客改貨貨艙門口框鎖鉤接頭構型研究

徐　煥　孫潔瓊 /

(中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽110013)

0　前言

隨著航空貨運市場的逐漸升溫，預計未來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、應對貨運量增長、提高飛機利用率的最佳選擇[3]。客改貨主貨艙門口框結構設計是改裝中的難點之一[4]，而鎖鉤接頭的設計是口框結構設計的關鍵點之一。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，以某機型客改貨為例，設計出了一種新的鎖鉤結構，能夠滿足復雜客改貨口框界面要求，為其他機型的客改貨設計提供思路。

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。在典型貨艙口框結構設計中，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　典型貨艙口框結構布局圖 經 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構中，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，導致此處鎖鉤接頭的結構形式比框站位間的結構形式復雜。本文僅介紹框站位處鎖鉤接頭構型及其界面設計。

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計構型進行分析對比，探索出某客改貨口框鎖鉤接頭構型設計。

2　鎖鉤接頭構型及界面方案分析

2.1 受力分析

在客改貨中，鎖鉤接頭結構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，具體結構形式如圖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，這導致裝配困難。空客在主檻梁和鎖鉤接頭間采用兩個調節(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。該結構形式削弱了主檻梁結構強度，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，設置3條加筋支撐雙耳片，進行有效傳遞環(huán)向拉力。此構型復雜，生產工藝性差。該鎖鉤接頭為整體形式，相比組合式結構，其互換性差，損傷容限性差。但是零件數量少，減少零件裝配，在下主/輔檻梁為扭力盒結構形式時，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。該結構形式的優(yōu)點為單個零件生產，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。具體結構形式如圖8所示。

圖8　波音787鎖鉤接頭結構形式

鎖鉤接頭支撐件為鋁合金雙面機加件，兩側布置加筋，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構形式如圖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構，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/關閉功能。該構型零件數量多，裝配工作量大，但維修互換性好，零件可根據受力特點選擇相適應的材料，結構損傷容限性好。

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。整體式結構在扭力盒結構中有裝配有優(yōu)勢；組合結構式在開敞環(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。而組合式結構的損傷容限性、生產工藝性和互換性比整體結構更有優(yōu)勢。需根據設計約束條件和經濟成本選擇合適的方案。

支撐結構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，具體結構形式如圖10所示。該構型零件數量多、裝配量大、裝配復雜。復雜裝配導致維修互換困難和增重等問題。該構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。此組合結構形式中的每個零件可根據受力特點進行結構設計，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。雙面機加的生產工藝性差，且7000系鋁合金整體結構形式損傷容限性差，維修互換不經濟。但雙面機加件有零件數量少，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計簡單。但主檻梁傾斜布局使鎖鉤結構活動空間小，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，鎖鉤接頭裝配協調性好。鎖鉤接頭支撐件過渡轉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計，實現多功能作用，且根據其受力特點，設置不同的加筋。具體結構形式如圖11所示。該結構與蒙皮、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；因輔檻梁為組合結構，可協調裝配該結構，與地板橫梁連接則考慮加墊連接。總的來說，該結構裝配簡單，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。整體結構方案比組合式結構方案零件數量少，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，比整體結構有優(yōu)勢，但是整體結構為鋁合金機加，以現在的制造水平可以實現，不導致加工成本提高。雖整體結構損傷容限性不如組合式，但可根據強度建議，進行損傷容限性設計，從而滿足設計要求。

3　某客改貨貨艙口框鎖鉤接頭及其支撐件構型設計

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。在設計中，鎖鉤接頭采用組合式結構設計，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計的具體結構形式如圖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設置加筋，對鎖鉤接頭提供支撐，其中一側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。斜筋的設計增加了轉折處的結構截面，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構設計，實現一件多功能的作用。

圖12　客改貨鎖鉤接頭組件

4　結論

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