探討民用飛機(jī)艙門擋塊設(shè)計(jì)及公差

陳明松 中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司

擋塊結(jié)構(gòu)是堵塞式艙門和機(jī)身連接最為主要的承重零構(gòu)件，當(dāng)艙內(nèi)增壓的過(guò)程中，那么擋塊則會(huì)將增壓荷載傳遞給機(jī)身。在民用飛機(jī)進(jìn)行增壓飛行時(shí)，借助擋塊結(jié)構(gòu)，將增壓荷載傳遞到機(jī)身，確保民用飛機(jī)順暢安全運(yùn)行。在民用飛機(jī)增壓飛行時(shí)，艙門擋塊和機(jī)身?yè)鯄K相互接觸，這樣可以有效避免艙門打開(kāi)，所以科學(xué)合理的開(kāi)展民用飛機(jī)艙門擋塊設(shè)計(jì)，直接影響著廣大乘客們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在飛機(jī)制造的過(guò)程中，因?yàn)橹圃煺`差和增壓飛行的影響，很容易導(dǎo)致艙門擋塊與機(jī)身?yè)鯄K出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，甚至還容易出現(xiàn)某組擋塊不接觸等問(wèn)題。為此，在開(kāi)展民用飛機(jī)艙門擋塊設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到各種問(wèn)題，確保每個(gè)艙門的擋塊都能夠與機(jī)身?yè)鯄K相互接觸，承受增壓荷載。為此，本文將針對(duì)民用飛機(jī)艙門擋塊設(shè)計(jì)與公差相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

一、擋塊常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式

（一）沿蒙皮圓周布置擋塊

沿蒙皮圓周布置擋塊是最為常見(jiàn)的民用飛機(jī)艙門擋塊類型之一，該類型的擋塊特點(diǎn)便是沿艙門蒙皮圓周布置。此種類型的擋塊，可以有效減少設(shè)計(jì)人員的工作量，擋塊的結(jié)構(gòu)基本可以結(jié)合民用飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)和各個(gè)框平面為基準(zhǔn)，確保左右兩側(cè)保持對(duì)稱，確保擋塊銷釘平行于蒙皮的法線方向。承受的荷載可以順利的通過(guò)連接的梁進(jìn)行傳遞。此種擋塊設(shè)計(jì)類型在民用飛機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)艙門打開(kāi)時(shí)，躲開(kāi)機(jī)身口框擋塊的難度相對(duì)較大，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也相對(duì)較為復(fù)雜。當(dāng)前很多飛機(jī)的登機(jī)門、服務(wù)門擋塊都使用沿蒙皮圓周布置擋塊。

（二）沿平均壓力平面布置擋塊

沿平均壓力平面布置擋塊也是當(dāng)前民用飛機(jī)艙門常用的擋塊類型之一，該類型擋塊最為主要的特點(diǎn)便是沿著艙門平均壓力平面來(lái)布置擋塊。該類型的擋塊的結(jié)構(gòu)存在一定差異，因?yàn)椴煌瑩鯄K的結(jié)構(gòu)形式都是按照橫梁端頭的安裝需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以需要盡量連接螺栓，合理布置在框平面的兩側(cè)，只有個(gè)別擋塊才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)稱排列。雖然該類型擋塊結(jié)構(gòu)存在區(qū)別性，但是每個(gè)擋塊的銷釘方向呈現(xiàn)出相互平行的特點(diǎn)，并且直接垂直于平均壓力平面。借助此種擋塊類型，在民用飛機(jī)艙門打開(kāi)時(shí)，可以有效躲避機(jī)身口框擋塊，雖然設(shè)計(jì)模式較為復(fù)雜，但是可以有效降低民用飛機(jī)艙門打開(kāi)機(jī)構(gòu)的難度。

二、民用飛機(jī)艙門直角擋塊設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行直角擋塊設(shè)計(jì)的過(guò)程中，以某型號(hào)直線飛機(jī)的后貨艙門為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在圖1 當(dāng)中，擋塊選擇沿平均壓力平面進(jìn)行布置，考慮提升打開(kāi)機(jī)構(gòu)可以方便的躲開(kāi)機(jī)身?yè)鯄K，艙門需要在導(dǎo)向槽的作用之下，控制艙門的提升運(yùn)動(dòng)軌跡。在圖1當(dāng)中可以明確得知，艙門后下部位處的艙門蒙皮曲率變化相對(duì)較大，所以沿平均壓力平面布置擋塊時(shí)的梁平面與蒙皮法線的夾角相對(duì)較大，促使該位置擋塊的螺栓布置相對(duì)困難。在艙門打開(kāi)時(shí)，還受到了邊框腹板、梁腹板、平均壓力平面法線方向等諸多因素影響，所以必須要對(duì)通用擋板形式進(jìn)行完善、改進(jìn)，科學(xué)合理對(duì)直角型擋塊的圓角處進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

（二）直角擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)某型直線飛機(jī)后貨艙門直角擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合圖2，明確該直線飛機(jī)后貨艙門的邊框腹板上擋塊布置位置，按照通用類型的擋塊設(shè)計(jì)要求開(kāi)展設(shè)計(jì)。結(jié)合圖2 所示，若螺栓在受力方向上保持對(duì)稱，將造成擋塊的螺栓在框平面兩側(cè)分布不均勻，出現(xiàn)一側(cè)有3 個(gè)螺栓、另一側(cè)有1 個(gè)螺栓的現(xiàn)象，此種設(shè)計(jì)直接造成腹板受力不均勻，其承載能力也不斷降低。結(jié)合圖2 的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要加高邊框的腹板高度，借助此種方式來(lái)排布出合理的螺栓位置。此種設(shè)計(jì)方式意味著增加橫梁高度，促使原材料的經(jīng)濟(jì)成本增加，但是此種方式可以有效的提升整個(gè)艙門的應(yīng)用質(zhì)量，通用類型擋塊需要在滿足要求的前提之下，付出較大的代價(jià)。

圖2 （通用類型擋塊形式）

為了有效克服通用類型擋塊的弊端，就應(yīng)該確在滿足結(jié)構(gòu)尺寸限制的基礎(chǔ)上，對(duì)該類型擋塊進(jìn)行改進(jìn)，確保擋塊在與邊框腹板連接的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該與邊框的彎邊連接，構(gòu)建出直角形的擋塊結(jié)構(gòu)類型。在邊框腹板平面內(nèi)部排布3 個(gè)螺栓，在邊框彎邊同樣布置3 個(gè)螺栓，借助此種排布方式切實(shí)保障荷載兩側(cè)、梁平面兩側(cè)的螺栓數(shù)量相同，有效提升整個(gè)飛機(jī)后貨艙門的承載力，其改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 （直角擋塊結(jié)構(gòu)）

（三）直角擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮因素

在開(kāi)展直角擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該從多個(gè)角度開(kāi)展參數(shù)分析思考。①對(duì)直角擋塊的銷釘?shù)暮奢d方向進(jìn)行明確，結(jié)合該型直線飛機(jī)后貨艙門的實(shí)際需求，做好擋塊設(shè)計(jì)統(tǒng)籌。②明確擋塊的銷釘支座厚度。③擋塊與邊框腹板連接螺栓位于銷釘兩側(cè)，但不在銷釘?shù)妮S線上。④擋塊在腹板平面兩側(cè)平均分配螺栓數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱分配，因?yàn)閾鯄K荷載主要傳遞到橫梁上，所以應(yīng)該確保其承載性能。⑤擋塊接頭的圓角盡可能做大，有效降低應(yīng)力集中。⑥擋塊加強(qiáng)筋分散布置，利于荷載傳遞。⑦螺栓孔邊距尺寸與螺栓孔間距尺寸進(jìn)行把控。⑧邊框與橫梁的螺栓孔邊距。⑨選擇合適的加工刀具，對(duì)刀具的直徑和底角半徑進(jìn)行明確。⑩注重刀具加工方向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，注重結(jié)構(gòu)減重。

（四）直角擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

針對(duì)某型號(hào)直線飛機(jī)后貨艙門直角擋塊結(jié)構(gòu)安裝結(jié)果如圖4 所示，在進(jìn)行擋塊設(shè)計(jì)時(shí)，保障了擋塊底部與側(cè)邊框腹板連接，擋塊上部直角邊與邊框彎邊、橫梁連接，切實(shí)增強(qiáng)了承載能力，并且降低了邊框高度和橫梁的寬度，實(shí)現(xiàn)了原材料成本降低。

圖4 （直角擋塊結(jié)構(gòu)在艙門上的安裝）

三、擋塊公差分析

（一）擋塊接觸平面上的公差

為了有效的明確擋塊接觸區(qū)域的公差，需要將當(dāng)前飛機(jī)艙門的擋塊和機(jī)身?yè)鯄K接觸點(diǎn)的公差開(kāi)展詳細(xì)分析，明確擋塊接觸平面上的公差。當(dāng)前最常使用的擋塊接觸點(diǎn)公差范圍一般為7.6mm，如果工裝質(zhì)量較高，那么接觸點(diǎn)的公差范圍可以縮小到3.8mm 左右。擋塊摩擦塊的直徑是最初位置的容差與飛行荷載下?lián)鯄K插銷移動(dòng)的距離之和，如圖5 所示。結(jié)合相關(guān)的強(qiáng)度要求，需要在極限荷載作用之下，明確擋塊銷釘軸線在擋塊當(dāng)中的投影，投影范圍不能超過(guò)擋塊摩擦塊直徑的73%。

圖5 （某型后貨艙門擋塊接觸平面上的公差）

結(jié)合圖5 擋塊接觸平面可以看出，其中公差涵蓋了x 方向的公差Tx和z 方向的公差Tz，還有增壓荷載作用下的艙門和機(jī)身相對(duì)應(yīng)的偏移量△sx、△sz，兩者之間的偏移量可以借助計(jì)算進(jìn)行明確。一般計(jì)算公差時(shí)，必須要全面搜集公差資料，給出擋塊實(shí)際需求，畫出尺寸鏈條，做好增環(huán)減環(huán)。在進(jìn)行各個(gè)公差計(jì)算的過(guò)程中，必須要結(jié)合實(shí)際情況開(kāi)展公差計(jì)算，按照相應(yīng)的規(guī)范公式開(kāi)展方差計(jì)算：

擋塊接觸平面上的公差為：

結(jié)合事前給定擋塊銷釘直徑d，計(jì)算出擋塊摩擦塊的直徑為D=（d+T1）÷75%。

（二）垂直于擋塊接觸平面上的公差

垂直于擋塊接觸平面上的公差直接影響著艙門擋塊與機(jī)身是否可以完全接觸，以便于確保飛機(jī)增壓過(guò)程中每個(gè)擋塊都可以與機(jī)身?yè)鯄K相互接觸并承受增壓力。在這個(gè)方向上的公差，涵蓋了裝配制造誤差、設(shè)計(jì)給出的相關(guān)差值的累積，得到的Ty以及受結(jié)構(gòu)剛度影響的增壓飛行時(shí)的艙門擋塊與機(jī)身?yè)鯄K的相對(duì)偏移量△Sy。

垂直于擋塊接觸平面上的公差：

在進(jìn)行擋塊設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了便于安裝調(diào)整，可以將擋塊銷釘設(shè)計(jì)在軸向可以調(diào)整的位置，從而調(diào)整范圍。可以使用帶有螺紋的銷釘，與擋塊支座的銷釘孔進(jìn)行配合，便可以實(shí)現(xiàn)擋塊銷釘旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)或者縮短的需求。

（三）軸線與機(jī)身?yè)鯄K的軸線偏差

因?yàn)橹圃斓倪^(guò)程中潛在誤差，所以在進(jìn)行擋塊設(shè)計(jì)的過(guò)程中，無(wú)法保障艙門擋塊和機(jī)身?yè)鯄K軸線完全對(duì)齊，所以往往存在一定角度偏差。角度偏差會(huì)隨著擋塊結(jié)構(gòu)形式變化而變化，一般情況下是因?yàn)榕c擋塊相關(guān)聯(lián)零件造成的公差，并且與裝配公差存在關(guān)聯(lián)。因?yàn)榕撻T的重力影響，會(huì)促使擋塊結(jié)構(gòu)在一定程度上出現(xiàn)形變，那么很難明確偏差值。在進(jìn)行擋塊設(shè)計(jì)的過(guò)程中，艙門擋塊銷頭自帶調(diào)整功能，可以在固定的圓弧范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)擋塊銷頭軸線和機(jī)身?yè)鯄K不重合時(shí)，銷頭可以旋轉(zhuǎn)一定程度，促使銷頭與機(jī)身?yè)鯄K端面接觸，如圖6 所示。

圖6 （艙門擋塊銷頭結(jié)構(gòu)）

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，民用飛機(jī)艙門擋塊設(shè)計(jì)的意義重大，直接影響著飛機(jī)運(yùn)行安全和使用性能。在進(jìn)行擋塊設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合飛機(jī)自身實(shí)際情況，科學(xué)合理的選擇擋塊類型，做好各個(gè)層次的設(shè)計(jì)。注重?fù)鯄K公差，通過(guò)艙門擋塊在接觸平面上的公差、垂直于擋塊接觸平面上的公差、軸線與機(jī)身?yè)鯄K的軸線偏差，為擋塊以及組件零件尺寸調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確保擋塊與其組件設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度，切實(shí)滿足民用飛機(jī)艙門擋塊設(shè)計(jì)需求，促進(jìn)我國(guó)民用飛機(jī)裝備制造領(lǐng)域的精密發(fā)展。