直升機槳葉托架的柔性支撐設計

張 勇，張鐵軍，胡 旻

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

旋翼是直升機的核心部件。傳統的直升機旋翼由連接到槳轂上的兩片或多片槳葉組成[1]。直升機使用過程中需要定期檢查和維護槳葉、自動傾斜器、主槳轂、減速器和發動機等部件，此時需要拆卸槳葉。由于直升機旋翼槳葉結構展弦比大[2]，且旋翼槳葉都是有扭轉角的[3]，這種長而窄的非規則結構件需要使用專用托架進行放置，否則易損壞槳葉而影響飛行安全。

現有槳葉托架一般采用枕木加羊毛氈或橡膠等方式實現保護功能，防止槳葉存取過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/尾槳葉托架的設計，通過采用懸掛式布料支撐的形式，實現了更好的柔性支撐功能。并將某型直升機主槳葉和尾槳葉的放置需求綜合設計，在一個托架上同時實現主槳葉和尾槳葉的放置功能。

1 現有產品簡要分析

1.1 槳葉托架的需求分析

隨著材料技術的持續進步，槳葉材料已從早期的木質、金屬逐漸轉變為復合材料，而且估計在較長的一段時間內這種狀態不會改變[4]。無論是金屬大梁槳葉，還是復合材料大梁槳葉，從具體結構上看，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合材料后具有較好的剛性和強度，但是這種結構不能經受局部擠壓或撞擊，否則易造成槳葉脫膠、開裂或局部變形等問題。

直升機在飛行過程中需要經受高溫、低溫、雨雪、砂塵、鹽霧、濕熱、低氣壓和太陽輻射等各種復雜的自然環境，所以槳葉表面會涂覆具有優異防護性能的涂層。槳葉在存放和短距離移動過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期間不受損壞，為直升機的維護工作提供保障，降低地勤人員的工作量。從防護的角度出發，槳葉托架的主要要求有兩點：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，有助于減少對槳葉的局部壓強。

1.2 槳葉托架的現狀

早期直升機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功能。不同機型之間也不具備通用性，導致托架種類多，轉場運輸不便，造成了較大的資源浪費。典型的槳葉托架產品如圖1 所示。

圖1 現有托架產品示意圖

隨著我國工業和經濟的發展，對地面保障設備也提出了更高的要求，用戶開始關注保障設備的通用性、便捷性、安全性和舒適性。除了日常的使用，還會關注運輸和存放等問題。

以需求為導向，在近幾年同類產品的設計中，通用化、輕量化和小型化的問題得到了較大改善。如一種直升機旋翼綜合托架[6]和一種直升機尾槳葉綜合托架[7]等專利技術較早提出了通用型槳葉托架的想法。2018 年，上海航空機械有限公司完成研制的某型直升機槳葉托架通過對各常規機型槳葉翼型的分析，設計了一種可調式支撐結構，實現了放置多種機型不同槳葉的通用功能；通過碳纖維復合材料結構件的選用實現了產品輕量化設計；通過伸縮結構，實現了托架的小型化設計，產品如圖1 所示。

2 槳葉托架的柔性支撐設計

2.1 產品組成

主/尾槳葉托架主要由主槳葉托框Ⅰ（1）、伸縮管（2）、快卸銷（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（11）、移動輪（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/尾槳葉托架結構組成圖

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）選用優質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度，通過膠粘和螺栓固定方式與固定套管（5）和伸縮管（2）進行連接，使托架形成矩形整體。

固定套管（5）和伸縮管（2）采用碳纖維復合材料，在保證結構強度的情況下，能夠有效實現減重優化的作用。固定套管和伸縮桿是實現托架收攏和展開的主要零件，根據托架的使用和貯存特點，設置工作和收攏兩種狀態，通過快卸銷進行固定，方便操作。同時在伸縮桿上設置限位結構，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）采用可旋轉結構，使用時向上旋轉后通過快卸銷進行固定，用于推拉托架；貯存和運輸時可將其收攏并用把手卡箍（10）進行固定，防止運輸過程中產生磕碰。

吊環（11）與主槳葉托框Ⅰ（1）和主尾槳葉托框（7）進行固定，可用于托架裝卸起吊，也可用于運輸和艦船貯存過程中的系留。托架設有4 個吊環，便于吊裝，避免起吊過程中吊帶滑動引起重心偏移造成側翻等事故，在運輸時吊環可用于和箱子底板進行系留，防止運輸過程中產品損壞。

移動輪（12）選用優質橡膠材質，前面兩個為萬向輪，后兩個為定向輪，方便托架的整體移動和轉向。

尾槳葉托布（13）和主槳葉托布（14）選用高強度牛津布材質，通過壓板（15）和螺釘與槳葉托框進行固定，在上端內側裝有橡膠墊（16）防止槳葉上端與金屬產生磕碰。

2.2 詳細結構設計措施

2.2.1 柔性懸掛支撐設計

現有主、尾槳葉大多采用復合材料成型，且主尾槳葉上下緣厚度較小，如果存放不當易對槳葉造成擠壓、磕碰，導致損壞槳葉的情況。據此，項目組設計了一種全新的柔性懸掛支撐的專利技術，采用整體框架固定托布的結構，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表面粘貼橡膠和羊毛氈等結構，解決了橡膠和羊毛氈長期使用變形后彈性變差的情況，能夠有效提升對槳葉的保護。

托布兩端通過壓板和螺釘與槳葉托框進行固定，托布中間位置縫制限動布，通過壓板和螺釘與槳葉托框凹槽下端面進行固定，使槳葉托布呈現“V”字形，具體結構見圖3。

圖3 槳葉托布結構示意圖

在使用時，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，保持相對間距的作用，同時防止槳葉上端與框架產生磕碰。托布“V”字形部分能夠起到良好的支撐槳葉重量的作用，限動部分能夠限制托布產生左右方向的晃動，避免槳葉在短距離移動過程中與托框產生碰撞。

主槳葉采用三個支撐，尾槳葉采用兩個支撐，可同時存放1 架直升機主、尾槳葉（4 片主槳葉和2 片尾槳葉），保證其在內外場短距離移動和存放功能，放置狀態如圖5 所示。

2.2.2 短程移動設計

主/尾槳葉托架設有移動輪和把手，能夠實現托架短距離移動和存放功能。把手采用可旋轉結構，通過把手安裝座與主尾槳葉托框進行連接，使用時向上旋轉并用快卸銷進行固定后使用，可實現空車單人推行和裝載兩人拖動的功能，結構如圖6 所示，使用狀態如圖7 所示。

圖6 把手示意圖

圖7 單人/兩人移動示意圖

2.2.3 減震設計

主/尾槳葉托架的柔性懸掛支撐設計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過程中出現顛簸，也只會有少量震動傳遞到槳葉處。主/尾槳葉托架通過柔性懸掛支撐設計和移動輪減震設計實現對槳葉的雙重減震保護。移動輪采用帶彈簧的減震型移動輪，進一步減少顛簸對托架主體產生的振幅。

2.2.4 小型化設計

主/尾槳葉托架采用伸縮結構，能夠有效減小托架的整體長度；把手采用旋轉結構，能夠有效降低托架高度。托架展開時尺寸為1772mm×800mm×868mm，貯存時體積為999mm×800mm×585mm，托架貯存時體積約是使用時體積的38%，尺寸如圖8 所示。

圖8 展開（上）/收攏（下）尺寸示意圖

2.3 強度校核

為了確保槳葉托架結構強度滿足在靜態額定載荷條件下，安全系數取3[8]的要求。對各主要受力部件進行受力分析：主/尾槳葉托架通過槳葉托布和槳葉托框將槳葉重量傳遞至移動輪，移動時主要通過把手和把手固定座傳遞至主尾槳葉托框，拉動托架移動，所以主要計算上述部件的承載能力。結構件采用有限元分析方法進行計算，以160kg 額載進行強度校核，主要受力件安全系數均大于3，計算結果見表1。

表1 主要受力部件強度計算匯總表

3 結論

有效保護槳葉在存放和內、外場短距離移動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槳葉托架通過采用一種柔性懸掛式支撐結構，實現對槳葉的良好柔性支撐，確保槳葉結構不受擠壓和損壞。同時，通過采用碳纖維矩形管實現托架底盤的伸縮，采用航空鋁合金材料實現托架整體減重需要。槳葉托架的柔性支撐設計能夠提高槳葉存放和移動的安全性，適用于不同翼型的槳葉，具有良好的通用性和可推廣性。