民航飞机舱门结构设计

2023-08-27陈勇皓

设备管理与维修 2023年14期

陈勇皓

（浙江力升弹簧股份有限公司，浙江乐清 325600）

0 引言

舱门是飞机的关键构成之一，主要用于人员和货物的进出，是飞机结构设计中的重点、难点，关系到飞机的飞行安全及飞行性能。现行的民航飞机适航条例对舱门提出了很多具体的设计要求，大大增加了舱门的设计难度。民航飞机舱门结构复杂，功能要求多，必须满足强度、疲劳、密封、可靠性方面的要求，同时在气动外观上还需要实现减轻重量，降低成本的设计目标。

舱门结构设计不仅关系到侧边舱门开闭的可靠性，而且直接影响舱门的机械性能、力学性能，因此，在现代军用和民用飞机设计中，舱门的设计变得越来越重要。本文针对民航飞机舱门的抬升机构、传动机构、锁闩机构等关键机构以及铺层、舱门与机身连接部位的设计展开探讨。

1 民航飞机舱门运动原理

飞机舱门可分为堵塞型、非堵塞型两大类，具体选择取决于舱门的开闭模式和负载能力。堵塞型飞机舱门仅承受机舱内部压力，而非堵塞型舱门不仅承受机舱内部压力，还需要承受机身剪力。当铰链、关闭滑轨因内部压力增大而失效时，舱门被压紧无法打开。因此，当前民航飞机多采用堵塞型舱门。

本文设计的舱门锁闩机构由机身门框的锁止块以及舱门侧面凸起的锁止块构成。舱门关闭时，两个锁止块连接共同起到限制舱门往外移动的作用。通过抬升机构错开锁止块，使舱门向外运动并开启，具体运动原理如下：

（1）转动手柄使抬升连杆运动，驱动主轴旋转，主轴带动锁闩机构解锁。此时抬升机构解除死点，保证舱门不向外运动。为确保舱门解闩、解锁的时序正确，在主轴、锁之间设置分时装置，舱门解闩且主轴接触到分时装置后方可进行解锁。

（2）舱门解闩死点位置解除后，舱门抬升解锁。解锁运动主要包括锁滚轮的滚动，其轨迹包括抬升和锁轴旋转。由于铰链臂未锁定，在舱门抬升过程中可以旋转，因此舱门侧设置两对抬升导轨用于旋转铰链臂。抬升导轨由导轨槽、滚轮组成，抬升运动由四连杆、抬升导轨共同控制。

（3）抬升舱门后需向外推动舱门外移，此时铰链臂围绕机身旋转，通过舱门顶部平行四边形机构确保舱门以平移方式向外运动。此外，舱门也是紧急逃生出口，需设置滑梯释放机构以及紧急开启辅助机构。本次设计的舱门通过预位手柄控制滑梯释放，通过压力罐提供紧急开启动力。下面对舱门的关键机构如抬升机构、锁闩机构、滑梯释放机构、侧开机构的设计进行具体分析。

2 舱门总体结构设计

机舱内部压力增大时，舱门受压，为确保其安全性、密封性满足要求，应尽量降低增压时舱门的瞬时形变，禁止出现永久形变。为此，舱门结构必须具备足够的强度和刚度。本文设计的堵塞型舱门结构主要包括舱门边框、纵梁、横向隔、主轴、手柄、观察装、铰链臂、抬升机构、锁闩机构、滑梯释放机构、重力平衡机构、平行四边形机构、蒙皮等（图1）。其中，手柄舱门中部观察窗根据实际情况确定合理定位，观察窗在舱门左侧偏上区域示。

图1 舱门基本结构

3 舱门关键构件设计

3.1 抬升机构

抬升机构是舱门的关键组成部分，主要用于实现舱门的抬升（图2）。

图2 抬升机构设计

通过手柄旋转使AB 杆（抬升摇臂）旋转，进而带动BC 杆上移，使舱门抬升。O 点为抬升机构与铰链臂的连接点；A、D 点是与舱门的连接点。为避免解除死点位置时舱门下压，使B、C、D三点共线，同时在手柄处设有卡滞装置，以确保飞机在飞行过程中手柄稳定不摇摆。舱门关闭时，弹簧顶针顶紧手柄。开启舱门时，只要旋转手柄即可使舱门抬升。

3.2 释压门

释压门，即增压保护门，主要作用于舱门开启前实现机舱内外压力平衡。关闭舱门时，释压门受到冲击压紧，因此，设计时抬升连杆并非直连释压门，而是连接压块，通过压块压紧释压门。

3.3 平行四边形机构

本文设计的飞机舱门顶部设有控制舱门平移运动的平行四边形机构，该机构直接连接机身，不能设置在舱门内部。为保持舱门内部结构的美观，同时避免外界杂物进入舱门内部，需在舱门顶部设置挡板，挡板摇臂转角40°。舱门抬升后，平行的两根杆构成平行四边形机构，和铰链臂共同控制舱门外推运动路线。

3.4 重力平衡机构

飞机舱门自重高，常人仅靠自身力量难以顺利抬升舱门，因此需设计重力平衡机构（图3）。重力平衡机构的核心部分是扭力杆，杆的一端通过花键连接主轴，另一端通过连杆连接舱门，连杆通过螺栓固定，主要作用是调节扭力。根据力学分析，关闭舱门时，扭力杆可阻碍舱门下放，起到缓冲效果。开启舱门时，扭力杆可以降低舱门抬升时需要施加的外力，起到助力效果。本次设计的重力平衡轴转角为37°。

图3 重力平衡机构

3.5 手柄机构

飞机舱门需要同时具备内开、外开功能，在设计手柄时需要同时设计内、外手柄（图4）。本文设计的舱门内、外手柄之间的传动为齿轮传动。旋转外手柄时需防止滑梯意外释放，造成安全事故。民航飞机适航条例规定，机身表面覆冰的情况下需要确保能够从飞机内部顺利开启舱门，因此，将设计内、外手柄联动关系设置成内部手柄旋转时外手柄不转动，而外部手柄旋转时内手柄实现联动。旋转内部手柄时，经齿轮传动驱动外手柄轴转动，但外手柄不转动。旋转外手柄时驱动外手柄轴转动，经齿轮传动带动内部手柄旋转。

图4 手柄机构

3.6 锁闩机构

根据适航条例要求，舱门锁闩机构需包括锁、闩两部分。锁的主要作用是确保闩机构保持锁定，闩的主要作用是将舱门保持在堵塞状态。锁、闩是一套成对出现、相互补充的舱门锁闩机构。本文设计的舱门锁闩机构主要包括闩、锁、转轴、上摇臂。

闩主要包括分时叉、曲柄、弹簧。为了满足适航条例对单个机构失效后机构仍能安全运行的要求，在舱门左右两侧对称设置两套闭锁机构。其基本原理是旋转主轴使锁旋转，此时闩不动，当锁旋转至一定角度时实现解锁，主轴滚轮正好接触分时装置，使闩轴旋转，开始解闩。解闩结束后，连杆机构通过死点位置，弹簧力使舱门向解闩方向转动，使其处于解闩状态。

锁采用过死点设计，当闩向解闩方向转动时会碰到锁的限位装置，使闩无法向解闩方向转动，从而实现锁定。

3.7 抬升导轨

根据上述舱门运动原理，除止动块外，舱门侧还设有上下两对导轮，其作用是保持舱门的正常抬升，确保其沿滑槽移动。舱门抬升时舱门转动副未锁定，因此，还需设置直接连接舱门的导轮以及连接机身的导轨，以控制舱门抬升运动路线。本文设计的舱门导轨对称设置在左右两侧，上下各一对。

3.8 滑梯预位机构

民航飞机机身距离地面较高，为达到适航条例规定的紧急撤离要求，需设计逃生滑梯。为防止舱门正常开闭时滑梯意外释放，需设计滑梯控制机构。滑梯控制机构的基本原理是通过旋转舱门顶部的滑梯预位手柄控制舱门中部拉杆，确保滑梯处于预位状态，同时驱动舱门底部滑梯预位板，使其位于机身槽内，进入预位状态。舱门开启时，滑梯预位板卡在机身槽内带出滑梯包。解除预位时，反向旋转预位手柄，使中部拉杆处于非预位状态，滑梯预位板回到舱门凹槽内。