強度要求，傳力路線合理可行，重量較輕，改裝工藝性良好，拆裝方便。

2設(shè)計思路

2.1水炮安裝位置選擇

水炮系統(tǒng)主要由水炮轉(zhuǎn)塔、炮管、增壓泵等組成。根據(jù)現(xiàn)有直升機結(jié)構(gòu)布局，為了避免與已有系統(tǒng)干涉和降低結(jié)構(gòu)加強的實施難度，將水炮轉(zhuǎn)塔（含炮管）布置在直升機的左側(cè)4～5框蒙皮外側(cè)，貨艙地板以上，位置見圖1；根據(jù)重量重心計算結(jié)果，同時考慮到重力加油口等因素，將增壓泵布置在右側(cè)7～9框蒙皮外側(cè)，貨艙地板以上，位置見圖2。

2.2結(jié)構(gòu)布局及傳力路線分析

單側(cè)外掛系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)接板與機體結(jié)構(gòu)連接，轉(zhuǎn)接板上為雙耳接頭，機體結(jié)構(gòu)上為單耳接頭，二者通過插銷連接，便于拆卸。單耳接頭布置在4框（7框）、5框（9框）凸緣外側(cè)，每個接頭利用4個螺栓固定在機體結(jié)構(gòu)上，機體內(nèi)部在接頭安裝處設(shè)計角盒，便于載荷的傳遞和擴散，安裝參考如圖3。

加裝外掛水炮裝置，作用到機體結(jié)構(gòu)上的載荷主要為慣性載荷（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z， Mx，Mz）和水炮發(fā)射時的載荷Fx。其中Fx通過接頭傳遞到水平板件和地板，并最終擴散到蒙皮；Fy，Mx通過接頭及角盒傳遞到隔框上；Fz通過接頭直接傳遞到框凸緣；Mz通過前后兩個隔框的拉壓傳遞；具體位置見圖4。

2.3連接接頭設(shè)計

由于增壓泵系統(tǒng)的重量比炮塔小，而且重心位置更靠近支承點的形心位置，所以增壓泵系統(tǒng)安裝產(chǎn)生的接頭銷軸處載荷可以被炮塔支撐載荷所覆蓋，而兩者結(jié)構(gòu)形式相同。所以本文僅針對炮塔系統(tǒng)接頭進(jìn)行介紹，其余均與其相同。

2.3.1接口尺寸定義

根據(jù)系統(tǒng)安裝要求，并考慮水炮系統(tǒng)裝配工藝性，在單耳接頭上安裝關(guān)節(jié)軸承，便于水炮系統(tǒng)安裝調(diào)整。由于外掛水炮系統(tǒng)通過插銷與接頭連接，插銷為直徑12mm，故關(guān)節(jié)軸承選用外徑25mm、內(nèi)徑12mm規(guī)格是GET12DEM1T。初步設(shè)計接頭尺寸如下：a=25mm，w=36mm，耳片厚度8mm，材料為30CrMnSiA。具體見圖5和圖6。

2.3.2強度計算及校核

接頭設(shè)計首先考慮載荷情況，共有這樣幾種載荷：帶水炮系統(tǒng)飛行著陸時的過載；風(fēng)載，水炮工作過程中產(chǎn)生的后坐力。根據(jù)水炮系統(tǒng)的重量重心和4個機身結(jié)構(gòu)支撐點的坐標(biāo)，將載荷疊加并計算出4個支撐點最

大的載荷情況，以這個最大的載荷來校核接頭的傳載和強度，其他3個接頭采用一樣的尺寸形式即可。計算得出四個支撐點的各項載荷如表1所示。

通過計算，軸向載荷按最大載荷9508N計算，應(yīng)力為96MPa；嚴(yán)重剖面位置（45度剖面位置）按最大載荷4161N計算，應(yīng)力為378MPa；所以耳片最大應(yīng)力為378MPa。并通過有限元分析接頭應(yīng)力云圖如圖7所示，此接頭結(jié)構(gòu)形式可行。

2.4加強角盒設(shè)計

角盒選用鋁合金7075-T7351材料，設(shè)計角盒尺寸為：端板厚度te為5mm，側(cè)壁版厚度tw為2mm，角盒通過螺栓與接頭對接，承載螺栓的拉壓載荷。角盒尺寸如圖8和圖9。

2.5接頭與機體結(jié)構(gòu)連接設(shè)計

對于螺栓連接處承載拉伸載荷來說，經(jīng)有限元計算得出單個螺栓最大拉伸載荷為5100N，如圖10所示，根據(jù)《飛機設(shè)計手冊》第二冊選用HB1-101-M5×L，螺栓可以滿足強度設(shè)計要求。

3結(jié)論

本文闡述了某型直升機安裝外掛水炮系統(tǒng)機體結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計方案，通過有限元分析證明，載荷傳遞合理、可行，接頭機角盒等加強結(jié)構(gòu)能夠滿足強度設(shè)計要求。該型號改裝設(shè)計已完成，并通過了演示驗證，結(jié)果表明，方案工藝性良好，實施方便，同時能夠滿足水炮系統(tǒng)安裝和維護(hù)要求。

參考文獻(xiàn)

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