張 勇，張鐵軍，胡 旻

（1.上海航空機(jī)械有限公司，上海201314；2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐上海地區(qū)航空軍事代表室，上海200031）

旋翼是直升機(jī)的核心部件。傳統(tǒng)的直升機(jī)旋翼由連接到槳轂上的兩片或多片槳葉組成[1]。直升機(jī)使用過(guò)程中需要定期檢查和維護(hù)槳葉、自動(dòng)傾斜器、主槳轂、減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件，此時(shí)需要拆卸槳葉。由于直升機(jī)旋翼槳葉結(jié)構(gòu)展弦比大[2]，且旋翼槳葉都是有扭轉(zhuǎn)角的[3]，這種長(zhǎng)而窄的非規(guī)則結(jié)構(gòu)件需要使用專用托架進(jìn)行放置，否則易損壞槳葉而影響飛行安全。

現(xiàn)有槳葉托架一般采用枕木加羊毛氈或橡膠等方式實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，防止槳葉存取過(guò)程中劃傷或磕碰損傷。但這種方式的緩沖幅度有限，槳葉的存放仍存在一定的安全隱患。一種柔性支撐主/尾槳葉托架的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用懸掛式布料支撐的形式，實(shí)現(xiàn)了更好的柔性支撐功能。并將某型直升機(jī)主槳葉和尾槳葉的放置需求綜合設(shè)計(jì)，在一個(gè)托架上同時(shí)實(shí)現(xiàn)主槳葉和尾槳葉的放置功能。

1 現(xiàn)有產(chǎn)品簡(jiǎn)要分析

1.1 槳葉托架的需求分析

隨著材料技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，槳葉材料已從早期的木質(zhì)、金屬逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料，而且估計(jì)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)這種狀態(tài)不會(huì)改變[4]。無(wú)論是金屬大梁槳葉，還是復(fù)合材料大梁槳葉，從具體結(jié)構(gòu)上看，都由蒙皮、大梁和填芯等組成[5]。填芯一般采用紙蜂窩或泡沫等材料減輕槳葉整體重量。雖然填芯在外表面包覆復(fù)合材料后具有較好的剛性和強(qiáng)度，但是這種結(jié)構(gòu)不能經(jīng)受局部擠壓或撞擊，否則易造成槳葉脫膠、開(kāi)裂或局部變形等問(wèn)題。

直升機(jī)在飛行過(guò)程中需要經(jīng)受高溫、低溫、雨雪、砂塵、鹽霧、濕熱、低氣壓和太陽(yáng)輻射等各種復(fù)雜的自然環(huán)境，所以槳葉表面會(huì)涂覆具有優(yōu)異防護(hù)性能的涂層。槳葉在存放和短距離移動(dòng)過(guò)程中同樣不能損壞其表面涂層。

槳葉托架的目的就是為了保證槳葉在存放和移動(dòng)期間不受損壞，為直升機(jī)的維護(hù)工作提供保障，降低地勤人員的工作量。從防護(hù)的角度出發(fā)，槳葉托架的主要要求有兩點(diǎn)：一是托架的支撐面硬度需低于涂層材料，避免劃傷或磨損槳葉涂層；二是托架的支撐面需要盡可能與槳葉的翼型相吻合，有助于減少對(duì)槳葉的局部壓強(qiáng)。

1.2 槳葉托架的現(xiàn)狀

早期直升機(jī)一般均配備主槳葉托架和尾槳葉托架兩種，分別保障主槳葉和尾槳葉的存放和短距離移動(dòng)功能。不同機(jī)型之間也不具備通用性，導(dǎo)致托架種類多，轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸不便，造成了較大的資源浪費(fèi)。典型的槳葉托架產(chǎn)品如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有托架產(chǎn)品示意圖

隨著我國(guó)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)地面保障設(shè)備也提出了更高的要求，用戶開(kāi)始關(guān)注保障設(shè)備的通用性、便捷性、安全性和舒適性。除了日常的使用，還會(huì)關(guān)注運(yùn)輸和存放等問(wèn)題。

以需求為導(dǎo)向，在近幾年同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，通用化、輕量化和小型化的問(wèn)題得到了較大改善。如一種直升機(jī)旋翼綜合托架[6]和一種直升機(jī)尾槳葉綜合托架[7]等專利技術(shù)較早提出了通用型槳葉托架的想法。2018 年，上海航空機(jī)械有限公司完成研制的某型直升機(jī)槳葉托架通過(guò)對(duì)各常規(guī)機(jī)型槳葉翼型的分析，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了放置多種機(jī)型不同槳葉的通用功能；通過(guò)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的選用實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)；通過(guò)伸縮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了托架的小型化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品如圖1 所示。

2 槳葉托架的柔性支撐設(shè)計(jì)

2.1 產(chǎn)品組成

主/尾槳葉托架主要由主槳葉托框Ⅰ（1）、伸縮管（2）、快卸銷(xiāo)（3）、主槳葉托框Ⅱ（4）、固定套管（5）、尾槳葉托框（6）、主尾槳葉托框（7）、把手安裝座（8）、把手（9）、把手卡箍（10）、吊環(huán)（11）、移動(dòng)輪（12）、尾槳葉托布（13）、主槳葉托布（14）、壓板（15）和橡膠墊（16）等零部件組成，如圖2 所示。

圖2 主/尾槳葉托架結(jié)構(gòu)組成圖

其中，主槳葉托框Ⅰ（1）、主槳葉托框Ⅱ（4）、尾槳葉托框（6）和主尾槳葉托框（7）選用優(yōu)質(zhì)航空鋁合金型材和鋁合金板焊接而成，保證其具有良好的剛性和強(qiáng)度，通過(guò)膠粘和螺栓固定方式與固定套管（5）和伸縮管（2）進(jìn)行連接，使托架形成矩形整體。

固定套管（5）和伸縮管（2）采用碳纖維復(fù)合材料，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，能夠有效實(shí)現(xiàn)減重優(yōu)化的作用。固定套管和伸縮桿是實(shí)現(xiàn)托架收攏和展開(kāi)的主要零件，根據(jù)托架的使用和貯存特點(diǎn)，設(shè)置工作和收攏兩種狀態(tài)，通過(guò)快卸銷(xiāo)進(jìn)行固定，方便操作。同時(shí)在伸縮桿上設(shè)置限位結(jié)構(gòu)，防止從固定套管中脫出。

把手安裝座（8）安裝于主尾槳葉托框（7）上，把手（9）采用可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使用時(shí)向上旋轉(zhuǎn)后通過(guò)快卸銷(xiāo)進(jìn)行固定，用于推拉托架；貯存和運(yùn)輸時(shí)可將其收攏并用把手卡箍（10）進(jìn)行固定，防止運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生磕碰。

吊環(huán)（11）與主槳葉托框Ⅰ（1）和主尾槳葉托框（7）進(jìn)行固定，可用于托架裝卸起吊，也可用于運(yùn)輸和艦船貯存過(guò)程中的系留。托架設(shè)有4 個(gè)吊環(huán)，便于吊裝，避免起吊過(guò)程中吊帶滑動(dòng)引起重心偏移造成側(cè)翻等事故，在運(yùn)輸時(shí)吊環(huán)可用于和箱子底板進(jìn)行系留，防止運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)品損壞。

移動(dòng)輪（12）選用優(yōu)質(zhì)橡膠材質(zhì)，前面兩個(gè)為萬(wàn)向輪，后兩個(gè)為定向輪，方便托架的整體移動(dòng)和轉(zhuǎn)向。

尾槳葉托布（13）和主槳葉托布（14）選用高強(qiáng)度牛津布材質(zhì)，通過(guò)壓板（15）和螺釘與槳葉托框進(jìn)行固定，在上端內(nèi)側(cè)裝有橡膠墊（16）防止槳葉上端與金屬產(chǎn)生磕碰。

2.2 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

2.2.1 柔性懸掛支撐設(shè)計(jì)

現(xiàn)有主、尾槳葉大多采用復(fù)合材料成型，且主尾槳葉上下緣厚度較小，如果存放不當(dāng)易對(duì)槳葉造成擠壓、磕碰，導(dǎo)致?lián)p壞槳葉的情況。據(jù)此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種全新的柔性懸掛支撐的專利技術(shù)，采用整體框架固定托布的結(jié)構(gòu)，使槳葉完全由柔性布料支撐，突破了原有槳葉托架在金屬表面或木質(zhì)表面粘貼橡膠和羊毛氈等結(jié)構(gòu)，解決了橡膠和羊毛氈長(zhǎng)期使用變形后彈性變差的情況，能夠有效提升對(duì)槳葉的保護(hù)。

托布兩端通過(guò)壓板和螺釘與槳葉托框進(jìn)行固定，托布中間位置縫制限動(dòng)布，通過(guò)壓板和螺釘與槳葉托框凹槽下端面進(jìn)行固定，使槳葉托布呈現(xiàn)“V”字形，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 槳葉托布結(jié)構(gòu)示意圖

在使用時(shí)，受到槳葉自身重量的作用，托布與槳葉下端翼型良好貼合。框架的剛性和布料的柔性得到良好的結(jié)合，使槳葉得到良好的柔性支撐，如圖4 所示。

圖4 槳葉托布與翼型貼合示意圖

橡膠墊起到使托布與框架隔離，保持相對(duì)間距的作用，同時(shí)防止槳葉上端與框架產(chǎn)生磕碰。托布“V”字形部分能夠起到良好的支撐槳葉重量的作用，限動(dòng)部分能夠限制托布產(chǎn)生左右方向的晃動(dòng)，避免槳葉在短距離移動(dòng)過(guò)程中與托框產(chǎn)生碰撞。

主槳葉采用三個(gè)支撐，尾槳葉采用兩個(gè)支撐，可同時(shí)存放1 架直升機(jī)主、尾槳葉（4 片主槳葉和2 片尾槳葉），保證其在內(nèi)外場(chǎng)短距離移動(dòng)和存放功能，放置狀態(tài)如圖5 所示。

2.2.2 短程移動(dòng)設(shè)計(jì)

主/尾槳葉托架設(shè)有移動(dòng)輪和把手，能夠?qū)崿F(xiàn)托架短距離移動(dòng)和存放功能。把手采用可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)把手安裝座與主尾槳葉托框進(jìn)行連接，使用時(shí)向上旋轉(zhuǎn)并用快卸銷(xiāo)進(jìn)行固定后使用，可實(shí)現(xiàn)空車(chē)單人推行和裝載兩人拖動(dòng)的功能，結(jié)構(gòu)如圖6 所示，使用狀態(tài)如圖7 所示。

圖6 把手示意圖

圖7 單人/兩人移動(dòng)示意圖

2.2.3 減震設(shè)計(jì)

主/尾槳葉托架的柔性懸掛支撐設(shè)計(jì)還具有良好的減震功能。布料的柔性支撐使槳葉和托架之間不再是剛性的力學(xué)傳遞，能夠起到良好的緩沖和減震功能，即使托架在短距離移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)顛簸，也只會(huì)有少量震動(dòng)傳遞到槳葉處。主/尾槳葉托架通過(guò)柔性懸掛支撐設(shè)計(jì)和移動(dòng)輪減震設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉的雙重減震保護(hù)。移動(dòng)輪采用帶彈簧的減震型移動(dòng)輪，進(jìn)一步減少顛簸對(duì)托架主體產(chǎn)生的振幅。

2.2.4 小型化設(shè)計(jì)

主/尾槳葉托架采用伸縮結(jié)構(gòu)，能夠有效減小托架的整體長(zhǎng)度；把手采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能夠有效降低托架高度。托架展開(kāi)時(shí)尺寸為1772mm×800mm×868mm，貯存時(shí)體積為999mm×800mm×585mm，托架貯存時(shí)體積約是使用時(shí)體積的38%，尺寸如圖8 所示。

圖8 展開(kāi)（上）/收攏（下）尺寸示意圖

2.3 強(qiáng)度校核

為了確保槳葉托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足在靜態(tài)額定載荷條件下，安全系數(shù)取3[8]的要求。對(duì)各主要受力部件進(jìn)行受力分析：主/尾槳葉托架通過(guò)槳葉托布和槳葉托框?qū)~重量傳遞至移動(dòng)輪，移動(dòng)時(shí)主要通過(guò)把手和把手固定座傳遞至主尾槳葉托框，拉動(dòng)托架移動(dòng)，所以主要計(jì)算上述部件的承載能力。結(jié)構(gòu)件采用有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算，以160kg 額載進(jìn)行強(qiáng)度校核，主要受力件安全系數(shù)均大于3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主要受力部件強(qiáng)度計(jì)算匯總表

3 結(jié)論

有效保護(hù)槳葉在存放和內(nèi)、外場(chǎng)短距離移動(dòng)期間的安全是槳葉托架的首要目的。一種柔性支撐的直升機(jī)槳葉托架通過(guò)采用一種柔性懸掛式支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉的良好柔性支撐，確保槳葉結(jié)構(gòu)不受擠壓和損壞。同時(shí)，通過(guò)采用碳纖維矩形管實(shí)現(xiàn)托架底盤(pán)的伸縮，采用航空鋁合金材料實(shí)現(xiàn)托架整體減重需要。槳葉托架的柔性支撐設(shè)計(jì)能夠提高槳葉存放和移動(dòng)的安全性，適用于不同翼型的槳葉，具有良好的通用性和可推廣性。