淺談直升機(jī)地面保障設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張勇

摘 要：在對直升機(jī)部件進(jìn)行定檢、維護(hù)或更換時(shí)，需要專用的地面保障設(shè)備進(jìn)行支托、存放和短距離移動?，F(xiàn)有傳統(tǒng)地面保障設(shè)備基本都是根據(jù)直升機(jī)型號一對一進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致保障設(shè)備存在功能單一、集成度低、通用性差和笨重等缺點(diǎn)。通過主槳轂自動傾斜器綜合托架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，闡述了采用“三化”設(shè)計(jì)、小型化設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)等方式，打破了傳統(tǒng)地面保障設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，為直升機(jī)地面保障設(shè)備的發(fā)展開拓了新的思路。

關(guān)鍵詞：保障設(shè)備;創(chuàng)新設(shè)計(jì);通用化;系列化;組合化

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0040-02

0 引言

由于直升機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，飛行環(huán)境多變、操作難度大、事故突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，因此直升機(jī)的定檢和維護(hù)也更加頻繁，需要的地面保障設(shè)備種類也比固定翼飛機(jī)多。特別是在對旋翼、發(fā)動機(jī)、主減速器和主槳轂等大部件進(jìn)行定檢、維護(hù)或更換時(shí)，需要專用的地面保障設(shè)備進(jìn)行支托、存放和短距離移動。

當(dāng)前，我國軍用飛機(jī)地面保障設(shè)備都還采用著一對一的傳統(tǒng)專用設(shè)備，這種設(shè)備存在著開放性不足、診斷故障的準(zhǔn)確性差、購置效費(fèi)比低等諸多缺陷與不足[2]。直升機(jī)地面保障設(shè)備同樣存在上述問題，每種型號直升機(jī)的同類部件都有各自的托架，相互不通用，設(shè)備笨重、體積大，在直升機(jī)轉(zhuǎn)場時(shí)，地面保障設(shè)備往往需要幾卡車，造成機(jī)動性差，保障成本高等問題。造成這一現(xiàn)狀的主要原因是不重視地面保障設(shè)備的設(shè)計(jì)，能用主義太強(qiáng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)墨守成規(guī)，缺乏創(chuàng)新意識。

1 設(shè)備現(xiàn)狀與總體創(chuàng)新思路

1.1 傳統(tǒng)地面保障設(shè)備案例分析

以一款新型的主槳轂自動傾斜器綜合托架設(shè)計(jì)為例，對直升機(jī)傳統(tǒng)地面保障設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行分析并提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向。現(xiàn)有主槳轂托架基本采用鋼管、方管或矩形管焊接而成，上部安裝圓柱形接頭，用于支撐主槳轂，如圖1所示。

從圖1可以直觀的得出，三個(gè)托架用于和主槳轂進(jìn)行連接的接頭有一個(gè)共同點(diǎn)，都是圓柱形接頭。為了保證后續(xù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性，我們進(jìn)一步分析一下主槳轂和自動傾斜器的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

主槳轂和自動傾斜器在機(jī)上安裝時(shí)均通過中間的花鍵孔與主減速器進(jìn)行連接。雖然不同型號的直升機(jī)選用的主槳轂和自動傾斜器型號、大小都各不相同，但是它們的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式都是一樣的，這為后續(xù)主槳轂自動傾斜器綜合托架的設(shè)計(jì)提供了有利條件。

1.2 原因分析與創(chuàng)新思路

現(xiàn)有主槳轂托架和自動傾斜器托架主要存在種類多、通用性差、體積大和重量重等缺點(diǎn)。造成這一現(xiàn)象的主要原因有兩點(diǎn)：第一，各型托架結(jié)構(gòu)形式基本相同，僅承載和接口不同，但每一型托架設(shè)計(jì)時(shí)僅針對該型直升機(jī)的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺少統(tǒng)籌，缺少“三化設(shè)計(jì)”;第二，托架結(jié)構(gòu)較為簡單，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者認(rèn)為沒有什么可以創(chuàng)新的，設(shè)計(jì)時(shí)千篇一律，均沿用原有同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和材料。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)（Mechkanical Creative Design）是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果（含理論、方法和技術(shù)原理等）進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計(jì)出具有科學(xué)性、創(chuàng)造性、新穎性及實(shí)用性的一種實(shí)踐活動[3]。具體來講，創(chuàng)新就要打破原有的事物，最直接的方法是以問題為導(dǎo)向，通過創(chuàng)新構(gòu)思改變原有形式，解決原有問題。因此，我們可以采取通用化設(shè)計(jì)來解決托架種類多、通用性差的缺點(diǎn);可以借鑒嬰兒車、折疊床和折疊自行車等產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，解決體積大的缺點(diǎn);可以選用一些新材料、新工藝等成熟方法和技術(shù)來解決重量重的缺點(diǎn)等。

2 “三化”設(shè)計(jì)

“三化”是通用化、系列化、組合化的統(tǒng)稱，是標(biāo)準(zhǔn)化的重要形式，是發(fā)展國防科技和武器裝備的一項(xiàng)基本政策。產(chǎn)品的通用化從通用單元形成的情況看有兩種類型，一種是統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)有產(chǎn)品，優(yōu)選出通用單元，稱為繼承型通用化;另一種是根據(jù)總體需求，專門開發(fā)新的通用單元，稱為開發(fā)型通用化。實(shí)際工作中，往往是二者的結(jié)合，既有繼承，又有開發(fā)，才會取得好的效果[4]。在主槳轂自動傾斜器綜合托架的設(shè)計(jì)時(shí)遵循了這一原理，通過總結(jié)各型直升機(jī)現(xiàn)有托架的共同點(diǎn)，將這個(gè)底盤設(shè)成通用件，通過更換上部接頭實(shí)現(xiàn)不同機(jī)型主槳轂和自動傾斜器的通用，綜合托架結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

主槳轂自動傾斜器綜合托架由移動輪、折疊桿、牽引桿、伸縮桿、托盤、支撐桿、支撐套筒和各接頭等零部件組成。轉(zhuǎn)接頭根據(jù)不同型號主槳轂和自動傾斜器接口尺寸進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，在后續(xù)使用過程中如果有新型主槳轂的使用需要，仍然可以按該形式新增轉(zhuǎn)接頭，保證了托架具有良好的拓展性。

在組合化設(shè)計(jì)方面，打破了原有托架整體焊接的形式，分成了折疊桿、牽引桿、伸縮桿、托盤、支撐桿和支撐套筒六個(gè)主要模塊，通過螺栓和快卸銷等形式進(jìn)行連接。每一種模塊都具有良好的互換性，提高了托架的可維修性。折疊桿、牽引桿和伸縮桿等模塊同樣可以應(yīng)用到其他托架產(chǎn)品中去，通過幾種托架模塊的不斷積累，最終即可形成地面保障設(shè)備通用模塊數(shù)據(jù)庫，提高地面保障設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化水平，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本。

傳統(tǒng)地面保障設(shè)備“三化”設(shè)計(jì)水平的提高，需要建立專項(xiàng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)作為依托。同樣屬于地面保障設(shè)備的方艙產(chǎn)品，在這一方面就做的比較好，曾有專家在論文中提到“從1994年開始有步驟、有目標(biāo)地實(shí)施方艙產(chǎn)品的通用化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)和工藝及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理工作?，F(xiàn)已制定方艙通用件企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)40余項(xiàng)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)已達(dá)到80%以上”[5]。而目前地面保障設(shè)備嚴(yán)重缺乏專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，部分現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)也都是八十年代左右的，缺乏對標(biāo)準(zhǔn)的及時(shí)修訂，已無法有效指導(dǎo)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。這也是傳統(tǒng)地面保障設(shè)備“三化”水平低，各類缺點(diǎn)多的原因之一。因此，傳統(tǒng)地面保障設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)還要重視標(biāo)準(zhǔn)的建立和修訂工作。

3 小型化設(shè)計(jì)

一架直升機(jī)需要幾十項(xiàng)專用地面保障設(shè)備進(jìn)行保障，才能完成定檢和維護(hù)等工作，地面保障設(shè)備的存放占用了庫房的很大空間。特別是在直升機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)場或長時(shí)間野外作業(yè)時(shí)，保障設(shè)備需配套直升機(jī)一起轉(zhuǎn)移，此時(shí)存放和運(yùn)輸體積大的問題更為突出。因此，地面保障設(shè)備小型化設(shè)計(jì)是整個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。

目前，部分地面保障設(shè)備采用直接將產(chǎn)品分解后裝箱，運(yùn)輸?shù)侥康牡睾笾匦陆M裝的方式，來解決運(yùn)輸體積大的問題。雖然該方法能夠?qū)崿F(xiàn)縮小運(yùn)輸體積的目的，但是簡單的分解和組裝的方法增加了地勤人員的工作量，而且在設(shè)備分解后往往會造成小零件丟失，導(dǎo)致無法重新組裝而影響設(shè)備的正常使用。

反觀很多日常用品，如嬰兒車和折疊自行車，通過一些折疊和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，很好的解決了攜帶和存放的問題。從這個(gè)設(shè)計(jì)思路出發(fā)，在主槳轂自動傾斜器綜合托架的設(shè)計(jì)中，保證托架底盤不分解，通過采用折疊和伸縮結(jié)構(gòu)組合的方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)，折疊后結(jié)構(gòu)如圖4所示。經(jīng)計(jì)算折疊后托架存放面積減小了45%，有效實(shí)現(xiàn)了減小貯存和運(yùn)輸體積的要求。

4 輕量化設(shè)計(jì)

在確定了托架的結(jié)構(gòu)形式后，還剩下材料選用和減重優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作。直升機(jī)傳統(tǒng)地面保障設(shè)備一般采用鋼制材料，且設(shè)計(jì)時(shí)往往預(yù)留了較大的安全系數(shù)，造成產(chǎn)品笨重的缺點(diǎn)。

隨著CFRP制備技術(shù)的成熟完善和性能研究的全面深入，CFRP已經(jīng)由次承力結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)而開始用于主承力結(jié)構(gòu)材料[6]。現(xiàn)在，CFRP已經(jīng)和鋁合金、鈦合金、鋼合金一起成為航空、航天領(lǐng)域的四大結(jié)構(gòu)材料[7]。碳纖維復(fù)合材料是這四種材料中最輕的一種，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐腐蝕性和抗疲勞性好等特點(diǎn)均符合地面保障設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)的需要。

通過對主槳轂自動傾斜器綜合托架各零部件使用工況的分析，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料工藝性和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，確定伸縮桿、支撐桿和支撐套筒選用碳纖維復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)主體，并在各接頭部位采用合金鋼預(yù)埋件的方式，保證采用碳纖維復(fù)合材料部分均為管類結(jié)構(gòu)，這樣即可實(shí)現(xiàn)零件輕量化的要求，又可以有效控制加工成本。同時(shí)通過有限元分析的方法，對各零件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全系數(shù)滿足要求的前提下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。采用碳纖維材料后，三種零件實(shí)現(xiàn)減重約29kg。受制于地面保障設(shè)備需求數(shù)量和加工成本的約束，自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件目前還不適合采用碳纖維復(fù)合材料，因?yàn)檫@類零件的模具費(fèi)和直接加工成本都較高。對主槳轂自動傾斜器綜合托架的其它零件，優(yōu)先選用高強(qiáng)度鋁合金材料，實(shí)現(xiàn)零件的輕量化設(shè)計(jì)。通過材料的選擇和有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種方法的實(shí)施，本產(chǎn)品共實(shí)現(xiàn)減重約59kg，與同類托架相比實(shí)現(xiàn)減重約50%。

5 結(jié)語

通過“三化”設(shè)計(jì)、小型化設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)等措施有效地解決了原有直升機(jī)主槳轂和自動傾斜器托架種類多、通用性差、體積大和重量重等缺點(diǎn)。主槳轂自動傾斜器綜合托架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)打破了直升機(jī)傳統(tǒng)地面保障設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，提高了設(shè)備自身的使用、貯存、運(yùn)輸和維護(hù)等多方位的綜合能力，得到了用戶和各方專家的好評，為新一代地面保障設(shè)備的發(fā)展提供了新的參考。

參考文獻(xiàn)

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