客改貨貨艙門口框鎖鉤接頭構(gòu)型研究

徐　煥　孫潔瓊 /

(中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司，沈陽110013)

0　前言

隨著航空貨運市場的逐漸升溫，預(yù)計未來20年航空貨運的增長率將大大超過航空客運[1-2]。民用飛機客機改貨機的經(jīng)濟優(yōu)越性將逐步使其成為未來航空貨物運載工具的主要來源，是航空公司節(jié)約成本、應(yīng)對貨運量增長、提高飛機利用率的最佳選擇[3]?？透呢浿髫浥撻T口框結(jié)構(gòu)設(shè)計是改裝中的難點之一[4]，而鎖鉤接頭的設(shè)計是口框結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點之一。本文對波音空客等多個機型貨艙門口框鎖鉤接頭進行分析和總結(jié)，以某機型客改貨為例，設(shè)計出了一種新的鎖鉤結(jié)構(gòu)，能夠滿足復(fù)雜客改貨口框界面要求，為其他機型的客改貨設(shè)計提供思路。

1　某客改貨貨艙門口框鎖鉤接頭布局介紹

大型貨艙門普遍采用非堵塞式，艙門承受增壓載荷和機身載荷。在典型貨艙口框結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多采用琴鍵鉸鏈-門-鎖鉤接頭的連接方式進行有效傳載，其中鎖鉤接頭需滿足艙門關(guān)閉的功能要求，及艙門與口框間的傳力要求，典型貨艙口框如圖1所示。

圖1　典型貨艙口框結(jié)構(gòu)布局圖 經(jīng) 驗 介 紹

鎖鉤接頭在門開口下部的貨艙門口框下主檻梁處、框站位處或兩個框站位間。在框站位處，鎖鉤接頭與下主檻梁和斷框連接，將艙門上的載荷傳到機身框上；在框站位間，鎖鉤接頭與下主/輔檻梁連接，將門處的載荷傳到下輔助檻梁[5-6]。本文研究的客改貨貨艙門口框結(jié)構(gòu)中，下主檻梁平面布局與地板平行，與地板橫梁存在高度差，且為雙梁布局，具體情況如圖2所示。因下主檻梁低于地板橫梁，需在鎖鉤接頭上設(shè)計連接件對地板橫梁提供支撐或鎖鉤接頭直接對地板橫梁提供支撐。在框站位處，鎖鉤接頭與下主檻梁、地板橫梁和斷框連接，導(dǎo)致此處鎖鉤接頭的結(jié)構(gòu)形式比框站位間的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。本文僅介紹框站位處鎖鉤接頭構(gòu)型及其界面設(shè)計。

圖2　某客改貨桶段貨艙門口框

本文對幾種成熟機型貨艙口框鎖鉤接頭的設(shè)計構(gòu)型進行分析對比，探索出某客改貨口框鎖鉤接頭構(gòu)型設(shè)計。

2　鎖鉤接頭構(gòu)型及界面方案分析

2.1 受力分析

在客改貨中，鎖鉤接頭結(jié)構(gòu)主要承受的是座艙增壓時引起的沿艙門環(huán)向拉力和防止門打開的機身側(cè)向剪切載荷，以及機身與門的航向剪切載荷。其中環(huán)向拉力是主要的受力載荷。鎖鉤接頭的具體受載情況如圖3所示。

圖3　鎖鉤接頭傳力路徑

除了考慮上述載荷外，鎖鉤接頭還需考慮地板橫梁處傳來的張力、剪力和彎矩，其中地板橫梁的載荷如圖4所示。

圖4　地板橫梁受載情況

2.2 空客下貨艙門口框鎖鉤接頭(整體式鎖鉤接頭)

圖5　A330下貨艙口框鎖鉤接頭及其界面

空客典型下貨艙門口框鎖鉤接頭為整體鈦合金鍛件。鎖鉤接頭與蒙皮、鎖鉤、下主檻梁、斷框及扭力盒連接件連接，具體結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。鎖鉤接頭連接界面多，主要與蒙皮、下主檻梁和鎖鉤連接，這導(dǎo)致裝配困難。空客在主檻梁和鎖鉤接頭間采用兩個調(diào)節(jié)墊片，改善裝配性能，具體形式如圖6所示，需要注意嚴格控制公差，保證鎖鉤的正常打開/關(guān)閉功能。鎖鉤接頭為整體式，其穿過主檻梁開口，與門鎖鉤連接。該結(jié)構(gòu)形式削弱了主檻梁結(jié)構(gòu)強度，直接承受了環(huán)向拉力。雖削弱主檻梁強度，但主檻梁為整體機加形式，可局部機加臺階對開口進行補強。圖7所示鎖鉤接頭雙耳片與門鎖鉤用螺栓連接，與口框蒙皮采用四排緊固件進行連接，設(shè)置3條加筋支撐雙耳片，進行有效傳遞環(huán)向拉力。此構(gòu)型復(fù)雜，生產(chǎn)工藝性差。該鎖鉤接頭為整體形式，相比組合式結(jié)構(gòu)，其互換性差，損傷容限性差。但是零件數(shù)量少，減少零件裝配，在下主/輔檻梁為扭力盒結(jié)構(gòu)形式時，具有裝配優(yōu)勢。

圖6　A340鎖鉤接頭連接

圖7　A340鎖鉤接頭

2.3 波音787下貨艙門口框鎖鉤接頭(組合式鎖鉤接頭)

波音787下貨艙門口框鎖鉤接頭為組合式，鎖鉤接頭與鎖鉤支撐件組合，用螺栓連接。該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點為單個零件生產(chǎn)，工藝性好，但傳力不直接，主要通過螺栓傳力，其中螺栓傳遞拉力及剪力，受力形式復(fù)雜。鎖鉤接頭支撐件與框站位處連接件相連接。鎖鉤接頭支撐件傳遞鎖鉤接頭上的載荷，對檻梁進行支撐，提高檻梁局部剛度及穩(wěn)定性。具體結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8　波音787鎖鉤接頭結(jié)構(gòu)形式

鎖鉤接頭支撐件為鋁合金雙面機加件，兩側(cè)布置加筋，對鎖鉤接頭提供支撐。鎖鉤接頭支撐件底部與斷框相連，將鎖鉤接頭上的載荷傳到斷框上。鎖鉤接頭支撐件伸出“L”型端頭與貨艙地板橫梁連接，支撐貨艙地板橫梁。鎖鉤接頭與其支撐件結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖9　波音787鎖鉤接頭支撐件

該鎖鉤接頭組合件與門鎖鉤、下主/輔檻梁、下貨艙地板橫梁、斷框及蒙皮連接。鎖鉤接頭及其支撐件是組合結(jié)構(gòu)，裝配制造時裝配補償性好；鎖鉤接頭與鎖鉤接頭支撐件連接，因下貨艙主/輔檻梁布置為開敞構(gòu)型，其裝配可達性好，裝配性能好。門與鎖鉤接頭連接裝配精度要求高，波音787用齒形墊板與鎖鉤接頭、主檻梁進行連接，改善裝配，但仍需嚴格控制裝配公差，保證鎖鉤的正常打開/關(guān)閉功能。該構(gòu)型零件數(shù)量多，裝配工作量大，但維修互換性好，零件可根據(jù)受力特點選擇相適應(yīng)的材料，結(jié)構(gòu)損傷容限性好。

2.4 整體式與組合式鎖鉤接頭方案對比分析及選擇

針對上述2種方案，對整體式鎖鉤接頭和組合式鎖鉤接頭從傳力特性、裝配、損傷容限特性及制造工藝性等方面進行對比。分析對比結(jié)果見表1。

表1　整體式鎖鉤接頭和組合式鎖鉤接頭對比分析

經(jīng)上述對比分析，兩種方案在特定的環(huán)境中都有各自的優(yōu)劣勢。整體式結(jié)構(gòu)在扭力盒結(jié)構(gòu)中有裝配有優(yōu)勢；組合結(jié)構(gòu)式在開敞環(huán)境中裝配性能好。傳力特性方面，整體式比組合式傳力更直接。而組合式結(jié)構(gòu)的損傷容限性、生產(chǎn)工藝性和互換性比整體結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。需根據(jù)設(shè)計約束條件和經(jīng)濟成本選擇合適的方案。

支撐結(jié)構(gòu)件有整體式和組合式，下面將繼續(xù)探討鎖鉤支撐件及其界面的設(shè)計。

2.5 波音747客改貨貨艙口框鎖鉤接頭支撐件(組合式)

波音747客改貨貨艙口框鎖鉤接頭支撐件由兩個鎖鉤接頭連接件、斷框、“T”型角材、腹板和“L”型角材組成，具體結(jié)構(gòu)形式如圖10所示。該構(gòu)型零件數(shù)量多、裝配量大、裝配復(fù)雜。復(fù)雜裝配導(dǎo)致維修互換困難和增重等問題。該構(gòu)型有單個零件制造簡單的優(yōu)勢，“T”型角材、腹板和“L”型角材都可采用型材制造的加工方法。鎖鉤接頭支撐件與下主檻梁、蒙皮和地板橫梁連接，該組合形式中的每個零件只有2個連接面，其裝配補償性好。2個鎖鉤接頭連接件與鎖鉤接頭連接，將鎖鉤接頭的載荷傳到斷框上。在波音747貨艙口框構(gòu)型中，下主/輔檻梁平面與地板平面平齊，鎖鉤接頭支撐件通過“T”型角材、腹板和“L”型角材組合件與地板橫梁連接。此組合結(jié)構(gòu)形式中的每個零件可根據(jù)受力特點進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇損傷容限性好的材料，如2024鋁合金材料，從而獲得好的損傷容限性。

圖10　波音747客改貨貨艙口框鎖鉤接頭支撐件

2.6 波音767客改貨貨艙口框鎖鉤接頭支撐件(整體式)

波音767客改貨貨艙口框鎖鉤接頭撐件為 7000系鋁合金整體雙面機加件。雙面機加的生產(chǎn)工藝性差，且7000系鋁合金整體結(jié)構(gòu)形式損傷容限性差，維修互換不經(jīng)濟。但雙面機加件有零件數(shù)量少，減少裝配量的優(yōu)勢。下主檻梁為傾斜布局，補償了地板橫梁與下主檻梁平面的高度差，鎖鉤接頭支撐件受此布局影響設(shè)計簡單。但主檻梁傾斜布局使鎖鉤結(jié)構(gòu)活動空間小，鎖鉤接頭的裝配要求高。鎖鉤接頭支撐件采用桶形螺栓與下主檻梁及鎖鉤接頭進行連接，鎖鉤接頭裝配協(xié)調(diào)性好。鎖鉤接頭支撐件過渡轉(zhuǎn)折伸出與地板平行的“C”型端頭，與地板橫梁進行連接。鎖鉤接頭支撐件與斷框融合設(shè)計，實現(xiàn)多功能作用，且根據(jù)其受力特點，設(shè)置不同的加筋。具體結(jié)構(gòu)形式如圖11所示。該結(jié)構(gòu)與蒙皮、下主/輔檻梁和地板橫梁連接，與蒙皮和下主檻梁為主要連接；因輔檻梁為組合結(jié)構(gòu)，可協(xié)調(diào)裝配該結(jié)構(gòu)，與地板橫梁連接則考慮加墊連接?？偟膩碚f，該結(jié)構(gòu)裝配簡單，但需考慮靠近蒙皮處的加筋對裝配可達性的影響。

圖11　波音 767客改貨貨艙口框鎖鉤接頭支撐件

2.7 整體式和組合式鎖鉤接頭支撐件方案對比分析及選擇

對整體式鎖鉤接頭支撐件和組合式鎖鉤接頭支撐件從傳力特性、裝配、損傷容限特性及制造工藝性等方面進行對比。分析對比結(jié)果見表2。

表2　整體式鎖鉤接頭支撐件和組合式鎖鉤接頭支撐件對比分析

通過對兩種方案進行分析對比，整體式比組合式更具有優(yōu)勢。整體結(jié)構(gòu)方案比組合式結(jié)構(gòu)方案零件數(shù)量少，裝配量減少，裝配簡單，節(jié)省裝配工時，重量較輕。在制造方面，組合式單個零件制造簡單，比整體結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢，但是整體結(jié)構(gòu)為鋁合金機加，以現(xiàn)在的制造水平可以實現(xiàn)，不導(dǎo)致加工成本提高。雖整體結(jié)構(gòu)損傷容限性不如組合式，但可根據(jù)強度建議，進行損傷容限性設(shè)計，從而滿足設(shè)計要求。

3　某客改貨貨艙口框鎖鉤接頭及其支撐件構(gòu)型設(shè)計

由于下主檻梁布局與地板平行，與地板梁有高度差，且為雙檻梁布局。在設(shè)計中，鎖鉤接頭采用組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計，用抗拉型螺栓連接。用抗拉螺栓連接的原因是主檻梁與地板形成的臺階處空間大，不嚴格要求鎖鉤接頭的裝配公差。鎖鉤接頭支撐件改進設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)形式如圖12所示。鎖鉤接頭支撐件為雙面整體機加件。在鎖鉤接頭下方，鎖鉤接頭支撐件兩側(cè)設(shè)置加筋，對鎖鉤接頭提供支撐，其中一側(cè)的加筋進行削弱處理。鎖鉤接頭支撐件伸出“C”型臺階端頭，與地板橫梁連接。在“C”型端頭下方設(shè)有多條加筋，其中的斜筋連接下部緣條和“C”型端頭。斜筋的設(shè)計增加了轉(zhuǎn)折處的結(jié)構(gòu)截面，提高鎖鉤接頭支撐件的抗彎剛度。鎖鉤接頭

支撐件下端做機加框結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)一件多功能的作用。

圖12　客改貨鎖鉤接頭組件

4　結(jié)論

客改貨貨艙門口框鎖鉤接頭是客改貨口框結(jié)構(gòu)的重要組成部分，熟悉其受力特點和典型機型的構(gòu)型設(shè)計方案，能夠為其他機型客改貨在概念設(shè)計階段提供經(jīng)驗和設(shè)計思路，提高設(shè)計效率。本文針對某機型客改貨特殊的布局進行設(shè)計，其他機型客改貨設(shè)計需根據(jù)實際情況進行分析從而獲得最佳設(shè)計。