35 直九直升机索降设计-沈祖千(11)

35 直九直升机索降设计-沈祖千(11) 第二十八届(2012)全国直升机年会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 直九直升机索降设计 沈祖千 徐海斌 吴永奎 (中航工业哈飞，哈尔滨，150066) 摘 要:在汶川地震、新疆雪灾救援工作中，直升机凭借其机动灵活、可在复杂地形使用的飞行特点，在 救援中发挥了不可替代的作用。为提高直升机向地面输送救援人员的效率，在国外直升机上，广泛使用索 降装置。索降装置除输送救援人员效率高外，还具有结构简单，成本低，负载大，便于制造、使用和维护, 不耗电等优点。本文根据索降使用需求和直九直升机机结构特点，成功设计了一款索降装置，并对此进行 了强度分析。 关键词:直升机; 索降; 救援; 强度分析 1 前言 由于直升机具有垂直起降、空中悬停、前后左右飞行、超低空贴地飞行、不依赖机场跑道等特点，因此，直升机在军事和民用领域得到了广泛的应用。直升机在军事上已广泛应用于人员和物资运输、伤员救护、反坦克、对地火力支援、搜潜攻潜、攻舰、机降突击、电子战、预警、侦察、通讯联络等，而在民用领域方面直升机已应用于近海作业(救捞、石油平台)支持、公务、公安执法、交通管理、医疗救护、新闻航拍、观光旅游、搜索营救、森林防火、农田作业、建筑吊装、电缆巡检、城市消防、地质勘探、科学考察等众多领域。正是在这样的背景下，世界上绝大多数的国家都有由一定数量的直升机。据不完全统计，目前全世界有现役直升机53259架(其中军用直升机23203架，民用30056架)。在全世界196个国家和地区中，有153个国家和地区拥有军用直升机，151个国家拥有民用直升机，也就是说，超过77%的国家和地区拥有军用和民用直升机。 在如此众多的现役直升机中，无论军用、民用均大量使用了电动绞车、索降和外吊挂，实现在机上放下或提升人员和货物以及吊运大型货物。 2 直九直升机索降设计的重要性 在汶川地震、新疆雪灾救援工作中，直升机凭借其独有的飞行特点，在救援中发挥了不可替代的作用。直九机军用、民用型的主要救援设备为电动绞车和外吊挂，其存在的主要问题如下: 1)电动绞车载荷小、机构复杂、维护工作量大、费用大，耗电量大; 2)电动绞车向地面输送救援人员工作效率低; 3)外吊挂，只能用来吊运货物; 4)电动绞车和外吊挂均为国外产品，成本大、采购和备件供应周期长。 为提高直升机向地面输送救援人员的效率，在国外直升机上，也广泛使用索降装置。索降装置除输送救援人员效率高外，还具有以下特点:结构简单，成本低，负载大，便于制造、使用和维护、不耗电。 647 3 直九直升机索降设计要求 1)充分利用直九直升机机体结构特点、与直九机兼容性好; 2)结构强度、刚度要求:满足CCAR29的结构强度、刚度的要求; 3)满足直升机重量、重心限制要求; 4)对飞行气动特性影响小，结构简单、可靠、成本低、易于维护。 4 索降设计 警用直升机是在充分继承直-9系列机研制、改装成果的基础上，通过选装国内外性能先进的警用任务设备并加装无控武器系统而形成的专用直升机，主要用于空中巡逻、警务执法、机动运输、押解要犯及贵重物资、搜索救援、空中指挥、警戒、缉私缉毒、空中摄影、摄像、通讯、联络、空中交通管制等任务。警用直升机与直-9系列直升机有类似的结构特点，本次设计的索降，是以警用直升机为平台。 4.1 总体设计 警用直升机在X3205框与X4630框上部左右对称分布着四个系留窝，在X3205框上对称设计两个安装支座，就可以在直升机两侧对称安装2个索降支架。 为了保证警用直升机能够充分满足使用要求，索降挂钩安装位置主要取决以下两个方面: 在所有载荷情况下，均在重量重心限制范围内; 便于空中操作使用。 4.1.1 直升机重量重心限制 为便于展开讨论，现将警用直升机作了如下坐标定义: 图1 警用直升机坐标定义 表1给出了依据警用直升机坐标， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配置时所有机上人员及整机(600kg燃油)重量、重心计算情况。 警用直升机前重心极限为3800mm，后重心极限为4050mm，左重心极限为-75mm，右重心极限为+75mm，见图2。 648 表1 机上人员及警用直升机重量重心情况 项目 重量 纵向中心 横向中心 纵向力矩 横向力矩 (kg) (m) (m) (kgm) (kgm) 空机 2409.5 4.163 -0.004 10030.75 -9.638 正副驾驶员 80×2 2.090 ?0.437 334.4 0 空中机械师 80 2.700 0.190 216 15.2 第三排人员 100×3 3.680 0，?0.412 1104 0 第四排人员 80+100×3 4.155 ?0.190，?0.634 1578.9 -3.8 燃油 600 3.791 0 2274.6 0 合计 3929.5 3.954 0.000 15538.65 1.762 图2 警用直升机纵向重心限制 索降设计载荷按单侧同时下2名带任务装置的索降员，重量共计200kg计算。索降挂钩安装位置计算情况如下: 1)右极限 右极限应出现在燃油消耗完毕，机舱内仅剩下2名驾驶员，1名机械师和1名安全员，安全员在机舱右边缘(取Y=1.0)，右侧绳索上有1名正在下降的索降员的情况下(不允许在一侧空闲的情况下，另一侧同时下2人)，这样: 1.762，3.8，100Y，80，1=0.075 3929.5-100，5-600 Y计算得到=1.267(m)。 因此，索降挂钩右侧距离直升机中心线小于1.267m。 2)左极限 左极限应出现在燃油消耗完毕，机舱内仅剩下2名驾驶员，1名机械师和1名安全员，安全员在机舱左边缘(取Y=-1.0)，左侧绳索上有1名正在下降的索降员的情况下(不允许在一侧空闲的情况下，另一侧同时下2人)，这样: 649 1.762，3.8，100Y-80，1=-0.075 3929.5-100，5-600 计算得到Y=-1.378(m)。 因此，索降挂钩左侧距离直升机中心线小于1.378m。 3)前极限 从第4排抽调3人，第3排1人去执行索降任务，这种情况下出现重心前移。 15538.65,100，3，4.155-100，3.68，400X=3.8 3929.5 X=2.520(m)。 计算得到 因此，索降挂钩前向距离旋翼中心大于2.520m。 4)后极限 考虑到燃油重心在直升机中心前，因此达到后极限的情况为，燃油全部消耗完毕，从第三排抽调3人，第四排1人去执行索降任务移。 15538.65-600，3.791-100，3，3.68-100，4.155，400X=4.05 3929.5-600 X计算得到=4.350(m)。 因此，索降挂钩后向距离旋翼中心小于4.350m。 综上所述，索降挂钩安装位置为:横向Y-1.378m,Y1.267m，纵向X2.520 m,X4.350 m。 4.1.2 便于使用 绳索自由下垂时，应与机体距离大于200mm，同时也要方便安全员空中将绳索挂到自锁挂钩上，经现场比试，结合上述重心限制，选择了挂钩横向为Y?1.26m，纵向为X3.58m。 4.2 结构设计 4.2.1 构型方式 通过单叉耳和带螺套的双叉耳将带弧度的X4630支杆、X3205下支杆一端分别固定在X4630高位系留留窝和X3205高位系留窝上，通过单叉耳将X3205上支杆固定在X3205框上设计的一个安装支座上，支杆之间通过接头固定在一起，再通过转接接头将自锁挂钩固定在索降支架上。 图3 索降构型方式 4.2.2 结构连接形式 4.2.2.1 X4630支杆与机体相连 通过4个M6螺栓将一单叉耳固定在X4630支杆一端，在X4630处的系留窝上安装带螺套的双叉耳，通过一带销的M10螺栓将单叉耳与双叉耳固连在一起。 650 图4 X4630支点安装接头 4.2.2.2 X3205下支杆与机体相连 通过4个M6螺栓将一单叉耳固定在X3205下支杆一端，在X3205处的系留窝上安装带螺套的双叉耳，通过一带销的M10螺栓将将单叉耳与双叉耳固连在一起。 图5 X3205下支点安装接头 4.2.2.3 X3205上支杆与机体相连 通过4个M6螺栓将一单叉耳固定在X3205上支杆一端，在X3205框上安装一底座，通过一带销的M10螺栓将单叉耳与支座固连在一起。 图6 X3205上支点安装接头 4.2.2.4 X3205上、下支杆与X4630支杆相连 X3205上、下支杆各自通过一圆接头固定在X4630支杆上。 651 图7 X3205上、下支杆与X4630支杆连接接头 4.2.2.5 自锁挂钩固定 2个M10的螺栓将自锁挂钩的2个安装接头固定在X4630支杆上，一个带自锁螺母的M16螺栓将两个安装接头固连在一起，自锁挂钩固定在两个安装接头之间。 图8 自锁挂钩安装接头 4.2.2.6 自锁挂钩约束 为便于空中将绳索稳定的固定在自锁挂钩上，需对自锁挂钩三个方位进行约束，特设计了结构形式如图9的挡块。 图9 自锁挂钩固定挡块 4.2.2.7 抓取杆 在靠近挂钩的机体内左、右各安装了一个如图10所示的抓取杆，方便安全员将绳索挂在自锁挂 652 钩内，保证索降员安全走出直升机。 图10 抓取杆 4.2.3 材料 为了充分保证索降人员的安全，本次设计所采用的管材、棒材、板材、标准件均采用30CrMnSiA，与X4630接头相连接部分采用Φ50×2管材,与X3205上下接头相连接部分采用Φ30×2管材。 4.3 强度分析 采用有限元方法对警用直升机加装的索降系统的强度、刚度及固有特性进行了分析，并给出分析结论。 建模和计算采用有限元软件MSC.Patran和MSC.Nastran，连接件的计算按《飞机设计手册》第9册的32章的要求进行。 4.3.1 结构有限元模型 支杆用梁元Beam模拟，结构有限元模型见图11。 图11 支架有限元模型 4.3.2 载荷 根据总体设计要求，支架结构使用载荷为200kg，方向基本为竖直向下，使用状态为直升机悬停，因此可不考虑过载系数。根据CCAR29部第29.303条条款取安全系数1.5和第29.625条条款取接头系数1.33，30CrMnSiA的极限强度。 ,,981MPab 4.3.3 计算结果分析 4.3.3.1 支架强度和刚度分析 653 支架最大组合(Von Mises)应力为σmax=84.6MPa<<σb，安全裕度M.S.>10，计算结果见图12。 图12 支架最大组合应力图 支架最大变形为1.37mm，位移计算结果见图13。 图13 支架变形图 所以支架的强度和刚度满足要求。 4.3.3.2 连接强度分析 支架结构最大支反力为1.04e+4N，其中X3205下支杆受压最大为1.04e+4N，X3205上支杆受拉最大为9.61e+3N ，X4630支杆受压最大为4.29e+2N。可见，X3205上、下支杆和接头受力最大，截面最小，属于受力最严重部位。 图14 支架结构所受支反力 654 4.3.3.2.1 X3205下支杆连接强度 对于X3205下支杆，支杆与单叉耳用4个交错的M6螺栓连接，螺栓受剪切。M6螺栓的破坏剪力Pa=19.32KN，假设支架在使用过程中，只有2个螺栓起到连接作用，则 P=1.04e+4/2=5020N， Pa19320，螺栓满足剪切要求。 M.S.,,1,,1,2.85P50201.04e，4Pult4承载最大的螺栓孔的挤压强度: ,,,,108MPabrdt12，2 ,981 bM.S.,,1,,1,8.08,108br X3205下支杆单叉耳受压，按《飞机设计手册》第九册: Pult1.04e，4 ,,,,111.8MPabrdt10，9.3 ,,KKKK1.5，0.9，0.8，981 brbb123..,,1,,1,,1,8.48MS,,111.8brbr 其中系数取自《飞机设计手册》第九册。 KKK123 由于单叉耳满足静强度要求，与其相连的双叉耳厚度和直径相同，所以也满足静强度要求。 4.3.3.2.2 X3205上支杆连接强度 X3205上支杆受拉伸载荷作用，与其连接的叉耳也受到拉伸载荷作用， 按《飞机设计手册》第九册: PP9610ultult,,,,116.2MPa,ultF(b,d)t(18.894,10)，9.3 ,K0.84，9810bM.S.,-1,-1,6.09,116.2ult K0取自《飞机设计手册》第九册。 4.3.3.2.3 挂钩连接接头强度 该接头与X4630支杆通过螺栓连接，其中螺栓孔处受拉伸载荷作用为受力严重部位，按《飞机设计手册》第九册: 1F，，，P20001.3321.58,,,,,MPa30ult，，AA8311.2 ,981bMS,,,,,..1110K，2.330,ult。 4.3.3.3 模态分析 对支架进行模态计算，计算结果如图15,图16。结构一阶模态频率43.79HZ，二阶模态频率68.041HZ，均避开旋翼的激励频率24Hz，不会产生共振。 655 图15 一阶模态变形图 图16 二阶模态变形图 4.3.4 结果分析 由计算得知，支架及其连接结构均满足强度、刚度使用要求，根据模态分析结果，支架不会发生共振。 5 结论 由于以前国内没有设计和制造过直升机索降装置，直九机上也未安装过索降装置，国内缺少直升机索降装置的设计、制造和使用 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 。因此，根据索降使用需求和直九直升机机结构特点，设计的该款索降装置，具有以下创新点: 1)国内首创; 2)提高直升机向地面输送救援人员的效率; 3)结构合理，成本低，负载大，便于制造、使用和维护。 参 考 文 献 [1] 杨黎明 《机械零件设计手册》 国防工业出版社 1986年12月第1版 [2] 张彤《飞机标准手册》 南昌飞机制造公司 1987年10月30日 [3] 韩国亮《航空用结构钢薄壁无缝钢管 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》 国防科学技术委员会 1996年12月1日 [4] 胡逸洲《中国民用航空规章》第29部 中国民用航空局 1988年4月21日 [5] 解思适《飞机设计手册》第九册 航空工业出版社 1998年12月 656