浅谈直升机地面保障设备的创新设计

张勇

摘 要：在对直升机部件进行定检、维护或更换时，需要专用的地面保障设备进行支托、存放和短距离移动。现有传统地面保障设备基本都是根据直升机型号一对一进行设计，缺乏统筹规划，导致保障设备存在功能单一、集成度低、通用性差和笨重等缺点。通过主桨毂自动倾斜器综合托架的创新设计，阐述了采用“三化”设计、小型化设计和轻量化设计等方式，打破了传统地面保障设备的结构形式，为直升机地面保障设备的发展开拓了新的思路。

关键词：保障设备;创新设计;通用化;系列化;组合化

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0040-02

0 引言

由于直升机构造复杂，飞行环境多变、操作难度大、事故突发性强等特点[1]，因此直升机的定检和维护也更加频繁，需要的地面保障设备种类也比固定翼飞机多。特别是在对旋翼、发动机、主减速器和主桨毂等大部件进行定检、维护或更换时，需要专用的地面保障设备进行支托、存放和短距离移动。

当前，我国军用飞机地面保障设备都还采用着一对一的传统专用设备，这种设备存在着开放性不足、诊断故障的准确性差、购置效费比低等诸多缺陷与不足[2]。直升机地面保障设备同样存在上述问题，每种型号直升机的同类部件都有各自的托架，相互不通用，设备笨重、体积大，在直升机转场时，地面保障设备往往需要几卡车，造成机动性差，保障成本高等问题。造成这一现状的主要原因是不重视地面保障设备的设计，能用主义太强，导致设计时墨守成规，缺乏创新意识。

1 设备现状与总体创新思路

1.1 传统地面保障设备案例分析

以一款新型的主桨毂自动倾斜器综合托架设计为例，对直升机传统地面保障设备的现状进行分析并提出创新设计的方向。现有主桨毂托架基本采用钢管、方管或矩形管焊接而成，上部安装圆柱形接头，用于支撑主桨毂，如图1所示。

从图1可以直观的得出，三个托架用于和主桨毂进行连接的接头有一个共同点，都是圆柱形接头。为了保证后续创新设计的可行性，我们进一步分析一下主桨毂和自动倾斜器的结构，如图2所示。

主桨毂和自动倾斜器在机上安装时均通过中间的花键孔与主减速器进行连接。虽然不同型号的直升机选用的主桨毂和自动倾斜器型号、大小都各不相同，但是它们的结构形式和安装方式都是一样的，这为后续主桨毂自动倾斜器综合托架的设计提供了有利条件。

1.2 原因分析与创新思路

现有主桨毂托架和自动倾斜器托架主要存在种类多、通用性差、体积大和重量重等缺点。造成这一现象的主要原因有两点：第一，各型托架结构形式基本相同，仅承载和接口不同，但每一型托架设计时仅针对该型直升机的需要进行设计，缺少统筹，缺少“三化设计”;第二，托架结构较为简单，导致设计者认为没有什么可以创新的，设计时千篇一律，均沿用原有同类产品的结构形式和材料。

创新设计（Mechkanical Creative Design）是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（含理论、方法和技术原理等）进行创新构思，设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性的一种实践活动[3]。具体来讲，创新就要打破原有的事物，最直接的方法是以问题为导向，通过创新构思改变原有形式，解决原有问题。因此，我们可以采取通用化设计来解决托架种类多、通用性差的缺点;可以借鉴婴儿车、折叠床和折叠自行车等产品的结构形式进行小型化设计，解决体积大的缺点;可以选用一些新材料、新工艺等成熟方法和技术来解决重量重的缺点等。

2 “三化”设计

“三化”是通用化、系列化、组合化的统称，是标准化的重要形式，是发展国防科技和武器装备的一项基本政策。产品的通用化从通用单元形成的情况看有两种类型，一种是统计分析现有产品，优选出通用单元，称为继承型通用化;另一种是根据总体需求，专门开发新的通用单元，称为开发型通用化。实际工作中，往往是二者的结合，既有继承，又有开发，才会取得好的效果[4]。在主桨毂自动倾斜器综合托架的设计时遵循了这一原理，通过总结各型直升机现有托架的共同点，将这个底盘设成通用件，通过更换上部接头实现不同机型主桨毂和自动倾斜器的通用，综合托架结构组成如图3所示。

主桨毂自动倾斜器综合托架由移动轮、折叠杆、牵引杆、伸缩杆、托盘、支撑杆、支撑套筒和各接头等零部件组成。转接头根据不同型号主桨毂和自动倾斜器接口尺寸进行系列化设计，在后续使用过程中如果有新型主桨毂的使用需要，仍然可以按该形式新增转接头，保证了托架具有良好的拓展性。

在组合化设计方面，打破了原有托架整体焊接的形式，分成了折叠杆、牵引杆、伸缩杆、托盘、支撑杆和支撑套筒六个主要模块，通过螺栓和快卸销等形式进行连接。每一种模块都具有良好的互换性，提高了托架的可维修性。折叠杆、牵引杆和伸缩杆等模块同样可以应用到其他托架产品中去，通过几种托架模块的不断积累，最终即可形成地面保障设備通用模块数据库，提高地面保障设备的标准化水平，缩短设计时间，降低设计成本。

传统地面保障设备“三化”设计水平的提高，需要建立专项产品标准作为依托。同样属于地面保障设备的方舱产品，在这一方面就做的比较好，曾有专家在论文中提到“从1994年开始有步骤、有目标地实施方舱产品的通用化、系列化、模块化设计和工艺及生产标准化管理工作。现已制定方舱通用件企业标准40余项，产品标准化系数已达到80%以上”[5]。而目前地面保障设备严重缺乏专项标准的规定，部分现有标准也都是八十年代左右的，缺乏对标准的及时修订，已无法有效指导产品的研发设计工作。这也是传统地面保障设备“三化”水平低，各类缺点多的原因之一。因此，传统地面保障设备的创新设计还要重视标准的建立和修订工作。

3 小型化设计

一架直升机需要几十项专用地面保障设备进行保障，才能完成定检和维护等工作，地面保障设备的存放占用了库房的很大空间。特别是在直升机进行转场或长时间野外作业时，保障设备需配套直升机一起转移，此时存放和运输体积大的问题更为突出。因此，地面保障设备小型化设计是整个创新设计的重要环节之一。

目前，部分地面保障设备采用直接将产品分解后装箱，运输到目的地后重新组装的方式，来解决运输体积大的问题。虽然该方法能够实现缩小运输体积的目的，但是简单的分解和组装的方法增加了地勤人员的工作量，而且在设备分解后往往会造成小零件丢失，导致无法重新组装而影响设备的正常使用。

反观很多日常用品，如婴儿车和折叠自行车，通过一些折叠和旋转结构的设计，很好的解决了携带和存放的问题。从这个设计思路出发，在主桨毂自动倾斜器综合托架的设计中，保证托架底盘不分解，通过采用折叠和伸缩结构组合的方式，实现产品的小型化设计，折叠后结构如图4所示。经计算折叠后托架存放面积减小了45%，有效实现了减小贮存和运输体积的要求。

4 轻量化设计

在确定了托架的结构形式后，还剩下材料选用和减重优化设计的工作。直升机传统地面保障设备一般采用钢制材料，且设计时往往预留了较大的安全系数，造成产品笨重的缺点。

随着CFRP制备技术的成熟完善和性能研究的全面深入，CFRP已经由次承力结构材料转而开始用于主承力结构材料[6]。现在，CFRP已经和铝合金、钛合金、钢合金一起成为航空、航天领域的四大结构材料[7]。碳纤维复合材料是这四种材料中最轻的一种，其结构强度高、耐腐蚀性和抗疲劳性好等特点均符合地面保障设备轻量化设计的需要。

通过对主桨毂自动倾斜器综合托架各零部件使用工况的分析，结合碳纤维复合材料工艺性和经济性的综合考虑，确定伸缩杆、支撑杆和支撑套筒选用碳纤维复合材料为结构主体，并在各接头部位采用合金钢预埋件的方式，保证采用碳纤维复合材料部分均为管类结构，这样即可实现零件轻量化的要求，又可以有效控制加工成本。同時通过有限元分析的方法，对各零件的结构尺寸进行优化，在保证结构强度和安全系数满足要求的前提下，进一步实现轻量化设计。采用碳纤维材料后，三种零件实现减重约29kg。受制于地面保障设备需求数量和加工成本的约束，自身结构较为复杂的零件目前还不适合采用碳纤维复合材料，因为这类零件的模具费和直接加工成本都较高。对主桨毂自动倾斜器综合托架的其它零件，优先选用高强度铝合金材料，实现零件的轻量化设计。通过材料的选择和有限元优化设计两种方法的实施，本产品共实现减重约59kg，与同类托架相比实现减重约50%。

5 结语

通过“三化”设计、小型化设计和轻量化设计等措施有效地解决了原有直升机主桨毂和自动倾斜器托架种类多、通用性差、体积大和重量重等缺点。主桨毂自动倾斜器综合托架的创新设计打破了直升机传统地面保障设备的结构形式，提高了设备自身的使用、贮存、运输和维护等多方位的综合能力，得到了用户和各方专家的好评，为新一代地面保障设备的发展提供了新的参考。

参考文献

[1] 李全，邹松泉，周绍华.直升机飞行员水下逃生模拟训练系统研究[J].医疗卫生装备，2013，34（12）：42.

[2] 施惠娟.军用飞机地面保障设备通用化的技术研究[J].中国科技纵横，2014（20）：52.

[3] 成经平.产品概念设计中的创新设计方法及研究[J].机电产品开发与创新，2002（3）：27.

[4] 朱宏斌.型号工程标准化[M].航空工业出版社，2004：148-149.

[5] 董春彦，顾敏，夏强辉.方舱产品标准化和“三化”设计[J].航天标准化，2000（5）：20.

[6] 肖加余，曾竟成，彭超义.碳纤维复合材料作为主承力结构在航空航天上的应用[J].NCCM-13复合材料：成本、环境与产业化，2004：1258.

[7] 李威，郭权锋.碳纤维复合材料在航天领域的应用[J].中国光学，2011，4（3）：202.