AC311A型直升机加装农林喷洒设备强度符合性研究

2021-11-06彭文，张俊

农业技术与装备 2021年9期

彭文，张俊

（江西昌河航空工业有限公司，江西景德镇 333000）

AC311A 直升机是国产高原型轻型直升机，不仅可满足我国平原地区的农林喷洒作业，而且可满足西北、西南等高海拔地区的农林喷洒作业。目前，进口直升机（如AS350、BELL206）都有农林喷洒构型，且已在我国多个地区进行航空植保作业，取得了很好的效果。而国产直升机还没有农林喷洒构型，急需加装农林喷洒设备，提高其市场竞争力。为了缩短AC311A 直升机加装农林喷洒设备与STC 取证的周期，选用已在AS350 直升机上取得STC/VSTC 的进口农林喷洒设备。虽然该进口农林喷洒设备在AS350 直升机上已完成了STC/VST 的取证工作，由于在AC311A 直升机上进行加改装，需要综合考虑进口设备STC 取证的审定基础、AC311A直升机的审定基础以及CCAR-27 最新条款，确定加改装的审定基础。最终，在审定计划中列出适用的强度相关的适航条款及其符合性验证方法，并按规定的方法进行验证。本文涉及的强度符合性验证的对象主要是AC311A直升机更改部分、新增加的连接结构以及农林喷洒设备。

1 设备加改装

农林喷洒设备安装在AC311A 直升机机腹下部，通过2个前安装点和2个后安装点分别安装在前滑橇接头及后弓形件上。在前安装点处增加了一个接头组件分别连接前滑橇接头与设备，后安装点是通过设备自带的接头直接固定的后弓形件上，安装示意图，见图1。

图1 AC311A直升机加装进口农林喷洒设备示意图Fig.1 The schematic diagram of AC311A helicopter equipped with imported agricultural and forestry spraying equipment

2 符合性验证方法

2.1 适用的条款

通过对CCAR-27第C部分（强度要求）进行分析，适用于该改装项目的强度相关条款共有13 条：27.301、27.303、27.305、27.307（a）、27.309、27.321、27.337、27.339、27.341、27.471、27.549（b）、27.561、27.571，包含载荷安全系数、强度变形、结构验证、机动载荷系数、疲劳评定等要求。

2.2 验证方法

AC311A 直升机加装农林喷洒设备后，机体结构的主要受力结构和传力路线不变，改装对航空器的结构影响较小。虽然供应商提供了农林喷洒设备在AS350 直升机上加装时的强度计算分析报告，仍需结合AC311A直升机的载荷情况，对设备进行补充分析。同时，对新增加的组件、涉及的直升机结构进行强度分析。根据AC27 MG5列出的可接受的验证方法，如果结构分析方法可靠，可采用静力分析方法；该改装项目中，需进行强度验证的结构主要为金属结构，计算分析的方法（MC2）是可靠的。对于设备成品的符合性验证，可由供应商提供的工程材料说明其符合性，即设备合格性（MC9）。根据分析结果，在飞行手册补充中增加的限制条件或者维护手册补充中年增加维护项目，可作为说明文件（MC1）。另外，每一个条款都用一份符合性分析报告进行符合性说明，即符合性声明（MC0）。因此，针对适用的强度条款，可分别采用“MC0 符合性声明”“MC1 说明文件”“MC2 分析/计算”和“MC9设备合格性”的方式表明符合性，见表1。

表1 适用的强度条款及其符合性验证方法Tab.1 The applicable strength clauses and their compliance verification methods

3 符合性验证分析

3.1 计算分析（MC2）

3.1.1 过载系数

CCAR-27 要求限制机动载荷系数选取范围为3.5～-1.0，任一正限制机动载荷系数应≥2.0，负限制机动载荷系数应≤0.5。同时，在综合考虑AC27 MG5 中农林喷洒设备可接受的极限载荷系数以及AC311A直升机应急着陆最危险的单撬着陆状态的过载系数的情况下，可确定AC311A 直升机加装农林喷洒设备后的极限过载系数，见表2。

表2 极限过载系数Tab.2 The ultimate overload coefficient

3.1.2 载荷分析

（1）等效静载荷。AC311A 直升机在加装农林喷洒设备后，机体结构主要受力结构和传力路线不变，需要进行强度验证的主要是设备惯性载荷（考虑过载系数）对相关结构的作用。另外，由于设备安装在机身腹部，喷杆组件向两侧伸出，受到的飞行阻力会增加，需要限定最大飞行速度。

AC311A 直升机的最大起飞质量2 250 kg、空机质量1 375 kg、单个驾驶员体重80 kg、设备质量167 kg（含管路残余液体），可以算出任务质量为628 kg（含燃油与药液）。假设在2 250 kg 质量下飞行0.5 h（单次作业所需最长时间），由飞行手册可知，需要燃油约60 kg，由此计算出极限情况下设备与最大药液量总质量约735 kg。因此，4 个安装点的载荷主要来自药箱及其箱内药液重心处的惯性载荷，见图2。

图2 有限元模型的边界条件Fig.2 The boundary conditions of finite element model

（2）交变载荷。农林喷洒设备在正常使用过程中，不承受交变载荷；然而，考虑到直升机在喷洒作业的全过程，在起飞、爬升、巡航、俯冲下降、喷洒、着陆的作业周期中，接头组件所受应力将呈周期性变化，即“地-空-地”循环，交变载荷普示意图，见图3。按最严酷情况考虑，每次满载飞行的最大飞行过载均取3.5 g，分析结果偏保守。按20 min 完成1 次完整的喷洒作业（包括加药、飞行至作业点、喷洒、回到加药点），即1 h内载荷变化次数为3次。

图3 接头组件所受载荷谱示意图Fig.3 The schematic diagram of load spectrum of joint assembly

3.1.3 计算结果

（1）静强度分析结果。按照表2 所列5 种工况的过载系数，同时考虑安全系数1.5、接头系数1.15，计算前安装点（前滑橇接头与连接组件）的静强度；后安装点为成品，由设备符合性说明。前滑橇接头材料为30CrMnSiA，其极限强度为1 080 MPa，屈服强度为835 MPa；连接组件材料为15CrMn-MoVA，其极限强度为1 157 MPa，屈服强度为930 MPa。分析结果（表3）表明：连接组件最危险状况为向下过载4 g，所受最大应力为297 MPa，安全裕度为3.0；前滑橇接头最危险状况为向前过载2.0 g，最大应力为181 MPa，安全裕度为4.2，皆满足强度要求。

表3 前安装点强度分析结果Tab.3 The strength analysis results of front mounting point

前滑橇接头与连接组件之间采用HB 1-103 M12 螺栓连接，该螺栓许用剪力为77.42 kN，实际极限剪切力为8.4 kN，安全余量满足要求。

（2）疲劳强度分析结果。在飞行过程受最大过载3.5 g作用时，连接组件所受应力为260 MPa，动应力与静应力为：σa1=σs1=130 MPa，通过线性Goodman 修正，等效动应力σeq1=151 MPa。根据《中国航空材料手册》得到15CrMnMoVA计算安全疲劳极限为209 MPa，大于连接组件所受最大等效动应力。因此连接组件达到无限寿命设计标准，疲劳强度满足使用要求。

前滑橇接头在飞行过程受3.5 g过载作用时，所受最大应力为114 MPa，动应力与静应力分别为：σa2=σs2=57 MPa，通过线性Goodman 修正，等效动应力σeq2=61 MPa，根据《中国航空材料手册》得到30CrMnSiA 计算安全疲劳极限为170 MPa，大于前滑橇接头所受最大等效动应力。因此前滑橇接头达到无限寿命设计标准，疲劳强度满足使用要求。

3.2 设备符合性说明（MC9）

供应商提供的工程材料中，对农林喷洒设备（主要包括药箱与喷杆组件）进行了部分强度分析与试验。喷杆组件仅进行了111%Vne（Vne=90KIAS）的强度分析验证，缺少表2 喷杆组件极限过载系数状态的强度分析，需进行补充分析。喷杆材料为2A12，其σb=410 MPa。分析结果（表4）表明，喷杆组件极限安全裕度均满足要求，最危险状况为向前2 g 过载，此时喷杆斜拉杆所受压力为161 N，其压杆稳定性安全裕度为2.5。

表4 喷杆组件补充分析结果Tab.4 The supplementary analysis results of spray bar assembly

3.3 说明文件（MC1）

根据计算分析（MC2）与设备符合性说明（MC9）的分析结果，可获取部分限制或者增加的维护项目，作为飞行手册补充以及维护手册的内容。设备的工程材料提供了90KIAS 不可逾越速度对喷杆组件的强度验证，因此，90KIAS 可作为AC311A 直升机加装该设备后的不可逾越速度在飞行手册补充中加以限制。疲劳分析给出了接头组件的寿命，可在维护手册中增加接头组件的定期检查或者更换的周期。