民機(jī)盥洗盆堵塞開啟機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬 巖

?

民機(jī)盥洗盆堵塞開啟機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬 巖

本文 通過研究一種民用飛機(jī)盥洗盆堵塞開啟機(jī)構(gòu)的工作原理，提出降低盥洗盆堵塞開啟難度的優(yōu)化方案。

民航飛機(jī)的巡航高度和最佳飛行高度大多集中在9～12.5km之內(nèi)，而旅客機(jī)舒適的座艙高度（座艙高度指氣密座艙內(nèi)空氣絕對(duì)壓力在標(biāo)準(zhǔn)大氣中所對(duì)應(yīng)的海拔高度）為0～2400 m，因此在飛行過程中，客艙與機(jī)外大氣環(huán)境存在較大壓差。

系統(tǒng)工作原理

根據(jù)排放方式不同，民用飛機(jī)灰水系統(tǒng)分為直接排放式灰水系統(tǒng)和間接排放式灰水系統(tǒng)。該機(jī)型采用直接排放式灰水系統(tǒng)。

直接排放式灰水系統(tǒng)是利用重力和機(jī)內(nèi)外壓差將盥洗室盥洗灰水及廚房工作灰水通過排放軟管、空氣截止閥及機(jī)外排放桿等直接排放到機(jī)外大氣環(huán)境中。直接排放式灰水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。廚房洗滌槽采用常開式排水設(shè)計(jì)，因此在洗滌槽下方灰水排放管路中設(shè)置空氣截止閥以防止飛行過程中客艙空氣通過灰水管路泄漏，造成客艙壓力損失。盥洗盆采用常閉式堵塞設(shè)計(jì)，因此未設(shè)置空氣截止閥。

排放盥洗盆灰水時(shí)，按壓水龍頭后側(cè)排放按鈕，盥洗盆底端堵塞頂起，盆內(nèi)灰水通過灰水排放管路，經(jīng)機(jī)外排放桿直接排放至機(jī)外。堵塞開啟機(jī)構(gòu)的原理圖如圖2所示。

由圖2可知，堵塞開啟按鈕下端為一連桿，連桿通過杠桿機(jī)構(gòu)與堵塞連接。當(dāng)按壓堵塞開啟按鈕時(shí)，力通過連桿傳遞到杠桿機(jī)構(gòu)的另一端，撬動(dòng)堵塞開啟。

堵塞灰水排放管路經(jīng)機(jī)外排放桿直接連通外界大氣，當(dāng)飛機(jī)處于高空飛行時(shí)，機(jī)艙內(nèi)外壓差大，堵塞上下兩側(cè)壓差也相應(yīng)較大，因此開啟堵塞需要較大的力，而飛機(jī)盥洗盆堵塞的連桿剛度較低，無法承受并傳遞該開啟壓力。因此，高空飛行時(shí)，堵塞不易開啟，易造成盥洗盆灰水排放不暢。

連桿失效模式分析

圖1　直接排放式灰水系統(tǒng)原理圖

圖2　堵塞開啟機(jī)構(gòu)原理圖

盥洗盆灰水排放不暢的初步原因分析為堵塞開啟機(jī)構(gòu)壓縮穩(wěn)定性不足，為研究盥洗盆堵塞開啟機(jī)構(gòu)連桿的失效模式，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行仿真計(jì)算，建立模型如圖3所示。

按照實(shí)際結(jié)構(gòu)，約束A點(diǎn)平動(dòng)自由度，模擬杠桿的支點(diǎn)；B點(diǎn)固支，模擬按壓；C點(diǎn)約束面外位移，模擬管壁對(duì)活塞的約束；單位載荷施加在C點(diǎn)沿管道軸線垂直向下，模擬空氣壓差載荷。選取壓桿半徑2mm，彈性模量70Gpa。

計(jì)算所得失穩(wěn)模式如圖4所示，計(jì)算結(jié)果顯示失穩(wěn)模式為圖中紅圈區(qū)域面外方向失穩(wěn)。即當(dāng)客艙內(nèi)外壓差比較大時(shí)，連桿出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)，無法傳遞堵塞開啟所需的載荷。

圖3　仿真計(jì)算模型

圖4　連桿失效模式仿真結(jié)果

圖5　特征值隨半徑及材料彈性模量的變化

圖6　約束D點(diǎn)后連桿失效模式

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由前文分析可知，提升連桿的傳載能力可降低盥洗盆堵塞的開啟難度。

計(jì)算不同半徑、不同彈性模量材料連桿的屈曲特征值。結(jié)果表明，壓桿半徑變化、材料彈性模量變化不會(huì)影響該連桿的失穩(wěn)模式，特征值隨半徑及材料彈性模量的變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著連桿半徑和連桿材料彈性模量的增加，連桿屈曲特征值增加，連桿傳載能力增強(qiáng)。

由于失效方式為危險(xiǎn)位置處面外方向屈曲，因此可采用約束危險(xiǎn)位置處面外位移的方式進(jìn)行改進(jìn)，即在圖3中，D點(diǎn)處增加支架，約束D點(diǎn)面外平移自由度。設(shè)置壓桿半徑2mm，模量70Gpa，增加D點(diǎn)約束后，特征值由117.77升高至342.2，連桿傳遞及承受載荷能力增強(qiáng)。此時(shí)連桿傳載薄弱環(huán)節(jié)下移，在D點(diǎn)一下，如圖6紅圈處所示。

降低盥洗盆堵塞內(nèi)外壓差同樣可以減小堵塞開啟難度。仿效廚房洗滌槽，在灰水排放管路中安裝空氣截止閥，閥門處于常閉狀態(tài)，可有效隔離閥門上游灰水管路與機(jī)外環(huán)境的連通，使盥洗盆堵塞內(nèi)外的壓差減小，盥洗盆堵塞開啟難度降低。同時(shí)，閥門設(shè)置有壓力感應(yīng)裝置，當(dāng)閥門上游管路內(nèi)積水到達(dá)一定高度時(shí)，閥門開啟，灰水沿灰水排放管路排到機(jī)外。該方案可有效降低盥洗盆堵塞開啟難度。

結(jié)語

本文介紹了一種民機(jī)盥洗盆堵塞開啟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，通過研究盥洗盆堵塞開啟機(jī)構(gòu)，從提高機(jī)構(gòu)連桿剛度與降低堵塞兩側(cè)壓差兩方面出發(fā)，提供多種優(yōu)化方案，可有效降低航線運(yùn)營(yíng)時(shí)盥洗盆堵塞的開啟難度。

馬 巖

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

馬巖，女，助理工程師，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，主要負(fù)責(zé)民機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.017