民用飛機艙門通風口機構的設計與研究

梁東明 叢家勇 /

(中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110013)

0 引言

民用飛機艙門通常作為人員進出、貨物裝卸、艙段維護的開口，飛行過程中不僅承受增壓載荷(非增壓門除外)，還要保證機艙的密封。艙門的設計對飛機安全起著舉足輕重的作用，尤其是作為應急出口的艙門，其直接影響旅客安全和應急逃生。完全關閉和打開艙門需要一系列有順序的操作，這些操作中稍有疏漏或者故障產(chǎn)生而未被及時發(fā)現(xiàn)，都將導致嚴重結果，歷史上有多起飛行事故均是由于艙門未完全關閉就增壓起飛而引起的。

1 增壓預防相關適航規(guī)定

為防止飛機艙門在未完全關閉狀態(tài)下增壓起飛，我國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準以及AC25.783，機身艙門相關規(guī)定如下[1-2]：

必須有措施防止增壓艙門在沒有完全關閉、閂住和鎖定的情況下把飛機增壓到一個不安全的水平。

必須設計成在發(fā)生任何單個失效之后，或者在發(fā)生未表明是極不可能的失效組合之后仍然具有功能。

對于無危險的門不需要有專門的增壓預防措施，如果從該門的每個可能位置它都將保持一定程度的打開避免增壓，或者在增壓時都安全地關閉和鎖閂。

2 通風口機構功能

民用飛機艙門常見的增壓預防措施包括自動控制的空調(diào)系統(tǒng)和機械控制的通風口機構，由于機械控制的通風口機構可靠性高，如果與艙門閂鎖串聯(lián)設計，還能高效監(jiān)控艙門關閉狀態(tài)，因此，通風口機構作為增壓預防措施得到了廣泛的應用，某型飛機艙門通風口機構如圖1所示。

圖1 某型飛機艙門通風口機構

通風口機構通常應具有如下功能：

1)監(jiān)控艙門狀態(tài)。關閉艙門時，監(jiān)控艙門是否完全達到上閂、鎖定關閉狀態(tài)，防止艙門在沒有完全上閂或者鎖定關閉的情況下，座艙增壓到不安全水平。

2)釋放殘余壓力。打開艙門時，操作人員向外開啟艙門之前，快速釋放座艙內(nèi)殘余壓力。防止開門時艙內(nèi)壓力過高導致艙門快速向外打開，造成人員傷亡。

3 機構詳細設計

為滿足關閉艙門時通風口機構監(jiān)控艙門關閉狀態(tài)的要求，可將通風口機構與艙門閂、鎖機構串聯(lián)設計，如果艙門完全關閉前或者關閉過程中閂、鎖機構出現(xiàn)故障，則通風口不能關閉。即使艙門操作人員沒發(fā)現(xiàn)閂、鎖未到位，誤關閉艙門，由于通風口未關閉，飛機客艙也無法增壓，從而實現(xiàn)監(jiān)控的功能。

為了滿足“任何單個失效之后，或者在發(fā)生未表明是極不可能的失效組合之后增壓預防措施仍然具有功能”的要求，通常將通風口蓋設計成始終趨于打開狀態(tài)，如果關閉艙門時，通風口機構零件出現(xiàn)單一失效，通風口蓋不能關閉，最終導致客艙無法增壓，從而實現(xiàn)單個失效后機構仍然具有增壓預防功能。

3.1 機構組成形式

通風口機構主要有槽凸輪-四桿機構和馬耳他凸輪-四桿機構形式，兩種形式各有優(yōu)缺點，如表1所示，依據(jù)艙門功能要求選擇機構形式。

表1 兩種機構優(yōu)缺點對照表

1)槽凸輪-四桿機構

槽凸輪-四桿機構形式的通風口機構如圖2所示，機構運動時，通過槽凸輪驅動四桿機構，從而精確控制通風口蓋打開和關閉。設計中可以利用凸輪曲線合理分配機構時序，精確監(jiān)控艙門閂、鎖狀態(tài)；在凸輪槽起止位置設計自鎖曲線，達到防止機構反驅的功能；優(yōu)化凸輪槽曲線，控制機構操縱力，但機構存在卡滯風險，凸輪的制造成本略高。

圖2 槽凸輪-四桿通風口機構示意

2)馬耳他凸輪-四桿機構

馬耳他凸輪-四桿機構形式的通風口機構如圖3所示，這種機構通過馬耳他凸輪驅動四桿機構，具有組成形式簡單、機構摩擦小、傳動效率高、可靠性高、加工制造成本低、卡滯風險低等優(yōu)點。雖然這種機構沒有槽凸輪的自鎖功能，但通常對四桿機構做過中心設計，防止機構逆轉。

圖3 馬耳他凸輪-四桿通風口機構示意

3.2 機構安裝位置

依據(jù)艙門大小、內(nèi)部機構、主承力結構的位置，確定通風口機構的安裝位置，同時要滿足運動空間、載荷工況以及人機工程等要求。

1)運動空間：盡量布置在艙門結構開敞區(qū)，避免運動干涉。

2)載荷工況：如果口蓋處于飛機水線以下，其除了承受正常增壓載荷以外，設計中還要考慮飛機水上迫降后，通風口蓋承受的水上負壓載荷。

3)人機工程：充分考慮開門手柄位置，避免口蓋與開門手柄距離太近，造成開門過程中意外夾手。如圖4 a)所示，波音777登機門應用蝶形手柄開門，通風口在手柄上側，開關門過程中操作人員雙手轉動蝶形手柄，控制通風口蓋開關，不會造成夾手等意外傷害。如圖4 b)所示，A320后貨艙門開關門過程中，通常操作人員左手扶住艙門，右手旋轉手柄，通風口蓋在手柄右上方門，距離相對較遠，不會造成夾手等意外傷害。

a)B777登機門通風口位置 b)A320后艙門通風口位置

3.3 計算通風口蓋打開角度

依據(jù)座艙供氣量、環(huán)境壓力、客艙容積、座艙內(nèi)外壓差要求以及座艙溫度等設計輸入，確定通風口的最小有效流通面積，從而確定通風口蓋打開角度α。

AC25.783-1A增壓預防部分規(guī)定，若門未完全關閉，座艙壓差在0.5 psi以下時，應考慮限制增壓。因此，當通風口完全打開后，座艙在最大供氣流量下的壓差不能超過0.5 psi。

1)通風口有效流通面積計算

由伯努利方程可知，理想氣體定常流動時，總壓是靜壓與動壓之和[3]。當通風口打開的時候，艙內(nèi)外的壓力差體現(xiàn)在通風口的氣流運動上，再依據(jù)定常流體連續(xù)方程可得到式(1)[3]：

(1)

式中：W為座艙供氣量，kg/s；A為有效流通面積，m2；ρ為氣體密度，kg/m3；ΔP為外部環(huán)境壓力，Pa；C為流量系數(shù)。

考慮到氣體的粘性，以及氣體在通風口處的流向變化，通常取C為0.8。

以某型飛機相關氣壓、環(huán)境參數(shù)為例：座艙供氣量2 240 kg/h，環(huán)境壓力101 325 Pa，座艙內(nèi)外壓差不超過0.5 psi，座艙溫度24 ℃，計算通風口有效流通面積如下：

24 ℃下，干空氣密度為ρ=1.188 kg/m3[4]，將各參數(shù)帶入到式(1)中，得到通風口有效流通面積A=0.009 m2。

2)通風口蓋打開角度計算

通風口完全關閉示意圖如圖5所示，完全打開示意圖如圖6所示。機構運動過程中口蓋打開角度α，掃略面積分別是SA、SB、SC，即當通風口完全打開后，實際空氣流通面積為SA、SB、SC之和。

圖5 通風口完全關閉

圖6 通風口完全打開

計算過程中，認為有效流通面積等于實際空氣流通面積，可建立下式：

A=SA+SB+SC

(2)

依據(jù)式(2)，應用CATIA等CAD軟件模擬分析，確定滿足上述關系的通風口蓋打開角度α。

3.4 機構設計原理

通風口蓋打開角度α確定后，依據(jù)設計及功能要求，結合凸輪-四桿組合機構以及單獨四桿機構的優(yōu)缺點，選擇機構組成形式，進行詳細設計。

3.4.1 槽凸輪-四桿機構

以某型機艙門通風口機構為例，如圖7所示，槽凸輪-四桿機構主要由槽凸輪、四桿機構、通風口蓋、彈簧組成。槽凸輪和四桿機構分別通過鉸接點A、B、E安裝在艙門結構上，零件繞鉸接點所在的軸線能夠自由旋轉。

圖7 槽凸輪-四桿通風口機構

如圖8所示，凸輪驅動安裝在BC桿上的滾輪，進而驅動四桿機構，控制通風口蓋的打開和關閉姿態(tài)，在凸輪槽內(nèi)的滾輪類似滾動軸承，摩擦力非常小。

圖8 凸輪-四桿通風口機構

圖9 彈簧工作原理

彈簧的作用是迫使通風口蓋一直趨于打開狀態(tài)，如圖9所示，F(xiàn)表示彈簧力，ω表示通風口蓋打開方向。如果機構采用扭轉彈簧，則彈簧始終處于受扭狀態(tài)，當口蓋完全關閉，彈簧扭轉變形最大，彈簧力F最大。如果機構采用圓柱螺旋彈簧，則彈簧始終處于受拉狀態(tài)，當口蓋完全關閉，彈簧受拉程度最強，拉力F最大。

設計中，通常將槽凸輪與閂、鎖機構串聯(lián)設計，如果關門時，閂、鎖機構存在故障，通風口機構的槽凸輪不能旋轉，通風口蓋在彈簧的作用下處于打開狀態(tài)，從而實現(xiàn)監(jiān)控閂、鎖機構和增壓預防的功能。

槽凸輪的行程可分為3段，分別為監(jiān)視段AB、過渡段BC和驅動段CD，如圖10所示。

圖10 凸輪工作原理

AB弧段與凸輪旋轉軸心O同心，且半徑不變。艙門打開后，滾輪處于A點，通風口蓋完全打開，關閉艙門時，滾輪先由A運動到B，此時四桿機構靜止不動，通風口蓋完全打開，理論上被監(jiān)視的閂、鎖機構運動完畢，如果閂、鎖機構發(fā)生卡滯等故障，則滾輪無法從A運動到B，通風口完全打開，客艙無法順利增壓，因此稱AB為監(jiān)視段。

BC弧段避免滾輪由B到C過程中出現(xiàn)突變載荷，造成卡滯或者滾輪破碎等故障，因此稱BC為過渡段。

CD為變徑弧段，關閉艙門時，如果監(jiān)視段AB無故障，凸輪繞軸心O繼續(xù)旋轉，使?jié)L輪由B點逐漸到D點，特別是滾輪由C點到D點過程中，驅動四桿運動，關閉通風口，因此稱CD為驅動段。

當飛機落地時，滾輪處于D點，通風口蓋完全關閉，打開艙門時，通風口最先打開，滾輪以D為起點，凸輪繞軸心O旋轉，通過滾輪驅動四桿機構打開通風口，釋放客艙內(nèi)殘余壓差，避免殘余壓差在不安全水平時，打開艙門造成意外傷害。滾輪由D點到B點后，通風口完全打開，由B點到A點過程中，四桿機構和通風口蓋靜止不動，同時艙門完成解鎖、解閂，艙門打開準備就緒。

凸輪設計過程中，應注意以下幾點設計原則：

1)行程曲線首尾段設計成以旋轉軸心為圓心的圓弧，實現(xiàn)四桿機構不能反驅凸輪的功能。

2)行程曲線圓滑過渡，避免滾輪在凸輪槽中卡滯和強烈沖擊。

3)對于擺動從動件，凸輪許用壓力角通常取(40°～50°)[5]。

凸輪設計過程中，同時要考慮被驅動的四桿機構的設計。依據(jù)艙門主結構確定凸輪和四桿機構的安裝位置后，根據(jù)凸輪的設計輸入以及機構的輸出(即通風口蓋打開角度α)，協(xié)調(diào)凸輪與四桿之間的運動關系，從而確定理論行程曲線和四桿機構的桿長，最終完成凸輪-四桿組合機構的設計。

3.4.2 馬耳他凸輪-四桿機構

以某型機艙門通風口機構為例，如圖11所示。馬耳他凸輪-四桿機構主要由馬耳他凸輪、四桿機構、通風口蓋、彈簧組成。四桿機構分別通過鉸接點A、D安裝在艙門結構上，零件繞鉸接點所在的軸線能夠自由旋轉。

圖11 馬耳他凸輪-四桿通風口機構

彈簧的設計原理與槽凸輪-四桿機構中彈簧的設計原理相同。

馬耳他凸輪工作原理如圖12所示。機構運動時，通過搖臂EF驅動馬耳他凸輪，進而驅動四桿機構，控制通風口蓋開關狀態(tài)。搖臂EF的行程分為監(jiān)視段γ和驅動段δ。

圖12 馬耳他凸輪工作原理

設計中，通常將馬耳他凸輪的驅動搖臂EF與閂、鎖機構串聯(lián)設計，如果關門時閂、鎖機構存在故障，則搖臂EF不能旋轉驅動馬耳他凸輪，通風口蓋在彈簧的作用下處于打開狀態(tài)，從而實現(xiàn)監(jiān)控閂、鎖機構和增壓預防的功能。

設計過程與槽凸輪-四桿組合機構的設計過程類似，根據(jù)通風口機構設計輸入(γ和δ)以及機構的輸出(通風口蓋打開角度α)，設計機構的安裝位置及桿長。

馬耳他凸輪-四桿機構雖然沒有槽凸輪的自鎖功能，但是通常將四桿機構做過中心設計，防止機構逆轉。如圖13所示，AB桿與通風口蓋連接，作為機構輸出，CD桿與馬耳他凸輪連接，作為機構輸入。四桿處在A、B、C、D位置時，通風口完全打開；CD運動到C1時，AB運動到B1，BC桿和CD桿共線，所在直線為機構的中心線；CD運動到C2時，AB運動到B2，通風口完全關閉。如果通風口關閉后有意外打開趨勢，將推動CD桿由C2處沿ω方向繼續(xù)轉動，而此時CD桿受到結構限位，不能繼續(xù)轉動，從而有效防止了機構反驅，通常過中心角∠C1DC2不宜過大，一般不超過5°。

圖13 四桿機構過中心原理

4 結論

1)通風口機構整體布置中，充分考慮機構運動空間、載荷工況以及人機工程等要求。

2)凸輪設計過程中，行程曲線圓滑過渡，盡量避免卡滯和強烈沖擊；盡量保證傳動角大于30°，提高傳動效率；行程曲線首尾段設計自鎖圓弧，實現(xiàn)自鎖功能。

3)四桿機構過中心角不宜過大，一般不超過5°。

4)通風口除了機構設計外，還要考慮口蓋關閉后的結構密封以及破冰要求等。

參考文獻：

[1] 中國民用航空局.CCAR 25-R4 中國民用航空規(guī)章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2] AC25.783-1A Fuselage Doors And Hatches [S].US：Federal Aviation Administration, 2005.

[3] 劉軍營.液壓與氣壓傳動[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014：266-267.

[4] 《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊第1冊：常用公式、符號、數(shù)表[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996.

[5] 鄭文緯，吳克堅，鄭星河，等.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1997：138-139.