Methodology for assessing the overall load-bearing capacity of the integrated 'fuselage-opening-door' suspension system

После предварительной проработки выбранных для реализации вариантов была сформулирована концепция, предполагающая объединение пилотской и грузовой сдвижной дверей в единый модуль изготовленного с применением композиционных материалов, модель которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Предлагаемый новый контур теоретического обвода модуля

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.1

Данная конструкция позволяет:

1. Кардинально улучшить внешний облик вертолета за счет создания единого поля с достаточно большой площадью поверхности, имеющей высокий класс исполнения, имеющими такую же фактуру и качество как при стандартном исполнении элементов конструкции.

2. Улучшить аэродинамику, существенно не меняя теоретический контур (+ 30мм к обводу фюзеляжа — максимум), но убирая из потока все элементы кинематики, узлы навески и так далее., выглаживая и повышая качество поверхности.

3. Увеличить степень надежности работы и ресурс механизмов сдвижной двери за счет защиты от попадания влаги и снега.

4. Возможность изготовления интегральной конструкции в виде полностью законченного модуля, объединяющего все элементы в единый агрегат, имеющий достаточно высокие параметры собственной жесткости и прочности клеевых соединений,

5. Обеспечить прочность и жесткость конструкции двери без внедрения в пространство внутреннего объема салона за счет увеличения строительной высоты двери, выходящей за теорию.

6. Обеспечить точность и чистоту изготовления всего модуля за счет изготовления его с единой оснасткой «макродеталью», с последующей разделкой на элементы, что обуславливает однозначную собираемость всех деталей с полным совпадением обводов контура фюзеляжа

Предлагаемая интегральная конструкция, по функциональному исполнению являясь одинаковой для кабины пилота и грузового отсека, представляет собой крупный несущий контур — проем, опирающийся на элементы силовой схемы фюзеляжа вертолета. Проем содержит элементы навески, на которых закреплена дверь. В ходе проработки вариантов изготовления модифицированной конструкции с применением композитных материалов были предложены две схемы интеграции проема в существующий силовой контур: первая схема сохраняет элементы существующего проема без изменений, вторая — предполагает незначительную доработку элементов, окаймляющих существующий проем. В обоих вариантах — окантовка проема и его конструкционные элементы устанавливаются на особый динамический клеевой шов на основе герметизирующих клеевых составов, на основе полиуретановых или эпоксидно-эластомерных компаундов. Данная схема крепления представлена схематично на рисунке 2. Выбор данного решения обсуждался на международной научно-практической конференции

[6]

.

Рисунок 2 - Конструкционная схема крепления интеграции проема в существующий силовой контур в составе модели вертолета

Примечание: 1 – силовой набор фюзеляжа вертолета, изготовленный в стандартном исполнении из алюминиевого сплава; 2 – фиксирующей вставки, конструкционно исполненной из углеродного ПКМ за счет своей конструктивной особенности такой как, расклинивания её в представленной схеме обеспечивается всей конструкции заданное положение относительно проема фюзеляжа; 3 – несущий профиль силового контура модуля, изготовленный из углеродного ПКМ с толщиной стенки ~ 3-5 мм, монтируемый в существующий проем фюзеляжа без изменения геометрических характеристик фюзеляжа вертолета; 4 – сдвижная грузовая дверь вертолета закрепленная на верхнюю и нижнюю композитную направляющую с её кинематическими элементами; 5 – уплотнительный резиновый профиль создающий надежный стык с конструктивными элементами; 6 – динамический клеевой шов заполненный в конструкционной полости ~ на 5 мм с применением полиуретанового герметика для компенсацией размерных отклонений

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.2

Для подтверждения правильности выбора конструктивно-технических решений и дальнейшего прогноза срока службы элементов кинематики сдвижной двери была предложена новая методика проведения испытаний экспериментальной оценки общей способности работы новой модели направляющих изготовленных из угле-арамидного волокна, в условиях проведения испытаний схожих с посадкой вертолета, на которого действуют аэродинамические силы. Данный метод поможет детально изучить аспект параметров механизмов грузовой двери, проанализировать упругие свойства предложенного материала в составе интегральной модели

С целью проведения натурных испытаний по оценки общей несущей способности системы навески грузовой двери вертолета, был изготовлен стенд, общий вид которого изображен на рисунке 3

Рисунок 3 - Эскиз стенда для оценки общей картины работоспособности системы навески грузовой двери

Примечание: 1 – рама; 2 – верхняя поперечная рама; 3 – нижняя поперечная рама; 4, 5 – направляющие; 6 – штатная верхняя каретка; 7 – штатная нижняя каретка; 9 – верхний кронштейн навески; 12 – площадка с дополнительными грузами 12; 13 – вибратор; 14 – трехфазный асинхронный двигатель; 15 – несбалансированный груз

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.3

Стенд состоит из: рамы 1, набранной из составных брусьев 100х100 мм. К верхней 2 и нижней 3 поперечной раме приклеены направляющие 4 и 5 на полиуретановый-герметик марки «Эласил 137–83». Направляющие являются штатными верхней и нижней направляющими дверного модуля грузовой двери и выполнены из композиционных материалов

[2]

.

В направляющие, штатным образом, установлены штатные верхняя 6 и нижняя 7 каретки со своими роликами и верхним кронштейном навески 9. На кронштейны навески установлена площадка с дополнительными грузами 12 и вибратором 13. Вес площадки с дополнительными грузами, вибратором, кронштейнами и каретками доведен до 7,5 кг. Вибратор 13 представляет из, себя трехфазный асинхронный двигатель 14 марки AUP56A4Y3 с закрепленным на валу несбалансированным грузом 15

При проведении эксперимента динамическое воздействие грузовой двери на систему навески имитировалось системой двигатель — вращающийся груз, характеризующейся как общим статическим весом всей системы, так и воспроизведением вынужденных гармонических колебаний силой, возникающей при вращении несбалансированного груза. В качестве груза равного весу модернизированной двери в сборе (7,5 кг) в конструкции стенда использован металлический каркас, изображенный на рисунке 4, оборудованный дополнительными боковыми грузами и установленным на нем трехфазным асинхронным двигателем.

Вибрационная составляющая вертикальной нагрузки из (условий принимаем, что дверь совершает при посадке вертолета движение только в вертикальной плоскости) образуется за счет возникновения инерционной нагрузки от вращения, закрепленного на валу несбалансированного груза, изображенного на рисунке 5 красной стрелкой)

Рисунок 4 - Двигатель имитирующей воздействие массы грузовой двери

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.4

Рисунок 5 - Модель несбалансированного груза

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.5

Дисбаланс закрепленного груза имеет величину 3,75 кг*мм, что при частоте вращения двигателя 1350 об/мин и плечом 100 мм дает вертикальную составляющую инерционной силы ±7,5 кг (±75 Н). С учетом указанной инерционной составляющей и общего (статического) веса каркаса с двигателем нагрузка на верхнюю направляющую, передающуюся через деформируемую силовую систему верхний кронштейн — каретка — ролики изображенная при виде сверху на рисунке 6 составит 0÷15 кг (0÷150 Н) за период колебаний (одна посадка вертолета).

В этом случае нижняя направляющая будет воспринимать через деформируемую систему навески. Двери нижний кронштейн — каретка — ролики статический момент от внецентренного приложения нагрузки — веса каркаса (центр тяжести каркаса с двигателем не лежит на одной оси с роликами каретка) и динамическую составляющую момента от инерционной силы, возникающей при вращении двигателя

Рисунок 6 - Верхний кронштейн – каретка – ролик

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.6

Так как при вращении неуравновешенного груза возникают и горизонтальные составляющие переменной силы, то для их компенсации каркас с двигателем оборудован соответствующими растяжками, воспринимающими эти усилия, показанные на рисунке 7 красной стрелкой.

Рисунок 7 - Каркас-двигателя, оборудованный растяжками

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.7

Для определения времени работы стенда (количество циклов нагружения упругой системы навески двери: кронштейн — каретка — ролики) будем исходить из следующих соображений. Общее время эксплуатации вертолета примем равным 30000 полетных часов. Тогда с учетом того, что один час полетного времени сопровождается одной посадкой, получим циклов нагружения.

При частоте оборотов двигателя 1350 об/мин получим расчетное время проведения эксперимента равное 23 мин. На рисунке 8 проиллюстрирован график изменения амплитуды циклов нагружения при максимальной силе нагружения на экспериментальный образец вовремя эксперимента

[1]

,

[9]

.

Рисунок 8 - Изменение амплитуды прилагаемых усилий к образцу во времени при испытании при нагрузке: 

белая линия - Pмак=0,95 кН; красная линия - Pмин=0,11 кН

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.8

Вместе с тем в модернизированной модели крепления налицо заметны следующие недостатки:

1. Увеличение трудозатрат и объемов работ по проектированию и изготовлению оснастки и новых образцов экспериментальных изделий из ПКМ, сравнительно с первоначальными предлагаемыми решениями в рамках работы, затрагивающими изменения только по грузовой двери.

2. Увеличение, аналогично, издержек по последующему внедрению экспериментальных технологий в существующий техпроцесс мелкосерийного производства и в последующем повлекшим за собой экспериментальных испытаний для определения достоверных значений.

3. Некоторое сравнительное удорожание себестоимости изделия за счет увеличения объема применяемых дорогостоящих материалов, а также увеличения номенклатуры деталей и, соответственно, трудозатрат на их изготовление.

4. Пусть незначительное, но фактически осуществляемое — изменение теоретического контура фюзеляжа (+30мм).

5. Возможна недостаточная жесткость двери в варианте трех опорной навески с двумя жесткими и одним динамическим (подламывающимся) шарниром.

Визуальное обследование составных частей упругой системы навески грузовой двери вертолета не выявило каких-либо следов разрушений, механических повреждений поверхностей направляющих в месте контактов роликов, лицевых поверхностей самих роликов и изменений геометрических параметров конструктивных элементов системы навески. Недопустимыми конструкционными дефектами на воздушном судне считаются: во время установки двери и рельсов, за счет прокладок необеспечение зазора между контуром двери и проемом фюзеляжа, не более чем на 3 мм, а допустимое отклонение от теоретического контура фюзеляжа не превышающие чем на 1 мм. При существующих допусках заложенных на сборку агрегатов фюзеляжа таких как: (проем двери, потолочная и нижняя панель и их элементов кинематики) невозможно обеспечить заложенные допуски и отклонения. Также в процессе эксплуатации необходимо приложение больших усилий к ручкам (наружной и внутренней) для закрытия и открытия двери.

Недостатком и возможно недопущением конструкции кинематики закрытия-открытия сдвижной двери является наличие большого числа кинематических связей и элементов, которые собираются в единый механизм на платформе (каркас двери), имеющей достаточно большие допустимые отклонения от теории и имеющей не достаточную жесткость для четкой работы вышеуказанных кинематических связей. Работоспособность конструкции после испытаний можно характеризовать не только качественным образом, но и количественными показателями на примере: промежуточного анализа износостойкости типовой конструкции из дюраль алюминиевого сплава и представленной конструкции из ПКМ. Анализ которых представлен на Рис. 9.

Рисунок 9 - Графики изнашивания элементов типовой конструкции выделенной синим цветом и конструкции из ПКМ выделенным красным цветом

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.26.9

Принимая во внимания параметры износа обеих конструкций, которые лежат в пределах одного порядка, можно говорить об их одинаковой стойкости к износу, что и может в дальнейшем послужить значимой характеристикой оценки параметра работоспособности конструкции. В схожих методиках оценки: при посадке вертолета учитывалась оценка общей максимальной массы конструкции вертолета в целом, и её оценка на дальнейший ресурс конструкции, но не выделялись и не описывались критерии характеристики новых элементов кинематики предлагаемых к внедрению в новую интегральную конструкцию.

В свете полученных результатов можно рассуждать о том, что: новые технологические подходы по улучшению физико-механических характеристик, путем изготовления новой модели направляющих из высокопрочных композитных материалов взамен существующей ранее модели, вполне могут удовлетворять всем эксплуатационным требованиям в составе конструкционной схемы креплений дверных модулей при применении их в интегральной схеме исполнения в составе модели вертолета.

Предложенная модель также устраняет существующие ранее механические недостатки, этому может свидетельствовать экспериментальная методика оценки проведения испытаний, которую можно рассматривать в качестве эталонного примера натурного характера, и давать с помощью нее оценку особенностям поведения самой конструкции, при условии схожими с посадкой вертолета. По результатам экспериментальных исследований модернизированная модель не только показывает свою надёжность и живучесть, но и еще раз убеждает нас о правильности выбора данного технологического решения, которое вполне удовлетворяет требованиям и нормам летной годности «АП-29»